名师推荐功能薄膜材料与技术

GaAs(固) + 3CH4(气)
化学气相沉积的优缺点
化学气相沉积是制备各种各样薄膜材料的一种重要和普遍使用的技术，利用这 一技术可以在各种基片上制备元素及化合物薄膜。其优点是：
可以准确控制薄膜的组分及掺杂水平使其组分具有理想化学配比； 可在复杂形状的基片上沉积成膜； 由于许多反应可在大气压下进行，系统不需要昂贵的真空设备； 高沉积温度会大幅度改善晶体的完整性； 可以利用某些材料在熔点或蒸发时分解的特点而得到其他方法无法得到的材料； 沉积过程可以在大尺寸基片或多基片上进行。
远等离子体增强化学气相沉积参数
感应加热等离子体助化学气相沉积SiN膜
实验条件： 感应加热等离子体在
感应耦合石英管中产生，N2 引入这个石英管中，气压保 持在133Pa, 所施加的射频功 率为3～4K。
沉积SiNX介电薄膜的微波受激等离子体增强化学气相沉积
实验条件： 射频为2.45GHz的
微波通过长方形波导管 导入石英管中。基片放 在沉积室中，并由基片 加热器加热到600℃。 真空室的真空度为1.33× 10－5Pa。
分子泵结构示意图
低温泵结构示意图
真空的测量
真空测量
U型压力计 绝对真空计
压缩式真空计
放电真空计 相对真空计 热传导真空计
电离真空计
电阻真空计
规管中的加热灯丝是电阻温度系数 较大的钨丝或铂丝，热丝电阻连接惠斯 顿电桥，并作为电桥的一个臂，低压强 下加热时，灯丝所产生的热量Q可表示 为：Q=Q1+Q2,式中Q1是灯丝辐射的热 量，与灯丝温度有关；Q2是气体分子 碰撞灯丝而带走的热量，大小与气体的
光化学气相沉积
当高能光子有选择地激发表面吸附分子或气体分子而导致 断裂、产生自由化学粒子形成膜或在邻近地基片上形成化合物 时，光化学沉积便发生了。这一过程强烈地依入射线地波长， 光化学沉积可由激光或紫外光灯来实现。除了直接的光致分解 过程外，也可由汞敏化光化学气相沉积获得高质量薄膜。
其优点是：沉积在低温下进行、沉积速度快、可生长亚稳 相和形成突变结。
3.氧化反应-制备氧化物
SiH4(气) + O2(气)
SiO2(固) + 2H2(气)
4.氮化或碳化反应-制备氮化物和碳化物
3SiH4(气) + 4NH3(气) 3TiCl4(气) + CH4(气)
Si3N4(固) + 12H2(气) TiC(固) + 4HCl(气)
5.化合反应-化合物制备 Ga(CH3)2(气) + AsH3(气)
常压反应器:大流量,大尺度 低压反应器:小流量,适当尺度 四种基本类型 热壁反应器:整个反应器加热
冷壁反应器:只加热基片
化学气相沉积中的基本化学反应
1.热分解反应 SiH4 (气) Si (固) + 2H2 (气)
2.还原反应 SiCl2(气) + 2H2 (气)
Si (固) + 4HCl (气)
George等人使用 这个试验装置，在 空气和超热水蒸汽 下通过对Bi膜的氧化 制备了Bi2O3膜。
化学气相沉积的基本原理
化学气相沉积: 通过气相化学反应的方式将 反应物沉积在基片表面的一 种薄膜制备技术.
三个基本过程
反应物的输运过程 化学反应及沉积过程 去除反应副产物过程
化学气相沉积反应器基本类型
电镀
电镀:通过电流在导电液中的流动而产生化学反应,最终 在阴极上沉积某一物质的过程。
电镀方法只适用于在导电的基片上沉积金属或合金。在 70多种金属中只有33种金属可以用电镀法来制备,最常 用的金属有14种: Al, As, Au, Cd, Co, Cu, Cr, Fe, Ni, Pb, Pt, Rh, Sn, Zn.
电离真空计结构示意图
薄膜制备的化学方法
热生长 化学气相沉积 电镀 化学镀 阳极反应沉积法 LB技术
热生长的基本概念
热生长技术:在充气条件下,通过 加热基片的方式,利用氧化,氮化, 碳化等化学反应在基片表面制备 薄膜的一种技术.
主要应用在金属和半导体氧化物 薄膜的制备.
