半導(dǎo)體材料第7章-III-V族化合物半導(dǎo)體的外延生長

1、蒸鍍蒸鍍?yōu)R鍍?yōu)R鍍離子鍍離子鍍PVDPVD物理氣相沉積（物理氣相沉積（PVD）是指在真空條件下，用物理的方法將材料汽化成原子、分子）是指在真空條件下，用物理的方法將材料汽化成原子、分子或電離成離子，并通過氣相過程在襯底上沉積一層具有特殊性能的薄膜技術(shù)?；螂婋x成離子，并通過氣相過程在襯底上沉積一層具有特殊性能的薄膜技術(shù)。 （1）PVD沉積基本過程：沉積基本過程： 從原材料中發(fā)射粒子（通過蒸發(fā)、升華、濺射和分解等過程）；從原材料中發(fā)射粒子（通過蒸發(fā)、升華、濺射和分解等過程）； 粒子輸運(yùn)到基片（粒子間發(fā)生碰撞，產(chǎn)生離化、復(fù)合、反應(yīng)，能量的交換和粒子輸運(yùn)到基片（粒子間發(fā)生碰撞，產(chǎn)生離化、復(fù)合、反應(yīng)，能量

2、的交換和 運(yùn)動方向的變化）；運(yùn)動方向的變化）； 粒子在基片上凝結(jié)、成核、長大和成膜粒子在基片上凝結(jié)、成核、長大和成膜(2)PVD的方法的方法真空蒸發(fā)真空蒸發(fā)脈沖激光沉積脈沖激光沉積濺射濺射離子鍍離子鍍外延膜生長技術(shù)外延膜生長技術(shù)蒸鍍蒸鍍真空蒸發(fā)的原理真空蒸發(fā)的原理真空蒸發(fā)的特點(diǎn)真空蒸發(fā)的特點(diǎn)設(shè)備簡單、操作容易設(shè)備簡單、操作容易 薄膜純度高，質(zhì)量好，厚度可控薄膜純度高，質(zhì)量好，厚度可控 速率快、效率高、可用掩膜獲得清晰圖形速率快、效率高、可用掩膜獲得清晰圖形 薄膜生長機(jī)理比較單純薄膜生長機(jī)理比較單純 真空蒸發(fā)的缺點(diǎn)真空蒸發(fā)的缺點(diǎn) 不易獲得結(jié)晶結(jié)構(gòu)的薄膜不易獲得結(jié)晶結(jié)構(gòu)的薄膜 薄膜與基片附著力小薄

3、膜與基片附著力小工藝重復(fù)性不夠好工藝重復(fù)性不夠好真空蒸發(fā)的主要部分真空蒸發(fā)的主要部分真空室，為蒸發(fā)提供必要的真空真空室，為蒸發(fā)提供必要的真空蒸發(fā)源和蒸發(fā)加熱器，放置蒸發(fā)材料并對其進(jìn)行加熱蒸發(fā)源和蒸發(fā)加熱器，放置蒸發(fā)材料并對其進(jìn)行加熱基板，用于接收蒸發(fā)物質(zhì)并在其表面形成固體蒸發(fā)薄膜基板，用于接收蒸發(fā)物質(zhì)并在其表面形成固體蒸發(fā)薄膜基板加熱器基板加熱器測溫器測溫器 蒸鍍蒸鍍真空蒸發(fā)鍍膜過程真空蒸發(fā)鍍膜過程 加熱蒸發(fā)過程加熱蒸發(fā)過程包括從凝聚相包括從凝聚相 轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀啵ü滔嗷蛞合鄽庀啵┑南嘧冞^程。每種物質(zhì)在不同溫度有不轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀啵ü滔嗷蛞合鄽庀啵┑南嘧冞^程。每種物質(zhì)在不同溫度有不同的飽和蒸汽壓；蒸發(fā)化

