薄膜制備與分析課堂講稿_第一講_)

1、第一講第一講 基本概念、基本數據、基本公式基本概念、基本數據、基本公式001734 001734 薄膜制備實驗薄膜制備實驗191706 191706 薄膜制備薄膜制備課堂主講教師：張維佳課堂主講教師：張維佳實驗教師：張維佳，于磊實驗教師：張維佳，于磊第一講第一講 基本概念、基本數據、基本公式基本概念、基本數據、基本公式1.1.基本概念，基本數據，基本公式基本概念，基本數據，基本公式由理想氣體狀態(tài)方程：由理想氣體狀態(tài)方程：RTMvRTPV NkTTNRNRTmNNmAA nkTkTVNP 氣體質量氣體質量摩爾質量摩爾質量氣體常數氣體常數:M: :R阿伏伽德羅常數阿伏伽德羅常數:AN玻爾茲曼常數玻

2、爾茲曼常數:k總分子數總分子數:N氣體密度氣體密度:nTPkTPn22102 . 7 ( (個個/ /米米3 3) )注：注：,ANRk 11KmolJ 31451. 8 R123mol 100221367. 6 AN第一講第一講 基本概念、基本數據、基本公式基本概念、基本數據、基本公式TPkTPn22102 . 7 ( (個個/ /米米3 3) )1 1帕帕(Pa)=1(Pa)=1牛頓牛頓/ /米米2 2=1=1千克千克/ /米米. .秒秒2 2若若 P = 一個大氣壓一個大氣壓 Pa, 105 319cm 100 . 3 n則則: 在在T=293K(室溫室溫)有：有： 氣體密度方程：氣體密

3、度方程：若若Pa, 1033. 14 P則則: 在在T=293K(室溫室溫)有：有：310cm 102 . 3 n( (殘余分子殘余分子) )第一講第一講 基本概念、基本數據、基本公式基本概念、基本數據、基本公式 赫茲赫茲-努曾方程：努曾方程：單位時間內在單位面積上碰撞的分子數為：單位時間內在單位面積上碰撞的分子數為：)m(s 412-1 vn證明如下：證明如下：設單位時間內設單位時間內vxvx+dvx的分子在單位面積上碰撞的分的分子在單位面積上碰撞的分子數為子數為d. 所以，在所以，在dt內內vxvx+dvx的分子的分子碰撞碰撞dS的分的分子數子數dNC為：為：StNCdddd Sdtvxd

4、dSd dtvdnNxxC dSd )(tvdvvnfxxxM xxxMvvvnfd)(d 0d)(xxxMvvvnfkTmvxMxekTmvf22322)( 分子數密度分子數密度分子平均速率分子平均速率:n:vmkTv 8 41vn 證畢證畢.第一講第一講 基本概念、基本數據、基本公式基本概念、基本數據、基本公式 氣體分子碰壁數率氣體分子碰壁數率N公式公式單位時間內在單位面積上碰撞的分子數為：單位時間內在單位面積上碰撞的分子數為：RTPNNA2 證明如下：證明如下：)m(s 412-1 vn赫茲赫茲- -努曾方程努曾方程氣體常數氣體常數:R阿伏伽德羅常數阿伏伽德羅常數:AN氣體摩爾質量氣體摩

5、爾質量: ,8mkTv , kTPn ,ANm ,ANRk mkTkTPvnN 84141 RTPNA2 證畢證畢.第一講第一講 基本概念、基本數據、基本公式基本概念、基本數據、基本公式證明如下：證明如下：nl221 由大學物理知，氣體分子平均自由程為：由大學物理知，氣體分子平均自由程為：分子直經分子直經10-10 m: TPkTPn22102 . 7 ( (個個/ /米米3 3) )由由TP16102 . 7 ( (個個/ /厘米厘米3 3) ) 氣體分子自由程公式氣體分子自由程公式)cm( 667. 0Pl ( (室溫室溫T=25=298K)(cm) 667. 0102 . 7221 16

6、22PPTnl 證畢證畢. .可見：壓強越小，平均自由程越大?？梢姡簤簭娫叫?，平均自由程越大。第一講第一講 基本概念、基本數據、基本公式基本概念、基本數據、基本公式真空壓強單位：真空壓強單位：1Pa(1Pa(帕帕)=l)=l牛頓牛頓/ /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(一個大氣壓一個大氣壓)=101308)=101308Pa真空程度區(qū)域劃分：真空程度區(qū)域劃分：壓強壓強(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低真空低真空第一講第一講 基本概念、基本數據、基本公式基本概念、基本數據、基本公式應用應用1： 薄膜制備中對真空度的要求是多少？薄膜制備中對真空度的要求是多少？設設N N0 0個蒸發(fā)分子經個蒸發(fā)分子經d d后未受殘余氣體分子碰撞的數目為：后未受殘余氣體分子碰撞的數目為：lddeNN 0顯然，被碰撞的分子百分數顯然，被碰撞的分子百分數 f

8、 為：為：lddeNNf 011 為產生鍍膜效果，要求為產生鍍膜效果，要求,dl 即有：即有：ldeld 1ldf 將將)cm( 667. 0Pl 代入得：代入得：Pdf5 . 1 一般來說，為保證膜層質量，要求一般來說，為保證膜層質量，要求110 fdP5 . 110 1 若若cm, 25 d則則:Pa 1033 Pd第一講第一講 基本概念、基本數據、基本公式基本概念、基本數據、基本公式應用應用2： 抑制殘余氣體與蒸發(fā)材料之間的反應所要的抑制殘余氣體與蒸發(fā)材料之間的反應所要的真空度是多少？真空度是多少？因為殘余氣體分子到達基片上的速率因為殘余氣體分子到達基片上的速率N為為: :RTPNNA

