薄膜材料制備原理、技術(shù)及應(yīng)用知識點

1、薄膜材料制備原理、技術(shù)及應(yīng)用知識點 微觀永遠大于宏觀你永遠大于人類今天永遠大于永遠純屬個人行為，僅供參考勿刪一、 名詞解釋1.氣體分子的平均自由程:自由程是指一個分子與其它分子相繼兩次碰撞之間，經(jīng)過的直線路程。對個別分子而言，自由程時長時短，但大量分子的自由程具有確定的統(tǒng)計規(guī)律。氣體分子相繼兩次碰撞間所走路程的平均值。2.物理氣相沉積（PVD）：物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition，PVD)技術(shù)表示在真空條件下，采用物理方法，將材料源固體或液體表面氣化成氣態(tài)原子、分子或部分電離成離子，并通過低壓氣體(或等離子體)過程，在基體表面沉積具有某種特殊功能的薄膜的技術(shù)。 物

2、理氣相沉積的主要方法有，真空蒸鍍、濺射鍍膜、電弧等離子體鍍、離子鍍膜，及分子束外延等。發(fā)展到目前，物理氣相沉積技術(shù)不僅可沉積金屬膜、合金膜、還可以沉積化合物、陶瓷、半導體、聚合物膜等。 3.化學氣相沉積（CVD）：化學氣相沉積(Chemical vapor deposition，簡稱CVD)是反應(yīng)物質(zhì)在氣態(tài)條件下發(fā)生化學反應(yīng)，生成固態(tài)物質(zhì)沉積在加熱的固態(tài)基體表面，進而制得固體材料的工藝技術(shù)。它本質(zhì)上屬于原子范疇的氣態(tài)傳質(zhì)過程。4.等離子體鞘層電位：等離子區(qū)與物體表面的電位差值Vp即所謂的鞘層電位。在等離子體中放入一個金屬板，由于電子和離子做熱運動，而電子比離子的質(zhì)量小，熱速度就比離子大，先到達

3、金屬板，這樣金屬板帶上負電，板附近有一層離子，于是形成了一個小局域電場，該電場加速了離子，減速電子，最終穩(wěn)定了以后，就形成了鞘層結(jié)構(gòu)，該金屬板穩(wěn)定后具有一個電勢，稱為懸浮電位。 5.濺射產(chǎn)額：即單位入射離子轟擊靶極濺出原子的平均數(shù)，與入射離子的能量有關(guān)。6.自偏壓效應(yīng)：在射頻電場起作用的同時，靶材會自動地處于一個負電位下，導致氣體離子對其產(chǎn)生自發(fā)的轟擊和濺射。7.磁控濺射：在二極濺射中增加一個平行于靶表面的封閉磁場，借助于靶表面上形成的正交電磁場，把二次電子束縛在靶表面特定區(qū)域來增強電離效率，增加離子密度和能量，從而實現(xiàn)高速率濺射的過程。8.離子鍍：在真空條件下，利用氣體放電使氣體或被蒸發(fā)物部

4、分離化，產(chǎn)生離子轟擊效應(yīng)，最終將蒸發(fā)物或反應(yīng)物沉積在基片上。結(jié)合蒸發(fā)與濺射兩種薄膜沉積技術(shù)而發(fā)展的一種 PVD方法。9.離化率：被離化的原子數(shù)與被蒸發(fā)氣化的原子數(shù)之比稱為離化率.一般離化裝置的離化率僅為百分之幾,離化率較高的空心陰極法也僅為2040% 10.等離子體輔助化學氣相沉積（PECVD）技術(shù)：是一種用等離子體激活反應(yīng)氣體,促進在基體表面或近表面空間進行化學反應(yīng),生成固態(tài)膜的技術(shù)。等離子體化學氣相沉積技術(shù)的基本原理是在高頻或直流電場作用下，源氣體電離形成等離子體，利用低溫等離子體作為能量源，通入適量的反應(yīng)氣體，利用等離子體放電，使反應(yīng)氣體激活并實現(xiàn)化學氣相沉積的技術(shù)。11.外延生長：在單

5、晶襯底（基片）上生長一層有一定要求的、與襯底晶向相同的單晶層，猶如原來的晶體向外延伸了一段，故稱外延生長。12.薄膜附著力:薄膜對襯底的黏著能力的大小，即薄膜與襯底在化學鍵合力或物理咬合力作用下的結(jié)合強度。二、 填空：1、 當環(huán)境中元素的分壓降低到了其平衡蒸氣壓之下時，元素發(fā)生凈蒸發(fā)。反之，元素發(fā)生凈沉積。2、 在直流放電系統(tǒng)中，氣體放電通常要經(jīng)過湯生放電階段、輝光放電階段和弧光放電階段三個放電過程，其中濺射法制備薄膜主要采用輝光放電階段所產(chǎn)生的大量等離子體來形成濺射。3、 濺射僅是離子轟擊物體表面時發(fā)生的物理過程之一，不同能量的離子與固體表面相互作用的過程不同，不僅可以實現(xiàn)對物質(zhì)原子的濺射，

