2016大创结题PPT陈煜

1、项目成员：陈煜 邹永恒 杨士栋 黄立豪 指导老师：王江涌教授 报告人：陈煜 1 2 Pd-Si薄膜 Pd-Si薄膜：金属硅薄膜： 在半导体器件领域的广泛应用（欧 姆接触、肖特基接触、互连线等） 在加工工艺中具有兼容性和制造简 易性等优势 目前Pd-Si薄膜研究的主要方向： Pd-Si界面的化学键和反应、Pd-Si 系统的相变等 Pd-Si薄膜表面偏析研究的意义： 更好的应用Pd-Si薄膜材料 薄膜材料的性能主要由材料成分、 显微组织、相结构和界面状态所决 定，而这些均与表面处理技术和工 艺有关。因此，分析薄膜材料的上 述因素与其性能、处理工艺之间的 关系，是提高工艺水平、保证薄膜 质量的重要途

2、径。 Pd-Si薄膜 3 修正的 Darken 模型 考虑薄膜 尺寸效应 约束条件 主要对Pd-Si薄膜系 统的平衡态和动态 表面偏析进行了模 拟计算 4 Miedema 模型：建立在基本热力学参量和大量 热力学实验参数基础上的半经验理论模型 相图CALPHAD：相图和热力学计算的结合 偏析参数的获取 Pd-Si薄膜系统的偏析参数与体块的偏析参 数相同 假设 5 假设： 1.系统为封闭体系 2.表面区域有限而体相无限 3.原子可以在表相和体相之 间互相交换，以达到体系 能量最小 6 耦合的速率方程组： 1 1 1 12 21 1 1 , 2 )1,( 2 )( ),1( 2 )1()( , 2

3、 , 2 , 2 NN N BB BN jj j jj jj SB B BB BB SB BS RTd DX t X RTd DX RTd DX t X RTd DX RTd DX t X RTd DX t X 7 Bragg-Williams表达式： RT XXG X X X X Bs B B s s 2 exp 11 8 修正的Darken模型在薄膜中的应用： 体块薄膜 N有限，当体层的原子偏析到表层后， 体层原子浓度会发生显著变化，考虑 薄膜尺寸效应的约束条件 N BB B BB N j 21 K K S 1 0 K=2/l 9 10 11 12 陈煜，黄立豪，杨士栋，邹永恒， 姜国利，

4、王江涌，钯-硅(Pd-Si)薄膜 表面偏析研究，材料科学（MS）， 第6卷第6期（ 2016年11月） 13 1）得到lPd-Si合金系统的偏析参数计算值； 2）对于Pd-Si合金系统，都是Si发生表面偏析； 3）Pd-Si合金系统的负强相互作用系数抑制了Si原子的偏析，Si的偏析程度很小，表 面偏析现象不明显； 4）不管在体块还是薄膜材料中， Pd-Si合金系统对于同一相互作用系数，Si平衡的表 面浓度随温度变化很小；在薄膜材料中，当薄膜厚度小于一定值时，Si的表面浓度不 随温度的变化而变化； 5）尺寸效应对Pd-Si薄膜合金系统表面偏析影响较小，基本忽略不计； 6）在动态偏析过程中Pd-S

5、i合金薄膜达到平衡态所需时间极其短，为10-3s；动态计算 的Si表面偏析浓度最终结果与平衡态结果相符。 14 结论：分别由Miedema模型半经验公 式和相图计算得到的Pd-Si系统各成分 的相互作用系数值相差较大，但其符 号一致，且其各成分间值得变化趋势 相同，所以可以用其进行定性判断。 15 合金薄膜系统分别在无相互作用和有强相互作用情况 下Si平衡的表面浓度与薄膜厚度的关系 结论：较大的负相互作用 系数抑制了Si原子的偏析 16 = -445KJ/mol时，Pd2Si合金薄膜系统，在不同 温度下，Si平衡的表面浓度与薄膜厚度的关系 平衡态的模拟结果： 垂直线标记为极限厚度 结论：当薄膜

6、厚度大于极限 厚度时，尺寸效应对薄膜的 偏析影响小；当薄膜厚度小 于极限厚度时，尺寸效应对 薄膜的偏析影响大 17 在温度T=1200K，Pd-Si合金在不同初始体浓度下Si 平衡的表面浓度与薄膜厚度的关系 标志垂直线为极限厚度 平衡态的模拟结果： 结论：对于Pd-Si薄 膜系统，各成分的极 限厚度都小于2nm， 这意味着尺寸效应对 其表面偏析的影响甚 小 18 在700K 下，Pd2Si 合金在膜厚为3nm 时Si的表面浓度和时间的函数 动态的模拟结果： 结论：动态偏析过程中，Pd-Si 合金薄膜达到平衡态所需时间 极其短，为10-3s；动态计算的 Si表面偏析浓度最终结果与平 衡态结果相符

7、 19 薄膜材料的应用种类： 超导薄膜、导电薄膜、半导体薄膜、介质薄膜、绝缘薄膜、钝化与保护薄膜、压 电薄膜、铁电薄膜、光电薄膜、磁电薄膜、磁光薄膜 潜在应用： 化学分离、化学传感器、人工细胞、人工脏器、水处理 20 在电子工业领域，电子元器件日益微型化和薄膜化，这就使得各种材料形成 大量的表面和界面、由此产生的各种现象如腐蚀、互扩散、偏析等，都会对 材料的组成结构产生重大影响，从而改变元器件特性。 在材料科学领域，金属材料的表面和界面经常发生吸附、化学反应、偏析和 扩散等物理化学过程，使表面或界面的元素组成和物相分布等都明显不同于 体相，容易发生表面腐蚀、钝化、磨损、以及脆化断裂、界面脆裂等问题。 薄膜表面偏析的研究是要了解外不可控因素（如组成、结构、温度等）和表 面性能之间的关系，从而指导人们