9、2 蒸發(fā)分子到達基片上的速率蒸發(fā)分子到達基片上的速率F為為: :tNMdFA1 膜層密度膜層密度: 摩爾質量摩爾質量:M膜層厚度膜層厚度:d阿伏伽德羅常數阿伏伽德羅常數:AN蒸發(fā)時間蒸發(fā)時間:t為了抑制殘余氣體與蒸發(fā)材料的反應，要求：為了抑制殘余氣體與蒸發(fā)材料的反應，要求：110 FNtMRTdP 2 10 1 一般來說：一般來說：Pa 1010 54 P注：單位面積注：單位面積第一講第一講 基本概念、基本數據、基本公式基本概念、基本數據、基本公式第二講第二講 真空獲得與真空測量真空獲得與真空測量l.l.真空獲得真空獲得抽真空設備抽真空設備 機械泵機械泵 羅茨泵羅茨泵 擴散泵擴散泵 分子泵分子

10、泵 離子泵離子泵 升華泵升華泵抽氣能力抽氣能力( (極限真空度極限真空度) )大氣大氣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/ /秒秒機械泵機械泵羅茨泵羅茨泵分子泵分子泵擴散泵擴散泵第一講第一講 基本概念、基本數據、基本公式基本概念、基本數據、基本公式機械泵的工作原理機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個循環(huán)后：個循環(huán)后：nnVVVPP 0

11、當當 n則則0nP但存在有害空間，所以存在極限但存在有害空間，所以存在極限 Pm抽速抽速VS 2( (升升/ /秒秒) )因有害空間，所以實際抽速為因有害空間，所以實際抽速為: :)1 (PPSSmH 0 HmSPP當當時，時，有害空間有害空間第一講第一講 基本概念、基本數據、基本公式基本概念、基本數據、基本公式擴散泵的工作原理擴散泵的工作原理 根據流速大處氣壓小的原理，靠油蒸汽射流攜帶氣根據流速大處氣壓小的原理，靠油蒸汽射流攜帶氣體分子，再通過機械泵將氣體排出。體分子，再通過機械泵將氣體排出。氣壓小氣壓小真空室真空室接機械泵接機械泵加熱器加熱器(電爐電爐)擴散泵油擴散泵油冷阱冷阱冷卻水管冷卻

12、水管第一講第一講 基本概念、基本數據、基本公式基本概念、基本數據、基本公式分子泵的工作原理分子泵的工作原理 通過高速旋轉的渦輪葉片，不斷地對氣體分子施通過高速旋轉的渦輪葉片，不斷地對氣體分子施以定向的動量和壓縮作用。以定向的動量和壓縮作用。渦輪葉片渦輪葉片高速旋轉高速旋轉第一講第一講 基本概念、基本數據、基本公式基本概念、基本數據、基本公式離子泵的工作原理離子泵的工作原理鈦陰極鈦陰極鈦陰極鈦陰極不銹鋼陽極不銹鋼陽極高壓高壓5 5千伏千伏磁場磁場1-21-2千伏千伏氣體分子電離氣體分子電離a. 鈦陰極板收集離子；鈦陰極板收集離子；b. 濺射出來的鈦原子濺射出來的鈦原子 吸收氣體分子。吸收氣體分子

13、。抽氣原理：抽氣原理：升華泵的工作原理升華泵的工作原理對鈦絲或鈦球通電加熱使鈦升華。對鈦絲或鈦球通電加熱使鈦升華。因大面積上充分升華鈦，所以能獲得大的抽氣速率。因大面積上充分升華鈦，所以能獲得大的抽氣速率。第一講第一講 基本概念、基本數據、基本公式基本概念、基本數據、基本公式2.2.真空測量真空測量真空測量規(guī)管：真空測量規(guī)管：熱電偶規(guī)管熱電偶規(guī)管( (真空計真空計)-)-低真空測量低真空測量電離規(guī)管電離規(guī)管( (真空計真空計)-)-高真空測量高真空測量測量范圍：測量范圍：10 1 Pa ( (在此范圍測量精確在此范圍測量精確) )測量范圍：測量范圍：10-1 10-6 Pa 第一講第一講 基本

14、概念、基本數據、基本公式基本概念、基本數據、基本公式熱電偶工作原理：熱電偶工作原理： 任何兩根不同的金屬如鎳任何兩根不同的金屬如鎳- -康銅、銅康銅、銅- -康銅、鉑康銅、鉑- -鉑鉑銠等，當其兩個接頭的溫度不同時，出現(xiàn)溫差電動勢：銠等，當其兩個接頭的溫度不同時，出現(xiàn)溫差電動勢：)()(),(2121TeTeTT 熱電偶中間導體定律：熱電偶中間導體定律： 在熱電偶回路中，加入一根中間導體，只要中間導在熱電偶回路中，加入一根中間導體，只要中間導體兩端的溫度相同，就不會影響熱電動熱。體兩端的溫度相同，就不會影響熱電動熱。第一講第一講 基本概念、基本數據、基本公式基本概念、基本數據、基本公式熱電偶規(guī)

