7薄膜的沉积技术.

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；金属在非金属衬底上生长大都采取这种模式。2、层状生长（Frank-vanderMerwe)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。7.2PVD—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。7.3PVD--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；7.4CVD沉积原理及特点A：定义：指使一种或数种物质的气体，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：①反应物分子通过输运和扩散到衬底表面。②反应物分子吸附在衬底表面。③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④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Ⅲ族、Ⅱ族元素的有机化合物和V、Ⅵ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Ⅲ-V族、Ⅱ-Ⅵ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的膜层优点：纯度高，高度均匀性。7.11原子层沉积（ALD）：是一种可以将物质以单原子膜形式一层一层的镀在基底表面的方法。晶片与晶片间的符合性和一致性好。工作原理：原子层沉积是通过将气相前驱体脉冲交替地通入反应器并在沉积基体上化学吸附并反应而形成沉积膜的一种方法（技术）。