外延膜沉积技术
MOCVD装置示意图
MOCVD应用举例
利用MOCVD技术研究B掺杂对ZnO薄 膜的影响,在20cm×20cm大面积玻璃衬底 上生长出了光电特性优良(低电阻率、高透 过率和均匀膜厚)的ZnO薄膜,并且在太阳电 池背电极的应用。
实验装置
结论
通过B2H6气体掺杂ZnO薄膜的系列实 验,研究了B掺杂对ZnO薄膜的微观结构、光 电特性的影响.玻璃衬底上制备出了光电性 能稳定的绒面低阻ZnO薄膜,在17sccm(1% 掺杂)掺杂优化条件下,ZnO膜厚700nm时,其 透过率在85%以上,方块电阻为38Ω/□,迁移 率为1718cm2/(V· s)。利用MOCVD生长的 ZnO薄膜作为太阳电池背电极,可以有效提 高短路电流密度将近3mA,使20cm×20cm 面积的Si集成电池效率高达9.09%。
外延膜沉积技术
MOCVD应用的范围有：
钙鈦矿氧化物如PZT、SBT、CeMnO2等； 铁电 薄膜； ZnO透明导电薄膜、用于蓝光LED的n-ZnO 和p-ZnO、用于TFT的ZnO、ZnO纳米线； 表面声波 器件SAW(如LiNbO3等)； 三五族化合物如GaN、 GaAs基发光二极体（LED）、雷射器（LD）和探测 器； MEMS薄膜； 太阳能电池薄膜； 锑化物薄膜； YBCO 高温超导带； 用于探测器的SiC、Si3N4等 宽频隙光电器件 。
外延膜沉积技术
外延是指沉积膜与基片之间存在结晶学 关系时，在基片上取向或单晶生长同一物质 的方法。 当外延膜在同一种材料上生长时，称为 同质外延，如果外延是在不同材料上生长则 称为异质外延。外延用于生长元素、半导体 化合物和合金薄结晶层。这一方法可以较好 地控制膜的纯度、膜的完整性以及掺杂级别。
外延膜沉积技术
外延膜沉积技术
热壁外延生长(HWE)
热壁外延是一种真空沉积技 术，在这一技术中外延膜几乎在 接近热平衡条件下生长，这一生 长过程是通过加热源材料与基片 材料间的容器壁来实现的。
蒸发材料的损失保持在最小;
生长管中可以得到洁净的环境; 管内可以保待相对较高的气压; 源和基片间的温差可以大幅度降低。
外延膜沉积技术
薄膜的化学气相沉积(CVD) CVD所涉及的化学反应类型
1.热解反应 2.还原反应 3.氧化反应 4.化合反应 5.歧化反应 6.可逆反应
薄膜的化学气相沉积(CVD)
CVD化学气相沉积装置 一般来讲，CVD装置往往包括以下几 个基本部分: (1)反应气体和载气的供给和计量装置; (2)必要的加热和冷却系统; (3)反应产物气体的排出装置。
液相外延生长(LPE)
液相外延生长原则上讲是从液相中生长膜， 溶有待镀材料的溶液是液相外延生长中必需的。 当冷却时，待镀材料从溶液中析出并在相关的基 片上生长。对于液相外延生长制备薄膜，溶液和 基片在系统中保持分离。在适当的生长温度下， 溶液因含有待镀材料而达到饱和状态。然后将溶 液与基片的表面接触，并以适当的速度冷却，一 段时间后即可获得所要的薄膜，而且，在膜中也 很容易引人掺杂物。
溅射法
溅射法利用带有电荷的离子在电 场中加速后具有一定动能的特点，将 离子引向欲被溅射的靶电极。在离子 能量合适的情况下，入射的离子将在 与靶表面的原子的碰撞过程中使后者 溅射出来。这些被溅射出来的原子将 带有一定的动能，并且会沿着一定的 方向射向衬底，从而实现在衬底上薄 膜的沉积。
溅射法
直流溅射沉积装置
外延膜沉积技术
分子束外延（MBE)特点
(1)由于系统是超高真空，因此杂质气体(如残余气体)不易 进人薄膜，薄膜的纯度高。 (2)外延生长一般可在低温下进行。 (3)可严格控制薄膜成分以及掺杂浓度。 (4)对薄膜进行原位检测分析，从而可以严格控制薄膜的生 长及性质。 当然，分子束外延生长方法也存在着一些问题，如设 备昂贵、维护费用高、生长时间过长、不易大规模生产等。
半导体薄膜生长工艺
--MOCVD MBE
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成员：孙杰
於凡枫 胡喆 刘昌和 Ver 1.1
薄 膜 制 备
概述 PVD
CVD
外延膜沉积技术 LOGO
半导体薄膜生长工艺 参考文献
• • • 薄膜材料与薄膜技术/郑伟涛等编著.北京，化学工业业出版社，2003.11 ISBN 7-5025-4938-2 薄膜材料制备原理、技术及应用/唐伟忠一北京:冶金工业出版社，1998.5 ISBN 7-5024-2151-3 MOCVD制备的ZnO薄膜及其在太阳电池背电极应用 徐新亮 徐步衡等，半导 体学报，2005.12 ISSN 02534177 ZnO的激光分子束外延法制备及X射线研究杨晓东、张景文等 光子学报， 2008.3 ISSN 10044213 Chen Y F. Bagnall D M, Ko H J, et al. Plasma assisted molecular beam epitaxy of ZnO on c-plane sapphire growth andcharacterization [J].J. Appl.Phys.，1998, 84:3912-3918.
