納米與薄膜03

1、LOGO 納米與薄膜納米與薄膜材料制備材料制備LOGOContentsContents1 1 薄膜和薄膜技術(shù)的定義薄膜和薄膜技術(shù)的定義2 2 薄膜和薄膜技術(shù)的重要性薄膜和薄膜技術(shù)的重要性3 3 薄膜的制備方法薄膜的制備方法4 4 真空蒸發(fā)法真空蒸發(fā)法5 5 濺射法濺射法6 6 薄膜的生長過程薄膜的生長過程7 7 薄膜的結(jié)構(gòu)及缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)及缺陷8 8 薄膜厚度及電阻率的測量薄膜厚度及電阻率的測量9 9 薄膜的性質(zhì)薄膜的性質(zhì)10 10 芯片制備工藝簡介芯片制備工藝簡介 材料合成與制備材料合成與制備 4. 真空蒸發(fā)法真空蒸發(fā)法真空蒸發(fā)鍍膜法真空蒸發(fā)鍍膜法： 在在真空真空中（一般中（一般1010-3

2、-3PaPa以上的真空度），以上的真空度），加熱加熱放有被放有被蒸發(fā)材料（膜材）的加熱器，使膜材蒸發(fā)，這些蒸發(fā)后變蒸發(fā)材料（膜材）的加熱器，使膜材蒸發(fā)，這些蒸發(fā)后變成氣態(tài)的膜材原子（分子）成氣態(tài)的膜材原子（分子）沉積沉積到襯底表面上，被襯底表到襯底表面上，被襯底表面原子（分子）所面原子（分子）所吸附吸附，就在襯底表面形成了薄膜。，就在襯底表面形成了薄膜。 3一、真空蒸發(fā)鍍膜設(shè)備真空蒸發(fā)鍍膜設(shè)備主要由真空鍍膜室和真空排氣系統(tǒng)兩大真空蒸發(fā)鍍膜設(shè)備主要由真空鍍膜室和真空排氣系統(tǒng)兩大部分組成，如圖所示。部分組成，如圖所示。薄膜的制備在真空薄膜的制備在真空鍍膜室鍍膜室中進(jìn)行。中進(jìn)行。真空排氣系統(tǒng)是用來對(duì)

3、真真空排氣系統(tǒng)是用來對(duì)真空鍍膜室進(jìn)行抽真空的。空鍍膜室進(jìn)行抽真空的。 4二、常用蒸發(fā)源的類型 電阻加熱蒸發(fā)源電阻加熱蒸發(fā)源v 把要蒸發(fā)的材料（膜材）放在把要蒸發(fā)的材料（膜材）放在電阻加熱蒸發(fā)源電阻加熱蒸發(fā)源內(nèi)，利用大電內(nèi)，利用大電流通過加熱器時(shí)產(chǎn)生的焦?fàn)枱醽碇苯蛹訜崮ち鲜蛊湔舭l(fā)。流通過加熱器時(shí)產(chǎn)生的焦?fàn)枱醽碇苯蛹訜崮ち鲜蛊湔舭l(fā)。v 電阻加熱蒸發(fā)源是用電阻加熱蒸發(fā)源是用高熔點(diǎn)金屬高熔點(diǎn)金屬，例如，例如W W（鎢）、（鎢）、MoMo（鉬）（鉬）、TaTa（鉭）等做成。通常用于蒸發(fā)熔點(diǎn)低于（鉭）等做成。通常用于蒸發(fā)熔點(diǎn)低于15001500的金屬，的金屬，如如AlAl、AgAg、AuAu等，以及用于蒸

4、發(fā)硫化物、氟化物、某些氧化等，以及用于蒸發(fā)硫化物、氟化物、某些氧化物。物。 5 電阻加熱蒸發(fā)源電阻加熱蒸發(fā)源特點(diǎn)：特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低廉，使用很普遍。結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低廉，使用很普遍。由于膜料與蒸發(fā)源材料由于膜料與蒸發(fā)源材料直接接觸直接接觸，從而導(dǎo)致了蒸發(fā)源材料，從而導(dǎo)致了蒸發(fā)源材料會(huì)擴(kuò)散進(jìn)入膜料成為膜料中的雜質(zhì)，并隨膜料一起被蒸發(fā)會(huì)擴(kuò)散進(jìn)入膜料成為膜料中的雜質(zhì)，并隨膜料一起被蒸發(fā)，最終混入薄膜中。，最終混入薄膜中。此外，某些膜料同蒸發(fā)源材料會(huì)發(fā)生此外，某些膜料同蒸發(fā)源材料會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)；膜料的蒸；膜料的蒸鍍受到蒸發(fā)源材料鍍受到蒸發(fā)源材料熔點(diǎn)的限制熔點(diǎn)的限制；而且電阻加熱蒸發(fā)源的使；而

5、且電阻加熱蒸發(fā)源的使用用壽命短壽命短。 6 電子束加熱蒸發(fā)源電子束加熱蒸發(fā)源v 電子束加熱蒸發(fā)源主要由電子束加熱蒸發(fā)源主要由熱陰極熱陰極、電子加速極電子加速極和和陽極陽極（膜材）（膜材）三部分組成。三部分組成。陰極控制電極電子流蒸氣流膜材水冷坩堝 7電子束加熱蒸發(fā)源電子束加熱蒸發(fā)源特點(diǎn)特點(diǎn)v 電子束加熱蒸發(fā)源電子束加熱蒸發(fā)源利用高能電子束集中轟擊膜材的一小部利用高能電子束集中轟擊膜材的一小部分分，由于能量的高度集中，使膜材的局部表面獲得很高的，由于能量的高度集中，使膜材的局部表面獲得很高的溫度。溫度。v 通過調(diào)節(jié)電子束的束流（電流）可以通過調(diào)節(jié)電子束的束流（電流）可以準(zhǔn)確而方便地控制蒸準(zhǔn)確而方

6、便地控制蒸發(fā)溫度發(fā)溫度，并且可以在較大范圍內(nèi)對(duì)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。，并且可以在較大范圍內(nèi)對(duì)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。v 因此，它對(duì)因此，它對(duì)高、低熔點(diǎn)的膜材都能適用高、低熔點(diǎn)的膜材都能適用，尤其適合蒸鍍?nèi)?，尤其適合蒸鍍?nèi)埸c(diǎn)高達(dá)點(diǎn)高達(dá)20002000左右的氧化物。左右的氧化物。v 此外，由于不需要直接加熱裝有膜材的坩堝，同時(shí)對(duì)坩堝此外，由于不需要直接加熱裝有膜材的坩堝，同時(shí)對(duì)坩堝通水冷卻，因此避免了坩堝材料對(duì)膜材的污染，進(jìn)而通水冷卻，因此避免了坩堝材料對(duì)膜材的污染，進(jìn)而消除消除了薄膜中因坩堝材料引起的雜質(zhì)了薄膜中因坩堝材料引起的雜質(zhì)。 8 電子束蒸發(fā)鍍膜裝置圖電子束蒸發(fā)鍍膜裝置圖 9三、蒸發(fā)速率影響因素： 蒸發(fā)膜

7、材時(shí)，改變溫度，使其飽和蒸發(fā)膜材時(shí)，改變溫度，使其飽和蒸氣壓蒸氣壓達(dá)到幾帕達(dá)到幾帕(Pa)(Pa)以上以上，稱這時(shí)的溫度為，稱這時(shí)的溫度為蒸發(fā)溫度蒸發(fā)溫度。 蒸汽壓蒸汽壓指的是在液體（或者固體）的表面存在著該物質(zhì)的蒸指的是在液體（或者固體）的表面存在著該物質(zhì)的蒸汽，這些蒸汽對(duì)液體表面產(chǎn)生的壓強(qiáng)就是該液體的蒸汽壓。汽，這些蒸汽對(duì)液體表面產(chǎn)生的壓強(qiáng)就是該液體的蒸汽壓。 一定的溫度下，與同種物質(zhì)的液態(tài)一定的溫度下，與同種物質(zhì)的液態(tài)( (或固態(tài)或固態(tài)) )處于平衡狀態(tài)的處于平衡狀態(tài)的蒸汽所產(chǎn)生的壓強(qiáng)叫蒸汽所產(chǎn)生的壓強(qiáng)叫飽和蒸汽壓飽和蒸汽壓。 蒸發(fā)溫蒸發(fā)溫度的高低直接影響著薄膜的蒸發(fā)速率，也叫沉積速率度

