薄膜的生长原理和技术
ald工艺原理和应用
ald工艺原理和应用
"Ald" 是 Atomic Layer Deposition（原子层沉积）的缩写，是一种薄膜生长技术，其原理和应用在纳米技术领域中具有重要意义。
Ald工艺原理：
1.原子层控制： Ald 是一种原子层控制的薄膜沉积技术，它通过在基底表面逐层沉积薄膜材料的方法，实现对薄膜的精确控制。
2.气相前体： Ald 过程中使用的气相前体是一种化学气体，通过气相前体的定量供应，可以在基底表面沉积一层单一原子层的薄膜。
3.逐层反应：Ald是通过交替的气相前体供应和表面反应步骤实现的。
在每个步骤中，气相前体以一种可控的方式吸附到基底表面，然后通过表面反应形成薄膜的一层。
4.表面饱和： Ald 过程中，每一层的沉积在表面的饱和状态下进行，确保只有一个原子层被沉积。
5.高精度和均匀性：由于 Ald 过程是逐层进行的，因此可以实现高精度和均匀性的薄膜沉积，使其在纳米尺度上具有出色的控制能力。
Ald的应用：
1.纳米电子器件： Ald 被广泛用于制备纳米电子器件的关键层，如金属、氧化物或氮化物的薄膜。
2.纳米光学薄膜： Ald 可用于制备纳米光学元件，如抗反射膜、光学滤波器等。
3.能源存储： Ald 被应用于能源存储领域，制备电池和超级电容器的电极材料。
4.传感器： Ald 可用于制备高灵敏度和高选择性的传感器薄膜，
用于气体、化学物质或生物分子的检测。
5.表面修饰： Ald 被用于表面修饰，改善材料的表面性质，如润湿性、生物相容性等。
总体而言，Ald 是一种关键的纳米技术工艺，通过逐层控制原子尺度的薄膜生长，为制备纳米材料和器件提供了高度精密的方法。
薄膜生长的原理范文
薄膜生长的原理范文薄膜生长是一种通过在基底上逐层沉积材料来制备薄膜的过程。
薄膜生长技术在许多领域中被广泛应用，如半导体器件、薄膜太阳能电池、涂层技术、生物传感器等。
薄膜生长的原理涉及材料的原子或分子沉积、表面扩散、自组装等过程。
本文将详细介绍薄膜生长的原理。
首先，薄膜生长涉及材料的原子或分子在基底表面的沉积过程。
在薄膜生长中，一般采用物理气相沉积（PVD）或化学气相沉积（CVD）等方法。
在PVD中，材料通常以固体的形式存在，通过激光蒸汽、电子束蒸发等方式将材料蒸发到真空腔体中，然后沉积到基底表面。
在CVD中，材料以气体的形式存在，反应气体通过化学反应生成沉积材料，并在基底表面上沉积。
这些方法中，材料的原子或分子需要穿过气体或真空中的传递路径，然后与基底表面发生相互作用，并最终沉积到基底表面上。
其次，薄膜生长还涉及沉积材料的表面扩散。
由于沉积材料和基底的晶体结构不匹配，沉积过程中会产生应变能，而表面扩散可以减小材料的应变能。
表面扩散是指原子或分子在表面上的迁移过程，使得材料可以在基底表面上扩散形成更大晶体的过程。
表面扩散是通过原子或分子的跳跃运动来实现的，这种跳跃过程受到热能的影响。
在薄膜生长过程中，通常会提供适当的热能，以促进表面扩散，使得材料更好地填充基底表面。
此外，薄膜生长还涉及材料的自组装。
自组装是指原子、分子或纳米颗粒自发地在基底表面上组装成有序结构的过程。
材料的自组装通常受到表面能、体能和介面能的影响。
表面能是指材料表面的自由能，体能是指材料的体积自由能，介面能是指材料与基底之间的能量。
当材料在基底表面上形成一定的有序结构时，可以通过降低介面能来减小自由能，从而提高生长速率和质量。
自组装还可以通过改变材料的结构和形貌来调控其性能，如提高材料的导电性、光学性能等。
总之，薄膜生长的原理涉及材料的原子或分子沉积、表面扩散和自组装等过程。
通过控制这些过程的条件和参数，可以实现对薄膜的生长速率、厚度、晶体结构和形貌的调控。
【2024版】微电子工艺之薄膜技术
二、外延掺杂及杂质再分布
3.杂质再分布
再分布：外延层中的杂质向衬底扩散；
衬底中的杂质向外延层扩散。
总杂质浓度分布：各自扩散的共同结果。
①衬底杂质的再分布（图3－21）
初始条件:N2(x,0)=Nsub,x<0; N2(x,0)=0,x>0; 边界条件一：衬底深处杂质浓度均匀，即
当vt» D1t 时，有
N1x,t
Nf 2
erfc
2
x D1t
二、外延掺杂及杂质再分布
当vt»2 D1t 时，有
N1(x,t)≈Nf
③总的杂质分布（图3－24）
N(x,t)=N1(x,t)± N2(x,t) “+”: 同一导电类型；
“－”:相反导电类型；
三、自掺杂（非故意掺杂）
1.定义
N 2 x
x 0
二、外延掺杂及杂质再分布
边Jd界条D件2 二Nx：2 在xx外f 延J层b 表J s面 （h2x=vxfN）2 ,扩x f 散,t 流密度Jd为
解得：
N2x,t
N sub 2
erfc
2
x D2 t
v h2 2h2
v
ex
p
D2
vt
x erfc
2vt x 2 D2t
①当hG» ks，则 NGS≈NG0，V= ks(NT/ NSi) Y，是表面反 应控制。
②当ks» hG，则 NGS ≈0， V= hG(NT/ NSi) Y，是质量转 移控制。
二、外延掺杂及杂质再分布
1. 掺杂原理－以SiH4-H2-PH3为例
