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第一章1.薄膜与微细加工技术的优点薄膜很薄，是实现微型化的主要手段薄膜是制备新型功能器件的有效手段探索物质秘密的有力手段获得常规情况下难以获得的物质获得特殊界面结构的膜层自动化控制2. 薄膜为什么受到重视？ 1）薄膜物理是物理学（特别是固体物理学）的重要分支，发展形成自己的体系 -理论与实验（2）薄膜材料具有广泛的电、光、声、热、磁等应用场合，许多制品（刀具、容器、管道、板材等）主要决定于其表层特性而不是整体特性，电子元器件（微电子、光电子）是建立在发展于表面或表面近层的物理效应基础上，微电子器件、固体电子器件提高性能、小型化的关键相关薄膜材料的制备和研究（3）薄膜具有许多明显不同于块材料的特性，如晶体结构多为非晶态、亚稳态等, 这些特性称为反常结构与特性为薄膜所特有（值得研究和利用）不仅是材料学研究的重要领域，也为发展新型功能材料开辟了广阔途径。（非平衡冶金、非晶态生长、超微细结构、纳米材料.)（4）薄膜材料是现代材料科学发展最迅速的一个分支。现在科学技术的发展，特别是微电子技术的发展，打破了过去体材料的一统天下。过去需要众多材料组合才能实现的功能，现在仅仅需要少数几个器件或者一块集成电路板就可以完成。而薄膜技术正是实现器件和系统微型化的最有效的技术手段。（5）器件的微小型化不仅可以保持器件原有的功能，而且可以使之更强化，随着器件的尺寸减小以至于接近电子或其他离子量子化运动的微观尺度，薄膜材料或其器件讲显示出许多全新的物理现象。薄膜技术作为器件微型化的关键技术，是制备这类具有新型功能器件的有效手段。（6）每种材料的性能都有其局限性。薄膜技术作为材料制备的有效手段，可以将各种不同的材料灵活地组合在一起，构成具有友谊特性的复杂材料体系，发挥每种材料各自的优势，避免单一材料的局限性。3.薄膜定义薄膜是生长在基片之上，厚度在亚微米以下，具有一定功能的材料。4. 薄膜材料的特点（1） 薄膜材料属于介观范畴，具有量子尺寸效应；（2）薄膜表面积与体积之比很大，表面能级很大，对膜内电子输运影响很大；（3）薄膜界面态复杂，力学因素和电学因素交相作用，内应力和量子隧穿效应同时存在， 对薄膜生长和微结构影响巨大；（4）异常结构和非理想化学计量比特性明显；（5）可实行多层膜复合，如超晶格。5.溅射：二级溅射、三级/四级溅射、偏压溅射、吸气溅射、反应溅射、磁控溅射、射频溅射、对向靶溅射、离子束溅射、中频溅射6.物理气相淀积方法（PVD， Physical Vapor Deposition）：成膜组分以气相的方式从材料源输运到衬底后，直接在衬底淀积成膜的方法。如Al、AlN薄膜的淀积化学气相淀积方法（CVD， Chemical Vapor Deposition）：成膜组分以气相方式输运到衬底后，需要通过化学反应的方式才能在衬底成膜的方法。如多晶硅薄膜的淀积是通过气相硅烷在衬底表面发生分解化学反应后在衬底沉积Si原子后成膜的。PVD技术，从气化和成膜的方式来看，可分为：蒸发（Evaporation）热蒸发（Thermal）电子束蒸发（e-Beam）溅射（Sputter）直流(DC)射频(RF)磁控(Magnetron)反应(Reactive)离子束(Ion Beam)脉冲激光淀积（PLD：Pulsed Laser Deposition or Laser Ablation）分子束外延（MBE：Molecular Beam Epitaxy）离子镀（IP:Ion Plating)化学气相淀积方法(CVD: Chemical Vapor Deposition)，从成膜的化学反应条件、化学组分特征和成膜的特点来看，可分为：常压化学气相淀积法APCVD（Air-Pressure）低压化学气相淀积法LPCVD （Low-Pressure），等离子增强化学气相淀积法PECVD （Plasma Enhanced）气相外延VPE （Vapor phase epitaxy）原子层淀积ALD （Atomic Layer Deposition）金属有机物化学气相淀积法MOCVD （Metal Organic）7.