薄膜物理课件文字

1、第一章 真空的基本知识§1. 真空的定义、单位和真空区域的划分1. 真空的定义气体的压强低于一个标准大气压的气态空间一标准大气压：g=980.665 cm/s2T=273 K时，760mm水银柱高所施加的压强平衡状态下，气体宏观参量的重要关系式：P=nKT P=压强(Pa)2. 真空的单位：(1) 帕 (Pa) 1 Pa=1 N/M2=10达因/cm2(2) 乇 (torr)(3) mmHg(4) µbar(微巴) or bar1 torr=1 mmHg= 133.3 Pa1 Pa= 0.75×10-2 torr = 10达因/cm21 µbar= 1

2、达因/cm2 = 0.1 Pa3. 真空区域的划分(1) 粗真空：1×105 Pa > P >1×103 Pa (大约10 torr)(2) 低真空：1×103 1×10-1 Pa(3) 高真空： 1×10-11×10-6 Pa(4) 超高真空：<1×10-6 Pan< 1010个/cm3，不少高科技器件或材料只能在超高真空下才能获得 §2.稀薄气体的基本性质1.气体的三种速率表达式 最可几速率：算术平均速率： 均方根速率：2.平均自由程的定义：气体两次碰撞之间所走路程的统计平均值a) 考虑

3、到其它气体分子在运动，及气体速率有一定分布，作如下修正：§ 3. 气体的输运1. 抽真空过程中气体流动的三个过程(1) 初始阶段(气压较高、流速较大)出现湍流，起作用的是气体的惯性力(2) 气压较低时：粘滞性流动各层速度不同，起作用的是层间相互摩擦力(3) 气压更低：分子性流动分子间相互摩擦可忽略，流动完全有分子与器壁碰撞，即：湍流-粘滞性流动-分子性流动2. 气体量，流量及其表达式(1) 定义：气体量：气体体积×压强，即PV，单位：牛·米-2·米3=牛顿·米流量Q：单位时间流过的气体量Q=PV/t=牛·米/秒(2) 流量表达式： (

4、长圆管道情况)a) 粘滞性流动时：第2章 真空的获得§ 3 机械泵1. 机械泵的Pu : 5*10-4乇 机械泵的用途：抽低真空；扩散泵、分子泵的前级真空泵 机械泵的结构：由工作室、进气管、排气阀、油腔、气镇阀、马达构成  工作室包括：定子、转子、旋片旋片装于转子上并将定子分成三部分：吸气空间；膨胀压宿空间；排气空间。2 工作原理：（见原理图）利用转子及其上的旋片的高速旋转使分成三部分的各泵腔容积发生周期变化来完成吸气和排气。 8 使用的注意事项 在新场所首次使用前需检查马达转向 停泵时注意对泵放气防止反油 需水冷的泵使用时需水冷 用油正确，油量合适 §

5、 3. 扩散泵抽速： 几百到几千L/sec。极限真空： 10-7 Torr 特点： 抽速大，寿命长，易维修。缺点： 有油蒸气污染; 操作不当会意外返油，使真空系统造成严重污染。用途： 作次级泵，静态和非常适合于动态真空系统中使用。工作压强： 10-2 Torr以下工作机理：1）在真空条件下,工作液体被加热器加热，产生蒸汽；2）蒸汽从喷嘴向下、向外高速喷出成伞状；3）从入口处扩散进来的气体被蒸汽裹入，产生向下的动量；4）带有气体的蒸汽以超音速喷向泵壁；5）蒸汽和气体混合物与水冷的泵壁接触，蒸汽被冷凝，再进入加热器；裹夹的气体分子仍以获得向下的高速运动，在底部被前级泵抽走。8. 

