24 纳米电子材料与器件 ②其晶格常数与所淀积的薄膜要匹配; ③为∫避免从髙温到低温变化时应力作用使薄膜产生裂纹,基片与淀积的薄膜材料热 膨胀系数要接近; ④介电常数、介质损耗、电阻率和徼波损耗等电磁参数要符合应用要求; ⑤要有足够的机械强度和化学稳定性; ⑥要能够生长出足够尺寸的单晶体。 几种常用材料基片的性质列于表2.2.1中。 表2.2.1几种常用材料基片的性质 名称晶格常数/m热影胀系数介电常数 3×10 Srtio a=0.3905 8,6×1 6×102 10--1000 1.6×102 Zr(Y)O a=0.516 10×10 7,5×10 10~100 (YsZ) 25 2~6×I 9,87 0.4203 13.8×10-6 4Ⅹ1 10…100 9.6 1×10 4,2 8.6×10-5(c)9.5~1l 2XI dt'=份.476 7.8×10-5(_c) .5×l0p =13.00 a-0.5519 1.8×103 1MH agao b-0,549410.6×1 5.8×104 LO 300 8.3×10 LaRio) 10×108 5,0×106 <5×104 00 1.2~90 除上述基片外,人们还在不断地探索新的基片材料,如 CandElA,、LNbO)1 YbFeC3、 NaGao3、 StRuc)、LaCa()3等,但是都还没有达到成熟应用的程度。采用隔离层 来防止基片与氧化物薄膜间的扩散,近年来受到了极大的重视,如在Si、GaAs、InP等上 牛长一层隔离层,以缓和基底与薄膜的失配度已取得了巨大进展。 2.2.2制膜方法 1.真空蒸发 真空蒸发制备薄膜是采用较早,也较简单的方法。其基本原理是通过蒸发源将原料加热或升 华,使气相原子或分子穿过真空空间在衬底上凝结成膜。目前主要用于金属膜和电极的制备
第2章纳米电子技术基础 多源反应共蒸发是指在高真空条件下,由几个蒸发源同时将所需薄膜中各金属组分蒸发 到加热衬底上,在此过程中不断向衬底吹反应气体。该法的优点是,蒸发速率可以独立控 制,易丁调整所需的化学剂量比,污染少、不易引入杂质,薄膜淀积速率较高,可直接观 察、操作较简单;不足之处是适用范围不太广,能蒸发的物质有限。 2.直流/射频溅射 磁控溅射是20世纪70年代迅速发展起来的一种溅射技术。其基本原理为:溅射离子来 源于气体(常为惰性气体)放电,然后这些荷能离子轰击靶材,由于磁场的存在,电子被约 東在灬个环状空间内形成高密度的等离子环;在等离子环内,电子不断地使惰性气体原子变 成离子,离子被加速后打向靶表面将靶内的原子溅射出来,淀积到基片上成膜。 用磁场集束二次电子叫磁挖直流溅射(主要指导电靶材),用射频产生辉光叫射频溅射 (主要对绝缘靶材)。与其他技术相比,它具有高速(镀膜速率快)、低温(镀膜时衬底温升 小)和低损伤(镀膜时几乎没有高能电子轰击基片造成膜损伤)等优点,并且简便、清洁, 所需装置也不太复杂。但是,利用该法制备化学剂量比可控的多组元金属氧化物薄膜相当困 难,主要原因是每个组分的蒸气压不同,从而膜的组分与靶的组分不同。 近年来针对氧化物导电靶材的负氧离子反溅射问题而发展起来的倒筒式溅射;利用粉末 靶代替陶瓷靶,组分调节较方便,溅射效果亦较好;还有釆用金属合金靶或金属拼接靶代替 陶瓷靶.通入反应气体实现反应溅射成膜,薄膜组分通过控制合金成分或不冋金属在靶托面 上的位置和所占面积来调整等方法都有成功的应用 3.