15、管的工作原理熱電偶規(guī)管的工作原理mAmVK加熱燈絲加熱燈絲玻璃管半經玻璃管半經r1Pt接真空室接真空室 在低壓強下氣體的熱在低壓強下氣體的熱傳導與壓強成正比關系傳導與壓強成正比關系.總熱量的散失：總熱量的散失：321QQQQ :1Q輻射熱輻射熱:2Q燈絲兩端支撐的傳熱燈絲兩端支撐的傳熱:3Q氣體分子碰撞燈絲而氣體分子碰撞燈絲而帶走的熱量帶走的熱量顯然：顯然：Q Q1 1和和Q Q2 2與壓強與壓強P P無關無關; ;只有只有Q Q3 3與壓強與壓強P P有關有關; ;壓強壓強P,P,碰撞次數碰撞次數,Q,Q3 3,從而燈絲溫度變化越大。從而燈絲溫度變化越大。第一講第一講 基本概念、基本數據、基

16、本公式基本概念、基本數據、基本公式粗真空下：粗真空下：l自由程自由程 r r r1 1管半經管半經Q Q3 3 很小很小, ,即即Q Q3 3Q5PaP5Pa：氧化；：氧化；當當P1P11010-1-1PaPa較高真空較高真空：電離達到平衡電離達到平衡飽和飽和不能測不能測 當當P10PVVl 有：有： VglgPRTVVV )(dd lgVVVTHTP 代入代入 克勞修斯克勞修斯- -克拉珀龍方程改變?yōu)椋嚎死挲埛匠谈淖優(yōu)椋?d d2RTTHPPVV 而而H是漸變函數是漸變函數, ,可視為常數可視為常數. . ln RTHCPV 摩爾氣體常數摩爾氣體常數KJ/mol 314510. 8 R 3

17、 . 2 3 . 2lg TBARTHCPV 注：注： lg3 . 2ln xx 3 . 2 RHB 1lg TPV由此作一條直線由此作一條直線( (飽和蒸汽壓曲線飽和蒸汽壓曲線) )VPlgT1第一講第一講 基本概念、基本數據、基本公式基本概念、基本數據、基本公式討論：討論： lg TBAPV 3 . 2 RHB VPlgT1其斜率其斜率 3 . 2 RHB 由此求汽化熱由此求汽化熱H飽和蒸汽壓隨著溫度升高而迅速增加，反之亦然。飽和蒸汽壓隨著溫度升高而迅速增加，反之亦然。這表明：提高真空度可降低鍍膜材料蒸發(fā)所需溫度。這表明：提高真空度可降低鍍膜材料蒸發(fā)所需溫度。比較不同材料的蒸發(fā)溫度比較不同

18、材料的蒸發(fā)溫度. .VPT1T2T3T物質物質1 1物質物質3 3物質物質2 2由此，可以判斷在混合蒸發(fā)由此，可以判斷在混合蒸發(fā)材料中，哪個元素或化合物材料中，哪個元素或化合物先蒸發(fā)等。以便采取相應的先蒸發(fā)等。以便采取相應的技術措施。技術措施。Pa 1第一講第一講 基本概念、基本數據、基本公式基本概念、基本數據、基本公式 兩種或兩種以上物質蒸發(fā)的飽和蒸汽壓兩種或兩種以上物質蒸發(fā)的飽和蒸汽壓Pv Pv 分壓定律：混合物的總蒸汽壓分壓定律：混合物的總蒸汽壓PT等于各組元蒸汽分等于各組元蒸汽分 壓之和壓之和, ,即：即： iTPPPPP321拉烏爾定律：在混合物狀態(tài)下成分拉烏爾定律：在混合物狀態(tài)下成

19、分i i的飽和蒸汽壓為：的飽和蒸汽壓為：TiiiPNP 式中：式中：PiT為該成分為該成分i i單獨存在時在溫度單獨存在時在溫度T下的飽和蒸汽壓下的飽和蒸汽壓; ;Ni為該成分為該成分i i在混合物中占摩爾分數。在混合物中占摩爾分數。顯然，對于二元化合物來說顯然，對于二元化合物來說(A,B)，其，其NA+NB=l，其飽，其飽和蒸汽分壓分別為：和蒸汽分壓分別為：TBBBTAAAPNPPNP ,總飽和蒸汽壓為：總飽和蒸汽壓為：TBBTAABATPNPNPPP 對于三元、四元及多元化合物來說也如此。對于三元、四元及多元化合物來說也如此。第一講第一講 基本概念、基本數據、基本公式基本概念、基本數據、基

20、本公式三元化合物的熔點為：三元化合物的熔點為：ocoboaocTobToaTTCBA/1/1/1/0 T TA A、T TB B、T TC C : :分別為元素分別為元素A A、B B、C C 的熔點；的熔點；ABCcabo三元成分相圖三元成分相圖oaoa、obob、ococ : :分別為分別為相圖中到各相圖中到各 邊的垂直距離。邊的垂直距離。顯然，當顯然，當TA，TB，TC分別為元素分別為元素A，B，C飽和蒸汽飽和蒸汽壓所對應的溫度時，則壓所對應的溫度時，則T0就是化合物總飽和蒸汽壓就是化合物總飽和蒸汽壓PT所對應的溫度。所對應的溫度。第一講第一講 基本概念、基本數據、基本公式基本概念、基本

