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第1章 材料科学基础1

1.1引言1

1.2结构1

1.2.1晶态固体1

1.2.2 X射线衍射4

1.2.3非晶态固体4

1.3固体中的缺陷6

1.3.1空位6

1.3.2位错6

1.3.3晶粒间界7

1.4化学键和能带8

1.4.1原子间的键8

1.4.2固体中的键8

1.4.3四类固体：化学键和特性9

1.4.4能带图11

1.5材料热力学13

1.5.1化学反应14

1.5.2相图16

1.6动力学19

1.6.1宏观输运19

1.6.2原子运动21

1.7成核24

1.8力学行为简介25

1.8.1应力、应变和弹性25

1.8.2塑性行为27

1.8.3薄膜中的应力27

1.9小结28

参考文献28

第2章 真空科学与技术31

2.1引言31

2.2气体动力学理论31

2.2.1分子速度31

2.2.2压强32

2.2.3表面上的气体撞击33

2.3气体输运和抽气35

2.3.1气流机理35

2.3.2流导36

2.3.3抽气速率37

2.4真空泵38

2.4.1概述38

2.4.2旋片式机械泵39

2.4.3罗茨泵40

2.4.4扩散泵40

2.4.5涡轮分子泵41

2.4.6低温泵41

2.4.7溅射离子泵43

2.5真空系统43

2.5.1构成和操作43

2.5.2抽气系统的注意事项44

2.5.3真空泄漏45

2.5.4真空测量46

2.6结论47

参考文献48

第3章 薄膜热蒸发过程49

3.1引言49

3.2蒸发的物理化学特性50

3.2.1蒸发速率50

3.2.2元素蒸汽压50

3.2.3多组分材料的蒸发52

3.2.4合金化学计量比55

3.3薄膜厚度均匀性和纯度56

3.3.1源—基几何布局56

3.3.2膜厚均匀性57

3.3.3沟槽和台阶上薄膜覆形生长60

3.3.4薄膜的纯度61

3.4热蒸发装置62

3.4.1电加热蒸发源62

3.4.2电子束蒸发64

3.4.3沉积技术67

3.5热蒸发工艺和应用69

3.5.1应用领域69

3.5.2脉冲激光沉积69

3.5.3卷绕镀膜72

3.5.4离子束辅助沉积74

3.6小结74

参考文献75

第4章 放电、等离子体、离子与表面的相互作用77

4.1引言77

4.2等离子体、放电和电弧78

4.2.1等离子体78

4.2.2汤生放电78

4.2.3放电类型和结构80

4.3等离子体物理基础81

4.3.1等离子体种类81

4.3.2离子能量和温度81

4.3.3等离子体粒子的运动：电流和扩散82

4.3.4电磁场的电子运动83

4.3.5电荷累积效应84

4.3.6等离子体中的交流效应85

4.3.7电极鞘层86

4.4等离子体中的反应87

4.4.1碰撞过程87

4.4.2碰撞截面88

4.4.3等离子体化学89

4.4.4化学反应的速率90

4.5溅射的物理本质91

4.5.1离子和表面作用简介91

4.5.2溅射92

4.6生长中薄膜的离子轰击改性98

4.6.1简介98

4.6.2温度冲击98

4.6.3结构该性99

4.6.4离子注入102

4.7总结105

参考文献106

第5章 薄膜制备的等离子体与离子束工艺108

5.1引言108

5.2直流、交流和反应溅射工艺109

5.2.1介绍109

5.2.2靶材110

5.2.3直流溅射110

5.2.4交流（射频）溅射113

5.2.5反应溅射115

5.3磁控溅射118

5.3.1简介118

5.3.2磁控配置119

5.3.3多种增强的磁控溅射工艺120

5.3.4磁控溅射关注问题122

5.4等离子体刻蚀125

5.4.1薄膜图形化的简介125

5.4.2金属层的图形化和加工126

5.4.3等离子刻蚀机制127

5.4.4等离子体刻蚀参数129

5.4.5等离子体刻蚀反应装置130

5.4.6等离子体加工中薄膜的温升133

5.5混合与改进的物理气相沉积工艺135

5.5.1离子镀136

5.5.2反应蒸发工艺138

5.5.3电弧等离子体沉积139

5.5.4离子束辅助沉积141

5.5.5离化团束（ICB）沉积144

5.5.6等离子体浸没式离子注入145

5.6小结146

参考文献147

