电浆薄膜生长机制
薄膜的生长过程
第六章薄膜的生长过程射向基板及薄膜表面的原子、分子与表面相碰撞，其中一部分被反射，另一部分在表面上停留。
停留于表面的原子、分子，在自身所带能量及基板温度所对应的能量作用下，发生表面扩散(surface diffusion)及表面迁移(surface migration)，一部分再蒸发，脱离表面，一部分落入势能谷底，被表面吸附，即发生凝结过程。
凝结伴随着晶核形成与生长过程，岛形成、合并与生长过程，最后形成连续的膜层。
在真空中制造薄膜时，真空蒸镀需要进行数百摄氏度以上的加热蒸发。
在溅射镀膜时，从靶表面飞出的原子或分子所带的能量，与蒸发原子的相比，还要更高些。
这些气化的原子或分子，一旦到达基板表面，在极短的时间内就会凝结为固体。
也就是说，薄膜沉积伴随着从气相到固相的急冷过程，从结构上看，薄膜中必然会保留大量的缺陷。
此外，薄膜的形态也不是块体的，其厚度与表面尺寸相比相差甚远，可近似为二维结构。
一、薄膜的生长过程：新相的成核与薄膜的生长两个阶段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。
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。
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(V olmer-Weber)模式 ：被沉积物质的原子或分子更倾向于自己相互键合起来，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。
薄膜的生长过程和薄膜结构
光学器件
光学薄膜
01
光学薄膜由多层薄膜构成，用于控制光的反射、透射和偏振等
特性，广泛应用于光学仪器、摄影镜头和照明等领域。
激光器
02
薄膜在激光器中用作反射镜、输出镜和增益介质等，如染料激
光器和光纤激光器。
太阳能电池
03
薄膜在太阳能电池中用作光吸收层和电极等，如染料敏化太阳
能电池和钙钛矿太阳能电池。
等离子体增强化学气相沉积
通过引入等离子体增强反应气体活性，促进化学反应并提高沉积速 率。
液相外延（LPE）
选择性液相外延
通过控制溶液的浓度和热处理条 件，使源物质在基底表面特定区 域析出并生长形成薄膜。
横向液相外延
通过控制溶液的浓度和涂覆方式 ，使源物质在基底表面横向生长 形成薄膜。
分子束外延（MBE）
界面态
在薄膜与基底之间可能存在界面态，即电子或空穴被限制 在界面区域。界面态对薄膜的电子传输和光学性能有重要 影响。
界面结构
界面结构是指薄膜与基底之间的原子排列和相互作用方式。 不同的制备方法和工艺参数可能导致不同的界面结构，从 而影响薄膜的整体性能。
03
薄膜特性
力学性能
弹性模量
描述薄膜在受力时的刚度，反 映了材料抵抗弹性变形的能力
电阻率
衡量薄膜导电难易程度 的物理量，与电导率密
切相关。
击穿电压
描述薄膜所能承受的最 大电场强度，超过此值
会发生绝缘击穿。
光学性能
透光率
衡量光线通过薄膜的能力，与材料的吸收、 反射和散射特性有关。
光谱特性
描述薄膜在不同波长光线下的透射、反射和 吸收特性。
反射率
描述光线在薄膜表面反射的比例，影响光学 器件的性能。
PECVD的工作原理
PECVD的工作原理引言概述：PECVD（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）是一种常用的薄膜沉积技术，广泛应用于半导体、光电子、显示器件等领域。
本文将详细介绍PECVD的工作原理，包括原理概述、工作过程、薄膜生长机理、应用领域以及未来发展方向。
一、原理概述：1.1 电浆（Plasma）的生成：PECVD利用高频电场或射频电场作用下的气体放电，产生等离子体。
通过加热、电离和激发气体分子，形成高能态的离子和电子，从而激活反应气体，促使薄膜沉积反应的进行。
