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文檔簡介
1、第一章 真空的基本知識§1. 真空的定義、單位和真空區(qū)域的劃分1. 真空的定義氣體的壓強(qiáng)低于一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的氣態(tài)空間一標(biāo)準(zhǔn)大氣壓:g=980.665 cm/s2T=273 K時,760mm水銀柱高所施加的壓強(qiáng)平衡狀態(tài)下,氣體宏觀參量的重要關(guān)系式:P=nKT P=壓強(qiáng)(Pa)2. 真空的單位:(1) 帕 (Pa) 1 Pa=1 N/M2=10達(dá)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達(dá)因/cm21 µbar= 1
2、達(dá)因/cm2 = 0.1 Pa3. 真空區(qū)域的劃分(1) 粗真空:1×105 Pa > P >1×103 Pa (大約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個/cm3,不少高科技器件或材料只能在超高真空下才能獲得 §2.稀薄氣體的基本性質(zhì)1.氣體的三種速率表達(dá)式 最可幾速率:算術(shù)平均速率: 均方根速率:2.平均自由程的定義:氣體兩次碰撞之間所走路程的統(tǒng)計(jì)平均值a) 考慮
3、到其它氣體分子在運(yùn)動,及氣體速率有一定分布,作如下修正:§ 3. 氣體的輸運(yùn)1. 抽真空過程中氣體流動的三個過程(1) 初始階段(氣壓較高、流速較大)出現(xiàn)湍流,起作用的是氣體的慣性力(2) 氣壓較低時:粘滯性流動各層速度不同,起作用的是層間相互摩擦力(3) 氣壓更低:分子性流動分子間相互摩擦可忽略,流動完全有分子與器壁碰撞,即:湍流-粘滯性流動-分子性流動2. 氣體量,流量及其表達(dá)式(1) 定義:氣體量:氣體體積×壓強(qiáng),即PV,單位:牛·米-2·米3=牛頓·米流量Q:單位時間流過的氣體量Q=PV/t=牛·米/秒(2) 流量表達(dá)式: (
4、長圓管道情況)a) 粘滯性流動時:第2章 真空的獲得§ 3 機(jī)械泵1. 機(jī)械泵的Pu : 5*10-4乇 機(jī)械泵的用途:抽低真空;擴(kuò)散泵、分子泵的前級真空泵 機(jī)械泵的結(jié)構(gòu):由工作室、進(jìn)氣管、排氣閥、油腔、氣鎮(zhèn)閥、馬達(dá)構(gòu)成 工作室包括:定子、轉(zhuǎn)子、旋片旋片裝于轉(zhuǎn)子上并將定子分成三部分:吸氣空間;膨脹壓宿空間;排氣空間。2 工作原理:(見原理圖)利用轉(zhuǎn)子及其上的旋片的高速旋轉(zhuǎn)使分成三部分的各泵腔容積發(fā)生周期變化來完成吸氣和排氣。 8 使用的注意事項(xiàng) 在新場所首次使用前需檢查馬達(dá)轉(zhuǎn)向 停泵時注意對泵放氣防止反油 需水冷的泵使用時需水冷 用油正確,油量合適 §
5、 3. 擴(kuò)散泵抽速: 幾百到幾千L/sec。極限真空: 10-7 Torr 特點(diǎn): 抽速大,壽命長,易維修。缺點(diǎn): 有油蒸氣污染; 操作不當(dāng)會意外返油,使真空系統(tǒng)造成嚴(yán)重污染。用途: 作次級泵,靜態(tài)和非常適合于動態(tài)真空系統(tǒng)中使用。工作壓強(qiáng): 10-2 Torr以下工作機(jī)理:1)在真空條件下,工作液體被加熱器加熱,產(chǎn)生蒸汽;2)蒸汽從噴嘴向下、向外高速噴出成傘狀;3)從入口處擴(kuò)散進(jìn)來的氣體被蒸汽裹入,產(chǎn)生向下的動量;4)帶有氣體的蒸汽以超音速噴向泵壁;5)蒸汽和氣體混合物與水冷的泵壁接觸,蒸汽被冷凝,再進(jìn)入加熱器;裹夾的氣體分子仍以獲得向下的高速運(yùn)動,在底部被前級泵抽走。8.
