薄膜材料制備原理技術(shù)及應(yīng)用學(xué)問(wèn)點(diǎn)薄膜材料制備原理、技術(shù)及應(yīng)用學(xué)問(wèn)點(diǎn)1一、名詞解釋氣體分子的平均自由程：自由程是指一個(gè)分子與另一個(gè)分子連續(xù)兩次碰撞之間的直線路徑。對(duì)于單個(gè)分子來(lái)說(shuō)，自由程既長(zhǎng)又短，但大量分子的自由程有肯定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。兩次連續(xù)的氣體分子碰撞之間的平均距離。物理氣相沉積〔pvd〕：物理氣相沉積(physicalvapordeposition，pvd)技術(shù)表示在真空條件下，承受物理方法，將材料源――固體或液體外表氣化成氣態(tài)原子、分子或局部電離成離子，并通過(guò)低壓氣體(或等離子體)過(guò)程，在基體外表沉積具有某種特別功能的薄膜的技術(shù)。物理氣相沉積的主要方法有，真空蒸鍍、濺射鍍膜、電弧等離子體鍍、離子鍍膜，及分子束外延等。進(jìn)展到目前，物理氣相沉積技術(shù)不僅可沉積金屬膜、合金膜、還可以沉積化合物、陶瓷、半導(dǎo)體、聚合物膜等。3.化學(xué)氣相沉積〔cvd〕：化學(xué)氣相沉積(chemicalvapordeposition，簡(jiǎn)稱cvd)是反響物質(zhì)在氣態(tài)條件下發(fā)生化學(xué)反響，生成固態(tài)物質(zhì)沉積在加熱的固態(tài)基體外表，進(jìn)而制得固體材料的工藝技術(shù)。它本質(zhì)上屬于原子范疇的氣態(tài)傳質(zhì)過(guò)程。4.等離子體鞘層電位：等離子體區(qū)域和物體外表之間的電位差δVP電位。在等離子體中放入一個(gè)金屬板，由于電子和離子做熱運(yùn)動(dòng)，而電子比離子的質(zhì)量小，熱速度就比離子大，先到達(dá)金屬板，這樣金屬板帶上負(fù)電，板四周有一層離子，于是形成了一個(gè)小局域電場(chǎng)，該電場(chǎng)加速了離子，減速電子，最終穩(wěn)定了以后，就形成了鞘層構(gòu)造，該金屬板穩(wěn)定后具有一個(gè)電勢(shì)，稱為懸浮電位。5.濺射產(chǎn)額：即單位入射離子轟擊靶極濺出原子的平均數(shù)，與入射離子的能量有關(guān)。自偏壓效應(yīng)：當(dāng)射頻電場(chǎng)作用時(shí)，靶自動(dòng)處于負(fù)電位，導(dǎo)致氣體離子自發(fā)轟擊和濺射。磁控濺射：在二極濺射中增加一個(gè)平行于靶外表的封閉磁場(chǎng)，借助于靶外表上形成的正交電磁場(chǎng)，把二次電子束縛在靶外表特定區(qū)域來(lái)增加電離效率，增加離子密度和能量，從而實(shí)現(xiàn)高速率濺射的過(guò)程。離子鍍：在真空條件下，利用氣體放電使氣體或蒸發(fā)物質(zhì)局部電離，產(chǎn)生離子轟擊PVD離化率：被離化的原子數(shù)與被蒸發(fā)氣化的原子數(shù)之比稱為離化率.一般離扮裝置的20～40%等離子體關(guān)心化學(xué)氣相沉積〔PECVD〕技術(shù)：利用等離子體激活反響氣體，促進(jìn)基底外表或近外表空間的化學(xué)反響，生成固體薄膜的技術(shù)。等離子體化學(xué)氣相沉積技術(shù)的基本原理是在高頻或直流電場(chǎng)的作用下使源氣體電離形成等離子體，以低溫等離子體為能源，注入適量的反響氣體，利用等離子體放電激活反響氣體，實(shí)現(xiàn)化學(xué)氣相沉積。外延生長(zhǎng)：在單晶襯底〔基片〕上生長(zhǎng)一層有肯定要求的、與襯底晶向一樣的單晶層，如同原來(lái)的晶體向外延長(zhǎng)了一段，故稱外延生長(zhǎng)。薄膜附著力：薄膜對(duì)基材的附著力，即薄膜與基材在化學(xué)結(jié)合力或物理咬合力作用下的結(jié)合強(qiáng)度。21、當(dāng)環(huán)境中元素的分壓降低到了其平衡蒸氣壓之下時(shí)，元素發(fā)生凈蒸發(fā)。