1.2 化学气相反应：PECVD通过将反应气体引入等离子体区域，使其与激活的离子和电子进行化学反应。
反应气体中的原子、分子或离子在表面发生吸附、解离、再组合等反应，生成所需的薄膜材料。
1.3 薄膜沉积：反应气体中的反应产物在基片表面沉积，形成均匀、致密的薄膜。
PECVD可以控制沉积速率、薄膜厚度、成分等参数，实现对薄膜性质的调控。
二、工作过程：2.1 真空系统：PECVD工作需要在较低的气压下进行，通常使用真空系统将反应室抽取至高真空状态。
真空系统包括抽气系统、气体进出系统和真空度检测系统。
2.2 气体供给系统：PECVD需要提供反应气体，通常包括载气、前驱体和稀释气体。
载气用于稀释前驱体，稀释气体用于调节反应气体的浓度。
2.3 等离子体生成和控制：通过高频电源或射频电源提供能量，产生等离子体。
同时，通过电极结构和电源参数的调节，可以控制等离子体的密度、温度和化学活性。
三、薄膜生长机理：3.1 吸附：反应气体中的原子、分子或离子在基片表面吸附。
3.2 解离：吸附的反应气体在等离子体的作用下发生解离，形成活性物种。
3.3 反应：活性物种在基片表面发生化学反应，生成所需的薄膜材料。
四、应用领域：4.1 半导体器件：PECVD广泛应用于半导体器件的制备，如硅基薄膜晶体管、光电二极管等。
4.2 光电子器件：PECVD可用于制备光学薄膜、光纤、太阳能电池等光电子器件。
薄膜生长与制备技术简介
薄膜生长与制备技术简介一薄膜生长薄膜的生长过程直接影响薄膜的结构以及它的最终性能。
像其他材料的相变一样，薄膜的生长过程也可以划分为两个不同的阶段，即新相的成核与薄膜的生长过程。
1 薄膜气相成核1.1 成核的毛细作用理论这个理论模型是基于热力学概念，利用宏观物理量来讨论成核问题。
这个模型的优点是比较直观，一些物理量容易测量，理论计算和实验结构能直接进行比较。
由于采用宏观物理量，所以对原子数量较多的例子是适用的，而对原子团所含有原子数量少的情况，一些宏观物理参量的含义是不明确的。
1.1.1 自发形核理论自发成核，指的是整个成核过程完全是原子由气相转变为固相或液相的相变自由能推动下形成，也称为均匀成核。
在薄膜与衬底之间浸润性较差的情况下，薄膜的形核过程可以近似地认为是一个自发形核过程。
单位体积的固相在凝结过程中的相变自由能之差：（1）式中，P V和P分别是固相的平衡蒸气压和气相实际的过饱和蒸气压， Ω是原子体积，S是气相的过饱和度；M V和M分别是凝结相的蒸发通量和气相的沉积通量。
当气相存在过饱和现象时，∆G v<0，它就是新相形核的驱动力。
图1 自发形核过程示意图1.1.2非自发形核理论自发成核一般只发生在一些精心控制的过程之中。
在大多数相变过程中，成核的过程除了有相变自由能作推动力之外，还有其他的因素起着帮助新相核心生成的作用，即所谓成核的过程是非自发的。
新相的核心将首先出现在哪些能量比较有利的位置上。
假设在成核过程中，衬底表面的原子可以进行充分的扩散，即其扩散距离远大于原子的间距。
这时形成一个原子团时的自由能变化为：（2）式中，∆G v是单位体积的相变自由能，是薄膜成核的驱动力；γvf、γfs、γsv分别是气相(v)、衬底(s)与薄膜(f)三者之间的界面能。
而a1、a2、a3是与核心具体形状有关的三个常数。
图2 薄膜非自发形核核心的示意图1.1.3 薄膜的成核速率成核速率强烈地依赖与过饱和度。
薄膜的生长原理和技术
溅射过程的物理模型
入射离子 +
真空
靶材固体
溅射粒子 （离子或中性粒子）
渗透深度
注入离子
溅射产值
平均出射原子数 Y 入射离子数
依赖下面几个因素:
► 靶材材料的结构和 成分
► 入射离子束的参数 ► 实验环境的几何分
布
Yield
Sputtering Yield of Ar on Si
1
5 10 50 100 500
A Substrate
►周期结构多层膜
B A B A
Substrate
PVD的物理原理
衬底
扩散、吸附、凝 结成薄膜
物质输运 能量输运
能量
块状材料 (靶材)
