薄膜物理與技術(shù)要點總結(jié)

1、第一章最可幾速率：根據(jù)麥克斯韋速率分布規(guī)律，可以從理論上推得分子速率在處有極大值，稱為最可幾速率,Vm速度分布平均速度:，分子運動平均距離均方根速度:平均動能真空的劃分：粗真空、低真空、高真空、超高真空。真空計：利用低壓強氣體的熱傳導(dǎo)和壓強有關(guān)； (熱偶真空計)利用氣體分子電離；（電離真空計）真空泵：機械泵、擴散泵、分子泵、羅茨泵機械泵：利用機械力壓縮和排除氣體擴散泵：利用被抽氣體向蒸氣流擴散的想象來實現(xiàn)排氣作用分子泵：前級泵利用動量傳輸把排氣口的氣體分子帶走獲得真空。平均自由程：每個分子在連續(xù)兩次碰撞之間的路程稱為自由程；其統(tǒng)計平均值成為平均自由程。常用壓強單位的換算 1Torr=133.3

2、22 Pa 1 Pa=7.510-3 Torr 1 mba=100Pa 1atm=1.013*100000Pa真空區(qū)域的劃分、真空計、各種真空泵粗真空 1105 to 1102 Pa 低真空 1102 to 110-1 Pa 高真空 110-1 to 110-6 Pa 超高真空 110-6 Pa旋轉(zhuǎn)式機械真空泵 油擴散泵 復(fù)合分子泵 屬于氣體傳輸泵，即通過氣體吸入并排出真空泵從而達到排氣的目的 分子篩吸附泵 鈦升華泵 濺射離子泵 低溫泵屬于氣體捕獲泵，即通過各種吸氣材料特有的吸氣作用將被抽氣體吸除，以達到所需真空。不需要油作為介質(zhì)，又稱為無油泵絕對真空計： U型壓力計、壓縮式真空計相對真空計：

3、 放電真空計、熱傳導(dǎo)真空計、電離真空計機械泵、擴散泵、分子泵的工作原理，真空計的工作原理第二章1.什么是飽和蒸氣壓？蒸發(fā)溫度？飽和蒸氣壓：在一定溫度下，真空室內(nèi)蒸發(fā)物質(zhì)的蒸氣與固體或液體平衡過程中所表現(xiàn)出的壓力蒸發(fā)溫度：物質(zhì)在飽和蒸氣壓為10-2托時的溫度。2.克-克方程及其意義？克-克方程，可以知道飽和蒸氣壓和溫度的關(guān)系，對于薄膜的制作技術(shù)有重要實際意義, 幫助我們合理地選擇蒸發(fā)材料和確定蒸發(fā)條件.3.蒸發(fā)速率、溫度變化對其的影響？根據(jù)氣體分子運動論，在氣體壓力為P時，單位時間內(nèi)碰撞單位面積器壁上的分子數(shù)量，即碰撞分子流量（通量或蒸發(fā)速率）J：在蒸發(fā)源以上溫度蒸發(fā)，蒸發(fā)源溫度的微小變化即可以

4、引起蒸發(fā)速率發(fā)生很大變化。4.平均自由程與碰撞幾率的概念？ 氣體分子處于不規(guī)則的熱運動狀態(tài)，每個氣體分子在連續(xù)兩次碰撞之間的路程稱為“自由程”，其統(tǒng)計平均值稱為“平均自由程”?；蛘?粒子在兩次碰撞之間所飛行的平均距離稱為蒸發(fā)分子的平均自由程。蒸發(fā)材料分子能與真空室中殘余氣體分子相互碰撞的數(shù)目占總的蒸發(fā)材料分子的百分?jǐn)?shù)。熱平衡條件下，單位時間通過單位面積的氣體分子數(shù)為氣體分子對基板的碰撞率。7.MBE的特點？外延: 在一定的單晶材料襯底上，沿襯底某個指數(shù)晶面向外延伸生長一層單晶薄膜。1) MBE可以嚴(yán)格控制薄膜生長過程和生長速率。MBE雖然也是以氣體分子論為基礎(chǔ)的蒸發(fā)過程，但它并不以蒸發(fā)溫度為控

