薄膜材料與薄膜技術3課件(PPT 160頁)

1、薄膜與高新技術 材料、信息技術與能源稱為現(xiàn)代人類文明的三大支柱。國民經(jīng)濟的各部門和高技術領域的發(fā)展都不可避免地受到材料發(fā)展的制約或推動。新材料的發(fā)展水平成為了衡量國家技術水平和綜合實力的重要標志。 何謂“新材料”？簡單地說，就是那些新出現(xiàn)或已在發(fā)展中的，在成分、組織、結(jié)構、形態(tài)等方面不同于普通材料，具有傳統(tǒng)材料所不具備的優(yōu)異性能和特殊功能的材料。 何謂“高技術”？簡單地說，就是采用新材料、新工藝，產(chǎn)生更高效益，能促進人類物質(zhì)文明和精神文明更快進步的技術。 而薄膜，正是一種新型的材料，薄膜技術是一種新型的高技術。第1頁，共160頁。薄膜材料受到關注的理由：(1) 薄膜技術是實現(xiàn)器件輕薄短小化和系

2、統(tǒng)集成化的有效手段。(2) 隨著器件的尺寸減小乃至粒子量子化運動的尺度，薄膜材料或其器件將顯示出許多全新的物理現(xiàn)象。薄膜技術是制備這類新型功能器件的有效手段。(3) 薄膜氣相沉積涉及從氣相到固相的超急冷過程，易于形成非穩(wěn)態(tài)物質(zhì)及非化學計量的化合物膜層。(4) 由于鍍料的氣化方式很多，通過控制氣氛還可以進行反應沉積，因此，可以得到各種材料的膜層；可以較方便地采用光、等離子體等激發(fā)手段，在一般條件下，即可獲得在高溫、高壓、高能量密度下才能獲得的物質(zhì)。(5) 通過基板、鍍料、反應氣氛、沉積條件的選擇，可對界面結(jié)構、結(jié)晶狀態(tài)，膜厚等進行控制；表面精細，便于光刻制電路圖形；有成熟經(jīng)驗，易于在其他應用領域

3、中推廣。第2頁，共160頁。市場份額由2004年的71億美元增長到2009年的135億美元年平均增長幅度達到13.7%。采用薄膜技術材料在世界范圍內(nèi)所占的市場第3頁，共160頁。薄膜與工作、生活的聯(lián)系 互聯(lián)網(wǎng)與薄膜技術等離子壁掛電視 發(fā)展迅猛的TFT-LCD 生物計算機與薄膜技術 正在進展中的人造大腦 微機械使重癥患者起死回生 加速度傳感器 實現(xiàn)MEMS的薄膜與微細加工技術 原子的人工組裝 碳納米管和富勒烯第4頁，共160頁?；ヂ?lián)網(wǎng)與薄膜技術 當今信息社會，人們通過電視機、收音機、手機、互聯(lián)網(wǎng)等，可即時看到或聽到世界上所發(fā)生的“鮮”、“活”新聞，如同人們長上了千里眼、順風耳。完成這一切，需要許

4、多采集、處理信息及通信網(wǎng)絡設備，而這些設備都需要數(shù)量巨大的元器件、電子回路、集成電路等。薄膜技術是制作這些元器件、電子回路、集成電路的基礎。通過互聯(lián)網(wǎng)可以按計劃、遠距離、隨心所欲地操作自宅家電可代替人工作的機器人將出現(xiàn)在我們面前第5頁，共160頁。等離子壁掛電視 以等離子體平板顯示器、液晶顯示器為代表的平板顯示器。畫面對角線超過2.5，厚度僅有幾厘米，圖像清晰、逼真的壁掛式PDP已在機場、車站、會議室乃至家庭中廣泛采用。 目前，可折疊卷曲的顯示器正在研究中，而且人們欣賞立體畫面的時代已為期不遠。與此同時，發(fā)光二極管顯示器、有機電致發(fā)光顯示器等也在急速發(fā)展之中。畫面對角線106cm的等離子壁掛彩

5、電第6頁，共160頁。薄膜材料的簡單分類薄膜材料涂層或厚膜薄膜(1um)(力,熱,磁,生物等)第7頁，共160頁。薄膜材料的制備技術薄膜材料的制備技術真空技術噴涂電鍍物理氣相沉積技術(PVD)化學氣相沉積技術(CVD)蒸發(fā)-機械-化學方法大于1um第8頁，共160頁。薄膜材料的表征薄膜材料的表征結(jié)構物性組份電子結(jié)構光學性質(zhì)電學性質(zhì)力,熱,磁,生物等性質(zhì)晶體結(jié)構第9頁，共160頁。真空區(qū)域的劃分粗真空：1105 1102 Pa。低真空： 1102 1101 Pa。高真空： 1101 1106 Pa。超高真空： 1106 Pa。第10頁，共160頁。11/40半導體薄膜：Si介質(zhì)薄膜：SiO2，S

6、i3N4, BPSG（硼磷硅玻璃），金屬薄膜：Al，Cu，W，Ti， 在集成電路制備中，很多薄膜材料由淀積工藝形成.單晶薄膜：Si, SiGe（外延）多晶薄膜：poly-Si第11頁，共160頁。12/401）化學氣相淀積 Chemical Vapor Deposition (CVD)所需固體薄膜一種或數(shù)種物質(zhì)的氣體，以某種方式激活后，在襯底表面發(fā)生化學反應，并淀積出所需固體薄膜的生長技術。 例如：APCVD, LPCVD, PECVD, HDPCVD2）物理氣相淀積 Physical Vapor Deposition (PVD)利用某種物理過程實現(xiàn)物質(zhì)的轉(zhuǎn)移，即將原子或分子轉(zhuǎn)移到襯底（硅）表

