薄膜制备与分析

1、薄膜制备与表面分析Thin Film Synthesis and Surface AnalysisQing-Yu ZhangState Key Laboratory for Materials Modification by Laser, Ion and Electron Beams概论 表面及表面科学 v固体的表面、或者说界面，固体的表面、或者说界面， 在人们的社在人们的社会实践中起着极为重要的作用。会实践中起着极为重要的作用。v表面科学的研究，对整个科学技术的发表面科学的研究，对整个科学技术的发展具有重要的意义。展具有重要的意义。v表面科学包括表面物理、表面化学、表表面科学包括表面物理、表

2、面化学、表面电子学、表面生物学等。面电子学、表面生物学等。 概论 表面及表面科学v固体表面：物体与真空或气体的界面。固体表面：物体与真空或气体的界面。v固体表面可以指从单一的第一个原子层到固体表面可以指从单一的第一个原子层到几个原子层厚度的表面层，甚至深达几个几个原子层厚度的表面层，甚至深达几个微米的表面层。微米的表面层。v在热力学平衡的条件下，固体表面的化学在热力学平衡的条件下，固体表面的化学组成、微观结构、原子振动状态等均会与组成、微观结构、原子振动状态等均会与固体内部产生一定的差异。固体内部产生一定的差异。概论 表面及表面科学 Since it requires energy to te

3、rminate the bonding, the surface is energetically less stable than the bulk. This energy is known as the surface free energy. In the case of liquid interfaces, this energy is called surface tension. 概论 表面分析技术 v表面分析技术是人们为了获取表面的物理、表面分析技术是人们为了获取表面的物理、化学等方面的信息而采用的一些实验方法化学等方面的信息而采用的一些实验方法和手段。和手段。SampleEx

4、citationsourceEnergy SelectorSignal DetectorEvent概论 表面分析技术v一般地说，它是利用一种探测束一般地说，它是利用一种探测束如如电子束、电子束、 离子束、光子束、中性粒子束离子束、光子束、中性粒子束等，有时还加上电场、磁场、热等的作等，有时还加上电场、磁场、热等的作用，来探测材料的形貌、化学组成、原用，来探测材料的形貌、化学组成、原子结构、原子状态、电子状态等方面的子结构、原子状态、电子状态等方面的信息。信息。 概论 表面分析技术探测粒子探测粒子 发射粒子发射粒子分析方法名称分析方法名称简称简称 主要用途主要用途 e e低能电子衍射低能电子衍射

5、 LEED结构结构e e反射式高能电子衍射反射式高能电子衍射 RHEED结构结构e e俄歇电子能谱俄歇电子能谱 AES成分成分e e扫描俄歇探针扫描俄歇探针 SAM微区成分微区成分e e电离损失谱电离损失谱 ILS成分成分e 能量弥散能量弥散x射线谱射线谱 EDXS成分成分e e俄歇电子出现电势谱俄歇电子出现电势谱 AEAPS成分成分e 软软x射线出现电势谱射线出现电势谱SXAPS成分成分e e消隐电势谱消隐电势谱DAPS成分成分e e电子能量损失谱电子能量损失谱EELS原子及电子态原子及电子态e I电子诱导脱附电子诱导脱附ESD吸附原子态及成分吸附原子态及成分e e透射电子显微镜透射电子显微

6、镜TEM形貌形貌e e扫描电子显微镜扫描电子显微镜SEM形貌形貌ee扫描透射电子显微镜扫描透射电子显微镜STEM形貌形貌概论 表面分析技术探测粒子探测粒子 发射粒子发射粒子分析方法名称分析方法名称简称简称 主要用途主要用途 I I离子探针质量分析离子探针质量分析IMMA微区成分微区成分I I静态次级离子质谱静态次级离子质谱SSIMS成分成分I n次级中性离子质谱次级中性离子质谱SNMS成分成分I I离子散射谱离子散射谱ISS成分、结构成分、结构I I卢瑟福背散射谱卢瑟福背散射谱RBS成分、结构成分、结构I e离子中和谱离子中和谱INS最表层电子态最表层电子态I 离子激发离子激发x射线谱射线谱I

