薄膜材料技术复习题090526

1.薄膜定义：按照一定需要，利用特殊的制备技术，在基体表面形成厚度为亚微米至微米级的膜层。

这种二维伸展的薄膜具有特殊的成分、结构和尺寸效应而使其获得三维材料所没有的特性，同时又很节约材料，所以非常重要。

通常是把膜层无基片而能独立成形的厚度作为薄膜厚度的一个大致的标准，规定其厚度约在1µm左右。

2.一些表面定义：1)理想表面：沿着三维晶体相互平行的两个面切开，得到的表面，除了原子平移对称性破坏，与体内相同。

2)清洁表面：没有外界杂质。

3)弛豫表面：表面原子因受力不均向内收缩或向外膨胀。

4)重构表面：表面原子在与表面平行的方向上的周期也发生变化，不同于晶体内部原子排列的二维对称性（再构）。

5)实际表面：存在外来原子或分子。

3. 薄膜的形成的物理过程驰豫重构驰豫+重构⎧⎪⎨⎪⎩驰豫：表面向下收缩，表面层原子与内层原子结构缺陷间距比内层原子相互之间有所减小。

重构：在平行表面方向上原子重排。

①小岛阶段——成核和核长大，透射电镜观察到大小一致(2-3nm)的核突然出现.平行基片平面的两维大于垂直方向的第三维。

说明：核生长以吸附单体在基片表面的扩散，不是由于气相原子的直接接触。

②结合阶段——两个圆形核结合时间小于0.1s,并且结合后增大了高度，减少了在基片所占的总面积。

而新出现的基片面积上会发生二次成核，复结合后的复合岛若有足够时间，可形成晶体形状，多为六角形。

核结合时的传质机理是体扩散和表面扩散（以表面扩散为主）以便表面能降低。

③沟道阶段——圆形的岛在进一步结合处，才继续发生大的变形→岛被拉长，从而连接成网状结构的薄膜，在这种结构中遍布不规则的窄长沟道，其宽度约为5-20nm ，沟道内发生三次成核，其结合效应是消除表面曲率区，以使生成的总表面能为最小。

④连续薄膜——小岛结合，岛的取向会发生显著的变化，并有些再结晶的现象。

沟道内二次或三次成核并结合，以及网状结构生长→连续薄膜。

4. 薄膜的附着类型及影响薄膜附着力的工艺因素⎧⇒⇒⇒⎨⎩⎧⎧⎧⇒⇒⇒⇒⎨⎨⎨⎩⎩⎩⎧⇒⎨⎩（在新面积处）稳定核（在捕获区）单体的吸附形成小原子团临界核临界核（在非捕获区）大岛大岛连合沟道薄膜小岛 二次成核二、三次成核二、三次成核 连续薄膜（在沟道和孔洞处）三次成核薄膜的附着类型①简单附着：薄膜和基片间形成一个很清楚的分界面，薄膜与基片间的结合力为范德华力②扩散附着—由两个固体间相互扩散或溶解而导致在薄膜和基片间形成一个渐变界面。

实现扩散方法：基片加热法、离子注入法、离子轰击法、电场吸引法。

③通过中间层附着—在薄膜与基片之间形成一个化合物而附着，该化合物多为薄膜材料与基片材料之间的化合物。

④通过宏观效应—机械锁合双电层吸引5. 真空相关•真空是指低于一个大气压的气体空间。

常用“真空度”度量。

真空度越高，压强越小。

•常用计量单位：Pa, Torr, mmHg, bar, atm.。

关系如下：•1mmHg=133.322Pa,• 1 Torr=atm/760=133.322Pa≈1mmHg• 1 bar=105Pa●粗真空：1×105～1×102Pa 目的获得压力差。

