化学气相沉积系统的种类、特点及应用
一、化学气相沉积（CVD）
1.原理：化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition 简称CVD) 是利用气态或蒸汽态的物质在气相或气固界面上发生反应生成固态沉积物的过程。
2.过程：化学气相沉积过程分为三个重要阶段：反应气体向基体表面扩散、反应气体吸附于基体表面、在基体表面上发生化学反应形成固态沉积物及产生的气相副产物脱离基体表面。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。
3.化学气相沉积法之所以得到发展，是和它本身的特点分不开的，其特点如下：
（1）沉积物种类多: 可以沉积金属薄膜、非金属薄膜，也可以按要求制备多组分合金的薄膜，以及陶瓷或化合物层。
（2） CVD反应在常压或低真空进行，镀膜的绕射性好，对于形状复杂的表面或工件的深孔、细孔都能均匀镀覆。
（3）能得到纯度高、致密性好、残余应力小、结晶良好的薄膜镀层。
（4）由于薄膜生长的温度比膜材料的熔点低得多，由此可以得到纯度高、结晶完全的膜层，这是有些半导体膜层所必须的。
（5）利用调节沉积的参数，可以有效地控制覆层的化学成分、形貌、晶体结构和晶粒度等。
（6） 设备简单、操作维修方便。
（7） 反应温度太高，一般要850-1100℃下进行，许多基体材料都耐受不住CVD的高温。采用等离子或激光辅助技术可以降低沉积温度。
二、CVD设备种类及其特点和应用领域
化学气相沉积的方法很多，如常压化学气相沉积(Atmospheric pressure CVD，APCVD)、低压化学气相沉积(Low pressure CVD，LPCVD)、超高真空化学气相沉积(Ultrahigh vacuum CVD，UHVCVD)、激光诱导化学气相沉积(Laser CVD，LCVD)、金属有机物化学气相沉积(Metal-organic CVD，MOCVD)，等离子体化学气相沉积（Plasma enhanced CVD，PECVD）等。
首先，根据CVD的加热方式，可以将CVD分为热壁和冷壁两种。市面上常见的化学气相沉积系统通常是热壁CVD，直接依靠炉体的升温对生长区进行加热。热壁CVD工艺相对更加成熟，制备成本较低，且在材料生长中表现出良好的可靠性，因此收到众多实验室的青睐。冷壁 CVD 系统通过恒流源直接对导电衬底供电加热，腔壁和样品无直接接触，仅由于热辐射传导而略微升温，因此称为“冷壁”。它的优点是其降温速度可以通过所加的恒流源控制，能够在较大的范围内控制降温速率。目前出售热壁CVD设备的厂商主要集中在中国、美国和部门欧洲国家，其中包含知名的Applied Materials、Quantum Design、Oxford Instruments及firstnano以及国内的天津中环、厦门十一维、合肥科晶等厂家。冷壁CVD则主要由国外的厂家如Quantum Design提供。
文末有全部CVD设备总结表格
（一）常压化学气相沉积（APCVD）
APCVD系统的优点是具有高沉积速率，而连续式生产更是具有相当高的产出数。其它优点还有良好的薄膜均匀度，并且可以沉积直径较大的芯片。
APCVD的缺点与限制则是须要快速的气流，通常在集成电路制程中。APCVD只应用于成长保护钝化层。此外，粉尘也会卡在沈积室壁上，因此需要经常清洗沉积室。
主要出售的厂商有firstnano、北方华创等。
（二）低压化学气相沉积（LPCVD）
低压化学气相沉积法(LPCVD)的设计就是将反应气体在反应器内进行沉积反应时的操作压力，降低到大约133Pa以下的一种CVD反应。
1.LPCVD设备特点
