薄膜材料与技术复习资料打印版

复习重点1．图1为常用机械泵的结构图，试指出图中各部分的作用和功能。1、进气口：进气2、过滤器：分离悬浮在气体中固体颗粒，有害物质3、大转轮：提供抽取和压缩空气的动力4、弹簧：伸缩叶片7、过滤器5、风机叶片：分割气体6、气镇阀（排除凝结物，加速抽出蒸汽而不至于污染油质）8、排气阀：在B处得空气压缩到一定程度后排出压缩空气，在此之前密封压缩室9、排气管：排气10、密封面：分割A处和C处，保持密封性2、图为溅射镀膜的原理示意图，试结合图叙述溅射镀膜的基本过程，并介绍常用的溅射镀膜的方法和特点。过程：该装置是由一对阴极和阳极组成的冷阴极辉光放电结构。被溅射靶（阴极）和成膜的基片及其固定架（阳极）构成溅射装置的两个极，阳极上接上1-3KV的直流负高压，阳极通常接地。工作时通常用机械泵和扩散泵组将真空室抽到6.65*10-3Pa，通入氩气，使真空室压力维持在（1.33-4）*10-1Pa,而后逐渐关闭主阀，使真空室内达到溅射电压，即10-1-10Pa，接通电源，阳极耙上的负高压在两极间产生辉光放电并建立起一个等离子区，其中带正电的氩离子在阴极附近的阳极电位降的作用下，加速轰击阴极靶，使靶物质由表面被溅射出，并以分子或原子状态沉积在基体表面，形成靶材料的薄膜。将欲沉积的材料制成板材——靶,固定在阴极上。基片置于正对靶面的阳极上,距靶几厘米。系统抽至高真空后充入10～1帕的气体（通常为氩气），在阴极和阳极间加几千伏电压，两极间即产生辉光放电。放电产生的正离子在电场作用下飞向阴极，与靶表面原子碰撞，受碰撞从靶面逸出的靶原子称为溅射原子,其能量在1至几十电子伏范围。溅射原子在基片表面沉积成膜直流阴极溅射镀膜法：特点是设备简单，在大面积的基片或材料上可以制取均匀的薄膜，放电电流随气压和电压的变化而变化，可溅射高熔点金属。但是，它的溅射电压高、沉积速率低、基片温升较高，加之真空度不良，致使膜中混入的杂质气体也多，从而影响膜的质量。高频溅射镀膜法：利用高频电磁辐射来维持低气压的辉光放电。阴极安置在紧贴介质靶材的后面，把高频电压加在靶子上，这样，在一个周期内正离子和电子可以交替地轰击靶子，从而实现溅射介质材料的目的。这种方法可以采用任何材料的靶，在任何基板上沉积任何薄膜。若采用磁控源，还可以实现高速溅射沉积。磁控溅射镀膜法：磁控溅射的特点是电场和磁场的方向互相垂直，它有效的克服了阴极溅射速率低和电子使基片温度升高的致命弱点，具有高速、低温、低损伤等优点，易于连续制作大面积膜层，便于实现自动化和大批量生产，高速指沉积速率快；低温和低损伤是指基片的温升低，对膜层的损伤小。此外还具有一般溅射的优点，如沉积的膜层均匀致密，针孔少，纯度高，附着力强，应用的靶材广，可进行反应溅射，可制取成分稳定的合金膜等。工作压力范围广，操作电压低也是其显著特点。反应溅射镀膜法：在阴极溅射的惰性气体中，人为的掺入反应气体，可以制取反应物膜。非对称交流溅射和偏压溅射镀膜法：特点是可以减少溅射镀膜过程中阴极溅射膜中的混入气体。3、图3为一个PECVD的反应室结构图，试叙述其工作原理和特点原理：图中是一种平行板结构装置。衬底放在具有温控装置的下面平板上，压强通常保持在133Pa左右，射频电压加在上下平行板之间，于是在上下平板间就会出现电容耦合式的气体放电，并产生等离子体。利用等离子体的活性来促进反应，使化学反应能在较低温度下进行，这种方法称为等离子体强化气相沉积（PECVD），是一种高频辉光放电物理过程和化学反应相结合的技术。在高温真空压力下，加在电极板上的射频RF电场，使反应室气体产生辉光放电，在辉光放电区域产生大量的电子。这些电子在电场的作用下获得充足的能量，其本身温度很高，它与气体分子相碰撞，负气体分子活化，它们吸附在衬底上，并发生化学反应天生介质膜，副产物从衬底上解析，随主流由真空抽走。特点：1、PECVD需要增加一个能产生等离子体的高频源。2、采用PECVD可以显著降低沉积时的基体温度，并具有沉积速率快、成膜质量好、针孔少、不易龟裂等优点。3、但等离子体的轰击会使沉积表面产生缺陷，同时等离子体中产生的多种反应物质使反应复杂化，因此会使薄膜的质量下降；4、另外设备投资大、成本高，对气体的纯度要求高；5、涂层过程中产生的剧烈噪音、强光辐射、有害气体、金属蒸汽粉尘等对人体有害；6、对小孔孔径内表面难以涂层等。