物理气相沉积的主要过程靶材、基片准备靶表面材料气化粒子向基片输运粒子在基片上形成连续薄膜8物理气相沉积制备薄膜为什么需要真空环境?（真空技术在薄膜制备中具有非常重要的作用） a. 若非真空，蒸汽分子不能沿直线运动，不易成膜 b. 若非真空，成膜物质与空气中活性分子反应，形成化合物。即生成 另外物质，如Al膜 氧化成Al2O3 . c.非真空，蒸发器（加热器）极易损坏，加热器采用W.M。Ta等难熔金属，但由于吸气效应产生脆性（氢脆），另外由于生成化合物易损坏。 d.非真空，残余气体分子将进入膜层 （形成的缺陷和形成的化合物共同影响膜。e.非真空，影响靶材料气化 f.非真空， 改变基片表面状态，影响薄膜生长9. 薄膜材料（按，u）的分类按电导率（ ）分有： 金属薄膜 半导体薄膜 绝缘体薄膜 超导体薄膜 光电薄膜 按（ ）分有： 介质薄膜 铁电薄膜 压电薄膜 热电薄膜 按导磁率（ u ）分有： 磁性薄膜 非磁性薄膜10. 薄膜的应用 （1） 已涉及几乎所有的前沿科学，并推动着这些学科的发展。（2）作器件（如薄膜晶体管，场效应管）导线，绝缘层，电子元件，如声表面波器件，透明导电膜 （3） 传感器：压力，温度，湿度，如速度，气体（4）光电子器件：薄膜电致发光器件，代替CRT作显示器（5）信息及计算机：磁性薄膜，光盘，磁光盘。（6）光学薄膜：反射膜，增透膜（7） 机械工业：耐磨涂层，硬质镀层固体润滑膜，耐腐蚀装饰、包装，镀金，锡箔纸，塑料薄膜上镀铝。（8） 太阳能电池，超导薄膜，钛电薄膜，金刚石薄膜 11. 光学薄膜是激光器中的关键支撑单元，没有光学薄膜，就没有激光器。12. 硅基薄膜太阳能电池自1976年一诞生，立即在全世界范国内掀起研究热潮13. 节能薄膜的优点：隔热节能,提高舒适度.（1）可使室内降温35度， 也许整个夏天你都可以不用空调！挡掉高达50%-88%可能通过玻璃窗户进入屋内的热量。据统计，在室外温度3839摄氏度时，用贴膜玻璃的房间比普通玻璃房间的室内温度低35度。（2） 夏天阻挡50%以上的太阳光辐射热，冬天防止热辐射出去，这样就可以让您节省开空调或暖气耗电所带来的高额电费。（3） 可阻隔99%以上（防晒指数100）的有害紫外线，保护居室装修效果，防止家具褪色太阳辐射中的紫外线，是造成地板、地毯、家具、窗帘、饰品、艺术品以及许多织物褪色老化的主要原因，人长时间暴露在阳光直射的环境中又会引起皮肤癌。（4）防爆抗震，减少人身伤害；增加安全，保护私人财产（5）从外侧遮蔽视线，保护隐私，让个人空间尽享安安逸、宁静.改善外观和室内居室环境14薄膜科学包括：（1） 薄膜制造技术 气相沉积生长法（PVD、CVD） 氧化生长法 Sol-gel法 电镀（电解）法 （2）薄膜的形成（生长）从气相原子凝结形成晶核核生长网状结构（不连续性）成膜（连续性） 衬底作用？气氛影响？表面与界面特性？结晶过程？ 膜的结构？缺陷？扩散？性质？生长条件？（3）薄膜的检测与控制 分析薄膜的结构成分性质（评价） 控制：膜层厚度 膜的成分 决定性质 膜的结构（4）薄膜的性质力学、电学、磁学、声学、光学、热学 (5) 薄膜的应用-尤其在高技术领域15.真空和真空度：“真空”这一术语译自拉丁文Vacuo，其意义是虚无。其实真空应理解为气体较稀薄的空间。在指定的空间内，低于一个大气压力的气体状态统称为真空。真空状态下气体稀薄程度称为真空度，通常用压力值表示16. 粗真空105102Pa：与大气类似，分子碰撞频繁 低真空102 10-1Pa：气体密度减小，出现导电现象 高真空10-1 10-6Pa：气体分子很少，碰撞少 超高真空d（容器主要尺寸）时气体的热传导系数与压强成正比。测量范围：104 10-2 Pa (3)电离真空计（离子计）是目前测量高真空的主要仪器 测量范围： 1.3310-1 1.3310-5 Pa 原理：利用气体分子电离原理，电子与气体分子碰撞引起分子电离，（ ：高速电子） 电子与气体分子碰撞引起分子电离，形成电子和正离，电子最终被加速极收集，正离子被收集极接收形成离子流，碰撞产生的离子数目与气体分子个数n成正比，而P=nkT，故离子电流与压强成正比。即正比与气体压强（P=nkT）所以产生的正离子数正比于P，再利用微小电流测量技术测出离子流，便可知压强大小。 