薄膜物理課件

第一章真空技術(shù)基礎(chǔ)主要內(nèi)容稀薄氣體基本性質(zhì)真空的獲得

真空的測(cè)量§1-1氣體與真空空氣作為一種氣體，由氣體分子組成（可以想象為彈性小球）。氣體分子沿直線運(yùn)動(dòng)，直到與鄰近分子或者器壁發(fā)生碰撞為止。1.氣體、蒸汽?取決于壓力增加時(shí)是否能夠凝聚成為液體。例如：200oC時(shí)水為蒸汽，但是在500oC,水就是氣體。當(dāng)壓力較低時(shí)，氣體和蒸汽特性相同。P=F/A=nMvrms2/3NA

氣壓來源于氣體分子對(duì)器壁的不斷碰撞。氣體分壓2.氣壓PARTIALPRESSURESOFGASESCORRESPONDTOTHEIRRELATIVEVOLUMESGASSYMBOLPERCENTBYVOLUMEPARTIALPRESSURETORRPASCAL氮?dú)庋鯕鈿鍤舛趸寄蕷夂怆礆鈿錃怆瘹馑甆2O2ArCO2NeHeKrH2XeH2O78210.930.030.00180.00050.00010.000050.0000087Variable5931587.10.251.4x10-24.0x10-38.7x10-44.0x10-46.6x10-55to5079,00021,000940331.85.3x10-11.1x10-15.1x10-28.7x10-3665to6650空氣是多種氣體混合物T(OC)100250-40-78.5-196P(mbar)1013326.40.136.6x10-410-24(沸點(diǎn))(冰點(diǎn))(干冰)(液氮)水的飽和蒸汽壓氣體的飽和蒸汽壓部分固體的飽和蒸汽壓3.真空定義真空：低于{一個(gè)大氣壓U當(dāng)?shù)卮髿鈮海臍怏w狀態(tài)“相對(duì)真空”，“絕對(duì)真空”?

特點(diǎn)：壓強(qiáng)(Pressure)低，分子稀薄， 分子的平均自由程長。電學(xué)特性輸運(yùn)特性真空的性質(zhì)由壓強(qiáng)、單位體積分子個(gè)數(shù)、氣體密度等表示4.壓力單位PressureunitPaBarAtmTorrPa10.000019.869×10-67.501×10-3

Bar1000001

9.869×10-17.501×102

Atm1013251.013251760

Torr133.320.0013331.316×10-31

用“真空度”及“壓強(qiáng)”兩個(gè)參量來衡量真空的程度

帕斯卡（Pascal）=1牛/米2，國際單位制托（Torr）=133.322Pa=1/760atm單位，描述真空的獨(dú)特單位此外，mmHg、atm、bar等。

RelativePressureAbsolutePressure5.為什么需要真空?需要粒子在較長的距離做直線運(yùn)動(dòng)。5.為什么需要真空?2.提供一個(gè)潔凈的表面（供薄膜沉積）。污染嚴(yán)重(經(jīng)常是水)潔凈表面空氣氣氛高真空6.真空的劃分

粗真空

105－102Pa:目的是獲得壓差真空吸塵器，真空過濾器，CVD

低真空

102－10-1Pa:氣體分子運(yùn)動(dòng)特征改變，電場(chǎng)下具有導(dǎo)電特征

vacuum-bottle,真空瓶，真空干燥器，真空注入，濺射，LPCVD高真空

10-1－10-6Pa:蒸發(fā)，離子源超高真空＜10-6Pa

：表面分析，粒子物理§1-2稀薄氣體的基本性質(zhì)

低壓狀態(tài)下，可用理想氣體的狀態(tài)方程（波義爾定律、蓋·呂薩克定律、查理定律）來描述，遵守麥克斯韋——玻爾茲曼分布。PV＝nmolRT=nmolecularkT=nMvrms2/3NAnmol=m/Mnmolecular=7.2*1022P/T1.理想氣體狀態(tài)方程2.氣體分子的速度分布麥克斯韋速度分布函數(shù)表示分布在速度附近單位速度間隔內(nèi)的分子數(shù)占總分子數(shù)的比率。氣體分子速度分布3.三個(gè)重要速度表示最可幾速度：最大時(shí)的速度平均速度均方根速度

4.平均自由程MEANFREEPATH

定義：每個(gè)分子在連續(xù)兩次碰撞之間所運(yùn)動(dòng)的平均路程

其中:n——?dú)怏w分子密度，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài) n≈3*1019

d—分子直徑,幾個(gè)?代入理想氣體狀態(tài)方程

得:對(duì)于25℃空氣

cmIsλpropotionaltoT?分子密度與平均自由程101325Pa(atm)0.1Pa1x10-7Pa#/cm3MFP3x1019(30milliontrillion)4x1013(40trillion)4x107(40million)2.5x10-6in6.4x10-5mm2inches5.1cm31miles50km碰撞幾率氣體分子運(yùn)動(dòng)X的距離以后，彼此間碰撞的幾率?！镎`區(qū)：f與λ成反比。x=λ,f＝63%x=0.1λ,f＝9%5.分子通量與余弦散射律

（1）分子通量F（入射頻率n）：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位面積的器壁上碰撞的氣體分子數(shù)＝2.64×1020P/(MT)0.5（molecules/cm2s）P:pascalM:gT:K（克努森方程）（2）氣體分子從固體表面的反射幾率A.反射幾率與入射方向無關(guān)，僅按余弦定律散射B.揭示散射的本質(zhì)是個(gè)再發(fā)射過程，即氣體將停留在固體表面一小段時(shí)間以交換能量（吸附）。

黏滯流

(分子間動(dòng)量傳遞)分子流

(分子獨(dú)立運(yùn)動(dòng))6.氣體的流動(dòng)流體機(jī)制黏滯流:

分子間距??；分子間碰撞占主導(dǎo)；

通過動(dòng)量傳遞進(jìn)行流動(dòng)；一般壓力大于0.1mbar過渡流:

介于兩者之間。分子流:

分子間距大；分子與器壁碰撞占主導(dǎo)；

通過無定向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行；一般壓力小于10mbar-3平均自由程

特征長度黏滯流:小于0.01克努森數(shù)平均自由程

特征長度過渡流:[0.01,1]平均自由程

特征長度分子流:大于1氣源2.吸附氣體：1.空間氣體：很容易被抽走物理吸附化學(xué)吸附

放氣量在中真空階段與空間氣源相當(dāng)，高真空、超高真空階段為主要放氣源。真空材料：不銹鋼等，忌用陶瓷除氣手段：烘烤、離子轟擊3.系統(tǒng)漏氣：密封：O形橡膠圈：高真空金屬密封圈：超高真空氣體負(fù)荷OutgassingLeaksVirtualRealBackstreamingDiffusionPermeation氣體負(fù)荷單位:mbar?L/s抽氣曲線Pressure(mbar)Time(sec)10-11101103105107109101110131015101710+110-110-310-510-710-9空間氣體表面解吸擴(kuò)散滲透Exp(-at)1/t1/t§1-3真空的獲得典型的真空系統(tǒng)包括：真空室(Chamber)，真空泵(VacuumPump),控制系統(tǒng)(Controlsystem)，真空計(jì)(VacuumGag)真空系統(tǒng)的兩個(gè)重要參數(shù)：極限真空（本底真空,BasepressureorUltimatepressure），抽氣速率(Pumpingspeed)泵將氣體抽出系統(tǒng)？No！No！！No！?。≌婵毡?/p>

Vacuumpump要生成真空，必須將氣體分子移出系統(tǒng)。只有當(dāng)空間的兩個(gè)區(qū)域存在壓力差的時(shí)候氣體分子才會(huì)移動(dòng)。低壓區(qū)域擁有較少的氣體分子，高壓區(qū)域擁有較多的分子。任何能夠在空間兩個(gè)區(qū)域之間生成壓力差的設(shè)備都可以叫做泵。在特定系統(tǒng)中生成真空的泵被稱為真空泵。Atmosphere主要的真空泵油封機(jī)械泵、分子泵、羅茨泵原理：利用機(jī)械力壓縮

油擴(kuò)散泵原理：油蒸汽噴射形成壓差

濺射離子泵、鈦升華泵原理：濺射形成吸氣、升華形成吸氣

冷凝泵原理：將氣體冷凝成液態(tài)/冷凝吸附1.機(jī)械泵（旋片式機(jī)械泵）

轉(zhuǎn)子偏心地置于定子內(nèi)，旋片上有彈簧，整個(gè)部件浸于機(jī)械泵油中，油起潤滑和密封作用。旋片轉(zhuǎn)動(dòng)一周后經(jīng)n個(gè)循環(huán)后真空腔Pn接近0容積變化Pn不可能趨于零，因?yàn)椋?/p>

