薄膜制备与分析课堂讲稿_第一讲_

1、第一讲第一讲 基本概念、基本数据、基本公式基本概念、基本数据、基本公式001734 001734 薄膜制备实验薄膜制备实验191706 191706 薄膜制备薄膜制备课堂主讲教师：张维佳课堂主讲教师：张维佳实验教师：张维佳，于磊实验教师：张维佳，于磊第一讲第一讲 基本概念、基本数据、基本公式基本概念、基本数据、基本公式1.1.基本概念，基本数据，基本公式基本概念，基本数据，基本公式由理想气体状态方程：由理想气体状态方程：RTMvRTPV NkTTNRNRTmNNmAA nkTkTVNP 气体质量气体质量摩尔质量摩尔质量气体常数气体常数:M: :R阿伏伽德罗常数阿伏伽德罗常数:AN玻尔兹曼常数玻

2、尔兹曼常数:k总分子数总分子数:N气体密度气体密度:nTPkTPn22102 . 7 ( (个个/ /米米3 3) )注：注：,ANRk 11KmolJ 31451. 8 R123mol 100221367. 6 AN第一讲第一讲 基本概念、基本数据、基本公式基本概念、基本数据、基本公式TPkTPn22102 . 7 ( (个个/ /米米3 3) )1 1帕帕(Pa)=1(Pa)=1牛顿牛顿/ /米米2 2=1=1千克千克/ /米米. .秒秒2 2若若 P = 一个大气压一个大气压 Pa, 105 319cm 100 . 3 n则则: 在在T=293K(室温室温)有：有： 气体密度方程：气体密

3、度方程：若若Pa, 1033. 14 P则则: 在在T=293K(室温室温)有：有：310cm 102 . 3 n( (残余分子残余分子) )第一讲第一讲 基本概念、基本数据、基本公式基本概念、基本数据、基本公式 赫兹赫兹-努曾方程：努曾方程：单位时间内在单位面积上碰撞的分子数为：单位时间内在单位面积上碰撞的分子数为：)m(s 412-1 vn证明如下：证明如下：设单位时间内设单位时间内vxvx+dvx的分子在单位面积上碰撞的分的分子在单位面积上碰撞的分子数为子数为d. 所以，在所以，在dt内内vxvx+dvx的分子的分子碰撞碰撞dS的分的分子数子数dNC为：为：StNCdddd Sdtvxd

4、dSd dtvdnNxxC dSd )(tvdvvnfxxxM xxxMvvvnfd)(d 0d)(xxxMvvvnfkTmvxMxekTmvf22322)( 分子数密度分子数密度分子平均速率分子平均速率:n:vmkTv 8 41vn 证毕证毕.第一讲第一讲 基本概念、基本数据、基本公式基本概念、基本数据、基本公式 气体分子碰壁数率气体分子碰壁数率N公式公式单位时间内在单位面积上碰撞的分子数为：单位时间内在单位面积上碰撞的分子数为：RTPNNA2 证明如下：证明如下：)m(s 412-1 vn赫兹赫兹- -努曾方程努曾方程气体常数气体常数:R阿伏伽德罗常数阿伏伽德罗常数:AN气体摩尔质量气体摩

5、尔质量: ,8mkTv , kTPn ,ANm ,ANRk mkTkTPvnN 84141 RTPNA2 证毕证毕.第一讲第一讲 基本概念、基本数据、基本公式基本概念、基本数据、基本公式证明如下：证明如下：nl221 由大学物理知，气体分子平均自由程为：由大学物理知，气体分子平均自由程为：分子直经分子直经10-10 m: TPkTPn22102 . 7 ( (个个/ /米米3 3) )由由TP16102 . 7 ( (个个/ /厘米厘米3 3) ) 气体分子自由程公式气体分子自由程公式)cm( 667. 0Pl ( (室温室温T=25=298K)(cm) 667. 0102 . 7221 16

6、22PPTnl 证毕证毕. .可见：压强越小，平均自由程越大。可见：压强越小，平均自由程越大。第一讲第一讲 基本概念、基本数据、基本公式基本概念、基本数据、基本公式真空压强单位：真空压强单位：1Pa(1Pa(帕帕)=l)=l牛顿牛顿/ /米米2 21mmHg(1mmHg(毫米汞柱毫米汞柱)=l33.3)=l33.3Pa1Torr(1Torr(托托)=1/760 atm=l33.3)=1/760 atm=l33.3Pa1bar(1bar(巴巴)=10)=105 5Pa1atm(1atm(一个大气压一个大气压)=101308)=101308Pa真空程度区域划分：真空程度区域划分：压强压强(Pa)(

7、Pa)平均自由程平均自由程(cm)(cm)超高真空超高真空1010-6-610105 51010-1-1-10-10-6-65-105-105 5高真空高真空 10103 31010-4-4粗真空粗真空 10103 3-10-10-1-11010-4-4-5-5低真空低真空第一讲第一讲 基本概念、基本数据、基本公式基本概念、基本数据、基本公式应用应用1： 薄膜制备中对真空度的要求是多少？薄膜制备中对真空度的要求是多少？设设N N0 0个蒸发分子经个蒸发分子经d d后未受残余气体分子碰撞的数目为：后未受残余气体分子碰撞的数目为：lddeNN 0显然，被碰撞的分子百分数显然，被碰撞的分子百分数 f

