薄膜材料復(fù)習(xí)

1、金剛石的優(yōu)異特性金剛石的優(yōu)異特性表表3-1，與，與SiC、GaAs和和Si的比較的比較 特別注意：熱膨脹系數(shù)、帶隙、空穴遷移率、電阻率、特別注意：熱膨脹系數(shù)、帶隙、空穴遷移率、電阻率、熱導(dǎo)率、硬度熱導(dǎo)率、硬度表表3-2、3-3、3-4、3-5，金剛石的主要力學(xué)、，金剛石的主要力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)和光學(xué)性能電學(xué)、熱學(xué)和光學(xué)性能碳基薄膜材料Diamond-like carbon, DLC類金剛石膜晶體硅晶體硅非晶硅非晶硅金剛石金剛石DLC（含有金剛石結(jié)構(gòu)的非晶碳膜）（含有金剛石結(jié)構(gòu)的非晶碳膜）在某些要求沉積溫度低、膜面光潔度高的場(chǎng)合，只有在某些要求沉積溫度低、膜面光潔度高的場(chǎng)合，只有DLC勝任勝任五員

2、環(huán)五員環(huán)(P)和六員環(huán)和六員環(huán)(H) 的環(huán)數(shù)比的環(huán)數(shù)比http:/ 碳還會(huì)帶來(lái)新的驚喜嗎?DLC基本性質(zhì)基本性質(zhì)Ta（四面體）（四面體）低遷移率半導(dǎo)體，帶隙可變（低遷移率半導(dǎo)體，帶隙可變（1-4eV）具有室溫下的光熒光效應(yīng)和低電子親和勢(shì)具有室溫下的光熒光效應(yīng)和低電子親和勢(shì)良好的抗磨、熱導(dǎo)、紅外透過(guò)和高硬度良好的抗磨、熱導(dǎo)、紅外透過(guò)和高硬度低摩擦系數(shù)低摩擦系數(shù)性質(zhì)主要由性質(zhì)主要由sp3:sp2決定決定DLC的制備的制備比金剛石容易制備，襯底溫比金剛石容易制備，襯底溫度不高度不高無(wú)氫非晶碳膜（無(wú)氫非晶碳膜（a-C film）：）：一般一般CVD制備制備Ta-C film或非晶金剛石薄膜：或非晶金剛

3、石薄膜：一般一般PVD制備制備DLC的電導(dǎo)的電導(dǎo)金剛石（寬禁帶、絕緣）和石墨（零禁帶、導(dǎo)電）的混合金剛石（寬禁帶、絕緣）和石墨（零禁帶、導(dǎo)電）的混合sp3、sp2的混合的混合原子結(jié)構(gòu)是原子結(jié)構(gòu)是和和鍵的混合鍵的混合與溫度的關(guān)系與溫度的關(guān)系低溫：低溫：Mott的變程跳躍電導(dǎo)理論的變程跳躍電導(dǎo)理論室溫：帶尾定域態(tài)室溫：帶尾定域態(tài)高溫：擴(kuò)展態(tài)高溫：擴(kuò)展態(tài)沉積參數(shù)對(duì)沉積參數(shù)對(duì)DLC電導(dǎo)的影響電導(dǎo)的影響襯底溫度越高，電導(dǎo)率上升襯底溫度越高，電導(dǎo)率上升導(dǎo)電機(jī)制的主要因素應(yīng)取決于導(dǎo)電機(jī)制的主要因素應(yīng)取決于sp2與與sp3鍵的比例，這一比例鍵的比例，這一比例超過(guò)某一閾值，電導(dǎo)率由費(fèi)米能級(jí)附近的變程跳躍機(jī)制決定

