薄膜知識點匯總

1、第一章1. 真空的定義及其度量單位概念：利用外力將一定密閉空間內的氣體分子移走，使該空間內的氣壓小于 1 個大氣壓，則該空間內的氣體的物理狀態(tài)就被稱為真空。真空，實際上指的是一種低壓的、稀薄的氣體狀態(tài)。目前標準大氣壓定義：0攝氏度時，水銀密度13.59509g/cm3， 重力加速度 980.665cm/s2時，760 mm水銀柱所產生的壓強為1標準大氣壓。1atm=1.01*105Pa=760Torr=1.0133*106 微巴低真空 105-102 氣態(tài)空間近似為大氣狀態(tài)，分子以熱運動為主，分子之間碰撞頻繁。低真空，可以獲得壓力差而不改變空間的性質。中真空102-10-1 中真空，氣體分子密

2、度與大氣狀態(tài)有很大差別。氣體分子的流動從黏滯流狀態(tài)向分子狀態(tài)過渡，氣體對流現(xiàn)象消失。氣體中帶電離子在電場作用下， 產生氣體導電現(xiàn)象。（離子鍍、濺射鍍膜等氣體放電和低溫等離子體相關鍍膜技術）高真空10-1-10-5 容器中分子數(shù)很少，分子平均自由程大于一般容器的線度，分子流動為分子流，分子與容器壁碰撞為主，在此真空下蒸發(fā)材料，粒子將按直線飛行。（拉制單晶、表面鍍膜、電子管生產）超高真空 10-5-10-9 氣體分子數(shù)更少，幾乎不存在分子間碰撞，此時氣體分子在固體表面上是以吸附停留為主。入射固體表面的分子數(shù)達到單分子層需要的時間也較長，可以獲得純凈表面。（薄膜沉積、表面分析)極高真空 10-9 氣

3、體分子入射固體表面的頻率已經很低，可以保持表面潔凈。適合分子尺寸加工及納米科學的研究。理想氣體狀態(tài)方程：1. 最可幾速率 討論速度分布2. 平均速率 計算分子運動平均距離3. 均方根速率 計算分子平均動能 -分子直徑；n分子密度2.每個氣體分子在與其它氣體分子連續(xù)2次碰撞之間運動經歷的路程稱為分子自由程。入射頻率：入射頻率（入射通量或碰撞次數(shù)）：單位時間，在單位面積的器壁上發(fā)生碰撞的氣體分子數(shù)。3.真空在薄膜制備中的作用1）避免被蒸發(fā)分子或原子與氣體分子發(fā)生碰撞；（2）避免被蒸發(fā)分子或原子與氣體分子發(fā)生反應。4. 獲得真空的設備：真空泵機 械 泵：利用機械運動部件轉動或滑動形成的輸運作用獲得真

4、空的泵。分 類：旋片式（最常見）、定片式、滑閥式運轉模式：吸氣 à壓縮 à 排氣 （不斷循環(huán)）優(yōu)、缺點：結構簡單、工作可靠；有油污染的問題。油擴散泵工作原理：1）將真空油加熱到高溫蒸發(fā)狀態(tài)（約200）；2）讓油蒸汽分多級向下定向高速噴出；3）大量油滴通過撞擊將動能傳遞給氣體分子；4）氣體分子向排氣口方向運動，并在動壓作用下排出泵體；5）油氣霧滴飛向低溫介質冷卻的泵體外壁，被冷卻凝結成液態(tài)后返回泵底部的蒸發(fā)器。優(yōu) 點：1）造價較低的高真空泵方案；2）沒有機械運動部件。缺 點：油蒸汽回流有可能污染真空系統(tǒng).渦輪分子泵工作原理：1） 泵內交錯布置轉向不同的多級轉子和定子；2）轉子

5、葉片以20k60k r/min的高速旋轉；3）葉片通過碰撞將動能不斷傳遞給氣體分子；4）氣體分子被賦予動能后被逐級壓縮排出。低溫吸附泵工作原理：利用20K以下的超低溫表面來凝聚氣體分子以實現(xiàn)抽氣。優(yōu) 點：可實現(xiàn)目前最高的極限真空度：10-11 Pa。缺 點：1）屬于捕獲泵的一種，使用要求高，需要外加冷源. 濺射離子泵工作原理:依靠高壓陰極發(fā)射出的高速電子與殘余氣體分子相互碰撞后引起氣體電離放電，而電離后的氣體分子在高速撞擊陰極時又會濺射出大量的Ti原子。由于Ti原子的活性很高，因而它將以吸附或化學反應的形式捕獲大量的氣體分子并在泵體內沉積下來，實現(xiàn)超高真空的獲得。5.真空的測量熱偶真空計工作原