PVD所需实验条件
►高真空 (HV) ►高纯材料 ►清洁和光滑的衬底表面 ►提供能量的能源
平均自由程、压强P和真空室尺寸L的关系
~ kT ~ L 2d 2 p
磁控溅射中的重要参数
► 溅射电流 ( 生长速率 ) ► 压强 ( 溅射粒子的最高能量 ) ► 压强与靶材-衬底之间的距离 (多孔性、质地、晶体
性） ► 反应气体混合比 ( 化学配比 ) ► 衬底温度 ( 晶体性、密度和均匀性 ) ► 衬底偏压 ( 薄膜结构和化学配比 )
⑤ MBE(分子束外延)
1. Introduction 2. Principle of MBE 3. In-situ analysis techniques 4. MBE systems 5. Applications 6. References
Ripening（成熟）
p 2
r
Clusters
大鱼吃小鱼！
Flux
Substrate
薄膜的生长过程PPT课件
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。
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13
6.1薄膜生长过程概述
三、导致生长模式转变的三种物理机制
第六章 薄膜的生长过程
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1
6.1薄膜生长过程概述
图6.1表示薄膜沉积中原子的运动. 状态及薄膜的生长过程
2
6.1薄膜生长过程概述
射向基板及薄膜表面的原子、分子与表面相碰撞，其中一部分 被反射，另一部分在表面上停留。
停留于表面的原子、分子，在自身所带能量及基板温度所对应 的能量作用下，发生表面扩散(surface diffusion)及表面迁移 (surface migration)，一部分再蒸发，脱离表面，一部分落入 势能谷底，被表面吸附，即发生凝结过程。
也就是说，薄膜沉积伴随着从气相到固相的急冷过程，从结构 上看，薄膜中必然会保留大量的缺陷。
此外，薄膜的形态也不是块体的，其厚度与表面尺寸相比相差 甚远，可近似为二维结构。
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6.1薄膜生长过程概述
一、薄膜的生长过程：新相的成核与薄膜的生长两个阶段
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）。
6.2新相的自发成核理论
在薄膜沉积过程的最初阶段，都需要有新相的核心形成， 新相的成核过程可以被分为两种类型： 1. 自发成核：所谓自发成核指的是整个形核过程完全是在相 变自由能的推动下进行的； 2. 非自发成核：非自发形核指的是除了有相变自由能作推动 力之外，还有其他的因素起到了帮助新相核心生成的作用。
ZnO基透明导电薄膜的生长技术
ZnO基透明导电薄膜的生长技术1 概述氧化物透明导电（TCO，Transparent Conductive Oxide）薄膜的光电特性为禁带宽、可见光透射率高，达到75%以上；电阻率低，小于10-3Ω·cm。
广泛应用于薄膜太阳能电池，OLED，LCDs，以及各种汽车应用（如自愈式防水防反射低热导率涂层、防冻低热导率涂层、光控隐私玻璃等）。
目前TCO薄膜主要包括In、Sb、Zn和Cd的氧化物以及复合多元氧化物薄膜，其中In2O3基薄膜的研究最为成熟。
由于In非常稀有，价格昂贵，在大规模应用上受到限制，许多人转而研究成本较低的ZnO基薄膜。
室温下ZnO禁带宽度3.3eV，激子束缚能60meV，可以获得强激子发射。
而且ZnO的电导、光导、压电、声光、气敏和催化特性在较大范围内可以控制调节。
因此ZnO薄膜具有诱人的发展前景。
由于纯ZnO是本征n型半导体，存在的本征施主缺陷对受主掺杂产生高度的自补偿作用，难以得到p-n结结构。
为了制备高空穴浓度和低电阻率的ZnO薄膜，科学家们做了大量的工作。