4、超過(guò)某一閾值，電導(dǎo)率由費(fèi)米能級(jí)附近的變程跳躍機(jī)制決定（ 鍵鍵），低于這一閾值時(shí)，則由），低于這一閾值時(shí)，則由鍵決定，則類似近程跳躍鍵決定，則類似近程跳躍電導(dǎo)機(jī)制。電導(dǎo)機(jī)制。電子在兩態(tài)間跳躍的距離變化，對(duì)電導(dǎo)影響巨大。電子在兩態(tài)間跳躍的距離變化，對(duì)電導(dǎo)影響巨大。沉積氣壓高，電導(dǎo)率下降沉積氣壓高，電導(dǎo)率下降襯底偏壓高，電導(dǎo)率上升襯底偏壓高，電導(dǎo)率上升DLC的光學(xué)特性的光學(xué)特性光學(xué)性質(zhì)對(duì)沉積方法及工藝參數(shù)比較敏感光學(xué)性質(zhì)對(duì)沉積方法及工藝參數(shù)比較敏感吸收系數(shù)吸收系數(shù)光學(xué)帶隙光學(xué)帶隙偏壓，氣壓sp2與sp3鍵的比值退火的影響：隨襯底溫度的升高，吸收系數(shù)增大DLC的力學(xué)特性的力學(xué)特性內(nèi)應(yīng)力內(nèi)應(yīng)力爆裂、脫落

5、爆裂、脫落特別在金屬基底的附著力不佳特別在金屬基底的附著力不佳DLC其它性能其它性能介電介電場(chǎng)發(fā)射場(chǎng)發(fā)射潤(rùn)濕性潤(rùn)濕性熱穩(wěn)定性：熱穩(wěn)定性：Si的加入可提高的加入可提高摩擦性能摩擦性能折射率折射率DLC的應(yīng)用的應(yīng)用c-BN的特性與應(yīng)用的特性與應(yīng)用熱導(dǎo)率、硬度僅次于金剛石熱導(dǎo)率、硬度僅次于金剛石熱穩(wěn)定性優(yōu)于金剛石熱穩(wěn)定性優(yōu)于金剛石對(duì)于鐵族金屬具有極為穩(wěn)定的化學(xué)性能，比金剛石更優(yōu)于用對(duì)于鐵族金屬具有極為穩(wěn)定的化學(xué)性能，比金剛石更優(yōu)于用于鋼鐵材料加工于鋼鐵材料加工很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，具有良好的透光性很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，具有良好的透光性通過(guò)摻雜，可獲得通過(guò)摻雜，可獲得p、n半導(dǎo)體，可應(yīng)用于電子器件半導(dǎo)體，可應(yīng)

6、用于電子器件c-BN的制備的制備PVD： 濺射，靶材濺射，靶材h-BN, B，氣氛，氣氛Ar, N2或混合或混合 離子鍍離子鍍 PLDCVD 分解含分解含N、B的化合物的化合物質(zhì)量檢測(cè)質(zhì)量檢測(cè) FTIR XPS確定立方相的比值背景CNTs薄膜半導(dǎo)體材料的分類半導(dǎo)體材料的分類元素半導(dǎo)體元素半導(dǎo)體：常見的有硅、鍺等。：常見的有硅、鍺等?；衔锇雽?dǎo)體化合物半導(dǎo)體：部分：部分族元素和族元素和族元族元素形成的化合物具有半導(dǎo)體的特性，且被廣泛素形成的化合物具有半導(dǎo)體的特性，且被廣泛應(yīng)用。如：應(yīng)用。如： 族化合物：族化合物：GaAs、InP等。等。 VI族化合物：族化合物：CdTe、CdS等。等。有機(jī)半導(dǎo)體

7、有機(jī)半導(dǎo)體現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)部分有機(jī)化合物也具有現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)部分有機(jī)化合物也具有半導(dǎo)體的特性。如：萘、蒽、聚丙烯晴、酞青半導(dǎo)體的特性。如：萘、蒽、聚丙烯晴、酞青以及一些芳香類化合物等。以及一些芳香類化合物等。無(wú)定形半導(dǎo)體無(wú)定形半導(dǎo)體：無(wú)定形硅（：無(wú)定形硅（a-Si）和微晶半導(dǎo)體）和微晶半導(dǎo)體即屬此類，其應(yīng)用價(jià)值正在開發(fā)之中。即屬此類，其應(yīng)用價(jià)值正在開發(fā)之中。從應(yīng)用角度角度，非晶半導(dǎo)體薄膜材料具有以下特點(diǎn)可在任意襯底上形成薄膜材料容易實(shí)現(xiàn)大面積化，且不受形狀的限制制備工藝簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉有優(yōu)異的光學(xué)和電學(xué)性能，尤其是光吸收系數(shù)比較大非晶硅 非晶硅a-Si:H非晶硅基合金薄膜材料:a-SiC:H, a-SiN:H

