薄膜技术.doc

一、 1、真空：在给定的空间内压力低于一个大气压的稀薄气体状态。 2、真空度单位; 注意看书P23、 获得途径：机械泵（抽气速率、极限真空度）、扩散泵（抽气速率、极限真空度、返油率） 分子泵4、 一般机械泵的极限真空度为0.1Pa5、扩散泵注意事项：1）、不能单独工作，一定要用机械泵做前级泵，并使系统抽到0.1帕才能启动。2）、泵体要竖直3)、先通冷却水，再加热，结束时先停止加热后关冷却水。4、测量：热电偶真空计（利用热电偶测定温度变化引起电动势变化的真空计） 电阻真空计 热（冷）阴极电离真空计 热电偶真空计原理看书P115、1Pa=7.510(-3)Torr 1Torr=1mmHg6、真空薄膜的质量与材料、薄膜工艺以及真空系统的质量有关。7、保持较高真空度原因：1）、减少蒸发分子与残余气体分子碰撞2）、抑制它们之间的反应，减少对衬底表面的玷污 二、1、物理气相沉积（PVD）是指在一定的真空条件下，利用热蒸发或辉光放电或弧光放电等物理过程使材料沉积在衬底上的薄膜制备技术。主要分为三类：真空蒸发镀膜 真空溅射镀膜 真空离子镀膜 2、真空蒸镀：将固体材料置于高真空环境中加热，使之升华或蒸发并沉积在特定衬底上以获得薄膜的方法 3、真空镀膜过程：1）源材料受热熔化蒸发或升华； 2）蒸气从源材料传输到衬底； 3)蒸气在衬底表面凝结成固体薄膜 4、蒸发种类：电阻热蒸发、电子束蒸发（直枪、e形枪）高频感应蒸发、激光束蒸发 5、热蒸发：蒸发材料在真空室中被加热时，其原子或分子就会从表面逸出的现象。 6、饱和蒸气压：在一定温度下，真空室中蒸发材料的蒸气在与固体和液体平衡过程中所表现出的压力。 7、由P21的图2-1可知P20的最后6行 自己看书 8、电子束蒸发：将蒸发材料置于水冷坩埚中，利用电子束直接加热，使蒸发材料汽化并在衬底上凝结形成薄膜的方法。 产生电子束的装置称为电子枪，可分为：环形枪 直枪 e形枪 9、应用：CIGS薄膜（极高的光吸收率、良好的室外稳定性） 根据掺入Ga含量的不同，可以扩大CIS的带隙，进一步提高光吸收率 ITO薄膜（宽带隙、重掺n型半导体材料高可见光透过率、低电阻率）在太阳能电池，平板显示器、电致变色窗、激光二极管、和紫外探测器应用广泛。 制备方法：脉冲激光沉积 溅射 化学气相沉积 溶胶-凝胶 蒸发等，其中蒸发中最常用的为电子束蒸发。三、1、溅射：荷能粒子轰击固体表面，固体表面原子或分子获得入射粒子所携带的部分能量，从而使其射出的现象。ddd 2、非自持转化为自持条件： (e -1)=1 物理意义：在阴极发射出一个电子，而这一个电子到达阳极时共发生了e -1次电离碰撞因而产生同样数目的正离子，而这些正离子打到阴极后将产生(e -1)个二次电子，这些电子数为 1 3、溅射利用的是异常辉光放电 4、级联碰撞理论：入射粒子在进入靶材的过程中与靶材原子发生弹性碰撞，入射粒子的一部分动能会传给靶材原子，当后者的动能超过其周围存在的其他靶材原子所形成的势垒时，这种原子会从晶格阵点被碰出，产生离位原子，并进一步和附近的靶材原子依次反复碰撞，产生所谓的级联碰撞。 5、溅射参数：溅射阈（入射离子使阴极靶产生溅射所需的最小能量） 溅射产额（正离子撞击阴极时，平均每个正离子能从阴极打出的原子数） 6、溅射装置：阴极溅射、射频溅射1）直接溅射绝缘介质2）射频电场和磁场正交 磁控溅射（低气压下进行高速溅射） 7、P39的图3-4以及图上面的对其解释一段文字，自己看书 8、射频溅射：又称高频溅射，它是为直接溅射绝缘介质材料而设计的。前面的方法是利用金属、半导体靶制备薄膜的方法，但不能用来溅射介质绝缘材料，这主要是因为正离子打到靶材上产生正电荷积累而使表面电位升高，致使正离子不能继续轰击靶材而终止溅射。 9、射频装置是使射频电场和磁场重叠在射频电极上再施加直流偏压而得到。 10、磁控溅射是把磁控原理与普通溅射技术相结合，利用磁场特殊分布控制电场中的电子运动轨迹。 由于电子在正交磁场中由直线变成了螺旋线运动，大大增加了与气体分子分子碰撞的几率，使离化率得以大幅度提高。见图3-14（P48） 11、离子镀成膜：在真空条件下，利用气体放电使气体或被蒸发物质部分离化，在气体离子或被蒸发物质离子轰击作用的同时，把蒸发物或其反应物沉积在衬底上。 是真空蒸发和溅射技术结合的一种镀膜方法 衬底为阴极，靶为阳极 12、对于溅射技术而言，影响薄膜结构和性能的两个参数：工作气体压强 生长温度四、1、外延生长：在一定条件下在单晶基片上生长一层单晶薄膜的过程，所生长的薄膜称为外延层。 