离子电流与压强的关系 Ii IeWLP P压强 L阴极与加速极距离 Ie发射电流 W电离效率(4.)薄膜真空计 原理：薄膜两侧的压力差引起薄膜形变，改变薄膜与电极板构成的电容量，电容量的改变反映被测气压与参考压强的差值。工作范围：1Pa 10-3Pa(5)热阴极电离真空计 、B-A型真空计利用气体电离与压强的关系 测量范围（Pa） 10-110-6、10-110-10 潘宁磁控电离计 利用磁场中电离与压强的关系 测量范围（Pa） 110-5 气体放电管 利用气体放电与压强的关系测量范围（Pa） 1031 34.真空计的选择原则：（1）在压力区域内能达到精度；（2）被测气体与真空计互不影响；（3）尽可能在整个真空度范围内都能测量；（4）尽可能连续指示，反应时间越短越好；（5）良好的稳定性、复现性和可靠性，寿命长；（6）易于安装，操作方便，规格全。35.真空度不能提高的原因 （1）排气系统工作不正常 （机械泵油面过低、老化（浑浊） 扩散泵油污染）（2）内部存在放气 （器壁污染，吸附了大量气体 夹具污染（带油污）（3）系统漏气 36真空检漏方法：. 加压法 抽气法第二章（重点考察章节）1. 物理气相沉积定义：物理气相沉积(physical vapor eposition，PVD)是利用某种物理过程，如物质的热蒸发或在受到粒子轰击时物质表面原子的溅射等现象，实现物质原子从源物质到薄膜的可控转移的过程，即成膜组分以气相的方式从材料源输运到衬底后，直接在衬底淀积成膜的方法。PVD的特点（与CVD相比）：(1)需要使用固态的或者熔融态的物质作为沉积过程的源物质；(2)源物质经过物理过程而进入气相；(3)需要相对较低的气体压力环境：（a)其他气体分子对于气相分子的散射作用较小（b)气相分子的运动路径近似为一条直线；（c)气相分子在衬底上的沉积几率接近100。(4)在气相中及在衬底表面大多不发生化学反应 。物理气相沉积(PVD)作为常规的薄膜制备手段被广泛应用，其基本过程如下：（1) . 气相物质的产生 一种方法是使源物质加热蒸发，这种方法称为蒸发镀膜；（2). 气相物质的输运 气相物质的输运要求在真空中进行，这主要是为了避免气体碰撞妨碍沉积物到达基片，并保证薄膜纯度和防止氧化。 若真空度过低，沉积物原子频繁碰撞会相互凝聚为微粒，使薄膜沉积过程无法进行，或薄膜质量太差（3). 气相物质的沉积 气相物质在基片上的沉积是一个凝聚过程。根据凝聚条件的不同，可以形成非晶态膜、多晶膜或单晶膜。2. 反应镀在工艺和设备上变化不大，可认为是蒸镀和溅射的一种；而离子镀在技术上变化较大，通常将其与蒸镀和溅射并列为另一类制膜技术。3. 真空蒸发：定义：简称真空蒸镀，在真空腔室中加热原材料，使其以原子或者分子的形式逸出（熔化升华），形成蒸气流，入射到基片表面并凝结成连续薄膜的方法。主要部件(1)真空室(2)蒸发源(3)基板(4)基板加热器及测温器等：分子泵机械泵排气口观察窗电源基片加热器线缆 真空蒸发的过程：蒸发逸出（凝聚相气相。该阶段的主要作用因素：饱和蒸气压）粒子输运（蒸气流在蒸发源与基片之间的飞行,该阶段的主要作用因素：分子的平均自由程）凝聚成膜（凝聚成核核生长连续薄膜）特点真空蒸发优点：(1)设备简单，操作容易；(2) 成膜速率快，0.1-50mm/min；(3)制得的薄膜纯度高、分布均匀；(4)薄膜生长机理单纯。真空蒸发缺点：(1)薄膜与基片的附着力小；(2)工艺重复性不好，膜厚不易控制；(3)不能淀积高熔点物质；(4)加热器具易污染薄膜原材料。真空蒸发原理决定因素饱和蒸气压蒸发速率：单位面积上，单位时间内从气相到达固相表面并能够停留的分子数。蒸气分子平均自由程与碰撞几率临界温度不是沸点 ！饱和蒸气压：气液平衡称为饱和，饱和状态的气体与液体分别称为饱和气体与饱和液体，该状态下的压力称为饱和蒸气压。平衡气相与液相的能量、质量交换相等一定温度下，气态与液态分子数目交换相等真空蒸发近似平衡过程，需保持真空与温度蒸发温度定义：饱和蒸气压为10-2托(1Pa)时的温度。由此，蒸发材料分为两种：1）蒸发：蒸发温度大于熔点，大多数金属2）升华：加热温度小于熔点，如Cr、Ti、Mo、Fe等 3. 