薄膜物理与技术要点总结

第一章最可几速率：根据麦克斯韦速率分布规律，可以从理论上推得分子速率在vm处有极大值，vm称为最可几速率严 1'2RT/M二1叫RTM，Vm速度分布 平均速度:严T兀m二：'8RTnm = 1-59 RTM，分子运动平均距离均方根速度:=kT/m = >RT/m 1巩RT/M平均动能真空的划分：粗真空、低真空、高真空、超高真空。真空计：利用低压强气体的热传导和压强有关；（热偶真空计）利用气体分子电离；（电离真空计）真空泵：机械泵、扩散泵、分子泵、罗茨泵机械泵：利用机械力压缩和排除气体扩散泵：利用被抽气体向蒸气流扩散的想象来实现排气作用分子泵：前级泵利用动量传输把排气口的气体分子带走获得真空。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 lTorr=133.322 Pa 1 Pa=7.5X10-3 Torr1 mba=100Pa latm=1.013*100000Pa真空区域的划分、真空计、各种真空泵粗真空 1X105 to 1X102 Pa 低真空 1X102 to 1X10-1 Pa 高真空 1X10-1 to 1X10-6 Pa 超高真空 1X10-6 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?饱和蒸气压：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的压力蒸发温度：物质在饱和蒸气压为10-2托时的温度。2克-克方程及其意义?克-克方程dPvHvT (Vg - Vs)2kc 2P可以知道饱和蒸气压和温度的关系，对于薄膜的制作技术有重要实际意义，帮助我们合理地选择蒸发材料和确定蒸发条件.3蒸发速率、温度变化对其的影响？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：在蒸发源以上温度蒸发，蒸发源温度的微小变化即可以引起蒸发速率发生很大变化。4平均自由程与碰撞几率的概念？气体分子处于不规则的热运动状态，每个气体分子在连续两次碰撞之间的路程称为“自由程”其统计平均值称为“平均自由程”或者粒子在两次碰撞之间所飞行的平均距离称为蒸发分子的平 均自由程。蒸发材料分子能与真空室中残余气体分子相互碰撞的数目占总的蒸发材料分子的百分数。热平衡条件下，单位时间通过单位面积的气体分子数为气体分子对基板的碰撞率。5. 点蒸发和小平面蒸发源特性？点蒸发源：能够从各个方向蒸发等量材料的微小球状蒸发源小平面蒸发源：发射具有方向性，使在0角方向蒸发的材料质量和cos0成正比。6拉乌尔定律？如何控制合金薄膜的组分？拉乌尔定律：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（将要形成合金的每一成分，分别装入各自的蒸发源中，然后独立地控制其蒸发速率，使达到基板的各种原子符合组成要求。）7.MBE的特点？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，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 P50第三章1溅射镀膜和真空镀膜的特点？优点：1.任何物质都可以溅射，尤其是高熔点、低蒸气压元素化合物2溅射膜和基板的附着性好3溅射镀膜密度高，针孔少，且膜层的纯度较高4膜度可控性和重复性好 缺点：5溅射设备复杂，需要高压装置；6成膜速率较低（0.01-0.5 m）。2正常辉光放电和异常辉光放电的特征？正常辉光放电：在一定电流密度范围内，放电电压维持不变。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。 异常辉光放电：电流增大时，放电电极间电压升高，且阴极电压降与电流密度和气体压强有关。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？1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；2由于减少了放电对二次电子的依赖，降低了击穿电压；3射频电压可以通过各种阻抗偶合，所以电极可以不是导体材料。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。1溅射率随入射离子能量增大而增大，在离子能量达到一定程度后，由于离子注入效应，溅射率减小；2溅射率的大小与入射离子的质量有关；3当入射离子能量小于溅射阈值时，不会发生溅射；4溅射原子的能量比蒸发原子大许多倍；5入射离子能量低时，溅射原子角度分布不完全符合余弦定律，与入射离子方向有关；6. 电子轰击靶材不会发生溅射现象。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、离子束溅射结构及原理？二极直流溅射靶材为良导体，依靠气体放电产生的正离子飞向阴极靶，一次电子飞向阳极，放电依靠正离子轰击阴极所产生的二次电子，经阴极加速后被消耗补充的一次电子维持。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把阴极发射的电子全部吸引过来，阳极上加正偏压，20V左右。为使放电稳定，增加第四个电极一一稳 定化电极.偏压溅射：基片施加负偏压,在淀积过程中，基片表面将受到气体粒子的稳定轰击，随时消除可能进入薄膜表面的气体，有利于提高薄膜纯度，并且也可除掉粘除力弱的淀积粒子，对基片进行清 洗，表面净化，还可改变淀积薄膜的结构。射频溅射：可以用射频辉光放电解释。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，施加磁场来改变电子的运动方向，束缚并延长电子运动轨迹，进而提高电子对工作气体的电离效率和溅射沉积率。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:离子源、屏蔽罩。由大口径离子束发生源引出惰性气体，使其照射在靶上产生建设作用，利用溅射出的粒子淀积在基片上制得薄膜。第四章1. 离子镀膜的优缺点？优点：（1）膜层的附着性好。利用辉光放电产生的大量高能粒子对基片进行清洗，在膜基界面形成过渡层或膜材与基材的成分混合层，有效的改善膜层的附着性能（2）膜层的密度高（通常和大 块材料密度相同）。（3）绕射性能好。（4）可镀材质范围广泛（5）有利于化合物膜层的形成（6）淀积速率高，成膜速率快，可镀较厚的膜。缺点：（1）膜层的缺陷密度高（2）高能粒子轰击基片温度高，需要进行冷却。2离子镀膜系统工作的必要条件？ 必要条件：造成一个气体放电的空间；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。离子镀膜的原理及薄膜形成条件？n > n10 -4 p N淀积过程jn = ua60 M“为淀积原子在基片表面的淀积速率；p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。10-3 j溅射过程：n = 0.63 x 1016 j / cm2 sj1.6 x 10-19j是入射离子形成的电流密度3离子镀膜技术的分类？直流二极型离子镀、三极和多阴极型离子镀、活性反应离子镀膜、射频离子镀膜技术、4.直流二极溅射、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？直流二极型离子镀是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。特点：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。设备简单，技术容易实现，用普通真空镀膜机就可以改装，因此也具有一定实用价值。附着力好。 三极和多阴极型离子镀特点：可实现低气压下的离子镀膜，镀膜质量好，光泽致密；多阴极方式中，阴极电压在200V就能在10-3 Torr左右开始放电；改变辅助阴极（多阴极）的灯丝电流来控制放电状态；灯丝处于基 板四周，扩大了阴极区、改善了绕射性，减少了高能离子对工件的轰击作用.活性反应离子镀：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特点：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；可以在任何材料上制备薄膜，并可获得多种化合物薄膜；淀积速率高；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；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；清洁，无公害。射频离子镀：通过分别调节蒸发源功率、线圈的激励功率、基板偏压等，可以对上述三个区域进行独立的控制，由此可以在一定程度上改善膜层