磁性薄膜制备与表征

基片表面的分析


光学显微镜. 1) 检查基片表面的划痕、缺陷以及污染。 偏振光分析仪 检测小的颗粒和缺陷。 原子里显微镜 分析基片在经过每个步骤前后的粗糙度。通常用轻敲模 式。 一个好的基片方均根粗糙度应该接近可以探测的极限 (1nm) 左右。 在分析的过程中一般选取不同的扫描范围(0.1, 1, 10, 40 微米).从而比较完全的分析其粗糙度。
(2)中度真空(medium vacuum)：1 -10-3torr。 (3)高真空(high vacuum)：10-3- 10-9torr。 (4)超高真空(ultra-high vacuum)：10-9torr以下。

真空泵(vacuum pump)的作用：(排气式)
將气体从低气压处抽出排送至高气压处，若只用一个泵 抽，通常將系統內的气体直接排出到系統外面的大气中， 若应用两级泵抽气(即应用两种不同的泵串连抽真空)，则 气体自系统內较低压处被抽送至较高压处后，再由另一泵 将之抽送到大气中，后者称为前级泵(fore pump或backing pump)，也称为粗略泵，前者称为高真空泵。
SiOx
H-Si
特殊处理

紫外光清洗
用紫外光照射一到两天分解碳氢化合物。 紫外光发出的特种波长的光子能量，对物体表面吸附的有机 污染物（碳氢化合物）发生光敏氧化作用，达到去除粘附在 物体表面上的碳氢化合物，经过光清洗的物体表面洁净度能 够达到一般清洗方法难以达到的原子清洁度

二氧化碳射流清洗。
二氧化碳可以三种截然不同的状态发挥其特有的功效：其一， 以液态形式，清洗物体表面并脱脂除油；其次，以气体形式， 通过特制的喷嘴喷出如同雪花一样的射流进行清洗；第三， 以“超临界”形式进行化学萃取抽提清洗。
Stranski-Kastranov
影响薄膜生长的因素

表面能与界面能 基片温度. 界面的晶体结构. 沉积源的类型. 溅射气体. 表面活性剂
表面钝化



在材料的表面形成一层吸附层， 可以防止材料进一步的氧化和 腐蚀，这样的吸附层叫钝化层。 Si基片表面往往形成一层氧化 层SiOx 这层氧化层为非晶态， 经过酸性处理的Si基片还有可 能形成H-Si钝化层，为晶态的。 表面的钝化层如果有缺陷，则 其抗腐蚀性会减弱，且钝化层 随时间的推移会退化。
溅射的原理示意
溅射所涉及的物理过程： 中性原子的电离 离子的加速 离子与电子的复合 离子轰击 靶材原子脱离靶
离子的电离和复合过程
Ar 气体，电离产生 Ar+ 和自由电子 Ar+可以俘获自由电子，形成中性原子，同时放 出一个光子的能量-（弧光的产生）。
溅射过程
等离子体的形成： 低压气体, 高能量的电场电离 离子+自由电子
表面机械抛光



若要制备高品质的薄膜，所用基片表面一般需要抛光。 原因： 不让基片的表面形貌传递给薄膜，从而影响薄膜的表 界面。 机械抛光一般采用逐步细化的金刚石或氧化铝抛光化合 物. 在抛光过程中，每进行一步都要对基片作彻底的清洗， 以免抛光化合物污染基片表面。
机械抛光+化学抛光