8、的高低直接影響著薄膜的蒸發(fā)速率，也叫沉積速率，從而影響薄膜結(jié)構(gòu)和特性。，從而影響薄膜結(jié)構(gòu)和特性。 10v 通常材料的通常材料的蒸氣壓蒸氣壓p與與溫度溫度T的近似關(guān)系為：的近似關(guān)系為： 式中，式中，A、B分別是與材料性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，可以直接由分別是與材料性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，可以直接由實(shí)驗(yàn)確定，或查閱有關(guān)資料得到。這個(gè)公式的準(zhǔn)確度較差實(shí)驗(yàn)確定，或查閱有關(guān)資料得到。這個(gè)公式的準(zhǔn)確度較差，但是使用時(shí)較方便。，但是使用時(shí)較方便。v 蒸發(fā)物質(zhì)的飽和蒸氣壓和蒸發(fā)溫度有關(guān)，蒸發(fā)物質(zhì)的飽和蒸氣壓和蒸發(fā)溫度有關(guān)，當(dāng)蒸發(fā)溫度變化當(dāng)蒸發(fā)溫度變化 10% 時(shí)，飽和蒸氣壓要變化約一個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)，飽和蒸氣壓要變化約一個(gè)數(shù)量級(jí)。T

9、BAplg 11v 對(duì)于純金屬和單質(zhì)元素而言，考慮從對(duì)于純金屬和單質(zhì)元素而言，考慮從蒸發(fā)源蒸發(fā)出來的物蒸發(fā)源蒸發(fā)出來的物質(zhì)量質(zhì)量和和凝結(jié)到襯底表面上的物質(zhì)量凝結(jié)到襯底表面上的物質(zhì)量達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，應(yīng)用達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，應(yīng)用熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理（麥克斯韋速度分布）的知識(shí)，可以得熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理（麥克斯韋速度分布）的知識(shí)，可以得到到單位時(shí)間從單位面積蒸發(fā)出的質(zhì)量單位時(shí)間從單位面積蒸發(fā)出的質(zhì)量（即（即質(zhì)量蒸發(fā)速率質(zhì)量蒸發(fā)速率）N Nm m 的表達(dá)式為：的表達(dá)式為： 式中式中 T 蒸發(fā)溫度蒸發(fā)溫度, p 為為蒸發(fā)溫度為蒸發(fā)溫度為 T 時(shí)被蒸發(fā)材料的蒸氣時(shí)被蒸發(fā)材料的蒸氣壓，壓，Ma a是被蒸發(fā)材料的原子量或

10、分子量。是被蒸發(fā)材料的原子量或分子量。 12v 由于蒸發(fā)物質(zhì)的飽和蒸氣壓由于蒸發(fā)物質(zhì)的飽和蒸氣壓P 和蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)溫度T有關(guān)，當(dāng)有關(guān)，當(dāng)蒸發(fā)溫蒸發(fā)溫度變化度變化 10% 時(shí)時(shí)，飽和蒸氣壓要變化約，飽和蒸氣壓要變化約一個(gè)數(shù)量級(jí)一個(gè)數(shù)量級(jí)。由此可。由此可見，見，蒸發(fā)溫度較小的變化將引起蒸發(fā)速率的顯著變化蒸發(fā)溫度較小的變化將引起蒸發(fā)速率的顯著變化。 因此，要想控制蒸發(fā)速率（薄膜沉積速率），就必須精確控制蒸發(fā)溫度。TBAplg 13v 濺射法制備薄膜時(shí)，首先把鍍膜室濺射法制備薄膜時(shí)，首先把鍍膜室抽到抽到10-3Pa以上的真空以上的真空，然后通入惰性氣體（如然后通入惰性氣體（如Ar氣），使氣），使Ar

11、氣氣達(dá)到一定壓強(qiáng)達(dá)到一定壓強(qiáng)，在，在靶和襯底之間加上高電壓，使靶和襯底之間加上高電壓，使Ar氣產(chǎn)生氣產(chǎn)生輝光放電輝光放電，高能，高能Ar粒子（粒子（Ar離子和離子和Ar原子）原子）轟擊靶材，通過轟擊靶材，通過級(jí)聯(lián)碰撞級(jí)聯(lián)碰撞使靶材使靶材表面的原子從靶的表面逸出，這些被濺射出的靶材原子，穿表面的原子從靶的表面逸出，這些被濺射出的靶材原子，穿過靶和襯底間的空間，入射到襯底表面的靶材原子凝聚在襯過靶和襯底間的空間，入射到襯底表面的靶材原子凝聚在襯底上形成薄膜，這種薄膜制備方法就是底上形成薄膜，這種薄膜制備方法就是濺射法。 5. 濺射法濺射法 14v濺射鍍膜設(shè)備主濺射鍍膜設(shè)備主要由要由鍍膜室鍍膜室和和

12、真真空排氣系統(tǒng)空排氣系統(tǒng)兩大兩大部分組成。部分組成。一、濺射鍍膜設(shè)備 15v 鍍膜室中的鍍膜室中的靶（膜材）靶（膜材）是需要被濺射的物質(zhì)，作為是需要被濺射的物質(zhì)，作為陰極陰極，可以被加上一個(gè)負(fù)電位，可以被加上一個(gè)負(fù)電位，襯底作為陽極襯底作為陽極接地，這樣在靶和接地，這樣在靶和襯底之間可以加上一個(gè)幾百到幾千伏特的電壓。襯底之間可以加上一個(gè)幾百到幾千伏特的電壓。v 在真空室內(nèi)充入在真空室內(nèi)充入Ar氣，在電極間形成氣，在電極間形成輝光放電輝光放電。 16多功能磁控濺射鍍膜裝置多功能磁控濺射鍍膜裝置 17 輝光放電輝光放電v 先把真空室抽到一定的真空度，然后通入先把真空室抽到一定的真空度，然后通入0.

13、110 Pa 0.110 Pa 的的氣體，通常為惰性氣體，如氣體，通常為惰性氣體，如Ar（氬）氣，當(dāng)外加直流高電（氬）氣，當(dāng)外加直流高電壓超過氣體的起始放電電壓時(shí)，氣體被擊穿，氣體就由絕壓超過氣體的起始放電電壓時(shí)，氣體被擊穿，氣體就由絕緣體變成良好的導(dǎo)體，這時(shí)電流突然上升，兩電極間的電緣體變成良好的導(dǎo)體，這時(shí)電流突然上升，兩電極間的電壓突然下降。此時(shí)，兩電極之間就會(huì)出現(xiàn)明暗相間的發(fā)光壓突然下降。此時(shí)，兩電極之間就會(huì)出現(xiàn)明暗相間的發(fā)光層，稱氣體的這種放電為層，稱氣體的這種放電為輝光放電。v 視頻介紹 二、濺射法的基本原理為什么會(huì)有輝光放電現(xiàn)象的發(fā)生？ 18v由于紫外線和宇宙射線在穿過大氣層到達(dá)地

14、球時(shí)引由于紫外線和宇宙射線在穿過大氣層到達(dá)地球時(shí)引起空氣分子電離，這樣在起空氣分子電離，這樣在我們生活的空間周圍必定我們生活的空間周圍必定存在一些自由電子存在一些自由電子。v盡管對(duì)真空室進(jìn)行抽真空，使其達(dá)到一定的真空度盡管對(duì)真空室進(jìn)行抽真空，使其達(dá)到一定的真空度，但是，但是在真空室中還是存在著少量的自由電子在真空室中還是存在著少量的自由電子。 輝光放電產(chǎn)生原因輝光放電產(chǎn)生原因 19v 如果向真空室中通入一定量的如果向真空室中通入一定量的Ar氣氣，并在真空室中的兩電，并在真空室中的兩電極間加上一極間加上一高電壓高電壓，在高電壓的作用下，這些少量的自由，在高電壓的作用下，這些少量的自由電子被加速電

15、子被加速具有了較高的能量，這些具有較高能量的自由具有了較高的能量，這些具有較高能量的自由電子電子同同Ar原子發(fā)生碰撞原子發(fā)生碰撞，使，使Ar原子原子電離電離，產(chǎn)生新的自由電，產(chǎn)生新的自由電子和子和Ar離子（離子（Ar離子是正離子，離子是正離子，Ar+），新的自由電子又），新的自由電子又被電場加速產(chǎn)生更多的自由電子和被電場加速產(chǎn)生更多的自由電子和Ar離子。離子。 v 另一方面，另一方面，Ar離子也被電場加速，碰撞陰極電極離子也被電場加速，碰撞陰極電極，使陰極，使陰極電極放出二次電子，這些二次電子也同樣要被電場加速，電極放出二次電子，這些二次電子也同樣要被電場加速，被電場加速的二次電子電離更多的被