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物理气相沉积（PVD） PVD
物理气相沉积技术中最为基本的两种方法就 是蒸发法和溅射法，另外还有离子束和离子助等 等方法。 蒸发法相对溅射法具有一些明显的优点，包 括较高的沉积速度，相对较高的真空度，以及由 此导致的较高的薄膜质址等。 溅射法也具有自己的一些优势，包括在沉积 多元合金薄膜时化学成分容易控制，沉积层对衬 底的附着力较好等。
薄膜的化学气相沉积(CVD)
CVD化学气相沉积装置
薄膜的化学气相沉积(CVD)
CVD气体输运特性
进入 管道后呈 层流状态 流动的气 体的流速 分布和边 界层
薄膜的化学气相沉积(CVD)
最基本的CVD装置 高温和低温CVD装置 低压CVD (LPCVD)装置 等离子体增强CVD(PECVD)装置 激光辅助CVD装置 金属有机化合物CVD (MOCVD)装置
有机金属化学气相沉积(MOCVD)
金属有机化学气相沉积系统（MOCVD)是利用 金属有机化合物作为源物质的一种化学气相淀积 （CVD)工艺。MOCVD是一种利用气相反应物，或是 前驱物和Ⅲ族的有机金属和V族的NH3，在基材表面 进行反应，传到基材衬底表面固态沉积物的工艺。 MOCVD主要功能在于沉积高介电常数薄膜，可随着 前驱物的更换，而沉积出不同种类的薄膜。
物理气相沉积（PVD） 真空蒸发
在真空蒸发技术中，人们只需要产生 一个真空环境。在真空环境下，给待蒸发 物提供足够的热量以获得蒸发所必需的蒸 气压。在适当的温度下，蒸发粒子在基片 上凝结，这样即可实现真空蒸发薄膜沉积。
真空蒸发
大量材料皆可以在真空中蒸发，最终 在基片上凝结以形成薄膜。真空蒸发沉积 过程由三个步骤组成: ①蒸发源材料由凝聚相转变成气相； ②在蒸发源与基片之间蒸发粒子的输运; ③蒸发粒子到达基片后凝结、成核、长大、 成膜。
外延膜沉积技术
与其他外延生长法如液相外延生长、气相外延 生长相比，有机金属化学气相沉积有以下特点: ①反应装置较为简单，生长温度范围较宽; ②可对化合物的组分进行精确控制，膜的均 匀性和膜的电学性质重复性好; ③原料气体不会对生长膜产生蚀刻作用，因 此，在沿膜生长方向上，可实现掺杂浓度的明显 变化; ④只通过改变原材料即可生长出各种成分的 化合物。
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物理气相沉积（PVD） PVD
物理气相沉积（PVD)指的是利用某种物理的 过程，如物质的热蒸发或在受到粒子束轰击时物 理表面原子的溅射现象，实现物质从原物质到薄 膜的可控的原子转移过程。
物理气相沉积（PVD） PVD
这种薄膜制备方法相对于下面还要介绍的化 学气相沉积方法而言，具有以下几个特点: 1.需要使用固态的或者熔化态的物质作为沉积过 程的源物质。 2.源物质要经过物理过程进入气相。 3.需要相对较低的气体压力环境。 4.在气相中及衬底表面并不发生化学反应。
溅射法
溅射法分类
(1)直流溅射; (2)射频溅射; (3)磁控溅射； (4)反应溅射； (5)偏压溅射。
薄膜的化学气相沉积(CVD) CVD
• 技术被称化学气相沉积(CVD)顾名思义，利 用气态的先驱反应物，通过原子、分子间 化学反应的途径生成固态薄膜的技术。 • 特别值得一提的是，在高质量的半导体晶 体外延技术以及各种绝缘材料薄膜的制备 中大量使用了化学气相沉积技术。比如， 在MOS场效应管中，应用化学气相方法沉 积的薄膜就包括多晶Si、 SiO2、SiN等。
外延膜沉积技术
分子束外延的基本装置 由超高真空室(背景气压 1.3X10-9Pa),基片加热块、 分子束盒、反应气体进入管、 交换样品的过渡室组成。外， 生长室包含许多其他分析设 备用于原位监视和检测基片 表面和膜，以便使连续制备 高质量外延生长膜的条件最 优化。除了具有使用高纯元 素。
外延膜沉积技术
真空蒸发
真空蒸发的影响因素
1.物质的蒸发速度 2.元素的蒸汽压 3.薄膜沉积的均匀性 4.薄膜沉积的纯度
真空蒸发
薄膜沉积的均匀性
真空蒸发
薄膜沉积的纯度
• 蒸发源的纯度； • 加热装置、坩埚可能造成的污染； • 真空系统中的残留气体。
真空蒸发
蒸发源分类
（一）电阻加热蒸发 （二）电子束加热蒸发 （三）电弧加热蒸发 （四）激光加热蒸发
真空系统中，靶 材是需要溅射的材料， 它作为阴极。相对于 作为阳极的衬底加有 数千伏的电压。在对 系统预抽真空以后， 充入适当压力的惰性 气体。
溅射法
溅射法机理
在正负电极高压的作用下，极间的气 体原子将被大量电离。其中电子飞向阳极， 而带正电荷的Ar正离子则在高压电场的加 速作用下高速飞向作为阴极的靶材，并在 与靶材的撞击过程中释放出其能量。离子 高速撞击的结果之一就是大量的靶材原子 获得了相当高的能量，使其可以脱离靶材ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的束缚而飞向衬底。