6、還可以在固體表面形成沉積現(xiàn)象和離子注入現(xiàn)象。4、 濺射法所采有的放電氣體多為Ar氣，主要原因是惰性氣體做為入射離子時，物質(zhì)濺射產(chǎn)額高，從經(jīng)濟方面考慮，多使用Ar做為濺射氣體。5、 直流濺射要求靶材具有良好的導電性，否則靶電流過小，靶電壓過高，而射頻濺射方法以交流電源提供高頻電場，高頻電場可經(jīng)由其它阻抗形式進入沉積室，不再要求電極一定是導電體，使濺射過程擺脫對靶材導電性的要求。6、 磁控濺射存在的缺點。1、磁控濺射所利用的環(huán)狀磁場迫使二次電子跳欄式地沿著環(huán)狀磁場轉(zhuǎn)圈。相應(yīng)地，環(huán)狀磁場控制的區(qū)域是等離子體密度最高的部位。在磁控濺射時，可以看見濺射氣體氬氣在這部位發(fā)出強烈的淡藍色輝光，形成一個光環(huán)。

7、處于光環(huán)下的靶材是被離子轟擊最嚴重的部位，會濺射出一條環(huán)狀的溝槽。環(huán)狀磁場是電子運動的軌道，環(huán)狀的輝光和溝槽將其形象地表現(xiàn)了出來。磁控濺射靶的濺射溝槽一旦穿透靶材，就會導致整塊靶材報廢，所以靶材的利用率不高，一般低于40； 2、等離子體不穩(wěn)定； 3、不能實現(xiàn)強磁性材料的低溫高速濺射，因為幾乎所有的磁通都通不過磁性靶子，所以在靶面附近不能加外加強磁場7、 要想得到粗大甚至是單晶結(jié)構(gòu)的薄膜，一個必要的條件往往是需要適當?shù)奶岣叱练e的溫度，并降低沉積的速率。反之，低溫條件和沉積速率增加將使得薄膜組織的晶粒發(fā)生細化。8、 在薄膜沉積的最初階段，先要有新相核心的形成。新相的形核過程可以被分為兩種類型，即自

8、發(fā)形核與非自發(fā)形核。自發(fā)形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，而自發(fā)形核則指的是除了有相變自由能作推動力外，還有其它因素起著幫助新相核心生成的作用。自發(fā)形核一般只發(fā)生在一些精心控制的過程之中，在薄膜與襯底之間浸潤性較差的情況下，薄膜的形核過程可近似認為是一個自發(fā)形核過程；在大多數(shù)相變過程中，形核的過程都是非自發(fā)的，新相的核心將首先出現(xiàn)在那些能量比較有利的位置上。9、 薄膜在沉積過程中，原子最容易被表面能較高的表面所吸引，凝聚到非密排面上，因而在非密排晶面上，薄膜的沉積速率最高，而在其它的晶面上，薄膜的沉積速率較低。10、 外延薄膜的生長方式。產(chǎn)生這兩種不同生長模式的主要原因是

9、原子在薄膜表面具有不同的擴散能力。當原子的擴散能力較高，其平均擴散距離大于臺階的平均間距時，薄膜將采取臺階流動式的生長模式。否則，薄膜只能采取二維形核式的生長模式。11、 金屬有機化學氣相沉積的優(yōu)點和應(yīng)用。優(yōu)點：混合后通入反應(yīng)腔，混合氣體流經(jīng)加熱的襯底表面時，在襯底表面發(fā)生熱分解反應(yīng)，并外延生長成化合物單晶薄膜。與其他外延生長技術(shù)相比，MOCVD 技術(shù)有著如下優(yōu)點： 1用于生長化合物半導體材料的各組分和摻雜劑都是以氣態(tài)的方式通入反應(yīng)室，因此，可以通過精確控制氣態(tài)源的流量和通斷時間來控制外延層的組分、摻雜濃度、厚度 等?？梢杂糜谏L薄層和超薄層材料。2反應(yīng)室中氣體流速較快。因此，在需要改 變多元

