四川大学材料学院薄膜物理与器件复习提纲.doc

饱和蒸汽压：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。油扩散泵是借助于喷嘴中高速喷出的油蒸汽喷流的动量而输运气体的泵。原理：底部的扩散泵油被加热后产生大量的油蒸汽，通过管道传输到上部，经伞形喷嘴向下喷射出较长的距离，喷射速率达到200m/s。上下的气压差使真空室内气体向下扩散，与油分子碰撞发生能量交换，驱使被抽气体分子沿蒸汽流方向高速运动，带到出气口，由机械泵抽走。油蒸汽喷到水冷的泵壁被冷凝成液体，流回泵底又被再次加热成蒸汽，循环工作，从而获得高真空。由于油蒸汽将气体分子集中推向出气口，使泵内出口压强大于进口压强，这样气体分子有从出口向进口进行反扩散的趋势；但因蒸汽流本身形成了阻挡层，减少了气体的扩散效果。当进出口之间的反压和油蒸汽流的作用平衡时，泵就失去了进一步抽气的作用，即达到极限真空。为了减小反扩散，通常采用三级甚至五级喷口的多级泵，从而提高极限真空度和抽气速率。泵油的基本要求：1、扩散泵的极限真空取决于泵油的蒸汽压。在室温下，一般要求扩散泵油的饱和蒸汽压小于10-4Pa；2、为了提高泵的反压强，在蒸发温度下，泵油的蒸汽压要尽可能的大。3、泵油应具有较好的化学稳定性（无腐蚀、无毒）、热稳定性（高温下不分解）和抗氧化性（高温下突然接触大气时，不会过分氧化而改变泵油工作性能）。油蒸汽向真空室扩散会严重污染膜层，解决办法：在顶端喷嘴上面装一个低于室温的水冷挡板，可以把返油量降低到原来的1/101/1000。在水冷挡板与被抽气体之间加入冷阱（液氮或氟利昂制冷），可以进一步减少油的返流。除此之外，冷阱还可以使真空室中的水汽在冷阱表面结冰，有效去除水汽。一般，这二者同时使用，效果最好。分子泵 涡轮分子泵原理：类似于精密的电风扇，靠高速旋转的叶片对气体分子施加作用力，并使气体分子向特定方向运动而实现高真空。适用于110-8Pa的真空区间。复合螺旋泵：在涡轮分子泵的气体上，为进一步提高排气量而开发了复合涡轮泵。在分子泵的高压侧，设置高速旋转的螺纹，增加出口与入口的反差。这样，在较高的入口压力下也能够工作。适用于大排气量的应用。特点：启动迅速，噪声小，抽速快，无油污染，价格较高。真空的测量：测量在低气压下与压强有关的某些物理量，变换后得到容器的压强。当压强改变时，这些相关的物理量也随着变化。原理 热偶真空规:气体的热导率随气体压力的变化而变化。热偶规测量热丝的温度变化。0.1100Pa热阻真空规:又称皮拉尼真空规，测量热丝的电阻随温度的变化来实现对真空的测量。电离真空计（重点）：电离真空规由阴极、阳极和离子收集极三个电极组成。阴极发出的电子向阳极飞行过程中，与气体分子碰撞使其电离。离子收集级接受电离的离子，并根据离子电流大小测量真空度。测量范围是10-110-6Pa。薄膜真空计：依靠薄膜在气体压力差下产生机械位移，可用于气体绝对压力测量，测量结果与气体种类无关。适用于发生化学反应的真空测量。 膜厚薄膜：在基板的垂直方向上所堆积的110000的原子层或分子层。厚度：两个完全平整的平行平面之间的距离。薄膜厚度：基片表面与薄膜表面之间的距离。实际上薄膜厚度并非一个确定值。因为两个表面总有不平整，薄膜表面也可能不连续。因为实际表面的不平整性，任何膜厚的概念都是平均的统计概念，且都包含了杂质、缺陷和吸附分子对厚度的影响。形状膜厚dtSS与ST之间的距离，直观膜厚，单位m.只与表面原子分子有关，包含有薄膜内部结构的影响。质量膜厚dmSS与SM之间的距离，单位g/cm2 .反应了薄膜包含物质的多少，消除了薄膜内部结构的影响（缺陷、变形等）。物性膜厚dPSS与SP之间的距离，实际使用较普遍，与薄膜结构无关，只与薄膜性质有关。dtdmdp溅射的基础辉光放电溅射离子来源于气体放电。