08功能薄膜材料

0808功能薄膜材料功能薄膜材料 功能薄膜材料Functional filmymaterial薄膜太阳能电池薄膜沉积技术自70年代以来 薄膜技 术得到突飞猛进的发展 无论在学术上还是在实际应用中都取得了 丰硕的成果 薄膜技术和薄膜材料的发展涉及几乎所有前沿学科 它的应用与推 广又渗透到各个学科以及应用技术中 自70年代以来 薄膜技术得到突飞猛进的发展 无论在学术上还是 在实际应用中都取得了丰硕的成果 薄膜技术和薄膜材料的发展涉及几乎所有前沿学科 它的应用与推 广又渗透到各个学科以及应用技术中 如电子 计算机 磁记录 信息 传感器 能源 机械 光学 航 空航天 核工业 化工 生物 医学等 现已成为当代真空技术和 材料科学中最活跃的研究领域 所制备的各种类型的新材料 新结 构 新功能的薄膜 对材料的研究和使用起到巨大推动作用 如电子 计算机 磁记录 信息 传感器 能源 机械 光学 航 空航天 核工业 化工 生物 医学等 现已成为当代真空技术和 材料科学中最活跃的研究领域 所制备的各种类型的新材料 新结 构 新功能的薄膜 对材料的研究和使用起到巨大推动作用 一 成膜技术薄膜制备方法气相生成法液相生成法离子注入法氧化 法扩散与涂布法电镀法等等 薄膜制备方法气相生成法液相生成法离子注入法氧化法扩散与涂布 法电镀法等等 许多薄膜材料的制备方法涉及气相到固相的转变 气相中各组分能够充分的均匀混合 制备的材料的转变 气相中各组分能够充分的均匀混合 制备的材料组分均匀 易于掺 杂 制备温度低 适合大尺寸薄膜的制备 并且能够在形状不规则 的衬底上生长薄膜 适合大尺寸薄膜的制备 并且能够在形状不规则的衬底上生长薄 膜 基于气相 固相转变的薄膜制备方法分为物理气相沉积物理气相沉积 PVD 和和 化学气相沉积 CVD 两大类 其中分子束外延两大类 其中分子束外 延 MBE 激光脉冲沉积 PLB 溅射 溅射 sputtering 和金属有 机物化学气相沉积 MOCVD 等技术在实际应用中有重要意义 1 真空蒸镀法把待镀的基片置于高真空室内 通过加热使蒸发材料 气化 或升华 而淀积到某一温度基片的表面上 从而形成一层薄膜 这一工艺过程称为把待镀的基片置于高真空室内 通过加热使蒸发 材料气化 或升华 而淀积到某一温度基片的表面上 从而形成一层 薄膜 这一工艺过程称为真空蒸镀法 采用蒸发形成薄膜的过程包括以下几个物理阶段 1 采用蒸发或升华把被淀积的材料转变为气态 2 原子 分子 从蒸发源转移到基片上 3 这些粒子淀积在基片上 4 在基片表而上粒子重新排列或它们的键发生变化 采用蒸发形成薄膜的过程包括以下几个物理阶段 1 采用蒸发或升华把被淀积的材料转变为气态 2 原子 分子 从蒸发源转移到基片上 3 这些粒子淀积在基片上 4 在基片表而上粒子重新排列或它们的键发生变化 原料气态薄膜升华蒸发凝结蒸发凝结真空蒸镀设备主要由真空镀膜 室和真空抽气系统两大部分组成 见图17 1所示 真空蒸镀设备主要由真空镀膜室和真空抽气系统两大部分组成 见 图17 1所示 真空镀膜室是用不锈钢或玻璃制成的钟罩 镀膜室内装有蒸发电极 基片架 轰击电极 测温和烘烤电极 挡 板转动装置 膜厚监控测量仪以及一些辅助装置 真空抽气系统主要由扩散泵 机械泵 高真空阀 低真空阀 充气 阀及挡油器等组成 真空镀膜室是用不锈钢或玻璃制成的钟罩 镀膜室内装有蒸发电极 基片架 轰击电极 测温和烘烤电极 挡 板转动装置 膜厚监控测量仪以及一些辅助装置 真空抽气系统主要由扩散泵 机械泵 高真空阀 低真空阀 充气 阀及挡油器等组成 蒸发源分为电阻加热 电子束加热 激光等类型 电阻加热蒸发源是用高熔点金属 钨 钼 钽 做成 用蒸发源存放膜料 利用大电流通过加热器时产生的焦耳热来直接 加热膜料使其蒸发 通常用于蒸发温度小于1500 的铝 金 银等 金属 以及硫化物 氟化物 某些氧化物 这种蒸发源结构简单 使用方便 造价低 因此使用普遍 是用高熔点金属 钨 钼 钽 做成 用蒸发源存放膜料 利用大电流通过加热器时产生的焦耳热来直接 加热膜料使其蒸发 通常用于蒸发温度小于1500 的铝 金 银等 金属 以及硫化物 氟化物 某些氧化物 这种蒸发源结构简单 使用方便 造价低 因此使用普遍 电子束加热蒸发源利用电子束集中轰击膜料的一部分而进行加热 它由利用电子束集中轰击膜料的一部分而进行加热 它由热阴极 电子加速极和阳极 膜料 热阴极 电子加速极和阳极 膜料 等组成 电子束蒸发源的特点是 能量高度集中 使膜料的局部表面获得高 温 是 能量高度集中 使膜料的局部表面获得高温 可控制蒸发温 度 因此对高 低熔点的膜料都适用 尤其适合熔点达2000 的氧化物 由于不需坩埚 制蒸发温度 因此对高 低熔点的膜料都适用 尤其适合熔点达2000 的氧化物 