薄膜物理与技术复习大全 (西电版)

1.薄膜定义：按照一定需要，利用特殊的制备技术，在基体表面形成厚度为亚微米至微米级的膜层。这种二维伸展的薄膜具有特殊的成分、结构和尺寸效应而使其获得三维材料所没有的特性，同时又很节约材料，所以非常重要。通常是把膜层无基片而能独立成形的厚度作为薄膜厚度的一个大致的标准，规定其厚度约在1µm左右。

2.一些表面定义：

1)理想表面：沿着三维晶体相互平行的两个面切开，得到的表面，除了原子平

移对称性破坏，与体内相同。

2)清洁表面：没有外界杂质。

3)弛豫表面：表面原子因受力不均向内收缩或向外膨胀。

4)重构表面：表面原子在与表面平行的方向上的周期也发生变化，不同于晶体

内部原子排列的二维对称性（再构）。

5)实际表面：存在外来原子或分子。

3. 薄膜的形成的物理过程

驰豫

重构驰豫+重构

⎧

⇒⇒⇒⎨

⎩

⎧⎧⎧

⇒⇒⇒⇒

⎨⎨⎨

⎩⎩⎩

稳定核（在捕获区）

单体的吸附形成小原子团临界核

临界核（在非捕获区）

大岛大岛连合沟道薄膜小岛

二次成核二、三次成核二、三次成核⎧

⎪

⎨

⎪

⎩

驰豫：表面向下收缩，表面层原子与内层原子

结构缺陷间距比内层原子相互之间有所减小。

重构：在平行表面方向上原子重排。

①小岛阶段——成核和核长大，透射电镜观察到大小一致(2-3nm)的核突然出现.平行基片平面的两维大于垂直方向的第三维。说明：核生长以吸附单体在基片表面的扩散，不是由于气相原子的直接接触。

②结合阶段——两个圆形核结合时间小于0.1s,并且结合后增大了高度，减少了在基片所占的总面积。而新出现的基片面积上会发生二次成核，复结合后的复合岛若有足够时间，可形成晶体形状，多为六角形。核结合时的传质机理是体扩散和表面扩散（以表面扩散为主）以便表面能降低。

③沟道阶段——圆形的岛在进一步结合处，才继续发生大的变形→岛被拉长，从而连接成网状结构的薄膜，在这种结构中遍布不规则的窄长沟道，其宽度约为5-20nm，沟道内发生三次成核，其结合效应是消除表面曲率区，以使生成的总表面能为最小。

④连续薄膜——小岛结合，岛的取向会发生显著的变化，并有些再结晶的现象。沟道内二次或三次成核并结合，以及网状结构生长→连续薄膜。

4. 薄膜的附着类型及影响薄膜附着力的工艺因素

薄膜的附着类型

①简单附着：薄膜和基片间形成一个很清楚的分界面，薄膜与基片间的结合力为范

德华力

②扩散附着—由两个固体间相互扩散或溶解而导致在薄膜和基片间形成一个渐变界

面。实现扩散方法：基片加热法、离子注入法、离子轰击法、电场吸引法。

③通过中间层附着—在薄膜与基片之间形成一个化合物而附着，该化合物多为薄膜材料与基片材料之间的化合物。

④通过宏观效应—机械锁合双电层吸引

5. 真空相关

•真空是指低于一个大气压的气体空间。常用“真空度”度量。真空度越高，压强越小。

•常用计量单位：Pa, Torr, mmHg, bar, atm.。关系如下：

•1mmHg=133.322Pa,

•1 Torr=atm/760=133.322Pa≈1mmHg

•1 bar=105Pa

●粗真空：1×105～1×102Pa 目的获得压力差。电容器生产中的真空侵渍工艺

●低真空：1×102～1×10-1Pa 真空热处理。

●高真空：1×10-1～1×10-6Pa 真空蒸发。

●超高真空：<1×10-6Pa 得到纯净的气体；获得纯净的固体表面。

6. 物理气相沉积PVD（Physics Vapor Deposition，主要是在真空环境下利用各种物理手段或

方法沉积薄膜。

1)需要使用固态的或熔化态的物质作为沉积过程的源物质；

2)源物质要经过物理过程进入气相；

3)需要相对较低的气体压力环境；

4)在气相中及衬底表面不发生化学反应。

蒸发定义：当温度升高时，材料会经历典型的固相，液相到气相的变化。任何温度下，材料上面都存在蒸气，具有平衡蒸气压。材料温度低于熔化温度时，产生蒸气的过程称为升华；样品熔化时，产生蒸气的过程称为蒸发。在微电子工艺中，蒸发较为广义，包括一切蒸气产生的过程。

对环境的要求：超真空，<1mTorr

对材料的要求：具有合适的蒸气压，得到合适的淀积速率，>10mTorr

影响因素：

蒸发源的纯度；加热装置、坩埚可能造成的污染；真空系统中的残留气体。

解决办法：

使用高纯物质作为蒸发源；改善装置；改善真空条件，提高物质的蒸发以及薄膜沉积速度。

7. MOCVD

概念：利用金属有机物的热分解进行化学气相沉积制备薄膜的CVD方法。

特点：近十几年发展发展起来的一种新的表面气相沉积技术，它一般使用金属有机化合物和氢化物作为原料气体，进行热解化学气相沉积。

制备范围：在较低温度下沉积各种无机材料，如金属氧化物、氢化物、碳化物、氟化物及化合物半导体材料和单晶外延膜、多晶膜和非晶态膜，已成功应用于制备超晶格结构、超高速器件和量子阱激光器。

8.离子镀：IP (Ion plating），同时结合蒸发和溅射的特点，让靶材原子蒸发电离后与气体离子一起受电场的加速，而在基片上沉积薄膜的技术。

离子镀特点：

1)具有蒸发镀膜和溅射镀膜的特点

2)膜层的附着力强。

3)绕射性好，可镀复杂表面。

4)沉积速率高、成膜速度快、可镀厚膜。

5)可镀材料广泛，有利于化合物膜层的形成。

9. 溶液镀膜法：是在溶液中利用化学反应或电化学反应等化学方法在基板表面沉积薄膜的一种技术，常称为湿法镀膜。

1)化学镀

2)溶胶—凝胶法

3)阳极氧化法

4)LB法

5)电镀法

10. 溶胶-凝胶法特点

优点：

1)起始原料是分子级的能制备较均匀的材料

2)较高的纯度

3)组成成分较好控制，尤其适合制备多组分材料

4)可降低程序中的温度

5)具有流变特性，可用于不同用途产品的制备