第6章 化学气相沉积150

6.1引言150

6.2反应类型152

6.2.1热解反应152

6.2.2还原反应153

6.2.3氧化反应153

6.2.4化合物的形成153

6.2.5歧化反应154

6.2.6可逆反应154

6.3 CVD中的热力学理论156

6.3.1反应的可行性156

6.3.2平衡条件157

6.4气体输运160

6.4.1绪论160

6.4.2黏性流动161

6.4.3气体中的扩散162

6.4.4对流163

6.4.5复杂气体输运效应建模164

6.5薄膜生长动力学166

6.5.1轴向生长速率的均匀性166

6.5.2晶片上的放射生长速率均匀性168

6.5.3温度依赖性169

6.5.4热力学的影响171

6.6热CVD工艺173

6.6.1范围173

6.6.2大气压CVD173

6.6.3低压CVD（LPCVD）176

6.6.4有机金属CVD过程（MOCVD）177

6.6.5激光增强CVD沉积178

6.7等离子体增强CVD工艺179

6.7.1综述179

6.7.2 PECVD反应器181

6.7.3 PECVD工艺182

6.7.4等离子体中的化学反应建模185

6.8有关CVD的材料问题187

6.8.1绪论187

6.8.2热CVD硅薄膜的结构187

6.8.3非晶硅薄膜的沉积和结构187

6.8.4非晶氮化硅188

6.8.5超硬薄膜189

6.8.6薄膜的选择性沉积193

6.9安全性194

6.10小结195

参考文献196

第7章 基底表面与薄膜成核199

7.1简介199

7.2基底表面的原子级特征201

7.2.1引言201

7.2.2表面电子特性201

7.2.3表面结构204

7.2.4硅表面重构207

7.2.5固体表面吸附反应209

7.3成核的热力学模型211

7.3.1范围211

7.3.2表面自由能211

7.3.3异质成核的毛细理论212

7.3.4薄膜生长模型213

7.3.5基底温度和沉积速率对成核过程的影响215

7.4成核和生长的动力学过程217

7.4.1范围217

7.4.2成核速率217

7.4.3成核速率的原子理论模型218

7.4.4成核的动力学模型221

7.4.5团簇的聚结与耗尽222

7.5成核与生长的实验研究226

7.5.1电子显微镜226

7.5.2俄歇电子能谱（AES）226

7.5.3金属薄膜的实验结果228

7.5.4成核的扫描探针显微镜研究228

7.6结论232

参考文献233

第8章 外延生长235

8.1引言235

8.2外延的表现形式237

8.2.1简介237

8.2.2制图外延法237

8.2.3异质外延238

8.2.4倾斜层外延241

8.3外延薄膜中的点阵失配与缺陷242

8.3.1点阵失配的均衡理论242

8.3.2 Si基底上外延GexSi1-x薄膜的缺陷244

8.3.3外延薄膜中缺陷的种类及起源246

8.3.4失配位错的形成247

8.3.5外延缺陷的透视法248

8.4化合物半导体的外延生长249

8.4.1引言249

8.4.2化合物半导体材料249

8.4.3器件及应用范围254

8.4.4化合物半导体在可见到红外光谱的照明256

8.5外延半导体薄膜的高温沉积258

8.5.1范围258

8.5.2从溶剂中生长外延薄膜258

8.5.3 CVD外延261

8.6外延半导体薄膜的低温沉积266

8.6.1范围266

8.6.2分子束外延266

8.6.3硅的异质外延269

8.6.4不常见的外延生长技术271

8.7外延薄膜的生长机理及表征272

8.7.1硅的同质外延272

8.7.2 GaAs及相关薄膜的生长273

8.7.3选择性外延274

8.7.4分子束外延（MBE）薄膜的原位表征276

8.8结论280

参考文献281

第9章 薄膜结构284

9.1引言284

9.2薄膜及涂层的结构形态285

9.2.1热蒸发及溅射涂层的构造带模型285

9.2.2柱状晶粒结构：切线法则290

9.2.3薄膜密度292

9.3薄膜结构的计算机模拟294

9.3.1范围294

9.3.2切线法则的修正294

9.3.3蒙特卡洛模拟296

9.3.4分子动力学模拟297

9.3.5薄膜生长的模拟仿真298

9.4薄膜中的晶粒生长、织构和微结构控制301

