第二章薄膜制備技術(shù)修改詳解演示文稿

第二章薄膜制備技術(shù)修改詳解演示文稿現(xiàn)在是1頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四優(yōu)選第二章薄膜制備技術(shù)修改現(xiàn)在是2頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四2.1真空的基本知識(shí)2.1.1真空的基本概念及特點(diǎn)真空的含義在真空科學(xué)里所定義的真空是壓強(qiáng)“低于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（101.325kPa）的氣體狀態(tài)”。真空是一種氣體狀態(tài)（并非一無(wú)所有）。所以有人把真空認(rèn)為是什么物質(zhì)也不存在的，即所謂的“絕對(duì)真空”那是錯(cuò)誤的。如在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，即0℃，1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下每立方厘米有2.687×1019個(gè)氣體分子，而在超高真空極限10-11～10-12Pa壓強(qiáng)下，每立方厘米中仍有33～330個(gè)氣體分子，可見“真空”并不真空?，F(xiàn)在是3頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四2.1.2真空度測(cè)量單位真空容器中氣體分子時(shí)刻對(duì)器壁進(jìn)行彈性碰撞，即產(chǎn)生氣體壓強(qiáng)。氣壓的大小在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下與氣體分子密度有關(guān)，因此，用測(cè)量氣體壓強(qiáng)的方法來(lái)衡量容器達(dá)到真空的程度，稱為真空度。真空度是表征真空狀態(tài)氣體稀薄程度的物理量真空度的計(jì)量采用與壓強(qiáng)相同的方法和單位。注意：低壓強(qiáng)對(duì)應(yīng)高真空度；高壓強(qiáng)對(duì)應(yīng)低真空度?，F(xiàn)在是4頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四在真空技術(shù)中，常用“真空度”這個(gè)習(xí)慣用語(yǔ)和“壓強(qiáng)”這一物理量表示某一空間的真空程度。所謂真空度，就是指低壓空間中氣態(tài)物質(zhì)的稀薄程度。氣體的壓力越低，其稀薄程度越大，也就是真空度越高。因此，低壓力與高真空或高壓力與低真空，在含義上是完全相同的。這一點(diǎn)千萬(wàn)不要弄混。測(cè)量真空度大小的量是壓強(qiáng)，它的單位很多?！昂撩坠╩mHg）”是人類使用最早、最廣泛的壓強(qiáng)單位，它是通過(guò)直接度量長(zhǎng)度來(lái)獲得真空的大小的。指在0℃，1毫米水銀柱作用在單位面積上的力?，F(xiàn)在是5頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四但是1958年，為了紀(jì)念意大利物理學(xué)家托里拆里(Torricelli)，用“托（Torr）”代替了毫米汞柱。1托就是指在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，1毫米汞柱對(duì)單位面積上的壓力，表示為1Torr＝1mmHg。1971年國(guó)際計(jì)量會(huì)議正式確定“帕斯卡”作為氣體壓強(qiáng)的國(guó)際單位，1Pa＝1N/m27.5×10-3Torr。1Torr=133.32Pa現(xiàn)在是6頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四在實(shí)際工程技術(shù)或國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中，幾種非法定計(jì)量單位（Torr（托），mmHg（毫米汞柱），bar(巴)，atm（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓），psi（磅力每平方英寸）等）仍有采用。目前標(biāo)準(zhǔn)大氣壓定義為：在0℃，水銀密度＝13.59509g/cm3，重力加速度g＝980.665cm/s2時(shí)，760mm水銀柱所產(chǎn)生的壓強(qiáng)為1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，則1atm＝1.01325×105Pa工程大氣壓（at）：1at=1kgf/cm2=9.80665×104Pa現(xiàn)在是7頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四表2-1幾種壓強(qiáng)單位的換算關(guān)系單位帕/Pa托/Torr毫巴/mba標(biāo)準(zhǔn)大氣壓/atm1Pa1Torr1mba1atm1133.31001.013×1057.5×10-310.757601×10-21.33311.013×1039.87×10-61.316×10-39.87×10-41英制單位：用英寸（inch，吋）汞柱和普西（Poundspersquareinch.磅/平方英尺，psi，磅/吋2）兩種單位。1英寸汞柱（inchHg）＝3.3864×103Pa1普西（psi）＝6.8948×103Pa現(xiàn)在是8頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四2.1.3真空區(qū)域的劃分及不同真空狀態(tài)下氣體的性質(zhì)目前，劃分真空區(qū)域的方法較多，主要考慮的因素是真空在技術(shù)上的應(yīng)用特點(diǎn)、真空獲得設(shè)備和真空檢測(cè)儀表的有效適應(yīng)范圍，以及真空的物理特性等幾個(gè)方面。在真空狀態(tài)中，真空度越高，氣體狀態(tài)越稀薄，氣體分子的物理特性就逐漸發(fā)生變化，因此把氣體分子數(shù)的量變直到引起真空性質(zhì)的質(zhì)變的過(guò)程，作為劃分真空區(qū)域的依據(jù)，是比較合適的?，F(xiàn)在是9頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四為了研究真空和實(shí)際使用方便，常常根據(jù)各壓強(qiáng)范圍內(nèi)不同的物理特點(diǎn)，把真空劃分為以下幾個(gè)區(qū)域。粗真空區(qū)域：1×105～1×102Pa（760～1Torr）低真空區(qū)域：1×102～1×10-1Pa（1～10-3Torr）高真空區(qū)域：1×10-1～1×10-5Pa（10-3~10-7Torr）超高真空區(qū)域：<1×10-5Pa（<10-7Torr）現(xiàn)在是10頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四真空各區(qū)域的氣體分子運(yùn)動(dòng)性質(zhì)各不相同。低（粗）真空下，氣態(tài)空間近似為大氣狀態(tài)，分子仍以熱運(yùn)動(dòng)為主，分子之間碰撞十分頻繁；低真空是氣體分子的流動(dòng)逐漸從黏滯流狀態(tài)向分子狀態(tài)過(guò)渡，此時(shí)氣體分子之間和分子與器壁之間的碰撞次數(shù)差不多；當(dāng)達(dá)到高真空時(shí)，氣體分子的流動(dòng)已為分子流，氣體分子與容器器壁之間的碰撞為主，而且碰撞次數(shù)大大減少，在高真空下蒸發(fā)的材料，其粒子將沿直線飛行；在超高真空時(shí)，氣體的分子數(shù)目更少，幾乎不存在分子之間的碰撞，分子與器壁的碰撞機(jī)會(huì)也更少了。

現(xiàn)在是11頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四表2-2不同真空狀態(tài)下氣體的性質(zhì)真空狀態(tài)氣體性質(zhì)低真空105~102Pa760~1Torr氣體狀態(tài)與常壓相比較，只有分子數(shù)目由多變少的變化，而無(wú)氣體分子空間特性的變化，分子間相互碰撞頻繁。中低真空102~10-1Pa1~10-3Torr氣體分子間，分子與器壁間的相互碰撞不相上下，氣體分子密度較小。高真空10-1～10-5Pa10-3～10-7Torr分子間相互碰撞極少，分子與器壁間碰撞頻繁。氣體分子密度小。超高真空<10-5Pa<10-7Torr氣體分子密度極低與器壁碰撞的次數(shù)極少，致使表面形成單分子層的時(shí)間增長(zhǎng)。氣態(tài)空間中只有固體本身的原子，幾乎沒有其它原子或分子存在?，F(xiàn)在是12頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四2.1.4氣體吸附與脫附所謂的氣體吸附（adsorption）就是固體表面捕獲氣體分子的現(xiàn)象。氣體分子被固體表面吸附，分為物理吸附(physicaladsorption)和化學(xué)吸附(chemicaladsorption)兩類。能捕集氣體的固體叫吸附劑，而被吸附的氣體成份叫吸附質(zhì)。氣體吸附的逆過(guò)程叫氣體的脫附(desorption)或解吸或蒸發(fā)。物理吸附的氣體分子離開表面的過(guò)程叫解吸；化學(xué)吸附的氣體分子離開固體薄膜的過(guò)程叫蒸發(fā)。通常把吸附在固體表面的氣體分子從固體表面被釋放出來(lái)的過(guò)程叫做氣體的脫附?，F(xiàn)在是13頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四吸附分為物理吸附(physicaladsorption)和化學(xué)吸附(chemicaladsorption)。其中物理吸附?jīng)]有選擇性，任何氣體在固體表面均可發(fā)生，主要靠分子間的相互吸引力引起的。物理吸附容易發(fā)生脫附，而且這種吸附只在低溫有效；化學(xué)吸附則發(fā)生在較高的溫度下，與化學(xué)反應(yīng)相似，氣體不易脫附，當(dāng)只有當(dāng)氣體和固體表面原子接觸生成化合物時(shí)才能產(chǎn)生吸附作用。現(xiàn)在是14頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四根據(jù)吸附力的不同，氣體吸附可分為物理吸附和化學(xué)吸附。

物理吸附是氣體分子受范德瓦耳斯力的吸引作用而附著在吸附劑表面之上，與氣體的液化過(guò)程類似，其特點(diǎn)是吸附較弱，吸附熱較小，吸附不穩(wěn)定，較易脫附，但對(duì)吸附的氣體一般無(wú)選擇性，溫度越低吸附量越大，能形成多層吸附，分子篩吸附泵和低溫泵的吸氣作用就屬于物理吸附。

