薄膜制备技术

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. 2. 3. 4. 5. 6. Introduction Principle of MBE In-situ analysis techniques MBE systems Applications References
N2, O2 and other active gases are chemisorbed. no use for the noble gas and CH4, etc.
• Ion pump: 10-12mbar
maintaining UHV conditions Gas molecules are hit by electrons and ionized.
2.1 Growth chamber
Effusion cell
Solid Source：K-Cell Gas Source：RF-plasma
1. PBN crucible 2. Resistive heater filament 3. Metal foil radiation shields 4. Thermocouple 5. Mounting flange
Substrate
临界厚度
Definition: The thickness at which the total energy is minimized at maximum strain, i.e. the misfit fmax.

C r itica l T h ickn es s n m
RIPENING（成熟）
2 p r
Clusters Flux
大鱼吃小鱼！
Substrate
Substrate
COALESCENCE（粘连）
3 2 ES1 ES 2 ( R13 R2 ) 2 1 2 EST R1 R2
Clusters
Bigger cluster
Substrate
(可以减小异质界面的相互扩散）
3) 能够进行原位的测量和表征： RHEED, SPM, LEED, Auger, etc.
1.4 in
Improvements the mobility
图中可以看到， 随着技术的进步 ，载 流子迁移率逐步提高， 目 前 已 经 达 到 107cm2/Vs ； 特 殊 情 况 外，迁移率随温度升 高而降低。
生长模式
衬底
Frank-van der Merve Mode Layer by Layer ( 2D )
Stranski-Krastanov Mode Layer Plus Island Growth ( 2D-3D ) Volmer-Weber Mode Island Growth ( 3D )
2.2 UHV
UHV chamber:
Achieving UHV Conditions (<10-10Torr)
flange; copper gasket
UHV pumping system:
• Rotary pump: act as a backing pump • Turbomolecular pump: 10-9mbar
残留气体在衬底上形成 一单原子层所需时间
Pressure (Torr) Time
Substrate
10-4
10-5 10-6
0.02 s
0.2 s 2s
10-7
10-8 10-9
20 s
3 min 35 min 6 hr 3 days
生长材料的分子 残留气体的分子
10-10 10-11
薄膜表面
平台 单原子层阶梯 Kink Adatom 阶梯原子

热蒸发
玻璃钟罩
衬底 衬底架
反应气体管道 充气管道 Plume 厚度监控仪 加热丝、舟或坩埚 真空泵
仪器
内部结构
常用蒸发源
加热丝
加热舟
坩埚
盒状源（Knudsen Cell）
② 电子束蒸发
用高能聚焦的电子束熔解并蒸发材料 材料置于冷却的坩埚内 只有小块区域被电子束轰击 - 坩埚内部 形成一个虚的“坩埚” - “skulling” 不与坩埚材料交叉污染，清洁。
Bakeout in vacuum: H2O 10-7mbar
1.4 Modified growth methods
• Migration enhanced epitaxy (MEE) was introduced by Horikoshi [34].

两种常见的薄膜结构
A

单层膜
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
MBE of Omicron brade
MBE system in XMU
1.1 Basis
蒸发镀膜方法的一种，特殊的生长环境(UHV)和生长特点
1) 生长的清洁性：超高真空(<10-10 Torr)
2) 生长在原子尺度上可控： 源炉的温度波动小(PID控制在1℃以内)
沉积束流稳定
沉积速度慢(0.1-1nm/s) 生长温度较低

脉冲激光沉积
衬底 真空室 反应气体管道 充气管道 Plume 厚度监控仪 激光束
靶材 真空泵
PULSED LASER DEPOSITION (PLD) SYSTEM
④ 磁控溅射



DC ( 导电材料 ) RF ( 绝缘介质材料 ) 反应 (氧化物、氮化物) 或不反应 ( 金属 )
溅射靶材
平台空位
外延生长层
缺失面 失配位错
Film
衬底 substrate 有应变的外延层 弛豫后的外延层
应力的效果
薄膜 衬底 衬底
粘附薄膜
团簇
在异质结外延生长过程中，根据异质结材料体系的晶格失 配度和表面能与界面能的不同，存在着3种生长模式： (1) 晶 格 匹 配 体 系 的 二 维 层 状 ( 平 面 ) 生 长 的 Frank － Vander Merwe模式； (2)大晶格失配和大界面能材料体系的三维岛状生长的 VolmerWeber模式； (3) 大晶格失配和较小界面能材料体系的初层状进而过渡到岛 状生长的Stranski-Krastanow(SK)模式。
2017/11/14
薄膜的制备
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薄膜的应用
半导体器件 电路连接 电极 光探测器件 半导体激光器 光学镀膜

