薄膜技術(shù)復(fù)習(xí)題

圖1為慣用機(jī)械泵的構(gòu)造圖，試指出圖中各部分的作用和功效。圖1機(jī)械泵的構(gòu)造圖1、進(jìn)氣口：進(jìn)氣2、過(guò)濾器：分離懸浮在氣體中固體顆粒，有害物質(zhì)3、大轉(zhuǎn)輪：提供抽取和壓縮空氣的動(dòng)力4、彈簧：伸縮葉片5、風(fēng)機(jī)葉片：分割氣體6、氣鎮(zhèn)閥（排除凝結(jié)物，加速抽出蒸汽而不至于污染油質(zhì)）7、過(guò)濾器8、排氣閥：在B處得空氣壓縮到一定程度后排出壓縮空氣，在此之前密封壓縮室9、排氣管：排氣10、密封面：分割A(yù)處和C處，保持密封性試畫(huà)出由機(jī)械泵、渦輪分子泵、離子泵和真空閥等部件構(gòu)成的超高真空系統(tǒng)的原理構(gòu)造圖，并簡(jiǎn)述其工作原理。光電陰極超高真空激活系統(tǒng)抽氣系統(tǒng)由機(jī)械泵、渦輪分子泵、濺射離子泵和鈦升華泵構(gòu)成，其中主泵是濺射離子泵和鈦升華泵，預(yù)抽泵是機(jī)械泵和渦輪分子泵。預(yù)抽泵的作用是將被抽容器的真空度從大氣壓降到主泵工作所需的啟動(dòng)壓強(qiáng)，當(dāng)主泵開(kāi)始工作時(shí)，預(yù)抽泵能夠關(guān)閉。根據(jù)抽氣系統(tǒng)的構(gòu)造和抽氣速率，采用了激活室和XPS主真空室共用前級(jí)泵的方案。在分子泵的抽氣管道上設(shè)立三通閥，一邊連接表面分析室，另一邊與激活系統(tǒng)相連。這樣就減少了預(yù)抽所用的機(jī)械泵和渦輪分子泵。簡(jiǎn)述薄膜的形成過(guò)程。薄膜：在被稱(chēng)為襯底或基片的固體支持物表面上，通過(guò)物理過(guò)程、化學(xué)過(guò)程或電化學(xué)過(guò)程使單個(gè)原子、分子或離子逐個(gè)凝聚而成的固體物質(zhì)。重要涉及三個(gè)過(guò)程：（1）產(chǎn)生適宜的原子、分子或離子的粒子；（2）通過(guò)煤質(zhì)輸運(yùn)到襯底上；（3）粒子直接或通過(guò)化學(xué)或電化學(xué)反映而凝聚在襯底上面形成固體沉淀物，此過(guò)程又能夠分為四個(gè)階段：（1）核化和小島階段；（2）合并階段；（3）溝道階段；（4）持續(xù)薄膜圖2為濺射鍍膜的原理示意圖，試結(jié)合圖敘述濺射鍍膜的基本過(guò)程，并介紹慣用的濺射鍍膜的辦法和特點(diǎn)。圖2濺射鍍膜的原理示意圖過(guò)程：該裝置是由一對(duì)陰極和陽(yáng)極構(gòu)成的冷陰極輝光放電構(gòu)造。被濺射靶（陰極）和成膜的基片及其固定架（陽(yáng)極）構(gòu)成濺射裝置的兩個(gè)極，陽(yáng)極上接上1-3KV的直流負(fù)高壓，陽(yáng)極普通接地。工作時(shí)普通用機(jī)械泵和擴(kuò)散泵組將真空室抽到6.65*10-3Pa，通入氬氣，使真空室壓力維持在（1.33-4）*10-1Pa,而后逐步關(guān)閉主閥，使真空室內(nèi)達(dá)成濺射電壓，即10-1-10Pa，接通電源，陽(yáng)極耙上的負(fù)高壓在兩極間產(chǎn)生輝光放電并建立起一種等離子區(qū)，其中帶正電的氬離子在陰極附近的陽(yáng)極電位降的作用下，加速轟擊陰極靶，使靶物質(zhì)由表面被濺射出，并以分子或原子狀態(tài)沉積在基體表面，形成靶材料的薄膜。將欲沉積的材料制成板材——靶,固定在陰極上?；糜谡龑?duì)靶面的陽(yáng)極上,距靶幾厘米。