薄膜復(fù)習(xí)題綱

第一章1.氣體分子的平均自由程：一個(gè)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(shì)波強(qiáng)度，一個(gè)相對(duì)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(yīng)用（包裝）中真空：102~10-1Pa CVD沉積技術(shù)高真空：10-1~10-5Pa 濺射沉積技術(shù)（pvd法）超高真空：10-5Pa 原子表面和界面分析氣體流動(dòng)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(guò)程的氣體流動(dòng)狀態(tài)。（特點(diǎn)：氣體分子的平均自由程大于氣體容器的尺寸或與其相當(dāng)）粘滯流狀態(tài)Kn>10：當(dāng)氣體壓力較高時(shí)，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(dòng)狀態(tài)。（與分子流狀態(tài)相比，沾滯流狀態(tài)的氣體流動(dòng)模式要復(fù)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(shí)，氣體的流動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鳡顟B(tài)）4.真空泵分類：輸運(yùn)式：采用對(duì)氣體進(jìn)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(jī)械泵，羅茨泵等低級(jí)泵獲得的真空范圍，前者10-1Pa后者10-2Pa；渦輪泵，油擴(kuò)散泵等高級(jí)泵獲得高真空）1).油擴(kuò)散泵工作原理：將擴(kuò)散泵油加熱至高溫蒸發(fā)狀態(tài)(200oC)，讓油蒸氣呈多級(jí)狀向下定向高速噴出時(shí)不斷撞擊使其被迫向排氣口運(yùn)動(dòng)，在壓縮作用下被排出泵體。同時(shí)泵體冷卻的油蒸汽又會(huì)凝聚返回泵的底部工作參數(shù)：實(shí)際抽速：1-104L/s(決定于泵體口徑）極限真空：10-5Pa特點(diǎn)與使用: 與旋片機(jī)械泵串聯(lián)使用，需要機(jī)械泵抽預(yù)真空(1Pa)；油污染；價(jià)格便宜。渦輪分子泵工作原理：靠機(jī)械運(yùn)動(dòng)對(duì)氣體分子施加作用，并使氣體分子向特定方向運(yùn)動(dòng)的原理來(lái)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(dòng)量傳給氣體分子，多級(jí)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(shí)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(dǎo)率隨氣體壓力變化，通過(guò)熱電偶測(cè)出熱絲的溫度，也就相應(yīng)的測(cè)出了環(huán)境的氣體壓強(qiáng)。測(cè)量范圍：熱偶規(guī)0.1-100Pa；特點(diǎn)與使用：都屬低真空測(cè)量。（2）電離真空規(guī)工作原理：它由陰極，陽(yáng)極和離子收集極組成，熱陰極發(fā)射電子飛向陽(yáng)極的過(guò)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(cè)出氣體壓強(qiáng)。測(cè)量范圍：10-9-1Pa(10-3Pa相當(dāng)于薄膜位移為一個(gè)原子尺寸大小)特點(diǎn)與使用：屬高真空和超高真空測(cè)量，通常與熱偶規(guī)同時(shí)使用第二章真空蒸發(fā)制備薄膜的三個(gè)基本過(guò)程：（1）.加熱蒸發(fā)過(guò)程：對(duì)蒸發(fā)源加熱，使其溫度接近或達(dá)到蒸發(fā)材料的熔點(diǎn)，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(yùn)過(guò)程。在這一過(guò)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(guò)程。原子或分子到達(dá)基片后凝結(jié)、成核、生長(zhǎng)、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(dāng)?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(shí)所具有的飽和蒸汽壓進(jìn)行薄膜制備。3真空蒸發(fā)設(shè)備示意圖如下圖所示真空蒸發(fā)設(shè)備主要由三部分組成：1.真空系統(tǒng)：為蒸發(fā)過(guò)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(cè)溫裝置3.基板及加熱系統(tǒng)：該系統(tǒng)是用來(lái)放置硅片或其它襯底，對(duì)襯底加熱及測(cè)溫裝置元素蒸發(fā)情況：（1）液相蒸發(fā)：對(duì)大多數(shù)金屬，溫度達(dá)到熔點(diǎn)時(shí)，其平衡氣壓低于10-1Pa,需將物質(zhì)加熱到熔點(diǎn)以上（2）固相升華：在熔點(diǎn)附近，固體的平衡蒸汽壓已相對(duì)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(shí)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(lái)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(guò)程，導(dǎo)致沉積后的薄膜成分可能偏離化合物原來(lái)的化學(xué)組成。合金蒸發(fā)特點(diǎn)金屬合金的蒸發(fā)也會(huì)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(shí)際蒸發(fā)過(guò)程可視為各元素獨(dú)立蒸發(fā)過(guò)程真空蒸發(fā)設(shè)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(yīng)加熱蒸發(fā)。