現(xiàn)在是15頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四

化學(xué)吸附是靠固體表面的原子與氣體分子間形成吸附化學(xué)鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)的，與發(fā)生化學(xué)反應(yīng)相類似，同物理吸附相比，化學(xué)吸附的特點(diǎn)是吸附強(qiáng)，吸附熱大，穩(wěn)定不易脫附，吸附有選擇性，溫度較高時(shí)發(fā)生化學(xué)吸附的氣體分子增多，只能緊貼表面形成單層吸附（在化學(xué)吸附的分子上面還能形成物理吸附），濺射離子泵和電子管中吸氣劑的吸氣作用就包括化學(xué)吸附。現(xiàn)在是16頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四氣體吸附的逆過(guò)程，即被吸附的氣體或蒸汽從表面釋放出來(lái)重新回到空間的過(guò)程，稱為脫附或解吸。解吸現(xiàn)象可以時(shí)自然發(fā)生的，也可以時(shí)人為加速的。自然解吸有兩種情況，一是從宏觀平均地看，每個(gè)吸附氣體分子在表面停留一段時(shí)間后，都要發(fā)生脫附飛回空間，這時(shí)也會(huì)有其它氣體分子發(fā)生新的吸附，在氣體溫度壓力一定的條件下，吸附速率與脫附速率相等，表面上的氣體吸附量維持恒定；另一種情況是在抽真空的過(guò)程中，空間氣體壓力不斷降低，表面上脫附速率大于吸附速率，氣體吸附量逐漸減少，氣體從表面上緩緩放出，這種現(xiàn)象在真空中叫做材料的放氣或出氣?，F(xiàn)在是17頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四真空技術(shù)中，氣體在固體表面的吸附和脫附現(xiàn)象總是存在的，只是外界條件不同，產(chǎn)生吸附或脫附的程度不同。一般地，影響氣體在固體表面吸附和脫附的主要因素是氣體的壓強(qiáng)、固體的溫度、固體表面吸附的氣體密度以及固體本身的性質(zhì)，如表面光潔程度、清潔度等。當(dāng)固體表面溫度較高時(shí)，氣體分子容易發(fā)生脫附，對(duì)真空室的適當(dāng)烘烤有利于真空的獲得就是利用這個(gè)道理?，F(xiàn)在是18頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四通過(guò)人為的手段有意識(shí)地促進(jìn)氣體解吸現(xiàn)象的發(fā)生，在真空技術(shù)中叫做去氣或除氣。人工去氣可以縮短系統(tǒng)達(dá)到極限真空的時(shí)間；可以獲得沒有氣體分子遮蓋的清潔表面。加熱烘烤去氣方法通過(guò)提高吸氣表面的溫度，增加分子熱運(yùn)動(dòng)能量來(lái)促進(jìn)解吸，邊加熱邊排氣，常用于超高真空系統(tǒng)容器內(nèi)表面及內(nèi)部構(gòu)件的去氣和真空電子器件內(nèi)燈絲等內(nèi)部金屬元件的去氣；離子轟擊去氣方法一般是在空間形成氣體放電，產(chǎn)生離子體區(qū)，使高能離子轟擊待清洗的固體表面，產(chǎn)生氣體濺射，使吸附氣體發(fā)生脫附，這是一種相當(dāng)有效、簡(jiǎn)捷迅速的除氣手段，在表面技術(shù)、表面科學(xué)等有氣體放電條件或有離子源的設(shè)備中廣泛采用?，F(xiàn)在是19頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四在真空技術(shù)中，常常會(huì)遇到各種各樣的氣體，這些氣體在固體表面的吸附和脫附現(xiàn)象是很常見的，這對(duì)于高真空技術(shù)，尤其是超高真空技術(shù)來(lái)說(shuō)是一個(gè)具有重大意義的問(wèn)題。例如，為了提高管內(nèi)的真空度，需預(yù)先對(duì)零件進(jìn)行除氣處理，這個(gè)過(guò)程就是固體表面的氣體分子脫附的過(guò)程，伴隨著氣體的脫附，容器中將形成一定程度的真空狀態(tài)。

現(xiàn)在是20頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四2.1.5真空的獲得方法用于獲得真空的設(shè)備叫真空泵，檢測(cè)真空度的儀器叫真空計(jì)（真空規(guī)）“抽真空”是指抽出容器內(nèi)氣體，獲得真空狀態(tài)的過(guò)程或動(dòng)作。真空的獲得就是人們常說(shuō)的“抽真空”，即利用各種真空泵將被抽容器中的氣體抽出，使該空間的壓強(qiáng)低于一個(gè)大氣壓。人們通常把能夠從密閉容器中排出氣體或使容器中的氣體分子數(shù)目不斷減少的設(shè)備稱為真空獲得設(shè)備或真空泵?！罢婵毡谩笔怯糜诔槌鋈萜鲀?nèi)氣體的機(jī)器?，F(xiàn)在是21頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四抽氣機(jī)主要性能參數(shù)：抽氣速率（體積流速）：L/s；m3/s極限真空：可以抽到的最低壓強(qiáng)（最高真空度）；啟動(dòng)壓強(qiáng)：泵無(wú)損啟動(dòng)，并有抽氣作用時(shí)的壓強(qiáng)；前級(jí)壓強(qiáng)：排氣口壓強(qiáng)；最大前級(jí)壓強(qiáng)（反壓強(qiáng)）：超過(guò)了就會(huì)使泵損壞或不能正常工作的前級(jí)壓強(qiáng)?，F(xiàn)在是22頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四常見真空泵類型（1）分類按真空泵的工作原理，真空泵基本上可以分為兩種類型，

①氣體傳輸泵:旋轉(zhuǎn)式機(jī)械真空泵、油擴(kuò)散泵、復(fù)合分子泵、

②氣體捕集泵:分子篩吸附泵、鈦升華泵、濺射離子泵和低溫泵現(xiàn)在是23頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四氣體傳輸泵：通過(guò)某種機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)把氣體直接從密閉容器中排出。能使氣體不斷吸入和排出而達(dá)到抽氣目的。①變?nèi)菔剑罕们蝗莘e周期性變化完成排、吸氣。如油封旋片式機(jī)械泵、滑閥泵、羅茨泵②動(dòng)量傳遞泵：用高速旋轉(zhuǎn)的葉片或高速射流，把動(dòng)量傳遞給氣體分子，使氣體分子連續(xù)地從入口向出口運(yùn)動(dòng)。如分子泵、油擴(kuò)散泵?，F(xiàn)在是24頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四氣體捕集泵：通過(guò)物理、化學(xué)等方法將氣體分子吸附或冷凝在低溫表面上。利用泵體、工作物質(zhì)對(duì)氣體分子的吸附和凝結(jié)作用抽出容器內(nèi)的氣體。如吸附泵、吸氣劑泵、低溫泵。氣體捕獲泵是一種利用各種吸氣材料所特有的吸氣作用將被抽空間的氣體吸除，以達(dá)到所需真空度。由于這些捕獲泵工作時(shí)不采用油做介質(zhì)，故又稱之為無(wú)油類泵?，F(xiàn)在是25頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四機(jī)械泵：凡是利用機(jī)械運(yùn)動(dòng)（轉(zhuǎn)動(dòng)火滑動(dòng)）以獲得真空的泵，就稱為機(jī)械泵。擴(kuò)散泵：以低壓高速蒸汽流（油或汞等蒸汽）作為工作介質(zhì)的氣體動(dòng)量傳輸泵。分子泵：靠高速轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子攜帶氣體分子獲得超高真空的一種機(jī)械泵。低溫泵：利用20K以下的低溫表面來(lái)凝聚氣體分子以實(shí)現(xiàn)抽氣的一種泵，是目前具有最高極限真空的抽氣泵?，F(xiàn)在是26頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四（2）工作范圍常見真空泵的使用范圍機(jī)械泵在1～105Pa，羅茨泵(又稱機(jī)械增壓泵)在10～104Pa，油擴(kuò)散泵在1~10-5Pa，渦輪分子泵在1～10－8Pa，濺射離子泵在1～10－8Pa，低溫泵在10－1～10－8Pa現(xiàn)在是27頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四實(shí)際工程中，能夠直接用于抽大氣并向大氣中排氣的真空泵只有機(jī)械泵，而單獨(dú)使用機(jī)械泵只能獲得低真空。上述可以獲得高真空的任何一臺(tái)真空泵，其最大前級(jí)壓強(qiáng)都低于101.325kPa。因此，鍍膜機(jī)的真空機(jī)組最少需要兩個(gè)真空泵形成接力式真空機(jī)組，才能獲得所需要的高真空度?，F(xiàn)在是28頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四表2-4-1常用真空泵的工作壓強(qiáng)范圍真空泵種類工作壓強(qiáng)范圍（Pa）活塞式真空泵旋片式真空泵水環(huán)式真空泵羅茨真空泵渦輪分子泵水蒸氣噴射泵油擴(kuò)散泵油蒸氣噴射泵分子篩吸附泵濺射離子泵鈦升華泵鋯鋁吸氣劑泵低溫泵1×105—1.3×1021×105—6.7×10-11×105—2.7×1031.3×103—1.31.3—1.3×10-51×105—1.3×10-11.3×10-2—1.3×10-71.3×10—1.3×10-21×105—1.3×10-11.3×10-3—1.3×10-91.3×10-2—1.3×10-91.3×10—1.3×10-111.3—1.3×10-11現(xiàn)在是29頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四旋片式機(jī)械泵圖2－1油封旋片式機(jī)械泵結(jié)構(gòu)圖現(xiàn)在是30頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四（1）理論基礎(chǔ)玻意耳－馬略特定律（Boyle-MalotteLaw）溫度不變時(shí)，一定質(zhì)量的氣體的壓強(qiáng)跟它的體積的乘積是不變的。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為pV＝恒量若能將原壓強(qiáng)為p0的容器體積V擴(kuò)展?V，擴(kuò)展容積后的壓強(qiáng)為p1，則由玻－馬定律有p0V=p1(V+?V)現(xiàn)在是31頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四(2)工作過(guò)程圖2－2機(jī)械泵轉(zhuǎn)子三個(gè)不同時(shí)刻的轉(zhuǎn)子狀態(tài)（a）時(shí)刻1；（b）時(shí)刻2；（c）時(shí)刻3現(xiàn)在是32頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四（3）性能指標(biāo)前級(jí)壓強(qiáng)：1.013×105Pa(1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)啟動(dòng)壓強(qiáng)：1.013×105Pa(1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)工作壓強(qiáng)：1.013×105

