薄膜复习题纲

第一章1.气体分子的平均自由程：一个气体分子在两次碰撞之间的平均距离。重要性：平均自由程影响分子到衬底的能量大小，自由程小，能量小，形成疏松薄膜真空度：表示气体的势波强度，一个相对外界的概念，是一种不存在任何物质的空间状态。真空度可分为：低真空：102Pa 工业应用（包装）中真空：102~10-1Pa CVD沉积技术高真空：10-1~10-5Pa 溅射沉积技术（pvd法）超高真空：10-5Pa 原子表面和界面分析气体流动状态分类：分子流状态和粘滞流状态分子流状态Kn<1：在高真空环境中，气体分子除了与容器器壁发生碰撞意外，几乎不发生气体分子间的碰撞过程的气体流动状态。（特点：气体分子的平均自由程大于气体容器的尺寸或与其相当）粘滞流状态Kn>10：当气体压力较高时，气体分子的平均自由程较短，气体分子间的相互碰撞较为频繁的气体的流动状态。（与分子流状态相比，沾滞流状态的气体流动模式要复杂得多，在低流速的情况下，粘滞流状态的气流处于层流状态，在流苏较高时，气体的流动状态转变为紊流状态）4.真空泵分类：输运式：采用对气体进行压缩的方式将气体分子输送至真空系统之外捕获式：依靠在真空系统内凝集或吸附气体分子的方式将气体分子捕获，排除于真空系统之外。(机械泵，罗茨泵等低级泵获得的真空范围，前者10-1Pa后者10-2Pa；涡轮泵，油扩散泵等高级泵获得高真空）1).油扩散泵工作原理：将扩散泵油加热至高温蒸发状态(200oC)，让油蒸气呈多级状向下定向高速喷出时不断撞击使其被迫向排气口运动，在压缩作用下被排出泵体。同时泵体冷却的油蒸汽又会凝聚返回泵的底部工作参数：实际抽速：1-104L/s(决定于泵体口径）极限真空：10-5Pa特点与使用: 与旋片机械泵串联使用，需要机械泵抽预真空(1Pa)；油污染；价格便宜。涡轮分子泵工作原理：靠机械运动对气体分子施加作用，并使气体分子向特定方向运动的原理来工作的。涡轮分子泵的转子叶片具有特定的形状，以20000-30000转/分的高速旋转，将动量传给气体分子，多级叶片(10-40)的连续压缩保证了分子泵的高效快速的工作。工作参数：实际抽速：1000L/s(决定于泵体口径和转速）极限真空：10-5Pa热偶真空规和电离真空规（1）热偶规工作原理：气体的热导率随气体压力变化，通过热电偶测出热丝的温度，也就相应的测出了环境的气体压强。测量范围：热偶规0.1-100Pa；特点与使用：都属低真空测量。（2）电离真空规工作原理：它由阴极，阳极和离子收集极组成，热阴极发射电子飞向阳极的过程中，使气体分子电离，并被离子收集极收集形成电流，根据离子电流测出气体压强。测量范围：10-9-1Pa(10-3Pa相当于薄膜位移为一个原子尺寸大小)特点与使用：属高真空和超高真空测量，通常与热偶规同时使用第二章真空蒸发制备薄膜的三个基本过程：（1）.加热蒸发过程：对蒸发源加热，使其温度接近或达到蒸发材料的熔点，蒸发源材料由凝聚相转变成气相（2）.气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运过程。在这一过程中，原子或分子与真空室内的残余气体分子碰撞（3）.被蒸发的原子或分子在衬底表面的沉积过程。原子或分子到达基片后凝结、成核、生长、成膜真空蒸发沉积的物理原理在真空环境下，给待蒸发物质提供足够的热量以获得蒸发所必须的蒸汽压，在适当的温度下，蒸发粒子在基片上凝结形成薄膜。