原子层沉积 分子束外延
原子层沉积技术课件PPT
Si,Ge,SiO2,某些金属、金属硅化物、多组份氧化物超导体、铁 电材料和硫化物等
✓ 某些沉积过程偏离 ”理想ALD沉积生长”
存在孵化时间,非真正自限生长艺
原子层沉积技术的特点
各种薄膜沉积方法比较
原子层沉积的前驱体、材料及过程
反应的表面饱和性及 “ ALD window ”
ALD制备Al2O3技术”拯救”了磁头工业； TFEL显示器行业是ALD技术发明的诱因,目前仍在生产中广泛使 S磁对i,头于Ge和 某,ST些iOF材2E,L某料显些,目示金前器属缺工、乏业金有中属效A硅L的D化沉技物积术、工的多艺应组用份氧化物超导体、铁电材料和硫化物等 用。 包部背括件景混 的 ：配功AL络能D合和最保物初护前是驱涂由体层芬如兰:科醇学盐家及提环出戊并二用烯于基多金晶属荧有光机材化料合Z物nS:Mn以及非晶Al2O3绝缘膜的研制，这些材料是用于平板显示器。
原子层沉积的基本原则
原子层沉积通过在反应区独自引进具有高反应活性的前驱体， 这些前驱体各含所沉积薄膜的元素， 这种方式使不受控制的 气相反应得以避免。——均匀、 规整， 可控。 通过控制周期数达到精确控制薄膜生长的厚度， 通常薄膜厚度从几个纳米到几个微米。
前驱体:两种或者两种以上，各含所需沉积薄膜的元素， 交替吸附在基片表面，每次只有一种前驱体，彼此独立。 和溅射,蒸发相比,ALD沉积的速率较低 原子层沉积通过在反应区独自引进具有高反应活性的前驱体， 这些前驱体各含所沉积薄膜的元素， 这种方式使不受控制的气相反应得 以避免。
固有的沉积均匀性,易子缩放,可直接按比例放大 原子层沉积的前驱体、材料及过程
微电子领域 不需要控制反应流量的均一性。
部件的功能和保护涂层
外延生长的方法有哪些
外延生长的方法有哪些外延生长是指材料沉积在晶体表面基础上的一种生长方式，也称为自下而上的生长方式。
在外延生长过程中，新形成的晶体层沿着晶体的晶面方向生长，从而使整个晶体薄片的尺寸逐渐增大。
外延生长技术广泛应用于半导体行业，例如用于制造集成电路和发光二极管等器件。
下面将介绍几种常见的外延生长方法。
1. 液相外延生长方法液相外延生长是一种基于溶液的生长方法，通过将溶液中的材料沉积在晶体衬底表面来实现生长。
在生长过程中，溶液中的材料原子逐渐结晶并沉积在衬底上。
这种方法可以用于生长多种材料，包括硅、镓、锗等。
通过改变溶液的成分、温度和压力等参数，可以控制晶体生长的形状、尺寸和取向等属性。
2. 气相外延生长方法气相外延生长是一种基于气体的生长方法，通过在预定温度和压力条件下使材料从气态沉积在晶体衬底上，实现晶体的生长。
这种方法常用于生长复杂的硅化物、氮化物和磷化物等材料。
在气相外延生长过程中，材料原子从气态通过化学反应、物理吸附或气体分解等方式沉积在晶面上。
这种方法可以控制晶体生长的取向和形貌，是制备高质量晶体的一种重要方法。
3. 分子束外延生长方法分子束外延生长是一种在超高真空条件下生长薄膜的方法。
在生长过程中，通过利用分子束砷化炉、分子束外延装置等设备，使材料原子经过加热和蒸发的过程，以超高速度沉积在晶体表面上。
这种方法可以控制材料的镉蒸汽压、晶体衬底温度和反应室的压力等参数，从而实现晶体的精确生长和纯度控制。
4. 水热合成外延生长方法水热合成外延生长是一种在高温高压水溶液中生长晶体的方法。
在生长过程中，通过溶液中的化学反应和矿物物质的转移来实现晶体生长。
水热合成外延生长常用于合成高质量的纳米晶体和纳米材料。
