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真空薄膜的形成与设备

8.关于薄膜制造上的重点

8.1薄膜的成长过程和构造

物质在真空中蒸发,使其在基板上形成一层很薄的膜,那么到底是经过了怎样的过程才形成薄膜的呢?首先,在初期过程中有3种类型是我们已知的,具体表示在图8.1上。
  1. 核成长型(Volmer-Weber型)
    这是核细胞在基板表面上生长,凝聚而形成薄膜。大部分的薄膜都是在这样的过程中形成的。
  2. 单层生长型(Frank-von der Merwe型)
    形成薄膜的原子均匀地覆盖在基板表面,按照顺序逐一形成一个单一的原子层。它们被看成PbSe/PbS、Au/Pd,Fe/Cu等。
  3. 复合型(Stranski-Krastanov型)
    核增长是在最初的1〜2层的单原子层形成以后才发生的。当金属被沉积在一个清洁的金属表面上时比较容易发生,例如Cd/W、Cd/Ge等就属于此类。

薄膜成长的3种类型



薄膜会成长成什么类型的,本来这是由薄膜材料的内聚力,薄膜与基板间的吸引力,以及基板的温度等条件来决定的,但是具体的情况是怎么样的还尚未明确。

基板表面上的核形成与核成长



下面对图8.2中的核成长型薄膜的形成过程的表示进行说明。
  1. 撞击到基板上的薄膜物质一部分被反射,而剩下的则被吸收。
  2. 吸附原子在基板表面上的扩散,形成在二维的原子间的碰撞形成簇或者停留在表面上,
    经过一段时间后再次蒸发。
  3. 在簇与表面扩散原子的碰撞或释放出单原子的不断重复中,原子数超过了一定的临界值的时候就会形成稳定的原子核。
  4. 稳定原子核是通过俘获表面的扩散原子和原子束入射直接冲突来成长的。
  5. 为了使稳定的原子核能继续增长,要与周围相邻的稳定的原子核聚结,最终成为一个连续的薄膜。

当该薄膜成为一定程度的厚度的薄膜时,它的构造就会因为成膜方法,成膜条件等各种条件而发生变化。作为一个例子,图8.3就显示了著名的Thornton模式在溅射的模式。

Thornton模式



8.2膜厚的定义和测定方法

  1. 塑形性膜厚(几何学的膜厚)
    是指膜表面的平均面和基板平均面之间的距离。主要的测定方法有,用触针式表面粗糙度测量仪的段差测定法和通过电子显微镜来观察的测定法。
  2. 质量膜厚
    膜的质量是指块状的密度成为散装膜的膜厚。用化学天平和微分析天平来测定成膜前后的质量差是比较普遍的。成膜过程中用来监视膜厚与成膜速度的水晶式膜厚计也是用来测量质量膜厚的。另外根据荧光透视,或原子数的推算来测定质量膜厚也是方法之一。
  3. 物理性膜厚
    当测量该膜的物理性能,在基板的表面上形成了均匀的块状而且是指同一个数字值,该值表示相同的薄膜厚度。由于测定的性能,具有电阻性,电容性等电性能反射率和透过率等功能。
    举一个例子说,光学薄膜被假定为均匀相同的折射率的值(该产品的厚度和形状的折射率)得到的光学特性的光学厚度,该值除以折射率是物理性的膜厚度。