N掺杂和N-Ga、N-In、N-Al等共掺是目前获得p-ZnO的主要途径。
从成本上看，实现大规模生产的N-Al共掺具有重大的应用价值。
本文主要报告ZnO基薄膜的制备与研究。
实验室生长ZnO基薄膜的方法主要分子束外延、溅射、脉冲激光沉积（PLD）、喷雾热解、溶胶一凝胶技术（sol-ge1）等。
2 真空蒸镀法电子束反应蒸发和分子束外延都要求高真空的本底环境。
电子束反应蒸发要求衬底有良好的热镀特性，分子束外延衬底温度低，束流强度易于精确控制，膜层组分和掺杂浓度可随源的变化而迅速调整。
周红采用电子束蒸发方法制备的ZnO基薄膜具有较高的透明度，不同的温度下可见光透过率均大于70%；随着测试温度的升高，平均透过率有明显减小。
张世玉等采用激光分子束外延方法，改变衬底温度和氧压制备ZnO薄膜。
结果表明衬底温度400℃，氧压1Pa左右制备的薄膜表面比较均匀致密，晶粒生长比较充分，具有较高的结晶质量和发光强度。
薄膜成长原理
薄膜成長原理
薄膜之所以能夠沉積於基板上，主要是由於基板表面上的許多氣體分子或其他粒子，如原子團和離子等。
薄膜沈積是經一連串原子吸附、擴散、成核、晶粒成長、晶粒聚結，而逐漸形成薄膜，其詳細敘述如下，如圖2-6所示[43]：
(a) 成核(Necleation)：
基材表面消耗了原子動能，使原子停留在基材表面，稱為物理吸附；若吸附原子與其他吸附原子有交互作用，將多餘的凝結能放出，形成一穩定之核團，此現象為化學吸附。
相同的原子能吸附也能脫附，若吸附大於脫附，則薄膜成長得以進行。
(b) 晶粒成長(Grain Growth)：
當薄膜的沉積進入個別晶粒成長後，晶粒成長所需要的原子，不再侷限由吸附取得，而是可以直接從氣相中獲得原子來源，並成長成較大之晶粒。
(c) 晶粒聚結(Coalescence)：
當原本各別且獨立的晶粒，成長到與鄰近之晶粒接觸時，便開始了聚結，由於與鄰近的晶粒互相接觸，開始了晶粒間的交互擴散作用，為了減少彼此間之表面能差異，在彼此接觸的部份會先形成頸部，兩晶粒藉此頸部，交互擴散，調整表面能並合而唯一，形成比原
來大之晶粒。
(d) 縫道填補(Filling of Channels)：
縫道的形成，基本上就是晶粒聚結成長後，在晶粒與晶粒間所留下的距離，基本上就是基材表面未被原子所覆蓋的地方，當這些縫道逐漸被填滿後，在基板表面便出現了薄膜的雛形。
(e)膜成長(Film Growth)：
在縫道填補之後的薄膜，繼續堆積原子，持續增加膜厚度，此時薄膜的成長，便不再只是像之前的成長機制，吸附原子可直接進行化學性吸附，增快成長速率。
圖2-6薄膜成長機制示意圖[43]。
电沉积法制备ZnO薄膜的研究进展
电沉积法制备ZnO薄膜的研究进展摘要：ZnO是一种新型的宽禁带氧化物半导体材料，室温下的禁带宽度为3.37 eV，激子结合能为60meV。
因ZnO薄膜同时具有光电、压电、电光等化学物理性能，使其在紫外发射器件、压电器件、太阳能电池、透明导电膜等诸方面都具有广泛的应用前景。
本文主要介绍了ZnO薄膜的性质、制备方法、应用及研究进展。
其中，电化学沉积制备工艺由于其突出的优点，受到广泛的关注，本节重点介绍了电沉积ZnO薄膜的原理。
关键词: ZnO薄膜、电化学沉积、研究进展Progress in electrochemical Deposition of ZnO thin filmsAbstract：ZnO, a wide-band gap (3.37 eV) semiconducting oxide with large exciton binding energy (60 meV) at room temperature, has great applications in the ultraviolet-beam device, piezoelectricity device, solar cells, transparent conductive