LPCVD低压高热环境提高了反应室内气体扩散系数和平均自由程，极大提高了薄膜均匀性、电阻率均匀性和沟槽覆盖填充能力。另外低压环境下气体物质传输速率较快，衬底扩散出的杂质和反应副产物可迅速通过边界层被带出反应区，反应气体则可迅速通过边界层到达衬底表面进行反应，因此在有效抑制自掺杂同时还可提高生产效率。再者LPCVD并不需要载子气体，因此大大降低了颗粒污染源，被广泛地应用在高附加价值的半导体产业中，用作薄膜的沉积。
2.LPCVD设备新的研发方向：低应力、多功能
对于很多微机械加工的常用材料，如氮化硅、多晶硅等，应力是不可避免的，在一些精密的MEMS工艺中需要较低的薄膜应力,以保证较小的器件形变。
（1）通过独特的气路、腔体结构设计，配合相应的工艺配方，成功实现了薄膜应力在较大范围内可控制，解决了由于薄膜应力存在，引起的变形、光学和力学性能改变的问题。
（2）满足客户对TEOS低压热解法工艺需求，对不同成膜速率多晶硅工艺需求并保证成膜均匀性和硅片翘曲度要求。
（3）多功能LPCVD设备与传统方式对比具有独特的技术，包括良好的薄膜工艺均匀性和重复性、独特的过滤系统保证腔室和器件具有良好的洁净度并易于维护、先进的颗粒控制技术、高精度温度场控制及良好的温度重复性、完整的工厂自动化接口、高速的数据采集算法等，同时具有丰富行业经验和成熟的配套工艺可满足客户对高端LPCVD设备需求。
主要出售的厂商国内有合肥科晶、Tokyo Electron、北方华创等。
（三）等离子体化学气相沉积（PECVD）
PECVD是在等离子体过程中，气态前驱物在等离子体作用下发生离子化，形成激发态的活性基团，这些活性基团通过扩散到达衬底表面，进而发生化学反应，完成薄膜生长。
1.PECVD的种类
（1）射频增强等离子体化学气相淀积（RF-PECVD）
等离子体化学气相淀积是在低压化学气相淀积的同时，利用辉光放电等离子对过程施加影响，在衬底上制备出多晶薄膜。按照等离子体发生频率划分，PECVD可分为射频等离子体和微波等离子体两种，其中射频等离子体的引入有电容耦合方式（CCP）和电感耦合方式（ICP）两种。
通常使用电容耦合生成的等离子体的电离率较低，因此导致反应前驱物离解有限，沉积效率较低；相比而言电感耦合可以产生更高密度的等离子体。在半导体制造过程中PECVD通常用于含有金属或其他对温度比较敏感的结构的衬底上的薄膜生长。
（2）甚高频等离子体化学气相淀积（VHF-PECVD）
采用RF-PECVD技术制备薄膜时，为了实现低温淀积，必须使用稀释的硅烷作为反应气体，因此淀积速度有限。VHF-PECVD技术由于VHF激发的等离子体比常规的射频产生的等离子体电子温度更低、密度更大，因而能够大幅度提高薄膜的淀积速率，在实际应用中获得了更广泛的应用。
（3）介质层阻挡放电增强化学气相淀积（DBD-PECVD）
DBD-PECVD是有绝缘介质插入放电空间的一种非平衡态气体放电（又称介质阻挡电晕放电或无声放电）。这种放电方式兼有辉光放电的大空间均匀放电和电晕放电的高气压运行特点，正逐渐用于制备硅薄膜中。
（4）微波电子回旋共振等离子体增强化学气相淀积（MWECR-PECVD）
MWECR-PECVD是利用电子在微波和磁场中的回旋共振效应，在真空条件下形成高活性和高密度的等离子体进行气相化学反应。在低温下形成优质薄膜的技术。这种方法的等离子体是由电磁波激发而产生，其常用频率为2450MHz，通过改变电磁波光子能量可直接改变使气体分解成粒子的能量和生存寿命，从而对薄膜的生成和膜表面的处理机制产生重大影响，并从根本上决定生成膜的结构、特性和稳定性。
2.影响工艺的因素