10、化合物的組分和摻雜濃度時，可以迅速進行改變，減小記憶效應(yīng)發(fā)生的可能性。 這有利于獲得陡峭的界面，適于進行異質(zhì)結(jié)構(gòu)和超晶格、量子阱材料的生長。3晶體生長是以熱解化學反應(yīng)的方式進行的，是單溫區(qū)外延生長。只要控制好反應(yīng)源氣流和 溫度分布的均勻性， 就可以保證外延材料的均勻性。 因此， 適于多片和大片的外延生長， 便于工業(yè)化大批量生產(chǎn)。4通常情況下，晶體生長速率與族源的流量成正比，因此，生長速率調(diào)節(jié)范圍較廣。較快的生長速率適用于批量生長。5使用較靈活，非常適合于生長各種異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。原則上只要能夠選擇合適的原材料就可以進行包含該元素的材料的 MOCVD 生長。而可 供選擇作為反應(yīng)源的金屬有機化合物種類

11、較多，性質(zhì)也有一定的差別。6由于對真 空度的要求較低，反應(yīng)室的結(jié)構(gòu)較簡單。7生長易于控制，隨著檢測技術(shù)的發(fā)展，可以對 MOCVD 的生長過程進行在位監(jiān)測。MOCVD 的應(yīng)用范圍MOCVD 主要功能在於沉積高介電常數(shù)薄膜,可隨著 precursor 的更換,而沉積出不同種類的薄膜.對於 LED 來說,LED 晶片由不同半導體材料的多層次架構(gòu)構(gòu)成,這些材料放在一個裝入金屬有機化學氣相沉積 系統(tǒng)的圓形晶片上.這個過程叫做晶體取向附生,對於決定 LED 的性能特徵并因此影響白光 LED 的裝倉 至關(guān)重要. MOCVD 應(yīng)用的范圍有: 1, 鈣鈦礦氧化物如 PZT,SBT,CeMnO2 等; 2, 鐵電

12、薄膜; 3, ZnO 透明導電薄膜,用於藍光 LED 的 n-ZnO 和 p-ZnO,用於 TFT 的 ZnO,ZnO 納米線; 4, 表面聲波器件 SAW(如 LiNbO3 等,; 5, 三五族化合物如 GaN,GaAs 基發(fā)光二極體(LED),雷射器(LD)和探測器; 6, MEMS 薄膜; 7, 太陽能電池薄膜; 8, 銻化物薄膜; 9, YBCO 高溫超導帶; 10, 用於探測器的 SiC,Si3N4 等寬頻隙光電器件 MOCVD 對鍍膜成分,晶相等品質(zhì)容易控制,可在形狀復(fù)雜的基材,襯底,上形成均勻鍍膜,結(jié)構(gòu)密致, 附著力良好之優(yōu)點,因此 MOCVD 已經(jīng)成為工業(yè)界主要的鍍膜技術(shù).MO

13、CVD 制程依用途不同,制程設(shè)備 也有相異的構(gòu)造和型態(tài).MOCVD 近來也有觸媒制備及改質(zhì)和其他方面的應(yīng)用,如制造超細晶體和控制觸 媒得有效深度等.在可預(yù)見的未來裏,MOCVD 制程的應(yīng)用與前景是十分光明的.12、 分子束外延的定義和應(yīng)用定義：分子束外延是一種新的晶體生長技術(shù)，簡記為MBE。其方法是將半導體襯底放置在超高真空腔體中，和將需要生長的單晶物質(zhì)按元素的不同分別放在噴射爐中（也在腔體內(nèi)）。由分別加熱到相應(yīng)溫度的各元素噴射出的分子流能在上述襯底上生長出極薄的（可薄至單原子層水平）單晶體和幾種物質(zhì)交替的超晶格結(jié)構(gòu)。應(yīng)用：MBE作為一種高級真空蒸發(fā)形式，因其在材料化學組分和生長速率控制等方面

14、的優(yōu)越性，非常適合于各種化合物半導體及其合金材料的同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)外延生長，并在技術(shù)半導體場效應(yīng)晶體管（MESFET）、高電子遷移率晶體管（HEMT）、異質(zhì)結(jié)構(gòu)場效應(yīng)晶體管(HFET)、異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）等微波、毫米波器件及電路和光電器件制備中發(fā)揮了重要作用。近幾年來，隨著器件性能要求的不斷提高，器件設(shè)計正向尺寸微型化、結(jié)構(gòu)新穎化、空間低維化、能量量子化方向發(fā)展。MBE作為不可缺少的工藝和手段，正在二維電子氣（2DEG）、多量子阱（QW）和量子線、量子點等到新型結(jié)構(gòu)研究中建立奇功。MBE的未來發(fā)展趨勢就是進一步發(fā)展和完善MEE和GS-MBE。三、 分析簡答1、根據(jù)流導C、真空泵抽速Sp的

