【正文】 共離子轟擊沉積 (I) 共離子轟擊沉積 (II) 共離子轟擊沉積 (III) 離子束沉積 (I) 離子束沉積實(shí)例 離子束沉積 (II) 外延生長 外延是指生長層與基片在結(jié)構(gòu)上有著嚴(yán)格的晶體學(xué)關(guān)系 ,外延生長就是在基片上取向或單晶生長確定的薄膜材料 . 同質(zhì)外延 :在相同的基片上外延 . 異質(zhì)外延 :在不同的基片上外延 . 主要的外延生長技術(shù) :分子束外延 (MBE)。 。 k:玻爾茲曼常數(shù) 。如果假設(shè)振動(dòng)配分函數(shù)為 1，取 E0為將 n個(gè)吸附原子團(tuán)分解成 n個(gè)吸附在表面的單原子所需能量，則 n*個(gè)原子形成臨界核速率的一般表達(dá)式為： I=Ra0N0(R/νN0) n*exp{[(n*+1)QdesQd+En*]/kT} 兩種成核理論對(duì)比 經(jīng)典成核熱力學(xué)理論 :原子團(tuán)的表面自由能連續(xù)變化 ,所以原子團(tuán)的尺度也是連續(xù)變化的 ,適用于大原子團(tuán)成核 . 統(tǒng)計(jì)或原子成核理論 :原子團(tuán)的結(jié)合能以化學(xué)鍵為單位 ,所以是不連續(xù)的 ,因此原子團(tuán)的尺度變化也是不連續(xù)的 ,適用于小原子團(tuán)成核 . 兩者的基礎(chǔ)都是經(jīng)典熱力學(xué)理論 . 生長過程的一般描述 ，然后隨著這些核對(duì)吸附原子的捕獲而達(dá)到飽和密度，隨后就變成了宏觀的（ TEM可以觀測(cè)的）島。 島的合并的實(shí)驗(yàn)觀測(cè) 沉積參數(shù)的影響（ I） 沉積參數(shù)的影響 （ II） 薄膜的生長模式 薄膜的生長模式 .當(dāng)吸附原子間的作用要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于吸附原子與基片表面原子的相互作用時(shí) ,三維島狀晶核就會(huì)形成 .多晶膜的生長就是這種模式 . .當(dāng)吸附原子間的作用要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于吸附原子與基片表面原子的相互作用時(shí) ,二維層狀晶核就會(huì)形成 ,實(shí)際上就是單原子層生長 .單晶膜或外延生長就是這種模式 . .在這種生長模式中 ,首先是層狀生長 ,然后是島狀生長 .通常吸附原子間的作用只是略小于吸附原子與基片表面原子的相互作用 .但是 ,當(dāng)初期的層狀生長實(shí)現(xiàn)后 ,后續(xù)的層狀生長就變的困難了 ,這樣 ,三維的島狀生長就開始了 . 薄膜表征 ? 薄膜厚度控制及測(cè)量 ? 組分表征 ? 薄膜的結(jié)構(gòu)表征 ? 原子化學(xué)鍵合表征 ? 薄膜應(yīng)力表征 薄膜厚度控制及測(cè)量 沉積率和厚度監(jiān)測(cè)儀 氣相密度測(cè)量 平衡方法 振動(dòng)石英方法 光學(xué)監(jiān)測(cè) 膜厚度測(cè)量 光學(xué)膜厚度確定 X射線干涉儀 探針法 氣相密度測(cè)量方法 如果蒸發(fā)原子密度的瞬時(shí)值 在沉積過程中可測(cè)量，則可 確定撞擊到基片上的原子速 率，由于這一方法沒有累計(jì) 性，因此必須通過積分運(yùn)算 得到每單位面積上的膜質(zhì)量 或膜厚。 光學(xué)膜厚度確定 干涉儀測(cè)量膜厚方法可以使用 Fizeau盤來實(shí)現(xiàn)， Fizeau盤能夠發(fā)生多種反射導(dǎo)致 一尖銳的干涉現(xiàn)象，干涉強(qiáng)度為： ? ? ? ??????????????????? 2/s i n1111 2220 ?? FRTIIR上式給出總反射強(qiáng)度與膜表面和 Fizeau盤間距離的相干性。探測(cè)器使用半導(dǎo) 體核粒子探測(cè)器，它的 輸出電壓脈沖正比于從 樣品散射到監(jiān)測(cè)器中的 粒子能量。幾乎所有的入射 He束在停止前皆穿入 樣品數(shù)個(gè)微米量級(jí)深度。 二次離子質(zhì)譜儀 X射線光電子能譜 光電子的動(dòng)能與靶原子中的電子結(jié)合能 相關(guān)。 