1、薄膜材料與薄膜技術 第一章1. 真空度劃分：粗真空： 105-102Pa 接近大氣狀態 熱運動為主低真空： 102-10-1Pa高真空： 10-1-10-6Pa超高真空： <10 -6Pa2. 吸附與脫附 物理吸附與化學吸附氣體吸附：固體表面捕獲氣體分子的現象 物理吸附：沒有選擇性、主要靠分子之間的吸引力、容易發生脫附、一般只在低溫下發生 化學吸附： 在較高溫度下發生、 不容易脫附， 只有氣體和固體表面原子接觸生成化合物才能 產生吸附作用。氣體脫附：是吸附的逆過程。3. 旋片式機械真空泵用油來保持各運動部件之間的密封，并靠機械的辦法，使該密封空間的容積周期性地增大， 即抽氣；縮小，即排氣

2、，從而達到連續抽氣和排氣的目的。4.分子泵牽引泵：結構簡單、轉速小、壓縮比大（效率低）渦輪式分子泵：抽氣能力高、壓縮比?。ㄐ矢撸?.低溫泵深冷板裝在第二級冷頭上，溫度為 10-20k,板正面光滑的金屬表面可以去除氮、氧等氣體， 反面的活性炭可以吸附氫、氦、 氖等氣體。 通過兩極冷頭的作用，可以達到去除各種氣體的 目的，從而獲得超高真空狀態。6. 真空的測量電阻真空計：壓強越低，電阻越高（pjf Rf）測量范圍105-10-2Pa熱偶真空計：壓強越低，電動勢越高（pjf ? f）測量范圍102-10-1Pa電離真空計：三種（BA型、熱陰極、冷陰極）.! .丿 Ba3If/哄A :燈絲 （發射極

3、）F:柵極（加速極） G :收集極1薄膜制備的化學方法以發生一定化學反應為前提，由熱效應引起或由離子的電致分離引起。（熱激活、離子激活）2熱氧化生長在充氣條件下，通過加熱基片的方式可以獲得大量的氧化物、氮化物和碳化物薄膜。3化學氣相沉積優缺點：優點（記住四條）： 成核密度高，均勻平滑的薄膜。 繞射性好，對于形狀復雜的表面或工件的深孔、細孔等都能均勻覆膜。 不需要昂貴的真空設備。 殘余應力小，附著力好，且膜致密，結晶良好。 可在大尺寸基片或多基片上進行。可一制備金屬和非金屬薄膜，成膜速率快，面積大。缺點： 反應溫度太高，而許多基材難以承受這樣的高溫反應氣體可能與設備發生化學反應。三個過程：反應物

4、輸運、化學反應、去除附產物分類：常壓式、低壓式（ NPCVD、LPCVD ） 熱壁（500 C）、冷壁（LTCVD ）發生的典型化學反應（記住四條）：分解反應、還原反應、氧化反應、氮化反應、碳化反應 按照不同激活方式分類: 激光化學氣相沉積（LCVD ） 定義：利用激光源產生出來的激光束實現化學氣相沉積的一種方法（激光加熱非常局域化） 光化學氣相沉積（PCVD ）定義：高能光子有選擇性地激發表面吸附分子或氣體分子而導致鍵斷裂、 產生自由化學粒子 形成膜或在相鄰的基片上形成化學物 等離子體增強化學氣相沉積（PECVD ）定義：在等離子體中電子平均能量足以使大多數氣體電離或分解 優點：比傳統的化學

5、氣相沉積低得多的溫度下獲得單質或化合物薄膜材料 缺點：由于等離子體轟擊，使沉積膜表面產生缺陷，反應復雜，也使薄膜的質量有所下降。應用：用于沉積各種材料，包括 SiQ、S3N4,非晶Si: H、多晶Si、SiC等介電和半導體膜。 分類：射頻（ R-PECED ）、高壓電源（ PECVD ）、微波（ m-PECVD ）、回旋電子加速微波（ mECR-PECVD ）辨析 PCVD 、 LCVD 、 PECVD ？4. 電鍍定義：電流通過導電液中的流動而產生化學反應最終在陰極上 （電解） 沉積某一物質的過程。5. 化學鍍定義：不加任何電場、直接通過化學反應而實現薄膜沉積的方法6. 陽極沉積反應定義：

6、不需采用外部電流源， 在待鍍金屬鹽類的溶液中， 靠化學置換的方法在基體上沉積出 該金屬的方法。（依賴陽極反應）7. 辨析電鍍、化學鍍、陽極沉積反應： 化學鍍、 陽極沉積反應不可單獨作為鍍膜技術， 一般作為前驅鍍處理襯底或后續鍍做保護 層。電鍍可單獨作為鍍膜技術。因為基體本身就是還原 陽極沉積反應與化學鍍的區別在于無需在溶液中加入化學還原劑, 劑。化學鍍需添加還原劑。兩者都不需要外加電場。8.LB技術 定義：利用分子活性氣體在氣液界面上凝結成膜，將該膜逐次疊積在基片上形成分子層。應用：應用這一技術可以生長有序單原子層、高度有序多原子層，其介電強度較高。過程:第三章 1.PVD與CVD相比優缺點:

7、 優點： 化學氣相沉積對于反應物和生成物的選擇， 且基片需要處在較高溫度下， 薄膜制備有 一定的局限性。物理氣相沉積對沉積材料和基片沒有限制。缺點：速率慢、對真空度要求高2.PVD 三個過程： 從源材料發射粒子、粒子輸運到基片、粒子在基片上凝結、成核、長大、成膜。3.真空蒸發 定義：將待成膜的物質置于真空中進行蒸發或升華，使之在工件或基片表面析出的過程。 優點(相對于其他物理制備)：簡單便利、操作容易、成膜速度快、效率高、廣泛使用。 缺點：薄膜與基片結合較差、工藝重復性不好。六種技術： 電阻加熱法定義： 將支撐加熱材料做成適當形狀，裝上蒸鍍材料，讓電流通過蒸發源加熱蒸鍍材料，使其蒸發。 閃爍蒸

8、發定義： 把合金做成粉末或微細顆粒， 在高溫加熱器或坩鍋蒸發源中， 使一個一個的顆粒瞬間 完全蒸發。 激光蒸發 定義：激光作為熱源使蒸鍍材料蒸發。 電子束蒸發定義：把被加熱的物質放置在水冷坩鍋中， 利用電子束轟擊其中很小一部分， 使其熔化蒸發， 而其余部分在坩鍋的冷卻作用下處于很低的溫度。 電弧蒸發定義：屬于物理氣相沉積，有等離子體產生。射頻蒸發(f>13.6MHz )定義：通過射頻線圈的適當安置，可以使待鍍材料蒸發。優缺點：蒸發速度快，成本高，設備復雜。辨析電阻蒸發、電子束蒸發： 電子束蒸發可以直接對蒸發材料加熱； 可避免材料與容器的反應 （避免污染） 和容器材料 的蒸發；可蒸發高熔點

9、材料。電阻蒸發難加到高溫度， 需要蒸發源材料低熔點和高蒸氣壓； 加熱時容器（如坩堝）易產生 污染。 電子束蒸發需要靶材導電， 裝置復雜， 只適合于蒸發單質元素； 殘余氣體分子和蒸發材料 的蒸氣會部分被電子束電離。電阻蒸發裝置相對簡單。4.濺射定義： 濺射是指荷能粒子 （如正離子 ）轟擊靶材，使靶材表面原子或原子團逸出的現象。逸 出的原子在工件表面形成與靶材表面成分相同的薄膜。濺射與蒸發的異同點同：在真空中進行異：蒸發制膜是將材料加熱汽化濺射制膜是用離子轟擊靶材，將其原子打出。優點和缺點參數控制較蒸發困難但不存在分餾，不需加熱至高溫等直流輝光放電伏安特性曲線：100040000*wol 1 1

10、1叫11 1 1*4*10譏1嚴計1A-B:電流小，主要是游離狀態的電子，離子導電；電子原子碰撞為彈性碰撞；B-C:增加電壓，粒子能量增加，達到電離所需能量；碰撞產生更多的帶電粒子；電源的輸 出阻抗限制電壓（類似穩壓源）。C-D：起輝（雪崩）；離子轟擊產生二次電子，電流迅速增大，極板間壓降突然減?。O板間電阻減小從而使分壓下降）；D-E:電流與極板形狀、面積、氣體種類相關，與電壓無關；隨電流增大，離子轟擊區域增 大；極板間電壓幾乎不變；可在較低電壓下維持放電；E-F:異常輝光放電區；電流隨電壓增大而增大；電壓與電流、氣體壓強相關（可控制區域， 濺射區域）；F-G:弧光放電過渡區；擊穿或短路放電

11、；比較DE、EF區（正常輝光放電和異常輝光放電） 輝光放電：真空度為 10-110-2 Torr，兩電極間加高壓，產生輝光放電。電流電壓之間不 是線性關系，不服從歐姆定律。 DE段：電流增大電壓不變。EF段：電壓增大電流增大 DE段不可控，EF段可控輝光放電時明暗場分布:阿斯頓暗區：慢電子區域;陰極輝光：激發態氣體發光；克魯克斯暗區：氣體原子電離區，電子離子濃度高；負輝光：電離；電子-離子復合；正離子濃度高（陰極位降區）基片所在位置。法拉第暗區：慢電子區域，壓降低，電子不易加速；濺射六種裝置： 輝光放電直流濺射 三級濺射 射頻濺射：射頻濺射是利用射頻放電等離子體中的正離子轟擊靶材、濺射出靶材原

12、子從而沉積在接地的基板表面的技術。 磁控濺射 離子束濺射 交流濺射速度：射頻 磁控交流三級直流離子束還有幾種：對靶濺射反應濺射熱濺射校準濺射編輯版word磁控濺射： 磁力線延伸到襯底， 對襯底進行適當濺射，通過在靶陰極表面引入磁場，利用磁 場對帶電粒子的約束來提高等離子體密度以增加濺射率。優點：可在較低工作壓強下得到較高的沉積率，可在較低基片溫度下獲得高質量薄膜。缺點：靶材利用率低，表面不均勻濺射、非均勻腐蝕及內應力不適用于強磁體 磁控熱反應濺射：加熱襯底。到達襯底前靶材粒子與反應氣體發生化學反應形成化合物。 （先解釋濺射，再解釋磁控濺射，再解釋熱反應濺射）非平衡磁控濺射： 靶材非平衡使用 磁

13、線外延到靶材時，少量外延到襯底，可以對襯底進行預清洗。靶材中毒：判斷依據：濺射速率急速下降 槍內真空度下降 原因：化學反應沒有發生在襯底上，發生在靶材上，使靶材鈍化，產額下降。辨析直流、交流、三極濺射？直流濺射： 施加直流電壓，使真空室內中性氣體輝光放電，正離子打擊靶材，使靶材表面中 性原子溢出。交流濺射：施加交流電壓。 三極濺射：采用直流電源，將一個獨立的電子源（熱陰極）中的電子注入到放電系統中，而不是從靶陰極獲得電子。5.離子鍍定義： 真空條件下， 利用氣體放電使氣體或被蒸發物部分離化，產生離子轟擊效應，最終將 蒸發物或反應物沉積在基片上。優點： 結合蒸發與濺射兩種薄膜沉積技術。膜與基片結

14、合好，離子鍍的粒子繞射性，沉積率高，對環境無污染。6.離子束沉積( IBD )在離子束濺射沉積過程中，高能離子束直接打向靶材，將后者濺射并沉積到相鄰的基片上。離子助沉積( IAD )7.外延生長分子束外延 (MBE)定義：在超高真空條件下精確控制原材料的中性分子束強度， 并使其在加熱的基片上進行外 延生長的一種技術。優點：超高真空、可以實現低溫過程、原位監控、嚴格控制薄膜成分及摻雜濃度液相外延生長 (LPE)定義：從液相中生長膜，溶有待鍍材料的溶劑是液相外延生長所必需的。熱壁外延生長 (HWE)定義： 一種真空沉積技術， 在這一技術中外延膜幾乎在接近熱平衡條件下生長， 通過加熱源 材料與基片材

15、料間的容器壁實現的。有機金屬化學氣相沉積 (MOCVD)定義：采用加熱方式將化合物分解而進行外延生長半導體化合物的方法。 原料含有化合物半 導體組分。特點：可對多種化合物半導體進行外延生長。優點(相對于其他幾種外延生長)： 反應裝置較為簡單，生長溫度較寬 可對化合物的組分進行精確控制，膜的均勻性和膜的電化學性質重復性好 原料氣體不會對生長膜產生刻蝕作用。 只通過改變原材料即可以生長出各種成分的化合物缺點：所用的有機金屬原料一般具有自燃性。原料氣體具有劇毒。比較 MBE、LPE、MOCVD溫度/生長速率/膜純度：液相外延生長（LPE） 有機金屬化學氣相沉積（MOPVD ） 分子 束外延（MBE）

16、辨析濺射、蒸發、離子鍍類型粒子荷電性能量沉積速率繞射性基片負荷蒸發中性高差接0濺射中性3 -10低差接正離子鍍帶正電10-100高好接負第四章1薄膜形成：凝結過程、核形成與生長過程、島形成與結合生長過程2凝聚過程（前提是形成原子對）吸附原子結合成原子對及其以后的過程。必要條件是吸附原子在基體表面的擴散運動。 吸附-擴散-凝結吸附過程：入射到基體表面的氣象原子被固體表面的懸掛鍵吸引住的現象稱為吸附 物理吸附：范德華力0.4 nm低溫吸附高溫解析 化學吸附：化學鍵 nm選擇性 高溫吸附3辨析成核理論-毛細理論（熱力學界面能理論）和原子理論： 相同之處：所依據的基本概念相同，所得到的成核速率公式形式

17、也基本相同。 不同之處：兩個使用的能量不同，所用模型不同。熱力學界面能理論適合描述大尺寸臨界核。因此，對于凝聚自由能較小的材料或者過飽和度較小情況下進行沉積的情況比較適合。原子理論適合小尺寸臨界核。對于小尺寸臨界核，這時必須過飽和度很高才能發生凝聚成 核。 由于這兩種理論所用模型的本質差別，熱力學界面能理論所給出的有關公式預示，隨著過飽和度的變化，臨界核尺寸和成核速率連續變化；相反，原子理論則預示著它們不作連續變化。4臨界核形成：方程推導當原子或分子從氣相中沉積到襯底的表面凝聚，成球狀核或冠狀核時總自由能和臨界核尺寸的數學表達式？分析溫度、過飽和度、沉積速率對r*和AG*的影響。答：球狀凝聚核

18、總自由能數學表達式：G(r) 4 r3 Gv 4 r2? cv*£_cv2 cV臨界核尺寸數學表達式：rGvkTI n(P/Fe)冠狀凝聚核總自由能表達式：G(r) 4 ?)?r2。首r3 Gv)*臨界核尺寸表達式：r2 0Gv。凝聚核總自由能由兩部分構成，即體自由能與界面自由能，體自由能隨著核心尺寸的增加而減小，界面自由能隨著核心尺寸的增大而增大，所以總自由能隨著核心尺寸的增加先增大后減小，存在一個臨界核心尺寸和形核勢壘溫度影響：溫度T ，過冷度 T ，臨界核半徑r*和形核勢壘 G*都將 ，則新相核心形 成困難。過飽和度影響：過飽和度 S ，臨界核半徑r*和形核勢壘 G*都，所需克

19、服的形核勢壘 也較低，新相核心較易形成。沉積速度影響：沉積速率R 時，臨界核半徑r和形核勢壘 G都，新相核心較易形成。5. 根據毛細理論，簡述形核率（dN/dt）的主要影響因素，并解釋說明吸附氣體原子的脫附激活能、擴散激活能和臨界形核勢壘對其影響規律和內在機制。答：形核率（dN/dt）的主要影響因素：溫度，過飽和度和沉積速度。規律：吸附氣體原子 的脫附激活能越高，擴散激活能越低，形核率越大，臨界形核勢壘越低，形核率越大。內在 機制：高的脫附激活能和低的擴散激活能都有利于氣相原子在基體表面停留和運動，因而會提高形核率。臨界形核勢壘越低，新相核心越容易形成，形核率也就越大。6. 根據毛細理論，簡要

20、說明為什么高溫低速沉積往往獲得粗大或單晶結構薄膜，而低溫高速 沉積則有利于獲得細小多晶、微晶乃至非晶薄膜？答：根據毛細理論知，在高溫低速沉積速度條件下，臨界核半徑和形核勢壘都較大，新相核 心較大且不易形成， 形核率低， 形成薄膜組織往往粗大或者單晶薄膜； 在低溫高速沉積條件 下，臨界核半徑和形核勢壘都較小， 新相核心較小且容易形成，形核率高， 形成薄膜組織細 密連續，則有利于獲得細小多晶、微晶乃至非晶薄膜。7. 在穩定核形成以后，島狀薄膜的形成過程一般分為幾個階段？各階段的主要現象如何？ 答：穩定核形成之后， 島狀薄膜的形成過程分為四個階段， 小島階段， 結合階段， 溝道階段， 連續膜。小島階

21、段：出現大小一致的核（2-3 nm），核進一步長大變成小島，形狀將又冠球形變成圓 形最后變成多面體小島。結合階段： 兩個小島將相互結合，結合后增大了高度，減小了在基片的所占的總表面積。結 合時類液體特性導致新出現的基片面積上將會發生二次形核，結合后的復合島若有足夠時 間，可形成晶體結構。溝道階段： 當島的分布達到臨界狀態時便相互聚結成網狀結構， 種結構中不規則分布著寬度 為 50200A 的溝渠，隨著沉積繼續，溝渠很快消失，薄膜變成小孔洞的連續狀結構，在小 孔洞處將發生二次成核或三次成核，整個薄膜連成一片。連續薄膜： 隨著沉積繼續進行， 在溝渠和孔洞消除， 再入射到基體表面的氣相原子便直接吸

22、附在薄膜上，通過聯并作用而形成不同結構的薄膜。8利用燒結過程解釋核心吞并機制及其驅動力。答：機制：當兩個島相互接觸時，在接觸點形成半徑為R的瓶頸，將產生一驅動力 26R ,使島的沉積原子通過體擴散和表面擴散遷移到瓶頸中，且表面擴散通量大于體擴散通量。驅動力由曲率半徑 R決定，為2NR。9簡述薄膜的主要生長模式，及每類生長模式各自出現的條件及特點。答：島狀生長型，層生長型，層島生長型。島狀生長型：特點：到達襯底上的沉積原子首先凝聚成核，后續飛來的沉積原子不斷聚集在核附近，使核在三維方向上不斷長大而最終形成薄膜。條件：在襯底晶格和沉積膜晶格不相匹配（非共格）時或當核與吸附原子間的結合能大于吸附原子與基體的吸附能時，大部分薄膜形成過程屬于這種類型。層狀生長型：特點：沉積原子在襯底的表面以單原子層的形式均勻地覆蓋一層，然后再在三維方向上生長第二層、第三層條件：一般在襯底原子與沉積原子之間的鍵能大于沉積原子相互之間鍵能的情況下（共格） 發生這種生長方式的生長。層島生長型：特點：生長機制介于島生長型和層生長型的中間狀態。條件：當襯底原子與沉積原子之間的鍵能大于沉積原子相互之間鍵能、隨后出現干擾層狀生長結合能特性單調減少因數的情況下（準共格）多發生這種生長方式的生長。第五章1.組分表征種類入射出射應用原理盧瑟福背散射（RBS離子離子同位素分析二次離子質譜儀（SIMS