薄膜材料与薄膜技术复习资料全

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薄膜材料与薄膜技术

第一章

1.真空度划分：

粗真空：105-102Pa 接近大气状态热运动为主

低真空：102-10-1Pa

高真空：10-1-10-6Pa

超高真空：<10-6Pa

2.吸附与脱附物理吸附与化学吸附

气体吸附：固体表面捕获气体分子的现象

物理吸附：没有选择性、主要靠分子之间的吸引力、容易发生脱附、一般只在低温下发生化学吸附：在较高温度下发生、不容易脱附，只有气体和固体表面原子接触生成化合物才能产生吸附作用。

气体脱附：是吸附的逆过程。

3.旋片式机械真空泵

用油来保持各运动部件之间的密封，并靠机械的办法，使该密封空间的容积周期性地增大，即抽气；缩小，即排气，从而达到连续抽气和排气的目的。

4.分子泵

牵引泵：结构简单、转速小、压缩比大（效率低）

涡轮式分子泵：抽气能力高、压缩比小（效率高）

5.低温泵

深冷板装在第二级冷头上，温度为10-20k，板正面光滑的金属表面可以去除氮、氧等气体，反面的活性炭可以吸附氢、氦、氖等气体。通过两极冷头的作用，可以达到去除各种气体的目的，从而获得超高真空状态。

6.真空的测量

电阻真空计：压强越低，电阻越高（p↓→R↑）测量范围105---10-2Pa

热偶真空计：压强越低，电动势越高（p↓→?↑）测量范围102----10-1Pa

电离真空计：三种（BA型、热阴极、冷阴极）

A：灯丝（发射极）F：栅极（加速极） G：收集极

第二章

1.薄膜制备的化学方法

以发生一定化学反应为前提，由热效应引起或由离子的电致分离引起。（热激活、离子激活）2.热氧化生长

在充气条件下，通过加热基片的方式可以获得大量的氧化物、氮化物和碳化物薄膜。

3.化学气相沉积

优缺点：

优点（记住四条）：

①成核密度高，均匀平滑的薄膜。

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②绕射性好，对于形状复杂的表面或工件的深孔、细孔等都能均匀覆膜。

③不需要昂贵的真空设备。

④残余应力小，附着力好，且膜致密，结晶良好。

⑤可在大尺寸基片或多基片上进行。可一制备金属和非金属薄膜，成膜速率快，面积大。缺点：

①反应温度太高，而许多基材难以承受这样的高温②反应气体可能与设备发生化学反应。三个过程：反应物输运、化学反应、去除附产物

分类：常压式、低压式（NPCVD、LPCVD）热壁（>500℃）、冷壁（LTCVD）

发生的典型化学反应（记住四条）：分解反应、还原反应、氧化反应、氮化反应、碳化反应按照不同激活方式分类：

①激光化学气相沉积（LCVD）

定义：利用激光源产生出来的激光束实现化学气相沉积的一种方法（激光加热非常局域化）②光化学气相沉积（PCVD）

定义：高能光子有选择性地激发表面吸附分子或气体分子而导致键断裂、产生自由化学粒子形成膜或在相邻的基片上形成化学物

③等离子体增强化学气相沉积（PECVD）

定义：在等离子体中电子平均能量足以使大多数气体电离或分解

优点：比传统的化学气相沉积低得多的温度下获得单质或化合物薄膜材料

缺点：由于等离子体轰击，使沉积膜表面产生缺陷，反应复杂，也使薄膜的质量有所下降。应用：用于沉积各种材料，包括SiO2、Si3N4，非晶Si：H、多晶Si、SiC等介电和半导体膜。分类：射频（R-PECED）、高压电源（PECVD）、微波（m-PECVD）、回旋电子加速微波（mECR-PECVD）辨析PCVD 、LCVD 、PECVD？

