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第六章 §2 薄膜的生长原理和技术

第六章 §2 薄膜的生长原理和技术. 薄膜的应用. 半导体器件 电路连接 电极 光探测器件 半导体激光器 光学镀膜. PVD( 物理气相沉积 ) 简介. 所生长的材料以物理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； 蒸汽在衬底表明上凝结，形成薄膜。. “ 物理气相沉积 ” 通常指满足下面三个步骤的一类薄膜生长技术 :. PVD 的一般特性. “ 物理吸附” : 约束能 < 0.434 eV/atom (10 cal/mol) 比外延生长速率快很多 衬底与薄膜材料不一定要有联系 厚度范围 :

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第六章 §2 薄膜的生长原理和技术

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Presentation Transcript

  1. 第六章§2薄膜的生长原理和技术

  2. 薄膜的应用 • 半导体器件 • 电路连接 • 电极 • 光探测器件 • 半导体激光器 • 光学镀膜

  3. PVD(物理气相沉积)简介 • 所生长的材料以物理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； • 蒸汽在衬底表明上凝结，形成薄膜。 “物理气相沉积” 通常指满足下面三个步骤的一类薄膜生长技术:

  4. PVD的一般特性 • “物理吸附”: 约束能 < 0.434 eV/atom (10 cal/mol) • 比外延生长速率快很多 • 衬底与薄膜材料不一定要有联系 • 厚度范围: • 典型薄膜：~nm ─ ~103 nm • 也可以生长更厚的膜

  5. 超薄膜: ~10 nm 薄膜: 50 nm─1 mm 中间范围: 1 mm ─ ~10 mm 厚膜: ~10 mm ─ ~100 mm 单晶薄膜 多晶薄膜 无序薄膜 薄膜分类 厚度 结构

  6. 薄膜中涉及的研究课题 • 生长机制和技术 • 薄膜成分 • 缺陷与位错 • 表面形态 • 薄膜中的扩散现象 • 界面的性质 • 应力引起的应变 • 物理性质（电学、光学、机械等）

  7. A Substrate 两种常见的薄膜结构 • 单层膜 • 周期结构多层膜 B A B A Substrate

  8. PVD的物理原理 衬底 扩散、吸附、凝结成薄膜 物质输运 能量输运 能量 块状材料 (靶材)

  9. PVD所需实验条件 • 高真空 (HV) • 高纯材料 • 清洁和光滑的衬底表面 • 提供能量的能源

  10. 平均自由程、压强P和真空室尺寸L的关系 1 Torr = 133 Pa ；1 Pa =7.5 mTorr

  11. 残留气体对薄膜生长的影响 残留气体在衬底上形成 一单原子层所需时间 Substrate 生长材料的分子 残留气体的分子

  12. 薄膜表面 平台 单原子层阶梯 Adatom Kink 阶梯原子 平台空位

  13. 外延生长层 缺失面 失配位错 Film 衬底 substrate 弛豫后的外延层 有应变的外延层

  14. 薄膜 衬底 应力的效果 衬底 粘附薄膜 团簇 在异质结外延生长过程中，根据异质结材料体系的晶格失配度和表面能与界面能的不同，存在着3种生长模式： (1)晶格匹配体系的二维层状(平面)生长的Frank－Vander Merwe模式； (2)大晶格失配和大界面能材料体系的三维岛状生长的Volmer-Weber模式； (3)大晶格失配和较小界面能材料体系的初层状进而过渡到岛状生长的Stranski-Krastanow(SK)模式。

  15. 生长模式 Frank-van der Merve Mode Layer by Layer ( 2D ) 衬底 Stranski-Krastanov Mode Layer Plus Island Growth ( 2D-3D ) 衬底 Volmer-Weber Mode Island Growth ( 3D ) 衬底 薄膜生长中服从的物理原理 总能量必须最小化：表面自由能+位错能+应变能

