薄膜技術(shù)復(fù)習(xí)習(xí)題

1、1 簡(jiǎn)述薄膜的形成過(guò)程。薄膜：在被稱(chēng)為襯底或基片的固體支持物表面上，通過(guò)物理過(guò)程、化學(xué)過(guò)程或電化學(xué)過(guò)程使單個(gè)原子、分子或離子逐個(gè)凝聚而成的固體物質(zhì)。主要包括三個(gè)過(guò)程：（1）產(chǎn)生適當(dāng)?shù)脑?、分子或離子的粒子；（2）通過(guò)煤質(zhì)輸運(yùn)到襯底上；（3）粒子直接或通過(guò)化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)而凝聚在襯底上面形成固體沉淀物，此過(guò)程又可以分為四個(gè)階段：（1）核化和小島階段；（2）合并階段；（3）溝道階段；（4）連續(xù)薄膜2 圖2為濺射鍍膜的原理示意圖，試結(jié)合圖敘述濺射鍍膜的基本過(guò)程，并介紹常用的濺射鍍膜的方法和特點(diǎn)。圖 2 濺射鍍膜的原理示意圖過(guò)程：該裝置是由一對(duì)陰極和陽(yáng)極組成的冷陰極輝光放電結(jié)構(gòu)。被濺射靶（陰極）和成膜

2、的基片及其固定架（陽(yáng)極）構(gòu)成濺射裝置的兩個(gè)極，陽(yáng)極上接上1-3KV的直流負(fù)高壓，陽(yáng)極通常接地。工作時(shí)通常用機(jī)械泵和擴(kuò)散泵組將真空室抽到6.65*10-3Pa，通入氬氣，使真空室壓力維持在（1.33-4）*10-1Pa,而后逐漸關(guān)閉主閥，使真空室內(nèi)達(dá)到濺射電壓，即10-1-10Pa，接通電源，陽(yáng)極耙上的負(fù)高壓在兩極間產(chǎn)生輝光放電并建立起一個(gè)等離子區(qū)，其中帶正電的氬離子在陰極附近的陽(yáng)極電位降的作用下，加速轟擊陰極靶，使靶物質(zhì)由表面被濺射出，并以分子或原子狀態(tài)沉積在基體表面，形成靶材料的薄膜。將欲沉積的材料制成板材靶,固定在陰極上?；糜谡龑?duì)靶面的陽(yáng)極上,距靶幾厘米。系統(tǒng)抽至高真空后充入 101帕

3、的氣體（通常為氬氣），在陰極和陽(yáng)極間加幾千伏電壓，兩極間即產(chǎn)生輝光放電。放電產(chǎn)生的正離子在電場(chǎng)作用下飛向陰極，與靶表面原子碰撞，受碰撞從靶面逸出的靶原子稱(chēng)為濺射原子,其能量在1至幾十電子伏范圍。濺射原子在基片表面沉積成膜直流陰極濺射鍍膜法：特點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，在大面積的基片或材料上可以制取均勻的薄膜，放電電流隨氣壓和電壓的變化而變化，可濺射高熔點(diǎn)金屬。但是，它的濺射電壓高、沉積速率低、基片溫升較高，加之真空度不良，致使膜中混入的雜質(zhì)氣體也多，從而影響膜的質(zhì)量。高頻濺射鍍膜法：利用高頻電磁輻射來(lái)維持低氣壓的輝光放電。陰極安置在緊貼介質(zhì)靶材的后面，把高頻電壓加在靶子上，這樣，在一個(gè)周期內(nèi)正離子和電子可

4、以交替地轟擊靶子，從而實(shí)現(xiàn)濺射介質(zhì)材料的目的。這種方法可以采用任何材料的靶，在任何基板上沉積任何薄膜。若采用磁控源，還可以實(shí)現(xiàn)高速濺射沉積。9磁控濺射鍍膜法：磁控濺射的特點(diǎn)是電場(chǎng)和磁場(chǎng)的方向互相垂直，它有效的克服了陰極濺射速率低和電子使基片溫度升高的致命弱點(diǎn)，具有高速、低溫、低損傷等優(yōu)點(diǎn)，易于連續(xù)制作大面積膜層，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和大批量生產(chǎn)，高速指沉積速率快；低溫和低損傷是指基片的溫升低，對(duì)膜層的損傷小。此外還具有一般濺射的優(yōu)點(diǎn)，如沉積的膜層均勻致密，針孔少，純度高，附著力強(qiáng)，應(yīng)用的靶材廣，可進(jìn)行反應(yīng)濺射，可制取成分穩(wěn)定的合金膜等。工作壓力范圍廣，操作電壓低也是其顯著特點(diǎn)。反應(yīng)濺射鍍膜法：在陰極