6、0; 擴(kuò)散泵的使用注意事項(xiàng)(1)樣品室及擴(kuò)散泵用機(jī)械泵抽到10-2乇才能加 熱泵油(2)加熱擴(kuò)散泵前應(yīng)先開冷卻水(3)擴(kuò)散泵工作時始終必須有冷卻水和機(jī)械泵(4)要用擴(kuò)散泵抽樣品室前,樣品室真空度不低于10-2乇(5) 擴(kuò)散泵下部冷后才能停水、關(guān)機(jī)械泵(6) 泵油量、水量合適,加熱功率正確§4. 吸附泵:(1)極限真空與用途: 1 x 10-2 乇;10-4乇(雙泵接力時);無油沾污低真空抽氣。(2)吸附泵的結(jié)構(gòu): (3)抽氣原理: (4)分子篩的特點(diǎn): (5)吸附泵的使用: §5. 泵升華抽速: 10 107 L/sec。極限真空: 10-5 10-6
7、 Pa (水冷); 10-9 Pa (LN2); 優(yōu)點(diǎn): 抽氣速度快。缺點(diǎn): 對惰性氣體基本不起作用;間斷性運(yùn)行;用途: 快速提升真空度時用;次級泵。升華泵的使用:l 真空度低于10-4乇才能啟用l 加溫1200-1500度,不能超過1600度l 因Ti儲量有限,不作主泵用,而與其他泵聯(lián)合使用l 為省Ti,超高真空時采用間斷升華 工作原理: 升華泵的特點(diǎn): 活性氣體抽速很大107L/S,惰性氣體抽速很小,壽命取決于燈絲及
8、Ti儲量。 §6.升華離子泵 (1) Pu=10-12乇(2) 結(jié)構(gòu):比升華泵多一套使氣體電離定向加速系統(tǒng)(電離器)(3) 工作原理: 課堂講解(4) 特點(diǎn):抽速比升華泵大;解決升華泵抽惰性氣體差的問題缺點(diǎn):高溫元件多,易損壞,電源較多 §7.濺射離子泵 抽速: 1 500 L/sec。極限真空: < 10-11 Torr。特點(diǎn): 安靜,不將氣體排除到真空系統(tǒng)外。用途: 靜態(tài)真空系統(tǒng)超高真空的維持,次級泵。工作壓強(qiáng): < 10-4 Torr 。工作原理:1) DC
9、 高壓(幾千伏)使得陰陽之間放電,產(chǎn)生電子;2) 在高電磁場(幾千高斯)下,電子螺旋運(yùn)動,因而電子運(yùn)動路程被大大加長,與氣體分子發(fā)生碰撞使氣體電離的幾率大大增加;3) 產(chǎn)生的氣體離子向鈦陰極加速;4) 被加速的氣體離子轟擊Ti陰極,把Ti原子濺射出來,同時離子轟擊使陰極材料產(chǎn)生新鮮表面以化學(xué)吸附離子和氣體,并將它們埋起來;5) 部分氣體離子及原子被吸附在沉積在陽極表面的新鮮Ti薄膜。§8.渦輪分子泵 抽速: 35 2500 L/sec。極限真空: 10-10 10-11 Torr (要烘烤)優(yōu)點(diǎn): 無碳?xì)浠衔镂廴?,啟動壓?qiáng)較高, 對前級泵要求不苛刻。缺點(diǎn): 對氫氣抽除不理想,機(jī)械加
10、工精密度要求高,維修很難。用途: 靜、動態(tài)抽超高真空或抽高真空,次級泵。工作原理:1) 快速轉(zhuǎn)動(10000 50000 rpm)的渦輪葉片 將動能(速度)傳遞給與之碰撞的氣體分子;2) 被轉(zhuǎn)子縫隙捕獲的分子朝定子縫隙方向飛去;3) 縫斜角的變化提高抽速;4) 分子不斷被加速,在前級處被甩出分子泵,經(jīng)前級泵(機(jī)械泵)抽除。注意:渦輪分子泵的工作原理并不是將氣體抽出系統(tǒng),而是通過動能傳遞將氣體甩出系統(tǒng)。第三章 真空的測量一. 熱偶真空計(jì)2.原理 利用熱電偶測量加上一定工作電流的熱絲溫度來表示氣壓(即真空度)。熱絲加熱功率一定,氣體多則熱絲被氣體帶走的熱量多,熱絲溫度就低,熱電偶測得的溫差電勢低。
