南理工真空镀膜技术习题集答案2015.pdf

1 真空镀膜技术习题集真空镀膜技术习题集 1. 什么叫真空？真空特点是什么？什么叫真空？真空特点是什么？10-3Pa 为多少为多少 Torr？ “真空”泛指低于一个大气压的气体状态，换言之，同正常的大气比，是较为稀薄的一种 气体状态. 特点： 1. 与大气有压差。压强低于一个大气压，故需要一个“真空”容器，即真空设备。该 容器必需承受大于 1 个大气压力的作用。如需获取真空条件，必须研制设计生产真空设备 2. 分子数密度低。分子之间或分子与其它粒子，如电子、离子之间的碰撞就不那么频 繁，明显减少。分子碰撞表面的次数也相对减少。这是真空的最主要的特点。各种真空设备 正是利用这种特点进行工作。 1 托（Torr）=1/760 atm=133.322Pa 2. 真空区域的划分是怎样的？其物理基础是什么？真空区域的划分是怎样的？其物理基础是什么？ 为了研究真空和实际应用方便，常把真空划分为粗真空（1 1051 103 Pa） 、低真空 （1 1031 10-2Pa） 、高真空（1 10-21 10-6Pa）和超高真空（1 10-6Pa1 10-10Pa） 、极高真 空（d （这恰恰是低压气体的情况） 的范围内，就有可能利用热传导现象以测量真空。 11. 说明电离真空计的结构和原理。说明电离真空计的结构和原理。影响该真空计的测量下限是什么？影响该真空计的测量下限是什么？ 工作原理：具有足够能量的电子，在气体中与分子碰撞时，能引起分子的电离，产生正 离子及电子。电子在一定的飞行路程中与分子的碰撞次数，正比于分子的数密度(单位体积 中分子数 n)，亦即比例于气体压强 P，故产生的正离子数亦正比于压强 P。由此可见电离现 象是一与压强有关的现象，可据以作为一种真空测量的原理。同时，由于电离现象的过程极 其迅速， 微小离子电流的测量借助于电的测量技术亦不难解决， 这将是一种非常有效的测量 原理。 5 K阴极（零电位）G栅极（正电位）P板极（负电位） 一个电子源即电子发射极（阴极） ，一个加速并收集电子的电极（加速极） ，以及一个收 集离子的电极（收集极）. 电离计的测量下限是由于受到收集极光电发射的限制. 12. 与电离真空计比较，与电离真空计比较，BA 规结构有哪些改进？为什么能测量更低的真空规结构有哪些改进？为什么能测量更低的真空压强？压强？ 采用尽量减小收集极面积的办法以避免软 X 射线的照射。 实际上，它只用一根细金属丝充当收集极，同时为了保证有足够的收集效率，将它置于 加速栅极之内（见图 4-31） ，这样栅内所有离子都将被它所收集。 灯丝则移置于栅外，对称安装两根(一为备分)。普通电离规收集极为圆筒形，且加速极 在其内，收集极几乎全部收受栅极发出的软 X 线，BA 规收集极改为细丝后，接受 X 线 减少了约 1001000 倍， 故测量下限亦降低 1001000 倍， 即达 10-1010-11托。 （10-810-9Pa) 13. 画出电磁阀的结构，说明其工作原理及其用法。画出电磁阀的结构，说明其工作原理及其用法。 14. 说明说明图图 1 的的真空系统的使用真空系统的使用规程规程。 规 管 机械泵 前置阀 扩散泵 真空镀膜室 旁 通 阀 主阀 图1 RF溅射台真空抽气系统 放气阀 电 磁 阀 电炉丝 水 真空阀的操纵可以用手动方式， 也可采用气动或电磁力控制方式。 如图 7-14 所示为一种电磁阀，它的 密封机构与盘阀相同，平时由弹簧 压紧盖住，需要开启时通电于电磁 线圈，铁芯连带盖盘起被吸上即 可。电磁阀便于进行联动控制。 例如，将它安置于机械泵与扩散 泵之间，电磁线圈则与机械泵马达 共用一电源。 当通电启动机械泵时， 电磁阀也打开；当切断机械泵电源 时，阀也自动关闭。有些电磁阀上 还设有放气孔自动向机械泵放大 气，从而防止了机械泵回油。这种 类型的阀称为电磁带放气真空阀。 6 15. 写出真空系统的抽气方程，其中各量的意义。写出真空系统的抽气方程，其中各量的意义。 