如何获得最大蒸发速率？(1).基片足够清洁，减少逸出；(2).冷却基片（特殊情况除外）；(3) .升高蒸发源温度，增大蒸气压。(4).提高背底真空度，增大蒸发系数。温度、饱和蒸气压变化，引起蒸发速率变化，但是温度决定饱和蒸气压，故而温度决定蒸发速率4. 例实验室温度条件下采用真空蒸发沉积银膜，黏附系数为1,求真空沉积腔内的压强为1Pa时的蒸发速率解：查表得1Pa下蒸发温度分别为1300K：5.温度变化对蒸发速率的影响：在高真空条件下，原材料的蒸发温度比较低，蒸发比较容易，真空腔内其他分子数所占比例非常小，主要以蒸发气体分子为主，所以可以近似认为蒸发系数等于1；并且基片足够清洁时黏附系数也等于1。6.例已知铝的蒸气压与温度的对应关系如下表: 求在102Pa蒸气压下，温度变化1%时蒸发速率的变化 解：将上表值代入公式： 可求得多个B值，求平均，得B值为1.559104根据公式： 102Pa下：蒸发源温度影响巨大，必须严格控制蒸发温度！8/平均自由程与源基距的关系工作时，沉积腔内的压强在0.10.01Pa范围，蒸气温度在10001500K，分子直径约10，算出l约为550cm（1）可以采用高真空使得l远大于沉积腔尺寸，蒸气分子几乎不发生碰撞到达基片，但是压强越低，蒸气分子密度越小。（2）可以缩短源基距使蒸气分子顺利达到基片，但薄膜生长不易控制，受蒸发源影响大。9/蒸气分子与残余气体分子的碰撞几率 蒸气分子的平均自由程：各符号的意义: n，d，P，Tn：蒸气分子与残余气体分子碰撞，忽略蒸气分子之间的碰撞（残余气体分子密度）d：碰撞截面直径，蒸发分子小（蒸发分子直径）P：蒸发分子已脱离蒸发源(表面腔内压强(真空)T：蒸发分子温度，但远离蒸发源(略低于蒸发温度)10. 影响薄膜纯度的因素：1.蒸发源物质的纯度；2.加热装置、坩埚的污染；3.残留气体的污染。11. 残余气体的组成及其影响。大气的残余物（O2、N2、CO2、H2O），扩散泵油蒸气，真空室吸气。 当P10-4Pa时，主要为真空室吸气。 水汽易与金属膜反应，或与加热器材料反应。 在设计优良的系统中 ，扩散油蒸气不明显。12. 残余气体杂质浓度公式是否可从蒸发速率公式、气体碰撞频率公式，粘附系数出发，推导公式？蒸发速率虽然可以认为是沉积（生长）速率，但公式中各参数难以确定。 通常可以通过实验确定厚度沉积速率s(/s)(1) 以原子个数表示的沉积速率:(2) 杂质原子的粘附系数为1，则杂质原子的沉积速率即为碰撞频率:(3) 两者相比可得杂质浓度公式:13.例：蒸发Al薄膜的沉积速度为1m/min，基板温度为25 ，测得薄膜中氧气的含量为10-3，求真空系统中氧气的分压是多少？ 解：代入公式时，需将单位转换为国际单位制，即（千克、秒、米），所以解得：P=3.7210-5Pa进一步思考：若薄膜中氧原子的含量是10-3，又该如何计算？14.影响膜厚分布的因素：A蒸发源的特性；B基板与蒸发源的几何形状，相对位置假设：1蒸发原子或分子与残余气体分子之间不发生碰撞；2在蒸发源附近的蒸发原子间也不发生碰撞3蒸发原子到达基板上后不发生再蒸发现象15.例：采用微小平面蒸发源沉积薄膜，要求在直径为30mm的基板上薄膜的厚度的差别小于10，求基板应距离蒸发源多远放置？解：代入小平面蒸发源的公式即在距中心15mm处，薄膜的厚度只有中心处的90%，所以解得：h=64.5mm 16.蒸发源的类型 ：最常用的加热方式：电阻法、电子束法、高频感应 激光 17.电阻蒸发源的缺点 1）不能蒸发某些难熔金属和氧化物 2）不能制备高纯度薄膜18.PLA成膜过程：（1）. 激光表面熔蚀，使蒸发粒子和等离子体产生（2）.蒸发粒子和等离子体的定向局域等温膨胀发射 （3）. 在基板上沉积形成薄膜19.分馏现象：在制作由两种以上元素构成的合金和化合物薄膜时，若以合金或化合物为镀料进行蒸镀，得到的薄膜成分一般不同于镀料（ 这种现象不仅会造成膜层成分的差异，而且随着蒸镀时间的变化，在膜厚方向上的薄膜成分也将发生变化。关键点：如何控制成分）21. 其固定的蒸发速率（大多数化合物在加热蒸发时会全部或部分分解。所以用简单的蒸镀技术无法由化合物直接制成符合化学计量比的膜层）22. 