根据辉光放电方式的不同，分为：直流二极溅射【直流辉光放电】、三极溅射【热阴极支持的辉光放电】、射频溅射【射频辉光放电】、磁控溅射【环状磁场控制下的辉光放电】直流辉光放电在真空度为0.510Pa的稀薄气体中，两个电极之间加上电压产生的一种气体放电现象。气体放电时，两个电极之间的电压和电流的关系不符合欧姆定律，具体如下图：AB段当两电极加上直流电压时，由于宇宙线产生的游离离子和电子很少，所以电流很小，AB区域称为“无光”放电。BC段电压升高后，带电离子和电子获得了足够的能量，与中性气体分子发生碰撞产生电离，电流平稳增加，但电压在电源高输出阻抗的限制下呈一常数。“汤森放电区”。CD段“雪崩点火”，离子轰击阴极时，释放出二次电子，二次电子与中性气体分子碰撞，产生更多的离子，这些离子再轰击阴极，产生出新的更多的二次电子。等产生出了足够的离子和电子后，放电达到自持，气体开始起辉。两级间电流剧增，而电压迅速下降，呈现负阻特性。“过渡区”。DE段在D点以后，电流平稳增加，而电压维持不变。这时两极之间出现辉光。“正常辉光放电区”。在此阶段，放电自动调整阴极轰击面积。最初，轰击不均匀，主要集中在阴极边缘附近或表面不规则处。但随着电源功率的增加，轰击区逐渐增大，直到阴极面上的电流密度均匀为止。EF段“异常辉光放电区”。整个阴极表面都在离子轰击的范围内后，继续增加功率，会使放电区内的电流密度随着电压的增加而增加。F点以后“弧光放电区”。此时的两极电压突然降低到很小的数值，电流越大，电压越小，电流主要由外电阻决定。直流辉光放电区划分（1）阿斯顿暗区：从阴极表面发出的电子，刚从阴极跑出，能量较低，不足以使气体原子激发或者电离。（2）阴极辉光区：电子加速到能量足够引起气体原子激发，然后激发态的气体原子衰变和进入此区域的离子复合产生辉光。（3）阴极暗区（克鲁克斯暗区）：电子能量进一步加大到引起气体原子电离，产生大量离子和电子，但不发生可见光。阴极的压降主要在此区域。以上三区总称阴极区。（4）负辉光区：在阴极暗区产生的电子多数能量不大，进入负辉区后，可以和离子复合或产生激发碰撞。因此有大量的激发发光和复合发光。此区域的光最强。（5）法拉第暗区：大部分电子在上一区损失了能量，而此区的电场强度较弱，不足以引起激发，从而产生暗区。（6）正离子柱：少数电子逐渐加速，并在空间与气体分子碰撞产生电离。因为电子数量少，产生的正离子不多，形成正离子与电子密度相等的区域，类似于一个良导体，成为等离子体。辉光放电的产生条件：（1）放电开始前，放电间隙中电场是均匀的或不均匀性不大；（2）放电主要靠阴极发射电子的过程来维持；（3）放电气压一般需要保持在4100Pa范围内。太高，可能出现弧光放电，太低可能不能产生放电现象。（4）辉光放电电流密度一般为0.1100mA/cm2而电压为3005000V，属于高电压、小电流密度放电。溅射机理热蒸发理论：电离气体的荷能正离子，在电场的加速下轰击靶表面，将动量传递给碰撞处的原子，结果导致靶表面碰撞处很小区域内，发生强烈的局部高温，从而使此区域的靶材料熔化，发生热蒸发。可以解释：溅射率与靶材料的蒸发热和轰击离子的关系；溅射原子的余弦分布规律。不能解释：溅射率与离子入射角的关系；单晶材料溅射的非余弦分布规律；溅射率与入射离子质量的关系。动量转移理论：溅射是一个动量转移过程，又称物理溅射。低能离子碰撞靶时，不能从固体表面直接溅射出原子，而把动量传给被碰撞的原子，引起晶格点阵上原子的链锁式碰撞。这种碰撞将沿着晶格点阵的各个方向进行。同时，碰撞在原子最紧密排列的点阵方向上最为有效，所以晶体表面的原子从邻近原子那里获得了越来越大的能量，当此能量超过结合能，就从表面逸出。确信动量转移机制正确的理由：（1）溅射原子的角分布不象蒸发原子那样符合余弦规律，从单晶靶溅射出的原子趋向于集中在晶体原子密排方向。（2）溅射产额不仅取决于轰击离子的能量，也取决于其质量与靶质量之比。