11、即真空度低。3.可測真空度 測低真空 4.實(shí)際應(yīng)用與注意事項(xiàng) 正確測量方法:先置加熱檔,調(diào)好工作電流后,置測量檔,測真空度。二. 熱陰極電離真空計(jì)2. 測量原理 熱陰極(燈絲)在確定的工作電流下加熱發(fā)射電子,受柵極正電場加速后,轟擊氣體使之電離,離化的氣體離子被極板收集,氣體多,則離子流大,離子流大則表示真空差。3.使用: 測高真空: 1*10-45*10-8 Torr 不能測低真空的原因:燈絲被氧化;氣體較多時,電子與氣體分子碰撞數(shù)增加,但能量下降,電離幾率降低。 不能測超高真空的原因: 氣體太少時,產(chǎn)生的離子流小于由打在柵極上的電子激發(fā)的軟 射線在離子收集極上產(chǎn)生的光電流。4. 使用注意事
12、項(xiàng) 氣壓低于0.1pa后才能使用電離真空計(jì), 防止損壞燈絲 先用大量程 做完實(shí)驗(yàn)先關(guān)電離真空計(jì) 三. 超高真空計(jì)(BA規(guī)) 1. 結(jié)構(gòu)2.工作原理: 類似電離真空計(jì)的原理,但結(jié)構(gòu)上加以改進(jìn)。 設(shè)計(jì)思想: (1)光電流I Vg Ie A Vg柵極電壓, A極板面積 Ie燈絲發(fā)射電子流 (2)降低I 的措施: 因?yàn)閂g ,Ie 的減小,影響其它工作性能;所以, 解決辦法: 減小A面積。即,把收集圓筒改為一根細(xì)金屬絲,并將其放在柵極螺圈內(nèi),以保證足夠的收集效率。 (3)效果:光電流減小1001000倍可測量:10-810-9 Pa3.使用注意事項(xiàng): 真空度低于1*10-1 Pa時不能啟用,否則易燒壞
13、。第二部分 薄膜物理與技術(shù)第一章薄膜的制備方法三大類:物理制膜法物理化學(xué)法化學(xué)生長法一、物理制膜法1.真空蒸發(fā)法: 電阻加熱法(高真空)電子束蒸發(fā)法脈沖激光蒸發(fā)法 (PLD)分子束外延 (MBE)2.離子鍍: 直流法 射頻法 離化團(tuán)簇粒子束法(ICBD) 熱陰極法 3. 離子束法:離子束輔助沉積 離子束混合 離子束濺射 4.離子濺射法: 直流二極濺射 射頻濺射 磁控濺射 離子束濺射2.離子鍍: 直流法 射頻法 離化團(tuán)簇粒子束法(ICBD) 熱陰極法 3. 離子束法:離子束輔助沉積 離子束混合 離子束濺射 4.離子濺射法: 直流二極濺射 射頻濺射 磁控濺射 離子束濺射二. 物理化學(xué)法 CVD(熱
14、分解、熱絲法等) PECVD: RFCVD MWCVD ECRCVD MOCVD三.化學(xué)生長法 溶膠凝膠法 水熱法(水化學(xué)法) 電化學(xué)法 §1.真空蒸發(fā)法1.真空的必要性(1)在真空下,材料的汽化溫度低得多(2)使汽化的膜料原子順利到達(dá)襯底(3)保證薄膜質(zhì)量2.真空度的確定原則:保證質(zhì)量要求,兼顧工作效率與成本(1)從平均自由程的要求看:3)特點(diǎn): 設(shè)備簡單、操作方便、造價低 成膜速率快、效率高 膜厚便于控制(4)缺點(diǎn): 只能用于蒸發(fā)熔點(diǎn)不很高的膜料 不能長時間連續(xù)蒸發(fā) 蒸發(fā)源壽命短 蒸發(fā)源會影響膜的純度(5)蒸發(fā)原子與分子的形態(tài): 大部分堿金屬、貴金屬、過渡性金屬單原子逸出蒸發(fā)半導(dǎo)
