薄膜物理与技术-考试重点

薄膜物理与技术-考试重点
1．真空环境的划分：①低真空（> 102Pa）；②中真空（102—10-1Pa）；③高真空（10-1—10-5Pa）；④超高真空（< 10-5Pa）
真空蒸发沉积：高真空和超高真空（<10-3 Pa）溅射沉积：中、高真空（10-2—10Pa）
低压化学气相沉积：中、低真空（10—100Pa）电子显微分析：高真空
材料表面分析：超高真空
2．为了获得高真空蒸发系统，通常采用旋片式机械泵和涡轮分子泵两级真空泵联用，其中与真空室直接相连的是涡轮分子泵。

真空泵的原理和适用范围：
①旋片式机械真空泵（输运式真空泵）：依靠安置在偏心转子中的可以滑进滑出的旋片将气体隔离、压缩，然后排出泵体之外。

>10-1Pa
②涡轮分子泵（输运式真空泵）：高速旋转的叶片将动量传给气体分子，并使其向特定方向运动。

10-8—1Pa 溅射离子泵（捕获式真空泵）：高压下电离的气体分子撞击Ti阴极，溅射出大量活性很高的Ti原子，以吸附或化学反应的形式捕获大
核心的数目。

化学气相淀积：利用气态先驱反应物，通过原子、分子间化学反应的途径生成固态薄膜。

物理气相淀积：利用某种物理过程，实现物质原子从源物质到薄膜的可控转移的过程。

阴影效应：蒸发的物质被障碍物阻挡而不能沉积到衬底上。

溅射：离子轰击物质表面，并在碰撞过程中发生能量与动量的转移，将物质表面原子激发出来的过程。

溅射法：将被电场加速后具有一定动能的离子引向靶电极，与靶表面原子碰撞使之溅射出来，溅射原子能够沿一定方向射向衬底并沉积下来。

等离子体鞘层：等离子体相对器壁会呈正电性，在等离子体和壁之间的非电中性薄层称为鞘层。

弹性碰撞：参加碰撞的粒子的总动能和总动量保持不变，并且不存在粒子内能的变化。

溅射产额：被溅射出来的原子数与入射离子数之比。

（衡量溅射过程效率的参数）
靶材的中毒：随着活性气体压力的增加，靶材
表面可能形成一层相应的化合物，导致溅射和薄膜沉积速率降低。

等离子体辅助化学气相沉积（PECVD）：在低压化学气相沉积过程进行的同时，利用辉光放电等离子体对沉积过程施加影响。

3．对元素蒸发速率影响最大的因素是蒸发源所处的温度。

当环境中元素分压小于平衡蒸气压时，就发生元素的净蒸发。

4．溅射法工作于气体的异常辉光放电阶段，这一放电阶段等离子存在的区域为面积较大、分布较均匀。

溅射法使用最广泛的溅射气体为Ar。

对于金属材料可采用直流或射频溅射法，对非金属材料可采用射频溅射法。

在溅射系统中，可以在进样室通过反溅对衬底进行预处理，通常采用射频溅射，对置于阴极的衬底进行反溅。

电弧蒸发法工作于气体的弧光放电阶段
5．真空系统设计的一个基本原则：确保真空管。

利用理路的流导C大于真空泵的理论抽速S
p
论抽速为S
的真空泵通过流导为C的管路抽除
p
真空容器中的气体（C=2S
），则真空容器出口
p
处的实际抽速S 最大为 2/3 S p ，最小为0。

实际抽速最大值：C S C S p Q S p p +==
6． 制备完整单晶薄膜的沉积条件是较高的沉积温度和较低的气相过饱和度，其生长模式为层状生长模式。

外延生长（在完整的单晶衬底上延续生长单晶薄膜）条件：较高的衬底温度和较低的沉积速率。

7． 熔结过程中原子的扩散机制有两种，即体扩散机制和表面扩散机制。

其中表面扩散机制对熔结过程的贡献更大一些。

8． 合金组元蒸发速率之比：A B B B B A A A A B M M 0p x 0p x M M )(γ)(γφφ==B A
B A p p
p A ：合金中A 的平衡蒸气压； p A (0)：纯组元A
的平衡蒸气压；x A ：合金中A 的摩尔分数；γ
A
—A 的活度系数；M A ：A 的相对原子质量。

