薄膜物理与技术复习大全(西电版)

1、1.薄膜定义：按照一定需要，利用特殊的制备技术，在基体表面形成厚度为亚微米至微米级的膜层。这种二维伸展的薄膜具有特殊的成分、结构和尺寸效应而使其获得三维材料所没有的特性，同时又很节约材料，所以非常重要。通常是把膜层无基片而能独立成形的厚度作为薄膜厚度的一个大致的标准，规定其厚度约在1µm左右。 2.一些表面定义：1) 理想表面：沿着三维晶体相互平行的两个面切开，得到的表面，除了原子平移对称性破坏，与体内相同。2) 清洁表面：没有外界杂质。3) 弛豫表面：表面原子因受力不均向内收缩或向外膨胀。4) 重构表面：表面原子在与表面平行的方向上的周期也发生变化，不同于晶体内部原子排列的二维对称

2、性（再构）。5) 实际表面：存在外来原子或分子。3. 薄膜的形成的物理过程小岛阶段成核和核长大，透射电镜观察到大小一致(2-3nm)的核突然出现.平行基片平面的两维大于垂直方向的第三维。说明：核生长以吸附单体在基片表面的扩散，不是由于气相原子的直接接触。结合阶段两个圆形核结合时间小于0.1s,并且结合后增大了高度，减少了在基片所占的总面积。而新出现的基片面积上会发生二次成核，复结合后的复合岛若有足够时间，可形成晶体形状，多为六角形。核结合时的传质机理是体扩散和表面扩散（以表面扩散为主）以便表面能降低。沟道阶段圆形的岛在进一步结合处，才继续发生大的变形岛被拉长，从而连接成网状结构的薄膜，在这种结

3、构中遍布不规则的窄长沟道，其宽度约为5-20nm，沟道内发生三次成核，其结合效应是消除表面曲率区，以使生成的总表面能为最小。 连续薄膜小岛结合，岛的取向会发生显著的变化，并有些再结晶的现象。沟道内二次或三次成核并结合，以及网状结构生长连续薄膜。4. 薄膜的附着类型及影响薄膜附着力的工艺因素薄膜的附着类型 简单附着：薄膜和基片间形成一个很清楚的分界面，薄膜与基片间的结合力为范德华力 扩散附着由两个固体间相互扩散或溶解而导致在薄膜和基片间形成一个渐变界面。实现扩散方法：基片加热法、离子注入法、离子轰击法、电场吸引法。通过中间层附着在薄膜与基片之间形成一个化合物而附着，该化合物多为薄膜材料与基片材料

4、之间的化合物。通过宏观效应机械锁合双电层吸引 5. 真空相关 真空是指低于一个大气压的气体空间。常用“真空度”度量。真空度越高，压强越小。 常用计量单位：Pa, Torr, mmHg, bar, atm.。关系如下： 1mmHg=133.322Pa, 1 Torr=atm/760=133.322Pa1mmHg 1 bar=105Pal 粗真空：1×1051×102Pa 目的获得压力差。电容器生产中的真空侵渍工艺l 低真空：1×1021×10-1Pa 真空热处理。l 高真空：1×10-11×10-6Pa 真空蒸发。l 超高真空：<

5、1×10-6Pa 得到纯净的气体；获得纯净的固体表面。6. 物理气相沉积PVD（Physics Vapor Deposition，主要是在真空环境下利用各种物理手段或方法沉积薄膜。1) 需要使用固态的或熔化态的物质作为沉积过程的源物质；2) 源物质要经过物理过程进入气相；3) 需要相对较低的气体压力环境；4) 在气相中及衬底表面不发生化学反应。蒸发定义：当温度升高时，材料会经历典型的固相，液相到气相的变化。任何温度下，材料上面都存在蒸气，具有平衡蒸气压。材料温度低于熔化温度时，产生蒸气的过程称为升华；样品熔化时，产生蒸气的过程称为蒸发。在微电子工艺中，蒸发较为广义，包括一切蒸气产生的

6、过程。对环境的要求：超真空，<1mTorr对材料的要求：具有合适的蒸气压，得到合适的淀积速率，>10mTorr影响因素： 蒸发源的纯度；加热装置、坩埚可能造成的污染；真空系统中的残留气体。解决办法： 使用高纯物质作为蒸发源；改善装置；改善真空条件，提高物质的蒸发以及薄膜沉积速度。 7. MOCVD概念：利用金属有机物的热分解进行化学气相沉积制备薄膜的CVD方法。特点：近十几年发展 发展起来的一种新的表面气相沉积技术，它一般使用金属有机化合物和氢化物作为原料气体，进行热解化学气相沉积。制备范围：在较低温度下沉积各种无机材料，如金属氧化物、氢化物、碳化物、氟化物及化合物半导体材料和单晶

7、外延膜、多晶膜和非晶态膜，已成功应用于制备超晶格结构、超高速器件和量子阱激光器。8.离子镀：IP (Ion plating），同时结合蒸发和溅射的特点，让靶材原子蒸发电离后与气体离子一起受电场的加速，而在基片上沉积薄膜的技术。离子镀特点：1) 具有蒸发镀膜和溅射镀膜的特点2) 膜层的附着力强。3) 绕射性好，可镀复杂表面。4) 沉积速率高、成膜速度快、可镀厚膜。5) 可镀材料广泛，有利于化合物膜层的形成。9. 溶液镀膜法：是在溶液中利用化学反应或电化学反应等化学方法在基板表面沉积薄膜的一种技术，常称为湿法镀膜。1) 化学镀2) 溶胶凝胶法3) 阳极氧化法4) LB法5) 电镀法10. 溶胶-凝

