化学气相沉积省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、化学气相沉积化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,CVD)是利用气态或蒸气是利用气态或蒸气态物质在气相或气固界面上反应生成态物质在气相或气固界面上反应生成固态沉积物技术。固态沉积物技术。20世纪世纪60年代早期年代早期美国,美国,John M Blocher Jr等人提出等人提出 Sir CVD3第3页古代古代 古人类取暖或烧烤时熏在岩洞壁古人类取暖或烧烤时熏在岩洞壁或岩石上黑色碳层;或岩石上黑色碳层;中国古代炼丹术中中国古代炼丹术中“升炼升炼”(最早记载最早记载).CVD发展历史发展历史4第4页当代当代CVD技术用于刀具涂层:技术用于刀具涂层:碳化钨合金刀具经碳化
2、钨合金刀具经CVD进行进行Al2O3,TiC及及TiN复合涂层处理后切削性复合涂层处理后切削性能显著提升,寿命成倍增加。能显著提升,寿命成倍增加。其中,其中,TiN涂层色泽金黄,涂层色泽金黄,“镀黄镀黄刀具刀具”20世纪世纪50年代年代5第5页CVD技术用于技术用于半导体和集成电路制备半导体和集成电路制备技术技术:半导体超纯硅原料半导体超纯硅原料超纯多晶硅唯一超纯多晶硅唯一生产方法;生产方法;III-V族、族、II-VI族半导体基本生产族半导体基本生产方法。方法。20世纪世纪60年代年代6第6页前苏联:前苏联:低压低压CVD金刚石薄膜生长技术金刚石薄膜生长技术20世纪世纪70年代年代7第7页1
3、990年以来年以来 我国在低压我国在低压CVD金刚石生长热力学方面金刚石生长热力学方面,依据非平衡热力学原理,开拓了非平衡依据非平衡热力学原理,开拓了非平衡定态相图及其计算新领域,从理论和试定态相图及其计算新领域,从理论和试验对比上定量化地证实反自发方向反应验对比上定量化地证实反自发方向反应能够经过热力学反应能够经过热力学反应耦合依靠另一个自耦合依靠另一个自发反应提供能量控制来完成。发反应提供能量控制来完成。8第8页CVD 物理气相沉积物理气相沉积(PVD)Physical Vapor DepositionHPCVD LPCVD LCVD MOCVD 9第9页2.技术原理与特点技术原理与特点沉
4、积反应如在气固界面上发生,沉沉积反应如在气固界面上发生,沉积物将按原有固态基底积物将按原有固态基底(衬底衬底)形状成形状成膜。膜。例:涂层刀具例:涂层刀具保形性保形性可得到可得到单一产物单一产物,并作为原材料,并作为原材料制备。制备。例:气相分解硅多晶硅。例:气相分解硅多晶硅。10第10页假如采取基底材料,假如采取基底材料,沉积物达一定沉积物达一定厚度后可与厚度后可与基底基底分离,得到游离沉积分离,得到游离沉积物物,例例:碳化硅器皿和金刚石膜部件。碳化硅器皿和金刚石膜部件。可可沉积生成晶体或纳米超细粉末生成晶体或纳米超细粉末;例:生成银朱或丹砂或者。沉积反应发生在气相中而不在基底表面,得到无机
5、合成物质能够是很细粉末,甚至是纳米超细粉末。11第11页CVD技术要求技术要求3)操作易控。)操作易控。1)原料)原料:气态或易于挥发液气态或易于挥发液/固态。固态。2)产物易生成)产物易生成,副产物易分离。副产物易分离。12第12页CVD反应类型反应类型n热分解反应沉积热分解反应沉积n氧化还原反应沉积氧化还原反应沉积n其它合成反应沉积其它合成反应沉积n化学输运反应沉积化学输运反应沉积n等离子增强反应沉积等离子增强反应沉积n其它能源增强反应沉积其它能源增强反应沉积13第13页1.1.热分解热分解金属、半导体、绝缘体等金属、半导体、绝缘体等真空或惰性气体气氛真空或惰性气体气氛中加热衬底,中加热衬
6、底,达所需温度后,通入反应物气体达所需温度后,通入反应物气体使之热解,在衬底上沉积出固体使之热解,在衬底上沉积出固体材料层。材料层。14第14页(1)氢化物氢化物CH4,SiH4,GeH4,B2H6,PH3 对应元素对应元素离解能较小,热解温度低离解能较小,热解温度低15第15页(2)金属烷氧基化合物金属烷氧基化合物 对应元素氧化物对应元素氧化物 16第16页(3)氢化物氢化物+有机烷基化合物有机烷基化合物 化合物半导体化合物半导体 有机烷基金属为原料有机烷基金属为原料金属有机化学气相沉积金属有机化学气相沉积(MOCVD)17第17页金属有机化学气相沉积金属有机化学气相沉积(Metal-Org
7、anic Chemical Vapor Deposition)有机烷基金属通常是气体或易挥发物质,制备金属或金属化合物薄膜时,常采取这些有机烷基金属为原料,形成了MOCVD技术。18第18页n(4)金属羰基化合物金属羰基化合物金属薄膜金属薄膜Pt(CO)2Cl2 Pt(s)+2CO(g)+Cl2 (600 oC)(180 oC)Ni(CO)4 Ni(s)+4CO(g)19第19页n(5)金属单氨配合物金属单氨配合物GaCl3NH3 GaN+3HCl (800900 oC)AlCl3NH3 AlN+3HCl (8001000 oC)氮化物氮化物20第20页2.氧化还原反应沉积氧化还原反应沉积n氧
8、化沉积氧化沉积 一些元素氢化物或有机烷基化合物常是气态或是易于挥发液体或固体适合用于CVD技术中。假如同时通入氧气,在反应器中发生氧化反应时就沉积出对应于该元素氧化物薄膜。21第21页n元素氢化物或有机烷基化合物,通元素氢化物或有机烷基化合物,通入氧气入氧气对应元素氧化物对应元素氧化物22第22页n用氢气还原气态卤化物、羰基卤化用氢气还原气态卤化物、羰基卤化物和含氧卤化物物和含氧卤化物 对应金属对应金属氢还原沉积氢还原沉积23第23页(3)(3)其它合成:制备各种碳化物、其它合成:制备各种碳化物、氮化物、硼化物等薄膜和涂层氮化物、硼化物等薄膜和涂层24第24页3.其它合成反应沉积其它合成反应沉
9、积n两种或两种以上反应原料气在沉积反应器中相互作用合成得到所需要无机薄膜或其它材料形式。n比如:25第25页4.化学输运反应沉积化学输运反应沉积n某温度气化分解,另一温度反应沉积某温度气化分解,另一温度反应沉积薄膜、晶体、粉末等薄膜、晶体、粉末等ZnS(s)+2I2(g)2ZnI2(g)+S2(g)T1T21400C3000CW(s)+3I2(g)WI6(g)通常通常T1T2例外例外26第26页化学输运反应沉积n有时原料物质本身不易分解,而需添加另一物质(称为输运剂)来促进输运中间气态产物生成。n比如:27第27页ZnSe(s)(s)+2I2(g)(g)2ZnI2(g)(g)+Se2(g(g)
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