注意A 和B 的位置
11． 点蒸发源衬底上沉积物的质量密度：2r M dA dM e
s
s π4θcos = 面蒸发源衬底上沉积物的质量密度：2
r M dA dM e
s
s πφcos θcos =
θ：衬底表面法线与空间角方向间的偏离角度 Φ：平面蒸发源法线与接收平面中心和平面源中心连线之间的夹角
r ：衬底与蒸发源距离 M e ：蒸发物
质总量
膜厚：s s dA dM ρ=t
最大膜厚2e
0h M πρ4=t
点蒸发源的膜厚分布：
2
3
2])(1[1h l t t 0+= 面蒸发源的膜厚分布：2
2])(1[1
h l t t 0
+= 厚度均匀性的改善方法：
① 加大蒸发源到衬底的距离
② 转动衬底
③ 面蒸发源和衬底表面置于同一个圆周上（同时需要沉积的样品较多、尺寸较小时）
0r r
21cos cos ≈=θφ 2024r M r M dA dM e e s s ππφcos θcos ≈=
12． 真空蒸发装置按蒸发源的加热原理可分为：电阻式蒸发*、电子束蒸发*、电弧蒸发、激光蒸发*、空心阴极蒸发。

13．等离子体鞘层及其电位分布：
14．辉光放电属于非弹性碰撞。

电子将大部分能量转移给其他质量较大的粒子，引起其激发或电离。

15．溅射产额的影响因素：①入射离子能量；
②入射离子种类和被溅射物质种类；③离子入射角度；④靶材温度。

溅射阈值：只有当入射离子能量超过一定的阈值以后，才能溅射。

16．主要溅射方法有：①直流溅射*；②射频溅射*；③磁控溅射*；④反应溅射；⑤离子束溅射。

其他PVD方法：①离子镀*（结合蒸发与溅射技术）；②反应蒸发沉积；③离子束辅助沉积；
④离化团束沉积；⑤等离子体浸没式离子沉
积。

17．蒸发法：被蒸发物质多处于熔融状态，本
身会发生扩散、对流，表现出很强的自发均匀化的倾向。

溅射法：靶物质的扩散能力弱。

由于溅射产额差别造成的靶材表面成分的偏离很快就会使靶材表面成分趋于某一平衡成分，从而在随后的溅射过程中实现一种成分的自动补偿效应。

溅射沉积法的主要特点：
①沉积原子的能量较高，因此薄膜的组织更致密、附着力也可以得到显著改善；
②制备合金薄膜时，其成分的控制性能好；
③溅射的靶材可以是极难熔的材料。

溅射法可
以方便地用于高熔点物质的薄膜制备。

④可利用反应溅射技术，从金属元素靶材制备
化合物薄膜。

⑤被沉积原子携带一定能量，有助于改善薄膜
的覆盖能力，降低薄膜表面的粗糙度。

18．电子束蒸发、磁控溅射的原理；射频溅射的原理。

19．化学气相沉积反应的类型：
①热解反应。

氢化物、羰基化合物和有机金属化合物。

多晶Si、非晶Si和Ni薄膜的沉积。

②还原反应。

卤化物、羰基化合物、卤氧化物等。

单晶Si薄膜的外延、难熔金属W、Mo薄膜的制备。

③氧化反应。

SiO2薄膜的沉积。

④置换反应。

反应先驱物以气态存在且具有反应活性。

各种碳、氮、硼化物的沉积。

⑤岐化反应。

漂白粉的制备、Ge薄膜和其他金属的沉积
⑥气相输运。

利用升华和冷凝的可逆过程实现气相沉积。

CVD方法的共同特点：
①反应式总可以写成aA(g) + bB(g) → cC(s)
+ dD(g)的形式，即由一个固相和几个气相组成反应式；②这些反应往往是可逆的。

