PPT《奈米半导体的制备》

20 GHZ. 制程技术的挑战 微影技术:要求在12季г采掀毓庀杂暗耐夹未笮?几十奈米,在下层结构对准的准确度?几奈米.精准程度相当於在中国大陆的面积上,每次都能精准找到一颗玻璃弹珠.昂贵的曝光机:NT$ 7?8 亿/部.薄膜厚度:1?2奈米,在12季г采系奈蟛钚§5%.相当於在100个足球场的面积上m上一层1公分厚的泥土,而且要误差控制在0.05公分的围. 奈米材料的制备 奈米材料制备方法的分类 自上而下(top down)切割 大?小将一t分子由表面挖出,或加到表面上例:微影蚀刻技术.自下而上(bottom up)组装 小?大将原子或分子组合成奈米结构例:奈米结构的自组装成长. 光微影术(photolithography) 先将设计的图形制作成光罩(photo mask),应用光学成像原理,将图形投影至晶圆上.晶圆表面事先涂抹光阻(photo resist). 通过光罩及透镜的光线会与光阻剂产生反应,步骤称为曝光.曝光后的晶圆再经显影(development)步骤,以化学方式处理晶圆上曝光与未曝光的光阻剂,即可将光罩上的图形完整地转移到晶片上,然后接续其他的制程.极限?100 nm. 标准光微影制程:曝光源通过光罩、透镜,最后将光罩图形成像於晶圆上 绕射极限 解析度? ( ? / 数值孔径)聚焦深度? ( ? / 数值孔径2)最小线宽 ? 波长 ?解决方法:电子束微影(e-beam lithography)波长?更小极限?50 nm缺点:费时(4 hr/4季)不适宜大规模工业生产. 不同波长的光源,适用於不同的线宽尺寸.光源的能量越高,波长越短,可制作的线宽越小. 自组装(self assembly) 原理:分子会寻求最低的能量状态.如果相邻分子键结后,能量最低,则分子会形成键结.如果某种排列会达最低能量,则分子以此方式排列.在自组装中,如果将特定的原子或分子放到表面或预先建造的奈米结构上,则分子会自己排入特定的位置.奈米晶体成长即是一种自组装过程. 奈米半导体薄膜的制备方法 真空蒸镀法 在高真空中,用加热蒸发的方式使物质转化为气相,然后凝聚在基板表面的方法称为蒸镀.蒸镀法包含:电阻加热蒸镀、电子束加热蒸镀、高频加热蒸镀 溅射镀膜法 所谓溅射镀膜是指利用具有高能量的粒子轰击固体表面(称为靶),使原子或分子从表面射出,而在基板表面上沈积以形成薄膜的方法.溅射镀膜有下列几种:直流溅镀射频溅镀磁控溅镀离子束溅镀 射频溅镀 在溅射靶上有加射频电源(频率13.56 MHz)的溅镀方式称为,射频溅镀.在射频电场作用下,电子在阴、阳极间来回振荡,可有更多机会与气体分子产生碰撞,因而产生更多气体正离子以轰击靶材.特点:可溅射任何固体材料. 离子束溅镀 离子束溅射是采用单独的离子源产生用於轰击靶材的离子.阴极灯丝发射的电子加速飞向阳极,并使气体电离.正离子受栅极加速而轰击靶材.优点:能独立控制轰击离子的数量和密度,有利控制薄膜的品质.缺点:镀膜速率太低,不适合大面积工作. 分子束磊晶法(Molecular beam epitaxy, MBE) 分子束磊晶技术是一种可在原子尺度上精确控制磊晶(epitaxy)厚度、掺杂和界面平整度的超薄层薄膜制造技术.常用来生长异质接面(heterojunction)化合物半导体薄膜.如在GaAs上长AlGaAs, InGaAs, GaAsP, GaSbAs等,可生长高品质的异质接面.也是制造半导体超晶格、量子井的重要技术. MBE生长原理 所谓「磊晶」是指在一定单晶体的基板上,沿著基板的某晶面向外延伸一层单晶薄膜.MBE是在超高真空条件下,精确控制原材料的分子束强度,把分子束射入被加热的基板上而进行磊晶成长.由於其蒸发源、监控系统和分析系统的高性能,和真空环境的改善,能够得到极高品质的单晶薄膜. MBE装置示意图 将制造薄膜所需物质如Al, Ga等放入喷射源的坩埚内,加热使物质N华.喷射源出来的分子束在基板相交.选择合适的喷射源炉温和基板温度可成长所希望的磊晶层.喷射源和基板间的挡板可瞬间开关以控制分子束的种类与强度. GaAs的MBE成长模式 As2分子先以物理吸附方式吸附於基板表面,并在表面上移动.当As2分子遇到一对Ga的格位时,即发生解离.当表面没有自由的Ga吸附原子时, As2不会冷凝.当表面的温度小於330 ?C时,表面上As2成对结合成As4而脱附.故可分别控制As炉与Ga炉的温度,以调整As2的到达率大於Ga,就有可能成长按化学当量比的GaAs. 异质接面磊晶成长模式 异质接面的磊晶成长过程中,根牧咸逑档木Ц袷涠扔氡砻妗⒔缑婺艿牟煌,存在三种成长模式:Frank-van der Merwe (F-vdM)模式晶格匹配材料体系的二维层状(平面)成长Volmer-Weber (VW)模式具有较大的晶格失配与表面能的材料体系的三维岛状成长Stranski-Krastanow (SK)模式介於上述二者之间,先层状成长,进而过渡到岛状成长 Stranski-Krastanow (SK)成长模式 用於描述具有较大晶格失配,而界面能较小的异质结构材料成长行为.成长初始阶段是二维平面成长,通常有几个原子层厚,称之为浸润层(wetting layer).随著浸润层厚度增加,应变不断累积,当达临界厚度时,成长过程由二维平面成长向三维岛状成长过渡. 自组装(self-assembled)量子点结构成长技术 利用SK模式........