薄膜物理与技术复习范围.doc

第一章 真空技术基础

真空：指低于一个大气压的气体状态。
托(Torr) =1/760atm = 133.322Pa
对真空的划分：
1、粗真空： 105－102Pa
特性和大气差异不大，目的为获得压力差，不要求改变空间性质，真空浸渍工艺
2、低真空： 102－10-1Pa 1016~1013个/cm3
动力学性质明显，粘滞流状态→分子流状态，对流消失，气体导电，真空热处理，
真空冷冻脱水
3、高真空： 10-1－10-6Pa 1013~1010个/cm3
气体分子自由程大于容器线度，直线飞行，热传导和内摩擦性质与压强无关，蒸镀
4、超高真空： ＜10-6Pa
分子间碰撞极少，主要用途：得到纯净的气体，获得纯净的固体表面
真空的获得：真空系统包括真空室、真空泵、真空计以及必要的管道、阀门和其他附属设备。

真空的测量
热偶真空计：是利用低气压强下气体的热传导与压强有关的原理制成的真空计。
散热与气体压强相关
è加热丝的温度与气体压强相关 用热偶测量加热丝的温度è压强
20 ～10-3Torr
热阻真空计：散热与气体压强相关 加热丝的温度与气体压强相关
加热丝的电阻与温度相关 用平衡电桥测量加热丝的电阻è压强
电离真空计：是利用气体分子电离的原理来测量真空度。
电离真空计用于高真空的测量 热丝发射热电子
热电子加速并电离气体，离子被离子收集极收集形成电流
电流与压强成正比
1 x 10-9 Torr to 10-11 Torr
第二章 真空蒸发镀膜法
真空蒸发镀膜法(简称真空蒸镀)是在真空室中，加热蒸发容器中待形成薄膜的原材料，使其原子或分子从表面气化逸出，形成蒸气流，入射到基片表面，凝结形成固态薄膜的方法。
基本过程：

（1）加热蒸发过程，凝聚相→气相
该阶段的主要作用因素：饱和蒸气压

（2）输运过程，气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运
该阶段的主要作用因素：分子的平均自由程（工作气压），源—基距

（3）基片表面的淀积过程，气相→固相
凝聚→成核→核生长→连续薄膜
饱和蒸气压：在一定温度下真空室内蒸发物质的蒸气与固体或液体平衡过程中所表现出的压力称为该物质的饱和蒸气压。物质的饱和蒸气压随温度的上升而增大。
蒸发温度：饱和蒸气压为10-2Torr时的温度。
蒸发源的加热方式：电阻加热法 􀁺电子束加热法 􀁺高频感应加热
􀁺激光加热 P35
外延：是在适当的衬底与合适的条件下，沿衬底材料晶轴方向生长一层结晶结构完整的新单晶层薄膜的方法。有液相外延法、气相外延法、分子束外延法。
分子束外延镀膜法(MBE）：
用途：主要用来制造单晶半导体化合物薄膜
原理：在超高真空条件下，将薄膜诸组分元素的分子束流，直接喷到衬底表面，从而在其上形成外延层的技术。

第三章 溅射镀膜

溅射： 是荷能粒子轰击固体物质表面，并在碰撞过程中发生动能与动量的转移，从而将物质表面原子或分子激发出来的过程。
辉光放电：是指在低气压（1～10Pa）的稀薄气体中，在两个电极间加上电压时产生的一种气体放电现象。
磁控溅射

第四章 离子镀膜

离子镀英文全称为Ion Plating 简称IP，在真空室中使气体或被蒸发物质电离，在气体离子或被蒸发物质离子的轰击下，同时将蒸发物或其反应产物蒸镀在基片上。
离子镀原理
离子镀的作用过程如下:蒸发源接阳极，衬底接阴极，当通以三至五千伏高压直流电以后，蒸发源与工件之间产生辉光放电。由于真空罩内充有惰性氩气，在放电电场作用下部分氩气被电离，从而在阴极衬底周围形成一等离子暗区。带正电荷的氩离子受阴极负高压的吸引，猛烈地轰击衬底表面，致使衬底表层粒子和脏物被轰溅抛出，从而使衬底待镀表面得到了充分的离子轰击清洗。随后，接通蒸发源交流电源，蒸发粒子熔化蒸发，进入辉光放电区并被电离。带正电荷的蒸发料离子，在阴极吸引下，随同氩离子一同冲向衬底，当抛镀于衬底表面上的蒸发料离子超过溅失离子的数量时，则逐渐堆积形成一层牢固粘附于衬底表面的镀层。这就是离子镀的简单作用过程。
化学气相沉积（CVD）
定义：把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物的单质气体供给基片，利用热、等离子体、紫外线、激光、微波等各种能源，使气态物质经化学反应形成固态薄膜。它的反应物是气体，生成物之一是固体。
金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD）定义：利用金属有机化合物热分解反应进行气相外延生长薄膜的CVD 技术。
含有化合物半导体元素的原料化合物必须满足以下条件：
1、在常温下较稳定且容易处理。
2、反应的副产物不应妨碍晶体生长，不应污染生长层.
3、为适应气相生长，在室温附近应具有适当的蒸气压.
第六章
溶胶-凝胶（Sol-Gel）技术
Sol-gel工艺原理 采用金属醇盐或其它盐类作为原料，通常溶解在醇、醚等有机溶剂中形成均匀溶液（solution），该溶液经过水解和缩聚反应形成溶胶（sol），进一步聚合反应实现溶胶-凝胶转变形成凝胶（gel），再经过热处理脱除溶剂和水，最后形成薄膜。
Sol-gel法对原料的要求：
1、 在溶剂中的溶解度高，一般不用水溶液
2、有少量水参与时应易水解。
3、水解后形成的薄膜应不溶解，生成的挥发物易从镀件表面去除。
4、 水解所生成的各种氧化物薄膜能在较低温度下进行充分脱水。
5、薄膜与基板表面有良好的附着力。

第七章 薄膜的形成
凝结过程
薄膜的形成一般分为凝结过程、核形成与生长过程、岛形成与结合生长过程。
凝结过程是从蒸发源中被蒸发的气相原子、离子或分子入射到基体表面之后，从气相到吸附相，再到凝结相的一个相变过程。
从蒸发源入射到基体表面的气相原子到达基片表面之后可能发生的现象：1、与基体表面原子进行能量交换被吸附
2、吸附后气相原子仍有较大的解吸能，在基体表面作短暂停留后再解吸蒸发
3、与基体表面不进行能量交换，入射到基体表面上立即反射回去。

吸附过程能量曲线
薄膜的形成与成长有三种形式：
岛状形式
单层成长形式
层岛结合形式
核的形成与生长有四个步骤：
1、从蒸发源蒸发出的气相原子入射到基体表面上，其中有一部分以能量较大而弹性反射回去，另一部分则吸附在基体表面上。
2、吸附气相原子在基体表面上扩散迁移，化学碰撞结合成原子对或小原子团并凝结在基体表面上。
3、这种原子团和其他吸附原子碰撞结合，或着释放一个单原子。
4、稳定核再捕获其它吸附原子，或者与入射气相原子相结合使它进一步长大成为小岛。

薄膜形成过程的计算机模拟： 蒙特卡罗方法又称随机模拟法或统计试验法；
分子动力学方法是一种古老的方法。在这种方法中对系统的典型样本的演化都是以时间和距离的微观尺度进行。