21、數據、基本公式 蒸發(fā)粒子的速率和能量蒸發(fā)粒子的速率和能量 蒸蒸發(fā)發(fā)汽粒子的速率分布可視為麥克斯韋速率分布：汽粒子的速率分布可視為麥克斯韋速率分布：kTmvekTmvvf2232224)( v0)(vf即一個分子在溫度即一個分子在溫度T下下速率為速率為v 的概率。的概率。所以所以, ,一個分子在溫度一個分子在溫度T下均方速率為：下均方速率為： 02233)(MRTmkTdvvfvv動能：動能：kTvmE23212 eV 2 . 01 . 0 Ecm/s 108)(05 mkTdvvvfv 分子平均分子平均速率速率第一講第一講 基本概念、基本數據、基本公式基本概念、基本數據、基本公式 蒸發(fā)速率蒸發(fā)

22、速率 由赫茲由赫茲- -努曾公式努曾公式, ,單位時間單位面積上碰撞的氣體單位時間單位面積上碰撞的氣體分子數為：分子數為：vnNS41 ,8mkTv kTPn 這也是單位時間從蒸發(fā)源單位面積上蒸發(fā)出來的分子數這也是單位時間從蒸發(fā)源單位面積上蒸發(fā)出來的分子數: :mkTPmkTkTPNVS 2841 PV : 飽和蒸汽壓飽和蒸汽壓所以所以, ,單位時間從蒸發(fā)源單位面積上蒸發(fā)出來的質量為單位時間從蒸發(fā)源單位面積上蒸發(fā)出來的質量為: :RTMPkTmPmNRVVSm 22 第一講第一講 基本概念、基本數據、基本公式基本概念、基本數據、基本公式 沉積速率沉積速率 單位時間到達樣品表面單位面積上的分子數

23、為：單位時間到達樣品表面單位面積上的分子數為： 0Sr cos2 20MRTrSNPNAVB ( (自證自證) )NA: 阿佛加德羅常數；阿佛加德羅常數；M: 分子量；分子量；S0: 蒸發(fā)源面積。蒸發(fā)源面積。設設d理理為單位時間內膜層生長厚度為單位時間內膜層生長厚度-沉積速率沉積速率 cos2 20MRTrSNPNMAVA d理理為膜層密度為膜層密度 式中：式中：MRTrSPV 2 cos 20 d理理mkTrSPV 2 cos20 ( (米米/ /秒秒) )第一講第一講 基本概念、基本數據、基本公式基本概念、基本數據、基本公式 但實際上并不是百分之百地凝結成膜，總有一但實際上并不是百分之百地

24、凝結成膜，總有一部分原子或分子會產生解吸。因此，存在一個凝結部分原子或分子會產生解吸。因此，存在一個凝結系數系數即：即：d d實實=d理理=d d實實/ /d理理 不同的基板，往往凝結系數不同的基板，往往凝結系數不同，從而沉積速不同，從而沉積速率率d d實實不同不同. 這是實驗上所觀察到的現(xiàn)象。這是實驗上所觀察到的現(xiàn)象。第一講第一講 基本概念、基本數據、基本公式基本概念、基本數據、基本公式 蒸發(fā)手段蒸發(fā)手段電阻蒸發(fā)電阻蒸發(fā)電子束蒸發(fā)電子束蒸發(fā)激光蒸發(fā)激光蒸發(fā)反應蒸發(fā)反應蒸發(fā)第一講第一講 基本概念、基本數據、基本公式基本概念、基本數據、基本公式濺射制備薄膜濺射制備薄膜 第四講第四講一一. .濺射

25、制備薄膜的工作原理濺射制備薄膜的工作原理雷電雷電實驗模擬實驗模擬陰極射管陰極射管18601860年格格夫年格格夫“濺射濺射”現(xiàn)象現(xiàn)象陰極陰極陽極陽極陰極輝光陰極輝光負輝光負輝光陽極光柱陽極光柱阿斯頓暗區(qū)阿斯頓暗區(qū)克魯克斯暗區(qū)克魯克斯暗區(qū)法拉第暗區(qū)法拉第暗區(qū)陰極射線管：陰極射線管：第一講第一講 基本概念、基本數據、基本公式基本概念、基本數據、基本公式 冷陰極發(fā)射出的電子其能量僅冷陰極發(fā)射出的電子其能量僅1.0eV1.0eV，不足以激活，不足以激活氣體，因此，形成阿斯頓暗區(qū)；氣體，因此，形成阿斯頓暗區(qū)； 電子加速后具有了能量，激活氣體分子使其處于激電子加速后具有了能量，激活氣體分子使其處于激發(fā)態(tài)，

26、而激發(fā)態(tài)向低能級躍發(fā)態(tài)，而激發(fā)態(tài)向低能級躍遷遷便發(fā)光，由此形成陰極便發(fā)光，由此形成陰極輝光區(qū)；輝光區(qū)； 電子電子繼續(xù)加速，具有了較大能量，經碰撞使氣體分繼續(xù)加速，具有了較大能量，經碰撞使氣體分子電離而自身電子速度降低，從而無法激活氣體分子，子電離而自身電子速度降低，從而無法激活氣體分子，因此形成克魯克斯暗區(qū)。顯然，在這個區(qū)域里有高密度因此形成克魯克斯暗區(qū)。顯然，在這個區(qū)域里有高密度的正離子，并加速向陰極運動的正離子，并加速向陰極運動, 從而有大電壓降從而有大電壓降； 慢電子再經電場加速后具有了能量，激活氣體分子慢電子再經電場加速后具有了能量，激活氣體分子使其處于激活態(tài)，經躍遷到低能，由此形成負