离子束增强淀积 该法是在离子束禨射基础上发展起来的,所谓离子 衬底 束溅射是指惰性气体离子束(如∧r)打到固体材料表 混合层 面,将动量传递给固体中的原子,由于Ar的质量远远 大于电子质量,这时能量与动量的转移远远高于电子束 新料 与固体中原子相互作用的情况,因而离子束可以直接将 固体中的原子轰击出来,而不必通过提高温度使原子蒸 发出来,也不必加电压产生辉光放电,因此,此法与蒸 发法和磁控溅射法有本质的区别。 离子束增强淀积( lon Beam Enhanced Deposition IBED)是一种将离子注入和薄膜淀积两者融为一体的 材料表面改性新技术。通常是在基体土淀积薄膜的同 麂了 然发材料 tN,C,Ar∴… 11.S1,B 时,用数十电子伏到数万电子伏能量的离子束进行轰 击,利用淀积原子和注入离子间一系列的物理化学作图2.2.4离子束增强淀积凉理示意图 用,形成具有特定性能的化合物薄膜。其原理示意图如 图2.2.4所示
26· 纳米电子材料与器件 离子束增强淀积的突出优点为: ①原子淀积和离子注入参数可以精确地独立调节。分别选用不同的淀积和注入元素, 可以合成多种不同组分和结构的膜。 ②可在较低的轰击能量下连续生长几微米厚,组分一致的薄膜 ③可在常温下生长各种薄膜,避免了高温处理材料及精加工部件尺寸的影响。 ①在膜和基体界面形成连续的混合层,使黏着力大大增加,从加工方式,叮分为动 态混合与静态混合两种。前者是在淀积的同时伴随一定能量和束流的离子束轰击进行簿 膜生长;后者是淀积-层几埃至几十埃的薄膜,然后再进行离子束轰击,如此反复多次 生长薄膜 离子束增强淀积是一个十分复杂的过程,包括物理效应、化学效应,而且这是一种非平衡 热力学过程。一般认为,离子注入时的物理效应和注人过程中的化学效应同时在起作用。离子 注入中的物理效应包括离子和原子碰撞、原子迁移、增强扩散、成核、溅射、升温、再结晶 等。注入过程中的化学效应包括电荷积累、轰山离子对生长膜表面原子的化学激活、化学键的 形成等。离子束增强淀积的效果与轰击离子对生长膜的化学激活、化学键的形成、轰击离子的 种类密切相关,这时化学效应起主要作用。对于经离子束增强淀积BN,Si3N,AN,TN之 类的化合物膜,其良好的物理化学性能无疑是由于形成了完整化合物或合金的结果。 离子束增强淀积技术的前景较好,作为一种改性的新技术尚处于实验室阶段,主要的困 难在于设备较复杂,成本高,不易大批量处理。 4.分子束外延(MBE 该方法是在真空蒸发的基础上于20世纪60年代发展起米的一种超薄层精细控制的蒸发 技术,使薄膜一层一层地生长起来,在非常干净的超高真空条件中,成分与厚度都得到严格 的控制。 MBF的基本原理如图2.2.5所示,在超高真空系统中相对地放置衬底和几个分子束源 炉(喷射炉)·将组成化合物(如图中的GaAs)的各种元素(如Gia,As)和掺杂剂元素 〈如Si·Be)等分别放人不同的源炉内,加热源炉使它们以一定的热运动速度和按一定的束 流强度比例喷射到加热的衬底表面上,与表面相互作用进行晶体的外延生长。各喷射炉前的 快门用来改变外延膜的组分和掺杂。根据制定的程序开关快门、改变炉温和控制生长时间, 则可生长出不同的化合物或不同组分比的合金和控制层厚,从而制备出超晶格微结构材料。 由于生长是在高度清洁的超髙真空条件下进行的,使MBE具有生长速率慢(0.1~1pm h)、生长温度低( GaAs为500~600℃)和扩散效应小等特点,可以精确控制外延层的厚 度、组分和掺杂分布。在合适的生长条件下MBE是二维的层状生长,外延的表面和界面可 达原子级的平整度。结合适当的掩模、激光诱导等技术,还可实现二维和三维图形结构的外 延生长。此外,还可利用高能电子衍射仪(RHEE)等分析手段在生长过程中研究外延表 面的结构和生长机理。MBE设备主要由超高真空生长系统、生长过程的控制系统和监测分 析仪器等三大部分组成。超高真空生长系统由进样、样品预处理和外延生长3个真空室组