通过调节溶液的成分、温度和压力等参数，可以控制材料的尺寸、形状和结构等属性。
5. 熔体外延生长方法熔体外延生长是一种在熔体中生长晶体的方法。
在生长过程中，通过将材料的熔融物质以超低速度沉积在晶体衬底上。
单原子合成策略
单原子合成策略引言：单原子合成策略是一种用于合成单原子材料的方法，在材料科学和纳米技术领域具有重要的应用前景。
本文将介绍单原子合成策略的原理、方法和应用，并探讨其中的挑战和未来发展方向。
一、单原子合成策略的原理单原子合成策略是指将原子逐个地添加到材料中，形成单原子的结构。
这种策略的实现依赖于原子的控制添加和在材料中的稳定性。
通过控制合适的反应条件和催化剂，可以实现单原子的选择性添加，并在材料中形成稳定的结构。
二、单原子合成策略的方法1. 原子沉积法：通过在基底上沉积原子来实现单原子合成。
这种方法可以利用物理或化学手段将原子逐个地沉积在基底上，形成单原子的结构。
常用的技术包括分子束外延、原子层沉积等。
2. 原子置换法：通过将原子置换到材料中的空位上来实现单原子合成。
这种方法可以利用化学反应将目标原子逐个地置换到材料中的空位上，形成单原子的结构。
常用的技术包括溶胶-凝胶法、气相沉积等。
3. 原子合金法：通过将不同原子混合在一起形成合金，然后通过合适的处理方法将其中的一种原子去除，从而实现单原子合成。
这种方法可以利用合金的不稳定性将其中的一种原子去除，形成单原子的结构。
三、单原子合成策略的应用1. 催化剂：单原子合成策略可以制备具有高催化活性和选择性的催化剂。
通过将单原子嵌入到催化剂中，可以提高催化反应的效率和选择性，从而实现高效的化学转化。
2. 电子器件：单原子合成策略可以制备具有优异电子性能的材料。
通过将单原子嵌入到电子器件中，可以调控材料的导电性、光电性和磁性，从而实现高性能的电子器件。
3. 能源材料：单原子合成策略可以制备具有高能量密度和长循环寿命的能源材料。
通过将单原子嵌入到能源材料中，可以提高材料的储能性能和循环稳定性，从而实现高效的能源转化。
四、单原子合成策略面临的挑战和未来发展方向1. 原子控制：实现原子的精确控制是单原子合成策略的关键挑战之一。
目前，虽然已经取得了一些进展，但仍然存在原子控制不精确和不可逆的问题，需要进一步研究和改进。
原子层沉积法制备氧化锌薄膜进展
原子层沉积法制备氧化锌薄膜研究进展摘要：ZnO 做为第三代半导体材料，其禁带宽度大，达到3.4eV,可以广泛的应用于制造蓝绿光和紫外光的光电器件。
原子层沉积技术（ALD ）是近些年发展起来的薄膜制备技术，由于该技术制备的薄膜性能优异、厚度可控且保型性好，也越来越受到人们的关注。
本文主要概述原子层沉积法制备氧化锌薄膜的研究进展。
关键词：氧化锌，原子层沉积，薄膜，进展 1.引言ZnO 做为第三代半导体材料，由于其禁带宽度大，可以广泛的应用于制造蓝绿光和紫外光的光电器件，同时还具有电子漂移饱和速度高、介电常数小等特点，因此，成为当下半导体材料的研究热点[1]。
外延生长氧化锌的方法有很多，例如金属化学气相沉积（MOCVD ），分子束外延（MBE ），脉冲激光沉积（PLD ）以及磁控溅射等[2]。
但是，用原子层沉积（ALD ），其厚度控制，层均匀性和扩展性相对其他方法都是更优越的。
而且，外延的生长温度较大多数方法来说也是比较低的，这使得可以应用许多低温生长环境中[3]。
2.氧化锌的基本性质 ZnO 是一种宽禁带半导体材料，在近紫外波段内的直接带隙约为，并且它是一种廉价、透明、无毒、可导电的氧化物，有着非常广泛的应用前景，在蓝紫外光电子学中，它可以替代氮化镓[4]。