4.电镀

定义：电流通过导电液中的流动而产生化学反应最终在阴极上（电解）沉积某一物质的过程。

5.化学镀

定义：不加任何电场、直接通过化学反应而实现薄膜沉积的方法

6.阳极沉积反应

定义：不需采用外部电流源，在待镀金属盐类的溶液中，靠化学置换的方法在基体上沉积出该金属的方法。（依赖阳极反应）

7.辨析电镀、化学镀、阳极沉积反应：

①化学镀、阳极沉积反应不可单独作为镀膜技术，一般作为前驱镀处理衬底或后续镀做保护层。电镀可单独作为镀膜技术。

②阳极沉积反应与化学镀的区别在于无需在溶液中加入化学还原剂，因为基体本身就是还原剂。化学镀需添加还原剂。两者都不需要外加电场。

8.LB技术

定义：利用分子活性气体在气液界面上凝结成膜，将该膜逐次叠积在基片上形成分子层。应用：应用这一技术可以生长有序单原子层、高度有序多原子层，其介电强度较高。

过程：

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第三章

1.PVD 与CVD 相比优缺点：

优点：化学气相沉积对于反应物和生成物的选择，且基片需要处在较高温度下，薄膜制备有一定的局限性。物理气相沉积对沉积材料和基片没有限制。

缺点：速率慢、对真空度要求高

2.PVD 三个过程：

从源材料发射粒子、粒子输运到基片、粒子在基片上凝结、成核、长大、成膜。

3.真空蒸发

定义：将待成膜的物质置于真空中进行蒸发或升华，使之在工件或基片表面析出的过程。 优点（相对于其他物理制备）：简单便利、操作容易、成膜速度快、效率高、广泛使用。 缺点：薄膜与基片结合较差、工艺重复性不好。

六种技术：

①电阻加热法

定义：将支撑加热材料做成适当形状，装上蒸镀材料，让电流通过蒸发源加热蒸镀材料，使其蒸发。

②闪烁蒸发

定义：把合金做成粉末或微细颗粒，在高温加热器或坩锅蒸发源中，使一个一个的颗粒瞬间完全蒸发。

③激光蒸发

定义：激光作为热源使蒸镀材料蒸发。

④电子束蒸发

定义：把被加热的物质放置在水冷坩锅中，利用电子束轰击其中很小一部分，使其熔化蒸发，而其余部分在坩锅的冷却作用下处于很低的温度。

⑤电弧蒸发

定义：属于物理气相沉积，有等离子体产生。

⑥射频蒸发（f>13.6MHz ）

定义：通过射频线圈的适当安置，可以使待镀材料蒸发。

优缺点：蒸发速度快，成本高，设备复杂。

辨析电阻蒸发、电子束蒸发：

①电子束蒸发可以直接对蒸发材料加热；可避免材料与容器的反应（避免污染）

和容器材料

LB

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的蒸发；可蒸发高熔点材料。

电阻蒸发难加到高温度，需要蒸发源材料低熔点和高蒸气压；加热时容器（如坩埚）易产生污染。

②电子束蒸发需要靶材导电，装置复杂，只适合于蒸发单质元素；残余气体分子和蒸发材料的蒸气会部分被电子束电离。

电阻蒸发装置相对简单。

4.溅射

定义：溅射是指荷能粒子(如正离子)轰击靶材，使靶材表面原子或原子团逸出的现象。逸出的原子在工件表面形成与靶材表面成分相同的薄膜。

溅射与蒸发的异同点

同：在真空中进行

异：蒸发制膜是将材料加热汽化

溅射制膜是用离子轰击靶材，将其原子打出。

优点和缺点

参数控制较蒸发困难

但不存在分馏，不需加热至高温等

直流辉光放电伏安特性曲线：

A-B:电流小，主要是游离状态的电子，离子导电；电子－原子碰撞为弹性碰撞；

B-C: 增加电压，粒子能量增加，达到电离所需能量；碰撞产生更多的带电粒子；电源的输出阻抗限制电压(类似稳压源)。

C-D: 起辉（雪崩）；离子轰击产生二次电子，电流迅速增大，极板间压降突然减小(极板间电阻减小从而使分压下降)；

D-E: 电流与极板形状、面积、气体种类相关，与电压无关；随电流增大，离子轰击区域增大；极板间电压几乎不变；可在较低电压下维持放电；

E-F: 异常辉光放电区；电流随电压增大而增大；电压与电流、气体压强相关（可控制区域，..........