film etc, because of its properties such as photoelectricity, piezoelectricity, electrooptics physical chemistry performance. In this paper, properties, Preparing techniques, applications and research progress of the ZnO thin film are introduced in detail. Electrochemical Deposition (ECD) has triggered people’s great interests resulting from its prominent merit. Herein, we mainly report ECD technique.Key words: ZnO thin flim、ECD、research progress1 引言ZnO是一种重要的功能材料和新型的Ⅱ-Ⅵ族宽禁带半导体材料。
表面工程技术5薄膜的生长和性能
§5 薄膜的生长和性能§薄膜的生长薄膜的生长进程一样分为成膜粒子的凝结进程、核的形成与长大进程、岛的形成与归并生长进程。
一、凝结进程包括吸附、外表扩散和凝结等进程。
凝结进程是簿膜生长的第一时期。
在气相镀膜中，凝结进程是气相原子、离子或分子入射到衬底外表后，气相吸附相凝结相的一个相变进程。
1、吸附进程固体外表的不饱和键或悬挂键具有吸引外来原子或分子的能力，即吸附。
外表自由能；吸附力；吸附能。
物理吸附；化学吸附。
解吸；解吸能。
〔1〕吸附进程中的能量转变关系○1当入射到基体外表的气相原子动能较小时，处于物理吸附状态，其吸附能用Q p表示。
○2当这种气相原子动能较大、但小于或等于E a时那么可产生化学吸附。
抵达完全化学吸附时，这种气相原子释放出能量E d。
E d与E a的差值Q c称为化学吸附热，E称为激活能，由此能够看出化学吸附是一种激活进程。
因为Q c > Q p，因此只有动能较大的a气相原子才能和基体外表产生化学吸附。
○3当化学吸附的原子取得的动能大于E d时，它将不再被基体外表吸附，通过再蒸发或解吸而转变为气相，因此E d又称为解吸能。
〔2〕吸附原子在外表的平均停留时刻吸附的气相原子在基体外表上的平均停留时刻τa与解吸能E d之间的关系为：«Skip Record If...»式中τ0是单层原子的振动周期，数值大约为10-14～10-12秒，k是玻耳兹曼常数，T是绝对温度。
在室温下，不同解吸能E d与平均停留时间τa的关系如下表。
能够看出，当E d大于20kcal/mol 时，τa值急剧增加到超过通常的实验时刻。
E d (kcal／mol) τa (s) E d (kcal／mol) τa (s)×10-1220 ×105 ×10-1025 ×10510 ×10-630 ×10815 ×10-3二、外表扩散进程〔1〕扩散进程吸附原子在外表上停留期间，便失去了在外表法线方向的动量，只具有与外表水平方向相平行运动的动量。
薄膜的生长过程
薄膜的生长主要包含以下三个基本过程：首先，在非平衡等离子体中，电子与反应气体发生初级反应，使得反应气体发生分解，形成离子和活性基团的混合物；其二，各种活性基团向薄膜生长表面和管壁扩散输运，同时发生各反应物之间的次级反应；最后，到达生长表面的各种初级反应和次级反应产物被吸附并与表面发生反应，同时伴随有气相分子物的再放出。
具体说来，基于辉光放电方法的PECVD技术，能够使得反应气体在外界电磁场的激励下实现电离形成等离子体。
在辉光放电的等离子体中，电子经外电场加速后，其动能通常可达10eV左右，甚至更高，足以破坏反应气体分子的化学键，因此，通过高能电子和反应气体分子的非弹性碰撞，就会使气体分子电离（离化）或者使其分解，产生中性原子和分子生成物。
