薄膜的生长原理和技术

MBE of Omicron brade
MBE system in XMU
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.
1 mm ─ ~10 mm ► 厚膜:
~10 mm ─ ~100 mm
► 单晶薄膜 ► 多晶薄膜 ► 无序薄膜
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）
两种常见的薄膜结构
►单层膜
p~
kT
2d
2L
1.381023 300 1.41 3.14 (2.91010)源自文库 (0.5)
0.02Pa
1.7 104Torr
1 Torr = 133 Pa ；1 Pa =7.5 mTorr
残留气体对薄膜生长的影响
Substrate
生长材料的分子 残留气体的分子
残留气体在衬底上形成 一单原子层所需时间
Pressure (Torr) 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11
Time
0.02 s 0.2 s 2s 20 s 3 min 35 min 6 hr 3 days
Kink
薄膜表面
平台 单原子层阶梯 Adatom 阶梯原子
平台空位
外延生长层
缺失面 失配位错
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。
溅射过程的物理模型
入射离子 +
真空
靶材固体
溅射粒子 （离子或中性粒子）
渗透深度
注入离子
溅射产值
平均出射原子数 Y 入射离子数
依赖下面几个因素:
► 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
Yield
Sputtering Yield of Ar on Si
1
5 10 50 100 500
常用蒸发源
加热丝
加热舟
坩埚
盒状源（Knudsen Cell）
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。
真空室 反应气体管道 充气管道
电子枪
电子束蒸发
Definition: The thickness at which the total energy is minimized at maximum strain, i.e. the misfit fmax.
hc
b
8 (1
)
f
[ln(
hc b
)
1]
0.0001 1000
0.001
0.01 1000
• Ion pump: 10-12mbar
maintaining UHV conditions Gas molecules are hit by electrons and ionized.
Bakeout in vacuum: H2O 10-7mbar
1.4 Modified growth methods
表面
脉冲激光沉积
真空室 反应气体管道 充气管道
Plume
衬底 厚度监控仪 激光束
真空泵
靶材
Pulsed Laser Deposition (PLD) System
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 )
溅射靶材
A Substrate
►周期结构多层膜
B A B A
Substrate
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)
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
平均自由程、压强P和真空室尺寸L的关系
~ kT ~ L 2d 2 p
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
“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:
1. 所生长的材料以物理方式由固体转化为气体；
2. 生长材料的蒸汽经过一个低压区域到达衬底；
Ripening（成熟）
p 2
r
Clusters
大鱼吃小鱼！
Flux
Substrate
Substrate
Coalescence（粘连）
ES1 ES 2 (R13 R23 )2 1
EST
R12 R22
Clusters
Bigger cluster
Substrate
Substrate
临界厚度
(2)大晶格失配和大界面能材料体系的三维岛状生长的VolmerWeber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。
生长模式
Frank-van der Merve Mode
衬底
Layer by Layer ( 2D )
Stranski-Krastanov Mode
Layer Plus Island Growth
衬底
( 2D-3D )
Volmer-Weber Mode
衬底
Island Growth ( 3D )
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
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
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 )
⑤ MBE(分子束外延)
1. Introduction 2. Principle of MBE 3. In-situ analysis techniques 4. MBE systems 5. Applications 6. References
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)
衬底
Plume 真空泵
厚度监控仪 坩埚与材料
Substrate fixture
E-Gun Crucible
常用蒸发材料形态
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
• 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.
1. PBN crucible 2. Resistive heater filament 3. Metal foil radiation shields 4. Thermocouple 5. Mounting flange
2.2 UHV Achieving UHV Conditions (<10-10Torr)
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
玻璃钟罩
热蒸发
衬底 衬底架
反应气体管道 充气管道
Plume 真空泵
厚度监控仪 加热丝、舟或坩埚
仪器
内部结构
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。
2.1 Growth chamber
Effusion cell Solid Source：K-Cell Gas Source：RF-plasma
Film
有应变的外延层
衬底 substrate
弛豫后的外延层
应力的效果
薄膜 衬底
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；
Critical Thickness nm
100
100
应变场
薄膜 衬底
h 位错芯
10
10
0.0001
0.001
0.01
f Mismatch
PVD的通用实验配置
真空室 反应气体管道
充气管道
衬底 Plume
真空泵
厚度监控仪 靶材
① 热蒸发
►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
2
1.5
1.5
1
1
0.5
0.5
0
1
5 10 50 100 500
E keV
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
溅射离子的运动学过程
衬底
►非平衡过程
►各向异性过程
►cosmq 分布
►不均匀厚度
靶材
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
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。
► 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.
3. 蒸汽在衬底表明上凝结，形成薄膜。
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
薄膜分类
厚度
结构
► 超薄膜: ~10 nm ► 薄膜: 50 nm─1 mm ► 中间范围: