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化學(xué)束外延——大面積、均勻薄膜、成分梯度及化學(xué)梯度薄膜、多元及摻雜

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多元素大面積薄膜沉積化學(xué)束外延技術(shù)中最重要的是識(shí)別合適的化學(xué)前驅(qū)體，因?yàn)榛瘜W(xué)束外延工藝條件與其他采用化學(xué)前驅(qū)體的典型技術(shù)（例如CVD,ALD）不同

詳細(xì)介紹

多元素大面積薄膜沉積

化學(xué)束外延技術(shù)中最重要的是識(shí)別合適的化學(xué)前驅(qū)體，因?yàn)榛瘜W(xué)束外延工藝條件與其他采用化學(xué)前驅(qū)體的典型技術(shù)（例如CVD, ALD）不同。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些合適當(dāng)前化學(xué)束外延工藝水平的前驅(qū)體，并且大多數(shù)前驅(qū)體已經(jīng)用于工藝條件優(yōu)化研究。上圖顯示了適用化學(xué)束外延前驅(qū)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(qū)體。識(shí)別合適的前驅(qū)體主要困難與他們的高分解溫度和強(qiáng)揮發(fā)性有關(guān)。與高壓工藝不同，前驅(qū)體分子僅撞擊襯底一次，而通過(guò)束輔助工藝提供額外的能量來(lái)分解前驅(qū)體分子同時(shí)保持襯底冷卻（不過(guò)熱），可以用來(lái)克服上述缺點(diǎn)。

高（均勻）撞擊率

化學(xué)束外延主要優(yōu)點(diǎn)在于控制和預(yù)測(cè)能力。采用蒙特卡洛仿真和數(shù)學(xué)模型，可以計(jì)算化學(xué)前驅(qū)體在襯底表面分布和撞擊率來(lái)實(shí)現(xiàn)均勻沉積和復(fù)雜梯度樣品。正如圖中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（藍(lán)點(diǎn)）；下圖顯示2個(gè)直徑150mm 硅晶圓呈現(xiàn)的均勻顏色相當(dāng)于均勻光學(xué)厚度。多個(gè)即將改善effusing source和反應(yīng)器設(shè)計(jì)，可以精確控制整過(guò)生長(zhǎng)條件，實(shí)現(xiàn)均勻（1-2%）多元沉積，甚至在無(wú)旋轉(zhuǎn)大襯底上（6’’, 8’’和更大）。我們也減小了腔體尺寸（約10L腔體對(duì)應(yīng)6’’襯底），但同時(shí)保持良好均勻性。這可以減少抽氣單元尺寸、降低氣相反應(yīng)（即使非UHV）。當(dāng)背壓污染不是問(wèn)題（e.g氧對(duì)于氧化物），就可以節(jié)省大量時(shí)間金錢(qián)。

高度可控厚度梯度

與均勻薄膜相反，我們可以實(shí)現(xiàn)多元高度可控、用戶定義的厚度梯度薄膜（根據(jù)我們的數(shù)學(xué)模型），從而快速研究和優(yōu)化薄膜材料性能與生長(zhǎng)速率和薄膜厚度之間的關(guān)系。左下圖為來(lái)自數(shù)學(xué)模型的厚度梯度與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，匹配度很高。右下圖顯示了簡(jiǎn)單和多層膜（布拉格反射鏡）的理論與實(shí)驗(yàn)厚度分布。

前驅(qū)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(hào)線所對(duì)應(yīng)的結(jié)果是厚度高度均勻薄膜，厚度均勻性優(yōu)于+/-0.5%（襯底旋轉(zhuǎn)）或+/-1.5%（襯底不旋轉(zhuǎn)）； 1-5號(hào)線對(duì)應(yīng)的結(jié)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(gè)前驅(qū)體混合，我們可以在單個(gè)晶圓上實(shí)現(xiàn)成分梯度薄膜（組合方法），獲得復(fù)雜相圖和快速探索材料性能或研究襯底表面各種物質(zhì)間分解作用從而描述和量化學(xué)反應(yīng)。下圖是三元氧化物A_xB_yC_zO_n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(shè)備和方法，在一個(gè)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(gè)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(shù)對(duì)相變非常敏感，是由于沉積條件和在一個(gè)樣品中推斷（樣品性能）趨勢(shì)比起采用制備數(shù)百個(gè)不同樣品的方法要強(qiáng)大的多。與其他傳統(tǒng)設(shè)備相比，精確控制流量的可能性也改善了對(duì)工藝的理解。相應(yīng)地，這不僅提供了改善材料性能的可能性，而且提升整個(gè)工藝可重復(fù)性。

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