第2章纳米电子技术基础 27· 成。3个室各有自己的无油真空抽气机组,彼此间用闸板阀隔离。样品可以用真空密封的传 递机构在这二个室之间往返传递。MB上生长的基本结构如图2.2.6所示,除分子束源炉 和机械手(用于放置和加热样品)外,还配置有 RHEE,可用以监测和调整生长参数,以 实现单原子层的精控生长。四极质谱计(QMS)用于检测生长室的气体成分和真空检漏。 离了计用以校准原子(或分子)束流量。为了减少生长环境中的杂质气体对外廷层的污染, 在生长室的壁内和喷射炉周用都用液氮冷套屏蔽。 外廷生长区 气志元素混合区 源炉挡板 杂元素 杂元亲 组分兀素 图2.2.5 MBE GUAs algaas材料生长小意图 液佩冷套屏版 高能电子枪 总持板 可转衬底加热器 闸板御 样品传邈杆 源炉挡板 观察窗 图2.2.6MBE4长窄结构小意图 利用MBE技术可制备具有数十、数百层的超晶格材料,而每层的厚度小于、等于几纳 米,但如何实现界面和层厚的原子级精挖却是一个十分关键的问题。利用 RHEED强度振 荡精控单原子层生长,这是MBE技术近几年来的重大发展。 与其他半导体材料的制备工艺相比,MBE突出优点可归纳如下 ①制得高纯单晶,因为在超高真空中生长和束流是高纯度的
纳米电子材料与器件 ②在界面处形成突变的超精细结构,因为生长温度低可避免互扩散。 ③异质外延处有光滑和无裂隙的表面,因为是还原生长机理,所以排除了任何成核过程 ④可以掉制超薄层的厚度,因为精确控制束流和较低的生长速率(约每小时1微米) ⑤能在复杂结构材料中得出清晰的组分和浓度分布。引人注意的例子是用MBE已交替 生长出上于个周期的GaAs和 AlGaAs超晶格结构。 ⑥制成的新型结构中所需要的区域内有预定的内在应力,造成该区域中能带I点的简并 取消,因而局部地修改其能带结构,实现称之为“能带结构工程学”或“能带工程”的设想。 近年,利用激光改进的MBE( PLDMBE)操作、控制更加简便,设备小、价格低,已 开始广泛用于铁电、压电、超导薄膜制备。 5.脉冲激光淀积法 高功率脉冲激光束射到铁板上,可以将铁板打穿,铁不但被熔化,而且被气化蒸发出 来。由于激光東瞬时功率非常高,不论固体沸点多高,都能被激光束汽化,不论靶屮各种物 质的沸点如何不相同,都能使薄膜中的成分与靶材成分一致。激光光束可在空气中传播,不 受电场与磁场的影响,因此比电子束和离子束镀膜简单得多。这是一种近十年才发展起来的 制膜技术。自1987年激光淀积法开始应用于高温超导(HTSC)薄膜的制备以来,该法以 淀积率高、计量比易控制的优势被许多实验室所采用,尤其该法具有不连续淀积的特点,适 合于薄膜生长过程的研究。 PLD原理图如图2.2.7所示。 激光 8闯 核对镜 流量计 反射镜 羽辉 R-95% 加热器 图2.2.7PD原理图 如果用激光荣扫描,或使基片运动,或将两者结合,可在较大面积基片上制备均匀的HTS 膜。导电材料与不导电材料均可用激光法制成薄膜,所需的粑材尺寸小,在同一设备中可安装多