四川大學材料學院薄膜物理與器件復習提綱

1、飽和蒸汽壓：在一定溫度下，單位時間內蒸發(fā)出來的分子數(shù)與凝結在器壁和回到蒸發(fā)物質的分子數(shù)相等時的蒸汽壓稱為飽和蒸汽壓。油擴散泵是借助于噴嘴中高速噴出的油蒸汽噴流的動量而輸運氣體的泵。原理：底部的擴散泵油被加熱后產(chǎn)生大量的油蒸汽，通過管道傳輸?shù)缴喜?，?jīng)傘形噴嘴向下噴射出較長的距離，噴射速率達到200m/s。上下的氣壓差使真空室內氣體向下擴散，與油分子碰撞發(fā)生能量交換，驅使被抽氣體分子沿蒸汽流方向高速運動，帶到出氣口，由機械泵抽走。油蒸汽噴到水冷的泵壁被冷凝成液體，流回泵底又被再次加熱成蒸汽，循環(huán)工作，從而獲得高真空。由于油蒸汽將氣體分子集中推向出氣口，使泵內出口壓強大于進口壓強，這樣氣體分子有從出

2、口向進口進行反擴散的趨勢；但因蒸汽流本身形成了阻擋層，減少了氣體的擴散效果。當進出口之間的反壓和油蒸汽流的作用平衡時，泵就失去了進一步抽氣的作用，即達到極限真空。為了減小反擴散，通常采用三級甚至五級噴口的多級泵，從而提高極限真空度和抽氣速率。泵油的基本要求：1、擴散泵的極限真空取決于泵油的蒸汽壓。在室溫下，一般要求擴散泵油的飽和蒸汽壓小于10-4Pa；2、為了提高泵的反壓強，在蒸發(fā)溫度下，泵油的蒸汽壓要盡可能的大。3、泵油應具有較好的化學穩(wěn)定性（無腐蝕、無毒）、熱穩(wěn)定性（高溫下不分解）和抗氧化性（高溫下突然接觸大氣時，不會過分氧化而改變泵油工作性能）。油蒸汽向真空室擴散會嚴重污染膜層，解決辦法

3、：在頂端噴嘴上面裝一個低于室溫的水冷擋板，可以把返油量降低到原來的1/101/1000。在水冷擋板與被抽氣體之間加入冷阱（液氮或氟利昂制冷），可以進一步減少油的返流。除此之外，冷阱還可以使真空室中的水汽在冷阱表面結冰，有效去除水汽。一般，這二者同時使用，效果最好。分子泵 渦輪分子泵原理：類似于精密的電風扇，靠高速旋轉的葉片對氣體分子施加作用力，并使氣體分子向特定方向運動而實現(xiàn)高真空。適用于110-8Pa的真空區(qū)間。復合螺旋泵：在渦輪分子泵的氣體上，為進一步提高排氣量而開發(fā)了復合渦輪泵。在分子泵的高壓側，設置高速旋轉的螺紋，增加出口與入口的反差。這樣，在較高的入口壓力下也能夠工作。適用于大排氣量

4、的應用。特點：啟動迅速，噪聲小，抽速快，無油污染，價格較高。真空的測量：測量在低氣壓下與壓強有關的某些物理量，變換后得到容器的壓強。當壓強改變時，這些相關的物理量也隨著變化。原理 熱偶真空規(guī):氣體的熱導率隨氣體壓力的變化而變化。熱偶規(guī)測量熱絲的溫度變化。0.1100Pa熱阻真空規(guī):又稱皮拉尼真空規(guī)，測量熱絲的電阻隨溫度的變化來實現(xiàn)對真空的測量。電離真空計（重點）：電離真空規(guī)由陰極、陽極和離子收集極三個電極組成。陰極發(fā)出的電子向陽極飛行過程中，與氣體分子碰撞使其電離。離子收集級接受電離的離子，并根據(jù)離子電流大小測量真空度。測量范圍是10-110-6Pa。薄膜真空計：依靠薄膜在氣體壓力差下產(chǎn)生機械

