薄膜材料制备原理技术及应用.docx

平均自由程：气体分子在两次碰撞的时间里走过的平均距离。（=1nd2）。气体分子通量：气体分子对单位面积表面的碰撞频率，也即单位面积上气体分子的通量。（=nva4=Nap2MRT此结果又称为克努森方程）流导：真空管路中气体的通过能力。真空泵的抽速：定义，Sp=Qp p为真空泵入口处的气体压力，Q为单位时间内通过真空泵入口的气体流量。Pvd：利用某物理过程，实现物质原子从源物质到薄膜的可控转移过程。Cvd：利用气态的先驱反应物，通过原子、分子间化学反应的途径生成固态薄膜的技术。在完整的单晶衬底上延续生长单晶薄膜的方法被称为外延生长。旋片式机械真空泵、罗茨泵以及涡轮分子泵是机械式气体输运泵的典型例子，而油扩散泵则属于气流式气体输运泵。 捕获式真空泵包括低温吸附泵、溅射离子泵等。电偶规、电阻规（皮拉尼规）原理：以气体的热导率随气体的压力变化为基础而设计。缺点：在测量区间内指示值呈非线性，测量结果与气体种类有关，零点漂移严重。优点：结构简单，使用方便。真空体系的构成：真空室、测量室、阀门阴影效应：蒸发出来的物质将被障碍物阻挡而不能沉积到衬底上。害处：破坏薄膜沉积的均匀性、受到蒸发源方向性限制，造成某些位置没有物质沉积。利用：目的性使用一定形状的掩膜，实现薄膜选择性的沉积。单质、化合物蒸发存在的问题及解决：成分偏差，易于蒸发的组元优先蒸发将造成该组元的不断贫化，进而蒸发率不断下降。解决;1,使用较多的物质作为蒸发源，即尽量减少组元成分的相对变化率。2，向蒸发源不断少量添加被蒸发物质（使物质组元得到瞬间同步蒸发）3，利用加热至不同温度的双蒸发源或多蒸发源的方法，分别控制和调节每个组元的蒸发速率。蒸发沉积纯度取决于：1蒸发源物质的纯度2加热装置，坩埚等可能造成的污染3真空系统中的残留气体。电子束蒸发装置：电阻加热装置有来自坩埚，加热元件以及各种支撑部件可能的污染，其热功率及温度也有一定的限制，不适合高纯度或难熔物质的蒸发。电子束蒸发发可以克服。缺点：电子束的绝大部分能量被坩埚的水冷系统带走，其热效率较低。过高的加热功率也会对整个薄膜沉积系统形成较强的热辐射等离子体：一种电离气体，是离子、电子和高能粒子的集合，整体显中性。它是一种由带电粒子组成的电离状态，亦称为物质的第四态。等离子壳层：由于电子与离子具有不同的速度而形成溅射：是一个离子轰击物质表面，并在碰撞过程中发生能量与动量的转移，从而最终将物质表面原子激发出来的复杂过程。溅射产额:被溅射出来的物质的总原子数与入射离子数之比。相关：入射离子能量、入射离子种类和被溅射物质种类、离子入射角、度靶材温度。直流溅射：（前提，靶材具有良好的导电性）原理，电压气体电离Ar+飞向阴极靶材衬底。优点，设备简单 缺点：不能独立地控制各个工艺参量（阴极电压、电流溅射气压）使用气压高至溅射速率低不利于减少污染及溅射效率的提高自偏压效应：在射频电场作用的同时，靶材会自动的处于一个负电位下，这导致气体离子对其产生自发的轰击和溅射。一般溅射方法的两大缺点：1溅射沉积薄膜的速率较低2溅射所需的气压较高，否则放电现象不易维持。两者导致污染几率增加，溅射效率低。解决：磁控溅射磁控溅射：磁控溅射是利用溅射方法的普遍原理，在垂直电场的方向上加一磁场。这样，垂直方向上的磁力线可以将电子约束在靶表面附近，延长其在等离子体内的运动轨迹，提高它参与气体分子碰撞和电离过程几率的作用，从而降低溅射过程的气体压力，提高溅射效率和沉积速率。优点：气压可以低至10-1Pa，降低了薄膜污染；且沉积速率高（可大于10mm/hr）、靶电压低。缺点：对靶材的溅射不均匀、不适合于铁磁性材料反应溅射：在沉积的同时形成化合物的溅射技术靶材的中毒：反应溅射特有的靶上形成化合物的现象避免靶材中毒的可能措施包括1将反应气体的输入位置尽量设置在远离靶材而靠近衬底的地方，提高活性气体的利用效率，抑制其与靶材表面反应的进行2提高靶材的溅射速率，降低活性气体吸附的相对影响3可采取对溅射靶周期地施加交变电压的方法，不断提供释放靶电荷的机会（中频或脉冲溅射）直流反应溅射会遇到：1靶中毒2阳极消失3靶面和电极间打火热力学对cvd的指导意义：预测化学反应进行的可能性；提供化学反应的平衡点位置；了解工艺参数对平衡点的影响正向反应为放热反应，其激活能低于反向反应，这时会出现速率先升后降。反之，正向反应为吸热反应，其激活能较高，这时，净反应速率或沉积速率均随温度的升高而单调上升。在第一种情况下，温度过高不利于反应物的沉积，而在第二种情况下温度过低不利于反应物的沉积。所以在CVD装置中设计了所谓的热壁CVD和冷壁CVD沉积速率的提高，薄膜临界核心半径与临界行核自由能均随之降低。因而高的沉积速率将会导致高的形核速率和细密的薄膜组织。随着温度的上升和相变的过冷度的减小，薄膜临界核心半径增大，新相的形成将变得较为困难难。因此，要想得到粗大甚至是单晶结构的薄膜，一个必要的条件往往是需要适当地提高沉积的温度，并降低沉积的速率。薄膜四种典型的组织形态：在温度较低、气体压力较高的情况下，入射粒子能量很低。这种情况下形成的薄膜具有形态1型的微观组织。温度低扩展能力有限形核尺寸小不断形成新核心。溅射气压稍降，成形态T形具备一定的表面扩散能力，形态2型的组织是原子表面扩散进行的比较充分时形成的薄膜组织。温度继续升高原子体扩散开始发挥作用形成3型。