基片温度论文

基片温度论文（共3篇）

基片温度论文 篇1

对颗粒薄膜的广泛研究始于40年前[1,2,3],对颗粒金属薄膜的最早描述则出现在1914年的文献中,是指在沉积金属薄膜初始阶段形成的颗粒岛屿膜(Neugebauer and Webb 1962),颗粒锡膜即属于此种情况[4]。

颗粒锡膜由表面覆盖高阻值氧化物的金属颗粒组成,电导性在原子尺度上极其不均匀[5]。颗粒金属薄膜可通过多种方法制备,如在氧氛围中蒸发或溅射可氧化的金属、共蒸发或共溅射互不相融的金属和绝缘体、离子注入金属到绝缘体中等[2]。但颗粒锡膜的制备一般采用氧氛围真空蒸镀,也可通过先蒸镀纯金属锡然后进行氧化得到[1]。为得到晶粒尺寸较小(<100Å)的颗粒锡膜结构,通常采用水冷衬底法,通过将基片温度控制在约2～300K,可得到尺寸为50～100Å的颗粒膜[6]。Abeles等[7]最早使用氧氛围蒸发高纯度锡到置于高真空系统中的基片上的方法制备软金属细晶薄膜,这种方法不需要求助于低温冷却衬底,简化了实验步骤和成本,为颗粒膜的广泛研究提供了极大便利。一直以来,对于颗粒锡膜的研究偏重性能、成分方面,涉及到光学特性研究[8]、电压噪音测量[9]、电导率随温度相关性[6]、点阵动力学[10]、超导过程中的安德森转变[5]等,其中C. Van Haesendonck等[5]对颗粒锡膜的成分做了相对详细的描述,使得对颗粒锡膜的认识更加直观易解,客观上为后来的颗粒膜实验制备提供了参考和帮助。

与颗粒锡膜的性能研究相比,文献资料对于颗粒锡膜形貌并没有太多描述,可供参考分析的图片资料少之又少。本实验的目标是研究颗粒锡膜形貌与氧压及基片温度的相关性,初步研究薄膜连通性的演变及气敏性能。在室温和加热基片的条件下均制备出颗粒锡膜,给出了关于颗粒锡膜微观形貌的高清晰电镜照片,发现了改善薄膜连通性进而增强其电导特性的一些方法和途径,并在气敏性研究方面给出了观点和建议。

1 实验

采用电阻式真空蒸发系统制备颗粒锡薄膜,基片采用新鲜解离的云母基片(不需要任何清洗过程)。安装有基片的夹板通过密封的磁力传递机构送入到真空生长腔体,随后基片夹板被固定在蒸发源正上方,并且可通过螺旋传动上下移动,基片与蒸发源之间的距离约9cm。高纯锡粒(纯度99.999%)放置在氧化铝陶瓷坩埚内,通过给缠绕在氧化铝坩埚上的钨丝通入电流实现蒸发源加热,沉积功率控制在120W,通过调整基片温度和氧分压得到目标颗粒锡薄膜。真空腔体的背景真空度为2.6×10-6Pa。

实验样品具体的生长条件见表1,为方便起见,每个样品均用罗马数字编号。Ⅶ、Ⅷ号样品在真空腔体制备完成后取出,转移到真空管式炉内进行高温退火处理,最后再转回到真空生长腔体按原来的生长条件进行二次沉积,具体退火条件见表2。采用不连续退火方式对管式炉进行退火处理,每次退火完成后,利用Keithley 2400数字源表测量薄膜电阻,如Ⅶ号样品,薄膜电阻随着退火处理时间和退火温度的演变为,从不导电到千欧姆级,再到兆欧姆级;Ⅷ号样品的薄膜电阻则随退火时间呈现较规则的线性变化,退火1h,薄膜电阻仍旧无穷大,退火2h,薄膜电阻达156MΩ,退火3h,薄膜电阻达90MΩ,退火4h,薄膜电阻达30MΩ。薄膜电阻的测定有利于对生长过程的判断。