5、制參數(shù)，而是以四極質(zhì)譜、原子吸收光譜等近代分析儀器，精密控制分子束的種類和強度。2) MBE是一個超高真空的物理淀積過程，即不需要中間化學(xué)反應(yīng)，又不受質(zhì)量輸運的影響，利用快門可對生長和中斷進行瞬時控制。薄膜組成和摻雜濃度可以隨源的變化作迅速調(diào)整。3) MBE的襯底溫度低，降低了界面上熱膨脹引入的晶格失配效應(yīng)和襯底雜質(zhì)對外延層自摻雜擴散的影響。4) MBE是一個動力學(xué)過程，即將入射的中性粒子（原子或分子）一個一個地堆積在襯底上進行生長，而不是一個熱力學(xué)過程，所以它可以生長普通熱平衡生長難以生長的薄膜。5) MBE生長速率低，相當(dāng)于每秒生長一個單原子層，有利于精確控制薄膜厚度、結(jié)構(gòu)和成分，形成陡峭

6、的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。特別適合生長超晶格材料。6) MBE在超高真空下進行，可以利用多種表面分析儀器實時進行成分、結(jié)構(gòu)及生長過程分析，進行科學(xué)研究。8.膜厚的定義？監(jiān)控方法？ 厚度：是指兩個完全平整的平行平面之間的距離，是一個可觀測到實體的尺寸。理想薄膜厚度：基片表面到薄膜表面之間的距離。由于實際上存在的表面是不平整和不連續(xù)的，而且薄膜內(nèi)部還可能存在著針孔、雜質(zhì)、晶體缺陷和表面吸附分子等，所以要嚴(yán)格的定義和測準(zhǔn)薄膜的厚度實際上比較困難的。膜厚的定義，應(yīng)該根據(jù)測量的方法和目的來決定。 稱重法（微量天平法 石英晶體振蕩法 ） 電學(xué)方法（電阻法 電容法 電離式監(jiān)控記法） 光學(xué)方法（光吸收法 光干涉法 等厚干

7、涉條紋法） 觸針法（差動變壓器法 阻抗放大法 壓電元件法 P50第三章1.濺射鍍膜和真空鍍膜的特點？優(yōu)點：1.任何物質(zhì)都可以濺射，尤其是高熔點、低蒸氣壓元素化合物2.濺射膜和基板的附著性好3.濺射鍍膜密度高，針孔少，且膜層的純度較高4.膜度可控性和重復(fù)性好 缺點：5濺射設(shè)備復(fù)雜，需要高壓裝置；6成膜速率較低（mm）。2.正常輝光放電和異常輝光放電的特征？正常輝光放電：在一定電流密度范圍內(nèi)，放電電壓維持不變。在正常輝光放電區(qū)，陰極有效放電面積隨電流增加而增大，從而使有效區(qū)內(nèi)電流密度保持恒定。異常輝光放電：電流增大時，放電電極間電壓升高，且陰極電壓降與電流密度和氣體壓強有關(guān)。 當(dāng)整個陰極均成為有效

8、放電區(qū)域后，只有增加陰極電流密度，才能增大電流，形成均勻而穩(wěn)定的“異常輝光放電”，并均勻覆蓋基片，這個放電區(qū)就是濺射區(qū)域。3.射頻輝光放電的特點？1.在輝光放電空間產(chǎn)生的電子可以獲得足夠的能量，足以產(chǎn)生碰撞電離；2.由于減少了放電對二次電子的依賴，降低了擊穿電壓；3.射頻電壓可以通過各種阻抗偶合，所以電極可以不是導(dǎo)體材料。4.濺射的概念及濺射參數(shù)？濺射是指荷能粒子轟擊固體表面（靶），使固體原子或者分子從表面射出的現(xiàn)象。1.濺射閾值2.濺射率及其影響因素3.濺射粒子的速度和能量分布4.濺射原子的角度分布5.濺射率的計算5.濺射機理？濺射現(xiàn)象是被電離氣體的離子在電場中加速并轟擊靶面，而將能量傳遞給