设真空系统简图如图 7-56 所示， 由一根管道将容 器与泵相连；泵的抽速设为 S，容器的体积为 V。由 于管道对气流的阻碍，使得容器出口处的有效抽速降 为() e SS。在 e S的作用下，每秒从容器抽掉的气体 量为 e pS，这将导致容器压强 p 的降低。另一方面， 容器中除了原有大气气体之外，尚有下列各种气源： (1)漏气 L Q；(2)器壁及内部零件表面气体的脱附 D Q； (3)大气通过器壁的渗透 p Q；(4)材料的蒸汽压放气量 V Q。这些气源统称为气体负载，它们将导致压强 p 的升高。 在任瞬间，容器中气体量的瞬时净增量为 eLDPV dp VpSQQQQ dt 这个方程称为真空系统的抽气方程。 如能解出这个方程， 即求出压强 p 为时间 t 的函数， 便掌握了抽气过程的基本情况。 16. 多根管道串联而成的静态真空系统，写出其流导、抽速以及压强的方程。说明其意义。多根管道串联而成的静态真空系统，写出其流导、抽速以及压强的方程。说明其意义。 几个管道串联所得的流导的倒数为各管道流导倒数之和。 11111 . 123CCCCCi 在管道入口处，流入的流量为 p1Se；在管道出口处，由泵抽走的抽除量为 p2So；在管道 中通过的流量为 QC(p1-p2)。在稳定流动时，这三者应当相等，故得 1122 () eo p SC ppp S 由第个等式可得 1 12 11 e p SCpp 由第二个等式可得 2 12 11 o p SCpp 进而可得 111 eo SSC 或解出 o e o S C S SC 1 o o o S S S C 1 e o C S C S 7 10 1 2 122 3 1233 1 123 11 1 111 2 1111 nn nn Q pp C Q pQp CCC Q pQp CCCC Q pQp CCCCC 17. 说明真空蒸发镀膜的原理。说明真空蒸发镀膜的原理。 结构： 真空蒸发镀膜包括以下三个基本过程： 加热蒸发过程: 由于每种物质在不同温度下有不同的蒸汽压，蒸汽压与温度成正比。加 热待蒸发的材料，使由凝聚相转变为气相，即固相液相气相，或固相气相。 蒸汽原子或分子在蒸发源与基片之间输运， 在此输运过程中与气体分子发生碰撞， 碰撞 次数与真空度密切相关，与源基距有关。 蒸发分子或原子在基片表面上的淀积: 即蒸汽凝聚、成核、核生长、形成连续薄膜，由 于基板温度远小于蒸发源温度，因此，淀积物分子在基板表面上将直接从气相到固相，成为 固态薄膜。 18. 对电阻蒸发源的材料有何要求对电阻蒸发源的材料有何要求? (1) 熔点要高。因为蒸发材料的蒸发温度（饱和蒸汽压为 10-2托时的温度）多数在 10002000 C 之间，所以蒸发源材料的熔点必须高于此温度。 (2) 饱和蒸汽压低。这主要是为防止或减少在高温下蒸发源材料会随蒸发材料蒸发而成 为杂质进入蒸镀膜层中。在蒸发材料蒸发温度时，蒸发源的蒸汽压低于 10-6Pa。 (3) 化学性能稳定，在高温下不应与蒸发材料发生化学反应。 (4) 具有良好的耐热性，热源变化时，功率密度变化较小； (5) 原料丰富，经济耐用。 真空室：为蒸发过程提供必要的 真空环境; 蒸发源: 放置蒸发材料并对其加 热； 基板：用于接收蒸发物质并在其 表面形成固体物质； 基板加热器及测量器等。 8 19. 高频感应加热镀膜是什么样的结构？它有何应用价值？高频感应加热镀膜是什么样的结构？它有何应用价值？ (1) 蒸发速率大。在铝淀积厚度为 40nm 时，卷绕速度可达 270m/min，比电阻热源大 10 倍左右。 (2) 蒸发源温度均匀稳定，不易产生铝滴飞溅现象。可避免铝滴淀积在薄膜上产生针孔 现象。所以采用感应加热方法生产金银丝的成品率亦相应提高。 (3) 蒸发源一次装料，无需送丝机构，温度控制比较容易，操作比较简单。 (4) 对膜材纯度要求略宽些。如一般真空感应加热用 99.9%纯度的铝即可，而电阻加热 要求铝的纯度为 99.99%。所以生产成本亦可降低。 20. 简要画出简要画出 e 型枪蒸发器的基本结构？型枪蒸发器的基本结构？