气相沉积技术原理

I. 物理气相沉积(PVD)：真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀膜、
脉冲激光沉积等等
II. 化学气相沉积(CVD)：CVD，MOCVD、PECVD等
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第二节 真空蒸镀
一、真空蒸镀原理
1.1 膜料在真空状态下的蒸发特性
真空蒸镀是将工件放入真空室，用一定的方法加热膜料， 使之蒸发或升华，在工件表面凝聚成膜。
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用A代表沉积原子，用B代表衬底原子，uAB表示衬底原子与沉积原子 间的键能，uAA表示沉积原子之间的键能。 FM生长模式一般发生在uAB>uAA、衬底晶格和沉积层晶格匹配良
好的场合，润湿角为零，B衬底上形成二维A晶核，晶核长大以后
联结成单原子层，铺满一层后继续上述过程， 这样的生长也就是
第一章 气相沉积技术
一． 薄膜极其制备方法 二． 真空技术基础 三． 真空蒸镀 四． 溅射镀膜
六． 化学气相沉积 七． 分子束外延 八． 离子束合成薄膜
技术
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第一节 薄膜及其制备方法
一、薄膜的定义和基本性质
1.1 薄膜(thin film) A thin film is a layer of material ranging from fractions of a nanometer (monolayer) to several micrometers in thickness. 按照一定的需要，利用特殊的制备技术，在基体 表面形成的纳米(单原子层)到微米级厚度的膜层。
stability
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Na团簇的丰度谱。上图为实验结果，下图为
理论计算的能量二级差分
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薄膜的生长模式
在清洁的晶体衬底上，薄膜的生长模式有三种，分别是 Frank-van de Merwe (FM)模式、Stranski-Krastanov (SK) 模式和Vollmer-Weber(VW)模式
(2) 表面分析技术
TEM、SEM、FIM、STM、AFM 等等
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三、薄膜的种类和应用
四、薄膜的制备方法
4.1 一般的制备方法
真空镀膜、离子镀膜、溅射镀膜、低压化学气相沉积、 等离子体化学气相沉积、常压化学气相沉积、氧化法、 电镀、涂敷、沉淀法、高压氧化法
4.12 气相沉积方法
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2.2 薄膜形成过程的研究方法
(1) 两种理论
① 毛细作用理论：建立在热力学概念的基础上，利用宏观量来 讨论薄膜的形成过程，比较直观，所用物理量多数可直接测 量，适用于原子数较大的岛。
② 统计物理学理论：从原子运动和相互作用角度讨论膜的形成 过程和结构，应用范围更广，可以讨论少数原子的成核过程， 但是物理量有些很难直接测到。
逐层外延生长；
VW生长模式一般发生在uAB<uAA、衬底晶格和沉积层晶格很不 匹配的场合，润湿角不为零，沉积原子倾向于长成一个一个分立
的三维岛。
SK生长模式介于上面两者之间，一般发生在uAB、uAA相近的场合， 先形成单层膜后再岛状生长。 这种生长模式一般发生在二维生长
后，膜内出现应力的情况。
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Magic Number and Shell Structure
在质量丰度谱上有一个引人注目的特征： 具有某些特定原子数的团簇的丰度明显的高于其他原子数 的团簇。 这些“幸运”的数字称为魔数或者幻数
1) Particle order
Inert atom clusters, such as Ar, Kr, Xe Magic numbers are 1, 13, 55, 147, 309, 561 ……
3) Wave order
Simple metal clusters, such as Na, K
Clusters of 2, 8, 20, 40, 58 …… atoms are stable
valence electrons form an ordered quantum state
The electrons quantize and decide the variations in
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Mackay 二十面体堆积
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2) Mixed particle and wave orders Covalent element clusters, such as Si, Ge, C Magic number for Si, seems like 6, 10 Sphere-stick model An more interesting example is C60 Molecular orbital calculation gives its energy levels Other larger cage structures C70, C84, C540, C960
单一空间点源对平板工件上任一点的沉 积厚度为：
t m
h
4 (h2 r2)3
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二、真空蒸镀方式和设备
2.1 蒸发方式及蒸发源
(1) 电阻加热蒸发方式及蒸发源
由丝状或片状的高熔点金属做成适当的形状，将膜料放 在其中作为蒸发源，通电电阻加热膜料蒸发。
蒸发速率：单位时间内膜料单位面积上蒸发出来的材料 质量
理想最高蒸发速率
G m
4.38 103 ps
Ar /T
T为蒸发表面的热力学温度，K
ps为温度T时的材料饱和蒸汽压
气A相r沉为积膜技术料原理的相对分子量
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1.2 蒸气粒子的空间分布 蒸气粒子的空间分布显著的影响了蒸发粒子在基体上的 沉积速率和基体上的膜厚分布。 蒸气粒子的空间分布与蒸发源的形状和尺寸有关。 两种蒸发源：点源，小平面源
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1.2 薄膜的基本性质
① 力学性质 ② 导电性 ③ 电阻温度系数 ④ 密度 ⑤ 时效变化
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二、薄膜的形成过程及研究方法
2.1 薄膜的形成过程
气相制备薄膜的过程大致可以分为成核和生长两个阶段 基底表面吸附成膜原子后，吸附原子在表面进行扩散并
相互作用，使吸附原子有序化，形成临界核，然后长大 成岛和迷津结构，最后岛扩展结合成连续膜。 临界核的大小，决定于原子间、原子与衬底的键能，并 受到薄膜制备方法的限制。 魔数（幻数，magic number）的限制