9、碰撞處的原子，導(dǎo)致很小的局部區(qū)域產(chǎn)生高溫，使靶材融化，發(fā)生熱蒸發(fā)。 濺射完全是一個動量轉(zhuǎn)移過程 該理論認為，低能離子碰撞靶時，不能直接從表面濺射出原子，而是把動量傳遞給被碰撞的原子，引起原子的級聯(lián)碰撞。這種碰撞沿晶體點陣的各個方向進行。 碰撞因在最緊密排列的方向上最有效，結(jié)果晶體表面的原子從近鄰原子得到越來越多的能量。1.濺射率隨入射離子能量增大而增大，在離子能量達到一定程度后，由于離子注入效應(yīng)，濺射率減??；2.濺射率的大小與入射離子的質(zhì)量有關(guān)；3.當(dāng)入射離子能量小于濺射閾值時，不會發(fā)生濺射；4.濺射原子的能量比蒸發(fā)原子大許多倍；5.入射離子能量低時，濺射原子角度分布不完全符合余弦定律，與入射

10、離子方向有關(guān)；6.電子轟擊靶材不會發(fā)生濺射現(xiàn)象。6.二極直流濺射、偏壓濺射、三極或四極濺射、射頻濺射、磁控濺射、離子束濺射結(jié)構(gòu)及原理？二極直流濺射靶材為良導(dǎo)體,依靠氣體放電產(chǎn)生的正離子飛向陰極靶，一次電子飛向陽極，放電依靠正離子轟擊陰極所產(chǎn)生的二次電子，經(jīng)陰極加速后被消耗補充的一次電子維持。三極或四極濺射: 熱陰極發(fā)射的電子與陽極產(chǎn)生等離子體,靶相對于該等離子體為負電位.為把陰極發(fā)射的電子全部吸引過來，陽極上加正偏壓，20V左右。為使放電穩(wěn)定，增加第四個電極穩(wěn)定化電極.偏壓濺射: 基片施加負偏壓,在淀積過程中，基片表面將受到氣體粒子的穩(wěn)定轟擊，隨時消除可能進入薄膜表面的氣體，有利于提高薄膜純度

11、，并且也可除掉粘除力弱的淀積粒子，對基片進行清洗，表面凈化，還可改變淀積薄膜的結(jié)構(gòu)。射頻濺射: 可以用射頻輝光放電解釋。等離子體中的電子容易在射頻場中吸收能量并在電場內(nèi)振蕩，與工作氣體的碰撞幾率增大，從而使擊穿電壓和放電電壓顯著降低。磁控濺射：使用了磁控靶,施加磁場來改變電子的運動方向，束縛并延長電子運動軌跡，進而提高電子對工作氣體的電離效率和濺射沉積率。在陰極靶的表面上形成一個正交的電磁場。 濺射產(chǎn)生的二次電子在陰極位降區(qū)內(nèi)被加速成為高能電子，但是它并不直接飛向陽極，而在電場和磁場的作用下作擺線運動。高能電子束縛在陰極表面與工作氣體分子發(fā)生碰撞，傳遞能量，并成為低能電子。離子束濺射:離子源、

12、屏蔽罩。由大口徑離子束發(fā)生源引出惰性氣體，使其照射在靶上產(chǎn)生建設(shè)作用，利用濺射出的粒子淀積在基片上制得薄膜。第五章1.CVD熱力學(xué)分析的主要目的？CVD熱力學(xué)分析的主要目的是預(yù)測某些特定條件下某些CVD反應(yīng)的可行性（化學(xué)反應(yīng)的方向和限度）。在溫度、壓強和反應(yīng)物濃度給定的條件下，熱力學(xué)計算能從理論上給出沉積薄膜的量和所有氣體的分壓，但是不能給出沉積速率。熱力學(xué)分析可作為確定CVD工藝參數(shù)的參考2.CVD過程自由能與反應(yīng)平衡常數(shù)的過程判據(jù)？與反應(yīng)系統(tǒng)的化學(xué)平衡常數(shù) 有關(guān)。 3.CVD熱力學(xué)基本內(nèi)容？反應(yīng)速率及其影響因素？按熱力學(xué)原理，化學(xué)反應(yīng)的自由能變化 可以用反應(yīng)物和生成物的標(biāo)準(zhǔn)自由能 來計算，