为什么为什么 e 型枪比直枪优越？型枪比直枪优越？ e 偏转 225 、270 时，可使灯丝得到屏蔽，杂散电子混入到基片上去的数量大大减小， 灯丝也不易受正离子轰击，因此，设计时采用这两种结构较好。 由于选用了电子束偏转角大于 180 的电子发射器，消除了灯丝直接照射到基片表面上 所产生的一次电子，这在直枪中难以做到。而且保护了电子灯丝不受膜层蒸汽的污染。 （直 枪难做到） 21. 分子束外延的机理是什么？有何特点？分子束外延的机理是什么？有何特点？ 分子束外延（MBE）是新发展起来的外延制膜方法。也是一种特殊的真空镀膜工艺。 它是在超高真空条件下，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。 特点： 将装有膜材的坩埚放在螺旋线 圈的中央（不接触） ，在线圈中 通以高频电流， 膜材在高频电磁 场感应下产生强大的涡流， 致使 膜材升温，直至蒸发。膜材体积 越小，感应频率越高。如对每块 仅有几毫克重的材料则采用几 兆赫的感应电源频率。 感应线圈 常用铜管制成并通以冷却水。 9 1.以系统中的四极质谱仪、原子吸收光谱等近代分析仪器，精密地监控分子束的种类和 强度，从而严格控制生长过程与生长速率。 2.膜的组分和掺杂浓度可随源的变化作迅速调整。 3.MBE 的衬底温度低，因此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 延层的自掺杂扩散影响。 4.MBE 可生长按照普通热平衡生长方法难以生长的薄膜。 5.MBE 的另一显著特点是生长速率低，因此有利于实现精确控制厚度、结构与成分和 形成陡峭异质结等。 22. 说明直流辉光放电的说明直流辉光放电的电流电压特性。电流电压特性。 放电区间分成几个区. 1) 无光放电区 AB： 低压的气体中。 由于宇宙射线产生了一部分游离正离子和电子， 气体中始终存在一部分正离子和电子。 当在两电极加上直流电压时， 这些少量的正离子和电 子将在电场下运动形成电流。此区只导电不发光，所以称为“无光放电区” 。 2) 汤森放电区 BC：电子和气体碰撞使气体电离，电离使离子、电子数增大，电流平 稳地增加，但电压却保持不变。 3) 过渡区 CD：电压增大，当至 C 点发生“雪崩点火” 。离子轰击阴极,释放出二次电 子，二次电子与中性气体分子碰撞，产生更多的离子，这些离子再轰击阴极，又产生出新的 更多的二次电子。一旦产生了足够的离子和电子，突然出现带颜色的辉光，气体起辉，放电 达到自持。两极间电流剧增，电压迅速下降，放电呈现负阻特性。 4) 辉光放电 DE：在进入辉光放电区，增大电源功率，放电管两管电压保持不变， 而电流平稳增加。 5) 非正常辉光放电区：电流增大时，两放电极板电压升高，且阴极电压降的大小与电 流密度和气体压强有关。 6) 弧光放电区：此时，极间电压陡降，电流突然增大，相当于极间短路。且放电集中 在阴极的局部地区，致使电流密度过大而将阴极烧毁。 23. 射频辉光放电的特点以及原因。射频辉光放电的特点以及原因。 第一，在辉光放电空间产生的电子，获得了足够的能量，足以产生碰撞电离。因而，减 少了放电对二次电子的依赖，并且降低了击穿电压。 第二，射频电压能够通过任何一种类型的阻抗耦合进去，所以电极并不需要是导体。因 而，可以溅射包括介质材料在内的任何材料。因此，射频辉光放电在溅射技术中的应用十分 广泛。 10 24. 说明射频溅射为什么能溅射绝缘材料？说明射频溅射为什么能溅射绝缘材料？ 如果在靶上施加的是射频（rf) 电压，当溅射靶处于正半周时，由于电子的质量比离子 的质量小得多，故其迁移率很高仅用很短时间就可以飞向靶面，中和其表面的正电荷，并且 在靶面又迅速积累大量的电子， 使其表面因空间电荷呈现负电位， 导致在射频电压的正半周 时也吸引离子轰击靶材。 从而实现了在正、负半周中，均可产生溅射。 由于在溅射条件下有气体分子存在， 电子在振荡过程中与气体分子碰撞的几率增加， 其 运动方向也从简谐运动变为无规则的杂乱运动。