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薄膜知识点汇总


第一章 1.真空的定义及其度量单位 概念:利用外力将一定密闭空间内的气体分子移走,使该空间内的气压小于 1 个大气压,则该空间内的气体的物理状态就被称为真空。 真空,实际上指的是一种低压的、稀薄的气体状态。 目前标准大气压定义: 0 摄氏度时,水银密度 13.59509g/cm3 , 重力加速度 980.665cm/s2 时,760 mm 水银柱所产生的压强为 1 标准大气压。

1atm=1.01*105Pa=760Torr=1.0133*106 微巴 低真空 105-102 气态空间近似为大气状态,分子以热运动为主,分子之间碰撞 频繁。低真空,可以获得压力差而不改变空间的性质。 中真空 102-10-1 中真空,气体分子密度与大气状态有很大差别。气体分子的流 动从黏滞流状态向分子状态过渡,气体对流现象消失。气体中带电离子在电场 作用下, 产生气体导电现象。 (离子镀、溅射镀膜等气体放电和低温等离子体 相关镀膜技术) 高真空 10-1-10-5 容器中分子数很少,分子平均自由程大于一般容器的线度,分 子流动为分子流,分子与容器壁碰撞为主,在此真空下蒸发材料,粒子将按直 线飞行。 (拉制单晶、表面镀膜、电子管生产) 超高真空 10-5-10-9 气体分子数更少,几乎不存在分子间碰撞,此时气体分子 在固体表面上是以吸附停留为主。入射固体表面的分子数达到单分子层需要的 时间也较长,可以获得纯净表面。 (薄膜沉积、表面分析…) 极高真空 《10-9 气体分子入射固体表面的频率已经很低,可以保持表面洁净。 适合分子尺寸加工及纳米科学的研究。 理想气体状态方程:

P ? n kT

PV ?

m RT M

1. 最可几速率 讨论速度分布

vm ?

2kT 2RT RT ? ? 1.41 m M M

2. 平均速率 计算分子运动平均距离

va ?

8kT 8RT RT ? ? 1.59 ?m ?M M

3. 均方根速率 计算分子平均动能

vr ?

3kT 3RT RT ? ? 1.73 m M M

2.每个气体分子在与其它气体分子连续 2 次碰撞之间运动经历的路程称为分子 自由程。

??

1

2?? 2 n

σ-分子直径;n-分子密度

入射频率:入射频率ν (入射通量或碰撞次数) :单位时间,在单位面积的器壁 上发生碰撞的气体分子数。

1 ? ? nv a 4
3.真空在薄膜制备中的作用 1)避免被蒸发分子或原子与气体分子发生碰撞; (2)避免被蒸发分子或原子与气体分子发生反应。 4.获得真空的设备:真空泵 机 械 泵:利用机械运动部件转动或滑动形成的输运作用获得真空的泵。 分 类:旋片式(最常见) 、定片式、滑阀式 运转模式:吸气 排气 (不断循环)

优、 缺点: 结构简单、 工作可靠; 有油污染的 题。



油扩散泵 工作原理: 1)将真空油加热到高温蒸发状态(约 200℃) ; 2)让油蒸汽分多级向下定向高速喷出; 3)大量油滴通过撞击将动能传递给气体分子; 4)气体分子向排气口方向运动,并在动压作用下排出泵体; 5)油气雾滴飞向低温介质冷却的泵体外壁,被冷却凝结成液态后返回泵底部的 蒸发器。 优 点:1)造价较低的高真空泵方案;2)没有机械运动部件。 缺 点:油蒸汽回流有可能污染真空系统. 涡轮分子泵 工作原理: 1)泵内交错布置转向不同的多级转子和定子; 2)转子叶片以 20k~60k r/min 的高速旋转; 3)叶片通过碰撞将动能不断传递给气体分子; 4)气体分子被赋予动能后被逐级压缩排出。 低温吸附泵 工作原理:利用 20K 以下的超低温表面来凝聚气体分子以实现抽气。 优 点:可实现目前最高的极限真空度:10-11 Pa。 缺 点:1)属于捕获泵的一种,使用要求高,需要外加冷源. 溅射离子泵 工作原理:依靠高压阴极发射出的高速电子与残余气体分子相互碰撞后引起气体 电离放电,而电离后的气体分子在高速撞击阴极时又会溅射出大量的 Ti 原子。 由于 Ti 原子的活性很高,因而它将以吸附或化学反应的形式捕获大量的气体分 子并在泵体内沉积下来,实现超高真空的获得。 5.真空的测量 热偶真空计工作原理:气体的热导率随气体压力变化,通过热电偶测出热丝的 温度,也就相应的测出了环境的气体压强。热偶规 10-4-10-2Pa 热阻真空计工作原理:通过测量热丝的电阻随温度的变化实现对真空度的测量。 102-10-2Pa 第三章 1. CVD 法制备薄膜过程描述(四个阶段) (1)反应气体向基片表面扩散; (2)反应气体吸附于基片表面; (3)在基片表面发生化学反应; (4)在基片表面产生的气相副产物脱离表面,向空间扩散或被抽气系统抽走; 基片表面留下不挥发的固相反应产物----薄膜。 2.最常见的几种 CVD 反应类型有:热分解反应(吸热反应) 、化学合成反应、还 原反应、氧化反应、歧化反应(对具有多种气态化合物的气体,可在一定条件