A.在出氣與轉(zhuǎn)子密封點(diǎn)之間存在著“有害空間”。

B.單等級(jí)泵時(shí)進(jìn)氣口與排氣口壓力差大。

C.泵油在高溫摩擦下，裂解形成輕餾成份。

D.水蒸汽凝結(jié)，形成懸濁液解決辦法是采用雙級(jí)泵，以一個(gè)轉(zhuǎn)子空間的出氣口作為另一轉(zhuǎn)子空間的進(jìn)氣口，可使極限真空從1Pa→10-2Pa采用高溫泵油氣鎮(zhèn)閥雙級(jí)泵工作原理可獲得更低的氣壓1.旋片式機(jī)械泵的缺點(diǎn)振動(dòng)！返油（無法生成高真空）容易磨損對(duì)可凝結(jié)的氣體效果不佳發(fā)熱耗油返油2氣壓<0.2mbar時(shí)容易發(fā)生油分子的平均自由程隨氣壓降低逐漸增大壓縮過程中會(huì)產(chǎn)生水和丙酮的凝結(jié)。為避免凝結(jié)，通過氣鎮(zhèn)閥引入氣體，使可凝性氣體到達(dá)飽和蒸汽壓之前，壓縮氣體壓力已達(dá)到排氣壓力，將氣體排出。單級(jí)和雙極葉片泵的抽速特征2.Roots--羅茨泵兩個(gè)8字形共軛的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子之間、轉(zhuǎn)子與泵壁之間無油，間隙0.1mm高速轉(zhuǎn)動(dòng)：可達(dá)3000轉(zhuǎn)/分，抽氣時(shí)無壓縮，工作原理：容積泵+分子泵。機(jī)械增壓泵Pump/BlowerPackages真空泵工作示意圖單級(jí)羅茨真空泵結(jié)構(gòu)圖C(blower+rotarypiston)（羅茨泵+旋轉(zhuǎn)活塞泵）D(rotarypiston)（旋轉(zhuǎn)活塞泵）A(blower+rotaryvane)（羅茨泵+旋片泵）B(rotaryvane)（旋片泵）3.擴(kuò)散泵擴(kuò)散泵油被加熱后沿噴嘴向下噴射，速度可達(dá)200m/s，由空氣動(dòng)力學(xué)原理與進(jìn)氣口形成壓力差，使氣體向下擴(kuò)散而被抽走，油蒸汽水冷后重新利用。

頂級(jí)噴口擁有最純的油蒸汽工作原理抽速變化10-710--110PumpingSpeed(Air)1234InletPressure(Pa)CriticalPoint1.CompressionRatioLimit2.ConstantSpeed3.ConstantQ(Overload)4.MechanicalPumpEffect污染油蒸汽的釋放

最大出口氣壓(Page73manual)液氮冷阱+擋板(Page78manual)油擴(kuò)散泵優(yōu)點(diǎn)簡(jiǎn)單相對(duì)便宜無活動(dòng)部件

（無振動(dòng)）抽速

P容易抽輕氣體可允許顆粒存在缺點(diǎn)油

蒸汽

熱解加熱冷卻耗時(shí)需要冷卻可能過熱可能污染腔體4.分子泵Balzers,1992LeyboldM2000,1999“Clean,LeanVacuumMachine”Turbo’s氣體隨轉(zhuǎn)子作圓周運(yùn)動(dòng)，獲得離心力，與轉(zhuǎn)子上頁碰撞，按余弦定律散射，獲得速度，后與定子下交碰撞，再獲向下速度分量。條件：（1）起始工作氣壓小，平均自由程大。常壓下，空氣λ=0.06μm；1.3Pa，λ=4.4mm（λ大于葉片間距）。（2）轉(zhuǎn)子葉片線速度與氣體分子速度相近。分子量大、氣體易抽，H2難抽。

H2最可幾速率1557m/s，極限真空殘余氣體中。85%為H2。渦輪分子泵工作原理MoleculeV墻以速度V向右移動(dòng)渦輪分子泵優(yōu)點(diǎn)清潔無需加熱冷卻高真空抽速快N2170L/sHe130L/sH2110L/s缺點(diǎn)昂貴不允許顆粒存在易崩潰（更貴）抽速因氣體不同5.鈦升華泵加熱熱絲至足夠高溫（1100℃），鈦直接升華，鈦沉積在器壁內(nèi)腔上，形成新鮮鈦膜層，在升華和沉積過程中，鈦與活性氣體結(jié)合形成穩(wěn)定化合物（TiO，TiN），達(dá)到抽氣的目的：吸附作用，物理+化學(xué)（為主）。極限真空：10-10Pa

注意：（1）控制升華速率，使鈦充分反應(yīng)，否則無效；（2）吸氣面大，抽速高。6.濺射離子泵陽極為多個(gè)不銹鋼圓筒或四方格、六方格組成,陰、陽極之間加有高壓，在陽極小室里產(chǎn)生放電。特點(diǎn)：極限真空10-10Pa，對(duì)油污染敏感當(dāng)真空系統(tǒng)壓力降到

10-3Torr時(shí),離子泵才開始正式發(fā)揮作用。濺射離子泵優(yōu)點(diǎn)清潔無活動(dòng)部件可由電流輕易獲得氣壓缺點(diǎn)太講究

難啟動(dòng)對(duì)水作用有限低容量氣體并非永久排除7.冷凝泵通過低溫凝結(jié)捕獲氣體分子。由冷凝器組成，溫度-193℃--255℃。擁有活性炭，用于吸收無法凝結(jié)的氣體分子。低溫冷凝泵的工作范圍粗真空高真空超高真空VenturiPump旋片機(jī)械泵旋轉(zhuǎn)活塞泵吸附泵干機(jī)械泵羅茨泵高真空泵超高真空泵10-1010-810-610-410-210010＋210+4P(Pa)泵的工作范圍（續(xù)）10-1210-1010-810-610-410-2110+2P(Torr)粗真空超高真空粗真空泵渦輪泵擴(kuò)散泵冷凝泵離子泵鈦升華泵液氮冷凝泵高真空§1-4真空的測(cè)量幾種真空計(jì)的工作原理與測(cè)量范圍U形管壓力計(jì)利用大氣壓與真空壓差測(cè)量范圍（Pa）105－102

電阻真空計(jì)、熱偶真空計(jì)利用氣體分子熱傳導(dǎo)測(cè)量范圍（Pa）104－10-2

熱陰極電離真空計(jì)、B-A型真空計(jì)利用氣體電離與壓強(qiáng)的關(guān)系測(cè)量范圍（Pa）10-1－10-6、10-1－10-10潘寧磁控電離計(jì)利用磁場(chǎng)中電離與壓強(qiáng)的關(guān)系測(cè)量范圍（Pa）1－10-5

氣體放電管利用氣體放電與壓強(qiáng)的關(guān)系測(cè)量范圍（Pa）103－1布頓式真空計(jì)熱偶真空規(guī)熱偶真空計(jì)

熱電偶測(cè)量熱線溫度的變化，即為熱偶真空計(jì)。測(cè)量熱絲電阻值的變化，即為熱阻真空計(jì)。

Q=Q1輻射+Q2傳導(dǎo)+Q3氣體分子帶走熱量低氣壓下，氣體傳導(dǎo)的熱量與壓強(qiáng)成正比。熱導(dǎo)規(guī)對(duì)不同氣體的靈敏度3.電容壓力計(jì)測(cè)量范圍：0.1-1000torr精確度高由兩個(gè)腔體組成，中間由靈敏的柔性隔板隔開。一個(gè)腔體連接被測(cè)氣體，另一個(gè)腔體保持恒定氣壓。恒定氣壓腔體內(nèi)有兩個(gè)電容盤。當(dāng)氣壓變化時(shí)，隔板移動(dòng)，隔板與電容盤之間電容發(fā)生變化。該信號(hào)可以轉(zhuǎn)化為氣壓。4.電離真空計(jì)

類似于一真空三極管，燈絲發(fā)射電子使氣體電離，氣體分子電離的多少與氣體分子密度成正比，即與壓強(qiáng)成正比，收集極收集離子數(shù)的多少，即可知壓強(qiáng)P的大小。注意：不可在高氣壓下使用，此時(shí)離子電流過大，將燒毀真空計(jì)。測(cè)量范圍：10-8-10-2torr由鎢絲，金屬格，收集極組成，均封裝于玻璃管中，與被測(cè)氣體相連。當(dāng)氣壓升高，電流增大。電離規(guī)對(duì)不同氣體的相對(duì)靈敏度氣體對(duì)N2相對(duì)靈敏度Sr氣體對(duì)N2相對(duì)靈敏度Sr

H20.46He0.17Ne0.25Ar1.31Kr1.98Xe2.71N21.0O20.95CO1.11CO21.53干燥空氣1.0H2O0.9Hg3.4擴(kuò)散泵油氣9-13HCl0.38CH4l.26CCl40.705.殘余氣體分析儀（RGA）QUADRUPOLEHEADCONTROLUNITRGA工作原理MASSNUMBER(A.M.U.)RELATIVEINTENSITYNORMAL(UNBAKED)SYSTEMH2H2ON2,,COCO2(A)RGA譜線MASSNUMBER(A.M.U.)RELATIVEINTENSITYSYSTEMWITHAIRLEAKH2H2ON2CO2(B)O25.溫度對(duì)壓力測(cè)試準(zhǔn)確性的影響兩連通容器的壓力：1.低真空：粘滯流情況，平衡條件是壓力相等

P1=P2，

2.高真空：分子層流情況，平衡條件是流導(dǎo)相等例：真空室溫度600℃，規(guī)管溫度25℃，測(cè)量壓力只有真實(shí)壓力的58％。真空計(jì)工作范圍10-1010-810-610-410-210010＋210+4P(Pa)粗真空高真空超高真空BourdonGauge熱偶規(guī)冷陰極規(guī)電容壓力計(jì)HotFil.IonGaugeRGA皮拉尼規(guī)SpinningRotorGaugeMcLeodGauge§1-5真空部件Bellows—波紋管真空系統(tǒng)連接件