8、 为：为：lddeNNf 011 为产生镀膜效果，要求为产生镀膜效果，要求,dl 即有：即有：ldeld 1ldf 将将)cm( 667. 0Pl 代入得：代入得：Pdf5 . 1 一般来说，为保证膜层质量，要求一般来说，为保证膜层质量，要求110 fdP5 . 110 1 若若cm, 25 d则则:Pa 1033 Pd第一讲第一讲 基本概念、基本数据、基本公式基本概念、基本数据、基本公式应用应用2： 抑制残余气体与蒸发材料之间的反应所要的抑制残余气体与蒸发材料之间的反应所要的真空度是多少？真空度是多少？因为残余气体分子到达基片上的速率因为残余气体分子到达基片上的速率N为为: :RTPNNA

9、2 蒸发分子到达基片上的速率蒸发分子到达基片上的速率F为为: :tNMdFA1 膜层密度膜层密度: 摩尔质量摩尔质量:M膜层厚度膜层厚度:d阿伏伽德罗常数阿伏伽德罗常数:AN蒸发时间蒸发时间:t为了抑制残余气体与蒸发材料的反应，要求：为了抑制残余气体与蒸发材料的反应，要求：110 FNtMRTdP 2 10 1 一般来说：一般来说：Pa 1010 54 P注：单位面积注：单位面积第一讲第一讲 基本概念、基本数据、基本公式基本概念、基本数据、基本公式第二讲第二讲 真空获得与真空测量真空获得与真空测量l.l.真空获得真空获得抽真空设备抽真空设备 机械泵机械泵 罗茨泵罗茨泵 扩散泵扩散泵 分子泵分子

10、泵 离子泵离子泵 升华泵升华泵抽气能力抽气能力( (极限真空度极限真空度) )大气大气105 Pa 1 Pa5 Pa 10-6 Pa5 Pa 10-8 Pa 10-10 Pa10-3 Pa 10-12 Pa10-3 Pa 104 Pa 10-2 Pa104 102 1 10-2 10-4 SPa抽速升抽速升/ /秒秒机械泵机械泵罗茨泵罗茨泵分子泵分子泵扩散泵扩散泵第一讲第一讲 基本概念、基本数据、基本公式基本概念、基本数据、基本公式机械泵的工作原理机械泵的工作原理由玻意耳定律：由玻意耳定律：)(TKvRTPV VPVVP01)( VVVPP 01 n n个循环后：个循环后：nnVVVPP 0

11、当当 n则则0nP但存在有害空间，所以存在极限但存在有害空间，所以存在极限 Pm抽速抽速VS 2( (升升/ /秒秒) )因有害空间，所以实际抽速为因有害空间，所以实际抽速为: :)1 (PPSSmH 0 HmSPP当当时，时，有害空间有害空间第一讲第一讲 基本概念、基本数据、基本公式基本概念、基本数据、基本公式扩散泵的工作原理扩散泵的工作原理 根据流速大处气压小的原理，靠油蒸汽射流携带气根据流速大处气压小的原理，靠油蒸汽射流携带气体分子，再通过机械泵将气体排出。体分子，再通过机械泵将气体排出。气压小气压小真空室真空室接机械泵接机械泵加热器加热器(电炉电炉)扩散泵油扩散泵油冷阱冷阱冷却水管冷却

12、水管第一讲第一讲 基本概念、基本数据、基本公式基本概念、基本数据、基本公式分子泵的工作原理分子泵的工作原理 通过高速旋转的涡轮叶片，不断地对气体分子施通过高速旋转的涡轮叶片，不断地对气体分子施以定向的动量和压缩作用。以定向的动量和压缩作用。涡轮叶片涡轮叶片高速旋转高速旋转第一讲第一讲 基本概念、基本数据、基本公式基本概念、基本数据、基本公式离子泵的工作原理离子泵的工作原理钛阴极钛阴极钛阴极钛阴极不锈钢阳极不锈钢阳极高压高压5 5千伏千伏磁场磁场1-21-2千伏千伏气体分子电离气体分子电离a. 钛阴极板收集离子；钛阴极板收集离子；b. 溅射出来的钛原子溅射出来的钛原子 吸收气体分子。吸收气体分子

13、。抽气原理：抽气原理：升华泵的工作原理升华泵的工作原理对钛丝或钛球通电加热使钛升华。对钛丝或钛球通电加热使钛升华。因大面积上充分升华钛，所以能获得大的抽气速率。因大面积上充分升华钛，所以能获得大的抽气速率。第一讲第一讲 基本概念、基本数据、基本公式基本概念、基本数据、基本公式2.2.真空测量真空测量真空测量规管：真空测量规管：热电偶规管热电偶规管( (真空计真空计)-)-低真空测量低真空测量电离规管电离规管( (真空计真空计)-)-高真空测量高真空测量测量范围：测量范围：10 1 Pa ( (在此范围测量精确在此范围测量精确) )测量范围：测量范围：10-1 10-6 Pa 第一讲第一讲 基本

