薄膜材料制備原理、技術(shù)及應(yīng)用知識點

薄膜材料制備原理、技術(shù)及應(yīng)用知識點微觀永遠(yuǎn)大于宏觀你永遠(yuǎn)大于人類今天永遠(yuǎn)大于永遠(yuǎn)■■■■■■■■純屬個人行為，僅供參考■■■■■■■■勿刪■■■■■■■■■名詞解釋1. 氣體分子的平均自由程:自由程是指一個分子與其它分子相繼兩次碰撞之間，經(jīng)過的直線路程。對個別分子而言，自由程時長時短，但大量分子的自由程具有確定的統(tǒng)計規(guī)律。氣體分子相繼兩次碰撞間所走路程的平均值。2. 物理氣相沉積（PVD）：物理氣相沉積(PhysicalVaporDeposition，PVD)技術(shù)表示在真空條件下，采用物理方法，將材料源——固體或液體表面氣化成氣態(tài)原子、分子或部分電離成離子，并通過低壓氣體(或等離子體)過程，在基體表面沉積具有某種特殊功能的薄膜的技術(shù)。物理氣相沉積的主要方法有，真空蒸鍍、濺射鍍膜、電弧等離子體鍍、離子鍍膜，及分子束外延等。發(fā)展到目前，物理氣相沉積技術(shù)不僅可沉積金屬膜、合金膜、還可以沉積化合物、陶瓷、半導(dǎo)體、聚合物膜等。3. 化學(xué)氣相沉積（CVD）：化學(xué)氣相沉積(Chemicalvapordeposition，簡稱CVD)是反應(yīng)物質(zhì)在氣態(tài)條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成固態(tài)物質(zhì)沉積在加熱的固態(tài)基體表面，進(jìn)而制得固體材料的工藝技術(shù)。它本質(zhì)上屬于原子范疇的氣態(tài)傳質(zhì)過程。4. 等離子體鞘層電位：等離子區(qū)與物體表面的電位差值ΔVp即所謂的鞘層電位。在等離子體中放入一個金屬板，由于電子和離子做熱運(yùn)動，而電子比離子的質(zhì)量小，熱速度就比離子大，先到達(dá)金屬板，這樣金屬板帶上負(fù)電，板附近有一層離子，于是形成了一個小局域電場，該電場加速了離子，減速電子，最終穩(wěn)定了以后，就形成了鞘層結(jié)構(gòu)，該金屬板穩(wěn)定后具有一個電勢，稱為懸浮電位。5. 濺射產(chǎn)額：即單位入射離子轟擊靶極濺出原子的平均數(shù)，與入射離子的能量有關(guān)。6. 自偏壓效應(yīng)：在射頻電場起作用的同時，靶材會自動地處于一個負(fù)電位下，導(dǎo)致氣體離子對其產(chǎn)生自發(fā)的轟擊和濺射。7. 磁控濺射：在二極濺射中增加一個平行于靶表面的封閉磁場，借助于靶表面上形成的正交電磁場，把二次電子束縛在靶表面特定區(qū)域來增強(qiáng)電離效率，增加離子密度和能量，從而實現(xiàn)高速率濺射的過程。8. 離子鍍：在真空條件下，利用氣體放電使氣體或被蒸發(fā)物部分離化，產(chǎn)生離子轟擊效應(yīng)，最終將蒸發(fā)物或反應(yīng)物沉積在基片上。結(jié)合蒸發(fā)與濺射兩種薄膜沉積技術(shù)而發(fā)展的一種PVD方法。9. 離化率：被離化的原子數(shù)與被蒸發(fā)氣化的原子數(shù)之比稱為離化率.一般離化裝置的離化率僅為百分之幾,離化率較高的空心陰極法也僅為20～40%10. 等離子體輔助化學(xué)氣相沉積（PECVD）技術(shù)：是一種用等離子體激活反應(yīng)氣體,促進(jìn)在基體表面或近表面空間進(jìn)行化學(xué)反應(yīng),生成固態(tài)膜的技術(shù)。