由于不需坩埚 避免了坩埚材料对膜料的污染 激光蒸发源将激光束作为热源来加热膜料 通过聚焦可使激光束功 率达到10将激光束作为热源来加热膜料 通过聚焦可使激光束功率 达到1066W cm22以上 它以无接触加热方式使膜料迅速气化 然后淀 积在基片上形成薄膜 以上 它以无接触加热方式使膜料迅速气化 然后淀积在基片上形成 薄膜 激光蒸发的主要优点是能实现化合物的蒸发沉积 而且不会产生分 馏现象 能蒸发任何高熔点材料 采用激光蒸发源是淀积介质膜 半导体膜 金属膜和天机化合物膜 的好方法 是能实现化合物的蒸发沉积 而且不会产生分馏现象 能蒸发任何 高熔点材料 采用激光蒸发源是淀积介质膜 半导体膜 金属膜和天机化合物膜 的好方法 2 溅射镀膜用高能粒子 大多数是由电场加速的正离子 撞击固体表 面 在与固体表面的原子或分子进行能量或动量交换后 从固体表 面飞出原子或分子的现象称为用高能粒子 大多数是由电场加速的正 离子 撞击固体表面 在与固体表面的原子或分子进行能量或动量交 换后 从固体表面飞出原子或分子的现象称为溅射 溅射出来的物质淀积到基片表面形成薄膜的方法称为溅射镀膜法 溅射出来的物质淀积到基片表面形成薄膜的方法称为溅射镀膜法 与蒸发镀膜相比 由于溅射镀膜中靶材无相变 化合物的成分不易 发生变化 合金也不易发生分馏 因此使用的靶材广泛 由于溅射淀积到基片上的粒子能量比蒸发高达50倍 同时又有对基 片清洗和升温作用 形成的薄膜附着力大 与蒸发镀膜相比 由于溅射镀膜中靶材无相变 化合物的成分不易 发生变化 合金也不易发生分馏 因此使用的靶材广泛 由于溅射淀积到基片上的粒子能量比蒸发高达50倍 同时又有对基 片清洗和升温作用 形成的薄膜附着力大 辉光放电与溅射现象辉光放电是气体放电的一种类型 它是一种稳 定的自持放电 它的辉光放电是气体放电的一种类型 它是一种稳定的自持放电 它的最简单装置是在真空放电室中安置两个电极 阴极为冷阴极 通入压强为0 1 10Pa氩气 当外加直流高压超过着火电压 起始放 电电压 Vs时 气体就由绝缘体变成良导体 电流突然上升 两极间 电压降突然下降 是在真空放电室中安置两个电极 阴极为冷阴极 通入压强为0 1 10Pa氩气 当外加直流高压超过着火电压 起始放电电压 Vs时 气 体就由绝缘体变成良导体 电流突然上升 两极间电压降突然下降 此时 两极空间就会出现明暗相间的光层 气体的这种放电为此时 两极空间就会出现明暗相间的光层 气体的这种放电为辉光放电 图17 2为辉光放电示意图 图17 2为辉光放电示意图 辉光放电可分为正常辉光放电和异常辉光放电两类 正常辉光放电时 由于放电电流还未大到足以使阴极表面全部布满 辉光 因此随电流的增大 阴极的辉光面积成比例地增大 而电流 密度j辉光放电可分为正常辉光放电和异常辉光放电两类 正常辉光放电时 由于放电电流还未大到足以使阴极表面全部布满 辉光 因此随电流的增大 阴极的辉光面积成比例地增大 而电流 密度j K K和阴极位降V KK则不随电流的变化而改变 在放电的其他条件保持不变时 阴极位降区的长度d则不随电流的变 化而改变 在放电的其他条件保持不变时 阴极位降区的长度d KK随气体压强成反比变化 随气体压强成反比变化 异常辉光放电时 由于阴极表面全部布满了辉光 电流进一步增大 导致j异常辉光放电时 由于阴极表面全部布满了辉光 电流进一 步增大 导致j KK增加 d KK减小 V减小 V KK进一步增加 撞击阴极的正离子数目及动能比正常辉光放电时大 为增加 在阴极表面发生强烈溅射 进一步增加 撞击阴极的正离子数目及动能比正常辉光放电时大为 增加 在阴极表面发生强烈溅射 所以利用异常辉光放电进行溅射镀膜 基片作阳极 要溅射的材料作阴极 靶子 所以利用异常辉光放电进 行溅射镀膜 基片作阳极 要溅射的材料作阴极 靶子 根据引起气体放电的机理不同 可形成不同的溅射镀膜方法 主要 根据引起气体放电的机理不同 可形成不同的溅射镀膜方法 主要 有直流溅射 高频溅射 反应溅射 磁控溅射有直流溅射 高频溅 射 反应溅射 磁控溅射等方法 高频溅射高频溅射的原理如图17 3 利用高频电磁辐射来维持低气压 2 5 10高频溅射的原理如图17 3 利用高频电磁辐射来维持低气压 2 5 10 2 的辉光放电 使 的辉光放电 使正离子和电子交替轰击靶子 高频溅射可以沉积任何固体材料的薄膜 所得膜层致密 纯度高 与基片附着牢固 并具有较大的溅射速率 高频溅射可以沉积任何固体材料的薄膜 所得膜层致密 纯度高 与基片附着牢固 并具有较大的溅射速率 磁控溅射磁控溅射的电场和磁场相互垂直 可以将电子的运动路程 限制在靶面附近 显著地延长了电子的运动路程 增加了同工作气 体分子的碰撞几率 提高了电子的电离率 使磁控溅射速率数量级 提高 磁控溅射的电场和磁场相互垂直 