14、概念、基本数据、基本公式基本概念、基本数据、基本公式热电偶工作原理：热电偶工作原理： 任何两根不同的金属如镍任何两根不同的金属如镍- -康铜、铜康铜、铜- -康铜、铂康铜、铂- -铂铂铑等，当其两个接头的温度不同时，出现温差电动势：铑等，当其两个接头的温度不同时，出现温差电动势：)()(),(2121TeTeTT 热电偶中间导体定律：热电偶中间导体定律： 在热电偶回路中，加入一根中间导体，只要中间导在热电偶回路中，加入一根中间导体，只要中间导体两端的温度相同，就不会影响热电动热。体两端的温度相同，就不会影响热电动热。第一讲第一讲 基本概念、基本数据、基本公式基本概念、基本数据、基本公式热电偶规

15、管的工作原理热电偶规管的工作原理mAmVK加热灯丝加热灯丝玻璃管半经玻璃管半经r1Pt接真空室接真空室 在低压强下气体的热在低压强下气体的热传导与压强成正比关系传导与压强成正比关系.总热量的散失：总热量的散失：321QQQQ :1Q辐射热辐射热:2Q灯丝两端支撑的传热灯丝两端支撑的传热:3Q气体分子碰撞灯丝而气体分子碰撞灯丝而带走的热量带走的热量显然：显然：Q Q1 1和和Q Q2 2与压强与压强P P无关无关; ;只有只有Q Q3 3与压强与压强P P有关有关; ;压强压强P,P,碰撞次数碰撞次数,Q,Q3 3,从而灯丝温度变化越大。从而灯丝温度变化越大。第一讲第一讲 基本概念、基本数据、基

16、本公式基本概念、基本数据、基本公式粗真空下：粗真空下：l自由程自由程 r r r1 1管半经管半经Q Q3 3 很小很小, ,即即Q Q3 3Q5PaP5Pa：氧化；：氧化；当当P1P11010-1-1PaPa较高真空较高真空：电离达到平衡电离达到平衡饱和饱和不能测不能测 当当P10PVVl 有：有： VglgPRTVVV )(dd lgVVVTHTP 代入代入 克劳修斯克劳修斯- -克拉珀龙方程改变为：克拉珀龙方程改变为： d d2RTTHPPVV 而而H是渐变函数是渐变函数, ,可视为常数可视为常数. . ln RTHCPV 摩尔气体常数摩尔气体常数KJ/mol 314510. 8 R 3

17、 . 2 3 . 2lg TBARTHCPV 注：注： lg3 . 2ln xx 3 . 2 RHB 1lg TPV由此作一条直线由此作一条直线( (饱和蒸汽压曲线饱和蒸汽压曲线) )VPlgT1第一讲第一讲 基本概念、基本数据、基本公式基本概念、基本数据、基本公式讨论：讨论： lg TBAPV 3 . 2 RHB VPlgT1其斜率其斜率 3 . 2 RHB 由此求汽化热由此求汽化热H饱和蒸汽压随着温度升高而迅速增加，反之亦然。饱和蒸汽压随着温度升高而迅速增加，反之亦然。这表明：提高真空度可降低镀膜材料蒸发所需温度。这表明：提高真空度可降低镀膜材料蒸发所需温度。比较不同材料的蒸发温度比较不同

18、材料的蒸发温度. .VPT1T2T3T物质物质1 1物质物质3 3物质物质2 2由此，可以判断在混合蒸发由此，可以判断在混合蒸发材料中，哪个元素或化合物材料中，哪个元素或化合物先蒸发等。以便采取相应的先蒸发等。以便采取相应的技术措施。技术措施。Pa 1第一讲第一讲 基本概念、基本数据、基本公式基本概念、基本数据、基本公式 两种或两种以上物质蒸发的饱和蒸汽压两种或两种以上物质蒸发的饱和蒸汽压Pv Pv 分压定律：混合物的总蒸汽压分压定律：混合物的总蒸汽压PT等于各组元蒸汽分等于各组元蒸汽分 压之和压之和, ,即：即： iTPPPPP321拉乌尔定律：在混合物状态下成分拉乌尔定律：在混合物状态下成

19、分i i的饱和蒸汽压为：的饱和蒸汽压为：TiiiPNP 式中：式中：PiT为该成分为该成分i i单独存在时在温度单独存在时在温度T下的饱和蒸汽压下的饱和蒸汽压; ;Ni为该成分为该成分i i在混合物中占摩尔分数。在混合物中占摩尔分数。显然，对于二元化合物来说显然，对于二元化合物来说(A,B)，其，其NA+NB=l，其饱，其饱和蒸汽分压分别为：和蒸汽分压分别为：TBBBTAAAPNPPNP ,总饱和蒸汽压为：总饱和蒸汽压为：TBBTAABATPNPNPPP 对于三元、四元及多元化合物来说也如此。对于三元、四元及多元化合物来说也如此。第一讲第一讲 基本概念、基本数据、基本公式基本概念、基本数据、基