真空蒸发就是利用蒸发材料在高温时所具有的饱和蒸汽压进行薄膜制备。3真空蒸发设备示意图如下图所示真空蒸发设备主要由三部分组成：1.真空系统：为蒸发过程提供真空环境2.蒸发系统：放置蒸发源的装置，以及加热和测温装置3.基板及加热系统：该系统是用来放置硅片或其它衬底，对衬底加热及测温装置元素蒸发情况：（1）液相蒸发：对大多数金属，温度达到熔点时，其平衡气压低于10-1Pa,需将物质加热到熔点以上（2）固相升华：在熔点附近，固体的平衡蒸汽压已相对较高，如Cr,Ti,Mo,Fe,Si等，可以直接利用由固态物质的升华，实现物质的气相沉积5.化合物的蒸发化合物蒸发出来的蒸气可能具有完全不同于其固态或液态的成分，各元素间将发生化合或分解过程，导致沉积后的薄膜成分可能偏离化合物原来的化学组成。合金蒸发特点金属合金的蒸发也会发生成分的偏离，但合金中原子间的结合力小于化合物中原子间的结合力，实际蒸发过程可视为各元素独立蒸发过程真空蒸发设备：电阻式加热蒸发，电子束加热蒸发，激光加热蒸发，电弧加热蒸发，高频感应加热蒸发。（1）电阻式加热蒸发：利用一些高熔点、低蒸气压的金属制成各种形状的加热器；一方面作为加热，同时支撑被加热的物质。（2）电子束加热蒸发：产生电子束的光子在电磁场的作用下发出电子，电子在电场的作用下定向运动，在磁场作用下其方向发生弯曲，打到原材料上，使其获得高能电子的能量蒸发出到衬底上制备薄膜。（蒸发）影响薄膜纯度的因素：蒸发源的纯度，盛放原材料的装置造成的污染，真空系统中残留的气体杂质等因素。(掌握)影响薄膜厚度的均匀性因素：蒸发源的形状，蒸发源与衬底之间的距离和角度，衬底的尺寸及其表面的情况，沉积过程中的阴影效应等。（理解）薄膜沉积的方向性和阴影效应.物质蒸发过程中，被蒸发原子的运动具有明显的方向性。.蒸发原子运动的方向性对沉积的薄膜的均匀性以及其微观组织都会产生影响。3).物质的蒸发源有不同形状。衬底较远，尺寸较小的蒸发源可以被认为是点蒸发源。 设想被蒸发的物质是由表面积为Ae的小球面上均匀地发射出来的。第三章1.溅射镀膜的特点（掌握但不用背）（1）对于任何待镀材料，只要能作成靶材，就可实现溅射（2）溅射所获得的薄膜与基片结合较好（3）溅射所获得的薄膜纯度高，致密性好（4）溅射工艺可重复性好，可以在大面积衬底上获得厚度均匀的薄膜（优点）与蒸发法相比：适用范围广，溅射出来的原子能量高，成膜质量好，得到薄膜性能和均匀性好。建设法成分偏离比较少，适合制备合金薄膜。辉光放电的物理基础:.靶材是需要被溅射的物质，作为阴极，相对阳极加数千伏电压，在真空室内充入Ar气，在电极间形成辉光放电。.辉光放电过程中，将产生Ar离子，阴极材料原子，二次电子，光子等。辉光放电过程（理解）：通过混合气体中加直流电压、或射频电压，混合气体中的电子被电场加速，穿过混合气体，与气体原子或分子碰撞并激发他们，受激的原子、或离子返回其最低能级时，以发射光（或声子）的形式将能量释放出来。等离子体：等离子体是一种中性、高能量、离子化的气体，包含中性原子或分子、原子团、带电离子和自由电子。作用：EQ\o\ac(○,1)、提供发生在衬底表面的气体反应所需要的大部分能量EQ\o\ac(○,2)、通过等离子刻蚀选择性地去处金属溅射产额：被溅射出来的原子个数与入射离子数之比。其影响因素：入射能量，入射离子种类，溅射物质种类及入射离子的入射角度。直流溅射装置及特性工作原理：1).