15、體、半金屬時,多以2個或2個以上原子集合體逸出(Sb、AsP)有的化合物會分解 (CdS:Cd,S, , )某些合金膜會偏離原組分二、電子束蒸發(fā)法2.特點(diǎn): 可蒸發(fā)高熔點(diǎn)材料薄膜(3000) 可用于連續(xù)生產(chǎn) 只局部膜料受高溫蒸發(fā),坩堝沾污膜料、純度高3.缺點(diǎn): 造價較高,操作稍復(fù)雜 部分殘余氣體被電離,影響膜結(jié)構(gòu) 部分化合物會分解三. 脈沖激光沉積:用高能聚焦激光束轟擊靶材蒸發(fā)只發(fā)生在光斑周圍的局部區(qū)域蒸發(fā)材料被直接從固體轉(zhuǎn)化為等離子體能轟擊出來大尺寸的顆粒光束滲透深度小 100 埃, 蒸發(fā)只發(fā)生在靶材表面2.特點(diǎn):(1)化合物蒸發(fā)不分餾(2)可合成化合物(3)可蒸發(fā)高熔點(diǎn)膜料,不沾污(4)不
16、存在電子束蒸發(fā)時可能的膜表面帶電(5)可得到結(jié)晶良好的薄膜3.缺點(diǎn):靶要燒制良好、致密,防止蒸發(fā)出顆粒四.分子束外延(MBE)1.何謂分子束外延超高真空條件下各組分材料及摻雜物分別加熱,按一定比例的分子束噴射在基片上外延生長單晶薄膜3.分子束外延設(shè)備主要組成部分(1)超高真空樣品室(2)多個分子束噴設(shè)爐,配LN2冷阱,計(jì)算機(jī)精確控溫(3)快門(配合調(diào)控薄膜成分,膜厚,摻雜,濃度)(4)各種先進(jìn)的監(jiān)控器 質(zhì)譜儀(殘余氣體及分子束成分,密度,膜厚) 電子衍射儀(晶體結(jié)構(gòu)) 俄歇電子譜儀(表面污染情況,生長層組分分析)4.特點(diǎn)(1)超高真空環(huán)境淀積,大大減少殘余氣體污染(2)多個分子束源爐:可得多元
17、混晶、合金、化合物及進(jìn)行摻雜(3)噴射爐附近液氮冷卻: 避免蒸發(fā)原子散射、反射相互污染, 避免對基片的熱輻射 凍住殘余氣體(4)蒸發(fā)速率低:可進(jìn)行單原子層生長,生長超薄而平整膜(5)襯底溫度較低:降低界面處熱膨脹引起的晶格失配(6)膜厚、成分、晶體質(zhì)量實(shí)時監(jiān)控§2 離子鍍(Ion plating)離子鍍(Ion plating)物理意義: 一定真空條件下,直流高壓或燈絲發(fā)射電子使蒸發(fā)物質(zhì)電離;直流高壓加速使蒸發(fā)的膜料或其反應(yīng)物蒸鍍在基片上形成薄膜.四種離子鍍方法(含反應(yīng)離子渡)v 直流法v 射頻法v 團(tuán)簇離子束法v 熱陰極法一.直流法1.實(shí)驗(yàn)設(shè)備(右圖)包括:真空系統(tǒng),電阻蒸發(fā)源 D