系統(tǒng)抽至高真空后充入10～1帕的氣體（普通為氬氣），在陰極和陽(yáng)極間加幾千伏電壓，兩極間即產(chǎn)生輝光放電。放電產(chǎn)生的正離子在電場(chǎng)作用下飛向陰極，與靶表面原子碰撞，受碰撞從靶面逸出的靶原子稱(chēng)為濺射原子,其能量在1至幾十電子伏范疇。濺射原子在基片表面沉積成膜直流陰極濺射鍍膜法：特點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)樸，在大面積的基片或材料上能夠制取均勻的薄膜，放電電流隨氣壓和電壓的變化而變化，可濺射高熔點(diǎn)金屬。但是，它的濺射電壓高、沉積速率低、基片溫升較高，加之真空度不良，致使膜中混入的雜質(zhì)氣體也多，從而影響膜的質(zhì)量。高頻濺射鍍膜法：運(yùn)用高頻電磁輻射來(lái)維持低氣壓的輝光放電。陰極安置在緊貼介質(zhì)靶材的背面，把高頻電壓加在靶子上，這樣，在一種周期內(nèi)正離子和電子能夠交替地轟擊靶子，從而實(shí)現(xiàn)濺射介質(zhì)材料的目的。這種辦法能夠采用任何材料的靶，在任何基板上沉積任何薄膜。若采用磁控源，還能夠?qū)崿F(xiàn)高速濺射沉積。磁控濺射鍍膜法：磁控濺射的特點(diǎn)是電場(chǎng)和磁場(chǎng)的方向互相垂直，它有效的克服了陰極濺射速率低和電子使基片溫度升高的致命弱點(diǎn)，含有高速、低溫、低損傷等優(yōu)點(diǎn)，易于持續(xù)制作大面積膜層，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和大批量生產(chǎn)，高速指沉積速率快；低溫和低損傷是指基片的溫升低，對(duì)膜層的損傷小。另外還含有普通濺射的優(yōu)點(diǎn)，如沉積的膜層均勻致密，針孔少，純度高，附著力強(qiáng)，應(yīng)用的靶材廣，可進(jìn)行反映濺射，可制取成分穩(wěn)定的合金膜等。工作壓力范疇廣，操作電壓低也是其明顯特點(diǎn)。反映濺射鍍膜法：在陰極濺射的惰性氣體中，人為的摻入反映氣體，能夠制取反映物膜。非對(duì)稱(chēng)交流濺射和偏壓濺射鍍膜法：特點(diǎn)是能夠減少濺射鍍膜過(guò)程中陰極濺射膜中的混入氣體。圖3為一種PECVD的反映室構(gòu)造圖，試敘述其工作原理和特點(diǎn)圖3PECVD的反映室構(gòu)造圖原理：圖中是一種平行板構(gòu)造裝置。襯底放在含有溫控裝置的下面平板上，壓強(qiáng)普通保持在133Pa左右，射頻電壓加在上下平行板之間，于是在上下平板間就會(huì)出現(xiàn)電容耦合式的氣體放電，并產(chǎn)生等離子體。運(yùn)用等離子體的活性來(lái)增進(jìn)反映，使化學(xué)反映能在較低溫度下進(jìn)行，這種辦法稱(chēng)為等離子體強(qiáng)化氣相沉積（PECVD），是一種高頻輝光放電物理過(guò)程和化學(xué)反映相結(jié)合的技術(shù)。在高溫真空壓力下，加在電極板上的射頻RF電場(chǎng)，使反映室氣體產(chǎn)生輝光放電，在輝光放電區(qū)域產(chǎn)生大量的電子。這些電子在電場(chǎng)的作用下獲得充足的能量，其本身溫度很高，它與氣體分子相碰撞，負(fù)氣體分子活化，它們吸附在襯底上，并發(fā)生化學(xué)反映天生介質(zhì)膜，副產(chǎn)物從襯底上解析，隨主流由真空抽走。特點(diǎn)：1、PECVD需要增加一種能產(chǎn)生等離子體的高頻源。2、采用PECVD能夠明顯減少沉積時(shí)的基體溫度，并含有沉積速率快、成膜質(zhì)量好、針孔少、不易龜裂等優(yōu)點(diǎn)。