正离子受到离子层加速电场的加速与上电极碰撞，放置衬底的下电极附近也存在有一较小的离子层电场，所以衬底也受到某种程度的离子轰击。
因而分解产生的中性物依扩散到达管壁和衬底。
这些粒子和基团（这里把化学上是活性的中性原子和分子物都称之为基团）在漂移和扩散的过程中，由于平均自由程很短，所以都会发生离子-分子反应和基团-分子反应等过程。
到达衬底并被吸附的化学活性物（主要是基团）的化学性质都很活泼，由它们之间的相互反应从而形成薄膜。
2、等离子体内的化学反应由于辉光放电过程中对反应气体的激励主要是电子碰撞，因此等离子体内的基元反应多种多样的，而且等离子体与固体表面的相互作用也非常复杂，这些都给PECVD技术制膜过程的机理研究增加了难度。
迄今为止，许多重要的反应体系都是通过实验使工艺参数最优化，从而获得具有理想特性的薄膜。
对基于PECVD技术的硅基薄膜的沉积而言，如果能够深刻揭示其沉积机理，便可以在保证材料优良物性的前提下，大幅度提高硅基薄膜材料的沉积速率。
目前，在硅基薄膜的研究中，人们之所以普遍采用氢稀释硅烷（SiH4）作为反应气体，是因为这样生成的硅基薄膜材料中含有一定量的氢，H 在硅基薄膜中起着十分重要的作用，它能填补材料结构中的悬键，大大降低了缺陷能级，容易实现材料的价电子控制，自从1975 年Spear 等人首先实现硅薄膜的掺杂效应并制备出第一个pn 结以来，基于PECVD 技术的硅基薄膜制备与应用研究得到了突飞猛进的发展，因此，下面将对硅基薄膜PECVD 技术沉积过程中硅烷等离子体内的化学反应进行描述与讨论。
《薄膜生长机理》课件
STEP 02
化学模型
基于物理过程建立数学模 型，用于描述薄膜生长的 微观机制。
STEP 03
热力学模型
基于热力学原理，研究薄 膜生长过程中的能量转化 和平衡。
考虑化学反应过程，模拟 不同组分在薄膜中的扩散 和反应。
薄膜生长的机制
气相沉积
气体分子在基底表面吸附、迁移、凝结形成薄膜 。
液相沉积
基片的影响
• 总结词：基片是薄膜生长的载体，其特性和状态对薄膜的生长和质量具有重要影响。
• 详细描述：基片的表面粗糙度、清洁度、晶格结构和热膨胀系数等特性对薄膜的生长和质量具有重要影响。基片的表面粗糙度和清洁度会影响薄膜与基片之间的附着力和界面态，从而 影响薄膜的机械性能和电学性能。基片的晶格结构和热膨胀系数会影响薄膜的晶格结构和相组成，从而影响薄膜的物理性能和化学性能。为了获得高质量的薄膜，需要对基片进行严格 的表面处理和清洁，确保其表面粗糙度、清洁度、晶格结构和热膨胀系数等特性满足工艺要求。同时，在沉积过程中需要对基片进行适当的加热和冷却处理，以获得最佳的薄膜质量和 性能。
压力的影响
总结词
压力也是影响薄膜生长的重要因素之一，它能够改变 气体分子的密度和碰撞频率，从而影响化学反应速率 和物质输运过程。
详细描述
在薄膜生长过程中，压力的变化会影响气体分子的浓度 和分布，从而影响化学反应速率和物质输运过程。在化 学气相沉积等工艺中，反应气体分子的浓度和碰撞频率 对于薄膜的生长和质量具有重要影响。在一定压力范围 内，提高压力可以增加气体分子的碰撞频率和反应速率 ，有利于薄膜的生长。但过高的压力可能导致设备承受 过大负荷或引起其他工艺问题。因此，选择合适的压力 对于控制薄膜的生长同样具有重要意义。
面形成薄膜。
薄膜生长机理PPT资料(正式版)
每个晶粒大约包括有100个或更多的初始核区域。
与薄膜联并在一起，有些核长大后形成二次小岛，这 其结果是大多数沟渠很快被消除，薄膜由沟渠状变为有小孔洞的连续状结构。
例如，以MoS2为基片，在400℃下成膜时，Ag或Au膜 的起始核密度约为5×1014m-2，最小扩散距离约为 50nm。 这些不断捕获吸附原子生长的核，逐渐从球帽形、圆 形变成多面体小岛。
对于岛的形成可用热力学宏观物理量如表面自由能， 也可用微观物理量如结合能来判别。
