薄膜材料考試題目

1、本資料僅限于中科大材料系研究生同學(xué)使用，禁止一切摘抄、翻錄、復(fù)印等行為。 孫兆威 2016年6月9日1. Z在抽真空的過程中，在不同真空度下腔體內(nèi)的主要?dú)怏w成分。壓強(qiáng)（torr）主要?dú)廨dAtmWet Air10-3Water Vapor（75%-85%）10-6H2O，CO10-9H2O，CO，H210-10CO，H210-11H22. 管道的設(shè)計(jì)與連接對(duì)抽真空效率的影響，檢漏方法抽氣效率：為保持系統(tǒng)真空度而需要的抽速，取決于真空元件的總流導(dǎo)（一般指導(dǎo)管、閥門、擋板真空系統(tǒng)中的常見元件），使得真空泵的實(shí)際抽速S永遠(yuǎn)小于理論抽速Sp：同時(shí)，極限真空度會(huì)受到被抽容器（真空器）的體積及漏氣、放氣的影

2、響，公式為因此，要保證抽真空效率，就要減少真空元件總流導(dǎo)和系統(tǒng)的漏氣放氣。總流導(dǎo)C：，因此，在允許范圍內(nèi)增大各個(gè)元件流導(dǎo)即可增加系統(tǒng)總流導(dǎo)。對(duì)閥門，C=11.7A，對(duì)導(dǎo)管，C=12.2D3/L，因此，選用口徑較大的閥門，盡量減少導(dǎo)管的長(zhǎng)度，增加導(dǎo)管直徑可以相應(yīng)增大總流導(dǎo)。裝置放氣：是指在常溫或高溫下真空裝置自身的飽和蒸汽、某些內(nèi)表面存在的污垢、聯(lián)結(jié)裝置中存在的殘余空氣，這些氣體會(huì)對(duì)極限真空度造成影響，因此必須在組裝裝置時(shí)選用飽和蒸汽壓盡可能低、且高溫穩(wěn)定性理想的元件材料，減少需要連接的部位，盡可能清潔裝置的內(nèi)表面。裝置漏氣：裝置漏氣存在兩種情況，一是空氣通過裝置器壁滲透；二是裝置存在漏氣部位。

3、第二種情況是必須盡量克服的，同樣是通過減少連接部分，使用氣密性高、熱變形小的材料。常見檢漏方法：1. rate-of-rise 檢測(cè)2. He質(zhì)譜漏氣檢測(cè)3. He氣+真空計(jì)檢測(cè)4. RGA檢測(cè)檢漏部位：檢漏儀與系統(tǒng)的連接處；過去經(jīng)常出問題的元器件；經(jīng)常沿著密封表面運(yùn)動(dòng)的密封件；閥門的動(dòng)密封；旋轉(zhuǎn)部件的動(dòng)密封；艙門的密封；波紋管軸的密封；真空官道上的柔性連接； 螺紋連接處；靜密封，如觀察窗，引線端；焊點(diǎn)（特別是釬焊的焊點(diǎn)）；3. 估計(jì)常見晶體不同面的表面能100110111SC123FCC463BCC426HCP366 0001 1100 1120自己計(jì)算即可，不會(huì)來問我4. 表面擴(kuò)散的幾種機(jī)

4、制表面擴(kuò)散：是指原子在固體表面上由一個(gè)表面位置向另一個(gè)位置移動(dòng)。機(jī)制有兩種：1. 增原子遷移和替換2. 表面空位遷移表面擴(kuò)散的原子理論：表面擴(kuò)散主要是增原子的遷移和表面空位遷移。具體采用哪種機(jī)制則看那種機(jī)制的擴(kuò)散激活能（Ef和Em）小5. 擴(kuò)散生長(zhǎng)的薄膜厚度與時(shí)間的關(guān)系反應(yīng)擴(kuò)散生成中間相薄膜，單位時(shí)間內(nèi)從a相流入界面的A物質(zhì)，單位時(shí)間內(nèi)從界面流入相的A物質(zhì)，A物質(zhì)守恒，陰影部分面積相等 6. 推導(dǎo)襯底上異相形核的臨界尺寸和形核功7. Gibbs-Curie-Wulff公式的應(yīng)用Gibbs-Curie-Wulff定律的基本含義是晶體生長(zhǎng)最小表面能原理出發(fā)，可得知晶面的線性生長(zhǎng)速率與該晶面的比表面