可以将电子的运动路程限制在靶 面附近 显著地延长了电子的运动路程 增加了同工作气体分子的 碰撞几率 提高了电子的电离率 使磁控溅射速率数量级提高 激光脉冲沉积 PLD 3 离子镀膜离子镀膜技术是60年代发展起来的一种镀膜方法 它是 离子镀膜技术是60年代发展起来的一种镀膜方法 它是真空蒸发与 溅射相结合的新工艺真空蒸发与溅射相结合的新工艺 即利用真空 蒸发来制作薄膜 用溅射作用来清洁基片表面 因此 它是在辉光放电中的蒸发法 离子镀膜装置如图17 4所示 即利用真空蒸发来制作薄膜 用溅射作用来清洁基片表面 因此 它是在辉光放电中的蒸发法 离子镀膜装置如图17 4所示 蒸发源蒸发出来的粒子通过辉光放电的等离子区时 其中的通过辉 光放电的等离子区时 其中的一部分校被电离成为正离子 通过扩 散和电场作用 通过扩散和电场作用 高速打到基片表面 另外 大部分为处于激发态的中性蒸发粒子 在惯性作用下到达基片表面 为处于激发态的中性蒸发粒子 在惯性作用下到达基片表面 堆 积成薄膜 这一过程称为离子镀膜离子镀膜 为了有利于膜的形成 必须满足沉积速率大于溅射速率的条件 这可通过控制蒸发速率 和充氩压强来实现 为了有利于膜的形成 必须满足沉积速率大于溅射速率的条件 这可通过控制蒸发速率和充氩压强来实现 离子镀膜的主要优点是基片表面和膜面洁净 不受沾污 由于基片受到高能粒子的轰击 温度较高 因此对基片不用辐射加 热就能提高表面区域的扩散和化学反应速度 并具有互溶性 离子镀膜的主要优点是基片表面和膜面洁净 不受沾污 由于基片受到高能粒子的轰击 温度较高 因此对基片不用辐射加 热就能提高表面区域的扩散和化学反应速度 并具有互溶性 4 化学气相沉积 化学气相沉积 CVD 是一种在实际应用中有重要作 用的薄膜制备方法 它提供了一种在相对低的温度下 在较广的范围内准确控制薄膜的 化学成分和结构的方法 化学气相沉积 CVD 是一种在实际应用中有重要作用的薄膜制备方法 它提供了一种在相对低的温度下 在较广的范围内准确控制薄膜的 化学成分和结构的方法 本质上CVD是一种材料的合成过程 气相原子或分子被输运到衬底 表面附近 在衬底表面发生化学反应 生成与原料化学成分截然不 同的薄膜 过程 气相原子或分子被输运到衬底表面附近 在衬底表面发生化 学反应 生成与原料化学成分截然不同的薄膜 为了制备化合物半导体薄膜 发展起了利用金属有机化合物作为气 相源酌金属有机化合物气相沉积 MOCVD 技术 为了制备化合物半导体薄膜 发展起了利用金属有机化合物作为气 相源酌金属有机化合物气相沉积 MOCVD 技术 Advantage ofCVD 大于99 9 之高密度镀层 有良好的真空密封性 纯度高 强度高 与晶体结构 大小 纯度 密度 内应力有关 可在相当 低的温度下镀上高熔点材料镀层 大于99 9 之高密度镀层 有良好 的真空密封性 纯度高 强度高 与晶体结构 大小 纯度 密度 内应力有关 可在相当低的温度下镀上高熔点材料镀层 良好的 抛镀力 可控制晶粒大小与微结构 可制作微粒子镀层 良好的附 着性 良好的抛镀力 可控制晶粒大小与微结构 可制作微粒子镀 层 良好的附着性Disadvantage ofCVD 反应需要挥发性化合物 不适用于一般可电镀的金属 因其 缺少适合的反应物 如锡 锌 金 需可形成稳定固体化合物的化 学反应 如硼化物 氮化物及硅化物等 因有剧毒物质的释放 腐 蚀性的废气及沉积反应需适当控制 需要封闭系统 反应需要挥发 性化合物 不适用于一般可电镀的金属 因其缺少适合的反应物 如锡 锌 金 需可形成稳定固体化合物的化学反应 如硼化物 氮化物及硅化物等 因有剧毒物质的释放 腐蚀性的废气及沉积反 应需适当控制 需要封闭系统 需要高能量 可能造成基材变形 可 通过PACVD法改善 某些反应物价格昂贵 反应物的使用率低 反 应常受到沉积反应平衡常数的限制 需要高能量 可能造成基材变 形 可通过PACVD法改善 某些反应物价格昂贵 反应物的使用率低 反应常受到沉积反应平衡常数的限制 5 分子束外延 分子束外延 molecular beamepitaxy MBE 是一种主要用于半导体薄膜制备的新方法 是目 前制备半导体超薄膜 多层量子结构 超晶格的主要手段之一 已 经开始在生产上应用 分子束外延 molecular beamepitaxy MBE 是一种主要用于半导体薄膜制备的新方法 是目 前制备半导体超薄膜 多层量子结构 超晶格的主要手段之一 已 经开始在生产上应用 这种方法本质上是一种超高真空蒸发淀积方法 一般不涉及生长室 内的气相化学反应 属于一种物理气相淀积方法 是一种超高真空蒸发淀积方法 一般不涉及生长室内的气相化学反 应 属于一种物理气相淀积方法 分子束外延是利用分子束或原子束在超高真空系统中进行外延生长 