薄膜復習題綱

第一章1.氣體分子的平均自由程：一個氣體分子在兩次碰撞之間的平均距離。重要性：平均自由程影響分子到襯底的能量大小，自由程小，能量小，形成疏松薄膜真空度：表示氣體的勢波強度，一個相對外界的概念，是一種不存在任何物質(zhì)的空間狀態(tài)。真空度可分為：低真空：102Pa 工業(yè)應用（包裝）中真空：102~10-1Pa CVD沉積技術高真空：10-1~10-5Pa 濺射沉積技術（pvd法）超高真空：10-5Pa 原子表面和界面分析氣體流動狀態(tài)分類：分子流狀態(tài)和粘滯流狀態(tài)分子流狀態(tài)Kn<1：在高真空環(huán)境中，氣體分子除了與容器器壁發(fā)生碰撞意外，幾乎不發(fā)生氣體分子間的碰撞過程的氣體流動狀態(tài)。（特點：氣體分子的平均自由程大于氣體容器的尺寸或與其相當）粘滯流狀態(tài)Kn>10：當氣體壓力較高時，氣體分子的平均自由程較短，氣體分子間的相互碰撞較為頻繁的氣體的流動狀態(tài)。（與分子流狀態(tài)相比，沾滯流狀態(tài)的氣體流動模式要復雜得多，在低流速的情況下，粘滯流狀態(tài)的氣流處于層流狀態(tài)，在流蘇較高時，氣體的流動狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鳡顟B(tài)）4.真空泵分類：輸運式：采用對氣體進行壓縮的方式將氣體分子輸送至真空系統(tǒng)之外捕獲式：依靠在真空系統(tǒng)內(nèi)凝集或吸附氣體分子的方式將氣體分子捕獲，排除于真空系統(tǒng)之外。(機械泵，羅茨泵等低級泵獲得的真空范圍，前者10-1Pa后者10-2Pa；渦輪泵，油擴散泵等高級泵獲得高真空）1).油擴散泵工作原理：將擴散泵油加熱至高溫蒸發(fā)狀態(tài)(200oC)，讓油蒸氣呈多級狀向下定向高速噴出時不斷撞擊使其被迫向排氣口運動，在壓縮作用下被排出泵體。同時泵體冷卻的油蒸汽又會凝聚返回泵的底部工作參數(shù)：實際抽速：1-104L/s(決定于泵體口徑）極限真空：10-5Pa特點與使用: 與旋片機械泵串聯(lián)使用，需要機械泵抽預真空(1Pa)；油污染；價格便宜。渦輪分子泵工作原理：靠機械運動對氣體分子施加作用，并使氣體分子向特定方向運動的原理來工作的。渦輪分子泵的轉(zhuǎn)子葉片具有特定的形狀，以20000-30000轉(zhuǎn)/分的高速旋轉(zhuǎn)，將動量傳給氣體分子，多級葉片(10-40)的連續(xù)壓縮保證了分子泵的高效快速的工作。工作參數(shù)：實際抽速：1000L/s(決定于泵體口徑和轉(zhuǎn)速）極限真空：10-5Pa熱偶真空規(guī)和電離真空規(guī)（1）熱偶規(guī)工作原理：氣體的熱導率隨氣體壓力變化，通過熱電偶測出熱絲的溫度，也就相應的測出了環(huán)境的氣體壓強。測量范圍：熱偶規(guī)0.1-100Pa；特點與使用：都屬低真空測量。（2）電離真空規(guī)工作原理：它由陰極，陽極和離子收集極組成，熱陰極發(fā)射電子飛向陽極的過程中，使氣體分子電離，并被離子收集極收集形成電流，根據(jù)離子電流測出氣體壓強。測量范圍：10-9-1Pa(10-3Pa相當于薄膜位移為一個原子尺寸大小)特點與使用：屬高真空和超高真空測量，通常與熱偶規(guī)同時使用第二章真空蒸發(fā)制備薄膜的三個基本過程：（1）.加熱蒸發(fā)過程：對蒸發(fā)源加熱，使其溫度接近或達到蒸發(fā)材料的熔點，蒸發(fā)源材料由凝聚相轉(zhuǎn)變成氣相（2）.氣化原子或分子在蒸發(fā)源與基片之間的輸運過程。在這一過程中，原子或分子與真空室內(nèi)的殘余氣體分子碰撞（3）.被蒸發(fā)的原子或分子在襯底表面的沉積過程。原子或分子到達基片后凝結(jié)、成核、生長、成膜真空蒸發(fā)沉積的物理原理在真空環(huán)境下，給待蒸發(fā)物質(zhì)提供足夠的熱量以獲得蒸發(fā)所必須的蒸汽壓，在適當?shù)臏囟认?