薄膜制備與表面01

1、薄膜制備與表面分析Thin Film Synthesis and Surface AnalysisQing-Yu ZhangState Key Laboratory for Materials Modification by Laser, Ion and Electron Beams概論 表面及表面科學(xué) v固體的表面、或者說(shuō)界面，固體的表面、或者說(shuō)界面， 在人們的社在人們的社會(huì)實(shí)踐中起著極為重要的作用。會(huì)實(shí)踐中起著極為重要的作用。v表面科學(xué)的研究，對(duì)整個(gè)科學(xué)技術(shù)的發(fā)表面科學(xué)的研究，對(duì)整個(gè)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展具有重要的意義。展具有重要的意義。v表面科學(xué)包括表面物理、表面化學(xué)、表表面科學(xué)包括表面物理、表

2、面化學(xué)、表面電子學(xué)、表面生物學(xué)等。面電子學(xué)、表面生物學(xué)等。 概論 表面及表面科學(xué)v固體表面：物體與真空或氣體的界面。固體表面：物體與真空或氣體的界面。v固體表面可以指從單一的第一個(gè)原子層到固體表面可以指從單一的第一個(gè)原子層到幾個(gè)原子層厚度的表面層，甚至深達(dá)幾個(gè)幾個(gè)原子層厚度的表面層，甚至深達(dá)幾個(gè)微米的表面層。微米的表面層。v在熱力學(xué)平衡的條件下，固體表面的化學(xué)在熱力學(xué)平衡的條件下，固體表面的化學(xué)組成、微觀結(jié)構(gòu)、原子振動(dòng)狀態(tài)等均會(huì)與組成、微觀結(jié)構(gòu)、原子振動(dòng)狀態(tài)等均會(huì)與固體內(nèi)部產(chǎn)生一定的差異。固體內(nèi)部產(chǎn)生一定的差異。概論 表面及表面科學(xué) Since it requires energy to te

3、rminate the bonding, the surface is energetically less stable than the bulk. This energy is known as the surface free energy. In the case of liquid interfaces, this energy is called surface tension. 概論 表面分析技術(shù) v表面分析技術(shù)是人們?yōu)榱双@取表面的物理、表面分析技術(shù)是人們?yōu)榱双@取表面的物理、化學(xué)等方面的信息而采用的一些實(shí)驗(yàn)方法化學(xué)等方面的信息而采用的一些實(shí)驗(yàn)方法和手段。和手段。SampleEx

4、citationsourceEnergy SelectorSignal DetectorEvent概論 表面分析技術(shù)v一般地說(shuō)，它是利用一種探測(cè)束一般地說(shuō)，它是利用一種探測(cè)束如如電子束、電子束、 離子束、光子束、中性粒子束離子束、光子束、中性粒子束等，有時(shí)還加上電場(chǎng)、磁場(chǎng)、熱等的作等，有時(shí)還加上電場(chǎng)、磁場(chǎng)、熱等的作用，來(lái)探測(cè)材料的形貌、化學(xué)組成、原用，來(lái)探測(cè)材料的形貌、化學(xué)組成、原子結(jié)構(gòu)、原子狀態(tài)、電子狀態(tài)等方面的子結(jié)構(gòu)、原子狀態(tài)、電子狀態(tài)等方面的信息。信息。 概論 表面分析技術(shù)探測(cè)粒子探測(cè)粒子 發(fā)射粒子發(fā)射粒子分析方法名稱分析方法名稱簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱 主要用途主要用途 e e低能電子衍射低能電子衍射

5、 LEED結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)e e反射式高能電子衍射反射式高能電子衍射 RHEED結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)e e俄歇電子能譜俄歇電子能譜 AES成分成分e e掃描俄歇探針掃描俄歇探針 SAM微區(qū)成分微區(qū)成分e e電離損失譜電離損失譜 ILS成分成分e 能量彌散能量彌散x射線譜射線譜 EDXS成分成分e e俄歇電子出現(xiàn)電勢(shì)譜俄歇電子出現(xiàn)電勢(shì)譜 AEAPS成分成分e 軟軟x射線出現(xiàn)電勢(shì)譜射線出現(xiàn)電勢(shì)譜SXAPS成分成分e e消隱電勢(shì)譜消隱電勢(shì)譜DAPS成分成分e e電子能量損失譜電子能量損失譜EELS原子及電子態(tài)原子及電子態(tài)e I電子誘導(dǎo)脫附電子誘導(dǎo)脫附ESD吸附原子態(tài)及成分吸附原子態(tài)及成分e e透射電子顯微鏡透射電子顯微

