薄膜物理与技术重点概括.docx

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薄膜物理与技术重点概括

一、薄膜：

采用一定方法，使处于某种状态的一种或几种物质（原材料）基团以物理或化学方式附着于衬底材料表面，在衬底材料表面形成的一层新物质。

制备分类：

二、气体与蒸汽：

临界温度——对于每种气体都有一个特定温度，高于此温度，气体无论如何被压缩都不会液化。

利用室温和临界温度来区分气体和蒸汽：

临界温度低于室温的气态物质称气体；临界温度高于室温的气态物质称为蒸汽。

饱和蒸汽压：

把各种固液体放入密闭的容器中，在任何温度下都会蒸发，蒸发出来的气压称为蒸汽压。

在一定温度下，单位时间内蒸发出来的分子数与凝结在器壁和回到蒸发物质的

分子数相等时的蒸汽压称为饱和蒸汽压。

蒸发温度：

规定为饱和蒸汽压=1.33Pa时的温度。

压强单位：

1Bar=10^5pa,1Atm=101325Pa,1Torr=133.322Pa1N/m^2=1pa

真空：

指定空间内，低于一个大气压的气体状态。

真空特点：

压强低，分子稀薄，分子的平均自由程长。

真空划分：

平均自由程：

每个分子在连续两次碰撞之间的路程称为“自由程”，其统计平均值称为..

平均自由程越长，气体分子数密度越小，压强越小。

真空获得（真空泵）机械泵、罗茨泵（低真空）；分子泵、扩散泵（高真空）；！

看书。

热偶真空计的工作原理:

灯丝产生的热量Q以如下三种方式向周围散发，即辐射热量Q1，灯丝与热偶丝的传导热量Q2，气体分子碰撞灯丝带走的热量Q3，热平衡时，Q1，Q2不变，Q3与气体分子数有关。

即：

Q=Q1辐射+Q2传导+Q3气体分子带走热量

在0.1～100Pa范围内，气体热导率随气体压力的增加而上升，这时热偶规才能测出真空度。

气压过高时，气体热导率不随压力变化而变化。

•气压过低时，气体热导率引起的变化Q3比Q太小，不灵敏，也不能测量。

电离真空计：

电离真空规由阴极、阳极和离子收集极三个电极组成。

类似于一真空三极管，灯丝发射电子与气体分子碰撞使其电离，气体分子电离的多少与气体分子密度成正比，即与压强成正比，根据离子电流大小测量真空度。

离子电流与阴极发射电流、气体种类和气体分子密度有关。

注意：

不可在高气压下使用，此时离子电流过大，将烧毁真空计。

！

真空系统：

真空室、真空泵、阀门...

