薄膜复习资料.pdf
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1、1. 1.真空系统的排气公式及检漏真空系统的排气公式及检漏答:答:(1) 抽速及流导抽速及流导流导流导 C C: 在真空系统内, 真空管路中气体的通过能力。C QP1 P2,式中,p1 和 p2 为部件两端的气体压力;Q为单位时间内通过该真空部件的气体体积。真空泵的抽速抽速 S=Q/P,式中,P 为真空泵入口处的气体压力;Q 为单位时间内通过的真空泵入口的气体体积。真空泵的实际抽速实际抽速 S S 永远小于理论抽速理论抽速 S Sp p。用一台抽速为 Sp的泵,通过流导 C 抽真空容器中的气体。设真空容器的压力为 P,泵入口处的压力为 Pr(注:即图(注:即图中的中的 P Pp p) ,由于流
2、量各处相等,即:Q=SpPr=SP=C(PPr)S=(2 2)真空泵的极限真空度)真空泵的极限真空度实际的抽真空过程中总存在着漏气, 如从真空系统外渗入到真空腔中 (Qpe) ,Q PS QL,从真空材料内往真空腔体内扩散 (Qd) 等。 设总漏气量为QL则有:其中, QL=Qdes+Qd+Qpe+Qleak令 Q=0,得极限真空度极限真空度 P Pmm为PmQLS(注:要求(注:要求P Pmm和和 S S 会互推算)会互推算) 。(3) 抽气公式抽气公式由于气体通量 Q 可以表达为气体体积 V 与压力 p 的乘积对时间的导数,即Q d (PV )dt0 VS tdPdt, 得 抽 气 公 式
3、 :PS VdPdt QL积 分 得 ,P (t )PVe+LQ/S( (注:此处稍微做了简化注:此处稍微做了简化) )。其中 P0为真空系统在 t=0 时的真空度,它将随着时间的延长而趋于 Pm。(4)检漏检漏右图为抽真空过程中不同漏气 方式对 真空度的影响。只能检查比较明显的漏气, 可以通过对比抽气泵的极 限真空 和实际得到的真 空来判 断漏气的大小漏气的判断: (1)直线a:压力保持不变(2)曲线 b:压力开始时曲线上升较快, 然后上升速度渐缓并逐渐趋于水平恒定状态, 这是放气造成的, 因为不论是蒸汽源的放气或材料的放气, 在达到一定的压力后都会呈现出饱和状态的趋势。(3)斜线 c:压力
4、是直线上升状态,这是漏气;其漏气率正比于内外的压力差。(4)曲线 d:是曲线 b 与斜线 c 的叠加,即设备同时存在着漏气与放气两种现象。即 c 和 d 为真漏,a 和 b 为假漏。出现 c 和 d 判断确实有漏气后,就可以着手检漏工作。2. 2.再构表面的表示,常见晶体表面的断键数及表面能,台阶扭折处得特点再构表面的表示,常见晶体表面的断键数及表面能,台阶扭折处得特点答答: :表面元胞面积 S常见晶体表面的断键数见薄膜生长P54 表 3.1补充金刚石结构: (111)面表面元胞断开数为 1, (100)面断开数为 2, (110)断开数为 1.表面能计算见复习资料第一题第一题。几何上晶体表面
5、可以偏离密排或次密排晶面, 此时晶体的有些表面有台面和台阶组成,它们被称为 TL 结构表面的 TKL结构m(hkl)*n(hkl)-uvw表示它由(hkl)台面和(hkl)台阶组成,台面和台阶的宽度分别为 m个和 n个晶列宽,台阶方向为uvw.这种由台面、台阶、扭折组成的结构称为 TKL 结构。台阶扭折处特点: 扭折之间的台阶长度和倾斜角度有着对应关系。扭折之间的台阶长度和倾斜角度有着对应关系。偏离低指数面偏离低指数面的角度愈小,台面宽度和扭折间的台阶长度愈大。的角度愈小,台面宽度和扭折间的台阶长度愈大。3. 3.反应扩散,薄膜中的扩散机制反应扩散,薄膜中的扩散机制答:反应扩散:答:反应扩散:
