薄膜物理复习资料

薄膜为什么受到重视？

1,薄膜物理是物理学（特别是固体物理学）的重要分支，发展形成自己的体系--理论与实验（2）薄膜材料具有广泛的电、光、声、热、磁等应用场合许多制品（刀具、容器、管道、板材等）主要决定于其表层特性而不是整体特性/ 电子元器件（微电子、光电子）是建立在发展于表面或表面近层的物理效应基础上/ 微电子器件、固体电子器件提高性能、小型化的关键—相关薄膜材料的制备和研究（3）薄膜具有许多明显不同于块材料的特性，如晶体结构多为非晶态、亚稳态等, 这些特性称为反常结构与特性—为薄膜所特有（值得研究和利用）/不仅是材料学研究的重要领域，也为发展新型功能材料开辟了广阔途径。（非平衡冶金、非晶态生长、超微细结构、纳米材料…….)（4）薄膜材料是现代材料科学发展最迅速的一个分支。现在科学技术的发展，特别是微电子技术的发展，打破了过去体材料的一统天下。过去需要众多材料组合才能实现的功能，现在仅仅需要少数几个器件或者一块集成电路板就可以完成。而薄膜技术正是实现器件和系统微型化的最有效的技术手段。（5）器件的微小型化不仅可以保持器件原有的功能，而且可以使之更强化，随着器件的尺寸减小以至于接近电子或其他离子量子化运动的微观尺度，薄膜材料或其器件讲显示出许多全新的物理现象。薄膜技术作为器件微型化的关键技术，是制备这类具有新型功能器件的有效手段。（6）每种材料的性能都有其局限性。薄膜技术作为材料制备的有效手段，可以将各种不同的材料灵活地组合在一起，构成具有友谊特性的复杂材料体系，发挥每种材料各自的优势，避免单一材料的局限性。

薄膜(thin film)：由物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、溶液镀膜法等薄膜技术制备的薄层。●厚膜(thick film)：由涂覆在基板表面的悬浮液、膏状物经干燥、煅烧而形成。

薄膜材料的特点

1.薄膜材料属于介观范畴，具有量子尺寸效应；

2.薄膜表面积与体积之比很大，表面能级很大，对膜内电子输运影响很大；

3.薄膜界面态复杂，力学因素和电学因素交相作用，内应力和量子隧穿效应同时存在，

对薄膜生长和微结构影响巨大；

4.异常结构和非理想化学计量比特性明显；

5.可实行多层膜复合，如超晶格。

制备薄膜为什么需要真空环境?

a.若非真空，蒸汽分子不能沿直线运动，不易成膜

b. 若非真空，成膜物质与空气中活

性分子反应，形成化合物。即生成另外物质，如Al膜￫氧化成Al2O3 . C.非真空，蒸发器（加热器）极易损坏，加热器采用W.M。Ta等难熔金属，但由于吸气效应产生脆性（氢脆），另外由于生成化合物易损坏。 d.非真空，残余气体分子将进入膜层 ,形成缺陷,形成化合物,影响膜质量e.非真空，影响靶材料气化f.非真空，改变基片表面状态，影响薄膜生长

1.单个分子速度(v) 的大小、方向瞬息万变;

2.大量分子某时刻速度(v)的分布成为必然;

3.单个分子速度(v) 的大小长时间分布也成为必然.

(1)在某速率区间的分子数占总分子数的比值必然;

(2)分子速率取某速率区间值的概率必然； (3)分子各向运动的概率相等.

理想气体分子在固体表面形成单层原子的时间：t ML≈ 1019/ ν

往复式真空泵 ，这种泵一般适用于真空蒸馏、真空蒸发与浓缩、真空干燥、真空过滤等。

但不适于抽除有腐蚀性或有颗粒灰尘的气体。 机械真空泵使用的注意事项： 1）若用做前级泵，其装机位置应便于工作人员检修和维护；

2）不能反转，反转会将油压入被抽系统而造成污染；3）停止工作时一定要向泵中放入经过干燥的空气，否则会经排气阀和进气管将油压入被抽系统而造成污染； 4）不能混入异物（如金属屑、玻璃渣等），不能用于抽取易蒸发的杂质和含水分较多的系统，以免磨损和腐蚀翼片，降低真空度；5）按泵的说明书，加入所需牌号的泵油，同时应定期清洗泵体和更换泵油，以保持系有良好的运转条件。

在使用扩散泵时，应注意下述几点：l ）金属扩散泵装机时一定要将扩散泵内壁以及各种需件清洗干净，一般可用苯做洗涤剂。如系玻璃泵，则需要新配制的洗液浸泡，再用去离子水多次冲洗，干燥后再装机；2）配备的前级泵必须与扩散泵相匹配，即前级泵的抽速在预真空度下至少能抽走扩散泵所排出的气体；3）在操作程序上应先开冷却水，后开加热系统，停机时应先停止加热，后停冷却水，以免油蒸汽进入被抽系统和防止泵体损坏。

绝对真空计——通过测量有关物理参数直接计算出被测系统压强 特点：准确、测量值与气体种类无关，但对低气压不灵敏，有U 形管压力计，麦克劳真空计，弹簧管压力计等。 相对真空计——通过测量与压强有关物理量，并与绝对真空计相比较而换算出压强值的真空计 特点：准确度稍差，与气体分子种类有关，测量范围比较宽。

真空计的选择原则（1）在压力区域内能达到精度；（2）被测气体与真空计互不影响；（3）尽可能在整个真空度范围内都能测量；（4）尽可能连续指示，反应时间越短越好；（5）良好的稳定性、复现性和可靠性，寿命长；（6）易于安装，操作方便，规格全。

PVD 特点（与CVD 相比） (1)需要使用固态的或者熔融态的物质作为沉积过程的源物质；(2)源物质经过物理过程而进入气相；3)需要相对较低的气体压力环境；a)其他气体分子对于气相分子的散射作用较小 b)气相分子的运动路径近似为一条直线；c)气相分子在衬底上的沉积几率接近100％。(4)在气相中及在衬底表面大多不发生化学反应

真空蒸发③特点A 优点(1)设备简单，操作容易；(2) 成膜速率快，0.1-50μm/min ；(3)制得的薄膜纯度高、分布均匀；(4)薄膜生长机理单纯。B 缺点(1)薄膜与基片的附着力小；(2)工艺重复性不好，膜厚不易控制；(3)不能淀积高熔点物质；(4)加热器具易污染薄膜原材料。 例题：实验室温度条件下采用真空蒸发沉积银膜，黏附系数为1,求真空沉积腔内的压强为1Pa 时的蒸发速率 解：查表得1Pa 下蒸发温度分别为1300K ：

00125.0113009.1071037.43=⨯⨯=-G

蒸发速率：单位面积上，单位时间内从气相到达固相表面并能够停留的分子数。

如何获得最大蒸发速率？1.基片足够清洁，减少逸出；2.冷却基片（特殊情况除外）；3.升高蒸发源温度，增大蒸气压。4.提高背底真空度，增大蒸发系数α。