6、0; 扩散泵的使用注意事项（1）样品室及扩散泵用机械泵抽到10-2乇才能加 热泵油（2）加热扩散泵前应先开冷却水（3）扩散泵工作时始终必须有冷却水和机械泵（4）要用扩散泵抽样品室前，样品室真空度不低于10-2乇（5） 扩散泵下部冷后才能停水、关机械泵（6）  泵油量、水量合适，加热功率正确§4. 吸附泵:（1）极限真空与用途: 1 x 10-2 乇；10-4乇（双泵接力时）；无油沾污低真空抽气。（2）吸附泵的结构: （3）抽气原理: （4）分子筛的特点: （5）吸附泵的使用: §5. 泵升华抽速： 10 107 L/sec。极限真空： 10-5 10-6

7、 Pa (水冷); 10-9 Pa (LN2); 优点： 抽气速度快。缺点： 对惰性气体基本不起作用;间断性运行；用途： 快速提升真空度时用；次级泵。升华泵的使用:l    真空度低于10-4乇才能启用l    加温1200-1500度，不能超过1600度l    因Ti储量有限，不作主泵用，而与其他泵联合使用l     为省Ti，超高真空时采用间断升华 工作原理: 升华泵的特点： 活性气体抽速很大107L/S，惰性气体抽速很小，寿命取决于灯丝及

8、Ti储量。 §6.升华离子泵 （1）   Pu=10-12乇（2）   结构：比升华泵多一套使气体电离定向加速系统（电离器）（3）  工作原理: 课堂讲解（4） 特点：抽速比升华泵大；解决升华泵抽惰性气体差的问题缺点：高温元件多，易损坏，电源较多 §7.溅射离子泵 抽速： 1 500 L/sec。极限真空： < 10-11 Torr。特点： 安静，不将气体排除到真空系统外。用途： 静态真空系统超高真空的维持，次级泵。工作压强： < 10-4 Torr 。工作原理：1） DC

9、 高压（几千伏）使得阴阳之间放电，产生电子；2） 在高电磁场（几千高斯）下，电子螺旋运动，因而电子运动路程被大大加长，与气体分子发生碰撞使气体电离的几率大大增加；3） 产生的气体离子向钛阴极加速；4） 被加速的气体离子轰击Ti阴极,把Ti原子溅射出来，同时离子轰击使阴极材料产生新鲜表面以化学吸附离子和气体，并将它们埋起来；5） 部分气体离子及原子被吸附在沉积在阳极表面的新鲜Ti薄膜。§8.涡轮分子泵 抽速： 35 2500 L/sec。极限真空： 10-10 10-11 Torr (要烘烤)优点： 无碳氢化合物污染，启动压强较高， 对前级泵要求不苛刻。缺点： 对氢气抽除不理想，机械加

10、工精密度要求高，维修很难。用途： 静、动态抽超高真空或抽高真空，次级泵。工作原理：1） 快速转动（10000 50000 rpm）的涡轮叶片 将动能（速度）传递给与之碰撞的气体分子；2） 被转子缝隙捕获的分子朝定子缝隙方向飞去；3） 缝斜角的变化提高抽速；4） 分子不断被加速，在前级处被甩出分子泵，经前级泵(机械泵)抽除。注意：涡轮分子泵的工作原理并不是将气体抽出系统，而是通过动能传递将气体甩出系统。第三章 真空的测量一. 热偶真空计2.原理 利用热电偶测量加上一定工作电流的热丝温度来表示气压（即真空度）。热丝加热功率一定，气体多则热丝被气体带走的热量多，热丝温度就低，热电偶测得的温差电势低。

11、即真空度低。3.可测真空度 测低真空 4.实际应用与注意事项 正确测量方法：先置加热档，调好工作电流后，置测量档，测真空度。二. 热阴极电离真空计2. 测量原理 热阴极（灯丝）在确定的工作电流下加热发射电子，受栅极正电场加速后，轰击气体使之电离，离化的气体离子被极板收集，气体多，则离子流大，离子流大则表示真空差。3.使用: 测高真空: 1*10-45*10-8 Torr 不能测低真空的原因：灯丝被氧化;气体较多时,电子与气体分子碰撞数增加，但能量下降，电离几率降低。 不能测超高真空的原因： 气体太少时，产生的离子流小于由打在栅极上的电子激发的软 射线在离子收集极上产生的光电流。4. 使用注意事