～1.333×10-1Pa極限真空：5×10-2Pa現(xiàn)在是33頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四2.1.6真空測(cè)量?jī)x器為了判斷和檢定真空系統(tǒng)所達(dá)到的真空度，必須對(duì)真空容器內(nèi)的壓強(qiáng)進(jìn)行測(cè)量。但在真空技術(shù)中遇到的氣體壓強(qiáng)都很低，要直接測(cè)量其壓力是極不容易的，因此都是利用測(cè)定在低氣壓下與壓強(qiáng)有關(guān)的某些物理量，再經(jīng)變換后確定容器的壓強(qiáng)。當(dāng)壓強(qiáng)改變時(shí)，這些和壓強(qiáng)有關(guān)的特性也隨之變化的物理現(xiàn)象，就是真空測(cè)量的基礎(chǔ)。任何具體的物理特性，都是在某一壓強(qiáng)范圍才最顯著。因此，任何方法都有其一定的測(cè)量范圍，這個(gè)范圍就是該真空計(jì)的“量程”。目前，還沒有一種真空計(jì)能夠測(cè)量1大氣壓至10-10Pa整個(gè)范圍的真空度。真空計(jì)按照不同的原理和結(jié)構(gòu)可分成許多類型?，F(xiàn)在是34頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四表2-5幾種真空計(jì)的工作原理與測(cè)量范圍名稱工作原理測(cè)量范圍/PaU形管壓力計(jì)利用大氣與真空壓差105~10-2水銀壓縮真空計(jì)根據(jù)Boyle定律103-10-4電阻真空計(jì)利用氣體分子熱傳導(dǎo)104~10-2熱電偶真空計(jì)熱陰極電離真空計(jì)利用熱電子電離殘余氣體10-1~10-6B-A型真空計(jì)10-1~10-10潘寧磁控電離計(jì)利用磁場(chǎng)中氣體電離與壓強(qiáng)有關(guān)的原理1~10-5氣體放電管利用氣體放電與壓強(qiáng)有關(guān)的原理103~1現(xiàn)在是35頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四一、電阻真空計(jì)電阻真空計(jì)是熱傳導(dǎo)真空計(jì)的一種，它是利用測(cè)量真空中熱絲的溫度，從而間接獲得真空度的大小的。其原理是低壓強(qiáng)下氣體的熱傳導(dǎo)與壓強(qiáng)有關(guān)。在某一恒定的加熱熱絲電流條件下，當(dāng)真空系統(tǒng)的壓強(qiáng)降低，即空間中氣體的分子數(shù)減少時(shí)，因此氣體分子碰撞燈絲而帶走的熱量將隨之降低，此時(shí)燈絲所產(chǎn)生的熱量將相對(duì)增加，則燈絲的溫度上升，燈絲的電阻將增大，真空室的壓強(qiáng)和燈絲電阻之間存在這樣的關(guān)系P↓→R↑，所以可以利用燈絲的電阻值來(lái)間接地確定壓強(qiáng)。電阻真空計(jì)測(cè)量真空的范圍是105～10-2Pa。圖2－1電阻真空計(jì)現(xiàn)在是36頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四二、熱電偶真空計(jì)（1）熱電偶真空計(jì)的結(jié)構(gòu)熱電偶真空計(jì)的規(guī)管主要由加熱燈絲C與D（鉑絲）和用來(lái)測(cè)量熱絲溫度的熱電偶A與B（鉑銠或康銅-鎳鉻）組成。熱電偶熱端接熱絲，冷端接儀器中的毫伏計(jì)，從毫伏計(jì)中可以測(cè)出熱偶電動(dòng)勢(shì)?，F(xiàn)在是37頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四（2）熱電偶真空計(jì)的原理熱電偶真空計(jì)是通過(guò)熱電偶中熱絲的溫度與壓強(qiáng)的關(guān)系確定真空度。由于在低壓（0.1～100Pa）下，氣體的熱傳導(dǎo)系數(shù)與壓強(qiáng)成正比，所以在通過(guò)熱絲的電流一定的條件下，熱絲的溫度隨著規(guī)管內(nèi)真空度的提高而升高，溫差電偶電動(dòng)勢(shì)也就隨之而增大。因此，通過(guò)測(cè)量溫差電動(dòng)勢(shì)，就可以測(cè)定出被測(cè)系統(tǒng)的真空度。溫差電偶真空計(jì)的測(cè)量范圍為0.13～133Pa現(xiàn)在是38頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四（2）熱電偶真空計(jì)的特性熱電偶真空計(jì)的優(yōu)點(diǎn)：1）測(cè)量的壓強(qiáng)是被測(cè)容器的真實(shí)壓強(qiáng)；2）能連續(xù)測(cè)量，并能遠(yuǎn)距離讀數(shù)；3）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易制造；4）即使突然遇到氣壓急劇升高，也不會(huì)燒毀?，F(xiàn)在是39頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四熱電偶真空計(jì)的缺點(diǎn)：1）標(biāo)準(zhǔn)曲線因氣體種類而異，故對(duì)于空氣測(cè)量得到的標(biāo)準(zhǔn)曲線不能直接用于其他氣體；2）由于熱慣性，壓強(qiáng)變化使熱絲溫度的改變將滯后，讀數(shù)亦必定滯后；3）受外界的影響很大，所以規(guī)管必須安裝在不易受熱輻射或?qū)α鳠岬奈恢茫?）老化現(xiàn)象嚴(yán)重，必須經(jīng)常校準(zhǔn)。現(xiàn)在是40頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四三、電離真空計(jì)電離真空計(jì)是目前廣泛使用的真空計(jì)，它是利用氣體分子電離的原理進(jìn)行真空度測(cè)量的。根據(jù)氣體電離源的不同，又分為熱陰極電離真空計(jì)和冷陰極電離真空計(jì)，前者又分為普通型熱陰極電離計(jì)、超高真空熱陰極電離計(jì)和低真空熱陰極電離計(jì)。圖2-2給出了普通電離計(jì)規(guī)管的結(jié)構(gòu)，它主要有三個(gè)電極：發(fā)射電子的燈絲作為發(fā)射極A，螺旋型加速并收集電子的柵極（又稱加速極）B和圓筒型離子收集極C等三部分組成，其中發(fā)射極接零電位，加速極接正電位（幾百伏），收集極接負(fù)電位（幾十伏），B和C之間存在排斥場(chǎng)。

