薄膜技术

薄膜技术与应用
绪论
徐闰 2006 冬
1970th - - high resolution (also surface imaging) and analytical TEM ( Halle School); - chemical vapour deposition (CVD); - computer simulation: atom-by-atom structure building (Gilmer&Bennema, Barna,Thomas et al; Dirks&Leamy) - molecular beam epitaxy (MBE); -CERMET(金属陶瓷) (nanocomposite) resistor（电阻器） films (Neugebauer);
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不超过4mm2集成了20多个电阻、电容和晶体管。
杰克·基比尔发明第一块集成电路，德州仪器公司 Jack Kilby’s first integrated circuit, tested on September 12 1958, (Courtesy Tesas Instruments. Inc.)
（5）量子尺寸效应和界面隧道 穿透效应
• 传导电子的德布罗意波长，在普通金属中小于 1nm，在金属铋（Bi）中为几十纳米 • 在这些物质的薄膜中，由于电子波的干涉，与 膜面垂直运动相关的能量将取分立的数值，对 电子的输运现象产生影响 • 与德布罗意波的干涉相关联的效应称为量子尺 寸效应
另外，表面中含有大量的晶粒界面，而界面势垒 比电子能量E要大得多，根据量子力学知识，这些 电子有一定的几率，穿过势垒，称为隧道效应。 电子穿透势垒的几率为：
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2mm Advanced Bevel Edge Control
Maximize usage of wafer surface
Compatible with immersion tool defectivity control
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Wafer centering mechanism
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薄膜的基本特性
薄膜定义
Thin film： a thin layer of material with the thickness of 1nm-1um 一开始就由原子、分子或离子的沉积过程所形成的二维材料成为薄膜, 其某一维尺寸远远小于另外两维上的尺寸
薄膜技术与应用
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绪论
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薄膜的分类
从薄膜功能上分： 半导体薄膜；导 电薄膜；介质薄膜；超导薄膜；超 硬薄膜 从薄膜物质的晶态上分：单晶薄膜； 多晶薄膜；非晶薄膜，纳米晶膜、超晶
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薄膜技术与应用
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微电子领域的发展依赖薄膜技术和薄膜物理的研究
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微电子领域在不断研究发展新的器件
动态随机存取存 储器-存储电容 微电动机
压电性
压电性 铁电性薄膜 热电的 非易失性存 储器-记忆 单元
如：当Ta在N2的放电气体中被溅射时，对应于一定的N2分 压，其生成薄膜的成分却是任意的 若Si或SiO在O2的放电中真空蒸镀或溅射，所得到的薄膜 的计量比也可能是任意的。
由于化合物薄膜的生长一般都包括化合与分解， 所以按照薄膜的生长 条件，其计量往往变化相当大。 如辉光放电法得到的a等，其 x
可在很大范围内变化 因此，把这样的成分偏离叫做非理想化学计量比
高介电常数 压电性
热红外开关
红外传感器
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新的器件需要薄膜技术不断发展
扩散势垒
层间电介质
铁电物质
垂直高密度非易失性存储器结构
横向低密度非易失性存储器结构
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物理研究需要使用薄膜样品
~
一些物理性质的测量使用薄膜样品比较方便，比如材料 的电输运性质 ~ 一些特殊的物理性能需要使用薄膜器件来进行测量，如 隧道效应
• 多功能薄膜：
各膜均有一定的电子功能： 非晶硅太阳电池: 玻璃衬底/ITO（透明导电膜）/PSiC/i-µc-Si/n-µc-Si/Al a-Si/a-SiGe叠层太阳电池:玻璃/ITO/n-a-Si/i-a-Si/P-aSi/n-a-Si/i-a-SiGe/P-a-Si/Al至少在8层以上，总膜 厚在0.5微米左右
效应产生很大的影响，影响半导体器件性能）
（2）薄膜和基片的粘附性
• 薄膜是在基片之上生成的，基片和薄膜之间就会 存在着一定的相互作用，即附着 • 薄膜的一个面附着在基片上并受到约束作用，薄 膜内容易产生应变。考虑与薄膜膜面垂直的任一 断面，断面两侧就会产生相互作用力，这种相互 作用力称为内应力
• 附着和内应力是薄膜极为重要的固有特征
其中a为界面势垒的宽度。当 时，则T=0，不发生隧道效应
在非晶态半导体薄膜的电子导电方面和金刚石薄 膜的场电子发射中，都起重要作用
（6）容易实现多层膜
• 多层膜是将两种以上的不同材料先后沉积 在同一个衬底上，以改善薄膜同衬底间的 粘附性
• 如： 金刚石超硬刀具膜：金刚石膜/TiC/WC-钢衬 底 欧姆接线膜：Au/Al/c-BN/Ni膜/WC-钢衬底。
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本课程与其它课程的关系
材料表征技术
固体物理和化学 真空科学和技术 薄膜技术 集成电路 光电子技术 半导体器件
表面科学
晶体生长
课程特点 交叉学科，内容广、注重实际问题的解决
课程要求
学会运用已经学到的知识去解决实际中遇到的问题。
参考书
物理部分: 热力学简程，统计物理学导论，王竹溪著 固体物理，黄昆原著 韩汝琦改编 薄膜物理，薛增泉，吴全德，李浩编著 薄膜生长，吴自勤，王兵著 薄膜物理学，王守证编著 表面物理导论，徐亚伯著 固体的表面与界面，孙大明，席光康编著 电子薄膜科学，黄信凡等译; 材料部分: “Electronic Thin Film Science for Electirical Engineers and Materials Scientists”, King-Ning Tu (IBM)，James W. Mayer (Cornell), Leonard C. Feldman (AT&T) The Materials Science of Thin Films, Milton Ohring, 电子薄膜材料，曲熹新等编著 几种新型薄膜材料，吴锦雷，吴全德主编 固体的表面与界面，孙大明，席光康编著 电子薄膜材料，曲熹新等编著 技术部分: 真空沉积技术，李学丹等编著