，蒸發(fā)粒子在基片上凝結(jié)形成薄膜。真空蒸發(fā)就是利用蒸發(fā)材料在高溫時所具有的飽和蒸汽壓進行薄膜制備。3真空蒸發(fā)設備示意圖如下圖所示真空蒸發(fā)設備主要由三部分組成：1.真空系統(tǒng)：為蒸發(fā)過程提供真空環(huán)境2.蒸發(fā)系統(tǒng)：放置蒸發(fā)源的裝置，以及加熱和測溫裝置3.基板及加熱系統(tǒng)：該系統(tǒng)是用來放置硅片或其它襯底，對襯底加熱及測溫裝置元素蒸發(fā)情況：（1）液相蒸發(fā)：對大多數(shù)金屬，溫度達到熔點時，其平衡氣壓低于10-1Pa,需將物質(zhì)加熱到熔點以上（2）固相升華：在熔點附近，固體的平衡蒸汽壓已相對較高，如Cr,Ti,Mo,Fe,Si等，可以直接利用由固態(tài)物質(zhì)的升華，實現(xiàn)物質(zhì)的氣相沉積5.化合物的蒸發(fā)化合物蒸發(fā)出來的蒸氣可能具有完全不同于其固態(tài)或液態(tài)的成分，各元素間將發(fā)生化合或分解過程，導致沉積后的薄膜成分可能偏離化合物原來的化學組成。合金蒸發(fā)特點金屬合金的蒸發(fā)也會發(fā)生成分的偏離，但合金中原子間的結(jié)合力小于化合物中原子間的結(jié)合力，實際蒸發(fā)過程可視為各元素獨立蒸發(fā)過程真空蒸發(fā)設備：電阻式加熱蒸發(fā)，電子束加熱蒸發(fā)，激光加熱蒸發(fā)，電弧加熱蒸發(fā)，高頻感應加熱蒸發(fā)。（1）電阻式加熱蒸發(fā)：利用一些高熔點、低蒸氣壓的金屬制成各種形狀的加熱器；一方面作為加熱，同時支撐被加熱的物質(zhì)。（2）電子束加熱蒸發(fā)：產(chǎn)生電子束的光子在電磁場的作用下發(fā)出電子，電子在電場的作用下定向運動，在磁場作用下其方向發(fā)生彎曲，打到原材料上，使其獲得高能電子的能量蒸發(fā)出到襯底上制備薄膜。（蒸發(fā)）影響薄膜純度的因素：蒸發(fā)源的純度，盛放原材料的裝置造成的污染，真空系統(tǒng)中殘留的氣體雜質(zhì)等因素。(掌握)影響薄膜厚度的均勻性因素：蒸發(fā)源的形狀，蒸發(fā)源與襯底之間的距離和角度，襯底的尺寸及其表面的情況，沉積過程中的陰影效應等。（理解）薄膜沉積的方向性和陰影效應.物質(zhì)蒸發(fā)過程中，被蒸發(fā)原子的運動具有明顯的方向性。.蒸發(fā)原子運動的方向性對沉積的薄膜的均勻性以及其微觀組織都會產(chǎn)生影響。3).物質(zhì)的蒸發(fā)源有不同形狀。襯底較遠，尺寸較小的蒸發(fā)源可以被認為是點蒸發(fā)源。 設想被蒸發(fā)的物質(zhì)是由表面積為Ae的小球面上均勻地發(fā)射出來的。第三章1.濺射鍍膜的特點（掌握但不用背）（1）對于任何待鍍材料，只要能作成靶材，就可實現(xiàn)濺射（2）濺射所獲得的薄膜與基片結(jié)合較好（3）濺射所獲得的薄膜純度高，致密性好（4）濺射工藝可重復性好，可以在大面積襯底上獲得厚度均勻的薄膜（優(yōu)點）與蒸發(fā)法相比：適用范圍廣，濺射出來的原子能量高，成膜質(zhì)量好，得到薄膜性能和均勻性好。建設法成分偏離比較少，適合制備合金薄膜。輝光放電的物理基礎:.靶材是需要被濺射的物質(zhì)，作為陰極，相對陽極加數(shù)千伏電壓，在真空室內(nèi)充入Ar氣，在電極間形成輝光放電。.輝光放電過程中，將產(chǎn)生Ar離子，陰極材料原子，二次電子，光子等。輝光放電過程（理解）：通過混合氣體中加直流電壓、或射頻電壓，混合氣體中的電子被電場加速，穿過混合氣體，與氣體原子或分子碰撞并激發(fā)他們，受激的原子、或離子返回其最低能級時，以發(fā)射光（或聲子）的形式將能量釋放出來。等離子體：等離子體是一種中性、高能量、離子化的氣體，包含中性原子或分子、原子團、帶電離子和自由電子。