圖2-2電離真空計(jì)現(xiàn)在是41頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四電離真空計(jì)可以迅速、連續(xù)地測(cè)出待測(cè)氣體的中壓強(qiáng)，而且規(guī)管體積校，易于連接，但是，規(guī)管中的發(fā)射極是由鎢絲制成的，當(dāng)壓強(qiáng)高于10-1Pa時(shí)，規(guī)管壽命將大大降低，甚至燒毀，應(yīng)避免在高壓強(qiáng)下工作；在真空系統(tǒng)暴露大氣時(shí)，電離計(jì)規(guī)管的玻殼內(nèi)表面和各電極會(huì)吸附氣體，這些氣體會(huì)影響真空測(cè)量的準(zhǔn)確程度，因此，當(dāng)真空系統(tǒng)長(zhǎng)期暴露在大氣或使用一段時(shí)間以后，應(yīng)定時(shí)進(jìn)行規(guī)管的初期處理。普通型熱陰極真空計(jì)的測(cè)量范圍是1.33×10-1～1.33×10-5Pa（1×10-2～5×10-8Torr）?，F(xiàn)在是42頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四（1）熱陰極電離真空計(jì)（a）熱陰極電離真空計(jì)的原理具有足夠能量的電子在運(yùn)動(dòng)中與氣體分子碰撞，可能引起分子的電離，產(chǎn)生正離子及電子。而電子在一定的“飛行”路程中與分子碰撞次數(shù)，又正比于分子的密度，一定溫度下也正比于氣體壓強(qiáng)，故產(chǎn)生的正離子數(shù)也正比于壓強(qiáng)。由此可見，電離現(xiàn)象是與壓強(qiáng)有關(guān)的現(xiàn)象，可作為一種真空測(cè)定的依據(jù)。熱陰極電離真空計(jì)是測(cè)量極高真空的儀器，測(cè)量范圍為0.1～1×10-5Pa現(xiàn)在是43頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四(b)熱陰極電離真空計(jì)的特性熱陰極電離真空計(jì)的優(yōu)點(diǎn)1）測(cè)出的是總壓強(qiáng)2）反應(yīng)迅速，可連續(xù)讀數(shù)，還可以遠(yuǎn)距離控制；3）可測(cè)很低的壓強(qiáng)。一般的電離計(jì)就可測(cè)量到5×10-5Pa；4）規(guī)管小，易于連接到被測(cè)量處；5）一般電離真空計(jì)的校準(zhǔn)曲線范圍寬，通常在10－1～10－5Pa之間；6）對(duì)機(jī)械振動(dòng)不敏感；現(xiàn)在是44頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四熱陰極電離真空計(jì)的缺點(diǎn)：1）靈敏度與氣體的種類有關(guān)；2）壓強(qiáng)大于10-1Pa時(shí)，燈絲易于燒毀，但一旦真空系統(tǒng)突然漏氣，如不設(shè)置專門保護(hù)線路，規(guī)管燈絲往往立即燒毀；3）在工作時(shí)產(chǎn)生化學(xué)清除作用及電清除作用，造成壓強(qiáng)的改變，影響測(cè)量準(zhǔn)確度；4）玻璃殼、電極的放氣，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生測(cè)量誤差；現(xiàn)在是45頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四冷陰極電離真空計(jì)（1）冷陰極電離真空計(jì)的原理放電管在壓強(qiáng)（10－1～10－2Pa）較低時(shí)自持放電就熄滅，想要將下限擴(kuò)展到高真空范圍，可用磁場(chǎng)控制電子運(yùn)動(dòng)的方法，增加電子的路程。利用這種方法制成的真空計(jì)，就是冷陰極電離真空計(jì)，也稱磁控放電真空計(jì)?，F(xiàn)在是46頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四（2）冷陰極電離真空計(jì)的特性冷陰極電離真空計(jì)的優(yōu)點(diǎn)1)不怕突然接觸大氣壓，因?yàn)榉烹姇?huì)自動(dòng)熄滅，規(guī)管可不遭受任何損害，使用壽命很長(zhǎng)；2）測(cè)量結(jié)果總是壓強(qiáng)；3）受活波性氣體的影響少，不怕毒化或影響電子發(fā)射；4）能連續(xù)讀數(shù)，能遠(yuǎn)距離測(cè)量和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制；5）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固，易于改造；6）放電電流較大，故測(cè)量電路無(wú)需放大器?，F(xiàn)在是47頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四冷陰極電離真空計(jì)的缺點(diǎn)：1）在低壓強(qiáng)范圍，它的靈敏度不如熱陰極電離真空計(jì)高；2）電清除作用嚴(yán)重，導(dǎo)致很大的測(cè)量誤差；3）常發(fā)生放電形式的躍遷，使電流產(chǎn)生與壓強(qiáng)無(wú)關(guān)的變動(dòng)；4）由于使用電壓高，電極存在場(chǎng)致發(fā)射，這也是與壓強(qiáng)無(wú)關(guān)的現(xiàn)象，它限制了測(cè)量下限，故一般只能測(cè)到10-6～10-5Pa；測(cè)量上限為1Pa現(xiàn)在是48頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四氣相法液相法化學(xué)鍍(CBD)、電鍍(ED)、溶膠-凝膠（Sol-Gel）、金屬有機(jī)物分解（MOD）、液相外延（LPE）、水熱法（hydrothermalmethod）、噴霧熱解(spraypyrolysis)、噴霧水解(sprayhydrolysis)、LB膜及自組裝(self-assemble)PVDCVD常壓CVD、低壓CVD、金屬有機(jī)物CVD、等離子體CVD、光CVD、熱絲CVD真空蒸發(fā)Evaperation濺射Sputtering離子鍍Ionplating2.2薄膜制備方法的分類現(xiàn)在是49頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四真空蒸發(fā)電阻蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)、高頻感應(yīng)蒸發(fā)、激光燒蝕、閃蒸、多源蒸發(fā)、反應(yīng)蒸發(fā)、分子束外延濺射二級(jí)濺射、三級(jí)/四級(jí)濺射、偏壓濺射、吸氣濺射、反應(yīng)濺射、磁控濺射、射頻濺射、對(duì)向靶濺射、離子束濺射、中頻濺射離子鍍直流二級(jí)型、三級(jí)或多陰極型、活性反應(yīng)型、空心陰極型、射頻離子鍍、多弧離子鍍、離子束輔助沉積、離化團(tuán)簇鍍等離子體CVD直流等離子體、射頻等離子體脈沖等離子體、微波等離子體電子回旋共振等離子體現(xiàn)在是50頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四一般，對(duì)于制備薄膜的要求，可以歸納如下：①膜厚均勻；②膜的成分均勻；③沉積速率高，生產(chǎn)能力高；④重復(fù)性好；⑤具有高的材料純度高，保證化合物的配比；⑥具有較好的附著力（與基體），較小的內(nèi)應(yīng)力?，F(xiàn)在是51頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四1、物理氣相沉積(physicalvapordeposition)用熱蒸發(fā)或電子束、激光束轟擊靶材等方式產(chǎn)生氣相物質(zhì)，在真空中向基片表面沉積形成薄膜的過(guò)程稱為物理氣相沉積。主要方法有：①真空蒸發(fā)（Vacuumevaporation）（蒸發(fā)法使物質(zhì)在真空下氣化后聚集在試樣上）利用物質(zhì)在高溫下的蒸發(fā)現(xiàn)象，可以制備各種薄膜。真空蒸發(fā)法所采用的設(shè)備根據(jù)其使用目的，可能有很大差別，從最簡(jiǎn)單的電阻加熱蒸鍍裝置到極為復(fù)雜的分子束外延設(shè)備，都屬于真空蒸發(fā)沉積裝置的范疇。按照使物質(zhì)氣化的加熱方法不同可有各種各樣的技術(shù)，包括電阻式蒸發(fā)（resistanceevaporation）、電子束蒸發(fā)(electronbeamevaporation)和分子束外延（MBE）；現(xiàn)在是52頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四②濺射法濺射法是近幾年發(fā)展相當(dāng)快的一種鍍膜方法。包括直流濺射(DCsputtering)（一般只能用于靶材為良導(dǎo)體的濺射）、射頻濺射(rfsputtering)、磁控濺射(magnetronsputtering)、反應(yīng)濺射(reactivesputtering)和離子束濺射(ionbeamsputtering)；根據(jù)使用目的，不同濺射方法內(nèi)又可以有一些具體的差異。例如，在各種濺射方法中可以結(jié)合不同的施加偏壓的方法。另外，還可以將上述各種方法結(jié)合起來(lái)構(gòu)成某種新的方法，比如，將射頻技術(shù)與反應(yīng)濺射相結(jié)合，就構(gòu)成了射頻反應(yīng)濺射的方法。③脈沖激光濺射沉積膜(pulsedlaserablation/pulsedlaserdeposition)（PLD）現(xiàn)在是53頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四主要優(yōu)點(diǎn)是：①由于在真空中進(jìn)行，能保證薄膜高純、清潔和干燥；②能與半導(dǎo)體集成電路工藝兼容。主要缺點(diǎn)是：①低的沉積速率；②對(duì)多組元化合物，由于各組元蒸發(fā)速率不同，其薄膜難以保證正確的化學(xué)計(jì)量比和單一結(jié)晶結(jié)構(gòu)；③濺射方法由于高能離子轟擊，易使薄膜受傷；④高成本設(shè)備購(gòu)置與維修?，F(xiàn)在是54頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四2、化學(xué)氣相沉積(chemicalvapordeposition)化學(xué)氣相沉積:一定化學(xué)配比的反應(yīng)氣體，在特定激活條件下(一般是利用加熱、等離子體和紫外線等各種能源激活氣態(tài)物質(zhì))，通過(guò)氣相化學(xué)反應(yīng)生成新的膜層材料沉積到基片上制取膜層的一種方法?；瘜W(xué)氣相沉積是制備各種各樣薄膜材料的一種重要和普遍使用的技術(shù)，利用這一技術(shù)可以在各種基片上制備元素及化合物薄膜。在半導(dǎo)體工藝過(guò)程中，無(wú)論是導(dǎo)體、半導(dǎo)體，還是絕緣體，均可用CVD技術(shù)來(lái)淀積薄膜，其已成為集成電路制造中最主要的薄膜淀積方法?，F(xiàn)在是55頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四化學(xué)氣相沉積，包括低壓化學(xué)氣相沉積（lowpressureCVD,LPCVD）、離子增強(qiáng)型氣相沉積（plasma-enhancedCVD,PECVD）常壓化學(xué)氣相沉積（atmospherepressureCVD,APCVD）、金屬有機(jī)物氣相沉積（MOCVD）和微波電子回旋共振化學(xué)氣相沉積(MicrowaveElectroncyclotronresonancechemicalvapordeposition,MW-ECR-CVD）等。只要是氣相沉積，其基本過(guò)程都包括三個(gè)步驟；提供氣相鍍料；鍍料向所鍍制的工件（或基片）輸送；鍍料沉積在基片上構(gòu)成膜層?，F(xiàn)在是56頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四主要方法有：（1）化學(xué)氣相沉積：CVD技術(shù)可按照沉積溫度、反應(yīng)器內(nèi)的壓力、反應(yīng)器壁的溫度和沉積反應(yīng)的激活方式進(jìn)行分類。（a）按沉積溫度可分為低溫（200~500℃）、中溫（500~1000℃）和高溫（1000~1300℃）CVD。（b）按反應(yīng)器內(nèi)的壓力可分為常壓化學(xué)氣相沉積（APCVD）和低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）?，F(xiàn)在是57頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四（c）按反應(yīng)器壁的溫度可分為熱壁方式和冷壁方式CVD。（d）按反應(yīng)激活方式可分為熱激活和等離子體激活CVD等。（2）化學(xué)液相沉積，包括溶膠－凝膠（Sol-Gel）法和金屬有機(jī)物分解（MOD）等；（3）金屬溶液沉積，如液相外延（LPE）等現(xiàn)在是58頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四主要優(yōu)點(diǎn)是：①高的沉積速率；②能保證正確的化學(xué)計(jì)量比，易形成單一結(jié)晶結(jié)構(gòu)；③易形成均勻、大面積薄膜；④對(duì)化學(xué)液相沉積，易進(jìn)行微量、均勻摻雜來(lái)改進(jìn)薄膜性能；⑤低成本設(shè)備購(gòu)置與維修。主要缺點(diǎn)是：①對(duì)CVD方法，有機(jī)源難以制備并有毒，易對(duì)環(huán)境帶來(lái)污染；②對(duì)化學(xué)液相沉積，薄膜厚度難以精確控制?，F(xiàn)在是59頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四2.3熱蒸發(fā)真空蒸鍍法，將被蒸發(fā)材料（鍍料）置于坩堝中，通過(guò)加熱使鍍料熔化蒸發(fā)，蒸發(fā)的鍍料則以分子或原子狀態(tài)飛出，沉積在溫度相對(duì)較低的基板上，形成薄膜。顯而易見，在蒸發(fā)沉積裝置中，最重要的組成部分就是物質(zhì)的蒸發(fā)源。EvaporationMaterialSubstrateHeaterVacuumchamberCloud現(xiàn)在是60頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四現(xiàn)在是61頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四蒸發(fā)源1、電阻加熱將鎢絲制成各種等直徑或不等直徑的螺旋狀，即可作為物質(zhì)的電阻加熱裝置。（1）電阻熱蒸發(fā)特性低壓大電流使高熔點(diǎn)金屬制成的蒸發(fā)源產(chǎn)生焦耳熱，使蒸發(fā)源中承載的膜料汽化或升華。優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、操作方便。缺點(diǎn)：1）不能蒸發(fā)高熔點(diǎn)材料；2）膜料容易熱分解；3）膜料粒子初始動(dòng)能低，膜層填充密度低，機(jī)械強(qiáng)度差?，F(xiàn)在是62頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四（2）選用蒸發(fā)源應(yīng)考慮的因素1）熔點(diǎn)高，熱穩(wěn)定性好；2）蒸發(fā)源在工作溫度有足夠低的蒸氣壓；3）不與膜料反應(yīng)；4）高溫下與膜料不相濕（相滲），或雖相滲，但不相溶；5）經(jīng)濟(jì)實(shí)用。熱蒸發(fā)中影響蒸發(fā)速率的是膜料的汽化溫度和蒸發(fā)源的加熱溫度?，F(xiàn)在是63頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四（3）常用蒸發(fā)源材料及其特性蒸發(fā)源材料熔點(diǎn)/℃平衡溫度蒸氣壓在1×10-6Pa蒸氣壓在1×10-3Pa鎢（W）341021172567鉭（Ta）299619572407鉬（Mo）261715921957鈮（Nb）246817622127鉑（Pt）177212921612現(xiàn)在是64頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四（4）常用蒸發(fā)源的形狀可以采用電阻加熱蒸發(fā)的膜料有金屬、介質(zhì)、半導(dǎo)體，它們中有先熔化成液體然后再汽化的蒸發(fā)材料，也有直接從固態(tài)汽化的升華材料，有塊狀、絲狀，也有粉狀。圖2－5電阻加熱蒸發(fā)源現(xiàn)在是65頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四2.3.2電子束加熱電阻加熱裝置的缺點(diǎn)之一是來(lái)自坩堝、加熱元件以及各種支撐部件的可能的污染。另外，電阻加熱法的加熱功率或加熱溫度也有一定的限制。因此其不適用于高純或難熔物質(zhì)的蒸發(fā)。電子束蒸發(fā)裝置正好克服了電阻加熱法的上述兩個(gè)不足。在電子束加熱裝置中，被加熱的物質(zhì)被放置于水冷的坩堝中，電子束只轟擊到其中很少的一部分物質(zhì)，而其余的大部分物質(zhì)在坩堝的冷卻作用下一直處于很低的溫度，即后者實(shí)際上變成了被蒸發(fā)物質(zhì)的坩堝。因此，電子束蒸發(fā)沉積裝置中可以安置多個(gè)坩堝，這使得人們可以同時(shí)分別蒸發(fā)和沉積多種不同的物質(zhì)。電子束蒸發(fā)法的缺點(diǎn)是，電子束的絕大部分能量要被坩堝的水冷系統(tǒng)帶走，因而其熱效率較低。另外，過(guò)高的加熱功率也會(huì)對(duì)整個(gè)薄膜沉積系統(tǒng)形成較強(qiáng)的熱輻射。