20、本公式三元化合物的熔点为：三元化合物的熔点为：ocoboaocTobToaTTCBA/1/1/1/0 T TA A、T TB B、T TC C : :分别为元素分别为元素A A、B B、C C 的熔点；的熔点；ABCcabo三元成分相图三元成分相图oaoa、obob、ococ : :分别为分别为相图中到各相图中到各 边的垂直距离。边的垂直距离。显然，当显然，当TA，TB，TC分别为元素分别为元素A，B，C饱和蒸汽饱和蒸汽压所对应的温度时，则压所对应的温度时，则T0就是化合物总饱和蒸汽压就是化合物总饱和蒸汽压PT所对应的温度。所对应的温度。第一讲第一讲 基本概念、基本数据、基本公式基本概念、基本

21、数据、基本公式 蒸发粒子的速率和能量蒸发粒子的速率和能量 蒸蒸发发汽粒子的速率分布可视为麦克斯韦速率分布：汽粒子的速率分布可视为麦克斯韦速率分布：kTmvekTmvvf2232224)( v0)(vf即一个分子在温度即一个分子在温度T下下速率为速率为v 的概率。的概率。所以所以, ,一个分子在温度一个分子在温度T下均方速率为：下均方速率为： 02233)(MRTmkTdvvfvv动能：动能：kTvmE23212 eV 2 . 01 . 0 Ecm/s 108)(05 mkTdvvvfv 分子平均分子平均速率速率第一讲第一讲 基本概念、基本数据、基本公式基本概念、基本数据、基本公式 蒸发速率蒸发

22、速率 由赫兹由赫兹- -努曾公式努曾公式, ,单位时间单位面积上碰撞的气体单位时间单位面积上碰撞的气体分子数为：分子数为：vnNS41 ,8mkTv kTPn 这也是单位时间从蒸发源单位面积上蒸发出来的分子数这也是单位时间从蒸发源单位面积上蒸发出来的分子数: :mkTPmkTkTPNVS 2841 PV : 饱和蒸汽压饱和蒸汽压所以所以, ,单位时间从蒸发源单位面积上蒸发出来的质量为单位时间从蒸发源单位面积上蒸发出来的质量为: :RTMPkTmPmNRVVSm 22 第一讲第一讲 基本概念、基本数据、基本公式基本概念、基本数据、基本公式 沉积速率沉积速率 单位时间到达样品表面单位面积上的分子数

23、为：单位时间到达样品表面单位面积上的分子数为： 0Sr cos2 20MRTrSNPNAVB ( (自证自证) )NA: 阿佛加德罗常数；阿佛加德罗常数；M: 分子量；分子量；S0: 蒸发源面积。蒸发源面积。设设d理理为单位时间内膜层生长厚度为单位时间内膜层生长厚度-沉积速率沉积速率 cos2 20MRTrSNPNMAVA d理理为膜层密度为膜层密度 式中：式中：MRTrSPV 2 cos 20 d理理mkTrSPV 2 cos20 ( (米米/ /秒秒) )第一讲第一讲 基本概念、基本数据、基本公式基本概念、基本数据、基本公式 但实际上并不是百分之百地凝结成膜，总有一但实际上并不是百分之百地

24、凝结成膜，总有一部分原子或分子会产生解吸。因此，存在一个凝结部分原子或分子会产生解吸。因此，存在一个凝结系数系数即：即：d d实实=d理理=d d实实/ /d理理 不同的基板，往往凝结系数不同的基板，往往凝结系数不同，从而沉积速不同，从而沉积速率率d d实实不同不同. 这是实验上所观察到的现象。这是实验上所观察到的现象。第一讲第一讲 基本概念、基本数据、基本公式基本概念、基本数据、基本公式 蒸发手段蒸发手段电阻蒸发电阻蒸发电子束蒸发电子束蒸发激光蒸发激光蒸发反应蒸发反应蒸发第一讲第一讲 基本概念、基本数据、基本公式基本概念、基本数据、基本公式溅射制备薄膜溅射制备薄膜 第四讲第四讲一一. .溅射

25、制备薄膜的工作原理溅射制备薄膜的工作原理雷电雷电实验模拟实验模拟阴极射管阴极射管18601860年格格夫年格格夫“溅射溅射”现象现象阴极阴极阳极阳极阴极辉光阴极辉光负辉光负辉光阳极光柱阳极光柱阿斯顿暗区阿斯顿暗区克鲁克斯暗区克鲁克斯暗区法拉第暗区法拉第暗区阴极射线管：阴极射线管：第一讲第一讲 基本概念、基本数据、基本公式基本概念、基本数据、基本公式 冷阴极发射出的电子其能量仅冷阴极发射出的电子其能量仅1.0eV1.0eV，不足以激活，不足以激活气体，因此，形成阿斯顿暗区；气体，因此，形成阿斯顿暗区； 电子加速后具有了能量，激活气体分子使其处于激电子加速后具有了能量，激活气体分子使其处于激发态，

26、而激发态向低能级跃发态，而激发态向低能级跃迁迁便发光，由此形成阴极便发光，由此形成阴极辉光区；辉光区； 电子电子继续加速，具有了较大能量，经碰撞使气体分继续加速，具有了较大能量，经碰撞使气体分子电离而自身电子速度降低，从而无法激活气体分子，子电离而自身电子速度降低，从而无法激活气体分子，因此形成克鲁克斯暗区。显然，在这个区域里有高密度因此形成克鲁克斯暗区。显然，在这个区域里有高密度的正离子，并加速向阴极运动的正离子，并加速向阴极运动, 从而有大电压降从而有大电压降； 慢电子再经电场加速后具有了能量，激活气体分子慢电子再经电场加速后具有了能量，激活气体分子使其处于激活态，经跃迁到低能，由此形成负