5、濺射的惰性氣體中，人為的摻入反應(yīng)氣體，可以制取反應(yīng)物膜。非對(duì)稱(chēng)交流濺射和偏壓濺射鍍膜法：特點(diǎn)是可以減少濺射鍍膜過(guò)程中陰極濺射膜中的混入氣體。3 圖3為一個(gè)PECVD的反應(yīng)室結(jié)構(gòu)圖，試敘述其工作原理和特點(diǎn)圖3 PECVD的反應(yīng)室結(jié)構(gòu)圖原理： 圖中是一種平行板結(jié)構(gòu)裝置。襯底放在具有溫控裝置的下面平板上，壓強(qiáng)通常保持在133Pa左右，射頻電壓加在上下平行板之間，于是在上下平板間就會(huì)出現(xiàn)電容耦合式的氣體放電，并產(chǎn)生等離子體。利用等離子體的活性來(lái)促進(jìn)反應(yīng)，使化學(xué)反應(yīng)能在較低溫度下進(jìn)行，這種方法稱(chēng)為等離子體強(qiáng)化氣相沉積（PECVD），是一種高頻輝光放電物理過(guò)程和化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合的技術(shù)。在高溫真空壓力下，加在

6、電極板上的射頻RF電場(chǎng)，使反應(yīng)室氣體產(chǎn)生輝光放電，在輝光放電區(qū)域產(chǎn)生大量的電子。這些電子在電場(chǎng)的作用下獲得充足的能量，其本身溫度很高，它與氣體分子相碰撞，負(fù)氣體分子活化，它們吸附在襯底上，并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)天生介質(zhì)膜，副產(chǎn)物從襯底上解析，隨主流由真空抽走。特點(diǎn)：1、PECVD需要增加一個(gè)能產(chǎn)生等離子體的高頻源。2、采用PECVD可以顯著降低沉積時(shí)的基體溫度，并具有沉積速率快、成膜質(zhì)量好、針孔少、不易龜裂等優(yōu)點(diǎn)。3、但等離子體的轟擊會(huì)使沉積表面產(chǎn)生缺陷，同時(shí)等離子體中產(chǎn)生的多種反應(yīng)物質(zhì)使反應(yīng)復(fù)雜化，因此會(huì)使薄膜的質(zhì)量下降；4、另外設(shè)備投資大、成本高，對(duì)氣體的純度要求高；5、 涂層過(guò)程中產(chǎn)生的劇烈噪音

7、、強(qiáng)光輻射、有害氣體、金屬蒸汽粉塵等對(duì)人體有害；6、 對(duì)小孔孔徑內(nèi)表面難以涂層等。4 試敘述LPCVD的原理、特點(diǎn)和典型應(yīng)用LPCVD原理是用加熱的方式在低壓條件下使氣態(tài)化合物在基片表面反應(yīng)并淀積形成穩(wěn)定固體薄膜。由于工作壓力低，氣體分子的品滾自由程和擴(kuò)散系數(shù)大，故可采用密集裝片方式來(lái)提高生產(chǎn)效率，并在襯底表面獲得均勻性良好的薄膜淀積層。LPCVD用于淀積Poly-Si、Si3N4、SiO2、磷硅玻璃、硼磷硅玻璃、非晶硅及難溶金屬硅化物等多種薄膜。廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體集成電路、電力電子、光電子及MEMS等行業(yè)的生產(chǎn)工藝中。5 簡(jiǎn)述分子束外延（MBE）的結(jié)構(gòu)、原理和應(yīng)用。結(jié)構(gòu)：MBE主要由分子束源、

8、基片支架、四極質(zhì)譜儀、反射高能電子衍射裝置、俄歇電子譜儀、二次離子分析儀構(gòu)成。原理：分子束外延（MBE）是新發(fā)展起來(lái)的外延制膜法，它是將真空蒸發(fā)鍍膜加以改進(jìn)和提高而形成的新的成膜技術(shù)。在超高真空環(huán)境中，通過(guò)薄膜諸組分元素的分子束流，直接噴到溫度適宜的襯底表面上，在合適條件下就能淀積除所需的外延層。其系統(tǒng)包括一個(gè)沉積腔室，室內(nèi)維持在10-10托的低壓，在腔室中有一個(gè)或多個(gè)小格室（稱(chēng)為反射格：effusion cells），內(nèi)含圓晶上所欲沉積的高純度材料（靶材），發(fā)射格前有快門(mén)（shutter）以使圓晶能暴露于原料蒸汽；將電子束導(dǎo)引至靶材中央，靶材被加熱而融化成液態(tài)，因?yàn)榈蛪汗什糠直砻娴囊簯B(tài)靶材會(huì)