等離子體化學(xué)氣相沉積技術(shù)的基本原理是在高頻或直流電場作用下，源氣體電離形成等離子體，利用低溫等離子體作為能量源，通入適量的反應(yīng)氣體，利用等離子體放電，使反應(yīng)氣體激活并實現(xiàn)化學(xué)氣相沉積的技術(shù)。11. 外延生長：在單晶襯底（基片）上生長一層有一定要求的、與襯底晶向相同的單晶層，猶如原來的晶體向外延伸了一段，故稱外延生長。12. 薄膜附著力:薄膜對襯底的黏著能力的大小，即薄膜與襯底在化學(xué)鍵合力或物理咬合力作用下的結(jié)合強(qiáng)度。填空：當(dāng)環(huán)境中元素的分壓降低到了其平衡蒸氣壓之下時，元素發(fā)生凈蒸發(fā)。反之，元素發(fā)生凈沉積。在直流放電系統(tǒng)中，氣體放電通常要經(jīng)過湯生放電階段、輝光放電階段和弧光放電階段三個放電過程，其中濺射法制備薄膜主要采用輝光放電階段所產(chǎn)生的大量等離子體來形成濺射。濺射僅是離子轟擊物體表面時發(fā)生的物理過程之一，不同能量的離子與固體表面相互作用的過程不同，不僅可以實現(xiàn)對物質(zhì)原子的濺射，還可以在固體表面形成沉積現(xiàn)象和離子注入現(xiàn)象。濺射法所采有的放電氣體多為Ar氣，主要原因是惰性氣體做為入射離子時，物質(zhì)濺射產(chǎn)額高，從經(jīng)濟(jì)方面考慮，多使用Ar做為濺射氣體。直流濺射要求靶材具有良好的導(dǎo)電性，否則靶電流過小，靶電壓過高，而射頻濺射方法以交流電源提供高頻電場，高頻電場可經(jīng)由其它阻抗形式進(jìn)入沉積室，不再要求電極一定是導(dǎo)電體，使濺射過程擺脫對靶材導(dǎo)電性的要求。磁控濺射存在的缺點。1、磁控濺射所利用的環(huán)狀磁場迫使二次電子跳欄式地沿著環(huán)狀磁場轉(zhuǎn)圈。相應(yīng)地，環(huán)狀磁場控制的區(qū)域是等離子體密度最高的部位。在磁控濺射時，可以看見濺射氣體——氬氣在這部位發(fā)出強(qiáng)烈的淡藍(lán)色輝光，形成一個光環(huán)。處于光環(huán)下的靶材是被離子轟擊最嚴(yán)重的部位，會濺射出一條環(huán)狀的溝槽。環(huán)狀磁場是電子運(yùn)動的軌道，環(huán)狀的輝光和溝槽將其形象地表現(xiàn)了出來。磁控濺射靶的濺射溝槽一旦穿透靶材，就會導(dǎo)致整塊靶材報廢，所以靶材的利用率不高，一般低于40％；2、等離子體不穩(wěn)定；3、不能實現(xiàn)強(qiáng)磁性材料的低溫高速濺射，因為幾乎所有的磁通都通不過磁性靶子，所以在靶面附近不能加外加強(qiáng)磁場要想得到粗大甚至是單晶結(jié)構(gòu)的薄膜，一個必要的條件往往是需要適當(dāng)?shù)奶岣叱练e的溫度，并降低沉積的速率。反之，低溫條件和沉積速率增加將使得薄膜組織的晶粒發(fā)生細(xì)化。在薄膜沉積的最初階段，先要有新相核心的形成。新相的形核過程可以被分為兩種類型，即自發(fā)形核與非自發(fā)形核。自發(fā)形核指的是整個形核過程完全是在相變自由能的推動下進(jìn)行的，而自發(fā)形核則指的是除了有相變自由能作推動力外，還有其它因素起著幫助新相核心生成的作用。自發(fā)形核一般只發(fā)生在一些精心控制的過程之中，在薄膜與襯底之間浸潤性較差的情況下，薄膜的形核過程可近似認(rèn)為是一個自發(fā)形核過程；在大多數(shù)相變過程中，形核的過程都是非自發(fā)的，新相的核心將首先出現(xiàn)在那些能量比較有利的位置上。薄膜在沉積過程中，原子最容易被表面能較高的表面所吸引，凝聚到非密排面上，因而在非密排晶面上，薄膜的沉積速率最高，而在其它的晶面上，薄膜的沉積速率較低。外延薄膜的生長方式。