4、合物時(shí)，其組分之間發(fā)生反應(yīng)，其中有些以氣態(tài)或蒸汽進(jìn)入蒸同的飽和蒸汽壓；蒸發(fā)化合物時(shí)，其組分之間發(fā)生反應(yīng)，其中有些以氣態(tài)或蒸汽進(jìn)入蒸發(fā)空間發(fā)空間 氣化原子或分子在蒸發(fā)源與基片間的運(yùn)輸氣化原子或分子在蒸發(fā)源與基片間的運(yùn)輸 這些粒子在空間的飛行過程中與真空室內(nèi)殘余氣體分子發(fā)生碰撞的次數(shù)，取決于蒸發(fā)這些粒子在空間的飛行過程中與真空室內(nèi)殘余氣體分子發(fā)生碰撞的次數(shù)，取決于蒸發(fā)原子的平均自由程以及源原子的平均自由程以及源- -基距。基距。蒸發(fā)原子或分子在基片上沉積的過程蒸發(fā)原子或分子在基片上沉積的過程即蒸氣凝聚、成核、核生長、形成連續(xù)薄膜。由于基板溫度遠(yuǎn)低于蒸發(fā)源溫度，因此，即蒸氣凝聚、成核、核生長、形成連

5、續(xù)薄膜。由于基板溫度遠(yuǎn)低于蒸發(fā)源溫度，因此，沉積物基板溫度遠(yuǎn)低于蒸發(fā)源溫度，因此，沉積物分子在基板表面將直接發(fā)生從氣相到沉積物基板溫度遠(yuǎn)低于蒸發(fā)源溫度，因此，沉積物分子在基板表面將直接發(fā)生從氣相到固相的相變過程。固相的相變過程。真空環(huán)境的作用真空環(huán)境的作用 蒸發(fā)物原子或分子將與大量空氣分子碰撞，使膜層受到污染；甚至形成氧化物蒸發(fā)物原子或分子將與大量空氣分子碰撞，使膜層受到污染；甚至形成氧化物或者蒸發(fā)源被加熱氧化燒毀或者蒸發(fā)源被加熱氧化燒毀或者由于空氣分子的碰撞阻攔，難以形成均勻連續(xù)薄膜或者由于空氣分子的碰撞阻攔，難以形成均勻連續(xù)薄膜。 蒸鍍蒸鍍根據(jù)加熱原理（或加熱方式）分有：電阻加熱蒸發(fā)、電子

6、束蒸發(fā)、閃爍蒸發(fā)、激光熔融蒸發(fā)、射頻加熱蒸發(fā)。蒸鍍蒸鍍熱蒸鍍蒸鍍蒸鍍熱蒸鍍電阻加熱蒸發(fā)特點(diǎn)：電阻加熱蒸發(fā)特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、操作方便；結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、操作方便； 支撐坩堝及材料與蒸發(fā)物反應(yīng)；支撐坩堝及材料與蒸發(fā)物反應(yīng)； 難以獲得足夠高溫蒸發(fā)介電材料（難以獲得足夠高溫蒸發(fā)介電材料（Al2O3、TiO2）；）； 蒸發(fā)率低；蒸發(fā)率低； 加熱導(dǎo)致合金或化合物分解。加熱導(dǎo)致合金或化合物分解。 可制備單質(zhì)、氧化物、介電和半導(dǎo)體化合物薄膜?？芍苽鋯钨|(zhì)、氧化物、介電和半導(dǎo)體化合物薄膜。蒸鍍蒸鍍電子束蒸鍍蒸鍍蒸鍍電子束蒸鍍電子束通過電子束通過5-10kV的電場加速后，聚焦并打到待蒸發(fā)材料表面，電子束

