薄膜材料考试题目

本资料仅限于中科大材料系研究生同学使用，禁止一切摘抄、翻录、复印等行为。孙兆威2016年6月9日1.Z在抽真空的过程中，在不同真空度下腔体内的主要气体成分。压强（torr）主要气载AtmWetAir10-3WaterVapor（75%-85%）10-6H2O，CO10-9H2O，CO，H210-10CO，H210-11H22.管道的设计与连接对抽真空效率的影响，检漏方法抽气效率：为保持系统真空度而需要的抽速，取决于真空元件的总流导（一般指导管、阀门、挡板真空系统中的常见元件），使得真空泵的实际抽速S永远小于理论抽速Sp：同时，极限真空度会受到被抽容器（真空器）的体积及漏气、放气的影响，公式为因此，要保证抽真空效率，就要减少真空元件总流导和系统的漏气放气。总流导C：，因此，在允许范围内增大各个元件流导即可增加系统总流导。对阀门，C=11.7A，对导管，C=12.2D3/L，因此，选用口径较大的阀门，尽量减少导管的长度，增加导管直径可以相应增大总流导。装置放气：是指在常温或高温下真空装置自身的饱和蒸汽、某些内表面存在的污垢、联结装置中存在的残余空气，这些气体会对极限真空度造成影响，因此必须在组装装置时选用饱和蒸汽压尽可能低、且高温稳定性理想的元件材料，减少需要连接的部位，尽可能清洁装置的内表面。装置漏气：装置漏气存在两种情况，一是空气通过装置器壁渗透；二是装置存在漏气部位。第二种情况是必须尽量克服的，同样是通过减少连接部分，使用气密性高、热变形小的材料。常见检漏方法：1.rate-of-rise检测2.He质谱漏气检测3.He气+真空计检测4.RGA检测检漏部位：检漏仪与系统的连接处；过去经常出问题的元器件；经常沿着密封表面运动的密封件；阀门的动密封；旋转部件的动密封；舱门的密封；波纹管轴的密封；真空官道上的柔性连接；螺纹连接处；静密封，如观察窗，引线端；焊点（特别是钎焊的焊点）；3.估计常见晶体不同面的表面能100110111SC123FCC463BCC426HCP366000111001120自己计算即可，不会来问我4.表面扩散的几种机制表面扩散：是指原子在固体表面上由一个表面位置向另一个位置移动。机制有两种：1.增原子迁移和替换2.表面空位迁移表面扩散的原子理论：表面扩散主要是增原子的迁移和表面空位迁移。具体采用哪种机制则看那种机制的扩散激活能（Ef和Em）小5.扩散生长的薄膜厚度与时间的关系反应扩散生成中间相γ薄膜，单位时间内从a相流入界面的A物质，单位时间内从界面流入γ相的A物质，A物质守恒，阴影部分面积相等6.推导衬底上异相形核的临界尺寸和形核功intv(/)CDdCdxvC(/)vDdCdxdXdtCC0/)(/LCCdxdCAXCCCLA)(210CCCXCCDdtdXA)(2)(21/221/21/21/2()~const()ADCCtXtXCCCpconstexp(E/T)k7.Gibbs-Curie-Wulff公式的应用Gibbs-Curie-Wulff定律的基本含义是晶体生长最小表面能原理出发，可得知晶面的线性生长速率与该晶面的比表面能成正比，晶体最终保留下来的晶面是面网密度大的晶面。Gibbs-Curie-Wulff公式(晶体平衡形态中心到表面的距离与该表面表面能的比值为常数)此处应有一负号8.判断起始沉积状况的分类薄膜的起始沉积过程是衬底上增原子数迅速增加直到饱和的阶段，它对以后的成核长大有很大的影响，可以根据起始过程中再蒸发的难易程度和沉积原子能够相遇结合起来的程度把薄膜生长过程区分为三类。