7、面上，并淀積成薄膜的技術。例如：蒸發(fā) evaporation，濺射sputtering兩類主要的淀積方式第12頁，共160頁。13/40除了CVD和PVD外，制備薄膜的方法還有:銅互連是由電鍍工藝制作旋涂Spin-on鍍/電鍍electroless plating/electroplating第13頁，共160頁。一、化學氣相沉積的基本原理化學氣相沉積: 通過氣相化學反應的方式將 反應物沉積在基片表面的一 種薄膜制備技術. 三個基本過程化學反應及沉積過程反應物的輸運過程去除反應副產(chǎn)物過程第14頁，共160頁。15/40化學氣相淀積（CVD）單晶 (外延）、多晶、非晶（無定型）薄膜半導體、介質(zhì)、

8、金屬薄膜常壓化學氣相淀積（APCVD），低壓CVD (LPCVD)，等離子體增強淀積（PECVD）等CVD反應必須滿足三個揮發(fā)性標準在淀積溫度下,反應劑必須具備足夠高的蒸汽壓除淀積物質(zhì)外,反應產(chǎn)物必須是揮發(fā)性的淀積物本身必須具有足夠低的蒸氣壓第15頁，共160頁。化學氣相沉積中的基本化學反應1.熱分解反應SiH4 (氣) Si (固) + 2H2 (氣)2.還原反應SiCl2(氣) + 2H2 (氣) Si (固) + 4HCl (氣) 3.氧化反應-制備氧化物SiH4(氣) + O2(氣) SiO2(固) + 2H2(氣) 4.氮化或碳化反應-制備氮化物和碳化物3SiH4(氣) + 4NH3

9、(氣) Si3N4(固) + 12H2(氣)3TiCl4(氣) + CH4(氣) TiC(固) + 4HCl(氣)5.化合反應-化合物制備Ga(CH3)2(氣) + AsH3(氣) GaAs(固) + 3CH4(氣) 第16頁，共160頁。化學氣相沉積的優(yōu)缺點可以準確控制薄膜的組分及摻雜水平使其組分具有理想化學配比；可在復雜形狀的基片上沉積成膜；由于許多反應可在大氣壓下進行，系統(tǒng)不需要昂貴的真空設備；高沉積溫度會大幅度改善晶體的完整性；可以利用某些材料在熔點或蒸發(fā)時分解的特點而得到其他方法無法得到的材料；沉積過程可以在大尺寸基片或多基片上進行。 化學氣相沉積是制備各種各樣薄膜材料的一種重要和普

10、遍使用的技術，利用這一技術可以在各種基片上制備元素及化合物薄膜。其優(yōu)點是：化學反應需要高溫；反應氣體會與基片或設備發(fā)生化學反應；在化學氣相沉積中所使用的設備可能較為復雜，且有許多變量需要控制。其缺點是：第17頁，共160頁。化學氣相沉積制備的薄膜材料第18頁，共160頁。第19頁，共160頁。1化學氣相沉積制備非晶BN薄膜Nakamura使用的沉積條件為：B10H14氣壓 2105NH3氣壓 2.71030.11PaNH3 / B10H14 1:40基片溫度 3001150沉積時間 30300min使用的基片 Ta、Si和SiO2第20頁，共160頁。2化學氣相沉積制備金屬氧化薄膜用此裝置，A

11、jayi等人制備了Al2O3、CuO、CuO/ Al2O3和In2O3金屬氧化膜。沉積條件：將Ar通入裝置，在保持420溫度2h下可長成厚度為1020nm的氧化膜，最后經(jīng)退火處理12h,便可得到產(chǎn)物。第21頁，共160頁。3催化化學氣相沉積低溫沉積SiN膜沉積條件為：催化器溫度 12001390基片溫度 230380沉積過程氣壓 71000PaSiH4氣氣壓 724Pa（N2H4+N2)/SiH4 010SiH4流量 210sccm第22頁，共160頁。4激光化學氣相沉積 激光化學氣相沉積是通過使用激光源產(chǎn)生出來的激光束實現(xiàn)化學氣相沉積的一種方法。包括兩種機制：光致化學反應、熱致化學反應。 在

12、光致化學反應中，具有足夠高能量的光子用于使分子分解并成膜，或與存在于反應氣體中其他化學物質(zhì)反應并在鄰近的基片上形成化合物膜；在熱致化學反應中，激光束用于加熱源實現(xiàn)熱致分解，在基片上引起的溫度升高控制著沉積。 應用激光化學沉積，已經(jīng)制備出了Al、Ni、Au、Si、SiC、多晶Si和Al/Au膜。第23頁，共160頁。5 光化學氣相沉積 當高能光子有選擇地激發(fā)表面吸附分子或氣體分子而導致斷裂、產(chǎn)生自由化學粒子形成膜或在鄰近地基片上形成化合物時，光化學沉積便發(fā)生了。這一過程強烈地依入射線地波長，光化學沉積可由激光或紫外光燈來實現(xiàn)。除了直接的光致分解過程外，也可由汞敏化光化學氣相沉積獲得高質(zhì)量薄膜。

