薄膜物理与关键技术基本概念常识大全.doc

薄膜物理基本知识大全
第一章：
最可几速度：
平均速度：

均方根速度：

平均自由程：每个分子在持续两次碰撞之间路程称为自由程；其记录平均值成为平均自由程。

惯用压强单位换算 1Torr=133.322 Pa 1 Pa=7.5×10-3 Torr
1 mba=100Pa 1atm=1.013*100000Pa
真空区域划分、真空计、各种真空泵
粗真空 1×105 to 1×102 Pa
低真空 1×102 to 1×10-1 Pa
高真空 1×10-1 to 1×10-6 Pa
超高真空 <1×10-6 Pa

旋转式机械真空泵
油扩散泵
复合分子泵
属于气体传播泵，即通过气体吸入并排出真空泵从而达到排气目

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、分子泵工作原理，真空计工作原理

第二章：
1. 什么是饱和蒸气压、蒸发温度？
在一定温度下，真空室内蒸发物质蒸气与固体或液体平衡过程中所体现出来压力
规定物质在饱和蒸气压为10-2Torr时温度
2. 克-克方程及其意义？

3. 蒸发速率、温度变化对其影响？
依照气体分子运动论，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很大变化
4. 平均自由程与碰撞几率概念。
蒸发分子在两次碰撞之间所飞行平均距离
热平衡条件下，单位时间通过单位面积气体分子数为
5. 点蒸发源和小平面蒸发源特性？
可以从各个方向蒸发等量材料微小球状蒸发源称为点蒸发源（点源）。
这种蒸发源发射特性具备方向性，使得在 alpha 角方向蒸发材料质量和 cos(alpha) 成正比。
6. 拉乌尔定律？如何控制合金薄膜组分？
在定温下，在稀溶液中，溶剂蒸气压等于纯溶剂蒸气压 乘以溶液中溶剂物质量分数
在真空蒸发法制作合金薄膜时，为保证薄膜构成，经常采用瞬时蒸发法、双蒸发源法等。
7. MBE特点？(分子束外延)
外延：在一定单晶材料衬底上，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本蒸发过程，但它并不以蒸发温度为控制参数，而是以四极质谱、原子吸取光谱等近代分析仪器，精密控制分子束种类和强度。
2) MBE是一种超高真空物理淀积过程，即不需要中间化学反映，又不受质量输运影响，运用快门可对生长和中断进行瞬时控制。薄膜构成和掺杂浓度可以随源变化作迅速调节。
3) MBE衬底温度低，减少了界面上热膨胀引入晶格失配效应和衬底杂质对外延层自掺杂扩散影响。
4) MBE是一种动力学过程，即将入射中性粒子（原子或分子）一种一种地堆积在衬底上进行生长，而不是一种热力学过程，因此它可以生长普通热平衡生长难以生长薄膜。
5) MBE生长速率低，相称于每秒生长一种单原子层，有助于精准控制薄膜厚度、构造和成分，形成陡峭异质结构造。特别适合生长超晶格材料。
6) MBE在超高真空下进行，可以运用各种表面分析仪器实时进行成分、构造及生长过程分析，进行科学研究。
8. 膜厚定义？监控办法？
厚度：是指两个完全平整平行平面之间距离。
抱负薄膜厚度：基片表面到薄膜表面之间距离。
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，特别是高熔点金属、低蒸气压元素和化合物；
2) 溅射薄膜与衬底附着性好；
3) 溅射镀膜密度高、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特性？
在正常辉光放电区，阴极有效放电面积随电流增长而增大，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，只有增长阴极电流密度，才干增大电流，形成均匀而稳定“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. 射频辉光放电特点？
i. 在辉光放电空间产生电子可以获得足够能量，足以产生碰撞电离；
ii. 由于减少了放电对二次电子依赖，减少了击穿电压；
iii. 射频电压可以通过各种阻抗偶合，因此电极可以是非金属材料。

