4-薄膜技术

主讲教师：王莉E-mail:[e-mail]合肥工业大学电子科学与应用物理学院《薄膜微电子学》•4.1薄膜制备技术•真空蒸发•电子束蒸发•溅射•脉冲激光沉积(PLD)•化学气相沉积(CVD)•4.2薄膜生长过程•4.3薄膜的表征•真空蒸发4.1薄膜制备技术►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加热丝加热舟坩埚盒状源（KnudsenCell）►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高频感应加热蒸发特点：加热均匀多组分薄膜的蒸发方法多源顺序蒸发,形成多层膜,再进行要退火真空蒸发镀膜系统3、电子束蒸发用高能聚焦的电子束熔解并蒸发材料电子束蒸发镀膜:电子束加热原理:是基于电子在电场作用下,获得动能轰击处于阳极的蒸发材料,使蒸发材料加热气化电子束加热枪：灯丝+加速电极+偏转磁场组成蒸发坩埚：陶瓷坩埚或水冷铜坩埚；电子束蒸发装置组成:电子束加热源示意图灯丝加速栅极偏转板偏转磁铁电子束蒸发原子蒸气坩埚冷却水被蒸发的材料是放在水冷的坩埚中,因而可以避免容器材料的蒸发,不与坩埚材料交叉污染，清洁。只有小块区域被电子束轰击-坩埚内部形成一个虚的“坩埚”。可以制备难熔金属薄膜,如W,Mo,Ge等和氧化物薄膜,如SiO2,Al2O3等.特别是制备高纯度薄膜.可用于粉末、块状材料的蒸发可以比较精确地控制蒸发速率；E-beamEvaporationSystem溅射镀膜：具有一定能量的入射离子在对固体表面轰击时，入射离子在与固体表面原子的碰撞过程中将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，这种现象称为溅射。溅射法的台阶覆盖比蒸发好，辐射缺陷远小于电子束蒸发，制作复合材料和合金膜时性能更好，是大多数硅基工艺的最佳选择。辉光放电硅直流磁控溅射靶具有能量的离子打到材料表面会发生的四种情况：很低能量的离子简单反弹；能量小于10eV的离子会吸附于表面，并以声子（热）释放能量；能量介于10eV到10keV时，能量传递，发生溅射过程，逸出的原子一般具有10－50eV的能量，远大于蒸发原子；能量大于10keV时，离子注入过程；溅射原子二次电子反射离子与中性粒子入射离子表面衬底损伤注入溅射溅射阈值EEt，10～30ev，取决于靶材溅射率S入射离子能量（一定范围内能量越大，S越大）入射离子的种类（原子量越大，S越大，周期性变化）被溅射物质的种类（与原子量类似）离子入射角（平行和垂直时最小，80°左右最大）溅射原子的能量和速度直流溅射射频溅射磁控溅射反应溅射离子束溅射磁控溅射MagnetronSputteringSystem•脉冲激光沉积(PLD)•对复杂成分薄膜沉积有优势：由于激光的高能量，可以将靶材成分基本不变地传输到薄膜上；可以在超高真空到1Torr的气压下工作•激光束的斑点很小,蒸发只发生在光斑周围的局部区域,•可以避免坩埚材料对蒸发材料的污染,提高薄膜纯度,激光加热源,功率密度高,可以蒸发任何高熔点的材料,沉积含有不同熔点材料的化合物薄膜可保证成分的比例,特别适合于蒸发那些成分比较复杂的合金或化合物材料.蒸气的成分与靶材料基本相同，没有偏析现象•蒸发量可以由脉冲的数量定量控制；有利于薄膜厚度控制；•光束渗透深度小~100A,蒸发只发生在靶材表面•由于激光能量密度的限制，薄膜均匀性比较差；•不要求高真空，但激光器价格昂贵脉冲激光蒸发的特点•PLDProcessmoltenYBa2Cu3O7-xPLDtargetsurfaceLaserinducedplasmaplumeYBCOplumeOxide(LSMO)plumeTiNplumePLD沉积室和激光烧蚀羽辉沉积室内等离子体羽辉CVD高温管式炉管式高真空高温三温区CVD激光辅助CVD•所生长的材料以物理的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•蒸汽在衬底表面上凝结，形成薄膜块状材料(靶材)薄膜物质输运能量输运能量衬底以气态方式进行气态薄膜的生长过程，产生薄膜的微观组织；薄膜的微观组织与生长条件有密切关系。薄膜的生长过程直接影响到薄膜的结构和性能。1、形核阶段;2、薄膜生长阶段。4.2薄膜的生长过程：薄膜生长模式岛状生长(Volmer—Weber)模式层状生长(Frank-vanderMerwe)模式层状—岛状(Stranski-Krastanov)生长模式•薄膜性质•薄膜的晶体结构•薄膜的化学组成•薄膜的表面形貌•薄膜的光学特性•薄膜的电学特性•4.3.1薄膜结构分类•（1）组织结构•（2）晶体结构•（3）表面结构•薄膜组织结构•1.无定形结构•2.多晶结构•3.纤维结构•4.单晶结构•薄膜晶体结构•薄膜的晶体结构：薄膜中晶粒的晶型状况。•在大多情况下．薄膜中晶粒的晶格结构（晶体类型）与块状晶体相同。只是晶粒取向、晶粒尺寸与块状晶体不同。晶格常数也常常和块状晶体不同。•原因：一是薄膜材料本身的晶格常数与基体材料晶格常效不匹配，二是薄膜中有较大的内应力和表面张力。