6、AB 复合膜,除了存在 A 与 B 互扩散外,还常常发生 A 与 B 的互反应。形成新相 AB。 在一定条件下(如温度、压力),复合膜 AB 之间发生固相互作用,其中包括互扩散和互反应。开始时,A 晶格中的原子在反应驱动力 F 驱动下,原子键合断裂,形成 A 原子流 JA 向 B 晶格扩散。同样过程也在 B 晶格中发生。经过一段时间后,A,B 原子在界面 AB 发生反应,生成 AB,AB 界面成为 A/ AB/B,AB是一种新化合物。J1 Da(1 Ca) / L0a- 界面附近:a- 界面:J2 K (Ca 0 Ca) 相内:J3 D(C C) / XdX反应控制过程: j2/ N X td
7、tdX2 j3/ N D(C C) / NX X t扩散控制过程:dt薄膜中的扩散机制:薄膜中的扩散机制:固体中扩散的微观机制主要有两种:空位机制和间隙原子机制。前者适用于基体自身院子和替代合金原子,后者适用于间隙自身原子地和间隙合金原子,在密堆积金属中由于自身原子和替代合金原子的原子半径比较大, 它们一般不能进入间隙位置。它们要扩散,必须等待最近邻出现空位后和空位交换位置。此时扩散激活能和有空位形成能和空位迁移能组成。因为原子遇到空位的几率等于空位浓度, 即和 exp(Ef/kT)成正比; 而原子和空位交换位置的几率与 exp(Em/kT)成正比,因此扩散系数 D 和温度 T 的关系可以表示
8、为D =Doexp(Ef+ Em)/kT间隙原子的迁移和 exp(Em/kT)成正比,这里 Em是间隙原子的迁移能。因间隙原子近邻的间隙中一般没有间隙原子,它们可以随时接纳间隙原子,因此这时扩散激活能直接等于间隙原子迁移能 Em。 此时扩散系数 D 和温度 T 的关系可以表示为D =Doexp(Em/kT)短路扩散:原子沿多晶薄膜中的晶粒边界和穿过薄膜的位错芯沿垂直薄膜的方向扩散之所以很快, 是由于沿晶粒边界和位错芯扩散的激活能远小于晶体点阵中扩散的激活能。因此在低温下沿晶粒边界和位错芯的扩散要快得多。它们统称为短路扩散。低温下晶粒边界扩散比晶体点阵扩散显著得多,因此在地温下,原子先沿着晶粒边
9、界扩散再从边界向两侧的晶粒点阵扩散;但高温时情况有所不同,由于晶粒边界扩散比晶体点阵扩散的范围小得多,从扩散总量相比,高温下晶体点阵扩散愈来愈重要,表面扩散:是指原子在固体表面上由一个表面位置向另一个位置移动。表面扩散可通过表面空位和表面增原子两种机制进行, 具体采用哪种机制则看哪种机制底扩散激活能(Ef+Em)小。4 4 表面扩散的测试技术(表面扩散的测试技术(STMSTM)答:答:(1)(1)超高真空扫描隧道显微镜超高真空扫描隧道显微镜(STM)(STM)直接观测法直接观测法A A 关于扩散系数关于扩散系数无规行走模型与示踪扩散系数无规行走模型与示踪扩散系数原子、分子的二维无规行走其平方平
10、均位移正比与时间和一个常数,这个常数称为 Tracer diffusion coefficientr2 a v有效t 4D t Ea/ kBT2*v有效 v0eD*(Arrhenius 方程) D0e* Ea/ kBT14a v0e2 Ea/ kBTFickFick 定律与化学扩散系数定律与化学扩散系数由Fick 定律定义的扩散系数称为 Chemical diffusion coefficient 或者 Collectivediffusion coefficientJ Drdiv J Fick 第一定律t(连续性方程)2t r Dr DFick 第二定律示踪扩散系数与化学扩散系数关系示踪扩散系