18、C高壓(幾百幾千伏)樣品臺(水冷)2.工作氣壓低真空(10-2乇)氬氣或相關(guān)反應(yīng)氣體3.原理: 低真空條件下,高壓使基片蒸發(fā)源間氣體放電,形成等離子體 離子轟擊基片表面,對其清潔去污,并使表面粗化 蒸發(fā)分子被離化、加速,定向沉積到基片表面成膜。4.優(yōu)點(diǎn):(1)附著力強(qiáng)(2)成膜速率快(3)饒射成膜,可對各種形狀工件鍍膜(4)節(jié)省膜料(5)最適合金屬表面鍍膜(6)設(shè)備簡單5.缺點(diǎn): 工作氣壓較高,膜內(nèi)易含殘余氣體 離子流強(qiáng),基 溫度高,不利于塑料制品鍍膜二.射頻法1. 設(shè)備結(jié)構(gòu)如右圖 比DC法增加一個RF線圈2. RF線圈的作用: 延長自由電子的運(yùn)動軌跡, 增加碰撞氣體和蒸發(fā)分子機(jī)會 提高離化率
19、 可使工作真空度提高一個數(shù)量級(10-3乇)3. 優(yōu)點(diǎn): 離化率比DC法高,鍍膜效果更好. 降低工作氣壓,即節(jié)省氣體,有提高了薄膜質(zhì)量.三. 離化簇團(tuán)束鍍膜法(ICBD)2.特色與優(yōu)點(diǎn):(1)蒸發(fā)器噴出的是幾百上千原子構(gòu)成的團(tuán)簇. (優(yōu)越性?)(2)膜層損傷小(3)高真空鍍膜 10-5乇以上. (什么好處?)(4)提高膜質(zhì)量(致密, 雜質(zhì), 缺陷少)(5)附著好 3.缺點(diǎn): 不能饒射成膜 設(shè)備成本較高 四. 熱陰極法1. 結(jié)構(gòu) 采用一般電阻蒸發(fā)源,其它的與離化簇團(tuán)束鍍膜法相同2. 特點(diǎn): 高真空鍍膜(10-5乇) 不是簇團(tuán)束 具有ICBD法除簇團(tuán)束以外的優(yōu)點(diǎn) 比ICBD法設(shè)備價格低三. 離子束
20、制膜法(一)離子束輔助沉積(IBAD) Ion beam assistive deposition-電子束或激光束或常規(guī)真空蒸發(fā)-在成膜的同時用離子對正在生長的膜層進(jìn)行轟擊 1.物理意義: 真空蒸發(fā)的同時,用離子束轟擊沉積到基片上的膜料。即,蒸發(fā)+離子束轟擊。3. 優(yōu)點(diǎn): 膜層致密、均勻、減少缺陷 提高薄膜性能的穩(wěn)定性(不易吸附氣體或潮氣) 附著好(界面有膜料粒子滲入) 可分別獨(dú)立調(diào)節(jié)各實(shí)驗(yàn)參數(shù)、控制生長,以利研究各條件對膜質(zhì)量的影響。4. 原因:沉積前,先離子轟擊基片濺射表面吸附的污染物,表面除氣及凈化。薄膜形成初期,離子轟擊使部分膜料原子滲入基片表層,在界面形成中間薄層增強(qiáng)附著,改善應(yīng)力。
21、沉積過程中,離子轟擊正在形成膜改善微觀結(jié)構(gòu)、膜層更致密。(二)離子束混合1.何謂離子束混合? 在基片表面先沉積一層(膜厚1000A )或幾層(每層小于150A)不同物質(zhì)的膜總厚小于 1000 A);用高能重離子轟擊膜層,使膜與基片表面混合,或多層膜之間混合,形成新的表面材料層。2. 對離子束的要求:離子能量盡量高(200300keV以上)較高的惰性氣體離子,如Ar3. 特點(diǎn):獲得常規(guī)冶金方法得不到新材料。比離子滲入法更經(jīng)濟(jì)(三)離子束濺射法四. 離子濺射鍍膜法(一).直流二極濺射2.磁控濺射原理: 把磁控原理和二極濺射法相結(jié)合,用磁場來改變電子的運(yùn)動方向,并束縛和延長電子的運(yùn)動軌跡,受正交電磁