5、位移，可用于氣體絕對壓力測量，測量結果與氣體種類無關。適用于發(fā)生化學反應的真空測量。 膜厚薄膜：在基板的垂直方向上所堆積的110000的原子層或分子層。厚度：兩個完全平整的平行平面之間的距離。薄膜厚度：基片表面與薄膜表面之間的距離。實際上薄膜厚度并非一個確定值。因為兩個表面總有不平整，薄膜表面也可能不連續(xù)。因為實際表面的不平整性，任何膜厚的概念都是平均的統(tǒng)計概念，且都包含了雜質、缺陷和吸附分子對厚度的影響。形狀膜厚dtSS與ST之間的距離，直觀膜厚，單位m.只與表面原子分子有關，包含有薄膜內部結構的影響。質量膜厚dmSS與SM之間的距離，單位g/cm2 .反應了薄膜包含物質的多少，消除了薄膜內

6、部結構的影響（缺陷、變形等）。物性膜厚dPSS與SP之間的距離，實際使用較普遍，與薄膜結構無關，只與薄膜性質有關。dtdmdp濺射的基礎輝光放電濺射離子來源于氣體放電。根據(jù)輝光放電方式的不同，分為：直流二極濺射【直流輝光放電】、三極濺射【熱陰極支持的輝光放電】、射頻濺射【射頻輝光放電】、磁控濺射【環(huán)狀磁場控制下的輝光放電】直流輝光放電在真空度為0.510Pa的稀薄氣體中，兩個電極之間加上電壓產(chǎn)生的一種氣體放電現(xiàn)象。氣體放電時，兩個電極之間的電壓和電流的關系不符合歐姆定律，具體如下圖：AB段當兩電極加上直流電壓時，由于宇宙線產(chǎn)生的游離離子和電子很少，所以電流很小，AB區(qū)域稱為“無光”放電。BC段

7、電壓升高后，帶電離子和電子獲得了足夠的能量，與中性氣體分子發(fā)生碰撞產(chǎn)生電離，電流平穩(wěn)增加，但電壓在電源高輸出阻抗的限制下呈一常數(shù)?！皽烹妳^(qū)”。CD段“雪崩點火”，離子轟擊陰極時，釋放出二次電子，二次電子與中性氣體分子碰撞，產(chǎn)生更多的離子，這些離子再轟擊陰極，產(chǎn)生出新的更多的二次電子。等產(chǎn)生出了足夠的離子和電子后，放電達到自持，氣體開始起輝。兩級間電流劇增，而電壓迅速下降，呈現(xiàn)負阻特性。“過渡區(qū)”。DE段在D點以后，電流平穩(wěn)增加，而電壓維持不變。這時兩極之間出現(xiàn)輝光。“正常輝光放電區(qū)”。在此階段，放電自動調整陰極轟擊面積。最初，轟擊不均勻，主要集中在陰極邊緣附近或表面不規(guī)則處。但隨著電源功率

8、的增加，轟擊區(qū)逐漸增大，直到陰極面上的電流密度均勻為止。EF段“異常輝光放電區(qū)”。整個陰極表面都在離子轟擊的范圍內后，繼續(xù)增加功率，會使放電區(qū)內的電流密度隨著電壓的增加而增加。F點以后“弧光放電區(qū)”。此時的兩極電壓突然降低到很小的數(shù)值，電流越大，電壓越小，電流主要由外電阻決定。直流輝光放電區(qū)劃分（1）阿斯頓暗區(qū)：從陰極表面發(fā)出的電子，剛從陰極跑出，能量較低，不足以使氣體原子激發(fā)或者電離。（2）陰極輝光區(qū)：電子加速到能量足夠引起氣體原子激發(fā)，然后激發(fā)態(tài)的氣體原子衰變和進入此區(qū)域的離子復合產(chǎn)生輝光。（3）陰極暗區(qū)（克魯克斯暗區(qū)）：電子能量進一步加大到引起氣體原子電離，產(chǎn)生大量離子和電子，但不發(fā)生可

