发布时间 : 星期一 文章薄膜材料制备原理、技术及应用知识点2013by张为政更新完毕开始阅读
因此即使对于理想溶液，合金中两组元的蒸气压之比或蒸发速率之比都将不同于合金中的组元含量之比。
3、离子镀制备薄膜时所发生的物理过程：
离子镀
在真空条件下，利用气体放电使气体或被蒸发物部分离化，产生离子轰击效应，最终将蒸发物或反应物沉积在基片上。结合蒸发与溅射两种薄膜沉积技术而发展的一种 PVD方法
其过程为：1产生辉光；2蒸发离化；3被加速；4沉积成膜
与蒸发，溅射的比较，离子束镀增加了对沉积束团的控制；与基片结合良好；在低温下可实现外延生长；形貌可变；可合成化合物；可在低温衬底沉积，避免高温引起的扩散
1-高压负极 2-接地屏蔽 3-基片 4-等离子体 5-挡板 6-蒸发源 7-气体入口 8-接真空
图3-48 离子镀原理示意图
（一） 离子镀原理和特点 离子镀的粒子绕射性
离子镀的工作气压约10-1Pa，比普通的真空蒸镀10-4高，所以蒸发原子的平均自由程低，散射严重，所以绕射性好。
在气体放电的离子镀中，沉积粒子呈现 正电性，从而受到处于负电位的基片的吸引作用。离子镀的粒子绕射性提高薄膜对于复杂外形表面的覆盖能力。
4、化学气相沉积的动力学过程：
化学气相沉积过程的各个环节可以划归为两个阶段: (1) 气体传输、气相反应阶段； (2) 表面吸附、表面反应阶段。
在气相传输与气相反应阶段，主要涉及了气体的宏观流动、气体分子的扩散以及气相内的化学反应三个基本过程；在后一阶段中，主要涉及气体分子的表面吸附与脱附、表面扩散以及表面化学反应并形成薄膜微观结构三个微观过程。
5、 实验观察到的薄膜生长模式可以被划分为以下三种：
岛状、层状和层状-岛状生长模式
岛状生长(Volmer-Weber)模式 ：
被沉积物质的原子或分子更倾向于自己相互键合起来，而避免与衬底原子键合，即被沉积物质与衬底之间的浸润性较差；金属在非金属衬底上生长大都采取这种模式。对很多薄膜与衬底的组合来说，只要沉积温度足够高，沉积的原子具有一定的扩散能力，薄膜的生长就表现为岛状生长模式。
层状生长（Frank-van der Merwe)模式：
当被沉积物质与衬底之间浸润性很好时，被沉积物质的原子更倾向于与衬底原子键合。因此，薄膜从形核阶段开始即采取二维扩展模式，沿衬底表面铺开。在随后的过程中薄膜生长将一直保持这种层状生长模式。
层状-岛状(Stranski-Krastanov)生长模式：
在层状-岛状中间生长模式中，在最开始一两个原子层厚度的层状生长之后，生长模式转化为岛状模式。导致这种模式转变的物理机制比较复杂，但根本的原因应该可以归结为薄膜生长过程中各种能量的相互消长。
6、 衬底温度和沉积速率对形核过程和薄膜组织结构的影响：
薄膜沉积速率R与衬底温度T是影响薄膜沉积过程和薄膜组织的最重要的两个因素。薄膜沉积速率越高，薄膜临界核心半径与临界形核自由能降低，因而高的沉积速率将会导致高的沉积速率和细密的薄膜组织。而衬底温度越高，需要形成的临界核心的尺寸越大，形核的临界自由能势垒也越高，因而高温沉积的薄膜往往首先形成粗大的岛状组织，而低温时，临界形核自由能下降，形成的核心数目增加，有利于形成晶粒细小而连续的薄膜组织。
7、 薄膜应力的定义及产生原因：
薄膜应力指的是存在于薄膜任意断面上，由断面一侧作用于断面另一侧的单位面积上的力。一般情况下，即使在没有任何外力作用的情况下，薄膜中也总存在着应力，称之为内应力或残余应力。
