化学气相沉积技术原理及应用前景

化学气相沉积技术原理及应用前景

摘要：化学气相沉积技术(Chemical vapor deposition，简称CVD)是近几十年发展起来的制备无机材料的新技术。化学气相沉积法已经广泛用于提纯物质、研制新晶体、沉积各种单晶、多晶或玻璃态无机薄膜材料。本论文简述了化学气相沉积（CVD）的发展历史，论述了化学气相沉积技术的基本原理及其特点和最新发展起来的具有广泛应用前景的几种 CVD 新技术, 同时分析展望了其应用发展前景。

关键字：化学气相沉积，CVD，热分解，MOCVD

一 化学气相沉积简介

化学气相沉积是利用气态或蒸气态的物质在气相或气固界面上反应生成固态沉积物的技术。化学气相沉积的英文词原意是化学蒸气沉积(Chemical Vapor Deposition,简称CVD)，因为很多反应物质在通常条件下是液态或固态，经过汽化成蒸气再参与反应的。

这一名称是在20世纪60年代初期由美国J. M. Blocher Jr.等人在《Vapor Deposition》一书中首先提出的。Blocher还由于他对CVD国际学术交流的积极推动被尊称为“Sir CVD\，在20世纪60年代前后对这一项技术还有另一名称，即蒸气镀Vapor Plating，而Vapor Deposition一词后来被广泛地接受。

作为现代CVD技术发展的开始阶段在20世纪50年代主要着重于刀具涂层的应用。这方面的发展背景是由于当时欧洲的机械工业和

机械加工业的强大需求。以碳化钨作为基材的硬质合金刀具经过CVD Al2O3 ,TiC及TiN复合涂层处理后切削性能明显地提高，使用寿命也成倍地增加，取得非常显著的经济效益，因此得到推广和实际应用。

从二十世纪六七十年代以来由于半导体和集成电路技术发展和生产的需要，CVD技术得到了更迅速和更广泛的发展。CVD技术不仅成为半导体级超纯硅原料-超纯多晶硅生产的惟一方法，而且也是硅单晶外延、砷化镓等Ⅲ-V族半导体和Ⅱ-Ⅵ族半导体单晶外延的基本生产方法。

在集成电路生产中更广泛地使用CVD技术沉积各种掺杂的半导体单晶外延薄膜、多晶硅薄膜、半绝缘的掺氧多晶硅薄膜;绝缘的二氧化硅、氮化硅、磷硅玻璃、硼硅玻璃薄膜以及金属钨薄膜等。在制造各类特种半导体器件中，采用CVD技术生长发光器件中的磷砷化镓、氮化镓外延层等，硅锗合金外延层及碳化硅外延层等占有很重要的地位。

化学气相沉积已经广泛用于提纯物质、研制新晶体、淀积各种单晶、多晶或玻璃态无机薄膜材料。这些材料可以是氧化物、硫化物、氮化物、碳化物，也可以是 III-V、II-IV、IV-VI 族中的二元或多元的元素间化合物。目前，化学气相沉积已成为材料合成化学的一个新领域。

二 化学气相沉积原理及其技术 2.1 CVD原理

CVD是利用气态物质在固体表面进行化学反应,生成固态沉积物的工艺过程。它一般包括三个步骤(图2.1):(1)产生挥发性物质;(2)将挥发性物质输运到沉积区;(3)于基体上发生化学反应而生成固态产物。

图2.1 CVD反应系统示意图

最常见的化学气相沉积反应有:热分解反应、化学合成反应和化学传输反应等。下面就每种沉积反应举例说明。 热分解反应:

(1)氢化物分解,沉积硅:

SiH4(g) 800 ～ 1000 ℃ Si(s)+2H2 (2)金属有机化合物分解,沉积Al2O3:

2Al(OC3H7)3 Al 2O3+6C3H6 +3H2O (3)羰基氯化物分解,沉积贵金属及其他过渡族金属:

℃ Pt(CO)2Cl2 600 Pt+2CO +Cl2

420℃ ～240℃

Ni(CO)4 140 Ni+4CO

化学合成反应主要用于绝缘膜的沉积: (1) 沉积SiO2:

SiH4+2O2 SiO2+2H2O (2) 沉积Si3N4:

3SiCl4+4NH3 Si3N4+12HCl

化学传输反应主要用于稀有金属的提纯和单晶生长: (1) Zr的提纯:

550℃ Zr(s)+2I2(g) 250 ～ ZrI4(g) Zr(s)+2I2(g)

1300～1400℃

850～900℃ 325～475℃

(2) ZnSe单晶生长:

ZnSe(s)+I2(g) ZnI2(g)+1/2Se2(g)

2.2 CVD技术

反应器是CVD装置最基本的部件。根据反应器结构的不同,可将CVD技术分为开管气流法和封管气流法两种基本类型。

封管法:这种反应系统是把一定量的反应物和适当的基体分别放在反应器的两端,管内抽真空后充入一定量的输运气体,然后密封,再将反应器置于双温区内,使反应管内形成一温度梯度。温度梯度造成的负自由能变化是传输反应的推动力,于是物料就从封管的一端传输到另一端并沉积下来。封管法的优点是:(1)可降低来自外界的污染;(2)不必连续抽气即可保持真空;(3)原料转化率高。其缺点是:(1)材料生长速率慢,不利于大批量生产;(2)有时反应管只能使用一次,沉积成本较