8、等與晶體材料的差異：無(wú)長(zhǎng)程有序，保持短程有序，不僅有導(dǎo)帶、禁帶和價(jià)帶還有導(dǎo)帶尾態(tài)、價(jià)帶尾態(tài)和帶中缺陷，且這些態(tài)是定域化的。增加了跳躍導(dǎo)電機(jī)制，遷移率小，室溫電阻率高?？刹糠謱?shí)現(xiàn)連續(xù)的物性控制熱力學(xué)亞穩(wěn)態(tài)性質(zhì)依賴于制備條件和方法，重復(fù)性比晶態(tài)差各向同性非晶半導(dǎo)體制備方法非晶形成能力大的（硫系），熔體快速冷卻（103-104 /s ）非晶形成能力低的，需要更高的冷卻速度（大于105 /s ），采用真空蒸發(fā)、輝光放電和濺射,*CVD輝光放電等離子CVD非晶半導(dǎo)體能帶模型 Mott-CFO模型：基于緊束縛，固態(tài)中電子的狀態(tài)主要決定于該電子所屬的原子及其最近鄰原子。非晶態(tài)與晶態(tài)應(yīng)該有類似的能帶結(jié)構(gòu)。原子

9、最近鄰位置上的微小變化，以及次近鄰和更遠(yuǎn)近鄰位置上的變化，可看成是對(duì)能帶中電子密度的一種微擾。 短程有序基本能帶 長(zhǎng)程無(wú)序定域態(tài)帶尾 懸掛鍵帶隙中間形成隙態(tài)晶體：直接躍遷、間接躍遷滿足能量守恒和動(dòng)量守恒間接躍遷時(shí)需要聲子的參與光學(xué)性質(zhì)非晶：電子跨越禁帶時(shí)的躍遷沒有直接躍遷和間接躍遷的區(qū)別不再遵守動(dòng)量守恒的選擇定則非晶結(jié)構(gòu)上的無(wú)序使得非晶的電子沒有確定的波矢很好的光學(xué)性能，很大的光吸收系數(shù)很好的光學(xué)性能，很大的光吸收系數(shù)可實(shí)現(xiàn)高濃度摻雜，也能制備高質(zhì)量的可實(shí)現(xiàn)高濃度摻雜，也能制備高質(zhì)量的pn結(jié)合多層結(jié)結(jié)合多層結(jié)構(gòu)，易形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，易形成異質(zhì)結(jié)通過(guò)組分控制，可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)控制光學(xué)帶隙通過(guò)組分控

10、制，可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)控制光學(xué)帶隙可在較低溫度下，采用可在較低溫度下，采用CVD等方法進(jìn)行制備薄膜，生產(chǎn)等方法進(jìn)行制備薄膜，生產(chǎn)過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單非晶硅的優(yōu)點(diǎn)缺乏長(zhǎng)期穩(wěn)定性，處于非平衡態(tài)，所制備器件存在性能缺乏長(zhǎng)期穩(wěn)定性，處于非平衡態(tài)，所制備器件存在性能退化，比如退化，比如S-W效應(yīng)效應(yīng)載流子遷移率第，不利于制備高頻高速器件；但可用于載流子遷移率第，不利于制備高頻高速器件；但可用于低功耗產(chǎn)品中低功耗產(chǎn)品中缺點(diǎn)非晶硅具有較高的光吸收系數(shù)。特別是在非晶硅具有較高的光吸收系數(shù)。特別是在300-750nm的的可見光波段，它的吸收系數(shù)比單晶硅要高出一個(gè)數(shù)量可見光波段，它的吸收系數(shù)比單晶硅要高出一個(gè)

11、數(shù)量級(jí)。級(jí)。因而它比單晶硅對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收效率要高因而它比單晶硅對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收效率要高40倍左右，倍左右，用很薄的非晶硅膜（用很薄的非晶硅膜（1微米）就能吸收微米）就能吸收90%有用的太陽(yáng)有用的太陽(yáng)能。能。這是非晶硅材料最重要的特點(diǎn)，也是它能夠成為低價(jià)這是非晶硅材料最重要的特點(diǎn)，也是它能夠成為低價(jià)格太陽(yáng)能電池的最主要因素。格太陽(yáng)能電池的最主要因素。非晶硅的應(yīng)用太陽(yáng)能電池非晶硅太陽(yáng)能電池的工作原理光伏效應(yīng)的三個(gè)必要條件入射光必須能產(chǎn)生非平衡載流子非平衡載流子必須經(jīng)受一個(gè)由p-n或金屬半導(dǎo)體接觸勢(shì)壘所提供的靜電場(chǎng)的漂移作用非平衡載流子要有一定的壽命，以保證能有效地被收集薄膜太陽(yáng)能電池材料p-n結(jié)