薄膜中应力的产生通常可依据薄膜应力产生的根源，分为热应力和生长应力。热应力是由于薄膜与衬底材料的线膨胀系数不同和温度变化引起的薄膜的应力；薄膜的生长应力又称为本征应力，是由于薄膜结构的非平衡性所导致的薄膜内应力。
8、 薄膜与衬底之间的界面可分为以下四种类型：
（1） 平界面：在这类界面上，物质从一种类型突变为另一种类型，两侧原子之间缺
少相互扩散，薄膜附着力较差。
（2） 形成化合物的界面：在界面两侧原子间作用力较强时，界面原子之间将发生化
学反应并生成化合物，界面有一层适当厚度的化合物过渡层，提高界面附着力，但同时由于一般化合物脆性比较大，界面易发生应力集中现象。
（3） 合金的扩散界面：在界面两侧元素间相互扩散、溶解形成合金的情况下，界面
成分将呈现梯度变化，使界面具有良好的附着力。
（4） 机械咬合界面：在界面粗糙程度较大、界面元素之间不发生明显扩散的情况下，
界面两侧的物质以其凹凸不平的表面相互咬合，此时界面的附着力完全取决于界面的形态和界面应力，界面高粗糙度及一定压应力有助于提高界面附着力。
9、 介绍几种薄膜厚度的测量方法，并简单说明测量依据。
一、 薄膜厚度的光学测量方法
1、 不透明薄膜厚度测量的等厚干涉和等色干涉法 等厚干涉法
先在薄膜上制备出一个台阶，再在薄膜的台阶上、下均匀沉积一层高反射膜。在单色光照射下参考玻璃下表面与薄膜上表面的反射光的光程差为：
测出条纹间隔△0
同理，玻璃下表面与衬底上表面反射光的光程差为：
在台阶处，干涉条纹会出现错位，测出条纹位错间隔△，则可算出台阶高度，即薄膜厚度。
每当错开一级干涉条纹，其厚度差为λ/2，所以根据样品上干涉条纹错开的“条数”可算出薄膜厚度。
等色干涉法
实验装置基本同上。但使用非单色光源照射薄膜表面，利用光谱仪可以记录到一系列满足干涉极大条件的光波波长λ。由光谱仪检测到在台阶上同一厚度，相邻两次干涉极大的条件为
在薄膜的台阶上、下形成N级干涉条纹的波长差设为Δλ，则其满足：
这样测出Δλ和算出N即可求出台阶高度h
\\
等色干涉法的厚度分辨率高于等厚干涉法，可以达到小于1nm的水平.
薄膜测量的椭偏仪方法（偏光解析法）
是利用物质界面对于不同偏振态的光具有不同的反射、折射能力的特性。
二、 薄膜厚度的机械测量方法 1、 表面粗糙度仪法
用直径很小的触针滑过被测薄膜的表面．同时记录下触针在垂直方向的移动情况，并画出薄膜表面轮廓的方法称为粗糙度仪法；这种方法不仅可以用来测量表面粗糙度，也可以用来测量特意制备的薄膜台阶高度，以得到薄膜厚度的信息。 2、 称重法与石英晶体振荡器法
如果薄膜的面积A、密度ρ和质量m可以被精确测定的话，则薄膜厚度可表为
这一方法的精度依赖于薄膜的密度ρ以及面积A的测量精度。随着薄膜制备方法、工艺的不同，薄膜的密度可以有很大的变化。另外，在衬底不很规则的情况下，准确测量薄膜面积也是很不容易做到的。
石英晶体振荡器法，是基于石英晶体片的固有振动频率随其质量的变化而变化的物理现象。本质上也是一种称重法。由石英片固有频率的变化可以测量出沉积物的厚度。而且，测量的灵敏度将随着石英片厚度hg的减小和其固有频率f0的提高而提高。将一只石英振荡器放在沉积室内的衬底附近，通过与另一振荡电路频率相比较可以很精确地测量出石英晶体振荡器固有频率的微小变化。监测振荡频率随着沉积过程的变化，就可以知道相应物质的沉积质量或薄膜的沉积厚度。