4简述薄膜的形成过程。薄膜：在被称为衬底或基片的固体支持物表面上，通过物理过程、化学过程或电化学过程使单个原子、分子或离子逐个凝聚而成的固体物质。主要包括三个过程：（1）产生适当的原子、分子或离子的粒子；（2）通过煤质输运到衬底上；（3）粒子直接或通过化学或电化学反应而凝聚在衬底上面形成固体沉淀物，此过程又可以分为四个阶段：（1）核化和小岛阶段；（2）合并阶段；（3）沟道阶段；（4）连续薄膜5真空的概念？怎样表示真空程度，为什么说真空是薄膜制备的基础？在给定的空间内，气体的压强低于一个大气压的状态，称为真空真空度、压强、气体分子密度：单位体积中气体分子数；气体分子的平均自由程；形成一个分子层所需的时间等物理气相沉积法中的真空蒸发、溅射镀膜和离子镀等是基本的薄膜制备技术。它们均要求沉积薄膜的空间有一定的真空度。6真空蒸发系统应包括那些组成部分？(1)真空室，为蒸发过程提供必要的真空环境(2)蒸发源或蒸发加热器，放置蒸发材料并对其加热(3)基板，用于接受蒸发物质并在其表面形成固态薄膜(4)基板加热器及测温器等7简述CVD输运反应的原理把需要沉积的物质当作源物质(不挥发性物质)，借助于适当的气态介质与之反应而形成一种气态化合物，这种气态化合物经化学迁移或物理载带(利用载气)输运到与源区温度不同的沉积区，并在基板上发生逆向反应，使源物质重新在基板上沉积出来，这样的过程称为化学输运反应。8通常对蒸发源材料的要求？(1)熔点要高(2)饱和蒸气压低(3)化学性质稳定，在高温下不与蒸发材料发生化学反应(4)具有良好的耐热性，热源变化时，功率密度变化很小(5)原料丰富，经济耐用9简述溅射镀膜相比蒸发镀膜工艺的特点。溅射镀膜与真空镀膜相比，有如下特点：(1)任何物质均可以溅射，尤其是高熔点、低蒸气压元素和化合物。不论是金属、半导体、绝缘体、化合物和混合物等，只要是固体，不论是块状、粒状的物质都可以作为靶材(2)溅射膜与基板之间的附着性好(3)溅射镀膜密度高，针孔少，且膜层的纯度较高，因为在溅射镀膜过程中，不存在真空蒸镀时无法避免的坩埚污染现象10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，是一个可观测到实体的尺寸。理想薄膜厚度：基片表面到薄膜表面之间的距离。由于实际上存在的表面是不平整和不连续的，而且薄膜内部还可能存在着针孔、杂质、晶体缺陷和表面吸附分子等，所以要严格的定义和测准薄膜的厚度实际上比较困难的。膜厚的定义，应该根据测量的方法和目的来决定。称重法（微量天平法石英晶体振荡法）电学方法（电阻法电容法电离式监控记法）光学方法（光吸收法光干涉法等厚干涉条纹法）触针法（差动变压器法阻抗放大法压电元件法11什么是冷壁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。12什么是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。13离子镀膜的优缺点？①工作真空度高，气体杂质污染少；②沉积速率很高(10~1000m/h)，适于制备厚膜；③蒸发粒子离化率极高(≥80%)，离子能量高；④沉积装置简单、基片温升小；⑤薄膜中含有电弧放电造成的喷溅微粒。14真空蒸发系统应包括那些组成部分及作用？15薄膜的主要分析方法有哪些？基本原理是什么？16简述化学气相沉积优缺点？优点：（1）不存在沉积视线阴影，可以对复杂的三维工件进行沉积镀膜。（2）具有高的沉积速度，并可获得厚的涂层（有时厚度可达厘米级）；（3）大于99.9%之高密度镀层，有良好的真空密封性；（4）沉积的涂层对底材具有良好的附着性；（5）可在相当低的温度下镀上高熔点材料镀层；（6）可控制晶粒大小与微结构（7）CVD设备通常比PVD简单、经济。缺点：（1）反应需要挥发性化合物，不适用于一般可电镀的金属，因其缺少适合的反应物，如：锡、锌、金；（2）需可形成稳定固体化合物的化学反应，如：硼化物、氮化物及硅化物等；（3）因有剧毒物质的释放，腐蚀性的废气及沉积反应需适当控制，需要封闭系统；（4）某些反应物价格昂贵；（5）反应物的使用率低，反应常受到沉积反应平衡常数的限制。17（10分）18图为直流溅射过程气体放电的福安特性曲线以及放电区域的划分,请说出出图中各段曲线的名称以及各段曲线中发生的物理过程？