此外，ZnO 还具有较大的激子结合能，因此能够有效的应用基于受激发射的激光器件中。
ZnO 属于六方晶系，主要存在形式为纤锌矿结构[5]。
在压强达到9GPa 时，ZnO 会从稳定的纤锌矿相变为立方岩盐矿相。
当压力消失时，ZnO 则会维持在亚稳态状态，立方闪锌矿结构也存在于亚稳态的结构中。
氧化锌的不同晶体结构如图1所示。
ZnO 是II-IV 族直接带隙半导体材料，与GaN 同属于第三代宽禁带半导体材料，因此与GaN 在晶体结构和物理性质方面相近，但ZnO 又具有其独有的：溶点高；良好的热稳定性和化学稳定性；高热导率和迀移率，适用于高频器件；激子束缚能高；无毒无害[6, 7]。
分子束外延技术
分子束外延技术分子束外延（molecular beam epitaxy,MBE）技术是一种可在原子尺度上精确控制外延膜厚度、精确控制对薄膜的掺杂和精确控制界面平整度的薄膜制备技术，主要用于制备超薄膜、多层量子阱和超晶格等半导体用高精度薄膜，是新一代电子器件、光电子器件的主要制备技术之一。
1958年，K.Z. Gunther首先提出分子東外延概念；1968年，J.E. Davey和T. Pankey用分子束外延技术制备了GaAs薄膜；1975年，MBE技术应用于半导体器件制备。
我国1980年出产首台MBE系统，1986年后进入器件应用阶段。
图1 外延膜的示意图1.分子束外延原理分子束外延是把构成晶体的各个组分分别放在不同的蒸发源中，在10-8Pa的超高真空条件下，缓慢加热膜材，使之形成分子束流并以一定的热运动速度，按一定的比例喷射到基片上，在基体上进行外延薄膜生长，并在线监测生长过程的一种镀膜方法。
从本质上讲，它是一种真空蒸发镀，包括分子束的产生、分子束的输运和分子束的沉积三个过程。
分子束外延示意图如图2所示[1]，膜材放在蒸发源中，每个蒸发源有一个挡板，蒸发源对准基体，基体可以加热调节温度，另外有监测设备，在线监测薄膜晶态结构。
图2 分子束外延示意图1.1分子束的产生分子束是通过蒸发源产生的，蒸发源决定分子束的活性、分子束强度（由蒸发速率决定）。
蒸发源包括克努曾舟[2]、电子束加热源和裂解炉。
克努曾舟主要用来蒸发低熔点材料，如Ge、Ga和Al等，而电子束主要用于高熔点物质蒸发，如C、W等。
裂解炉通常用于As和P等物质的蒸发，这些材料蒸发时容易形成四聚体，需要用裂解炉使四聚体变成活性较高的二聚体或单原子。
束流反应活性高，利于制备热力学平衡态下难以制备的高浓度合金，因而能够制备新型人工材料和器件。
反应活性高，还利于降低样品生长时的衬底（基体）温度，从而减弱膜层或成分间相互扩散，有利于制作陡峭界面和极薄层的结构。
分子束外延技术MBE的原理及其制备先进材料的研究进展
MBE原理—生长的动力学过程
1.入射的原子或分子在一定温度衬底表面 进行物理或化学吸附。
2.吸附分子在表面的迁移和分解。 3.组分原子与衬底或外延层晶格点阵的结
合或在衬底表面成核。 4.未与衬底结合的原子或分子的热脱附。
MBE生长过程的三个基本区域
MBE原理—特点总结
生长速率低，大约1μm/h，相当于每秒生长一个单原子层，因此有利于实现精确控制厚度、结构与成 分和形成陡峭异质结等，特别适于生长超晶格材料和外延薄膜材料。但是，极低的生长速率也限制了 MBE的生产效率，同时考虑到昂贵的设备，使其无法进行大规模生产。