反之，元素發(fā)生凈沉積。2.在直流放電系統(tǒng)中，氣體放電通常經(jīng)受三個(gè)放電過(guò)程：湯姆遜放電階段、輝光放電階段和電弧放電階段。濺射主要由輝光放電階段產(chǎn)生的大量等離子體形成。3、濺射僅是離子轟擊物體外表時(shí)發(fā)生的物理過(guò)程之一，不同能量的離子與固體外表相互作用的過(guò)程不同，不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)原子的濺射，還可以在固體外表形成沉積現(xiàn)象和離子注入現(xiàn)象。4.濺射法中使用的大多數(shù)放電氣體是Ar離子時(shí)，材料的濺射產(chǎn)率較高。從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看，氬通常被用作濺射氣體。5、直流濺射要求靶材具有良好的導(dǎo)電性，否則靶電流過(guò)小，靶電壓過(guò)高，而射頻濺射方法以溝通電源供給高頻電場(chǎng)，高頻電場(chǎng)可經(jīng)由其它阻抗形式進(jìn)入沉積室，不再要求電極肯定是導(dǎo)電體，使濺射過(guò)程擺脫對(duì)靶材導(dǎo)電性的要求。6.磁控濺射的缺點(diǎn)。一微觀永久大于宏觀你永久大于人類今日永久大于永久■■■■■■■■純屬個(gè)人行為，僅供參考■■■■■■■■勿刪■■■■■■■■■1.磁控濺射使用的環(huán)形磁場(chǎng)迫使次級(jí)電子圍繞環(huán)形磁場(chǎng)跳動(dòng)。因此，由環(huán)形磁場(chǎng)掌握的區(qū)域是等離子體密度最高的區(qū)域。在磁控濺射過(guò)程中，可以看到濺射氣體氬在這一局部發(fā)出猛烈的淡藍(lán)色輝光，形成光暈。光暈下的目標(biāo)是受到離子轟擊最嚴(yán)峻的局部，離子會(huì)飛濺出一個(gè)圓形凹槽。環(huán)形磁場(chǎng)是電子運(yùn)動(dòng)的軌道，由環(huán)形輝光和凹槽生動(dòng)地顯示。磁控濺射靶材的濺射槽一旦穿透靶材，整個(gè)靶材就會(huì)報(bào)廢，因此靶材的利用率不高，一般不到40%；2.等離子體不穩(wěn)定性；3、不能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)磁性材料的低溫高速濺射，由于幾乎全部的磁通都通不過(guò)磁性靶子，所以在靶面四周不能加外加強(qiáng)磁場(chǎng)7.為了獲得厚的甚至是單晶薄膜，一個(gè)必要的條件通常是適當(dāng)提高沉積溫度和降消沉積速率。相反，隨著低溫順沉積速率的增加，薄膜的晶粒會(huì)細(xì)化。8、在薄膜沉積的最初階段，先要有相核心的形成。相的形核過(guò)程可以被分為兩種類型，即自發(fā)形核與非自發(fā)形核。自發(fā)形核指的是整個(gè)形核過(guò)程完全是在相變自由能的推動(dòng)下進(jìn)展的，而自發(fā)形核則指的是除了有相變自由能作推動(dòng)力外，還有其它因素起著幫助相核心生成的作用。自發(fā)形核一般只發(fā)生在一些細(xì)心掌握的過(guò)程之中，在薄膜與襯底之間浸潤(rùn)性較差的狀況下，薄膜的形核過(guò)程可近似認(rèn)為是一個(gè)自發(fā)形核過(guò)程；在大多數(shù)相變過(guò)程中，形核的過(guò)程都是非自發(fā)的，相的核心將首先消滅在那些能量比較有利的位置上。9.在薄膜的沉積過(guò)程中，原子最有可能被具有較高外表能的外表吸引并分散到非嚴(yán)密排列的外表。因此，在非嚴(yán)密排列的晶體外表上，薄膜的沉積速率最高，而在其他晶體外表上，薄膜的沉積速率較低。10.外延膜的生長(zhǎng)方式。這兩種不同生長(zhǎng)模式的主要緣由是原子在薄膜外表的集中力量不同。當(dāng)原子的集中力量較高且平均集中距離大于平均臺(tái)階間距時(shí)，薄膜將承受階梯流生長(zhǎng)模式。否則，薄膜只能承受二維成核的生長(zhǎng)方式。11.