16、電場加速的二次電子電離更多的Ar原子產(chǎn)生更多的自由原子產(chǎn)生更多的自由電子，上述這些過程循環(huán)往復(fù)地進(jìn)行下去，就產(chǎn)生了穩(wěn)定電子，上述這些過程循環(huán)往復(fù)地進(jìn)行下去，就產(chǎn)生了穩(wěn)定的的輝光放電。輝光放電產(chǎn)生原因輝光放電產(chǎn)生原因 20v在輝光放電的過程中，自由電子和在輝光放電的過程中，自由電子和Ar離子還可以離子還可以結(jié)合形成結(jié)合形成Ar原子。此外，由于具有較高能量的自原子。此外，由于具有較高能量的自由電子在運(yùn)動(dòng)中與由電子在運(yùn)動(dòng)中與Ar原子原子/ /離子碰撞并激發(fā)他們，離子碰撞并激發(fā)他們，使使Ar原子原子/ /離子進(jìn)入激發(fā)態(tài)，離子進(jìn)入激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的處于激發(fā)態(tài)的Ar原子原子/ /離子返回到基態(tài)時(shí)離子返回

17、到基態(tài)時(shí)以發(fā)射光的形式將能量釋放出以發(fā)射光的形式將能量釋放出來。不同氣體對(duì)應(yīng)不同的發(fā)光顏色。來。不同氣體對(duì)應(yīng)不同的發(fā)光顏色。 v輝光放電中的氣體狀態(tài)被稱為輝光放電中的氣體狀態(tài)被稱為等離子體等離子體。 21真空室電極高真空泵等離子體RF 發(fā)生器匹配部件輝光放電和等離子體 22 濺射現(xiàn)象和濺射法濺射現(xiàn)象和濺射法v 在電場的作用下，在電場的作用下，Ar離子被向著陰極（靶）加速。這些高能離子被向著陰極（靶）加速。這些高能ArAr離子在向著陰極運(yùn)動(dòng)中，一部分離子在向著陰極運(yùn)動(dòng)中，一部分Ar離子可以直接碰撞陰極，而離子可以直接碰撞陰極，而另一部分另一部分Ar離子可以同陰極附近區(qū)域內(nèi)的離子可以同陰極附近區(qū)域

18、內(nèi)的Ar原子發(fā)生碰撞，原子發(fā)生碰撞，在這一碰撞中在這一碰撞中Ar離子和離子和Ar原子之間發(fā)生電荷交換相互作用。原子之間發(fā)生電荷交換相互作用。 因此碰撞陰極（靶）的高能粒子包括高速Ar離子和高速Ar原子。v 這種這種電荷交換相互作用可以表述為：高速運(yùn)動(dòng)的可以表述為：高速運(yùn)動(dòng)的Ar離子和一離子和一個(gè)靜止的個(gè)靜止的Ar原子發(fā)生碰撞，從而產(chǎn)生一個(gè)靜止的原子發(fā)生碰撞，從而產(chǎn)生一個(gè)靜止的Ar離子和一離子和一個(gè)高速運(yùn)動(dòng)的個(gè)高速運(yùn)動(dòng)的Ar原子原子。高速運(yùn)動(dòng)的。高速運(yùn)動(dòng)的ArAr原子的運(yùn)動(dòng)方向同原來原子的運(yùn)動(dòng)方向同原來高速運(yùn)動(dòng)的高速運(yùn)動(dòng)的Ar離子的運(yùn)動(dòng)方向相同，而那個(gè)碰撞后靜止的離子的運(yùn)動(dòng)方向相同，而那個(gè)碰撞后

19、靜止的Ar離子在碰撞位置從靜止開始再次被電場所加速。離子在碰撞位置從靜止開始再次被電場所加速。 23v 利用氣體放電產(chǎn)生的正離子，在電場的作用下加速成為利用氣體放電產(chǎn)生的正離子，在電場的作用下加速成為高能高能粒子粒子，高能粒子碰撞固體表面，在與固體表面的原子或分子，高能粒子碰撞固體表面，在與固體表面的原子或分子進(jìn)行能量和動(dòng)量交換后，固體表面原子或分子獲得入射粒子進(jìn)行能量和動(dòng)量交換后，固體表面原子或分子獲得入射粒子所攜帶的部分能量，從固體表面飛出原子或分子的現(xiàn)象稱為所攜帶的部分能量，從固體表面飛出原子或分子的現(xiàn)象稱為濺射濺射。v 濺射鍍膜法濺射鍍膜法: : 被濺射出來的物質(zhì)沉積到襯底表面上形成薄

20、膜被濺射出來的物質(zhì)沉積到襯底表面上形成薄膜的方法。簡稱的方法。簡稱濺射法濺射法。v 陰極濺射：在實(shí)際進(jìn)行濺射時(shí)，多半是讓被加速的正離子轟陰極濺射：在實(shí)際進(jìn)行濺射時(shí)，多半是讓被加速的正離子轟擊作為陰極的靶，并從陰極靶濺射出原子，所以也稱此過程擊作為陰極的靶，并從陰極靶濺射出原子，所以也稱此過程為為陰極濺射陰極濺射。 24v 目前最廣泛采用的濺射理論模型是目前最廣泛采用的濺射理論模型是級(jí)聯(lián)碰撞模型級(jí)聯(lián)碰撞模型（也（也稱為稱為鏈?zhǔn)脚鲎材Ｐ玩準(zhǔn)脚鲎材Ｐ停喝肷涞母吣芰Ｗ优c固體（靶）表面）：入射的高能粒子與固體（靶）表面原子發(fā)生碰撞時(shí)把能量傳給靶，通過動(dòng)量轉(zhuǎn)移把靶中處于原子發(fā)生碰撞時(shí)把能量傳給靶，通過動(dòng)

21、量轉(zhuǎn)移把靶中處于平衡位置的晶格原子撞出，使其離開其平衡位置。平衡位置的晶格原子撞出，使其離開其平衡位置。 濺射現(xiàn)象物理機(jī)制濺射現(xiàn)象物理機(jī)制級(jí)聯(lián)碰撞模型級(jí)聯(lián)碰撞模型 25v 這一離開平衡位置的原子繼續(xù)碰撞靶中其它原子，這種碰撞這一離開平衡位置的原子繼續(xù)碰撞靶中其它原子，這種碰撞繼續(xù)下去形成繼續(xù)下去形成級(jí)聯(lián)碰撞（鏈?zhǔn)脚鲎玻┘?jí)聯(lián)碰撞（鏈?zhǔn)脚鲎玻?。?dāng)級(jí)聯(lián)碰撞延伸到靶。當(dāng)級(jí)聯(lián)碰撞延伸到靶表面，使靶表面原子或分子的能量足以克服它們之間的結(jié)合表面，使靶表面原子或分子的能量足以克服它們之間的結(jié)合能時(shí)，靶表面原子或分子脫離其表面逸出逸出靶材，成為被能時(shí)，靶表面原子或分子脫離其表面逸出逸出靶材，成為被濺射原子或分

22、子。濺射原子或分子。 26p 濺射率濺射率又稱為又稱為濺射產(chǎn)額濺射產(chǎn)額或或?yàn)R射濺射系數(shù)系數(shù)，是指高能粒子轟擊固體，是指高能粒子轟擊固體表面時(shí)，每個(gè)入射粒子從固體表面時(shí)，每個(gè)入射粒子從固體表面濺射出來的平均原子（分表面濺射出來的平均原子（分子）數(shù)。子）數(shù)。p 與入射能量，入射離子種類，與入射能量，入射離子種類，濺射物質(zhì)種類等因素有關(guān)。濺射物質(zhì)種類等因素有關(guān)。 濺射率濺射率三、濺射主要參數(shù) 27 只有入射離子能量超過一定閾值以后，才能從被濺射物質(zhì)表面濺射出離子。 隨入射離子能量的增加，濺射率先增加，然后處于平緩（10Kev)，離子能量繼續(xù)增加，濺射率反而下降。入射離子能量的影響入射離子能量的影響