提供直線連接的緩沖

為安裝硬件提供充分的靈活性

減少連接處的應(yīng)力

熱循環(huán)時(shí)提供充分的膨脹/收縮空間Valves—真空閥真空系統(tǒng)隔離閥

氣壓傳動(dòng)316L不銹鋼材質(zhì)

彈性變形金屬密封最高工作溫度200℃

波紋管密封Feedthroughs—連接件Gasket—密封環(huán)RubberorMetal?MassFlowController—流量計(jì)由主管和支管構(gòu)成。支管

中部有加熱線圈和溫度傳感器。

測(cè)量傳感器之間溫差。流速越慢，溫差越大。

針對(duì)不同氣體進(jìn)行校正。分子篩和沸石阱Thermocouple—熱電偶由兩條不同的金屬絲連接構(gòu)成。測(cè)量連接點(diǎn)的溫度

溫度上升時(shí)，電壓隨之升高。HeatingSystemResistanceheating電阻加熱Electronicbombardment電子轟擊Lampheating燈絲加熱RFheating射頻加熱ContactorNOT?§1-6LEAKDETECTION檢漏漏氣的可能OutgassingLeaksVirtualRealBackstreamingDiffusionPermeationTrappedVolumesVentedScrewDoubleOringsealedshaftsAtmosphere(760torr)VacuumDifferentialPumpingAtmosphere(1013mbar)VacuumToPump1mbarstandardcubiccentimeter/sec

(sccs)密封后的殘余氣體像真正的泄漏:1mm3@1atm=1000L@10-6Torr泄漏速率10-1sccs 10-3sccsLeakRatesoverTime10-1STDCC/SEC1CC/10SEC10-3STDCC/SEC3CC/HOUR10-5STDCC/SEC1CC/DAY10-6STDCC/SEC1CC/2WEEKS10-7STDCC/SEC3CC/YEAR10-9STDCC/SEC1CC/30YEARSPermeationLeaks滲透泄漏（Permeationleaks）與真正的泄漏不同，唯一消除的辦法只能是更換為滲漏較少的材料。為什么用氦氣檢漏?§1-7VacuumMaterials機(jī)械性能：可以被加工和制作；

強(qiáng)度；

耐溫性熱性能：高溫時(shí)材料的蒸汽壓必須很低；

相鄰材料的熱膨脹匹配，特別是接口處。GasLoading不能是多孔的；必須沒有裂紋裂縫（會(huì)陷入清潔用溶劑，成為虛擬的泄漏源。）極端溫度和輻射條件下的表面和整體解吸速率不能太高。CommonMaterialsAusteniticStainlessSteel(奧氏體不銹鋼)

高真空和超高真空最常用的材料，滿足所有上述要求。AluminumandAluminumAlloys（鋁合金）

便宜，易加工，鋅含量低時(shí)放氣率很低。缺點(diǎn)是高溫下強(qiáng)度較低，焊接時(shí)形變嚴(yán)重。Ceramics–完全玻璃化的陶瓷和氧化鋁是很好的絕緣體，放氣率低，氣體滲透少，可在1500℃高溫下使用。部分陶瓷可機(jī)械加工。易碎，使用時(shí)小心輕放。BorosilicateGlass(硼硅),Pyrex

(耐熱玻璃),經(jīng)常用做小系統(tǒng)或觀察窗口。易于加工成部件，抗腐蝕。Nitrile（腈）

Rubber.BunaNt.m（丁納橡膠）.

經(jīng)常用來制作橡膠圈"O"rings.PTFE

具有自潤滑特性，較低的放氣率，較好的電絕緣體。相比于其他塑料，可用于較高溫度。過高的滲透率使得PTFE不適合作為真空密封。

PolycarbonatesandPolystyrene（聚苯乙烯）放氣率略低，有吸水特性，較好的電絕緣體。

Nylon具有自潤滑特性，但放氣率較高，容易吸水。Plastics

Acrylics（丙烯酸樹脂）與尼龍相仿.

PVC放氣率高，可應(yīng)用于粗真空系統(tǒng)和檢漏系統(tǒng)的臨時(shí)連接件。

Polyethylene（聚乙烯）也可以用?！?-8真空系統(tǒng)HighVacuumValveMechanicalPumpThermocoupleGauge2RoughingValveForelineValveIonGaugeFinalDiagraminallofitscomplexityChamberVentValveVarianDiffusionPumpVHS-60184ThermocoupleGauge1CryotrapGaugeControllerTeeASA1.5’’NW25AdaptorFlangeNW25NW40AdaptorFlangeForelineTrap(NW40)ASA6in.8in.(NW150)CFAdaptorFlange6in.Viewporton8in.(NW150)CFFlangeASA6in.FlangesABiggerExampleSLAC(Stanford)

(50GeV)§1-9基片的性質(zhì)玻璃陶瓷單晶金屬塑料機(jī)械性能熱學(xué)性能化學(xué)性能電學(xué)性能聲學(xué)性能磁學(xué)性能光學(xué)性能晶體結(jié)構(gòu)玻璃陶瓷單晶金屬塑料機(jī)械性能熱學(xué)性能化學(xué)性能電學(xué)性能聲學(xué)性能磁學(xué)性能光學(xué)性能晶體結(jié)構(gòu)物理氣相沉積●定義物理氣相沉積(physicalvapordeposition，PVD)是利用某種物理過程，如物質(zhì)的熱蒸發(fā)或在受到粒子轟擊時(shí)物質(zhì)表面原子的濺射等現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)原子從源物質(zhì)到薄膜的可控轉(zhuǎn)移的過程。特點(diǎn)（與CVD相比）(1)需要使用固態(tài)的或者熔融態(tài)的物質(zhì)作為沉積過程的源物質(zhì)；(2)源物質(zhì)經(jīng)過物理過程而進(jìn)入氣相；(3)需要相對(duì)較低的氣體壓力環(huán)境；

a)其他氣體分子對(duì)于氣相分子的散射作用較小

b)氣相分子的運(yùn)動(dòng)路徑近似為一條直線；

c)氣相分子在襯底上的沉積幾率接近100％。(4)在氣相中及在襯底表面大多不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)最常見的PVD方法分類蒸發(fā)法：濺射法：1、較高的沉積速度；2、相對(duì)較高的真空度，導(dǎo)致較高的薄膜質(zhì)量。1、在沉積多元合金薄膜時(shí)化學(xué)成分容易控制；2、沉積層對(duì)襯底的附著力較好。脈沖激光沉積法1.真空蒸發(fā)原理①定義：簡(jiǎn)稱真空蒸鍍，在真空腔室中加熱原材料，使其以原子或者分子的形式逸出（熔化升華），形成蒸氣流，入射到基片表面并凝結(jié)成連續(xù)薄膜的方法。②主要部件分子泵機(jī)械泵排氣口觀察窗電源基片加熱器線纜(1)真空室(2)蒸發(fā)源(3)基板(4)基板加熱器及測(cè)溫器等：Evaporatione-beamevaporationsystem真空蒸發(fā)的過程蒸發(fā)逸出粒子輸運(yùn)凝聚成膜凝聚相→氣相。該階段的主要作用因素：飽和蒸氣壓蒸氣流在蒸發(fā)源與基片之間的飛行,該階段的主要作用因素：分子的平均自由程凝聚→成核→核生長→連續(xù)薄膜③特點(diǎn)A優(yōu)點(diǎn)(1)設(shè)備簡(jiǎn)單，操作容易；(2)成膜速率快，0.1-50

m/min；(3)制得的薄膜純度高、分布均勻；(4)薄膜生長機(jī)理單純。B缺點(diǎn)(1)薄膜與基片的附著力??；(2)工藝重復(fù)性不好，膜厚不易控制；(3)不能淀積高熔點(diǎn)物質(zhì)；(4)加熱器具易污染薄膜原材料。1.真空蒸發(fā)原理——決定因素①①飽和蒸氣壓：氣—液兩相平衡稱為飽和，飽和狀態(tài)的氣體與液體分別稱為飽和氣體與飽和液體，該狀態(tài)下的壓力稱為飽和蒸氣壓。平衡氣相與液相的能量、質(zhì)量交換相等一定溫度下，氣態(tài)與液態(tài)分子數(shù)目交換相等真空蒸發(fā)近似平衡過程，需保持真空與溫度

蒸氣壓方程—控制溫度與壓強(qiáng)Step1：克拉伯龍——克勞修斯方程Pv飽和蒸氣壓，Hv摩爾氣化熱或者液化熱，V摩爾體積Step2：忽略液體體積,氣體狀態(tài)方程Step3：代入克—克方程Step4：解微分方程安托萬方程安托萬常數(shù)100Pa以下適用PvT蒸發(fā)溫度定義：飽和蒸氣壓為10-2托時(shí)的溫度。由此，蒸發(fā)材料分為兩種：1）蒸發(fā)：蒸發(fā)溫度大于熔點(diǎn)，大多數(shù)金屬2）升華：加熱溫度小于熔點(diǎn)，如Cr、Ti、Mo、Fe等1.真空蒸發(fā)原理——決定因素②②蒸發(fā)速率：?jiǎn)挝幻娣e上，單位時(shí)間內(nèi)從氣相到達(dá)固相表面并能夠停留的分子數(shù)。單位面積停留分子數(shù)碰撞頻率逸出幾率當(dāng)α=1，Ph=0時(shí)，蒸發(fā)速率最大(個(gè)/m2s,Pa)