的 作为生长源的分子 原子 束通常在努森 Knudson 也称为源发射炉 箱中加热产生 箱中保持准平衡态 所以射束的成分和强度可以根 据热力学进行设计 分子束外延是利用分子束或原子束在超高真空系统中进行外延生长 的 作为生长源的分子 原子 束通常在努森 Knudson 也称为源发射炉 箱中加热产生 箱中保持准平衡态 所以射束的成分和强度可以根 据热力学进行设计 从努森箱喷发出来的射束由喷射孔和射束闸门来控制 直线射到衬 底表面 在动力学控制条件下 在衬底上冷凝和生长 图15 17是分子柬外延设备结结构示意图 从努森箱喷发出来的射束由喷射孔和射束闸门来控制 直线射到衬 底表面 在动力学控制条件下 在衬底上冷凝和生长 图15 17是分子柬外延设备结结构示意图 分子束外延设备 真空系统 分子束外延生长室主要由三大部分组成 即源发射炉 衬底夹和加热器 以及监控设备 分子束外延过程是 在超高真空中进行的 这样才能保证分子 原子 束有较大的平均自 由 从面按照设计的路线射到衬底表面 这是分子柬外延区别于其他薄膜生长方法的鲜明特点 这 特点带 来多种好处 分子束外延过程是在超高真空中进行的 这样才能保证分子 原子 束有较大的平均自由 从面按照设计的路线射到衬底表面 这是分子柬外延区别于其他薄膜生长方法的鲜明特点 这 特点带 来多种好处 首先是可以把要求高真空条件工作的分析装置结合到外延生长系统 中去 这类装置一般包括质谱仪 俄歇分析仪 离子轰击装置 纳米探针 显微镜以及衍射仪 薄膜厚度测试仪等 首先是可以把要求高真空条件工作的分析装置结合到外延生长系统 中去 这类装置一般包括质谱仪 俄歇分析仪 离子轰击装置 纳米探针 显微镜以及衍射仪 薄膜厚度测试仪等 这些设备提供了清洁的衬底表面 以及实时或者原位监控生长环境 和淀积膜的组成与结构信息的重要手段 对精细控制生长过程 保 证薄膜质量是必须的 同时 这也为在确定的条件下进行表面研究和外延生长机理的研究 创造了条件 这些设备提供了清洁的衬底表面 以及实时或者原位监控生长环境 和淀积膜的组成与结构信息的重要手段 对精细控制生长过程 保 证薄膜质量是必须的 同时 这也为在确定的条件下进行表面研究和外延生长机理的研究 创造了条件 分子束外延的另一个独特优点 是它的生长速率可以调节得很慢 使得外延层厚度可以得到精确控制 生长表面或界面可达到原子级 光滑度 因而可制备极薄的薄膜 分子束外延的另一个独特优点 是它的生长速率可以调节得很慢 使得外延层厚度可以得到精确控 制 生长表面或界面可达到原子级光滑度 因而可制备极薄的薄膜 由于吸附原子有较宽裕的表面扩散时间来 找到 最低能量位置 分子束外延的生长温度一般比较低 这就能把诸如扩散这类不希 望出现的热激活过程减少到最低 由于吸附原子有较宽裕的表面扩 散时间来 找到 最低能量位置 分子束外延的生长温度一般比较 低 这就能把诸如扩散这类不希望出现的热激活过程减少到最低 另外 只要加上带有合适闸门的源箱 就能很方便地引入不同种类 的分子束 为在较大范围内控制薄膜的组分和掺杂浓度 研制具有 复杂剖面分布的结构提供了条件 另外 只要加上带有合适闸门的源箱 就能很方便地引入不同种类 的分子束 为在较大范围内控制薄膜的组分和掺杂浓度 研制具有 复杂剖面分布的结构提供了条件 分子束外延还具有生长技术要素独立可控的特点 这在生长技术和 生长机理的研究中非常有用 分子束外延还具有生长技术要素独立可控的特点 这在生长技术和 生长机理的研究中非常有用 二 导电薄膜导电薄膜在半导体集成电路和混合集成电路中应用十 分广泛 它可用作薄膜电阻器的接触端 薄膜电容器的上下电极 薄膜电感器的导电带和引出端头 也可用作薄膜微带线 元器件之 间的互连线 外贴元器件和外引线的焊区 以及用于形成肖特基结和 构成阻挡层等 导电薄膜在半导体集成电路和混合集成电路中应用十分广泛 它可 用作薄膜电阻器的接触端 薄膜电容器的上下电极 薄膜电感器的 导电带和引出端头 也可用作薄膜微带线 元器件之间的互连线 外 贴元器件和外引线的焊区 以及用于形成肖特基结和构成阻挡层等 在集成电路中 导电薄膜所占的面积比例与其他薄膜材料相比是很 大的 而且随着集成度的不断提高 薄膜多层互连基板的应用 其 所占面积比例持不断增大 因而导电薄膜的性能 对于提高集成度和提高电路性能均有很大影 响 在集成电路中 导电薄膜所占的面积比例与其他薄膜材料相比是很 大的 而且随着集成度的不断提高 薄膜多层互连基板的应用 其 所占面积比例持不断增大 因而导电薄膜的性能 对于提高集成度和提高电路性能均有很大影 响 导电薄膜按其成分可分为 1 低熔点单元素导电薄联 2 复合导电薄膜 3 多品硅薄膜 4 高熔点金属薄膜 5 金属硅化物导电薄膜 6 透明导电薄膜 1 低熔点单元素导电薄联 2 