8、胶法特点优点：1) 起始原料是分子级的能制备较均匀的材料2) 较高的纯度3) 组成成分较好控制，尤其适合制备多组分材料4) 可降低程序中的温度5) 具有流变特性，可用于不同用途产品的制备6) 可以控制孔隙度7) 容易制备各种形状缺点1) 原料成本较高2) 存在残留小孔洞3) 存在残留的碳4) 较长的反应时间5) 有机溶剂对人体有一定的危害性11. 什么叫LB法？郎缪尔-布罗格特(Langmuir-Blodett)30年代提出的。可形成定向排列的有机单分子层或多分子层。以同时具有亲水基团和疏水基团的有机分子为原料，利用分子亲水端与亲水端相吸，疏水端与疏水端相吸，使有机分子逐次转移到固体基板上，形

9、成单层或多层薄膜。12. Why thin films?1) 薄膜所用原料少，容易大面积化，而且可以曲面加工。(研究和使用成本) 例：金箔、饰品、太阳能电池，GaN，SiC，Diamond2) 新的效应: 某一维度很小、比表面积大. 例：限域效应、表面和界面效应、耦合效应，隧穿效应、极化效应3) 可以获得体态下不存在的非平衡和非化学计量比结构。Diamond: 工业合成, 2000，5.5万大 气压, CVD生长薄膜:常压，800度.MgxZn1-xO: 体相中Mg的平衡固溶度为0.04, PLD法生长的薄膜中，x可01.a) Si1-xNx:H4) 容易实现多层膜,相互作用与功能集成13.

10、薄膜的分类1) 从功能上分：电学薄膜，光学薄膜，磁性薄膜，保护膜，装饰用膜、包装膜2) 从结构上分：无机薄膜，有机分子膜，单晶薄膜，多晶薄膜，非晶薄膜，多孔膜14. 外延生长【epitaxial growth】  在单晶衬底（基片）上生长一层有一定要求的、与衬底晶向相同的一薄层单晶层的方法。外延生长的最终目的是：沉积一层缺陷少，且可控制厚度及掺入杂质的单晶薄膜15. 外延生长可分为多种 按照衬底和外延层的化学成分不同，可分为同质外延和异质外延； 按照反应机理可分为利用化学反应的外延生长和利用物理反应的外延生长； 按生长过程中的相变方式可分为气相外延、液相外延和固相外延等。1

11、6. PVD和CVD两种工艺的对比同PVD工艺相比，CVD的最大优势就是良好的阶梯覆盖性能，同时具有便于制备复合产物、不需高真空和淀积速率高等优点。CVD技术在19世纪60年代被引入半导体材料制备并快速发展。随PECVD，HDPCVD和MOCVD等技术的出现，CVD在集成电路制造中广泛应用于多晶硅、绝缘介质和金属薄膜的制备。I. 工艺温度高低是CVD和PVD之间的主要区别。温度对于高速钢镀膜具有重大意义。CVD法的工艺温度超过了高速钢的回火温度，用CVD法镀制的高速钢工件，必须进行镀膜后的真空热处理，以恢复硬度。镀后热处理会产生不容许的变形。II. CVD工艺对进人反应器工件的清洁要求比PVD

12、工艺低一些，因为工件表面的一些脏东西很容易在高温下烧掉。此外，高温下得到的镀层结合强度要更好些。III. CVD镀层往往比各种PVD镀层略厚一些，前者厚度在7.5m左右，后者通常不到2.5m厚。CVD镀层的表面略比基体的表面粗糙些。相反，PVD镀膜如实地反映材料的表面，不用研磨就具有很好的金属光泽，这在装饰镀膜方面十分重要。IV. CVD反应发生在低真空的气态环境中，具有很好的绕镀性，所以密封在CVD反应器中的所有工件，除去支承点之外，全部表面都能完全镀好，甚至深孔、内壁也可镀上。相对而论，所有的PVD技术由于气压较低，绕镀性较差，因此工件背面和侧面的镀制效果不理想。PVD的反应器必须减少装载

13、密度以避免形成阴影，而且装卡、固定比较复杂。在PVD反应器中，通常工件要不停地转动，并且有时还需要边转边往复运动。V. 在CVD工艺过程中，要严格控制工艺条件，否则，系统中的反应气体或反应产物的腐蚀作用会使基体脆化。VI. 比较CVD和PVD这两种工艺的成本比较困难，有人认为最初的设备投资PVD是CVD的3一4倍，而PVD工艺的生产周期是CVD的1/10。在CVD的一个操作循环中，可以对各式各样的工件进行处理，而PVD就受到很大限制。综合比较可以看出，在两种工艺都可用的范围内，采用PVD要比CVD代价高。VII. 最后一个比较因素是操作运行安全问题。PVD是一种完全没有污染的工序，有人称它为“

14、绿色工程”。而CVD的反应气体、反应尾气都可能具有一定的腐蚀性，可燃性及毒性，反应尾气中还可能有粉末状以及碎片状的物质，因此对设备、环境、操作人员都必须采取一定的措施加以防范。17. CVD特点在中温或高温下，通过气态的初始化合物之间的气相化学反应而沉积固体；需要使用固态的或熔化态的物质作为沉积过程的源物质。可以在大气压（常压）或者低于大气压（低压）下进行沉积。一般说低压效果要好一些；采用等离子和激光辅助技术可以显著地促进化学反应，使沉积可在较低的温度下进行；能有效控制薄膜的化学成分和厚度，均匀性和重复性好；镀层的化学成分可改变，从而获得梯度沉积物或得到混和镀层；可以控制镀层的密度和纯度；绕镀