7、將的電場加速后，聚焦并打到待蒸發(fā)材料表面，電子束將能能 量傳遞給待蒸發(fā)材料使其熔化，電子束迅速損失能量。量傳遞給待蒸發(fā)材料使其熔化，電子束迅速損失能量。電子束蒸發(fā)系統(tǒng)的核心部件：電子束蒸發(fā)系統(tǒng)的核心部件：電子束槍（熱陰極和等離子體電子）電子束槍（熱陰極和等離子體電子）電子束聚焦方式：靜電聚焦和磁偏轉(zhuǎn)聚焦電子束聚焦方式：靜電聚焦和磁偏轉(zhuǎn)聚焦 電子束產(chǎn)生后，需要對他進(jìn)行聚焦而使其能夠直接打到被蒸發(fā)材料的表電子束產(chǎn)生后，需要對他進(jìn)行聚焦而使其能夠直接打到被蒸發(fā)材料的表面。面。 蒸鍍蒸鍍電子束蒸鍍電子束蒸發(fā)源的優(yōu)點(diǎn)電子束蒸發(fā)源的優(yōu)點(diǎn)電子束轟擊熱源的束流密度高，能獲得遠(yuǎn)比電阻加熱源更大的能量密度電子束轟

8、擊熱源的束流密度高，能獲得遠(yuǎn)比電阻加熱源更大的能量密度 。達(dá)到。達(dá)到104 109 W/cm2 的功率密度，熔點(diǎn)的功率密度，熔點(diǎn)3000的材料蒸發(fā)，如的材料蒸發(fā)，如W、 Mo、 Ge、 SiO2 、 Al 2O3 等。等。被蒸發(fā)材料可置于水冷坩鍋中被蒸發(fā)材料可置于水冷坩鍋中 避免容器材料蒸發(fā)及其與蒸發(fā)材料反應(yīng)避免容器材料蒸發(fā)及其與蒸發(fā)材料反應(yīng)熱量可直接加到蒸鍍熱量可直接加到蒸鍍 材料的表面材料的表面 熱效率高、熱傳導(dǎo)和熱輻射損失小熱效率高、熱傳導(dǎo)和熱輻射損失小電子束蒸發(fā)源的缺點(diǎn)電子束蒸發(fā)源的缺點(diǎn)電子槍發(fā)出的一次電子和蒸發(fā)材料發(fā)出的二次電子會使電子槍發(fā)出的一次電子和蒸發(fā)材料發(fā)出的二次電子會使 蒸

9、發(fā)原子和殘余氣體分子蒸發(fā)原子和殘余氣體分子電離電離 影響膜層質(zhì)量。影響膜層質(zhì)量。電子束蒸鍍裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴電子束蒸鍍裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴 加速電壓高時(shí)，產(chǎn)生軟加速電壓高時(shí)，產(chǎn)生軟 x射線，人體傷害射線，人體傷害蒸鍍蒸鍍激光加熱蒸鍍（PLD）高功率激光束作為熱源蒸發(fā)待蒸鍍材料，激光光束通過真空室窗口打到待蒸發(fā)材料使高功率激光束作為熱源蒸發(fā)待蒸鍍材料，激光光束通過真空室窗口打到待蒸發(fā)材料使之蒸發(fā)，最后沉積在基片上。之蒸發(fā)，最后沉積在基片上。激光加熱蒸發(fā)特點(diǎn)：激光加熱蒸發(fā)特點(diǎn)： 激光清潔、加熱溫度高，避免坩堝和熱源材料的污染；激光清潔、加熱溫度高，避免坩堝和熱源材料的污染； 可獲高功率密度激