同时蒸发法定义：如果使用不同蒸发源同时分别蒸发各组分元素，并分别单独把蒸发速率控制在一定数值上，则能制成符合要求成分的薄膜。这就是同时蒸发法（双源或多源蒸发法）。这样不需要热处理就能得到合金和化合物的薄膜。23. 例：采用多源反应蒸发法沉积YBa2Cu3O7薄膜，若Y的蒸汽压为10-4托，则为了获得化学计量比的薄膜，O2的分压应该是多少？（O2的温度为300K。对应于10-4托蒸汽压，Y的加热温度为1620K。Y、O的原子量分别为88.9、16.0。假设各元素的蒸汽与基片的粘附系数都是1。） 解：单源的蒸发速率为：所以：得：氧气分压 ：Po2=3.52.5810-5 =9.0410-5托24. 化合物的蒸发方式有三种：（1）电阻加热法；（2）反应蒸发法；（3）双源或多源蒸发法分子束外延。25. 电阻加热的缺点：A）化合物的熔点较高，电阻加热温度不够。B）许多化合物在高温下会分解，如Al2O3，TiO2等会失氧。C) 有些化合物饱和蒸气压低，难于用电阻蒸发法。26. 反应蒸发法原理：将活性气体导入真空室，使之与被蒸发的金属原子，低价化合物分子在基板表面反应，形成所需化合物薄膜 反应的位置：A）蒸发源表面，会降低蒸发速率，尽量避免（B）源与基片之间，由于气压为10-2Pa，=50cm反应的几率很小。（ C）基片表面，气体的吸附时间比空间中气体 原子与蒸发原子碰撞的驰豫时间长得多。在 安装上将气体直接喷到基片表面。27.分子束外延装置：工作室、分子束喷射炉、各种监控仪器28.分子束外延的特点（1）能够严格控制生长过程和生长速率，不以蒸发温度来控制，而是通过四极质谱，原子吸收光谱来精密监控分子束的强度和种类。(2）是超高真空的物理沉积过程，不需考虑输送过程及中间的反应，可用快，关闭和打开源的输运，因此可方便地进行掺杂。(3）MBE是个动力学过程，可生长在普通热平衡下难以生长的薄膜(4）MBE衬底温度低，降低了热膨胀引入晶晶格失配和衬底材料对外延层的自掺杂。(5）生长速率低，1个原子层/1秒，有利于精确控制膜厚5埃，特别适用于生长超晶格材料。( 6）装有多种表面分析仪器，有利于科学研究。 29.激光分子束外延（L-MBE）这种生长方法的优点是：(1)减少束源的影响(2)超高真空工艺(3)生长的薄膜能保持原来靶材的化学计量比；(4)实现薄膜生长的原位监测(5)适合于高熔点多组分的单晶薄膜生长 30. 特殊的蒸发法：（1）电弧蒸发法（2）热壁法（3）激光蒸发法 电弧蒸发法 优点：可蒸发高熔点材料，克服了电阻加热可能存在的污染及反应，又比电子束蒸发便宜。缺点：适用于导电材料，蒸发速率难以控制，放电时飞溅的电极材料微粒会对膜层有影响。31.激光蒸发法优点：（1）加热温度高，可蒸发任何材料，蒸发速率也极高。(2）采用非接触式加热，避免了蒸发源的污染，非常适宜于制备高纯薄膜。(3）可使用脉冲激光器进行闪烁蒸发，有利于控制化学成分和防止分解；又由于材料气化时间短，以使周围材料达到蒸发温度，所以不易出现分馏现象。缺点：(1）激光器昂贵，特别是大功率连续激光器；(2）蒸发温度太高，蒸发粒子容易离化，对薄膜性能有影响。32.膜厚测试方法：书52页33.石英晶体振荡法优点：原位测量法，引入时间的微分电路，还可测薄膜的生长速度，灵敏度高，20HZ左右，相应于石英的质量膜厚为12埃。缺点：（1）只能得到平均膜厚；（2）当石英晶片与蒸发源位置改变时，需校准；（3）在溅射法中测膜厚，易受电磁干扰；（4）探头温度不能超过80。34.称重法 优点：原位测量法灵敏度高，则测量质量误差可达2g，若采用间接称重法，由于薄膜会立刻吸附水气，精度要差12个数量级。 缺点：不能测量膜厚分布，只能得到平均膜厚，由于薄膜密度小于块材，膜厚偏小。第三章：1.溅射镀膜的定义：高能离子在电场作用下高速轰击阴极（靶），经过能量交换与转移，靶材粒子飞离出来， 淀积在基板上形成薄膜。2.溅射镀膜与真空蒸发相比有以下特点（1）任何物质均可溅射（2）溅射膜与基板的附着性好（3）溅射镀膜膜的密度高，针孔少，纯度高（4）膜厚可控性和重复性好 溅射镀膜的缺点：设备复杂，需要高压，成膜速度低，基板温升较高，易受杂质气体影响。3.什么是等离子体？