复合导电薄膜 3 多品硅薄膜 4 高熔点金属薄膜 5 金属硅化物导电薄膜 6 透明导电薄膜 1 低熔点金属导电薄膜在金属薄膜中 主要有Au Ag Cu和A1薄膜 其中 对Al薄膜的研究和应用较多 通常采用真空蒸发制作铝膜 所用原材料纯度为99 99 以上 真空 度高于5xl0在金属薄膜中 主要有Au Ag Cu和A1薄膜 其中 对Al 薄膜的研究和应用较多 通常采用真空蒸发制作铝膜 所用原材料纯度为99 99 以上 真空 度高于5xl0 3Pa 由于A1与W Mo Ta等元素易生成低共熔合金 故一般不使用W Mo Ta 舟蒸发铝 Pa 由于A1与W Mo Ta等元素易生成低共熔合金 故一般不使用W Mo Ta 舟蒸发铝 在集成电路工艺中主要采用溅射技术制备A1膜 在集成电路工艺中主要采用溅射技术制备A1膜 此外 Au薄膜 Ag薄膜 Cu薄膜与A1薄膜一样 均属元素导电薄膜 它们的制备方法仍以真空蒸发 溅射为主 Ag Cu易氧化 Au性能稳定 此外 Au薄膜 Ag薄膜 Cu薄膜与A1薄膜一样 均属元素导电薄膜 它们的制备方法仍以真空蒸发 溅射为主 Ag Cu易氧化 Au性能稳定 2 复合导电薄膜金膜的导电性好 稳定性好 是一种优良的导电薄 膜 但金与基板 如微晶玻璃 陶瓷 的附着性很差 因此 当金膜用作导电膜时 一般必须先淀积一层底金属层 然后 再淀积金 形成金基复合导电薄膜 金膜的导电性好 稳定性好 是一种优良的导电薄膜 但金与基板 如微晶玻璃 陶瓷 的附着性很差 因此 当金膜用作导电膜时 一般必须先淀积一层底金属层 然后 再淀积金 形成金基复合导电薄膜 所以 复合导电薄膜在结构上主要包括底金属层和上面金属层两部 分 底金属层主要起粘附作用 使上层导电薄膜能牢固地附着于基片上 上层薄膜则主要起导电作用和便于焊接 主要包括底金属层和上面金属层两部分 底金属层主要起粘附作用 使上层导电薄膜能牢固地附着于基片上 上层薄膜则主要起导电作用和便于焊接 由于复合导电薄膜的组分至少包括两种或两种以上的金属 因此在 由于复合导电薄膜的组分至少包括两种或两种以上的金属 因此在 制备这种薄膜时 不能采用单蒸发源或单靶 必须这种薄膜时 不 能采用单蒸发源或单靶 必须采用两个或三个蒸发源顺序蒸发和采 用多金属靶的顺序溅射方法 采用两个或三个蒸发源顺序蒸发和采 用多金属靶的顺序溅射方法 才能获得所需性能 铬 金薄膜和镍铬 金薄膜是目前用得最多的复合导电薄膜 主要用作电阻的端头电极 互连线 微带线 单层薄膜电感器 薄 膜电容器上电极和焊区等 铬 金薄膜和镍铬 金薄膜是目前用得最多的复合导电薄膜 主要用作电阻的端头电极 互连线 微带线 单层薄膜电感器 薄 膜电容器上电极和焊区等 钛 金薄膜 钛 铂 金薄膜 钛 钯 金薄膜主要用于钽膜电路 和半导体器件中 镍铬 铜 钯 铂 金薄膜主要用于锡焊 氯化 钛 金和钼化钛 金薄膜可以在400 450 下稳定工作 钛 金薄膜 钛 铂 金薄膜 钛 钯 金薄膜主要用于钽膜电路 和半导体器件中 镍铬 铜 钯 铂 金薄膜主要用于锡焊 氯化 钛 金和钼化钛 金薄膜可以在400 450 下稳定工作 3 高熔点金属薄膜高熔点金属是指元素周期表中 B族的Ti Zr Hf VB族的V Nb Ta VIB族的Cr Mo和W 制造高熔点金属薄膜 主要是为满足集成度大于256Kbit的器件对电 极材料的要求 选用电子束蒸发 溅射和化学气相沉淀等方法可以制备高熔点金属 薄膜 高熔点金属是指元素周期表中 B族的Ti Zr Hf VB族的V Nb Ta VIB族的Cr Mo和W 制造高熔点金属薄膜 主要是为满足集成度大于256Kbit的器件对电 极材料的要求 选用电子束蒸发 溅射和化学气相沉淀等方法可以制备高熔点金属 薄膜 采用上述方法在二氧化硅等热稳定薄膜表面所形成的W Mo等高熔点 金属薄膜 一般为多晶结构 薄膜多呈柱状结晶结构 晶粒尺寸随 基板温度和热处理温度的升高而增大 薄膜的电阻率 值会逐渐变 小 可以在大规模集成电路中使用 采用上述方法在二氧化硅等热稳定薄膜表面所形成的W Mo等高熔点 金属薄膜 一般为多晶结构 薄膜多呈柱状结晶结构 晶粒尺寸随 基板温度和热处理温度的升高而增大 薄膜的电阻率 值会逐渐变 小 可以在大规模集成电路中使用 4 多晶硅薄膜重掺杂的多晶硅薄膜是替代A1膜作为MOS集成电路的 栅电极与互连线材料 多晶硅薄膜耐高温热处理 经氧化处理 可在其表面生成优良的Si0 重掺杂的多晶硅薄膜是替代A1膜作为MOS集成电路的栅电极与互连线 材料 多晶硅薄膜耐高温热处理 经氧化处理 可在其表面生成优良的Si0 22膜 容易得到高纯度的膜层 利用不同掺杂成分既可形成n型半导体 又可形成p型半导体 改变 掺杂浓度可改变膜层的电阻率 膜 容易得到高纯度的膜层 利用不同掺杂成分既可形成n型半导体 