4. 溅射概念及溅射参数。
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浮现象。
1) 溅射阈值
2) 溅射率及其影响因素
3) 溅射粒子速度和能量分布
4) 溅射原子角度分布
5) 溅射率计算
5. 溅射机理
溅射现象是被电离气体离子在电场中加速并轰击靶面，而将能量传递给碰撞处原子，导致很小局部区域产生高温，使靶材融化，发生热蒸发。
溅射完全是一种动量转移过程
该理论以为，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原子，引起原子级联碰撞。这种碰撞沿晶体点阵各个方向进行。
碰撞因在最紧密排列方向上最有效，成果晶体表面原子从近邻原子得到越来越多能量。
当原子能量不不大于结合能时，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、离子束溅射系统构造和原理
二极直流溅射：是依赖离子轰击阴极所发射次级电子来维持辉光放电 靶与基板距离以不不大于阴极暗区3-4倍为宜。 直流二极溅射 射频二极溅射
偏压溅射：构造、基片施加负偏压。
三极或四极溅射：热阴极发射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，增长第四个电极——稳定化电极
射频溅射：等离子体中电子容易在射频场中吸取能量并在电场内振荡，与工作气体碰撞几率增大，从而使击穿电压和放电电压明显减少。
磁控溅射：使用了磁控靶在阴极靶表面上形成一种正交电磁场。溅射产生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映气体离子构成，离子能量高，它们打到由薄膜材料构成靶上，引起靶原子溅射，并在衬底上形成薄膜。
第四章：
1. 离子镀膜系统工作必要条件？
1) 导致一种气体放电空间；
2) 将镀料原子(金属原子或非金属原子)引进放电空间，使其某些离化。
2. 离子镀膜原理及薄膜形成条件？

淀积过程

μ为淀积原子在基片表面淀积速率；ρ为薄膜质量密度；M为淀积物质摩尔质量；NA阿佛加德罗常数。

溅射过程：

j是入射离子形成电流密度
3. 离子镀膜技术分类？
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、活性反映离子镀、射频离子镀原理和特点？
直流二极离子镀：运用二极间辉光放电产生离子、并由基板所加负电压对其加速 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。附着力方面优于其他离子镀办法。
三极和多阴极离子镀：
1) 可实现低气压下离子镀膜。真空度比二级型离子镀真空度大概高一种数量级。因此，镀膜质量好，光泽致密
2) 通过变化辅助阴极(多阴极)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、温升高而难以控制弱点。
活性反映离子镀：在离子镀膜基本上，若导入与金属蒸气起反映气体，如O2、N2、C2H2、CH4等代替Ar或掺入Ar之中，并用各种不同放电方式使金属蒸气和反映气体分子、原子激活、离化、使其活化，增进其间化学反映，在基片表面就可以获得化合物薄膜，这种办法称为活性反映离子镀法。
特点：
1) 电离增长了反映物活性，在温度较低状况下就能获得附着性能良好碳化物、氮化物薄膜。
2) 可以在任何材料上制备薄膜，并可获得各种化合物薄膜。
3) 淀积速率高。
4) 调节或变化蒸发速率及反映气体压力可以十分以便地制取不同配比、不同构造、不同性质同类化合物。
5) 由于采用了大功率、高功率密度电子束蒸发源，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）以蒸发源为中心蒸发区；
（2）以线圈为中心离化区；
（3）以基板为中心，使生成离子加速，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，离化率靠射频勉励，而不是靠加速直流电场，基板周边不产生阴极暗区。
b) 在10-1-l0-3 Pa较低工作压力下也能稳定放电，并且离化率较高，薄膜质量好。
c) 容易进行反映离子镀。
d) 和其他离子镀办法相比，基板温升低并且较容易控制。
第五章:
1. CVD热力学分析重要目？
预测某些特定条件下某些CVD反映可行性（化学反映方向和限度）。
2. CVD过程自由能与反映平衡常数过程判据？

不大于零则反映
3. CVD热力学基本内容？反映速率及其影响因素？
反映动力学是一种把反映热力学预言变为现实，使反映实际进行问题；它是研究化学反映速度和各种因素对其影响科学。
反映速率τ是指在反映系统单位体积中，物质（反映物或产物）随时间变化率。
较低衬底温度下， τ随温度按指数规律变化。
较高衬底温度下，反映物及副产物扩散速率为决定反映速率重要因素。
4. 热分解反映、化学合成反映及化学输运反映及其特点？
热分解反映（吸热反映）：该办法在简朴单温区炉中，在真空或惰性气体保护下加热基体至所需温度后，导入反映物气体使之发生热分解，最后在基体上沉积出固体图层。
化学合成反映:指两种或两种以上气态反映物在热基片上发生互相反映。化学合成反映法比热分解法应用范畴更加广泛。可以制备单晶、多晶和非晶薄膜。容易进行掺杂。
化学输运反映：将薄膜物质作为源物质（无挥发性物质），借助恰当气体介质与之反映而形成气态化合物，这种气态化合物通过化学迁移或物理输运到与源区温度不同沉积区，在基片上再通过逆反映使源物质重新分解出来
5. CVD必要条件？
1) 在沉积温度下，反映物具备足够蒸气压，并能以恰当速度被引入反映室；
2) 反映产物除了形成固态薄膜物质外，都必要是挥发性；
3) 沉积薄膜和基体材料必要具备足够低蒸气压
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，沉积区普通采用感应加热或光辐射加热。缺陷是有较大温差，温度均匀性问题需特别设计来克服。
适合反映物在室温下是气体或具备较高蒸气压液体。
热壁CVD：器壁和原料区都是加热，反映器壁加热是为了防止反映物冷凝。管壁有反映物沉积，易剥落导致污染。