27、輝光區(qū)；使其處于激活態(tài)，經躍遷到低能，由此形成負輝光區(qū)；第一講第一講 基本概念、基本數據、基本公式基本概念、基本數據、基本公式 電子加速過快，僅能電離部分氣體分子，不能激活電子加速過快，僅能電離部分氣體分子，不能激活氣體分子，因而是暗區(qū)，稱其為法拉第暗區(qū)，并且暗氣體分子，因而是暗區(qū)，稱其為法拉第暗區(qū)，并且暗區(qū)較長，經過較長的法拉第暗區(qū)，電子又慢下來；區(qū)較長，經過較長的法拉第暗區(qū)，電子又慢下來； 慢下來的電子具有了激活氣體分子的適合能量，而慢下來的電子具有了激活氣體分子的適合能量，而使其處于激活態(tài)，經躍遷到低能級而形成陽極光柱。使其處于激活態(tài)，經躍遷到低能級而形成陽極光柱。 由此可見，電壓主由此

28、可見，電壓主要降在克魯克斯暗區(qū)，要降在克魯克斯暗區(qū)，而陰極光柱的電壓降而陰極光柱的電壓降很小，如圖所示。很小，如圖所示。陰極陰極陽極陽極克魯克斯暗區(qū)克魯克斯暗區(qū)V第一講第一講 基本概念、基本數據、基本公式基本概念、基本數據、基本公式中性粒子中性粒子e- 電子電子正離子正離子負離子負離子返回返回入射離子入射離子反射離子反射離子“濺射濺射”現(xiàn)象現(xiàn)象: 二次二次發(fā)射發(fā)射粒子粒子入射離子能量入射離子能量= 熱能熱能+二次發(fā)射粒子能量二次發(fā)射粒子能量955中性粒子數：二次電子數：二次離子數中性粒子數：二次電子數：二次離子數100101加熱，結晶變化，擴散，離子注入加熱，結晶變化，擴散，離子注入濺射理論濺

29、射理論:熱學理論熱學理論-局部加熱蒸發(fā)，因不合實際而淘汰。局部加熱蒸發(fā)，因不合實際而淘汰。動量理論動量理論-動量傳遞，當動能大于升華熱動量傳遞，當動能大于升華熱-濺出。濺出?，F(xiàn)普遍承認現(xiàn)普遍承認第一講第一講 基本概念、基本數據、基本公式基本概念、基本數據、基本公式濺射參數：濺射率，濺射閥，濺射粒子速度和能量。濺射參數：濺射率，濺射閥，濺射粒子速度和能量。 濺射率濺射率 ( (濺射產額或濺射系數濺射產額或濺射系數) )平均每個正離子能從陰極上打出的原子數平均每個正離子能從陰極上打出的原子數.實際結果：實際結果： Ag Au,Cu, Ni, Al,Fe, Ti, Zr, Si, ,C濺射率增大方向

30、濺射率增大方向多晶材料的濺射率多晶材料的濺射率S ：022)(443EEmmmmSAIAI E: :入射離子能量入射離子能量E0: :升華熱升華熱其推導參見：其推導參見：411(1968) 10, Tela Tverd Fiz. et.al. Gurmin. L.第一講第一講 基本概念、基本數據、基本公式基本概念、基本數據、基本公式 濺射閾值濺射閾值入射離子使陰極靶產生濺射所需的最小能量入射離子使陰極靶產生濺射所需的最小能量.一般為：一般為：10-30eV/ /分子分子; ; 而升華熱為：而升華熱為：2-8eV/ /分子分子. . 濺射粒子的速率和能量濺射粒子的速率和能量Ar+轟擊下，濺射粒子

31、的平均速率為轟擊下，濺射粒子的平均速率為3-6105cm/scm/s平均能量為平均能量為: :10-40eV 大于蒸發(fā)能量大于蒸發(fā)能量0.1-0.2eV 二極濺射淀積速率二極濺射淀積速率0.3-5m/s 蒸發(fā)蒸發(fā)102-105m/s結論：結論： 濺射法：能量大，但淀積速率低濺射法：能量大，但淀積速率低 蒸發(fā)法：能量小，但淀積速率快蒸發(fā)法：能量小，但淀積速率快第一講第一講 基本概念、基本數據、基本公式基本概念、基本數據、基本公式二二. . 二極濺射、三極濺射二極濺射、三極濺射1. 1. 二極濺射二極濺射( (DC直流濺射直流濺射) )抽氣抽氣出水出水冷卻水進冷卻水進Ar氣等氣等接負高壓接負高壓陰

32、極濺射原理圖陰極濺射原理圖樣品樣品靶靶 M輝光等離子區(qū)輝光等離子區(qū)濺射步驟：濺射步驟：抽真空至抽真空至10-3-10-4Pa.充入惰性氣體充入惰性氣體( (如如Ar) ) 至至7-0.1Pa.加數千伏的負高壓加數千伏的負高壓,出現(xiàn)出現(xiàn) 輝光放電輝光放電. 這時，被電離了的這時，被電離了的ArAr離子離子向靶加速運動，通過動量傳向靶加速運動，通過動量傳遞，靶材原子被打出而濺射遞，靶材原子被打出而濺射到樣品上，形成薄膜。到樣品上，形成薄膜。第一講第一講 基本概念、基本數據、基本公式基本概念、基本數據、基本公式優(yōu)點：二極濺射結構簡單優(yōu)點：二極濺射結構簡單. .缺點：不能濺射介質膜即絕緣膜；缺點：不能