12、项 气压低于0.1pa后才能使用电离真空计, 防止损坏灯丝 先用大量程 做完实验先关电离真空计 三. 超高真空计（BA规） 1. 结构2.工作原理： 类似电离真空计的原理，但结构上加以改进。 设计思想: (1)光电流I Vg Ie A Vg栅极电压, A极板面积 Ie灯丝发射电子流 (2)降低I 的措施: 因为Vg ，Ie 的减小，影响其它工作性能；所以， 解决办法： 减小A面积。即，把收集圆筒改为一根细金属丝，并将其放在栅极螺圈内，以保证足够的收集效率。 (3)效果：光电流减小1001000倍可测量：10-810-9 Pa3.使用注意事项： 真空度低于1*10-1 Pa时不能启用，否则易烧坏

13、。第二部分 薄膜物理与技术第一章薄膜的制备方法三大类：物理制膜法物理化学法化学生长法一、物理制膜法1.真空蒸发法： 电阻加热法（高真空）电子束蒸发法脉冲激光蒸发法 (PLD)分子束外延 (MBE)2.离子镀： 直流法 射频法 离化团簇粒子束法(ICBD) 热阴极法 3. 离子束法：离子束辅助沉积 离子束混合 离子束溅射 4.离子溅射法： 直流二极溅射 射频溅射 磁控溅射 离子束溅射2.离子镀： 直流法 射频法 离化团簇粒子束法(ICBD) 热阴极法 3. 离子束法：离子束辅助沉积 离子束混合 离子束溅射 4.离子溅射法： 直流二极溅射 射频溅射 磁控溅射 离子束溅射二. 物理化学法 CVD(热

14、分解、热丝法等) PECVD： RFCVD MWCVD ECRCVD MOCVD三.化学生长法 溶胶凝胶法 水热法（水化学法） 电化学法 §1.真空蒸发法1.真空的必要性(1)在真空下，材料的汽化温度低得多(2)使汽化的膜料原子顺利到达衬底(3)保证薄膜质量2.真空度的确定原则：保证质量要求，兼顾工作效率与成本(1)从平均自由程的要求看：3）特点： 设备简单、操作方便、造价低 成膜速率快、效率高 膜厚便于控制（4）缺点： 只能用于蒸发熔点不很高的膜料 不能长时间连续蒸发 蒸发源寿命短 蒸发源会影响膜的纯度（5）蒸发原子与分子的形态： 大部分碱金属、贵金属、过渡性金属单原子逸出蒸发半导

15、体、半金属时，多以2个或2个以上原子集合体逸出（Sb、AsP）有的化合物会分解 (CdS：Cd，S， ， )某些合金膜会偏离原组分二、电子束蒸发法2.特点： 可蒸发高熔点材料薄膜(3000) 可用于连续生产 只局部膜料受高温蒸发，坩埚沾污膜料、纯度高3.缺点： 造价较高，操作稍复杂 部分残余气体被电离，影响膜结构 部分化合物会分解三. 脉冲激光沉积：用高能聚焦激光束轰击靶材蒸发只发生在光斑周围的局部区域蒸发材料被直接从固体转化为等离子体能轰击出来大尺寸的颗粒光束渗透深度小 100 埃, 蒸发只发生在靶材表面2.特点：（1）化合物蒸发不分馏（2）可合成化合物（3）可蒸发高熔点膜料，不沾污（4）不

16、存在电子束蒸发时可能的膜表面带电（5）可得到结晶良好的薄膜3.缺点：靶要烧制良好、致密，防止蒸发出颗粒四.分子束外延（MBE）1.何谓分子束外延超高真空条件下各组分材料及掺杂物分别加热，按一定比例的分子束喷射在基片上外延生长单晶薄膜3.分子束外延设备主要组成部分（1）超高真空样品室（2）多个分子束喷设炉，配LN2冷阱，计算机精确控温（3）快门（配合调控薄膜成分，膜厚，掺杂，浓度）（4）各种先进的监控器 质谱仪（残余气体及分子束成分，密度，膜厚） 电子衍射仪（晶体结构） 俄歇电子谱仪（表面污染情况，生长层组分分析）4.特点（1）超高真空环境淀积，大大减少残余气体污染（2）多个分子束源炉：可得多元