利用宏观物理量预测三维岛成长的条件：基体与薄膜 的自由能之差小于基体与薄膜的界面自由能。例如： 基体和薄膜不能形成合金的情况下，因为薄膜自由能 ＞0，如果基体自由能＜界面自由能，那么上述关系当 然会被满足。如果清楚地知道薄膜和基体不能形成化 合物，即使薄膜自由能的大小不清楚，可以预想它还 是按照三维岛的方式成长。 当核与吸附原子间的结合能大于吸附原子与基体的吸 附能时，就可形成三维的小岛。是用微观物理量判别 岛成长的条件。
b) 联并阶段
随着岛不断长大，岛间距离逐渐减小，最后相邻小岛 可互相联结合并为一个大岛。这就是岛的联并。联并 过程小岛的变化如图所示。小岛联并长大后，基体表 面上占据面积减小，表面能降低，基体表面上空出的 地方可再次成核。岛的联并与固相烧结相类似。
基体温度质的可能机理是体扩散和表面扩散，其中 主要的是表面扩散，核越小时，越是如此。因为已经观 察到在短至时间以内，就可在岛间形成相当线度的颈部 （岛间结合部），这可用表面扩散给以满意的解释。
与此同时，在某些地方，沟渠被联并成桥形，并以类
电浆在半导体领域的应用与发展
电浆在半导体领域的应用与发展电浆在半导体领域的应用与发展一、引言近年来，电浆技术在半导体领域的应用与发展备受关注。
电浆作为一种物理气相沉积技术，具有高效、环保、精密等特点，被广泛应用于半导体薄膜、导电膜、光刻胶去除等领域。
本文将从电浆技术的基本原理、在半导体制造中的应用以及未来发展趋势等方面展开，帮助读者更深入地理解电浆在半导体领域的重要性。
二、电浆技术的基本原理电浆是由离子、电子、中性原子和分子组成的等离子体，是一种电中性的气体。
当电场或电流加在气体中时，可以产生电子的离域，形成等离子体。
在等离子体中，由于电子与原子碰撞，可以产生电离、激发与分子解离等过程，从而在气体中产生一系列的化学反应。
电浆技术利用这一原理，通过激发和控制等离子体中的离子和电子，实现对材料表面的沉积、蚀刻或改性。
在半导体制造中，电浆技术被广泛应用于薄膜沉积、清洗、刻蚀等工艺中，为半导体器件的制备提供了关键的工艺支持。
三、电浆技术在半导体制造中的应用1. 薄膜沉积电浆增强化学气相沉积（PECVD）是一种常见的半导体薄膜沉积技术。
通过在气相中产生等离子体，可以使材料的薄膜均匀沉积在基片表面上，形成具有高质量和一定厚度的薄膜。
电浆在PECVD中的应用，可实现对硅氧化物、氮化硅等材料的均匀、致密的沉积，为半导体器件的制备提供了必要的材料基础。
2. 清洗和去除在半导体器件制造过程中，光刻胶残留和杂质的去除是十分关键的工艺步骤。
利用氧化镭、氩等化学物质的等离子体，可以实现对半导体器件表面的清洗和去除。
电浆清洗技术不仅可以高效去除光刻胶残留，还可以在不损伤器件表面的前提下清洗表面杂质，提高器件的性能和可靠性。
3. 刻蚀在半导体器件的制备工艺中，常常需要对材料表面进行图形化加工，以形成电路、井孔等结构。
电浆刻蚀技术是一种精密的图形化加工技术，通过精确控制的等离子体，可以实现对半导体器件表面的微米级图形化加工。
电浆刻蚀技术具有高加工精度、高加工速度和对多种材料的适应性强的特点，被广泛应用于半导体器件的制备工艺中。
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薄膜成長的過程
6
表面吸附與擴散
7
固體中的結晶形態
8
固體的結晶結構
9
10
結晶固體的表面結構
11
薄膜結構表面能量之比較
12
Ag的成核與生長
13
Coalescence of Islands
14
擴散與燒結現象
15
薄膜成長模式
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2D (Layer)成長模式優於3D(Island) 3D成長會導致表面粗糙且不均勻的薄膜 在足夠的動能之下，2D成長可得到結晶 品 質良好、厚度可精密控制的薄膜 運用一些方法，可以改變3D成長模式為 2D成長模式
27
影響薄膜成長的因素 基板溫度