作用：EQ\o\ac(○,1)、提供發(fā)生在襯底表面的氣體反應所需要的大部分能量EQ\o\ac(○,2)、通過等離子刻蝕選擇性地去處金屬濺射產(chǎn)額：被濺射出來的原子個數(shù)與入射離子數(shù)之比。其影響因素：入射能量，入射離子種類，濺射物質(zhì)種類及入射離子的入射角度。直流濺射裝置及特性工作原理：1).當加上直流電壓后，輝光放電開始，正離子打擊靶面，靶材表面的中性原子濺射出，這些原子沉積在襯底上形成薄膜。2).在離子轟擊靶材的同時，也有大量二次電子從陰極靶發(fā)射出來，被電場加速向襯底運動，在運動過程中，與氣體原子碰撞又產(chǎn)生更多的離子，更多的離子轟擊靶材又釋放出更多的電子，從而使輝光放電達到自持。3).氣體壓強太低或陰-陽極距離太短，二次電子達到陽極之前不能有足夠多的離化碰撞發(fā)生。反之所產(chǎn)生的離子會因非彈性碰撞而減速，打擊靶材時不會產(chǎn)生足夠的二次電子。另外濺射出來的靶材原子在飛向襯底的過程中將會受到過多散射，在襯底上的沉積速率反而下降。4).直流濺射若要保持一定的濺射速率，就必須一定的工作電流，要求靶材為金屬靶。若是導電性差的靶材，在離子轟擊過程中，正電荷便會積累在靶材表面。（重點）磁控濺射鍍膜的基本原理：在濺射裝置中引入磁場，磁場的作用使電子不再做平行直線運動，而是圍繞磁力線做螺旋運動，這就意味著電子的運動路徑由于磁場的作用而大幅度地增加，從而有效地提高了氣體的離化效率和薄膜的沉積速率。優(yōu)點：與直流濺射，射頻濺射相比，其薄膜沉積速率高，工作壓力較低等。缺點：存在對靶材的濺射不均勻性，不適合于鐵磁性材料的濺射，溫度升高等。應用領域：如制備金屬薄膜，合金薄膜，C薄膜，SiO4薄膜等。7.濺射與蒸發(fā)的比較第四章（概念）CVD是利用汽態(tài)的先驅(qū)反應物，通過原子分子間化學反應的途徑生成固態(tài)薄膜的技術。（重點）邊界層：當氣體流動速度受到襯底表面得影響或器壁的影響速度下降，到襯底表面降為零，存在一個速度梯度和濃度梯度的構(gòu)鍍層空間。對CVD的影響：影響反應物與反應副產(chǎn)物的輸運過程，限制薄膜沉積速率。方法：提高Re，可以降低邊界層的厚度，促進化學反應和提高沉積速度。但Re的增加受到一定限制，Re過高會影響沉積的均勻性。（掌握）CVD分：表面反應速率控制的CVD和質(zhì)量輸運控制的CVD。表面反應速率控制的CVD：薄膜的沉積速率是由表面反應速率控制的，那么襯底的溫度對沉積速率有比較大的影響，因為表面化學反應對溫度的變化非常敏感。當溫度升高時，反應速率增加，薄膜的沉積速率加快。當溫度升高到一定程度時，由于反應速度的加快，輸運到表面的反應劑的數(shù)量低于表面反應所需的數(shù)量，這時沉積速率轉(zhuǎn)為由質(zhì)量輸運控制，反應速度不再隨溫度變化而變化。質(zhì)量輸運控制的CVD：質(zhì)量輸運過程是通過氣體擴散完成的，擴散速度與氣體的擴散系數(shù)和邊界層內(nèi)的濃度梯度有關。質(zhì)量輸運速率控制的薄膜沉積速率與主氣流速度的平方根成正比，增加氣流速度可以提高薄膜沉積速率，當氣流速率大到一定程度時，薄膜的沉積速率達到一穩(wěn)定值不再變化。沉積速率轉(zhuǎn)變?yōu)橛杀砻娣磻俣瓤刂?。（掌握影響兩者的因素和兩者之間互相轉(zhuǎn)換）CVD反應室的熱源薄膜的沉積溫度一般都高于室溫CVD的反應加熱器可分為熱壁還是冷壁反應。反應室器壁溫度TW，放置硅片的襯底溫度TS當TW=TS，稱做熱壁CVD系統(tǒng)當TW<TS，稱做冷壁CVD系統(tǒng)熱璧反應不僅加熱襯底還加熱反應室的器壁。冷璧反應只加熱襯底，不加熱反應室器壁或用冷卻水冷卻器壁。抑制吸熱反應的反應產(chǎn)物在器壁上形成沉積物，采用冷壁反應；控制放熱反應在器壁上形成沉積物，采用熱壁反應。（掌握兩個系統(tǒng)的特點和應用領域）5.