2 结果与讨论

图1为不同基片温度下薄膜形貌的变化。样品Ⅰ-Ⅲ的沉积功率均为120W,经实验观察,一定范围内生长时间长短并没有对薄膜形貌造成实质性的影响。室温下,薄膜呈碎片状,不连通,不导电,颗粒大小分明,大颗粒呈不均匀碎片状岛屿(平均尺寸长约0.9μm,宽约0.6μm),小颗粒呈较规则圆球状;基片温度为100℃时,形成薄膜的颗粒形状规则,呈近乎完美的球冠状,与室温下相比,小颗粒无明显变化,大颗粒形状变为十分规则的圆形(颗粒直径约2.3μm),颗粒之间存在较大缝隙,不连通、不导电;基片温度为400℃时,薄膜形貌大致上与100℃保持一致,只不过球形大颗粒尺寸更小一些(颗粒直径约1.1μm)。

以上结果说明,加热基片某种程度上增强了原子在基片表面的迁移能力,使先存在的团簇更容易吸收原子不断长大,从而使整体粒径水平变大,但当温度升到一定值后,颗粒形状发生变化,尺寸也不再增加,反而有所减小,这可能是多余的热能同时促进了团簇内部原子的迁移,各团簇捕获原子生长的几率差异减小,颗粒间粒径差别随之减小,整体颗粒粒径变小。

图2为薄膜形貌在不同氧压下的变化情况。由图2可以明显看出,当氧压低于1×10-2Pa时,形成薄膜的颗粒呈明显的孤立岛屿,间隙分散有小颗粒,彼此之间存在空隙,而氧压达1×10-2Pa时,颗粒形状变为规则的圆形,大小均匀,同时,随氧压增加,不管形状变化与否,总体的颗粒尺寸渐渐变小。颗粒尺寸随氧压的变化可能有两方面原因:一是升高的氧浓度增大了锡原子与氧原子的碰撞几率,同时减小了锡原子之间的碰撞几率,导致其平均自由程减小,不利于稳定团簇捕获自由原子长大;另一方面,氧浓度达一定值时,锡原子和氧原子化学键合,形成氧化锡团簇,进一步限制了原子在基片表面的扩散和移动,导致颗粒尺寸减小。在高氧压(大于1×10-2Pa时)条件下,颗粒形状明显规则,并且尺寸较均匀,可能是由于氧原子的存在使锡原子在基片表面的形核免受其它条件影响(如基片表面台阶),各个位置形核几率趋于相同,捕获原子几率相差不大。

图3为样品Ⅶ和样品Ⅷ经真空沉积和管式炉通氧保温处理后的场扫照片,具体步骤见实验部分。由样品Ⅶ的FSEM图大致可以看出,刚开始沉积时成膜的颗粒形状,大颗粒彼此孤立,形状为较规则的圆形,小颗粒分散于大颗粒之间的缝隙中,很明显颗粒之间彼此连通,颗粒膜表面在管式炉通氧保温过程中又生长了一层氧化锡,在二次沉积过程中新的颗粒锡在氧化锡表面生长。

样品Ⅷ更为明显,因管式炉处理温度低,通氧保温时间短,初始形貌和处理后形貌都完整地保存下来,从图3(b)可以看出,二次沉积之前,薄膜颗粒均匀,大小明显,二次沉积之后,新颗粒生长,促进了横向生长,颗粒间空隙被压缩,颗粒之间开始连并,导电性增强。

图4为样品Ⅶ在200℃时薄膜电阻随氧压的变化曲线,可以看出薄膜对氧气有明显响应,且随氧浓度变化呈抛物线型增大,因只是粗略测量,不能完全反应其气敏特性。但鉴于颗粒锡的结构特点及氧化锡的气敏条件研究,如样品Ⅷ,大颗粒间隙明显,小颗粒大小均匀,与被测气体可接触表面积大,应具有更好的气敏性能。

3 结论

利用电阻式真空蒸镀系统在高真空氧氛围条件下制备了颗粒锡膜,并利用场发射电子显微镜(FSEM)表征了锡膜在云母基片上的生长。研究发现,锡膜的表面形貌与氧压及基片温度强烈相关。随着氧压的升高,锡膜颗粒粒径减小,形状更加规则;随着基片温度升高,锡膜颗粒更加规则,粒径先增后减。此外,就颗粒锡膜的连通性及气敏性进行了初步研究,成膜后高温退火有助于提高颗粒锡膜的连通,200℃时膜对氧气则具有相当高的气敏性。根据初步研究结果,颗粒锡膜的气敏性存在很大的研究空间。