13、其優(yōu)點是：沉積在低溫下進行、沉積速度快、可生長亞穩(wěn)相和形成突變結(jié)。 應用光化學氣相沉積，已經(jīng)得到許多膜材料：各種金屬、介電和絕緣體，化合物半導體非晶Si和其他的合金如a-SiGe。第24頁，共160頁。6 汞敏化學氣相沉積制備a-Si:H膜 實驗條件 Ar作為攜載氣體將SiH4氣體導入真空室。使用的低壓汞燈的共振線分別2537nm184.9nm?；瑴囟?00350。氣體流速為（SiH4， 130sccm; Ar, 100700sccm)。汞敏化過程:Hg* + SiH4 (氣) Hg + Si (固) + 2H2 (氣)第25頁，共160頁。7 Si2H6直接光致分解沉積a-Si:H膜 實驗

14、條件 由微波激發(fā)引起的H2放電管用作真空紫外線源，用He稀釋的Si2H6/He和He流量分別為50sccm和150sccm。壓強為267Pa,基片為玻璃或硅片，在基片溫度為50350時沉積持續(xù)5h。第26頁，共160頁。8 激光輔助制備a-SiOX膜的光致化學沉積 實驗條件 Si2H6和N2O的混合氣體通過多孔盤噴射到幾片表面，基片溫度保持在300，當N2O/ Si2H6流量比大于200時可以得到產(chǎn)物。第27頁，共160頁。9 用激光光化學沉積制備具有高擊穿電場的SiN薄膜 實驗條件 使用ArF激光器，NH3和硅烷比為：5：1，總氣壓為33Pa，沉積溫度為225625。第28頁，共160頁。利

15、用光化學氣相沉積制備的薄膜第29頁，共160頁。第30頁，共160頁。10 等離子體化學氣相沉積 通過射頻場,直流場或微波場使得反應氣體呈等離子體態(tài),其中的電子運動(1-20eV)導致氣體分子的電離分解,形成自由原子,分子,離子團簇,沉積在基片表面。 優(yōu)點：低溫沉積、沉積速度快、易生長亞穩(wěn)相。 應用等離子體化學氣相沉積，可以制備多種薄膜材料：金屬、介電和絕緣體，化合物半導體,非晶態(tài)和其他的合金相。第31頁，共160頁。11 等離子體增化學氣相沉積第32頁，共160頁。第33頁，共160頁。12 交錯立式電極沉積a-Si:H膜實驗條件： 氣體混合比SiH4/(SiH4+H2) 10%100% 射

16、頻功率密度 1020mW/cm2 總氣壓 13267Pa SiH4流量 60sccm 基片溫度 200300第34頁，共160頁。13 遠等離子體增強CVD沉積SiO2或Si3N4膜沉積步驟： 1、氣體或混合氣體的射頻受激； 2、受激N2 或O2 傳輸離開等離子區(qū)； 3、受激N2 或O2 與SiH4 或Si2H6 反應； 4、在加熱基片處，實現(xiàn)最后的化學氣相 沉積反應過程。第35頁，共160頁。遠等離子體增強化學氣相沉積參數(shù)第36頁，共160頁。14 感應加熱等離子體助化學氣相沉積SiN膜實驗條件： 感應加熱等離子體在感應耦合石英管中產(chǎn)生，N2引入這個石英管中，氣壓保持在133Pa, 所施加的

17、射頻功率為34K。第37頁，共160頁。沉積SiNX介電薄膜的微波受激等離子體增強化學氣相沉積實驗條件： 射頻為2.45GHz的微波通過長方形波導管導入石英管中。基片放在沉積室中，并由基片加熱器加熱到600。真空室的真空度為1.33105Pa。第38頁，共160頁。電子回旋共振等離子體系統(tǒng) 等離子體室接受頻率為2.45GHz的微波，微波由微波源通過波導和石英窗導入，電子回旋共振在875G磁場下發(fā)生，從而獲得高度激活的等離子體。第39頁，共160頁。制備金剛石膜的直流等離子體化學氣相沉積 由直流等離子體化學氣相沉積，使用CH4,H2作為反應氣體，在Si和a-Al2O3基片上，成功生長出了金剛石薄

18、膜。第40頁，共160頁。中空陰極沉積a-Si:H薄膜 未稀釋的SiH4氣體以一定的流量通入真空室，真空室總氣壓保持在67Pa。從中空陰極到垂直陰極筒40mm處放置基片，薄膜沉積在接地且溫度保持在230的基片上。放電功率通過改變直流電流（2515mA)來改變。第41頁，共160頁。沉積a-Si的脈沖電磁感應系統(tǒng) 脈沖等離子體由通入70kA的電流的螺線管線圈激發(fā)所產(chǎn)生，放電管充滿SiH4/Ar氣，薄膜沉積在與放電管相垂直的基片上。第42頁，共160頁。制備a-SiC:H的電場增強的 PECVD 頻率為13.56MHz的射頻源感應耦合到感應器上。源氣體SiH4和CH4用H2稀釋保持CH4/(SiH

19、4+H2)的流量比在075之間，反應器的壓強為67Pa，基片溫度為200500之間，射頻功率固定在50W,直流電壓從300變到250V。第43頁，共160頁。二、電鍍電鍍:通過電流在導電液中的流動而產(chǎn)生化學反應,最終在陰極上沉積某一物質(zhì)的過程。電鍍方法只適用于在導電的基片上沉積金屬或合金。在70多種金屬中只有33種金屬可以用電鍍法來制備,最常用的金屬有14種: Al, As, Au, Cd, Co, Cu, Cr, Fe, Ni, Pb, Pt, Rh, Sn, Zn.優(yōu)點:生長速度快,基片形狀可以是任意的.缺點:生長過程難以控制.第44頁，共160頁。電鍍第45頁，共160頁。2.1、化學鍍