33、濺射介質膜即絕緣膜； 濺射速率低，往往需要幾個小時濺射速率低，往往需要幾個小時. .二極濺射的優(yōu)二極濺射的優(yōu)缺缺點：點：第一講第一講 基本概念、基本數據、基本公式基本概念、基本數據、基本公式2. 2. 三極濺射三極濺射陽極陽極(+50V)(+50V)靶靶(-600V)(-600V)磁場線圈磁場線圈(40-1000(40-1000高斯高斯) )樣品樣品柵極柵極(+360V)(+360V)熱燈絲熱燈絲惰性氣體惰性氣體(Ar)抽氣抽氣三極濺射原理圖三極濺射原理圖 為提高濺射沉為提高濺射沉積速率和避免基積速率和避免基板升溫而提出了板升溫而提出了三極濺射結構三極濺射結構 由此可見，等離子由此可見，等離子

34、區(qū)由熱陰極和一個與區(qū)由熱陰極和一個與靶無關的陽極來維持靶無關的陽極來維持,而靶偏壓是獨立的。而靶偏壓是獨立的。 M第一講第一講 基本概念、基本數據、基本公式基本概念、基本數據、基本公式 由此可大大降低靶電壓，并且可在較低的氣壓由此可大大降低靶電壓，并且可在較低的氣壓(10-1Pa)進行放電起輝。進行放電起輝。 再加入定向磁場，可把等離子體聚成一定的形再加入定向磁場，可把等離子體聚成一定的形狀，從而使電離效率明顯提高，進而提高濺射沉狀，從而使電離效率明顯提高，進而提高濺射沉積速率積速率:2000 nm/min另外，二次電子被磁場捕獲，可避免基板升溫。另外，二次電子被磁場捕獲，可避免基板升溫。 顯

35、然，三極濺射的濺射速率等比二極濺射有了較大顯然，三極濺射的濺射速率等比二極濺射有了較大的進步，但是仍不能滿足實際要求的濺射沉積速率，的進步，但是仍不能滿足實際要求的濺射沉積速率，氣體分子也只有氣體分子也只有0.30.3-0.5-0.5的被電離，因為電子幾的被電離，因為電子幾乎是直線運動。乎是直線運動。第一講第一講 基本概念、基本數據、基本公式基本概念、基本數據、基本公式濺射制備薄膜濺射制備薄膜 第五講第五講三三. .射頻濺射鍍膜射頻濺射鍍膜( (Rf 濺射濺射) ) 上堂課講的二極、三極上堂課講的二極、三極濺射是直流濺射是直流(DC)濺射，這濺射，這只能濺射金屬膜而不能濺射只能濺射金屬膜而不能

36、濺射介質絕緣材料。因為靶面上介質絕緣材料。因為靶面上正離子堆積越來越多，從而正離子堆積越來越多，從而靶電勢越來越高，導致陰靶靶電勢越來越高，導致陰靶極和陽極基板電勢差越來越極和陽極基板電勢差越來越小小, ,最后最后, ,不能形成輝光放電不能形成輝光放電而停止濺射而停止濺射, ,如圖所示。如圖所示。-1500-3000V絕緣介質靶絕緣介質靶樣品樣品 rA第一講第一講 基本概念、基本數據、基本公式基本概念、基本數據、基本公式 射頻濺射射頻濺射( (RF) )可濺射鍍制介質膜和金屬膜可濺射鍍制介質膜和金屬膜, ,即在即在絕緣靶背面裝上一金屬電極絕緣靶背面裝上一金屬電極, ,施加頻率為施加頻率為5-3

37、0MHz的的高頻電場一般采用工業(yè)頻率高頻電場一般采用工業(yè)頻率13.56MHz，可使濺射持，可使濺射持續(xù)進行，其工作原理如圖所示：續(xù)進行，其工作原理如圖所示：絕緣介質靶絕緣介質靶樣品樣品高頻電源高頻電源-Vb0Vt負半周負半周正半周正半周第一講第一講 基本概念、基本數據、基本公式基本概念、基本數據、基本公式負半周時：氬離子濺射靶材，并堆積在靶面，但正負半周時：氬離子濺射靶材，并堆積在靶面，但正 離子運動相對電子運動要慢得多，所以離子運動相對電子運動要慢得多，所以 正氬離子堆積慢。正氬離子堆積慢。正半周時：電子打在靶表面上，與靶表面上的正離正半周時：電子打在靶表面上，與靶表面上的正離 子子Ar+中

38、和，并堆積在靶面上，由于電子中和，并堆積在靶面上，由于電子 運動快，所以堆積快。運動快，所以堆積快。 因此，從長一段時間來看，靶材表面呈負性，因此，從長一段時間來看，靶材表面呈負性，即相當于靶自動地加了一個負偏壓即相當于靶自動地加了一個負偏壓Vb，從而靶材料，從而靶材料能在正離子能在正離子ArAr+ +轟擊下持續(xù)濺射。轟擊下持續(xù)濺射。第一講第一講 基本概念、基本數據、基本公式基本概念、基本數據、基本公式 另外，電子在高頻電場中的振蕩可增加電離另外，電子在高頻電場中的振蕩可增加電離ArAr+ +離子的幾率，從而使濺射速率提高。離子的幾率，從而使濺射速率提高。高頻電場頻率值選擇依據：高頻電場頻率值