13、即較低襯底溫度下， 隨溫度按指數(shù)規(guī)律變化。較高襯底溫度下，反應(yīng)物及副產(chǎn)物的擴散速率為決定反應(yīng)速率的主要因素。4.熱分解反應(yīng)、化學(xué)合成反應(yīng)及化學(xué)輸運反應(yīng)及其特點？熱分解反應(yīng)：在簡單的單溫區(qū)爐中，在真空或惰性氣體保護下加熱基體至所需溫度后，導(dǎo)入反應(yīng)物氣體使之發(fā)生熱分解，最后在基體上沉積出固體圖層。特點：主要問題是源物質(zhì)的選擇和確定分解溫度。選擇源物質(zhì)考慮蒸氣壓與溫度的關(guān)系，注意在該溫度下的分解產(chǎn)物中固相僅為所需沉積物質(zhì)?；瘜W(xué)合成反應(yīng)：化學(xué)合成反應(yīng)是指兩種或兩種以上的氣態(tài)反應(yīng)物在熱基片上發(fā)生的相互反應(yīng)。特點：比熱分解法的應(yīng)用范圍更加廣泛?？梢灾苽鋯尉?、多晶和非晶薄膜。容易進行摻雜?；瘜W(xué)輸運反應(yīng)：將薄

14、膜物質(zhì)作為源物質(zhì)（無揮發(fā)性物質(zhì)），借助適當(dāng)?shù)臍怏w介質(zhì)與之反應(yīng)而形成氣態(tài)化合物，這種氣態(tài)化合物經(jīng)過化學(xué)遷移或物理輸運到與源區(qū)溫度不同的沉積區(qū)，在基片上再通過逆反應(yīng)使源物質(zhì)重新分解出來，這種反應(yīng)過程稱為化學(xué)輸運反應(yīng)。特點： 不能太大；平衡常數(shù)KP接近于1。5.CVD的必要條件？1.在沉積溫度下，反應(yīng)物具有足夠的蒸氣壓，并能以適當(dāng)?shù)乃俣缺灰敕磻?yīng)室；2.反應(yīng)產(chǎn)物除了形成固態(tài)薄膜物質(zhì)外，都必須是揮發(fā)性的；3.沉積薄膜和基體材料必須具有足夠低的蒸氣壓，6.什么是冷壁CVD？什么是熱壁CVD？特點是什么？冷壁CVD：器壁和原料區(qū)都不加熱，僅基片被加熱，沉積區(qū)一般采用感應(yīng)加熱或光輻射加熱。缺點是有較大溫差，

15、溫度均勻性問題需特別設(shè)計來克服。適合反應(yīng)物在室溫下是氣體或具有較高蒸氣壓的液體。熱壁CVD：器壁和原料區(qū)都是加熱的，反應(yīng)器壁加熱是為了防止反應(yīng)物冷凝。管壁有反應(yīng)物沉積，易剝落造成污染。7.什么是開管CVD？什么是閉管CVD？特點是什么？開口CVD的特點：能連續(xù)地供氣和排氣； 反應(yīng)總處于非平衡狀態(tài)；在大多數(shù)情況下，開口體系是在一個大氣壓或稍高于一個大氣壓下進行的；開口體系的沉積工藝容易控制，工藝重現(xiàn)性好，工件容易取放，同一裝置可反復(fù)多次使用；有立式和臥式兩種形式。閉管法的優(yōu)點：污染的機會少，不必連續(xù)抽氣保持反應(yīng)器內(nèi)的真空，可以沉積蒸氣壓高的物質(zhì)。缺點：材料生長速率慢，不適合大批量生長，一次性反應(yīng)

16、器，生長成本高；管內(nèi)壓力檢測困難等。關(guān)鍵環(huán)節(jié)：反應(yīng)器材料選擇、裝料壓力計算、溫度選擇和控制等。8.什么是低壓CVD和等離子CVD？低壓CVD：氣相輸運和反應(yīng)。低壓下氣體擴散系數(shù)增大，使氣態(tài)反應(yīng)物和副產(chǎn)物的質(zhì)量傳輸速率加快，形成薄膜的反應(yīng)速率增加。等離子CVD：等離子體參與的利用在等離子狀態(tài)下粒子具有的較高能量，使沉積溫度降低化學(xué)氣相沉積稱為等離子化學(xué)氣相沉積。第七章1.薄膜形成的基本過程描述？薄膜形成分為：凝結(jié)過程、核形成與生長過程、島形成與結(jié)合生長過程。2.什么是凝聚？入射原子滯留時間、平均表面擴散時間、平均擴散距離的概念？凝聚：吸附原子結(jié)合成原子對及其以后的過程入射原子滯留時間：入射到基體