当加上直流电压后，辉光放电开始，正离子打击靶面，靶材表面的中性原子溅射出，这些原子沉积在衬底上形成薄膜。2).在离子轰击靶材的同时，也有大量二次电子从阴极靶发射出来，被电场加速向衬底运动，在运动过程中，与气体原子碰撞又产生更多的离子，更多的离子轰击靶材又释放出更多的电子，从而使辉光放电达到自持。3).气体压强太低或阴-阳极距离太短，二次电子达到阳极之前不能有足够多的离化碰撞发生。反之所产生的离子会因非弹性碰撞而减速，打击靶材时不会产生足够的二次电子。另外溅射出来的靶材原子在飞向衬底的过程中将会受到过多散射，在衬底上的沉积速率反而下降。4).直流溅射若要保持一定的溅射速率，就必须一定的工作电流，要求靶材为金属靶。若是导电性差的靶材，在离子轰击过程中，正电荷便会积累在靶材表面。（重点）磁控溅射镀膜的基本原理：在溅射装置中引入磁场，磁场的作用使电子不再做平行直线运动，而是围绕磁力线做螺旋运动，这就意味着电子的运动路径由于磁场的作用而大幅度地增加，从而有效地提高了气体的离化效率和薄膜的沉积速率。优点：与直流溅射，射频溅射相比，其薄膜沉积速率高，工作压力较低等。缺点：存在对靶材的溅射不均匀性，不适合于铁磁性材料的溅射，温度升高等。应用领域：如制备金属薄膜，合金薄膜，C薄膜，SiO4薄膜等。7.溅射与蒸发的比较第四章（概念）CVD是利用汽态的先驱反应物，通过原子分子间化学反应的途径生成固态薄膜的技术。（重点）边界层：当气体流动速度受到衬底表面得影响或器壁的影响速度下降，到衬底表面降为零，存在一个速度梯度和浓度梯度的构镀层空间。对CVD的影响：影响反应物与反应副产物的输运过程，限制薄膜沉积速率。方法：提高Re，可以降低边界层的厚度，促进化学反应和提高沉积速度。但Re的增加受到一定限制，Re过高会影响沉积的均匀性。（掌握）CVD分：表面反应速率控制的CVD和质量输运控制的CVD。表面反应速率控制的CVD：薄膜的沉积速率是由表面反应速率控制的，那么衬底的温度对沉积速率有比较大的影响，因为表面化学反应对温度的变化非常敏感。当温度升高时，反应速率增加，薄膜的沉积速率加快。当温度升高到一定程度时，由于反应速度的加快，输运到表面的反应剂的数量低于表面反应所需的数量，这时沉积速率转为由质量输运控制，反应速度不再随温度变化而变化。质量输运控制的CVD：质量输运过程是通过气体扩散完成的，扩散速度与气体的扩散系数和边界层内的浓度梯度有关。质量输运速率控制的薄膜沉积速率与主气流速度的平方根成正比，增加气流速度可以提高薄膜沉积速率，当气流速率大到一定程度时，薄膜的沉积速率达到一稳定值不再变化。沉积速率转变为由表面反应速度控制。（掌握影响两者的因素和两者之间互相转换）CVD反应室的热源薄膜的沉积温度一般都高于室温CVD的反应加热器可分为热壁还是冷壁反应。反应室器壁温度TW，放置硅片的衬底温度TS当TW=TS，称做热壁CVD系统当TW<TS，称做冷壁CVD系统热璧反应不仅加热衬底还加热反应室的器壁。冷璧反应只加热衬底，不加热反应室器壁或用冷却水冷却器壁。抑制吸热反应的反应产物在器壁上形成沉积物，采用冷壁反应；控制放热反应在器壁上形成沉积物，采用热壁反应。（掌握两个系统的特点和应用领域）5.（掌握）APCVD和LPCVD与APCVD比，LPCVD薄膜的沉积速率高，膜性能好，成本低。（掌握）PECVD的反应气压与LPCVD的气压差不多（5-500Pa），但PECVD的沉积温度比LPCVD的沉积温度低很多。