39、選擇依據： 陰陽電極間構成電容陰陽電極間構成電容C, ,其間電壓其間電壓V, ,蓄電量蓄電量Q, ,則有：則有：CQV CItQCtV 1 所以頻率為：所以頻率為：MHz10Hz101 7 VCIf 這正是選擇工業(yè)頻率這正是選擇工業(yè)頻率13.6MHz的依據的依據。設設I為一周期內流過電極的平均電流為一周期內流過電極的平均電流10-2-10-3A， 而而V500V，C10-11-10-12F，第一講第一講 基本概念、基本數據、基本公式基本概念、基本數據、基本公式四四. .磁控濺射鍍膜磁控濺射鍍膜 上述幾種濺射方法其濺射速率較低，因為電子在上述幾種濺射方法其濺射速率較低，因為電子在陰陽電極之間作直

40、線運動，所以僅有陰陽電極之間作直線運動，所以僅有0.3-0.5的氣體的氣體分子被電離。分子被電離。 磁控濺射的濺射速率磁控濺射的濺射速率比上述幾種濺射方法提比上述幾種濺射方法提高高十倍左右，并且對于許十倍左右，并且對于許多多材料，其濺射速率幾乎材料，其濺射速率幾乎接接近電子束的蒸發(fā)速率。近電子束的蒸發(fā)速率。-200-500VNNS磁芯磁芯磁磁力力線線EH樣品樣品靶材靶材第一講第一講 基本概念、基本數據、基本公式基本概念、基本數據、基本公式磁控濺射的工作原理磁控濺射的工作原理: 引入正交電磁場使電子作曲線運動，從引入正交電磁場使電子作曲線運動，從而使而使Ar原子的離化率提高到原子的離化率提高到5

41、 - 6，進而使濺射速進而使濺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 如圖如圖. yx0zEH 電子受力為：電子受力為：)(HveEeF 設設t=0時，電子初速時，電子初速v0=0,E、H 為常數為常數由此電子在開初不可能有由此電子在開初不可能有vz , 即即vz =0僅有僅有vx初初 0, vy初初 0( (電子在電場電子在電場E作用下作用下) )第一講第一講 基本概念、基本數據、基本公式基本概念、基本數據、基本公式 0 222222dtzdmHdtdxedtydmHdtdyeeEdtxdm 222233 HdtdxedtydmHdtydedtxdm

42、 2233dtdxmHedtxdm 令：令： , ,2222meHmHedtdx 0 222 dtdm其解：其解： )cos( tA當當t=0時時000 tdtdx 2 0cos 0 A )2cos( tA第一講第一講 基本概念、基本數據、基本公式基本概念、基本數據、基本公式而在而在 x 方向僅受電場力作用，所以有：方向僅受電場力作用，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同理同理可證：可證： sin- 2 tmeHtmeHeHmE y自證自證第一講第一講 基本概念、基本數據、基本公式基本概念、基本數據、基本公式 由此可見，電子運動軌跡為在由此可見，電子運動軌跡為在E與與H構成平面的擺構成平面的擺線方程。線方程。 將將x、y 分別對分別對t 求導求導, ,得電子速率方程：得電子速率方程： sin tmeHHEdtdx cos-1 dd tmeHHEty yx0zEH 由此可見由此可見, ,電子運動速率呈周期性變化電子運動速率呈周期性變化, ,并且速率峰值并且速率峰值與與E E成正比成正比, ,與與H H成反比成反比, ,而變化頻率與而變化頻率與H H成正比成

44、正比, ,即：即：, mvE mvH sin- 2 tmeHtmeHeHmE y cos-1 2 tmeHeHmEx討論：討論：第一講第一講 基本概念、基本數據、基本公式基本概念、基本數據、基本公式離子鍍膜法離子鍍膜法, ,MBE法法, ,CVDCVD法法第六講第六講1. 離子鍍膜法離子鍍膜法 真空蒸發(fā)真空蒸發(fā)+ +濺射濺射離子鍍膜法離子鍍膜法 離子束濺射離子束濺射離子離子鍍膜法鍍膜法第一講第一講 基本概念、基本數據、基本公式基本概念、基本數據、基本公式 真空蒸發(fā)真空蒸發(fā)+ +濺射濺射離子鍍膜法離子鍍膜法等離子體等離子體樣品樣品熱燈絲熱燈絲惰性氣體惰性氣體(Ar)抽氣抽氣蒸發(fā)材料蒸發(fā)材料本底真

45、空本底真空: : 10 10-3-3-10-10-4-4PaPa工作氣壓工作氣壓: : 10 10-2-2-1Pa-1Pa用真空蒸發(fā)來制成薄膜用真空蒸發(fā)來制成薄膜;用濺射作用來清潔樣品用濺射作用來清潔樣品 表面表面離子清洗離子清洗.直直流流電電壓壓 第一講第一講 基本概念、基本數據、基本公式基本概念、基本數據、基本公式優(yōu)點：成膜速率快優(yōu)點：成膜速率快50m/min，膜層潔凈，不受沾污，膜層潔凈，不受沾污， 能量大能量大( (高出濺射法鍍膜粒子高出濺射法鍍膜粒子1-2個數量級個數量級) )缺點：正離子轟擊基片使其升溫，從而引起膜層中缺缺點：正離子轟擊基片使其升溫，從而引起膜層中缺 陷和針孔。陷和