20、 化學鍍:不加任何電場，直接通過化學反應而實現(xiàn)薄膜沉積的方法。它是一種非常簡單的技術，不需要高溫，而且經(jīng)濟實惠。利用化學鍍方法制備的產(chǎn)物有：金屬膜（如Ni、Co、Pd、Au)；氧化物膜（如PbO2TlO3、In2O3、SnO2、Sb摻雜的SnO2膜、透明導電硬脂酸鈣、氧化鋅和Al摻雜的氧化鋅膜）；其他材料（如CdS、NiP、Co/Ni/P、Co/P、ZnO、Ni/W/P、C/Ni/Mn/P、Cu/Sn、Cu/In、Ni、Cu、Sn膜等）。第46頁，共160頁。2.2、陽極反應沉積法陽極反應沉積法又稱陽極氧化法,是通過陽極反應來實現(xiàn)的氧化物的沉積.在陽極反應中，金屬在適當?shù)碾娊庖褐凶鳛殛枠O，而金

21、屬或石墨作為陰極,當電流通過時，金屬陽極表面被消耗并形成氧化涂層,也就是在陽極金屬表面生長氧化物薄膜。主要用于金屬氧化物涂層的制備.第47頁，共160頁。第48頁，共160頁。2.3、LB技術 Langmuir-Blodgett (LB)技術:利用分子活性在氣液界面上形成凝結(jié)膜，將該膜逐次疊積在基片上形成分子層的方法。基本原理:一清潔親水基片在待沉積單層擴散前浸入水中，然后單層擴散并保持在一定的表面壓力狀態(tài)下，基片沿著水表面緩慢抽出，則在基片上形成一單層膜。三種LB膜:X型-基片下沉;Y型-基片下沉和抽出;Z型-基片抽出.第49頁，共160頁。 物理氣相沉積: 通過物理的方法使源材料發(fā)射氣相粒

22、子然后沉積在基片表面的一種薄膜制備技術. 三個基本過程發(fā)射粒子的輸運過程源材料粒子的發(fā)射過程粒子在基片表面沉積過程三、薄膜制備的物理方法第50頁，共160頁。物理氣相沉積方法真空蒸發(fā)濺射離子束和離子輔助外延生長技術根據(jù)源材料粒子發(fā)射的方式不同,物理氣相沉積可以分為以下幾類:第51頁，共160頁。3.1、真空蒸發(fā)沉積真空蒸發(fā)沉積薄膜具有簡單便利、操作容易、成膜速度快、效率高等特點，是薄膜制備中最為廣泛使用的技術，缺點是形成的薄膜與基片結(jié)合較差，工藝重復性不好。大量材料都可以在真空中蒸發(fā)，最終在基片上凝結(jié)以形成薄膜。真空蒸發(fā)沉積技過程由三個步驟組成：1、蒸發(fā)源材料由凝聚相轉(zhuǎn)變成氣相；2、在蒸發(fā)源與

23、基片之間蒸發(fā)粒子的輸運；3、蒸發(fā)粒子到達基片后凝結(jié)、成核、長大、成膜。第52頁，共160頁。真空蒸發(fā)沉積的物理原理 在時間t內(nèi)，從表面A蒸發(fā)的最大粒子數(shù)dN為：dN/Adt=(2mkT)-1/2P如果d0是在距點源正上方中心h處的沉積厚度，d為偏離中心l處的厚度，則：d/d0=1/1+(l/h)23/2d/d0=1/1+(l/h)22如果是小平面蒸發(fā)源第53頁，共160頁。真空蒸發(fā)技術電阻加熱蒸發(fā)閃爍蒸發(fā)法電子束蒸發(fā)激光蒸發(fā)電弧蒸發(fā)射頻加熱真空蒸發(fā)系統(tǒng):真空室,蒸發(fā)源,基片第54頁，共160頁。電阻加熱蒸發(fā) 電阻加熱蒸發(fā)法是將待蒸發(fā)材料放置在電阻加熱裝置中，通過電路中的電阻加熱給待沉積材料提供

24、蒸發(fā)熱使其汽化。電阻加熱蒸發(fā)法是實驗室和工亞生產(chǎn)制備單質(zhì)、氧化物、介電質(zhì)、半導體化合物薄膜的最常用方法。這類方法的主要缺點是： 1、支撐坩鍋及材料與蒸發(fā)物反應； 2、難以獲得足夠高的溫度使介電材料如 Al2O3、Ta2O5、TiO2等蒸發(fā)； 3、蒸發(fā)率低； 4、加熱時合金或化合物會分解。第55頁，共160頁。閃爍蒸發(fā)法 在制備容易部分分餾的多組員合金或化合物薄膜時，應用閃爍蒸發(fā)法可以克薄膜化學組分偏離蒸發(fā)物原有組分的困難。閃爍蒸發(fā)技術已用于制備III-V族化合物、半導體薄膜、金屬陶瓷薄膜、超導氧化物薄膜。其缺陷是待蒸發(fā)粉末的預排氣較困難；可能會釋放大量的氣體，膨脹的氣體可能會發(fā)生“飛濺”現(xiàn)象。