又可形成p型半导体 改变 掺杂浓度可改变膜层的电阻率 制备多晶硅薄膜的方法很多 通常淀积固体薄膜的方法 如真空蒸 发 溅射 电化学淀积 化学气相反应淀积 分子束外延等 都可 用来淀积多晶硅薄膜 制备多晶硅薄膜的方法很多 通常淀积固体薄膜的方法 如真空蒸 发 溅射 电化学淀积 化学气相反应淀积 分子束外延等 都可 用来淀积多晶硅薄膜 在结构上 多晶硅薄膜由许多无规则取向的小晶粒组成的 在一定条件下 存在着一个主要的生长晶向 这个晶向为择优取向 择优取向与淀积温度及以后的热处理温度密切相关 在结构上 多晶硅薄膜由许多无规则取向的小晶粒组成的 在一定条件下 存在着一个主要的生长晶向 这个晶向为择优取向 择优取向与淀积温度及以后的热处理温度密切相关 非掺杂多晶硅薄膜的电阻率很高 可达10非掺杂多晶硅薄膜的电阻 率很高 可达1055 cm 如掺杂浓度在l019cm 3以上 其电阻率与单晶硅的电阻率相近 10以上 其电阻率与单晶 硅的电阻率相近 10 2 10 3 cm 掺杂后多晶硅的许多性质 如电气性质 光学性质 结构和形貌等 都随掺杂材料的种类和浓度面改变 cm 掺杂后多晶硅的许多性质 如电气性质 光学性质 结构和形貌等 都随掺杂材料的种类和浓度面改变 多晶硅薄膜的导电性质与单晶硅的不同 是因为在多晶硅薄膜中存 在着晶界多晶硅薄膜的导电性质与单晶硅的不同 是因为在多晶硅 薄膜中存在着晶界 5 金属硅化物薄膜硅化物具有低的电阻率 约为多晶硅电阻率的1 10或更低 且高温稳定性好 抗电迁移能力强 并可直接淀积在多 晶硅上 其工艺与现有硅栅N沟道MOS工艺兼容 因而被广泛用于超 大规模集成电路中 硅化物具有低的电阻率 约为多晶硅电阻率的1 10或更低 且高温 稳定性好 抗电迁移能力强 并可直接淀积在多晶硅上 其工艺与 现有硅栅N沟道MOS工艺兼容 因而被广泛用于超大规模集成电路中 元素周期表中有一半以上的元素可与硅形成一种或多种硅化物 但适于集成电路的硅化物 必须具有以下性质低电阻率 易刻蚀 可氧化 机械稳定性好 适用于整个集成电路工艺 与Al不易发生 反应等 元素周期表中有一半以上的元素可与硅形成一种或多种硅化物 但适于集成电路的硅化物 必须具有以下性质低电阻率 易刻蚀 可氧化 机械稳定性好 适用于整个集成电路工艺 与Al不易发生 反应等 符合上述要求的主要是IVB族 VB族和VIB族的难熔金属硅化物和 符合上述要求的主要是IVB族 VB族和VIB族的难熔金属硅化物和 B B族的亚贵金属硅化物 常用的硅化物有NbSi族的亚贵金属硅化物 常用的硅化物有NbSi22 PtSi Pd22Si NiSi22等 制备硅化物的方法有共溅射 共蒸发 分子束外延 化学气相沉积 等方法 形成硅和金属的多层结构 经退火处理 形成硅化物薄膜 制备硅化物的方法有共溅射 共蒸发 分子束外延 化学气相沉积 等方法 形成硅和金属的多层结构 经退火处理 形成硅化物薄膜 6 透明导电薄膜透明导电薄膜是一类既具有高的导电性 在可见光 范围又有很高的透光性 并在红外光范围有很高的反射性的薄膜 它大体可分为金属膜 氧化物薄膜和非氧化物单相或多层膜三大类 透明导电薄膜是一类既具有高的导电性 在可见光范围又有很高的 透光性 并在红外光范围有很高的反射性的薄膜 它大体可分为金属膜 氧化物薄膜和非氧化物单相或多层膜三大类 在金属膜中有Au Ag Cu Pd Pt Al Cr Rh等膜 在氧化物膜中 有In在金属膜中有Au Ag Cu Pd Pt Al Cr Rh等膜 在氧化 物膜中 有In22O O33 Sn022 ZnO CdO等膜 在非氧化物膜中 有Cu ZnO CdO等 膜 在非氧化物膜中 有Cu22S CdS ZnS LaB66 TiN TiC ZrN ZrB TiN TiC ZrN ZrB22 HfN等膜 透明导电薄膜由于具有透明性质 因而在电子 电气及光学等领域 都有广泛的应用 HfN等膜 透明导电薄膜由于具有透明性质 因而在电子 电气及光学等领域 都有广泛的应用 在玻璃衬底上制备透明导电薄膜时 由于需要采用高温处理过程 考虑到透明性 导电性及力学性能等因素 大多采用金属氧化物 在玻璃衬底上制备透明导电薄膜时 由于需要采用高温处理过程 考虑到透明性 导电性及力学性能等因素 大多采用金属氧化物 在玻璃衬底上制备透明导电膜的方法有喷雾法 涂覆法 浸渍法 化学气相沉淀法 真空蒸发法 溅射法等 在玻璃衬底上制备透明导电膜的方法有喷雾法 涂覆法 浸渍法 化学气相沉淀法 真空蒸发法 溅射法等 在塑料衬底上制备透明导电薄膜有多种方法 其中最典型的方法是 真空蒸发法 这种方法的衬底大多采用聚酯薄膜 也可采用各种溅 射方法来制备 在塑料衬底上制备透明导电薄膜有多种方法 其中最典型的方法是 真空蒸发法 这种方法的衬底大多采用聚酯薄膜 