真空系统的重要参数：

极限真空抽气速率

真空泵原理；油封机械泵、分子泵、罗茨泵

原理：

利用机械力压缩

油扩散泵油扩散泵

原理：

油蒸汽喷射形成压差

溅射离子泵、钛升华泵

原理：

溅射形成吸气、升华形成吸气

冷凝泵：

原理：

将气体冷凝成液态/冷凝吸附

真空蒸发镀膜法：

原理：

在真空室中，加热蒸发容器中待形成薄膜的原材料，使其原子或分子从表面气化逸出，形成蒸汽流，入射到沉底表面，凝结形成固态薄膜。

10-3~10-5Pa

特点：

成膜速度快0.1－50um/min，设备比较简单备，操作容易；制得薄膜纯度高；薄膜生长机理较简单。

缺点：

薄膜附着力较小，结晶不够完善，工艺重复性不够好。

结构主要有：

真空室；蒸发源；基板；基板加热器及测温计。

低真空条件：

-->现象？

蒸发源：

点蒸发源：

能从各个方向蒸发等量材料的微小球状蒸发源。

小平面蒸发源：

在θ角方向蒸发的材料质量与cosθ成正比（余弦分布定律）

点源与小平面蒸发源相比，厚度的均匀性要好一些，但淀积速率要低得多；小平面蒸发源的最大厚度可为点蒸发源你的4倍。

蒸发速率：

dG/G=（2.3B/T-0.5）dT/T（Pa）dG=（B/T-0.5）dT/T（Torr）

电阻蒸发源：

直接蒸发直接蒸发：

采用钨采用钨、钼、钽等高熔点金属，做成适当形状的蒸发源，在其内装填上待蒸发材料，让电流通过，通过发热使蒸发材料温度升高从而蒸发。

间接蒸发间接蒸发：

待蒸发材料放入待蒸发材料放入Al2O3耐高温的材料中，再将其放置在钨、钼、钽等高熔点金属做成的舟中，进行间接加热，从而蒸发。

特点：

结构简单，价格便宜，制作容易。

关键：

选择蒸发源材料及其形状。

缺点：

不能蒸发某些难熔金属，也不能制备高纯度薄膜。

对蒸发源材料的要求：

（1）熔点高；

（2）饱和蒸汽压低；（3）化学性能稳定；（4）具有良好的耐热性；（5）原料丰富，经济耐用。

常见的问题有：

高温下，某些蒸发源材料与蒸镀材料会发生反应和扩散，从而

形成化合物和合金，尤其会形成低熔点合金。

改进方法：

采用导电的陶瓷坩锅——氧化铝、氧化锆、氧化镁、石墨等，一方面隔开蒸发源和待镀材料，避免它们形成合金；另一方面，将热量传给待镀材料。

电子束蒸发源：

工作原理：

阴极灯丝发射电子后，受阳极的吸引而被加速，获得动能后轰击处于阳极的蒸发材料上，使蒸发材料加热气化，实现镀膜。

优缺点：

P39

直枪电子束蒸发源e型枪电子束蒸发源

电子束蒸发源优缺点：

三种膜厚：

四、溅射镀膜：

溅射：

是荷能粒子轰击物质表面，并在碰撞过程中发生动能与动量的转移，从而将物质表面原子或分子激发出来的过程。

溅射时入射粒子的来源：

气体放电

荷能粒子：

1.为几十个电子伏特以上的粒子；2.可以是电子、离子或中性粒子。

优点：

1.任何物质均可以溅射，尤其是高熔点、低蒸气压元素和化合物。

只要是固体，不论是块状、粒状的物质都可以作为靶材；2.溅射膜与基板之间的附着性好。

溅射原子的能量~10ev，蒸发～0.1ev。

表面迁移强，溅射清洗作用，伪扩散层；3.溅射镀膜膜密度高，针孔少，且膜层的纯度较高，因为在溅射镀膜过程中，不存在真空镀膜时无法避免的坩埚污染现象；4.膜厚可控性和重复性好。

缺点：

1.溅射设备复杂、需要高压装置；2.溅射淀积的成膜速度低，真空蒸镀：

0.1～5μm/min，溅射：

0.01～0.5μm/min；3.基板温升较高和易受杂质气体影响等。

直流辉光放电：

是指在低气压（1～10Pa）的稀薄气体中，在两个电极间加上电压时产生的一种气体放电现象。

AB段：

电压增加，而电流密度增加很小，主要是游离状态的电子、离子导电；电子－原子碰撞为弹性碰撞。

“无光放电”。

BC段：

增加电压，粒子能量增加，达到电离所需能量；碰撞产生更多的带电粒子；受电源高输出阻抗的限制，电压为常数。

微弱发光——自持暗放电，繁流放电区

C段：

增加电压，粒子能量增加，达到电离所需能量；碰撞产生更多的带电粒子；受电源高输出阻抗的限制，电压为常数。

微弱发光——自持暗放电，繁流放电区

直流二极溅射：

靶为阴极，基片为阳极，由辉光放电产生等离子体。

电压约1~5kV，出射原子的速率约3~6x105cm/s，能量约10~40eV，到达基板的原子能量约1~2eV。

工作气压：

1~10Pa

优点：

结构简单，可获得大面积膜厚均匀的薄膜。

缺点：

1.溅射参数不易独立控制，工艺重复性差；2.真空度低，1-10Pa，方能维持放电。

3.残留气体对膜层的污染较严重；4.淀积速率低，小于10nm/min；5.基板的温升高（可达数XX左右），辐照损伤大；6.靶材必须是良导体。

三极或四极溅射：

二极溅射：

放电靠离子轰击阴极发射二次电子来维持，因此需较高的工作气压。

三极溅射：

由热阴极发射电子来维持放电，同时使靶电位低于等离子体电位，阳极和基板支架分离，阴极和靶分离。

四极溅射：

在三极溅射的基础上增加辅助阳极，作用是使放电更加稳定。

优点：

1.轰击靶的离子电流和离子能量可独立控制，工艺重复性提高；2.在较低的气压下能维持放电0.1-0.01Pa；3.靶电压低，对基板的辐照损伤小；4.适宜于作半导体器件和集成电路。