46、針孔。 a. a.將直流電壓換成高頻電源將直流電壓換成高頻電源高頻離子鍍；高頻離子鍍； b.b.另設一寬束離子源轟擊基另設一寬束離子源轟擊基片片，能量可調，能量可調 離子輔助沉積成膜。離子輔助沉積成膜。改進措施：改進措施：第一講第一講 基本概念、基本數據、基本公式基本概念、基本數據、基本公式 離子束濺射離子束濺射離子離子鍍膜法鍍膜法 真空蒸發(fā)鍍膜，濺射鍍膜，離子鍍膜都不能控真空蒸發(fā)鍍膜，濺射鍍膜，離子鍍膜都不能控制達到基片上的粒子流。為提高成膜質量，需要制達到基片上的粒子流。為提高成膜質量，需要精確控制成膜過程如圖所示：精確控制成膜過程如圖所示：離子源離子源ArAr抽氣抽氣樣品樣品靶材靶材Pa

47、104 P克努曾噴射源克努曾噴射源第一講第一講 基本概念、基本數據、基本公式基本概念、基本數據、基本公式優(yōu)點：成膜能精確控制，調束流和離子束能即可；優(yōu)點：成膜能精確控制，調束流和離子束能即可； 高真空度下成膜，膜層質量好；高真空度下成膜，膜層質量好； 基片溫度低?；瑴囟鹊?。 由圖可見，惰性離子由圖可見，惰性離子Ar+束轟擊靶材，而將靶材分束轟擊靶材，而將靶材分子濺射到基片上。這事實上屬二次離子束沉積。子濺射到基片上。這事實上屬二次離子束沉積。 進一步改進即實現(xiàn)一次離子束沉積：由固態(tài)物質進一步改進即實現(xiàn)一次離子束沉積：由固態(tài)物質的離子束直接打在基片上沉積而形成薄膜的離子束直接打在基片上沉積而形

48、成薄膜-離子束離子束沉積法。沉積法。 但在工藝實現(xiàn)比較困難，因為不易產生足夠數量但在工藝實現(xiàn)比較困難，因為不易產生足夠數量的固態(tài)物質離子，并能將它們引出和聚焦成束。的固態(tài)物質離子，并能將它們引出和聚焦成束。 第一講第一講 基本概念、基本數據、基本公式基本概念、基本數據、基本公式2. 分子束外延制膜法分子束外延制膜法( (MBE) 外延工藝：外延工藝：合適的條件下，合適的條件下，在適當的襯底上生成在適當的襯底上生成一層晶格結構完整的新單晶層外延層的制膜工藝。一層晶格結構完整的新單晶層外延層的制膜工藝。 同質外延：外適層與襯底材料在結構和性質上同質外延：外適層與襯底材料在結構和性質上相同，但純度可

49、控等。相同，但純度可控等。 異質外延：外適層與襯底材料在結構和性質不同。異質外延：外適層與襯底材料在結構和性質不同。高品質的半導體芯片就是由分子束外延制成。高品質的半導體芯片就是由分子束外延制成。第一講第一講 基本概念、基本數據、基本公式基本概念、基本數據、基本公式分子束外延裝置分子束外延裝置:SnSn源源AlAl源源GaGa源源檔板檔板樣品樣品工作室真空：工作室真空：1010-8-8Pa;Pa;分子束噴射源多個分子束噴射源多個; ;各種監(jiān)控儀等。各種監(jiān)控儀等。 將物質如將物質如AlAl、GaGa等摻雜劑等摻雜劑分別放入噴射源的坩熔內，分別放入噴射源的坩熔內，加熱使物質熔化升華就能產加熱使物質

50、熔化升華就能產生相應的分子束；生相應的分子束；這是目前最精確可控的成膜技術。這是目前最精確可控的成膜技術。 噴射源的孔徑遠小于容器噴射源的孔徑遠小于容器內蒸汽分子的平均自由程；內蒸汽分子的平均自由程；噴射源的爐溫和檔板可調，噴射源的爐溫和檔板可調，從而實現(xiàn)成膜及摻雜精確控從而實現(xiàn)成膜及摻雜精確控制。制。第一講第一講 基本概念、基本數據、基本公式基本概念、基本數據、基本公式分子束外延制膜法分子束外延制膜法( (MBE)的優(yōu)點的優(yōu)點:a.a.能實現(xiàn)將原子一個一個坩在襯底上沉積；能實現(xiàn)將原子一個一個坩在襯底上沉積；b.b.在超高真空下成膜，膜的質量好，純度高；在超高真空下成膜，膜的質量好，純度高；c

51、.c.能獲得單晶薄膜，并且襯底溫度低；能獲得單晶薄膜，并且襯底溫度低；d.d.可同時進行成份、形貌等實時監(jiān)控，以便于科可同時進行成份、形貌等實時監(jiān)控，以便于科 學研究。學研究。第一講第一講 基本概念、基本數據、基本公式基本概念、基本數據、基本公式3. 化學氣相沉積法化學氣相沉積法(CVD) 一種或幾種氣態(tài)元素在一個加熱的基片上進行化一種或幾種氣態(tài)元素在一個加熱的基片上進行化學反應，而形成不揮發(fā)的固態(tài)膜層的過程稱為化學氣學反應，而形成不揮發(fā)的固態(tài)膜層的過程稱為化學氣相沉積相沉積(CVD)。CVD裝置：裝置：氣瓶氣瓶1 1氣瓶氣瓶2 2 氣瓶氣瓶3 3SSS閥閥閥閥質量流量計質量流量計加熱線圈加熱線圈樣品樣品排氣排氣石英支承板石英支承板第一講第一講 基本概念、基本數據、基本公式基本概念、基本數據、基