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溅射区域）；

F-G: 弧光放电过渡区；击穿或短路放电；

比较DE、EF区（正常辉光放电和异常辉光放电）

①辉光放电：真空度为10-1~10-2 Torr，两电极间加高压，产生辉光放电。电流电压之间不是线性关系，不服从欧姆定律。

②DE段：电流增大电压不变。EF段：电压增大电流增大

③DE段不可控，EF段可控

辉光放电时明暗场分布：

阿斯顿暗区：慢电子区域；

阴极辉光：激发态气体发光；

克鲁克斯暗区：气体原子电离区，电子离子浓度高；

负辉光：电离；电子－离子复合；正离子浓度高(阴极位降区) 基片所在位置。

法拉第暗区：慢电子区域，压降低，电子不易加速；

溅射六种装置：

①辉光放电直流溅射

②三级溅射

③射频溅射：射频溅射是利用射频放电等离子体中的正离子轰击靶材、溅射出靶材原子从而沉积在接地的基板表面的技术。

④磁控溅射

⑤离子束溅射

⑥交流溅射

速度：射频>磁控>交流>三级>直流>离子束

还有几种：对靶溅射反应溅射热溅射校准溅射

磁控溅射：磁力线延伸到衬底，对衬底进行适当溅射，通过在靶阴极表面引入磁场，利用磁场对带电粒子的约束来提高等离子体密度以增加溅射率。

优点：可在较低工作压强下得到较高的沉积率，可在较低基片温度下获得高质量薄膜。

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缺点：①靶材利用率低，表面不均匀溅射、非均匀腐蚀及内应力

②不适用于强磁体

磁控热反应溅射：加热衬底。到达衬底前靶材粒子与反应气体发生化学反应形成化合物。（先解释溅射，再解释磁控溅射，再解释热反应溅射）

非平衡磁控溅射：

①靶材非平衡使用

②磁线外延到靶材时，少量外延到衬底，可以对衬底进行预清洗。

靶材中毒：

判断依据：溅射速率急速下降枪内真空度下降

原因：化学反应没有发生在衬底上，发生在靶材上，使靶材钝化，产额下降。

辨析直流、交流、三极溅射？

直流溅射：施加直流电压，使真空室内中性气体辉光放电，正离子打击靶材，使靶材表面中性原子溢出。

交流溅射：施加交流电压。

三极溅射：采用直流电源，将一个独立的电子源（热阴极）中的电子注入到放电系统中，而不是从靶阴极获得电子。

5.离子镀

定义：真空条件下，利用气体放电使气体或被蒸发物部分离化，产生离子轰击效应，最终将蒸发物或反应物沉积在基片上。

优点：结合蒸发与溅射两种薄膜沉积技术。膜与基片结合好，离子镀的粒子绕射性，沉积率高，对环境无污染。

6.离子束沉积（IBD）

在离子束溅射沉积过程中，高能离子束直接打向靶材，将后者溅射并沉积到相邻的基片上。离子助沉积（IAD）

7.外延生长

①分子束外延(MBE)

定义：在超高真空条件下精确控制原材料的中性分子束强度，并使其在加热的基片上进行外延生长的一种技术。

优点：超高真空、可以实现低温过程、原位监控、严格控制薄膜成分及掺杂浓度

②液相外延生长(LPE)

定义：从液相中生长膜，溶有待镀材料的溶剂是液相外延生长所必需的。

③热壁外延生长(HWE)

定义：一种真空沉积技术，在这一技术中外延膜几乎在接近热平衡条件下生长，通过加热源材料与基片材料间的容器壁实现的。

④有机金属化学气相沉积(MOCVD)

定义：采用加热方式将化合物分解而进行外延生长半导体化合物的方法。原料含有化合物半导体组分。

特点：可对多种化合物半导体进行外延生长。

优点（相对于其他几种外延生长）：

①反应装置较为简单，生长温度较宽

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②可对化合物的组分进行精确控制，膜的均匀性和膜的电化学性质重复性好