3、但等離子體的轟擊會(huì)使沉積表面產(chǎn)生缺點(diǎn)，同時(shí)等離子體中產(chǎn)生的多個(gè)反映物質(zhì)使反映復(fù)雜化，因此會(huì)使薄膜的質(zhì)量下降；4、另外設(shè)備投資大、成本高，對(duì)氣體的純度規(guī)定高；5、涂層過(guò)程中產(chǎn)生的激烈噪音、強(qiáng)光輻射、有害氣體、金屬蒸汽粉塵等對(duì)人體有害；6、對(duì)小孔孔徑內(nèi)表面難以涂層等。試敘述LPCVD的原理、特點(diǎn)和典型應(yīng)用LPCVD原理是用加熱的方式在低壓條件下使氣態(tài)化合物在基片表面反映并淀積形成穩(wěn)定固體薄膜。由于工作壓力低，氣體分子的品滾自由程和擴(kuò)散系數(shù)大，故可采用密集裝片方式來(lái)提高生產(chǎn)效率，并在襯底表面獲得均勻性良好的薄膜淀積層。LPCVD用于淀積Poly-Si、Si3N4、SiO2、磷硅玻璃、硼磷硅玻璃、非晶硅及難溶金屬硅化物等多個(gè)薄膜。廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體集成電路、電力電子、光電子及MEMS等行業(yè)的生產(chǎn)工藝中。簡(jiǎn)述分子束外延（MBE）的構(gòu)造、原理和應(yīng)用。構(gòu)造：MBE重要由分子束源、基片支架、四極質(zhì)譜儀、反射高能電子衍射裝置、俄歇電子譜儀、二次離子分析儀構(gòu)成。原理：分子束外延（MBE）是新發(fā)展起來(lái)的外延制膜法，它是將真空蒸發(fā)鍍膜加以改善和提高而形成的新的成膜技術(shù)。在超高真空環(huán)境中，通過(guò)薄膜諸組分元素的分子束流，直接噴到溫度適宜的襯底表面上，在適宜條件下就能淀積除所需的外延層。其系統(tǒng)涉及一種沉積腔室，室內(nèi)維持在10-10托的低壓，在腔室中有一種或多個(gè)小格室（稱(chēng)為反射格：effusioncells），內(nèi)含圓晶上所欲沉積的高純度材料（靶材），發(fā)射格前有快門(mén)（shutter）以使圓晶能暴露于原料蒸汽；將電子束導(dǎo)引至靶材中央，靶材被加熱而融化成液態(tài)，由于低壓故部分表面的液態(tài)靶材會(huì)蒸發(fā)成氣態(tài)，由發(fā)射格的開(kāi)孔處離開(kāi)，沉積到晶圓上。MBE是一種將原子一種一種的在襯底上進(jìn)行沉積的辦法，因此它普通與CVD外延和真空蒸發(fā)鍍膜相比，有下列幾個(gè)典型特點(diǎn)：（1）MBE即使也是一種以氣體分子論為基礎(chǔ)的蒸發(fā)過(guò)程，但它并不以蒸發(fā)溫度為監(jiān)控參數(shù)，而是用系統(tǒng)中的四極質(zhì)樸儀和原子吸取光譜等當(dāng)代分析儀器，精密的監(jiān)控分子束的種類(lèi)和強(qiáng)度，從而嚴(yán)格的控制生長(zhǎng)過(guò)程和生長(zhǎng)速率。（2）MBE是一種超高真空的淀積過(guò)程，既不需要考慮中間的化學(xué)反映，又不受質(zhì)量傳輸?shù)挠绊?，并且運(yùn)用開(kāi)閉擋板來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)生長(zhǎng)和中斷的瞬間控制。因此，膜的組分和摻雜濃度可隨著源的變化而快速調(diào)節(jié)。（3）MBE的明顯特點(diǎn)之一是生長(zhǎng)速率低，MBE使微細(xì)加工在構(gòu)造上的分辯能力高于CVD和LPE。