薄膜物理与技术基本概念常识大全.doc

薄膜物理基础知识大全第一章： 最可几速度：平均速度：均方根速度：平均自由程：每个分子在连续两次碰撞之间的路程称为自由程；其统计平均值成为平均自由程。常用压强单位的换算 1Torr=133.322 Pa 1 Pa=7.510-3 Torr 1 mba=100Pa 1atm=1.013*100000Pa真空区域的划分、真空计、各种真空泵粗真空 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旋转式机械真空泵 油扩散泵 复合分子泵 属于气体传输泵，即通过气体吸入并排出真空泵从而达到排气的目的 分子筛吸附泵 钛升华泵 溅射离子泵 低温泵属于气体捕获泵，即通过各种吸气材料特有的吸气作用将被抽气体吸除，以达到所需真空。不需要油作为介质，又称为无油泵绝对真空计： U型压力计、压缩式真空计相对真空计： 放电真空计、热传导真空计、电离真空计机械泵、扩散泵、分子泵的工作原理，真空计的工作原理第二章：1. 什么是饱和蒸气压、蒸发温度？ 在一定温度下，真空室内蒸发物质的蒸气与固体或液体平衡过程中所表现出来的压力 规定物质在饱和蒸气压为10-2Torr时的温度2. 克-克方程及其意义？ 3. 蒸发速率、温度变化对其影响？根据气体分子运动论，在气体压力为P时，单位时间内碰撞单位面积器壁上的分子数量，即碰撞分子流量（通量或蒸发速率）J：蒸发源温度微小变化就可以引起蒸发速率的很大变化4. 平均自由程与碰撞几率的概念。 蒸发分子在两次碰撞之间所飞行的平均距离 热平衡条件下，单位时间通过单位面积的气体分子数为5. 点蒸发源和小平面蒸发源特性？能够从各个方向蒸发等量材料的微小球状蒸发源称为点蒸发源（点源）。这种蒸发源的发射特性具有方向性，使得在 alpha 角方向蒸发的材料质量和 cos(alpha) 成正比。6. 拉乌尔定律？如何控制合金薄膜的组分？ 在定温下，在稀溶液中，溶剂的蒸气压等于纯溶剂蒸气压 乘以溶液中溶剂的物质的量分数 在真空蒸发法制作合金薄膜时，为保证薄膜组成，经常采用瞬时蒸发法、双蒸发源法等。7. MBE的特点？(分子束外延) 外延: 在一定的单晶材料衬底上，沿衬底某个指数晶面向外延伸生长一层单晶薄膜。1) MBE可以严格控制薄膜生长过程和生长速率。MBE虽然也是以气体分子论为基础的蒸发过程，但它并不以蒸发温度为控制参数，而是以四极质谱、原子吸收光谱等近代分析仪器，精密控制分子束的种类和强度。2) MBE是一个超高真空的物理淀积过程，即不需要中间化学反应，又不受质量输运的影响，利用快门可对生长和中断进行瞬时控制。薄膜组成和掺杂浓度可以随源的变化作迅速调整。3) MBE的衬底温度低，降低了界面上热膨胀引入的晶格失配效应和衬底杂质对外延层自掺杂扩散的影响。4) MBE是一个动力学过程，即将入射的中性粒子（原子或分子）一个一个地堆积在衬底上进行生长，而不是一个热力学过程，所以它可以生长普通热平衡生长难以生长的薄膜。5) MBE生长速率低，相当于每秒生长一个单原子层，有利于精确控制薄膜厚度、结构和成分，形成陡峭的异质结结构。特别适合生长超晶格材料。6) MBE在超高真空下进行，可以利用多种表面分析仪器实时进行成分、结构及生长过程分析，进行科学研究。8. 膜厚的定义？监控方法？ 厚度：是指两个完全平整的平行平面之间的距离。理想薄膜厚度：基片表面到薄膜表面之间的距离。 监控方式见书上详解P50第二章：1. 溅射镀膜与真空镀膜相比，有何特点？1) 任何物质都可以溅射，尤其是高熔点金属、低蒸气压元素和化合物；2) 溅射薄膜与衬底的附着性好；3) 溅射镀膜的密度高、针孔少，膜层纯度高；4) 膜层厚度可控性和重复性好。