磁控溅射制备铝薄膜毕业论文目录第1章绪论 (1)1.1 引言 (1)1.1.2 薄膜研究的发展概况 (1)1.1.3 薄膜的制备方法 (4)1.1.4 薄膜的特征 (5)1.1.5 薄膜的应用 (7)第2章射频反应磁控溅射制备方法机理分析 (8)2.1 射频反应磁控溅射法原理 (8)2.1.1 直流辉光放电 (8)2.1.2 射频辉光放电 (9)2.1.3 射频原理 (9)2.1.4 磁控原理 (11)2.1.5 反应原理 (12)2.2. 溅射机理 (13)2.2.1 基本原理 (13)2.2.2 基本装置 (13)2.3 溅射的特点和应用 (15)2.3.1 溅射的特点 (15)2.3.2 溅射的应用 (16)第3章实验 (17)3.1 课题的研究线路 (17)3.2 实验材料以及设备 (17)3.3 实验仪器的原理 (18)3.3.1 磁控溅射镀膜仪的原理 (18)3.3.2 椭圆偏振测厚仪的原理 (19)3.3.3 原子力显微镜的原理 (23)3.3.4 表面预处理 (27)3.3.5 薄膜制备 (28)第4章实验结果及数据分析 (30)4.1 薄膜测试与分析 (30)4.1.1 衬底温度对于铝薄膜属性的影响 (30)4.1.2 衬底温度对于铝薄膜生长的影响 (31)4.1.3 不同的气压对于铝薄膜生长的影响 (34)结论 (40)致 (41)参考文献 (42)附录X 译文 (43)利用CO/SiC衬底上制备单层石墨薄膜 (43)附录Y 外文原文 (48)第一章绪论1.1 薄膜概述1．1．1 引言人工薄膜的出现是20世纪材料科学发展的重要标志。

自70年代以来，薄膜材料、薄膜科学、与薄膜技术一直是高新技术研究中最活跃的研究领域之一，并已取得了突飞猛进的发展。

薄膜材料与薄膜技术属于交叉学科，其发展几乎涉及所有的前沿学科，其应用与推广渗透到了各相关技术领域。

正是由于薄膜材料和薄膜技术的发展才极促进了微电子技术、光电子技术、计算机技术、信息技术、传感器技术、航空航天技术和激光技术的发展，也为能源、机械、交通等工业部门和现代军事国防部门提供了一大批高新技术材料和器件。

薄膜是不同于其它物质(气态、液态、固态和等离子态)的一种新的凝聚态，有人称之为物质的第五态。

顾名思义，薄膜就是薄层材料。

它可以理解为气体薄膜，如吸附在固体表面的气体薄层；也可理解为液态薄膜，如附着在液体和固体表面的油膜。

我们这里所指的薄膜是固体薄膜，即使是固体薄膜，也可分为薄膜单体和附着在某种基体上的另一种材料的固体薄膜，这里所指的薄膜属于后者[1]。

薄膜的基底材料有绝缘体，如玻璃、瓷等；也有半导体，如硅、锗等；也各种金属材料。

薄膜材料也可以是各种各样的，如从导电性来分，可以是金属、半导体、绝缘体或超导体。

从结构上来分，它可以是单晶、多晶、非晶(无定形)、微晶或超晶格的。

从化学组成上来看，它可以是单质，也可以是化合物，它可阻是无机材料，也可以是有机材料。

1．1．2 薄膜研究的发展概况薄膜科学是由多个学科交叉、综合、以系统为特色，逐步发展起来的新兴学科，以“表面”及“界面”为研究核心，在有关学科的基础上，应用表面技术及其复合表面技术为特点，逐步形成了与其他学科密切相关的薄膜科学。