如何獲得最大蒸發(fā)速率？1.基片足夠清潔，減少逸出；2.冷卻基片（特殊情況除外）；3.升高蒸發(fā)源溫度，增大蒸氣壓。4.提高背底真空度，增大蒸發(fā)系數(shù)α。不完全蒸發(fā)、逸出從液面逸出α蒸發(fā)系數(shù)Ph液體靜壓

以質(zhì)量表示的最大蒸發(fā)速率(kg/m2s,Pa)溫度、飽和蒸氣壓變化，引起蒸發(fā)速率變化，但是溫度決定飽和蒸氣壓，故而溫度決定蒸發(fā)速率這里的溫度是沉積腔內(nèi)蒸氣的溫度，因此接近蒸發(fā)源的溫度，但不是基片的溫度。例注意實(shí)驗(yàn)室溫度條件下采用真空蒸發(fā)沉積銀膜，黏附系數(shù)為1,求真空沉積腔內(nèi)的壓強(qiáng)為1Pa時(shí)的蒸發(fā)速率解：查表得1Pa下蒸發(fā)溫度分別為1300K：(kg/m2s,Pa)溫度變化對(duì)蒸發(fā)速率的影響在高真空條件下，原材料的蒸發(fā)溫度比較低，蒸發(fā)比較容易，真空腔內(nèi)其他分子數(shù)所占比例非常小，主要以蒸發(fā)氣體分子為主，所以可以近似認(rèn)為蒸發(fā)系數(shù)等于1；并且基片足夠清潔時(shí)黏附系數(shù)也等于1。例已知鋁的蒸氣壓與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表:蒸氣壓(Pa)10-2100102溫度(K)124514901830求在102Pa蒸氣壓下，溫度變化1%時(shí)蒸發(fā)速率的變化解：將上表值代入公式：可求得多個(gè)B值，求平均，得B值為1.559104根據(jù)公式：102Pa下說明蒸發(fā)源溫度影響巨大，必須嚴(yán)格控制蒸發(fā)溫度！1.真空蒸發(fā)原理——決定因素③討論P(yáng)vPb背底真空度與飽和蒸氣壓有何關(guān)系？（1）PbPv（2）PvPb是能夠成膜的關(guān)鍵（3）保持高真空，以使在較低的蒸氣壓下就可以蒸發(fā)成膜，也可以降低能耗。（4）蒸氣分子要與殘余氣體分子碰撞，兩者都可能與基片碰撞。決定因素③蒸氣分子平均自由程與碰撞幾率（1）蒸氣分子的平均自由程各符號(hào)的意義:n，d，P，T注意n：蒸氣分子與殘余氣體分子碰撞， 忽略蒸氣分子之間的碰撞殘余氣體分子密度d：碰撞截面直徑，蒸發(fā)分子小蒸發(fā)分子直徑P：蒸發(fā)分子已脫離蒸發(fā)源表面腔內(nèi)壓強(qiáng)(真空)T：蒸發(fā)分子溫度，但遠(yuǎn)離蒸發(fā)源略低于蒸發(fā)溫度討論平均自由程與源—基距的關(guān)系工作時(shí)，沉積腔內(nèi)的壓強(qiáng)在0.1~0.01Pa范圍，蒸氣溫度在1000~1500K，分子直徑約10?，算出約為5~50cm。（1）可以采用高真空使得遠(yuǎn)大于沉積腔尺寸，蒸氣分子幾乎不發(fā)生碰撞到達(dá)基片，但是壓強(qiáng)越低，蒸氣分子密度越小。（2）可以縮短源—基距使蒸氣分子順利達(dá)到基片，但薄膜生長不易控制，受蒸發(fā)源影響大。（2）蒸氣分子與殘余氣體分子的碰撞幾率表示蒸氣分子飛越x距離后，與殘余氣體的碰撞幾率(1)增加10倍，f減小7倍(2)若要求f≤0.1,源基距為25cm則P≤3×10-3Pa2.真空蒸發(fā)制膜的純度影響薄膜純度的因素：1.蒸發(fā)源物質(zhì)的純度；2.殘留氣體的污染。3.加熱裝置、坩堝的污染；●殘余氣體的組成及其影響。大氣的殘余物（O2、N2、CO2、H2O），擴(kuò)散泵油蒸氣，真空室吸氣。當(dāng)P≤10-4Pa時(shí)，主要為真空室吸氣。水汽易與金屬膜反應(yīng)，或與加熱器材料反應(yīng)。在設(shè)計(jì)優(yōu)良的系統(tǒng)中，擴(kuò)散油蒸氣不明顯。殘余氣體雜質(zhì)濃度公式討論是否可從蒸發(fā)速率公式、氣體碰撞頻率公式，粘附系數(shù)出發(fā)，推導(dǎo)公式？蒸發(fā)速率雖然可以認(rèn)為是沉積（生長）速率，但公式中各參數(shù)難以確定。通?？梢酝ㄟ^實(shí)驗(yàn)確定厚度沉積速率s(?/s)(1)以原子個(gè)數(shù)表示的沉積速率:(2)雜質(zhì)原子的粘附系數(shù)為1，則雜質(zhì)原子的沉積速率即為碰撞頻率:(3)兩者相比可得雜質(zhì)濃度公式:提高純度的措施：1.提高本底真空度，蒸發(fā)可比濺射低5個(gè)數(shù)量級(jí)2.提高沉積速率，蒸發(fā)比濺射高1個(gè)量級(jí)以上3.蒸發(fā)制膜的厚度分布及蒸發(fā)源特性●影響膜厚分布的因素：A、蒸發(fā)源的特性；B、基板與蒸發(fā)源的幾何形狀，相對(duì)位置●假設(shè)：1、蒸發(fā)原子或分子與殘余氣體分子之間不發(fā)生碰撞；2、在蒸發(fā)源附近的蒸發(fā)原子間也不發(fā)生碰撞3、蒸發(fā)原子到達(dá)基板上后不發(fā)生再蒸發(fā)現(xiàn)象(1)點(diǎn)蒸發(fā)源膜厚分布點(diǎn)蒸發(fā)源dS以每秒m克向各方向蒸發(fā)，則處于立體角d

中的蒸發(fā)量dm為:到達(dá)ds2面的蒸發(fā)速率，若黏附系數(shù)為1，即為沉積速率。假設(shè)厚度沉積速率為t，膜的密度為

上式說明了源—基距為h，偏離基片中心x距離時(shí)的厚度，很顯然，當(dāng)源—基距一定時(shí)，x=0處，即處于基片中心的膜厚t0最大：膜厚分布:源—基距、基片尺寸對(duì)膜厚分布的影響討論t/t0ht/t0x基片尺寸一定時(shí)源—基距一定時(shí)(2)小平面蒸發(fā)源的膜厚分布特點(diǎn)：射入小孔的分子方向不改變?cè)讦冉欠较蛘舭l(fā)的材料質(zhì)量與cosθ成正比半球面(余弦散射定理)=特點(diǎn)：

1、在蒸發(fā)源內(nèi)物質(zhì)的蒸氣壓近似等于其平衡蒸氣壓；

2、蒸發(fā)源外仍可保持真空室的高真空度。

3、襯底上物質(zhì)的沉積規(guī)律：面積元dAs上接受的沉積物質(zhì)量為質(zhì)量沉積速度為:點(diǎn)源與小平面蒸發(fā)源相比，厚度的均勻性要好一些但淀積速率要低得多，單位質(zhì)量的原料所得膜厚1/4更好的一致性:

減小樣品尺寸(l)增加了到基底的距離(h)需要更大的腔體

需要更好的真空度

有利于廢物的蒸發(fā)可用多個(gè)蒸發(fā)源在蒸發(fā)鍍膜過程中可以移動(dòng)基底

(3)細(xì)長平面蒸發(fā)源相當(dāng)于熱絲，由許多小平面蒸發(fā)源構(gòu)成蒸發(fā)源ds上的蒸發(fā)物質(zhì)量為dms可視為小平面蒸發(fā)源，則基板小元面積dδ上的膜厚為(4)環(huán)狀平面蒸發(fā)源蒸發(fā)特性dm相當(dāng)于小平面源

作業(yè)1.結(jié)合物理氣相制膜的特點(diǎn)，說明為什么制備薄膜時(shí)需要真空？2.簡(jiǎn)要說明什么是氣體分子平均自由程和物理氣相沉積。3.現(xiàn)有機(jī)械泵、分子泵，請(qǐng)將他們按適當(dāng)?shù)捻樞蜻B接到真空制膜腔體上（畫圖），并說明理由。4.蒸發(fā)源與基板的相對(duì)位置配置(1)點(diǎn)源蒸發(fā)源放在球心，基板放在球面上，可得到均勻薄膜。x=0h(2)小平面蒸發(fā)源蒸發(fā)源、基板放在同一球面上，可得到均勻薄膜。5.蒸發(fā)源的類型