23、28通常采用惰性氣體離子來濺射，重離子的濺射率比輕離子高，但考慮價(jià)格因素，通常使用氬氣作為濺射氣體。用相同能量的離子濺射不同的物質(zhì)，濺射率也是不同的，Cu, Ag, Au濺射率高，而Ti, W, Mo等濺射率低。入射離子的種類和被濺射入射離子的種類和被濺射物質(zhì)的種類物質(zhì)的種類 29 （1 1）當(dāng)加速電壓低于某一值時(shí)，濺射率為零，而高于這一值）當(dāng)加速電壓低于某一值時(shí)，濺射率為零，而高于這一值后，濺射率才開始顯現(xiàn)出數(shù)值。后，濺射率才開始顯現(xiàn)出數(shù)值。將靶材原子濺射出來所需的將靶材原子濺射出來所需的入射離子最小能量值為入射離子最小能量值為濺射閾值濺射閾值，與入射離子的種類關(guān)系不，與入射離子的種類關(guān)系不

24、大、主要取決于靶材料。大、主要取決于靶材料。這一發(fā)生濺射現(xiàn)象的最小加速電壓被稱為閾值電壓。通常，閾值電壓為十幾到幾十伏特。 （2 2）當(dāng)加速電壓超過閾值）當(dāng)加速電壓超過閾值電壓以后，隨著加速電壓的電壓以后，隨著加速電壓的增加濺射率單調(diào)增加。增加濺射率單調(diào)增加。 （3 3）當(dāng)加速電壓繼續(xù)增加）當(dāng)加速電壓繼續(xù)增加超過某一值后，由于出現(xiàn)離超過某一值后，由于出現(xiàn)離子注入效應(yīng)，濺射率隨著電子注入效應(yīng)，濺射率隨著電壓的增大開始單調(diào)減小。壓的增大開始單調(diào)減小。 閾值電壓閾值電壓 30濺射方法根據(jù)特征可分為：濺射方法根據(jù)特征可分為： 陰極陰極濺射濺射、射頻濺射射頻濺射、反應(yīng)濺射、磁控濺射反應(yīng)濺射、磁控濺射和反

25、應(yīng)磁控濺射反應(yīng)磁控濺射。四、濺射沉積方法 31 陰極濺射裝置及特性陰極濺射裝置及特性（只適用于靶材為良導(dǎo)體的濺射）（只適用于靶材為良導(dǎo)體的濺射）v 加上直流電壓后，輝光放電開始，正離子打擊靶面，靶材表面的中性原子濺射出，這些原子沉積在襯底上形成薄膜。v 在離子轟擊靶材的同時(shí)，有大量二次電子從陰極靶發(fā)射出來，被電場加速向襯底運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中，與氣體原子碰撞又產(chǎn)生更多的離子，更多的離子轟擊靶材又釋放出更多的電子，從而使輝光放電達(dá)到自持。氣體離子氣體離子靶材離子靶材離子二次電子二次電子工作原理：工作原理： 32v 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，可長時(shí)間進(jìn)行濺射。v 缺點(diǎn)： 陰極濺射輝光放電的氣體的離化

26、率低，沉積速率低； 靶材必須為金屬，一般不能直接制備絕緣介質(zhì)材料； 二次電子轟擊，溫度較高，使不能承受高溫的襯底的應(yīng)用受到限制，且對(duì)襯底造成損傷； 工作氣壓高，對(duì)薄膜造成污染，影響沉積速率，降低工作氣壓易使輝光放電熄滅。 33v 工作原理：v 在射頻濺射系統(tǒng)中，射頻電勢(shì)加在位于絕緣靶下面的金屬電極上，在射頻電場作用下，在兩電極間振蕩運(yùn)動(dòng)的電子具有足夠高的能量產(chǎn)生離化碰撞，從而使放電達(dá)到自持。射頻濺射裝置及特性射頻濺射裝置及特性 34v 高頻交流電場使靶交替地由離子和電子進(jìn)行轟擊，電子在高頻電場中的振蕩增加了電離幾率，因而射頻濺射的濺射速率要高于陰極濺射。靶材可以是絕緣體、金屬、半導(dǎo)體等。圖：圖

27、： 絕緣體的射頻濺射原理絕緣體的射頻濺射原理 35 傳統(tǒng)濺射方法缺點(diǎn)：傳統(tǒng)濺射方法缺點(diǎn)：沉積速率低；沉積速率低；工作氣壓高；工作氣壓高；氣體分子對(duì)薄膜污染高氣體分子對(duì)薄膜污染高磁控濺射裝置及特性磁控濺射裝置及特性為了在低氣壓下進(jìn)行高速濺射，必須有效地提高氣體的離化率。磁控濺射引入正交電磁場，使離化率提高到5%-6%，濺射速率提高十倍左右。 36 通過通過在陰極內(nèi)加裝一個(gè)磁體，在靶材表面形成一個(gè)與電場在陰極內(nèi)加裝一個(gè)磁體，在靶材表面形成一個(gè)與電場正交的磁場，電子在磁場力的作用下改變其運(yùn)動(dòng)方向。正交的磁場，電子在磁場力的作用下改變其運(yùn)動(dòng)方向。 磁控濺射原理：磁控濺射原理： 37垂直方向分布的垂直方

28、向分布的磁力線將電子約束在靶材表面附近，使得從，使得從靶材表面上釋放出來的電子以及工作氣體電離化出來的電子，靶材表面上釋放出來的電子以及工作氣體電離化出來的電子，并不直接飛向陽極而是會(huì)并不直接飛向陽極而是會(huì)沿著螺旋方向運(yùn)動(dòng)，從而延長了其，從而延長了其在等離子體中的運(yùn)動(dòng)軌跡，提高了電子與氣體分子的碰撞幾在等離子體中的運(yùn)動(dòng)軌跡，提高了電子與氣體分子的碰撞幾率，大大提高電子對(duì)氣體的電離幾率。率，大大提高電子對(duì)氣體的電離幾率。 38v 磁場的作用使電子不再做平行直線運(yùn)動(dòng)，而是圍繞磁力線做螺旋運(yùn)動(dòng)，這就意味著電子的運(yùn)動(dòng)路徑由于磁場的作用而大幅度地增加，從而有效地提高了氣體的離化效率和薄膜的沉積速率。v

29、磁控濺射比直流和射頻濺射的沉積速率高很多。原因：（1）磁場中電子的電離效率提高，離化率提高到5%-6%，濺射速率可提高十倍左右。（2）在較低工作氣壓下（0.1Pa)濺射原子被散射的幾率減小，提高了入射到襯底上的原子的能量，從而提高薄膜的質(zhì)量。v 靶材濺射不均勻、靶材利用率低。靶材濺射不均勻、靶材利用率低。如下圖。如下圖。 磁控濺射特征磁控濺射特征： 39 40 利用化合物直接作為靶材濺射生長薄膜時(shí)，薄膜與靶材的利用化合物直接作為靶材濺射生長薄膜時(shí)，薄膜與靶材的成分可能偏離，如制備氧化物薄膜時(shí)，會(huì)造成氧含量偏低，這成分可能偏離，如制備氧化物薄膜時(shí)，會(huì)造成氧含量偏低，這時(shí)可在濺射氣體中通入適量的氧

30、氣。時(shí)可在濺射氣體中通入適量的氧氣。 在存在反應(yīng)氣體的情況下，濺射靶材時(shí)，靶材料與反應(yīng)氣在存在反應(yīng)氣體的情況下，濺射靶材時(shí)，靶材料與反應(yīng)氣體反應(yīng)形成化合物（如氮化物、碳化物、氧化物），體反應(yīng)形成化合物（如氮化物、碳化物、氧化物），這種在沉這種在沉積的同時(shí)形成化合物的濺射稱為積的同時(shí)形成化合物的濺射稱為反應(yīng)濺射反應(yīng)濺射。 反應(yīng)濺射裝置及特性反應(yīng)濺射裝置及特性采用純金屬作為靶材，通入不同的反應(yīng)氣體，沉積不同的薄采用純金屬作為靶材，通入不同的反應(yīng)氣體，沉積不同的薄膜。反應(yīng)濺射是低溫等離子體氣相沉積過程，重復(fù)性好，已膜。反應(yīng)濺射是低溫等離子體氣相沉積過程，重復(fù)性好，已用于制備大量的化合物薄膜。用于制備