7、EXS原子及电子态原子及电子态概论 表面分析技术探测粒子探测粒子 发射粒子发射粒子分析方法名称分析方法名称简称简称 主要用途主要用途 ex射线光电子谱射线光电子谱XPS成分、化合态成分、化合态 e紫外线光电子谱紫外线光电子谱UPS分子及固体电子态分子及固体电子态 e同步辐射光电子谱同步辐射光电子谱SRPES成分、原子及电子态成分、原子及电子态 红外吸收谱红外吸收谱IR原子态原子态 拉曼散射谱拉曼散射谱RAMAN原子态原子态 扩展扩展x射线吸收谱精细结构射线吸收谱精细结构SEXAFS结构结构 角分辨光电子谱角分辨光电子谱ARPES原子及电子态结构原子及电子态结构 I光子诱导脱附谱光子诱导脱附谱P

8、SD原子态原子态概论 表面分析技术探测粒子探测粒子 发射粒子发射粒子分析方法名称分析方法名称简称简称 主要用途主要用途 Ee场电子显微镜场电子显微镜FEM结构结构EI场离子显微镜场离子显微镜FIM结构结构EI场离子显微镜场离子显微镜-原子探针原子探针AP-FIM结构及成分结构及成分Ee场电子发射能量分布场电子发射能量分布FEED电子态电子态Ee扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜STM形貌形貌Tn热脱附谱热脱附谱TDS原子态原子态n 中性粒子碰撞诱导辐射中性粒子碰撞诱导辐射SCANIIR成分成分n n分子束散射分子束散射MBS结构、原子态结构、原子态AWAW声显微镜声显微镜AM形貌形貌概论 表面分析技

9、术部分表面分析设备的分析范围部分表面分析设备的分析范围 概论 表面分析技术XPS AES ILS ISS RBS SIMS 测氢测氢 NoNoNoNoNoYes元素灵敏度均匀性元素灵敏度均匀性 GoodGoodBadGoodGoodBad最小可检测灵敏度最小可检测灵敏度 10-2-10-310-2-10-310-910-2-10-310-2-10-310-4-10-5定量分析定量分析 GoodYesBadBadGoodBad化学态判断化学态判断 GoodYesYesBadBadBad谱峰分辨率谱峰分辨率 GoodGoodGoodBadBadGood识谱难易识谱难易 GoodGoodGood-表

10、面探测深度表面探测深度 MLsMLsMLsMLML- mML- MLs空间分辨率空间分辨率 BadGoodGoodBadBadGood无损检测无损检测 YesYesYesNoYesYes理论数据完整性理论数据完整性 GoodYesBadYesGoodBad概论 真空技术原理v为了使被研究的样品不被周围气氛所污为了使被研究的样品不被周围气氛所污染，获取染，获取“原子清洁原子清洁”的表面，表面分的表面，表面分析过程往往是在真空或超高真空中进行析过程往往是在真空或超高真空中进行的。目前，人们所广泛使用的很多表面的。目前，人们所广泛使用的很多表面分析设备都具有真空系统。分析设备都具有真空系统。v薄膜制

11、备设备往往涉及真空系统。薄膜制备设备往往涉及真空系统。概论 真空技术原理v真空单位真空单位qAtmospheres (atm): Scale relative to our atmospheric pressure as 1 atmqPascal (Pa): SI unit equal to N/m2qmBar: Equal to 1x10-8 Pa. qTorr or mmHg: Most commonly used pressure unit, based on mercury vacuum gauges.概论 真空技术原理v真空的划分真空的划分 Atmospheric: 760 Torr

12、 Low Vacuum: 1 to 1x10-3 Torr Medium Vacuum: 1x10-3 to 1x10-5 Torr High Vacuum (HV): 1x10-6 to 1x10-8 Torr Ultra-High Vacuum (UHV): 200 C to remove adsorbed gasesSimple, inexpensive, oil-free概论 真空技术原理v真空的获得真空的获得 Momentum transfer to gas molecules through collision with directed jet of oil molecules