金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用。優(yōu)勢(shì)：混合后通入反響腔，混合氣體流經(jīng)加熱的襯底外表時(shí)，在襯底外表發(fā)生熱分解反響，并外延生長(zhǎng)成化合物單晶薄膜。與其他外延生長(zhǎng)技術(shù)相比，mocvd用于生長(zhǎng)化合物半導(dǎo)體材料的組分和摻雜劑以氣體方式引入反響室。因此，可以通過(guò)準(zhǔn)確掌握氣體源的流速和開關(guān)時(shí)間來(lái)掌握外延層的成分、摻雜濃度和厚度。它可以用來(lái)生長(zhǎng)薄層和超薄層材料。2.反響室內(nèi)氣體流速較快。因此，當(dāng)需要轉(zhuǎn)變多組分化合物的組成和摻雜濃度時(shí)，可以快速轉(zhuǎn)變它們以削減記憶效應(yīng)的可能性。這有利于獲得陡峭的界面，適合異質(zhì)構(gòu)造、超晶格和量子阱材料的生長(zhǎng)。3氣流和溫度分布的均勻性，就可以保證外延材料的均勻性。因此，適于多片和大片的外延生長(zhǎng)，便于工業(yè)化大批量生產(chǎn)。一般來(lái)說(shuō)，晶體生長(zhǎng)速率與III較快的生長(zhǎng)速度適合批量生長(zhǎng)。5料就可以進(jìn)展包含該元素的材料的mocvd種類較多，性質(zhì)也有肯定的差異。6MOCVDMOCVD的生長(zhǎng)過(guò)程可以在原位監(jiān)測(cè)。MOCVDmocvdprecursorled,led裝入金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)的圓形在芯片上，這一過(guò)程被稱為晶體取向后生，這對(duì)確定LEDLEDMOCVD1。鈣鈦礦氧化物，如PZT、SBT、cemno22.鐵電薄膜；3.ZnOLEDn-ZnOp-ZnO，TFTZnO和ZnO線；4.聲外表波器件saw〔LiNbO3〕；5.三組或五組化合物，如Gan、GaAs二極管〔LED〕、激光器〔LD〕和探測(cè)器；6.MEMS；7.太陽(yáng)能電池薄膜；8.銻化物薄膜；9.YBCO10.用于探測(cè)器MOCVDSiC和Si3N4層均勻、構(gòu)造緊湊、對(duì)襯底和外形簡(jiǎn)單的襯底附著力好等優(yōu)點(diǎn)。因此，MOCVD上的主要涂層技術(shù)。近年來(lái)，MOCVDMOCVD還被用于催化劑制備、改性和其他應(yīng)用，如在可預(yù)見的將來(lái)制造超細(xì)晶體和掌握催化劑的有效深度，MOCVD12.分子束外延的定義和應(yīng)用定義：分子束外延是一種的晶體生長(zhǎng)技術(shù)，簡(jiǎn)記為mbe。其方法是將半導(dǎo)體襯底放置在超高真空腔體中，和將需要生長(zhǎng)的單晶物質(zhì)按元素的不同分別放在噴射爐中〔也在腔體內(nèi)〕。由分別加熱到相應(yīng)溫度的各元素噴射出的分子流能在上述襯底上生長(zhǎng)出極薄的〔可薄至單原子層水平〕單晶體和幾種物質(zhì)交替的超晶格構(gòu)造。應(yīng)用：分子束外延〔MBE〕作為一種先進(jìn)的真空蒸發(fā)技術(shù)，由于其在材料化學(xué)成分和生長(zhǎng)速率掌握方面的優(yōu)勢(shì)，格外適合于各種化合物半導(dǎo)體及其合金材料的同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)外延生長(zhǎng)。它還應(yīng)用于微波、半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管〔MESFET〕、高電子遷移率晶體管〔HEMT〕、異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管〔HFET〕、異質(zhì)結(jié)雙極晶體管〔HBT〕等領(lǐng)域。毫米波器件和電路在光電子器件的制備中起著重要作用。近年來(lái)，隨著器件性能要求的不斷提高，器件設(shè)計(jì)正朝著小型化、構(gòu)造穎、低維空間和能量量化的方向進(jìn)展。