31、大量的化合物薄膜。 41反應(yīng)濺射應(yīng)用：反應(yīng)濺射應(yīng)用： 42濺射過程中，反應(yīng)基本發(fā)生在襯底表面，氣相反應(yīng)幾乎可以忽略。靶表面同時(shí)進(jìn)行著濺射和反應(yīng)生成化合物的兩種過程。如果濺射速率大于化合物生成速率，則靶就處于金屬濺射態(tài)；反之，若化合物形成速率超過濺射速率，則濺射就可能停止。沉積膜的成分不同于靶材。調(diào)整氬氣和反應(yīng)氣體分壓，可控制化合物薄膜的組成、沉積速率和薄膜性能。反應(yīng)濺射特征：反應(yīng)濺射特征： 43 靶中毒現(xiàn)象：在典型的反應(yīng)濺射系統(tǒng)中，反應(yīng)氣體與靶發(fā)生反應(yīng)，在靶表面形成化合物，稱為靶中毒。 降低靶中毒措施：將反應(yīng)氣體和濺射氣體分別送到襯底和靶材附近，保證反應(yīng)氣體輸入位置遠(yuǎn)離靶材靠近襯底。提高靶材濺

32、射速率，降低活性氣體的吸附。 44很好結(jié)合反應(yīng)濺射和磁控濺射特征很好結(jié)合反應(yīng)濺射和磁控濺射特征ZnO薄膜薄膜氧氣氧氣Zn靶靶如氧化鋅薄膜制備方法：如氧化鋅薄膜制備方法：反應(yīng)磁控濺射 反應(yīng)磁控濺射反應(yīng)磁控濺射 45濺射鍍膜優(yōu)缺點(diǎn)：濺射鍍膜優(yōu)缺點(diǎn)： 46與真空蒸發(fā)法比較：與真空蒸發(fā)法比較：v 同真空蒸發(fā)法制備的薄膜相比，濺射法制備的薄膜的最大優(yōu)同真空蒸發(fā)法制備的薄膜相比，濺射法制備的薄膜的最大優(yōu)點(diǎn)是，膜材原子到達(dá)襯底表面時(shí)的能量很高。用真空蒸發(fā)法點(diǎn)是，膜材原子到達(dá)襯底表面時(shí)的能量很高。用真空蒸發(fā)法鍍膜時(shí)膜材原子到達(dá)襯底表面時(shí)的能量約為鍍膜時(shí)膜材原子到達(dá)襯底表面時(shí)的能量約為 0.1 eV 0.1 e

33、V（電子（電子伏特），而用濺射法鍍膜時(shí)膜材原子到達(dá)襯底表面時(shí)的能量伏特），而用濺射法鍍膜時(shí)膜材原子到達(dá)襯底表面時(shí)的能量在在 110 eV 110 eV。v 由于濺射法鍍膜時(shí)膜材原子到達(dá)襯底表面的能量較高，因此由于濺射法鍍膜時(shí)膜材原子到達(dá)襯底表面的能量較高，因此同真空蒸發(fā)法制備的薄膜相比，濺射法制備的薄膜同襯底之同真空蒸發(fā)法制備的薄膜相比，濺射法制備的薄膜同襯底之間具有較高的附著力，薄膜不容易從襯底上剝落。此外，膜間具有較高的附著力，薄膜不容易從襯底上剝落。此外，膜材原子具有的較高的能量對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)和特性具有很大影響。材原子具有的較高的能量對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)和特性具有很大影響。 476. 薄膜的生長過程薄

34、膜的生長過程v 被蒸發(fā)或被濺射原子在襯底上的凝聚或吸附導(dǎo)致了被蒸發(fā)或被濺射原子在襯底上的凝聚或吸附導(dǎo)致了薄膜的形成。v 在薄膜的生長過程中，原子并不只是單純地降落堆積在襯在薄膜的生長過程中，原子并不只是單純地降落堆積在襯底上的。如果原子單純地降落堆積在襯底上，將導(dǎo)致組成底上的。如果原子單純地降落堆積在襯底上，將導(dǎo)致組成薄膜的原子在襯底上是薄膜的原子在襯底上是隨機(jī)排列，從而形成，從而形成非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的的薄膜。薄膜。v 實(shí)驗(yàn)證明，盡管在實(shí)際中可以形成非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的薄膜，但實(shí)驗(yàn)證明，盡管在實(shí)際中可以形成非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的薄膜，但是是大多數(shù)情況下是形成多晶結(jié)構(gòu)的薄膜，在適當(dāng)?shù)闹苽錀l，在適當(dāng)?shù)闹苽錀l件下還可以形成

35、件下還可以形成單晶薄膜。 48 生長在生長在SiO2襯底上的多晶結(jié)構(gòu)的襯底上的多晶結(jié)構(gòu)的Au薄膜的薄膜的SEM照片照片v 具有相同的原子排列區(qū)域被稱為具有相同的原子排列區(qū)域被稱為晶粒。當(dāng)薄膜是由多個(gè)晶粒。當(dāng)薄膜是由多個(gè)晶粒組成時(shí)，薄膜被稱為多晶結(jié)構(gòu)的薄膜，簡稱為組成時(shí)，薄膜被稱為多晶結(jié)構(gòu)的薄膜，簡稱為多晶薄膜；v 當(dāng)薄膜只是由一個(gè)晶粒組成，即整個(gè)薄膜只具有一種原子的當(dāng)薄膜只是由一個(gè)晶粒組成，即整個(gè)薄膜只具有一種原子的規(guī)則排列方式時(shí)，薄膜被稱為規(guī)則排列方式時(shí)，薄膜被稱為單晶薄膜。 49v 在襯底表面上被蒸發(fā)或被濺射原子的移動(dòng)在襯底表面上被蒸發(fā)或被濺射原子的移動(dòng)即即表面遷移，受，受到它們同襯底原子

36、之間的相互作用、它們自己之間的相互到它們同襯底原子之間的相互作用、它們自己之間的相互作用、襯底溫度等因素的影響。從而導(dǎo)致薄膜生長過程和作用、襯底溫度等因素的影響。從而導(dǎo)致薄膜生長過程和形成的薄膜結(jié)構(gòu)將具有各種類型。形成的薄膜結(jié)構(gòu)將具有各種類型。v 從形貌學(xué)的角度看，薄膜的生長過程可以分成以下的三種從形貌學(xué)的角度看，薄膜的生長過程可以分成以下的三種類型。類型。 50（1）核生長型v 被蒸發(fā)或被濺射的原子到達(dá)襯底被蒸發(fā)或被濺射的原子到達(dá)襯底表面后，原子在襯底上凝聚形成表面后，原子在襯底上凝聚形成核，后續(xù)到達(dá)襯底的原子不斷聚核，后續(xù)到達(dá)襯底的原子不斷聚集在核的附近，使核在三維方向集在核的附近，使核在

37、三維方向上不斷長大形成島，最后隨著島上不斷長大形成島，最后隨著島的繼續(xù)長大，形成連續(xù)的薄膜。的繼續(xù)長大，形成連續(xù)的薄膜。v 大部分薄膜的生長過程都屬于這大部分薄膜的生長過程都屬于這種種核生長型。v 透射電子顯微鏡的觀察和理論分透射電子顯微鏡的觀察和理論分析結(jié)果表明，析結(jié)果表明，核生長型薄膜生長核生長型薄膜生長過程可以分成以下過程可以分成以下四個(gè)階段： 51 形核階段形核階段v 被蒸發(fā)或被濺射的原子到達(dá)襯底表面，這些到達(dá)原子同被蒸發(fā)或被濺射的原子到達(dá)襯底表面，這些到達(dá)原子同襯底原子發(fā)生碰撞，其中一部分到達(dá)原子與襯底原子交換的襯底原子發(fā)生碰撞，其中一部分到達(dá)原子與襯底原子交換的能量很少，仍具有較高

38、的能量，它們能夠返回氣相。而另一能量很少，仍具有較高的能量，它們能夠返回氣相。而另一部分與襯底原子交換能量較多的到達(dá)原子則被吸附在襯底表部分與襯底原子交換能量較多的到達(dá)原子則被吸附在襯底表面上，這種吸附主要是物理吸附。面上，這種吸附主要是物理吸附。v 被吸附的原子將在襯底上停留一段時(shí)間。由于被吸附的被吸附的原子將在襯底上停留一段時(shí)間。由于被吸附的原子本身還具有一些能量，同時(shí)還可以從襯底得到熱能，因原子本身還具有一些能量，同時(shí)還可以從襯底得到熱能，因此被吸附的原子可以在襯底表面進(jìn)行遷移或擴(kuò)散。此被吸附的原子可以在襯底表面進(jìn)行遷移或擴(kuò)散。 52v 在這一遷移或擴(kuò)散的過程中，被吸附的原子有可能還會(huì)返