（4）在獲得單晶薄膜的技術(shù)中，MBE的襯底溫度低，因此有助于減少自摻雜。（5）由于襯底和分子束源分開(kāi)，因此能夠隨時(shí)觀察生長(zhǎng)面的外貌，有助于科學(xué)研究。（6）MBE能有效的運(yùn)用平面技術(shù)，用它制成的肖特基勢(shì)壘特性達(dá)成或超出CVD和LPE制作的特性。應(yīng)用：MBE的突出優(yōu)點(diǎn)在于能生長(zhǎng)極薄的單晶膜層，并且能精確的控制膜厚和組分與摻雜。適于制作微波、光電和多層構(gòu)造器件，從而為制作集成光學(xué)和超大規(guī)模集成電路提供了有力手段。如圖4為絕緣體薄膜在導(dǎo)電方面較故意義的金屬-絕緣體-金屬構(gòu)造，試分析該種構(gòu)造下的絕緣體薄膜的導(dǎo)電機(jī)理。圖4金屬-絕緣體-金屬構(gòu)造答：如圖所示，兩塊金屬被絕緣體隔開(kāi)，形成一種電容器，兩金屬端為電極，絕緣體為電介質(zhì)薄膜。當(dāng)電極兩端分別加上正負(fù)電荷時(shí)，在兩電極間形成電場(chǎng)，在電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)薄膜內(nèi)的正負(fù)電荷中心相對(duì)移動(dòng)從而出現(xiàn)電距現(xiàn)象，完畢電場(chǎng)的傳輸。在直流電路中，該構(gòu)造相稱(chēng)于斷路。在交流電路中，由于電流的方向是隨時(shí)間成成一定的函數(shù)關(guān)系變化的。而電容器充放電的過(guò)程是有時(shí)間的，這個(gè)時(shí)候，在極板間形成的電場(chǎng)也是隨時(shí)間變化的函數(shù)，從而使得電流痛過(guò)場(chǎng)的形式在電容器間通過(guò)，完畢在交流電下的導(dǎo)電。試敘述壓電薄膜的工作原理和慣用的制備辦法。原理：壓電材料是基于壓電效應(yīng)的原理工作的，在晶體中，當(dāng)在某一特定方向?qū)w施加應(yīng)力時(shí)，在于應(yīng)力垂直方向兩端表面出現(xiàn)數(shù)量相等、符號(hào)相反的束縛電荷，這一現(xiàn)象成為“正壓電效應(yīng)”,作用力相反時(shí)，表面電荷符號(hào)相反，點(diǎn)和密度與外加作用力大小成正比；同時(shí)，當(dāng)一塊含有壓電效應(yīng)的晶體處在外電場(chǎng)中，由于晶體的電極化造成的正負(fù)電荷中心位移，造成晶體形變，型變量與電場(chǎng)大小成正比，這是逆壓電效應(yīng)。含有壓電效應(yīng)的薄膜稱(chēng)為壓電薄膜。制備：壓電薄膜的制備重要有氣相沉積法，其中涉及物理氣相沉積法(PVD)和化學(xué)氣相沉積法（cvd），有時(shí)也用溶膠-凝膠法（sol-gel）、等離子噴涂法、熱氧化法和陽(yáng)極氧化法制備。試敘述一種慣用電介質(zhì)薄膜的制備辦法及其應(yīng)用氧化物電介質(zhì)薄膜的制備辦法：氧化物電介質(zhì)薄膜在集成電路和其它薄膜器件中有著廣泛的應(yīng)用，薄膜材料能夠用電子束蒸發(fā)鍍膜法、濺射度魔法、反映濺射鍍膜法等辦法制備外，還經(jīng)慣用單晶表面氧化的辦法來(lái)生長(zhǎng)這種薄膜，這是一種反映擴(kuò)散過(guò)程，在硅單晶表面形成持續(xù)氧化層后，氧化劑通過(guò)氧化層擴(kuò)散到氧化層/硅界面，和硅反映生成新的氧化層，使厚度不停增大。薄膜的氧化生長(zhǎng)是平面工藝的基礎(chǔ)，氧化法重要有三種：1、陽(yáng)極氧化（室溫）2、等離子體陽(yáng)極氧化（200-800度）3、熱氧化（700-1250度）。