（1）電阻式加熱蒸發(fā)：利用一些高熔點(diǎn)、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(shí)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(chǎng)的作用下發(fā)出電子，電子在電場(chǎng)的作用下定向運(yùn)動(dòng)，在磁場(chǎng)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(guò)程中的陰影效應(yīng)等。（理解）薄膜沉積的方向性和陰影效應(yīng).物質(zhì)蒸發(fā)過(guò)程中，被蒸發(fā)原子的運(yùn)動(dòng)具有明顯的方向性。.蒸發(fā)原子運(yùn)動(dòng)的方向性對(duì)沉積的薄膜的均勻性以及其微觀組織都會(huì)產(chǎn)生影響。3).物質(zhì)的蒸發(fā)源有不同形狀。襯底較遠(yuǎn)，尺寸較小的蒸發(fā)源可以被認(rèn)為是點(diǎn)蒸發(fā)源。 設(shè)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(lái)的。第三章1.濺射鍍膜的特點(diǎn)（掌握但不用背）（1）對(duì)于任何待鍍材料，只要能作成靶材，就可實(shí)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(fù)性好，可以在大面積襯底上獲得厚度均勻的薄膜（優(yōu)點(diǎn)）與蒸發(fā)法相比：適用范圍廣，濺射出來(lái)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(shè)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(chǔ):.靶材是需要被濺射的物質(zhì)，作為陰極，相對(duì)陽(yáng)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(guò)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(guò)程（理解）：通過(guò)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(chǎng)加速，穿過(guò)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(jí)時(shí)，以發(fā)射光（或聲子）的形式將能量釋放出來(lái)。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(tuán)、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(yīng)所需要的大部分能量EQ\o\ac(○,2)、通過(guò)等離子刻蝕選擇性地去處金屬濺射產(chǎn)額：被濺射出來(lái)的原子個(gè)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(dāng)加上直流電壓后，輝光放電開(kāi)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(shí)，也有大量二次電子從陰極靶發(fā)射出來(lái)，被電場(chǎng)加速向襯底運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)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(dá)到自持。3).氣體壓強(qiáng)太低或陰-陽(yáng)極距離太短，二次電子達(dá)到陽(yáng)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(huì)因非彈性碰撞而減速，打擊靶材時(shí)不會(huì)產(chǎn)生足夠的二次電子。另外濺射出來(lái)的靶材原子在飛向襯底的過(guò)程中將會(huì)受到過(guò)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(dǎo)電性差的靶材，在離子轟擊過(guò)程中，正電荷便會(huì)積累在靶材表面。（重點(diǎn)）磁控濺射鍍膜的基本原理：在濺射裝置中引入磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的作用使電子不再做平行直線運(yùn)動(dòng)，而是圍繞磁力線做螺旋運(yùn)動(dòng)，這就意味著電子的運(yùn)動(dòng)路徑由于磁場(chǎng)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(diǎn)：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(diǎn)：存在對(duì)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(yīng)用領(lǐng)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(yīng)物，通過(guò)原子分子間化學(xué)反應(yīng)的途徑生成固態(tài)薄膜的技術(shù)。（重點(diǎn)）邊界層：當(dāng)氣體流動(dòng)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(gè)速度梯度和濃度梯度的構(gòu)鍍層空間。對(duì)CVD的影響：影響反應(yīng)物與反應(yīng)副產(chǎn)物的輸運(yùn)過(guò)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(jìn)化學(xué)反應(yīng)和提高沉積速度。但Re的增加受到一定限制，Re過(guò)高會(huì)影響沉積的均勻性。（掌握）CVD分：表面反應(yīng)速率控制的CVD和質(zhì)量輸運(yùn)控制的CVD。表面反應(yīng)速率控制的CVD：薄膜的沉積速率是由表面反應(yīng)速率控制的，那么襯底的溫度對(duì)沉積速率有比較大的影響，因?yàn)楸砻婊瘜W(xué)反應(yīng)對(duì)溫度的變化非常敏感。當(dāng)溫度升高時(shí)，反應(yīng)速率增加，薄膜的沉積速率加快。當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)，由于反應(yīng)速度的加快，輸運(yùn)到表面的反應(yīng)劑的數(shù)量低于表面反應(yīng)所需的數(shù)量，這時(shí)沉積速率轉(zhuǎn)為由質(zhì)量輸運(yùn)控制，反應(yīng)速度不再隨溫度變化而變化。