薄膜的沉积技术汇总PPT教学课件
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
应用：沉积超导体、石墨和电子光学材料。
7.7 高密度等离子辅助沉积（HDPAD）：适用于大长宽比的沟槽 和通孔。
工艺特点：在同一个反应腔中同步的进行淀积和刻蚀的工艺。
应用：金属前绝缘层，金属间绝缘层，浅槽隔离。
2020/10/16
16
7.8金属有机化合物化学气相沉
（MOCVD） 是在气相外延生长(VPE)的基础
2、在Si的（111）晶面上外延生长GaAs,由于第一层拥有五个价电子的As原子 不仅将使Si晶体表面的全部原子键得到饱和，而且As原子自身也不再倾向 于与其他原子发生键合。这有效地降低了晶体的表面能，使得其后的沉积 过程转变为三维的岛状生长。
3、在层状外延生长表面是表面能比较高的晶面时，为了降低表面能，薄膜力 图将暴露的晶面改变为低能面，因此薄膜在生长到一定厚度之后，生长模 式会由层状模式向岛状模式转变。
灯丝材料的选择：用铱代替首选的钨
缺点：蒸发在低真空条件下，造成蒸发期间蒸发粉 的气体成分太高。
2020/10/16
12
7.3 PVD--溅射
适应于沉积所有材料：金属、合金、半导体 和绝缘材料。
定义：具有一定能量的入射离子对固体表面 轰击时，入射离子在与固体表面原子的碰撞 过程中发生能量和动量的转移，并可能将固 体表面的原子溅射出来。
2020/10/16
5
图72.0220/透10/射16电子显微镜追踪记录Ag在NaCl晶体表面成核过程的系列照片和电子衍射图6
二、薄膜生长的三种模式-岛状、层状和层状-岛状生长模式
1、岛状生长(Volmer-Weber)模式 ： 被沉积物质的原子或分子自己相互键合，而避免与衬底原子键
合，即被沉积物质与衬底之间的浸润性较差；金属在非金属衬 底上生长大都采取这种模式。
2020/10/16
7
2、层状生长（Frank-van der Merwe)模式：
被沉积物质的原子更倾向于与衬底原子键合，即被沉 积物质与衬底之间浸润性很好，因此，薄膜从形核阶 段开始即采取二维扩展模式，沿衬底表面铺开。
2020/10/16
8
3、层状-岛状(Stranski-Krastanov)生长模式： 最开始一两个原子层厚度的层状生长之后，生长模式转化为岛
15
7.6 脉冲激光沉积（激光烧蚀）：
工作原理：是一种利用激光对物体进行轰击，然后将轰击出来 的物质沉淀在不同的衬底上，得到沉淀或者薄膜的一种手段。
PLD一般可以分为以下四个阶段： 1. 激光辐射与靶的相互作用 2. 熔化物质的动态 3. 熔化物质在基片的沉积 4. 薄膜在基片表面的成核（nucleation）与生成
2020/10/16
4
2、薄膜生长阶段
一旦大于临界核心尺寸的小岛形成，它接受新的 原子而逐渐长大，而岛的数目则很快达到饱和。小岛 像液珠一样互相合并而扩大，而空出的衬底表面上又 形成了新的岛。形成与合并的过程不断进行，直到孤 立的小岛之间相互连接成片，一些孤立的孔洞也逐渐 被后沉积的原子所填充，最后形成薄膜。
状模式。 根本的原因：归结为薄膜生长过程中各种能量的相互消长。
2020/10/16
9
三种不同薄膜生长模式的示意图：
2020/10/16
10
三、导致生长模式转变的三种物理机制
1、虽然开始时的生长是外延式的层状生长，但是由于薄膜与衬底之间晶格常 数不匹配，因而随着沉积原子层的增加，应变能（应力）逐渐增加。为了 松弛这部分能量，薄膜在生长到一定厚度之后，生长模式转化为岛状模式。
溅射方法：直流、射频、磁控、反应、离子 束、偏压等溅射；
2020/10/16
13
7.4 CVD沉积原理及特点
A：定义：指使一种或数种物质的气体，以某种方式激 活后，在衬底发生化学反应，并淀积出所需固体 薄膜的生长技术。
B：沉积原理：
用CVD法沉积硅薄膜实际上是从气相中生长晶体 的复相物理—化学过程，是一个比较复杂的过程。 大致可分为以下几步：
3
一、薄膜的生长过程：
两个阶段：新相的成核与薄膜的生长
1、成核阶段
