薄膜物理复习Word格式文档下载.docx
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特点与使用：
都属低真空测量。
（2）电离真空规工作原理：
它由阴极，阳极和离子收集极组成，热阴极发射电子飞向阳极的过程中，使气体分子电离，并被离子收集极收集形成电流，根据离子电流测出气体压强。
10-9-1Pa（10-3Pa相当于薄膜位移为一个原子尺寸大小）
属高真空和超高真空测量，通常与热偶规同时使用
作业题
1.什么是真空？
列出最常见的真空单位？
并描述4种真空范围
2、什么是平均自由程？
为什么它很重要？
3、描述两种类型的初级泵
4、描述两种类型的高级真空泵
5、涡轮分子泵最常见的失败原因是什么？
（1）突然将泵暴露于大气之下，涡轮叶片弯曲并互相碰撞，导致极大的失败。
（2）涡轮泵的回转轴是精密平衡的，所以在使用过程中严禁移动或冲撞。
6、描述测量高、低真空的电离规和热偶规
7．如要设计一个真空度为510-4Pa的高真空系统，需要哪些真空泵、测试元件和阀门（3个阀），画出系统框图，并描述获得该真空的操作过程
高真空系统
系统组成：
真空室；
分子泵或油扩散泵；
机械泵；
热偶电离复合规
应用：
溅射沉积和蒸发等镀膜系统
获得高真空的操作流程：
开抽低真空的机械泵=》开低真空阀=》用热耦规测量，当抽到10Pa以下时关闭低真空阀=》打开预真空阀=》开启分子泵，开启高真空阀=》用电离规测量，当抽到要求的真空度时关闭高真空阀=》关闭分子泵=》关闭预真空阀=》关闭机械泵。
第二章PVD-蒸发
1.物理蒸发
净蒸发速度（参数了解）和表面质量蒸发速度
在一定温度下，每种液体或固体物质都具有特定的平衡蒸汽压。
当被蒸发物质的分气压降低到了它的平衡蒸汽压以下，才可能有物质的净蒸发。
单位源物质表面上物质的净蒸发速率为：
单位物质表面的质量蒸发速度
为介于0~1之间的系数，pe为平衡蒸汽压，ph为实际分气压。
薄膜沉积均匀性（点源、面源）
对点蒸发源，衬底上沉积的原子质量密度为：
是衬底表面法线与空间角方向间的偏离角度
薄膜的沉积速率与衬底到蒸发源的距离r的平方成反比，并与衬底和蒸发源之间的夹角有关。
当=0，r较小时，沉积速率较大。
克努森盒为开一小口的蒸发坩埚，可视为面蒸发源，衬底上沉积的原子质量密度为：
为了提高蒸发沉积的均匀性，应采取如下的衬底放置方式：
此时
真空度/沉积速度与薄膜纯度的关系
在蒸发沉积时，薄膜的纯度将取决于：
（１）蒸发源物质的纯度；
（２）加热装置、坩埚等可能造成的污染；
（３）真空系统中残留的气体。
沉积物质中杂质的含量与残余气体的压强成正比，与薄膜的沉积速度s成反比
2蒸发装置
电阻式、电子束、激光
电阻式加热蒸发：
普通电阻加热：
利用一些高熔点、低蒸气压的金属（W，Mo,Ta等）制成各种形状的加热器；
一方面作为加热，同时支撑被加热的物质。
加热装置的分类和特点：
（1）丝状（0.05-0.13cm），蒸发物润湿电阻丝，通过表面张力得到支撑。
只能蒸发金属或合金；
有限的蒸发材料被蒸发；
蒸发材料必须润湿加热丝；
加热丝容易变脆。
（2）凹箔：
蒸发源为粉末。
（3）锥形丝筐蒸发小块电介质或金属。
缺点
（1）加热装置与蒸发物会反应
（2）难以蒸发电介质材料（Al2O3,Ta2O5,TiO2等）
（3）蒸发率低
2电子束加热装置及特点（装置图如右图所示）
电子束通过5-10KV的电场后被加速，然后聚焦到被蒸发的材料表面，把能量传递给待蒸发的材料使其熔化并蒸发。
无污染：
与坩埚接触的待蒸发材料保持固态不变，蒸发材料与坩埚发生反应的可能性很小。
（坩埚水冷）
难熔物质的蒸发：
适合制备高纯，难熔物质薄膜
可同时安置多个坩埚，同时或分别蒸发多种不同物质。
大部分电子束蒸发系统采用磁聚焦或磁弯曲电子束，蒸发物质放在水冷坩埚内，可以制备光学、电子和光电子领域的薄膜材料。