由電子對(duì) Mg和 Al轟擊產(chǎn)生的 X 射線的一半是 KaX射線，連續(xù)譜 的貢獻(xiàn)幾乎觀察不到，這是因?yàn)? 韌致光譜分布在幾千電子伏特 而 KaX射線峰位中心只位于半高 寬為 1eV處，除了 Ka線外（如圖 （ a）所示），還存在低強(qiáng)度 的高能特征譜線，這些譜線對(duì)應(yīng) 于 Al靶中的電子激發(fā)。原子序數(shù)大的元素，特征 X射線的發(fā)射幾率較大，原子序數(shù)小的元素，俄歇電子發(fā)射幾率較大，當(dāng)原子序數(shù)為 33時(shí)，兩種發(fā)射幾率大致相等。其中 Δ=1/21/3。如果終態(tài)空位中的 一個(gè)與原空位處于同一殼層， 就會(huì)出現(xiàn) CosterKronig非輻射 躍遷。 定量分析 圖中給出了 Cu基片在 沉積 Pd前后的 俄歇譜。當(dāng) 相干干涉發(fā)生時(shí)，將產(chǎn)生新的波前。其點(diǎn)陣常數(shù)a=c=從 (110)變化到(203). 透射電子顯微鏡中的電子衍射 電子衍射圖如圖中所示。 X射線吸收 X射線光電子譜和 X射線吸收 譜都依賴于光電效應(yīng)，它們 各自的實(shí)驗(yàn)裝置示于圖的上 部。 現(xiàn)已開發(fā)出紫外激光源等產(chǎn)生不同 頻率光的激光源。在高能區(qū)有 NiM23和 SiL23芯能級(jí)激發(fā)峰，其強(qiáng)度分別被放大 100倍和 350倍。在圖中的字母 P代表單胞為元胞，對(duì)于P(2*2)LEED衍射圖具有額外的、半級(jí)斑點(diǎn)，圖中字母 C代表單胞在中心處有一額外散射點(diǎn)，它在衍射圖中引起（ 1/2,1/2)斑點(diǎn)。 電子顯微探針 :定量分析 圖中顯示了 NiLa和 SiKa 線、產(chǎn)額比和 Si/Ni原子 比關(guān)系，電子束的能 量足夠低，以使電子的 穿入只局限于硅化物 表層，在 Si基片中產(chǎn)生 的 X射線最少。 俄歇電子能譜 圖中給出在 Si表面吸收 氧信號(hào)。是一種很有用的分析方法。 EY(Z+Δ)： Y電子電離所需的能量。外層電子向內(nèi)層躍遷過程中所釋放的能量，可能以 X光的形式放出，即產(chǎn)生特征 X射線，也可能又使核外另一電子激發(fā)成為自由電子，這種自由電子就是俄歇電子。 X射線光電子能譜 特征 X射線源最便捷的產(chǎn)生方法 是用電子轟擊 Mg或 Al靶。 檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)于來自于蝕刻 坑中心部位的離子設(shè)計(jì)了 電致入門。在這一近似中，從厚度為 的膜中的能量寬度為： t? indxdE / outdxdE /100??t? ???????????????00 co s10 kEE dxdEdxdEktStE?E?背散射光譜確定薄膜組分 圖中給出 As注入到 Si中的 散射譜圖。從 膜的邊緣可以直接通過探針針尖所 檢測(cè)的階梯高度確定薄膜的厚度。石英作為壓電共振器，以切向模式運(yùn)動(dòng)，具有一級(jí)振動(dòng)頻率為： ? ? qq DkDcf /2/0 ??由于薄膜沉積，膜的質(zhì)量由石英檢測(cè)出來，此時(shí)，石英的厚度增加了與沉積質(zhì)量等價(jià)的 值： qD?qq DD ?? /膜??因此振動(dòng)頻率改變?yōu)椋? ffK DffDD cfdqq??????? 0002/ ??光學(xué)監(jiān)測(cè) 圖 1 圖 2 這一方法是基于生長膜會(huì)產(chǎn)生光學(xué)干涉現(xiàn)象，因此只用于透明膜的測(cè)量，用于濺射系統(tǒng)的光學(xué)監(jiān)測(cè)的例子如圖 1所示。 生長的最后階段是需要足夠量的沉積物緩慢填充隧道過程。 所以 ,當(dāng)原子團(tuán)半經(jīng)小于 r*時(shí) ,原子團(tuán)是不穩(wěn)定的 ,可能長大 ,也可能縮小 。 氣相原子與基片表面發(fā)生碰撞而留在表面的幾率稱為 “ 凝聚 ” 或“ 粘滯 ” 系數(shù) ,是發(fā)生碰撞的氣相原子總數(shù)與碰撞后留在表面的原子數(shù)之比。 