6、鏡TEM形貌形貌e e掃描電子顯微鏡掃描電子顯微鏡SEM形貌形貌ee掃描透射電子顯微鏡掃描透射電子顯微鏡STEM形貌形貌概論 表面分析技術(shù)探測(cè)粒子探測(cè)粒子 發(fā)射粒子發(fā)射粒子分析方法名稱分析方法名稱簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱 主要用途主要用途 I I離子探針質(zhì)量分析離子探針質(zhì)量分析IMMA微區(qū)成分微區(qū)成分I I靜態(tài)次級(jí)離子質(zhì)譜靜態(tài)次級(jí)離子質(zhì)譜SSIMS成分成分I n次級(jí)中性離子質(zhì)譜次級(jí)中性離子質(zhì)譜SNMS成分成分I I離子散射譜離子散射譜ISS成分、結(jié)構(gòu)成分、結(jié)構(gòu)I I盧瑟福背散射譜盧瑟福背散射譜RBS成分、結(jié)構(gòu)成分、結(jié)構(gòu)I e離子中和譜離子中和譜INS最表層電子態(tài)最表層電子態(tài)I 離子激發(fā)離子激發(fā)x射線譜射線譜I

7、EXS原子及電子態(tài)原子及電子態(tài)概論 表面分析技術(shù)探測(cè)粒探測(cè)粒子子 發(fā)射粒子發(fā)射粒子分析方法名稱分析方法名稱簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱 主要用途主要用途 ex射線光電子譜射線光電子譜XPS成分、化合態(tài)成分、化合態(tài) e紫外線光電子譜紫外線光電子譜UPS分子及固體電子態(tài)分子及固體電子態(tài) e同步輻射光電子譜同步輻射光電子譜SRPES成分、原子及電子態(tài)成分、原子及電子態(tài) 紅外吸收譜紅外吸收譜IR原子態(tài)原子態(tài) 拉曼散射譜拉曼散射譜RAMAN原子態(tài)原子態(tài) 擴(kuò)展擴(kuò)展x射線吸收譜精細(xì)結(jié)構(gòu)射線吸收譜精細(xì)結(jié)構(gòu)SEXAFS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 角分辨光電子譜角分辨光電子譜ARPES原子及電子態(tài)結(jié)構(gòu)原子及電子態(tài)結(jié)構(gòu) I光子誘導(dǎo)脫附譜光子誘導(dǎo)脫附譜P

8、SD原子態(tài)原子態(tài)概論 表面分析技術(shù)探測(cè)粒子探測(cè)粒子 發(fā)射粒子發(fā)射粒子分析方法名稱分析方法名稱簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱 主要用途主要用途 Ee場(chǎng)電子顯微鏡場(chǎng)電子顯微鏡FEM結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)EI場(chǎng)離子顯微鏡場(chǎng)離子顯微鏡FIM結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)EI場(chǎng)離子顯微鏡場(chǎng)離子顯微鏡-原子探針原子探針AP-FIM結(jié)構(gòu)及成分結(jié)構(gòu)及成分Ee場(chǎng)電子發(fā)射能量分布場(chǎng)電子發(fā)射能量分布FEED電子態(tài)電子態(tài)Ee掃描隧道顯微鏡掃描隧道顯微鏡STM形貌形貌Tn熱脫附譜熱脫附譜TDS原子態(tài)原子態(tài)n 中性粒子碰撞誘導(dǎo)輻射中性粒子碰撞誘導(dǎo)輻射SCANIIR成分成分n n分子束散射分子束散射MBS結(jié)構(gòu)、原子態(tài)結(jié)構(gòu)、原子態(tài)AWAW聲顯微鏡聲顯微鏡AM形貌形貌概論 表面分析技

9、術(shù)部分表面分析設(shè)備的分析范圍部分表面分析設(shè)備的分析范圍 概論 表面分析技術(shù)XPS AES ILS ISS RBS SIMS 測(cè)氫測(cè)氫 NoNoNoNoNoYes元素靈敏度均勻性元素靈敏度均勻性 GoodGoodBadGoodGoodBad最小可檢測(cè)靈敏度最小可檢測(cè)靈敏度 10-2-10-310-2-10-310-910-2-10-310-2-10-310-4-10-5定量分析定量分析 GoodYesBadBadGoodBad化學(xué)態(tài)判斷化學(xué)態(tài)判斷 GoodYesYesBadBadBad譜峰分辨率譜峰分辨率 GoodGoodGoodBadBadGood識(shí)譜難易識(shí)譜難易 GoodGoodGood-表

10、面探測(cè)深度表面探測(cè)深度 MLsMLsMLsMLML- mML- MLs空間分辨率空間分辨率 BadGoodGoodBadBadGood無(wú)損檢測(cè)無(wú)損檢測(cè) YesYesYesNoYesYes理論數(shù)據(jù)完整性理論數(shù)據(jù)完整性 GoodYesBadYesGoodBad概論 真空技術(shù)原理v為了使被研究的樣品不被周圍氣氛所污為了使被研究的樣品不被周圍氣氛所污染，獲取染，獲取“原子清潔原子清潔”的表面，表面分的表面，表面分析過(guò)程往往是在真空或超高真空中進(jìn)行析過(guò)程往往是在真空或超高真空中進(jìn)行的。目前，人們所廣泛使用的很多表面的。目前，人們所廣泛使用的很多表面分析設(shè)備都具有真空系統(tǒng)。分析設(shè)備都具有真空系統(tǒng)。v薄膜制