5) 溅射设备复杂，需要高压装置；6) 成膜速率较低（0.01-0.5mm）。2. 正常辉光放电和异常辉光放电的特征？ 在正常辉光放电区，阴极有效放电面积随电流增加而增大，从而使有效区内电流密度保持恒定。 当整个阴极均成为有效放电区域后，只有增加阴极电流密度，才能增大电流，形成均匀而稳定的“异常辉光放电”，并均匀覆盖基片，这个放电区就是溅射区域。3. 射频辉光放电的特点？i. 在辉光放电空间产生的电子可以获得足够的能量，足以产生碰撞电离；ii. 由于减少了放电对二次电子的依赖，降低了击穿电压；iii. 射频电压可以通过各种阻抗偶合，所以电极可以是非金属材料。 4. 溅射的概念及溅射参数。 溅射是指荷能粒子轰击固体表面（靶），使固体原子或者分子从表面射出的现象。1) 溅射阈值2) 溅射率及其影响因素3) 溅射粒子的速度和能量分布4) 溅射原子的角度分布5) 溅射率的计算5. 溅射机理 溅射现象是被电离气体的离子在电场中加速并轰击靶面，而将能量传递给碰撞处的原子，导致很小的局部区域产生高温，使靶材融化，发生热蒸发。 溅射完全是一个动量转移过程 该理论认为，低能离子碰撞靶时，不能直接从表面溅射出原子，而是把动量传递给被碰撞的原子，引起原子的级联碰撞。这种碰撞沿晶体点阵的各个方向进行。 碰撞因在最紧密排列的方向上最有效，结果晶体表面的原子从近邻原子得到越来越多的能量。 当原子的能量大于结合能时，就从表面溅射出来 6. 二极直流溅射、偏压溅射、三极或四极溅射、射频溅射、磁控溅射、离子束溅射系统的结构和原理二极直流溅射：是依赖离子轰击阴极所发射的次级电子来维持辉光放电 靶与基板的距离以大于阴极暗区的3-4倍为宜。 直流二极溅射 射频二极溅射偏压溅射：结构、基片施加负偏压。三极或四极溅射：热阴极发射的电子与阳极产生等离子体 靶相对于该等离子体为负电位、为使放电稳定，增加第四个电极稳定化电极射频溅射：等离子体中的电子容易在射频场中吸收能量并在电场内振荡，与工作气体的碰撞几率增大，从而使击穿电压和放电电压显著降低。磁控溅射：使用了磁控靶在阴极靶的表面上形成一个正交的电磁场。溅射产生的二次电子在阴极位降区内被加速成为高能电子，但是它并不直接飞向阳极，而在电场和磁场的作用下作摆线运动。高能电子束缚在阴极表面与工作气体分子发生碰撞，传递能量，并成为低能电子。离子束溅射系统：离子束由惰性气体或反应气体的离子组成，离子能量高，它们打到由薄膜材料构成的靶上，引起靶原子溅射，并在衬底上形成薄膜。第四章：1. 离子镀膜系统工作的必要条件？1) 造成一个气体放电的空间；2) 将镀料原子(金属原子或非金属原子)引进放电空间，使其部分离化。2. 离子镀膜的原理及薄膜形成条件？ 淀积过程为淀积原子在基片表面的淀积速率；为薄膜质量密度；M为淀积物质的摩尔质量；NA阿佛加德罗常数。溅射过程：j是入射离子形成的电流密度3. 离子镀膜技术的分类？ 按薄膜材料气化方式分类： 电阻加热、电子束加热、高频感应加热、阴极弧光放电加热等。按原子或分子电离和激活方式分类：辉光放电型、电子束型、热电子型、电弧放电型、以及各种离子源。4. 直流二极离子镀、三极和多阴极离子镀、活性反应离子镀、射频离子镀的原理和特点？ 直流二极离子镀：利用二极间的辉光放电产生离子、并由基板所加的负电压对其加速 轰击离子能量大，引起基片温度升高，薄膜表面粗糙，质量差；工艺参数难于控制。附着力方面优于其它的离子镀方法。 三极和多阴极离子镀：1) 可实现低气压下的离子镀膜。真空度比二级型离子镀的真空度大约高一个数量级。所以，镀膜质量好，光泽致密 2) 通过改变辅助阴极(多阴极)的灯丝电流来控制放电状态。