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    化學束外延——大面積、均勻薄膜、成分梯度及化學梯度薄膜、多元及摻雜
    發布日期:2021-03-11

    多元素大面積薄膜沉積                     

    化學束外延技術中最重要的是識別合適的化學前驅體,因為化學束外延最佳工藝條件與其他采用化學前驅體的典型技術(例如CVD, ALD)不同。目前已經發現了一些合適當前化學束外延工藝水平的前驅體,并且大多數前驅體已經用于工藝條件優化研究。上圖顯示了適用化學束外延前驅體的各種元素,但該圖羅列可用元素并不詳盡,還有更多合適的前驅體。識別合適的前驅體主要困難與他們的高分解溫度和強揮發性有關。與高壓工藝不同,前驅體分子僅撞擊襯底一次,而通過束輔助工藝提供額外的能量來分解前驅體分子同時保持襯底冷卻(不過熱),可以用來克服上述缺點。

     

     

    高(均勻)撞擊率

    化學束外延主要優點在于控制和預測能力。采用蒙特卡洛仿真和數學模型,可以計算化學前驅體在襯底表面分布和撞擊率來實現均勻沉積和復雜梯度樣品。正如圖中實驗數據和模型比較所示:左上圖顯示均勻厚度薄膜模型;右上圖顯示理論曲線(虛線)vs 實驗數據(藍點);下圖顯示2個直徑150mm 硅晶圓呈現的均勻顏色相當于均勻光學厚度。多個專利即將改善effusing source和反應器設計,可以精確控制整過生長條件,實現均勻(1-2%)多元沉積,甚至在無旋轉大襯底上(6’’, 8’’和更大)。我們也減小了腔體尺寸(約10L腔體對應6’’襯底),但同時保持良好均勻性。這可以減少抽氣單元尺寸、降低氣相反應(即使非UHV)。當背壓污染不是問題(e.g氧對于氧化物),就可以節省大量時間金錢。

     

    高度可控厚度梯度

    與均勻薄膜相反,我們可以實現多元高度可控、用戶定義的厚度梯度薄膜(根據我們的數學模型),從而快速研究和優化薄膜材料性能與生長速率和薄膜厚度之間的關系。左下圖為來自數學模型的厚度梯度與實驗數據對比,匹配度很高。右下圖顯示了簡單和多層膜(布拉格反射鏡)的理論與實驗厚度分布。

     

    前驅體流量(薄膜厚度)控制

     

     

    厚度梯度薄膜中,厚度梯度從百分之幾到600%

     

    圖中6號線所對應的結果是厚度高度均勻薄膜,厚度均勻性優于+/-0.5%(襯底旋轉)或+/-1.5%(襯底不旋轉); 1-5號線對應的結果是厚度梯度不同的薄膜效果圖。

     

    材料性能研究

    三元組合相圖:如果多個前驅體混合,我們可以在單個晶圓上實現成分梯度薄膜(組合方法),獲得復雜相圖和快速探索材料性能或研究襯底表面各種物質間分解作用從而描述和量化學反應。下圖是三元氧化物AxByCzOn薄膜在直徑150mm晶圓襯底上不同位置元素成分比例。采用我們的設備和方法,在一個襯底上一次性沉積可以獲得10000種不同元素成分的薄膜樣品。

     

    上圖是一個直徑150mm襯底上三種不同元素沿不同方向的元素分布例子。這種技術對相變非常敏感,是由于沉積條件和在一個樣品中推斷(樣品性能)趨勢比起采用制備數百個不同樣品的方法要強大的多。與其他傳統設備相比,精確控制流量的可能性也改善了對工藝的理解。相應地,這不僅提供了改善材料性能的可能性,而且提升整個工藝可重復性。

     

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