15、性好，可在复杂形状的基体上以及颗粒材料上镀制；气流条件通常是层流的，在基体表面形成厚的边界层；沉积层通常具有柱状晶结构，不耐歪曲。但通过各种技术对化学反应进行气相扰动，可以得到细晶粒的等轴沉积层；台阶覆盖能力最好，对衬底损伤最小，可以形成多种金属、合金、陶瓷和化合物层。设备和运转成本低，与其它相关工艺有较好的相容性；18. 溅射是一个离子轰击物质表面，并在碰撞过程中发生能量与动量的转移，从而最终将物质表面原子激发出来的复杂过程。 溅射具有良好的台阶覆盖能力是由于： 有较高的压力和较高的淀积原子的入射能量。进行衬底加热，增强表面扩散，可以更显著的改善台阶覆盖。19. 等离子体部分电子被剥夺后的原

16、子或原子电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，它是除去固、液、气外，物质存在的第四态。等离子体是一种很好的导电体，利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。等离子体可分为两种：高温和低温等离子体。高温等离子体只有在温度足够高时发生的。低温等离子体是在常温下发生的等离子体（虽然电子的温度很高）。低温等离子体可以被用于氧化等表面处理或者在有机物和无机物上进行沉淀涂层处理。广泛运用于多种生产领域。例如：等离子电视，电脑芯片中的蚀刻运用等。等离子体的驱动射频放电高密度等离子体high density Plasmas（HDP)Ø 产生过程：在反应器中引入磁场和/或电场，增加电子

17、在等离子体中的行程，使电子和原子之间的碰撞频率增加，从而增加等离子体中基和离子的密度，实现高密度等离子体。1 简述薄膜的形成过程。薄膜：在被称为衬底或基片的固体支持物表面上，通过物理过程、化学过程或电化学过程使单个原子、分子或离子逐个凝聚而成的固体物质。主要包括三个过程：（1）产生适当的原子、分子或离子的粒子；（2）通过煤质输运到衬底上；（3）粒子直接或通过化学或电化学反应而凝聚在衬底上面形成固体沉淀物，此过程又可以分为四个阶段：（1）核化和小岛阶段；（2）合并阶段；（3）沟道阶段；（4）连续薄膜2 图2为溅射镀膜的原理示意图，试结合图叙述溅射镀膜的基本过程，并介绍常用的溅射镀膜的方法和特点。

18、图 2 溅射镀膜的原理示意图过程：该装置是由一对阴极和阳极组成的冷阴极辉光放电结构。被溅射靶（阴极）和成膜的基片及其固定架（阳极）构成溅射装置的两个极，阳极上接上1-3KV的直流负高压，阳极通常接地。工作时通常用机械泵和扩散泵组将真空室抽到6.65*10-3Pa，通入氩气，使真空室压力维持在（1.33-4）*10-1Pa,而后逐渐关闭主阀，使真空室内达到溅射电压，即10-1-10Pa，接通电源，阳极耙上的负高压在两极间产生辉光放电并建立起一个等离子区，其中带正电的氩离子在阴极附近的阳极电位降的作用下，加速轰击阴极靶，使靶物质由表面被溅射出，并以分子或原子状态沉积在基体表面，形成靶材料的薄膜。将

19、欲沉积的材料制成板材靶,固定在阴极上。基片置于正对靶面的阳极上,距靶几厘米。系统抽至高真空后充入 101帕的气体（通常为氩气），在阴极和阳极间加几千伏电压，两极间即产生辉光放电。放电产生的正离子在电场作用下飞向阴极，与靶表面原子碰撞，受碰撞从靶面逸出的靶原子称为溅射原子,其能量在1至几十电子伏范围。溅射原子在基片表面沉积成膜直流阴极溅射镀膜法：特点是设备简单，在大面积的基片或材料上可以制取均匀的薄膜，放电电流随气压和电压的变化而变化，可溅射高熔点金属。但是，它的溅射电压高、沉积速率低、基片温升较高，加之真空度不良，致使膜中混入的杂质气体也多，从而影响膜的质量。高频溅射镀膜法：利用高频电磁辐射来

20、维持低气压的辉光放电。阴极安置在紧贴介质靶材的后面，把高频电压加在靶子上，这样，在一个周期内正离子和电子可以交替地轰击靶子，从而实现溅射介质材料的目的。这种方法可以采用任何材料的靶，在任何基板上沉积任何薄膜。若采用磁控源，还可以实现高速溅射沉积。磁控溅射镀膜法：磁控溅射的特点是电场和磁场的方向互相垂直，它有效的克服了阴极溅射速率低和电子使基片温度升高的致命弱点，具有高速、低温、低损伤等优点，易于连续制作大面积膜层，便于实现自动化和大批量生产，高速指沉积速率快；低温和低损伤是指基片的温升低，对膜层的损伤小。此外还具有一般溅射的优点，如沉积的膜层均匀致密，针孔少，纯度高，附着力强，应用的靶材广，可

21、进行反应溅射，可制取成分稳定的合金膜等。工作压力范围广，操作电压低也是其显著特点。反应溅射镀膜法：在阴极溅射的惰性气体中，人为的掺入反应气体，可以制取反应物膜。非对称交流溅射和偏压溅射镀膜法：特点是可以减少溅射镀膜过程中阴极溅射膜中的混入气体。3 图3为一个PECVD的反应室结构图，试叙述其工作原理和特点图3 PECVD的反应室结构图原理： 图中是一种平行板结构装置。衬底放在具有温控装置的下面平板上，压强通常保持在133Pa左右，射频电压加在上下平行板之间，于是在上下平板间就会出现电容耦合式的气体放电，并产生等离子体。利用等离子体的活性来促进反应，使化学反应能在较低温度下进行，这种方法称为等离

