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CVD 173
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SiO2 316
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