11、数与化学扩散系数关系DD* (/ kBT ) (/ kBT ) ln lnTTB B 测试方法测试方法原子示踪扩散法(原子示踪扩散法(Tracer diffusionTracer diffusion) (教材(教材 P164P164)Frame by frame 逐帧扫描法原理:在增原子或增原子对的近旁很小的范围内扫描,跟踪增原子或增原子对的每一步跳动。SEMSEM 扫描及扫描图象扫描及扫描图象由逐帧扫描图分析得到的曲线图由逐帧扫描图分析得到的曲线图(a)65C 和 128C 下 Si原子对沿 Si(100)二聚体链的位置-时间关系(b)128C 下暂留时间(t)的概率分布曲线,可以确定每个地
12、点的平均暂留时间 为 0.107s,1/ 就是跳动频率(c)跳动率-温度的双对数曲线v有效 v0e Ea/kBTt 1 / v有 效因此由跳动率-温度的双对数曲线的斜率和截距可以确定 Em和 v0 的值分别是 0.94ev和 10e12.8/s(1999 年之后,为了扩展这种测量方法,Besenbacher、Renisch 等特制了可以高速扫描的 STM,号称可以达到 100 幅/秒。实际使用约 20 幅/秒测量,只能达到约最快 10Hz 的扩散频率测量。 )新方法:新方法: 探针不动,探针不动, 观察某一固定位置的原子扩散情况观察某一固定位置的原子扩散情况( (通过隧道电流与时通过隧道电流与
13、时间的关系来反映间的关系来反映) )铜族贵金属原子在铜族贵金属原子在 Si(111)Si(111)表面的扩散运动的测量表面的扩散运动的测量a-c:室温下金银铜原子吸附在 Si(111)表面 F-HUC 的 STM 图像;d:铜样品降到液氮温度下的图像,单一的亮点表明只有一个铜原子吸附在F-HUC测量结果测量结果a,208K 温度下,分别在边位置(Center)和角位置(Corner)采集的时间依赖隧穿电流谱,其中高电流脉冲表明 Cu 原子运动到针尖下方。b,驻留事件数目随时间衰减统计直方图 ,由此可以确定不同温度下原子跳动的频率ArrheniusArrhenius 关系图关系图根据 0exp(
14、-Ea/kT) 即 lnln0- Ea/kT 可以计算0和Ea根据D*14a v有效2可以计算 D300 200 150 100 75104T (K)1010-10-11HopRate(Hz)1010101010103102-12101-13D (cms)0-1 Au_F Au_U Cu_F Cu_U Ag_F Ag_U10101010-142-1-15-16-2-1745678Au, AgAu, Ag 和和 CuCu在在 F-HUCF-HUC和和 U-HUCU-HUC最稳吸附位置的扩散频率与温度的最稳吸附位置的扩散频率与温度的 ArrheniusArrhenius关系图关系图该方法的优势1,
15、不需要对仪器进行任何改动就可以测量相对快速的扩散运动。2,可以区分不同的吸附位置分别测量3,测量高温下的快速扩散运动可减少工作时间4,驻留时间占空比包含更多信息STMSTM 观察成核密度法(教材观察成核密度法(教材 P163P163)原理:利用近年来发展起来的超高真空扫描隧道显微镜测定单晶衬底上的成1000/T (K )910 11 12 13 14 15 16-1核过程,测定不同温度下的岛密度,然后由岛密度的温度关系的实验和理论比较得到扩散激活能和横向振动频率 。岛密度的温度关系的实验和理论比较岛密度的温度关系的实验和理论比较截面演化法:截面演化法:(2)(2)场离子显微镜直接观测法场离子显