13、Require cooling water, backing pump 10-3 to 10-7 Torr (to 10-9 Torr with LN2 cooling)q AdvantagesRobustHigh pumping speed for relatively low cost. No vibration or noise.q DisadvantagesOil as a pumping medium, high risk of back-streaming oil, cold traps requiredPotential for serious vacuum problems概论

14、 真空技术原理v真空的获得真空的获得 Molecules mechanically pumped by collision with angled high speed turbine blades (rotor). Several rotor arranged in a series spinning at 30,000-60,000 rpm. Rotor tangential velocity is on the order of the average thermal velocity of molecules. Atmosphere to 10-10 Torr Oil/grease/e

15、lectromagnetic bearings Most common HV/UHV pump.概论 真空技术原理v真空的获得真空的获得q Advantages Correctly operated they do not back-stream oil into the vacuum system at any time. They can be started and stopped in a few minutes time. q Disadvantage Turbo pump can be noisy and they induce vibration. Turbo pumps are

16、 expensive.概论 真空技术原理v真空的获得真空的获得 High voltage between anode and cathode (5 kV) Electrons are captured in anode and spiral due the to magnetic field (longer path-length). Gas molecules are ionized by collisions with electrons and are accelerated to cathode. Ions embedded in cathode material (titanium)

17、 and sputter titanium atoms from surface. Sputtered Ti atoms act as getter for reactive gases. 10-4 Torr to 10-11 Torr概论 真空技术原理v真空的获得真空的获得q Advantages Clean, oil-free. No moving parts, no vibrations, quiet. Low power consumption and relatively long operating livesq Disadvantage Do not pump noble gas

18、es well. Requires “regeneration” of Ti every 4-6 years.概论 真空技术原理v真空的获得真空的获得 Heated Ti filament evaporates Ti film onto cooled surface. Ti getters reactive gases by reaction. Operate at 10-8-10-11 Torr Inexpensive, reliable Periodic operation - not primary pumping mechanism概论 真空技术原理v真空的获得真空的获得Materia

19、ls ConsiderationsOutgassing rates Producing “virtual” leaks Mechanical stability Temperature stabilityConductivity Chemical inertness Weldability概论 真空技术原理v真空的获得真空的获得 Oxygen free high-purity copper (OFHC) Be-Cu alloy Tantalum, Molybdenum, Tungsten Teflon (gassy) MACOR (machinable glass composite) Alu

20、mina Quartz, pyrex (gassy) mu-metal magnetic shielding (Co, Ni, Fe) Molybdenum disulfide (lubricant)Compatible Materials 概论 真空技术原理Materials to be Avoided (high vapor pressures) Zn, Cd: especially be careful of fasteners, bolts Brass Certain solders Any type of grease or oilsv真空的获得真空的获得Common Vacuum

21、Problems Improper cleaning or handling techniques Using incompatible materials Leaks Virtual leaks 概论 真空技术原理v真空的获得真空的获得概论 真空技术原理v真空的获得真空的获得概论 真空技术原理v真空的获得真空的获得Pump Down Typically follows a well-defined sequence according to the types of pumps on the vacuum system For UHV systems, typically requires

22、a few hours to reach a medium vacuum after a vent to airBake Out Heat the chamber to temperatures between 100oC and 200oC for 1 - 2 days. Rapidly remove adsorbed gases from the chamber walls at high temperatures in order to lower the outgassing rates at room temperature. Generally it takes another d

23、ay to cool and recover base pressure.概论 真空技术原理v真空的测量真空的测量 Heat filament with a constant current. Measure filament temperature with thermocouple. Gas molecules collide with and cool the filament. Voltage increases to keep filament at constant current. Atm to 10-4 Torr Fast, simple, inexpensive.Thermo

24、couple Gauge概论 真空技术原理v真空的测量真空的测量 Two identical heated filaments; one sealed at HV, one exposed to system. Current flows through Wheatstone bridge circuit. Pressure difference indicated by meter (non-linear). Atm to 10-4 torr. Simple, reliable, inexpensive.Pirani Gauge概论 真空技术原理v真空的测量真空的测量 Heated filament produces electrons via thermionic emission. Electrons are accelerated towards anode grid. Many electrons pass through the grid an