10、光束，蒸發(fā)速率高，易控制；可獲高功率密度激光束，蒸發(fā)速率高，易控制； 容易實(shí)現(xiàn)同時(shí)或順序多源蒸發(fā)；容易實(shí)現(xiàn)同時(shí)或順序多源蒸發(fā)； 比較適用成分復(fù)雜的合金或化合物材料；比較適用成分復(fù)雜的合金或化合物材料； 易產(chǎn)生微小的物質(zhì)顆粒飛濺，影響薄膜性能。易產(chǎn)生微小的物質(zhì)顆粒飛濺，影響薄膜性能。濺鍍?yōu)R鍍?yōu)R鍍（Sputtering）濺射的基本原理濺射的基本原理: 物質(zhì)的濺射現(xiàn)象物質(zhì)的濺射現(xiàn)象 濺射：荷能粒子與固體（靶材）表面相互作用過程中，發(fā)生能量和動量濺射：荷能粒子與固體（靶材）表面相互作用過程中，發(fā)生能量和動量的轉(zhuǎn)移，當(dāng)表面原子獲得足夠大的動能而脫離固體表面，從而產(chǎn)生表面原子的轉(zhuǎn)移，當(dāng)表面原子獲得足夠大的

11、動能而脫離固體表面，從而產(chǎn)生表面原子的濺射。的濺射。 濺射是轟擊粒子與固體原子之間能量和動量轉(zhuǎn)移的結(jié)果濺射是轟擊粒子與固體原子之間能量和動量轉(zhuǎn)移的結(jié)果 濺射鍍膜：應(yīng)用濺射現(xiàn)象將靶材原子濺射出來并沉積到基片上形成薄膜濺射鍍膜：應(yīng)用濺射現(xiàn)象將靶材原子濺射出來并沉積到基片上形成薄膜的技術(shù)。的技術(shù)。 濺射參數(shù)濺射參數(shù) 濺射閥值：將靶材原子濺射出來所需的入射離子最小能量值。與入射濺射閥值：將靶材原子濺射出來所需的入射離子最小能量值。與入射離子的種類關(guān)系不大、與靶材有關(guān)。離子的種類關(guān)系不大、與靶材有關(guān)。 濺射產(chǎn)額濺射產(chǎn)額 濺射離子速度和能量濺射離子速度和能量濺鍍?yōu)R鍍?yōu)R射沉積的方法直流濺射 輝光放電產(chǎn)生離子

12、轟擊靶材；輝光放電產(chǎn)生離子轟擊靶材； 氣壓過低輝光放電難以維持（氣壓過低輝光放電難以維持（1Pa）；）； 濺射氣壓高（濺射氣壓高（10Pa）、沉積速率低；）、沉積速率低； 工藝參數(shù)：電源功率、工作氣體流量與壓工藝參數(shù)：電源功率、工作氣體流量與壓強(qiáng)、基片溫度、基片偏壓。強(qiáng)、基片溫度、基片偏壓。射頻濺射射頻濺射交變電場中振蕩的電子具有足夠交變電場中振蕩的電子具有足夠高的能量產(chǎn)生離化碰撞，達(dá)到放電高的能量產(chǎn)生離化碰撞，達(dá)到放電自持；自持；濺射系統(tǒng)需要在電源與放電室之濺射系統(tǒng)需要在電源與放電室之間配備阻抗匹配網(wǎng)。間配備阻抗匹配網(wǎng)。常用頻率常用頻率13.56 MHz；靶材上形成自偏壓效應(yīng)；靶材上形成自偏

13、壓效應(yīng)；沉積絕緣材料非常有效；沉積絕緣材料非常有效；濺射電源電壓有效降低；濺射電源電壓有效降低；適用金屬、絕緣體、半導(dǎo)體薄膜適用金屬、絕緣體、半導(dǎo)體薄膜制備。制備。典型參數(shù)：氣壓Pa；靶電壓1000V；靶電流密度1mA/cm2；薄膜沉積0.5mm/min濺鍍?yōu)R鍍磁控濺射磁控濺射原理磁控濺射原理在濺射裝置中的靶材附近加入磁場，垂直方向分布的磁力線將電子約束在靶材在濺射裝置中的靶材附近加入磁場，垂直方向分布的磁力線將電子約束在靶材表面附近，延長其在等離子體中的運(yùn)動軌跡，增加電子運(yùn)動的路徑，提高電子表面附近，延長其在等離子體中的運(yùn)動軌跡，增加電子運(yùn)動的路徑，提高電子與氣體分子的碰撞幾率和電離過程。與