22、場作用的電子,只能在其能量快耗盡時才落到基片上,大大提高氣體的離化率。3.為什么要加磁場?無磁場濺射方法的缺點(diǎn):-濺射反應(yīng)效率較低,所需要的工作氣壓較高-濺射方法沉積薄膜的沉積速率較低磁場的存在將延長電子在等離子體中的運(yùn)動軌跡, 提高與氣體原子碰撞使其電離的幾率,顯著提高濺射效率提高沉積速率, 比其它濺射方法高一個數(shù)量級.降低氣壓,減少氣體污染特點(diǎn):離化率較高,沉積速率快;基片溫升低; 工作氣壓較低氣體對膜質(zhì)量影響較小。五. CVD化學(xué)氣相沉積法 Chemical Vapor Deposition什么叫CVD? 把含有構(gòu)成薄膜元素的一種或幾種化合物氣體(適當(dāng)流量比例)輸入反應(yīng)室,通過加熱或等離
23、子體等方法使其分解或反應(yīng),而在基片上生長所需薄膜。(一). 常規(guī)CVD:沒等離子增強(qiáng)激活的CVD方法。(1)沉積條件氣態(tài)反應(yīng)物(液態(tài)或固態(tài)使其氣化)反應(yīng)生成物除所沉積物外,其余應(yīng)氣態(tài),可排出反應(yīng)室沉積物的蒸氣壓應(yīng)足夠低(2)影響沉積質(zhì)量的因素沉積溫度氣體比例、流量、氣壓基片晶體結(jié)構(gòu)、膨脹系數(shù)等(3). 優(yōu)點(diǎn)在遠(yuǎn)低于所得材料熔點(diǎn)的溫度下獲得高熔點(diǎn)材料便于制備各種單質(zhì)或化合物生長速率較高鍍膜繞性好設(shè)備簡單缺點(diǎn):反應(yīng)溫度比PECVD高基片溫度相對較高(1)PECVD原理: 利用射頻、微波方法在反應(yīng)室形成的離子體的高溫及活性,促使反應(yīng)氣體受激、分解、離化, 以增強(qiáng)反應(yīng),在基片生長薄膜。(2)PECVD
24、優(yōu)點(diǎn): 可在較低溫度下生長薄膜避免高溫下晶粒粗大 較低氣壓下制膜提高膜厚及成分的均勻性。 薄膜針孔小,更致密,內(nèi)應(yīng)力較小,不易產(chǎn)生裂紋 附著力比普遍CVD好。缺點(diǎn):生長速率低于普通CVD設(shè)備相對復(fù)雜些(3) RFCVD、MWCVD和ECRCVD的區(qū)別: RFCVDf=13.6MHz MWCVD f=2.45GHz,頻率高,氣體分解和離化率更高。 ECRCVD又加有磁場,促使電子回旋運(yùn)動與微波發(fā)生共振現(xiàn)象,有更大的離化率??色@更好的薄膜質(zhì)量和高的生長速率。(三).MOCVD(1)原理: 利用熱分解金屬有機(jī)化合物進(jìn)行化學(xué)反應(yīng),氣相外延生長薄膜的CVD方法。(2)適合的金屬有機(jī)化合物: 金屬烷基化合
25、物 如:三甲基鎵(CH3)3Ga,三甲基鋁(CH3)3Al二乙烷基鋅(C2H5)2Zn.(2). MOCVD特點(diǎn) 沉積溫度低 如ZnSe膜,僅為350;而普通CVD法850 低溫生長減少污染(基片、反應(yīng)室等)提高膜純度;降低膜內(nèi)空位密度。(高溫生長易產(chǎn)生空位) 可通過稀釋反應(yīng)氣體控制沉積速率,有利于沉積不同成分的極薄膜制備超晶格薄膜材料。主要缺點(diǎn): 許多有機(jī)金屬化合物蒸氣有毒,易燃,需嚴(yán)格防護(hù) 有的氣相中就反應(yīng),形成微粒再沉積到基片。第二章 薄膜厚度的測量一、微量天平法1.原理: 高精度微量天平稱基片成膜前后的重量,得出給定面積S的厚膜質(zhì)量m,由下式計(jì)算出膜厚:d= m/(S), 為塊材密度2
