薄膜的沉積技術(shù)

1、第七章第七章 薄膜沉積技術(shù)薄膜沉積技術(shù)對(duì)薄膜的特殊需求。具有體積小、功耗低、電流密度大的特點(diǎn)。薄膜厚度范圍：20nm-2um工藝制作方法：PVD，CVD，電鍍和陽(yáng)極氧化法。沉積技術(shù)的發(fā)展7.1薄膜生長(zhǎng)過(guò)程薄膜生長(zhǎng)過(guò)程圖圖7.1表示薄膜沉積中原子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程表示薄膜沉積中原子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程一、薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程：一、薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程：兩個(gè)階段：新相的成核與薄膜的生長(zhǎng)兩個(gè)階段：新相的成核與薄膜的生長(zhǎng)1、成核階段、成核階段 在薄膜形成的最初階段，一些氣態(tài)的原子或分子開(kāi)始凝聚在薄膜形成的最初階段，一些氣態(tài)的原子或分子開(kāi)始凝聚到襯底上，從而開(kāi)始了所謂的形核階段。由于熱漲落的作用，到襯

2、底上，從而開(kāi)始了所謂的形核階段。由于熱漲落的作用， 原子到達(dá)襯底表面的最初階段，在襯底上成了均勻細(xì)小、而原子到達(dá)襯底表面的最初階段，在襯底上成了均勻細(xì)小、而且可以運(yùn)動(dòng)的原子團(tuán)（島或核）。且可以運(yùn)動(dòng)的原子團(tuán)（島或核）。當(dāng)這些島或核小于臨界成核尺寸時(shí)，可能會(huì)消失也可能長(zhǎng)當(dāng)這些島或核小于臨界成核尺寸時(shí)，可能會(huì)消失也可能長(zhǎng)大；而當(dāng)它大于臨界成核尺寸時(shí)，就可能接受新的原子而逐大；而當(dāng)它大于臨界成核尺寸時(shí)，就可能接受新的原子而逐漸長(zhǎng)大。漸長(zhǎng)大。2、薄膜生長(zhǎng)階段、薄膜生長(zhǎng)階段一旦大于臨界核心尺寸的小島形成，它接受新的一旦大于臨界核心尺寸的小島形成，它接受新的原子而逐漸長(zhǎng)大，而島的數(shù)目則很快達(dá)到飽和。小島原子

3、而逐漸長(zhǎng)大，而島的數(shù)目則很快達(dá)到飽和。小島像液珠一樣互相合并而擴(kuò)大，而空出的襯底表面上又像液珠一樣互相合并而擴(kuò)大，而空出的襯底表面上又形成了新的島。形成與合并的過(guò)程不斷進(jìn)行，直到孤形成了新的島。形成與合并的過(guò)程不斷進(jìn)行，直到孤立的小島之間相互連接成片，一些孤立的孔洞也逐漸立的小島之間相互連接成片，一些孤立的孔洞也逐漸被后沉積的原子所填充，最后形成薄膜。被后沉積的原子所填充，最后形成薄膜。圖圖7.2 透射電子顯微鏡追蹤記錄透射電子顯微鏡追蹤記錄Ag在在NaCl晶體表面成核過(guò)程的系列照片和電子衍射圖晶體表面成核過(guò)程的系列照片和電子衍射圖二、薄膜生長(zhǎng)的三種模式二、薄膜生長(zhǎng)的三種模式-島狀、層狀和層狀

4、島狀、層狀和層狀-島狀生長(zhǎng)模式島狀生長(zhǎng)模式1、島狀生長(zhǎng)、島狀生長(zhǎng)(Volmer-Weber)模式模式 ：被沉積物質(zhì)的原子或分子自己相互鍵合，而避免與襯底原子被沉積物質(zhì)的原子或分子自己相互鍵合，而避免與襯底原子鍵合，即被沉積物質(zhì)與襯底之間的浸潤(rùn)性較差；金屬在非金鍵合，即被沉積物質(zhì)與襯底之間的浸潤(rùn)性較差；金屬在非金屬襯底上生長(zhǎng)大都采取這種模式。屬襯底上生長(zhǎng)大都采取這種模式。2、層狀生長(zhǎng)（、層狀生長(zhǎng)（Frank-van der Merwe)模式：模式：被沉積物質(zhì)的原子更傾向于與襯底原子鍵合，即被沉被沉積物質(zhì)的原子更傾向于與襯底原子鍵合，即被沉積物質(zhì)與襯底之間浸潤(rùn)性很好，因此，薄膜從形核階積物質(zhì)與襯底