5、能成正比，晶體最終保留下來的晶面是面網(wǎng)密度大的晶面。Gibbs-Curie-Wulff公式(晶體平衡形態(tài)中心到表面的距離與該表面表面能的比值為常數(shù))此處應(yīng)有一負(fù)號(hào) 8. 判斷起始沉積狀況的分類薄膜的起始沉積過程是襯底上增原子數(shù)迅速增加直到飽和的階段，它對(duì)以后的成核長(zhǎng)大有很大的影響，可以根據(jù)起始過程中再蒸發(fā)的難易程度和沉積原子能夠相遇結(jié)合起來的程度把薄膜生長(zhǎng)過程區(qū)分為三類。在沉積的起始過程中，襯底上已有許多原子同時(shí)擴(kuò)散，對(duì)每個(gè)原子的駐留時(shí)間，都可以引入一個(gè)俘獲面積ma,或俘獲半徑Ra,在此范圍內(nèi)后來到達(dá)的原子均會(huì)被這個(gè)原子俘獲而成核。按起始沉積過程中再蒸發(fā)的難易程度和沉積原子能夠相遇結(jié)合起來的程

6、度區(qū)分為三類: 起始完全沉積狀態(tài) 俘獲位置ma之和2N09. 蒸發(fā)沉積膜厚均勻性的問題點(diǎn)源和面源的比較： 1) 兩種源的相對(duì)膜厚分布的均勻性都不理想；2) 點(diǎn)源的膜厚分布稍均勻些；3) 在相同條件下，面源的中心膜厚為點(diǎn)源的4倍；4) 點(diǎn)源的浪費(fèi)比較嚴(yán)重些。10. 磁控濺射的原理和優(yōu)缺點(diǎn)，反應(yīng)濺射沉積隨輸入氣體的量，各種沉積參數(shù)的變化原理：電子在電場(chǎng)E的作用下，在飛向基片過程中與氬原子發(fā)生碰撞，使其電離產(chǎn)生出Ar正離子和新的電子；新電子飛向基片，Ar離子在電場(chǎng)作用下加速飛向陰極靶，并以高能量轟擊靶表面，使靶材發(fā)生濺射。在濺射粒子中，中性的靶原子或分子沉積在基片上形成薄膜，而產(chǎn)生的二次電子會(huì)受到電

7、場(chǎng)和磁場(chǎng)作用，產(chǎn)生E（電場(chǎng)）×B（磁場(chǎng)）所指的方向漂移，簡(jiǎn)稱E×B漂移，其運(yùn)動(dòng)軌跡近似于一條擺線。若為環(huán)形磁場(chǎng)，則電子就以近似擺線形式在靶表面做圓周運(yùn)動(dòng)，在靠近靶表面的等離子體區(qū)域內(nèi)電離出大量的Ar 來轟擊靶材，從而實(shí)現(xiàn)了高的沉積速率。隨著碰撞次數(shù)的增加，二次電子的能量消耗殆盡，逐漸遠(yuǎn)離靶表面，并在電場(chǎng)E的作用下最終沉積在基片上。優(yōu)點(diǎn)：1.二次電子以園滾線的形式在靶上循環(huán)運(yùn)動(dòng)，路程足夠長(zhǎng)，電子使原子電離的機(jī)會(huì)增加。2.提高了電離效率，工作氣壓可降低到10-3-10-4 Torr，減少了工作氣體與濺射原子的散射作用，提高了沉積速率。3.高密度等離子體被電磁場(chǎng)束縛在靶面附近，不