如Mo、Ta、Nb、MgF2、Ga2Te3、TiO2、Al2O3、SnO2、Si等等。
3、激光加热蒸发
利用激光作为热源使待蒸发材料蒸发。
激光蒸发属于在高真空条件下制备薄膜的技术。
激光源放在真空室外边，激光束通过真空室窗口打到待蒸发材料上使其蒸发，沉积在衬底上。
适合制备高纯，难熔物质薄膜。
（装置图如右图所示）
可用来制备光学薄膜Sb2S3,ZnTe,MoO3,PbTe,Ge,Si
制备陶瓷薄膜：
Al2O3,Si3N4,
氧化物薄膜：
SnO2，ZnO
超导薄膜YBCO
注：
Sb（锑ti）Te（碲）
1、描述元素、化合物和合金的热蒸发的特点和蒸发速度
元素蒸发的特点：
1.1液相蒸发:
对大多数金属，温度达到熔点时，其平衡气压低于10-1Pa,需将物质加热到熔点以上;
1.2固相升华:
在熔点附近，固体的平衡蒸汽压已相对较高，如Cr,Ti,Mo,Fe,Si等，可以直接利用由固态物质的升华，实现物质的气相沉积。
化合物蒸发的特点：
化合物蒸发出来的蒸气可能具有完全不同于其固态或液态的成分，各元素间将发生化合或分解过程：
金属合金的蒸发：
金属合金的蒸发也会发生成分的偏离，但合金中原子间的结合力小于化合物中原子间的结合力，实际蒸发过程可视为各元素独立蒸发过程，可由热力学定律来描述：
理想合金AB：
A-B间的作用能等于A-A或B-B的作用能.
2、描述几种常用的热蒸发的装置和方法
3、什么是等离子体？
什么是等离子体的原子团？
4、描述等离子体辉光放电区域
第三章PVD-溅射
1.气体放电现象和等离子体
放电模型，直流气体放电模型及I-V曲线
通过混合气体中加直流电压、或射频电压，混合气体中的电子被电场加速，穿过混合气体，与气体原子或分子碰撞并激发他们，受激的原子、或离子返回其最低能级时，以发射光（或声子）的形式将能量释放出来。
辉光放电区域
1、辉光放电过程包括
初始阶段AB：
I=0无光放电区
汤生放电区BC：
I迅速增大
过渡区CD：
离子开始轰击阴极，产生二次电子，又与气体分子碰撞产生更多离子
辉光放电区DE：
I增大，V恒定
异常辉光放电区EF：
溅射所选择的工作区
弧光放电：
I增大，V减小
弧光放电区FG：
增加电源功率，电流迅速增加
2、辉光放电区域的划分
阴极辉光；
阴极暗区；
负辉光区；
法拉第暗区；
阳极柱；
阳极暗区；
阳极辉光
暗区是离子和电子从电场中获取能量的加速区，辉光区相当于不同粒子发生碰撞、复合、电离的区域。
等离子体（概念、特性）
等离子体是一种中性、高能量、离子化的气体，包含中性原子或分子、原子团、带电离子和自由电子。
作用：
1、提供发生在衬底表面的气体反应所需要的大部分能量
2、通过等离子刻蚀选择性地去除金属
2.溅射
溅射产额及影响因素
被溅射出来的原子个数与入射离子数之比。
它与入射能量，入射离子种类，溅射物质种类及入射离子的入射角度有关。
蒸发与溅射的对比，各自优缺点
装置（直流DC、射频RF、磁控、反应式、偏压）
直流溅射：
直流溅射装置及特性（只适用于靶材为良导体的溅射）
*溅射气压1.3-13Pa，太低和太高都不利于薄膜的形成。
*阴-阳极距离适中，大约为阴极暗区的2倍
*溅射电压1-5KV。
*靶材必须为金属。
*为保证薄膜的均匀性，阴极平面面积大约为衬底的2倍。
工作原理：
当加上直流电压后，辉光放电开始，正离子打击靶面，靶材表面的中性原子溅射出，这些原子沉积在衬底上形成薄膜。
在离子轰击靶材的同时，也有大量二次电子从阴极靶发射出来，被电场加速向衬底运动，在运动过程中，与气体原子碰撞又产生更多的离子，更多的离子轰击靶材又释放出更多的电子，从而使辉光放电达到自持。
射频溅射装置及特性
*射频电源的频率13.56MHz
*射频溅射电压1-2KV
*射频溅射系统需要在电源与放电室间配备阻抗匹配网。
*在射频溅射系统中，衬底接地，以避免不希望的射频电压在衬底表面出现。