PVD(物理气相沉积)简介
“物理气相沉积” 通常指满足下面三个步骤 的一类薄膜生长技术:
1. 2.
所生长的材料以物理方式由固体转化为气体；
生长材料的蒸汽经过一个低压区域到达衬底；
hc b hc [ln( ) 1] 8 (1 ) f b
应变场 薄膜 h
0.0001
0.001
0.01
1000
1000
100
100百度文库
10
10
衬底
位错芯
0.0001
0.001 f Mismatch
0.01
PVD的通用实验配置
真空室 反应气体管道 充气管道 Plume
衬底
厚度监控仪
靶材
真空泵
3.
蒸汽在衬底表明上凝结，形成薄膜。
PVD的一般特性
“物理吸附”: 约束能 < 0.434 eV/atom (10 cal/mol) 比外延生长速率快很多 衬底与薄膜材料不一定要有联系 厚度范围:

典型薄膜：~nm
─ ~103 nm 也可以生长更厚的膜
薄膜分类
厚度

结构
衬底
衬底
薄膜生长中服从的物理原理
总能量必须最小化：表面自由能+位错能+应变能
例：应变自组装纳米量子点(线)结构材料的制备是利用SK生长模式。 它描述具有较大晶格失配，而界面能较小的异质结构材料生长行 为。SK生长模式的机制如下： （ 1 ）对于晶格常数相差较大的材料系统，在外延生长初期外延层材 料在衬底表面上呈稳定平面 (层)状生长。由于外延层厚度很薄，故它 与衬底晶体之间的晶格失配为生长层本身的弹性畸变所缓解，晶体为 赝品结构生长。 （ 2 ）随着生长层厚度逐渐增加，晶体内部弹性畸变能量不断积累， 当此能量值超过某个阈值后，刹那间二维的层状晶体会完全坍塌，只 在原来衬底表面存留一薄层生长层 (浸润层)，其余的晶体材料在整个 系统的表面能、界面能和畸变能的联合作用下，于浸润层表面上重新 自动聚集，形成纳米尺度的三维无位错晶体“小岛”，使系统的能量 最小。晶体“小岛”的生成是自发进行的，故被称为自动组装生长。 纳米尺度的“小岛”(量子点 )形成后，再用另外一种能带带隙较 宽的半导体材料 ( 如 GaAs ， AlGaAs 等 ) 将这些“小岛”覆盖，形成 “葡萄干”分层夹馅饼干结构。这时“小岛”中的电子 (或空穴 )载流 子，由于外面覆盖层材料高能量势垒的阻挡 (限制 )作用，只能被“囚 禁”在“小岛”中，这就形成了应变自组装量子点结构材料。采用SK 生长模式制备应变自组装量子点材料，是目前最为成功的一项制备量 子点材料的技术。


超薄膜: ~10 nm 薄膜: 50 nm─1 mm 中间范围: 1 mm ─ ~10 mm 厚膜: ~10 mm ─ ~100 mm
单晶薄膜 多晶薄膜 无序薄膜
薄膜中涉及的研究课题
生长机制和技术 薄膜成分 缺陷与位错 表面形态 薄膜中的扩散现象 界面的性质 应力引起的应变 物理性质（电学、光学、机械等）
① 热蒸发
基本思想：提高温度，熔解并蒸发材料 将材料置于某种容器内（上） 将用高熔点金属(W, Mo, Ta, Nb)制成的加 热丝或舟通上直流电，利用欧姆热加热 材料 将用绝缘材料(quartz, graphite, alumina, beryllia, zirconia)制成的坩埚通上射频交 流电，利用电磁感应加热材料
kT ~ ~ L 2d 2 p kT 1.38 10 23 300 p~ 0.02 Pa 10 2 2 2d L 1.41 3.14 (2.9 10 ) (0.5) 4 1.7 10 Torr
1 Torr = 133 Pa ；1 Pa =7.5 mTorr
残留气体对薄膜生长的影响
The gas molecules are dragged by rotor blades. low pumping speed for light gases( H2, etc)
• Titanium sublimation pump:
three independent filaments; used intermittently
溅射过程的物理模型
入射离子 +
真空 靶材固体 渗透深度 溅射粒子 （离子或中性粒子）
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:

2 1.5
Y ield
Sputtering Yield of Ar on Si 1 5 10 50 100 500

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
1. 1
1 0.5 1
5 10 50 100 E k eV

0.
0 500
择优溅射

靶材中的不同成分的溅射产值不一 样
不同成分的出射速度不一样 薄膜的化学配比与靶材会有差别


溅射离子的运动学过程
衬底
非平衡过程 各向异性过程 cosmq 分布 不均匀厚度

靶材
附加磁场的优点
限制溅射离子的轨道 增加离子在气体中停留的时间 增强等离子体和电离过程 减少从靶材到衬底路程中的碰 撞 高磁场附近的产值比较高

电子束蒸发
衬底
真空室
反应气体管道 充气管道 Plume 厚度监控仪 电子枪 真空泵 坩埚与材料
Substrate fixture
E-Gun Crucible
常用蒸发材料形态
③ 脉冲激光沉积
用高能聚焦激光束轰击靶材 蒸发只发生在光斑周围的局部区域 蒸发材料被直接从固体转化为等离子体 能轰击出来大尺寸的颗粒 光束渗透深度小 ~ 100 A, 蒸发只发生在 靶材表面