③原料气体不会对生长膜产生刻蚀作用。

④只通过改变原材料即可以生长出各种成分的化合物

缺点：所用的有机金属原料一般具有自燃性。原料气体具有剧毒。

比较MBE、LPE、MOCVD

温度/生长速率/膜纯度：液相外延生长（LPE）>有机金属化学气相沉积（MOPVD）>分子束外延（MBE）

辨析溅射、蒸发、离子镀

类型粒子荷电性能量沉积速率绕射性基片负荷

蒸发中性0.1-0.3 高差接0

溅射中性 3 -10 低差接正

离子镀带正电10-100 高好接负

第四章

1.薄膜形成：凝结过程、核形成与生长过程、岛形成与结合生长过程

2.凝聚过程（前提是形成原子对）

吸附原子结合成原子对及其以后的过程。必要条件是吸附原子在基体表面的扩散运动。

吸附-扩散-凝结

吸附过程：

入射到基体表面的气象原子被固体表面的悬挂键吸引住的现象称为吸附

①物理吸附：范德华力 0.4nm 低温吸附高温解析

②化学吸附：化学键 0.1-0.3nm 选择性高温吸附

3.辨析成核理论---毛细理论（热力学界面能理论）和原子理论：

①相同之处：所依据的基本概念相同，所得到的成核速率公式形式也基本相同。

②不同之处：两个使用的能量不同，所用模型不同。

热力学界面能理论适合描述大尺寸临界核。因此，对于凝聚自由能较小的材料或者过饱和度较小情况下进行沉积的情况比较适合。

原子理论适合小尺寸临界核。对于小尺寸临界核，这时必须过饱和度很高才能发生凝聚成核。

③由于这两种理论所用模型的本质差别，热力学界面能理论所给出的有关公式预示，随着过饱和度的变化，临界核尺寸和成核速率连续变化；相反，原子理论则预示着它们不作连续变化。

4.临界核形成：方程推导

当原子或分子从气相中沉积到衬底的表面凝聚，成球状核或冠状核时总自由能和临界核尺寸的数学表达式？分析温度、过饱和度、沉积速率对r*和ΔG*的影响。

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.......... 答：球状凝聚核总自由能数学表达式：

3243

()4?v CV G r r G r ππσ?=-?+ 临界核尺寸数学表达式：22*ln(/)cv

cv v e V G kT P P r σσ?== 冠状凝聚核总自由能表达式：231

03()4?)?)v G r r r G πφθσ?=+? 临界核尺寸表达式：0

2*v G r σ?=-。

凝聚核总自由能由两部分构成，即体自由能与界面自由能，体自由能随着核心尺寸的增加而减小，界面自由能随着核心尺寸的增大而增大，所以总自由能随着核心尺寸的增加先增大后减小，存在一个临界核心尺寸和形核势垒

温度影响：温度T ↑，过冷度T ?↓,临界核半径*r 和形核势垒*G ?都将↑，则新相核心形成困难。

过饱和度影响：过饱和度S ↑，临界核半径*r 和形核势垒*G ?都↓，所需克服的形核势垒也较低，新相核心较易形成。

沉积速度影响：沉积速率R ↑时，临界核半径*r 和形核势垒*G ?都↓，新相核心较易形成。

5.根据毛细理论，简述形核率 (dN/dt) 的主要影响因素，并解释说明吸附气体原子的脱附激活能、扩散激活能和临界形核势垒对其影响规律和内在机制。

答：形核率 (dN/dt) 的主要影响因素：温度，过饱和度和沉积速度。规律：吸附气体原子的脱附激活能越高，扩散激活能越低，形核率越大，临界形核势垒越低，形核率越大。内在机制：高的脱附激活能和低的扩散激活能都有利于气相原子在基体表面停留和运动，因而会提高形核率。临界形核势垒越低，新相核心越容易形成，形核率也就越大。

6.根据毛细理论，简要说明为什么高温低速沉积往往获得粗大或单晶结构薄膜，而低温高速沉积则有利于获得细小多晶、微晶乃至非晶薄膜？

答：根据毛细理论知，在高温低速沉积速度条件下，临界核半径和形核势垒都较大，新相核心较大且不易形成，形核率低，形成薄膜组织往往粗大或者单晶薄膜；在低温高速沉积条件下，临界核半径和形核势垒都较小，新相核心较小且容易形成，形核率高，形成薄膜组织细密连续，则有利于获得细小多晶、微晶乃至非晶薄膜。

7.在稳定核形成以后，岛状薄膜的形成过程一般分为几个阶段？各阶段的主要现象如何？ 答：稳定核形成之后，岛状薄膜的形成过程分为四个阶段，小岛阶段，结合阶段，沟道阶段，连续膜。

小岛阶段：出现大小一致的核（2-3nm ），核进一步长大变成小岛，形状将又冠球形变成圆形最后变成多面体小岛。

结合阶段：两个小岛将相互结合，结合后增大了高度，减小了在基片的所占的总表面积。结合时类液体特性导致新出现的基片面积上将会发生二次形核，结合后的复合岛若有足够时间，可形成晶体结构。

