薄膜技术期末复习资料

四、真空蒸镀
1、真空蒸发镀膜法（简称真空蒸镀）是在真空室中，加热蒸发容器中待形成薄膜的原材料，使其原子或分子从表面气化逸出，形成蒸气流，入射到固体（称为衬底或基片）表面，凝结形成固态薄膜的方法。
@真空室，为蒸发过程提供必要的真空环境；@蒸发源或蒸发加热器，放置蒸发材料并对其进行加热；@基板，用于接收蒸发物质并在其表面形成固态蒸发薄膜；@基板加热器及测温器等。
优点：结构简单，可获得大面积膜厚均匀的薄膜。
缺点：1.溅射参数不易独立控制，工艺重复性差；2.真空度低，1-10Pa，方能维持放电。3.残留气体对膜层的污染较严重；4.淀积速率低，小于10nm/min；5.基板的温升高(可达数百度左右)，辐照损伤大；6.靶材必须是良导体。
三极或四极wenku.baidu.com射：
1、二极溅射：放电靠离子轰击阴极发射二次电子来维持，因此需较高的工作气压。
机械泵+扩散泵系统为油系统
三、真空的测量
1、热偶真空计
a、原理：热偶真空计是利用低压下气体的热传导与压强有关的原理制成的真空计。压强较高时，气体传导的热量与压强无关，只有当压强降到低真空范围才与压强成正比。
Q =Q1＋Q2 + Q3，热平衡时，灯丝温度T为一定值。辐射热量Q1，灯丝与热偶丝的传导热量Q2为恒量，Q3随气体分子对灯丝的碰撞次数而变化，即与压强有关。真空度越高，则热丝表面温度越低（和热丝表面碰撞的气体分子多，带走的热量多）。
C、蒸发源材料的要求：a)、熔点高，b）饱和蒸汽压低，c)、化学性能稳定d）、具有良好的耐热性，热源变化时，功率密度变化较小，e）、原材料丰富，经济耐用
电子束蒸发源
I、工作原理：阴极灯丝发射电子后，受阳极的吸引而被加速，获得动能后轰击处于阳极的蒸发材料上，使蒸发材料加热气化，实现镀膜。
优缺点：A、电子束能流密度高，能胜任高熔点材料的温度，B、镀料放在水冷坩埚内，避免了容器材料与镀料之间的反应，从而提高了膜的纯度，C、热量可直接打到蒸镀材料表面，热效率高，热传导和热辐射损失少。
一、薄膜：采用一定方法使处于某种状态的一种或几种物质（原材料）基团以物理或化学方式附着于衬底表面，在衬底材料表面形成的一层新物质。
薄膜定义的特点：A、强调制备方法。B、强调了薄膜生长机理与过程
C、强调了薄膜生长必须依附基板（衬底）
二、1.对于每一种气体都有一个特定的温度，高于此温度时，气体无论如何压缩都不会液化，这个温度称为“临界温度”，高于临界温度的气体物质称气体，低于临界温度的气态物质称为蒸汽。
2、三极溅射：由热阴极发射电子来维持放电，同时使靶电位低于等离子体电位，阳极和基板支架分离，阴极和靶分离。
3、四极溅射：在三极溅射的基础上增加辅助阳极，作用是使放电更加稳定。
优点：1.轰击靶的离子电流和离子能量可独立控制，工艺重复性提高；2.在较低的气压下能维持放电0.1-0.01Pa；3.靶电压低，对基板的辐照损伤小；4.适宜于作半导体器件和集成电路。
分子流：高真空环境下，气体分子除了与容器壁发生碰撞外，几乎不发生分子间的碰撞
4、薄膜的制备方法
5、真空的获得（真空泵）
A、机械泵
原理：建立在波-马洛特定律的基础上，在一定的温度下容器的体积与压强成正比，它是通过转子的转动先从真空室内吸取一定量的体积的气体后，再通过转子的转动压缩气体使泵室的压强增大，当压强增大到某一定的值，气体便推开排气阀由排气管排出。
、没有冷却水，油分子不能及时冷却，返回泵底，影响抽速，甚至抽不上去，还可能返油到真空室中污染。
C、分子泵和罗茨泵
1、分子泵的原理：类似于精密的电风扇，靠高速旋转的叶片对气体施加作用力，并使气体分子向特定的方向运动而实现高真空。
分子泵的特点：启动迅速，噪声小，运行平稳，抽速大，无需任何工作液体。
2、罗茨泵（10-4）的原理：又称机械增压泵，既应用分子泵的原理，又利用油封机械泵的变容积原理。
缺点：1.灯丝损耗，灯丝不纯物对薄膜的污染；2.装置比二极溅射复杂，面积大、密度均匀的等离子体获得较困难；3.高速溅射时基板温升较高。
射频溅射:核心思想：解决绝缘材料溅射问题; (电离效率)