17、混晶、合金、化合物及进行掺杂（3）喷射炉附近液氮冷却： 避免蒸发原子散射、反射相互污染， 避免对基片的热辐射 冻住残余气体（4）蒸发速率低：可进行单原子层生长，生长超薄而平整膜（5）衬底温度较低：降低界面处热膨胀引起的晶格失配（6）膜厚、成分、晶体质量实时监控§2 离子镀(Ion plating)离子镀(Ion plating)物理意义: 一定真空条件下,直流高压或灯丝发射电子使蒸发物质电离;直流高压加速使蒸发的膜料或其反应物蒸镀在基片上形成薄膜.四种离子镀方法（含反应离子渡）v 直流法v 射频法v 团簇离子束法v 热阴极法一.直流法1.实验设备（右图）包括：真空系统，电阻蒸发源 D

18、C高压（几百几千伏）样品台（水冷）2.工作气压低真空（10-2乇）氩气或相关反应气体3.原理: 低真空条件下，高压使基片蒸发源间气体放电，形成等离子体 离子轰击基片表面，对其清洁去污，并使表面粗化 蒸发分子被离化、加速，定向沉积到基片表面成膜。4.优点：（1）附着力强（2）成膜速率快（3）饶射成膜，可对各种形状工件镀膜（4）节省膜料（5）最适合金属表面镀膜（6）设备简单5.缺点： 工作气压较高，膜内易含残余气体 离子流强，基 温度高，不利于塑料制品镀膜二.射频法1. 设备结构如右图 比DC法增加一个RF线圈2. RF线圈的作用： 延长自由电子的运动轨迹， 增加碰撞气体和蒸发分子机会 提高离化率

19、 可使工作真空度提高一个数量级(10-3乇)3. 优点: 离化率比DC法高,镀膜效果更好. 降低工作气压,即节省气体,有提高了薄膜质量.三. 离化簇团束镀膜法(ICBD)2.特色与优点:(1)蒸发器喷出的是几百上千原子构成的团簇. (优越性?)(2)膜层损伤小(3)高真空镀膜 10-5乇以上. (什么好处?)(4)提高膜质量(致密, 杂质, 缺陷少)(5)附着好 3.缺点: 不能饶射成膜 设备成本较高 四. 热阴极法1. 结构 采用一般电阻蒸发源，其它的与离化簇团束镀膜法相同2. 特点: 高真空镀膜(10-5乇) 不是簇团束 具有ICBD法除簇团束以外的优点 比ICBD法设备价格低三. 离子束

20、制膜法（一）离子束辅助沉积(IBAD) Ion beam assistive deposition-电子束或激光束或常规真空蒸发-在成膜的同时用离子对正在生长的膜层进行轰击 1.物理意义： 真空蒸发的同时，用离子束轰击沉积到基片上的膜料。即，蒸发+离子束轰击。3. 优点： 膜层致密、均匀、减少缺陷 提高薄膜性能的稳定性（不易吸附气体或潮气） 附着好（界面有膜料粒子渗入） 可分别独立调节各实验参数、控制生长，以利研究各条件对膜质量的影响。4. 原因：沉积前，先离子轰击基片溅射表面吸附的污染物，表面除气及净化。薄膜形成初期，离子轰击使部分膜料原子渗入基片表层，在界面形成中间薄层增强附着，改善应力。

21、沉积过程中，离子轰击正在形成膜改善微观结构、膜层更致密。（二）离子束混合1.何谓离子束混合？ 在基片表面先沉积一层（膜厚1000A ）或几层（每层小于150A）不同物质的膜总厚小于 1000 A）;用高能重离子轰击膜层，使膜与基片表面混合，或多层膜之间混合，形成新的表面材料层。2. 对离子束的要求：离子能量尽量高（200300keV以上）较高的惰性气体离子，如Ar3. 特点：获得常规冶金方法得不到新材料。比离子渗入法更经济（三）离子束溅射法四. 离子溅射镀膜法（一）.直流二极溅射2.磁控溅射原理： 把磁控原理和二极溅射法相结合，用磁场来改变电子的运动方向，并束缚和延长电子的运动轨迹，受正交电磁