参考文献

[1] Giaever I,Zeller H R.Superconductivity of small tin parti-cles measured by tunneling[J].Phys Rev Lett,1968,20(26):1504

[2] Abeles B,Ping Sheng,Coutts M D,et al.Structural and e-lectrical properties of granular metal films[J].Adv Phys,1975,24(3):407

[3] Abeles B,Pinck H L,Gittleman J I.Percolation conductivi-ty in W-Al2O3granular metal films[J].Phys Rev Lett,1975,35(4):247

[4] Ovchinnikov Y N.Conductivity of granular metallic films[J].J Exp Theor Phys,2007,104(2):254

[5] Haesendonck C V,Bruynseraede Y.Evidence for an Ander-son transition in granular Sn films[J].Phys Rev B,1986,33(4):1684

[6] Yaung-Soo Kim.Variable range hopping in granular tin[J].J Korean Phys Soc,1995,28(4):505

[7] Abeles B,Cohen R W,et al.Enhancement of superconduc-tivity in metal films[J].Phys Rev Lett,1966,17(12):632

[8] Vo-Van Truong,Fernand E G,Giulio Bosi.Optical proper-ties of granular tin films from 0.22 to 1.0μm[J].Appl Op-tics,1982,21(14):2508

[9] Knoedler C M,Richard F V.Voltage noise measurement ofthe vortex mean free path in superconducting granular tinfilms[J].Phys Rev B,1982,26(1):449

[10] Akselrod S,Pasternak M.M ssbauer-effect studies of thelattice dynamics of granular tin[J].Phys Rev B,1975,11(3):1040

基片温度论文 篇2

基片温度对强流脉冲离子束烧蚀等离子体沉积类金刚石薄膜结构和性能的影响

利用强流脉冲离子束(High-intensity pulsed ion beam-HIPIB)烧蚀等离子体技术在Si(100)基体上沉积类金刚石(Diamond-like carbon-DLC)薄膜,基片温度的变化范围从25 ℃(室温)到400 ℃.利用Raman谱、X射线光电子谱(XPS)、X射线衍射(XRD)和原子力显微镜(AFM)研究基片温度对DLC薄膜的.化学结合状态、表面粗糙度、薄膜显微硬度和薄膜内应力的影响.根据XPS和Raman谱分析得出,基片温度低于300 ℃时,sp3C杂化键的含量大约在40%左右;从300 ℃开始发生sp3C向sp2C的石墨化转变.随着沉积薄膜时基片温度的提高,DLC薄膜中sp3C的含量降低,由25 ℃时42.5%降到400 ℃时8.1%,XRD和AFM分析得出,随着基片温度的增加,DLC薄膜的表面粗糙度增大,薄膜的纳米显微硬度降低,摩擦系数提高,内应力降低.基片温度为100 ℃时沉积的DLC薄膜的综合性能最好,纳米显微硬度22 GPa,表面粗糙度为0.75 nm,摩擦系数为0.110.

作 者：梅显秀 刘振民 马腾才 作者单位：大连理工大学三束材料改性国家重点实验室,大连,116024刊 名：真空科学与技术学报 ISTIC EI PKU英文刊名：VACUUM SCIENCE AND TECHNOLOGY年，卷(期)：200323(4)分类号：O484关键词：强流脉冲离子束烧蚀等离子体沉积 类金刚石薄膜 结构和性能 基片温度

基片集成波导专利技术分析 篇3

基片集成波导 (SIW) 是一种集成于介质基片中的低损耗低辐射的新型波导结构, 其通过在正反两面利用印刷工艺覆盖金属面的介质基板上, 嵌入连接上下金属面的金属通孔或金属柱阵列来实现, 其最早是由加拿大蒙特利尔大学的吴柯教授于2001 年提出。

