薄膜物理与技术题库

一 填空题一 填空题 在离子镀膜成膜过程中 同时存在沉积沉积和溅射溅射作用 只有当前者超过后者时 才能发 生薄膜的沉积 薄膜的形成过程一般分为 凝结过程凝结过程 核形成与生长过程核形成与生长过程 岛形成与结合生长过程岛形成与结合生长过程 薄膜形成与生长的三种模式 层状生长层状生长 岛状生长岛状生长 层状层状 岛状生岛状生长 在气体成分和电极材料一定条件下 起辉电压 V 只与 气体的压强气体的压强 P 和 电极距离电极距离 的 乘积有关 1 表征溅射特性的参量主要有 溅射率溅射率 溅射阈溅射阈 溅射粒子的速度和能量溅射粒子的速度和能量 等 2 溶胶 Sol 是具有液体特征的胶体体系 分散的粒子是固体或者大分子 分散的粒子大 小在 1 1 100nm 之间 3 薄膜的组织结构是指它的结晶形态 其结构分为四种类型 无定形结构无定形结构 多晶结多晶结 构构 纤维结构纤维结构 单晶结构单晶结构 4 气体分子的速度具有很大的分布空间 温度越高 气体分子的相对原子质量越小 分 子的平均运动速度越 快快 二 解释下列概念二 解释下列概念 溅射溅射 溅射是指荷能粒子轰击固体表面 靶 使固体原子 或分子 从表面射出的现象 气体分子的平均自由程气体分子的平均自由程 每个分子在连续两次碰撞之间的路程称为自由程 其统计平均值 称为平均自由程 饱和蒸气压饱和蒸气压 在一定温度下 真空室内蒸发物质与固体或液体平衡过程中所表现出的压力 凝结系数凝结系数 当蒸发的气相原子入射到基体表面上 除了被弹性反射和吸附后再蒸发的原子 之外 完全被基体表面所凝结的气相原子数与入射到基体表面上总气相原子数之比 物理气相沉积法物理气相沉积法 物理气相沉积法 Physical vapor deposition 是利用某种物理过程 如物质 的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 真空蒸发镀膜法真空蒸发镀膜法 是在真空室内 加热蒸发容器中待形成薄膜的源材料 使其原子或分子从 表面汽化逸出 形成蒸气流 入射到固体 称为衬底 基片或基板 表面 凝结形成固态 溅射镀膜法溅射镀膜法 利用带有电荷的离子在电场加速后具有一定动能的特点 将离子引向欲被溅射 的物质作成的靶电极 在离子能量合适的情况下 入射离子在与靶表面原子的碰撞过程中 将靶原子溅射出来 这些被溅射出来的原子带有一定的动能 并且会沿着一定的方向射向 衬底 从而实现薄膜的沉积 离化率离化率 离化率是指被电离的原子数占全部蒸发原子数的百分比例 是衡量离子镀特性的一 个重要指标 化学气相沉积化学气相沉积 是利用气态的先驱反应物 通过原子 分子间化学反应的途径生成固态薄膜 的技术 物理气相沉积物理气相沉积 是利用某种物理过程 如物质的蒸发或在受到离子轰击时物质表面原子溅 射的现象 实现物质原子从源物质到薄膜的可控转移过程 溅射阈值溅射阈值 溅射阈值是指使靶材原子发生溅射的入射离子所必须具有的最小能量 薄膜材料薄膜材料 采用特殊工艺 在体材表面上 一层或多层 厚度为一个或几十个原子层 性 质不同于体材表面的特质层 气体平均自由程气体平均自由程 指气体分子在两次碰撞的间隔时间里走过的平均距离 等离子体的鞘层电位等离子体的鞘层电位 电子与离子具有不同的速度的一个直接后果就是形成所谓的等离子 体鞘层电位 即相对于等离子体 任何位于等离子体中或其附近的物体都将会自动地处于 一个负电位 并且在其表面伴有正电荷的积累 5 薄膜的外延生长薄膜的外延生长 在完整的单晶存底上延续生长单晶薄膜的方法称为外延生长 6 气体分子的通量 单位时间 气体分子在单位表面积上碰撞分子的频率 7 磁控溅射磁控溅射 通过引入磁场 利用磁场对带电粒子的束缚作用来提高溅射效率和沉积速率 的溅射方法称为磁控溅射 8 真空规 真空规 真空测量用的元件称为真空规 三 回答下列问题三 回答下列问题 1 真空的概念 怎样表示真空程度 为什么说真空是薄膜制备的基础 真空的概念 怎样表示真空程度 为什么说真空是薄膜制备的基础 在给定的空间内 气体的压强低于一个大气压的状态 称为真空 真空度 压强 气体分子密度 单位体积中气体分子数 气体分子的平均自由程 形 成一个分子层所需的时间等 物理气相沉积法中的真空蒸发 溅射镀膜和离子镀等是基本的薄膜制备技术 它们均要求 