22、场作用的电子，只能在其能量快耗尽时才落到基片上，大大提高气体的离化率。3.为什么要加磁场？无磁场溅射方法的缺点：-溅射反应效率较低，所需要的工作气压较高-溅射方法沉积薄膜的沉积速率较低磁场的存在将延长电子在等离子体中的运动轨迹, 提高与气体原子碰撞使其电离的几率，显著提高溅射效率提高沉积速率, 比其它溅射方法高一个数量级.降低气压，减少气体污染特点：离化率较高，沉积速率快；基片温升低； 工作气压较低气体对膜质量影响较小。五. CVD化学气相沉积法 Chemical Vapor Deposition什么叫CVD? 把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物气体（适当流量比例）输入反应室，通过加热或等离

23、子体等方法使其分解或反应，而在基片上生长所需薄膜。(一). 常规CVD:没等离子增强激活的CVD方法。（1）沉积条件气态反应物（液态或固态使其气化）反应生成物除所沉积物外，其余应气态，可排出反应室沉积物的蒸气压应足够低（2）影响沉积质量的因素沉积温度气体比例、流量、气压基片晶体结构、膨胀系数等(3). 优点在远低于所得材料熔点的温度下获得高熔点材料便于制备各种单质或化合物生长速率较高镀膜绕性好设备简单缺点：反应温度比PECVD高基片温度相对较高（1）PECVD原理： 利用射频、微波方法在反应室形成的离子体的高温及活性，促使反应气体受激、分解、离化, 以增强反应，在基片生长薄膜。（2）PECVD

24、优点： 可在较低温度下生长薄膜避免高温下晶粒粗大 较低气压下制膜提高膜厚及成分的均匀性。 薄膜针孔小，更致密，内应力较小，不易产生裂纹 附着力比普遍CVD好。缺点：生长速率低于普通CVD设备相对复杂些（3） RFCVD、MWCVD和ECRCVD的区别: RFCVDf=13.6MHz MWCVD f=2.45GHz,频率高，气体分解和离化率更高。 ECRCVD又加有磁场，促使电子回旋运动与微波发生共振现象，有更大的离化率。可获更好的薄膜质量和高的生长速率。（三）.MOCVD（1）原理： 利用热分解金属有机化合物进行化学反应，气相外延生长薄膜的CVD方法。（2）适合的金属有机化合物: 金属烷基化合

25、物 如：三甲基镓（CH3)3Ga，三甲基铝（CH3)3Al二乙烷基锌（C2H5)2Zn.(2). MOCVD特点 沉积温度低 如ZnSe膜，仅为350；而普通CVD法850 低温生长减少污染（基片、反应室等）提高膜纯度；降低膜内空位密度。（高温生长易产生空位） 可通过稀释反应气体控制沉积速率，有利于沉积不同成分的极薄膜制备超晶格薄膜材料。主要缺点： 许多有机金属化合物蒸气有毒，易燃，需严格防护 有的气相中就反应，形成微粒再沉积到基片。第二章 薄膜厚度的测量一、微量天平法1.原理: 高精度微量天平称基片成膜前后的重量，得出给定面积S的厚膜质量m，由下式计算出膜厚：d= m/(S)， 为块材密度2

26、.微量天平精度达微克，不能测重基片的样品 。二 电阻测量法（可测金属、半金属、半导体膜）1.原理：测方块电阻R，利用=R·d 计算出厚度d2.存在问题：随膜厚变化有大的差别，特别是超薄膜。 原因： 膜不连续时，导电能力差； 连续膜时，杂质缺陷也比块材多； 薄膜界面对电子或空穴的非弹性散射 3. 解决办法： d>2000Å时，可忽略非弹性散射效应，减少测量误差，故用厚膜的 代替，则 . 实际用法： 先在基片上蒸一层厚2000Å以上同种物质膜 其它方法测出膜厚及R 代入 求出 用上述2000Å以上厚样在真空中作测试样,根 据 ,求出现样品膜厚.三 多光

27、束干涉测量法 (干涉显微镜法)1.测试原理图2.原理: 垂直于薄膜表面的单色光在薄膜表面与小倾斜的半透明板之间的多次反射干涉形成干涉条纹, 干涉条纹在有台阶的薄膜样品处出现偏移的原理来测量薄膜厚度。 tg=/2a 又tg=d/b 所以：d/b=/2a d=b/2a 半透明膜与膜平面夹角 波长 a相邻两条干涉条纹的间距 b干涉条纹在台阶下面平面的偏移距离第二部分第3章 薄膜的结构与缺陷 （课堂笔记）第二部分第4章 薄膜的基本性质着重介绍有关薄膜的普遍特性的研究方法§1 薄膜的力学性质主要有：附着、应力、硬度、弹性模量和摩擦分数等，我们着重学习：附着、应力、硬度一、薄膜的附着·