5、之間浸潤(rùn)性很好，因此，薄膜從形核階段開(kāi)始即采取二維擴(kuò)展模式，沿襯底表面鋪開(kāi)。段開(kāi)始即采取二維擴(kuò)展模式，沿襯底表面鋪開(kāi)。3、層狀、層狀-島狀島狀(Stranski-Krastanov)生長(zhǎng)模式生長(zhǎng)模式：最最開(kāi)始一兩個(gè)原子層厚度的層狀生長(zhǎng)之后，生長(zhǎng)模式轉(zhuǎn)化為開(kāi)始一兩個(gè)原子層厚度的層狀生長(zhǎng)之后，生長(zhǎng)模式轉(zhuǎn)化為島狀模島狀模式。式。根根本的本的原因：歸原因：歸結(jié)為薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中各種能量的相互消長(zhǎng)結(jié)為薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中各種能量的相互消長(zhǎng)。三種不同薄膜生長(zhǎng)模式的示意圖：三種不同薄膜生長(zhǎng)模式的示意圖：三三、導(dǎo)致生長(zhǎng)模式轉(zhuǎn)變的三種物理機(jī)制、導(dǎo)致生長(zhǎng)模式轉(zhuǎn)變的三種物理機(jī)制 1、雖然開(kāi)始時(shí)的生長(zhǎng)是外延式的層狀生長(zhǎng)，但是

6、由于薄膜與襯底之間晶格常雖然開(kāi)始時(shí)的生長(zhǎng)是外延式的層狀生長(zhǎng)，但是由于薄膜與襯底之間晶格常數(shù)不匹配，因而隨著沉積原子層的增加，應(yīng)變能（應(yīng)力）逐漸增加。為了數(shù)不匹配，因而隨著沉積原子層的增加，應(yīng)變能（應(yīng)力）逐漸增加。為了松弛這部分能量，薄膜在生長(zhǎng)到一定厚度之后，生長(zhǎng)模式轉(zhuǎn)化為島狀模式。松弛這部分能量，薄膜在生長(zhǎng)到一定厚度之后，生長(zhǎng)模式轉(zhuǎn)化為島狀模式。2 2、在、在SiSi的（的（111111）晶面上外延生長(zhǎng)）晶面上外延生長(zhǎng)GaAsGaAs, ,由于第一層擁有五個(gè)價(jià)電子的由于第一層擁有五個(gè)價(jià)電子的AsAs原子原子不僅將使不僅將使SiSi晶體表面的全部原子鍵得到飽和，而且晶體表面的全部原子鍵得到飽和，

7、而且AsAs原子自身也不再傾向原子自身也不再傾向于與其他原子發(fā)生鍵合。這有效地降低了晶體的表面能，使得其后的沉積于與其他原子發(fā)生鍵合。這有效地降低了晶體的表面能，使得其后的沉積過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)槿S的島狀生長(zhǎng)。過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)槿S的島狀生長(zhǎng)。3 3、在層狀外延生長(zhǎng)表面是表面能比較高的晶面時(shí)，為了降低表面能，薄膜力、在層狀外延生長(zhǎng)表面是表面能比較高的晶面時(shí)，為了降低表面能，薄膜力圖將暴露的晶面改變?yōu)榈湍苊?，因此薄膜在生長(zhǎng)到一定厚度之后，生長(zhǎng)模圖將暴露的晶面改變?yōu)榈湍苊?，因此薄膜在生長(zhǎng)到一定厚度之后，生長(zhǎng)模式會(huì)由層狀模式向島狀模式轉(zhuǎn)變。式會(huì)由層狀模式向島狀模式轉(zhuǎn)變。7.2 PVD蒸發(fā)真空蒸發(fā)：利用蒸發(fā)材料在高溫

8、時(shí)所具有的飽和蒸汽 壓進(jìn)行薄膜制備。優(yōu)點(diǎn)：工藝及設(shè)備簡(jiǎn)單，淀積速率快；缺點(diǎn)：臺(tái)階覆蓋差，薄膜與襯底附著力較小，工藝重復(fù)性不夠理想。瞬間蒸發(fā)沉積其組分具有不同的蒸氣壓力的膜層的方法。用于合金、金屬與介質(zhì)的混合物及化合物的蒸發(fā)沉積。燈絲材料的選擇：用銥代替首選的鎢缺點(diǎn)：蒸發(fā)在低真空條件下，造成蒸發(fā)期間蒸發(fā)粉的氣體成分太高。7.3 PVD-濺射適應(yīng)于沉積所有材料：金屬、合金、半導(dǎo)體和絕緣材料。定義：具有一定能量的入射離子對(duì)固體表面轟擊時(shí)，入射離子在與固體表面原子的碰撞過(guò)程中發(fā)生能量和動(dòng)量的轉(zhuǎn)移，并可能將固體表面的原子濺射出來(lái)。濺射方法：直流、射頻、磁控、反應(yīng)、離子束、偏壓等濺射；7.4 CVD7.4