沉积薄膜的空间有一定的真空度 2 讨论工作气体压力对溅射镀膜过程的影响 讨论工作气体压力对溅射镀膜过程的影响 在相对较低的压力下 电子的平均自由程较长 电子在阳极上消耗的几率增大 通过 碰撞过程引起气体分子电离的几率较低 同时 离子在阴极上溅射的同时发射出二次电子 的几率又由于气压较低而相对较小 这些均导致低压条件下溅射的速率很低 在相对较低的压力下 入射到衬底表面的原子没有经过很多次碰撞 因而其能量较高 这有利于提供沉积时原子的扩散能力 提供沉积组织的致密性 在相对较高的压力下 溅射出来的靶材原子甚至会被散射回靶材表面沉降下来 因而沉 积到衬底的几率反而下降 在相对较高的压力下 使得入射原子的能量降低 这不利于薄膜组织的致密化 溅射法镀膜的沉积速率将会随着气压的变化出现一个极大值 3 物理气相沉积法的共同特点 物理气相沉积法的共同特点 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 4 在气相中及在衬底表面并不发生化学反应 4 4 简述化学气相沉积的特点 简述化学气相沉积的特点 1 既可以制备金属薄膜 非金属薄膜 又可按要求制备多成分的合金薄膜 2 成膜速度可以很快 每分钟可达几个微米甚至数百微米 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或工件的深孔 细孔都能均匀镀覆 在这方面比 PVD 优越得多 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 这对表面钝化 抗蚀及耐磨等表面 增强膜是很重要的 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 这是有些半导体膜层所必须的 6 CVD 方法可获得平滑的沉积表面 7 辐射损伤低 这是制造 MOS 半导体器件等不可缺少的条件 化学气相沉积的主要缺点是 反应温度太高 一般要 1000 左右 许多基体材料都耐受不 住 CVD 的高温 因此限制了它的应用范围 5 辉光放电过程中为什么 P d 太小或太大 都不容易起辉放电 如果气体压强太低或极间距离太小 二次电子在到达阳极前不能使足够的气体分子被碰撞 电离 形成一定数量的离子和二次电子 会使辉光放电熄灭 气体压强太高或极间距离太大 二次电子因多次碰撞而得不到加速 也不能产生辉光 6 真空蒸发系统应包括那些组成部分 1 真空室 为蒸发过程提供必要的真空环境 2 蒸发源或蒸发加热器 放置蒸发材料并对其加热 3 基板 用于接受蒸发物质并在其表面形成固态薄膜 4 基板加热器及测温器等 7 什么是等离子体 以及等离子体的分类 按电离程度 带正电的粒子与带负电的粒子具有几乎相同的密度 整体呈电中性状态的粒子集合体 按电离程度等离子体可分为 部分电离及弱电离等离子体和完全电离等离子体两大类 部分电离及弱电离等离子体中大部分为中性粒子 只有部分或极少量中性粒子被电离 完全电离等离子体中所有中性粒子都被电离 而呈离子态 电子态 8 简述化学吸附的特点 1 吸附力是由吸附剂与吸附质分子之间产生的化学键力 一般较强 2 吸附热较高 接近于化学反应热 一般在 40kJ mol 以上 3 吸附有选择性 固体表面的活性位只吸附与之可发生反应的气体分子 如酸位吸附碱性 分子 反之亦然 4 吸附很稳定 一旦吸附 就不易解吸 5 吸附是单分子层的 6 吸附需要活化能 温度升高 吸附和解吸速率加快 9 简述分子束外延镀膜的特点 1 MBE 虽然也是一个以气体分子运动论为基础的蒸发过程 但它不是以蒸发温度为控制 参数 而是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和生长速率 2 MBE 是一个超高真空的物理沉积过程 既不需要考虑中间化学反应 又不受质量传输 的影响 并且利用快门可对生长和中断瞬时调整 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 层的自掺杂和扩散的影响 4 MBE 是动力学过程 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 大约 m h 相当于每秒生长一个单原子层 