15、定義，分析說明實際真空系統(tǒng)中實際抽速S受Sp和C二者較小的值所限制。真空系統(tǒng)中，氣體的通過能力稱之為流導C, 表示氣體流動的難易程度。流導的大小隨氣體的流動狀態(tài)和管道的形狀的不同而不同。在粘滯狀態(tài)下，氣體分子間的碰撞是主要的，氣體的壓強的作用較為有效，氣體容易通過，故流導大；與此相反在分子流狀態(tài)下，氣體分子間的碰撞可以忽略，氣體壓強作用較小，所以流導小。抽速：抽氣速率，指在規(guī)定的壓力下單位時間內(nèi)所抽出氣體的體積（理論抽速）真空泵的抽速Sp與管路的流導C有著相同的物理量綱，且二者對維持系統(tǒng)的真空度起著同樣重要的作用。使用一臺抽速為Sp的泵通過流導C抽除真空容器中的氣體，由于各處流量相等，有：所以

16、真空泵出口處實際抽速S降低為：即真空泵的實際抽速S永遠小于泵的理論抽速Sp，且永遠小于管路流導C。即S受Sp和C二者中較小的一個所限制。所以設(shè)計真空系統(tǒng)的一個基本原則就是要保證管路的流導C大于真空泵的理論抽速Sp2、利用理想溶液的拉烏爾定律分析利用熱蒸發(fā)的方法制備合金薄膜時引起成分偏差的原因。當AB二元合金組成理想溶液時（即A-A與A-B或B-B原子間的作用能相等）, 由拉烏爾(Raoult)定律，合金中組元B的平衡蒸氣壓pB將正比于純組元B的平衡蒸氣壓pB(0)和該組元的摩爾分數(shù)xB pB=xB pB(0) 因而，A、B兩組元的平衡蒸氣壓之比為 pA/pB=xApA(0)/xBpB(0)對實

17、際混合物, 或多或少地偏離上述理想情況，故拉烏爾(Raoult)定律變?yōu)?pB= BxB pB(0)=aBpB(0) aB 、 B分別為組元B在合金中的活度和活度系數(shù)。所以合金兩組元A、B的蒸發(fā)速率之比為：因此即使對于理想溶液，合金中兩組元的蒸氣壓之比或蒸發(fā)速率之比都將不同于合金中的組元含量之比。3、離子鍍制備薄膜時所發(fā)生的物理過程：離子鍍在真空條件下，利用氣體放電使氣體或被蒸發(fā)物部分離化，產(chǎn)生離子轟擊效應(yīng)，最終將蒸發(fā)物或反應(yīng)物沉積在基片上。結(jié)合蒸發(fā)與濺射兩種薄膜沉積技術(shù)而發(fā)展的一種 PVD方法其過程為：1產(chǎn)生輝光；2蒸發(fā)離化；3被加速；4沉積成膜與蒸發(fā)，濺射的比較，離子束鍍增加了對沉積束團的

18、控制；與基片結(jié)合良好；在低溫下可實現(xiàn)外延生長；形貌可變；可合成化合物；可在低溫襯底沉積，避免高溫引起的擴散1-高壓負極 2-接地屏蔽 3-基片 4-等離子體 5-擋板 6-蒸發(fā)源 7-氣體入口 8-接真空圖3-48 離子鍍原理示意圖（一） 離子鍍原理和特點離子鍍的粒子繞射性離子鍍的工作氣壓約10-1Pa，比普通的真空蒸鍍10-4高，所以蒸發(fā)原子的平均自由程低，散射嚴重，所以繞射性好。 在氣體放電的離子鍍中，沉積粒子呈現(xiàn) 正電性，從而受到處于負電位的基片的吸引作用。離子鍍的粒子繞射性提高薄膜對于復(fù)雜外形表面的覆蓋能力。4、化學氣相沉積的動力學過程：化學氣相沉積過程的各個環(huán)節(jié)可以劃歸為兩個階段:(

19、1) 氣體傳輸、氣相反應(yīng)階段；(2) 表面吸附、表面反應(yīng)階段。在氣相傳輸與氣相反應(yīng)階段，主要涉及了氣體的宏觀流動、氣體分子的擴散以及氣相內(nèi)的化學反應(yīng)三個基本過程；在后一階段中，主要涉及氣體分子的表面吸附與脫附、表面擴散以及表面化學反應(yīng)并形成薄膜微觀結(jié)構(gòu)三個微觀過程。5、 實驗觀察到的薄膜生長模式可以被劃分為以下三種：島狀、層狀和層狀-島狀生長模式島狀生長(Volmer-Weber)模式 ：被沉積物質(zhì)的原子或分子更傾向于自己相互鍵合起來，而避免與襯底原子鍵合，即被沉積物質(zhì)與襯底之間的浸潤性較差；金屬在非金屬襯底上生長大都采取這種模式。對很多薄膜與襯底的組合來說，只要沉積溫度足夠高，沉積的原子具有