22、子体强化气相沉积（PECVD），是一种高频辉光放电物理过程和化学反应相结合的技术。在高温真空压力下，加在电极板上的射频RF电场，使反应室气体产生辉光放电，在辉光放电区域产生大量的电子。这些电子在电场的作用下获得充足的能量，其本身温度很高，它与气体分子相碰撞，负气体分子活化，它们吸附在衬底上，并发生化学反应天生介质膜，副产物从衬底上解析，随主流由真空抽走。特点：1、PECVD需要增加一个能产生等离子体的高频源。2、采用PECVD可以显著降低沉积时的基体温度，并具有沉积速率快、成膜质量好、针孔少、不易龟裂等优点。3、但等离子体的轰击会使沉积表面产生缺陷，同时等离子体中产生的多种反应物质使反应复杂化

23、，因此会使薄膜的质量下降；4、另外设备投资大、成本高，对气体的纯度要求高；5、 涂层过程中产生的剧烈噪音、强光辐射、有害气体、金属蒸汽粉尘等对人体有害；6、 对小孔孔径内表面难以涂层等。4 试叙述LPCVD的原理、特点和典型应用LPCVD原理是用加热的方式在低压条件下使气态化合物在基片表面反应并淀积形成稳定固体薄膜。由于工作压力低，气体分子的品滚自由程和扩散系数大，故可采用密集装片方式来提高生产效率，并在衬底表面获得均匀性良好的薄膜淀积层。LPCVD用于淀积Poly-Si、Si3N4、SiO2、磷硅玻璃、硼磷硅玻璃、非晶硅及难溶金属硅化物等多种薄膜。广泛应用于半导体集成电路、电力电子、光电子及

24、MEMS等行业的生产工艺中。5 简述分子束外延（MBE）的结构、原理和应用。结构：MBE主要由分子束源、基片支架、四极质谱仪、反射高能电子衍射装置、俄歇电子谱仪、二次离子分析仪构成。原理：分子束外延（MBE）是新发展起来的外延制膜法，它是将真空蒸发镀膜加以改进和提高而形成的新的成膜技术。在超高真空环境中，通过薄膜诸组分元素的分子束流，直接喷到温度适宜的衬底表面上，在合适条件下就能淀积除所需的外延层。其系统包括一个沉积腔室，室内维持在10-10托的低压，在腔室中有一个或多个小格室（称为反射格：effusion cells），内含圆晶上所欲沉积的高纯度材料（靶材），发射格前有快门（shutter）

25、以使圆晶能暴露于原料蒸汽；将电子束导引至靶材中央，靶材被加热而融化成液态，因为低压故部分表面的液态靶材会蒸发成气态，由发射格的开孔处离开，沉积到晶圆上。MBE是一种将原子一个一个的在衬底上进行沉积的方法，因此它通常与CVD外延和真空蒸发镀膜相比，有以下几个典型特点：（1）MBE虽然也是一个以气体分子论为基础的蒸发过程，但它并不以蒸发温度为监控参数，而是用系统中的四极质朴仪和原子吸收光谱等现代分析仪器，精密的监控分子束的种类和强度，从而严格的控制生长过程和生长速率。（2）MBE是一个超高真空的淀积过程，既不需要考虑中间的化学反应，又不受质量传输的影响，并且利用开闭挡板来实现对生长和中断的瞬间控制

26、。因此，膜的组分和掺杂浓度可随着源的变化而迅速调整。（3）MBE的显著特点之一是生长速率低，MBE使微细加工在结构上的分辩能力高于CVD和LPE。（4）在获得单晶薄膜的技术中，MBE的衬底温度低，因此有利于减少自掺杂 。（5）由于衬底和分子束源分开，所以可以随时观察生长面的外貌，有利于科学研究。（6）MBE能有效的利用平面技术，用它制成的肖特基势垒特性达到或超过CVD和LPE制作的特性。应用：MBE的突出优点在于能生长极薄的单晶膜层，并且能精确的控制膜厚和组分与掺杂。适于制作微波、光电和多层结构器件，从而为制作集成光学和超大规模集成电路提供了有力手段。6 如图4为绝缘体薄膜在导电方面较有意义的

27、金属-绝缘体-金属结构，试分析该种结构下的绝缘体薄膜的导电机理。图4 金属-绝缘体-金属结构答：如图所示，两块金属被绝缘体隔开，形成一个电容器，两金属端为电极，绝缘体为电介质薄膜。当电极两端分别加上正负电荷时，在两电极间形成电场，在电场作用下，电介质薄膜内的正负电荷中心相对移动从而出现电距现象，完成电场的传播。在直流电路中，该结构相当于断路。在交流电路中，因为电流的方向是随时间成成一定的函数关系变化的。而电容器充放电的过程是有时间的，这个时候，在极板间形成的电场也是随时间变化的函数，从而使得电流痛过场的形式在电容器间通过，完成在交流电下的导电。7 试叙述压电薄膜的工作原理和常用的制备方法。原理

28、：压电材料是基于压电效应的原理工作的，在晶体中，当在某一特定方向对晶体施加应力时，在于应力垂直方向两端表面出现数量相等、符号相反的束缚电荷，这一现象成为“正压电效应”,作用力相反时，表面电荷符号相反，点和密度与外加作用力大小成正比；同时，当一块具有压电效应的晶体处于外电场中，由于晶体的电极化造成的正负电荷中心位移，导致晶体形变，型变量与电场大小成正比，这是逆压电效应。具有压电效应的薄膜称为压电薄膜。制备：压电薄膜的制备主要有气相沉积法，其中包括物理气相沉积法(PVD)和化学气相沉积法（cvd），有时也用溶胶-凝胶法（sol-gel）、等离子喷涂法、热氧化法和阳极氧化法制备。8 试阐述一种常用电