PECVD设备的性能指标主要包括:生长薄膜的均匀性，致密性，以及设备产能。要保证生长薄膜的质量，除了要保证设备的稳定性外，还必须掌握和精通其工艺原理及影响薄膜质量的各种因素，影响PECVD工艺质量的因素主要有以下几个方面：
（1）极板间距和反应室尺寸
起辉电压：间距的选择应使起辉电压尽量低，以降低等离子电位，减少对衬底的损伤。
极板间距和腔体气压：极板间距较大时，对衬底的损伤较小，但间距不宜过大，否则会加重电场的边缘效应，影响淀积的均匀性。反应腔体的尺寸可以增加生产率，但是也会对厚度的均匀性产生影响。
（2）射频电源的工作频率
射频PECVD通常采用50kHz-13.56MHz频段射频电源，频率高，等离子体中离子的轰击作用强，淀积的薄膜更加致密，但对衬底的损伤也比较大。高频淀积的薄膜，其均匀性明显好于低频，这时因为当射频电源频率较低时，靠近极板边缘的电场较弱，其淀积速度会低于极板中心区域，而频率高时则边缘和中心区域的差别会变小。
（3）射频功率
射频的功率越大离子的轰击能量就越大，有利于淀积膜质量的改善。因为功率的增加会增强气体中自由基的浓度，使淀积速率随功率直线上升，当功率增加到一定程度，反应气体完全电离，自由基达到饱和，淀积速率则趋于稳定。
（4）气压
形成等离子体时，气体压力过大，单位内的反应气体增加，因此速率增大，但同时气压过高，平均自由程减少，不利于淀积膜对台阶的覆盖。气压太低会影响薄膜的淀积机理，导致薄膜的致密度下降，容易形成针状态缺陷；气压过高时，等离子体的聚合反应明显增强，导致生长网络规则度下降，缺陷也会增加。
（5）衬底温度
衬底温度对薄膜质量的影响主要在于局域态密度、电子迁移率以及膜的光学性能，衬底温度的提高有利于薄膜表面悬挂键的补偿，使薄膜的缺陷密度下降。衬底温度对淀积速率的影响小，但对薄膜的质量影响很大。温度越高，淀积膜的致密性越大，高温增强了表面反应，改善了膜的成分。
3.高产能管式PECVD的市场需求
晶硅电池市场上对高产能管式PECVD设备的需求量巨大且迫切，高产能管式PECVD顺势产生。它即将为晶硅电池制造商降低综合成本起到重要作用，为晶硅电池太阳能电池的更快发展创造更大的内生动力。
高产能管式PECVD设备，单台设备可容纳5个工艺管，单管产能已达到400片，几乎不需增加工艺时间，能适用于156-162mm规格的硅片，单台产能可满足110MW以上的生产线，成膜均匀性良好。
主要出售的厂商有Oxford Instruments、Lam research、Applied Materials、北方华创、沈阳拓荆等。
（四）原子层化学气相沉积（ALCVD）
ALD 是一种薄膜沉积过程，允许原子层厚度分辨率、高纵横比表面的卓越一致性以及无针孔层。这是通过自我限制反应中原子层的连续形成来实现的。
原子层化学气相沉积的自限制性和互补性致使该技术对薄膜的成份和厚度具有出色的控制能力，所制备的薄膜保形性好、纯度高且均匀。
（1）ALD过程通常存在初始沉积和后续生长两个不同的沉积阶段，薄膜的生长模式分别表现为岛状生长和层状生长，其中初始沉积阶段对薄膜形态有着不可忽略的影响。
（2）改变工艺条件结果表明薄膜的粗糙度受前驱体温度、反应室真空度、基片温度等多种因素的影响 。其中基片温度对初始沉积时间和生长速率的影响最为显著。在温度窗口内，基片温度越低，薄膜生长越缓慢，初始沉积时间越长，表面粗糙度增加;随着基片温度的升高，初始沉积过程越短暂，薄膜很快封闭，温度越高，生长速率越趋近于单分子层循环，表面粗糙度也越小。
主要出售的厂商有firstnano、Applied Materials、Tokyo Electron等。
（五）气相外延（VPE）
气相外延是一种单晶薄层生长方法。气相外延广义上是化学气相沉积的一种特殊方式，其生长薄层的晶体结构是单晶衬底的延续，而且与衬底的晶向保持对应的关系。