lpcvd工艺技术
lpcvd工艺技术LPCVD全称是低压化学气相沉积。
它是一种常用的薄膜生长技术，可用于制备各种高质量的薄膜材料，广泛应用于微电子、光电子、纳米科技等领域。
本文将介绍LPCVD工艺技术的原理、步骤和应用。
LPCVD的原理是利用气相在低压和高温条件下进行化学反应，使薄膜材料在衬底上生长。
其中，气相传输和化学反应是LPCVD的两个关键过程。
在气相传输中，材料前驱体通过气流携带到衬底表面，然后在高温下发生化学反应，生成所需的薄膜材料。
LPCVD的步骤主要包括材料准备、前驱体输送和薄膜生长三个过程。
首先，需要准备所需的前驱体材料和衬底。
前驱体材料可以是液体、气体或固体，根据所需的薄膜材料不同而有所变化。
然后，将前驱体输送到反应室中，通过气流携带到衬底表面。
最后，在高温下进行化学反应，使前驱体转变为所需的薄膜材料。
常用的前驱体有硅源、金属有机化合物等。
LPCVD具有一些优势。
首先，它能够控制薄膜的化学组成和结构，从而实现对薄膜性能的调控。
其次，LPCVD可以制备出高质量的薄膜材料，具有较低的缺陷密度和较高的结晶度。
此外，LPCVD还具有较高的生长速率和较大的衬底尺寸适应性。
LPCVD在微电子领域有着广泛的应用。
首先，它可以制备用于集成电路中的绝缘层、金属层和多晶硅层等。
这些薄膜材料对于集成电路的性能和可靠性至关重要。
其次，LPCVD还可以用于制备光学薄膜，如透明导电膜、反射膜和抗反射膜等。
这些薄膜材料在光电子器件中起到关键作用。
此外，LPCVD还可以用于制备纳米材料，如碳纳米管、纳米线和二维材料等。
总结起来，LPCVD是一种常用的薄膜生长技术，具有很好的薄膜质量控制能力。
它在微电子、光电子和纳米科技等领域有着广泛的应用前景。
随着科学技术的不断进步，LPCVD工艺技术也将不断发展，为各个领域的研究和应用提供更多可能性。
薄膜的生长原理和技术
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
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
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
Ripening（成熟）
p 2
r
Clusters
大鱼吃小鱼！
Flux
Substrate
薄膜技术及应用
20世纪末至今
随着新材料和制备技术的 不断发展，新型薄膜材料 不断涌现，薄膜技术应用 领域不断扩大。
02
薄膜制备技术
物理气相沉积（PVD）
真空蒸发沉积
利用加热蒸发材料，使其 原子或分子从固态表面升 华进入气态，然后在基底 表面凝结形成薄膜。
导体薄膜
功能薄膜
用于制造集成电路、微电子器件和薄 膜晶体管等，具有高导电性能和稳定 性。
如光电转换薄膜、磁性薄膜、传感器 用敏感薄膜等，在电子器件中具有特 定功能。
绝缘薄膜
用作电子器件的介质层和绝缘材料， 具有低介电常数和损耗、高击穿场强 等特点。
光学领域
反射和滤光薄膜
用于控制光的反射、透射、干涉和偏振等特性， 在光学仪器、摄影、照明等领域有广泛应用。
多功能化薄膜
通过材料复合和结构设计，制备具有多功能特性的薄膜，如光学、热学、电学、磁学等多重性能的集 成。
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薄膜的分类
01
按材料分类
金属薄膜、制备方法分类
功能薄膜（如导电薄膜、光学薄 膜、磁性薄膜等）、结构薄膜等。
物理气相沉积、化学气相沉积、 溶胶-凝胶法等。
薄膜技术的发展历程
01
02
03
19世纪末
真空蒸发镀膜技术出现， 主要用于制造光学仪器和 装饰品。
20世纪中期
薄膜技术及应用
目录
• 薄膜技术简介 • 薄膜制备技术 • 薄膜的应用领域 • 薄膜的未来发展与挑战
01
薄膜技术简介
薄膜的定义与特性
定义
薄膜是一种厚度在微米到纳米级别的 材料，覆盖在基底上，具有特定的物 理、化学和机械性能。
薄膜物理与技术
将气体在电场的作用下离化，形成离子束或等离子体，然后轰击材 料表面，使其原子或分子沉积在基底表面形成薄膜。
化学气相沉积（CVD）
常压化学气相沉积（APCVD）
在常压下，将反应气体在气相中发生化学反应，生成固态物质并沉积在基底表面形成薄膜 。
低压化学气相沉积（LPCVD）
在较低的压力下，将反应气体在气相中发生化学反应，生成固态物质并沉积在基底表面形 成薄膜。
等离子体增强化学气相沉积（PECVD）
利用等离子体激活反应气体，使其发生化学反应，生成固态物质并沉积在基底表面形成薄 膜。
液相外延（LPE）
溶胶-凝胶法
将金属盐溶液通过脱水、聚合 等过程转化为凝胶，然后在一
定条件下转化为薄膜。
化学镀
利用化学反应在基底表面沉积 金属或合金薄膜。
电镀
利用电解原理在基底表面沉积 金属或合金薄膜。
薄膜的特性与性能参数
特性
薄膜具有一些独特的物理和化学特性， 如高表面面积、高纯度、高密度等， 这些特性使得薄膜在电子、光学、磁 学等领域具有广泛的应用前景。
性能参数
