薄膜的沉積技術(shù)匯總

薄膜的沉積技術(shù)匯總第1頁(yè)/共22頁(yè)對(duì)薄膜的特殊需求。具有體積小、功耗低、電流密度大的特點(diǎn)。薄膜厚度范圍：20nm---2um工藝制作方法：PVD，CVD，電鍍和陽(yáng)極氧化法。沉積技術(shù)的發(fā)展第2頁(yè)/共22頁(yè)7.1薄膜生長(zhǎng)過(guò)程圖7.1表示薄膜沉積中原子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程第3頁(yè)/共22頁(yè)一、薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程：兩個(gè)階段：新相的成核與薄膜的生長(zhǎng)1、成核階段在薄膜形成的最初階段，一些氣態(tài)的原子或分子開(kāi)始凝聚到襯底上，從而開(kāi)始了所謂的形核階段。由于熱漲落的作用，原子到達(dá)襯底表面的最初階段，在襯底上成了均勻細(xì)小、而且可以運(yùn)動(dòng)的原子團(tuán)（島或核）。當(dāng)這些島或核小于臨界成核尺寸時(shí)，可能會(huì)消失也可能長(zhǎng)大；而當(dāng)它大于臨界成核尺寸時(shí)，就可能接受新的原子而逐漸長(zhǎng)大。第4頁(yè)/共22頁(yè)2、薄膜生長(zhǎng)階段一旦大于臨界核心尺寸的小島形成，它接受新的原子而逐漸長(zhǎng)大，而島的數(shù)目則很快達(dá)到飽和。小島像液珠一樣互相合并而擴(kuò)大，而空出的襯底表面上又形成了新的島。形成與合并的過(guò)程不斷進(jìn)行，直到孤立的小島之間相互連接成片，一些孤立的孔洞也逐漸被后沉積的原子所填充，最后形成薄膜。第5頁(yè)/共22頁(yè)圖7.2透射電子顯微鏡追蹤記錄Ag在NaCl晶體表面成核過(guò)程的系列照片和電子衍射圖第6頁(yè)/共22頁(yè)二、薄膜生長(zhǎng)的三種模式-島狀、層狀和層狀-島狀生長(zhǎng)模式1、島狀生長(zhǎng)(Volmer-Weber)模式：被沉積物質(zhì)的原子或分子自己相互鍵合，而避免與襯底原子鍵合，即被沉積物質(zhì)與襯底之間的浸潤(rùn)性較差；金屬在非金屬襯底上生長(zhǎng)大都采取這種模式。第7頁(yè)/共22頁(yè)2、層狀生長(zhǎng)（Frank-vanderMerwe)模式：被沉積物質(zhì)的原子更傾向于與襯底原子鍵合，即被沉積物質(zhì)與襯底之間浸潤(rùn)性很好，因此，薄膜從形核階段開(kāi)始即采取二維擴(kuò)展模式，沿襯底表面鋪開(kāi)。第8頁(yè)/共22頁(yè)3、層狀-島狀(Stranski-Krastanov)生長(zhǎng)模式：最開(kāi)始一兩個(gè)原子層厚度的層狀生長(zhǎng)之后，生長(zhǎng)模式轉(zhuǎn)化為島狀模式。根本的原因：歸結(jié)為薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中各種能量的相互消長(zhǎng)。第9頁(yè)/共22頁(yè)三種不同薄膜生長(zhǎng)模式的示意圖：第10頁(yè)/共22頁(yè)三、導(dǎo)致生長(zhǎng)模式轉(zhuǎn)變的三種物理機(jī)制

1、雖然開(kāi)始時(shí)的生長(zhǎng)是外延式的層狀生長(zhǎng)，但是由于薄膜與襯底之間晶格常數(shù)不匹配，因而隨著沉積原子層的增加，應(yīng)變能（應(yīng)力）逐漸增加。為了松弛這部分能量，薄膜在生長(zhǎng)到一定厚度之后，生長(zhǎng)模式轉(zhuǎn)化為島狀模式。2、在Si的（111）晶面上外延生長(zhǎng)GaAs,由于第一層擁有五個(gè)價(jià)電子的As原子不僅將使Si晶體表面的全部原子鍵得到飽和，而且As原子自身也不再傾向于與其他原子發(fā)生鍵合。這有效地降低了晶體的表面能，使得其后的沉積過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)槿S的島狀生長(zhǎng)。3、在層狀外延生長(zhǎng)表面是表面能比較高的晶面時(shí)，為了降低表面能，薄膜力圖將暴露的晶面改變?yōu)榈湍苊妫虼吮∧ぴ谏L(zhǎng)到一定厚度之后，生長(zhǎng)模式會(huì)由層狀模式向島狀模式轉(zhuǎn)變。第11頁(yè)/共22頁(yè)7.2PVD—蒸發(fā)真空蒸發(fā)：利用蒸發(fā)材料在高溫時(shí)所具有的飽和蒸汽壓進(jìn)行薄膜制備。優(yōu)點(diǎn)：工藝及設(shè)備簡(jiǎn)單，淀積速率快；缺點(diǎn)：臺(tái)階覆蓋差，薄膜與襯底附著力較小，工藝重復(fù)性不夠理想。瞬間蒸發(fā)沉積其組分具有不同的蒸氣壓力的膜層的方法。用于合金、金屬與介質(zhì)的混合物及化合物的蒸發(fā)沉積。燈絲材料的選擇：用銥代替首選的鎢缺點(diǎn)：蒸發(fā)在低真空條件下，造成蒸發(fā)期間蒸發(fā)粉的氣體成分太高。第12頁(yè)/共22頁(yè)7.3PVD--濺射適應(yīng)于沉積所有材料：金屬、合金、半導(dǎo)體和絕緣材料。定義：具有一定能量的入射離子對(duì)固體表面轟擊時(shí)，入射離子在與固體表面原子的碰撞過(guò)程中發(fā)生能量和動(dòng)量的轉(zhuǎn)移，并可能將固體表面的原子濺射出來(lái)。濺射方法：直流、射頻、磁控、反應(yīng)、離子束、偏壓等濺射；第13頁(yè)/共22頁(yè)7.4CVD沉積原理及特點(diǎn)A：定義：指使一種或數(shù)種物質(zhì)的氣體，以某種方式激活后，在襯底發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并淀積出所需固體薄膜的生長(zhǎng)技術(shù)。B：沉積原理：用CVD法沉積硅薄膜實(shí)際上是從氣相中生長(zhǎng)晶體的復(fù)相物理—化學(xué)過(guò)程，是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程。大致可分為以下幾步：反應(yīng)物分子通過(guò)輸運(yùn)和擴(kuò)散到襯底表面。反應(yīng)物分子吸附在襯底表面。吸附分子間或吸附分子與氣體分子間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成晶核晶核生長(zhǎng)-----晶粒聚結(jié)----縫道填補(bǔ)-----沉積膜成長(zhǎng)。第14頁(yè)/共22頁(yè)7.5離子束沉積離子束加工的物理基礎(chǔ)是離子束射到材料表面時(shí)所產(chǎn)生的三個(gè)效應(yīng)，即撞擊效應(yīng)，濺射效應(yīng)和注入效應(yīng)。