*靶材可以是绝缘体、金属、半导体等。
工作原理
在射频溅射系统中，射频电势加在位于绝缘靶下面的金属电极上，在射频电场作用下，在两电极间振荡运动的电子具有足够高的能量产生离化碰撞，从而使放电达到自持，阴极溅射的二次电子不再重要。
由于电子比离子具有较高的迁移率，相对于负半周期，正半周期内将有更多的电子到达绝缘靶表面，而靶变成负的自偏压。
它将在表面附近排斥电子，吸引正离子，使离子轰击靶，产生溅射。
磁控溅射装置及特性
磁控溅射镀膜的基本原理：
在溅射装置中引入磁场，磁场的作用使电子不再做平行直线运动，而是围绕磁力线做螺旋运动，这就意味着电子的运动路径由于磁场的作用而大幅度地增加，从而有效地提高了气体的离化效率和薄膜的沉积速率。
优点：
磁控溅射比直流和射频溅射的沉积速率高很多，磁场中电子的电离效率提高，工作气压较低，薄膜质量高等。
缺点：
存在对靶材的溅射不均匀性，不适合于铁磁性材料的溅射，基片的温度升高等。
应用领域：
如制备金属薄膜，合金薄膜，C薄膜，SiO4薄膜等。
1直流电源2出水口3进水口4进气口5靶材6真空泵7基片架8基片偏压
磁控溅射装置
反应溅射装置及特性
采用纯金属作为靶材，通入不同的反应气体，沉积不同的薄膜。
在存在反应气体的情况下，溅射靶材时，靶材料与反应气体反应形成化合物，这种在沉积的同时形成化合物的溅射称为反应溅射。
利用化合物直接作为靶材溅射生长薄膜时，可能薄膜与靶材的成分偏离，如制备氧化物薄膜时，会造成氧含量偏低，这时可在溅射气体中通入适量的氧气。
采用纯金属作为靶材，通入不同的反应气体，沉积不同的薄膜。
偏压溅射装置及特性
偏压溅射是在一般溅射的基础上，在衬底与靶材间加一定的偏压，以改变入射离子能量和离子数，达到改善薄膜的结构和性能。
离子束溅射
在离子束溅射沉积中，由离子源产生的离子束通过引出电极引入真空室，打到靶材上溅射，实现薄膜沉积。
作业
2、简述电阻蒸发和电子束蒸发制备薄膜的装置和原理
（第二章）
3、简述等离子体辉光放电的各个区域的形成和特点
4、简述射频溅射和磁控溅射制备薄膜的装置和原理
第四章CVD
1.反应类型6种
1.热解反应:
如：
SiH4（g）=Si（s）+2H2（g）（650oC）
2还原反应：
SiCl4（g）+2H2（g）=Si（s）+4HCl（g）（1200oC）
3.氧化反应:
SiCl4+O2=SiO2+2Cl2
4化合反应:
SiCl4（g）+CH4（g）=SiC（s）+4HCl（g）（1400oC）
5歧化反应:
2GeI2（g）=Ge（s）+GeI4（g）（300-600oC）
6可逆反应：
7汽相输运:
当某一物质的升华温度不高时，利用其升华和冷凝的可逆过程实现气相沉积
2.动力学输运类型（强制对流和自然对流）
气体的宏观流动称为气流。
一由外力作用而使得气体流动为强制对流，二由气体温度不均匀引起的气体流动为自然对流。
强制对流中：
边界层：
当气体流动速度受到衬底表面的影响或器壁的影响速度下降，到衬底表面降为零，存在一个速度梯度和浓度梯度的过渡层空间。
对CVD的影响：
影响反应物与反应副产物的输运过程，限制薄膜沉积速率。
方法：
提高Re（雷诺数），可以降低边界层的厚度，促进化学反应和提高沉积速度。
但Re的增加受到一定限制，Re过高会影响沉积的均匀性。
对于一般的CVD过程，希望气体的流动处于层流状态，平稳的层流状态有利于薄膜生长的均匀性。
自然对流：
高温区与低温区的设置
3.影响CVD沉积速度的因素（怎样提高CVD的均匀性）
影响因素：
温度、气体的扩散速度与气体的扩散系数、表面吸附及表面化学反应、表面扩散。
表面反应速率控制的CVD：
薄膜的沉积速率是由表面反应速率控制的，那么衬底的温度对沉积速率有比较大的影响，因为表面化学反应对温度的变化非常敏感。
质量输运控制的CVD：
质量输运过程是通过气体扩散完成的，扩散速度与气体的扩散系数和边界层内的浓度梯度有关。