25、 第56頁，共160頁。電子束蒸發(fā) 在電子束蒸發(fā)技術中，一束電子通過電場后被加速，最后聚焦到待蒸發(fā)材料的表面。當電子束打到待蒸發(fā)材料表面時，電子會迅速損失掉自己的能量，將能量傳遞給待蒸發(fā)材料使其熔化并蒸發(fā)。 在電子束蒸發(fā)系統(tǒng)中，電子束槍是其核心部分，電子束槍可分為熱陰極和等離子體電子兩種類型。第57頁，共160頁。電子束蒸發(fā)第58頁，共160頁。激光蒸發(fā)在激光蒸發(fā)方法中，激光作為熱源使待蒸鍍材料蒸發(fā)。其優(yōu)點是：1、減少來自熱源的污染；2、減少來自待蒸鍍材料支撐物的污染；3、可獲得高功率密度激光束，使高熔點材料也可以以較高的沉積速率被蒸發(fā)；4、由于光束發(fā)散性較小，激光及其相關設備可以相距較遠；5

26、、容易實現(xiàn)同時或順序多源蒸發(fā)。應用右圖所示裝置，F(xiàn)ujimor等人應用連續(xù)波長CO2激光器作為加熱源制備了碳膜。第59頁，共160頁。 Mineta等人用CO2激光器作為熱源可將Al2O3、Si3N4和其他陶瓷材料沉積到鉬基片上。Yang和Cheung利用脈沖激光技術在GaAs和玻璃基片上制備了SnO2薄膜。第60頁，共160頁。 Sankur和Cheung利用以上裝置在各種基片上制備了具有高度擇優(yōu)取向、透明的ZnO薄膜。 以上裝置用于制備Cd3As2薄膜。第61頁，共160頁。Baleva等人應用以上裝置制備了Pb1-xCdxSe 薄膜。Scheibe等人應用以上裝置蒸發(fā)沉積金和碳薄膜。第6

27、2頁，共160頁。Serbezov等人應用以上裝置制備了YBa2Cu3O7-X薄膜。Russo 等人用以上裝置制備了金屬過渡層和YBCO薄膜。第63頁，共160頁。電弧蒸發(fā)真空電弧蒸發(fā)屬于物理氣相沉積，在這一方法中，所沉積的粒子：1、要被產(chǎn)生出來；2、要被輸運到基片；3、最后凝聚在基片上以形成所需性質(zhì)的薄膜。等離子體的輸運可由簡單模型來描述，遠離陰極的離子電流密度可寫成：Ji=FIG(,)/2r2沉積率可寫為：Vd=JiCsmi/eZ基片的熱通量可為：S=Jiuh第64頁，共160頁。電弧沉積設備第65頁，共160頁。射頻加熱通過射頻加熱的方式使源材料蒸發(fā).特點:通過射頻線圈的適當安置,可以使

28、待鍍材料蒸發(fā)，從而消除由支撐坩鍋引起的污染.蒸發(fā)物也可以放在支撐坩鍋內(nèi)，四周用濺射線圈環(huán)繞。例如:Thompson和Libsch使用氮化硼坩鍋，通過感應加熱沉積了鋁膜。第66頁，共160頁。3.2、濺射在某一溫度下,如果固體或液體受到適當?shù)母吣茈x子的轟擊,那么固體或液體中的原子通過碰撞有可能獲得足夠的能量從表面逃逸,這一將原子從表面發(fā)射的方式叫濺射.濺射是指具有足夠高能量的粒子轟擊固體表面使其中的原子發(fā)射出來。第67頁，共160頁。濺射的基本原理 濺射是轟擊離子與靶粒子之間 動量傳遞的結(jié)果.左圖可以證明 這一點：（a)濺射出來的粒子角分布取 決于入射粒子的方向；（b)從單晶靶濺射出來的粒子 顯

29、示擇優(yōu)取向； (c)濺射率不僅取決于入射粒子 的能量，也取決于其質(zhì)量。（d)濺射出來的粒子的平均速率 比熱蒸發(fā)粒子的平均速率高 的多。第68頁，共160頁。輝光放電系統(tǒng)(入射離子的產(chǎn)生)濺射區(qū)電弧區(qū)第69頁，共160頁。輝光放電區(qū)輝光放電時明暗光區(qū)分布示意圖靶基片第70頁，共160頁。濺射鍍膜的特點相對于真空蒸發(fā)鍍膜，濺射鍍膜具有如下優(yōu)點：1、對于任何待鍍材料，只要能做成靶材，就可實現(xiàn)濺射；2、濺射所獲得的薄膜與基片結(jié)合較好；3、濺射所獲得的薄膜純度高，致密性好；4、濺射工藝可重復性好，膜厚可控制，同時可以在大面積 基片上獲得厚度均勻的薄膜。濺射存在的缺點是：沉積速率低，基片會受到等離子體的輻

30、 照等作用而產(chǎn)生溫升。第71頁，共160頁。濺射參數(shù)濺射閾值：將靶材原子濺射出來所需的最小能量值。濺射率：有稱濺射產(chǎn)額或濺射系數(shù),表示入射正離子轟擊靶陰極 時,平均每個正離子能從靶陰極中打出的原子數(shù)。濺射粒子的速度和能量：濺射原子所獲得的能量值在110eV。 1.原子序數(shù)大的濺射原子逸出時能量較高，而原子序數(shù)小的濺射 原子濺射逸出的速度較高。 2.在相同的轟擊能量下，濺射原子逸出能量隨入射離子的質(zhì)量而 線性增加。 3.濺射原子平均逸出能量隨入射離子能量的增加而增大，擔當入 射離子能量達到某一較高值時，平均逸出能量趨于恒定。第72頁，共160頁。濺射裝置根據(jù)濺射裝置中電極的特點,其種類可以分為：