29、介质薄膜的制备方法及其应用氧化物电介质薄膜的制备方法：氧化物电介质薄膜在集成电路和其他薄膜器件中有着广泛的应用，薄膜材料可以用电子束蒸发镀膜法、溅射度魔法、反应溅射镀膜法等方法制备外，还经常用单晶表面氧化的方法来生长这种薄膜，这是一种反应扩散过程，在硅单晶表面形成连续氧化层后，氧化剂通过氧化层扩散到氧化层/硅界面，和硅反应生成新的氧化层，使厚度不断增大。薄膜的氧化生长是平面工艺的基础，氧化法主要有三种：1、阳极氧化（室温）2、等离子体阳极氧化（200-800度）3、热氧化（700-1250度）。氧化物电介质薄膜的应用：1、用作电容器介质2、用作隔离和掩膜层3、用作表面钝化膜4、集成电路多层布线

30、绝缘膜9 试阐述一种常用金属薄膜的制备方法及其应用制备金属薄膜最常用的方法是双喷电解抛光法。此装置主要由三部分组成：电解冷却与循环部分，电解抛光减薄部分以及观察样品部分。图为双喷电解抛光装置示意图。（l）电解冷却与循环部分通过耐酸泵把低温电解液经喷嘴打在样品表面。低温循环电解减薄，不使样品因过热而氧化；同时又可得到表面平滑而光亮的薄膜，见图中(1)及(2)。（2）电解抛光减薄部分。 电解液由泵打出后，通过相对的两个铂阴极玻璃嘴喷到样品表面。喷嘴口径为mm，样品放在聚四氟乙烯制作的夹具上（见图）。样品通过直径为0.5mm的铂丝与不锈钢阳极之间保持电接触，调节喷嘴位置使两个喷嘴位于同一直线上。见图

31、中(3)。（3）观察样品部分电解抛光时一根光导纤维管把外部光源传送到样品的一个侧面。当样品刚一穿孔时，透过样品的光通过在样品另一侧的光导纤维管传到外面的光电管，切断电解抛光射流，并发出报警声响。图 双喷电解抛光装置原理示意图 图3 样品夹具(1)冷却设备；(2)泵、电解液；(3)喷嘴(4)试样； (5)样品架； (6)光导纤维管喷射法电流一电压曲线 最后制成的薄膜应用：金属薄膜开关，金属化薄膜电容，装饰材料，包装。10 阐述GaAs薄膜作为光电发射材料的原理、结构和应用原理：GaAs光电阴极是建立在W.E.Spicer的光电发射三步模型2理论基础上的，根据该理论，如果阴极材料表面的真空能级低于

32、其体内的导带底能级，即材料的有效电子亲和势小于零，则由光照激发产生的光电子只要能从阴极体内运行到表面，就可以轻而易举地发射到真空，而无需过剩的动能去克服材料表面的势垒，这样光电子的逸出深度和几率都将大大增加，发射效率将会大幅度提高。所以后来发明了用Cs、O交替覆盖GaAs表面的方法，通过铯氧激活可以获得负的有效电子亲和势和更高的光电发射效率的GaAs光电阴极。应用：GaAs光电阴极作为一种负电子亲和势(Negative Electron Affinity，NEA)光电阴极，具有量子效率高，暗发射小，发射电子的能量分布及角分布集中，长波阈可调，长波响应扩展潜力大等优点，它在光电倍增管、摄像管、半

33、导体器件、超晶格功能器件、高能物理、表面物理，特别是微光夜视技术等领域得到了广泛的应用。结构：NEA光电阴极分反射式和透射式两种。反射式NEA光电阴极对厚度没有严格要求，其结构也比较简单，如图1.1为其结构示意图，反射式阴极中，GaAs是最常用的基底，因为这种材料的量子效率高，暗电流小，光谱响应在一个相当宽的范围内比较平坦。透射式NEA光电阴极的结构较复杂，如图1.2为其结构示意图。首先，它要有一个透明的衬底，起支撑和加固的作用，通常用的衬底层有蓝宝石、白宝石、尖晶石、GaP、GaAs和玻璃等。为了实现晶格匹配，通常在发射层与衬底层之间加入一缓冲层，它的晶格常数和发射层相近，这样晶格失配就被移

34、到了衬底层/缓冲层界面，常作缓冲层的材料有GaAlAs、GaAsP、InGaP等。衬底层缓冲层GaAs发射层真空图1.2透射式NEA光电阴极的结构I0GaAs发射层图1.1 反射式NEA光电阴极的结构真空I011 简述透明导电膜（TCO）的原理、制备及其在电子工业方面的应用原理：TCO 透明导电薄膜是一种N型氧化物半导体，化学名称是氧化烟锡，它的工作原理是，当金属原子与氧原子键结时，倾向于失去电子而成阳离子，而在金属氧化物中，具有（n4，n为主量子数）电子组态的金属阳离子，其S轨域会做等向性的扩展，如果晶体中有某种锁状结构，能让这些阳离子相当靠近，是他们的S轨域重叠，便可形成传导路径，再加上可

35、移动的载子，便具有导电性了。制备：在玻璃基片上制备透明导电薄膜的方法主要有1、喷雾法2、侵渍法3、化学气相沉积法4、溅射法 在塑料基片上制备主要是真空蒸渡法。应用：TCO氧化物薄膜材料在电子照相（幻灯片、微缩胶片）、光电抓换器件（光放大器）、太阳能电池、显示材料、热反射、光记录、磁记录、防静电等很多领域中发挥着重要的作用。12 结合图5述超二代和三代像增强器的工作原理和各自特点图5 超二代和三代像增强器的结构图超二代像增强器：利用多碱NaKaSbCs（纳钾锑铯）光电阴极作为光电转换原件，在光电阴极、MCP和荧光屏之间分别加有一定的高压电场，多碱阴极输出的光电子输入给微通道板MCP，微通道板具有