缺点：

1.灯丝损耗，灯丝不纯物对薄膜的污染；2.装置比二极溅射复杂，面积大、密度均匀的等离子体获得较困难；3.高速溅射时基板温升较高。

射频溅射:

核心思想：

解决绝缘材料溅射问题;（电离效率）

优点：

A、淀积导体、半导体、绝缘体在内内的所有材材料；B、不需要二次电子来维持放电，击穿电压及维持放电电压均很低；C、工作气压低（~1/10直流）；D、电子作振荡运动，增加了碰撞几率，便于吸收能量，

缺点：

靶上发射的二次电子对基片的辐照损伤没有消除。

磁控溅射：

低温高速率溅射

特点：

1.高的沉积速率，比二极溅射高100倍；离化率从0.3-0.5%增加到5-6%；2.基片温升低，可对塑料基片、光刻胶等进行溅射；3.基片的辐照损伤低；4.工作气压可下降2个数量级，10Pa→0.5Pa；5.靶的平均电流密度高

缺点：

1）靶的不均匀刻蚀；2）强磁性材料制备困难。

思考题：

1.直流二极溅射有何缺点，针对这些缺点，以后的溅射方法是如何改进的？

2.磁控溅射和射频溅射的原理和特点？

3、离子镀膜：

蒸发＋溅射相结合：

使蒸发粒子在等离子体（利用辉光放电产生）中运动，通过动量及电荷交换成为高能粒子交换成为高能粒子，在基板表面形成薄膜。

特点（与蒸发和溅射相比）:

1.膜层附着性能好：

A、阴极溅射的清洗作用，B、伪扩散层

2.膜层的密度高膜层的密度高（通常与大块材料密度相同），高能离子的作用；3.绕射性能好，离化后的正离子沿电力线方向运动；4.可镀材质范围广泛：

金属、非金属、合成材料、敏感材料；5.有利于化合物膜层的形成：

电能→反应的活化能；6.淀积速率高，成膜速度快，可镀较厚的膜。

缺点：

A、某些器件不允许存在宽过渡组分区。

（如异质结）B、基片温度比较高

高能离子轰击的作用：

在离子镀过程中，基板及所形成膜层始终受到高能粒子（几~上百eV）的不断轰击。

影响1：

改变表面形貌，使基板表面粗糙度增加，污染物、气体脱附。

（起溅射、清洗作用）

影响2：

使基板和薄膜温度升高和形成缺陷。

导致：

点缺陷密度增加，膜层结构甚至形成非晶态结构

影响3：

在膜/基之间会形成明显的过渡层；影响4：

气体渗入膜层中；影响5：

表面成分发生变化；影响6：

对薄膜生长的影响。

PVD三种方法比较：

高能离子轰击的作用：

在离子镀过程中，基板及所形成膜层始终受到高能粒子（几~上百eV）的不断轰击。

影响1：

改变表面形貌，使基板表面粗糙度增加，污染物、气体脱附。

（起溅射、清洗作用）

影响2：

使基板和薄膜温度升高和形成缺陷。

导致：

点缺陷密度增加，膜层结构甚至形成非晶态结构

影响3：

在膜/基之间会形成明显的过渡层；影响4：

气体渗入膜层中；影响5：

表面成分发生变化；影响6：

对薄膜生长的影响。

6、化学气相沉淀：

基本原理：

利用热、等离子体、紫外线、激光、微波等各种能源，使气态的先驱反应物，经原子、分子间的化学反应形成固态薄膜的方法。

它的反应物是气体，生成物之一是固体。

特征：

必须有化学反应发生。

（PVD中也可能有化学反应发生，主要过程是蒸镀、溅射这样的物理搬运过程）

特点：

1.成膜的种类范围广（金属、非金属、合金、半导体、氧化物、单晶、多晶、有机材料、软质、超硬）；2.化学反应可控性好，膜质量高；3.成膜的速度快（与PVD相比），适合大批量生产，膜的均匀性好，可在复杂形状工件上成膜（低真空，分子的绕射性好）；

4.膜层的致密性好，内应力小，结晶性好（平衡状态成膜）；5.成膜过程的辐射损伤比较低，有利于制备多层薄膜，改变工作气体，可方便制备高梯度差薄膜，过渡区小（光电，半导体器件）；