虽然硅基InN材料在性能和应用方面有种种优势，但是目前研究进展并不顺利。一方面，六方InN材料沿a轴方向与 Si(111)衬底仍存在约8％的晶格失配，外延过程中会引人大量的缺陷；另一方面，InN材料具有较低的分解温度和较高 的氮平衡蒸气压从而导致高质量的InN材料很难制备。
此时，利用MBE技术通过低温外延InN或高温外延AlN作为缓冲层是提高InN材料质量的有效途径。
分子束外延技术MBE的原理及其 制备先进材料的研究进展
主要内容
MBE原理
MBE前沿介绍
MBE原理—定义 分子束外延(Molecular Beam Epitaxy，简称MBE)：它是在超高真空的条件下，把一定比例的构成
晶体的各个组分和掺杂原子(分子)以一定的热运动速度喷射到热的衬底表面来进行晶体外延生长 的技术。
谢谢！
谢谢
MBE前沿介绍
北京科技大学的研究团队设计了如下实验方案：
设备：Veeco公司生产的Gen20A 全固态MBE 系统； 目标物：GaNAs/In GaAs短周期超晶格结构； 原料：生长过程是在半绝缘GaAs 衬底的(001)面上进行的,Si和Be分别作为GaAs 的n 型和p 型掺杂源。 工艺：生长之前,需在生长室内对GaAs衬底进行高温( ~ 600 ℃) 脱氧处理10min;然后,将GaAs衬底温度从 600℃降为580 ℃,生长300nm厚度的GaAs缓冲层以获得更好的外延生长表面;最后,将生长温度降至480℃, 进行GaNAs/ InGaAs超晶格的生长和后续电池中10 周期数的 GaNAs/ InGaAs超晶格有源区的生长。（GaNAs/InGaAs超晶格中阱层和垒层厚度相同,总厚度为0. 2 μm。 在总厚度不变的条件下,周期厚度在6 ~30 nm之间变化。）
原子级制造工艺
原子级制造工艺
原子级制造工艺是一种高精度加工技术，可以制造出尺寸仅为几
纳米的微型零部件。
它是由美国先进技术研究计划署（DARPA）提出的
一项创新技术，目的是将精度提高到可以处理单个原子的水平，以实
现高精度的制造。
这种制造工艺可以广泛应用于电子、能源、医药、
材料科学等领域，在全球范围内都备受关注。
目前，原子级制造工艺主要有两种方法：直接刻蚀和分子束外延。
直接刻蚀是通过将原子分子放置在表面上，然后通过控制电流强度，
使得原子分子移动并按照预定的形状和模式排列。
这种方法可用于制
造微型处理器、光学器件和微机械系统等。
分子束外延则是将分子束
束缚在恒定电压下，并束缚在表面上，随后再将原子分子从蒸发器中
引入，然后控制其排列方式。
原子级制造工艺的使用需要高度精密的设备和软件，以确保其精
度和稳定性。
常见的设备有原子层沉积机、扫描探针显微镜和电子束
光刻机等。
在制造领域中，原子级制造工艺具有相当广泛的应用前景。
它可
以制造出比传统制造工艺更小、更精密的零件，从而可以提高微处理
器的运行速度和能源利用效率，实现更低功耗、更高性能的电子设备。
此外，原子级制造工艺还被用于开发新型能源材料和医药品，以及制
造高精度检测设备和生物传感器等。
总之，原子级制造工艺是一项非常具有发展潜力的制造技术。
随着技术的进步和发展，它将能够提供更多的解决方案，以促进各个领域的创新和发展。
半导体镀膜工艺
MOCVD 装置
5.原子层沉积ALD
通过工艺循环，分步向真空腔体添加反应气体，逐步反应实现对膜厚度 及纯度的精确控制。 特点：纯度极高、接近100%阶梯覆盖率、均匀性强 应用：TSV种子层的制作、MEMS、器件钝化……