7. 什么是开管CVD？什么是闭管CVD？特点是什么？
开管式：
1) 能持续地供气和排气，物料运送普通是靠惰性气体来实现。反映总处在非平衡状态，而有助于形成薄膜沉积层（至少有一种反映产物可持续地从反映区排出）。
2) 在大多数状况下，开口体系是在一种大气压或稍高于一种大气压下进行。但也可在真空下持续地或脉冲地供气及不断地抽出副产物。
3) 开口体系沉积工艺容易控制，工艺重现性好，工件容易取放，同一装置可重复多次使用。
4) 有立式和卧式两种形式。
闭管式:
把一定量反映物和恰当基体分别放在反映器两端，抽空后充入一定输运气体，然后密封，再将反映器置于双温区炉内，使反映管内形成温度梯度。
闭管法长处：污染机会少，不必持续抽气保持反映器内真空，可以沉积蒸气压高物质。
闭管法缺陷：材料生长速率慢，不适合大批量生长，一次性反映器，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？、
初期CVD技术以开管系统为主
低压下气体扩散系数增大，使气态反映物和副产物质量传播速率加快，形成薄膜反映速率增长。
等离子化学气相沉积
如果能在反映室内形成低温等离子体（如辉光放电），则可以运用在等离子状态下粒子具备较高能量，使沉积温度减少。
第六章：
1. 什么是化学镀？它与化学沉积镀膜区别？
化学镀膜是指在还原剂作用下，使金属盐中金属离子还原成原子，在基片表面沉积镀膜技术，又称无电源电镀。化学镀不加电场、直接通过化学反映实现薄膜沉积。
化学镀膜还原反映必要在催化剂作用下才干进行，且沉积反映只发生在基片表面上。
化学沉积镀膜：还原反映是在整个溶液中均匀发生，只有一某些金属在基片上形成薄膜，大某些形成粉粒沉积物
2. 自催化镀膜特点？
自催化是指参加反映物或产物之一具备催化作用反映过程。
1) 可以在复杂形状表面形成薄膜；
2) 薄膜孔隙率较低；
3) 可直接在塑料、陶瓷、玻璃等非导体表面制备薄膜；
4) 薄膜具备特殊物理、化学性能；
5) 不需要电源，没有导电电极。
3. Sol-Gel镀膜技术特点和重要 过程？
采用金属醇盐或其他盐类作为原料，普通溶解在醇、醚等有机溶剂中形成均匀溶液（solution），该溶液通过水解和缩聚反映形成溶胶（sol），进一步聚合反映实现溶胶-凝胶转变形成凝胶（gel），在通过热解决脱除溶剂和水，最后形成薄膜。
长处：
Ø 高度均匀性；
Ø 高纯度；
Ø 可减少烧结温度；
Ø 可制备非晶态薄膜；
Ø 可制备特殊材料（薄膜、纤维、粉体、多孔材料等）
缺陷：
Ø 原料价格高；
Ø 收缩率高，容易开裂；
Ø 存在残存微气孔；
Ø 存在残存羟基、碳等；
Ø 有机溶剂有毒。
重要环节：
Ø 复合醇盐制备；
Ø 成膜（匀胶、浸渍提拉）；
Ø 水解和聚合；
Ø 干燥；
Ø 焙烧。
4. 阳极氧化镀膜和电镀原理和特点？
阳极氧化技术：金属或合金在恰当电解液中作为阳极，并施加一定直流电压，由于电化学反映在阳极表面形成氧化物薄膜办法
特点：
1) 采用阳极氧化法生成氧化膜构造、性质、色调随电解液种类、电解条件不同而变化。
2) 用阳极氧化法得到氧化物薄膜大多是无定形构造。由于多孔性使得表面积特别大，因此显示明显活性，既可吸附染料也可吸附气体。
3) 化学性质稳定超硬薄膜耐磨损性强，用封孔解决法可将孔隙塞住，使薄膜具备更好耐蚀性和绝缘性。
4) 运用着色法可以使膜具备装饰效果。
电镀：指在具有被镀金属离子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) 限制电镀应用最重要因素之一是拐角处镀层形成；
4) 在拐角或边沿电镀层厚度大概是中心厚度两倍；
5) 多数被镀件是圆形，可减少上述效应影响。
5. 什么是LB技术？LB薄膜种类？LB薄膜特点？
把液体表面有机单分子膜转移到固体衬底表面上一种成膜技术。得到有机薄膜称为LB薄膜。、
依照薄膜分子在基片上相对取向，LB薄膜可分为X型、Y型、Z型三种类型。
长处：
1) LB薄膜中分子有序定向排列，这是一种重要特点；
2) 诸多材料都可以用LB技术成膜，
3) LB膜有单分子层构成，它厚度取决于分子大小和分子层数；
4) 通过严格控制条件，可以得到均匀、致密和缺陷密度很低LB薄膜；
5) 设备简朴，操作以便。
缺陷：
1) 成膜效率低，
2) LB薄膜均为有机薄膜，包括了有机材料弱点；
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。
入射原子滞留时间：
平均表面扩散时间：吸附原子在吸附位置上停留时间