39、回在這一遷移或擴(kuò)散的過程中，被吸附的原子有可能還會(huì)返回到氣相（再蒸發(fā)），也有可能與襯底發(fā)生化學(xué)作用從而形成到氣相（再蒸發(fā)），也有可能與襯底發(fā)生化學(xué)作用從而形成化學(xué)吸附，還有可能遇到其它的被吸附的原子或從氣相到達(dá)化學(xué)吸附，還有可能遇到其它的被吸附的原子或從氣相到達(dá)的原子從而形成原子對(duì)或原子團(tuán)（由兩個(gè)以上原子組成）。的原子從而形成原子對(duì)或原子團(tuán)（由兩個(gè)以上原子組成）。v 當(dāng)發(fā)生上述的化學(xué)吸附以及形成原子對(duì)或原子團(tuán)時(shí)，原子的當(dāng)發(fā)生上述的化學(xué)吸附以及形成原子對(duì)或原子團(tuán)時(shí)，原子的再蒸發(fā)和遷移的可能性就變的極小，從而形成了穩(wěn)定的凝聚再蒸發(fā)和遷移的可能性就變的極小，從而形成了穩(wěn)定的凝聚核（晶核）。核（晶核）

40、。 53 小島階段小島階段v 當(dāng)襯底上形成的凝聚核（晶核）達(dá)到一定的密度后，當(dāng)襯底上形成的凝聚核（晶核）達(dá)到一定的密度后，繼續(xù)沉積就不再形成新的晶核。新到達(dá)襯底的原子吸附在繼續(xù)沉積就不再形成新的晶核。新到達(dá)襯底的原子吸附在襯底表面上，通過表面遷移將積聚在已有的晶核上，使晶襯底表面上，通過表面遷移將積聚在已有的晶核上，使晶核生長并形成小島，這些小島通常具有三維結(jié)構(gòu)，并多數(shù)核生長并形成小島，這些小島通常具有三維結(jié)構(gòu)，并多數(shù)已經(jīng)具有該種物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)，即已經(jīng)形成了微晶粒。已經(jīng)具有該種物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)，即已經(jīng)形成了微晶粒。 54 網(wǎng)絡(luò)階段網(wǎng)絡(luò)階段v 隨著小島的生長，相鄰小島互相接觸并彼此結(jié)合，結(jié)隨著小島

41、的生長，相鄰小島互相接觸并彼此結(jié)合，結(jié)合的過程類似兩個(gè)小液滴結(jié)合形成一個(gè)大液滴的過程。合的過程類似兩個(gè)小液滴結(jié)合形成一個(gè)大液滴的過程。v 這是由于小島在結(jié)合過程中要釋放一定的能量，這些這是由于小島在結(jié)合過程中要釋放一定的能量，這些能量足以使相結(jié)合的具有微晶粒結(jié)構(gòu)的小島瞬時(shí)熔化，在能量足以使相結(jié)合的具有微晶粒結(jié)構(gòu)的小島瞬時(shí)熔化，在小島結(jié)合形成新的較大的島以后，由于溫度下降，新生成小島結(jié)合形成新的較大的島以后，由于溫度下降，新生成的較大的島將重新結(jié)晶。的較大的島將重新結(jié)晶。v 隨著沉積的繼續(xù)，小島不斷結(jié)合長大，將形成具有溝隨著沉積的繼續(xù)，小島不斷結(jié)合長大，將形成具有溝道的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)的薄膜。道的網(wǎng)絡(luò)

42、狀結(jié)構(gòu)的薄膜。 55 連續(xù)薄膜連續(xù)薄膜v 在形成具有溝道的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)的薄膜后，繼續(xù)沉積，在形成具有溝道的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)的薄膜后，繼續(xù)沉積，到達(dá)原子將填充網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)薄膜中的空溝道。這時(shí)在這些到達(dá)原子將填充網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)薄膜中的空溝道。這時(shí)在這些空溝道中可以生成新的小島，小島生長、結(jié)合來填充空溝空溝道中可以生成新的小島，小島生長、結(jié)合來填充空溝道，最后形成連續(xù)薄膜。道，最后形成連續(xù)薄膜。 56v 不同的物質(zhì)所經(jīng)歷上述這四個(gè)階段的狀況是不同的，重要的不同的物質(zhì)所經(jīng)歷上述這四個(gè)階段的狀況是不同的，重要的不同點(diǎn)是不同點(diǎn)是形成連續(xù)薄膜時(shí)不同的物質(zhì)具有不同的薄膜厚度。v 例如，鋁薄膜和銀薄膜都是核生長型的薄膜，鋁薄

43、膜在很薄例如，鋁薄膜和銀薄膜都是核生長型的薄膜，鋁薄膜在很薄時(shí)就形成了連續(xù)的薄膜，而銀薄膜則要在較厚時(shí)才形成了連時(shí)就形成了連續(xù)的薄膜，而銀薄膜則要在較厚時(shí)才形成了連續(xù)的薄膜。續(xù)的薄膜。v 在一般的制備條件下，大部分薄膜，特別是在一般的制備條件下，大部分薄膜，特別是金屬薄膜具有核生長型的生長模式。 57（2）層生長型v 被蒸發(fā)或被濺射的原子到被蒸發(fā)或被濺射的原子到達(dá)襯底表面后，原子首先達(dá)襯底表面后，原子首先在襯底表面以單原子層的在襯底表面以單原子層的形式均勻地覆蓋一層，然形式均勻地覆蓋一層，然后再在第一層原子層上均后再在第一層原子層上均勻地生長上第二層原子，勻地生長上第二層原子，隨后在第二層原子

44、上繼續(xù)隨后在第二層原子上繼續(xù)生長第三層、第四層生長第三層、第四層，一層一層地生長下去，一層一層地生長下去，最終形成薄膜。最終形成薄膜。 58v 被蒸發(fā)或被濺射的原子到達(dá)襯底表面，經(jīng)過表面擴(kuò)散被蒸發(fā)或被濺射的原子到達(dá)襯底表面，經(jīng)過表面擴(kuò)散與其它前期到達(dá)并已吸附在襯底表面的原子碰撞后形成二與其它前期到達(dá)并已吸附在襯底表面的原子碰撞后形成二維的凝聚核（晶核）。隨著沉積的繼續(xù)，二維的晶核繼續(xù)維的凝聚核（晶核）。隨著沉積的繼續(xù)，二維的晶核繼續(xù)捕捉周圍的到達(dá)襯底表面并被吸附的原子，從而生長成二捕捉周圍的到達(dá)襯底表面并被吸附的原子，從而生長成二維的小島。維的小島。v 這些二維小島間的距離大體上等于吸附原子的

45、平均擴(kuò)這些二維小島間的距離大體上等于吸附原子的平均擴(kuò)散距離，因此二維小島很容易捕獲到達(dá)襯底表面并被吸附散距離，因此二維小島很容易捕獲到達(dá)襯底表面并被吸附的原子；同時(shí)小島的半徑小于吸附原子的平均擴(kuò)散距離，的原子；同時(shí)小島的半徑小于吸附原子的平均擴(kuò)散距離，因此，到達(dá)小島上的吸附原子在小島表面上擴(kuò)散并能夠到因此，到達(dá)小島上的吸附原子在小島表面上擴(kuò)散并能夠到達(dá)小島的邊緣，最后被小島的邊緣所捕獲。達(dá)小島的邊緣，最后被小島的邊緣所捕獲。層生長型特點(diǎn)：層生長型特點(diǎn)： 59v作為這一結(jié)果，最終小島不容易在三維方向上生長，作為這一結(jié)果，最終小島不容易在三維方向上生長，容易在二維方向生長。也就是說，只有在第容易在