27、辉光区；使其处于激活态，经跃迁到低能，由此形成负辉光区；第一讲第一讲 基本概念、基本数据、基本公式基本概念、基本数据、基本公式 电子加速过快，仅能电离部分气体分子，不能激活电子加速过快，仅能电离部分气体分子，不能激活气体分子，因而是暗区，称其为法拉第暗区，并且暗气体分子，因而是暗区，称其为法拉第暗区，并且暗区较长，经过较长的法拉第暗区，电子又慢下来；区较长，经过较长的法拉第暗区，电子又慢下来； 慢下来的电子具有了激活气体分子的适合能量，而慢下来的电子具有了激活气体分子的适合能量，而使其处于激活态，经跃迁到低能级而形成阳极光柱。使其处于激活态，经跃迁到低能级而形成阳极光柱。 由此可见，电压主由此

28、可见，电压主要降在克鲁克斯暗区，要降在克鲁克斯暗区，而阴极光柱的电压降而阴极光柱的电压降很小，如图所示。很小，如图所示。阴极阴极阳极阳极克鲁克斯暗区克鲁克斯暗区V第一讲第一讲 基本概念、基本数据、基本公式基本概念、基本数据、基本公式中性粒子中性粒子e- 电子电子正离子正离子负离子负离子返回返回入射离子入射离子反射离子反射离子“溅射溅射”现象现象: 二次二次发射发射粒子粒子入射离子能量入射离子能量= 热能热能+二次发射粒子能量二次发射粒子能量955中性粒子数：二次电子数：二次离子数中性粒子数：二次电子数：二次离子数100101加热，结晶变化，扩散，离子注入加热，结晶变化，扩散，离子注入溅射理论溅

29、射理论:热学理论热学理论-局部加热蒸发，因不合实际而淘汰。局部加热蒸发，因不合实际而淘汰。动量理论动量理论-动量传递，当动能大于升华热动量传递，当动能大于升华热-溅出。溅出。现普遍承认现普遍承认第一讲第一讲 基本概念、基本数据、基本公式基本概念、基本数据、基本公式溅射参数：溅射率，溅射阀，溅射粒子速度和能量。溅射参数：溅射率，溅射阀，溅射粒子速度和能量。 溅射率溅射率 ( (溅射产额或溅射系数溅射产额或溅射系数) )平均每个正离子能从阴极上打出的原子数平均每个正离子能从阴极上打出的原子数.实际结果：实际结果： Ag Au,Cu, Ni, Al,Fe, Ti, Zr, Si, ,C溅射率增大方向

30、溅射率增大方向多晶材料的溅射率多晶材料的溅射率S ：022)(443EEmmmmSAIAI E: :入射离子能量入射离子能量E0: :升华热升华热其推导参见：其推导参见：411(1968) 10, Tela Tverd Fiz. et.al. Gurmin. L.第一讲第一讲 基本概念、基本数据、基本公式基本概念、基本数据、基本公式 溅射阈值溅射阈值入射离子使阴极靶产生溅射所需的最小能量入射离子使阴极靶产生溅射所需的最小能量.一般为：一般为：10-30eV/ /分子分子; ; 而升华热为：而升华热为：2-8eV/ /分子分子. . 溅射粒子的速率和能量溅射粒子的速率和能量Ar+轰击下，溅射粒子

31、的平均速率为轰击下，溅射粒子的平均速率为3-6105cm/scm/s平均能量为平均能量为: :10-40eV 大于蒸发能量大于蒸发能量0.1-0.2eV 二极溅射淀积速率二极溅射淀积速率0.3-5m/s 蒸发蒸发102-105m/s结论：结论： 溅射法：能量大，但淀积速率低溅射法：能量大，但淀积速率低 蒸发法：能量小，但淀积速率快蒸发法：能量小，但淀积速率快第一讲第一讲 基本概念、基本数据、基本公式基本概念、基本数据、基本公式二二. . 二极溅射、三极溅射二极溅射、三极溅射1. 1. 二极溅射二极溅射( (DC直流溅射直流溅射) )抽气抽气出水出水冷却水进冷却水进Ar气等气等接负高压接负高压阴

32、极溅射原理图阴极溅射原理图样品样品靶靶 M辉光等离子区辉光等离子区溅射步骤：溅射步骤：抽真空至抽真空至10-3-10-4Pa.充入惰性气体充入惰性气体( (如如Ar) ) 至至7-0.1Pa.加数千伏的负高压加数千伏的负高压,出现出现 辉光放电辉光放电. 这时，被电离了的这时，被电离了的ArAr离子离子向靶加速运动，通过动量传向靶加速运动，通过动量传递，靶材原子被打出而溅射递，靶材原子被打出而溅射到样品上，形成薄膜。到样品上，形成薄膜。第一讲第一讲 基本概念、基本数据、基本公式基本概念、基本数据、基本公式优点：二极溅射结构简单优点：二极溅射结构简单. .缺点：不能溅射介质膜即绝缘膜；缺点：不能