8、與基片接觸。這樣，電離產(chǎn)生的正離子能有效地轟擊靶面；基片又免受等離子體地轟擊，制膜過程中溫升較小。有效地解決了直流濺射中基片溫升高和濺射速率低兩大難題缺點(diǎn)：不能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)磁性材料的低溫高速濺射用絕緣材料的靶會(huì)使基板溫度上升靶材的利用率低(10%-30%)，靶表面不均勻?yàn)R射反應(yīng)性磁控濺射中的電弧問題膜的均勻性靶的非均勻腐蝕及內(nèi)應(yīng)力顆粒（重濺射）反應(yīng)濺射沉積：穩(wěn)態(tài)時(shí)靶上化合物濺射速率與形成速率相等：靶的消耗速率：穩(wěn)態(tài)時(shí)襯底上化合物生成速率與被金屬覆蓋速率相等：輸入氣體總量：反應(yīng)氣體分壓Pr，濺射率R等與輸入氣體量的關(guān)系11. 離子鍍的原理及優(yōu)缺點(diǎn)原理：蒸發(fā)源接陽(yáng)極，工件接陰極，當(dāng)通以高壓直流電以后，蒸

9、發(fā)源與工件之間產(chǎn)生弧光放電。真空罩內(nèi)充有惰性氬氣，在放電電場(chǎng)作用下部分氬氣被電離，從而在陰極工件周圍形成一等離子暗區(qū)。帶正電荷的氬離子受陰極負(fù)高壓的吸引，猛烈地轟擊工件表面，致使工件表層粒子和臟物被轟濺拋出，從而使工件待鍍表面得到了充分的離子轟擊清洗。隨后，接通蒸發(fā)源交流電源，蒸發(fā)料粒子熔化蒸發(fā)，進(jìn)入輝光放電區(qū)并被電離。帶正電荷的蒸發(fā)料離子，在陰極吸引下，隨同氬離子一同沖向工件，當(dāng)鍍于工件表面上的蒸發(fā)料離子超過濺失離子的數(shù)量時(shí)，則逐漸堆積形成一層牢固粘附于工件表面的鍍層。優(yōu)點(diǎn)：離子轟擊襯底，起到清洗作用；界面形成偽擴(kuò)散層，與基片結(jié)合良好；可通過電壓對(duì)沉積束團(tuán)進(jìn)行控制；在低溫下可實(shí)現(xiàn)外延生長(zhǎng)，且

10、避免高溫引起的擴(kuò)散；電場(chǎng)引導(dǎo)離子運(yùn)動(dòng)，提高了繞射性；有利于形成化合物膜層，可鍍材料范圍廣；致密，結(jié)晶性好；沉積速率離子鍍的粒子繞射性提高薄膜對(duì)于復(fù)雜外形表面的覆蓋能力。缺點(diǎn)：1. 目前設(shè)備的容量仍然較小，難以加工大型零件；2. 高能離子和中性粒子的轟擊，使沉積薄膜中的缺陷大量增加，同時(shí)薄膜與基片的過渡界面層較寬；3. 轟擊粒子動(dòng)量大，基片溫度高4. 沉積薄膜中含氣量較高，除了吸附在薄膜表面，部分氬離子可能進(jìn)入薄膜內(nèi)部。12. 化學(xué)氣相沉積所選用的化學(xué)反應(yīng)的特點(diǎn)化學(xué)氣相淀積所用的反應(yīng)體系要符合的基本要求：a.能夠形成所需要的材料淀積層或材料層的組合，其它反應(yīng)產(chǎn)物均易揮發(fā)（需要作CVD相圖）；b.

11、反應(yīng)劑在室溫下最好是氣態(tài)，或在不太高的溫度下有相當(dāng)?shù)恼魵鈮?，且容易獲得高純品；c.在沉積溫度下，沉積物和襯底的蒸汽壓要足夠低；d.沉積裝置簡(jiǎn)單，操作方便工藝上重復(fù)性好，適于批量生產(chǎn)，成本低廉主要反應(yīng)類型：熱分解反應(yīng)、還原反應(yīng)、氧化反應(yīng)、反映沉積、歧化反應(yīng)、可逆反應(yīng)。13. CVD生長(zhǎng)薄膜的不同控制因素1） 沉積溫度：是影響薄膜質(zhì)量的重要因素，而每種薄膜材料都有自己最佳的沉積溫度范圍。在一般情況下，化學(xué)氣相沉積速度將隨溫度升高而加快。但對(duì)某些正反應(yīng)（沉積反應(yīng)）為放熱反應(yīng)而逆反應(yīng)（刻蝕反應(yīng)）為吸熱反應(yīng)的體系，沉積凈速率隨溫度先升后降。還有某些極端情況，如沉積原子的升華激活能較低，升溫過程中沉積速率