@优点：A、淀积导体、半导体、绝缘体在内内的所有材材料；B、不需要二次电子来维持放电，击穿电压及维持放电电压均很低；C、工作气压低(~1/10直流)；D、电子作振荡运动，增加了碰撞几率，便于吸收能量，
低真空：气体中的带电粒子在电场的作用下，会产生气体的导电现象，气体的状态过度到分子态，气体对流现象消失，、分子的平均自由程可以与容器的尺寸比拟，、分子间的碰撞减少，分子与容器壁的碰撞次数大大增加。
高真空：以气体分子与器壁碰撞为主；分子流已不能按连续流对待
二者的气体分子以空间飞行为主，超高真空以吸附停留为主
缺点：1.溅射设备复杂、需要高压装置；2.溅射淀积的成膜速度低，真空蒸镀：0.1～5μm/min，溅射：0.01～0.5μm/min；3.基板温升较高和易受杂质气体影响等。
直流辉光放电
溅射阈值：是指靶材原子发生溅射的入射离子所必须具有的最小能量，它与离子质量之间无明显的依赖关系，而主要取决于靶材料。
溅射率是描述溅射特性的重要物理指标，它表示正离子轰击靶阴极时，平均每个正离子能从阴极上打出的原子数。它与入射离子的种类，能量，角度及靶材的类型等有关。
直流二极溅射：靶为阴极，基片为阳极，由辉光放电产生等离子体。
电压约1~5 kV，出射原子的速率约3~6x105cm/s，能量约10~40 eV，到达基板的原子能量约1~2eV。工作气压：1~10Pa
2、特点：
a)成膜速度快，设备简单，操作容易；制得薄膜纯度高；薄膜生长机理比较简单；
b)缺点：薄膜附着力较小，结晶不够完善，工艺重复性不够好。
c)结构主要有：真空室，蒸发源、基板、基板加热器及测温计
3、若真空室压力过高，会出现什么情况？
a)蒸发源被气体氧化
b)气化原子或分子在飞行过程中被空气分子频繁碰撞致使难以形成均匀的薄膜层
## e型电子枪即偏离270︒的电子枪，电子束在磁场的作用下偏离270︒，进入蒸镀材料，
e构优点：正离子偏转方向与电子偏转方向相反，可避免直枪中正离子对镀层的污染；另外可有效地抑制电子。
II、三种膜厚：
溅射镀膜：
溅射原理：是荷能粒子轰击物质表面，并在碰撞过程中发生动能与动量的转移，从而将物质表面原子或分子激发出来的过程。
2、蒸发源的类型
A、电阻蒸发源
直接蒸发：采用钨钼等高熔点金属，做成适当形状的蒸发源，其上装入待蒸发材料，让电流通过，对蒸发材料直接进行加热蒸发。
间接蒸发：把待蒸发材料放入Al2O3. BeO等坩埚内进行间接蒸发。
B、特点：结构简单、价格便宜、制作容易，缺点：不能满足蒸镀某些难熔金属盒氧化材料的需要。关键：选择蒸发源材料及其形状。
2、特点：扩散泵油可以循环使用
扩散泵必须与机械泵配合使用才能组成高真空系统，单独使用扩散泵时没有抽气作用的。
泵油应具有良好的化学稳定性（无毒、无腐蚀），热稳定性（高温下不分解），抗氧化性和具有较低的饱和蒸气压（<=10-4Pa）以及工作时应有尽可能高的蒸气压。
3、油蒸汽向真空扩散会严重污染膜层
解决方法：I、在顶端喷嘴上装一个低于室温的冰冷挡板，可以把返油量降低到原来的1/10~1/100
罗茨泵的特点：转子与泵体、转子与转子之间保持一不大的间隙（约0.1 mm），缝隙不需要油润滑和密封，故很少有油蒸汽污染；转子可以有很大的转速；启动快振动小
罗茨泵的极限压强可以达到10-4Pa（双级泵）具有很大的抽速等特点。
aa、联泵
I、为减少有害空间的影响，通常采用双级泵。该泵必须由两个转子串联构成，以一个转子空间的出气口作为另一个转子空间的进气口，可将极限真空从单级泵的1 Pa提高到10-2
2、电离真空计
由阴极、阳极和离子收集极三个电极组成。类似于一个三级真空管，灯丝发射电子与气体分子发生碰撞使其电离，气体分子电离的多少与气体的分子密度成正比，即与压强成正比，根据离子电离的大小测量真空度。离子电流与阴极发射电流。气体种类和气体分子密度有关。
注意：不可再高气压下用，此时离子电流过大，将烧毁真空计。
量级（机械泵）
2、扩散泵必须与机械泵配合使用才能组成高真空系统，单独使用扩散泵时没有抽气作用的