在沉积的起始过程中，衬底上已有许多原子同时扩散，对每个原子的驻留时间，都可以引入一个俘获面积ma,或俘获半径Ra,在此范围内后来到达的原子均会被这个原子俘获而成核。按起始沉积过程中再蒸发的难易程度和沉积原子能够相遇结合起来的程度区分为三类:起始完全沉积状态俘获位置ma之和＞2N09.蒸发沉积膜厚均匀性的问题点源和面源的比较：1)两种源的相对膜厚分布的均匀性都不理想；2)点源的膜厚分布稍均匀些；3)在相同条件下，面源的中心膜厚为点源的4倍；4)点源的浪费比较严重些。10.磁控溅射的原理和优缺点，反应溅射沉积随输入气体的量，各种沉积参数的变化原理：电子在电场E的作用下，在飞向基片过程中与氩原子发生碰撞，使其电离产生出Ar正离子和新的电子；新电子飞向基片，Ar离子在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射。在溅射粒子中，中性的靶原子或分子沉积在基片上形成薄膜，而产生的二次电子会受到电场和磁场作用，产生E（电场）×B（磁场）所指的方向漂移，简称E×B漂移，其运动轨迹近似于一条摆线。若为环形磁场，则电子就以近似摆线形式在靶表面做圆周运动，在靠近靶表面的等离子体区域内电离出大量的Ar来轰击靶材，从而实现了高的沉积速率。随着碰撞次数的增加，二次电子的能量消耗殆尽，逐渐远离靶表面，并在电场E的作用下最终沉积在基片上。优点：1.二次电子以园滚线的形式在靶上循环运动，路程足够长，电子使原子电离的机会增加。2.提高了电离效率，工作气压可降低到10-3-10-4Torr，减少了工作气体与溅射原子的散射作用，提高了沉积速率。3.高密度等离子体被电磁场束缚在靶面附近，不与基片接触。这样，电离产生的正离子能有效地轰击靶面；基片又免受等离子体地轰击，制膜过程中温升较小。有效地解决了直流溅射中基片温升高和溅射速率低两大难题缺点：不能实现强磁性材料的低温高速溅射用绝缘材料的靶会使基板温度上升靶材的利用率低(10%-30%)，靶表面不均匀溅射反应性磁控溅射中的电弧问题膜的均匀性靶的非均匀腐蚀及内应力颗粒（重溅射）反应溅射沉积：稳态时靶上化合物溅射速率与形成速率相等：靶的消耗速率：稳态时衬底上化合物生成速率与被金属覆盖速率相等：输入气体总量：ctttttrSA)q/j(aA)1(ttmtctA)]1(SS)[q/j(Rb/]A)1(S)[q/j(bA)1()1](AS)[q/j(sttmsssrsttcpstQQQQSPQA)1(QA)1(Qrpsssrstttrt反应气体分压Pr，溅射率R等与输入气体量的关系11.离子镀的原理及优缺点原理：蒸发源接阳极，工件接阴极，当通以高压直流电以后，蒸发源与工件之间产生弧光放电。真空罩内充有惰性氩气，在放电电场作用下部分氩气被电离，从而在阴极工件周围形成一等离子暗区。带正电荷的氩离子受阴极负高压的吸引，猛烈地轰击工件表面，致使工件表层粒子和脏物被轰溅抛出，从而使工件待镀表面得到了充分的离子轰击清洗。随后，接通蒸发源交流电源，蒸发料粒子熔化蒸发，进入辉光放电区并被电离。带正电荷的蒸发料离子，在阴极吸引下，随同氩离子一同冲向工件，当镀于工件表面上的蒸发料离子超过溅失离子的数量时，则逐渐堆积形成一层牢固粘附于工件表面的镀层。优点：离子轰击衬底，起到清洗作用；界面形成伪扩散层，与基片结合良好；可通过电压对沉积束团进行控制；在低温下可实现外延生长，且避免高温引起的扩散；电场引导离子运动，提高了绕射性；有利于形成化合物膜层，可镀材料范围广；致密，结晶性好；沉积速率离子镀的粒子绕射性提高薄膜对于复杂外形表面的覆盖能力。缺点：1.目前设备的容量仍然较小，难以加工大型零件；2.高能离子和中性粒子的轰击，使沉积薄膜中的缺陷大量增加，同时薄膜与基片的过渡界面层较宽；3.