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 MBE 特别适于生长超晶 格材料 6 MBE 是在一个超高真空环境中进行的 而且衬底和分子束源相隔较远 因此可用多种 表面分析仪器实时观察生长面上的成分结构及生长过程 有利于科学研究 10 简述 CVD 输运反应的原理 把需要沉积的物质当作源物质 不挥发性物质 借助于适当的气态介质与之反应而形成一 种气态化合物 这种气态化合物经化学迁移或物理载带 利用载气 输运到与源区温度不同 的沉积区 并在基板上发生逆向反应 使源物质重新在基板上沉积出来 这样的过程称为 化学输运反应 1 描述气体分子从表面的反射 余弦定律及其意义 碰撞于固体表面的分子 它们飞离表面的方向与原入射方向无关 并 按与表面法线方向所成角度 的余弦进行分布 则一个分子在离开其表面时 处于立体角 d 与表面法线成 角 中的几率是 式中 1 是归一化条件 即位于 2 立体角中的几率为 1 而出现的余弦定律的重要意义在 于 1 它揭示了固体表面对气体分子作用的另一个方面 即将分子原有的方向性彻底 消除 均按余弦定律散射 2 分子在固体表面要停留一定的时间 这是气体分子能够与固体进行能量交换和动量交 换的先决条件 这一点有重要的实际意义 2 气体分子的平均自由程概念及其与压强关系的表达式 每个分子在连续两次碰撞之间的路程称为自由程 其统计平均值 称为平均自由程 平均自由程与分子密度 n 和分子直径 的平方成反比关系 平均自由程与压强成反比 与温度成正比 3 通常对蒸发源材料的要求 1 熔点要高 2 饱和蒸气压低 3 化学性质稳定 在高温下不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 功率密度变化很小 5 原料丰富 经济耐用 4 如何解决蒸发过程中的分馏问题 1 使用较多的物质作为蒸发源 尽量减少组元成分的相对变化率 2 采用向蒸发容器中不断地 但每次仅加入少量被蒸发物质的方法 3 利用加热不同温度的双蒸发源或多蒸发源的方法 分别控制和调节每个组元的蒸发速 率 此方法用得较为普遍 采用真空蒸发法制作预定组成的薄膜 经常采用瞬时蒸发法 双蒸发源法及合金升华法 5 简述激光蒸发法的特点 1 激光加热可以达到极高的温度 可蒸发任何高熔点的材料 且可获得很高的蒸发速率 2 由于采用非接触式加热 激光器可以安放在真空室外 既完全避免了蒸发源的污染 又简化了真空室 非常适宜在高真空下制备高纯薄膜 3 利用激光束加热能够对某些化合物或合金进行闪烁蒸发 有利于保证膜成分的化学计 量比或防止分解 又由于材料气化时间短促 不足以使四周材料达到蒸发温度 所以激光 蒸发不易出现分馏现象 6 简述蒸发镀膜相比溅射镀膜工艺的特点 溅射镀膜与真空镀膜相比 有如下特点 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 不论是金属 半导体 绝缘体 化合物和混合物等 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 3 溅射镀膜密度高 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 蒸镀时无法避免的坩埚污染现象 4 膜厚可控性和重复性好 可在较大面积上获得厚度均匀的薄膜 7 为什么射频辉光放电的击穿电压和维持放电的工作电压均降低 产生射频放电时 外加电压的变化周期小于电离和消电离所需时间 一般在 10 6 秒左 右 等离子体浓度来不及变化 由于电子的质量小 很容易跟随外电场从射频场中吸收能 量并在场内作振荡运动 因此增加了气体分子的碰撞几率 并使电离能力显著提高 射频辉光放电的击穿电压只有直流辉光放电的 1 10 射频辉光放电可以在较低的压力下进行 直流辉光放电常在 1 10Pa 运行 射频辉光放电可 以在 10 2 10 1Pa 运行 8 简述 CVD 反应的基本类型 a 热分解反应 b 还原或置换反应 c 氧化或氮化反应 d 歧化反应 9 简述任何 CVD 所用的反应体系 都必须满足的基本条件 1 在沉积温度下 反应物必须有足够高的蒸气压 要保证能以适当的速度被引入反应室 2 反应产物除了所需要的沉积物为固态薄膜之外 其他产物必须是挥发性的 3 沉积薄膜本身