当温度增高到使原子（分子）间的热运动动能与电离能相当的时候，变成（部分）电离气体，系统的基本组元变成了离子和电子（可以包含大量的原子和分子）。电磁力开始作用，这就是等离子体状态。也被称作物质的第四态，可看作部分电离的气体等离子体的基本粒子元是正负荷电的粒子（离子），而不是其结合体，异类带电粒子之间是相互“自由”和独立的。等离子体粒子之间的相互作用力是电磁力4.溅射时入射粒子的来源：气体放电5.为什么用氩等惰性气体？（1）.电离率高（2）.惰性气体，不反应6.辉光放电过程定义：是指在低气压（110Pa）的稀薄气体中，在两个电极间加上电压时产生的一种气体放电现象。 而弧光放电是在较高的气压下进行的,如电弧焊接。 为什么会产生辉光放电？ 空气中有游离的离子，在电场加速获得能量后，与气体分子碰撞并使其电离，产生更多的离子，使更多的分子电离。之所以需要低气压，使因为在较高的气压下，平均自由程短，不能获得足够的能量使离子被加速。7. 书上61页图说明：AB段：电压增加，而电流密度增加很小，说明电压不够。BC段：电压不变，电流密度增加很快。说明电离已经产生，但电源的阻抗很大。C点：击穿电压VB CD段：“雪崩区”、离子轰击靶、释放出二次电子，二次电子与中性分子碰撞，产生更多离子，这些离子再轰击阴极，又产生新的二次电子。达到一定的电子、离子浓度后，气体起辉，两极间电流剧增，电压剧减。电阻呈负阻特征。 DE段：电流与电压无关，增大功率时，电压不变，电流增加。放电能自动调节轰击阴极的面积，起初集中在阴极边缘或表面不规则处，随功率密度的增加，阴极面的电流密度达到近乎于均匀。 EF段：继续增大功率，呈正电阻特性。溅射一般工作在此区。E、F：常数，与电极材料、尺寸和气体种类有关。F点以后：弧光放电。特点是两极间电阻很小8. 巴刑（paschen）定律： 在气体成分和电极材料一定时，击穿电压只与气压及电极距离的乘积相关。起辉电压存在最小值: p太小，d太小二次电子在碰撞阳极前不能进行足够数量的电离碰撞。 p太大，d太大则气体中产生的离子，会由于非弹性碰撞被慢化、减速，以致到达阴极时已无足够的能量来产生二次电子。 大多数的辉光放电，pd乘积应在最小值的右侧p有一定值，n较多；d有一定值，溅射效率较高，特别是成膜区可以扩大。9. 等离子体鞘层 对于1Pa左右的辉光放电：原子、电子、正离子的总密度：3 1014个/cm3；其中10-4的比例为电子和离子。产生的是冷等离子体：电子和原子及正离子温度不等Te23000K，Ti=300-500K。离子的能量低，加上质量大，所以其运动速度远远低于电子：平均速度：Ve9.5 105m/s， Vi500m/s。10. 鞘层电压：典型值：-10V，并变化不大。在薄膜制备中的意义：离子受到加速，轰击基片， 电子受到减速，需大的能量方能到达基片。鞘层厚度b：与电子密度及温度有关，典型值100微米。直流辉光放电的电位分布和等离子体鞘层11. 阿斯顿暗区：从阴极发射的二次电子能量小（1ev），不足以电离中性分子。 阴极辉光区：电子获得足够能量，碰撞气体分子使其激发，退激发而发光。少数电子和正离子复合发光。 克鲁克斯暗区：电子能量太大，不易与正离子复合发光。电离产生低速电子。 负辉光区：大量电离区，产生大量的正离子，正离子与电子复合而发光。该区是正的空间电荷区，也是主要的压降区。 法拉第暗区：只有少数电子穿过负辉光区，电子动能小。 正光柱区：上述少数电子加速，产生电离。 负辉光区以后：等离子体密度低，几乎无电压降，类似一良导体。两电极间电压降主要在阴极与负辉光区之间。因此，当极间电压不变而长度改变时，阴极到负辉光区的距离不变，而是正光柱区变化。克鲁克斯产生的正离子冲击阴极产生溅射。单晶靶溅射显现出各向异性，而多晶靶是各向同性12. 表征溅射特性的参量最主要的有溅射率，溅射阈值以及溅射粒子的速度和能量等。13. 溅射率与入射离子能量的关系：存在溅射阈值，通常金属10-30ev。（2Kev时，opt 解释： ；与靶材的晶体结构有关单晶靶溅射显现出各向异性，而多晶靶是各向同性；与靶材温度的关系现象：主要与靶材物质的升华能相关的某温度值有关。 在低于此温度时，溅射率几乎不变；而高于此 温度，溅射率急剧增加。14. 