第10章薄膜物理.ppt

第十章 薄膜物理 本章教学要点 一千多年前，出现了电镀金属膜和金箔，但直到十八世纪以后才开始从科学和物理学的角度研究薄膜；十九世纪中期，随着真空蒸镀法、化学反应法等制备技术问世，固体薄膜的制造技术才逐渐形成，二十世纪中期形成的溅射镀膜技术促进了薄膜的发展。薄膜作为一种物质形态，薄膜材料使用非常广泛，可以是单质元素或化合物，也可以是无机材料或有机材料，其微结构与块体材料一样，可以是非晶态、多晶态以及单晶态。如今，薄膜无论在学术上还是实际应用中都取得了丰硕的成果，如半导体集成电路、电阻器、电容器、激光器、磁记录、光学器件等领域，都存在着广泛的薄膜应用。通常，材料物理性能的研究主要是针对三维情况而言，也就是说，材料的特征性质一般是指它的单位体积具有的性质，一旦三维中的某一个尺度变的很小，导致表面与体积的比值大大增加，也就是所谓的薄膜，此时，材料的 物理特性也会发生相应的变化，不再遵循三维情况下的规律。因此， 研究薄膜的各种物理特性，对于新材料开发及应用具有重要意义。 10.1薄膜的形成 薄膜的宏观概念是两个几何平行平面间所夹的物质。对于实际的固 体薄膜，完全保持几何学平行平面的物体是不存在的。一般来说，通过 肉眼判断，所研究对象可以看做是平行平面，就可以称为薄膜。严格意 义上说，一般规定厚度为1微米（?m）的膜称为薄膜，但实际上常常把 更薄的膜（如几千埃）以及更厚的膜（如几十?m）也称作薄膜。 10.1.1 薄膜生长过程及其分类 制备薄膜有许多方法，如蒸发镀膜、溅射镀膜、化学气相沉积、分 子束外延等物理方法，也有溶胶-凝胶法等化学方法。虽然薄膜的制备方 法很多，薄膜的形成机制各不相同，但在很多方面，仍然具有许多共 性，这里以蒸发镀膜为例加以讨论。图10.1是蒸发镀膜系统示意图，由 机械泵和油扩散泵组成的抽气系统给蒸发镀膜室抽气，通过热偶规管和 电离规管检测蒸发室内的真空度，经过蒸发器将膜材蒸发，蒸发后的原 子会在放置在蒸发室内的基底上形成薄膜，完成镀膜过程。在镀膜时， 基底可以平放，也可以立放。 在利用镀膜装置制膜时，蒸发出的原子（分子或基团）将会碰撞到衬底基片上，这些原子（分子或基团）要最终凝聚附着在衬底基片上，需要经过一个短暂的物理化学过程。要实现原子在衬底基片上的凝聚并最终形成薄膜，需要一定数目的原子和特定的衬底温度（临界温度），如果衬底的温度高于临界温度，则不能形成薄膜。入射原子数与基片临界温度具有如下关系: 式中：为临界入射原子密度（原子数目/cm2·s），是基片的临界温度（K）。当基片温度一定时，如果蒸发或溅射的原子密度小于式（10-1）中的，则无法成膜，同样的，当原子密度一定时，如果基片温度高于，也无法成膜。 在讨论薄膜生长过程中常采用的物理量有凝结系数?、粘附系数和热适应系数，其中凝结系数?等于基片上凝聚的原子与入射原子数之比，因此? ? 1。在薄膜制造工艺中?并非常数，与所蒸发物质、入射原子密度、基片温度、膜的平均厚度等因素有密切的关系。表10-1给出了一些蒸发物质的?值。 此外，蒸发原子在基片上停留的时间也是影响成膜的因素，这是因为停留时间直接影响凝聚核的形成。一般情况下，达到基片的原子在沿着表面移动时，部分会被吸附在基片上，还有一部分会离开基片再次蒸发到空间，如图10.2所示。原子在基片上移动，实质是一种扩散现象，扩散距离满足扩散方程。 薄膜的形成从生长过程来看，主要分为三类：核生长型（Volmer-Weber），层生长型（Frank-van ber Merwe）以及层核生长型（Straski-Krastanov）。 10.1.1.1核生长型 核生长型的过程特点是，原子到达基片上后首先发生凝聚成为核， 后续到达的原子聚集在核附近并不断成长，最后形成薄膜，过程如图10.2 所示。一般大部分的薄膜形成过程都属于此类型。 从图10.3可以看出，核生长型的过程一般分为成核阶段、小岛阶段、网络阶段和连续薄膜四个过程： 1）成核阶段 碰撞到基片上的原子，其中一部分与基片原子交换的能量较少，仍具有相当大的能量，所以能返回气相。而另一部分则被吸附在基片表面，这种吸附主要是物理吸附，原子将在基片表面停留一定时间。由于原子本身仍具有一定的能量，同时还可以从基片得到热能，因此原子有可能在表面进行迁移或扩散。在这一过程中，原子有可能再蒸发，也可能与基片发生化学作用而形成化学吸附，还可能遇到