因为电子能从电场不断吸收能量，因此，在 不断碰撞中有足够的能量来使气体分子离化， 即使在电场较弱时， 电子也能积累足够能量来 进行离化，所以射频溅射可比直流溅射在更低的电压下维持放电。 使得击穿电压和放电电压显著降低，其值只有溅射时的十分之一左右。 射频溅射的显著特点：能淀积包括导体、半导体、绝缘体在内的几乎所有材料。 25. 说明溅射离子的能量对成膜速率的影响。说明溅射离子的能量对成膜速率的影响。 第一部分是几乎没有溅射的低能区域; 第二部分的能量从 70eV 增至 10KeV，这是溅射率随离子能量增大的区域，用于溅射淀 积薄膜的能量值大部分在这一范围内； 第三部分是 30KeV 以上的，这时溅射率随离子能量的增加而下降。 如前所述， 这种下降据认为是由于轰击离子此时深入到晶格内部， 将大部分能量损失在 靶材体内，而不是消耗在靶表面的缘故。 26. 离子入射到材料表面会产生哪些效应？成膜主要靠哪些部分？离子入射到材料表面会产生哪些效应？成膜主要靠哪些部分？ 入射离子可能从靶表面发射; 或在轰击过程中捕获电子后成为中性 原子或分子，从表面反射； 离子轰击靶引起靶表面逸出电子，即所 谓次级电子； 离子深入靶表面产生注入效应，称离子 注入； 此外还能使靶表面结构和组分发生变 化;以及使靶表面吸附的气体解吸和在 高能离子入射时产生辐射射线等。 11 27. 说明磁控溅射的原理和特点。说明磁控溅射的原理和特点。 磁控溅射的基本原理就是以磁场改变电子运动方向， 束缚和延长电子的运动轨迹， 从而 提高了电子对工作气体的电离几率和有效地利用了电子的能量。 在形成高密度等离子体的异常辉光放电中正离子对靶材轰击所引起的靶材溅射更加有 效。 同时受相互垂直的电磁场的束缚的电子，只能在其能量将要耗尽时才能沉积在基片上。 （1）磁场与电场相互垂直； （2）磁场方向与阴极表面平行。 磁控溅射不仅可得到很高的溅射速率， 而且在溅射金属时还可以避免二次电子轰击而使 基板保持接近冷态， 28. 为什么反应溅射镀膜比反应蒸发镀膜效果好？为什么反应溅射镀膜比反应蒸发镀膜效果好？ 势垒 与能量之间关系为 aA EN 式中 Ea 为反应活化能，NA 是阿伏伽德罗常数。根据过渡态模型理论，两种反应物的 分子进行反应时，首先经过过渡态活化络合物，然后再生成反应物，如图 3-45 所示。 图中 Ea 和 Ea 分别为正、逆向反应活化能；x 为反应物初始态能量；为终态能量； T 为活化络合物能量； E 是反应物与生成物能量之差。由图可见，反应物要进行反应必 须要有足够的能量去克服反应活化能。 如前所述，蒸发粒子的平均能量只有 0.10.2eV，而溅射粒子可达 1020eV，比蒸发高 两个数量级左右。蒸发和溅射粒子的能量分布如图 3-46 所示。其中能量大于反应活化能 Ea 的粒子数分数可近似地表示为 exp() a E n kT 由于粒子的平均能量， 3/2EkT 因此溅射粒子的能量大于 Ea 的分数 3 exp() 2 a s s E n E 同理，蒸发粒子能量大于 Ea 的分数 3 exp() 2 a e e E n E 式中， s E 和 e E 分别为溅射和蒸发粒子的平均动能。由图 3-46 可看出， 的溅射粒子远多于蒸发粒子，其倍数 12 311 exp() 2 s a ees n ME nEE （3-35） 溅射粒子的反应度大于蒸发粒子的反应度。 参与反应的高能粒子数越多， 反应速度越快。 故溅射的反应速度要比蒸发快。 29. 说明离子镀的原理与特点。说明离子镀的原理与特点。 它是在真空条件下，应用气体放电实现镀膜，即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，将蒸发物或其反应物蒸镀在基片上。 1.膜层附着性好 2.膜层密度高 3.绕射性能好 4.可镀材质范围广泛 5.有利于化合物膜层的形成 6.淀积速率高，成膜速度快，可镀较厚的膜。 30. 离子镀膜的成膜条件是什么？离子镀膜的成膜条件是什么？ 