9、蒸發(fā)成氣態(tài)，由發(fā)射格的開(kāi)孔處離開(kāi)，沉積到晶圓上。MBE是一種將原子一個(gè)一個(gè)的在襯底上進(jìn)行沉積的方法，因此它通常與CVD外延和真空蒸發(fā)鍍膜相比，有以下幾個(gè)典型特點(diǎn)：（1）MBE雖然也是一個(gè)以氣體分子論為基礎(chǔ)的蒸發(fā)過(guò)程，但它并不以蒸發(fā)溫度為監(jiān)控參數(shù)，而是用系統(tǒng)中的四極質(zhì)樸儀和原子吸收光譜等現(xiàn)代分析儀器，精密的監(jiān)控分子束的種類(lèi)和強(qiáng)度，從而嚴(yán)格的控制生長(zhǎng)過(guò)程和生長(zhǎng)速率。（2）MBE是一個(gè)超高真空的淀積過(guò)程，既不需要考慮中間的化學(xué)反應(yīng)，又不受質(zhì)量傳輸?shù)挠绊?，并且利用開(kāi)閉擋板來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)生長(zhǎng)和中斷的瞬間控制。因此，膜的組分和摻雜濃度可隨著源的變化而迅速調(diào)整。（3）MBE的顯著特點(diǎn)之一是生長(zhǎng)速率低，MBE使微細(xì)

10、加工在結(jié)構(gòu)上的分辯能力高于CVD和LPE。（4）在獲得單晶薄膜的技術(shù)中，MBE的襯底溫度低，因此有利于減少自摻雜 。（5）由于襯底和分子束源分開(kāi)，所以可以隨時(shí)觀察生長(zhǎng)面的外貌，有利于科學(xué)研究。（6）MBE能有效的利用平面技術(shù)，用它制成的肖特基勢(shì)壘特性達(dá)到或超過(guò)CVD和LPE制作的特性。應(yīng)用：MBE的突出優(yōu)點(diǎn)在于能生長(zhǎng)極薄的單晶膜層，并且能精確的控制膜厚和組分與摻雜。適于制作微波、光電和多層結(jié)構(gòu)器件，從而為制作集成光學(xué)和超大規(guī)模集成電路提供了有力手段。6 如圖4為絕緣體薄膜在導(dǎo)電方面較有意義的金屬-絕緣體-金屬結(jié)構(gòu)，試分析該種結(jié)構(gòu)下的絕緣體薄膜的導(dǎo)電機(jī)理。圖4 金屬-絕緣體-金屬結(jié)構(gòu)答：如圖所示

11、，兩塊金屬被絕緣體隔開(kāi)，形成一個(gè)電容器，兩金屬端為電極，絕緣體為電介質(zhì)薄膜。當(dāng)電極兩端分別加上正負(fù)電荷時(shí)，在兩電極間形成電場(chǎng)，在電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)薄膜內(nèi)的正負(fù)電荷中心相對(duì)移動(dòng)從而出現(xiàn)電距現(xiàn)象，完成電場(chǎng)的傳播。在直流電路中，該結(jié)構(gòu)相當(dāng)于斷路。在交流電路中，因?yàn)殡娏鞯姆较蚴请S時(shí)間成成一定的函數(shù)關(guān)系變化的。而電容器充放電的過(guò)程是有時(shí)間的，這個(gè)時(shí)候，在極板間形成的電場(chǎng)也是隨時(shí)間變化的函數(shù)，從而使得電流痛過(guò)場(chǎng)的形式在電容器間通過(guò)，完成在交流電下的導(dǎo)電。7 試敘述壓電薄膜的工作原理和常用的制備方法。原理：壓電材料是基于壓電效應(yīng)的原理工作的，在晶體中，當(dāng)在某一特定方向?qū)w施加應(yīng)力時(shí)，在于應(yīng)力垂直方向兩端表