二、SIW技术演进

国内专利, 洪伟和吴柯最早于2005 年11 月16 日在CN1697248A中公开了电子带隙带通滤波器, 将电子带隙结构 (PBG) 和SIW集成在一起形成宽频带高性能滤波器;并于2005 年11 月23 日在CN1700514A中公开了双频宽带缝隙阵列天线单元, 在SIW内且位于中心线的两侧分别设有槽和调谐金属化通孔以实现天线阵列宽带工作特性, 在CN1700513A中公开了SIW宽带多路功率分配器, 上述系列专利均揭示了利用SIW设计微波器件所具有的小型化、低成本和易集成的优点。

为进一步实现波导器件的小型化和宽带化, 从电磁波传输模式角度, 2006 年12 月13 日刘冰于CN1877903A中公开了半模SI。

车文荃和耿亮从等效电路和传输线理论出发于2007 年12 月19 日在CN101090170A中公开了折叠SIW, 其相对传统基片集成波导, 横向体积减少近一半。

翟国华则结合上述两者于2009 年12 月30 日在CN101615711A中公开了折叠半模SIW, 刘冰又于2011 年11 月16 日在CN202042580U中提出了镜像转接半模SIW。

基于SIW等效谐振腔理论, 从2006 年8 月30 至2015 年7 月29 日, 专利CN1825678A、CN104752841A、CN104810583A中分别公开了SIW技术与频率选择表面、平面透镜、超材料等具有电磁特性的周期微结构结合形成滤波器, 上述滤波器均具有更好的通带性能。

国外方面, CHUANG C于2009 年1 月1 日在US2009000106A1 中将SIW作为谐振器应用于滤波器中, ABBASPOUR公司于2009 年2 月19 日在WO2009023551A1中公开了SIW应用于阵列天线, 而FATHY A E和YANG S于2009 年3 月12 日在US2009066597A1 中详细阐述了SIW的原理以及其在波导和天线领域的实际应用。随后韩国的LEE H于2010 年9 月3 日在KR20100097392A公开了基于SIW的带通滤波器。

三、分类号和国内外申请人分析

有关SIW技术专利的IPC分类号主要集中在“H01Q:天线”和“H01P:波导。

谐振器、传输线或其他波导型器件”这两个领域, 此外, 一些采用了光波导传输理论设计的SIW还涉及IPC分类号“G02B6/:光导。

包含光导和其他光学元件 (如耦合器) 的装置的结构零部件”、而分类号“H04B:传输”、“G01R27/00:测量电阻、电抗、阻抗或其派生特性的装置”和“G01R31/00:电性能的测试装置”则从电路和测量角度涉及一些SIW装置。

从2005 年到2014 年, SIW专利申请量逐年递增, 国外对SIW的研究晚于国内, 相同年份的申请数量也低于国内, 这说明SIW的研究主要在于国内, 而2014 年国外申请量急剧增加, 说明国外对SIW技术的研究越来越重视。

国内的申请主要集中在高校和研究所, 而来自企业的申请相对较少, 主要集中在成都赛纳赛德和华为, 这说明国内对SIW的研究还处在成长阶段, 从学术研究走向产业化应用还需时间。

而国外申请人分布均匀, 既有高校研究院如UNIV CHUANG ANG IND, 也有军工类企业如LIG NEX1, 更有传统消费电子领域的大公司如SONY、CANON、SAMSUNG等, 这显示国外对于SIW这一新兴技术不仅仅停留在理论阶段, 研究机构还与企业针对实际应用共同开发, 专利共享, 这种以应用为导向并且具有前瞻性的技术产业化模式值得国内同行借鉴。

四、结束语

本文通过针对SIW国内外专利申请的分析, 有效梳理SIW专利技术演变路径。

摘要：针对基片集成波导技术发展状况和分类应用, 对基片集成波导专利申请近十年来的技术演进及主要申请人进行了分析。

关键词：基片集成波导类型,专利

参考文献

[1]郝张成, 基片集成波导技术的研究, 中国博士学位论文全文数据库, 第4期, 第I135-11页, 2007.4.

[2]Y.Cassivi, K.Wu, Low-cost and high-Q millimeter-wave resonator using substrate integrated technique, Eur.Microwave Conf., 2002.