產(chǎn)生這兩種不同生長模式的主要原因是原子在薄膜表面具有不同的擴(kuò)散能力。當(dāng)原子的擴(kuò)散能力較高，其平均擴(kuò)散距離大于臺階的平均間距時，薄膜將采取臺階流動式的生長模式。否則，薄膜只能采取二維形核式的生長模式。金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積的優(yōu)點和應(yīng)用。優(yōu)點：混合后通入反應(yīng)腔，混合氣體流經(jīng)加熱的襯底表面時，在襯底表面發(fā)生熱分解反應(yīng)，并外延生長成化合物單晶薄膜。與其他外延生長技術(shù)相比，MOCVD技術(shù)有著如下優(yōu)點：1用于生長化合物半導(dǎo)體材料的各組分和摻雜劑都是以氣態(tài)的方式通入反應(yīng)室，因此，可以通過精確控制氣態(tài)源的流量和通斷時間來控制外延層的組分、摻雜濃度、厚度等?？梢杂糜谏L薄層和超薄層材料。2反應(yīng)室中氣體流速較快。因此，在需要改變多元化合物的組分和摻雜濃度時，可以迅速進(jìn)行改變，減小記憶效應(yīng)發(fā)生的可能性。這有利于獲得陡峭的界面，適于進(jìn)行異質(zhì)結(jié)構(gòu)和超晶格、量子阱材料的生長。3晶體生長是以熱解化學(xué)反應(yīng)的方式進(jìn)行的，是單溫區(qū)外延生長。只要控制好反應(yīng)源氣流和溫度分布的均勻性，就可以保證外延材料的均勻性。因此，適于多片和大片的外延生長，便于工業(yè)化大批量生產(chǎn)。4通常情況下，晶體生長速率與Ⅲ族源的流量成正比，因此，生長速率調(diào)節(jié)范圍較廣。較快的生長速率適用于批量生長。5使用較靈活，非常適合于生長各種異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。原則上只要能夠選擇合適的原材料就可以進(jìn)行包含該元素的材料的MOCVD生長。而可供選擇作為反應(yīng)源的金屬有機(jī)化合物種類較多，性質(zhì)也有一定的差別。6由于對真空度的要求較低，反應(yīng)室的結(jié)構(gòu)較簡單。7生長易于控制，隨著檢測技術(shù)的發(fā)展，可以對MOCVD的生長過程進(jìn)行在位監(jiān)測。MOCVD的應(yīng)用范圍MOCVD主要功能在於沉積高介電常數(shù)薄膜,可隨著precursor的更換,而沉積出不同種類的薄膜.對於LED來說,LED晶片由不同半導(dǎo)體材料的多層次架構(gòu)構(gòu)成,這些材料放在一個裝入金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)的圓形在層狀-島狀中間生長模式中，在最開始一兩個原子層厚度的層狀生長之后，生長模式轉(zhuǎn)化為島狀模式。導(dǎo)致這種模式轉(zhuǎn)變的物理機(jī)制比較復(fù)雜，但根本的原因應(yīng)該可以歸結(jié)為薄膜生長過程中各種能量的相互消長。襯底溫度和沉積速率對形核過程和薄膜組織結(jié)構(gòu)的影響：薄膜沉積速率R與襯底溫度T是影響薄膜沉積過程和薄膜組織的最重要的兩個因素。薄膜沉積速率越高，薄膜臨界核心半徑與臨界形核自由能降低，因而高的沉積速率將會導(dǎo)致高的沉積速率和細(xì)密的薄膜組織。而襯底溫度越高，需要形成的臨界核心的尺寸越大，形核的臨界自由能勢壘也越高，因而高溫沉積的薄膜往往首先形成粗大的島狀組織，而低溫時，臨界形核自由能下降，形成的核心數(shù)目增加，有利于形成晶粒細(xì)小而連續(xù)的薄膜組織。