薄膜技术复习题.docx

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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着特点。

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3PECVD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可以显着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：

effusioncells），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的显着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。

图4金属-绝缘体-金属结构

答：

如图所示，两块金属被绝缘体隔开，形成一个电容器，两金属端为电极，绝缘体为电介质薄膜。

当电极两端分别加上正负电荷时，在两电极间形成电场，在电场作用下，电介质薄膜内的正负电荷中心相对移动从而出现电距现象，完成电场的传播。

在直流电路中，该结构相当于断路。

在交流电路中，因为电流的方向是随时间成成一定的函数关系变化的。

而电容器充放电的过程是有时间的，这个时候，在极板间形成的电场也是随时间变化的函数，从而使得电流痛过场的形式在电容器间通过，完成在交流电下的导电。

7．试叙述压电薄膜的工作原理和常用的制备方法。

原理：

压电材料是基于压电效应的原理工作的，在晶体中，当在某一特定方向对晶体施加应力时，在于应力垂直方向两端表面出现数量相等、符号相反的束缚电荷，这一现象成为“正压电效应”,作用力相反时，表面电荷符号相反，点和密度与外加作用力大小成正比；同时，当一块具有压电效应的晶体处于外电场中，由于晶体的电极化造成的正负电荷中心位移，导致晶体形变，型变量与电场大小成正比，这是逆压电效应。

具有压电效应的薄膜称为压电薄膜。

制备：

压电薄膜的制备主要有气相沉积法，其中包括物理气相沉积法（PVD）和化学气相沉积法（cvd），有时也用溶胶-凝胶法（sol-gel）、等离子喷涂法、热氧化法和阳极氧化法制备。

8．试阐述一种常用电介质薄膜的制备方法及其应用

氧化物电介质薄膜

的制备方法：

氧化物电介质薄膜在集成电路和其他薄膜器件中有着广泛的应用，

薄膜材料可以用电子束蒸发镀膜法、溅射度魔法、反应溅射镀膜法等方法制备外，还经常用单晶表面氧化的方法来生长这种薄膜，这是一种反应扩散过程，在硅单晶表面形成连续氧化层后，氧化剂通过氧化层扩散到氧化层/硅界面，和硅反应生成新的氧化层，使

厚度不断增大。

薄膜的氧化生长是平面工艺的基础，氧化法主要有三种：

1、阳极氧化（室温）2、等离子体阳极氧化（200-800度）3、热氧化（700-1250度）。

氧化物电介质薄膜的应用：

1、用作电容器介质2、用作隔离和掩膜层3、用作表面钝化膜4、集成电路多层布线绝缘膜

9．试阐述一种常用金属薄膜的制备方法及其应用

制备金属薄膜最常用的方法是双喷电解抛光法。

此装置主要由三部分组成：

电解冷却与循环部分，电解抛光减薄部分以及观察样品部分。

图２为双喷电解抛光装置示意图。

（l）电解冷却与循环部分

通过耐酸泵把低温电解液经喷嘴打在样品表面。

低温循环电解减薄，不使样品因过热而氧化；同时又可得到表面平滑而光亮的薄膜，见图２中

（1）及

（2）。

（2）电解抛光减薄部分。

电解液由泵打出后，通过相对的两个铂阴极玻璃嘴喷到样品表面。

喷嘴口径为１mm，样品放在聚四氟乙烯制作的夹具上（见图３）。

样品通过直径为0.5mm的铂丝与不锈钢阳极之间保持电接触，调节喷嘴位置使两个喷嘴位于同一直线上。

见图２中（3）。

（3）观察样品部分

电解抛光时一根光导纤维管把外部光源传送到样品的一个侧面。

当样品刚一穿孔时，透过样品的光通过在样品另一侧的光导纤维管传到外面的光电管，切断电解抛光射流，并发出报警声响。

图２双喷电解抛光装置原理示意图图3样品夹具

（1）冷却设备；

（2）泵、电解液；（3）喷嘴

（4）试样；（5）样品架；（6）光导纤维管

喷射法电流一电压曲线最后制成的薄膜

应用：

金属薄膜开关，金属化薄膜电容，装饰材料，包装。

10．阐述GaAs薄膜作为光电发射材料的原理、结构和应用

原理：

GaAs光电阴极是建立在的光电发射三步模型[2]理论基础上的，根据该理论，如果阴极材料表面的真空能级低于其体内的导带底能级，即材料的有效电子亲和势小于零，则由光照激发产生的光电子只要能从阴极体内运行到表面，就可以轻而易举地发射到真空，而无需过剩的动能去克服材料表面的势垒，这样光电子的逸出深度和几率都将大大增加，发射效率将会大幅度提高。