也可采用各种溅 射方法来制备 三 光学薄膜光学薄膜发展很早 应用广泛 几乎所有光学仪器都 离不开各种性能的光学薄膜 如增透膜 反射膜 偏振膜 分光膜 干涉滤光膜等 近代激光技术的发展 又为光学薄膜的研制和应用开辟了新的前景 光学薄膜发展很早 应用广泛 几乎所有光学仪器都离不开各种性 能的光学薄膜 如增透膜 反射膜 偏振膜 分光膜 干涉滤光膜 等 近代激光技术的发展 又为光学薄膜的研制和应用开辟了新的前景 激光谐振腔中的腔片 扩孔 缩孔时用的望远镜 激光器上的反射 线 接收用干涉滤光片 起偏 检偏用的偏振片等均为光学薄膜在 激光技术中的应用 称为激光薄膜 激光谐振腔中的腔片 扩孔 缩孔时用的望远镜 激光器上的反射 线 接收用干涉滤光片 起偏 检偏用的偏振片等均为光学薄膜在 激光技术中的应用 称为激光薄膜 薄膜材料是光学薄膜表现光学性质关键 可用作光学薄膜的材料很 多 不下百余种 有化合物 半导体 金属等 各种材料可适合于 不同的用途和光学波段 然而 从光学性质 力学性质 化学稳定性和热稳定性综合观之 理想的材料却不多 适用于激光薄膜的材料更少 薄膜材料是光学薄膜表现光学性质关键 可用作光学薄膜的材料很 多 不下百余种 有化合物 半导体 金属等 各种材料可适合于 不同的用途和光学波段 然而 从光学性质 力学性质 化学稳定性和热稳定性综合观之 理想的材料却不多 适用于激光薄膜的材料更少 目前 用得较多的光学薄膜材料有如下几种 1 氧化物 如Al目前 用得较多的光学薄膜材料有如下几种 1 氧化物 如Al22O O33 Bi22O O33 Sb22O O33 Nd22O O33 ZrO22 TiO22 ThO ThO22 SiO22 PbO SiO22等 2 氟化物 如CaF等 2 氟化物 如CaF22 MgF22 PbF22 NdF33 CeF33 ThF44等 3 硫化物 如ZnS等 4 半导体材料 如Si Ge等 5 金属材料 如Au Ag A1 Cu Cr等 等 3 硫化物 如ZnS等 4 半导体材料 如Si Ge等 5 金属材料 如Au Ag A1 Cu Cr等 1 防反射膜折射率为1 5的玻璃对于垂直于入射光的反射率约为4 在具有大量光学元件的光学系统中 存在着许多空气 玻璃界面 这时反射损耗会累积起来 使得透射率明显降低 另外 在折射率大的半导体中 反射损耗也大 例如 在折射率约为4的Ge中 反射损耗约为36 折射率为1 5的玻璃对于垂直于入射光的反射率约为4 在具有大 量光学元件的光学系统中 存在着许多空气 玻璃界面 这时反射 损耗会累积起来 使得透射率明显降低 另外 在折射率大的半导体中 反射损耗也大 例如 在折射率约为4的Ge中 反射损耗约为36 为了减小反射损耗 增大光学元件的透射率 通常是采用在光学元 件上沉积防反射镀层的办法 在透明物质上镀单层 双层或多层反 射膜 表17 l给出典型的用于可见和红外波段防反射膜物质的透明波段以及折射 率 在选择构成防反射膜的物质组合时 不仅考虑它的光学性质 还必 须考虑其机械强度以及成膜的难易程度等因素 为了减小反射损耗 增大光学元件的透射率 通常是采用在光学元 件上沉积防反射镀层的办法 在透明物质上镀单层 双层或多层反 射膜 表17 l给出典型的用于可见和红外波段防反射膜物质的透明波段以及折射 率 在选择构成防反射膜的物质组合时 不仅考虑它的光学性质 还必 须考虑其机械强度以及成膜的难易程度等因素 当选择防反射膜时 必须考虑反射率与入射角的关系 一般膜的层 数越多 反射率开始增大的入射角就越小 许多物质的折射率受膜的制备条件 制备方法 气体成分 沉积速率 等 的影响很大 一般在镀膜过程中直接监视并控制膜的反射率和透射率 最好在反 射率达到最小时停止镀膜 当选择防反射膜时 必须考虑反射率与入射角的关系 一般膜的层 数越多 反射率开始增大的入射角就越小 许多物质的折射率受膜的制备条件 制备方法 气体成分 沉积速率 等 的影响很大 一般在镀膜过程中直接监视并控制膜的反射率和透射率 最好在反 射率达到最小时停止镀膜 2 吸收膜光学多层膜镀层的应用实例之一是太阳光选择吸收膜 当需要有效地利用太阳热能时 就要考虑采用对太阳光吸收较多 而由热辐射等所引起的损耗较小的吸收面 从图17 5可看出 太阳光谱的峰值约在0 5 m处 全部能量的95 以上集中 在0 3 2 m之间 光学多层膜镀层的应用实例之一是太阳光选择吸收膜 当需要有效地利用太阳热能时 就要考虑采用对太阳光吸收较多 而由热辐射等所引起的损耗较小的吸收面 从图17 5可看出 太阳光谱的峰值约在0 5 m处 全部能量的95 以上集中 在0 3 2 m之间 另一方面 由被加热的物体所产生的热辐射的光谱是普朗克公式揭 示的黑体辐射光谱和该物体的辐射率之积 在摄氏几百度的温度下 