6、理：氣體的熱導率隨氣體壓力變化，通過熱電偶測出熱絲的溫度，也就相應的測出了環(huán)境的氣體壓強。熱偶規(guī) 10-4-10-2Pa 熱阻真空計工作原理：通過測量熱絲的電阻隨溫度的變化實現(xiàn)對真空度的測量。102-10-2Pa第三章1. CVD法制備薄膜過程描述（四個階段）（1）反應氣體向基片表面擴散；（2）反應氣體吸附于基片表面；（3）在基片表面發(fā)生化學反應；（4）在基片表面產生的氣相副產物脫離表面，向空間擴散或被抽氣系統(tǒng)抽走；基片表面留下不揮發(fā)的固相反應產物-薄膜。2.最常見的幾種CVD反應類型有：熱分解反應（吸熱反應）、化學合成反應、還原反應、氧化反應、歧化反應（對具有多種氣態(tài)化合物的氣體，可在一定條

7、件下促使一種化合物轉變?yōu)榱硪环N更穩(wěn)定的化合物，同時形成薄膜）。3. CVD法的主要特點主要優(yōu)勢：1）能形成多種金屬、非金屬和化合物薄膜； 2）組分易于控制，易獲得理想化學計量比，薄膜純度高； 3）成膜速度快、工效高（沉積速率 >>PVD、單爐處理批量大）； 4）沉積溫度高、薄膜致密、結晶完整、表面平滑、內部殘余應力低； 5）沉積繞射性好，可在復雜不規(guī)則表面（深孔、大臺階）沉積；主要缺點：1）沉積溫度高，熱影響顯著，有時甚至具有破壞性； 2）存在基片-氣氛、設備-氣氛間反應，影響基片及設備性能及壽命； 3）設備復雜，工藝控制難度較大。4. CVD沉積裝置所有反應體系需滿足三個條件：（

8、1）在沉積溫度下，反應物必須有足夠高的蒸汽壓，要保證能以適當速度被引入反應室；（2）反應產物除了所需要的沉積物為固態(tài)薄膜之外，其他反應物必須是揮發(fā)性的；（3）沉積薄膜本身必須有足夠低的蒸汽壓，以保證沉積的薄膜在整個沉積反應過程中都能保持在受熱的基體上；基體材料在沉積溫度下的蒸汽壓也必須足夠低?；鞠到y(tǒng)構成：5.薄膜的化學溶液制備技術化學鍍概念：在無電流通過（無外界動力）時借助還原劑在金屬鹽溶液中使目標金屬離子還原，并沉積在基片表面上形成金屬/合金薄膜的方法。主要優(yōu)點：無需電源，鍍層孔隙率較低，可直接在非導體上鍍膜，可在盲孔等復雜表面均勻鍍膜。溶膠-凝膠技術概念：將III、V、VI族金屬/半金屬

9、元素的有機化合物 和無機鹽 (氯化物、硝酸鹽、乙酸鹽) 溶于有機溶劑 (乙酸、丙酮等) 中獲得溶膠鍍液，采用浸漬或離心甩膠等方法涂覆于基片表面，因溶膠水解而獲得膠體膜，之后再進行干燥脫水處理獲得氧化物等固體薄膜的方法。膜厚取決于溶液中金屬有機化合物的濃度、溶膠液的溫度和黏度、基片的旋轉速度、角度以及環(huán)境溫度等。對薄膜材料的要求：1、有機極性溶質溶解度范圍要寬，因此一般不用水溶液；2、有少量水參與時應容易發(fā)生水解；3、水解形成的薄膜應不溶解，生成的揮發(fā)物易于去除；4、水解形成的氧化物應易于低溫充分脫水；5、薄膜與基片有良好的附著力。優(yōu)點：1、薄膜組分均勻、成分易控制； 2、成膜平整、可制備較大面

10、積的薄膜；3、成本低、周期短、易于實現(xiàn)工業(yè)化生產。陽極氧化概念：在適當?shù)碾娊庖褐?，采用金屬或合金基片作為陽極，陰極一般采用石墨電極，并賦予一定的直流電壓，由于電化學反應在陽極表面形成金屬氧化物薄膜的方法。 LB技術：是指把液體表面的有機單分子膜轉移到固體襯底表面上的一種成膜技術。得到的有機薄膜稱為LB薄膜。原理：將有機分子分散在水面上，沿水平方向對水面施加壓力，使分子在水面上緊密排列，形成一層排列有序的不溶性單分子層。再利用端基與固體基片表面的吸附作用，將單分子層沉積在基片上。LB薄膜的特點：LB薄膜中分子有序定向排列； LB膜有單分子層組成，它的厚度取決于分子大小和分子的層數(shù)； 通過嚴格控制