46、二維方向生長。也就是說，只有在第n n層的小島已層的小島已經(jīng)長到足夠大，甚至小島已經(jīng)相互結(jié)合，形成了完整的第經(jīng)長到足夠大，甚至小島已經(jīng)相互結(jié)合，形成了完整的第n n層后，第層后，第n+1n+1層的二維晶核或二維小島才能夠形成，最終層的二維晶核或二維小島才能夠形成，最終導(dǎo)致了薄膜的導(dǎo)致了薄膜的層生長模式。 60v 層生長型薄膜的具體實(shí)例有，在金層生長型薄膜的具體實(shí)例有，在金（Au）的單晶襯的單晶襯底上生長鈀底上生長鈀（Pd）薄膜，在硫化鈀薄膜，在硫化鈀（PdS）單晶襯底上生單晶襯底上生長硒化鈀長硒化鈀（PdSe）薄膜，在鐵薄膜，在鐵（Fe）單晶襯底上生長銅單晶襯底上生長銅（Cu）薄膜等。最典型的

47、例子則是襯底材料和薄膜材料薄膜等。最典型的例子則是襯底材料和薄膜材料相同的相同的同質(zhì)外延生長薄膜（這里外延層就是指與襯底單晶（這里外延層就是指與襯底單晶的晶格相同排列方式增加了若干晶體排列層）。的晶格相同排列方式增加了若干晶體排列層）。v 值得注意的是，薄膜層生長時(shí)，薄膜中靠近襯底的區(qū)值得注意的是，薄膜層生長時(shí)，薄膜中靠近襯底的區(qū)域，其結(jié)構(gòu)通常類似于襯底的結(jié)構(gòu)，隨著薄膜厚度的增加域，其結(jié)構(gòu)通常類似于襯底的結(jié)構(gòu)，隨著薄膜厚度的增加，在這一區(qū)域上部形成具有較多缺陷的過渡區(qū)域，經(jīng)過了，在這一區(qū)域上部形成具有較多缺陷的過渡區(qū)域，經(jīng)過了這一過渡區(qū)域后，薄膜的結(jié)構(gòu)才具有了該種材料固有的晶這一過渡區(qū)域后，薄

48、膜的結(jié)構(gòu)才具有了該種材料固有的晶體結(jié)構(gòu)。體結(jié)構(gòu)。 61（3）層核生長型v 被蒸發(fā)或被濺射的原子被蒸發(fā)或被濺射的原子到達(dá)襯底表面后，原子首先到達(dá)襯底表面后，原子首先在襯底表面以單原子層的形在襯底表面以單原子層的形式均勻地覆蓋一層，然后到式均勻地覆蓋一層，然后到達(dá)原子再在第一層原子層上達(dá)原子再在第一層原子層上凝聚形成核，隨著核的不斷凝聚形成核，隨著核的不斷長大形成島，隨著島的長大長大形成島，隨著島的長大最終形成連續(xù)的薄膜。最終形成連續(xù)的薄膜。 62v被蒸發(fā)或被濺射的原子到達(dá)襯底表面，首先被蒸發(fā)或被濺射的原子到達(dá)襯底表面，首先在襯底表面生長在襯底表面生長1212層單原子層，這種二維結(jié)構(gòu)層單原子層，這

49、種二維結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈地受到襯底晶格的影響，其晶格常數(shù)有較大強(qiáng)烈地受到襯底晶格的影響，其晶格常數(shù)有較大的畸變。隨著沉積的繼續(xù)，到達(dá)的原子在這二維的畸變。隨著沉積的繼續(xù)，到達(dá)的原子在這二維原子層上以核生長的方式生長成小島，最終形成原子層上以核生長的方式生長成小島，最終形成薄膜。薄膜。層核生長型特點(diǎn)：層核生長型特點(diǎn)： 63v 在襯底原子和薄膜原子的相互作用特別強(qiáng)的情況下，在襯底原子和薄膜原子的相互作用特別強(qiáng)的情況下，薄膜的生長才容易出現(xiàn)薄膜的生長才容易出現(xiàn)層核生長型。在半導(dǎo)體襯底上生長。在半導(dǎo)體襯底上生長金屬薄膜時(shí)，常常出現(xiàn)層核生長型，例如在鍺金屬薄膜時(shí)，常常出現(xiàn)層核生長型，例如在鍺（Ge）上上蒸發(fā)沉積鎘

50、蒸發(fā)沉積鎘（Cd）薄膜，在硅薄膜，在硅（Si）上蒸發(fā)沉積鉍上蒸發(fā)沉積鉍（Bi）薄膜、銀薄膜、銀（Ag）薄膜等都屬于這種類型。薄膜等都屬于這種類型。v 對(duì)于層核生長型的判斷，必須在生長初期進(jìn)行，但是對(duì)于層核生長型的判斷，必須在生長初期進(jìn)行，但是由于薄膜的生長初期只有由于薄膜的生長初期只有 12 層的原子層，因此往往很層的原子層，因此往往很難判斷。只是近年來隨著表面分析技術(shù)的發(fā)展，這種生長難判斷。只是近年來隨著表面分析技術(shù)的發(fā)展，這種生長類型才被確認(rèn)。目前對(duì)它的研究還在不斷深入地進(jìn)行。類型才被確認(rèn)。目前對(duì)它的研究還在不斷深入地進(jìn)行。 647. 薄膜的結(jié)構(gòu)及缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)及缺陷v 從組織結(jié)構(gòu)上分類，

51、薄膜材料同塊體材料一樣，具有非晶從組織結(jié)構(gòu)上分類，薄膜材料同塊體材料一樣，具有非晶、多晶和單晶三種結(jié)構(gòu)。、多晶和單晶三種結(jié)構(gòu)。v 薄膜的結(jié)構(gòu)非常強(qiáng)的依賴于薄膜的結(jié)構(gòu)非常強(qiáng)的依賴于襯底襯底和和薄膜的制備條件薄膜的制備條件，對(duì)于，對(duì)于同一種薄膜材料而言，不同的襯底和不同的制備條件可以同一種薄膜材料而言，不同的襯底和不同的制備條件可以得到完全不同的結(jié)構(gòu)。得到完全不同的結(jié)構(gòu)。 例如：例如：在在MgO襯底上用直流濺射制備的襯底上用直流濺射制備的Ni薄膜，在沉積溫薄膜，在沉積溫度為度為190度時(shí)度時(shí)Ni薄膜為多晶結(jié)構(gòu)，而在沉積溫度為薄膜為多晶結(jié)構(gòu)，而在沉積溫度為280度時(shí)度時(shí)Ni薄膜為單晶結(jié)構(gòu)。薄膜為單晶

52、結(jié)構(gòu)。v 此外，對(duì)于已經(jīng)制得的薄膜，通過此外，對(duì)于已經(jīng)制得的薄膜，通過熱處理熱處理等手段也可以使等手段也可以使薄膜的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。薄膜結(jié)構(gòu)的變化將影響薄膜的物理薄膜的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。薄膜結(jié)構(gòu)的變化將影響薄膜的物理和化學(xué)性質(zhì)的變化。和化學(xué)性質(zhì)的變化。7.1 薄膜的結(jié)構(gòu) 65v 在薄膜制備過程中，具體影響薄膜結(jié)構(gòu)的制備條件主要有在薄膜制備過程中，具體影響薄膜結(jié)構(gòu)的制備條件主要有以下幾個(gè)方面：以下幾個(gè)方面：襯底襯底、沉積溫度沉積溫度、背景真空中的雜質(zhì)背景真空中的雜質(zhì)、沉沉積速率積速率、入射氣相原子的方向入射氣相原子的方向、以及、以及濺射時(shí)的濺射時(shí)的Ar氣壓強(qiáng)氣壓強(qiáng)、靶與襯底間距靶與襯底間距和和襯底偏壓

53、襯底偏壓等。等。v 這些制備條件歸根到底是通過影響這些制備條件歸根到底是通過影響薄膜原子在襯底或薄膜表面上的運(yùn)動(dòng)和和薄膜原子與其它原子（雜質(zhì)原子）的相互作用來決定薄膜的結(jié)構(gòu)。來決定薄膜的結(jié)構(gòu)。 66 濺射沉積在濺射沉積在SiO2襯底上的襯底上的 NiFe薄膜的斷面薄膜的斷面SEM照片照片 200nm 通常，在一般的制備通常，在一般的制備條件下薄膜具有條件下薄膜具有多晶結(jié)構(gòu)。例如，在沉積。例如，在沉積溫度為室溫下，制備溫度為室溫下，制備的金屬薄膜就為的金屬薄膜就為柱狀多晶結(jié)構(gòu)。 多晶薄膜多晶薄膜柱狀晶粒結(jié)構(gòu)產(chǎn)生原因？ 67v 當(dāng)薄膜經(jīng)核生成和核生長，成為不連續(xù)的島時(shí)，相對(duì)于島的側(cè)當(dāng)薄膜經(jīng)核生成和