热生长
wenku.baidu.com
制备a-SiC:H的电场增强的 PECVD
频率为13.56MHz的射频源感应 耦合到感应器上。源气体SiH4和CH4 用H2稀释保持CH4/(SiH4+H2)的流量 比在0～75％之间，反应器的压强为 67Pa，基片温度为200～500℃之间， 射频功率固定在50W,直流电压从 －300变到250V。
在光致化学反应中，具有足够高能量的光子用于使分子分解并 成膜，或与存在于反应气体中其他化学物质反应并在邻近的基片上 形成化合物膜；在热致化学反应中，激光束用于加热源实现热致分 解，在基片上引起的温度升高控制着沉积。
应用激光化学沉积，已经制备出了Al、Ni、Au、Si、SiC、多晶 Si和Al/Au膜。
中空阴极沉积a-Si:H薄膜
未稀释的SiH4气体以一定 的流量通入真空室，真空室总 气压保持在67Pa。从中空阴极 到垂直阴极筒40mm处放置基 片，薄膜沉积在接地且温度保 持在230℃的基片上。放电功 率通过改变直流电流（25～ 15mA)来 改变。
沉积a-Si的脉冲电磁感应系统
脉冲等离子体由通入70kA的 电流的螺线管线圈激发所产生， 放电管充满SiH4/Ar气，薄膜沉 积在与放电管相垂直的基片上。
应用光化学气相沉积，已经得到许多膜材料：各种金属、 介电和绝缘体，化合物半导体非晶Si和其他的合金如a-SiGe。
汞敏化学气相沉积制备a-Si:H膜
汞敏化过程:
Hg* + SiH4 (气)
Hg + Si (固) + 2H2 (气)
实验条件
Ar作为携载气体将SiH4气体 导入真空室。使用的低压汞灯的 共振线分别2537nm184.9nm。 基片温度200～350℃。气体流速 为（SiH4， 1～30sccm; Ar, 100~700sccm)。
优点:生长速度快,基片形状可以是任意的.
缺点:生长过程难以控制.
电镀
化学镀
化学镀:不加任何电场，直接通过化学反应而实现薄膜沉 积的方法。
它是一种非常简单的技术，不需要高温，而且经济实惠。
利用化学镀方法制备的产物有：金属膜（如Ni、Co、Pd、 Au)；氧化物膜（如PbO2TlO3、In2O3、SnO2、Sb掺杂的SnO2 膜、透明导电硬脂酸钙、氧化锌和Al掺杂的氧化锌膜）； 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）。
其缺点是：
化学反应需要高温； 反应气体会与基片或设备发生化学反应； 在化学气相沉积中所使用的设备可能较为复杂，且有许多变量需要控制。
化学气相沉积制备的薄膜材料
化学气相沉积制备非晶BN薄膜
Nakamura使用的沉积条件为： B10H14气压 2×10－5 NH3气压 2.7×10－3～0.11Pa NH3 / B10H14 1:40 基片温度 300～1150℃ 沉积时间 30～300min 使用的基片 Ta、Si和SiO2
催化器温度 基片温度 沉积过程气压 SiH4气气压 （N2H4+N2)/SiH4 SiH4流量
1200～1390℃ 230～380℃ 7～1000Pa 7～24Pa 0～10 2～10sccm
激光化学气相沉积
激光化学气相沉积是通过使用激光源产生出来的激光束实现 化学气相沉积的一种方法。包括两种机制：光致化学反应、热致化 学反应。
化学气相沉积制备金属氧化薄膜
用此装置，Ajayi等人制备 了Al2O3、CuO、CuO/ Al2O3 和In2O3金属氧化膜。沉积条件： 将Ar通入装置，在保持420℃温 度2h下可长成厚度为10～20nm 的氧化膜，最后经退火处理12h, 便可得到产物。
催化化学气相沉积低温沉积SiN膜
沉积条件为：
气体的吸附和脱附
无选择性
物理吸附 分子作用
气体在固体表面
低温有效
的吸附
选择性强
化学吸附 相互作用强
高温有效
真空泵的分类
机械泵
气体传输泵 扩散泵
常用真空泵
分子泵
的分类
钛升华泵
气体捕获泵 溅射离子泵
低温冷凝泵
真空的获得
几种常用真空泵的工作压强范围
旋片式机械真空泵
旋片泵结构示意图
旋片泵工作原理图
其他两种真空泵
Si2H6直接光致分解沉积a-Si:H膜