現(xiàn)在是66頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四2.3.2電子束加熱1、結(jié)構(gòu)常用的電子束蒸發(fā)源有電子束偏轉(zhuǎn)角度270°、運(yùn)行軌跡為“e”的e型槍和電子束偏轉(zhuǎn)角度180°、運(yùn)行軌跡為“c”的c型槍兩種。圖2－6電子束蒸發(fā)源現(xiàn)在是67頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四Evaperatione-beamevaporationsystem*現(xiàn)在是68頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四優(yōu)點(diǎn)：①電子束焦斑大小可調(diào)，位置可控，既方便使用小坩堝，也方便使用大坩堝；②可一槍多坩堝，既易于蒸發(fā)工藝的重復(fù)穩(wěn)定，也方便使用多種膜料；③燈絲易屏蔽保護(hù)，不受污染，壽命長(zhǎng)；④使用維修方便。現(xiàn)在是69頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四2原理燈絲通大電流，形成熱電子發(fā)射流：電子流在電位差為U的電場(chǎng)中被加速至v，即由例如當(dāng)U＝6～10kV時(shí)，v＝4.6~6×107m/s電子流被加速的同時(shí)，由電磁場(chǎng)使其聚成細(xì)束，并對(duì)準(zhǔn)坩堝內(nèi)的膜料，造成局部高溫而汽化蒸發(fā)。現(xiàn)在是70頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四3特點(diǎn)（1）可蒸發(fā)高熔點(diǎn)材料（W、Ta、Mo、氧化物，陶瓷等）；（2）可快速升溫到蒸發(fā)溫度，化合物分解??；（3）膜料粒子初始動(dòng)能高，膜層填充密度高，機(jī)械強(qiáng)度好；（4）蒸發(fā)速度易控，方便多元同蒸。現(xiàn)在是71頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四熱蒸發(fā)鍍膜的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單，大多數(shù)材料都可以作為膜層材料蒸發(fā)。缺點(diǎn)：膜層不能重復(fù)再現(xiàn)塊狀材料的性能。原因：膜層的微觀柱狀結(jié)構(gòu)。改進(jìn)措施：改中性粒子沉積為帶電離子在電場(chǎng)輔助（作用）下的電沉積?，F(xiàn)在是72頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四2.4濺射法(Sputtering)1、濺射定義所謂“濺射”是指荷能粒子轟擊固體（稱為靶）表面，使固體原子（或分子）從表面射出的現(xiàn)象。這些被濺射出來(lái)的原子將帶有一定的動(dòng)能，并且具有方向性。應(yīng)用這一現(xiàn)象將濺射出來(lái)的物質(zhì)沉積到基片或工件表面形成薄膜的方法稱為濺射（鍍膜）法。MaterialSubstratePlasma現(xiàn)在是73頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四在如圖所示系統(tǒng)中，靶材是需要濺射的材料，它作為陰極，相對(duì)于作為陽(yáng)極并接地的真空室處于一定的負(fù)電位?，F(xiàn)在是74頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四濺射法屬于物理氣相沉積的一種，射出的粒子大多呈原子狀態(tài)，常稱為濺射原子。用于轟擊靶的荷能粒子可以是電子、離子或中性粒子，因?yàn)殡x子在電場(chǎng)下易于加速并獲得所需動(dòng)能，因此大多采用離子作為轟擊粒子，該離子又被稱為入射離子。濺射法現(xiàn)在已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于各種薄膜的制備之中。如用于制備金屬、合金、半導(dǎo)體、氧化物、絕緣介質(zhì)薄膜，以及化合物半導(dǎo)體、碳化物及氮化物薄膜，乃至高溫超導(dǎo)薄膜等。現(xiàn)在是75頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四直流濺射又叫陰極濺射或者二極濺射，直流濺射常采用Ar為工作氣體。其典型的濺射條件為：工作氣壓10Pa，濺射電壓3000V，靶電流密度0.5mA/cm2，薄膜沉積速率低于0.1μm/min。優(yōu)點(diǎn)：膜層在基片上的附著力強(qiáng)，膜層純度高，可同時(shí)濺射多種不同成分的合金膜或化合物。缺點(diǎn)：需制備專用膜料，靶利用率低?，F(xiàn)在是76頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四輝光放電(glowdischarge)低壓氣體中顯示輝光的氣體放電現(xiàn)象。在置有板狀電極的玻璃管內(nèi)充入低壓（約幾毫米汞柱）氣體或蒸氣，當(dāng)兩極間電壓較高（約1000伏）時(shí)，稀薄氣體中的殘余正離子在電場(chǎng)中加速，有足夠的動(dòng)能轟擊陰極，產(chǎn)生二次電子，經(jīng)簇射過(guò)程產(chǎn)生更多的帶電粒子，使氣體導(dǎo)電。輝光放電的特征是電流強(qiáng)度較小（約幾毫安），溫度不高，故電管內(nèi)有特殊的亮區(qū)和暗區(qū)，呈現(xiàn)瑰麗的發(fā)光現(xiàn)象。

現(xiàn)在是77頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四輝光放電時(shí)，在放電管兩極電場(chǎng)的作用下，電子和正離子分別向陽(yáng)極、陰極運(yùn)動(dòng)，并堆積在兩極附近形成空間電荷區(qū)。因正離子的漂移速度遠(yuǎn)小于電子，故正離子空間電荷區(qū)的電荷密度比電子空間電荷區(qū)大得多，使得整個(gè)極間電壓幾乎全部集中在陰極附近的狹窄區(qū)域內(nèi)。這是輝光放電的顯著特征，而且在正常輝光放電時(shí)，兩極間電壓不隨電流變化?，F(xiàn)在是78頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四在陰極附近，二次電子發(fā)射產(chǎn)生的電子在較短距離內(nèi)尚未得到足夠的能使氣體分子電離或激發(fā)的動(dòng)能，所以緊接陰極的區(qū)域不發(fā)光。而在陰極輝區(qū)，電子已獲得足夠的能量碰撞氣體分子，使之電離或激發(fā)發(fā)光。其余暗區(qū)和輝區(qū)的形成也主要取決于電子到達(dá)該區(qū)的動(dòng)能以及氣體的壓強(qiáng)（電子與氣體分子的非彈性碰撞會(huì)失去動(dòng)能）。