CMP 化学机械抛光法,首先将试件通过常规的研磨抛光使 其保证具有一致性表面,即在常规检测下其光洁度是合格 的。然后采用化学抛光液(SiO2) 、磨砂革抛光盘对其进 行CMP 加工。在这一过程中,吸附在抛光盘上的化学抛光 液不断的对晶体抛光面产生侵蚀作用,生成胶状膜层。而 该膜层又经机械磨削作用被不断割除从而暴露出新的表面 ,就这样周而复始的对晶体表面不断的化学侵蚀和机械割 除构成了化学机械抛光的基本过程,这一过程看起来似乎 非常简单,但由于被抛对象的不同,对抛光液、抛光盘、 pH 值、机械转速、压力就会有不同的选择
薄膜的生长
薄膜的形成机理
薄膜的生长过程
(1) 核生长型（Volmer Weber型）
特点：到达衬底上的沉积原子首先凝聚成核，后 续飞来的沉积原子不断聚集在核附近，使核在三 维方向上不断长大而最终形成薄膜。 这种类型的生长一般在衬底晶格和沉积膜晶格 不相匹配（非共格）时出现，大部分的薄膜的形 成过程属于这种类型。
Leabharlann Baidu
直流溅射
在靶和基板间加直流电 压 特点： 沉积速率较高 可以用来沉积金属薄膜
射频溅射
用交流电源代替直流电源就构成了交流溅射 系统，由于常用的交流电源的频率在射频段 ，如13.56MHz，所以称为射频溅射。 在直流射频装置中如果使用绝缘材料靶时， 轰击靶面得正离子会在靶面上累积，使其带 正电，靶电位从而上升，使得电极间的电场 逐渐变小，直至辉光放电熄灭和溅射停止。 所以直流溅射装置不能用来溅射沉积绝缘介 质薄膜。为了溅射沉积绝缘材料，人们将直 流电源换成交流电源。由于交流电源的正负 性发生周期交替，当溅射靶处于正半周时， 电子流向靶面，中和其表面积累的正电荷， 并且积累电子，使其表面呈现负偏压，导致 在射频电压的负半周期时吸引正离子轰击靶 材，从而实现溅射。由于在靶上会形成负偏 压，所以射频溅射装置也可以溅射导体靶。 在射频溅射装置中，等离子体中的电子 容易在射频场中吸收能量并在电场内振荡， 因此，电子与工作气体分子碰撞并使之电离 产生离子的概率变大，故使得击穿电压、放 电电压及工作气压显著降低。
Layer by Layer
薄膜的形成机理
(3)层核生长型（Straski Krastanov 型） 特点：生长机制介于核生长型 和层生长型的中间状态。当衬 底原子与沉积原子之间的键能 大于沉积原子相互之间键能的 情况下（准共格）多发生这种 生长方式的生长。 在半导体表面形成金属膜时常呈 现这种方式的生长。例如在Ge 表面上沉积Cd，在Si表面上沉 积Bi、Ag等都属于这种类型。
基片所在极与屏蔽罩以及 地相连（大电极），靶（ 小电极）
磁控溅射
通常直接溅射的效率不高，放电过程中只有约 0.3％～0.5％的气体分子被电离。因此，为了能 在低气压下有较高的溅射速率，人们采用了磁 控溅射的方法。图是磁控溅射原理示意图。即 利用电场与磁场正交的磁控原理，使电子的运 动轨迹加长，形成螺旋运动并汇聚在阴极（靶 材）周围。被磁场束缚的电子与工作气体的碰 撞次数增加，使离化率提高到5～600倍，从而 提高了溅射速率。同时由于碰撞次数的增加， 电子的能量也消耗殆尽，传到基片的能量很小 ，所以溅射时基片温度也较低。磁控溅射的电 源可采用直流，也可采用射频电源，如用直流 电源，只能制备金属薄膜而无法制备介质膜。 采用射频电源既可以制备金属薄膜又可以制备 介质膜。与传统溅射条件相比，磁控溅射同时 具有基片温度低和溅射效率高两大优点，制备 的薄膜与基片间附着力较大，多晶取向倾向大 ，已广泛地用于制备金属、合金、非金属薄膜 以及多层膜。
Ar 轰击和退火



用高能量(500-5000 eV)的惰性气体离子轰击基片表面可以去 除表面的污染层。 一般来说，一几个毫安每平方厘米的电流密度进行轰击，每 分钟可以刻蚀掉几个原子层。 有些材料会出现再沉积，使得去除污染层的效率降低。 多次循环轰击，并且在熔点2/3处退火，可以最终使表面平 整、有序。
溅射真空系统
残余气体分析与查漏



质谱仪分析腔体内的残余气体. 一般情况下，要将系统在150 200 º 下烘烤24小时，以使水 C 汽从不锈钢壁出来。 出现在M/Q = 32 处的O2 峰表明 系统有微小漏气。 在 超高真空(UHV)的情况下, 剩 余气体主要含H2, CH4, H2O, CO and CO2.
阴极靶枪的结构
靶枪一般用循环水冷却
溅射的参数选取




溅射气体：在高纯度的溅射中，仅限于采取惰性气体为溅射 气体，通常用Ar。 溅射气压: 一般在 2-3 mTorr。 可调：气压高，原子到达基片的能量低，晶粒小，沉积速率 低。气压低，原子能量大，晶粒大，沉积速率大。 电源控制: 选取适当的功率或电压以达到适当的溅射速率。 溅射的的原子的运动速度一般在3-6×105 cm/sec 能量在 10-40 eV。 极板间距、靶的方向也可以调节，如在制备各向异性磁性薄 膜的时候可以用斜溅射。 平均自由程一般<5-10 mm. 被溅射的原子在到达基片前一般要与气体分子发生一次或多 次碰撞.
磁性薄膜材料制备与表征
薄膜的制备方法
薄膜材料在现代科学技术中应用十分广泛, 制膜技术的发展也十分迅速。
制膜方法—分为物理和化学方法两大类； 具体方式上—分为干式、湿式和喷涂三种 ，而每种方式又可分成多种方法。
电子束蒸发