溅射机理：（1） 热蒸发理论 认为溅射是一个能量传递过程，靶表面被碰撞处产生局域高温，发生熔化而蒸发。该理论可解释的现象：（a)溅射率与靶材蒸发热的关系；（b)溅射率与入射离子能量的关系；（c)溅射原子的余弦分布律。该理论不能解释的现象：溅射原子的角分布并不象热蒸发原子那样符合余弦规律，从单晶靶溅射出的原子趋向于集中在晶体原子密排方向；溅射产额不仅取决于轰击离子能量，同时也取决于其质量与靶原子质量之比；溅射产额取决于轰击离子的入射角，当入射角不同时，溅射原子的角分布也不相同；离子能量很高时，溅射产额会减少；溅射原子的能量比热蒸发原子的能量高100倍。电子质量小，即使用高能电子轰击靶材，也不会产生溅射。（2）级联碰撞理论：溅射是一个动量传递过程，而不是能量传递过程。15.溅射的特点：一、优点：（1）任何物质均可以溅射，尤其是高熔点、低蒸气压元素和化合物。只要是固体，不论是块状、粒状的物质都可以作为靶材；（2）溅射膜与基板之间的附着性好。 溅射原子的能量10ev，蒸发0.1ev。 表面迁移强，溅射清洗作用，伪扩散层。（3）溅射镀膜膜密度高，针孔少，且膜层的纯度较高，因为在溅射镀膜过程中，不存在真空镀膜时无法避免的坩埚污染现象。（4）膜厚可控性和重复性好。二、缺点（针对二极溅射）：溅射设备复杂、需要高压装置；溅射淀积的成膜速度低，真空蒸镀：0.15m/min， 溅射：0.010.5m/min。基板温升较高和易受杂质气体影响等。 16.蒸发与溅射的比较：（1）淀积粒子的产生过程 ,蒸发：热交换过程，气化过程，蒸发粒子能量低、附着力低；溅射：动量交换过程，能量交换率高，溅射粒子能量高，附着力好。(2)、淀积粒子的角分布,蒸发：余弦分布，膜厚分布不均；溅射：轴平面对称性分布，状态与入射粒子动能有关。(3)逸出粒子性质,蒸发：不带电，极少热电子发射；溅射：离子种类多，性质各异，中性原子、正负离子、高能电子、光子、低能原子或离子团、气体分子、解吸附原子分子、入射离子。(4)粒子能量, 蒸发：0.10.4eV(气化过程，热运动能低，膜层附着性低)。溅射：510eV（以动能输运为基础，动量转移过程；对基板有作用，使表面活性增加；去除结合不牢的原子，使膜层附着性高） 。（5）合金的情况，蒸发：要出现分馏，膜成分偏离源组分，各元素的蒸发速率相差较大，膜成分随蒸发时间而变溅射：膜成分与靶材接近，各元素间溅射速率差异小（6）迁移过程，蒸发：真空度10-510-6Torr，l源基距，淀积粒子几乎不发生碰撞，直线淀积，薄膜不均匀；溅射：真空度10-210-4Torr， l源基距，（7）成膜过程，a溅射原子动能蒸发原子动能，有净化和粗化表面作用，促进吸附粒子迁移与核生长；b溅射离子入射可渗透到几个原子层厚度，使内部产生缺陷，基板原子被溅射入淀积层内形成伪扩散层；c溅射粒子动量大，到达表面以后，能保留较大水平方向的速度，有助于小岛的结合与生长。d. 带电粒子到达基板后，可使小岛瞬间充电，有助于小岛凝聚、膜生长，所以溅射膜晶核密度大，晶粒尺寸小，膜厚较均匀，附着性高。 17.溅射类型:二极溅射：靶为阴极，基片为阳极，由辉光放电产生等离子体工作气压：110Pa缺点：(1)溅射参数不易独立控制，放电电流易随电压和气压变化,工艺重复性差；(2) 真空度低，1-10Pa，方能维持放电。(3) 残留气体对膜层的污染较严重。(4) 淀积速率低，小于10nm/min；(5) 基板的温升高，辐照损伤大；(6) 靶材必须是良导体（直流）。偏压溅射 二极溅射中：基片与阳极同电位 偏压溅射：基片与阳极分离，在基片上加偏压。偏压的作用:（1）若加负偏压（基片电位低于阳极电位）可以提高薄膜的纯度和附着力 除掉吸附气体；离子轰击基片 除掉附着力差的淀积原子；清洗作用。（2）偏压可改变薄膜的结构 a 偏压在（-100+10V）四方结构，电阻率高；b 偏压-100V，体心立方结构，电阻率低。（3）偏压可改变薄膜中杂质离子的浓度二极溅射：放电靠离子轰击阴极发射二次电子来维持，因此需较高的工作气压。三极溅射：由热阴极发射电子来维持放电，同时使靶电位低于等离子体电位，阳极和基板支架分离，阴极和靶分离。四极溅射：在三极溅射的基础上增加辅助阳极，作用是使放电更加稳定。