12、的輸運(yùn)性質(zhì)(I-V)及其光照性質(zhì)Uoc 開路電壓Isc 短路電流F 填充因子太陽(yáng)能電池參數(shù) 轉(zhuǎn)換效率提高非晶硅太陽(yáng)能電池效率和降低成本本征層底部重?fù)诫s層的襯底表面重?fù)诫s層太陽(yáng)光的有效利用降低成本可靠性IIIA-VA族化合物太陽(yáng)能電池優(yōu)點(diǎn)IIIA-VA族化合物太陽(yáng)能電池直接帶隙效率高光吸收系數(shù)大薄良好的抗輻射性能、較小的溫度系數(shù)太空用化合物種類多容易摻雜，Eg, lattice容易調(diào)控真空室中氣體的來(lái)源 吸附氣體： 空間氣體：很容易被抽走物理吸附化學(xué)吸附放氣量在中真空階段與空間氣源相當(dāng)，高真空、超高真空階段為主要放氣源。真空材料：不銹鋼等，忌用陶瓷除氣手段：烘烤、離子轟擊 系統(tǒng)漏氣：密封：O形橡

13、膠圈：高真空金屬密封圈：超高真空2.3 真空的獲得 有害空間1處的氣體不能被排走，會(huì)穿過(guò)2點(diǎn)，回到吸氣側(cè)2.3 真空的獲得 總量程：105-10-14Pa，沒有一種計(jì)能測(cè)全（同真空泵類似）分類：1.絕對(duì)真空計(jì)：直接測(cè)力，換算出壓強(qiáng)： 與氣體種類無(wú)關(guān)； U形管，壓縮式（波登管）2.相對(duì)真空計(jì)：測(cè)量與壓力有關(guān)的物性來(lái)表征真空度 與氣體種類有關(guān)； 熱傳導(dǎo)真空計(jì)、電離真空計(jì)2.4 真空的測(cè)量 1. U形管壓力計(jì) 利用大氣壓與真空壓差，通常用水銀作介質(zhì) 測(cè)量范圍：105102 Pa2. 壓縮式真空計(jì) 將一定量待測(cè)壓力的氣體，經(jīng)過(guò)等溫壓縮使之壓力增加再用U型管測(cè)量，然后用體積和壓力的關(guān)系換算。 測(cè)量范圍：

14、10210-3 Pa3. 熱傳導(dǎo)真空計(jì) 利用氣體分子熱傳導(dǎo)在低壓力下與壓力有關(guān) 熱阻真空計(jì)、熱偶真空計(jì) 測(cè)量范圍：10410-1 Pa2.4 真空的測(cè)量 4. 電離真空計(jì) 利用低氣壓下氣體電離的離子電流與與壓強(qiáng)的關(guān)系 熱陰極型 、冷陰極型（潘寧）、B-A型 測(cè)量范圍：10-110-5、10-110-8 Pa5. 氣體放電管 利用氣體放電的顏色與壓強(qiáng)的關(guān)系，不能定量 測(cè)量范圍（Pa） 10316. 分壓力真空計(jì) 質(zhì)譜儀等，進(jìn)行混合氣體分壓力測(cè)量 2.4 真空的測(cè)量 溫度對(duì)壓力測(cè)試準(zhǔn)確性的影響兩連通容器的壓力：1. 低真空：粘滯流情況，平衡條件是壓力相等 P1 = P2， 2. 高真空：分子層流情

15、況，平衡條件是流導(dǎo)相等例：真空室溫度600 ，規(guī)管溫度25 ， 測(cè)量壓力只有真實(shí)壓力的58。mkTPnva2412.4 真空的測(cè)量 飽和蒸氣壓的理論推導(dǎo) 克拉伯龍克勞修斯方程： Pv：飽和蒸氣壓；Hv：蒸發(fā)熱或摩爾氣化熱； Vg、Vs：氣相和固相、液相的摩爾體積。顯然： Vg Vs ，并且低氣壓下蒸氣分子符合理想氣體狀態(tài)方程3.1 基本原理)(sgvvVVTHdTdP近似Hv與溫度無(wú)關(guān)，則：3.1 基本原理vgPRTVRHTdPdRTdTHPdPvvvvv)/1()(ln2TBAPRTHCPvvvlgln應(yīng)用范圍：蒸氣壓小于1 Torr； 原因：Hv與溫度無(wú)關(guān)的近似A、B為常數(shù)，由試驗(yàn)確定。如