把被加热的物质放 置在水冷坩锅中， 利用电子束轰击其 中很小一部分，使 其熔化蒸发，而其 余部分在坩锅的冷 却作用下处于很低 的温度。
基片表面分析

椭偏仪



分析基片表面的光学性能，以利于在薄膜沉积后对膜厚 的分析。 要对 所有的频段(240 - 1100nm)进行分析得到相应的光 学常数。 交叉比较由同样工艺制备和处理的不同的基片从而找到 可能的影响因素。

俄歇与光电子能谱


分析基片表面的成分，特别是要用高统计能谱扫描探测C、 N、O 等元素的含量，因为这些元素最容易在基片表面吸 附。 可以用Ar离子剥落表面法对基片表面以下进行纵深分析 从而分析纵深局域的污染物。
离子加速撞击靶材，使靶材的 原子脱离，沉积到基片上
等离子体的产生和维持
产生要素： 1）气压 P 不能太高也不能太低 平均自由程太小，不离于电子加速， 气体分子太少，不利于形成离子。 2）电压 V 不可太低 电子和离子都需要足够的能量 3）两基间的距离 d 不能太小否则无法产生等离子体。
维持等离子体： 足够的离子轰击靶，产生二次电子。

等离子体刻蚀清洗可以用去氧化层和来有目的粗糙 化表面。
单晶基片的表面处理



对于薄膜的生长，基片最上面的那些层的特性其最大 的作用。 因此单晶基片表面的吸附层或氧化层将对薄膜的外延 生长起阻碍作用。 金属表面的氧化层一般无法仅仅通过加热退火去除。 Si片上的氧化物要加热到 800ºC 以上才可以去掉。 在实际处理中，一般采用 Ar 轰击和加热来处理基片 表面从而形成清洁的单晶表面。
薄膜的形成机理
（1）岛生长模式
薄膜生长的四个阶段
1.成核：在此期间形成许多小的晶核，按 同济规律分布在基片表面上；
2.晶核长大并形成较大的岛：这些岛常具 有小晶体的形状；
3.岛与岛之间聚接形成含有空沟道的网络
Volmer-Weber
4. 沟道被填充：在薄膜的生长过程中， 当晶核一旦形成并达到一定尺寸之后，另 外再撞击的离子不会形成新的晶核，而是 依附在已有的晶核上或已经形成的岛上。 分离的晶核或岛逐渐长大彼此结合便形成 薄膜。
薄膜的形成机理
(2) 层 生 长 型 （ Frank-Vanber Merwe 型）
特点：沉积原子在衬底的表面以单原子层 的形式均匀地覆盖一层，然后再在三维方 向上生长第二层、第三层„„。 一般在衬底原子与沉积原子之间的键能接 近于沉积原子相互之间键能的情况下（共 格）发生这种生长方式的生长。 以这种方式形成的薄膜，一般是单晶膜， 并且和衬底有确定的取向关系。例如在Au 衬底上生长Pb单晶膜、在PbS衬底上生长 PbSe单晶膜等。
化学沉积方法

化学气相沉积是把含有构成 薄膜元素的气态反应剂的蒸 汽及反应所需其它气体引入 反应室，在衬底表面发生化 学反应，并把固体产物沉积 到表面生成薄膜的过程。
固体产物 （膜或粉） 前驱物 反应物 气相产物 能量
电镀

通过氧化阳极物质在 阴极沉积薄膜
真空的基本知识

一般真空范围：
(1)低真空(rough vacuum)：1 torr。
基片的准备工艺
基片选取和处理

绝缘基片和导电基片 非晶基片和 单晶基片 自身氧化或 钝化 切割或剪切 力学抛光或 电抛光
基片的表征

光学显微镜 原子里显微镜 光谱椭偏仪 电子散射 俄歇和x射线光电子能谱
基片的表面和清洗




基片的表面无论是抛光或为抛光的，一般都不可以 用手直接接触。 基片在使用前需要清洗，用有机溶剂清洗还得十分 注意溶剂的纯度。 清洗后的留在基片表面的溶液滴不可以任其自然干， 必须采取措施让其迅速风干。 再好的溶剂都会溶有一定的杂质，不可以长期使用。