•薄膜表面结构•薄膜表面结构．•薄膜结构表征•X-RayDiffraction(XRD)•ElectronDiffraction衍射峰（1）位置得晶胞的尺寸(点阵常数和d值)、对称性和晶面取向。（2）强度得晶胞中原子位置。（3）形状得微晶尺寸及含有应变的点阵不完整性和缺陷信息。X射线衍射谱线可以提供的信息X-raydiffractionpatternofthemineralberyl(berylliumaluminumsilicate)madebytheLauemethod.LEEDpatternfromtheSi(111)7×7surfaceLEEDpatternfromtheSi(111)7×7surface薄膜表面及内部一定深度内的成分及其分布可以采用各种方法加以分析。这其中的多数方法都是基于原子在受到激发以后，内层电子排布会发生变化并发生相应的能量转换过程的原理。•薄膜成分测试EDS能量色散谱EnergyDispersiveSpectroscopy原理：利用不同元素的X射线光子特征能量不同进行成分分析。•薄膜成分测试•EDS，EnergyDispersiveSpectroscopy，能量色散谱原理：利用不同元素的X射线光子特征能量不同进行成分分析。ZnO的能谱元素分析，X-射线能量损失谱(EDS)•XRF:X射线荧光光谱分析(XRayFluorescence)把X射线照射在物质上而产生的次级X射线叫X射线荧光（X—RayFluorescence）。X射线管产生入射X射线（一次X射线），激发被测样品。受激发的样品中的每一种元素会放射出二次X射线，并且不同的元素所放射出的二次X射线具有特定的能量特性或波长特性。TypicalwavelengthdispersiveXRFspectrumAsurfaceAESscanandadepthprofileobtainedonaspecimenofSiwhichwascoatedinAuandthenAgandthenAuagain.扫描电子显微镜扫描电子显微镜是目前材料结构研究的最直接手段之一。可以提供清晰直观的形貌图像，分辨率高、观察景深长、可以采用不同的图像信息形式，可以给出定量或半定量的表面成分分析结果。二次电子像是扫描电子显微镜的主要工作模式之一。二次电子是入射电子从样品表层激发出来能量最低的一部分电子。•SEM(ScanningElectronMicroscopy)ZnOthinfilmZnOTargetTs=600℃Ts=700℃ZnOFilmSEMimageofaDIAMONDcoating•AFM(AtomicForceMicroscopy)ZnO原子力显微镜(AtomicForceMicroscope)利用测量探针与样品表面作用力成像,可以研究各种材料的表面结构、原子排列、分子形态等。Al2O3SnSfilmZnO•薄膜对光的吸收、透射和反射•紫外-可见-近红外分光光度法•UV-Vis-NIRSpectroscopy•光致发光SnS•拉曼散射拉曼光谱法RamanSpectroscopy全自动波长扫描椭圆偏振光谱仪（ELLIP-A型）－专业型主要用途：1.各种功能材料的光学常数测量和光谱学特性分析；2.测量薄膜材料的折射率和厚度；测量对象：金属、半导体、超导体、绝缘体、非晶体、超晶格、磁性材料、薄膜材料、光电材料、非线性材料；测量光学常数：复折射率的实虚部、复介电常数的实虚部、吸收系数a、反射率R.•台阶测试法---台阶仪、AFM•断面测试法---SEM•椭圆偏振法•光干涉法•透射光谱包络线法ProfileofSnSfilm•金属薄膜的电导电导是金属薄膜最重要电学性质．其大小和性质取决于薄膜的结构和厚度，而这两者在相当大的程度上，又取决于成膜工艺。•岛状金属薄膜的电导•不连续金属薄膜的电导•金属薄膜的电导•连续金属薄膜的电导•多晶半导体薄膜的电学性质•电学性质受晶粒尺寸、晶粒间界及晶粒间界处缺陷密度的影响。晶粒间界处的缺陷为深施主或受主能级成为载流子俘获中心，在禁带中呈现出局部电荷状态，其周围形成空间电荷区，构成散射势垒。P型样品N型样品KeithleySCS4200半导体参数测试系统590CV分析仪KeithleySCS4200半导体参数测试系统590CV分析仪KeithleySCS4200半导体参数测试系统590CV分析仪ZnO/NiO器件PVD：物理过程；固态源；台阶覆盖差，纯度高，适合淀积金属CVD：化学过程；气态源；台阶覆盖好，纯度较差，适合淀积介质PVD:利用某种物理过程实现物质的转移，即原子或分子由源转移到衬底（硅）表面上，并淀积成薄膜真空蒸发法（Evaporation）•设备简单、操作容易、纯度较高、成膜快、机理简单•附着力小、工艺重复性差、台阶覆盖性差、不适用多组分材料溅射（sputtering）•适用于任何物质，不受蒸气压和膜成分限制，靶材料与膜成分符合，附着好，台阶覆盖较好•设备、操作较复杂高真空(HV)高纯材料清洁和光滑的衬底表面提供能量的电源如何根据需要选择薄膜制备方法？薄膜沉积在集成电路制备中是什么样的角色？