氧化物電介質(zhì)薄膜的應(yīng)用：1、用作電容器介質(zhì)2、用作隔離和掩膜層3、用作表面鈍化膜4、集成電路多層布線(xiàn)絕緣膜試敘述一種慣用金屬薄膜的制備辦法及其應(yīng)用制備金屬薄膜最慣用的辦法是雙噴電解拋光法。此裝置重要由三部分構(gòu)成：電解冷卻與循環(huán)部分，電解拋光減薄部分以及觀察樣品部分。圖２為雙噴電解拋光裝置示意圖。（l）電解冷卻與循環(huán)部分通過(guò)耐酸泵把低溫電解液經(jīng)噴嘴打在樣品表面。低溫循環(huán)電解減薄，不使樣品因過(guò)熱而氧化；同時(shí)又可得到表面平滑而光亮的薄膜，見(jiàn)圖２中(1)及(2)。（2）電解拋光減薄部分。電解液由泵打出后，通過(guò)相對(duì)的兩個(gè)鉑陰極玻璃嘴噴到樣品表面。噴嘴口徑為１mm，樣品放在聚四氟乙烯制作的夾具上（見(jiàn)圖３）。樣品通過(guò)直徑為0.5mm的鉑絲與不銹鋼陽(yáng)極之間保持電接觸，調(diào)節(jié)噴嘴位置使兩個(gè)噴嘴位于同始終線(xiàn)上。見(jiàn)圖２中(3)（3）觀察樣品部分電解拋光時(shí)一根光導(dǎo)纖維管把外部光源傳送到樣品的一種側(cè)面。當(dāng)樣品剛一穿孔時(shí)，透過(guò)樣品的光通過(guò)在樣品另一側(cè)的光導(dǎo)纖維管傳到外面的光電管，切斷電解拋光射流，并發(fā)出報(bào)警聲響。圖２雙噴電解拋光裝置原理示意圖圖3樣品夾具(1)冷卻設(shè)備；(2)泵、電解液；(3)噴嘴(4)試樣；(5)樣品架；(6)光導(dǎo)纖維管?chē)娚浞娏饕浑妷呵€(xiàn)最后制成的薄膜應(yīng)用：金屬薄膜開(kāi)關(guān)，金屬化薄膜電容，裝飾材料，包裝。試畫(huà)出一種多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的構(gòu)造圖，并分析其工作原理。多晶硅太陽(yáng)能電池的工作原理，是基于太陽(yáng)光與半導(dǎo)體材料的作用而形成光伏效應(yīng)。光與半導(dǎo)體的互相作用而產(chǎn)生光生載流子，當(dāng)將所產(chǎn)生的電子空穴對(duì)靠半導(dǎo)體形成的勢(shì)壘分開(kāi)到兩級(jí)時(shí)，兩級(jí)間會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)，稱(chēng)為光伏效應(yīng)。如上圖：多晶硅太陽(yáng)能電池是含有P-N結(jié)構(gòu)造的半導(dǎo)體器件，電池吸取太陽(yáng)光能后，激發(fā)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，電子空穴對(duì)被半導(dǎo)體P-N結(jié)內(nèi)部自建電場(chǎng)分開(kāi)，電子流入N區(qū)，空穴流入P區(qū)，形成光生電場(chǎng)。敘述GaAs薄膜作為光電發(fā)射材料的原理、構(gòu)造和應(yīng)用原理：GaAs光電陰極是建立在W.E.Spicer的光電發(fā)射三步模型[2]理論基礎(chǔ)上的，根據(jù)該理論，如果陰極材料表面的真空能級(jí)低于其體內(nèi)的導(dǎo)帶底能級(jí)，即材料的有效電子親和勢(shì)不大于零，則由光照激發(fā)產(chǎn)生的光電子只要能從陰極體內(nèi)運(yùn)行到表面，就能夠輕而易舉地發(fā)射到真空，而無(wú)需過(guò)剩的動(dòng)能去克服材料表面的勢(shì)壘，這樣光電子的逸出深度和幾率都將大大增加，發(fā)射效率將會(huì)大幅度提高。