9.4.1介绍301

9.4.2薄膜中的晶粒生长301

9.4.3能量和微结构变化303

9.4.4薄膜织构305

9.4.5薄膜显微织构308

9.5受约束薄膜结构309

9.5.1介绍309

9.5.2 PVD方法形成的内衬及填充沟道310

9.5.3雕塑薄膜312

9.6无定形薄膜314

9.6.1介绍314

9.6.2原子尺度的非晶材料315

9.6.3非晶半导体薄膜的结构315

9.6.4非晶氮化硅和SiO2316

9.6.5非晶金属合金体系316

9.6.6模拟薄膜结构的模型318

9.7结论321

参考文献322

第10章 薄膜及表面的特性324

10.1引言324

10.2薄膜厚度326

10.2.1简介326

10.2.2薄膜厚度的光学测试法326

10.2.3干涉测量法327

10.2.4椭偏法330

10.2.5机械法测量薄膜厚度333

10.3薄膜及表面结构特性338

10.3.1简介338

10.3.2扫描电子显微镜338

10.3.3透射电子显微镜342

10.3.4 X射线衍射345

10.3.5扫描探针显微镜348

10.4薄膜及表面的化学特性352

10.4.1介绍352

10.4.2电子跃迁原子识别354

10.4.3 X射线能量色散分析357

10.4.4俄歇电子能谱（AES）358

10.4.5 X射线光电子能谱（XPS）359

10.4.6在GaAs薄膜中的几个应用360

10.4.7卢瑟福背散射（RBS）361

10.4.8二次离子质谱（SIMS）365

10.4.9应用367

10.5结论368

参考文献369

第11章 薄膜内的互扩散、反应和相变372

11.1引言372

11.2扩散的基础知识373

11.2.1范围373

11.2.2相对扩散机制373

11.2.3晶界扩散375

11.2.4薄膜扩散耦合378

11.3金属薄膜的内扩散385

11.3.1范围385

11.3.2在共溶合金体系中的内扩散386

11.3.3环境对薄膜扩散和反应的影响390

11.4薄膜中化合物的形成和相变391

11.4.1金属间化合物的形成391

11.4.2薄膜中相变情况简介396

11.5金属半导体反应400

11.5.1前言400

11.5.2 Al-Si反应400

11.5.3扩散势垒401

11.5.4硅化物403

11.5.5硅化物、自对准多晶硅化物 和多晶硅化物技术407

11.6在大驱动力作用下薄膜中的质量输运409

11.6.1引言409

11.6.2非线性质量输运效应409

11.6.3薄膜中的电迁移410

11.7结论414

参考文献414

第12章 薄膜的力学性能417

12.1引言417

12.2薄膜的机械性能测试418

12.2.1概述418

12.2.2拉伸测试419

12.2.3膨胀测试420

12.2.4纳米压痕测试421

12.2.5薄膜强度的位错模型422

12.2.6多层膜的硬度和强度424

12.3内应力分析425

12.3.1简介425

12.3.2机械平衡425

12.3.3 Stoney方程426

12.3.4取向超晶格中的应力428

12.3.5各向同性热应力与双层结构429

12.3.6三层结构中的热应力430

12.4测量薄膜内应力的方法431

12.4.1衬底偏角或曲率法432

12.4.2 X射线衍射435

12.4.3应力测量的精度和灵敏度435

12.5薄膜中的内应力及其成因436

12.5.1薄膜中的本征应力436

12.5.2蒸发沉积金属薄膜中的应力437

12.5.3溅射薄膜439

12.5.4化学气相沉积薄膜441

12.5.5关于内应力的一些理论442

12.6受力薄膜中的力学弛豫效应444

12.6.1引言444

12.6.2热生长二氧化硅薄膜中的应力和应变弛豫444

12.6.3薄膜中弛豫的位错机制445

12.6.4循环变温加热下金属膜中的弛豫效应447

12.6.5膜破裂引起的应力消除448

12.6.6裂纹扩展和间隔450

12.7黏附力450

12.7.1引言450

12.7.2黏附热力学451

12.7.3膜—衬底界面452

12.7.4提高膜黏附的方法453

12.7.5黏附力的测试455

12.8结论456

参考文献457

习题459

附录484