1）蒸发原子与等离子区中的正离子和被激活的惰性气体原子及电子发生碰撞，成为离 子，或获得能量的原子沉积在基片表面上成膜； 2） 成膜前 Ar 离子的溅射清洗基片。 由于基片处于负高压， Ar+轰击表面溅射清洗表面。 3）基片在成膜过程中受到 Ar+和被电离的蒸发原子对基片的溅射。 必须淀积效应优于溅射剥离效应， 沉积的离子原子数 n 大于被溅射的原子 nj，即成膜条 件 31. 说明电弧离子镀的结构原理和特点。说明电弧离子镀的结构原理和特点。 引弧电源 DC电源 200A 30V 阴极与基片的电源 阴 极 靶 基 片 真空室 阳极 磁线圈 水冷 引弧电极 回转轴 N S 电弧离子镀的原理是基于冷阴极真空弧光放电理论， 认为放电过程是借助于场电子发射 和正离子发射。在放电过程中，引弧后，由于表面场的作用，阴极局部阴极表面功函数小的 点开始发射电子， 个别发射电子密度高的点产生高密度的电流， 该电流产生的焦耳热使该点 温度上升而进一步发射热电子。 （特点） （1）能直接从阴极表面上产生等离子体，不要熔池，因此弧光蒸发源在真空室内放置 灵活，横竖均可，无需两个真空压差室。 （2）阴极弧光辉点使阴极材料蒸发而形成定向的运动，其能量达到 10100eV 的原子 13 和离子束流，足以在基片上形成附着力很强的膜层，膜层致密，强度和耐久性好，膜基界面 易产生原子扩散，所以莫的附着强度好。 （3）离化率高达 6080%，沉积速率可高达 10100nm/s，也是这种设备优于其它离子 镀设备的一个很重要的特点。 （4）该设备简单，采用低压电源，工作安全可靠； （5）能镀复合膜、多层膜，低温特点，能在金属、非金属等橡胶、塑料上镀膜。 32. 说明化学气相沉积的主要过程。说明化学气相沉积的主要过程。 CVD 制取薄膜的过程，可以分为以下几个主要阶段： 1）反应气体向基片表面扩散； 2）反应气体吸附于基片的表面； 3）在基片表面上发生化学反应； 4） 在基片表面上产生的气相副产物脱离表面而扩散掉或被真空泵抽走。 在基片表面上 生长不挥发的固体反应产物薄膜。 33. 说明化学气相沉积的特点。说明化学气相沉积的特点。 1）既可以制作金属薄膜、非金属薄膜，又可按要求制作多成分的合金薄膜。 2）成膜速度可以很快，同一炉中可放置大量的基板或工件，能同时制得均匀的镀层。 3） CVD 反应在常压或低真空进行，镀膜的绕射性好，对于形状复杂的表面过工件的 深孔、细孔都能均匀镀覆。 4）能得到纯度高、致密性好、残余应力小、结晶良好的薄膜镀层。由于反应气体、反 应产物和基体的相互扩散，可以得到附着力好的膜层。 5）由于薄膜生长的温度比膜材料的熔点低得多，由此可以得到纯度高、结晶完全的膜 层。 6）CVD 法可获得平滑的沉积表面 7）辐射损伤低。 34. 任何任何 CVD 所用的反应体系都必须满足三个条件是什么？所用的反应体系都必须满足三个条件是什么？ 1) 在常温或不很高的温度下，反应物必须有足够高的蒸汽压，要保证能以适当的速度 被引入反应室。如果反应物是固体或液体，要用加热等手段使之变成气体，并用载气引入反 应室； 630675 3 334 ()3 C Ga CHAsHGaAsCH 2) 反应产物除了所需要的沉积物为固态薄膜之外，其它反应产物必须是挥发性的。如 果不是，将严重地影响薄膜的纯度；如果是气体，也需要它对薄膜无害。 3) 沉积薄膜本身必须是有足够低的蒸汽压 ， 以保证在整个沉积反应过程中都能保持在 受热的基体上； 待沉积薄膜材料在沉积温度下是唯一的固体沉积物。 基体材料本身在沉积温 度下，蒸汽压应足够低。 35. 说明低压化学气相沉积设备、优点。说明低压化学气相沉积设备、优点。 14 1.微调针阀 2.浮力流量计 3.可控加热炉 4.硅片 5.石英舟 6.电阻真空计 7.反应室 8.真 空泵 1)设备简单，操作方便； 2)经济性好。研究表明，每片的投资、劳动量、电力及气体费用较常压 CVD 法大约低 一个数量级。成本低的主要原因是直立密装片架有极高的装片密度； 3)质量高、效率高、可靠性好； 4)