60年代初以来，伴随着超高真空技术及各种复杂的表面分析技术的发展，薄膜科学的研究容得到了极大的丰富，并逐步发展成为多学科相互交叉、理论与实验相结合的一门新学科。

表面原子无论在原子运动、原子结构、表面缺陷以及其他物理化学过程都与体原子有不同的变化规律和特点。

尽管作为凝聚态物理的一个重要分支和多种科密切联系的交叉学科，薄膜科学在很大程度受固体物理的影响，并与材料科学、化学、微电子学等多种学科互相渗透，密切联系。

固体物理中的声子色散、电子能带和输运机制都与界面现象有关，为获取材料表面信息而出现的多种粒子探测技术正是依赖各种粒子(如低能电子、离子、原子、分子等)与材料表面相互作用，而这些粒子束探测技术反过来又极推动了现代薄膜科学的迅速发展。

在表面吸附以及薄膜生长机制研究中，分子物理和分子化学知识则是必不可少和非常重要的。

伴随着薄膜科学在基础研究方面的不断深入，各种表面分析技术也日渐成熟，使人们逐渐可以在微观的尺度上对材料的结构、形貌、成分和化学状态等进行直接的观察、分析。

一批新的表面微区结构与成分分析方法以及一些新的表面加工技术应运而生。

首先使用与纳米加工和微区成分分析的各种扫描探针技，用于描述薄膜生长和原子迁移动力学过程的实时监测技术以及从一般尺度到原子尺度进行表面研究的综合系统。

许多表面分析技术已经在工业界得到广泛应用，这包括：x射线衍射仪(XRD)、Auger电子能谱(AES)、x光电子谱(XPS)、低能电子衍射(LEED)、热能原子散射(TEAS)、扫描隧道显微镜(STM)、和椭偏仪(ellipsometry)等分析技术的出现，不仅为表面科学和薄膜科学提供了利的研究手段，而且极大的推动了表面科学和薄膜科学的飞速发展。

另一些表面分析技术，如二次离子质谱(SIMS)以及配有电子能量损失谱(EELS)的原子分析透射电镜(TEM)和反射高能电子衍射谱(RHEED)也在被工业界接受。

在薄膜材料制备方面，由表面技术发展起来的各种现代手段，如以蒸发沉积为基础发展出了真空蒸发沉积、分子束外延薄膜生长、加速分子束外延生长；以载能束与固体相互作用为基础，先后出现了离子柬溅射沉积、电子束蒸发沉积、脉冲激光溅射沉积、强流离子束蒸发沉积；以等离子体技术为基础出现了化学气相沉积、物理气相沉积、磁控溅射镀膜；同时，人们将载能束与薄膜生长相结合发展了离子束辅助沉积、低能离子束沉积、离子束混合等。

例如，应用离子镀膜、射镀膜、化学气相沉积、离子束辅助沉积等方法制备的TiN、这些薄膜制备方法已经可以通过控制应力、成分和掺杂条件来获取各式各样的人造多层膜结构。

这些具有特殊功能和目的的新材料己被制作成各种器件，如高电子迁移晶体管、激光器、异质结双极晶体管(HBT)、巨磁电阻、x射线光学器件等，并广泛应用于电子、磁光和通信等领域。