9、 CVD沉積原理及特點(diǎn)沉積原理及特點(diǎn)A：定義：指使一種或數(shù)種物質(zhì)的氣體，以：指使一種或數(shù)種物質(zhì)的氣體，以某種方式激某種方式激活活后，在襯底發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并淀積出所需固體后，在襯底發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并淀積出所需固體薄膜的生長(zhǎng)技術(shù)。薄膜的生長(zhǎng)技術(shù)。B：沉積原理： 用CVD法沉積硅薄膜實(shí)際上是從氣相中生長(zhǎng)晶體的復(fù)相物理化學(xué)過(guò)程，是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程。大致可分為以下幾步：反應(yīng)物分子通過(guò)輸運(yùn)和擴(kuò)散到襯底表面。反應(yīng)物分子吸附在襯底表面。吸附分子間或吸附分子與氣體分子間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成晶核晶核生長(zhǎng)-晶粒聚結(jié)-縫道填補(bǔ)-沉積膜成長(zhǎng)。7.7.5 5 離子束沉積離子束沉積 離子束加工的物理基礎(chǔ)是離子束射到材料表面時(shí)

10、所離子束加工的物理基礎(chǔ)是離子束射到材料表面時(shí)所產(chǎn)生的三個(gè)效應(yīng)，即撞擊效應(yīng)，濺射效應(yīng)和注入效產(chǎn)生的三個(gè)效應(yīng)，即撞擊效應(yīng)，濺射效應(yīng)和注入效應(yīng)。應(yīng)。 7.5.1 離子束濺射沉積（IBSD） 有兩個(gè)獨(dú)立的離子束源（雙離子束沉積）：一個(gè)離子束源射向靶產(chǎn)生濺射材料，持續(xù)薄膜的沉積；另一個(gè)聚焦于基片提供輔助離子，幫助形成較好的膜特性。 7.5.2 離子束輔助沉積（IBAD）：在氣相沉積的同時(shí)，進(jìn)行離子束轟擊混合以改善薄膜性能的方法。 7.6 7.6 脈沖激光沉積（激光燒蝕）：脈沖激光沉積（激光燒蝕）： 工作原理：是一種利用激光對(duì)物體進(jìn)行轟擊，然后將轟擊出來(lái)的物質(zhì)沉淀在不同的襯底上，得到沉淀或者薄膜的一種手段

11、。 PLD一般可以分為以下四個(gè)階段： 1. 激光輻射與靶的相互作用 2. 熔化物質(zhì)的動(dòng)態(tài) 3. 熔化物質(zhì)在基片的沉積 4. 薄膜在基片表面的成核（nucleation）與生成應(yīng)用：沉積超導(dǎo)體、石墨和電子光學(xué)材料。7.77.7 高密度等離子輔助沉積（高密度等離子輔助沉積（HDPADHDPAD）：）：適用于大長(zhǎng)寬比的溝槽和通孔。工藝特點(diǎn)：在同一個(gè)反應(yīng)腔中同步的進(jìn)行淀積和刻蝕的工藝。應(yīng)用：金屬前絕緣層，金屬間絕緣層，淺槽隔離。7.7.8 8金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉（MOCVD） 是在氣相外延生長(zhǎng)(VPE)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型氣相外延生長(zhǎng)技術(shù)。原理 MOCVD是以族、族元素的有機(jī)化合物和V、族元

12、素的氫化物等作為晶體生長(zhǎng)源材料，以熱分解反應(yīng)方式在襯底上進(jìn)行氣相外延，生長(zhǎng)各種-V族、-族化合物半導(dǎo)體以及它們的多元固溶體的薄層單晶材料。通常MOCVD系統(tǒng)中的晶體生長(zhǎng)都是在常壓或低壓(10-100Torr)下通H2的冷壁石英(不銹鋼)反應(yīng)室中進(jìn)行，襯底溫度為500-1200,用射頻感應(yīng)加熱石墨基座(襯底基片在石墨基座上方),H2通過(guò)溫度可控的液體源鼓泡攜帶金屬有機(jī)物到生長(zhǎng)區(qū)。7.9 電鍍7.9.1 電極電鍍法電鍍:是指金屬在電解過(guò)程中利用電子流的作用下,使鍍液中金屬陽(yáng)離子還原成金屬單質(zhì)而沉積在陰極鍍件表面的過(guò)程。電鍍?nèi)齻€(gè)必要條件：電源、鍍槽（鍍液）、電極。實(shí)現(xiàn)電鍍的基本條件：金屬離子在電極上還原。根據(jù)鍍層分：防護(hù)性鍍層、裝飾性鍍層、功能性鍍層。 圖7.3 電鍍7.9.2 化學(xué)鍍 不需要電接觸或直流電場(chǎng)，用化學(xué)溶解進(jìn)行化學(xué)鍍。