平均表面扩散距离：

3. 什么是捕获面积？对薄膜形成影响？
吸附原子捕获面积：
吸附原子在滞留时间内迁移距离除以吸附位置密度
总捕获面积：

当 时 总不大于1 时，每个吸附原子捕获面积内只有一种原子，故不能形成原子对，也不能产生凝结。
当 1到2之间 时，发生某些凝结。平均每个吸附原子捕获面积内有一种或两个吸附原子，可形成原子对或三原子团。在滞留时间内，一某些吸附原子有也许重新蒸发掉。
当 不不大于2时，每个吸附原子捕获面积内至少有两个吸附原子。可形成原子对或更大原子团，从而达到完全凝结。
4. 凝聚过程表征办法？
凝结系数：单位时间内，完全凝结气相原子数与入射到基片表面上总原子数之比。
粘附系数：单位时间内，再凝结气相原子数与入射到基片表面上总原子数之比。
热适应系数：表征入射气相（或分子）与基体表面碰撞时互相互换能量限度物理量称为热适应系数。
5. 核形成与生长物理过程。
（1）入射到表面上气相原子，某些因能量较大而弹性反射出去。某些则吸附在基体表面上。其中有一小某些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）原子团和其她吸附原子碰撞结合，一旦原子团中原子数超过其一种临界值，原子团进一步与其她吸附原子碰撞结合形成稳定原子团；、
（4）稳定核再捕获其他吸附原子。或者与入射气相原子相结合使它进一步长大成为小岛。
6. 核形成相变热力学和原子汇集理论基本内容？
热力学界面能理论：以为薄膜形成过程是由气相到吸附相、再到固相相变过程，其中从吸附相到固相转变是在基片表面上进行。
原子汇集理论：将核（原子团）看作一种大分子汇集体，用其内部原子之间结合能或与基片表面原子之间结合能代替热力学理论中自由能。

7. 什么是同质外延、异质外延？失配度？

8. 形成外延薄膜条件？
薄膜生长速率要不大于吸附原子在基片表面上迁移速率；
提高温度有助于形成外延薄膜；
沉积速率不大于

第八章：
1. 薄膜构造是指那些构造？其特点是什么？
组织构造、晶体构造、表面构造
薄膜组织构造：薄膜结晶形态，涉及无定形构造、多晶构造、纤维构造、单晶构造。
薄膜晶体构造:多数状况下，薄膜中晶粒晶格构造与体材料相似，只是晶粒取向和晶粒尺寸不同，晶格常数也不同
表面构造：
呈柱状颗粒和空位组合构造；
柱状体几乎垂直于基片表面生长，并且上下端尺寸基本相似；
平行于基片表面层与层之间有明显界面。
2. 蒸发薄膜微观构造随基片温度变化如何变化？
基片温度影响到达基片成膜原子在基片表面粘附系数和迁移率。
低温基片有助于原子表面冷凝而形成非晶态构造。提高基片温度有助于原子规则排列，形成取向良好薄膜。

3. 薄膜重要缺陷类型及特点？
1) 点缺陷：空位是热力学稳定缺陷
不同金属空位形成能不同
空位浓度与空位形成能、温度密切有关
位错：形成因素：a.基体引起位错；b.小岛凝结
2) 晶粒间界：
3) 层错缺陷：

4. 薄膜重要分析办法有那些？基本原理是什么？
见书上