（掌握）APCVD和LPCVD與APCVD比，LPCVD薄膜的沉積速率高，膜性能好，成本低。（掌握）PECVD的反應氣壓與LPCVD的氣壓差不多（5-500Pa），但PECVD的沉積溫度比LPCVD的沉積溫度低很多。如LPCVD沉積Si3N4的溫度800-900C，而用PECVD只需350C。（作比較，一般先答出各個反應原理，再答PECVD的好處；一般從成膜速率，溫度，成膜質(zhì)量方面考慮）（掌握PECVD特點，應用，鍍膜原理）PECVD使用輝光放電等離子體的能量來產(chǎn)生并維持化學反應。因為等離子體可以促進氣體分子的分解、化合、激發(fā)和電離過程，促進反應活性基團的形成，因而顯著降低了反應沉積溫度。PECVD的射頻電場可以分為電容耦合和電感耦合。第五章薄膜生長過程（理解）：在薄膜形成的最初階段，一些氣態(tài)的原子或分子開始凝聚到襯底上，從而開始了所謂的形核階段。由于熱漲落的作用，原子到達襯底表面的最初階段，在襯底上成了均勻細小、而且可以運動的原子團（島或核）。當這些島或核小于臨界成核尺寸時，可能會消失也可能長大；而當它大于臨界成核尺寸時，就可能接受新的原子而逐漸長大。一旦大于臨界核心尺寸的小島形成，它接受新的原子而逐漸長大，而島的數(shù)目則很快達到飽和。小島像液珠一樣互相合并而擴大，而空出的襯底表面上又形成了新的島。形成與合并的過程不斷進行，直到孤立的小島之間相互連接成片，一些孤立的孔洞也逐漸被后沉積的原子所填充，最后形成薄膜。薄膜生長的三種模式：島狀、層狀和層狀-島狀生長模式三種不同薄膜生長模式的示意圖：1、雖然開始時的生長是外延式的層狀生長，但是由于薄膜與襯底之間晶格常數(shù)不匹配，因而隨著沉積原子層的增加，應變能（應力）逐漸增加。為了松弛這部分能量，薄膜在生長到一定厚度之后，生長模式轉(zhuǎn)化為島狀模式。2、在Si的（111）晶面上外延生長GaAs,由于第一層擁有五個價電子的As原子不僅將使Si晶體表面的全部原子鍵得到飽和，而且As原子自身也不再傾向于與其他原子發(fā)生鍵合。這有效地降低了晶體的表面能，使得其后的沉積過程轉(zhuǎn)變?yōu)槿S的島狀生長。3、在層狀外延生長表面是表面能比較高的晶面時，為了降低表面能，薄膜力圖將暴露的晶面改變?yōu)榈湍苊?，因此薄膜在生長到一定厚度之后，生長模式會由層狀模式向島狀模式轉(zhuǎn)變。注：在上述三種模式轉(zhuǎn)換機理中，開始的時候?qū)訝钌L的自由能較低；但其后，島狀生長的自由能變低了，島狀生長反而變得更有利了。3.新相的成核過程可以被分為兩種類型：1.自發(fā)成核：所謂自發(fā)成核指的是整個形核過程完全是在相變自由能的推動下進行的；2.非自發(fā)成核：非自發(fā)形核指的是除了有相變自由能作推動力之外，還有其他的因素 起到了幫助新相核心生成的作用。4.在大多數(shù)固體相變過程中，涉及的成核過程都是非自發(fā)成核的過程，即有其他的因素起到了幫助新相核心的生成。形核率是在單位面積上，單位時間內(nèi)形成的臨界核心的數(shù)目。新相形成所需要的原子可能來自：(1)氣相原子的直接沉積；(2)襯底表面吸附原子沿表面的擴散。在形核最初階段，已有的核心數(shù)極少，因而后一可能性應該是原子來源的主要部分，即形核所需的原子主要來自擴散來的表面吸附原子。沉積來的氣相原子將被襯底所吸附，其中一部分將會返回氣相中，另一部分將由表面擴散到達已有的核心處，使得該核心得以長大。5.薄膜沉積速率R和襯底溫度T是影響薄膜沉積過程的最重要的兩個因素。結(jié)論：隨著薄膜沉積速率R的提高，薄膜臨界核心半徑和臨界核心自由能均隨之降低，因此高的沉積速率將會導致高的成核速率和細密的薄膜組織。結(jié)論：隨著溫度上升，新相臨界核心半徑增加，臨界核心自由能也越高，新相核心的形成較困難；因此高溫時，首先形成粗大的島狀薄膜組織。低溫時，臨界形核自由能下降，形成的核心數(shù)目增加，有利于