薄膜技术与材料总结

薄膜的定义

采用特定的制备方法在基板表面上生长得到的一薄层固态物质。

薄膜:由物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、溶液镀膜等薄膜技术制备的薄层。厚膜:由涂覆在基板表面的悬浮液、膏状物经干燥、煅烧而形成。主要方法:丝网印刷、热喷涂(如: T恤印刷)

1.物理气相沉积技术(PVD)是利用热蒸发、离子溅射或辉光放电等物理过程，在基体表面沉积所需薄膜的技术

2.化学气相沉积技术(CVD)是利用化学反应，将气相中的物质转移到基体表面形成所需薄膜的技术

3.物理与化学相结合，以技术方法区分。例如:氧化物、氮化物的制备。

薄膜的分类

电学——超导、导电、半导体、电阻、绝缘、电介质、功能薄膜

光学——增透、反射、减反、光存储、红外.

磁学——磁记录和磁头薄膜

声学——声表面波滤波器，如ZnO、Ta

热学——导热、隔热、耐热

机械——硬质、润滑、耐蚀、应变

化学、生物

用途

传感器:压力，温度，湿度，加速度，气体

光电子器件:薄膜电致发光器件，代替CRT作显示器

信息及计算机:磁性薄膜，光盘，磁光盘

光学:反射膜，增透膜.

机械工业:耐磨涂层，硬质镀层，固体润滑膜，耐腐蚀装饰、包装，镀金，锡箔纸，塑料薄膜.上镀铝

太阳能电池，超导薄膜，铁电薄膜，金刚石薄膜...

真空

真空:低于一个大气压U当地大气压的气体状态

真空的性质由压强、单位体积分子个数、气体密度等表示。

特点:压强低，分子稀薄，分子的平均自由程长。

一般用“真空度”及‘压强’两个参量来衡量真空的程度。

为什么需要真空?

1.需要粒子在较长的距离做直线运动。

2.提供一个洁净的表面(供薄膜沉积)。

真空的划分

粗真空105-102Pa:目的是获得压差

真空吸尘器，真空过滤器，CVD

低真空102- 10-1Pa:气体分子运动特征改变，电场下具有导电特征

真空瓶，真空干燥器，真空注入，溅射，LPCVD

高真空10-1-10-6Pa:蒸发，离子源

超高真空<10-6Pa :表面分析，粒子物理

理想气体状态方程：低压状态下，可用理想气体的状态方程(波义尔定律、盖吕萨克定律、查理定律)来描述，遵守麦克斯韦——玻尔兹曼分布。

麦克斯韦速度分布函数：f(v)表示分布在速度v附近单位速度间隔内的分子数占总分子数的的比率。

三个重要速度表示最可几速度平均速度均方根速度

平均自由程定义:每个分子在连续两次碰撞之间所运动的平均路程

碰撞几率：气体分子运动距离X以后，彼此间碰撞的几率。.

气体的流动黏滞流(分子间动量传递) 分子流(分子独立运动)

流体机制

黏滞流:

分子间距小;分子间碰撞占主导;

通过动量传递进行流动;

一般压力大于0.1 mbar, Kn<0.01

过渡流:

介于两者之间，0. 01

分子流:

分子间距大;分子与器壁碰撞占主导;

通过无定向运动进行;

一般压力小于10-3 mbar, Kn>1

分子通量:单位时间单位面积的器壁上碰撞的气体分子数

典型的真空系统包括:真空室，真空泵，控制系统，真空计

真空系统的两个重要参数:极限真空，抽气速率

要生成真空，必须将气体分子移出系统。只有当空间的两个区域存在压力差的时候气体分子才会移动。低压区域拥有较少的气体分子，高压区域拥有较多的分子。

任何能够在空间两个区域之间生成压力差的设备都可以叫做泵。在特定系统中生成真空的泵被称为真空泵。

主要的真空泵

油封机械泵、分子泵、罗茨泵

原理:利用机械力压缩

油扩散泵

原理:油蒸汽喷射形成压差

溅射离子泵、钛升华泵

原理:溅射形成吸气、升华形成吸气

冷凝泵

原理:将气体冷凝成液态/冷凝吸附

几种真空计的工作原理与测量范围

U形管压力计

利用大气压与真空压差

测量范围(Pa) 105- 102

电阻真空计、热偶真空计

利用气体分子热传导

测量范围(Pa) 104-1

热阴极电离真空计、B-A型真空计

利用气体电离与压强的关系

测量范围(Pa) 10-1- 10-6、10-1-10-10

潘宁磁控电离计

利用磁场中电离与压强的关系

测量范围(Pa) 1- 10-5

气体放电管

利用气体放电与压强的关系

测量范围(Pa) 103-1

两连通容器的压力:

1.低真空:粘滞流情况，平衡条件是压力相等

2.高真空:分子层流情况，平衡条件是流导相等

低压CVD装置(LPCVD )

气压1 mtorr- 1 torr

低总压、高分压

通常是表面反应限制机制

优点:

中等反应速率

均匀性好

台阶覆盖度好

缺陷浓度低,污染少

高产率

气压对沉积速率的影响

生长速度取决于：反应气体浓度、气体的扩散系数

大多数情况下随气压下降，速度增大.

金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)

定义:利用金属有机化合物热分解反应进行气相外延生长薄膜的CVD技术

核心:选择特殊的反应，来降低反应温度

原料:金属的烷基，芳基，烃基,乙酰丙酮基衍生物

优点:

1、沉积温度低，减少自污染，提高纯度

2、可实现外延薄膜和极薄薄膜的生长(多晶、超晶格、异质结)

3、适用范围广，主要用于IlI一V，II-VI，IV- IV族化合物半导体材料，BaTiOz、BST 、YBC0.....

缺点:

1、原材料有毒

2、由于反应温度低，有时候存在气相反应(形成固态微粒沉积，破坏薄膜的完整性)作为有机化合物原料必须满足的条件:

1、在常温左右较稳定，且容易处理;

2、反应生成的副产物不应妨碍晶体生长，不应污染生长层;

3、为了适应气相生长，在室温左右应有适当的蒸气压(>1Torr)

等离子辅助CVD装置(PECVD)

定义:在低压CVD中利用辉光放电等离子体的影响生长薄膜。

压强: 5~ 500Pa

一、目的

降低反应温度，达600℃以下，典型温度300-350℃

一般CVD的反应温度在900-1000℃。

高温的缺点:

1.基板变形和组织结构变化，降低机械性能;

2.基板材料与膜层互扩散。

二、等离子体的作用

电子、离子密度达109~ 1012个/cm3,

平均电子能达1 ~ 10ev

(1)产生化学活性的基团和离子，降低反应温度;

(2)加速反应物在表面的扩散作用，提高成膜速度;

(3)溅射清洗作用，增强薄膜附着力;

(4)增强碰撞散射作用，使形成的薄膜厚度均匀。

主要用于介质膜沉积(example:低厚度、高、低漏电、高绝缘的介质薄膜)

优点

低温大面积沉积

比热CVD生长速率快