电容器生产中的真空侵渍工艺●低真空：1×102～1×10-1Pa 真空热处理。

●高真空：1×10-1～1×10-6Pa 真空蒸发。

●超高真空：<1×10-6Pa 得到纯净的气体；获得纯净的固体表面。

6. 物理气相沉积PVD（Physics Vapor Deposition，主要是在真空环境下利用各种物理手段或方法沉积薄膜。

1)需要使用固态的或熔化态的物质作为沉积过程的源物质；2)源物质要经过物理过程进入气相；3)需要相对较低的气体压力环境；4)在气相中及衬底表面不发生化学反应。

蒸发定义：当温度升高时，材料会经历典型的固相，液相到气相的变化。

任何温度下，材料上面都存在蒸气，具有平衡蒸气压。

材料温度低于熔化温度时，产生蒸气的过程称为升华；样品熔化时，产生蒸气的过程称为蒸发。

在微电子工艺中，蒸发较为广义，包括一切蒸气产生的过程。

对环境的要求：超真空，<1mTorr对材料的要求：具有合适的蒸气压，得到合适的淀积速率，>10mTorr影响因素：蒸发源的纯度；加热装置、坩埚可能造成的污染；真空系统中的残留气体。

解决办法：使用高纯物质作为蒸发源；改善装置；改善真空条件，提高物质的蒸发以及薄膜沉积速度。

7. MOCVD概念：利用金属有机物的热分解进行化学气相沉积制备薄膜的CVD方法。

特点：近十几年发展发展起来的一种新的表面气相沉积技术，它一般使用金属有机化合物和氢化物作为原料气体，进行热解化学气相沉积。

制备范围：在较低温度下沉积各种无机材料，如金属氧化物、氢化物、碳化物、氟化物及化合物半导体材料和单晶外延膜、多晶膜和非晶态膜，已成功应用于制备超晶格结构、超高速器件和量子阱激光器。

8.离子镀：IP (Ion plating），同时结合蒸发和溅射的特点，让靶材原子蒸发电离后与气体离子一起受电场的加速，而在基片上沉积薄膜的技术。

离子镀特点：1)具有蒸发镀膜和溅射镀膜的特点2)膜层的附着力强。

3)绕射性好，可镀复杂表面。

4)沉积速率高、成膜速度快、可镀厚膜。

5)可镀材料广泛，有利于化合物膜层的形成。

9. 溶液镀膜法：是在溶液中利用化学反应或电化学反应等化学方法在基板表面沉积薄膜的一种技术，常称为湿法镀膜。

1)化学镀2)溶胶—凝胶法3)阳极氧化法4)LB法5)电镀法10. 溶胶-凝胶法特点优点：1)起始原料是分子级的能制备较均匀的材料2)较高的纯度3)组成成分较好控制，尤其适合制备多组分材料4)可降低程序中的温度5)具有流变特性，可用于不同用途产品的制备6)可以控制孔隙度7)容易制备各种形状缺点1)原料成本较高2)存在残留小孔洞3)存在残留的碳4)较长的反应时间5)有机溶剂对人体有一定的危害性13. 薄膜的分类1)从功能上分：电学薄膜，光学薄膜，磁性薄膜，保护膜，装饰用膜、包装膜……2)从结构上分：无机薄膜，有机分子膜，单晶薄膜，多晶薄膜，非晶薄膜，多孔膜……14. 外延生长【epitaxial growth】在单晶衬底（基片）上生长一层有一定要求的、与衬底晶向相同的一薄层单晶层的方法。

外延生长的最终目的是：沉积一层缺陷少，且可控制厚度及掺入杂质的单晶薄膜15. 外延生长可分为多种①按照衬底和外延层的化学成分不同，可分为同质外延和异质外延；②按照反应机理可分为利用化学反应的外延生长和利用物理反应的外延生长；③按生长过程中的相变方式可分为气相外延、液相外延和固相外延等。