气相外延发挥重要作用的典型代表是Si气相外延和GaAs以及固溶体气相外延。Si气相外延是以高纯氢气作为输运和还原气体，在化学反应后生成Si原子并沉积在衬底上，生长出晶体取向与衬底相同的Si单晶外延层，该技术已广泛用于Si半导体器件和集成电路的工业化生产。GaAs气相外延通常有两种方法：氯化物法和氢化物法，该技术工艺设备简单、生长的GaAs纯度高、电学特性好，已广泛的应用于霍尔器件、耿氏二极管、场效应晶体管等微波器件中。
主要出售的厂商有北方华创等。
（六）有机金属化学气相沉积（MOCVD）
有机金属化学气相沉积（MOCVD）是把反应物质全部以有机金属化合物的气体分子形式,用H2作载带气体送到反应室,进行热分解反应而形成化合物半导体的一种新技术。
与其他外延生长技术相比，MOCVD技术有着如下优点：
(1) 用于生长化合物半导体材料的各组分和掺杂剂都是以气态的方式通入反应室，因此，可以通过精确控制气态源的流量和通断时间来控制外延层的组分、掺杂浓度、厚度等。可以用于生长薄层和超薄层材料。
(2) 反应室中气体流速较快。因此，在需要改变多元化合物的组分和掺杂浓度时，可以迅速进行改变，减小记忆效应发生的可能性。这有利于获得陡峭的界面，适于进行异质结构和超晶格、量子阱材料的生长。
(3) 晶体生长是以热解化学反应的方式进行的，是单温区外延生长。只要控制好反应源气流和温度分布的均匀性，就可以保证外延材料的均匀性。因此，适于多片和大片的外延生长，便于工业化大批量生产。
(4) 通常情况下，晶体生长速率与Ⅲ族源的流量成正比，因此，生长速率调节范围较广。较快的生长速率适用于批量生长。
(5) 使用较灵活。原则上只要能够选择合适的原材料就可以进行包含该元素的材料的MOCVD生长。而可供选择作为反应源的金属有机化合物种类较多，性质也有一定的差别。
(6) 由于对真空度的要求较低，反应室的结构较简单。
(7) 随着检测技术的发展，可以对MOCVD的生长过程进行在位监测。
MOCVD技术的主要缺点大部分均与其所采用的反应源有关。首先是所采用的金属有机化合物和氢化物源价格较为昂贵，其次是由于部分源易燃易爆或者有毒，因此有一定的危险性，并且，反应后产物需要进行无害化处理，以避免造成环境污染。另外，由于所采用的源中包含其他元素(如C，H等)，需要对反应过程进行仔细控制以避免引入非故意掺杂的杂质。
主要出售的厂商有中微半导体设备等。
（七）高密度等离子体化学气相沉积（HDPCVD）
HDP-CVD 是一种利用电感耦合等离子体源的化学气相沉积设备，HDP-CVD能够在较低的沉积温度下产生比传统PECVD设备更高的等离子体密度和质量。此外，HDP-CVD 提供几乎独立的离子通量和能量控制，提高了沟槽或孔填充能力。HDP-CVD 配置的另一个显著优势是，它可以转换为用于等离子体刻蚀的 ICP-RIE，在预算或系统占用空间受限时，优势明显。
在HDP CVD工艺问世之前，大多数芯片厂普遍采用PECVD进行绝缘介质的填充。这种工艺对于大于0.8微米的间隔具有良好的填孔效果，然而对于小于0.8微米的间隙，PECVD工艺一步填充具有高的深宽比的间隔时会在间隔中部产生夹断和空洞。在探索如何同时满足高深宽比间隙的填充和控制成本的过程中诞生了HDPCVD工艺，它的突破创新之处在于，在同一个反应腔中同步地进行沉积和刻蚀工艺。
主要出售的厂商有Lam research、Applied Materials、北方华创等
（八）微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）