31、1. 直流濺射: 靶材是良導體.2. 射頻濺射: 靶材可以是導體,半導體和絕緣體.3. 磁控濺射: 通過磁場約束電子的運動以增強電子對 工作氣體的電離效率。4.離子束濺射第73頁，共160頁。輝光放電直流濺射 盤狀的待鍍靶材連接到電源的陰極，與靶相對的基片則連接到電源的陽極。通過電極加上15kV的直流電壓，充入到真空室的中性氣體如Ar便會開始輝光放電。第74頁，共160頁。直流二級濺射制備薄膜實例第75頁，共160頁。三級濺射第76頁，共160頁。射頻濺射制備薄膜實例第77頁，共160頁。第78頁，共160頁。磁控濺射實例磁控濺射陰極特征Serikawa和Okamoto設計了左圖中所示的裝置，

32、并用其制備了硅膜。第79頁，共160頁。磁控濺射實例Kobayashi等人用以上裝置制備了具有高沉積率的難熔金屬硅酸鹽膜。Chang等人用以上系統(tǒng)可以獲得高沉積率濺射Ni。第80頁，共160頁。磁控濺射實例Yoshimoto等人用以上裝置制備了Bi-Sr-Ca-Cu-O膜。Cuomo和Rossuagel等人用以上裝置制備了Ta/Au膜。第81頁，共160頁。對靶濺射實例Hoshi等人研制出的這套系統(tǒng)可以獲得高沉積率的磁性膜且不必大幅升高基片溫度。第82頁，共160頁。磁控濺射制備薄膜實例第83頁，共160頁。第84頁，共160頁。3.3、離子束濺射在離子束濺射沉積中，在離子源中產(chǎn)生的離子束通過

33、引出電壓被引入到真空室，爾后直接達到靶上并將靶材原子濺射出來，最終沉積在附近的基片上。第85頁，共160頁。離子束濺射的特點相對于傳統(tǒng)濺射過程,離子束濺射具有如下優(yōu)點：1.離子束窄能量分布使得濺射率可以作為離子能量的函數(shù).2.離子束可以精確聚焦和掃描.3.離子束能量和電流的可控性.離子束濺射的主要缺點：濺射面太小導致沉積速率過低.第86頁，共160頁。離子束濺射(I)制備碳膜的濺射條件：Kitabatake和Wasa使用左圖中所示的裝置沉積了碳膜，也研究了氫離子轟擊效應。第87頁，共160頁。離子束濺射(II)Jansen等人用上面的裝置制備了高純度的碳膜，也研究了加氫對非晶碳性質(zhì)的影響。Ta

34、keuchi等人用上面裝置濺射沉積了Cu和RuO2膜。第88頁，共160頁。離子束濺射(III)Gulina使用Ar離子束通過濺射壓制粉末ZnTe做成的靶制備了ZnTe膜。離子束濺射沉積ZnTe的實驗條件如下表所示。第89頁，共160頁。離子束濺射(IV)Krishnaswamy等人報道了在單晶CdTe基片上，離子束濺射外延生長了CdTe和HgCdTe膜。實驗裝置如左圖，實驗條件如下表。第90頁，共160頁。離子束濺射(V)第91頁，共160頁。離子(束)輔助沉積離子(束)輔助沉積:離子(束)參與蒸發(fā)或濺射粒子的輸運和沉積過程的物理氣相沉積.離子(束)輔助沉積主要優(yōu)點是：1.所制備薄膜與基片結(jié)

35、合好；2.沉積率高.第92頁，共160頁。離子與基片表面的相互作用1.離子轟擊導致基片表面雜質(zhì)吸附的脫附 和濺射.可以用于基片清洗.2.離子轟擊導致薄膜表層原子的混合,提 高薄膜與基片的結(jié)合力.3.離子轟擊導致表面擴散的增強,提高生長 面的均勻性.第93頁，共160頁。特例：蒸發(fā)離子鍍離子鍍是在真空條件下，利用氣體放電使氣體或被蒸發(fā)物部分離化，產(chǎn)生離子轟擊效應，最終將蒸發(fā)物或反應物沉積在基片上。離子鍍集氣體輝光放電、等離子體技術、真空蒸發(fā)技術于一身，大大改善了薄膜的性能。優(yōu)點是：1、兼有真空蒸發(fā)鍍膜和濺射的優(yōu)點；2、所鍍薄膜與基片結(jié)合好；3、到達基片的沉積粒子繞射性好；4、可用于鍍膜的材料廣泛

36、；5、沉積率高；6、鍍膜前對鍍件清洗工序簡單且對環(huán)境無污染。第94頁，共160頁。3.4、外延生長外延是指生長層與基片在結(jié)構上有著嚴格的晶體學關系,外延生長就是在基片上取向或單晶生長確定的薄膜材料.同質(zhì)外延:生長外延層和襯底是同一種材料異質(zhì)外延:外延生長的薄膜材料和襯底材料不同， 或者說生長化學組分、甚至是物理結(jié)構和襯底完全不同的外延層，相應的工藝就叫做異質(zhì)外延主要的外延生長技術:分子束外延(MBE);液向外延(LPE);熱壁外延(HWE);金屬有機化學氣相沉積(MOCVD).第95頁，共160頁。第96頁，共160頁。第97頁，共160頁。第98頁，共160頁。第99頁，共160頁。第100