最常用的加熱方式：電阻法、電子束法、高頻感應(yīng)激光一、電阻蒸發(fā)源蒸發(fā)源材料的要求1）熔點(diǎn)要高，熔點(diǎn)要高于被蒸發(fā)物質(zhì)的蒸發(fā)溫度（多在1000~2000℃）；2）飽和蒸氣壓低，減少蒸發(fā)源材料蒸氣的污染.要求：蒸發(fā)材料的蒸發(fā)溫度低于蒸發(fā)源材料在平衡蒸氣壓為10-8托時(shí)的溫度。3）化學(xué)性能穩(wěn)定，不與鍍料反應(yīng)。4）耐熱性好，熱源變化時(shí)，功率密度變化較小。5）經(jīng)濟(jì)耐用。金屬電阻蒸發(fā)源材料加工性：W最差，室溫很脆，需400℃高溫退火Mo好Ta最好金屬蒸發(fā)源與鍍料的反應(yīng)例子：鉭與金；鋁、鐵、鎳、鈷等與鎢、鉬、鉭。改進(jìn)方法：陶瓷坩堝陶瓷坩堝的性能鍍料熔化后，若有沿蒸發(fā)源擴(kuò)展的傾向時(shí)，兩者是浸潤的。反之，是不浸潤的。浸潤時(shí)，為面蒸發(fā)源，蒸發(fā)狀態(tài)穩(wěn)定。不侵潤時(shí)，為點(diǎn)蒸發(fā)源，若用絲式蒸發(fā)源時(shí)鍍料易脫落。鍍料與蒸發(fā)源的浸潤性各種形狀的電阻蒸發(fā)源1）絲式●

a)、b)要求浸潤性，鍍料為絲狀。但浸潤好意味著有輕微合金化，只能用1次。●

c)不要求浸潤性，鍍料可絲狀、塊狀●蒸發(fā)加熱絲的直徑：0.5-1mm，特殊1.5mm,多股2）蒸發(fā)舟

●用金屬箔制成，箔厚0.05-0.15mm，可蒸發(fā)塊狀、絲狀、粉狀鍍料●注意避免局部過熱，發(fā)生飛濺3）外熱坩堝二、電子束蒸發(fā)源●定義：將鍍料放入水冷銅坩堝中，利用高能電子束轟擊鍍料，使其受熱蒸發(fā)?！耠娮枵舭l(fā)源的缺點(diǎn)1）不能蒸發(fā)某些難熔金屬和氧化物2）不能制備高純度薄膜電子束加熱的特點(diǎn)一、優(yōu)點(diǎn)：1）采用聚焦電子束，功率密度高，可蒸發(fā)高熔點(diǎn)鍍料（3000℃以上）如W，Mo，Ge，SiO2，Al2O3等。2）采用水冷坩堝，可避免坩堝材料的蒸發(fā)，及坩堝與鍍料的反應(yīng)，制得高純度薄膜。3）熱量直接加在鍍料上，熱效率高，傳導(dǎo)，輻射的熱損失少。二、缺點(diǎn)：1）電子槍發(fā)出的一次電子和蒸發(fā)材料發(fā)出的二次電子會(huì)使蒸發(fā)原子和殘留氣體電離，影響膜層質(zhì)量。2）多數(shù)化合物在受到電子轟擊時(shí)會(huì)部分分解。3）設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，昂貴。4）當(dāng)加速電壓過高時(shí)產(chǎn)生軟X射線會(huì)對(duì)人體有傷害。4）電子束蒸發(fā)源的結(jié)構(gòu)●環(huán)形槍：環(huán)狀陰極發(fā)射電子，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單缺點(diǎn)：陰極與坩堝近，陰極材料的蒸發(fā)污染；陰極與坩堝加有高壓，導(dǎo)致閃火、輝光放電，并隨蒸氣壓力和電壓增加，導(dǎo)致功率、效率上不去?！裰睒屳S對(duì)稱的直線加速電子槍，陰極發(fā)射電子，陽極加速，缺點(diǎn)是體積大，成本高，蒸鍍材料會(huì)污染槍體，燈絲逸出的Na+離子污染膜層?！?/p>

偏轉(zhuǎn)槍偏轉(zhuǎn)180°

偏轉(zhuǎn)270°，e型槍e型槍優(yōu)點(diǎn)1）電子束偏轉(zhuǎn)180°以上，多為270°，避免了鍍膜材料對(duì)槍體的污染，并給鍍膜留出了更大的空間。2）收集極使正離子對(duì)膜的影響減少。3）吸收極使二次電子對(duì)基板的轟擊減少。4）陰極結(jié)構(gòu)防止極間放電，又避免了燈絲污染。5）可通過調(diào)節(jié)磁場(chǎng)改變電子束的轟擊位置。三、高頻感應(yīng)蒸發(fā)源

●原理：將鍍料放在坩堝中，坩堝放在高頻螺旋線圈的中央，使鍍料在高頻電磁場(chǎng)的感應(yīng)下產(chǎn)生渦流損失和磁滯損失（對(duì)鐵磁體）而升溫蒸發(fā)。二）特點(diǎn)：1）蒸發(fā)速率大，可比電阻蒸發(fā)源大10倍左右。2）蒸發(fā)源的溫度均勻穩(wěn)定，不易產(chǎn)生飛濺現(xiàn)象。3）鍍料是金屬時(shí)可自身產(chǎn)生熱量，坩鍋可選用與蒸發(fā)材料反應(yīng)最小的材料。三）缺點(diǎn)：1）蒸發(fā)裝置必須屏蔽，否則會(huì)對(duì)廣播通訊產(chǎn)生影響。2）線圈附近壓強(qiáng)超過10-2Pa時(shí)，高頻電場(chǎng)會(huì)使殘余氣體電離。3）高頻發(fā)生器昂貴。四、激光蒸發(fā)

●優(yōu)點(diǎn)：1）加熱溫度高，可蒸發(fā)任何吸收激光的材料（如石墨，熔點(diǎn)為3500℃）。2）采用非接觸式加熱，避免了蒸發(fā)源的污染，非常適宜于制備高純薄膜。3）蒸發(fā)速率可極高（如Si可得到106?/s）。4）方便于多源順序蒸發(fā)或多源共蒸發(fā)?！穸x：利用高能激光作為熱源來蒸鍍薄膜的方法。激光器材料波長脈寬脈沖頻率功率連續(xù)激光器CO210.6μm//100W脈沖激光器準(zhǔn)分子激光紅寶石YAGNd玻璃XeFXeClKrFArF6943?

1.06μm可調(diào)351nm308nm248nm193nm30ns200ns0.4ms20-30ns25-30ns0.2Hz1000-20000.1Hz1-20Hz5Hz10Hz104W/cm2105-106105W/cm20.1-1J650mJ3-4J準(zhǔn)分子激光的特點(diǎn)：波長短、脈寬短、頻率低CO2激光——連續(xù)激光材料表面溫度：P:激光功率r:反射率d:光點(diǎn)直徑k:導(dǎo)熱系數(shù)例：P=100W,r=0，d=1mm,k=50W/m·k石墨表面1000℃，改用粉末狀鍍料，導(dǎo)熱系數(shù)下降1個(gè)量級(jí)脈沖激光特點(diǎn)：閃爍蒸發(fā)，有利于控制化學(xué)成分和防止分解；又由于材料氣化時(shí)間短，不足以使周圍材料達(dá)到蒸發(fā)溫度，所以不易出現(xiàn)分餾現(xiàn)象。脈沖激光燒蝕（PulsedLaserAblation）定義：將準(zhǔn)分子激光器所產(chǎn)生的高強(qiáng)度脈沖激光束聚焦于靶材表面，使之產(chǎn)生高溫并熔蝕，并進(jìn)一步產(chǎn)生高溫高壓等離子體，等離子體作定向局域膨脹發(fā)射并在襯底上淀積形成薄膜。PLA成膜過程1.激光表面熔蝕，使蒸發(fā)粒子和等離子體產(chǎn)生2.蒸發(fā)粒子和等離子體的定向局域等溫膨脹發(fā)射3.在基板上沉積形成薄膜(1)激光與靶的作用過程高強(qiáng)度脈沖激光照射靶材時(shí)，靶材吸收激光束能量并使束斑處的靶材溫度迅速升高至蒸發(fā)溫度以上，使靶材氣化蒸發(fā)并電離，從而形成局域化的高濃度蒸發(fā)粒子與等離子混合體。在納秒級(jí)短脈沖激光的作用期間，靶體內(nèi)束斑處原子的擴(kuò)散和液相的對(duì)流來不及發(fā)生，靶材的各組份元素一致氣化，不出現(xiàn)分餾現(xiàn)象。(2)等離子體的定向局域等溫絕熱膨脹發(fā)射

靶表面等離子體區(qū)繼續(xù)吸收激光的能量，產(chǎn)生進(jìn)一步的電離，等離子體區(qū)的溫度和壓力迅速升高，以等溫（激光作用時(shí)）和絕熱（激光終止時(shí)）膨脹的方式沿靶面軸線向空間中傳播，傳播的速度可高達(dá)105～106cm/s，具有瞬間爆炸的形式，在空間中形成細(xì)長的等離子體羽輝。羽輝的空間分布可用高次余弦cosn

描述，

為相對(duì)靶面法線的夾角。n的典型值為5～10，視靶材而異。

(3)在基板上沉積形成薄膜在絕熱膨脹的等離子體遇到靶對(duì)面的基板后即在上面凝結(jié)形成薄膜。等離子體能量在10～103eV之間，其最可幾分布為60～100eV，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)蒸發(fā)和濺射產(chǎn)物的能量。PLA的主要特點(diǎn)