微波等离子体（MPCVD）将微波发生器产生的微波用波导管经隔离器进入反应器，并通入 CH4与 H2的混合气体，在微波的激励下，在反应室内产生辉光放电，使反应气体的分子离化，产生等离子体，在衬底上沉积得到金刚石膜。
微波等离子化学气相沉积（MPCVD）适合制备面积大、均匀性好、纯度高、结晶形态好的高质量硬质薄膜和晶体。MPCVD是制备大尺寸单晶金刚石有效手段之一。该方法利用电磁波能量来激发反应气体。由于是无极放电，等离子体纯净，同时微波的放电区集中而不扩展，能激活产生各种原子基团如原子氢等，产生的离子的最大动能低，不会腐蚀已生成的金刚石。 通过对MPCVD沉积反应室结构的结构调整，可以在沉积腔中产生大面积而又稳定的等离子体球，因而有利于大面积、均匀地沉积金刚石膜，这一点又是火焰法所难以达到的，因而微波等离子体法制备金刚石膜的优越性在所有制备法中显得十分的突出。
（1）主要出售的厂商有Quantum Design、NEO coat等。
（九）高温化学气相沉积（HTCVD）
高温化学气相沉积是碳化硅晶体生长的重要方法。HTCVD生长碳化硅晶体是在密闭的反应器中，外部加热使反应室保持所需要的反应温度（2000℃-2300℃）。高温化学气相沉积是在衬底材料表面上产生的组合反应，是一种化学反应。它涉及热力学、气体输送及膜层生长等方面的问题，根据反应气体、排出气体分析和光谱分析，其过程一般分为以下几步：混合反应气体到达衬底材料表面；反应气体在高温分解并在衬底材料表面上产生化学反应生成固态晶体膜；固体生成物在衬底表面脱离移开，不断地通入反应气体，晶体膜层材料不断生长。
主要出售的厂商有天津中环电炉等。
（十）中温化学气相沉积（MTCVD）
世界上主要硬质合金工具生产公司，利用HTCVD和MTCVD技术相结合，研究开发出新型的超级硬质合金涂层材料，有效地解决了在高速、高效切削、合金钢重切削、干切削等机械加工领域中，刀具使用寿命低的难高强度题才引起广泛的重视。目前，已在涂层硬质合金刀具行业投入生产应用，效果十分显著。
主要出售的厂商有天津中环电炉等。
（十一）激光诱导化学气相沉积（LCVD）
LCVD是利用激光束的光子能量激发和促进化学气相反应的沉积薄膜方法。在光子的作用下，气相中的分子发生分解，原子被激活，在衬底上形成薄膜。这种方法与常规的化学气相沉积(CVD)相比，可以大大降低衬底的温度，防止衬底中杂质分布截面受到破坏，可在不能承受高温的衬底上合成薄膜。与等离子体化学气相沉积方法相比，可以避免高能粒子辐照在薄膜中造成损伤。
根据激光在化学气相沉积过程中所起的作用不同可以将LCVD分为光LCVD和热LCVD，它们的反应机理也不尽相同。光LCVD是利用反应气体分子或催化分子对特定波长的激光共振吸收，反应分子气体收到激光加热被诱导发生离解的化学反应，在合适的制备工艺参数如激光功率、反应室压力与气氛的比例、气体流量以及反应区温度等条件下形成薄膜。光LCVD原理与常规CVD主要不同在于激光参与了源分子的化学分解反应，反应区附近极陡的温度梯度可精确控制，能够制备组分可控、粒度可控的超微粒子。
热LCVD主要利用基体吸收激光的能量后在表面形成一定的温度场，反应气体流经基体表面发生化学反应，从而在基体表面形成薄膜。热LCVD过程是一种急热急冷的成膜过程，基材发生固态相变时，快速加热会造成大量形核，激光辐照后，成膜区快速冷却，过冷度急剧增大，形核密度增大。同时，快速冷却使晶界的迁移率降低，反应时间缩短，可以形成细小的纳米晶粒。
主要出售的厂商有深圳市森美协尔科技等。
（十二）电感耦合等离子体化学气相沉积（ICPCVD）