分子束外延〔MBE〕作為一種不行或缺的技術(shù)和手段，正在二維電子氣〔2DEG〕、多量子阱〔QW〕、量子線和量子點(diǎn)等構(gòu)造的爭(zhēng)論中建立了一項(xiàng)的工作。MBEMEEGSMBE。三、分析簡(jiǎn)答1.依據(jù)導(dǎo)流CSPsSPCC，這說(shuō)明氣體流淌的困難。導(dǎo)流器的尺寸隨氣體的流淌狀態(tài)和管道的外形而變化。在粘性狀態(tài)下，氣體分子之間的碰撞是主要的，氣體壓力的作用更有效，氣體更簡(jiǎn)潔通過(guò)，因此流淌的傳導(dǎo)性大；相反，在分子流淌狀態(tài)下，氣體分子之間的碰撞可以無(wú)視，氣體壓力的影響很小，因此流淌電導(dǎo)率很小。泵送速度：泵送速度是指在規(guī)定壓力下每單位時(shí)間抽取的氣體體積〔理論泵送速度〕真空泵的抽速spc起著同樣重要的作用。使用一臺(tái)抽速為sp的泵通過(guò)流導(dǎo)c各處流量相等，有：所以真空泵出口處實(shí)際抽速sspcqs？？psp？C即真空泵的實(shí)際抽速ssp，且永久小于管路流導(dǎo)c。即sspc因此，設(shè)計(jì)真空系統(tǒng)的根本原則是確保管道的導(dǎo)流力量CSP2、利用抱負(fù)溶液的拉烏爾定律分析利用熱蒸發(fā)的方法制備合金薄膜時(shí)引起成分偏差的緣由。AB〔A-AA-BB-B〕時(shí)，依據(jù)拉烏爾定律，合金中B組分的平衡蒸汽壓Pb將與純B組分的平衡蒸汽壓Pb〔0〕成正比，且摩爾分?jǐn)?shù)xbpb=xbpb〔0〕因而，a、bpa/pb=xapa(0)/xbpb(0)對(duì)于實(shí)際混合物，它或多或少偏離了上述抱負(fù)狀況，因此拉烏爾定律變?yōu)閜b=γbxbpb(0)=abpb(0)ab、γbba、b因此，即使對(duì)于抱負(fù)溶液，合金中兩種組分的蒸氣壓或蒸發(fā)率之比也將不同于合金中組分含量之比。3.離子鍍制備薄膜的物理過(guò)程：離子鍍?cè)谡婵諚l件下，利用氣體放電使氣體或被蒸發(fā)物局部別化，產(chǎn)生離子轟擊效應(yīng)，最終將蒸發(fā)物或反響物沉積在基片上。結(jié)合蒸發(fā)與濺射兩種薄膜沉積技術(shù)而進(jìn)展的一種pvd法過(guò)程如下：1。產(chǎn)生輝光；24與蒸發(fā)，濺射的比較，離子束鍍?cè)黾恿藢?duì)沉積束團(tuán)的掌握；與基片結(jié)合良好；在低溫下可實(shí)現(xiàn)外延生長(zhǎng)；形貌可變；可合成化合物；可在低溫襯底沉積，避開高溫引起的集中12-3-4-5-67-8-真空連接圖3-48〔一〕離子鍍顆粒衍射原理及特性10-1pa10-4程低，散射嚴(yán)峻，所以繞射性好。在氣體放電離子鍍中，沉積的顆粒帶正電荷，并在負(fù)電位下被基底吸引。離子鍍的粒子衍射提高了薄膜對(duì)簡(jiǎn)單外表的掩蓋力量。4.化學(xué)氣相沉積的動(dòng)力學(xué)過(guò)程：化學(xué)氣相沉積過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)可以劃歸為兩個(gè)階段:(1)氣體傳輸、氣相反響階段；(2)外表吸附、外表反響階段。在氣相傳輸和氣相反響階段，主要涉及三個(gè)根本過(guò)程：氣體的宏觀流淌、氣體分子的集中和氣相化學(xué)反響；在后一階段，主要涉及三個(gè)微過(guò)程：氣體分子的外表吸附和解吸、外表集中和外表化學(xué)反響，形成薄膜微構(gòu)造。5、試驗(yàn)觀看到的薄膜生長(zhǎng)模式可以被劃分為以下三種：島、層和層島增長(zhǎng)模式Volmer-Weber被沉積物質(zhì)的原子或分子更傾向于自己相互鍵合起來(lái)，而避開與襯底原子鍵合，即被沉積物質(zhì)與襯底之間的浸潤(rùn)性較差；金屬在非金屬襯底上生長(zhǎng)大都實(shí)行這種模式。對(duì)很多薄膜與襯底的組合來(lái)說(shuō)，只要沉積溫度足夠高，沉積的原子具有肯定的集中力量，薄膜的生長(zhǎng)就表現(xiàn)為島狀生長(zhǎng)模式。