3、分子泵时靠高速转动的转子碰撞气体并把它趋向排气口，由前级泵抽走，而使被抽容器获得超高真空的一种机械真空泵。
4、罗茨泵必须和前级泵串联使用。
例如：罗茨泵不能单独使用，既不能常压启动，需串联一个前级机械泵，当前级的泵抽到一定压强后，罗茨泵才能启动，在前级泵的基础上罗茨泵可以提高数量级。串联后组成的联合泵可以把真空度提高几个数量级。真空可划分为粗真空、高真空。而真空的获取需一级一级分级获得。
解决方法：是油气镇泵，在气体未压缩之前，先渗入一定量的空气，协助打开阀门，让水蒸汽在未凝结前排出。
B、扩散泵
1、原理：上下的气压差使真空室内气体向下扩散，与油分子碰撞发生能量交换，驱使被抽气体分子沿蒸汽流方向高速运动，带到出气口，由机械泵抽走。
油蒸汽喷到冰冷的泵壁被冷凝成液体，流回泵底，又被再次加热成蒸汽，循环工作从而获得高真空。
Ii =Ie wlp
测量的范围为：10-1~10-6Pa
压强大于10-1Pa时，虽然气体分子很多，但离子作用达到饱和，使曲线偏离线性。
压强小于10-6Pa时，阴极发射的高能电子达到阳极上，产生软X射线，当其辐射到离子收集极时，将自己的能量传给金属中的自由电子，使电子逸出金属，形成光电流，使离子电流增加，此时的粒子流是离子电流与光电流之和，使曲线偏离线性。
特点：I、Pn不可能趋于零，因为A、在出气与转子密封点之间存在“有害空间”，
B、单级泵时进气口与排气口压力差大。C、泵油在高温摩擦下，裂解形成轻馏成分。D、水蒸气凝结，形成悬浊液。
II、对机械泵油的基本要求:A、饱和蒸气压低B、有一定的湿润性和粘度C、稳定性高
##水分和油混合在一起，形成一种悬浊液，破坏油的密封和润滑，且使泵壁生锈。
II、在水冷挡板与被抽气体之间加入冷阱（液氮或弗利昂制冷）可进一步减少油的返流，一般，这二者同时使用，效果会更好。
aa、扩散泵不能单独使用的原因及bb、使用扩散泵忘记关闭冷却水结果会怎样？
答：扩散泵在任何压力环境下，都不能单独使用，因为出口压力达到一定值后，远大于进口压强，形成反压超过蒸汽流的作用，会使泵不能继续抽气。如果接触大气，还可能使扩散泵油悬浊分子氧化。
c)蒸发原子或分子沉积在基片上被污染（形成氧化物等）
蒸发源
A、点蒸发源:能从各个方向蒸发等量材料的微笑球状蒸发源
T= mh / 4πρ(h2+ x2)3/2,t0= m / 4πρh2,t/t0= 1 / [1 + (x +h)2]3/2
B、小平面蒸发源:蒸发源的发射特性具有方向性，即在θ方向蒸发的材料质量和cosθ成正比t = mh2/4πρ（h2+ x2）2， t0= m / πρh2,t/t0= 1 / [1 + (x + h)2]2(t代表膜厚，t0表示中心膜厚)
荷能粒子：1.为几十个电子伏特以上的粒子；2.可以是电子、离子或中性粒子。
优点：1.任何物质均可以溅射，尤其是高熔点、低蒸气压元素和化合物。只要是固体，不论是块状、粒状的物质都可以作为靶材；2.溅射膜与基板之间的附着性好。溅射原子的能量~10ev，蒸发～0.1ev。表面迁移强，溅射清洗作用，伪扩散层；3.溅射镀膜膜密度高，针孔少，且膜层的纯度较高，因为在溅射镀膜过程中，不存在真空镀膜时无法避免的坩埚污染现象；4.膜厚可控性和重复性好。
2.在一定温度下，真空室内蒸发物质的蒸汽与固体或液体平衡过程中所表现出的压力称为该物质的“饱和蒸气压”
规定物质在饱和蒸气压下为10-2托时的温度称为该物质的饱和蒸汽蒸发温度。
1Torr =133.322 Pa，1 bar = 105Pa
3.A、真空：指低于一个标准大气压的气体空间
B、划分：1、粗真空（105~102Pa）；2、低真空（102~10-1Pa）；3、高真空（10-1~10-6Pa）；4、超高真空(<10-6）
@缺点：靶上发射的二次电子对基片的辐照损伤没有消除。
磁控溅射：低温高速率溅射
@原理：以磁场的改变来改变电子的运动方向，并束缚和延长电子的运动方向的轨迹，从而提高了电子对工作气体的电离几率和有效地利用了电子的能量。由于磁场束缚的电子，又只能在其能量要耗尽时才沉积在基片上，所以磁控溅射具有低温高速两大特点。