20、一定的擴散能力，薄膜的生長就表現(xiàn)為島狀生長模式。層狀生長（Frank-van der Merwe)模式：當被沉積物質(zhì)與襯底之間浸潤性很好時，被沉積物質(zhì)的原子更傾向于與襯底原子鍵合。因此，薄膜從形核階段開始即采取二維擴展模式，沿襯底表面鋪開。在隨后的過程中薄膜生長將一直保持這種層狀生長模式。層狀-島狀(Stranski-Krastanov)生長模式： 在層狀-島狀中間生長模式中，在最開始一兩個原子層厚度的層狀生長之后，生長模式轉(zhuǎn)化為島狀模式。導致這種模式轉(zhuǎn)變的物理機制比較復(fù)雜，但根本的原因應(yīng)該可以歸結(jié)為薄膜生長過程中各種能量的相互消長。6、 襯底溫度和沉積速率對形核過程和薄膜組織結(jié)構(gòu)的影響：薄膜

21、沉積速率R與襯底溫度T是影響薄膜沉積過程和薄膜組織的最重要的兩個因素。薄膜沉積速率越高，薄膜臨界核心半徑與臨界形核自由能降低，因而高的沉積速率將會導致高的沉積速率和細密的薄膜組織。而襯底溫度越高，需要形成的臨界核心的尺寸越大，形核的臨界自由能勢壘也越高，因而高溫沉積的薄膜往往首先形成粗大的島狀組織，而低溫時，臨界形核自由能下降，形成的核心數(shù)目增加，有利于形成晶粒細小而連續(xù)的薄膜組織。7、 薄膜應(yīng)力的定義及產(chǎn)生原因：薄膜應(yīng)力指的是存在于薄膜任意斷面上，由斷面一側(cè)作用于斷面另一側(cè)的單位面積上的力。一般情況下，即使在沒有任何外力作用的情況下，薄膜中也總存在著應(yīng)力，稱之為內(nèi)應(yīng)力或殘余應(yīng)力。薄膜中應(yīng)力的

22、產(chǎn)生通常可依據(jù)薄膜應(yīng)力產(chǎn)生的根源，分為熱應(yīng)力和生長應(yīng)力。熱應(yīng)力是由于薄膜與襯底材料的線膨脹系數(shù)不同和溫度變化引起的薄膜的應(yīng)力；薄膜的生長應(yīng)力又稱為本征應(yīng)力，是由于薄膜結(jié)構(gòu)的非平衡性所導致的薄膜內(nèi)應(yīng)力。8、 薄膜與襯底之間的界面可分為以下四種類型：（1） 平界面：在這類界面上，物質(zhì)從一種類型突變?yōu)榱硪环N類型，兩側(cè)原子之間缺少相互擴散，薄膜附著力較差。（2） 形成化合物的界面：在界面兩側(cè)原子間作用力較強時，界面原子之間將發(fā)生化學反應(yīng)并生成化合物，界面有一層適當厚度的化合物過渡層，提高界面附著力，但同時由于一般化合物脆性比較大，界面易發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。（3） 合金的擴散界面：在界面兩側(cè)元素間相互擴散

23、、溶解形成合金的情況下，界面成分將呈現(xiàn)梯度變化，使界面具有良好的附著力。（4） 機械咬合界面：在界面粗糙程度較大、界面元素之間不發(fā)生明顯擴散的情況下，界面兩側(cè)的物質(zhì)以其凹凸不平的表面相互咬合，此時界面的附著力完全取決于界面的形態(tài)和界面應(yīng)力，界面高粗糙度及一定壓應(yīng)力有助于提高界面附著力。9、 介紹幾種薄膜厚度的測量方法，并簡單說明測量依據(jù)。一、 薄膜厚度的光學測量方法1、 不透明薄膜厚度測量的等厚干涉和等色干涉法等厚干涉法先在薄膜上制備出一個臺階，再在薄膜的臺階上、下均勻沉積一層高反射膜。在單色光照射下參考玻璃下表面與薄膜上表面的反射光的光程差為：測出條紋間隔0同理，玻璃下表面與襯底上表面反射光的光程差為：在臺