33、溅射介质膜即绝缘膜； 溅射速率低，往往需要几个小时溅射速率低，往往需要几个小时. .二极溅射的优二极溅射的优缺缺点：点：第一讲第一讲 基本概念、基本数据、基本公式基本概念、基本数据、基本公式2. 2. 三极溅射三极溅射阳极阳极(+50V)(+50V)靶靶(-600V)(-600V)磁场线圈磁场线圈(40-1000(40-1000高斯高斯) )样品样品栅极栅极(+360V)(+360V)热灯丝热灯丝惰性气体惰性气体(Ar)抽气抽气三极溅射原理图三极溅射原理图 为提高溅射沉为提高溅射沉积速率和避免基积速率和避免基板升温而提出了板升温而提出了三极溅射结构三极溅射结构 由此可见，等离子由此可见，等离子

34、区由热阴极和一个与区由热阴极和一个与靶无关的阳极来维持靶无关的阳极来维持,而靶偏压是独立的。而靶偏压是独立的。 M第一讲第一讲 基本概念、基本数据、基本公式基本概念、基本数据、基本公式 由此可大大降低靶电压，并且可在较低的气压由此可大大降低靶电压，并且可在较低的气压(10-1Pa)进行放电起辉。进行放电起辉。 再加入定向磁场，可把等离子体聚成一定的形再加入定向磁场，可把等离子体聚成一定的形状，从而使电离效率明显提高，进而提高溅射沉状，从而使电离效率明显提高，进而提高溅射沉积速率积速率:2000 nm/min另外，二次电子被磁场捕获，可避免基板升温。另外，二次电子被磁场捕获，可避免基板升温。 显

35、然，三极溅射的溅射速率等比二极溅射有了较大显然，三极溅射的溅射速率等比二极溅射有了较大的进步，但是仍不能满足实际要求的溅射沉积速率，的进步，但是仍不能满足实际要求的溅射沉积速率，气体分子也只有气体分子也只有0.30.3-0.5-0.5的被电离，因为电子几的被电离，因为电子几乎是直线运动。乎是直线运动。第一讲第一讲 基本概念、基本数据、基本公式基本概念、基本数据、基本公式溅射制备薄膜溅射制备薄膜 第五讲第五讲三三. .射频溅射镀膜射频溅射镀膜( (Rf 溅射溅射) ) 上堂课讲的二极、三极上堂课讲的二极、三极溅射是直流溅射是直流(DC)溅射，这溅射，这只能溅射金属膜而不能溅射只能溅射金属膜而不能

36、溅射介质绝缘材料。因为靶面上介质绝缘材料。因为靶面上正离子堆积越来越多，从而正离子堆积越来越多，从而靶电势越来越高，导致阴靶靶电势越来越高，导致阴靶极和阳极基板电势差越来越极和阳极基板电势差越来越小小, ,最后最后, ,不能形成辉光放电不能形成辉光放电而停止溅射而停止溅射, ,如图所示。如图所示。-1500-3000V绝缘介质靶绝缘介质靶样品样品 rA第一讲第一讲 基本概念、基本数据、基本公式基本概念、基本数据、基本公式 射频溅射射频溅射( (RF) )可溅射镀制介质膜和金属膜可溅射镀制介质膜和金属膜, ,即在即在绝缘靶背面装上一金属电极绝缘靶背面装上一金属电极, ,施加频率为施加频率为5-3

37、0MHz的的高频电场一般采用工业频率高频电场一般采用工业频率13.56MHz，可使溅射持，可使溅射持续进行，其工作原理如图所示：续进行，其工作原理如图所示：绝缘介质靶绝缘介质靶样品样品高频电源高频电源-Vb0Vt负半周负半周正半周正半周第一讲第一讲 基本概念、基本数据、基本公式基本概念、基本数据、基本公式负半周时：氩离子溅射靶材，并堆积在靶面，但正负半周时：氩离子溅射靶材，并堆积在靶面，但正 离子运动相对电子运动要慢得多，所以离子运动相对电子运动要慢得多，所以 正氩离子堆积慢。正氩离子堆积慢。正半周时：电子打在靶表面上，与靶表面上的正离正半周时：电子打在靶表面上，与靶表面上的正离 子子Ar+中

38、和，并堆积在靶面上，由于电子中和，并堆积在靶面上，由于电子 运动快，所以堆积快。运动快，所以堆积快。 因此，从长一段时间来看，靶材表面呈负性，因此，从长一段时间来看，靶材表面呈负性，即相当于靶自动地加了一个负偏压即相当于靶自动地加了一个负偏压Vb，从而靶材料，从而靶材料能在正离子能在正离子ArAr+ +轰击下持续溅射。轰击下持续溅射。第一讲第一讲 基本概念、基本数据、基本公式基本概念、基本数据、基本公式 另外，电子在高频电场中的振荡可增加电离另外，电子在高频电场中的振荡可增加电离ArAr+ +离子的几率，从而使溅射速率提高。离子的几率，从而使溅射速率提高。高频电场频率值选择依据：高频电场频率值