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沟道阶段：当岛的分布达到临界状态时便相互聚结成网状结构，种结构中不规则分布着宽度为50~200A 的沟渠，随着沉积继续，沟渠很快消失，薄膜变成小孔洞的连续状结构，在小孔洞处将发生二次成核或三次成核，整个薄膜连成一片。

连续薄膜：随着沉积继续进行，在沟渠和孔洞消除，再入射到基体表面的气相原子便直接吸附在薄膜上，通过联并作用而形成不同结构的薄膜。

8.利用烧结过程解释核心吞并机制及其驱动力。

答：机制：当两个岛相互接触时，在接触点形成半径为R 的瓶颈，将产生一驱动力2б/R ，使岛的沉积原子通过体扩散和表面扩散迁移到瓶颈中，且表面扩散通量大于体扩散通量。驱动力由曲率半径R 决定，为2б/R 。

9.简述薄膜的主要生长模式，及每类生长模式各自出现的条件及特点。 答：岛状生长型，层生长型，层岛生长型。

岛状生长型：特点：到达衬底上的沉积原子首先凝聚成核，后续飞来的沉积原子不断聚集在核附近，使核在三维方向上不断长大而最终形成薄膜。

条件：在衬底晶格和沉积膜晶格不相匹配（非共格）时或当核与吸附原子间的结合能大于吸附原子与基体的吸附能时，大部分薄膜形成过程属于这种类型。

层状生长型：特点：沉积原子在衬底的表面以单原子层的形式均匀地覆盖一层，然后再在三维方向上生长第二层、第三层······

条件：一般在衬底原子与沉积原子之间的键能大于沉积原子相互之间键能的情况下（共格）发生这种生长方式的生长。

层岛生长型：特点：生长机制介于岛生长型和层生长型的中间状态。 条件：当衬底原子与沉积原子之间的键能大于沉积原子相互之间键能、随后出现干扰层状生长结合能特性单调减少因数的情况下（准共格）多发生这种生长方式的生长。

第五章 1.组分表征 种类

入射 出射 应用 原理 卢瑟福背散射（RBS ）

离子

离子

同位素分析

二次离子质谱仪（SIMS ）

离子 靶离子

利用中性化率分析带电情况及OH 吸收情况 轻元素分析

X 射线光电子能谱（XPS ）

X 射线 电子 元素价态

俄歇电子能谱（AES ）

电子 电子

超薄层扩散深度分析

电镜中的显微分析（EMA ）

电子 X 射线 最常见的微分组分分析

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2.结构表征

种类

特征 应用 低能电子衍射

（LEED ）

入射电子能量小于500eV 出射大约100eV 原位监测膜生长状况 MEED ：中等能量电子衍射 RHEED ：反射高能电子衍射 掠入射角X 射线

衍射（GIXS ）

入射角非常小 用于薄层结构分析 透射电子显微镜

（电子衍射） 用于薄膜（透明）分析

3.原子化学键合表征

能量损失谱（EELS ）：主峰---元素种类 主峰化学位移---配位结构 精细结构---键合情况 扩展X 射线吸收精细结构（EXAFS ）：吸收线---元素种类 精细结构---键合情况

辨析红外吸收光谱与拉曼光谱

①红外吸收光谱：构成薄膜样品分子振动的频率一般从红外延展到远红外，用红外线照射薄膜样品时，与样品分子振动频率相同的红外线就会被分子共振吸收。每个分子都有确定的振动频率，因此可用红外光谱标识薄膜中所含分子并确立分子间的键合特征。

拉曼光谱：可见光或紫外线照射在样品上时，出来的散射光频率会有稍许改变，这种改变乃是由分子振动引起的。因此可用拉曼光谱测定这种频率的改变，从而分析和鉴别薄膜样品中的化学组成和化学键合。

②都是测定薄膜样品中分子振动的。

③对于具有对称中心的分子振动，红外不敏感，拉曼敏感；对于反对称中心的分子振动，则红外敏感拉曼不敏感。对于对称性高的分子，拉曼敏感。

辨析红外吸收光谱与傅里叶变换红外光谱（FTIR ）

①二者原理一致

②传统的红外吸收光谱依赖于红外光束通过格栅色散到单色元件中进行扫描。

FTIR 依赖于相干干涉仪

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