下促使一种化合物转变为另一种更稳定的化合物,同时形成薄膜) 。 3.CVD 法的主要特点 主要优势:1)能形成多种金属、非金属和化合物薄膜; 2)组分易于控制,易获得理想化学计量比,薄膜纯度高; 3)成膜速度快、工效高(沉积速率 >>PVD、单炉处理批量大) ; 4)沉积温度高、薄膜致密、结晶完整、表面平滑、内部残余应力低; 5)沉积绕射性好,可在复杂不规则表面(深孔、大台阶)沉积; 主要缺点:1)沉积温度高,热影响显著,有时甚至具有破坏性; 2)存在基片-气氛、设备-气氛间反应,影响基片及设备性能及寿命; 3)设备复杂,工艺控制难度较大。 4.CVD 沉积装置 所有反应体系需满足三个条件: (1)在沉积温度下,反应物必须有足够高的蒸汽压,要保证能以适当速度被引 入反应室; (2)反应产物除了所需要的沉积物为固态薄膜之外,其他反应物必须是挥发性 的; (3)沉积薄膜本身必须有足够低的蒸汽压,以保证沉积的薄膜在整个沉积反应 过程中都能保持在受热的基体上;基体材料在沉积温度下的蒸汽压也必须足够 低。 基本系统构成:

?反应气体和载气的供给 和计量装置 ? ?加热和冷却系统 ?反应气体的排出装置或 真空系统 ?

5.薄膜的化学溶液制备技术 化学镀 概念:在无电流通过(无外界动力)时借助还原剂在金属盐溶液中使目标金属 离子还原,并沉积在基片表面上形成金属/合金薄膜的方法。 主要优点:无需电源,镀层孔隙率较低,可直接在非导体上镀膜,可在盲孔等 复杂表面均匀镀膜。 溶胶-凝胶技术 概念:将 III、V、VI 族金属/半金属元素的有机化合物 和无机盐 (氯化物、硝 酸盐、乙酸盐) 溶于有机溶剂 (乙酸、丙酮等) 中获得溶胶镀液,采用浸渍或离 心甩胶等方法涂覆于基片表面,因溶胶水解而获得胶体膜,之后再进行干燥脱 水处理获得氧化物等固体薄膜的方法。膜厚取决于溶液中金属有机化合物的浓 度、溶胶液的温度和黏度、基片的旋转速度、角度以及环境温度等。 对薄膜材料的要求: 1、有机极性溶质溶解度范围要宽,因此一般不用水溶液; 2、有少量水参与时应容易发生水解; 3、水解形成的薄膜应不溶解,生成的挥发物易于去除; 4、水解形成的氧化物应易于低温充分脱水; 5、薄膜与基片有良好的附着力。

优点: 1、薄膜组分均匀、成分易控制; 2、成膜平整、可制备较大面积的薄膜; 3、成本低、周期短、易于实现工业化生产。 阳极氧化 概念:在适当的电解液中,采用金属或合金基片作为阳极,阴极一般采用石墨 电极,并赋予一定的直流电压,由于电化学反应在阳极表面形成金属氧化物薄 膜的方法。 LB 技术:是指把液体表面的有机单分子膜转移到固体衬底表面上的一种成膜 技术。得到的有机薄膜称为 LB 薄膜。 原理:将有机分子分散在水面上,沿水平方向对水面施加压力,使分子在水面 上紧密排列,形成一层排列有序的不溶性单分子层。再利用端基与固体基片表 面的吸附作用,将单分子层沉积在基片上。 LB 薄膜的特点:LB 薄膜中分子有序定向排列; LB 膜有单分子层组成,它的厚度取决于分子大小和分子的层数; 通过严格控制条件,可以得到均匀、致密和缺陷密度很低的 LB 薄膜; 设备简单,操作方便。 缺点:成膜效率低; LB 薄膜均为有机薄膜,包含了有机材料的弱点; LB 薄膜厚度很薄,在薄膜表征手段方面难度较大。 单分子层的转移(沉积) 根据薄膜分子在基片上的相对取向,LB 薄膜结构可分为 X 型、Y 型、Z 型三种

类型。
时才有膜沉积,LB 薄膜每层分子的亲油基指向基片表面。

只有基片进入水面

基片每次进出水面时都有分子沉积。LB 薄膜每层分子的亲水基与亲水基相连,亲油基与亲 油基相连。

只有基片拉出水面时才有膜沉积,LB 薄膜每层分子的亲水基指向基片表面。

第四章 1.膜厚的测量 石英晶体法:利用了石英晶体片的振荡频率随晶体表面薄膜沉积的厚度变化的 原理。利用石英晶体的压电效应,在将源材料镀到基片的同时,也将其镀到与 振荡电路相连的石英片上,根据石英体的谐振频率的变化,来计算膜的厚度。