(1)PLA法可以生長和靶材成份一致的多元化合物薄膜，甚至是含有易揮發(fā)元素的多元化合物薄膜。其原因有三：第一，由于采用閃爍蒸發(fā)，脈沖作用時(shí)間短，重復(fù)頻率低，表面熔蝕區(qū)只有1～10

m，而靶的其他部分（包括夾具、墊板等）處于絕熱狀態(tài)，不受激光加熱的影響，從而保證了蒸發(fā)原子與靶材的一致性。第二，由于等離子體的瞬間爆炸式發(fā)射，以及等離子體沿軸向空間的約束效應(yīng)，防止了在輸運(yùn)過程中可能出現(xiàn)的成份偏析。第三，成膜的的原子、分子和離子具有極快的運(yùn)動(dòng)速度，增強(qiáng)了原子間的結(jié)合力，消除了由于不同種類原子與襯底之間粘接系數(shù)不同所引起的成份偏離。(2)準(zhǔn)分子激光波長短，其輻射頻率位于紫外波段，易于被金屬、氧化物、陶瓷、玻璃、高分子材料和塑料等多種材料吸收。用其加熱可以達(dá)到極高的溫度，可蒸發(fā)任何高熔點(diǎn)材料，并且可以獲得很高的沉積速率(10～50nm/min)。⑶蒸發(fā)粒子與等離子混合體能量高，入射原子在襯底表面的擴(kuò)散劇烈。并且由于脈沖頻率低，使得成膜原子的擴(kuò)散時(shí)間也足夠長。因此薄膜的附著力好，易于在低溫下實(shí)現(xiàn)外延生長，特別適合于制作高溫超導(dǎo)、鐵電、壓電、電光等功能薄膜。⑷由于等離子混合體具有極高的前向速度，真空室中殘留氣體的散射作用相對(duì)減弱，因此PLA往往不要求在高真空下進(jìn)行（例如，制備YBa2Cu3O7-

高溫超導(dǎo)薄膜的本底真空通常為10Pa），簡(jiǎn)化了設(shè)備，縮短了生產(chǎn)周期。PLA的缺點(diǎn)：(1)薄膜表面存在微米-亞微米尺度的顆粒物；(2)制備的薄膜面積較??；(3)某些靶膜成分不一致。實(shí)際蒸發(fā)源的特點(diǎn)：點(diǎn)源：電子束，激光蒸發(fā)小平面：蒸發(fā)舟，陶瓷坩堝（浸潤）6.合金及化合物的蒸發(fā)

一）合金的蒸發(fā)

●關(guān)鍵點(diǎn)：如何控制成分其中：GA、GB為蒸發(fā)速率；為飽和蒸氣壓

A、B兩組份蒸發(fā)速率之比為：但不知，假設(shè)合金中各成分的飽和蒸氣壓服從拉烏爾定律

nA、nB：合金中A、B組分的摩爾數(shù)PA，PB為各組分單質(zhì)的飽和蒸氣壓所以式中WA、WB為重量比上式說明當(dāng)合金成分一定時(shí)，各組元的蒸發(fā)速率與成正比。例：1527℃時(shí)蒸發(fā)鎳鉻合金（Ni80%，Cr20%）。Pcr=10-1Torr PNi=10-2Torr

∴在蒸發(fā)初期，富鉻，導(dǎo)致薄膜有良好附著力?；疃认禂?shù)絕大多少合金的Z不等于1，意味著成分偏析。Z主要受合金成分的影響。Z=1的例子，坡莫合金活度修正經(jīng)時(shí)變化（Z≠1）設(shè)蒸發(fā)初期，易蒸發(fā)成分A優(yōu)先蒸發(fā)，考察表面成分1）擴(kuò)散速度>蒸發(fā)速度，蒸發(fā)面表面成分不變，薄膜成分恒定，可由上式計(jì)算；2）擴(kuò)散速度<蒸發(fā)速度，蒸發(fā)面表面缺A，不久就會(huì)形成成分B的優(yōu)先蒸發(fā)沉積，制得的薄膜由富A相向富B相連續(xù)變化。特別時(shí)當(dāng)發(fā)生升華或從高溫溶液中急速蒸發(fā)時(shí)。（1）瞬時(shí)蒸發(fā)法

又稱“閃蒸法”，將細(xì)小的合金顆粒，逐次送到非常熾熱的蒸發(fā)器中，使顆粒在瞬間完全蒸發(fā)。常用于合金中元素的蒸發(fā)速率相差很大的場(chǎng)合。關(guān)鍵是選取粉末料的粒度，蒸發(fā)溫度和進(jìn)料的速率。（2）雙源或多源蒸發(fā)法

將合金的每一成分，分別裝入各自的蒸發(fā)源中，然后獨(dú)立地控制各蒸發(fā)源的蒸發(fā)速率，以控制薄膜的組成。

為了使膜厚均勻，通常需要旋轉(zhuǎn)。二）化合物的蒸發(fā)

化合物的蒸發(fā)方式有三種：（1）電阻加熱法；（2）反應(yīng)蒸發(fā)法；（3）雙源或多源蒸發(fā)法→分子束外延。

電阻加熱的缺點(diǎn)：A）化合物的熔點(diǎn)較高，電阻加熱溫度不夠。B）許多化合物在高溫下會(huì)分解，如Al2O3，TiO2等會(huì)失氧。C)有些化合物飽和蒸氣壓低，難于用電阻蒸發(fā)法。反應(yīng)蒸發(fā)法原理：將活性氣體導(dǎo)入真空室，使之與被蒸發(fā)的金屬原子，低價(jià)化合物分子在基板表面反應(yīng)，形成所需化合物薄膜。：例：Al（蒸發(fā)）+O2（活性氣體）→Al2O3Sn（蒸發(fā)）+O2（活性氣體）→SnO2Si（蒸發(fā)）+C2H2（活性氣體）→SiC

反應(yīng)的位置：A）蒸發(fā)源表面，會(huì)降低蒸發(fā)速率，盡量避免B）源與基片之間，由于氣壓為10-2Pa，λ=50cm反應(yīng)的幾率很小。

C）基片表面，氣體的吸附時(shí)間比空間中氣體原子與蒸發(fā)原子碰撞的馳豫時(shí)間長得多。在安裝上將氣體直接噴到基片表面。

三）特殊的蒸發(fā)法（1）電弧蒸發(fā)法在高真空下，將鍍料做成兩個(gè)棒狀電極，通電使其發(fā)生電弧放電，使接觸部分達(dá)到高溫而蒸發(fā)。特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：可蒸發(fā)高熔點(diǎn)材料，克服了電阻加熱可能存在的污染及反應(yīng)，又比電子束蒸發(fā)便宜。不足：適用于導(dǎo)電材料，蒸發(fā)速率難以控制，放電時(shí)飛濺的電極材料微粒會(huì)對(duì)膜層有影響。（2）熱壁法1）蒸發(fā)在石英管中進(jìn)行，通常石英管溫度比基片高，使蒸發(fā)原子、分子通過石英管被導(dǎo)向基板，生成薄膜。2）是個(gè)熱平衡過程，可制備外延薄膜，但可控性、重復(fù)性差。7.膜厚和淀積速率的測(cè)量與監(jiān)控

一）膜厚的分類（1）形狀膜厚dT

薄膜表面是凸凹不平的，存在著一個(gè)平均表面，平均表面到襯底的距離，稱為形狀膜厚。（2）質(zhì)量膜厚dM通過稱重等方法得到薄膜的質(zhì)量，除以塊材的密度得到的膜厚，由于薄膜中存在氣孔、空孔、吸附氣體，晶界等缺陷，密度小于塊材。因此dM＜dT。（3）物性膜厚dp

通過測(cè)量一種物理性質(zhì)（如透射率，電阻率等）在薄膜中的變化，與塊材相比，得出的膜厚。通常：dT≥dM≥dP

二）稱重法（1）微量天平法將微量天平置于真空室中，基片吊在天平橫梁的一端，稱出隨膜的淀積而產(chǎn)生的天平傾斜，進(jìn)而積分得到薄膜質(zhì)量，求得膜厚。

優(yōu)點(diǎn)：原位測(cè)量法靈敏度高，則測(cè)量質(zhì)量誤差可達(dá)±2ug，若采用間接稱重法，由于薄膜會(huì)立刻吸附水氣，精度要差1~2個(gè)數(shù)量級(jí)。

缺點(diǎn)：不能測(cè)量膜厚分布，只能得到平均膜厚，由于薄膜密度小于塊材，膜厚偏小。特點(diǎn)（2）石英晶體振蕩法原理：利用石英晶體的振蕩頻率隨晶片厚度變化的關(guān)系，在晶片上鍍膜，測(cè)頻率的變化，就可求出質(zhì)量膜厚。數(shù)學(xué)關(guān)系固有頻率：v：厚度方向上彈性波的速度，切變彈性系數(shù)，N為頻率常數(shù)，只與晶體的切向有關(guān)求導(dǎo)，得：若在蒸鍍時(shí)石英晶體上接收的淀積厚度為dx(質(zhì)量膜厚)，則相應(yīng)的晶體厚度變化為

優(yōu)點(diǎn)：原位測(cè)量法，引入時(shí)間的微分電路，還可測(cè)薄膜的生長速度，靈敏度高，20HZ左右，相應(yīng)于石英的質(zhì)量膜厚為12埃。