  16. 例：应变自组装纳米量子点(线)结构材料的制备是利用SK生长模式。例：应变自组装纳米量子点(线)结构材料的制备是利用SK生长模式。 它描述具有较大晶格失配，而界面能较小的异质结构材料生长行为。SK生长模式的机制如下： （1）对于晶格常数相差较大的材料系统，在外延生长初期外延层材料在衬底表面上呈稳定平面(层)状生长。由于外延层厚度很薄，故它与衬底晶体之间的晶格失配为生长层本身的弹性畸变所缓解，晶体为赝品结构生长。 （2）随着生长层厚度逐渐增加，晶体内部弹性畸变能量不断积累，当此能量值超过某个阈值后，刹那间二维的层状晶体会完全坍塌，只在原来衬底表面存留一薄层生长层(浸润层)，其余的晶体材料在整个系统的表面能、界面能和畸变能的联合作用下，于浸润层表面上重新自动聚集，形成纳米尺度的三维无位错晶体“小岛”，使系统的能量最小。晶体“小岛”的生成是自发进行的，故被称为自动组装生长。 纳米尺度的“小岛”(量子点)形成后，再用另外一种能带带隙较宽的半导体材料(如GaAs，AlGaAs等)将这些“小岛”覆盖，形成“葡萄干”分层夹馅饼干结构。这时“小岛”中的电子(或空穴)载流子，由于外面覆盖层材料高能量势垒的阻挡(限制)作用，只能被“囚禁”在“小岛”中，这就形成了应变自组装量子点结构材料。采用SK生长模式制备应变自组装量子点材料，是目前最为成功的一项制备量子点材料的技术。

  17. Ripening（成熟） Clusters 大鱼吃小鱼！ Flux Substrate Substrate

  18. Coalescence（粘连） Clusters Bigger cluster Substrate Substrate

  19. 临界厚度 Definition: The thickness at which the total energy is minimized at maximum strain, i.e. the misfit fmax. 应变场 薄膜 h 衬底 位错芯

  20. PVD的通用实验配置 真空室 衬底 反应气体管道 Plume 充气管道 厚度监控仪 靶材 真空泵

  21. 基本思想：提高温度，熔解并蒸发材料 将材料置于某种容器内（上） 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 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 ① 热蒸发

  22. 热蒸发 玻璃钟罩 衬底 衬底架 反应气体管道 Plume 充气管道 厚度监控仪 加热丝、舟或坩埚 真空泵

  23. 仪器 内部结构

  24. 常用蒸发源 加热丝 加热舟 盒状源（Knudsen Cell） 坩埚

  25. ② 电子束蒸发 • 用高能聚焦的电子束熔解并蒸发材料 • 材料置于冷却的坩埚内 • 只有小块区域被电子束轰击 - 坩埚内部形成一个虚的“坩埚” - “skulling” • 不与坩埚材料交叉污染，清洁。

  26. 电子束蒸发 衬底 真空室 反应气体管道 Plume 充气管道 厚度监控仪 坩埚与材料 电子枪 真空泵

  27. Substrate fixture E-Gun Crucible

  28. 常用蒸发材料形态

  29. ③ 脉冲激光沉积 • 用高能聚焦激光束轰击靶材 • 蒸发只发生在光斑周围的局部区域 • 蒸发材料被直接从固体转化为等离子体 • 能轰击出来大尺寸的颗粒 • 光束渗透深度小 ~ 100 A, 蒸发只发生在靶材表面

  30. 脉冲激光沉积 衬底 厚度监控仪 真空室 激光束 反应气体管道 Plume 充气管道 靶材 真空泵

  31. Pulsed Laser Deposition (PLD) System

  32. ④ 磁控溅射 • DC ( 导电材料 ) • RF ( 绝缘介质材料 ) • 反应 (氧化物、氮化物) 或不反应 ( 金属 )

  33. 溅射靶材

  34. 溅射过程的物理模型 入射离子 溅射粒子 （离子或中性粒子） + 真空 靶材固体 渗透深度 注入离子

  35. 溅射产值 • 靶材材料的结构和成分 • 入射离子束的参数 • 实验环境的几何分布 依赖下面几个因素:

  36. 择优溅射 • 靶材中的不同成分的溅射产值不一样 • 不同成分的出射速度不一样 • 薄膜的化学配比与靶材会有差别

  37. 溅射离子的运动学过程 • 非平衡过程 • 各向异性过程 • cosmq分布 • 不均匀厚度 衬底 靶材

  38. 附加磁场的优点 • 限制溅射离子的轨道 • 增加离子在气体中停留的时间 • 增强等离子体和电离过程 • 减少从靶材到衬底路程中的碰撞 • 高磁场附近的产值比较高

  39. 磁控溅射中的重要参数 • 溅射电流 ( 生长速率 ) • 压强 ( 溅射粒子的最高能量 ) • 压强与靶材-衬底之间的距离 (多孔性、质地、晶体性） • 反应气体混合比 ( 化学配比 ) • 衬底温度 ( 晶体性、密度和均匀性 ) • 衬底偏压 ( 薄膜结构和化学配比 )

  40. ⑤ MBE(分子束外延) • Introduction • Principle of MBE • In-situ analysis techniques • MBE systems • Applications • References

  41. MBE of Omicron brade

  42. MBE system in XMU

  43. 1.1 Basis 蒸发镀膜方法的一种，特殊的生长环境(UHV)和生长特点 1) 生长的清洁性：超高真空(<10-10 Torr) 2) 生长在原子尺度上可控： 源炉的温度波动小(PID控制在1℃以内) 沉积束流稳定 沉积速度慢(0.1-1nm/s) 生长温度较低 (可以减小异质界面的相互扩散） 3) 能够进行原位的测量和表征： RHEED, SPM, LEED, Auger, etc.

  44. 1.4 Improvements in the mobility图中可以看到，随着技术的进步，载流子迁移率逐步提高，目前已经达到107cm2/Vs；特殊情况外，迁移率随温度升高而降低。

  45. 1. PBN crucible 2. Resistive heater filament 3. Metal foil radiation shields 4. Thermocouple 5. Mounting flange 2.1 Growth chamber Effusion cell Solid Source：K-Cell Gas Source：RF-plasma

  46. 2.2 UHV Achieving UHV Conditions (<10-10Torr) UHV chamber:flange; copper gasket • UHV pumping system: • Rotary pump: act as a backing pump • Turbomolecular pump: 10-9mbar • The gas molecules are dragged by rotor blades. • low pumping speed for light gases( H2, etc) • Titanium sublimation pump: • three independent filaments; used intermittently • N2, O2 and other active gases are chemisorbed. • no use for the noble gas and CH4, etc. • Ion pump:10-12mbar • maintaining UHV conditions • Gas molecules are hit by electrons and ionized. Bakeout in vacuum:H2O 10-7mbar

  47. 1.4 Modified growth methods • Migration enhanced epitaxy (MEE) was introduced by Horikoshi [34]. In this modified growth method, the group III and group V elements are supplied separately in Time to the surface to allow the species adsorbed on the surface to diffuse to the correct lattice site before chemically reacting with the other species. The idea is to enhance the diffusion length of the group III species, which would otherwise be limited by the presence of group V adatoms on the surface. There has been considerable debate concerning the mechanism involved, but the method does allow films of high quality to be grown at lower temperature than those using the conventional MBE process. • Nucleation enhanced MBE was introduced by Briones [35]. in this variant the group V flux is periodically interrupted to promote enhanced diffusivity for the group III species.

  48. Etc. • Various growth modifications have been achieved by replacing the solid sources with external gaseous sources. There is no general consensus concerning the names given to such modified growth techniques, • But when the group III source is a metal-organic compound the technique is often termed Metal-organic MBE or MOMBE. • Likewise the process in which the group V is replaced by an arsenic or phosphorus hydride has often been called gas-source MBE（stimulated by ratio frequency (RF) power） • Both elements have been replaced by gas sources the term chemical beam epitaxy (CBE) has commonly been applied. • One of the key advantages of replacing the internal evaporation sources by external gaseous sources is the reduced requirement for reloading and baking the equipment. However, except for very specialised applications gaseous sources have not been used extensively.

  49. 3. In-situ analysis techniques Si(111)-(7x7) RHEED Pattern Si(111)-(7x7) STM image

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