而在材料研究方面，尤其以SiC薄膜、Ⅲ一V族氮化物薄膜、硅化物薄膜、纳米粉材料最引人注意。

利用先进的超高真空生长技和原位观测手段以及对生长机理的深入研究，有可能使性质差异更大的材料以薄膜的形式结合起来，从而提高器件的工作效率，扩大器件的功能。

在理论研究方面，人们越来越感兴趣在一些小尺寸或与之相关的材料系统中发现新的物理和化学现象。

例如，表面对量子点或原子团簇中杂质和缺陷的影响。

可以说计算机的发展对薄膜科学做出了重要贡献。

与此同时先进的计算机与现代算方法结合，可以用来研究各种复杂的表面系统，从而提供了检验和比较各种似理论的标准。

同时，通过计算机模拟可以沟通理论和实验，实现在实验上很难或者根本无法完成的某些物理过程和极限情况的研究。

对于薄膜形成机理的研究起始于二十世纪二十年代，1924年，Frenkel 提出了描述成核过程的原子模型[2]。

1958年，人们提出薄膜生长的外延模型[3]，建了薄膜生长的三种模式：即层状生长模式，层状+三维岛状生长模式和三维岛生长模式。

同时，基于统计物理学的原子成核和生长模型及相关理论丌始逐渐形成[4，5]，如：描述表面原子成核和生长的速率方程和关于表面原子扩散的点阵气体模型等。

这些理论的出现不仅解释了薄膜生长初期的一些物理现象，促进了薄膜生长研究的发展，而且激励着人们在原子、分子的水平上进一步探讨薄膜的生长行为。

1985年，Rahman等人报道了Lennard。

Jones体系的薄膜生长的分子动力学模拟[6]。

1986年，Voter在点阵气体模型的基础上提出了表述表面原予运动的Monte Carlo方法[7]。

随着一些有效的原子间相互作用势的出现，计算机模拟方法开始逐渐成为研究原子水平上的薄膜生长机制的主要手段之一。

1．1．3 薄膜的制备方法薄膜制备方法很多，并可将它们分类，如分为化学法、物理法或化学物理法。

现我们按气相、液相法分类，如表1．1。

气相法是利用各种材料在气相间、气相和固体基体表面间所产生的物理、化过程而沉积薄膜的一种方法。

它又可以分为化学气相沉积(Chemical Vapour Deposition，简称CVD)和物理气相沉积(Physical Vapour Deposition，简称PVD)。

根据促使化学反应的能量可以来自加热、光照和等离子体，因此CVD又可分为热CVD、光CVD和等离子CVD。

物理气相沉积也可分为利用加热材料而产生的热蒸发沉淀、利用气体放电产生的正离子轰击阴极(靶材)所产生的溅射沉积、把蒸发和溅射结合起来的离子镀以及分子束外延。

应该指出的是CVD中不是单一的只存在着化学过程，它同时也存在着物理过程，如原子或分子的激发、电离，各种粒子的扩散和在固体表面的吸附等。

反之，PVD中也可能产生化学过程，如在蒸发和溅射过程中充入活性气体(02、N2等)，则它们可和蒸发和溅剩出来的粒子产生化学反应而生成不同于靶材的薄膜，即所谓反应镀膜。

液相法又可分为化学镀、电镀和浸渍镀。

本论文将会主要介绍溅射镀膜法。

1．1．4 薄膜的特征薄膜与大块材料相比，它具有某些特有的性能[8]。

(1)结构特征：由于薄膜有很大的表面积，很容易受环境气氛和基片状况的影响，所以除分子束外延法外，一般镀膜方法制成的薄膜的有序化程度较大块材料差，杂质浓度和缺陷都高于大块材料。

(2)金属薄膜的电导：薄膜的电子性质与大块材料的电子性质的差异非常明显，某些在薄膜上见到的物理效应，在大块材料上根本不存在。

对大块金属来说，其电阻因温度降低而减小，在高温区，电阻随温度的一次方减小，而在低温区，电阻随温度的五次方减小。

但薄膜的电阻率要比大块金属的电阻率大，温度降低后薄膜的电阻率不如大块样品下降得那样快。

因为在薄膜的情况下，表面散射对电阻的贡献很大。

一般厚度小于30nm的薄膜，即使在300K的温度，表面散射对电阻的贡献也已经表现出来。

薄膜电导异常的另一表现是磁场对薄膜电阻的影响。

处于外磁场中的薄膜的电阻要比大块样品的电阻大一些，这是因为在这种情况下，电子在薄膜中沿螺旋形路线前进。

只要螺旋线的半径大于薄膜的厚度，电子在运动过程中在表面处的散射就会产生附加电阻；使得薄膜在磁场中的电阻大于块材料的电阻，也大于薄膜在零磁场中的电阻。

这种薄膜电阻对磁场的依赖关系叫磁阻效应。

(3)通过绝缘薄膜层的电导：当夹在两块金属电极之间的绝缘层变得很薄时，它的导电性会发生很大变化。

因为在这种情况下，绝缘薄膜的导电性能不再由绝缘体的固定性质所决定，而主要由金属与绝缘体接触界面的特性来决定。

金属与绝缘体问一个合适的欧姆接触，可以向绝缘薄膜中注入附加载流子，改变了绝缘体的电子态结构。