17、表面的原子在表面的平均滯留時間與吸附能之間的關(guān)系為平均表面擴散時間：吸附原子在一個吸附位置上的停留時間稱為平均表面擴散時間，用表示。它和表面擴散能之間的關(guān)系是。平均擴散距離：吸附原子在表面停留時間經(jīng)過擴散運動所移動的距離（從起始點到終點的間隔）稱為平均表面擴散時間，并用表示，它與吸附能和擴散能之間的關(guān)系為3.什么是捕獲面積？對薄膜形成的影響？捕獲面積：吸附原子的捕獲面積當(dāng) 時，每個吸附原子的捕獲面積內(nèi)只有一個原子，故不能形成原子對，也不能產(chǎn)生凝結(jié)。當(dāng) 時，發(fā)生部分凝結(jié)。平均每個吸附原子的捕獲面積內(nèi)有一個或兩個吸附原子，可形成原子對或三原子團。在滯留時間內(nèi)，一部分吸附原子有可能重新蒸發(fā)掉。當(dāng) 時

18、，每個吸附原子的捕獲面積內(nèi)至少有兩個吸附原子?？尚纬稍訉蚋蟮脑訄F，從而達到完全凝結(jié)。4.凝聚過程的表征方法？凝結(jié)系數(shù)（單位時間內(nèi)，完全凝結(jié)的氣相原子數(shù)與入射到基片表面上的總原子數(shù)之比）、粘附系數(shù)（單位時間內(nèi)，再凝結(jié)的氣相原子數(shù)與入射到基片表面上的總原子數(shù)之比）、熱適應(yīng)系數(shù)（表征入射氣相（或分子）與基體表面碰撞時相互交換能量的程度的物理量稱為熱適應(yīng)系數(shù)）。5.核形成與生長的物理過程。島狀生長模式、層狀生長模式、層島混合模式6.核形成的相變熱力學(xué)和原子聚集理論的基本內(nèi)容？認為薄膜形成過程是由氣相到吸附相、再到固相的相變過程，其中從吸附相到固相的轉(zhuǎn)變是在基片表面上進行的。原子聚集理論將核（原

19、子團）看作一個大分子聚集體，用其內(nèi)部原子之間的結(jié)合能或與基片表面原子之間的結(jié)合能代替熱力學(xué)理論中的自由能。7.什么是同質(zhì)外延、異質(zhì)外延？晶格失配度？外延工藝是一種在單晶襯底的表面上淀積一個單晶薄層的方法。如果薄膜與襯底是同一種材料該工藝被稱為同質(zhì)外延，常被簡單地稱為外延。如果薄膜與襯底不是同一種材料該工藝被稱為異質(zhì)外延，常被簡單地稱為外延。晶格失配度若沉積薄膜用的基片材料的晶格常數(shù)為a，薄膜材料的晶格常數(shù)為b，在基片上外延生長薄膜的晶格失配數(shù)m可用下式表示。8.形成外延薄膜的條件？設(shè)沉積速率為 ，基片溫度為 ， 薄膜生長速率要小于吸附原子在基片表面上的遷移速率；提高溫度有利于形成外延薄膜第八章

20、1.薄膜結(jié)構(gòu)是指哪些結(jié)構(gòu)？其特點是哪些？薄膜的結(jié)構(gòu)按研究對象不同分為組織結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、表面結(jié)構(gòu)。（1）組織結(jié)構(gòu)是指薄膜的結(jié)晶形態(tài)，包括無定形結(jié)構(gòu)、多晶結(jié)構(gòu)、纖維結(jié)構(gòu)、單晶結(jié)構(gòu)。無定形結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)特性：近程有序、長程無序；不具備晶體的性質(zhì)；亞穩(wěn)態(tài)。晶界上存在晶格畸變；界面能：界面移動造成晶粒長大和界面平直化；空位源：雜質(zhì)富集；纖維結(jié)構(gòu)薄膜是指晶粒具有擇優(yōu)取向的薄膜（2）晶體結(jié)構(gòu)：多數(shù)情況下，薄膜中晶粒的晶格結(jié)構(gòu)與體材料相同，只是晶粒取向和晶粒尺寸不同，晶格常數(shù)也不同。薄膜材料本身的晶格常數(shù)與基片材料晶格常數(shù)不匹配；薄膜中有較大的內(nèi)應(yīng)力和表面張力。（3）表面結(jié)構(gòu)：薄膜表面形成過程，由熱力學(xué)能量理論