54、核生長，成為不連續(xù)的島時(shí)，相對(duì)于島的側(cè)面而言，島的頂部受到氣相中的蒸發(fā)原子（薄膜原子）碰撞的面而言，島的頂部受到氣相中的蒸發(fā)原子（薄膜原子）碰撞的機(jī)會(huì)最多，而島的側(cè)面由于其周圍其它島擋住了一些蒸發(fā)原子機(jī)會(huì)最多，而島的側(cè)面由于其周圍其它島擋住了一些蒸發(fā)原子的到達(dá)，因此島在薄膜生長方向（即薄膜厚度方向）生長的速的到達(dá)，因此島在薄膜生長方向（即薄膜厚度方向）生長的速度比其它方向的要快，這就是度比其它方向的要快，這就是薄膜沉積時(shí)陰影效應(yīng)。v 隨著薄膜不斷生長，島不斷增高，其陰影效應(yīng)就更加明顯。隨著薄膜不斷生長，島不斷增高，其陰影效應(yīng)就更加明顯。 陰影效應(yīng) 薄膜沉積時(shí)的陰影效應(yīng)示意圖薄膜沉積時(shí)的陰影效應(yīng)

55、示意圖 68這種多晶薄膜的柱狀晶粒結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是由于薄膜原子（蒸發(fā)這種多晶薄膜的柱狀晶粒結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是由于薄膜原子（蒸發(fā)原子）或分子在襯底表面具有原子）或分子在襯底表面具有有限的遷移速率所引起的。所引起的。同時(shí)，沉積時(shí)的同時(shí)，沉積時(shí)的陰影效應(yīng)對(duì)薄膜的柱狀晶粒的形成也起了促對(duì)薄膜的柱狀晶粒的形成也起了促進(jìn)作用。進(jìn)作用。柱狀晶粒結(jié)構(gòu)產(chǎn)生原因： 改變?cè)踊蚍肿釉谝r底表面遷移速率的簡單而有效的方法改變?cè)踊蚍肿釉谝r底表面遷移速率的簡單而有效的方法就是就是改變沉積溫度（襯底溫度）。沉積溫度的升高將增大。沉積溫度的升高將增大原子或分子在襯底表面的遷移速率。原子或分子在襯底表面的遷移速率。 69v1969196

56、9年年Movchan和和Demchishin在在不同沉積溫度下下真空蒸發(fā)制備了多種金屬薄膜，通過觀察不同沉制備了多種金屬薄膜，通過觀察不同沉積溫度下的薄膜結(jié)構(gòu)，他們提出了積溫度下的薄膜結(jié)構(gòu)，他們提出了結(jié)構(gòu)區(qū)域模型沉積溫度（襯底溫度）同薄膜結(jié)構(gòu)的關(guān)系示意圖。 70 當(dāng)沉積溫度當(dāng)沉積溫度Td與材料的熔點(diǎn)與材料的熔點(diǎn)Tm的的比值小于0.3時(shí)，由于原子的時(shí)，由于原子的表面擴(kuò)散（表面遷移速率）和體擴(kuò)散能力很低，沉積在襯底上表面擴(kuò)散（表面遷移速率）和體擴(kuò)散能力很低，沉積在襯底上的原子失去了擴(kuò)散能力，再加上沉積的陰影效應(yīng)，薄膜由的原子失去了擴(kuò)散能力，再加上沉積的陰影效應(yīng)，薄膜由很細(xì)的柱狀晶粒組成，并且在柱狀

57、晶粒之間（即，晶界處）存在許組成，并且在柱狀晶粒之間（即，晶界處）存在許多類似多類似毛細(xì)孔的空洞，這一結(jié)構(gòu)區(qū)域被稱為，這一結(jié)構(gòu)區(qū)域被稱為區(qū)域1。沉積溫度（襯底溫度）同薄膜結(jié)構(gòu)的關(guān)系示意圖 71 當(dāng)當(dāng)T Td d與與T Tm m的的比值大于0.3而小于0.5時(shí)，原子的表面擴(kuò)散能力很高，時(shí)，原子的表面擴(kuò)散能力很高，已經(jīng)可以進(jìn)行相當(dāng)距離的擴(kuò)散，但是體擴(kuò)散能力還不充分，原已經(jīng)可以進(jìn)行相當(dāng)距離的擴(kuò)散，但是體擴(kuò)散能力還不充分，原子表面擴(kuò)散能力的增強(qiáng)也消弱了薄膜沉積時(shí)的陰影效應(yīng)，因此，子表面擴(kuò)散能力的增強(qiáng)也消弱了薄膜沉積時(shí)的陰影效應(yīng)，因此，在這一溫度區(qū)域形成的薄膜由在這一溫度區(qū)域形成的薄膜由較粗的柱狀晶粒組

58、成，并且在柱組成，并且在柱狀晶粒之間狀晶粒之間沒有空洞存在，薄膜結(jié)構(gòu)變得致密，這稱為，薄膜結(jié)構(gòu)變得致密，這稱為區(qū)域2。沉積溫度（襯底溫度）同薄膜結(jié)構(gòu)的關(guān)系示意圖 72 當(dāng)當(dāng)Td與與Tm的的比值大于0.5時(shí)，原子的體擴(kuò)散增強(qiáng)，并對(duì)薄膜的時(shí)，原子的體擴(kuò)散增強(qiáng)，并對(duì)薄膜的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要的影響，從而導(dǎo)致薄膜由很大的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要的影響，從而導(dǎo)致薄膜由很大的非柱狀晶粒組成，組成，類似于塊體材料的結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)區(qū)域被稱為類似于塊體材料的結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)區(qū)域被稱為區(qū)域3。沉積溫度（襯底溫度）同薄膜結(jié)構(gòu)的關(guān)系示意圖 73v 對(duì)于對(duì)于濺射制備的薄膜，由于薄膜生長過程中受到能量粒子（的薄膜，由于薄膜生長過程中受到能量粒

59、子（如，如，Ar原子）的影響以及被濺射原子（薄膜原子）本身具有原子）的影響以及被濺射原子（薄膜原子）本身具有較高的能量（數(shù)較高的能量（數(shù)eV以上），因此濺射制備的薄膜的結(jié)構(gòu)比真以上），因此濺射制備的薄膜的結(jié)構(gòu)比真空蒸發(fā)制備的薄膜的結(jié)構(gòu)要復(fù)雜?？照舭l(fā)制備的薄膜的結(jié)構(gòu)要復(fù)雜。v 二十世紀(jì)二十世紀(jì)70年代初，年代初，Thornton觀察了在不同沉積溫度和不同觀察了在不同沉積溫度和不同Ar壓強(qiáng)下壓強(qiáng)下濺射沉積的各種金屬薄膜的結(jié)構(gòu)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果他的各種金屬薄膜的結(jié)構(gòu)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果他進(jìn)一步發(fā)展了進(jìn)一步發(fā)展了Movchan和和Demchishin的的結(jié)構(gòu)區(qū)域模型。v 他提出對(duì)于濺射制備的薄膜他提出對(duì)于濺射制

60、備的薄膜在結(jié)構(gòu)區(qū)域1和區(qū)域2之間存在一個(gè)過度區(qū)域T，在這過度區(qū)域T中，薄膜由細(xì)的柱狀晶粒組成，但是在柱狀晶粒之間（即，晶界處）不存在許多類似毛細(xì)孔的空洞，薄膜結(jié)構(gòu)是致密的。 74v薄膜中存在的缺陷類型同塊體材料中存在的薄膜中存在的缺陷類型同塊體材料中存在的缺陷類型一樣，包括缺陷類型一樣，包括點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷、晶界晶界、位錯(cuò)位錯(cuò)、雜質(zhì)雜質(zhì)等。等。v一般來說，薄膜中的缺陷比塊體材料的要多一般來說，薄膜中的缺陷比塊體材料的要多，這些缺陷的存在直接影響薄膜的物理性質(zhì)，這些缺陷的存在直接影響薄膜的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)。和化學(xué)性質(zhì)。7.2 薄膜的結(jié)構(gòu)缺陷 75 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷v 在薄膜形成過程中所發(fā)生的氣相中的蒸