3) 避免了直流二极型离子镀溅射严重、成膜粗糙、温升高而难以控制的弱点。活性反应离子镀：在离子镀膜基础上，若导入与金属蒸气起反应的气体，如O2、N2、C2H2、CH4等代替Ar或掺入Ar之中，并用各种不同的放电方式使金属蒸气和反应气体的分子、原子激活、离化、使其活化，促进其间的化学反应，在基片表面就可以获得化合物薄膜，这种方法称为活性反应离子镀法。特点：1) 电离增加了反应物的活性，在温度较低的情况下就能获得附着性能良好的碳化物、氮化物薄膜。2) 可以在任何材料上制备薄膜，并可获得多种化合物薄膜。3) 淀积速率高。 4) 调节或改变蒸发速率及反应气体压力可以十分方便地制取不同配比、不同结构、不同性质的同类化合物。5) 由于采用了大功率、高功率密度的电子束蒸发源，几乎可以蒸镀所有金属和化合物。6) 清洁，无公害。射频离子镀：（1）以蒸发源为中心的蒸发区；（2）以线圈为中心的离化区；（3）以基板为中心，使生成的离子加速，并沉积在基板特点:a) 蒸发、离化、加速三种过程可分别独立控制，离化率靠射频激励，而不是靠加速直流电场，基板周围不产生阴极暗区。b) 在10-1-l0-3 Pa的较低工作压力下也能稳定放电，而且离化率较高，薄膜质量好。c) 容易进行反应离子镀。d) 和其它离子镀方法相比，基板温升低而且较容易控制。第五章:1. CVD热力学分析的主要目的？ 预测某些特定条件下某些CVD反应的可行性（化学反应的方向和限度）。2. CVD过程自由能与反应平衡常数的过程判据？ 小于零则反应3. CVD热力学基本内容？反应速率及其影响因素？ 反应动力学是一个把反应热力学预言变为现实，使反应实际进行的问题；它是研究化学反应的速度和各种因素对其影响的科学。反应速率是指在反应系统的单位体积中，物质（反应物或产物）随时间的变化率。较低衬底温度下， 随温度按指数规律变化。较高衬底温度下，反应物及副产物的扩散速率为决定反应速率的主要因素。4. 热分解反应、化学合成反应及化学输运反应及其特点？ 热分解反应（吸热反应）：该方法在简单的单温区炉中，在真空或惰性气体保护下加热基体至所需温度后，导入反应物气体使之发生热分解，最后在基体上沉积出固体图层。 化学合成反应:指两种或两种以上的气态反应物在热基片上发生的相互反应。化学合成反应法比热分解法的应用范围更加广泛。可以制备单晶、多晶和非晶薄膜。容易进行掺杂。 化学输运反应: 将薄膜物质作为源物质（无挥发性物质），借助适当的气体介质与之反应而形成气态化合物，这种气态化合物经过化学迁移或物理输运到与源区温度不同的沉积区，在基片上再通过逆反应使源物质重新分解出来5. CVD的必要条件？1) 在沉积温度下，反应物具有足够的蒸气压，并能以适当的速度被引入反应室；2) 反应产物除了形成固态薄膜物质外，都必须是挥发性的；3) 沉积薄膜和基体材料必须具有足够低的蒸气压6. 什么是冷壁CVD？什么是热壁CVD？特点是什么？ 冷壁CVD：器壁和原料区都不加热，仅基片被加热，沉积区一般采用感应加热或光辐射加热。缺点是有较大温差，温度均匀性问题需特别设计来克服。 适合反应物在室温下是气体或具有较高蒸气压的液体。热壁CVD：器壁和原料区都是加热的，反应器壁加热是为了防止反应物冷凝。管壁有反应物沉积，易剥落造成污染。7. 什么是开管CVD？什么是闭管CVD？特点是什么？ 开管式：1) 能连续地供气和排气，物料的运输一般是靠惰性气体来实现的。反应总处于非平衡状态，而有利于形成薄膜沉积层（至少有一种反应产物可连续地从反应区排出）。2) 在大多数情况下，开口体系是在一个大气压或稍高于一个大气压下进行的。但也可在真空下连续地或脉冲地供气及不断地抽出副产物。