輝光放電的主要應(yīng)用是利用其發(fā)光效應(yīng)（如霓虹燈、日光燈）以及正常輝光放電的穩(wěn)壓效應(yīng)（如氖穩(wěn)壓管）?，F(xiàn)在是79頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四低壓氣體放電的一種類型，在發(fā)射光譜分析中用作氣體分析和難激發(fā)元素分析的激發(fā)光源。在玻璃管兩端各接一平板電極，充入惰性氣體，加數(shù)百伏直流電壓，管內(nèi)便產(chǎn)生輝光放電，其電流為10-4～10-2A。放電形式與氣體性質(zhì)、壓力、放電管尺寸、電極材料、形狀和距離有關(guān)。現(xiàn)在是80頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四輝光放電濺射輝光放電濺射指利用電極間的輝光放電進(jìn)行濺射。輝光放電指氣壓在1～10Pa時(shí)，高壓電極間氣體電離形成低壓大電流導(dǎo)體，并拌有輝光的氣體放電現(xiàn)象。輝光放電濺射，靶材作為陰極，被鍍件作為陽(yáng)極或偏置，可以放在陰極暗區(qū)之外任何方便的地方?，F(xiàn)在是81頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四氣體放電等離子體：離子－電子與氣體粒子間非彈性碰撞的產(chǎn)物－失去電子后的氣體粒子。等離子體（Plasma）是指由自由電子和帶電離子為主要成分的物質(zhì)形態(tài)，電子和離子總數(shù)基本相等，整體呈現(xiàn)電中性的氣態(tài)導(dǎo)體。它廣泛存在于宇宙中，常被視為物質(zhì)的第四態(tài)。氣體放電－正、負(fù)兩電極間的間距、電壓、氣壓滿足一定條件時(shí)，絕緣氣體變成導(dǎo)電氣體的現(xiàn)象。現(xiàn)在是82頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四2．濺射參數(shù)在濺射鍍膜中，影響濺射速率的是靶材的濺射率（濺射產(chǎn)額）和濺射裝置的功率。（1）濺射閾。濺射閾是指入射離子使陰極靶產(chǎn)生濺射所需的最小能量。濺射閾主要取決于靶材料，與入射離子種類和能量無(wú)明顯依賴關(guān)系。對(duì)處于元素周期表中相同周期的元素，濺射閾隨著原子序數(shù)的增加而減小。對(duì)于大多數(shù)金屬元素來(lái)說(shuō)，濺射閾為10-30eV，相當(dāng)于升華熱的4倍。現(xiàn)在是83頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四（2）濺射率（sputteringyield）Thenumberofparticlessputteredfromthesurfaceofatargetperprimaryion.設(shè)從外部入射到固體表面的粒子數(shù)為Ni，從固體表面被濺射出來(lái)的粒子數(shù)為Ns，則濺射率定義為：濺射率（又稱為濺射產(chǎn)額）表示正離子撞擊陰極時(shí)，平均每個(gè)正離子能從陰極上打出的原子數(shù)。濺射率的大小，與入射離子的能量、種類、靶材料的種類以及入射離子的入射角等因素有關(guān)?，F(xiàn)在是84頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四圖2濺射率與入射離子能量的關(guān)系圖中曲線表明：只有當(dāng)入射離子的能量超過(guò)一定的閾值以后，才會(huì)出現(xiàn)被濺射物質(zhì)表面原子的濺射。隨著入射離子能量的增加，濺射產(chǎn)額先是提高，然后在離子能量達(dá)到10keV左右的時(shí)候趨于平緩。當(dāng)離子能量繼續(xù)增加時(shí)，濺射產(chǎn)額反而下降。當(dāng)入射離子能量達(dá)到100keV左右時(shí)，入射離子將進(jìn)入被轟擊的物質(zhì)內(nèi)部，即發(fā)生了離子注入現(xiàn)象現(xiàn)在是85頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四圖2濺射率與入射離子原子序數(shù)的關(guān)系以45eV的加速電壓，用各種離子轟擊Ag，Cu及Ta時(shí)，圖2給出轟擊離子的原子序數(shù)與濺射率的關(guān)系。從圖中可知，使用惰性氣體作為入射離子時(shí)，濺射產(chǎn)額較高，并且重離子的濺射產(chǎn)額明顯高于輕離子?，F(xiàn)在是86頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四圖2濺射率與入射角的關(guān)系圖中曲線表明：存在最佳入射角，但其與入射離子以及靶材種類有關(guān)?，F(xiàn)在是87頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四影響濺射率的主要因素是正離子的加速電壓，即濺射的離子能量大小，濺射率隨電壓的增大而增大。濺射率還與離子的入射角度有關(guān)，當(dāng)離子入射方向與被濺射的靶表面法線間的夾角在60°～70°之間時(shí)，濺射率最大。此外，濺射率隨入射離子原子序數(shù)的變化而周期性地變化，濺射率與靶原子的序數(shù)同樣出周期性的關(guān)系?，F(xiàn)在是88頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四濺射率與入射離子的能量、類型、角度及靶材的類型、晶格結(jié)構(gòu)、表面狀態(tài)、升華熱等因素有關(guān)。濺射率隨著靶材原子序數(shù)的增大而增大，六方晶格結(jié)構(gòu)的金屬比面心立方金屬的濺射率低，表面污染（如氧化層）比清潔表面的金屬濺射率低，升華熱大的金屬要比升熱小的濺射率低。入射離子的能量對(duì)濺射率有顯著的影響，當(dāng)入射離子能量高于某一個(gè)臨界值時(shí)，才會(huì)發(fā)生濺射。濺射率最初隨轟擊離子能量的增加而呈指數(shù)上升，其后出現(xiàn)一個(gè)線性增大區(qū)，并逐漸達(dá)到一個(gè)平坦的最大值呈飽和狀態(tài)。如果此時(shí)再增加能量，則因產(chǎn)生離子注入效應(yīng)使濺射率下降。現(xiàn)在是89頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四入射離子的種類不同對(duì)濺射率的影響也比較明顯。入射離子的原子量越大，濺射率越高。同一周期中惰性氣體的濺射率最高，惰性氣體的優(yōu)點(diǎn)是可以避免和靶材起化學(xué)反應(yīng)?？紤]到經(jīng)濟(jì)的原因，通常選用氬為工作氣體。另外濺射率還與入射離子的入射角、靶材溫度等有關(guān)?，F(xiàn)在是90頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四（3）濺射原子的狀態(tài)在濺射過(guò)程中，由于濺射原子是與高能量（幾百到幾千電子伏）入射離子交換動(dòng)量飛濺而出的，所以濺射原子具有較大的能量，一般來(lái)說(shuō)濺射原子的能量約為10~20eV。濺射原子的能量隨正離子的種類、加速電壓和靶材不同而不同。如以1000eV加速的Ar+離子濺射鋁等輕元素時(shí)，逸出原子的能量約為10eV，而濺射鎢、鉬、珀時(shí)，逸出原子的能量約為35eV。現(xiàn)在是91頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四濺射原子的能量和速度與靶材料、入射離子種類和能量以及濺射原子的方法性有關(guān)。濺射原子的角度分布并不符合Knudsen余弦定律，尤其是垂直于靶面的逸出原子明顯少于按余弦分布時(shí)應(yīng)逸出的原子數(shù)。濺射原子的角度分布與轟擊離子的入射角、靶材晶體結(jié)構(gòu)等有關(guān)。濺射時(shí)，如果靶面是由粒徑小的多晶體組成，濺射出來(lái)的原子基本仍遵循余弦定律?，F(xiàn)在是92頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四2.3.1基本原理濺射法基于荷能粒子轟擊靶材時(shí)的濺射效應(yīng)，它是利用高能離子轟擊靶材形成濺射物流，在襯底表面沉積形成薄膜。濺射是轟擊粒子與靶粒子之間動(dòng)量傳遞的結(jié)果。而整個(gè)濺射過(guò)程都是建立在輝光放電的基礎(chǔ)之上，即濺射離子都來(lái)源于氣體輝光放電。輝光放電濺射指利用電極間的輝光放電進(jìn)行濺射。（1）輝光放電輝光放電是在真空度約為10～1Pa的稀薄氣體中，兩個(gè)電極之間加上電壓時(shí)產(chǎn)生的一種穩(wěn)定的自持放電，是氣體放電的一種類型。現(xiàn)在是93頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四氣體放電等離子體：●離子－電子與氣體粒子間非彈性碰撞的產(chǎn)物－失去電子后的氣體粒子。●等離子體－電子和離子總數(shù)基本相等，整體呈現(xiàn)電中性的氣態(tài)導(dǎo)體?！駳怏w放電－正、負(fù)兩電極間的間距、電壓、氣壓滿足一定條件時(shí)，絕緣氣體變成導(dǎo)電氣體的現(xiàn)象?，F(xiàn)在是94頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四（2）濺射鍍膜的特點(diǎn)相對(duì)于真空蒸發(fā)鍍膜，濺射鍍膜具有如下特點(diǎn)：（a）對(duì)于任何待鍍材料，只要能作成靶材，就可以實(shí)現(xiàn)濺射；（b）濺射所獲得的薄膜與基片結(jié)合較好；（c）濺射所獲得的薄膜純度高，致密性好；（d）濺射工藝可重復(fù)性好，膜厚可控制，同時(shí)可以在大面積基片上獲得厚度均勻的薄膜。濺射存在的缺點(diǎn)是，相對(duì)于真空蒸發(fā)，它的沉積速率低，基片會(huì)收到等離子體的輻照等作用而產(chǎn)生溫升。現(xiàn)在是95頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四2.3.2射頻濺射(R.Fsputtering)在濺射靶上加有射頻電壓，在射頻電壓（極間電壓變化頻率超過(guò)10MHz）作用下，利用電子和離子運(yùn)動(dòng)特性的不同，在靶的表面上感應(yīng)出負(fù)的直流脈沖，而產(chǎn)生濺射現(xiàn)象，對(duì)絕緣體也能進(jìn)行濺射鍍膜，這就是射頻濺射。射頻濺射是為了克服直流濺射不能濺射介質(zhì)靶材的缺點(diǎn)而設(shè)計(jì)的，靶材作為一個(gè)電極，其上施加高頻電壓，穿過(guò)靶的是位移電流?，F(xiàn)在是96頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四它是適用于各種金屬和非金屬材料的一種濺射沉積方法。射頻濺射適用于絕緣體、導(dǎo)體、半導(dǎo)體等任何一類靶材的濺射。優(yōu)點(diǎn)：可濺射介質(zhì)靶材，工作電壓、氣壓均較直流放電低。缺點(diǎn)：成膜速率低，仍有基片過(guò)熱問(wèn)題?，F(xiàn)在是97頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四一般來(lái)說(shuō)，在射頻中使用的電源已屬于射頻范圍，其頻率區(qū)間為5～30MHz。國(guó)際上通常采用的射頻頻率多為美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì)（FCC）建議的13.56MHz。在射頻電場(chǎng)的作用下，電子在被陽(yáng)極吸收之前，能在陰、陽(yáng)極之間的空間來(lái)回振蕩，因而有更多的機(jī)會(huì)與氣體分子產(chǎn)生碰撞電離，因此射頻濺射可以在低氣壓（低到2×10-2Pa）下進(jìn)行。射頻濺射的主要特點(diǎn)是可以濺射任何固體材料，包括導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體材料作的靶。這主要是因?yàn)樵诮^緣靶表面上建立起負(fù)偏壓的緣故?，F(xiàn)在是98頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四Veryhighfrequency(VHF)是指頻帶由30MHz到300MHz的無(wú)線電電波.比VHF頻率低的是高頻(HF),比VHF頻率高的是特高頻(UHF)。中頻電源常用40kHz，適用于300~800V系統(tǒng)，其能夠有效防止沉積真空室內(nèi)的“打火”現(xiàn)象，并且與射頻電源相比，與靶之間的連接比較簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的阻抗匹配調(diào)節(jié)，薄膜沉積率和可靠性都比較高?，F(xiàn)在是99頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四2.3.3磁控濺射(MagnetronSputtering)從以上討論我們知道，濺射沉積方法具有兩個(gè)缺點(diǎn)：第一，濺射方法沉積薄膜的沉積速度較低；第二，濺射所需的工作氣壓較高，這兩者的綜合效果是氣體分子對(duì)薄膜產(chǎn)生污染的可能性提高。因而，磁控濺射技術(shù)作為一種沉積速度較高、工作氣體壓力較低的濺射技術(shù)具有其獨(dú)特的優(yōu)越性。磁控濺射(MagnetronSputtering,MS)是20世紀(jì)70年代迅速發(fā)展起來(lái)的一種高速濺射技術(shù)。磁控濺射指平行于陰極表面施加強(qiáng)磁場(chǎng)，將電子約束在陰極靶材表面近域，提高電離效率。磁控濺射的原理是：在一定的真空條件下，通過(guò)施加于靶材與基片的負(fù)電壓差，產(chǎn)生一個(gè)與磁場(chǎng)正交的電場(chǎng)。使電子在電場(chǎng)的作用下沖擊Ar原子，電離大量的Ar＋快速?zèng)_撞靶材。使陰極靶材快速沉積到基片上，實(shí)現(xiàn)濺射鍍膜。現(xiàn)在是100頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四磁控濺射按照濺射源的類型分為平面磁控濺射、圓柱面磁控濺射和S槍濺射。磁控濺射是通過(guò)施加磁場(chǎng)改變電子的運(yùn)動(dòng)方向，并束縛和延長(zhǎng)電子的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而提高它們相互碰撞的幾率，進(jìn)而提高電子對(duì)工作氣體的電離效率和濺射沉積率。磁控濺射具有沉積溫度低、沉積速率高兩大特點(diǎn)?，F(xiàn)在是101頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四現(xiàn)在是102頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四設(shè)備名稱：三靶多功能磁控濺射儀