2、化学气相沉积：利用气态物质在固体表面上进行化学反应，生成固态沉积物的过程。 3、硅化学气相沉积：注意看书P68-P701）歧化反应 源区只有在高温下才能生成可进行歧化反应的中间产物，源区的反应器壁也要处于高温下，以避免在反应器壁上进行沉积。 2)还原反应 3）热解反应 某些元素的氢化物和金属有机化合物在高温下是不稳定的，它们将发生分解，得到的产物可以沉积为薄膜，这种反应是不可逆的。 4、平衡分压：在给定的温度和压强下处于一种暂时平衡状态时的各种气体的分压。 5、CVD动力学分析：1）气体引入：从入口流动到硅片表面的沉积区2）膜先驱物的形成：沉积发生之前生成组成膜的原子或分子3）先驱物大量运输到硅片4）先驱物粘附在硅片表面5）先驱物向膜生长区域扩散6）表面化学反应使得膜沉积和产生副产物7）副产物解析附从表面移除8）副产物随气流流出反应室 6、边界层： 1) 速度边界层：气流速度由零增加到容器气流值的距离 2）质量边界层3）温度边界层：对于发热的基座附近的流体，也存在着一个温度梯度剧烈变化的薄层，在这里热传输主要靠分子扩散而不是对流。 7、均匀成核：在CVD中，气相中发生的为均相的体反应 非均匀成核：固体表面发生的为非均相的表面反应。 8、同质外延：衬底与薄膜是同种物质 异质外延反之。而异质外延一般需要衬底和外延层晶格参数匹配或很相近。 9、非故意掺杂：固态外扩散（衬底的固态扩散）气相自掺杂（衬底的蒸发）系统外掺杂（反应器系统的污染） 自掺杂 ：杂质在从衬底向气相输运的过程中掺入到外延层中 自掺杂 产生步骤：1）掺杂剂和硅原子择优从衬底表面气化； 2）气相元素与输入气体混合重新建立气相 浓度 3）硅和掺杂剂的原子作气相中的比率沉积 在外延层上 10、辉光放电产生的等离子体的作用： 1）可以通过溅射衬底表面来除去玷污，进行原位清洁处理 2）在生长时用于产生新的吸附位置，这样使界面上的吸附原子由随机位置迁移到稳定位置所必须走的距离缩短了。 11、能量增强辅助CVD: 等离子增强 （PECVD） 光增强(PCVD) 12、沉积得以顺利进行的条件：1）在沉积温度下，反应物必须具有足够高的蒸气压2）反应生成物，除了所需的沉积物为固态外，其余都必须是气态3)沉积物本身的蒸气压应足够低，以保证在整个沉积反应过程中使其保持在加热的衬底上4）衬底材料本身的蒸气压在沉积温度下也应足够低 MOCVD技术：采用金属有机化合物和氢化物等作为晶体生长的源材料，以热分解反应的方式在衬底上进行气相外延。 13、以Si为例简述选择外延生长的过程 14、 对于Si外延薄膜生长而言，选择外延生长的通常模式为： 以Si为衬底，用二氧化硅为掩膜，利用光刻技术开出窗口，窗口内硅单晶表面的生长是理解开始的，而在窗口外的掩膜上生长不能立即开始，只有在超过成核时间后才开始多晶生长的，通过控制工艺，从而实现只在窗口内暴露出来的硅衬底上进行外延生长，这种方法称为差分外延生长。五、1、脉冲激光沉积（PLD）：将脉冲激光器产生的高功率脉冲激光聚焦于 靶材表面，使其表面产生高温及烧蚀，并进一步产生高位高压等离子体，等离子体定向局域膨胀在衬底上沉积成膜。 原理：一束激光经透镜聚集后投射到靶上，使被照射区域的物质烧蚀，烧蚀物择优沿着靶的法线方向传输，形成一个像羽毛状的发光团-羽辉，最后烧蚀物沉积到前方的衬底上形成一层薄膜。 2、PLD是一种真空物理沉积方法，当一束强的脉冲激光照射到靶材上时，靶表面材料就会被激光所加热、熔化、气化直至变为等离子体从靶向衬底传输，最后输运到衬底上的烧蚀物在衬底上凝聚，成核至形成薄膜。6、 1、分子束外延（MBE）:在清洁的超高真空环境下，使具有一定热能的一种或多种分子束流喷射到晶体衬底，在衬底表面发生反应的过程 其属于真空蒸镀方法 2、MBE的原理见P151第一大段 Si的外延生长：台阶流动方式（原理看书P160-P161） 和台面上二维成核方式 表面处理方法：溅射、热处理（此二者原理见书P157-P158）、活性离子束法、光学清洁法MBE提供了一种制备超薄薄膜的方法。3、BCF理论：1）首先是单个原子撞击到硅表面，和表面进行 热交换达到平衡； 2）然后扩散到某一位置，例如台阶处七、液相外延：从过冷饱和溶液中析出固相物质并沉积在单晶衬底上生成单晶薄膜的方法。八、溶胶-凝胶技术(So