化学气相沉积(薄膜技术).ppt

薄膜技术-7 化学气相沉积 主 要 内 容 化学气相沉积背景 化学反应类型 化学气相沉积的热力学 化学气相沉积的动力学 化学气相沉积设备 一、化学气相沉积背景 反应气体输运 气体组分的扩散 表面吸附 表面扩散 表面化学反应 副产物解离脱附 二、化学反应类型 热解反应 还原反应 氧化反应 置换反应 歧化反应 气相输运 CVD的特点： 一个固相+几个气相 反应可逆 三、CVD过程的热力学 化学反应方程: 各组分自由能 反应自由能 温度： ΔH0 0：T↑，K ↑ ，有利于生成物反应； ΔH0 0： T↑，K ↓ ，有利于反应物生成； 提高温度，有利于化学反应向吸热方向进行； 压力： 提高压力，有利于化学反应向减小体积的方向进行； 热力学计算目的及其复杂性： 预测化学反应进行的可能性；提供化学反应的平衡点位置；了解工艺参数对平衡点的影响； 热力学计算必须包括实际化学反应过程中所涉及的所有化学反应 热力学计算结果只能定性预测化学气相沉积过程的方向与限度 处理实际问题时，还需考虑气体运输特性等动力学因素的影响 四、CVD过程的动力学 气体的运输 宏观流动 气体的强制对流 ← 压力差 气体的自然对流 ← 温度不均 气体扩散 气相反应 表面吸附、表面反应 吸附与脱俯 表面扩散 表面化学反应及形成薄膜结构 输运与粘滞流: 气体输运过程中，气体与器壁或基片相对运动而产生摩擦 → 粘滞现象 粘滞流使基片表面附近速度不均匀分布 → 对薄膜生长控制具有指导意义； 平板表面气流界面层厚度函数： 气体输运过程 气体在容器流动0.1r0Re 气体速度分布为抛物线形式分布 粘滞流层厚度与薄膜生长: 粘滞流层将薄膜生长和反应物层流分开，因此影响着反应物向基片的输运和薄膜生长； 提高反应气体向基片的输运，需要减小粘滞流层的厚度； 提高气体流速，增加气体雷诺数值；CVD中雷诺数在几百左右；但增加气体成本 当气体雷诺数超过2100时，将发生层流向涡流的转变；不稳定的气体涡旋将影响薄膜生长的稳定性； 雷诺数与气体的密度和粘滞系数有关； 气体的对流(Convection)： 对流是与扩散不同的气体流动方式； 特点：热气上升、冷气下降； 抑制对流的方法： 提高气流流速可抑制对流； 高温区上置可抑制对流； 对流的利用：对流可以提高质量输运，从而提高薄膜的生长速率； 气体的扩散: 气相边界层 化学组分浓度梯度引起扩散 气体的扩散流通量： 一级化学反应：反应速度与反应物浓度的一次方成正比； 二级化学反应：反应速度与反应物浓度的乘积成正比； 的缺乏导致沉积预测困难 扩散通量J 表面俘获几率δ 凝聚系数Sc 扩散通量中最终溶入薄膜的分子比例 决定薄膜的生长速率 PVD: Sc≈1 CVD:Sc小，平衡时，Sc=0 物理吸附:vander Waals力 化学吸附：化学键 扩散需要克服相应的能垒Es 温度对扩散和脱附的作用 沉积机制控制温度区 脱附机制控制温度区 温度与生长速率: 扩散沉积流:正比于气体从体内到基片表面的浓度梯度和扩散系数; 反应消耗流: 动态平衡关系: 生长类型: 高温生长：kshg ,扩散控制 低温生长：kshg, 表面反应控制 生长速率: 反应生成热与生长速率: 正向反应是放热反应: ΔH + 0，ΔH ?0 T↑ ，反向反应速率＞正向反应 薄膜生长速率↓ 正向反应是吸热反应: ΔH + 0，ΔH ?0 T↑，反向反应速率＜正向反应 薄膜生长速率↑ 反应气体在x方向上流速不变 整体温度恒定 长度足够大 轴向生长速率方程: 当基片法向方向与气体流动的方向垂直时,所导致的薄膜生长速率的不均匀称为轴向均匀性问题; 质量扩散流:质量流在基片两端的差等于沉积质量; 浓度的变化率: 稳态解: 轴向生长速率的均匀性: 扩散速度小于气流速度 沉积速率随距离的增加呈指数下降! 薄膜的轴向生长速率严重不均匀; 倾斜基片使薄膜生长的均匀性得以改善; 提高气体流速v和装置的尺寸b 调整装置内温度分布，影响扩散系数D的分布 五、CVD装置 气体传输和计量装置 加热、冷却系统 真空系统 5.1 高温和低温CVD装置 气相反应物的过饱和度 沉积温度 炉体：冷壁型、热壁型 炉壁加热方式：射频加热/辐射加热 样品放置：倾斜/平置 特点：简单经济、稳定高效；腐蚀、污染、耗能； 应用：外延Si薄膜制备、TiN, TiC等超硬涂层等 工作温度: ≤700℃ 应用领域：主要用于集成电路、电子器件等对沉积温度有比较严格限制的绝缘薄膜制备； 集成电路中