現(xiàn)在是103頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四圖2-2磁控濺射原理圖

磁控濺射指平行于陰極表面施加強(qiáng)磁場(chǎng)，將電子約束在陰極靶材表面近域，提高電離效率?，F(xiàn)在是104頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四磁控濺射特點(diǎn)（1）電場(chǎng)與磁場(chǎng)正交設(shè)置，約束電子在靶面近域，致使靶面近域有高密度等離子體，濺射速率很高；（2）磁控濺射源相對(duì)被鍍件獨(dú)立，基片不再受電子轟擊而升溫，可對(duì)塑料等不耐高溫的基片實(shí)現(xiàn)濺射鍍膜；（3）磁控濺射源可以象熱蒸發(fā)源一樣使用，從而使被鍍件的形狀和位置不再受限制?，F(xiàn)在是105頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四薄膜的物理氣相沉積：濺射法

反應(yīng)濺射

實(shí)際的操作中常常需要進(jìn)行化合物薄膜的制備，例如TiN、Al2O3、TiAlN等，在采用濺射法制備化合物薄膜時(shí)，可以考慮直接使用化合物作為濺射靶材。然而這里存在一個(gè)問(wèn)題。我們知道，利用蒸發(fā)法制備化合物或合金薄膜時(shí)，常常要考慮薄膜成分偏離蒸發(fā)源成分的問(wèn)題，也就是說(shuō)，在化合物的蒸發(fā)過(guò)程中，蒸發(fā)出來(lái)的物質(zhì)蒸氣可能具有完全不同于固態(tài)或液態(tài)化合物的化學(xué)成分，可想而知，當(dāng)這些蒸氣在基體表面凝結(jié)成膜后，其成分將與原蒸發(fā)物質(zhì)產(chǎn)生偏離。濺射化合物靶材同樣會(huì)發(fā)生上述氣態(tài)或固態(tài)化合物分解的情況。此時(shí)沉積得到的薄膜往往在化學(xué)成分上與靶材有很大差別，電負(fù)性較強(qiáng)的元素的含量一般會(huì)低于化合物正確的化學(xué)計(jì)量比現(xiàn)在是106頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四電負(fù)性是周期表中各元素的原子吸引電子能力的一種相對(duì)標(biāo)度，又稱負(fù)電性。元素的電負(fù)性愈大，吸引電子的傾向愈大，非金屬性也愈強(qiáng)。比如，在濺射SnO2、SiO2等氧化物薄膜時(shí)，就經(jīng)常會(huì)發(fā)生沉積產(chǎn)物中氧含量偏低的情況。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是由于在濺射環(huán)境中，相應(yīng)元素的分壓低于化合物形成所需要的平衡壓。就是說(shuō)較之蒸發(fā)法鍍膜時(shí)的溫度，濺射法要低的多，因而元素的分壓達(dá)不到平衡蒸氣壓?，F(xiàn)在是107頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四那么解決的辦法呢，既然元素分壓小，那我們就可以調(diào)整濺射室內(nèi)的氣體組成和壓力，在通入Ar氣的同時(shí)，通入相應(yīng)的活性氣體，例如要生成的化合物薄膜中有O元素存在，那么可以通氧氣；有N元素存在，就通氮?dú)?，從而抑制了化合物的分解傾向。但是有這么幾個(gè)問(wèn)題：一個(gè)是有沒有合適的化合物靶材？化合物靶的制備工藝比較復(fù)雜，成分純度的控制和高溫高壓成型技術(shù)也存在一系列困難，導(dǎo)致的結(jié)果就是靶材一般都比較貴，不合算；所以另一方面，我們也可以采用純金屬作為濺射靶材，同時(shí)在工作氣體中混入適量的活性氣體如O2、N2、NH3、CH4、H2S等，使金屬原子與活性氣體在濺射沉積的同時(shí)生成所需的化合物?，F(xiàn)在是108頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四一般認(rèn)為，化合物是在原子沉積的過(guò)程中，由濺射原子與活性氣體分子在基體表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而形成的。這種在沉積的同時(shí)形成化合物的濺射技術(shù)，便被稱為反應(yīng)濺射方法。反應(yīng)濺射由于采用了金屬靶材，因而它不僅可以大大降低靶材的制造成本，而且還可以有效地改善靶材和薄膜的純度。現(xiàn)在是109頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四2.4脈沖激光沉積法（PulsedLaserDeposition，PLD）脈沖激光沉積（PLD）是20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來(lái)的一種新型薄膜制備技術(shù)。脈沖激光沉積方法是利用準(zhǔn)分子激光器所產(chǎn)生的高強(qiáng)度脈沖激光照射靶材，靶材吸收激光在時(shí)間和空間上高度集中的能量，溫度迅速上升至遠(yuǎn)高于靶材組元沸點(diǎn)以上，各組元同時(shí)被蒸發(fā)，蒸發(fā)的汽化物繼續(xù)與輻照光子作用，電離并形成區(qū)域化的高濃度等離子體（T>104K），這種等離子體的定向局域膨脹發(fā)射，并在加熱的襯底上沉積形成薄膜?，F(xiàn)在是110頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四現(xiàn)在是111頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四PLD方法制備薄膜的優(yōu)點(diǎn)：①高能量密度使PLD可以蒸發(fā)金屬、陶瓷等多種材料，有利于解決難熔材料（如鎢、鉬及硅、碳、硼化合物）的薄膜沉積問(wèn)題；②化學(xué)計(jì)量比精確；瞬間爆炸式形成的等離子體羽輝不存在成分擇優(yōu)蒸發(fā)效應(yīng)，加上等離子體發(fā)射沿靶軸向空間約束效應(yīng)，對(duì)于多數(shù)材料可以使膜的成分和靶材的成分十分一致。因而可以得到和靶材成分一致的多元化合物薄膜，甚至含有易揮發(fā)元素的多元化合物薄膜。③沉積過(guò)程可引入多種活性氣體如O2、H2、NH3等進(jìn)行反應(yīng)濺射，使制備多元素的化合物薄膜極為方便。④能簡(jiǎn)便有效地把高能量密度激光引入濺射沉積真空室，獲得并保持沉積室高真空度或純度。激光對(duì)靶的整體加熱效應(yīng)不大，因而靶材一般無(wú)需冷卻，使靶的運(yùn)動(dòng)和更換非常方便。沉積室的高真空度或純度加上靈活的換靶裝置，使制備多元素膜、多層膜、復(fù)合膜和實(shí)現(xiàn)膜的摻雜非常方便?，F(xiàn)在是112頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四⑤濺射粒子有較高的能量，可越過(guò)基材表面位壘進(jìn)入基材表面幾個(gè)原子層，引起基材晶格的振動(dòng)，由于過(guò)程發(fā)生在很短的瞬間，可引起基材表層粒子流直射區(qū)原子尺度范圍溫度和壓力的急劇增加，使粒子流進(jìn)入成分與基材相互作用形成新的特殊結(jié)構(gòu)，如生成類金剛石膜、多種超晶格薄膜等。⑥沉積過(guò)程基片整體溫度不高，滿足許多功能膜和半導(dǎo)體等基片對(duì)膜制備溫度的限制。等離子體中含有大量能量較高的快速離子，可顯著降低膜層外延生長(zhǎng)的溫度。⑦脈沖激光與靶直接作用區(qū)域小，靶材材料需要不多且利用率高，這對(duì)需用貴重靶材的情況尤為可貴。PLD也有它的應(yīng)用范圍和尚待解決的問(wèn)題，目前主要問(wèn)題是：由于羽輝中攜有熔滴，薄膜中及表面容易出現(xiàn)微米一亞微米尺度的顆粒物；對(duì)某些材料，靶和膜的成分并不完全一致；大面積沉積的膜均勻性較差?，F(xiàn)在是113頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四脈沖激光作為一種新穎的加熱源，其特點(diǎn)之一是能量在空間和時(shí)間上的高度集中。這種技術(shù)最先是用于高Tc超導(dǎo)薄膜的生長(zhǎng)，隨后，PLD技術(shù)又被用于制備日益重要的微電子和光電子用多元氧化物薄膜及其異質(zhì)結(jié)，也被用于制備氮化物、碳化物、硅化物以及各種有機(jī)物薄膜等廣泛領(lǐng)域；制備一些難以合成的材料如金剛石薄膜、立方氮化硼薄膜也取得了很大進(jìn)展?，F(xiàn)已用此法成功生長(zhǎng)出BaTiO3、Pb(Zr,Ti)O3、(Sr,Ba)TiO3、(Pb,Nd)(Zr,Ti)O3、PbZrO3、Srm-3Bi4TimO3m+3、Bi4Ti3O12、CaBi2Nb2O9、BaBi4Ti4O15、SrTiO3及(Sr,Ba)NbO3、SrBi2Ta2O9等鐵電薄膜，在晶體結(jié)構(gòu)和鐵電性等方面取得了較好的結(jié)果。但薄膜均勻性差，難以制得高質(zhì)量大面積薄膜?，F(xiàn)在是114頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四2.5金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）又叫金屬有機(jī)氣相外延（Metalorganicvaporphaseepitaxy,MOVPE），它是利用有機(jī)金屬熱分解進(jìn)行氣相外延生長(zhǎng)的先進(jìn)技術(shù)，目前主要用于化合物半導(dǎo)體（III－V簇、II－VI簇化合物）薄膜氣相生長(zhǎng)上。2.5.1MOCVD法原理MOCVD法是將反應(yīng)氣體和氣化的金屬有機(jī)物前體溶液通過(guò)反應(yīng)室，經(jīng)過(guò)熱分解沉積在加熱的襯底上形成薄膜。MOCVD方法是利用運(yùn)載氣攜帶金屬有機(jī)物的蒸氣進(jìn)入反應(yīng)室，受熱分解后沉積到加熱的襯底上形成薄膜。它是制備鐵電薄膜的一種濕法工藝。氣源通常為金屬的烷基或芳烴基衍生物、醇鹽和芳基化合物。

