薄膜物理与技术重点

1、真空基础1、 薄膜的定义2、 真空如何定义（概念）？利用外力将一定密闭空间内的气体分子移走，使该空间内的气压小于 1 个大气压，则该空间内的气体的物理状态就被称为真空。注意：真空，实际上指的是一种低压的、稀薄的气体状态，而不是指“没有任何物质存在”！3、 真空的分类？真空区域划分？有哪些单位制？如何换算？真空可分为：1 N105 dyne0.225 lbf 1 atm760 mmHg（torr）1.013×105 Pa1.013 bar4、 真空泵可分为哪两大类？简述包括的常用真空泵类型及其工作压强范围。5、 分析说明实用的真空抽气系统为什么往往需要多种真空组成复合抽气系统？从大气压

2、力开始抽气，没有一种真空泵可以涵盖从1 atm到10-8 Pa的工作范围，真空泵往往需要多种泵组合构成复合抽气系统，实现以更高的抽气效率达到所需的高真空！6、 按测量原理真空计如何分类？ 7、 真空与薄膜材料制备有何关系？几乎所有的现代薄膜材料制备都需要在真空或较低的气压条件下进行，都涉及真空下气相的产生、输运和反应过程。了解真空的基本概念和知识，掌握真空的获得和测量技术基础知识是了解薄膜材料制备技术的基础！8、 气体分子平均自由程概念薄膜沉积的物理方法1、 什么是物理气相沉积（PVD）？PVD镀膜的三个关键过程。PVD的概念：在真空度较高的环境下，通过加热或高能粒子轰击的方法使源材料逸出沉积

3、物质粒子（可以是原子、分子或离子），这些粒子在基片上沉积形成薄膜的技术。其技术关键在于：如何将源材料转变为气相粒子（而非CVD的化学反应）！2、 在工程基于气相粒子发射方式不同而将PVD技术分为哪几类？3、 简述真空蒸发镀膜。在真空环境下，以各种加热方式赋予待蒸发源材料以热量，使源材料物质获得所需的蒸汽压而实现蒸发，所发射的气相蒸发物质在具有适当温度的基片上不断沉积而形成薄膜的沉积技术。4、 真空蒸发镀膜时的两个关键条件，简述其要求范围及原因。1. 真空度：P 10-3 Pa（保证蒸发，粒子具分子流特征，以直线运动）2.基片距离 (相对于蒸发源)：1050 cm（兼顾沉积均匀性和气相粒子平均自

4、由程）5、饱和蒸汽压或平衡蒸汽压概念一定的温度下,与同种物质的液态(或固态)处于平衡状态的蒸汽所产生的压强叫饱和蒸汽压,它随温度升高而增加.5、 蒸发速率公式6、 真空蒸发装置一般包括哪三个组成部分？何为最关键的部分，主要需要完成哪些功能？最关键部分：蒸发源7、 真空蒸发装置中蒸发源或蒸发加热装置类型。8、 分馏现象？当蒸发二元以上的合金化合物时，蒸发材料在气化过程中，由于各成分的饱和蒸气压不同，使得其蒸发速率也不同，得不到希望的合金或化合物的比例成分，这种现象称为分馏现象。9、 拉乌尔定律10、 溅射定义一定温度下，固体或液体受到高能离子轰击时，其中的原子有可能通过与高能入射离子的碰撞获得足

5、够能量而从表面逃逸，这种从物质表面发射原子的方式被称为溅射。11、 简述溅射过程1.自由电子被电场加速飞向阳极，与路遇的放电气体 (通常是惰性气体 Ar气) 碰撞，使之失去外层电子而电离，并释放出Ar+和自由电子2.Ar+受到电场加速飞向置于阴极的靶材，撞击出靶材原子，以及二次电子，使自由电子数上升3.电子在飞行过程中，还可能与Ar+相撞，使之恢复中性状态，但此过程中电子由激发态回到基态，需要放出能量，这部分能量以发射光子形式释放。因有大量光子释出，放电形成的等离子体出现了发光现象，这就是所谓的“辉光”放电 13、溅射与蒸发的根本区别沉积粒子来自高能离子的轰击作用，溅射粒子的高动能特征贯穿于三