39、选择依据： 阴阳电极间构成电容阴阳电极间构成电容C, ,其间电压其间电压V, ,蓄电量蓄电量Q, ,则有：则有：CQV CItQCtV 1 所以频率为：所以频率为：MHz10Hz101 7 VCIf 这正是选择工业频率这正是选择工业频率13.6MHz的依据的依据。设设I为一周期内流过电极的平均电流为一周期内流过电极的平均电流10-2-10-3A， 而而V500V，C10-11-10-12F，第一讲第一讲 基本概念、基本数据、基本公式基本概念、基本数据、基本公式四四. .磁控溅射镀膜磁控溅射镀膜 上述几种溅射方法其溅射速率较低，因为电子在上述几种溅射方法其溅射速率较低，因为电子在阴阳电极之间作直

40、线运动，所以仅有阴阳电极之间作直线运动，所以仅有0.3-0.5的气体的气体分子被电离。分子被电离。 磁控溅射的溅射速率磁控溅射的溅射速率比上述几种溅射方法提比上述几种溅射方法提高高十倍左右，并且对于许十倍左右，并且对于许多多材料，其溅射速率几乎材料，其溅射速率几乎接接近电子束的蒸发速率。近电子束的蒸发速率。-200-500VNNS磁芯磁芯磁磁力力线线EH样品样品靶材靶材第一讲第一讲 基本概念、基本数据、基本公式基本概念、基本数据、基本公式磁控溅射的工作原理磁控溅射的工作原理: 引入正交电磁场使电子作曲线运动，从引入正交电磁场使电子作曲线运动，从而使而使Ar原子的离化率提高到原子的离化率提高到5

41、 - 6，进而使溅射速进而使溅射速率提高十倍以上。率提高十倍以上。定性分析：定性分析：定量分析：定量分析：HE 如图如图. yx0zEH 电子受力为：电子受力为：)(HveEeF 设设t=0时，电子初速时，电子初速v0=0,E、H 为常数为常数由此电子在开初不可能有由此电子在开初不可能有vz , 即即vz =0仅有仅有vx初初 0, vy初初 0( (电子在电场电子在电场E作用下作用下) )第一讲第一讲 基本概念、基本数据、基本公式基本概念、基本数据、基本公式 0 222222dtzdmHdtdxedtydmHdtdyeeEdtxdm 222233 HdtdxedtydmHdtydedtxdm

42、 2233dtdxmHedtxdm 令：令： , ,2222meHmHedtdx 0 222 dtdm其解：其解： )cos( tA当当t=0时时000 tdtdx 2 0cos 0 A )2cos( tA第一讲第一讲 基本概念、基本数据、基本公式基本概念、基本数据、基本公式而在而在 x 方向仅受电场力作用，所以有：方向仅受电场力作用，所以有： 22meEdtxddtd ,meHdtdx )2cos( tA AtAt 0 )2)sin(- HEA sin)2cos( tHEtHE dd tx ttHExxtxdsind 00 tcos-1 tcost0 HEHE cos-1 2 tmeHeHm

43、Ex同理同理可证：可证： sin- 2 tmeHtmeHeHmE y自证自证第一讲第一讲 基本概念、基本数据、基本公式基本概念、基本数据、基本公式 由此可见，电子运动轨迹为在由此可见，电子运动轨迹为在E与与H构成平面的摆构成平面的摆线方程。线方程。 将将x、y 分别对分别对t 求导求导, ,得电子速率方程：得电子速率方程： sin tmeHHEdtdx cos-1 dd tmeHHEty yx0zEH 由此可见由此可见, ,电子运动速率呈周期性变化电子运动速率呈周期性变化, ,并且速率峰值并且速率峰值与与E E成正比成正比, ,与与H H成反比成反比, ,而变化频率与而变化频率与H H成正比成

44、正比, ,即：即：, mvE mvH sin- 2 tmeHtmeHeHmE y cos-1 2 tmeHeHmEx讨论：讨论：第一讲第一讲 基本概念、基本数据、基本公式基本概念、基本数据、基本公式离子镀膜法离子镀膜法, ,MBE法法, ,CVDCVD法法第六讲第六讲1. 离子镀膜法离子镀膜法 真空蒸发真空蒸发+ +溅射溅射离子镀膜法离子镀膜法 离子束溅射离子束溅射离子离子镀膜法镀膜法第一讲第一讲 基本概念、基本数据、基本公式基本概念、基本数据、基本公式 真空蒸发真空蒸发+ +溅射溅射离子镀膜法离子镀膜法等离子体等离子体样品样品热灯丝热灯丝惰性气体惰性气体(Ar)抽气抽气蒸发材料蒸发材料本底真

45、空本底真空: : 10 10-3-3-10-10-4-4PaPa工作气压工作气压: : 10 10-2-2-1Pa-1Pa用真空蒸发来制成薄膜用真空蒸发来制成薄膜;用溅射作用来清洁样品用溅射作用来清洁样品 表面表面离子清洗离子清洗.直直流流电电压压 第一讲第一讲 基本概念、基本数据、基本公式基本概念、基本数据、基本公式优点：成膜速率快优点：成膜速率快50m/min，膜层洁净，不受沾污，膜层洁净，不受沾污， 能量大能量大( (高出溅射法镀膜粒子高出溅射法镀膜粒子1-2个数量级个数量级) )缺点：正离子轰击基片使其升温，从而引起膜层中缺缺点：正离子轰击基片使其升温，从而引起膜层中缺 陷和针孔。陷和