28、定义：薄膜和基本相互作用使薄膜粘附在基片上的一种现象。·重要性：很大程度上决定了薄膜器件的稳定性、可靠性和实用。·附着的好坏主要取决于薄膜生长的初始阶段。1、附着机理三种附机理：·范德华力 ·化学键力 ·薄膜基片间静电引力（1）范德华力：薄膜及衬底原子相互极化产生包括：定向力（0.2eV）：永久偶极子之间的相互作用力诱导力（0.2eV）：永久偶极子与感应偶极子间的相互作用力色散力（0.4eV）：电子绕原子核运动时所生的瞬时偶极矩相互作用力特点：·与静电引力相比，范德华力是短程力·与化学键相比，范德华力是长程力（2）化学键力：

29、薄膜基片之间形成化学键的结合力包括：离子键、共价键、金属键·化学键力的产生机制：有的价电子发生转移，形成化学键·化学键力属短程力·化学键能1.211eV（3）薄膜基片间的静电引力·须在界面两地积累空间电荷，或扩散的原子带有异号电荷才会有静电引力·静电引力形成的原因：薄膜和基片的费米能级不同，紧密接触后发生电子转移。2、影响附着力的因素·膜料与基片的组合有些材料需对其活化，如离子轰击以提高其表面能、衬底加升或制备过渡层。·基片表面污染，导致表面化学键饱和，使附着差·基片温度的影响温度高利于原子扩散，形成扩散附着和形成

30、中间化合物温度过高晶粒变粗会影响附着·溅射或离子束辅助沉积的膜比蒸发沉积膜附着好3、提高附着力的方法（1）严格清洗基片（2）重度膜前真空中离子轰击处理（3）适当提高基片温度（4）制备中间过渡层（5）用溅射法（6）离子束轰击薄膜4、薄膜附着力的测量方法·拉张法 ·胶带剥离法 ·划痕法 ·超声波法二、薄膜的内应力1、物理意义（定义）薄膜内部任一截面上单位面积所受的另一侧所施加的作用力称应力外应力薄膜受外力作用而产生的应力内应力薄膜本身的原因所引起的应力2、内应力相关的实验现象3、内应力产生的原因（1）薄膜和基片热膨胀的不同（2）结晶温度以下的冷却和

31、热收缩（3）相变过程（液固；非晶结晶）（4）薄膜基片晶格失配（5）小岛合道（6）杂质影响三、薄膜的硬度1、定义薄膜材料相对于另一种物质的抗摩擦、抗刻划、抗形变的能力。2、硬度的测量方式金刚石压头，加一定重量压试样，根据被测试样上压痕大小来判断硬度。（压头形状不同，所得结果不同）。（1）硬度的几种名称·维氏（Vickers）硬度（1360）·库氏（Knoop）硬度（172.50）·布氏（Brinell）硬度§2 薄膜的电学性质着重研究：·电阻率、电导率的大小·薄膜成份对、的影响·掺杂、杂质的影响·环境温度、热处理的影

32、响·电场的影响一、不连续薄膜的异电性质·不连续膜：孤立小岛构成的薄膜1、三种典型研究实例由或与d、T、E的关系发现薄膜的某些电学现象2、不连续金属膜的特点（1）很大，且随d变化显著（2）与T有关，温度系数为负值（3）电场低时，呈欧姆性导电，电场高时，呈非欧姆性导电（4）高电场下，有电子发射或光发射现象3、不连续膜的导电机理·由孤立小岛构成，却显一定导电能力·导电能力与温度有关暗示：不连续薄膜的电导论与热激活有关两种理论解释模型：（1）热电发射模型小岛受热后，电子功能的垂直分量大于金属材料功函数时，电子脱离金属表面发射到真空中，被另一小岛俘获，产生电导。热电子发射产生的电导表达式如下；其中，h普朗克常数；m电子质量功函数；b小岛间距（Å）K玻尔兹曼常数；0介电常数。（2）热激