所以后来发明了用Cs、O交替覆盖GaAs表面的方法，通过铯氧激活可以获得负的有效电子亲和势和更高的光电发射效率的GaAs光电阴极。

应用：

GaAs光电阴极作为一种负电子亲和势（NegativeElectronAffinity，NEA）光电阴极，具有量

子效率高，暗发射小，发射电子的能量分布及角分布集中，长波阈可调，长波响应扩展潜力大等优点，它在光电倍增管、摄像管、半导体器件、超晶格功能器件、高能物理、表面物理，特别是微光夜视技术等领域得到了广泛的应用。

结构：

NEA光电阴极分反射式和透射式两种。

反射式NEA光电阴极对厚度没有严格要求，其结构也比较简单，如图为其结构示意图，反射式阴极中，GaAs是最常用的基底，因为这种材料的量子效率高，暗电流小，光谱响应在一个相当宽的范围内比较平坦。

透射式NEA光电阴极的结构较复杂，如图为其结构示意图。

首先，它要有一个透明的衬底，起支撑和加固的作用，通常用的衬底层有蓝宝石、白宝石、尖晶石、GaP、GaAs和玻璃等。

为了实现晶格匹配，通常在发射层与衬底层之间加入一缓冲层，它的晶格常数和发射层相近，这样晶格失配就被移到了衬底层/缓冲层界面，常作缓冲层的材料有GaAlAs、GaAsP、InGaP等。

11．简述透明导电膜（TCO）的原理、制备及其在电子工业方面的应用

原理：

TCO透明导电薄膜是一种N型氧化物半导体，化学名称是氧化烟锡，它的工作原理是，当金属原子与氧原子键结时，倾向于失去电子而成阳离子，而在金属氧化物中，具有

（n≥4，n为主量子数）电子组态的金属阳离子，其S轨域会做等向性的扩展，如果晶体中有某种锁状结构，能让这些阳离子相当靠近，是他们的S轨域重叠，便可形成传导路径，再加上可移动的载子，便具有导电性了。

制备：

在玻璃基片上制备透明导电薄膜的方法主要有1、喷雾法2、侵渍法3、化学气相沉积法4、溅射法在塑料基片上制备主要是真空蒸渡法。

应用：

TCO氧化物薄膜材料在电子照相（幻灯片、微缩胶片）、光电抓换器件（光放大器）、太阳能电池、显示材料、热反射、光记录、磁记录、防静电等很多领域中发挥着重要的作用。

12．结合图5述超二代和三代像增强器的工作原理和各自特点

图5超二代和三代像增强器的结构图

超二代像增强器：

利用多碱NaKaSbCs（纳钾锑铯）光电阴极作为光电转换原件，在光电阴极、MCP和荧光屏之间分别加有一定的高压电场，多碱阴极输出的光电子输入给微通道板MCP，微通道板具有二次电子特性，可以对输入的一次电子进行多次倍增，产生电子雪崩效应，这样在MCP输出端产生更多的电子，这些电子最终轰击到荧光屏上产生图像。

超二代特点：

超二代管是在二代管的基础上，通过提高光阴极的林敏度（灵敏度由300-400UA/LM提高到600Ua/lm）,减小微通道板噪声因数，提高输出信噪比（改进微通道板的性能）和改善整管的MTF，使鉴别率和输出信噪比接近三代管的水平。

三代像增强器：

利用具有负电子亲和势特性的砷化镓GaAs光电阴极作为光电转换原件，在光电阴极、MCP和荧光屏之间分别加有一定的高压电场，工作原理和超二代的类似，只是微通道板工作状态下产生的正离子反馈，在三代像增强器中造成的严重后果，就是造成砷化镓光阴极灵敏度迅速衰减。

三代像增强器为此在微通道板的输入面上增加一层一定厚度的多孔状氧化铝或氧化硅的离子阻挡膜以彻底阻绝电离气体分子的离子反馈，来保证砷化镓光阴极足够的工作寿命并使成像质量得到改善。

三代特点：

三代管内的真空度比二代管内的真空度高，达10-9Pa这就要求三代管管壳零件的放气速率很低，因此对零件表面要求很高；在光电阴极和MCP间嫁了一个离子反馈膜用来阻挡MCP中电离气体的离子反馈，保证光电阴极足够的工作寿命并使成像质量得到改善，可同时起到光谱变换和图像增强的作用，量子效率高、光谱响应宽、使用寿命长。