第五章 1.晶核的形成与生长

2.成核理论主要有两种理论模型:

毛细理论:薄膜形成:气相→ 吸附相→固相的相变过程。毛细理论视原子团 为微小的凝聚滴。 成核过程定性分析:原子团通过吸附原子而增大,表面能增大,体系自由能增 加?G;到临界核时,自由能增加到最大值?Gmax;然后,原子团再增大,体系 ?G 下降,形成稳定核。 (看书) 原子聚集理论:原子聚集理论将核(原子团)看作一个大分子,用其内部原子 之间的结合能或与基片表面原子之间的结合能代替热力学理论中的自由能。结 合能不是连续变化而是以原子对结合能为最小单位的不连续变化。 4.薄膜的生长模式 (1)岛状模式:这种形成模式在薄膜生长的初期阶段,润湿角不为零,在基片 表面上形成许多三维的岛状晶核、核生长、合并进而形成薄膜,大多数膜生长 属于此类型。 (2)单层生长模式:沉积原子在基片表面上均匀地覆盖,润湿角为零,在衬底 上形成许多二维晶核,晶核长大后形成单原子层,铺满衬底,逐层生长。 (3)层岛复合模式:在基片表面上形成一层或更多层以后,随后的层状生长变 得不利,而岛开始形成,从二维生长到三维生长转变,岛长大、结合,形成一 定厚度的连续薄膜。 5.薄膜的形成过程分四个阶段(岛状生长为例)

成核阶 段

小岛阶 段

6. 影响薄膜生长特性的因素 (1)沉积速率:一般来说,沉积速率影响膜层中晶粒的大小与晶粒分布的均

连续膜阶 段

网络阶 段

匀度以及缺陷等。 低速率:金属原子在基片上迁移时间长,容易到达吸附点位,或被吸附点位置 上的小岛捕获而形成粗大的晶粒,使得薄膜的结构粗糙,膜不致密。后续原子 不能及时达到,致使暴露时间长,易引入杂质,以及产生缺陷。因此,沉积速 率高一些好。 高沉积速率:薄膜晶粒细小,结构致密,但由于同时凝结成的核很多,在能量 上核处于能量比较高的状态,所以膜内部存在比较大的应力。 (2)基片表面状态: 粗糙度低、表面光洁,则膜层结构致密,容易结晶,否则相反,而且附着 力差。 (3)基底温度:影响薄膜生长的粘附系数(多数降低) 、高迁移速率、增加岛 与岛之间扩散和成核临界尺寸、结晶和取向等. P161 (5)气相入射的角度:原子的入射角度对膜结构有很大影响,使薄膜产生各向异 性。 随着结晶颗粒的增大,入射的沉积原子就逐渐沿着原子的入射方向长大,于是 会产生所谓的自身影响效应,从而使薄膜表面不平整,出现各向异性。这种沿 原子入射方向生长的倾向,在入射角越大时,表现得越明显。 第七章 1.附着现象:从宏观角度看,附着就是薄膜和基体表面相互作用将薄膜粘附在基 体上的一种现象。 薄膜的附着可分为四种类型: ( a)简单附着(b)扩散附着(c)通过中间层附 着,d)宏观效应附着等。 简单附着:是在薄膜和基体之间存在一个很清楚的分界面。由两个接触面相互 吸引形成的。当两个不相似或不相容的表面相互接触时就易形成这种附着。 扩散附着:是由于在薄膜和基体之间互相扩散或溶解形成一个渐变的界面。 通过中间层的附着:在薄膜与基片之间形成一个化合物而 附着,该化合物多为 薄膜材料与基片材料之间的化 合物。由于薄膜和基体之间有这样一个中间层, 所以两者之间形成的附着就没有单纯的界面。 通过宏观效应的附着:包括机械锁合和双电层吸引。机械锁合是一种宏观的机 械作用。当基体表面比较粗糙,有各种微孔或微裂缝时,在薄膜形成过程中, 入射到基体表面上的气相原子便进入到粗糙表面的各种缺陷、微孔或裂缝中形 成这种宏观机械锁合。 双电层吸引(静电力)是由薄膜与基体间界面处形成双电 层而产生吸引。因薄膜和基体两种材料的功函数不同,两者间发生电子转移在 界面两边积累起电荷。 2.薄膜的附着力 三种附着力:范德华力、静电力(物理吸附) 、化学键力(化学吸附) 。 3.增加附着力的方法 ①清洗基片;污染物导致薄膜与基片不能直接接触→范德华力大大减弱→扩散

更不可能→吸附性极差②提高基片温度;提高温度,有利于薄膜和基片之间原子 的相互扩散→扩散附着有利于加速化学反应形成中间层→中间层附着;③引入 中间过渡层; 某种材料与一些物质间附着力大,与另一些物质的附着力却可能 很小;④溅射法增加附着力。 4. 薄膜的内应力 看书


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