12、面出現(xiàn)數(shù)量相等、符號(hào)相反的束縛電荷，這一現(xiàn)象成為“正壓電效應(yīng)”,作用力相反時(shí)，表面電荷符號(hào)相反，點(diǎn)和密度與外加作用力大小成正比；同時(shí)，當(dāng)一塊具有壓電效應(yīng)的晶體處于外電場(chǎng)中，由于晶體的電極化造成的正負(fù)電荷中心位移，導(dǎo)致晶體形變，型變量與電場(chǎng)大小成正比，這是逆壓電效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)的薄膜稱(chēng)為壓電薄膜。制備：壓電薄膜的制備主要有氣相沉積法，其中包括物理氣相沉積法(PVD)和化學(xué)氣相沉積法（cvd），有時(shí)也用溶膠-凝膠法（sol-gel）、等離子噴涂法、熱氧化法和陽(yáng)極氧化法制備。8 試闡述一種常用電介質(zhì)薄膜的制備方法及其應(yīng)用氧化物電介質(zhì)薄膜的制備方法：氧化物電介質(zhì)薄膜在集成電路和其他薄膜器件中有著廣泛

13、的應(yīng)用，薄膜材料可以用電子束蒸發(fā)鍍膜法、濺射度魔法、反應(yīng)濺射鍍膜法等方法制備外，還經(jīng)常用單晶表面氧化的方法來(lái)生長(zhǎng)這種薄膜，這是一種反應(yīng)擴(kuò)散過(guò)程，在硅單晶表面形成連續(xù)氧化層后，氧化劑通過(guò)氧化層擴(kuò)散到氧化層/硅界面，和硅反應(yīng)生成新的氧化層，使厚度不斷增大。薄膜的氧化生長(zhǎng)是平面工藝的基礎(chǔ)，氧化法主要有三種：1、陽(yáng)極氧化（室溫）2、等離子體陽(yáng)極氧化（200-800度）3、熱氧化（700-1250度）。氧化物電介質(zhì)薄膜的應(yīng)用：1、用作電容器介質(zhì)2、用作隔離和掩膜層3、用作表面鈍化膜4、集成電路多層布線(xiàn)絕緣膜9 試闡述一種常用金屬薄膜的制備方法及其應(yīng)用制備金屬薄膜最常用的方法是雙噴電解拋光法。此裝置主要由

14、三部分組成：電解冷卻與循環(huán)部分，電解拋光減薄部分以及觀察樣品部分。圖為雙噴電解拋光裝置示意圖。（l）電解冷卻與循環(huán)部分通過(guò)耐酸泵把低溫電解液經(jīng)噴嘴打在樣品表面。低溫循環(huán)電解減薄，不使樣品因過(guò)熱而氧化；同時(shí)又可得到表面平滑而光亮的薄膜，見(jiàn)圖中(1)及(2)。（2）電解拋光減薄部分。 電解液由泵打出后，通過(guò)相對(duì)的兩個(gè)鉑陰極玻璃嘴噴到樣品表面。噴嘴口徑為mm，樣品放在聚四氟乙烯制作的夾具上（見(jiàn)圖）。樣品通過(guò)直徑為0.5mm的鉑絲與不銹鋼陽(yáng)極之間保持電接觸，調(diào)節(jié)噴嘴位置使兩個(gè)噴嘴位于同一直線(xiàn)上。見(jiàn)圖中(3)。（3）觀察樣品部分電解拋光時(shí)一根光導(dǎo)纖維管把外部光源傳送到樣品的一個(gè)側(cè)面。當(dāng)樣品剛一穿孔時(shí)，透

15、過(guò)樣品的光通過(guò)在樣品另一側(cè)的光導(dǎo)纖維管傳到外面的光電管，切斷電解拋光射流，并發(fā)出報(bào)警聲響。圖 雙噴電解拋光裝置原理示意圖 圖3 樣品夾具(1)冷卻設(shè)備；(2)泵、電解液；(3)噴嘴(4)試樣； (5)樣品架； (6)光導(dǎo)纖維管?chē)娚浞娏饕浑妷呵€(xiàn) 最后制成的薄膜應(yīng)用：金屬薄膜開(kāi)關(guān)，金屬化薄膜電容，裝飾材料，包裝。10 闡述GaAs薄膜作為光電發(fā)射材料的原理、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用原理：GaAs光電陰極是建立在W.E.Spicer的光電發(fā)射三步模型2理論基礎(chǔ)上的，根據(jù)該理論，如果陰極材料表面的真空能級(jí)低于其體內(nèi)的導(dǎo)帶底能級(jí)，即材料的有效電子親和勢(shì)小于零，則由光照激發(fā)產(chǎn)生的光電子只要能從陰極體內(nèi)運(yùn)行到表面，就