現(xiàn)在是115頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四2.5.2MOCVD法的特點(diǎn)

此法的主要優(yōu)點(diǎn)是：1)較低的襯底溫度；2)較高的生長(zhǎng)速率；3)精確的組分控制；4)易獲得大面積均勻薄膜；5)可在非平面底上生長(zhǎng)、可直接制備圖案器件、易于規(guī)模化和商業(yè)化?，F(xiàn)在是116頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四已用MOCVD法制備出的鐵電薄膜有(Sr,Ba)TiO3、Pb(Zr,Ti)O3、BaTiO3、PbTiO3、(Pb,La)TiO3、Bi4Ti3O12、SrBi2Ta2O9等十多種，但這種方法受制于金屬有機(jī)源（MO）的合成技術(shù)，難以找到合適的金屬有機(jī)源，僅能用于少數(shù)幾種薄膜的制備。因此繼續(xù)開發(fā)新的、揮發(fā)溫度較低的、毒性低的MO源是MOCVD獲得長(zhǎng)足發(fā)展的關(guān)鍵?，F(xiàn)在是117頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四2.6等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積CVD設(shè)備按原理分類一般為L(zhǎng)PCVD、PECVD、APCVD三類。低壓化學(xué)氣相淀積系統(tǒng)（LPCVD）是用加熱的方式在低壓（50～133Pa）條件下使氣態(tài)化合物在基片表面反應(yīng)并淀積形成穩(wěn)定固體薄膜。LPCVD用于淀積多晶硅（Poly-Si）、氮化硅（Si3N4）、氧化硅（SiO2）等薄膜，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體集成電路、電力電子及光電子器件生產(chǎn)工藝中?，F(xiàn)在是118頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）設(shè)備

現(xiàn)在是119頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四為了滿足微電子、現(xiàn)代光學(xué)、光電子等方面對(duì)新型和優(yōu)質(zhì)測(cè)量的大量需求，人們開始對(duì)等離子增強(qiáng)沉積技術(shù)產(chǎn)生日益濃厚的興趣。等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積[Plasma-EnhancedChemicalDeposition(PECVD)]是低壓氣體在射頻電場(chǎng)中產(chǎn)生輝光放電，依靠等離子體來(lái)增強(qiáng)化學(xué)反應(yīng)，使淀積工藝氣體在高能電子的碰撞下離解，從而在較低的溫度下使之在基片（Si或GaAs等）上淀積形成穩(wěn)定的固體膜。PECVD用于淀積氮化硅、氧化硅、磷硅玻璃（PSG）、硼磷硅玻璃（BPSG）、非晶硅及難熔金屬硅化物等多種薄膜?，F(xiàn)在是120頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積是用于沉積各種材料的通用技術(shù)，這些材料包括SiO2、Si3N4、非晶Si:H、多晶Si、SiC等介電和半導(dǎo)體膜。等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積的優(yōu)勢(shì)在于它可以在比傳統(tǒng)的化學(xué)氣相沉積低的多的溫度下獲得上述單質(zhì)或化合物薄膜材料。在大多數(shù)所報(bào)道的工作中，等離子體由射頻場(chǎng)產(chǎn)生，盡管也有采用直流和微波場(chǎng)的。等離子體的基本作用是促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)，在等離子體中電子的平均能量（1～20eV）足以使大多數(shù)氣體電離或分解，電子動(dòng)能替代熱能的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)是可以避免由于基片的額外加熱使之收到損害，各種薄膜材料可以在溫度敏感的基片（如聚合物）上形成。盡管電子是離化源，當(dāng)它與氣體發(fā)生碰撞使氣體激發(fā)可以導(dǎo)致自由團(tuán)簇的形成?，F(xiàn)在是121頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四自從20世紀(jì)60年代人們利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積制備了Si3N4膜以后，使用這一技術(shù)人們又制備了許多不同的介電、金屬、半導(dǎo)體膜，并將所制備的薄膜材料應(yīng)用在微電子、光電子領(lǐng)域。表2-3給出了應(yīng)用PECVD制備一些重要材料的實(shí)驗(yàn)條件?，F(xiàn)在是122頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四膜輸入材料放電數(shù)據(jù)基片，基片溫度/oCSia-SiSi金剛石BNSi:Ha-Si1-xGex:HTiNBNSiO2a-Si:HSiNSiCl4、H2和ArSiH4SiH4CH4，CH4/H2；CH4/Ar和CH4/HeB2H6＋NH3SiH4/H2SiH4/GeH4TiCl4、H2、N2和ArB2H6、NH3和H2SiH4和NO2SiH4和B2H6SiH4，NH3射頻，27.12MHz射頻空陰極放電射頻微波放電射頻，13.56MHz射頻6W射頻：3W；13.56MHz直流輝光放電射頻，13.56MHz射頻：10～50W射頻輝光放電射頻輝光放電，50kHz不銹鋼玻璃Si，650p型（111）Si，700200200～400工具鋼，500300n型（001）Si玻璃，250Si，250表2-3等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積現(xiàn)在是123頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四PECVD過(guò)程的動(dòng)力學(xué)在PECVD過(guò)程中發(fā)生的動(dòng)力學(xué)過(guò)程為：①氣體分子與等離子體中的電子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生出活性基團(tuán)和離子；②活性基團(tuán)可以直接擴(kuò)散到襯底；③活性基團(tuán)也可以與其它氣體分子或活性基團(tuán)發(fā)生相互作用，進(jìn)而形成沉積所需的化學(xué)基團(tuán)；④沉積所需的化學(xué)基團(tuán)擴(kuò)散到襯底表面；⑤氣體分子也可能沒有經(jīng)過(guò)上述活化過(guò)程而直接擴(kuò)散到襯底附近；⑥氣體分子被直接排出系統(tǒng)之外；⑦到達(dá)襯底表面的各種化學(xué)基團(tuán)發(fā)生各種沉積反應(yīng)并釋放出反應(yīng)物。現(xiàn)在是124頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四制備a-Si薄膜材料的主要方法為硅烷（SiH4）氣體的輝光放電分解法（GD-CVD）、濺射法（SP-CVD）、光-化學(xué)氣相沉積（photo-CVD）等。目前，為了提高沉積速度采用：甚高頻或超高頻法（VHF-CVD）、等離子增強(qiáng)CVD法（PECVD）、微波法（MW-CVD）、微波電子回旋共振CVD法（MW-ECR-CVD）。由于a-Si半導(dǎo)體薄膜材料是一種亞穩(wěn)狀態(tài)（在一定條件下是很穩(wěn)定的），因而薄膜的物性密切地依賴于制備工藝（如反應(yīng)氣體流量、反應(yīng)室氣體總量、反應(yīng)室背景真空度、襯底溫度、反應(yīng)電極所加功率、生長(zhǎng)速度、反應(yīng)時(shí)間等）?，F(xiàn)在是125頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四現(xiàn)在是126頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四被H2稀釋了的SiH4氣體或純的SiH4氣體，經(jīng)過(guò)流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)入預(yù)先抽到高真空度（0.0133Pa以下）的反應(yīng)室內(nèi)，也可以同時(shí)通入其它氣體或微量的乙硼烷（B2H6）和磷化氫（PH3）氣體，以獲得其它硅基合金或摻雜的非晶態(tài)半導(dǎo)體薄膜。與此同時(shí)，利用機(jī)械泵和擴(kuò)散泵排出這些氣體。調(diào)節(jié)氣體流量，可以使反應(yīng)室的總氣壓達(dá)到所要求的值（13.3～1333.3Pa）。當(dāng)在系統(tǒng)的兩個(gè)電極之間加上電壓時(shí)，由陰極發(fā)射出的電子從電場(chǎng)中得到能量，與反應(yīng)室中的氣體原子或分子碰撞，使其分解、激發(fā)或電離形成低溫低壓等離子體，利用等離子體的高度化學(xué)活性在基片表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在較低的溫度和壓力下形成高質(zhì)量的硅薄膜?，F(xiàn)在是127頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四化學(xué)反應(yīng)式為：p-Si：SiH4+B2H6p-a-Si:Hi-a-Si：SiH4i-a-Si:Hn-Si：SiH4+PH3n-a-Si:H注意：硅烷和氫氣均為易燃易爆氣體，必須在具有安全防護(hù)措施的環(huán)境條件下才能使用。在排放過(guò)程中需用大流量的氮?dú)饣蚱渌栊詺怏w充分稀釋后才能排空。否則會(huì)造成排放噴火、爆鳴；嚴(yán)重的會(huì)爆泵等危及人身和設(shè)備安全。硼烷和磷烷均為有毒有害氣體，必須使用低濃度3%以下的稀釋氣體，同時(shí)做好安全防護(hù)?，F(xiàn)在是128頁(yè)\一共有155頁(yè)\編輯于星期四VHFPECVD技術(shù)之所以能夠提高沉積速率,最主要的原因是其激發(fā)頻率的作用。在高頻率變化電場(chǎng)的作用下,等離子體中相應(yīng)的電子濃度提高,而電子溫度下降。這樣大