薄膜的研究历史
End of 19th century - unusual properties of deposits on the walls of glass discharge tubes. Erosed(引起) interest of researchers: optical&electrical properties (P. Drude, Ann. der Physik, 36(1889)532) 1927: - electron diffraction on thin films (Davison - Germer) 1930th- - practical application: high reflectivity surface mirrors on nonconducting substrates 1940th - vacuum and thin film (PVD) techniques, devices; -electron microscopy (Ruska); 1960th- - in situ electron microscopy (Bassett, Pashley, Poppa, Pócza, Honjo); - surface decoration(表面修饰) (Bassett, Bethge, Distler); - ultrahigh vacuum technique; - surface analytical methods: Auger spectroscopy, LEED（低能电子衍射）, SEM, XPS（X射线电子能谱） ; - structure zone model: compilation （收集）of experimental results (Movchan-Demchishin)
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PECVD ( Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition ) -- 等离子体增强化学气相沉积法ECVD
Left side
view
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VECTOR PECVD Process module
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FI & Twin Chamber Overview
（1）表面能级很大
• 表面能级指在固体的表面，原子周期排列的连续 性发生中断，电子波函数的周期性也受到影响。
（把表面考虑在内的电子波函数已由塔姆（Tamm）在1932 年进行了计算，得到了电子表面能级或称塔姆能级）
• 薄膜表面面积很大，表面能级将会对膜内电子输 运状况有很大的影响。（对薄膜半导体表面电导和场
（3）薄膜中的内应力
• 内应力就其原因来说分为两大类，即固有应力 （或本征应力） 和非固有应力。固有应力来自 于薄膜中的缺陷，如位错。薄膜中非固有应力 主要来自薄膜对衬底的附着力。 • 由于薄膜和衬底间不同的热膨胀系数和晶格失 配能够把应力引进薄膜，或者由于金属薄膜与 衬底发生化学反应时，在薄膜和衬底之间形成 的金属化合物同薄膜紧密结合，但有轻微的晶 格失配也能把应力引进薄膜。
1. 同块体材料相比，薄膜易产生尺寸效应，即薄膜的 物性受到薄膜厚度的影响 2. 薄膜表面积很大，表面效应很显著，表面能、表面 态、表面散射和表面干涉对它的物性影响很大 3. 薄膜中包含有大量的表面晶粒间界和缺陷态，对电 子输运性能也影响较大 4. 在基片和薄膜之间还存在有一定的相互作用，存在 粘附性，附着力，以及内应力的问题
薄膜技术与应用
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绪论的内容
为什么要了解薄膜技术？ 什么是“薄膜”？ 薄膜的分类 薄膜的基本特性 薄膜的研究历史 薄膜的主要应用
绪论
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为什么要了解薄膜技术？
☞ 生活中的必要组成部分
☞ 科技发展离不开薄膜
☞ 基础研究离不开薄膜
• 超晶格膜:
将两种以上不同晶态物质薄膜按ABAB……排列相互重在一起， 人为地制成周期性结构后会显示出一些不寻常的物理性质 如势阱层的宽度减小到和载流子的德布罗依波长相当时，能 带中的电子能级将被量子化，会使光学带隙变宽，这种一维 超薄层周期结构就称为超晶格结构。 当和不同组分或不同掺杂层的非晶态材料（如非晶态半导体） 也 能 组 成 这 样 的 结 构 ， 并 具 有 类 似 的 量 子 化 特 性 ， 如 aSi : H/a-Si1-xNx : H, a-Si : H/a-Si1-xCx : H…… 应用薄膜制备方法，很容易获得各种多层膜和超晶格
格膜等
从薄膜结构上分：单层膜；多层膜； 同质外延；异质外延；超晶格
按化学组成分为：无机膜、有机膜、复合膜 按相组成分为： 固体薄膜、液体薄膜、气 体薄膜、胶体薄膜
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如何制作薄膜？
• 1、制作方法简介 • 2、气化源的分类？ • 3、薄膜的加工？
薄膜制备方法的分类
（4）异常结构和非理想化学计量比 特性
• 薄膜的制法多数属于非平衡状态的制取过 程，薄膜的结构不一定和相图相符合 • 把与相图不相符合的结构称为异常结构， 不过这是一种准稳（亚稳）态结构，通过 加热退火和长时间的放置还会慢慢地变为 稳定状态
化合物的计量比，一般来说是完全确定的。但是 多组元薄膜成分的计量比就未必如此了。
气相法
常规真空蒸发法
液相法
真空蒸发法 分子束外延法(MBE)
阳极氧化法 激光脉冲法
物理沉积方法(PVD)
溅射法
液相外延法
离子束法
微波等离子法 电解电镀法
化学沉积方法(CVD)
热丝法 金属有机物法（MOCVD） 常压或低压法，等离子增强 原子层法（ALD）
Sol-gel
LB
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真空蒸发法（一）
~ 利用多层膜技术可以制备出超晶格－制造新型具有人工 微结构的材料 ~ 利用多层膜研究界面、异质界面、材料间的相互作用
薄膜技术与应用
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什么是“薄膜”？
• 什么是“薄膜”（thin film），多“薄”的膜才算薄膜 • 薄膜有时与类似的词汇“涂层”（coating）、“层” （layer）、“箔”（foil）等有相同的意义，但有时又有 些差别 • 通常是把膜层无基片而能独立成形的厚度作为薄膜厚度的 一个大致的标准，规定其厚度约在1µm左右