36、二次电子特性，可以对输入的一次电子进行多次倍增，产生电子雪崩效应，这样在MCP输出端产生更多的电子，这些电子最终轰击到荧光屏上产生图像。超二代特点：超二代管是在二代管的基础上，通过提高光阴极的林敏度（灵敏度由300-400UA/LM提高到600Ua/lm）,减小微通道板噪声因数，提高输出信噪比（改进微通道板的性能）和改善整管的MTF，使鉴别率和输出信噪比接近三代管的水平。三代像增强器：利用具有负电子亲和势特性的砷化镓GaAs光电阴极作为光电转换原件，在光电阴极、MCP和荧光屏之间分别加有一定的高压电场，工作原理和超二代的类似，只是微通道板工作状态下产生的正离子反馈，在三代像增强器中造成的严重后

37、果，就是造成砷化镓光阴极灵敏度迅速衰减。三代像增强器为此在微通道板的输入面上增加一层一定厚度的多孔状氧化铝或氧化硅的离子阻挡膜以彻底阻绝电离气体分子的离子反馈，来保证砷化镓光阴极足够的工作寿命并使成像质量得到改善。三代特点：三代管内的真空度比二代管内的真空度高，达10-9Pa这就要求三代管管壳零件的放气速率很低，因此对零件表面要求很高；在光电阴极和MCP间嫁了一个离子反馈膜用来阻挡MCP中电离气体的离子反馈，保证光电阴极足够的工作寿命并使成像质量得到改善，可同时起到光谱变换和图像增强的作用，量子效率高、光谱响应宽、使用寿命长。第一章 真空技术基础真空：指低于一个大气压的气体状态。 托(Torr

38、) =1/760atm = 133.322Pa对真空的划分：1、粗真空： 105102Pa 特性和大气差异不大，目的为获得压力差，不要求改变空间性质，真空浸渍工艺2、低真空： 10210-1Pa 10161013个/cm3 动力学性质明显，粘滞流状态分子流状态，对流消失，气体导电，真空热处理， 真空冷冻脱水3、高真空： 10-110-6Pa 10131010个/cm3 气体分子自由程大于容器线度，直线飞行，热传导和内摩擦性质与压强无关，蒸镀4、超高真空： 10-6Pa 分子间碰撞极少，主要用途：得到纯净的气体，获得纯净的固体表面 真空的获得：真空系统包括真空室、真空泵、真空计以及必要的管道、阀

39、门和其他附属设备。真空的测量热偶真空计：是利用低气压强下气体的热传导与压强有关的原理制成的真空计。散热与气体压强相关è加热丝的温度与气体压强相关 用热偶测量加热丝的温度è压强 20 10-3Torr热阻真空计：散热与气体压强相关 加热丝的温度与气体压强相关加热丝的电阻与温度相关 用平衡电桥测量加热丝的电阻è压强电离真空计：是利用气体分子电离的原理来测量真空度。 电离真空计用于高真空的测量 热丝发射热电子 热电子加速并电离气体，离子被离子收集极收集形成电流 电流与压强成正比 1 x 10-9 Torr to 10-11 Torr 第二章 真空蒸发镀膜法真空蒸发镀膜法

40、(简称真空蒸镀)是在真空室中，加热蒸发容器中待形成薄膜的原材料，使其原子或分子从表面气化逸出，形成蒸气流，入射到基片表面，凝结形成固态薄膜的方法。基本过程：（1）加热蒸发过程，凝聚相气相 该阶段的主要作用因素：饱和蒸气压（2）输运过程，气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运 该阶段的主要作用因素：分子的平均自由程（工作气压），源基距（3）基片表面的淀积过程，气相固相 凝聚成核核生长连续薄膜饱和蒸气压：在一定温度下真空室内蒸发物质的蒸气与固体或液体平衡过程中所表现出的压力称为该物质的饱和蒸气压。物质的饱和蒸气压随温度的上升而增大。蒸发温度：饱和蒸气压为10-2Torr时的温度。蒸发源的加热方式：

41、电阻加热法 􀁺电子束加热法 􀁺高频感应加热􀁺激光加热 P35外延：是在适当的衬底与合适的条件下，沿衬底材料晶轴方向生长一层结晶结构完整的新单晶层薄膜的方法。有液相外延法、气相外延法、分子束外延法。 分子束外延镀膜法(MBE）：用途：主要用来制造单晶半导体化合物薄膜原理：在超高真空条件下，将薄膜诸组分元素的分子束流，直接喷到衬底表面，从而在其上形成外延层的技术。 第三章 溅射镀膜溅射： 是荷能粒子轰击固体物质表面，并在碰撞过程中发生动能与动量的转移，从而将物质表面原子或分子激发出来的过程。辉光放电：是指在低气压（110Pa）的稀薄气体中，在两

42、个电极间加上电压时产生的一种气体放电现象。 磁控溅射 第四章 离子镀膜离子镀英文全称为Ion Plating 简称IP，在真空室中使气体或被蒸发物质电离，在气体离子或被蒸发物质离子的轰击下，同时将蒸发物或其反应产物蒸镀在基片上。离子镀原理离子镀的作用过程如下:蒸发源接阳极，衬底接阴极，当通以三至五千伏高压直流电以后，蒸发源与工件之间产生辉光放电。由于真空罩内充有惰性氩气，在放电电场作用下部分氩气被电离，从而在阴极衬底周围形成一等离子暗区。带正电荷的氩离子受阴极负高压的吸引，猛烈地轰击衬底表面，致使衬底表层粒子和脏物被轰溅抛出，从而使衬底待镀表面得到了充分的离子轰击清洗。随后，接通蒸发源交流电源

