薄膜的沉积技术

1、第七章 薄膜沉积技术,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,7.1薄膜生长过程,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,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

2、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。,图7.2 透射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,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

3、非金属衬底上生长大都采取这种模式。,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。,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。,三种不同薄膜生长模式的示意图：,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

4、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。 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。,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

5、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。 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。,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。 溅射方法：直流、射频、磁控、反应、离子束、偏压等溅射；,7.4 CVD沉积原理及特点,A：定义：指使一种或数种物质

6、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： 反应物分子通过输运和扩散到衬底表面。 反应物分子吸附在衬底表面。 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 晶核生长-晶粒聚结-缝道填补-沉积膜成长。,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。 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

7、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。,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 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

8、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。,7.8金属有机化合物化学气相沉（MOCVD） 是在气相外延生长(VPE)的基础上发展起来的一种新型气相外延生长技术。 原理 MOCVD是以族、族元素的有机化合物和V、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-V族、-族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料。通常MOCVD系统中的晶体生长都是在常压或低压(10-100Torr)下通H2的冷壁石英(不锈钢)反应室中进行，衬底温度为500-1200,用射频感应加热石墨基座(衬底基片在石墨基座上方),H2通过温度可控的液体源鼓泡携带金属有机物到生长区。,7.9 电镀,7.9.1 电极电镀法 电镀:是指金属在电解过程中利用电子流的作用下,使镀液中金属阳离子还原成金属单质而沉积在阴极镀件表面的过程。 电镀三个必要条件：电源、镀槽（镀液）、电极。 实现电镀的基本条件：金属离子在电极上还原。 根据镀层分：防护性镀层、装饰性镀层、功能性镀层。,图7.3 电镀,7.9.2 化学镀 不需要电接触或直流电场，用化学溶解进行化学镀。 应用：太阳能电池的光学薄膜，多层超导体，镀铜前的铜层。 7.10 溶胶-凝胶涂覆法 适当材料以悬浮原始粒子的形式沉积