3) 开口体系的沉积工艺容易控制，工艺重现性好，工件容易取放，同一装置可反复多次使用。4) 有立式和卧式两种形式。闭管式:把一定量的反应物和适当的基体分别放在反应器的两端，抽空后充入一定的输运气体，然后密封，再将反应器置于双温区炉内，使反应管内形成温度梯度。闭管法的优点：污染的机会少，不必连续抽气保持反应器内的真空，可以沉积蒸气压高的物质。闭管法的缺点：材料生长速率慢，不适合大批量生长，一次性反应器，生长成本高；管内压力检测困难等。8. 什么是低压CVD和等离子CVD？、早期CVD技术以开管系统为主低压下气体扩散系数增大，使气态反应物和副产物的质量传输速率加快，形成薄膜的反应速率增加。等离子化学气相沉积如果能在反应室内形成低温等离子体（如辉光放电），则可以利用在等离子状态下粒子具有的较高能量，使沉积温度降低。第六章：1. 什么是化学镀？它与化学沉积镀膜的区别？ 化学镀膜是指在还原剂的作用下，使金属盐中的金属离子还原成原子，在基片表面沉积的镀膜技术，又称无电源电镀。化学镀不加电场、直接通过化学反应实现薄膜沉积。化学镀膜的还原反应必须在催化剂的作用下才能进行，且沉积反应只发生在基片表面上。化学沉积镀膜：还原反应是在整个溶液中均匀发生的，只有一部分金属在基片上形成薄膜，大部分形成粉粒沉积物2. 自催化镀膜的特点？ 自催化是指参与反应物或产物之一具有催化作用的反应过程。1) 可以在复杂形状表面形成薄膜；2) 薄膜的孔隙率较低；3) 可直接在塑料、陶瓷、玻璃等非导体表面制备薄膜；4) 薄膜具有特殊的物理、化学性能；5) 不需要电源，没有导电电极。3. Sol-Gel镀膜技术的特点和主要 过程？ 采用金属醇盐或其它盐类作为原料，通常溶解在醇、醚等有机溶剂中形成均匀溶液（solution），该溶液经过水解和缩聚反应形成溶胶（sol），进一步聚合反应实现溶胶-凝胶转变形成凝胶（gel），在经过热处理脱除溶剂和水，最后形成薄膜。优点： 高度均匀性； 高纯度； 可降低烧结温度； 可制备非晶态薄膜； 可制备特殊材料（薄膜、纤维、粉体、多孔材料等）缺点： 原料价格高； 收缩率高，容易开裂； 存在残余微气孔； 存在残余的羟基、碳等； 有机溶剂有毒。主要步骤： 复合醇盐的制备； 成膜（匀胶、浸渍提拉）； 水解和聚合； 干燥； 焙烧。4. 阳极氧化镀膜和电镀的原理和特点？阳极氧化技术：金属或合金在适当的电解液中作为阳极，并施加一定的直流电压，由于电化学反应在阳极表面形成氧化物薄膜的方法特点：1) 采用阳极氧化法生成的氧化膜的结构、性质、色调随电解液的种类、电解条件的不同而变化。2) 用阳极氧化法得到的氧化物薄膜大多是无定形结构。由于多孔性使得表面积特别大，所以显示明显的活性，既可吸附染料也可吸附气体。3) 化学性质稳定的超硬薄膜耐磨损性强，用封孔处理法可将孔隙塞住，使薄膜具有更好耐蚀性和绝缘性。4) 利用着色法可以使膜具有装饰效果。 电镀：指在含有被镀金属离子的水溶液中通入直流电流，使正离子在阴极表面沉积，得到金属薄膜的工艺过程。 特点：1) 膜层缺陷：孔隙、裂纹、杂质污染、凹坑等；2) 上述缺陷可以由电镀工艺条件控制；3) 限制电镀应用的最重要因素之一是拐角处镀层的形成；4) 在拐角或边缘电镀层厚度大约是中心厚度的两倍；5) 多数被镀件是圆形，可降低上述效应的影响。5. 什么是LB技术？LB薄膜的种类？LB薄膜的特点？ 把液体表面的有机单分子膜转移到固体衬底表面上的一种成膜技术。得到的有机薄膜称为LB薄膜。、 根据薄膜分子在基片上的相对取向，LB薄膜可分为X型、Y型、Z型三种类型。优点：1) LB薄膜中分子有序定向排列，这是一个重要特点；2) 很多材料都可以用LB技术成膜，3) LB膜有单分子层组成，它的厚度取决于分子大小和分子的层数；4) 通过严格控制条件，可以得到均匀、致密和缺陷密度很低的LB薄膜；5) 设备简单，操作方便。