缺點(diǎn)：

（1）只能得到平均膜厚；（2）當(dāng)石英晶片與蒸發(fā)源位置改變時(shí)，需校準(zhǔn)；（3）在濺射法中測(cè)膜厚，易受電磁干擾；（4）探頭溫度不能超過80℃。

特點(diǎn)三）電學(xué)方法（1）電阻法（適用于金屬膜）RS；方阻，與正方形尺寸無關(guān)（Ω/口）a：薄膜電阻體寬度四探針測(cè)方阻，電阻率

誤差≥±5%基片薄膜ta（2）電容法（適用于介質(zhì)膜）

需制上、下電極，且不能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。At電極

薄膜

（3）電離式監(jiān)控計(jì)原理類似于B-A型電離真空計(jì)：傳感規(guī)的離子電流大小與蒸汽的密度成正比。用一只傳感規(guī)測(cè)出蒸發(fā)物蒸氣與殘余氣體離子電離的大?。挥昧硪恢谎a(bǔ)償規(guī)測(cè)出殘余氣體的離子電流，兩者相減，可得蒸發(fā)速率。用于監(jiān)控沉積速率，僅適用于真空蒸發(fā)四）光學(xué)方法R：反射率；α：吸收系數(shù)特點(diǎn)：（1）只適用于連續(xù)的薄膜；（2）可用于檢查膜厚的均勻性；（3）并非所有材料的吸收都符合上式（1）光吸收法（2）光干涉法單色光從薄膜上、下表面反射，當(dāng)膜厚導(dǎo)致的光程差為n倍λ時(shí)，會(huì)發(fā)生干涉。光程差為：nc(AB+BC)–AN又，折射定律：光程差＝極值出現(xiàn)在：n1>n2，極大值n1<n2，極小值金屬膜吸收太強(qiáng)，不適用。①透明薄膜厚度的測(cè)量測(cè)試條件：?jiǎn)紊?、垂直入射，反射光?qiáng)度將隨膜厚而周期變化。單色平行光照射到楔形薄膜上，反射后，會(huì)在固定的位置產(chǎn)生干涉的最大和最小，所以可觀察到明暗相間的平等條紋。2.2不透明薄膜厚度的測(cè)量

－等厚干涉條紋法若膜厚不均，干涉條紋也就不規(guī)則。若膜厚有臺(tái)階，干涉條紋出現(xiàn)臺(tái)階，顯然相鄰干涉條紋間相差λ/2。反射鏡用曲率半徑很?。╱m）的藍(lán)寶石或金剛石觸針，在薄膜表面上移動(dòng)，而記錄下表面的起伏。

常用的信號(hào)記錄方法有：1．差動(dòng)變壓器法，觸針牽動(dòng)鐵芯上下移動(dòng)，由線圈輸出差動(dòng)電信號(hào)。2．阻抗放大法觸針上下移動(dòng)使電感器間隙d發(fā)生相應(yīng)變化，使得阻抗改變。

五、觸針法應(yīng)用時(shí)注意：1）不能用于軟質(zhì)膜，否則觸針會(huì)穿透薄膜，導(dǎo)致極大誤差。2）基片不平整會(huì)產(chǎn)生“噪聲”誤差。3）被測(cè)薄膜與基片之間必須有膜基臺(tái)階存在，才能進(jìn)行測(cè)量。3．壓電元件法觸針上下移動(dòng)時(shí)，作用在壓電晶體上的力隨著改變，從而使輸出電信號(hào)改變。?概念什么是濺射鍍膜？濺射鍍膜指在真空室中，利用荷能粒子轟擊固體表面，使固體原子或分子從表面射出，并在基片上沉積的技術(shù)。荷能粒子可以是電子、離子或者中性粒子，因?yàn)殡x子在電場(chǎng)作用下容易加速并且獲得需要的動(dòng)能，所以大多采用離子作為轟擊粒子。典型的濺射設(shè)備隨著退火溫度升高發(fā)展歷史1842年，Grove在實(shí)驗(yàn)室中研究電子管陰極腐蝕問題時(shí)，發(fā)現(xiàn)陰極材料遷移到了真空管壁上。1853年，法拉第在進(jìn)行氣體放電實(shí)驗(yàn)時(shí)，總是發(fā)現(xiàn)放電管玻璃內(nèi)壁上有金屬沉積的現(xiàn)象，對(duì)造成這種現(xiàn)象的原因不解，且把它作為有害的現(xiàn)象想法避免。1902年，Goldstein證明上述金屬沉積是正離子轟擊陰極濺射出的產(chǎn)物。1930’s，已經(jīng)有人利用濺射現(xiàn)象在實(shí)驗(yàn)室制取薄膜。60年代初，Bell實(shí)驗(yàn)室和WesternElectric公司利用濺射制取集成電路用的Ta膜，開始了濺射技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用。1963年制作出長度為10m的連續(xù)濺射鍍膜裝置。1965年，IBM公司研究出射頻濺射法，使絕緣體的濺射鍍膜成為可能。1969年，BattelePacificNorthwest實(shí)驗(yàn)室做成了實(shí)用的三極高速濺射裝置。1974年，J.Chapin實(shí)現(xiàn)了高速、低溫濺射鍍膜，平面磁控濺射。濺射的特點(diǎn)濺射還可以用作刻蝕，目前已經(jīng)廣泛用于制備金屬、合金、半導(dǎo)體、氧化物、絕緣介質(zhì)膜、碳化物、氮化物等等。(2)薄膜與基板之間的附著性好

濺射原子的能量比蒸發(fā)原子高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，所以高能粒子沉積在基板上進(jìn)行能量交換，有較高的熱能，增強(qiáng)了薄膜與基板間的附著力。與真空蒸發(fā)法相比，有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)

任何物質(zhì)均可以濺射

材料性質(zhì)——高熔點(diǎn)、低蒸汽壓的元素和化合物；

材料形態(tài)——塊狀、粉末、粒狀；沒有分解和分餾現(xiàn)象。（5）可以在較大面積上獲得厚度均勻的薄膜。（3）薄膜密度高，針孔少，純度高——因?yàn)闆]有坩鍋污染；（4）膜厚可控性和重復(fù)性好——通過控制靶電流和放電電流?？梢浴霸谌魏尾牧系幕迳铣练e任何材料的薄膜”，所以在新材料發(fā)現(xiàn)、新功能應(yīng)用、新器件制作方面起著舉足輕重的作用。射頻濺射和磁控濺射技術(shù)已經(jīng)克服了后二者的缺點(diǎn)。缺點(diǎn)：濺射設(shè)備復(fù)雜，需要高壓裝置；成膜速度低，一般在0.01～0.5μm/min；基板溫度上升較高，容易受雜質(zhì)氣體影響；濺射的特點(diǎn)3.1氣體放電現(xiàn)象與等離子體氣體放電現(xiàn)象濺射氣體至真空泵陽極襯底濺射靶絕緣輝光放電區(qū)－V（DC）直流電場(chǎng)作用下物質(zhì)的濺射：

對(duì)系統(tǒng)抽真空后，充入適當(dāng)壓力的惰性氣體，如Ar。在正負(fù)電極間外加電壓的作用下，電極間的氣體原子將被大量電離。電離過程使Ar原子電離為Ar+和可以獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的電子，其中的電子會(huì)加速飛向陽極，而Ar+則在電場(chǎng)的作用下加速飛向作為陰極的靶材，并在與靶材的撞擊過程中釋放出相應(yīng)的能量。離子高速撞擊靶材的結(jié)果之一是使大量的靶材表面原子獲得相當(dāng)高的能量，使其可能脫離靶材的束縛而飛向襯底。等離子體什么是等離子體？The“fourthstateofmatter”;Apartiallyionizedgas.固體

冰液體

水氣體

水汽等離子體

電離氣體溫度00C1000C100000C由大量的帶電粒子組成的非束縛態(tài)的宏觀體系非束縛性：異類帶電粒子之間相互“自由”，等離子體的基本粒子元是正負(fù)荷電的粒子（電子、離子），而不是其結(jié)合體。粒子與電磁場(chǎng)的不可分割性：等離子體中粒子的運(yùn)動(dòng)與電磁場(chǎng)（外場(chǎng)及粒子產(chǎn)生的自洽場(chǎng)）的運(yùn)動(dòng)緊密耦合，不可分割。集體效應(yīng)起主導(dǎo)作用：等離子體中相互作用的電磁力是長程的。電離氣體是一種常見的等離子體放電是使氣體轉(zhuǎn)變成等離子體的一種常見形式

等離子體

電離氣體普通氣體等離子體放電需要有足夠的電離度的電離氣體才具有等離子體性質(zhì)。 “電性”比“中性”更重要(電離度>10-4)宇宙中99％物質(zhì)處于等離子體態(tài)等離子體等離子體是一種中性、高能量、離子化的氣體，包含中性原子或分子、原子團(tuán)、帶電離子和自由電子。作用：