21、，薄膜表面平化；晶粒的各向異性生長，薄膜表面粗化；低溫基片上，薄膜形成多孔結(jié)構(gòu)。2.蒸發(fā)薄膜微觀結(jié)構(gòu)隨溫度變化如何改變？低溫時，擴散速率小，成核數(shù)目有限，形成不致密帶有縱向氣孔的葡萄結(jié)構(gòu)；隨著溫度升高，擴散速率增大，形成緊密堆積纖維狀晶粒然后轉(zhuǎn)為完全之謎的柱狀晶體結(jié)構(gòu)；溫度再升高，晶粒尺寸隨凝結(jié)溫度升高二增大，結(jié)構(gòu)變?yōu)榈容S晶貌；3.薄膜的主要缺陷類型及特點？薄膜的缺陷分為：點缺陷（晶格排列出現(xiàn)只涉及到單個晶格格點，典型構(gòu)型是空位和填隙原子，點缺陷不能用電子顯微鏡直接觀測到，點缺陷種類確定后，它的形成能是一個定值）、位錯（在薄膜中最常遇到，是晶格結(jié)構(gòu)中一種“線性”不完整結(jié)構(gòu)，位錯大部分從薄膜表面

22、伸向基體表面，并在位錯周圍產(chǎn)生畸變）、晶格間界（薄膜由于含有許多小晶粒，故晶粒間界面積比較大）和層錯缺陷（由原子錯排產(chǎn)生，在小島間的邊界處出現(xiàn)，當(dāng)聚合并的小島再長大時反映層錯缺陷的衍射襯度就會消失）。4.薄膜的主要分析方法有哪些？基本原理是什么？（1）X射線衍射法。利用X射線晶體學(xué)，X射線束射到分析樣品表面后產(chǎn)生反射，檢出器收集反射的X射線信息，當(dāng)入射X射線波長、樣品與X射線束夾角、及樣品晶面間距滿足布拉格方程，檢測器可檢測到最大光強。（2）電子衍射法。在透射電子顯微鏡下觀察薄膜結(jié)構(gòu)同時進行電子衍射分析，電子束波長比特征X射線小得多，利用，求出晶格面間距。（3）掃描電子顯微鏡分析法。將樣品發(fā)射

23、的特征X射線送入X射線色譜儀或X射線能譜儀進行化學(xué)成分分析，特征X射線波長和原子序數(shù)滿足莫塞萊定律，只要測得X射線的波長，進而測定其化學(xué)成分。（4）俄歇電子能譜法。俄歇電子的動能為E，由能量守恒定律Ek-EL1=EL23+E，近似EL1=EL23，得俄歇電子的動能E=Ek-2EL。對于每種元素的原子來說，EL1、EL23都有不同的特征值，只要測出電子動能E，就可以進行元素鑒定。利用俄歇電子能譜法中的化學(xué)位移效應(yīng)不但可以鑒定樣品的組分元素還可鑒定它的化學(xué)狀態(tài)。（5）X射線光電子能譜法。X射線入射到自由原子的內(nèi)殼層上，將電子電離成光電子，有電子能量分析測得光電子束縛能，不同源自或同一原子的不同殼層有不同數(shù)量的特征值?？梢酝ㄟ^元素鑒定測出。（6）二次離子質(zhì)譜法。二次離子質(zhì)譜是利用質(zhì)譜法分析初級離子入射靶面后，濺射產(chǎn)生的二次離子而獲取材料表面信息的一種方法。二次離子質(zhì)譜可以分析包括氫在內(nèi)的全部元素，并能給出同位素的信息，分析化合物組分和分子結(jié)構(gòu)。薄膜物理與技術(shù)1、 薄膜的定義 薄膜的制備方法 真空的定義及性質(zhì)（理想氣體狀態(tài)方程） 真空的單位 真空區(qū)域的劃分氣體的三種速度分布（最