12、和升華速率都升高，這種情況需要特別設(shè)定參數(shù)。Ks小，低溫，反應(yīng)過程由較為緩慢的表面反應(yīng)控制，即表面反應(yīng)控制沉積過程，沉積反應(yīng)速率慢。Ks大，反應(yīng)物擴(kuò)散慢，基底上方反應(yīng)物貧化，為擴(kuò)散控制沉積過程。其中，ks隨T的變化速率遠(yuǎn)高于D和。另一方面，裝置內(nèi)的溫度分布，會(huì)對(duì)擴(kuò)散系數(shù)D造成影響（此處需要寫明D與D0的一般關(guān)系式，大家都會(huì)的），繼而影響到沉積膜均勻性。結(jié)合公式：明顯能得出結(jié)論，即薄膜原子沉積速率隨進(jìn)氣口距離增大指數(shù)下降，為了控制氣體宏觀流量變化對(duì)薄膜均勻性的影響，應(yīng)盡量將溫度設(shè)置為梯度變化。（從公式中也可出氣體流速v和裝置直徑b的影響，應(yīng)在限定范圍內(nèi)盡量提高這兩個(gè)參數(shù)）2） 沉積室壓力：沉積室

13、壓力與化學(xué)反應(yīng)過程密切相關(guān)。壓力會(huì)影響沉積室內(nèi)熱量、質(zhì)量及動(dòng)量傳輸，因此影響沉積速率、薄膜質(zhì)量和薄膜厚度的均勻性。在常壓水平反應(yīng)室內(nèi)，氣體流動(dòng)狀態(tài)可以認(rèn)為是層流；而在負(fù)壓立式反應(yīng)室內(nèi)，由于氣體擴(kuò)散增強(qiáng)，反應(yīng)生成物廢氣能盡快排出，可獲得組織致密、質(zhì)量好的薄膜，更適合大批量生產(chǎn)。3） 反應(yīng)氣體分壓：是決定薄膜質(zhì)量的重要因素之一，它直接影響薄膜成核、生長(zhǎng)、沉積速率、組織結(jié)構(gòu)和成分。對(duì)于沉積碳化物、氮化物薄膜，通入金屬鹵化物的量（如TiCl4），應(yīng)適當(dāng)高于化學(xué)當(dāng)量計(jì)算值，這對(duì)獲得高質(zhì)量薄膜是很重要的。4） 基片的放置角度，可以相對(duì)改變溫度分布，以及氣流形式（如局部湍流），從而改變沉積生長(zhǎng)速率或均勻性等參數(shù)。14. 異質(zhì)外延生長(zhǎng)的晶格匹配和失配位錯(cuò)的產(chǎn)生異質(zhì)外延生長(zhǎng)所得薄膜與基片的相界面存在兩種可能：1. 共格相界面兩側(cè)的晶體具有完全確定的位向關(guān)系, 一側(cè)的原子面和另一側(cè)的原子面可以取向不同或有扭折, 但可以逐一對(duì)應(yīng)和過渡。2. 部分共格界面, 界面兩側(cè)晶粒取向雖有確定的取向關(guān)系, 但界面兩側(cè)的原子面已無逐一對(duì)應(yīng)和過渡的關(guān)系，或者說二者的點(diǎn)陣常數(shù)相差較大，因而錯(cuò)配度f也較大。此時(shí)界面上出現(xiàn)一系列刃型失配位錯(cuò), 那些多余的半原子面一直插到界面處.第一種情況的界面的界面能（存在一個(gè)附加項(xiàng)應(yīng)