20．热力学分析：预测化学气相沉积过程的方向与限度。

动力学分析：预测化学气相沉积过程发生的速度，及它在有限时间内可以进行的程度。

21．化学气相沉积制备薄膜主要过程：①气相输运和气相反应；②气相扩散；③表面吸附；
④表面化学反应；⑤表面扩散；⑥表面解吸附。

制备薄膜的两个重要参数：气相反应物的过饱和度和沉积温度。

CVD装置的基本部分：①反应气体和载气的供给和计量装置；②必要的加热和冷却系统；③反应产物气体的排出装置或真空系统。

反应体系的要求：
①在沉积温度下，反应物必须有足够高的蒸汽
压，以保证能以适当的速度被引入反应室；
②反应产物除了所需要的沉积物为固态薄膜
之外，其他反应产物必须是挥发性的；
③沉积薄膜本身必须具有足够低的蒸汽压，基
体材料的蒸汽压也必须足够低。

22．化学气相沉积装置：高温和低温CVD装置*、激光辅助CVD装置*、低压CVD （LPCVD）装置、等离子体辅助CVD（PECVD）装置*、金属有机化合物CVD（MOCVD）装置
23．薄膜的生长过程：
①新相的形核阶段：气态的原子或分子凝聚到
衬底表面，扩散迁移形成晶核，晶核结合其他吸附的气相原子逐渐长大形成小岛。

②薄膜的生长阶段：小岛阶段；聚结阶段；沟
道阶段；连续薄膜阶段。

三种生长模式：
岛状生长模式（浸润性较差）、层状生长模式
（浸润性很好）、层状—岛状生长模式。

24．新相形核过程的类型：
自发形核：整个形核过程完全是在相变自由能的推动下进行的。

非自发形核：除了有相变自由能作推动力之外，还有其他的因素帮助新相核心生成。

25．核心的三种吞并机制：奥斯瓦尔多吞并过程、熔结过程、原子团的迁移。

26．薄膜厚度的测量方法有光学测量法和机械测量法。

27．薄膜结构按所研究的尺度范围分为三个层次：①薄膜的宏观形貌；②薄膜的微观形貌；
③薄膜的显微组织。

28．表征图及作用
（a）模糊一片（b）energy、intensity （c）degree （d）有具体数字 SEM XPS XRD HRTEM
表面形貌分析成分分析结构分析元素物相分析
计算题
试计算通过热蒸发法和溅射法，如何得到成分为80%Cu-20%Al（摩尔分数）的合金薄膜。

已知：蒸发温度为1350K， Cu的平衡蒸汽压为2×10-4Pa，Al的平
衡蒸汽压为10-3Pa ；溅射离子为Ar +，元素溅射产额：S(Cu)=17，S(Al)=13。

（提示：Al 和Cu 在合金中的活度系数可近似认为等于1。

）
答：
（1）热蒸发法：
为了获得80%Cu-20%
Al 的合金薄膜，两种元素的蒸发速率比应为2080φφ=Al Cu
， （2分） 即2080642710102)(γ)(γφφ34=∙⨯∙===--Cu Al Al Al Al Cu Cu Cu Cu Al M M 0p x 0p x M M Al Cu Al Cu
Al Cu x x p p ，
（4分） 解得79.30=Al Cu
x x ，推导可得%85.96=+Cu Al Cu x x x （2分）
因此，使用成分为96.85%Cu-3.15%Al （摩尔分数）的靶材作为蒸发源，可获得80%Cu-20%Al （摩尔分数）的合金薄膜。

（2分）
（2）溅射法：
由于Cu 的溅射产额较高，随着溅射的进行，靶材表面Cu 的含量将逐渐降低。

（1分）
使用成分为80%Cu-20%Al （摩尔分数）的靶材作为溅射靶，预溅射一定时间，靶材表面Cu 、Al 的原子比将变为
，即75.37%Cu-24.63%Al （摩尔分数）时，（2分）
此时开始正式溅射，两种元素溅射速率之比为 ，即80/20，因此可获得成分为
80%Cu-20%Al 的合金薄膜。

（2分）
推导及计算题
石英晶体振荡器法
工作原理：石英晶体片的固有振动频率随其质量的变化而变化。

石英晶片固有振动频率：
v表示厚度方向弹性波的波速，h q表
示石英晶片厚度
石英晶片厚度的微小变化△h q导致固有频率变化：
△-△-ρ0表示石英晶体密度，A表
示石英晶片厚度面积
当石英晶片上沉积了一层其他物质，有：
△ρf表示沉积物密度，h f表示
沉积薄膜的厚度
故其固有频率变化：。