薄膜應(yīng)力的定義及產(chǎn)生原因：薄膜應(yīng)力指的是存在于薄膜任意斷面上，由斷面一側(cè)作用于斷面另一側(cè)的單位面積上的力。一般情況下，即使在沒有任何外力作用的情況下，薄膜中也總存在著應(yīng)力，稱之為內(nèi)應(yīng)力或殘余應(yīng)力。薄膜中應(yīng)力的產(chǎn)生通?？梢罁?jù)薄膜應(yīng)力產(chǎn)生的根源，分為熱應(yīng)力和生長應(yīng)力。熱應(yīng)力是由于薄膜與襯底材料的線膨脹系數(shù)不同和溫度變化引起的薄膜的應(yīng)力；薄膜的生長應(yīng)力又稱為本征應(yīng)力，是由于薄膜結(jié)構(gòu)的非平衡性所導(dǎo)致的薄膜內(nèi)應(yīng)力。薄膜與襯底之間的界面可分為以下四種類型：平界面：在這類界面上，物質(zhì)從一種類型突變?yōu)榱硪环N類型，兩側(cè)原子之間缺少相互擴(kuò)散，薄膜附著力較差。形成化合物的界面：在界面兩側(cè)原子間作用力較強(qiáng)時，界面原子之間將發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并生成化合物，界面有一層適當(dāng)厚度的化合物過渡層，提高界面附著力，但同時由于一般化合物脆性比較大，界面易發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。合金的擴(kuò)散界面：在界面兩側(cè)元素間相互擴(kuò)散、溶解形成合金的情況下，界面成分將呈現(xiàn)梯度變化，使界面具有良好的附著力。機(jī)械咬合界面：在界面粗糙程度較大、界面元素之間不發(fā)生明顯擴(kuò)散的情況下，界面兩側(cè)的物質(zhì)以其凹凸不平的表面相互咬合，此時界面的附著力完全取決于界面的形態(tài)和界面應(yīng)力，界面高粗糙度及一定壓應(yīng)力有助于提高界面附著力。介紹幾種薄膜厚度的測量方法，并簡單說明測量依據(jù)。薄膜厚度的光學(xué)測量方法不透明薄膜厚度測量的等厚干涉和等色干涉法等厚干涉法先在薄膜上制備出一個臺階，再在薄膜的臺階上、下均勻沉積一層高反射膜。在單色光照射下參考玻璃下表面與薄膜上表面的反射光的光程差為：測出條紋間隔△0同理，玻璃下表面與襯底上表面反射光的光程差為：在臺階處，干涉條紋會出現(xiàn)錯位，測出條紋位錯間隔△，則可算出臺階高度，即薄膜厚度。每當(dāng)錯開一級干涉條紋，其厚度差為λ/2，所以根據(jù)樣品上干涉條紋錯開的“條數(shù)”可算出薄膜厚度。等色干涉法實驗裝置基本同上。但使用非單色光源照射薄膜表面，利用光譜儀可以記錄到一系列滿足干涉極大條件的光波波長λ。由光譜儀檢測到在臺階上同一厚度，相鄰兩次干涉極大的條件為在薄膜的臺階上、下形成N級干涉條紋的波長差設(shè)為Δλ，則其滿足：這樣測出Δλ和算出N即可求出臺階高度h\等色干涉法的厚度分辨率高于等厚干涉法，可以達(dá)到小于1nm的水平.薄膜測量的橢偏儀方法（偏光解析法）是利用物質(zhì)界面對于不同偏振態(tài)的光具有不同的反射、折射能力的特性。薄膜厚度的機(jī)械測量方法表面粗糙度儀法用直徑很小的觸針滑過被測薄膜的表面．同時記錄下觸針在垂直方向的移動情況，并畫出薄膜表面輪廓的方法稱為粗糙度儀法；這種方法不僅可以用來測量表面粗糙度，也可以用來測量特意制備的薄膜臺階高度，以得到薄膜厚度的信息。稱重法與石英晶體振蕩器法如果薄膜的面積A、密度ρ和質(zhì)量m可以被精確測定的話，則薄膜厚度可表為這一方法的精度依賴于薄膜的密度ρ以及面積A的測量精度。隨著薄膜制備方法、工藝的不同，薄膜的密度可以有很