37、頁，共160頁。第101頁，共160頁。生長指數(shù)第102頁，共160頁。第103頁，共160頁。第104頁，共160頁。第105頁，共160頁。分子束外延特點（MBE) 分子束外延是在超高真空條件下，精確控制原材料的中性 分子束強度，并使其在加熱的基片上進行外延生長的一種 技術。 分子束外延的特點是： 1.由于系統(tǒng)是超高真空，因此雜質(zhì)氣體不易進入薄膜，薄 膜的純度高； 2.外延生長一般可在低溫下進行； 3.可嚴格控制薄膜成分及摻雜濃度； 4.對薄膜進行原位檢測分析，從而可以嚴格控制薄膜的生 長及結(jié)構。第106頁，共160頁。分子束外延裝置第107頁，共160頁。液相外延生長(LPE)第108頁

38、，共160頁。第109頁，共160頁。熱壁外延生長(HWE)第110頁，共160頁。熱壁外延生長裝置第111頁，共160頁。外延層缺陷及檢測 外延層質(zhì)量直接關系到做在它上面的各種器件的性能，所以應檢測、分析外延層缺陷及產(chǎn)生原因，并對外延層特征量進行測試：外延層缺陷分析圖形漂移和畸變層錯法測外延層厚度檢測內(nèi)容電阻率測量第112頁，共160頁。外延層缺陷分析外延層中的缺陷有表面缺陷和內(nèi)部晶格結(jié)構缺陷（體內(nèi)缺陷）。通常體內(nèi)缺陷會顯現(xiàn)在表面。表面缺陷：云霧狀表面、角錐體、表面突起、劃痕、星狀體、麻坑等。體內(nèi)缺陷： 層錯 位錯線缺陷外延層（111）襯底劃痕點缺陷角錐體層錯第113頁，共160頁。霧狀表面

39、缺陷霧圈 白霧 殘跡 花霧霧圈 白霧 殘跡 花霧第114頁，共160頁。角錐體星形線（滑移線）劃痕：由機械損傷引起第115頁，共160頁。層錯（堆積層錯），它是外延層中最常見的內(nèi)部缺陷，層錯本身是一種面缺陷，是由原子排列次序發(fā)生錯亂所引起的。 第116頁，共160頁。層錯法測外延層厚度 層錯源于界面的圖形大于源于外延層內(nèi)部的，要選擇大的圖形。不能選擇靠近外延層邊緣的圖形。 化學腐蝕后，外延層要減薄一定厚度，在腐蝕時只要能顯示圖形就可以，時間不應過長。計算厚度時，應考慮腐蝕對厚度的影響。lTl外延層襯底（111）方向硅的層錯形狀第117頁，共160頁。圖形漂移和畸變 Si各向異性是出現(xiàn)漂移和畸變

40、的主要原因： (100)晶片，圖形漂移最小。對于(111)晶片取向25，影響最小第118頁，共160頁。檢測內(nèi)容鏡檢晶格完好性電阻率均勻性摻雜濃度、分布是否滿足要求第119頁，共160頁。擴展電阻法測電阻率擴展電阻法，可測量微區(qū)的電阻率或電阻率分布其他測電阻率方法：四探針法，C-V法第120頁，共160頁。擴展電阻法金屬探針嵌入一個半無限均勻的半導體，半導體和金屬電阻率相差幾個數(shù)量級，歐姆接觸，接觸點電流呈輻射狀擴展，沿徑向電阻是不等的，接觸電阻R稱為擴展電阻。第121頁，共160頁。 硅外延材料技術規(guī)范 序號特征參數(shù)測試方法1外延層摻雜劑P,P+:Boron N,N+:Phosphorus,

41、 Arsine2外延層晶向,3外延層電阻率外延爐直徑類型外延片電阻率均勻性ASTM F723 F1392批式100mm125mm150mmP/P+; N/N+N/N+,N/N+/N+N/P/P; P/N/N+410-3（P:110-2）-3 ohm.cm3%3-30 ohm.cm5%30-1000 ohm.cm8%單片150mm200mmP/P+; N/N+N/N+/N+0.3-3 ohm.cm2%3-30 ohm.cm4%4外延層厚度外延爐直徑類型外延片厚度均勻性FTIR ASTM F95批式100mm125mm150mmP/P+; N/N+N/N+, N/N+/N+N/P/P; P/N/N

42、+3-100m3%單片150mm200mmP/P+;N/N+N/N+/N+0.1-20m2%5堆垛層錯密度性10/cm2ASTM F18106滑移線總長5條，總長度1/2圓片直徑ASTM F1725 F17267表面霧、劃傷、凹坑、桔皮、裂紋、鴉爪、崩邊、異物、背面沾污 無ASTM F5238冠狀邊緣表面上凸起物高度不超過1/3延層厚度9點缺陷SEMI標準ASTM F523第122頁，共160頁。四 薄膜的形成與生長薄膜基本的形成過程:首先是來自于氣相的原子在基片表面的沉積,然后由于物理(化學)吸附導致氣態(tài)原子吸附在基片表面成為吸附原子,接著表面熱運動使得吸附原子發(fā)生聚集形成吸附原子團簇,而后

43、的吸附原子表面擴散運動又使得聚集的原子團簇不斷長大導致成核發(fā)生,最后,晶核的不斷長大最終在基片表面形成連續(xù)膜.第123頁，共160頁。薄膜形成的基本過程一.成核 1.物理(化學)吸附產(chǎn)生表面吸附原子; 2.表面熱運動產(chǎn)生吸附原子聚集; 3.表面擴散運動導致成核發(fā)生.二.生長 1.晶核的長大; 2.晶核的合并; 3.連續(xù)膜的形成.第124頁，共160頁。成核的基本過程成核是一個氣(液)-固相變的過程,主要包括:1.氣相原子通過物理(化學)吸附轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻嫖皆?2.表面吸附原子通過表面熱運動產(chǎn)生原子聚集;3.聚集原子團通過捕獲表面擴散的吸附原子長大.4.當聚集原子團尺度達到臨界核條件時成核發(fā)生.