16. PVD和CVD两种工艺的对比同PVD工艺相比，CVD的最大优势就是良好的阶梯覆盖性能，同时具有便于制备复合产物、不需高真空和淀积速率高等优点。

CVD技术在19世纪60年代被引入半导体材料制备并快速发展。

随PECVD，HDPCVD和MOCVD等技术的出现，CVD在集成电路制造中广泛应用于多晶硅、绝缘介质和金属薄膜的制备。

I.工艺温度高低是CVD和PVD之间的主要区别。

温度对于高速钢镀膜具有重大意义。

CVD法的工艺温度超过了高速钢的回火温度，用CVD法镀制的高速钢工件，必须进行镀膜后的真空热处理，以恢复硬度。

镀后热处理会产生不容许的变形。

II.CVD工艺对进人反应器工件的清洁要求比PVD工艺低一些，因为工件表面的一些脏东西很容易在高温下烧掉。

此外，高温下得到的镀层结合强度要更好些。

III.CVD镀层往往比各种PVD镀层略厚一些，前者厚度在7.5μm左右，后者通常不到2.5μm厚。

CVD镀层的表面略比基体的表面粗糙些。

相反，PVD镀膜如实地反映材料的表面，不用研磨就具有很好的金属光泽，这在装饰镀膜方面十分重要。

IV.CVD反应发生在低真空的气态环境中，具有很好的绕镀性，所以密封在CVD反应器中的所有工件，除去支承点之外，全部表面都能完全镀好，甚至深孔、内壁也可镀上。

相对而论，所有的PVD技术由于气压较低，绕镀性较差，因此工件背面和侧面的镀制效果不理想。

PVD的反应器必须减少装载密度以避免形成阴影，而且装卡、固定比较复杂。

在PVD反应器中，通常工件要不停地转动，并且有时还需要边转边往复运动。

V.在CVD工艺过程中，要严格控制工艺条件，否则，系统中的反应气体或反应产物的腐蚀作用会使基体脆化。

VI.比较CVD和PVD这两种工艺的成本比较困难，有人认为最初的设备投资PVD是CVD的3一4倍，而PVD工艺的生产周期是CVD的1/10。

在CVD的一个操作循环中，可以对各式各样的工件进行处理，而PVD就受到很大限制。

综合比较可以看出，在两种工艺都可用的范围内，采用PVD要比CVD代价高。

VII.最后一个比较因素是操作运行安全问题。

PVD是一种完全没有污染的工序，有人称它为“绿色工程”。

而CVD的反应气体、反应尾气都可能具有一定的腐蚀性，可燃性及毒性，反应尾气中还可能有粉末状以及碎片状的物质，因此对设备、环境、操作人员都必须采取一定的措施加以防范。

17. CVD特点①在中温或高温下，通过气态的初始化合物之间的气相化学反应而沉积固体；需要使用固态的或熔化态的物质作为沉积过程的源物质。

②可以在大气压（常压）或者低于大气压（低压）下进行沉积。

一般说低压效果要好一些；③采用等离子和激光辅助技术可以显著地促进化学反应，使沉积可在较低的温度下进行；④能有效控制薄膜的化学成分和厚度，均匀性和重复性好；镀层的化学成分可改变，从而获得梯度沉积物或得到混和镀层；⑤可以控制镀层的密度和纯度；⑥绕镀性好，可在复杂形状的基体上以及颗粒材料上镀制；⑦气流条件通常是层流的，在基体表面形成厚的边界层；⑧沉积层通常具有柱状晶结构，不耐歪曲。

但通过各种技术对化学反应进行气相扰动，可以得到细晶粒的等轴沉积层；⑨台阶覆盖能力最好，对衬底损伤最小，可以形成多种金属、合金、陶瓷和化合物层。

⑩设备和运转成本低，与其它相关工艺有较好的相容性；18. 溅射是一个离子轰击物质表面，并在碰撞过程中发生能量与动量的转移，从而最终将物质表面原子激发出来的复杂过程。

溅射具有良好的台阶覆盖能力是由于：有较高的压力和较高的淀积原子的入射能量。

进行衬底加热，增强表面扩散，可以更显著的改善台阶覆盖。

考试范围大致在上面。