層狀生長(zhǎng)〔frank-vandermerwe)模式：當(dāng)沉積材料和襯底之間的潤(rùn)濕性良好時(shí)，沉積材料的原子傾向于與襯底原子結(jié)合。因此，薄膜從成核階段開頭承受二維膨脹模式，并沿襯底外表集中。在隨后的過(guò)程中，薄膜生長(zhǎng)將始終保持這種分層生長(zhǎng)模式。Stratski-krastanov在層狀-島狀中間生長(zhǎng)模式中，在最開頭一兩個(gè)原子層厚度的層狀生長(zhǎng)之后，生長(zhǎng)模式轉(zhuǎn)化為島狀模式。導(dǎo)致這種模式轉(zhuǎn)變的物理機(jī)制比較簡(jiǎn)單，但根本的緣由應(yīng)當(dāng)可以歸結(jié)為薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中各種能量的相互消長(zhǎng)。襯底溫度和沉積速率對(duì)成核過(guò)程和薄膜構(gòu)造的影響：薄膜沉積速率r與襯底溫度t薄膜沉積速率越高，薄膜臨界核心半徑與臨界形核自由能降低，因而高的沉積速率將會(huì)導(dǎo)致高的沉積速率和細(xì)密的薄膜組織。而襯底溫度越高，需要形成的臨界核心的尺寸越大，形核的臨界自由能勢(shì)壘也越高，因而高溫沉積的薄膜往往首先形成粗大的島狀組織，而低溫時(shí)，臨界形核自由能下降，形成的核心數(shù)目增加，有利于形成晶粒細(xì)小而連續(xù)的薄膜組織。膜應(yīng)力的定義和緣由：薄膜應(yīng)力指的是存在于薄膜任意斷面上，由斷面一側(cè)作用于斷面另一側(cè)的單位面積上的力。一般狀況下，即使在沒有任何外力作用的狀況下，薄膜中也總存在著應(yīng)力，稱之為內(nèi)應(yīng)力或剩余應(yīng)力。依據(jù)薄膜應(yīng)力產(chǎn)生的根本緣由，薄膜中應(yīng)力的產(chǎn)生通?？煞譃闊釕?yīng)力和生長(zhǎng)應(yīng)力。熱應(yīng)力是薄膜與基材之間的線膨脹系數(shù)差以及溫度變化引起的薄膜應(yīng)力；薄膜的生長(zhǎng)應(yīng)力，又稱內(nèi)應(yīng)力，是由于薄膜構(gòu)造的不平衡而引起的薄膜內(nèi)應(yīng)力。8、薄膜與襯底之間的界面可分為以下四種類型：平面界面：在這種界面上，材料從一種類型轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N類型，兩側(cè)的原子缺乏相互集中，薄膜附著力差。形成化合物的界面：在界面兩側(cè)原子間作用力較強(qiáng)時(shí)，界面原子之間將發(fā)生化學(xué)反響并生成化合物，界面有一層適當(dāng)厚度的化合物過(guò)渡層，提高界面附著力，但同時(shí)由于一般化合物脆性比較大，界面易發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。合金集中界面：當(dāng)界面兩側(cè)的元素集中溶解形成合金時(shí)，界面成分會(huì)發(fā)生梯度變化，使界面具有良好的附著力。機(jī)械咬合界面：在界面粗糙程度較大、界面元素之間不發(fā)生明顯集中的狀況下，界面兩側(cè)的物質(zhì)以其凹凸不平的外表相互咬合，此時(shí)界面的附著力完全取決于界面的形態(tài)和界面應(yīng)力，界面高粗糙度及肯定壓應(yīng)力有助于提高界面附著力。9.介紹了幾種膜厚測(cè)量方法，并簡(jiǎn)要說(shuō)明白測(cè)量依據(jù)。1、薄膜厚度的光學(xué)測(cè)量方法1、不透亮薄膜厚度測(cè)量的等厚干預(yù)和等色干預(yù)法等厚干預(yù)法首先，在薄膜上制備臺(tái)階，然后在臺(tái)階的上方和下方均勻地沉積一層高反射膜。玻璃外表反射的光與薄膜外表反射的光之差為：測(cè)出條紋間隔△0類似地，玻璃下外表和基板上外表上的反射光之間的光程差為：在臺(tái)階處，干預(yù)條紋會(huì)消滅錯(cuò)位，測(cè)出條紋位錯(cuò)間