质量输运速率控制的薄膜沉积速率与主气流速度的平方根成正比，增加气流速度可以提高薄膜沉积速率，当气流速率大到一定程度时，薄膜的沉积速率达到一稳定值不再变化。
沉积速率转变为由表面反应速度控制。
（掌握影响两者的因素和两者之间互相转换）
提高均匀性：
1）合理的提高气体流速及反应腔的高度
2）调整装置的温度分布，从而影响扩散系数D的分布
3）对于复杂形状衬底，减小化学基团凝聚系数Sc，提高表面吸附分子的覆盖比例。
4.装置（高温、低温、低压、常压）
CVD装置包括几个基本部分：
反应气体和载气气体的供给及计量仪器
必要的加热和冷却系统
反应产物气体的排出装置
薄膜制备时的沉积温度和反应气体的过饱和度决定了沉积过程的成核率，生长速度和薄膜的结构和性能。
用CVD系统制备薄膜，可以制备单晶、多晶和非晶薄膜。
制备结构完整的单晶薄膜（外延层），气相过饱和度低，沉积温度高。
制备多晶或非晶薄膜，气相过饱和度高，沉积温度低。
•高温CVD：
制备半导体外延薄膜（Si，GaP等）
•低温CVD：
制备绝缘薄膜（SiO2，Si3N4），非晶膜（a-C:
H，a-Si:
H）
高温CVD又分为：
冷壁和热壁。
抑制吸热反应的反应产物在器壁上形成沉积物，采用冷壁反应；
抑制放热反应在器壁上形成沉积物，采用热壁反应。
APCVD反应在常压下进行，是质量输运限制沉积速度，因为用到了不充足的反应气体，（如SiH4稀释到很低含量）温度可能是高温或低温
LPCVD：
降低工作室的压力可以提高反应气体和反应产物通过边界层的扩散能力，可提高反应气体浓度，是反应速度限制的。
与质量输运限制沉积速度的APCVD比，LPCVD薄膜的沉积速率高，膜性能好，成本低。
7.（掌握）（作比较，一般先答出各个反应原理，再答PECVD的好处；
一般从成膜速率，温度，成膜质量方面考虑）（掌握PECVD特点，应用，镀膜原理）
PECVD使用辉光放电等离子体的能量来产生并维持化学反应。
PECVD的反应气压与LPCVD的气压差不多（5-500Pa），但PECVD的沉积温度比LPCVD的沉积温度低很多。
如LPCVD沉积Si3N4的温度800-900C，而用PECVD只需350C。
因为等离子体可以促进气体分子的分解、化合、激发和电离过程，促进反应活性基团的形成，因而显著降低了反应沉积温度。
等离子体作用：
1、提供发生在衬底表面的气体反应所需要的大部分能量；
2、通过等离子刻蚀选择性地去处金属。
5.PVD与CVD优缺点
第五章薄膜生长
1.生长过程模式：
岛状、层状、层状-岛状
在薄膜形成的最初阶段，一些气态的原子或分子开始凝聚到衬底上，从而开始了所谓的形核阶段。
由于热涨落的作用，原子到达衬底表面的最初阶段，在衬底上成了均匀细小、而且可以运动的原子团（岛或核）。
当这些岛或核小于临界成核尺寸时，可能会消失也可能长大；
而当它大于临界成核尺寸时，就可能接受新的原子而逐渐长大。
一旦大于临界核心尺寸的小岛形成，它接受新的原子而逐渐长大，而岛的数目则很快达到饱和。
小岛像液珠一样互相合并而扩大，而空出的衬底表面上又形成了新的岛。
形成与合并的过程不断进行，直到孤立的小岛之间相互连接成片，一些孤立的孔洞也逐渐被后沉积的原子所填充，最后形成薄膜。
模式：
岛状：
沉积温度高，沉积原子有一定的扩散能力，沉积物与衬底浸润性差
层状：
沉积物与衬底浸润性很好，沉积原子有一定的扩散能力好。
岛-层状：
先岛状再层状。
原因：
1、虽然开始时的生长是外延式的层状生长，但是由于薄膜与衬底之间晶格常数不匹配，因而随着沉积原子层的增加，应变能（应力）逐渐增加。
为了松弛这部分能量，薄膜在生长到一定厚度之后，生长模式转化为岛状模式。
2、在Si的（111）晶面上外延生长GaAs,由于第一层拥有五个价电子的As原子不仅将使Si晶体表面的全部原子键得到饱和，而且As原子自身也不再倾向于与其他原子发生键合。