26、.微量天平精度達(dá)微克,不能測重基片的樣品 。二 電阻測量法(可測金屬、半金屬、半導(dǎo)體膜)1.原理:測方塊電阻R,利用=R·d 計(jì)算出厚度d2.存在問題:隨膜厚變化有大的差別,特別是超薄膜。 原因: 膜不連續(xù)時,導(dǎo)電能力差; 連續(xù)膜時,雜質(zhì)缺陷也比塊材多; 薄膜界面對電子或空穴的非彈性散射 3. 解決辦法: d>2000Å時,可忽略非彈性散射效應(yīng),減少測量誤差,故用厚膜的 代替,則 . 實(shí)際用法: 先在基片上蒸一層厚2000Å以上同種物質(zhì)膜 其它方法測出膜厚及R 代入 求出 用上述2000Å以上厚樣在真空中作測試樣,根 據(jù) ,求出現(xiàn)樣品膜厚.三 多光
27、束干涉測量法 (干涉顯微鏡法)1.測試原理圖2.原理: 垂直于薄膜表面的單色光在薄膜表面與小傾斜的半透明板之間的多次反射干涉形成干涉條紋, 干涉條紋在有臺階的薄膜樣品處出現(xiàn)偏移的原理來測量薄膜厚度。 tg=/2a 又tg=d/b 所以:d/b=/2a d=b/2a 半透明膜與膜平面夾角 波長 a相鄰兩條干涉條紋的間距 b干涉條紋在臺階下面平面的偏移距離第二部分第3章 薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷 (課堂筆記)第二部分第4章 薄膜的基本性質(zhì)著重介紹有關(guān)薄膜的普遍特性的研究方法§1 薄膜的力學(xué)性質(zhì)主要有:附著、應(yīng)力、硬度、彈性模量和摩擦分?jǐn)?shù)等,我們著重學(xué)習(xí):附著、應(yīng)力、硬度一、薄膜的附著·
28、定義:薄膜和基本相互作用使薄膜粘附在基片上的一種現(xiàn)象。·重要性:很大程度上決定了薄膜器件的穩(wěn)定性、可靠性和實(shí)用。·附著的好壞主要取決于薄膜生長的初始階段。1、附著機(jī)理三種附機(jī)理:·范德華力 ·化學(xué)鍵力 ·薄膜基片間靜電引力(1)范德華力:薄膜及襯底原子相互極化產(chǎn)生包括:定向力(0.2eV):永久偶極子之間的相互作用力誘導(dǎo)力(0.2eV):永久偶極子與感應(yīng)偶極子間的相互作用力色散力(0.4eV):電子繞原子核運(yùn)動時所生的瞬時偶極矩相互作用力特點(diǎn):·與靜電引力相比,范德華力是短程力·與化學(xué)鍵相比,范德華力是長程力(2)化學(xué)鍵力:
29、薄膜基片之間形成化學(xué)鍵的結(jié)合力包括:離子鍵、共價鍵、金屬鍵·化學(xué)鍵力的產(chǎn)生機(jī)制:有的價電子發(fā)生轉(zhuǎn)移,形成化學(xué)鍵·化學(xué)鍵力屬短程力·化學(xué)鍵能1.211eV(3)薄膜基片間的靜電引力·須在界面兩地積累空間電荷,或擴(kuò)散的原子帶有異號電荷才會有靜電引力·靜電引力形成的原因:薄膜和基片的費(fèi)米能級不同,緊密接觸后發(fā)生電子轉(zhuǎn)移。2、影響附著力的因素·膜料與基片的組合有些材料需對其活化,如離子轟擊以提高其表面能、襯底加升或制備過渡層。·基片表面污染,導(dǎo)致表面化學(xué)鍵飽和,使附著差·基片溫度的影響溫度高利于原子擴(kuò)散,形成擴(kuò)散附著和形成