44、第125頁，共160頁。薄膜表征薄膜厚度控制及測量組分表征薄膜的結(jié)構表征原子化學鍵合表征薄膜應力表征第126頁，共160頁。薄膜厚度控制及測量沉積率和厚度監(jiān)測儀氣相密度測量平衡方法振動石英方法光學監(jiān)測膜厚度測量光學膜厚度確定X射線干涉儀探針法第127頁，共160頁。氣相密度測量方法如果蒸發(fā)原子密度的瞬時值在沉積過程中可測量，則可確定撞擊到基片上的原子速率，由于這一方法沒有累計性，因此必須通過積分運算得到每單位面積上的膜質(zhì)量或膜厚。當離化檢測計暴露于蒸氣中時，氣相原子首先由于熱離化產(chǎn)生電子，然后這些電子被加速到陽極，離子移向收集極，在收集極離子被離化，相應的電流正比于離子的數(shù)量和離化電子電流。第

45、128頁，共160頁。平衡方法這一方法具有累積效應，在不同的裝置中皆使用微平衡測量得到膜的質(zhì)量。圖中所示的是一電流敏感儀，在其指針處安置很輕的基片。由凝聚物質(zhì)量給出的力可由穿過線圈的適當電流來補償，它可以直接由沉積物的質(zhì)量來校準。第129頁，共160頁。光學監(jiān)測圖1圖2這一方法是基于生長膜會產(chǎn)生光學干涉現(xiàn)象，因此只用于透明膜的測量，用于濺射系統(tǒng)的光學監(jiān)測的例子如圖1所示。在膜生長過程中干涉強度的變化如圖2所示。第130頁，共160頁。光學膜厚度確定干涉儀測量膜厚方法可以使用Fizeau盤來實現(xiàn)，F(xiàn)izeau盤能夠發(fā)生多種反射導致一尖銳的干涉現(xiàn)象，干涉強度為：上式給出總反射強度與膜表面和Fize

46、au盤間距離的相干性。膜厚可以通過在膜上形成階梯，從而從干涉條紋極小值的漂移來測定膜的厚度（圖2）。圖1圖2第131頁，共160頁。光學膜厚度確定第132頁，共160頁。X射線干涉儀當掠入射時，X射線被平整表面反射和透過，Snell定律給出在進行一些變換后，得：圖1 圖2第133頁，共160頁。探針法金剛石探針沿膜表面移動，而探針在垂直方向上的位移通過電信號可以被放大1016倍并被記錄下來。從膜的邊緣可以直接通過探針針尖所檢測的階梯高度確定薄膜的厚度。第134頁，共160頁。薄膜組分表征薄膜組分表征的手段盧瑟福背散射(RBS)二次離子質(zhì)譜(SIMS)X射線光電子能譜(XPS)俄歇電子能譜(AE

47、S)電鏡中的顯微分析第135頁，共160頁。分析薄膜材料的實驗系統(tǒng)第136頁，共160頁。盧瑟福背散射RBS是基于中心力場的經(jīng)典散射原理，除了為提供能量為兆電子伏特的粒子束準值所需的加速器外，儀器本身非常簡單。探測器使用半導體核粒子探測器，它的輸出電壓脈沖正比于從樣品散射到監(jiān)測器中的粒子能量。第137頁，共160頁。二次離子質(zhì)譜儀二次離子進入能量過濾器，然后在質(zhì)譜儀中被收集和分析，這便是二次粒子質(zhì)譜儀。所有二次離子質(zhì)譜儀都具有表面和元素深度濃度分析能力。在一種操作模式中，濺射離子束穿過樣品并在樣品表面留下蝕刻坑。為確保來自蝕刻坑壁處的離子不被監(jiān)測。檢測系統(tǒng)對于來自于蝕刻坑中心部位的離子設計了電

48、致入門。第138頁，共160頁。X射線光電子能譜光電子的動能與靶原子中的電子結(jié)合能相關。在這一過程中，入射光子將整個能量轉(zhuǎn)移給束縛電子。只要能測量出從樣品中逃逸出來且沒有能量損失的電子能量，則可提供樣品中所含元素的標識。如圖所示，光電子譜需要單色輻射源和電子譜儀。對于所有電子光譜，其共同點為電子的逃逸深度為12nm，因此樣品制備應格外小心。同時也需要清潔真空系統(tǒng)。第139頁，共160頁。光電子能譜光譜顯示出在允許的能量范圍內(nèi)，具有典型的尖峰特征和延伸的能量尾。譜的尖峰對應著從固體中逃逸出來的特征電子能量。較高的能量尾則對應著電子經(jīng)受了非彈性散射，在電子出來的路徑上有能量損失，因此以較低動能出現(xiàn)。第140頁，共160頁。電子顯微鏡顯微分析第141頁，共160頁。電子顯微探針原理由具有一定能量的電子所激發(fā)的特征X射線的檢測是電子顯微鏡分析組分的基礎。電子顯微探針的最基本特征是樣品的某一區(qū)域用精細聚焦電子束產(chǎn)生局域激發(fā)。由電子激發(fā)的樣品的體積為微米量級，因此分析技術經(jīng)常稱為電子探針顯微分析或電子顯微探針分析，電子束可以沿表面掃描以給出電子組分的橫向分布圖樣。第142頁，共160頁。電子顯微探針:定量分析圖中顯示了NiLa和SiKa線、產(chǎn)額比和Si/Ni原子比關系，電子束