16、可以輕而易舉地發(fā)射到真空，而無(wú)需過(guò)剩的動(dòng)能去克服材料表面的勢(shì)壘，這樣光電子的逸出深度和幾率都將大大增加，發(fā)射效率將會(huì)大幅度提高。所以后來(lái)發(fā)明了用Cs、O交替覆蓋GaAs表面的方法，通過(guò)銫氧激活可以獲得負(fù)的有效電子親和勢(shì)和更高的光電發(fā)射效率的GaAs光電陰極。應(yīng)用：GaAs光電陰極作為一種負(fù)電子親和勢(shì)(Negative Electron Affinity，NEA)光電陰極，具有量子效率高，暗發(fā)射小，發(fā)射電子的能量分布及角分布集中，長(zhǎng)波閾可調(diào)，長(zhǎng)波響應(yīng)擴(kuò)展?jié)摿Υ蟮葍?yōu)點(diǎn)，它在光電倍增管、攝像管、半導(dǎo)體器件、超晶格功能器件、高能物理、表面物理，特別是微光夜視技術(shù)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。結(jié)構(gòu)：NEA光電

17、陰極分反射式和透射式兩種。反射式NEA光電陰極對(duì)厚度沒(méi)有嚴(yán)格要求，其結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單，如圖1.1為其結(jié)構(gòu)示意圖，反射式陰極中，GaAs是最常用的基底，因?yàn)檫@種材料的量子效率高，暗電流小，光譜響應(yīng)在一個(gè)相當(dāng)寬的范圍內(nèi)比較平坦。透射式NEA光電陰極的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，如圖1.2為其結(jié)構(gòu)示意圖。首先，它要有一個(gè)透明的襯底，起支撐和加固的作用，通常用的襯底層有藍(lán)寶石、白寶石、尖晶石、GaP、GaAs和玻璃等。為了實(shí)現(xiàn)晶格匹配，通常在發(fā)射層與襯底層之間加入一緩沖層，它的晶格常數(shù)和發(fā)射層相近，這樣晶格失配就被移到了襯底層/緩沖層界面，常作緩沖層的材料有GaAlAs、GaAsP、InGaP等。襯底層緩沖層GaAs發(fā)

18、射層真空?qǐng)D1.2透射式NEA光電陰極的結(jié)構(gòu)I0GaAs發(fā)射層圖1.1 反射式NEA光電陰極的結(jié)構(gòu)真空I011 簡(jiǎn)述透明導(dǎo)電膜（TCO）的原理、制備及其在電子工業(yè)方面的應(yīng)用原理：TCO 透明導(dǎo)電薄膜是一種N型氧化物半導(dǎo)體，化學(xué)名稱(chēng)是氧化煙錫，它的工作原理是，當(dāng)金屬原子與氧原子鍵結(jié)時(shí)，傾向于失去電子而成陽(yáng)離子，而在金屬氧化物中，具有（n4，n為主量子數(shù)）電子組態(tài)的金屬陽(yáng)離子，其S軌域會(huì)做等向性的擴(kuò)展，如果晶體中有某種鎖狀結(jié)構(gòu)，能讓這些陽(yáng)離子相當(dāng)靠近，是他們的S軌域重疊，便可形成傳導(dǎo)路徑，再加上可移動(dòng)的載子，便具有導(dǎo)電性了。制備：在玻璃基片上制備透明導(dǎo)電薄膜的方法主要有1、噴霧法2、侵漬法3、化學(xué)氣相沉積法4、濺射法 在塑料基片上制備主要是真空蒸渡法。應(yīng)用：TCO氧化物薄膜材料在電子照相（幻燈片、微縮膠片）、光電抓換器件（光放大器）、太陽(yáng)能電池、顯示材料、熱反射、光記錄、磁記錄、防靜電等很多領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的作用。12 結(jié)合圖5述超二代和三代像增強(qiáng)器的工作原理和各自特點(diǎn)圖5 超二代和三代像增強(qiáng)器的結(jié)構(gòu)圖超二代像增強(qiáng)器：利用多堿NaKaSbCs（納鉀銻銫）光電陰極作為光電轉(zhuǎn)換原件