9、見光。陰極的壓降主要在此區(qū)域。以上三區(qū)總稱陰極區(qū)。（4）負輝光區(qū)：在陰極暗區(qū)產(chǎn)生的電子多數(shù)能量不大，進入負輝區(qū)后，可以和離子復合或產(chǎn)生激發(fā)碰撞。因此有大量的激發(fā)發(fā)光和復合發(fā)光。此區(qū)域的光最強。（5）法拉第暗區(qū)：大部分電子在上一區(qū)損失了能量，而此區(qū)的電場強度較弱，不足以引起激發(fā)，從而產(chǎn)生暗區(qū)。（6）正離子柱：少數(shù)電子逐漸加速，并在空間與氣體分子碰撞產(chǎn)生電離。因為電子數(shù)量少，產(chǎn)生的正離子不多，形成正離子與電子密度相等的區(qū)域，類似于一個良導體，成為等離子體。輝光放電的產(chǎn)生條件：（1）放電開始前，放電間隙中電場是均勻的或不均勻性不大；（2）放電主要靠陰極發(fā)射電子的過程來維持；（3）放電氣壓一般需要保持

10、在4100Pa范圍內。太高，可能出現(xiàn)弧光放電，太低可能不能產(chǎn)生放電現(xiàn)象。（4）輝光放電電流密度一般為0.1100mA/cm2而電壓為3005000V，屬于高電壓、小電流密度放電。濺射機理熱蒸發(fā)理論：電離氣體的荷能正離子，在電場的加速下轟擊靶表面，將動量傳遞給碰撞處的原子，結果導致靶表面碰撞處很小區(qū)域內，發(fā)生強烈的局部高溫，從而使此區(qū)域的靶材料熔化，發(fā)生熱蒸發(fā)?？梢越忉專簽R射率與靶材料的蒸發(fā)熱和轟擊離子的關系；濺射原子的余弦分布規(guī)律。不能解釋：濺射率與離子入射角的關系；單晶材料濺射的非余弦分布規(guī)律；濺射率與入射離子質量的關系。動量轉移理論：濺射是一個動量轉移過程，又稱物理濺射。低能離子碰撞靶時，

11、不能從固體表面直接濺射出原子，而把動量傳給被碰撞的原子，引起晶格點陣上原子的鏈鎖式碰撞。這種碰撞將沿著晶格點陣的各個方向進行。同時，碰撞在原子最緊密排列的點陣方向上最為有效，所以晶體表面的原子從鄰近原子那里獲得了越來越大的能量，當此能量超過結合能，就從表面逸出。確信動量轉移機制正確的理由：（1）濺射原子的角分布不象蒸發(fā)原子那樣符合余弦規(guī)律，從單晶靶濺射出的原子趨向于集中在晶體原子密排方向。（2）濺射產(chǎn)額不僅取決于轟擊離子的能量，也取決于其質量與靶質量之比。（3）濺射產(chǎn)額不僅取決于轟擊離子的入射角，且入射角不同時，濺射原子的角分布也不同。（4）離子能量很高時，濺射產(chǎn)額會減少，這是由于入射離子產(chǎn)生

12、的碰撞離表面較遠的緣故。（5）濺射原子的能量比熱蒸發(fā)原子可能具有的能量高許多倍。外延技術制備單晶薄膜的新技術:在適當?shù)囊r底與適合的條件下，沿襯底材料的晶軸方向逐層生長新單晶薄膜的方法。新長的單晶層叫做外延層。典型的外延方法有：液相外延、氣相外延、分子束外延。分子束外延：一種特殊的真空鍍膜工藝。在10-8Pa的超高真空條件下，將薄膜各組成元素的分子束流，在嚴格監(jiān)控下，直接噴射到襯底表面。其中未被襯底捕獲的分子被真空系統(tǒng)抽走，保證到達襯底表面的總是新的分子束。所以，到達襯底的各元素分子不受環(huán)境氣氛影響，只由蒸發(fā)系統(tǒng)的形狀、蒸發(fā)源溫度決定。從而可精確控制晶體生長速率、雜質濃度、化合物成分等。分子束外