表面的活動能力(surface mobility) • 結晶性質(crystallinity) 表面脫附(surafce desorption) • 成長速率(growth rate) 界面擴散(interdiffusion)
28
影響薄膜成長的因素 成長速率與表面污染
薄膜磊晶成長
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薄膜的應力 (Film Stress)
內在應力(Intrinsic Stress)－薄膜內的 缺陷如差排、雜質等所導致。 外在應力(Extrinsic Stress)－薄膜與基 板間因結晶構造、晶格常數、熱膨脹係 數等之不同或因有界面反應的發生等因 素所導致。
31
熱膨脹係數之不同所導致的薄膜應力
23
柱狀晶成長之演化
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Arriving atoms能量之影響
能量增加, 結構越緻密
25
溫度的影響
26
影響薄膜成長的因素 基板與薄膜
結合力(bonding force) • 表面的活動能力(surface mobility) • 孕核數目(number of nuclei) • 薄膜附著力(film adhesion) 晶格不符合程度(lattice mismatch) 熱膨脹係數不符合程度(thermal expansion mismatch)
張應力
壓應力
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薄膜應力的影響
應力會影響薄膜的附著性，過大者甚至會導致 薄膜破裂。 應力的釋放是逐漸進行的，通常張應力會導致 薄膜內缺陷的產生，適度的壓應力是較佳的選 擇。
33
薄膜的附著力(Adhesion)
1. 2.
3.
4.
Abrupt interface Compound interface Diffusion interface Mechanical anchoring at interface
34
薄膜製程與實務
電漿薄膜生長機制
張銀祐 2006/07
薄膜的應用範圍
2
薄膜製程之步驟
3
薄膜製程設備
4
常用的薄膜製程
物理方法 蒸鍍(Evaporation) －E-gun、MBE 濺鍍(Sputtering) －DC、RF 化學方法 化學氣相沈積(CVD) － APCVD、LPCVD、PECVD、 MOCVD
17
2D (Layer)成長模式
18
薄膜的結構影響因素
基板的影響：薄膜成長模式、表面清潔 程度、晶格常數和熱膨脹係數之匹配。 成長條件的影響：薄膜成長速率、到達 原子的能量、外來能量(如電漿、光束、 離子束等) 。
19
20
薄膜的結構型態
Zone model
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
21
ZONE MODEL
Z1：低溫，幾無表面擴散，呈現內有微細孔洞的柱狀 結構(結晶缺陷很多或是非晶態)，膜厚增加則其表面有 圓頂狀形貌。 ZT：低溫濺鍍製程，無明顯表面擴散，仍具柱狀結 構，其內結晶缺陷多但無微細孔洞及圓頂狀表面形 貌。 Z2：Ts/Tm>0.3 (Ts-基板溫度，Tm-熔點溫度) ，表面 擴散明顯，柱狀結構間有緊密的晶界面，且其直徑隨 溫度增加而增大，結晶缺陷減少，呈現斜面狀的表面 形貌。 Z3： Ts/Tm>0.5，薄膜成長過程中有顯著的退火效 應，因而呈現較大且各方等向的結晶形態，表面較平 坦但在晶界面處有凹槽。 22
成長速率(growth rate) • 原子到達速率(arrival rate of source atoms) • 基板溫度(substrate temperature) • 結晶性質(crystallinity) 污染(contamination) • 真空度、通入氣體純度 • 基板表面清理
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