实验条件 由微波激发引起的H2放电管 用作真空紫外线源，用He稀释的 Si2H6/He和He流量分别为50sccm 和150sccm。压强为267Pa,基片为 玻璃或硅片，在基片温度为50～ 350℃时沉积持续5h。
激光辅助制备a-SiOX膜的光致化学沉积
压强有关。电阻真空计的测量范围大 致是105 ～ 10-2Pa。
电阻真空计结构示意图
热偶真空计
右图装置为热偶真空计示意图。其规管主要由加热 灯丝C与D和用来测量热丝温度的热电偶A与B组成。测量 时，热偶规管接入被测真空系统，热丝通以恒定的电流， 灯丝所产生的热量Q有一部分将在灯丝与热偶丝之间传导 散去。当气体压强降低时，热电偶节点处的温度将随热丝 温度的升高而增大，同样，热电偶冷端的温差电动势也增 大。热偶真空计的测量范围大致是102 ～ 10－1Pa。
常见气体或蒸气的修正系数
电离真空计
电离产生的正离子I＋与发射电子 流Ie、气体的压强之间的关系为： I＋＝k IeP,其中k为比例常数，存在 范围是4 ～40之间。
普通型电离真空计的测量范围是 1.33×10－1 ～ 1.33×10－5Pa,无论 高于还是低于此测量极限都会使电 子流I＋和气体的压强之间失去线型 关系。
实验条件 Si2H6和N2O的混合气体通过多孔盘 喷射到几片表面，基片温度保持在300℃， 当N2O/ Si2H6流量比大于200时可以得到产物。
用激光光化学沉积制备具有高击穿电场的SiN薄膜
实验条件 使用ArF激光器， NH3和硅烷比为：5：1， 总气压为33Pa，沉积温 度为225～625℃。
等离子体增化学气相沉积
交错立式电极沉积a-Si:H膜
实验条件：
气体混合比SiH4/(SiH4+H2) 10%~100%
射频功率密度
10～20mW/cm2
总气压
13～267Pa
SiH4流量 基片温度
60sccm 200～300℃
远等离子体增强CVD沉积SiO2或Si3N4膜
沉积步骤： 1、气体或混合气体的射频受激； 2、受激N2 或O2 传输离开等离子区； 3、受激N2 或O2 与SiH4 或Si2H6 反应； 4、在加热基片处，实现最后的化学气相 沉积反应过程。
利用光化学气相沉积制备的薄膜
等离子体化学气相沉积
通过射频场,直流场或微波场使得反应气体呈等离子体态, 其中的电子运动(1-20eV)导致气体分子的电离分解,形成自由 原子,分子,离子团簇,沉积在基片表面。
优点：低温沉积、沉积速度快、易生长亚稳相。
应用等离子体化学气相沉积，可以制备多种薄膜材料：金 属、介电和绝缘体，化合物半导体,非晶态和其他的合金相。
薄膜材料的表征
结构 薄膜材料的表征
物性
组份 晶体结构 电子结构 光学性质
电学性质 力,热,磁,生物等性质
主要内容
真空技术基础 薄膜制备的化学方法 薄膜制备的物理方法 薄膜的形成与生长 薄膜表征 薄膜材料
真空技术基础
真空的基本知识 真空的获得 真空的测量
真空度的单位
自然真空：宇宙空间所存在的真空； 人为真空：用真空泵抽调容器中的气体
所获得的真空。
几种压强单位的换算关系
真空区域的划分
粗真空：1×105～ 1×102 Pa。 低真空： 1×102～ 1×10－1 Pa。 高真空： 1×10－1 ～ 1×10－6 Pa。 超高真空：< 1×10－6 Pa。
电子回旋共振等离子体系统
等离子体室接受频率为2.45GHz的 微波，微波由微波源通过波导和石英窗 导入，电子回旋共振在875G磁场下发 生，从而获得高度激活的等离子体。
制备金刚石膜的直流等离子体化学气相沉积
由直流等离子体化学气相沉积，使用CH4, H2作为反应气体，在Si和a-Al2O3基片上，成功 生长出了金刚石薄膜。
薄膜材料与薄膜技术
王成新
薄膜材料的简单分类
材料保护涂层
涂层或厚膜
薄膜材料
(>1um)
材料装饰涂层 光电子学薄膜
薄膜(<1um) 微电子学薄膜
其它功能薄膜
(力,热,磁,生物等)
薄膜材料的制备技术
喷涂
机械或化学方法 (涂层)
薄膜材料的制备技术 真空技术(薄膜)
电镀 物理气相沉积技术
化学气相沉积技术 电化学方法(薄膜)