射频溅射:1.为什么直流溅射不能溅射绝缘靶，对于直流溅射绝缘靶，正离子轰击靶，使靶电位升高，离子加速电场逐渐变小。溅射条件：靶电位等离子体电位2. 射频溅射原理：a在正半周(靶电位为正)，绝缘体的极化作用，靶表面吸引电子，电位很快降低至等离子体电位；b在负半周(靶电位为负)，吸引正离子，但由于正离子移动速度慢，所以靶电位上升慢。最终结果使得靶相对于等离子体而言处于负电位。磁控溅射:磁场用来增加电子碰撞Ar几率,增加电子程长度,离化效率提高1.用磁场的其它原因:较低电压下获得等离子体.控制均匀性.减小硅片电子轰击加热.增加沉积速率.磁控溅射有直流和射频两种模式，其中直流模式更常用.原理:E靶面，B靶面 溅射产生二次电子和原子，对于e1电子近似认为：二次电子在阴极暗区只受电场作用；在负辉光区只受磁场作用二次电子在阴极暗区加速，飞向负辉光区，运动方向与磁场垂直，受洛仑兹力偏转，飞回阴极暗区被减速，在靶表面附近速度几乎为零，在电场作用下重新被电场加速，飞向负辉光区，周而复始，运动轨迹为一圆滚线。若电磁场是闭合的，则二次电子的运动轨迹为1条 圆滚线反应溅射:1.定义在溅射镀膜时，引入某些活性反应气体，来获得不同与靶材的新物质薄膜的方法。是除射频溅射外，另一种制备介质薄膜的方法。反应溅射的机理:反应发生在什么地方。气相中？靶上？基片上？总气压很低，反应气体的分压低，气相反应不显著,可忽略。反应过程基本上是发生在基板表面。靶上的反应也不容忽略：（1）溅射时靶上金属原子非常活泼；（2）靶升温。若靶上化合物的生成速率大于溅射速率，溅射将停止。靶中毒：靶上活性气体的吸附,速度大于其溅射速度，靶材发生了反应。靶中毒的表现：溅射速度急剧下降。1）化合物的溅射速度慢；2）化合物的二次电子发射系数大，更多的能量用于发射二次电子；3）活性气体的溅射率比Ar低。3.解决办法：将反应气体和溅射气体分送基板和靶，形成压强梯度。离子束溅射:原理：由离子束源引出惰性气体离子，直接照射靶，使其溅射，在基片上形成薄膜。离子束溅射是将离子的产生区和靶的溅射区分开18.四极溅射特点：优点（1）轰击靶的离子电流和离子能量可独立控制，工艺重复性提高；（2）在较低的气压下能维持放电（0.1Pa）；（3）靶电压低，对基板的辐照损伤小。适宜于作半导体器件和集成电路。缺点：（1）灯丝损耗，灯丝不纯物对薄膜的污染（2）装置比二极溅射复杂，面积大、密度均匀的等离子体获得较困难；(3) 高速溅射时基板温升较高。19.射频溅射的特点：优点（A) 可淀积导体、半导体、绝缘体在内的所有材料；（B) 击穿电压及维持放电电压均很低；工作气压低,电子作振荡运动，增加了碰撞几率，便于吸收能量，不需要二次电子来维持放电。射频溅射的缺点是大功率射频电源不仅价格高，而且对人体有害。 注：射频是指无线电波发射范围的频率，为避免干扰电台工作，溅射专用频率规定为13.56MHz。19.磁控溅射特点:(1）高的沉积速率，比二极溅射高100倍;离化率从0.3-0.5 5-6。(2）基片温升低，只及RF入射能量的1/10。可对塑料基片、光刻胶等进行溅射。(3）基片的辐照损伤低。(4）工作气压可下降2个数量级， 10Pa 0.5Pa(5）靶的平均电流密度高。缺点：1）靶的不均匀刻蚀； 2）强磁性材料困难。20.离子束溅射特点：(1)薄膜沉积区的真空度高，10-3-10-7Pa，气体杂质污染少，薄膜纯度高，附着力好。(2)不产生辉光放电，没有等离子体的影响，各个溅射参数可分别控制，工艺重复性好。(3)淀积发生在无场区域，负离子不会轰击基板，温升低。(4)适宜作溅射的基础研究工作。 微量搀杂，准直性好。缺点：设备复杂，淀积速率较低。第四章1.什么是离子镀膜？离子镀是在真空条件下，利用气体放电使气体或被蒸发物质部分离化，在气体离子或被蒸发物质离子轰击作用的同时把蒸发物或者反应物沉积在基 片上。特点：（1）把气体的辉光放电、等离于体技术与真空蒸发镀膜结合在一起（2）提高了镀层的各种性能（3）扩充了镀膜技术 的应用范围，兼有真空蒸发和真空溅射的优点外，附着力强、绕射性好、材料广 泛2，离子镀过程：高本底真空度 低压惰性气体高压放电 镀材蒸发、离化、加速、沉积离子镀原理： 蒸发溅射