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化学束外延——大面积、均匀薄膜、成分梯度及化学梯度薄膜、多元及掺杂
发布日期:2015-09-22

多元素大面积薄膜沉积                     

化学束外延技术中最重要的是识别合适的化学前驱体,因为化学束外延最佳工艺条件与其他采用化学前驱体的典型技术(例如CVD, ALD)不同。目前已经发现了一些合适当前化学束外延工艺水平的前驱体,并且大多数前驱体已经用于工艺条件优化研究。上图显示了适用化学束外延前驱体的各种元素,但该图罗列可用元素并不详尽,还有更多合适的前驱体。识别合适的前驱体主要困难与他们的高分解温度和强挥发性有关。与高压工艺不同,前驱体分子仅撞击衬底一次,而通过束辅助工艺提供额外的能量来分解前驱体分子同时保持衬底冷却(不过热),可以用来克服上述缺点。

 

 

高(均匀)撞击率

化学束外延主要优点在于控制和预测能力。采用蒙特卡洛仿真和数学模型,可以计算化学前驱体在衬底表面分布和撞击率来实现均匀沉积和复杂梯度样品。正如图中实验数据和模型比较所示:左上图显示均匀厚度薄膜模型;右上图显示理论曲线(虚线)vs 实验数据(蓝点);下图显示2个直径150mm 硅晶圆呈现的均匀颜色相当于均匀光学厚度。多个专利即将改善effusing source和反应器设计,可以精确控制整过生长条件,实现均匀(1-2%)多元沉积,甚至在无旋转大衬底上(6’’, 8’’和更大)。我们也减小了腔体尺寸(约10L腔体对应6’’衬底),但同时保持良好均匀性。这可以减少抽气单元尺寸、降低气相反应(即使非UHV)。当背压污染不是问题(e.g氧对于氧化物),就可以节省大量时间金钱。

 

高度可控厚度梯度

与均匀薄膜相反,我们可以实现多元高度可控、用户定义的厚度梯度薄膜(根据我们的数学模型),从而快速研究和优化薄膜材料性能与生长速率和薄膜厚度之间的关系。左下图为来自数学模型的厚度梯度与实验数据对比,匹配度很高。右下图显示了简单和多层膜(布拉格反射镜)的理论与实验厚度分布。

 

前驱体流量(薄膜厚度)控制

 

 

厚度梯度薄膜中,厚度梯度从百分之几到600%

 

图中6号线所对应的结果是厚度高度均匀薄膜,厚度均匀性优于+/-0.5%(衬底旋转)或+/-1.5%(衬底不旋转); 1-5号线对应的结果是厚度梯度不同的薄膜效果图。

 

材料性能研究

三元组合相图:如果多个前驱体混合,我们可以在单个晶圆上实现成分梯度薄膜(组合方法),获得复杂相图和快速探索材料性能或研究衬底表面各种物质间分解作用从而描述和量化学反应。下图是三元氧化物AxByCzOn薄膜在直径150mm晶圆衬底上不同位置元素成分比例。采用我们的设备和方法,在一个衬底上一次性沉积可以获得10000种不同元素成分的薄膜样品。

 

上图是一个直径150mm衬底上三种不同元素沿不同方向的元素分布例子。这种技术对相变非常敏感,是由于沉积条件和在一个样品中推断(样品性能)趋势比起采用制备数百个不同样品的方法要强大的多。与其他传统设备相比,精确控制流量的可能性也改善了对工艺的理解。相应地,这不仅提供了改善材料性能的可能性,而且提升整个工艺可重复性。

 

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