因此后來(lái)發(fā)明了用Cs、O交替覆蓋GaAs表面的辦法，通過(guò)銫氧激活能夠獲得負(fù)的有效電子親和勢(shì)和更高的光電發(fā)射效率的GaAs光電陰極。應(yīng)用：GaAs光電陰極作為一種負(fù)電子親和勢(shì)(NegativeElectronAffinity，NEA)光電陰極，含有量子效率高，暗發(fā)射小，發(fā)射電子的能量分布及角分布集中，長(zhǎng)波閾可調(diào)，長(zhǎng)波響應(yīng)擴(kuò)展?jié)摿Υ蟮葍?yōu)點(diǎn)，它在光電倍增管、攝像管、半導(dǎo)體器件、超晶格功效器件、高能物理、表面物理，特別是微光夜視技術(shù)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。構(gòu)造：NEA光電陰極分反射式和透射式兩種。反射式NEA光電陰極對(duì)厚度沒(méi)有嚴(yán)格規(guī)定，其構(gòu)造也比較簡(jiǎn)樸，如圖1.1為其構(gòu)造示意圖，反射式陰極中，GaAs是最慣用的基底，由于這種材料的量子效率高，暗電流小，光譜響應(yīng)在一種相稱(chēng)寬的范疇內(nèi)比較平坦。透射式NEA光電陰極的構(gòu)造較復(fù)雜，如圖1.2為其構(gòu)造示意圖。首先，它要有一種透明的襯底，起支撐和加固的作用，普通用的襯底層有藍(lán)寶石、白寶石、尖晶石、GaP、GaAs和玻璃等。為了實(shí)現(xiàn)晶格匹配，普通在發(fā)射層與襯底層之間加入一緩沖層，它的晶格常數(shù)和發(fā)射層相近，這樣晶格失配就被移到了襯底層/緩沖層界面，常作緩沖層的材料有GaAlAs、GaAsP、InGaP等。襯底層緩沖層GaAs發(fā)射層真空?qǐng)D1.2透射式NEA光電陰極的構(gòu)造I0襯底層緩沖層GaAs發(fā)射層真空?qǐng)D1.2透射式NEA光電陰極的構(gòu)造I0GaAs發(fā)射層圖1.1反射式NEA光電陰極的構(gòu)造GaAs發(fā)射層圖1.1反射式NEA光電陰極的構(gòu)造真空I0簡(jiǎn)述透明導(dǎo)電膜（TCO）的原理、制備及其在電子工業(yè)方面的應(yīng)用原理：TCO透明導(dǎo)電薄膜是一種N型氧化物半導(dǎo)體，化學(xué)名稱(chēng)是氧化煙錫，它的工作原理是，當(dāng)金屬原子與氧原子鍵結(jié)時(shí)，傾向于失去電子而成陽(yáng)離子，而在金屬氧化物中，含有（n≥4，n為主量子數(shù)）電子組態(tài)的金屬陽(yáng)離子，其S軌域會(huì)做等向性的擴(kuò)展，如果晶體中有某種鎖狀構(gòu)造，能讓這些陽(yáng)離子相稱(chēng)靠近，是他們的S軌域重疊，便可形成傳導(dǎo)途徑，再加上可移動(dòng)的載子，便含有導(dǎo)電性了。制備：在玻璃基片上制備透明導(dǎo)電薄膜的辦法重要有1、噴霧法2、侵漬法3、化學(xué)氣相沉積法4、濺射法在塑料基片上制備重要是真空蒸渡法。應(yīng)用：TCO氧化物薄膜材料在電子攝影（幻燈片、微縮膠片）、光電抓換器件（光放大器）、太陽(yáng)能電池、顯示材料、熱反射、光統(tǒng)計(jì)、磁統(tǒng)計(jì)、防靜電等諸多領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的作用。結(jié)合圖