（3）溅射产额不仅取决于轰击离子的入射角，且入射角不同时，溅射原子的角分布也不同。（4）离子能量很高时，溅射产额会减少，这是由于入射离子产生的碰撞离表面较远的缘故。（5）溅射原子的能量比热蒸发原子可能具有的能量高许多倍。外延技术制备单晶薄膜的新技术:在适当的衬底与适合的条件下，沿衬底材料的晶轴方向逐层生长新单晶薄膜的方法。新长的单晶层叫做外延层。典型的外延方法有：液相外延、气相外延、分子束外延。分子束外延：一种特殊的真空镀膜工艺。在10-8Pa的超高真空条件下，将薄膜各组成元素的分子束流，在严格监控下，直接喷射到衬底表面。其中未被衬底捕获的分子被真空系统抽走，保证到达衬底表面的总是新的分子束。所以，到达衬底的各元素分子不受环境气氛影响，只由蒸发系统的形状、蒸发源温度决定。从而可精确控制晶体生长速率、杂质浓度、化合物成分等。分子束外延可看成是一个一个原子直接在衬底上生长，逐渐形成薄膜。热壁外延法：利用加热的石英管（热壁）把蒸发分子或原子从蒸发源导向基板，进而生成薄膜。离子镀的特点1. 膜层的附着性好。Mattox称为“伪扩散层”。2、膜层的密度高。3. 绕射性能好。4、镀材范围广。能在金属、非金属表面镀金属或非金属材料。5、有利于化合物薄膜的形成。6、沉积速率高，成膜速度快，可镀较厚的膜。溶液-凝胶法：采用适当的金属有机化合物等溶液水解的方法，可获得所需的氧化物薄膜。这种方法实质是将某些III、VI、V族元素合成烃氧基化合物，及利用一些无机盐类如氯化物、硝酸盐、乙酸盐等作为镀膜物质。将这些成膜物质溶于某些有机溶剂，如乙酸或丙酮中成为溶胶镀液，采用浸渍和离心甩胶等方法涂敷于基体表面，因为发生水解作用而形成胶体膜，然后脱水凝结为固体薄膜。膜厚依赖于金属有机化合物的浓度、溶胶液的温度和粘度、基板拉出或旋转角度、环境温度等因素。特点：多组分混合均匀、成分容易控制、成膜均匀、能制备较大面积的薄膜，成本低、周期短，易于工业化生产。LB制备技术概念：利用分子表面活性在水气界面上形成凝结膜，并将该膜逐次转移到固体基板上，形成单层或多层类晶薄膜的制膜方法，简称LB法，制备的膜层叫做LB膜。原理：这是一种由某些有机大分子定向排列组成的单分子层或多分子层薄膜，其制膜原理与其他成膜技术截然不同。在有机物质中，存在具有表面活性的物质，其分子结构有共同的特征，同时具有“亲水性基团”和“疏水性集团”。如果分子的整体亲水性强，则分子就会吸附于水气界面。应用：LB薄膜作为有机单分子膜层具有超薄、均匀、厚度及分子层数精确可控、对衬底无损伤等特点，而且通过聚合可能改善其热稳定性和机械稳定性，并可能改变其某些电学、光学性能。所以它在半导体、微电子学、薄膜光电子学、生物电子学、传感器技术等领域有广阔的应用前景。电子浆料分类：种类主要组成用途导体浆料Ag、Pd、Ni、Cu等金属粉体，粘接剂，有机溶剂MLCC、厚膜电阻器、HIC、PDP、多层陶瓷基板等的各种电极、导线、接点电阻浆料Ag、Pd等金属粉末或RuO2等氧化物粉体，粘接剂，有机溶剂膜厚电阻器、多层陶瓷基板、HIC绝缘浆料BaTiO3等氧化物粉体，粘接剂，有机溶剂多层陶瓷基板、HIC、PDP、MLCC等的介质膜玻璃浆料玻璃氧化物粉体，粘接剂，有机溶剂膜厚电阻器、多层陶瓷基板的表面层制造工艺：电子浆料的制造过程就是将微粉体和添加剂等成分均匀地分散到有机载体和溶剂中去，使之成为均匀、稳定并具有适当的粘度特性。适合于印刷、涂布等工艺的过程。成核理论1. 热力学界面能理论基本思想：将一般气体在固体界面上凝结成微液滴的核形成理论应用到薄膜形成过程中的核形成研究。这种理论采用蒸汽压、界面能和湿润角等宏观物理量，从热力学角度处理核形成问题。热力学的基本概念：热力学认为，所有体系的相变都使物质体系的自由能下降。体系中体积自由能下降，新相和旧相间界面自由能上升。体系的总自由能变化由两者之和决定。2. 原子聚集理论原子聚集理论着眼于一个一个的原