薄膜技术复习题

1．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

2．图2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。

图 2 溅射镀膜的原理示意图

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*10-3Pa，通入氩气，使真空室压力维持在（）*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

图3 PECVD的反应室结构图

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．试叙述LPCVD的原理、特点和典型应用

LPCVD原理是用加热的方式在低压条件下使气态化合物在基片表面反应并淀积形成稳定固体薄膜。由于工作压力低，气体分子的品滚自由程和扩散系数大，故可采用密集装片方式来提高生产效率，并在衬底表面获得均匀性良好的薄膜淀积层。LPCVD用于淀积Poly-Si、Si3N4、SiO2、磷硅玻璃、硼磷硅玻璃、非晶硅及难溶金属硅化物等多种薄膜。广泛应用于半导体集成电路、电力电子、光电子及MEMS等行业的生产工艺中。

5．简述分子束外延（MBE）的结构、原理和应用。

结构：MBE主要由分子束源、基片支架、四极质谱仪、反射高能电子衍射装置、俄歇电子谱仪、二次离子分析仪构成。

原理：分子束外延（MBE）是新发展起来的外延制膜法，它是将真空蒸发镀膜加以改进和提高而形成的新的成膜技术。在超高真空环境中，通过薄膜诸组分元素的分子束流，直接喷到温度适宜的衬底表面上，在合适条件下就能淀积除所需的外延层。其系统包括一个沉积腔室，室内维持在10-10托的低压，在腔室中有一个或多个小格室（称为反射格：effusion cells），内含圆晶上所欲沉积的高纯度材料（靶材），发射格前有快门（shutter）以使圆晶能暴露于原料蒸汽；将电子束导引至靶材中央，靶材被加热而融化成液态，因为低压故部分表面的液态靶材会蒸发成气态，由发射格的开孔处离开，沉积到晶圆上。

MBE是一种将原子一个一个的在衬底上进行沉积的方法，因此它通常与CVD外延和真空蒸发镀膜相比，有以下几个典型特点：

（1）MBE虽然也是一个以气体分子论为基础的蒸发过程，但它并不以蒸发温度为监控参数，而是用系统中的四极质朴仪和原子吸收光谱等现代分析仪器，精密的监控分子束的种类和强度，从而严格的控制生长过程和生长速率。

（2）MBE是一个超高真空的淀积过程，既不需要考虑中间的化学反应，又不受质量传输的影响，并且利用开闭挡板来实现对生长和中断的瞬间控制。因此，膜的组分和掺杂浓度可随着源的变化而迅速调整。

（3）MBE的显著特点之一是生长速率低，MBE使微细加工在结构上的分辩能力高于CVD和LPE。（4）在获得单晶薄膜的技术中，MBE的衬底温度低，因此有利于减少自掺杂。

（5）由于衬底和分子束源分开，所以可以随时观察生长面的外貌，有利于科学研究。

（6）MBE能有效的利用平面技术，用它制成的肖特基势垒特性达到或超过CVD和LPE制作的特性。应用：MBE的突出优点在于能生长极薄的单晶膜层，并且能精确的控制膜厚和组分与掺杂。适于制作微波、光电和多层结构器件，从而为制作集成光学和超大规模集成电路提供了有力手段。

6．如图4为绝缘体薄膜在导电方面较有意义的金属-绝缘体-金属结构，试分析该种结构下的绝缘体薄膜的导电机理。