CVD与PVD相比较，具有以下优点：

1.沉积装置相对简单；2.可在低于熔点或分解温度下制备各种高熔点的金属薄膜和碳化物、氮化物、硅化物薄膜及氧化物薄膜，可实现高温材料的低温生长；3.适合在形状复杂表面及孔内镀膜；4.成膜所需源物质，相对来说较易获得

缺点：

1.一般CVD的温度较高，对基板材料有限制，界面扩散而影响薄膜质量；2.大多数反应气体和挥发性气体有剧毒、易燃、腐蚀；3.在局部表面沉积困难。

等离子体化学气相沉积（PECVD）

在低压CVD中利用辉光放电等离子体的辅助生长薄膜。

压强：

5~500Pa。

核心：

等离子体辅助，降低沉积温度。

等离子体的作用：

电子、离子密度达109~1012个/cm3；平均电子能量达1~10eV。

（1）产生化学活性的基团和离子，降低反应温度；

（2）加速反应物在表面的扩散作用，提高成膜速度；（3）溅射清洗作用，增强薄膜附着力；（4）增强碰撞散射作用，使形成的薄膜厚度均匀，针孔少，组织致密，内应力下降，不易产生裂纹等。

简述薄膜的形成过程。

薄膜：

在被称为衬底或基片的固体支持物表面上，通过物理过程、化学过程或电化学过程使单个原子、分子或离子逐个凝聚而成的固体物质。

主要包括三个过程：

（1）产生适当的原子、分子或离子的粒子；

（2）通过煤质输运到衬底上；（3）粒子直接或通过化学或电化学反应而凝聚在衬底上面形成固体沉淀物，此过程又可以分为四个阶段：

（1）核化和小岛阶段；

（2）合并阶段；（3）沟道阶段；（4）连续薄膜

薄膜生长的四个阶段（薄膜的形成过程）

1.小岛阶段；2.小岛岛结合合阶段；3.沟道阶段；4.连续薄膜

物理吸附和化学吸附区别

表面扩散:

入射到基体表面上的气相原子在表面上形成吸附原子后，它便失去了在表面法线方向的动能，只具有表面水平方向相平行的的动能。

依靠这种动能，吸附原子在表面上作不同方向的表面扩散运动。

3．通常对蒸发源材料的要求？

（1）熔点要高

（2）饱和蒸气压低

（3）化学性质稳定，在高温下不与蒸发材料发生化学反应

（4）具有良好的耐热性，热源变化时，功率密度变化很小

（5）原料丰富，经济耐用

6、真空蒸发系统应包括那些组成部分？

（1）真空室，为蒸发过程提供必要的真空环境

（2）蒸发源或蒸发加热器，放置蒸发材料并对其加热

（3）基板，用于接受蒸发物质并在其表面形成固态薄膜

（4）基板加热器及测温器等

图1为常用机械泵的结构图，试指出图中各部分的作用和功能。

图1机械泵的结构图

1、进气口：

进气2、过滤器：

分离悬浮在气体中固体颗粒，有害物质

3、大转轮：

提供抽取和压缩空气的动力4、弹簧：

伸缩叶片

5、风机叶片：

分割气体6、气镇阀（排除凝结物，加速抽出蒸汽而不至于污染油质）

7、过滤器8、排气阀：

在B处得空气压缩到一定程度后排出压缩空气，在此之前密封压缩室

9、排气管：

排气10、密封面：

分割A处和C处，保持密封性

试画出由机械泵、涡轮分子泵、离子泵和真空阀等部件组成的超高真空系统的原理结构图，并简述其工作原理。

光电阴极超高真空激活系统抽气系统由机械泵、涡轮分子泵、溅射离子泵和钛升华泵组成，其中主泵是溅射离子泵和钛升华泵，预抽泵是机械泵和涡轮分子泵。

预抽泵的作用是将被抽容器的真空度从大气压降到主泵工作所需的启动压强，当主泵开始工作时，预抽泵可以关闭。

根据抽气系统的结构和抽气速率，采用了激活室和XPS主真空室共用前级泵的方案。

在分子泵的抽气管道上设置三通阀，一边连接表面分析室，另一边与激活系统相连。

这样就减少了预抽所用的机械泵和涡轮分子泵。

图2为溅射镀膜的原理示意图，试结合图叙述溅射镀膜的基本过程，并介绍常用的溅射镀膜的方法和特点。

图2溅射镀膜的原理示意图

过程：

该装置是由一对阴极和阳极组成的冷阴极辉光放电结构。

被溅射靶（阴极）和成膜的基片及其固定架（阳极）构成溅射装置的两个极，阳极上接上1-3KV的直流负高压，阳极通常接地。

工作时通常用机械泵和扩散泵组将真空室抽到6.65*10-3Pa，通入氩气，使真空室压力维持在（1.33-4）*10-1Pa,而后逐渐关闭主阀，使真空室内达到溅射电压，即10-1-10Pa，接通电源，阳极耙上的负高压在两极间产生辉光放电并建立起一个等离子区，其中带正电的氩离子在阴极附近的阳极电位降的作用下，加速轰击阴极靶，使靶物质由表面被溅射出，并以分子或原子状态沉积在基体表面，形成靶材料的薄膜。

将欲沉积的材料制成板材——靶,固定在阴极上。

基片置于正对靶面的阳极上,距靶几厘米。

系统抽至高真空后充入10～1帕的气体（通常为氩气），在阴极和阳极间加几千伏电压，两极间即产生辉光放电。

放电产生的正离子在电场作用下飞向阴极，与靶表面原子碰撞，受碰撞从靶面逸出的靶原子称为溅射原子,其能量在1至几十电子伏范围。

溅射原子在基片表面沉积成膜

直流阴极溅射镀膜法：

特点是设备简单，在大面积的基片或材料上可以制取均匀的薄膜，放电电流随气压和电压的变化而变化，可溅射高熔点金属。

但是，它的溅射电压高、沉积速率低、基片温升较高，加之真空度不良，致使膜中混入的杂质气体也多，从而影响膜的质量。

高频溅射镀膜法：

利用高频电磁辐射来维持低气压的辉光放电。

阴极安置在紧贴介质靶材的后面，把高频电压加在靶子上，这样，在一个周期内正离子和电子可以交替地轰击靶子，从而实现溅射介质材料的目的。

这种方法可以采用任何材料的靶，在任何基板上沉积任何薄膜。

若采用磁控源，还可以实现高速溅射沉积。

磁控溅射镀膜法：

磁控溅射的特点是电场和磁场的方向互相垂直，它有效的克服了阴极溅射速率低和电子使基片温度升高的致命弱点，具有高速、低温、低损伤等优点，易于连续制作大面积膜层，便于实现自动化和大批量生产，高速指沉积速率快；低温和低损伤是指基片的温升低，对膜层的损伤小。

此外还具有一般溅射的优点，如沉积的膜层均匀致密，针孔少，纯度高，附着力强，应用的靶材广，可进行反应溅射，可制取成分稳定的合金膜等。

工作压力范围广，操作电压低也是其显著特点。

反应溅射镀膜法：

在阴极溅射的惰性气体中，人为的掺入反应气体，可以制取反应物膜。

非对称交流溅射和偏压溅射镀膜法：

特点是可以减少溅射镀膜过程中阴极溅射膜中的混入气体。

1．图3为一个PECVD的反应室结构图，试叙述其工作原理和特点

图3PECVD的反应室结构图

原理：

图中是一种平行板结构装置。

衬底放在具有温控装置的下面平板上，压强通常保持在133Pa左右，射频电压加在上下平行板之间，于是在上下平板间就会出现电容耦合式的气体放电，并产生等离子体。

利用等离子体的活性来促进反应，使化学反应能在较低温度下进行，这种方法称为等离子体强化气相沉积（PECVD），是一种高频辉光放电物理过程和化学反应相结合的技术。

在高温真空压力下，加在电极板上的射频RF电场，使反应室气体产生辉光放电，在辉光放电区域产生大量的电子。

这些电子在电场的作用下获得充足的能量，其本身温度很高，它与气体分子相碰撞，负气体分子活化，它们吸附在衬底上，并发生化学反应天生介质膜，副产物从衬底上解析，随主流由真空抽走。

特点：

1、PECVD需要增加一个能产生等离子体的高频源。

2、采用PECVD可以显著降低沉积时的基体温度，并具有沉积速率快、成膜质量好、针孔少、不易龟裂等优点。

3、但等离子体的轰击会使沉积表面产生缺陷，同时等离子体中产生的多种反应物质使反应复杂化，因此会使薄膜的质量下降；4、另外设备投资大、成本高，对气体的纯度要求高；5、涂层过程中产生的剧烈噪音、强光辐射、有害气体、金属蒸汽粉尘等对人体有害；6、对小孔孔径内表面难以涂层等。