在薄膜形成的最初阶段，一些气态的原子或分子开始凝聚 到衬底上，从而开始了所谓的形核阶段。由于热涨落的作用， 原子到达衬底表面的最初阶段，在衬底上成了均匀细小、而且 可以运动的原子团（岛或核）。
当这些岛或核小于临界成核尺寸时，可能会消失也可能长 大；而当它大于临界成核尺寸时，就可能接受新的原子而逐渐 长大。
7.5.1 离子束溅射沉积（IBSD）
有两个独立的离子束源（双离子束沉积）：一个离 子束源射向靶产生溅射材料，持续薄膜的沉积；另 一个聚焦于基片提供辅助离子，帮助形成较好的膜 特性。
7.5.2 离子束辅助沉积（IBAD）：在气相沉积的同时， 进行离子束轰击混合以改善薄膜性能的方法。
2020/10/16
① 反应物分子通过输运和扩散到衬底表面。
② 反应物分子吸附在衬底表面。
③ 吸附分子间或吸附分子与气体分子间发生化学反 应，形成晶核
④ 晶核生长-----晶粒聚结----缝道填补-----沉积膜成
长。 2020/10/16
14
7.5 离子束沉积
离子束加工的物理基础是离子束射到材料表面时所 产生的三个效应，即撞击效应，溅射效应和注入效 应。
第七章 薄膜沉积技术
2020/10/16
1
对薄膜的特殊需求。 具有体积小、功耗低、电流密度大的特点。 薄膜厚度范围：20nm---2um 工艺制作方法：PVD，CVD，电镀和阳极氧
化法。
沉积技术的发展
2020/10/16
2
7.1薄膜生长过程
2020/10/16 图7.1表示薄膜沉积中原子的运动状态及薄膜的生长过程
上发展起来的一种新型气相外延生长技术。
原理
MOCVD是以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有机化合物和V、 Ⅵ族元素的氢化物等作为晶体生长源材料，以热
分解反应方式在衬底上进行气相外延，生长各种
wenku.baidu.com
2020/10/16
11
7.2 PVD—蒸发
真空蒸发：利用蒸发材料在高温时所具有的饱和蒸汽 压进行薄膜制备。
优点：工艺及设备简单，淀积速率快； 缺点：台阶覆盖差，薄膜与衬底附着力较小，工艺
重复性不够理想。
瞬间蒸发
沉积其组分具有不同的蒸气压力的膜层的方法。
用于合金、金属与介质的混合物及化合物的蒸发沉 积。
7.7 高密度等离子辅助沉积（HDPAD）：适用于大长宽比的沟槽 和通孔。
工艺特点：在同一个反应腔中同步的进行淀积和刻蚀的工艺。
应用：金属前绝缘层，金属间绝缘层，浅槽隔离。
2020/10/16
16
7.8金属有机化合物化学气相沉
（MOCVD） 是在气相外延生长(VPE)的基础
2、在Si的（111）晶面上外延生长GaAs,由于第一层拥有五个价电子的As原子 不仅将使Si晶体表面的全部原子键得到饱和，而且As原子自身也不再倾向 于与其他原子发生键合。这有效地降低了晶体的表面能，使得其后的沉积 过程转变为三维的岛状生长。
3、在层状外延生长表面是表面能比较高的晶面时，为了降低表面能，薄膜力 图将暴露的晶面改变为低能面，因此薄膜在生长到一定厚度之后，生长模 式会由层状模式向岛状模式转变。
灯丝材料的选择：用铱代替首选的钨
缺点：蒸发在低真空条件下，造成蒸发期间蒸发粉 的气体成分太高。
2020/10/16
12
7.3 PVD--溅射
适应于沉积所有材料：金属、合金、半导体 和绝缘材料。
定义：具有一定能量的入射离子对固体表面 轰击时，入射离子在与固体表面原子的碰撞 过程中发生能量和动量的转移，并可能将固 体表面的原子溅射出来。
2020/10/16
5
图72.0220/透10/射16电子显微镜追踪记录Ag在NaCl晶体表面成核过程的系列照片和电子衍射图6
二、薄膜生长的三种模式-岛状、层状和层状-岛状生长模式
1、岛状生长(Volmer-Weber)模式 ： 被沉积物质的原子或分子自己相互键合，而避免与衬底原子键
合，即被沉积物质与衬底之间的浸润性较差；金属在非金属衬 底上生长大都采取这种模式。
2020/10/16
7
2、层状生长（Frank-van der Merwe)模式：
被沉积物质的原子更倾向于与衬底原子键合，即被沉 积物质与衬底之间浸润性很好，因此，薄膜从形核阶 段开始即采取二维扩展模式，沿衬底表面铺开。
2020/10/16