30、中間化合物溫度過高晶粒變粗會影響附著·濺射或離子束輔助沉積的膜比蒸發(fā)沉積膜附著好3、提高附著力的方法(1)嚴(yán)格清洗基片(2)重度膜前真空中離子轟擊處理(3)適當(dāng)提高基片溫度(4)制備中間過渡層(5)用濺射法(6)離子束轟擊薄膜4、薄膜附著力的測量方法·拉張法 ·膠帶剝離法 ·劃痕法 ·超聲波法二、薄膜的內(nèi)應(yīng)力1、物理意義(定義)薄膜內(nèi)部任一截面上單位面積所受的另一側(cè)所施加的作用力稱應(yīng)力外應(yīng)力薄膜受外力作用而產(chǎn)生的應(yīng)力內(nèi)應(yīng)力薄膜本身的原因所引起的應(yīng)力2、內(nèi)應(yīng)力相關(guān)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象3、內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的原因(1)薄膜和基片熱膨脹的不同(2)結(jié)晶溫度以下的冷卻和
31、熱收縮(3)相變過程(液固;非晶結(jié)晶)(4)薄膜基片晶格失配(5)小島合道(6)雜質(zhì)影響三、薄膜的硬度1、定義薄膜材料相對于另一種物質(zhì)的抗摩擦、抗刻劃、抗形變的能力。2、硬度的測量方式金剛石壓頭,加一定重量壓試樣,根據(jù)被測試樣上壓痕大小來判斷硬度。(壓頭形狀不同,所得結(jié)果不同)。(1)硬度的幾種名稱·維氏(Vickers)硬度(1360)·庫氏(Knoop)硬度(172.50)·布氏(Brinell)硬度§2 薄膜的電學(xué)性質(zhì)著重研究:·電阻率、電導(dǎo)率的大小·薄膜成份對、的影響·摻雜、雜質(zhì)的影響·環(huán)境溫度、熱處理的影
32、響·電場的影響一、不連續(xù)薄膜的異電性質(zhì)·不連續(xù)膜:孤立小島構(gòu)成的薄膜1、三種典型研究實(shí)例由或與d、T、E的關(guān)系發(fā)現(xiàn)薄膜的某些電學(xué)現(xiàn)象2、不連續(xù)金屬膜的特點(diǎn)(1)很大,且隨d變化顯著(2)與T有關(guān),溫度系數(shù)為負(fù)值(3)電場低時,呈歐姆性導(dǎo)電,電場高時,呈非歐姆性導(dǎo)電(4)高電場下,有電子發(fā)射或光發(fā)射現(xiàn)象3、不連續(xù)膜的導(dǎo)電機(jī)理·由孤立小島構(gòu)成,卻顯一定導(dǎo)電能力·導(dǎo)電能力與溫度有關(guān)暗示:不連續(xù)薄膜的電導(dǎo)論與熱激活有關(guān)兩種理論解釋模型:(1)熱電發(fā)射模型小島受熱后,電子功能的垂直分量大于金屬材料功函數(shù)時,電子脫離金屬表面發(fā)射到真空中,被另一小島俘獲,產(chǎn)生電導(dǎo)。熱電子發(fā)射產(chǎn)生的電導(dǎo)表達(dá)式如下;其中,h普朗克常數(shù);m電子質(zhì)量功函數(shù);b小島間距(Å)K玻爾茲曼常數(shù);0介電常數(shù)。(2)熱激
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