轰击粒子动量大，基片温度高4.沉积薄膜中含气量较高，除了吸附在薄膜表面，部分氩离子可能进入薄膜内部。12.化学气相沉积所选用的化学反应的特点化学气相淀积所用的反应体系要符合的基本要求：a.能够形成所需要的材料淀积层或材料层的组合，其它反应产物均易挥发（需要作CVD相图）；b.反应剂在室温下最好是气态，或在不太高的温度下有相当的蒸气压，且容易获得高纯品；c.在沉积温度下，沉积物和衬底的蒸汽压要足够低；d.沉积装置简单，操作方便．工艺上重复性好，适于批量生产，成本低廉．主要反应类型：热分解反应、还原反应、氧化反应、反映沉积、歧化反应、可逆反应。13.CVD生长薄膜的不同控制因素1）沉积温度：是影响薄膜质量的重要因素，而每种薄膜材料都有自己最佳的沉积温度范围。在一般情况下，化学气相沉积速度将随温度升高而加快。但对某些正反应（沉积反应）为放热反应而逆反应（刻蚀反应）为吸热反应的体系，沉积净速率随温度先升后降。还有某些极端情况，如沉积原子的升华激活能较低，升温过程中沉积速率和升华速率都升高，这种情况需要特别设定参数。Ks小，低温，反应过程由较为缓慢的表面反应控制，即表面反应控制沉积过程，沉积反应速率慢。Ks大，反应物扩散慢，基底上方反应物贫化，为扩散控制沉积过程。其中，ks随T的变化速率远高于D和δ。另一方面，装置内的温度分布，会对扩散系数D造成影响（此处需要写明D与D0的一般关系式，大家都会的），继而影响到沉积膜均匀性。结合公式：明显能得出结论，即薄膜原子沉积速率随进气口距离增大指数下降，为了控制气体宏观流量变化对薄膜均匀性的影响，应尽量将温度设置为梯度变化。（从公式中也可出气体流速v和装置直径b的影响，应在限定范围内尽量提高这两个参数）2）沉积室压力：沉积室压力与化学反应过程密切相关。压力会影响沉积室内热量、质量及动量传输，因此影响沉积速率、薄膜质量和薄膜厚度的均匀性。在常压水平反应室内，气体流动状态可以认为是层流；而在负压立式反应室内，由于气体扩散增强，反应生成物废气能尽快排出，可获得组织致密、质量好的薄膜，更适合大批量生产。3）反应气体分压：是决定薄膜质量的重要因素之一，它直接影响薄膜成核、生长、沉积速率、组织结构和成分。对于沉积碳化物、氮化物薄膜，通入金属卤化物的量（如TiCl4），应适当高于化学当量计算值，这对获得高质量薄膜是很重要的。4）基片的放置角度，可以相对改变温度分布，以及气流形式（如局部湍流），从而改变沉积生长速率或均匀性等参数。14.异质外延生长的晶格匹配和失配位错的产生异质外延生长所得薄膜与基片的相界面存在两种可能：1.共格相界面两侧的晶体具有完全确定的位向关系,一侧的原子面和另一侧的原子面可以取向不同或有扭折,但可以逐一对应和过渡。2.部分共格界面,界面两侧晶粒取向虽有确定的取向关系,但界面两侧的原子面已无逐一对应和过渡的关系，或者说二者的点阵常数相差较大，因而错配度f也较大。此时界面上出现一系列刃型失配位错,那些多余的半原子面一直插到界面处.第一种情况的界面的界面能（存在一个附加项—应变能）比起理想晶体表面有一定增大，但Δγ小于位错形核能垒，故而这种情况不产生位错。第二种情况当错配度f较高时，过渡界面中某一相或两相晶格均畸化严重，总界面应变能很高，以至于越过了位错成核的能垒，即产生失配位错的驱动力来自薄膜应变能的降低。位错产生前，应变能为位错产生后，应变由f变为Ɛ=f-b/S，位错产生后的总能量为应变能和位错能之和：失配位错的成核机制主要有两种:1.来自衬底的穿过位错的增殖。2.薄膜表面位错环的均匀成核。.2121evEhfv2121evEhv