14、氣體分子的碰撞幾率和電離過程。濺鍍?yōu)R鍍磁控濺射特征降低濺射工作氣壓，可到降低濺射工作氣壓，可到0.5Pa左右；左右；電離效率高，提高了靶電流密度和濺射效率，降低靶電壓；電離效率高，提高了靶電流密度和濺射效率，降低靶電壓；離子電流密度高，是射頻濺射的離子電流密度高，是射頻濺射的10-100倍；倍；靶材濺射不均勻、靶材利用率低；靶材濺射不均勻、靶材利用率低；同樣的電流和氣壓條件下可提高沉積速率。同樣的電流和氣壓條件下可提高沉積速率。濺鍍?yōu)R鍍?yōu)R鍍?yōu)R鍍反應(yīng)濺射 在存在反應(yīng)氣體的情況下，濺射靶材時(shí)，濺射出來的靶材料與反應(yīng)氣體形在存在反應(yīng)氣體的情況下，濺射靶材時(shí)，濺射出來的靶材料與反應(yīng)氣體形成化合物（氮化

15、物、碳化物、氧化物）成化合物（氮化物、碳化物、氧化物）反應(yīng)濺射特征反應(yīng)濺射特征靶中毒：反應(yīng)氣體與靶反應(yīng)，在靶表面形成化合物。靶中毒：反應(yīng)氣體與靶反應(yīng)，在靶表面形成化合物。沉積膜的成分不同于靶材。沉積膜的成分不同于靶材。靶中毒的現(xiàn)象：取決于金屬與反應(yīng)氣體的結(jié)合特性及形成化合物表層的性質(zhì)。靶中毒的現(xiàn)象：取決于金屬與反應(yīng)氣體的結(jié)合特性及形成化合物表層的性質(zhì)。降低靶中毒的措施：將反應(yīng)氣體輸入位置遠(yuǎn)離靶材靠近襯底。提高靶材濺射降低靶中毒的措施：將反應(yīng)氣體輸入位置遠(yuǎn)離靶材靠近襯底。提高靶材濺射速率，降低活性氣體的吸附。采用中頻或脈沖濺射。速率，降低活性氣體的吸附。采用中頻或脈沖濺射。離子鍍離子鍍(Ion

16、Plating)電弧離子鍍電弧離子鍍原理：電弧離子鍍原理：是電孤裝置引燃電孤，低電壓大電流電源將維持陰極和陽極之間弧光放電的進(jìn)行，在電是電孤裝置引燃電孤，低電壓大電流電源將維持陰極和陽極之間弧光放電的進(jìn)行，在電源的維持和磁場的推動下，電弧在靶面游動，電弧所經(jīng)之處，靶材被蒸發(fā)并離化，在負(fù)源的維持和磁場的推動下，電弧在靶面游動，電弧所經(jīng)之處，靶材被蒸發(fā)并離化，在負(fù)偏壓作用下調(diào)整離子的能量，在基底上沉積成膜。偏壓作用下調(diào)整離子的能量，在基底上沉積成膜。電弧離子鍍示意圖弧光放電弧光放電被蒸發(fā)的鈦靶接陰極，真空室為陽極，當(dāng)通有幾十安培的觸發(fā)電極與陰極被蒸發(fā)的鈦靶接陰極，真空室為陽極，當(dāng)通有幾十安培的觸發(fā)電極與陰極靶突然脫離時(shí)就會引起電弧，在陰極表面產(chǎn)生強(qiáng)烈發(fā)光的陰極輝點(diǎn)（直徑靶突然脫離時(shí)就會引起電弧，在陰極表面產(chǎn)生強(qiáng)烈發(fā)光的陰極輝點(diǎn)（直徑在在100微米以下），輝點(diǎn)內(nèi)的電流密度可達(dá)微米以下），輝點(diǎn)內(nèi)