速度最慢但是有着精确膜控能力镀膜方式的对比热蒸镀电子束蒸镀离子溅射磁控溅射离子镀激光脉冲沉积分子束外延mbe优点设备简单沉膜速度快直接加热效率高能量密度大蒸发高熔点材料避免坩埚本身对薄膜的污染附着力强任何材料都可以任何物质均可以溅射附着性强重复性好镀膜范围广附着性好纯度高能在复杂图形上镀成膜速度高可蒸镀高熔点材料加热源在真空室外简化真空室非接触式加热无污染可严格控制生长速率以及膜成分极好的膜厚控制性缺点不容易形成结晶膜附着力差重复性差装置复杂残余气体和部分蒸汽电离对薄膜性能有影响附着力较差不能沉积大面积均匀的膜设备复杂运行成本高设备需要高压设备复杂沉膜速度较蒸镀慢受到离子攻击膜会有缺陷受到离子攻击膜会有缺陷受离子和电子攻击基材需加冷却装置离子污染费用高不适合厚膜生长以及大量生产第五章小结化学沉积化学合成方法化学气相沉积cvd热氧化电镀其他等离子体pecvd低压化学气相沉积lpcvd有机金属mocvd金属cvd低介电常数cvd常压化学气相沉积apcvd溶胶凝胶涂敷阳极氧化原子层沉积ald履带式apcvd装置1
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?高真空??Fra bibliotek压强? 1Pa
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分压 1Pa ??压强 ? 1000Pa
大气压 压强＝?? ?Pa
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5. 等离子体的特点
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原子层沉积分子束外延
原子层沉积（Atomic Layer Deposition，简称ALD）和分子束外延（Molecular Beam Epitaxy，简称MBE）是两种常见的薄膜制备技术。
它们广泛应用于半导体器件、光电子元件、催化剂等领域，具有高精度、高可控性、高纯度等优势。
原子层沉积是一种基于气相反应的技术，其原理是在待沉积表面上逐层地生长原子尺寸的薄膜。
该过程是以气相前体分子交替地进行的，每一层沉积会通过表面反应和后续的减压去除掉表面
的不纯物质。
这种逐层沉积的方式使得薄膜的厚度可以非常精确地控制在几个纳米以下，同时
也能够实现复杂合金化、堆叠和多层膜的生长。
ALD具有较低的生长温度和尺寸控制能力，
适用于制备高绝缘性的薄膜，如氧化物、氮化物等。
分子束外延是一种在超高真空环境下，通过分子束热蒸发的方式进行的表面沉积技术。
这种技
术在外延基底上逐层地生长薄膜，其原理是利用分子束热蒸发的方式，将固体材料蒸发成气相
分子流，并通过精确控制分子束的能量和方向来控制薄膜的生长过程。
分子束外延具有较高的
生长速率和较高的晶格质量，可用于制备具有较高电子迁移率和光学性能的薄膜材料。
ALD和MBE都具有非常高的尺寸和结构控制能力，可以精确地制备薄膜材料。
ALD主要用于无机材料的制备，如金属氧化物、氮化物等，具有较高的电学特性和化学稳定性。
MBE则主
要用于有机材料、半导体材料的制备，如半导体薄膜、纳米结构等，具有良好的光学和电学性能。
虽然ALD和MBE在原理和应用领域上有所不同，但它们都具有高精度、高可控性和高纯度等共同特点，不仅能够满足不同领域对薄膜材料的需求，也为材料科学和器件制备提供了强有力
的工具。
随着技术的不断发展和改进，ALD和MBE在材料制备领域的应用前景将会更加广阔。