13、延可看成是一個一個原子直接在襯底上生長，逐漸形成薄膜。熱壁外延法：利用加熱的石英管（熱壁）把蒸發(fā)分子或原子從蒸發(fā)源導向基板，進而生成薄膜。離子鍍的特點1. 膜層的附著性好。Mattox稱為“偽擴散層”。2、膜層的密度高。3. 繞射性能好。4、鍍材范圍廣。能在金屬、非金屬表面鍍金屬或非金屬材料。5、有利于化合物薄膜的形成。6、沉積速率高，成膜速度快，可鍍較厚的膜。溶液-凝膠法：采用適當?shù)慕饘儆袡C化合物等溶液水解的方法，可獲得所需的氧化物薄膜。這種方法實質是將某些III、VI、V族元素合成烴氧基化合物，及利用一些無機鹽類如氯化物、硝酸鹽、乙酸鹽等作為鍍膜物質。將這些成膜物質溶于某些有機溶劑，如乙酸

14、或丙酮中成為溶膠鍍液，采用浸漬和離心甩膠等方法涂敷于基體表面，因為發(fā)生水解作用而形成膠體膜，然后脫水凝結為固體薄膜。膜厚依賴于金屬有機化合物的濃度、溶膠液的溫度和粘度、基板拉出或旋轉角度、環(huán)境溫度等因素。特點：多組分混合均勻、成分容易控制、成膜均勻、能制備較大面積的薄膜，成本低、周期短，易于工業(yè)化生產(chǎn)。LB制備技術概念：利用分子表面活性在水氣界面上形成凝結膜，并將該膜逐次轉移到固體基板上，形成單層或多層類晶薄膜的制膜方法，簡稱LB法，制備的膜層叫做LB膜。原理：這是一種由某些有機大分子定向排列組成的單分子層或多分子層薄膜，其制膜原理與其他成膜技術截然不同。在有機物質中，存在具有表面活性的物質，

15、其分子結構有共同的特征，同時具有“親水性基團”和“疏水性集團”。如果分子的整體親水性強，則分子就會吸附于水氣界面。應用：LB薄膜作為有機單分子膜層具有超薄、均勻、厚度及分子層數(shù)精確可控、對襯底無損傷等特點，而且通過聚合可能改善其熱穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性，并可能改變其某些電學、光學性能。所以它在半導體、微電子學、薄膜光電子學、生物電子學、傳感器技術等領域有廣闊的應用前景。電子漿料分類：種類主要組成用途導體漿料Ag、Pd、Ni、Cu等金屬粉體，粘接劑，有機溶劑MLCC、厚膜電阻器、HIC、PDP、多層陶瓷基板等的各種電極、導線、接點電阻漿料Ag、Pd等金屬粉末或RuO2等氧化物粉體，粘接劑，有機溶劑膜

16、厚電阻器、多層陶瓷基板、HIC絕緣漿料BaTiO3等氧化物粉體，粘接劑，有機溶劑多層陶瓷基板、HIC、PDP、MLCC等的介質膜玻璃漿料玻璃氧化物粉體，粘接劑，有機溶劑膜厚電阻器、多層陶瓷基板的表面層制造工藝：電子漿料的制造過程就是將微粉體和添加劑等成分均勻地分散到有機載體和溶劑中去，使之成為均勻、穩(wěn)定并具有適當?shù)恼扯忍匦?。適合于印刷、涂布等工藝的過程。成核理論1. 熱力學界面能理論基本思想：將一般氣體在固體界面上凝結成微液滴的核形成理論應用到薄膜形成過程中的核形成研究。這種理論采用蒸汽壓、界面能和濕潤角等宏觀物理量，從熱力學角度處理核形成問題。熱力學的基本概念：熱力學認為，所有體系的相變都使物質體系的自由能下降。體系中體積自由能下降，新相和舊相間界面自由能上升。體系的總自由能變化由兩者之和決定。2. 原子聚集理論原子聚集理論著眼于一個一個的原