电感耦合等离子体源中高密度等离子体的产生意味着该技术能在低温下实现高质量低损伤的介质薄膜沉积。低温沉积意味着可以成功地处理温度敏感的薄膜和器件。在低温度的条件下可沉积优质低损伤的薄膜，在衬底温度低至5ºC的条件下，可沉积的典型材料包括SiO2、Si3N4、SiON，Si和SiC，ICP源的尺寸有65mm，180mm，300mm，可在最大200mm的晶圆上保证工艺的均匀性，电极温度范围：5ºC至400ºC，利用实时终点监控进行腔室清洗。
主要出售的厂商有Oxford Instruments等。
（十三）热丝化学气相沉积系统（HFCVD）
热丝化学气相沉积是指用灼热钨丝加热分解碳物质，激活化学气相反应，制备金刚石膜的工艺方法。这种方法的特点是设备简单，工艺条件较易控制，金刚石膜生长速率比化学输运法快，因而很快在全世界的金刚石膜研究中得到广泛应用，成为制备金刚石膜的主要方法之一。这种方法的缺点是钨丝在工作过程碳化变脆以致断裂，并给金刚石膜带来污染，这个问题尚难解决。另一个问题是活性粒子浓度较低，金刚石膜生长速率难以提高，并且对醛材表面要求也很严。
热丝CVD多用于钻石的生产，主要包含卧式灯丝支架，张紧系统，直流电源；不锈钢双壁反应釜；气体面板（H2，CH4，N2等），抽油系统和微调压力，机器控制PLC，带有独立热交换器的冷却回路。
主要出售的厂商有芬兰的NEO coat公司等。
| 种类 | 主要特点 | 应用领域 |
| 常压化学气相沉积（APCVD） | 成本较低，结构简单，生产效率高 | 制备多晶硅、二氧化硅、磷硅玻璃等 |
| 低压化学气相沉积（LPCVD） | 提高了薄膜均匀性、电阻率均匀性，改善了沟槽覆盖填充能力 | 制备二氧化硅、氮化硅、多晶硅、磷硅玻璃、硼磷硅玻璃、掺杂多晶硅、石墨烯、碳纳米管等多种薄膜。 |
| 等离子体化学气相沉积（PECVD） | 反应温度低，提高了薄膜纯度与密度，节省能源，降低成本，提高产能 | 浅槽隔离填充，侧壁隔离，金属连线介质隔离 |
| 原子层化学气相沉积（ALCVD） | 生长温度较低，薄膜均匀性和致密性较好 | 晶体管栅极介电层和金属栅电极等半导体和纳米技术领域 |
| 气相外延（VPE） | 设备简单，生长的GaAs纯度高，电学特性好 | Si气相外延：Si半导体器件和集成电路的工业化生产。 GaAs气相外延：霍尔器件、耿氏二极管、场效应晶体管等微波器件中。 |
| 有机金属化学气相沉积（MOCVD） | 实现对孔隙和沟槽很好的合阶覆盖率 | 用于GaN系半导体材料的外延生长和蓝色、绿色或紫外发光 二极管芯片的制造 |
| 高密度等离子体化学气相沉积（HDPCVD） | 改善PECVD薄膜的致密性、沟槽填充能力和生长速率 | CMOS集成电路的浅沟槽隔离 |
| 微波等离子气相沉积（MPCVD） | 制备面积大、均匀性好、纯度高、结晶形态好 | 高质量硬质薄膜和晶体、大尺寸单晶金刚石 |
| 高温化学气相沉积（HTCVD） | 沉积温度过高，沉积速率过快，会造成晶体组织疏松、晶粒粗大甚至会出 现枝状结晶。 | 碳化硅晶体 |
| 中温化学气相沉积（MTCVD） | 制备的薄膜具有均匀性和致密性 | 硬质合金涂层材料 |
| 激光诱导化学气相沉积（LCVD） | 大大降低衬底的温度，防止衬底中杂质分布截面受到破坏;可以避免高能粒子辐照在薄膜中造成损伤。 | 制备晶体硅、金刚石、纳米碳管、超硬膜、介质膜、微电子薄膜 |
| 电感耦合等离子体化学气相沉积（ICPCVD） | 用电感耦合等离子体CVD技术制备的薄膜，其化学成分的变化可以通过工艺条件来控制。由于不同的工艺条件对等离子体组成的作用强度不同，造成薄膜中的原子具有不同的键和形式，从而引起薄膜的结构、光学性质、运输特性的巨大差异。 | |
| 热丝化学气相沉积系统（HFCVD） | 设备简单，工艺条件较易控制，金刚石膜生长速率比化学输运法快。 | 多用于钻石的生产、 |