7.5.1離子束濺射沉積（IBSD）有兩個(gè)獨(dú)立的離子束源（雙離子束沉積）：一個(gè)離子束源射向靶產(chǎn)生濺射材料，持續(xù)薄膜的沉積；另一個(gè)聚焦于基片提供輔助離子，幫助形成較好的膜特性。7.5.2離子束輔助沉積（IBAD）：在氣相沉積的同時(shí)，進(jìn)行離子束轟擊混合以改善薄膜性能的方法。第15頁(yè)/共22頁(yè)7.6脈沖激光沉積（激光燒蝕）：

工作原理：是一種利用激光對(duì)物體進(jìn)行轟擊，然后將轟擊出來(lái)的物質(zhì)沉淀在不同的襯底上，得到沉淀或者薄膜的一種手段。PLD一般可以分為以下四個(gè)階段：

1.激光輻射與靶的相互作用

2.熔化物質(zhì)的動(dòng)態(tài)

3.熔化物質(zhì)在基片的沉積

4.薄膜在基片表面的成核（nucleation）與生成應(yīng)用：沉積超導(dǎo)體、石墨和電子光學(xué)材料。7.7

高密度等離子輔助沉積（HDPAD）：適用于大長(zhǎng)寬比的溝槽和通孔。工藝特點(diǎn)：在同一個(gè)反應(yīng)腔中同步的進(jìn)行淀積和刻蝕的工藝。應(yīng)用：金屬前絕緣層，金屬間絕緣層，淺槽隔離。第16頁(yè)/共22頁(yè)7.8金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉（MOCVD）

是在氣相外延生長(zhǎng)(VPE)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型氣相外延生長(zhǎng)技術(shù)。原理

MOCVD是以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有機(jī)化合物和V、Ⅵ族元素的氫化物等作為晶體生長(zhǎng)源材料，以熱分解反應(yīng)方式在襯底上進(jìn)行氣相外延，生長(zhǎng)各種Ⅲ-V族、Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體以及它們的多元固溶體的薄層單晶材料。通常MOCVD系統(tǒng)中的晶體生長(zhǎng)都是在常壓或低壓(10-100Torr)下通H2的冷壁石英(不銹鋼)反應(yīng)室中進(jìn)行，襯底溫度為500-1200℃,用射頻感應(yīng)加熱石墨基座(襯底基片在石墨基座上方),H2通過(guò)溫度可控的液體源鼓泡攜帶金屬有機(jī)物到生長(zhǎng)區(qū)。第17頁(yè)/共22頁(yè)7.9電鍍7.9.1電極電鍍法電鍍:是指金屬在電解過(guò)程中利用電子流的作用下,使鍍液中金屬陽(yáng)離子還原成金屬單質(zhì)而沉積在陰極鍍件表面的過(guò)程。電鍍?nèi)齻€(gè)必要條件：電源、鍍槽（鍍液）、電極。實(shí)現(xiàn)電鍍的基本條件：金屬離子在電極上還原。根據(jù)鍍層分：防護(hù)性鍍層、裝飾性鍍層、功能性鍍層。

第18頁(yè)/共22頁(yè)圖7.3電鍍第19頁(yè)/共22頁(yè)7.9.2化學(xué)鍍

不需要電接觸或直流電場(chǎng)，用化學(xué)溶解進(jìn)行化學(xué)鍍。應(yīng)用：太陽(yáng)能電池的光學(xué)薄膜，多層超導(dǎo)體，鍍銅前的銅層。7.10溶膠-凝膠涂覆法適當(dāng)材料以懸浮原始粒子的形式沉積的膜層優(yōu)點(diǎn)：純度高，高度均勻性。第20頁(yè)/共22頁(yè)7