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(nèi)的氣體分子移走，使該空間內(nèi)的氣壓小于 1 個大氣壓，則該空間內(nèi)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(chǎn)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(zhì)。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(chǎn)生氣體導(dǎo)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(guān)鍍膜技術(shù)）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(chǎn)）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(jīng)很低，可以保持表面潔凈。適合分子尺寸加工及納米科學(xué)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(jīng)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(yīng)。4. 獲得真空的設(shè)備：真空泵機 械 泵：利用機械運動部件轉(zhuǎn)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(zhuǎn)模式：吸氣 à壓縮 à 排氣 （不斷循環(huán)）優(yōu)、缺點：結(jié)構(gòu)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(zhì)冷卻的泵體外壁，被冷卻凝結(jié)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(nèi)交錯布置轉(zhuǎn)向不同的多級轉(zhuǎn)子和定子；2）轉(zhuǎn)子

5、葉片以20k60k r/min的高速旋轉(zhuǎn)；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(xué)反應(yīng)的形式捕獲大量的氣體分子并在泵體內(nèi)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(dǎo)率隨氣體壓力變化，通過熱電偶測出熱絲的溫度，也就相應(yīng)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(yīng)氣體向基片表面擴散；（2）反應(yīng)氣體吸附于基片表面；（3）在基片表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；（4）在基片表面產(chǎn)生的氣相副產(chǎn)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(yīng)產(chǎn)物-薄膜。2.最常見的幾種CVD反應(yīng)類型有：熱分解反應(yīng)（吸熱反應(yīng)）、化學(xué)合成反應(yīng)、還原反應(yīng)、氧化反應(yīng)、歧化反應(yīng)（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(zhuǎn)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(xué)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(jié)晶完整、表面平滑、內(nèi)部殘余應(yīng)力低； 5）沉積繞射性好，可在復(fù)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(shè)備-氣氛間反應(yīng)，影響基片及設(shè)備性能及壽命； 3）設(shè)備復(fù)雜，工藝控制難度較大。4. CVD沉積裝置所有反應(yīng)體系需滿足三個條件：（

8、1）在沉積溫度下，反應(yīng)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(yīng)室；（2）反應(yīng)產(chǎn)物除了所需要的沉積物為固態(tài)薄膜之外，其他反應(yīng)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(yīng)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(gòu)成：5.薄膜的化學(xué)溶液制備技術(shù)化學(xué)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(dǎo)體上鍍膜，可在盲孔等復(fù)雜表面均勻鍍膜。溶膠-凝膠技術(shù)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(zhuǎn)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(zhì)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(yīng)容易發(fā)生水解；3、水解形成的薄膜應(yīng)不溶解，生成的揮發(fā)物易于去除；4、水解形成的氧化物應(yīng)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(chǎn)。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(xué)反應(yīng)在陽極表面形成金屬氧化物薄膜的方法。 LB技術(shù)：是指把液體表面的有機單分子膜轉(zhuǎn)移到固體襯底表面上的一種成膜技術(shù)。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?qū)λ媸┘訅毫?，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(shè)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(zhuǎn)移（沉積）根據(jù)薄膜分子在基片上的相對取向，LB薄膜結(jié)構(gòu)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。基片每次進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(yīng)，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(nèi)部原子之間的結(jié)合能或與基片表面原子之間的結(jié)合能代替熱力學(xué)理論中的自由能。結(jié)合能不是連續(xù)變化而是以

13、原子對結(jié)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(fù)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(zhuǎn)變，島長大、結(jié)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(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)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(zhì)，以及產(chǎn)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(jié)構(gòu)致密，但由于同時凝結(jié)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(nèi)部存在比較大的應(yīng)力。（2）基片表面狀態(tài)：粗糙度低、表面光潔，則膜層結(jié)構(gòu)致密，容易結(jié)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(jié)晶和取向等. P161（5）氣相入射的角度:原子的入射角度對膜結(jié)構(gòu)有很大影響，使薄膜產(chǎn)生各向異性。隨著結(jié)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(chǎn)生所謂的自身影響效應(yīng)，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(yīng)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(yīng)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