43、，蒸发粒子熔化蒸发，进入辉光放电区并被电离。带正电荷的蒸发料离子，在阴极吸引下，随同氩离子一同冲向衬底，当抛镀于衬底表面上的蒸发料离子超过溅失离子的数量时，则逐渐堆积形成一层牢固粘附于衬底表面的镀层。这就是离子镀的简单作用过程。 化学气相沉积（CVD）定义：把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物的单质气体供给基片，利用热、等离子体、紫外线、激光、微波等各种能源，使气态物质经化学反应形成固态薄膜。它的反应物是气体，生成物之一是固体。金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD）定义：利用金属有机化合物热分解反应进行气相外延生长薄膜的CVD 技术。 含有化合物半导体元素的原料化合物必须满足以下条件：1、在

44、常温下较稳定且容易处理。2、反应的副产物不应妨碍晶体生长，不应污染生长层.3、为适应气相生长，在室温附近应具有适当的蒸气压.第六章溶胶-凝胶（Sol-Gel）技术Sol-gel工艺原理 采用金属醇盐或其它盐类作为原料，通常溶解在醇、醚等有机溶剂中形成均匀溶液（solution），该溶液经过水解和缩聚反应形成溶胶（sol），进一步聚合反应实现溶胶-凝胶转变形成凝胶（gel），再经过热处理脱除溶剂和水，最后形成薄膜。Sol-gel法对原料的要求：1、 在溶剂中的溶解度高，一般不用水溶液2、有少量水参与时应易水解。3、水解后形成的薄膜应不溶解，生成的挥发物易从镀件表面去除。4、 水解所生成的各种氧化

45、物薄膜能在较低温度下进行充分脱水。5、薄膜与基板表面有良好的附着力。第7章 薄膜的形成凝结过程 薄膜的形成一般分为凝结过程、核形成与生长过程、岛形成与结合生长过程。凝结过程是从蒸发源中被蒸发的气相原子、离子或分子入射到基体表面之后，从气相到吸附相，再到凝结相的一个相变过程。从蒸发源入射到基体表面的气相原子到达基片表面之后可能发生的现象：1、与基体表面原子进行能量交换被吸附2、吸附后气相原子仍有较大的解吸能，在基体表面作短暂停留后再解吸蒸发3、与基体表面不进行能量交换，入射到基体表面上立即反射回去。 吸附过程能量曲线薄膜的形成与成长有三种形式： 岛状形式 单层成长形式 层岛结合形式核的形成与生长

46、有四个步骤：1、从蒸发源蒸发出的气相原子入射到基体表面上，其中有一部分以能量较大而弹性反射回去，另一部分则吸附在基体表面上。2、吸附气相原子在基体表面上扩散迁移，化学碰撞结合成原子对或小原子团并凝结在基体表面上。3、这种原子团和其他吸附原子碰撞结合，或着释放一个单原子。4、稳定核再捕获其它吸附原子，或者与入射气相原子相结合使它进一步长大成为小岛。薄膜形成过程的计算机模拟： 蒙特卡罗方法又称随机模拟法或统计试验法；分子动力学方法是一种古老的方法。在这种方法中对系统的典型样本的演化都是以时间和距离的微观尺度进行。 薄膜物理基础知识大全第一章： 最可几速度：平均速度：均方根速度：平均自由程：每个分子

47、在连续两次碰撞之间的路程称为自由程；其统计平均值成为平均自由程。常用压强单位的换算 1Torr=133.322 Pa 1 Pa=7.5×10-3 Torr 1 mba=100Pa 1atm=1.013*100000Pa真空区域的划分、真空计、各种真空泵粗真空 1×105 to 1×102 Pa 低真空 1×102 to 1×10-1 Pa 高真空 1×10-1 to 1×10-6 Pa 超高真空 <1×10-6 Pa旋转式机械真空泵 油扩散泵 复合分子泵 属于气体传输泵，即通过气体吸入并排出真空泵从而达到排气

48、的目的 分子筛吸附泵 钛升华泵 溅射离子泵 低温泵属于气体捕获泵，即通过各种吸气材料特有的吸气作用将被抽气体吸除，以达到所需真空。不需要油作为介质，又称为无油泵绝对真空计： U型压力计、压缩式真空计相对真空计： 放电真空计、热传导真空计、电离真空计机械泵、扩散泵、分子泵的工作原理，真空计的工作原理第二章：1. 什么是饱和蒸气压、蒸发温度？ 在一定温度下，真空室内蒸发物质的蒸气与固体或液体平衡过程中所表现出来的压力 规定物质在饱和蒸气压为10-2Torr时的温度2. 克-克方程及其意义？ 3. 蒸发速率、温度变化对其影响？根据气体分子运动论，在气体压力为P时，单位时间内碰撞单位面积器壁上的分子数

49、量，即碰撞分子流量（通量或蒸发速率）J：蒸发源温度微小变化就可以引起蒸发速率的很大变化4. 平均自由程与碰撞几率的概念。 蒸发分子在两次碰撞之间所飞行的平均距离 热平衡条件下，单位时间通过单位面积的气体分子数为5. 点蒸发源和小平面蒸发源特性？能够从各个方向蒸发等量材料的微小球状蒸发源称为点蒸发源（点源）。这种蒸发源的发射特性具有方向性，使得在 alpha 角方向蒸发的材料质量和 cos(alpha) 成正比。6. 拉乌尔定律？如何控制合金薄膜的组分？ 在定温下，在稀溶液中，溶剂的蒸气压等于纯溶剂蒸气压 乘以溶液中溶剂的物质的量分数 在真空蒸发法制作合金薄膜时，为保证薄膜组成，经常采用瞬时蒸发