16、微镜直接观测法在高真空中难熔金属针尖表面上突出处的强电场使氦原子电离并加速后打到荧光屏上成象, 直接测量荧光屏上孤立的亮点(增原子的象)经不同时间后的平均平方位移, 从平均平方位移-时间直线关系的斜率和可以得到扩散系数 D, 再从lnD 和 1/T 的关系得到迁移能和指数前系数.(3)(3)浓度梯度法浓度梯度法将示踪原子覆盖表面的一半, 升温扩散后测量示踪原子的浓度-距离曲线, 可以得到不同温度下的表面扩散系数, 经处理后得到表面扩散激活能和 D0.在汽相沉积示踪原子的条件下, 由于存在大量过饱和增原子, 由上述方法测得表面扩散系数后得到的激活能是增原子迁移能.(4)(4)表面张力引起的表面扩
17、散表面张力引起的表面扩散表面曲率不同会引起点缺陷化学势的不同, 使点缺陷从化学势高处流向化学势低处, 从而引起表面外形的变化, 这种方法虽然是一种间接的方法, 但是它不需要上述特殊的设备与手段, 并且和实际问题的联系比较直接.曲率半径不同引起的表面扩散还可以用点缺陷浓度和曲率半径有关来说明 ,表面点缺陷浓度和曲率半径的关系是: 和曲率半径为无限大(平面)时的浓度相比,表面为凹面, 表面空位浓度大于平的表面的空位浓度, 而凹面增原子浓度小于平面增原子浓度. 表面为凸面时的情况相反. 如果表面凸凹不平, 凹处表面空位流向凸处, 凸处增原子流向凹处, 使表面变平.(5)(5)多种测量方法对照多种测量
18、方法对照5. 5. 同相及异相成核中同相及异相成核中 Gibbs-Curie-WulffGibbs-Curie-Wulff公式及其应用公式及其应用答:答:Gibbs-Curie-Wulff定律的基本含义是晶体生长最小表面能原理出发,可得知晶面的线性生长速率与该晶面的比表面能成正比, 晶体最终保留下来的晶面是面网密度大的晶面。Gibbs-Curie-Wulff 公式(晶体平衡形态中心到表面的距离与该表面表面能的比值为常数)1.均相成核通用式 G =Gv+Gs = -(V/)+Siia)对球状核:G =Gv+Gs = -(4r3/3)+4r2由 dG/dr = 0,得rc=2/ ;更改上式的形式,
19、得的距离在此处为 rc)应用(即 Gibbs-Curie-Wulff 公式,球状晶核中心到表面即临界成核吉布斯自由能与临界晶核体积之比为常数b)对多面体核:体积 V、温度 T 恒定时,由亥姆赫兹判据,dF=0dF = -PvdVv-PsdVs+由体积不变,得 dVc+dVs=0则公式可改写为-(Ps-Pv)dVs+=0以多面体中心为共顶点,将多面体晶核分割为多个椎体,每个椎体的体积为,那么多面体晶核的总体积为 Vs =dVs =dVs =联立两式,得 dVs =从而有应用2.异相成核以四方柱形核为例G =Gv+Gs = -(L2H/)+L2(+i+s)+4LHdF = -PvdVv-PsdVs
20、+Lc = 4/横向未受影响Hc = 2(+i+s)/纵向受影响Gc = 1622(+i-s)/2 = (3223/2)(+i-s)/2 = Ghom6. 6.三种生长模式三种生长模式答:答:薄膜的形成过程一般可分为凝结过程、核形成与长大过程、岛形成与生长结合过程。而薄膜的生长模式可归纳为三种形式:(1)岛状模式(2)单层模式(3)层岛复合模式,这三种模式分别示意如下图:岛状模式层岛复合模单层模式式当最小的稳定核在基片上形成就会出现岛状生长,它在三维尺度生长,最终形成多个岛。当沉积物中的原子或分子彼此间的结合较之与基片的结合强很多时,就会出现这种生长模式。在绝缘体、卤化物晶体、石墨、云母基片上
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