46、针孔。 a. a.将直流电压换成高频电源将直流电压换成高频电源高频离子镀；高频离子镀； b.b.另设一宽束离子源轰击基另设一宽束离子源轰击基片片，能量可调，能量可调 离子辅助沉积成膜。离子辅助沉积成膜。改进措施：改进措施：第一讲第一讲 基本概念、基本数据、基本公式基本概念、基本数据、基本公式 离子束溅射离子束溅射离子离子镀膜法镀膜法 真空蒸发镀膜，溅射镀膜，离子镀膜都不能控真空蒸发镀膜，溅射镀膜，离子镀膜都不能控制达到基片上的粒子流。为提高成膜质量，需要制达到基片上的粒子流。为提高成膜质量，需要精确控制成膜过程如图所示：精确控制成膜过程如图所示：离子源离子源ArAr抽气抽气样品样品靶材靶材Pa

47、104 P克努曾喷射源克努曾喷射源第一讲第一讲 基本概念、基本数据、基本公式基本概念、基本数据、基本公式优点：成膜能精确控制，调束流和离子束能即可；优点：成膜能精确控制，调束流和离子束能即可； 高真空度下成膜，膜层质量好；高真空度下成膜，膜层质量好； 基片温度低。基片温度低。 由图可见，惰性离子由图可见，惰性离子Ar+束轰击靶材，而将靶材分束轰击靶材，而将靶材分子溅射到基片上。这事实上属二次离子束沉积。子溅射到基片上。这事实上属二次离子束沉积。 进一步改进即实现一次离子束沉积：由固态物质进一步改进即实现一次离子束沉积：由固态物质的离子束直接打在基片上沉积而形成薄膜的离子束直接打在基片上沉积而形

48、成薄膜-离子束离子束沉积法。沉积法。 但在工艺实现比较困难，因为不易产生足够数量但在工艺实现比较困难，因为不易产生足够数量的固态物质离子，并能将它们引出和聚焦成束。的固态物质离子，并能将它们引出和聚焦成束。 第一讲第一讲 基本概念、基本数据、基本公式基本概念、基本数据、基本公式2. 分子束外延制膜法分子束外延制膜法( (MBE) 外延工艺：外延工艺：合适的条件下，合适的条件下，在适当的衬底上生成在适当的衬底上生成一层晶格结构完整的新单晶层外延层的制膜工艺。一层晶格结构完整的新单晶层外延层的制膜工艺。 同质外延：外适层与衬底材料在结构和性质上同质外延：外适层与衬底材料在结构和性质上相同，但纯度可

49、控等。相同，但纯度可控等。 异质外延：外适层与衬底材料在结构和性质不同。异质外延：外适层与衬底材料在结构和性质不同。高品质的半导体芯片就是由分子束外延制成。高品质的半导体芯片就是由分子束外延制成。第一讲第一讲 基本概念、基本数据、基本公式基本概念、基本数据、基本公式分子束外延装置分子束外延装置:SnSn源源AlAl源源GaGa源源档板档板样品样品工作室真空：工作室真空：1010-8-8Pa;Pa;分子束喷射源多个分子束喷射源多个; ;各种监控仪等。各种监控仪等。 将物质如将物质如AlAl、GaGa等掺杂剂等掺杂剂分别放入喷射源的坩熔内，分别放入喷射源的坩熔内，加热使物质熔化升华就能产加热使物质

50、熔化升华就能产生相应的分子束；生相应的分子束；这是目前最精确可控的成膜技术。这是目前最精确可控的成膜技术。 喷射源的孔径远小于容器喷射源的孔径远小于容器内蒸汽分子的平均自由程；内蒸汽分子的平均自由程；喷射源的炉温和档板可调，喷射源的炉温和档板可调，从而实现成膜及掺杂精确控从而实现成膜及掺杂精确控制。制。第一讲第一讲 基本概念、基本数据、基本公式基本概念、基本数据、基本公式分子束外延制膜法分子束外延制膜法( (MBE)的优点的优点:a.a.能实现将原子一个一个坩在衬底上沉积；能实现将原子一个一个坩在衬底上沉积；b.b.在超高真空下成膜，膜的质量好，纯度高；在超高真空下成膜，膜的质量好，纯度高；c

51、.c.能获得单晶薄膜，并且衬底温度低；能获得单晶薄膜，并且衬底温度低；d.d.可同时进行成份、形貌等实时监控，以便于科可同时进行成份、形貌等实时监控，以便于科 学研究。学研究。第一讲第一讲 基本概念、基本数据、基本公式基本概念、基本数据、基本公式3. 化学气相沉积法化学气相沉积法(CVD) 一种或几种气态元素在一个加热的基片上进行化一种或几种气态元素在一个加热的基片上进行化学反应，而形成不挥发的固态膜层的过程称为化学气学反应，而形成不挥发的固态膜层的过程称为化学气相沉积相沉积(CVD)。CVD装置：装置：气瓶气瓶1 1气瓶气瓶2 2 气瓶气瓶3 3SSS阀阀阀阀质量流量计质量流量计加热线圈加热线圈样品样品排气排气石英支承板石英支承板第一讲第一讲 基本概念、基本数据、基本公式基本概念、基本数据、基