質(zhì)量輸運(yùn)控制的CVD：質(zhì)量輸運(yùn)過(guò)程是通過(guò)氣體擴(kuò)散完成的，擴(kuò)散速度與氣體的擴(kuò)散系數(shù)和邊界層內(nèi)的濃度梯度有關(guān)。質(zhì)量輸運(yùn)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(dāng)氣流速率大到一定程度時(shí)，薄膜的沉積速率達(dá)到一穩(wěn)定值不再變化。沉積速率轉(zhuǎn)變?yōu)橛杀砻娣磻?yīng)速度控制。（掌握影響兩者的因素和兩者之間互相轉(zhuǎn)換）CVD反應(yīng)室的熱源薄膜的沉積溫度一般都高于室溫CVD的反應(yīng)加熱器可分為熱壁還是冷壁反應(yīng)。反應(yīng)室器壁溫度TW，放置硅片的襯底溫度TS當(dāng)TW=TS，稱做熱壁CVD系統(tǒng)當(dāng)TW<TS，稱做冷壁CVD系統(tǒng)熱璧反應(yīng)不僅加熱襯底還加熱反應(yīng)室的器壁。冷璧反應(yīng)只加熱襯底，不加熱反應(yīng)室器壁或用冷卻水冷卻器壁。抑制吸熱反應(yīng)的反應(yīng)產(chǎn)物在器壁上形成沉積物，采用冷壁反應(yīng)；控制放熱反應(yīng)在器壁上形成沉積物，采用熱壁反應(yīng)。（掌握兩個(gè)系統(tǒng)的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)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(yīng)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(gè)反應(yīng)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(diǎn)，應(yīng)用，鍍膜原理）PECVD使用輝光放電等離子體的能量來(lái)產(chǎn)生并維持化學(xué)反應(yīng)。因?yàn)榈入x子體可以促進(jìn)氣體分子的分解、化合、激發(fā)和電離過(guò)程，促進(jìn)反應(yīng)活性基團(tuán)的形成，因而顯著降低了反應(yīng)沉積溫度。PECVD的射頻電場(chǎng)可以分為電容耦合和電感耦合。第五章薄膜生長(zhǎng)過(guò)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(kāi)始凝聚到襯底上，從而開(kāi)始了所謂的形核階段。由于熱漲落的作用，原子到達(dá)襯底表面的最初階段，在襯底上成了均勻細(xì)小、而且可以運(yùn)動(dòng)的原子團(tuán)（島或核）。當(dāng)這些島或核小于臨界成核尺寸時(shí)，可能會(huì)消失也可能長(zhǎng)大；而當(dāng)它大于臨界成核尺寸時(shí)，就可能接受新的原子而逐漸長(zhǎng)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(zhǎng)大，而島的數(shù)目則很快達(dá)到飽和。小島像液珠一樣互相合并而擴(kuò)大，而空出的襯底表面上又形成了新的島。形成與合并的過(guò)程不斷進(jìn)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(zhǎng)的三種模式：島狀、層狀和層狀-島狀生長(zhǎng)模式三種不同薄膜生長(zhǎng)模式的示意圖：1、雖然開(kāi)始時(shí)的生長(zhǎng)是外延式的層狀生長(zhǎng)，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(yīng)變能（應(yīng)力）逐漸增加。為了松弛這部分能量，薄膜在生長(zhǎng)到一定厚度之后，生長(zhǎng)模式轉(zhuǎn)化為島狀模式。2、在Si的（111）晶面上外延生長(zhǎng)GaAs,由于第一層擁有五個(gè)價(jià)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(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)槿S的島狀生長(zhǎng)。3、在層狀外延生長(zhǎng)表面是表面能比較高的晶面時(shí)，為了降低表面能，薄膜力圖將暴露的晶面改變?yōu)榈湍苊妫虼吮∧ぴ谏L(zhǎng)到一定厚度之后，生長(zhǎng)模式會(huì)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(jī)理中，開(kāi)始的時(shí)候?qū)訝钌L(zhǎng)的自由能較低；但其后，島狀生長(zhǎng)的自由能變低了，島狀生長(zhǎng)反而變得更有利了。3.新相的成核過(guò)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(gè)形核過(guò)程完全是在相變自由能的推動(dòng)下進(jìn)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(dòng)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(guò)程中，涉及的成核過(guò)程都是非自發(fā)成核的過(guò)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(shí)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(lái)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(kuò)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(yīng)該是原子來(lái)源的主要部分，即形核所需的原子主要來(lái)自擴(kuò)散來(lái)的表面吸附原子。沉積來(lái)的氣相原子將被襯底所吸附，其中一部分將會(huì)返回氣相中，另一部分將由表面擴(kuò)散到達(dá)已有的核心處，使得該核心得以長(zhǎng)大。5.薄膜沉積速率R和襯底溫度T是影響薄膜沉積過(guò)程的最重要的兩個(gè)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(huì)導(dǎo)致高的成核速率和細(xì)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(shí)，首先形成粗大的島狀薄膜組織。低溫時(shí)，臨界形核自由能下降，形成的核心數(shù)目增加，有利于