11、條件，可以得到均勻、致密和缺陷密度很低的LB薄膜； 設備簡單，操作方便。缺點：成膜效率低； LB薄膜均為有機薄膜，包含了有機材料的弱點； LB薄膜厚度很薄，在薄膜表征手段方面難度較大。單分子層的轉移（沉積）根據(jù)薄膜分子在基片上的相對取向，LB薄膜結構可分為X型、Y型、Z型三種類型。只有基片進入水面時才有膜沉積，LB薄膜每層分子的親油基指向基片表面?；看芜M出水面時都有分子沉積。LB薄膜每層分子的親水基與親水基相連，親油基與親油基相連。只有基片拉出水面時才有膜沉積，LB薄膜每層分子的親水基指向基片表面。第四章1. 膜厚的測量石英晶體法：利用了石英晶體片的振蕩頻率隨晶體表面薄膜沉積的厚度變化的原

12、理。利用石英晶體的壓電效應，在將源材料鍍到基片的同時，也將其鍍到與振蕩電路相連的石英片上，根據(jù)石英體的諧振頻率的變化，來計算膜的厚度。第五章1. 晶核的形成與生長2.成核理論主要有兩種理論模型： 毛細理論：薄膜形成：氣相 吸附相固相的相變過程。毛細理論視原子團為微小的凝聚滴。成核過程定性分析：原子團通過吸附原子而增大，表面能增大，體系自由能增加G；到臨界核時，自由能增加到最大值Gmax；然后，原子團再增大，體系G下降，形成穩(wěn)定核。（看書）原子聚集理論：原子聚集理論將核（原子團）看作一個大分子，用其內部原子之間的結合能或與基片表面原子之間的結合能代替熱力學理論中的自由能。結合能不是連續(xù)變化而是以

13、原子對結合能為最小單位的不連續(xù)變化。4. 薄膜的生長模式（1） 島狀模式：這種形成模式在薄膜生長的初期階段，潤濕角不為零，在基片表面上形成許多三維的島狀晶核、核生長、合并進而形成薄膜，大多數(shù)膜生長屬于此類型。（2） 單層生長模式：沉積原子在基片表面上均勻地覆蓋，潤濕角為零，在襯底上形成許多二維晶核，晶核長大后形成單原子層，鋪滿襯底，逐層生長。（3） 層島復合模式：在基片表面上形成一層或更多層以后，隨后的層狀生長變得不利，而島開始形成，從二維生長到三維生長轉變，島長大、結合，形成一定厚度的連續(xù)薄膜。5.薄膜的形成過程分四個階段（島狀生長為例） 成核階段小島階段網絡階段連續(xù)膜階段 6. 影響薄膜生

14、長特性的因素 （1）沉積速率：一般來說，沉積速率影響膜層中晶粒的大小與晶粒分布的均勻度以及缺陷等。低速率：金屬原子在基片上遷移時間長，容易到達吸附點位，或被吸附點位置上的小島捕獲而形成粗大的晶粒，使得薄膜的結構粗糙，膜不致密。后續(xù)原子不能及時達到，致使暴露時間長，易引入雜質，以及產生缺陷。因此，沉積速率高一些好。高沉積速率：薄膜晶粒細小，結構致密，但由于同時凝結成的核很多，在能量上核處于能量比較高的狀態(tài)，所以膜內部存在比較大的應力。（2）基片表面狀態(tài)：粗糙度低、表面光潔，則膜層結構致密，容易結晶，否則相反，而且附著力差。（3）基底溫度：影響薄膜生長的粘附系數(shù)（多數(shù)降低）、高遷移速率、增加島與島

15、之間擴散和成核臨界尺寸、結晶和取向等. P161（5）氣相入射的角度:原子的入射角度對膜結構有很大影響，使薄膜產生各向異性。隨著結晶顆粒的增大，入射的沉積原子就逐漸沿著原子的入射方向長大，于是會產生所謂的自身影響效應，從而使薄膜表面不平整，出現(xiàn)各向異性。這種沿原子入射方向生長的傾向，在入射角越大時，表現(xiàn)得越明顯。第七章1. 附著現(xiàn)象：從宏觀角度看，附著就是薄膜和基體表面相互作用將薄膜粘附在基體上的一種現(xiàn)象。薄膜的附著可分為四種類型：（a）簡單附著（b）擴散附著（c）通過中間層附著，d）宏觀效應附著等。簡單附著：是在薄膜和基體之間存在一個很清楚的分界面。由兩個接觸面相互吸引形成的。當兩個不相似或不相容的表面相互接觸時就易形成這種附著。擴散附著：是由于在薄膜和基體之間互相擴散或溶解形成一個漸變的界面。通過中間層的附著：在薄膜與基片之間形成一個化合物而 附著，該化合物多為薄膜材料與基片材料之間的化 合物。由于薄膜和基體之間有這樣一個中間層， 所以兩者之間形成的附著就沒有單純的界面。通過宏觀效應的附著：包括機械鎖合和雙電層吸引。機械鎖合是一種宏觀的機械作用。當基體表面比較粗糙，有各種微孔或微裂縫時，在薄膜形成過程中，入射到基體表面上的氣相原子便進入到粗糙表面的各種缺陷、微孔或裂縫中形成這種宏觀機械鎖合。 雙電層吸引(靜電力)是由薄膜與基體間界面處