1、提供發(fā)生在襯底表面的氣體反應(yīng)所需要的大部分能量。

2、通過等離子刻蝕選擇性地去處金屬。

等離子體的產(chǎn)生等離子體的獲得方法：1）熱致電離產(chǎn)生等離子體：任何物質(zhì)加熱到足夠高的溫度后都能產(chǎn)生電離。當(dāng)粒子所具有的動(dòng)能，在粒子間的碰撞中足以引起相碰粒子中的一個(gè)粒子產(chǎn)生電離時(shí)，才能得到等離子體。2）氣體放電產(chǎn)生等離子體：在工程上和實(shí)驗(yàn)室廣泛采用的是氣體放電方法產(chǎn)生等離子體。產(chǎn)生等離子體的其它方法：?交流放電：低頻放電、中頻放電、射頻放電；?脈沖放電：恒流、恒壓；?微波放電：微波及電子回旋共振(ECR)；?射頻感應(yīng)耦合等離子體；?介質(zhì)阻擋放電等離子體；?大氣壓放電等離子體。3.1.1氣體放電基本過程

假設(shè)有一個(gè)直流放電系統(tǒng)，設(shè)電極之間電動(dòng)勢(shì)為E，直流電源提供電壓V和電流I，并以電阻R作為限流電阻，則V=E-IR1、開始時(shí)：電極之間幾乎沒有電流通過，只有極少量的電離粒子在電場(chǎng)作用下定向運(yùn)動(dòng)，在宏觀上表現(xiàn)出很微弱的電流。2、隨著電壓的逐漸升高：電離粒子達(dá)到飽和，電流達(dá)到一個(gè)飽和值，它取決于氣體中原來已經(jīng)電離原子數(shù)。放電過程的五個(gè)階段：3、當(dāng)電壓繼續(xù)升高時(shí)：離子與陰極之間以及電子與氣體分子之間的碰撞變得重要起來。

1)電子碰撞開始導(dǎo)致氣體分子電離，

2)離子對(duì)于陰極的碰撞產(chǎn)生二次電子

結(jié)果：碰撞過程導(dǎo)致離子和電子數(shù)目呈雪崩式的增加。這時(shí)，放電電流I迅速增加，電壓U變化不大。這種放電過程被稱為湯生放電（Townsenddischarge）。

放電過程的五個(gè)階段：在湯生放電的后期，放電開始進(jìn)入電暈(corona)放電階段。這時(shí)，在電場(chǎng)強(qiáng)度較高的電極尖端部位開始出現(xiàn)一些跳躍的電暈光斑，因此，這一階段被稱為電暈放電。235放電過程的五個(gè)階段：4、輝光放電（glowdischarge）（1）正常輝光放電湯生放電之后，氣體突然發(fā)生放電擊穿（breakdown）現(xiàn)象。電路的電流大幅度增加，同時(shí)放電電壓顯著下降。這是由于這時(shí)的氣體已被擊穿，因而氣體電阻將隨著電離度的增加而顯著下降，放電區(qū)由原來只集中于陰極的邊緣和不規(guī)則處變成向整個(gè)電極上擴(kuò)展。在這一階段，導(dǎo)電粒子的數(shù)目大大增加，在碰撞過程中的能量也足夠高，因此會(huì)產(chǎn)生明顯的輝光。（2）異常輝光放電電流的繼續(xù)增加將使得輝光區(qū)域擴(kuò)展到整個(gè)放電長度上，輝光亮度提高，電流增加的同時(shí)電壓也開始上升。這是由于放電已擴(kuò)展至整個(gè)電極區(qū)域以后，再增加電流就需要相應(yīng)地提高外電壓。（注：一般濺射法常采用異常輝光放電，實(shí)現(xiàn)大面積均勻?yàn)R射和薄膜沉積。）236放電過程的五個(gè)階段：5、隨著電流的繼續(xù)增加，放電電壓將再次突然大幅度下降，電流劇烈增加。表明等離子體導(dǎo)電能力進(jìn)一步提高。等離子體分布區(qū)域發(fā)生急劇收縮，陰極表面開始出現(xiàn)很多小的、孤立的電弧放電斑點(diǎn)。這時(shí)，放電現(xiàn)象開始進(jìn)入電弧放電階段(arcdischarge)。3.1.2輝光放電現(xiàn)象及等離子體鞘層假設(shè)真空放電室中安置兩個(gè)電極，通入壓強(qiáng)為0.1-10Pa的Ar，當(dāng)外加直流高壓超過著火電壓時(shí)，氣體就由絕緣體變成導(dǎo)體，電流突然上升，兩極間電壓突然下降，此時(shí)兩極間就會(huì)出現(xiàn)明暗相間的光層，這就是輝光放電。

氣體的輝光放電意味著部分的氣體分子開始分解為可以導(dǎo)電的離子與電子，即形成等離子體。此時(shí)，放電過程進(jìn)入了可以自持的階段，氣體中的荷電粒子在吸收了一定的電場(chǎng)能量之后，已經(jīng)可以不斷地“復(fù)制”出新的電子和離子。輝光放電區(qū)域劃分從陰極至陽極依次為：阿斯頓暗區(qū)，陰極輝光區(qū)，克魯克斯陰極暗區(qū)，負(fù)輝光區(qū)，法拉第暗區(qū)，正輝光區(qū)，陽極暗區(qū)和陽極輝光區(qū)共八個(gè)發(fā)光強(qiáng)度不同的區(qū)域。輝光放電時(shí)區(qū)域的典型劃分：暗區(qū)相當(dāng)于離子和電子從電場(chǎng)獲取能量的加速區(qū)。輝光區(qū)相當(dāng)于不同粒子發(fā)生碰撞、復(fù)合、電離的區(qū)域。陰極輝光是由向陰極運(yùn)動(dòng)的正離子與陰極發(fā)射出的二次電子發(fā)生復(fù)合所產(chǎn)生的。陰極暗區(qū)是二次電子和離子的主要加速區(qū),該區(qū)電壓降占整個(gè)放電電壓的大部分。負(fù)輝光區(qū)是發(fā)光最強(qiáng)的區(qū)域，是已獲加速的電子與氣體原子發(fā)生碰撞而電離的區(qū)域。“帕邢（Paschen）曲線”氣體放電條件氣體在正常輝光放電階段發(fā)生放電擊穿現(xiàn)象，這個(gè)放電擊穿是有條件的，條件就是要有一定的電壓。這個(gè)電壓跟氣體的壓力有關(guān)。帕邢曲線就是表征均勻電場(chǎng)氣體間隙擊穿電壓、間隙距離和氣壓間關(guān)系的定律。只有當(dāng)氣體壓力和電極間距的乘積pd為某一數(shù)值時(shí)，氣體最容易發(fā)生放電擊穿。

在氣體成分和電極材料一定時(shí)，擊穿電壓只與氣壓及電極距離的乘積相關(guān)。VB=f(P.d)

p太小，d太小——二次電子在碰撞陽極前不能進(jìn)行足夠數(shù)量的電離碰撞。

p太大，d太大——?jiǎng)t氣體中產(chǎn)生的離子，會(huì)由于非彈性碰撞被慢化、減速，以致到達(dá)陰極時(shí)已無足夠的能量來產(chǎn)生二次電子。大多數(shù)的輝光放電，pd乘積應(yīng)在最小值的右側(cè)——p有一定值，n較多；d有一定值，濺射效率較高，特別是成膜區(qū)可以擴(kuò)大。氣體放電條件帕邢曲線和擊穿電壓

一般情況下，起輝放電的最低氣壓

Pmin=le/d，le為自由程，d為極間距。對(duì)于Ar來說，1Torr壓力下，

le≈2×10-3m

極間距

d≤10-1m.

此時(shí)，Pmin≈2×10-2Torr

輝光放電的電流強(qiáng)度一般為10-1～102mA/cm2

幾種氣體的電離幾率通常采用Ar氣，原因：電離率高，容易起輝惰性氣體，不反應(yīng)價(jià)格便宜等離子體鞘層

相對(duì)于弧光放電來講，輝光放電等離子體中電離粒子的密度以及粒子的平均能量較低，而放電的電壓較高。此時(shí)，質(zhì)量較大的重粒子，包括離子、中性原子和原子團(tuán)的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于質(zhì)量極小的電子的能量。因?yàn)橘|(zhì)量極小的電子極易在電場(chǎng)中加速獲得能量。不同粒子還具有極為不同的平均速度。電子與離子具有不同的速度的一個(gè)直接結(jié)果是形成所謂的等離子體鞘層，即相對(duì)于等離子體來講，任何位于等離子體中或其附近的物體都將自動(dòng)的處于一個(gè)負(fù)電位，并且在其表面外將伴隨有正電荷的積累。等離子體鞘層輝光放電等離子體鞘層及相應(yīng)的點(diǎn)位分布等離子體鞘層

假設(shè)在等離子體中，電子的速度服從麥克斯韋分布，則可以求出上述等離子體鞘層電位為：鞘層電位正比與電子溫度且與離子和電子的質(zhì)量有關(guān)。在薄膜制備的情況下，鞘層電位的存在意味著任何跨越鞘層而到達(dá)襯底的離子均將受到鞘層電位的加速作用，而獲得一定的能量，并對(duì)薄膜表面產(chǎn)生轟擊效應(yīng)；電子則會(huì)受到鞘層電位的排斥作用，因而只有一些能量較高的電子才能克服鞘層電位的阻礙，轟擊薄膜表面。等離子體鞘層直流輝光放電過程的電位分布和等離子鞘層陽極鞘層電位變化不大，陰極鞘層電位則由于外加電壓的疊加而顯著增加。在等離子體內(nèi)部，沒有靜電荷的積累，而其導(dǎo)電能力較高，因此其電位近似為恒定值，并且高于陰陽兩極各自的電位。這表明，兩極間的全部電壓降幾乎均集中在陰極鞘層中。3