缺点：1) 成膜效率低，2) LB薄膜均为有机薄膜，包含了有机材料的弱点；3) LB薄膜厚度很薄，在薄膜表征手段方面难度较大。 第七章： 1. 薄膜形成的基本过程描述？ 薄膜形成分为：凝结过程、核形成与生长过程、岛形成与结合生长过程2. 什么是凝聚？入射原子滞留时间、平均表面扩散时间、平均扩散距离的概念？ 凝结过程是指吸附原子在基体表面形成原子对及其后续过程。 入射原子的滞留时间： 平均表面扩散时间：吸附原子在吸附位置上的停留时间 平均表面扩散距离：3. 什么是捕获面积？对薄膜形成的影响？ 吸附原子的捕获面积： 吸附原子在滞留时间内的迁移距离除以吸附位置密度 总捕获面积： 当 时 总的小于1 时，每个吸附原子的捕获面积内只有一个原子，故不能形成原子对，也不能产生凝结。 当 1到2之间 时，发生部分凝结。平均每个吸附原子的捕获面积内有一个或两个吸附原子，可形成原子对或三原子团。在滞留时间内，一部分吸附原子有可能重新蒸发掉。 当 大于2时，每个吸附原子的捕获面积内至少有两个吸附原子。可形成原子对或更大的原子团，从而达到完全凝结。4. 凝聚过程的表征方法？ 凝结系数：单位时间内，完全凝结的气相原子数与入射到基片表面上的总原子数之比。 粘附系数：单位时间内，再凝结的气相原子数与入射到基片表面上的总原子数之比。热适应系数：表征入射气相（或分子）与基体表面碰撞时相互交换能量的程度的物理量称为热适应系数。5. 核形成与生长的物理过程。 （1）入射到表面上的气相原子，部分因能量较大而弹性反射出去。部分则吸附在基体表面上。其中有一小部分因能量稍大而再蒸发出去；（2）吸附气相原子在基体表面扩散迁移，互相碰撞结合成原子对或小原子团并凝结在基体表面上；（3）原子团和其他吸附原子碰撞结合，一旦原子团中的原子数超过其一个临界值，原子团进一步与其他吸附原子碰撞结合形成稳定的原子团；、（4）稳定核再捕获其它吸附原子。或者与入射气相原子相结合使它进一步长大成为小岛。6. 核形成的相变热力学和原子聚集理论的基本内容？ 热力学界面能理论：认为薄膜形成过程是由气相到吸附相、再到固相的相变过程，其中从吸附相到固相的转变是在基片表面上进行的。原子聚集理论：将核（原子团）看作一个大分子聚集体，用其内部原子之间的结合能或与基片表面原子之间的结合能代替热力学理论中的自由能。 7. 什么是同质外延、异质外延？失配度？ 8. 形成外延薄膜的条件？ 薄膜生长速率要小于吸附原子在基片表面上的迁移速率； 提高温度有利于形成外延薄膜； 沉积速率小于第八章：1. 薄膜结构是指那些结构？其特点是什么？ 组织结构、晶体结构、表面结构薄膜的组织结构：薄膜的结晶形态，包括无定形结构、多晶结构、纤维结构、单晶结构。薄膜的晶体结构:多数情况下，薄膜中晶粒的晶格结构与体材料相同，只是晶粒取向和晶粒尺寸不同，晶格常数也不同表面结构：呈柱状颗粒和空位组合结构； 柱状体几乎垂直于基片表面生长，而且上下端尺寸基本相同； 平行于基片表面的层与层之间有明显的界面。2. 蒸发薄膜微观结构随基片温度的变化如何改变？ 基片温度影响到达基片成膜原子在基片表面的粘附系数和迁移率。 低温基片有利于原子表面冷凝而形成非晶态结构。提高基片温度有利于原子规则排列，形成取向良好的薄膜。3. 薄膜主要缺陷类型及特点？1) 点缺陷：空位是热力学稳定的缺陷不同金属空位形成能不同空位浓度与空位形成能、温度密切相关位错：形成原因：a.基体引起的位错；b.小岛的凝结2) 晶粒间界：3) 层错缺陷：4. 薄膜的主要分析方法有那些？基本原理是什么？ 见书上9