黑体辐射光谱主要集中在2 20 m的红外 波段 由于太阳辐射光谱与热辐射光谱在波段上存在着这种差异 另一方面 由被加热的物体所产生的热辐射的光谱是普朗克公式揭 示的黑体辐射光谱和该物体的辐射率之积 在摄氏几百度的温度下 黑体辐射光谱主要集中在2 20 m的红外 波段 由于太阳辐射光谱与热辐射光谱在波段上存在着这种差异 因此 为了有效地利用太阳热能 就必须考虑采用具有波长选择特 性的吸收面 这种吸收面对太阳能吸收较多 同时由热辐射所引起的能量损耗又 比较小 即在太阳辐射光谱的波段 可见波段 中吸收率大 在热辐 射光谱波段 红外波段 中辐射率小 采用在红外波中反射率高达1 辐射率非常小的金属 可以在可见光 波段中降低其反射率 增大其吸收 因此 为了有效地利用太阳热能 就必须考虑采用具有波长选择特 性的吸收面 这种吸收面对太阳能吸收较多 同时由热辐射所引起的能量损耗又 比较小 即在太阳辐射光谱的波段 可见波段 中吸收率大 在热辐 射光谱波段 红外波段 中辐射率小 采用在红外波中反射率高达1 辐射率非常小的金属 可以在可见光 波段中降低其反射率 增大其吸收 利用半导体层中的带间跃迁吸收的方法 在金属表面沉积一层半导 体薄膜 其吸收端波长在1 3 m之间 Eg 1 0 4ev 当波长比吸收端波长长时 半导体层是透明的 可以得到由衬底金 属所导致的高反射率 另一方面 当波长比吸收端波长短时 由于薄膜的吸收系数很大 可以吸收太阳光 利用半导体层中的带间跃迁吸收的方法 在金属表面沉积一层半导 体薄膜 其吸收端波长在1 3 m之间 Eg 1 0 4ev 当波长比吸收端波长长时 半导体层是透明的 可以得到由衬底金 属所导致的高反射率 另一方面 当波长比吸收端波长短时 由于薄膜的吸收系数很大 可以吸收太阳光 用于这一目的的半导体有Si Eg 1 1ev Ge Eg 0 7ev PbS Eg 0 4ev 它们在可见光波段的折射率较大 反射损耗较大 降低半导体反射的措施有 1 适当地选取半导体层的膜厚 通过干涉效应来降低反射率 2 在半导体层上再沉积一层防反射膜 3 使半导体表面形成多孔结构 利用多重反射的方法 使反射率降 低 用于这一目的的半导体有Si Eg 1 1ev Ge Eg 0 7ev PbS Eg 0 4ev 它们在可见光波段的折射率较大 反射损耗较大 降低半导体反射的措施有 1 适当地选取半导体层的膜厚 通过干涉效应来降低反射率 2 在半导体层上再沉积一层防反射膜 3 使半导体表面形成多孔结构 利用多重反射的方法 使反射率降 低 利用薄膜的干涉来达到防反射的目的 要采取的措施有 1 由单层透明金屈膜来防止反射 2 由具有吸收的薄膜来防止反射 3 沉积干涉滤色器型的多层金 属防反射膜 利用薄膜的干涉来达到防反射的目的 要采取的措施有 1 由单层透明金屈膜来防止反射 2 由具有吸收的薄膜来防止反射 3 沉积干涉滤色器型的多层金 属防反射膜 3 薄膜光波导光波导就是一种将光波封闭在有限截面的透明媒质内 并利用其横向界面上的全反射现象 使波沿波导轴向传播的光学 结构 光波导就是一种将光波封闭在有限截面的透明媒质内 并利用其横 向界面上的全反射现象 使波沿波导轴向传播的光学结构 薄膜光波导的基本结构大致可分为两种 一种是由所沉积的低折 射率和高折射率的薄膜形成的二维波导 一种是由所沉积的低折射 率和高折射率的薄膜形成的二维波导 另一种是将薄膜加工成条带 状图形所形成的三维波导 另一种是将薄膜加工成条带状图形所形成的三维波导 薄膜光波导的衬底用折射率比波导核心层的折射率低的透明材料 但是也有采用非透明材料 硅等半导体衬底 的情况 这时的结构是 由低折射率的透明缓冲层和高折射率的核心层叠加所构成的 薄膜光波导的衬底用折射率比波导核心层的折射率低的透明材料 但是也有采用非透明材料 硅等半导体衬底 的情况 这时的结构是 由低折射率的透明缓冲层和高折射率的核心层叠加所构成的 单晶衬底被广泛采用的有LiNb033 A12xx3 SiO SiO22等氧化物介 电体单晶以及GaAs InP Si等半导体晶体 一般在单晶衬底上比较容易得到比多晶波导层纯度高 损耗低的单 晶波导层 还会出现电光效应 非线性光学效应等 适合作功能元 件 等氧化物介电体单晶以及GaAs InP Si等半导体晶体 一般在单晶衬底上比较容易得到比多晶波导层纯度高 损耗低的单 晶波导层 还会出现电光效应 非线性光学效应等 适合作功能元 件 制备单晶薄膜是采用各种外延方法 气相 液相 分子束外延 有机 金属化学气相法等 在异质外延过程中制备的薄膜物质与衬底不同 这时由于晶体常数不同会产生残余应变和晶格缺陷 Si单晶上的低折射率缓冲层 常常采用由热氧化所得到的SiO制备单 晶薄膜是采用各种外延方法 气相 液相 分子束外延 有机金属