8
3、层状-岛状(Stranski-Krastanov)生长模式： 最开始一两个原子层厚度的层状生长之后，生长模式转化为岛
15
7.6 脉冲激光沉积（激光烧蚀）：
工作原理：是一种利用激光对物体进行轰击，然后将轰击出来 的物质沉淀在不同的衬底上，得到沉淀或者薄膜的一种手段。
PLD一般可以分为以下四个阶段： 1. 激光辐射与靶的相互作用 2. 熔化物质的动态 3. 熔化物质在基片的沉积 4. 薄膜在基片表面的成核（nucleation）与生成
2020/10/16
4
2、薄膜生长阶段
一旦大于临界核心尺寸的小岛形成，它接受新的 原子而逐渐长大，而岛的数目则很快达到饱和。小岛 像液珠一样互相合并而扩大，而空出的衬底表面上又 形成了新的岛。形成与合并的过程不断进行，直到孤 立的小岛之间相互连接成片，一些孤立的孔洞也逐渐 被后沉积的原子所填充，最后形成薄膜。
状模式。 根本的原因：归结为薄膜生长过程中各种能量的相互消长。
2020/10/16
9
三种不同薄膜生长模式的示意图：
2020/10/16
10
三、导致生长模式转变的三种物理机制
1、虽然开始时的生长是外延式的层状生长，但是由于薄膜与衬底之间晶格常 数不匹配，因而随着沉积原子层的增加，应变能（应力）逐渐增加。为了 松弛这部分能量，薄膜在生长到一定厚度之后，生长模式转化为岛状模式。
溅射方法：直流、射频、磁控、反应、离子 束、偏压等溅射；
2020/10/16
13
7.4 CVD沉积原理及特点
A：定义：指使一种或数种物质的气体，以某种方式激 活后，在衬底发生化学反应，并淀积出所需固体 薄膜的生长技术。
B：沉积原理：
用CVD法沉积硅薄膜实际上是从气相中生长晶体 的复相物理—化学过程，是一个比较复杂的过程。 大致可分为以下几步：
3
一、薄膜的生长过程：
两个阶段：新相的成核与薄膜的生长
1、成核阶段
在薄膜形成的最初阶段，一些气态的原子或分子开始凝聚 到衬底上，从而开始了所谓的形核阶段。由于热涨落的作用， 原子到达衬底表面的最初阶段，在衬底上成了均匀细小、而且 可以运动的原子团（岛或核）。
当这些岛或核小于临界成核尺寸时，可能会消失也可能长 大；而当它大于临界成核尺寸时，就可能接受新的原子而逐渐 长大。
7.5.1 离子束溅射沉积（IBSD）
有两个独立的离子束源（双离子束沉积）：一个离 子束源射向靶产生溅射材料，持续薄膜的沉积；另 一个聚焦于基片提供辅助离子，帮助形成较好的膜 特性。
7.5.2 离子束辅助沉积（IBAD）：在气相沉积的同时， 进行离子束轰击混合以改善薄膜性能的方法。
2020/10/16
① 反应物分子通过输运和扩散到衬底表面。
② 反应物分子吸附在衬底表面。
③ 吸附分子间或吸附分子与气体分子间发生化学反 应，形成晶核
④ 晶核生长-----晶粒聚结----缝道填补-----沉积膜成
长。 2020/10/16
14
7.5 离子束沉积
离子束加工的物理基础是离子束射到材料表面时所 产生的三个效应，即撞击效应，溅射效应和注入效 应。
第七章 薄膜沉积技术
2020/10/16
1
对薄膜的特殊需求。 具有体积小、功耗低、电流密度大的特点。 薄膜厚度范围：20nm---2um 工艺制作方法：PVD，CVD，电镀和阳极氧
化法。
沉积技术的发展
2020/10/16
2
7.1薄膜生长过程
2020/10/16 图7.1表示薄膜沉积中原子的运动状态及薄膜的生长过程
上发展起来的一种新型气相外延生长技术。
原理
MOCVD是以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有机化合物和V、 Ⅵ族元素的氢化物等作为晶体生长源材料，以热
分解反应方式在衬底上进行气相外延，生长各种
wenku.baidu.com
2020/10/16
11
7.2 PVD—蒸发
真空蒸发：利用蒸发材料在高温时所具有的饱和蒸汽 压进行薄膜制备。
优点：工艺及设备简单，淀积速率快； 缺点：台阶覆盖差，薄膜与衬底附着力较小，工艺
重复性不够理想。
瞬间蒸发
沉积其组分具有不同的蒸气压力的膜层的方法。
用于合金、金属与介质的混合物及化合物的蒸发沉 积。