薄膜物理与技术要点总结.doc

薄膜物理与技术要点总结第一章最可几速率：根据麦克斯韦速率分布规律，可以从理论上推得分子速率在处有极大值，称为最可几速率,Vm速度分布平均速度:，分子运动平均距离均方根速度:平均动能真空的划分：粗真空、低真空、高真空、超高真空。真空计：利用低压强气体的热传导和压强有关； (热偶真空计)利用气体分子电离；（电离真空计）真空泵：机械泵、扩散泵、分子泵、罗茨泵机械泵：利用机械力压缩和排除气体扩散泵：利用被抽气体向蒸气流扩散的想象来实现排气作用分子泵：前级泵利用动量传输把排气口的气体分子带走获得真空。第二章1.什么是饱和蒸气压？蒸发温度？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蒸发温度：物质在饱和蒸气压为10-2托时的温度。2.克-克方程及其意义？克-克方程，可以知道饱和蒸气压和温度的关系，对于薄膜的制作技术有重要实际意义, 帮助我们合理地选择蒸发材料和确定蒸发条件.3.蒸发速率、温度变化对其的影响？在蒸发源以上温度蒸发，蒸发源温度的微小变化即可以引起蒸发速率发生很大变化。4.平均自由程与碰撞几率的概念？ 气体分子处于不规则的热运动状态，每个气体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”。蒸发材料分子能与真空室中残余气体分子相互碰撞的数目占总的蒸发材料分子的百分数5.点蒸发和小平面蒸发源特性？点蒸发源：能够从各个方向蒸发等量材料 小平面蒸发源：发射具有方向性，使在角方向蒸发的材料质量和cos成正比。6.拉乌尔定律？如何控制合金薄膜的组分？拉乌尔定律：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 。 为保证薄膜组成，经常采用瞬时蒸发法、双蒸发源法（将要形成合金的每一成分，分别装入各自的蒸发源中，然后独立地控制其蒸发速率，使达到基板的各种原子符合组成要求。）7.MBE的特点？（1）是以系统中的四级质谱仪、原子吸收光谱等仪器，精密的监测分子束的强度和种类，从而严格控制生长过程和生长速率。（2）膜的组分和掺杂浓度可随源的变化迅速做出调整。（3）衬底温度低，降低了界面上热膨胀引起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）是一个动力学过程，它可以生长按照普通热平衡生长方法难以生长的薄膜。（5）生长速率低，有利于实现精确控制厚度、结构与成分和形成陡峭异质结（6）可用多种分析仪器实时观察生长面上的成分、结构和生长过程，有利于科学研究8.膜厚的定义？监控方法？膜厚的定义，应该根据测量的方法和目的来决定。 称重法（微量天平法 石英晶体振荡法 ） 电学方法（电阻法 电容法 电离式监控记法） 光学方法（光吸收法 光干涉法 等厚干涉条纹法） 触针法（差动变压器法 阻抗放大法 压电元件法第三章1.溅射镀膜和真空镀膜的特点？1.任何物质都可以溅射，尤其是高熔点、低蒸气压元素化合物2.溅射膜和基板的附着性好3.溅射镀膜密度高，针孔少，且膜层的纯度较高4.膜度可控性和重复性好2.正常辉光放电和异常辉光放电的特征？正常辉光放电：在一定电流密度范围内，放电电压维持不变。异常辉光放电：电流增大时，放电电极间电压升高，且阴极电压降与电流密度和气体压强有关。3.射频辉光放电的特点？1.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；2.由于减少了放电对二次电子的依赖，降低了击穿电压；3.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？1.溅射率随入射离子能量增大而增大，在离子能量达到一定程度后，由于离子注入效应，溅射率减小；2.溅射率的大小与入射离子的质量有关；3.当入射离子能量小于溅射阈值时，不会发生溅射；4.溅射原子的能量比蒸发原子大许多倍；5.入射离子能量低时，溅射原子角度分布不完全符合余弦定律，与入射离子方向有关；6.电子轰击靶材不会发生溅射现象。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、离子束溅射结构及原理？二极直流溅射靶材为良导体,依靠气体放电产生的正离子飞向阴极靶，一次电子飞向阳极，放电依靠正离子轰击阴极所产生的二次电子，经阴极加速后被消耗补充的一次电子维持。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.为把阴极发射的电子全部吸引过来，阳极上加正偏压，20V左右。为使放电稳定，增加第四个电极稳定化电极.偏压溅射: 基片施加负偏压,在淀积过程中，基片表面将受到气体粒子的稳定轰击，随时消除可能进入薄膜表面的气体，有利于提高薄膜纯度，并且也可除掉粘除力弱的淀积粒子，对基片进行清洗，表面净化，还可改变淀积薄膜的结构。射频溅射: 可以用射频辉光放电解释。等离子体中的电子容易在射频场中吸收能量并在电场内振荡，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,施加磁场来改变电子的运动方向，束缚并延长电子运动轨迹，进而提高电子对工作气体的电离效率和溅射沉积率。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:离子源、屏蔽罩。由大口径离子束发生源引出惰性气体，使其照射在靶上产生建设作用，利用溅射出的粒子淀积在基片上制得薄膜。第四章 1.离子镀膜的优缺点？优点：（1）膜层的附着性好。利用辉光放电产生的大量高能粒子对基片进行清洗，在膜基界面形成过渡层或膜材与基材的成分混合层，有效的改善膜层的附着性能（2）膜层的密度高（通常和大块材料密度相同）。（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，成膜速率快，可镀较厚的膜。缺点：（1）膜层的缺陷密度高（2）高能粒子轰击基片温度高，需要进行冷却。2.离子镀膜系统工作的必要条件？必要条件：造成一个气体放电的空间；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。成膜条件：3.离子镀膜技术的分类？直流二极型离子镀、三极和多阴极型离子镀、活性反应离子镀膜、射频离子镀膜技术、4.直流二极溅射、三极和多阴极离子镀、活性反应离子镀、射频离子镀的原理和特点？直流二极型离子镀是利用二极间的辉光放电产生离子、并由基板所加的负电压对其加速。特点：轰击离子能量大，引起基片温度升高，薄膜表面粗糙，质量差；工艺参数难于控制。设备简单，技术容易实现，用普通真空镀膜机就可以改装，因此也具有一定实用价值。附着力好。三极和多阴极型离子镀特点：可实现低气压下的离子镀膜，镀膜质量好，光泽致密；多阴极方式中，阴极电压在200V就能在10-3 Torr左右开始放电；改变辅助阴极(多阴极)的灯丝电流来控制放电状态；灯丝处于基板四周，扩大了阴极区、改善了绕射性，减少了高能离子对工件的轰击作用.活性反应离子镀：并用各种不同的放电方式使金属蒸气和反应气体的分子、原子激活、离化、使其活化，促进其间的化学反应，在基片表面就可以获得化合物薄膜特点：增加了反应物的活性，在温度较低的情况下就能获得附着性能良好的碳化物、氮化物薄膜；可以在任何材料上制备薄膜，并可获得多种化合物薄膜；淀积速率高；调节或改变蒸发速率及反应气体压力可以十分方便地制取不同配比、不同结构、不同性质的同类化合物；由于采用了大功率、高功率密度的电子束蒸发源，几乎可以蒸镀所有金属和化合物；清洁，无公害。射频离子镀：通过分别调节蒸发源功率、线圈的激励功率、基板偏压等，可以对上述三个区域进行独立的控制，由此可以在一定程度上改善膜层的物性。特点：蒸发、离化、加速三种过程可分别独立控制，离化率靠射频激励，基板周围不产生阴极暗区；较低工作压力下也能稳定放电，而且离化率较高，薄膜质量好；容易进行反应离子镀；基板温升低而且较容易控制；工作真空度较高，故镀膜的绕射性差，射频对人体有害；可以制备敏感、耐热、耐磨、抗蚀和装饰薄膜。第五章1.CVD热力学分析的主要目的？CVD热力学分析的主要目的是预测某些特定条件下某些CVD反应的可行性（化学反应的方向和限度）。在温度、压强和反应物浓度给定的条件下，热力学计算能从理论上给出沉积薄膜的量和所有气体的分压，但是不能给出沉积速率。热力学分析可作为确定CVD工艺参数的参考2.CVD过程自由能与反应平衡常数的过程判据？与反应系统的化学平衡常数 有关。 3.CVD热力学基本内容？反应速率及其影响因素？按热力学原理，化学反应的自由能变化 可以用反应物和生成物的标准自由能 来计算，即较低衬底温度下， 随温度按指数规律变化。较高衬底温度下，反应物及副产物的扩散速率为决定反应速率的主要因素。4.热分解反应、化学合成反应及化学输运反应及其特点？热分解反应：在简单的单温区炉中，在真空或惰性气体保护下加热基体至所需温度后，导入反应物气体使之发生热分解，最后在基体上沉积出固体图层。特点：主要问题是源物质的选择和确定分解温度。选择源物质考虑蒸气压与温度的关系，注意在该温度下的分解产物中固相仅为所需沉积物质。化学合成反应：化学合成反应是指两种或两种以上的气态反应物在热基片上发生的相互反应。特点：比热分解法的应用范围更加广泛。可以制备单晶、多晶和非晶薄膜。容易进行掺杂。化学输运反应：将薄膜物质作为源物质（无挥发性物质），借助适当的气体介质与之反应而形成气态化合物，这种气态化合物经过化学迁移或物理输运到与源区温度不同的沉积区，在基片上再通过逆反应使源物质重新分解出来，这种反应过程称为化学输运反应。特点： 不能太大；平衡常数KP接近于1。5.CVD的必要条件？1.在沉积温度下，反应物具有足够的蒸气压，并能以适当的速度被引入反应室；2.反应产物除了形成固态薄膜物质外，都必须是挥发性的；3.沉积薄膜和基体材料必须具有足够低的蒸气压，6.什么是冷壁CVD？什么是热壁CVD？特点是什么？冷壁CVD：器壁和原料区都不加热，仅基片被加热，沉积区一般采用感应加热或光辐射加热。缺点是有较大温差，温度均匀性问题需特别设计来克服。适合反应物在室温下是气体或具有较高蒸气压的液体。热壁CVD：器壁和原料区都是加热的，反应器壁加热是为了防止反应物冷凝。管壁有反应物沉积，易剥落造成污染。7.什么是开管CVD？什么是闭管CVD？特点是什么？开口CVD的特点：能连续地供气和排气； 反应总处于非平衡状态；在大多数情况下，开口体系是在一个大气压或稍高于一个大气压下进行的；开口体系的沉积工艺容易控制，工艺重现性好，工件容易取放，同一装置可反复多次使用；有立式和卧式两种形式。闭管法的优点：污染的机会少，不必连续抽气保持反应器内的真空，可以沉积蒸气压高的物质。缺点：材料生长速率慢，不适合大批量生长，一次性反应器，生长成本高；管内压力检测困难等。关键环节：反应器材料选择、装料压力计算、温度选择和控制等。8.什么是低压CVD和等离子CVD？低压CVD：气相输运和反应。低压下气体扩散系数增大，使气态反应物和副产物的质量传输速率加快，形成薄膜的反应速率增加。等离子CVD：等离子体参与的利用在等离子状态下粒子具有的较高能量，使沉积温度降低化学气相沉积称为等离子化学气相沉积。第六章1.什么是化学镀？它与化学沉积镀膜的区别？化学镀膜是指在还原剂的作用下，使金属盐中的金属离子还原成原子，在基片表面沉积的镀膜技术，又称无电源电镀。化学镀不加电场、直接通过化学反应实现薄膜沉积。化学镀膜的还原反应必须在催化剂的作用下才能进行，且沉积反应只发生在基片表面上。化学沉积镀膜的还原反应是在整个溶液中均匀发生的，只有一部分金属在基片上形成薄膜，大部分形成粉粒沉积物。2.自催化镀膜的特点？1.可以在复杂形状表面形成薄膜；2.薄膜的孔隙率较低；3.可直接在塑料、陶瓷、玻璃等非导体表面制备薄膜；4.薄膜具有特殊的物理、化学性能；5.不需要电源，没有导电电极。3.Sol-Gel镀膜技术的特点和主要过程？优点：高度均匀性；高纯度；可降低烧结温度；可制备非晶态薄膜；可制备特殊材料（薄膜、纤维、粉体、多孔材料等）。缺点：原料价格高；收缩率高，容易开裂；存在残余微气孔；存在残余的羟基、碳等；有机溶剂有毒。主要过程：复合醇盐的制备；成膜（匀胶、浸渍提拉）；水解和聚合；干燥；焙烧。4.阳极氧化镀膜和电镀的原理和特点？金属或合金在适当的电解液中作为阳极，并施加一定的直流电压，由于电化学反应在阳极表面形成氧化物薄膜的方法，称为阳极氧化技术。特点： 得到的氧化物薄膜大多是无定形结构。由于多孔性使得表面积特别大，所以显示明显的活性，既可吸附染料也可吸附气体；化学性质稳定的超硬薄膜耐磨损性强，用封孔处理法可将孔隙塞住，使薄膜具有更好耐蚀性和绝缘性；利用着色法可以使膜具有装饰效果。电镀的特点：膜层缺陷：孔隙、裂纹、杂质污染、凹坑等；上述缺陷可以由电镀工艺条件控制； 限制电镀应用的最重要因素之一是拐角处镀层的形成；在拐角或边缘电镀层厚度大约是中心厚度的两倍；多数被镀件是圆形，可降低上述效应的影响。5.什么是LB技术？LB薄膜的种类？LB薄膜的特点？（LB技术）是指把液体表面的有机单分子膜转移到固体衬底表面上的一种成膜技术。得到的有机薄膜称为LB薄膜。种类：X型膜（薄膜每层分子的亲油基指向基片表面）、Y型膜（薄膜每层分子的亲水基与亲水基相连，亲油基与亲油基相连）、Z型膜（薄膜每层分子的亲水基指向基片表面）优点：LB薄膜中分子有序定向排列，这是一个重要特点；很多材料都可以用LB技术成膜，LB膜有单分子层组成，它的厚度取决于分子大小和分子的层数；通过严格控制条件，可以得到均匀、致密和缺陷密度很低的LB薄膜；设备简单，操作方便缺点：成膜效率低；LB薄膜均为有机薄膜，包含了有机材料的弱点；LB薄膜厚度很薄，在薄膜表征手段方面难度较大。第七章1.薄膜形成的基本过程描述？薄膜形成分为：凝结过程、核形成与生长过程、岛形成与结合生长过程。2.什么是凝聚？入射原子滞留时间、平均表面扩散时间、平均扩散距离的概念？凝聚：吸附原子结合成原子对及其以后的过程入射原子滞留时间：入射到基体表面的原子在表面的平均滞留时间与吸附能之间的关系为平均表面扩散时间：吸附原子在一个吸附位置上的停留时间称为平均表面扩散时间，用表示。它和表面扩散能之间的关系是。平均扩散距离：吸附原子在表面停留时间经过扩散运动所移动的距离（从起始点到终点的间隔）称为平均表面扩散时间，并用表示，它与吸附能和扩散能之间的关系为3.什么是捕获面积？对薄膜形成的影响？捕获面积：吸附原子的捕获面积当 时，每个吸附原子的捕获面积内只有一个原子，故不能形成原子对，也不能产生凝结。当 时，发生部分凝结。平均每个吸附原子的捕获面积内有一个或两个吸附原子，可形成原子对或三原子团。在滞留时间内，一部分吸附原子有可能重新蒸发掉。当 时，每个吸附原子的捕获面积内至少有两个吸附原子。可形成原子对或更大的原子团，从而达到完全凝结。4.凝聚过程的表征方法？凝结系数（单位时间内，完全凝结的气相原子数与入射到基片表面上的总原子数之比）、粘附系数（单位时间内，再凝结的气相原子数与入射到基片表面上的总原子数之比）、热适应系数（表征入射气相（或分子）与基体表面碰撞时相互交换能量的程度的物理量称为热适应系数）。5.核形成与生长的物理过程。岛状生长模式、层状生长模式、层岛混合模式6.核形成的相变热力学和原子聚集理论的基本内容？认为薄膜形成过程是由气相到吸附相、再到固相的相变过程，其中从吸附相到固相的转变是在基片表面上进行的。原子聚集理论将核（原子团）看作一个大分子聚集体，用其内部原子之间的结合能或与基片表面原子之间的结合能代替热力学理论中的自由能。7.什么是同质外延、异质外延？晶格失配度？外延工艺是一种在单晶衬底的表面上淀积一个单晶薄层的方法。如果薄膜与衬底是同一种材料该工艺被称为同质外延，常被简单地称为外延。如果薄膜与衬底不是同一种材料该工艺被称为异质外延，常被简单地称为外延。晶格失配度若沉积薄膜用的基片材料的晶格常数为a，薄膜材料的晶格常数为b，在基片上外延生长薄膜的晶格失配数m可用下式表示。8.形成外延薄膜的条件？设沉积速率为 ，基片温度为 ， 薄膜生长速率要小于吸附原子在基片表面上的迁移速率；提高温度有利于形成外延薄膜第八章1.薄膜结构是指哪些结构？其特点是哪些？薄膜的结构按研究对象不同分为组织结构、晶体结构、表面结构。（1）组织结构是指薄膜的结晶形态，包括无定形结构、多晶结构、纤维结构、单晶结构。无定形结构：结构特性：近程有序、长程无序；不具备晶体的性质；亚稳态。晶界上存在晶格畸变；界面能：界面移动造成晶粒长大和界面平直化；空位源：杂质富集；纤维结构薄膜是指晶粒具有择优取向的薄膜（2）晶体结构：多数情况下，薄膜中晶粒的晶格结构与体材料相同，只是晶粒取向和晶粒尺寸不同，晶格常数也不同。薄膜材料本身的晶格常数与基片材料晶格常数不匹配；薄膜中有较大的内应力和表面张力。（3）表面结构：薄膜表面形成过程，由热力学能量理论，薄膜表面平化；晶粒的各向异性生长，薄膜表面粗化；低温基片上，薄膜形成多孔结构。2.蒸发薄膜微观结构随温度变化如何改变？低温时，扩散速率小，成核数目有限，形成不致密带有纵向气孔的葡萄结构；随着温度升高，扩散速率增大，形成紧密堆积纤维状晶粒然后转为完全之谜的柱状晶体结构；温度再升高，晶粒尺寸随凝结温度升高二增大，结构变为等轴晶貌；3.薄膜的主要缺陷类型及特点？薄膜的缺陷分为：点缺陷（晶格排列出现只涉及到单个晶格格点，典型构