如LPCVD沉积Si3N4的温度800-900C，而用PECVD只需350C。（作比较，一般先答出各个反应原理，再答PECVD的好处；一般从成膜速率，温度，成膜质量方面考虑）（掌握PECVD特点，应用，镀膜原理）PECVD使用辉光放电等离子体的能量来产生并维持化学反应。因为等离子体可以促进气体分子的分解、化合、激发和电离过程，促进反应活性基团的形成，因而显著降低了反应沉积温度。PECVD的射频电场可以分为电容耦合和电感耦合。第五章薄膜生长过程（理解）：在薄膜形成的最初阶段，一些气态的原子或分子开始凝聚到衬底上，从而开始了所谓的形核阶段。由于热涨落的作用，原子到达衬底表面的最初阶段，在衬底上成了均匀细小、而且可以运动的原子团（岛或核）。当这些岛或核小于临界成核尺寸时，可能会消失也可能长大；而当它大于临界成核尺寸时，就可能接受新的原子而逐渐长大。一旦大于临界核心尺寸的小岛形成，它接受新的原子而逐渐长大，而岛的数目则很快达到饱和。小岛像液珠一样互相合并而扩大，而空出的衬底表面上又形成了新的岛。形成与合并的过程不断进行，直到孤立的小岛之间相互连接成片，一些孤立的孔洞也逐渐被后沉积的原子所填充，最后形成薄膜。薄膜生长的三种模式：岛状、层状和层状-岛状生长模式三种不同薄膜生长模式的示意图：1、虽然开始时的生长是外延式的层状生长，但是由于薄膜与衬底之间晶格常数不匹配，因而随着沉积原子层的增加，应变能（应力）逐渐增加。为了松弛这部分能量，薄膜在生长到一定厚度之后，生长模式转化为岛状模式。2、在Si的（111）晶面上外延生长GaAs,由于第一层拥有五个价电子的As原子不仅将使Si晶体表面的全部原子键得到饱和，而且As原子自身也不再倾向于与其他原子发生键合。这有效地降低了晶体的表面能，使得其后的沉积过程转变为三维的岛状生长。3、在层状外延生长表面是表面能比较高的晶面时，为了降低表面能，薄膜力图将暴露的晶面改变为低能面，因此薄膜在生长到一定厚度之后，生长模式会由层状模式向岛状模式转变。注：在上述三种模式转换机理中，开始的时候层状生长的自由能较低；但其后，岛状生长的自由能变低了，岛状生长反而变得更有利了。3.新相的成核过程可以被分为两种类型：1.自发成核：所谓自发成核指的是整个形核过程完全是在相变自由能的推动下进行的；2.非自发成核：非自发形核指的是除了有相变自由能作推动力之外，还有其他的因素 起到了帮助新相核心生成的作用。4.在大多数固体相变过程中，涉及的成核过程都是非自发成核的过程，即有其他的因素起到了帮助新相核心的生成。形核率是在单位面积上，单位时间内形成的临界核心的数目。新相形成所需要的原子可能来自：(1)气相原子的直接沉积；(2)衬底表面吸附原子沿表面的扩散。在形核最初阶段，已有的核心数极少，因而后一可能性应该是原子来源的主要部分，即形核所需的原子主要来自扩散来的表面吸附原子。沉积来的气相原子将被衬底所吸附，其中一部分将会返回气相中，另一部分将由表面扩散到达已有的核心处，使得该核心得以长大。5.薄膜沉积速率R和衬底温度T是影响薄膜沉积过程的最重要的两个因素。结论：随着薄膜沉积速率R的提高，薄膜临界核心半径和临界核心自由能均随之降低，因此高的沉积速率将会导致高的成核速率和细密的薄膜组织。结论：随着温度上升，新相临界核心半径增加，临界核心自由能也越高，新相核心的形成较困难；因此高温时，首先形成粗大的岛状薄膜组织。低温时，临界形核自由能下降，形成的核心数目增加，有利于