评估薄膜性能的参数包括表面粗糙度、 透光性、导电性、硬度等，这些参数 决定了薄膜在不同领域的应用效果。
薄膜的形成与生长机制
形成
薄膜的形成通常是通过物理或化学方法将物质蒸发或溅射到基材表面，然后凝 结或反应形成薄膜。
涉及其他非主要性能的表征，如化学稳定性、热稳定性等。
详细描述
除了光学、力学和电学性能表征外，还有其他一些非主要性能的表征方法，如化学稳定 性表征和热稳定性表征等。这些性能参数对于评估薄膜在不同环境条件下的稳定性和耐 久性具有重要意义，尤其在化学反应容器制造和高温环境应用等领域中具有重要价值。
薄膜成膜技术
抗菌性
指薄膜抑制或杀死微生物 的能力，有助于防止食品 和医疗用品等的污染。
生物活性
指薄膜具有促进细胞生长、 组织再生或药物释放等生 物活性的能力。
薄膜的高分子性能
分子结构
指薄膜中高分子的排列、结晶度和交联程度等，影响其物理和化 学性能。
分子量及其分布
指组成薄膜的高分子物质的相对分子质量和相对分子质量分布，影 响其加工性能和使用性能。
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04
薄膜性能与检测
薄膜的物理性能
光学性能
01
包括透明度、雾度、反射率和颜色等特性，影响薄膜的外观和
使用效果。
力学性能
02
包括拉伸强度、撕裂强度、冲击强度和硬度等，决定了薄膜的
耐用性和稳定性。
热学性能
03
包括热收缩率、热稳定性和阻燃性等，影响薄膜在加工和使用
过程中的稳定性。
薄膜的化学性能
耐腐蚀性
薄膜成膜技术的应用领域
电子行业
用于制造电子元件、电 路板、显示器等，提高 产品的耐候性、绝缘性
和美观度。
建筑行业
用于建筑玻璃、石材、 木材等材料的防护和装 饰，提高材料的使用寿
命和美观度。
包装行业
用于食品、药品、化妆 品等产品的包装，提高 产品的保质期和安全性。
汽车行业
用于汽车零部件的防护 和装饰，提高汽车外观
化学成膜原理
化学成膜原理是通过化学反应，使液态材料在基材表面形成 一层固态薄膜。
化学成膜技术具有成膜质量好、附着力强等优点，但反应条 件要求严格，且可能产生环境污染。
生物成膜原理
生物成膜原理是利用微生物或植物分泌物在基材表面形成 一层薄膜。
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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；
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
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
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
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
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:
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
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
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
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. PBN crucible 2. Resistive heater filament 3. Metal foil radiation shields 4. Thermocouple 5. Mounting flange
2.2 UHV Achieving UHV Conditions (<10-10Torr)
• 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
(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
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
► 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.
Fቤተ መጻሕፍቲ ባይዱlm
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；
• 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.
p~
kT
2d
2L
1.381023 300 1.41 3.14 (2.91010)2 (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
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。