这有效地降低了晶体的表面能，使得其后的沉积过程转变为三维的岛状生长。
3、在层状外延生长表面是表面能比较高的晶面时，为了降低表面能，薄膜力图将暴露的晶面改变为低能面，因此薄膜在生长到一定厚度之后，生长模式会由层状模式向岛状模式转变。
2.新相成核
自发：
整个形核过程完全是在相变自由能的推动下进行。
（浸润性差）
系统的自由能变化为：
G=Gv+4r2
对G求r的微分，得到自由能G为零的条件为：
r*=-2/Gv
它是能够平衡存在的最小固相半径，或临界核心半径
讨论
（1）当r<
r*时，在热涨落过程中形成的这个新相核心将
处于不稳定状态，它可能再次消失
（2）当r>
r*时新相核心将处于可以继续稳定生长的状态，
并且生长过程将使得自由能下降。
临界成核时系统的自由能变化为：
（把r*代入G）
G*=163/3Gv2
非自发：
除了相变自由能外还有其他因素帮助新核形成。
（大多数情况）
新相形成所需要的原子可能来自：
（1）气相原子的直接沉积
（2）衬底吸附的气相原子沿表面的扩散
结论：
薄膜最初的成核率与临界成核自由能G*密切相关，G*的降低可显著提高成核率。
而高的脱附能Ed，低的扩散激活能Es，都有利于气相原子在衬底表面的停留和运动，因此会提高成核率。
影响形核的因素（温度、沉积速度、气压）
沉积速率R和衬底温度T是影响薄膜沉积和薄膜
组织的最重要的两个因素:
随着薄膜沉积速率R的提高，薄膜临界核心半径和临界核心自由能均随之降低，因此高的沉积速率将会导致高的成核速率和细密的薄膜组织。
随着温度上升，新相临界核心半径增加，临界核心自由能也越高，新相核心的形成较困难；
因此高温时,首先形成粗大的岛状薄膜组织。
3.结构
4种类型形态
薄膜的微结构
非晶：
短程无序
条件：
高沉积速率，低衬底温度
多晶：
短程有序，长程无序
单晶：
长程有序
外延生长（VPE、MBE）：
4.形成非晶薄膜
高的过冷度和低的原子扩散能力。
采用高的沉积速率和低的衬底温度。
另外还取决于薄膜的化学成分，金属不易，合金和化合物易
5.薄膜的外延生长
外延生长：
薄膜的晶格取向同衬底取向有关
同质外延（薄膜与衬底为同种材料）
异质外延（薄膜与衬底为不同种材料）---晶格失配--引入应力
同取向外延
倾角外延
外延生长方法：
液相外延（LPE）
汽相外延（VPE
分子束外延（MBE）
非外延生长：
薄膜的晶格取向同衬底取向无关
点阵失配
薄膜外延生长要求薄膜与衬底之间实现点阵的连续过渡,但由于晶格失配，导致缺陷的产生；
杂质、氧化物、衬底缺陷都会引起薄膜中的缺陷：
点缺陷
线缺陷：
刃位错、螺位错
面缺陷：
层错
外延生长模式
1）台阶流动：
A沉积温度足够高，使沉积原子有足够的扩散能力；
B沉积速率足够低，使得表面的原子有足够的时间扩散到台阶边缘。
2）二维成核原子的扩散能力小于台阶的平均间距时。
6.应力产生的机理
热应力：
由于薄膜与衬底材料热膨胀系数的差别和温度的变化共同引起的应力σth
温度变化、薄膜-衬底热膨胀系数的差别是薄膜热应力产生的原因，生长应力（本征应力）：
由于薄膜生长过程的不平衡性或薄膜特有的微观结构所导致的应力σin。
生长应力的产生与薄膜的沉积过程有关。
按其作用机理，薄膜生长应力的影响因素可被归纳为以下三个方面：
化学成分方面的原因⏹微观结构方面的原因⏹粒子轰击的影响。
7.薄膜与衬底，形成的4种界面类型及原理（3种）
突变型的界面
形成化合物的界面
合金型的扩散界面
机械咬合的界面
根据界面形态，薄膜附着力可能涉及以下三种机理：
（1）机械结合
（2）物理结合（3）化学键合这三种机理或者单独、或者共同决定着薄膜与衬底间附着力的大小。
第六章薄膜的表征
结构：
SEMTEMXRDSPM
成分：
AESXPSRBSSIMS
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