11、備設(shè)備往往涉及真空系統(tǒng)。薄膜制備設(shè)備往往涉及真空系統(tǒng)。概論 真空技術(shù)原理v真空單位真空單位qAtmospheres (atm): Scale relative to our atmospheric pressure as 1 atmqPascal (Pa): SI unit equal to N/m2qmBar: Equal to 1x10-8 Pa. qTorr or mmHg: Most commonly used pressure unit, based on mercury vacuum gauges.概論 真空技術(shù)原理v真空的劃分真空的劃分 Atmospheric: 760 Torr

12、 Low Vacuum: 1 to 1x10-3 Torr Medium Vacuum: 1x10-3 to 1x10-5 Torr High Vacuum (HV): 1x10-6 to 1x10-8 Torr Ultra-High Vacuum (UHV): 200 C to remove adsorbed gasesSimple, inexpensive, oil-free概論 真空技術(shù)原理v真空的獲得真空的獲得 Momentum transfer to gas molecules through collision with directed jet of oil molecules

13、Require cooling water, backing pump 10-3 to 10-7 Torr (to 10-9 Torr with LN2 cooling)q AdvantagesRobustHigh pumping speed for relatively low cost. No vibration or noise.q DisadvantagesOil as a pumping medium, high risk of back-streaming oil, cold traps requiredPotential for serious vacuum problems概論

14、 真空技術(shù)原理v真空的獲得真空的獲得 Molecules mechanically pumped by collision with angled high speed turbine blades (rotor). Several rotor arranged in a series spinning at 30,000-60,000 rpm. Rotor tangential velocity is on the order of the average thermal velocity of molecules. Atmosphere to 10-10 Torr Oil/grease/e

15、lectromagnetic bearings Most common HV/UHV pump.概論 真空技術(shù)原理v真空的獲得真空的獲得q Advantages Correctly operated they do not back-stream oil into the vacuum system at any time. They can be started and stopped in a few minutes time. q Disadvantage Turbo pump can be noisy and they induce vibration. Turbo pumps are

16、 expensive.概論 真空技術(shù)原理v真空的獲得真空的獲得 High voltage between anode and cathode (5 kV) Electrons are captured in anode and spiral due the to magnetic field (longer path-length). Gas molecules are ionized by collisions with electrons and are accelerated to cathode. Ions embedded in cathode material (titanium)

17、 and sputter titanium atoms from surface. Sputtered Ti atoms act as getter for reactive gases. 10-4 Torr to 10-11 Torr概論 真空技術(shù)原理v真空的獲得真空的獲得q Advantages Clean, oil-free. No moving parts, no vibrations, quiet. Low power consumption and relatively long operating livesq Disadvantage Do not pump noble gas

18、es well. Requires “regeneration” of Ti every 4-6 years.概論 真空技術(shù)原理v真空的獲得真空的獲得 Heated Ti filament evaporates Ti film onto cooled surface. Ti getters reactive gases by reaction. Operate at 10-8-10-11 Torr Inexpensive, reliable Periodic operation - not primary pumping mechanism概論 真空技術(shù)原理v真空的獲得真空的獲得Materia

19、ls ConsiderationsOutgassing rates Producing “virtual” leaks Mechanical stability Temperature stabilityConductivity Chemical inertness Weldability概論 真空技術(shù)原理v真空的獲得真空的獲得 Oxygen free high-purity copper (OFHC) Be-Cu alloy Tantalum, Molybdenum, Tungsten Teflon (gassy) MACOR (machinable glass composite) Alu

20、mina Quartz, pyrex (gassy) mu-metal magnetic shielding (Co, Ni, Fe) Molybdenum disulfide (lubricant)Compatible Materials 概論 真空技術(shù)原理Materials to be Avoided (high vapor pressures) Zn, Cd: especially be careful of fasteners, bolts Brass Certain solders Any type of grease or oilsv真空的獲得真空的獲得Common Vacuum

21、Problems Improper cleaning or handling techniques Using incompatible materials Leaks Virtual leaks 概論 真空技術(shù)原理v真空的獲得真空的獲得概論 真空技術(shù)原理v真空的獲得真空的獲得概論 真空技術(shù)原理v真空的獲得真空的獲得Pump Down Typically follows a well-defined sequence according to the types of pumps on the vacuum system For UHV systems, typically requires

22、a few hours to reach a medium vacuum after a vent to airBake Out Heat the chamber to temperatures between 100oC and 200oC for 1 - 2 days. Rapidly remove adsorbed gases from the chamber walls at high temperatures in order to lower the outgassing rates at room temperature. Generally it takes another d

23、ay to cool and recover base pressure.概論 真空技術(shù)原理v真空的測(cè)量真空的測(cè)量 Heat filament with a constant current. Measure filament temperature with thermocouple. Gas molecules collide with and cool the filament. Voltage increases to keep filament at constant current. Atm to 10-4 Torr Fast, simple, inexpensive.Thermocouple Gauge概論 真空技術(shù)原理v真空的測(cè)量真空的測(cè)量 Two identical heated filaments; one sealed at HV, one exposed to system. Current flows through Wheatstone bridge circuit. Pressure difference indicated by meter (non-linear). Atm to 10-4 torr. Simple,