50、法、双蒸发源法等。7. MBE的特点？(分子束外延) 外延: 在一定的单晶材料衬底上，沿衬底某个指数晶面向外延伸生长一层单晶薄膜。1) MBE可以严格控制薄膜生长过程和生长速率。MBE虽然也是以气体分子论为基础的蒸发过程，但它并不以蒸发温度为控制参数，而是以四极质谱、原子吸收光谱等近代分析仪器，精密控制分子束的种类和强度。2) MBE是一个超高真空的物理淀积过程，即不需要中间化学反应，又不受质量输运的影响，利用快门可对生长和中断进行瞬时控制。薄膜组成和掺杂浓度可以随源的变化作迅速调整。3) MBE的衬底温度低，降低了界面上热膨胀引入的晶格失配效应和衬底杂质对外延层自掺杂扩散的影响。4) MBE

51、是一个动力学过程，即将入射的中性粒子（原子或分子）一个一个地堆积在衬底上进行生长，而不是一个热力学过程，所以它可以生长普通热平衡生长难以生长的薄膜。5) MBE生长速率低，相当于每秒生长一个单原子层，有利于精确控制薄膜厚度、结构和成分，形成陡峭的异质结结构。特别适合生长超晶格材料。6) MBE在超高真空下进行，可以利用多种表面分析仪器实时进行成分、结构及生长过程分析，进行科学研究。8. 膜厚的定义？监控方法？ 厚度：是指两个完全平整的平行平面之间的距离。理想薄膜厚度：基片表面到薄膜表面之间的距离。 监控方式见书上详解P50第二章：1. 溅射镀膜与真空镀膜相比，有何特点？1) 任何物质都可以溅射

52、，尤其是高熔点金属、低蒸气压元素和化合物；2) 溅射薄膜与衬底的附着性好；3) 溅射镀膜的密度高、针孔少，膜层纯度高；4) 膜层厚度可控性和重复性好。5) 溅射设备复杂，需要高压装置；6) 成膜速率较低（0.01-0.5mm）。2. 正常辉光放电和异常辉光放电的特征？ 在正常辉光放电区，阴极有效放电面积随电流增加而增大，从而使有效区内电流密度保持恒定。 当整个阴极均成为有效放电区域后，只有增加阴极电流密度，才能增大电流，形成均匀而稳定的“异常辉光放电”，并均匀覆盖基片，这个放电区就是溅射区域。3. 射频辉光放电的特点？i. 在辉光放电空间产生的电子可以获得足够的能量，足以产生碰撞电离；ii.

53、由于减少了放电对二次电子的依赖，降低了击穿电压；iii. 射频电压可以通过各种阻抗偶合，所以电极可以是非金属材料。 4. 溅射的概念及溅射参数。 溅射是指荷能粒子轰击固体表面（靶），使固体原子或者分子从表面射出的现象。1) 溅射阈值2) 溅射率及其影响因素3) 溅射粒子的速度和能量分布4) 溅射原子的角度分布5) 溅射率的计算5. 溅射机理 溅射现象是被电离气体的离子在电场中加速并轰击靶面，而将能量传递给碰撞处的原子，导致很小的局部区域产生高温，使靶材融化，发生热蒸发。 溅射完全是一个动量转移过程 该理论认为，低能离子碰撞靶时，不能直接从表面溅射出原子，而是把动量传递给被碰撞的原子，引起原子的

54、级联碰撞。这种碰撞沿晶体点阵的各个方向进行。 碰撞因在最紧密排列的方向上最有效，结果晶体表面的原子从近邻原子得到越来越多的能量。 当原子的能量大于结合能时，就从表面溅射出来 6. 二极直流溅射、偏压溅射、三极或四极溅射、射频溅射、磁控溅射、离子束溅射系统的结构和原理二极直流溅射：是依赖离子轰击阴极所发射的次级电子来维持辉光放电 靶与基板的距离以大于阴极暗区的3-4倍为宜。 直流二极溅射 射频二极溅射偏压溅射：结构、基片施加负偏压。三极或四极溅射：热阴极发射的电子与阳极产生等离子体 靶相对于该等离子体为负电位、为使放电稳定，增加第四个电极稳定化电极射频溅射：等离子体中的电子容易在射频场中吸收能量

55、并在电场内振荡，与工作气体的碰撞几率增大，从而使击穿电压和放电电压显著降低。磁控溅射：使用了磁控靶在阴极靶的表面上形成一个正交的电磁场。溅射产生的二次电子在阴极位降区内被加速成为高能电子，但是它并不直接飞向阳极，而在电场和磁场的作用下作摆线运动。高能电子束缚在阴极表面与工作气体分子发生碰撞，传递能量，并成为低能电子。离子束溅射系统：离子束由惰性气体或反应气体的离子组成，离子能量高，它们打到由薄膜材料构成的靶上，引起靶原子溅射，并在衬底上形成薄膜。第四章：1. 离子镀膜系统工作的必要条件？1) 造成一个气体放电的空间；2) 将镀料原子(金属原子或非金属原子)引进放电空间，使其部分离化。2. 离子镀膜的原理及薄膜形成条件？ 淀积过程为淀积原子在基片表面的淀积速率；为薄膜质量密度；M为淀积物质的摩尔质量；NA阿佛加德罗常数。溅射过程：j是入射离子形