MOCVD的特點(diǎn)： ； ，生長溫度范圍較寬； ，膜的均勻性和膜的電學(xué) 性質(zhì)重復(fù)性好； ，因此，在延膜生長 方向上，可實(shí)現(xiàn)摻雜濃度的明顯變化； 。 Morley和 Smith首次利用熱空陰極制備了 Cu和石英涂層。 在典型的反應(yīng)濺射系統(tǒng)中，反應(yīng)氣體與靶發(fā)生反應(yīng)，在靶表面形成化合物，這一 現(xiàn)象稱為靶中毒，當(dāng)靶中毒發(fā)生時(shí)，由于濺射化合物的速率僅僅是金屬靶濺射率 的 10％～ 20%,濺射率急劇下降。 離子束濺射 (II) Jansen等人用上面的裝置制備了高純度 的碳膜，也研究了加氫對(duì)非晶碳性質(zhì)的 影響。 直流二級(jí)濺射制備薄膜實(shí)例 三級(jí)濺射 射頻濺射制備薄膜實(shí)例 磁控濺射實(shí)例 磁控濺射陰極特征 Serikawa和 Okamoto設(shè) 計(jì)了左圖中所示的裝置， 并用其制備了硅膜。 ? 濺射率：有稱濺射產(chǎn)額或?yàn)R射系數(shù) ,表示入射正離子轟擊靶陰極 時(shí) ,平均每個(gè)正離子能從靶陰極中打出的原子數(shù)。 等離子體的輸運(yùn)可由簡(jiǎn)單模型來描述，遠(yuǎn)離陰極的離子電流密度可寫成： Ji=FIG(θ,Φ)/2πr2 沉積率可寫為： Vd=JiCsmi/eZρ 基片的熱通量可為： S=Jiuh 電弧沉積設(shè)備 射頻加熱 通過射頻加熱的方式使源材料蒸發(fā) . 特點(diǎn) :通過射頻線圈的適當(dāng)安置 ,可以使待鍍材料蒸發(fā)，從而消除由支撐坩鍋引起的污染 .蒸發(fā)物也可以放在支撐坩鍋內(nèi)，四周用濺射線圈環(huán)繞。 Cheung利用脈沖激光技術(shù)在 GaAs 和玻璃基片上制備了 SnO2薄膜。其缺陷是待蒸發(fā)粉末的 預(yù)排氣較困難；可能會(huì)釋放大量的氣體， 膨脹的氣體可能會(huì)發(fā)生 “ 飛濺 ” 現(xiàn)象。Z型 基片抽出 . LB技術(shù) 物理氣相沉積 : 通過物理的方法使源材料發(fā)射氣相粒子然后沉積在基片表面的一種薄膜制備技術(shù) . 三個(gè)基本過程 發(fā)射粒子的輸運(yùn)過程 源材料粒子的發(fā)射過程 粒子在基片表面沉積過程 薄膜制備的物理方法 物理氣相沉積方法 ? 真空蒸發(fā) ? 濺射 ? 離子束和離子輔助 ? 外延生長技術(shù) 根據(jù)源材料粒子發(fā)射的方式不同 ,物理氣相沉積可以分為以下幾類 : 真空蒸發(fā)沉積 真空蒸發(fā)沉積薄膜具有簡(jiǎn)單便利、操作容易、成膜速度快、效率高等特點(diǎn)，是薄膜制備中最為廣泛使用的技術(shù)，缺點(diǎn)是形成的薄膜與基片結(jié)合較差，工藝重復(fù)性不好。在70多種金屬中只有 33種金屬可以用電鍍法來制備 ,最常用的金屬有 14種 : Al, As, Au, Cd, Co, Cu, Cr, Fe, Ni, Pb, Pt, Rh, Sn, Zn. 優(yōu)點(diǎn) :生長速度快 ,基片形狀可以是任意的 . 缺點(diǎn) :生長過程難以控制 . 電鍍 化學(xué)鍍 化學(xué)鍍 :不加任何電場(chǎng)，直接通過化學(xué)反應(yīng)而實(shí)現(xiàn)薄膜沉積的方法。 中空陰極沉積 aSi:H薄膜 未稀釋的 SiH4氣體以一定 的流量通入真空室，真空室總 氣壓保持在 67Pa。 應(yīng)用等離子體化學(xué)氣相沉積，可以制備多種薄膜材料：金屬、介電和絕緣體，化合物半導(dǎo)體 ,非晶態(tài)和其他的合金相。氣體流速為（ SiH4， 1～ 30sccm。 光化學(xué)氣相沉積 當(dāng)高能光子有選擇地激發(fā)表面吸附分子或氣體分子而導(dǎo)致斷裂、產(chǎn)生自由化學(xué)粒子形成膜或在鄰近地基片上形成化合物時(shí)，光化學(xué)沉積便發(fā)生了。 化學(xué)氣相沉積是制備各種各樣薄膜材料的一種重要和普遍使用的技術(shù)，利用這一技術(shù)可以在各種基片上制備元素及化合物薄膜。其規(guī)管主要由加熱 燈絲 C與 D和用來測(cè)量熱絲溫度的熱電偶 A與 B組成。薄膜材料與薄膜技術(shù) 王成新 薄膜材料的簡(jiǎn)單分類 薄膜材料 涂層或厚膜 薄膜 (1um) 材料保護(hù)涂層 材料裝