16、對(duì)于Al: 公式作用：合理地選擇蒸發(fā)材料及確定蒸發(fā)條件。 3.1 基本原理TTTPv61052.3lg999.0533.1415993lg蒸發(fā)溫度定義：飽和蒸氣壓為10-2托時(shí)的溫度。由此，蒸發(fā)材料分為兩種：1）蒸發(fā)：蒸發(fā)溫度大于熔點(diǎn)， 大多數(shù)金屬2）升華：加熱溫度小于熔點(diǎn) Cr、Ti、Mo、Fe等 Pv = 1則T蒸發(fā) = B/A3.1 基本原理3.5 膜厚測(cè)量及監(jiān)測(cè)知識(shí)回顧知識(shí)回顧6.1 CVD原理及特點(diǎn)原理及特點(diǎn)化學(xué)平衡條件化學(xué)平衡條件預(yù)測(cè)反應(yīng)的可能性可能性（定性），提供化學(xué)反應(yīng)的平衡點(diǎn)位置以及各種條件參數(shù)對(duì)條件參數(shù)對(duì)平衡點(diǎn)的影響平衡點(diǎn)的影響等信息（定量）。已知反應(yīng)物的成分和反應(yīng)溫度化學(xué)

17、物質(zhì)的分壓或活度。實(shí)際計(jì)算過(guò)程需要考慮各種中間產(chǎn)物。例：Si薄膜的沉積，在氯硅烷的還原過(guò)程中，至少已經(jīng)識(shí)別出8種氣態(tài)的化合物：SiCl4, SiCl3H, SiCl2H2, SiClH3, SiH4, SiCl2, HCl, H26.1 CVD原理及特點(diǎn)原理及特點(diǎn)6.1 CVD原理及特點(diǎn)原理及特點(diǎn)2412424)( 4HCl(g)Si(s)(g)2H(g)SiClHSiClHClSiPPPaK ；2322323)( 3HCl(g)Si(s)(g)2HH(g)SiClHHSiClHClSiPPPaK ；222322)( 2HCl(g)Si(s)(g)HSiClHSiClHClSiPPaK；32)

18、( ) g (HHCl(g)Si(s)(g)SiClH423SiClHHHClSiPPPaK ；Si的活度aSi可取為1。6個(gè)方程，8種氣體的未知的分壓，還需要兩個(gè)與此相關(guān)的方程，第一個(gè)方程指在反應(yīng)器中氣體總壓應(yīng)等于各組成氣體分壓之和，這是一個(gè)定律。如總壓為1atm6.1 CVD原理及特點(diǎn)原理及特點(diǎn)第二個(gè)方程涉及第二個(gè)方程涉及Cl/H的原子比值，如果的原子比值，如果Cl和和H原子既原子既沒有有效地加進(jìn)，也沒有從系統(tǒng)中取出，那么這個(gè)比沒有有效地加進(jìn)，也沒有從系統(tǒng)中取出，那么這個(gè)比值可以看成是固定的，即值可以看成是固定的，即上式分子表示系統(tǒng)中總的上式分子表示系統(tǒng)中總的Cl克原子數(shù)等于組成系克原子數(shù)等于組成系統(tǒng)中的各氣體中含統(tǒng)中的各氣體中含Cl的克原子數(shù)之和。的克原子數(shù)之和。 6.1 CVD原理及特點(diǎn)原理及特點(diǎn)比如在SiCl4中，Cl的質(zhì)量為 式中m和M分別表示質(zhì)量和分子量，從理想氣體定律出發(fā)6.1 CVD原理及特點(diǎn)原理及特點(diǎn)RTVPMmSiClSiClSiCl444現(xiàn)有現(xiàn)有8個(gè)獨(dú)立方程，從原則上講可以確定個(gè)獨(dú)立方程，從原則上講可以確定8個(gè)氣體個(gè)氣體分壓值，但是首先必須確定反應(yīng)平衡