6、个基本沉积过程！14、与蒸发法相比，溅射镀膜主要有哪些优点和缺点？优点 (与蒸发技术相比)：1、可溅射沉积任何能做成靶材的材料，特别是高熔点材料 (如：石墨、Ti、Ta、W、Mo等)；2、由于沉积原子能量较高，薄膜组织均匀致密，与基片的结合力较高；3、制备合金薄膜时，成分控制容易保证；4、利用反应溅射技术，容易实现化合物薄膜沉积；5、薄膜的物相成分、梯度、膜厚控制精确，工艺重复性好；6、沉积原子能量较高，还可以改善薄膜对复杂形状表面的覆盖能力，降低薄膜的表面粗糙度。主要缺点：1、沉积速率不高；2、等离子体对基片存在辐射、轰击作用，不但可引起基片温升，而且可能形成内部缺陷。15、溅射沉积装置分类

7、及其溅射靶材类型16、离子镀概念真空下，通过气体放电使气体或靶材料部分离化，在离化离子轰击基片的同时，形成其离化物质或其化学反应产物在基片上的沉积。薄膜沉积的化学方法1、 什么是化学气相沉积（CVD）气态反应物在一定条件下，通过化学反应，将反应形成的固相产物沉积于基片表 面，形成固态薄膜的方法。2、 化学气相沉积方法分类 3、 化学气相沉积的优缺点主要优势：1）能形成多种金属、非金属和化合物薄膜； 2）组分易于控制，易获得理想化学计量比，薄膜纯度高； 3）成膜速度快、工效高（沉积速率 >>PVD、单炉处理批量大）； 4）沉积温度高、薄膜致密、结晶完整、表面平滑、内部残余应力低； 5

8、）沉积绕射性好，可在复杂不规则表面（深孔、大台阶）沉积；主要缺点：1）沉积温度高，热影响显著，有时甚至具有破坏性； 2）存在基片-气氛、设备-气氛间反应，影响基片及设备性能及寿命； 3）设备复杂，工艺控制难度较大。4、 CVD的主要化学反应类型热解反应、还原反应、氧化反应、置换反应、歧化反应、输运反应5、 化学气相沉积装置的基本构成6、 化学气相沉积成膜中最关键的两个物理量?为什么？7、 法拉第电解定律电流通过电解质溶液时，流经电极的电量与发生电极反应的物质的量（即电极上析出或溶解物质的总量）成正比。8、 电镀概念在含有被镀金属离子的溶液或熔盐中通直流电，使阳离子在阴极表面放电，从而在作为阴极

9、的基片表面还原出金属，获得金属或合金薄膜的沉积。9、 化学镀概念在无电流通过（无外界动力）时借助还原剂在金属盐溶液中使目标金属离子还原，并沉积在基片表面上形成金属/合金薄膜的方法。10、溶胶凝胶技术 概念及典型实例，有哪些技术要求？将III、V、VI族金属/半金属元素的有机化合物 和无机盐 (氯化物、硝酸盐、乙酸盐) 溶于有机溶剂 (乙酸、丙酮等) 中获得溶胶镀液，采用浸渍或离心甩胶等方法涂覆于基片表面，因溶胶水解而获得胶体膜，之后再进行干燥脱水处理获得氧化物等固体薄膜的方法。u 水解：Ti(OC2H5)(钛酸乙酯) + 4H2O à H4TiO4 + 4C2H5OH(乙醇)v 脱水

10、：对薄膜材料的要求：1、有机极性溶体溶解度范围要宽，因此一般不用水溶液；2、有少量水参与时应容易发生水解；3、水解形成的薄膜应不溶解，生成的挥发物易于去除；4、水解形成的氧化物应易于低温充分脱水；5、薄膜与基片有良好的附着力。薄膜的形核与生长1， 薄膜在基片上形成的三个阶段2、简述薄膜的主要生长模式如何分类，以及每类生长模式各自的出现条件和特点。1. 湿润性很差时：薄膜以岛状模式生长！2. 湿润性好、且晶格错配度很小时：薄膜以层状模式生长！3. 湿润性较好，但错配度较大时：薄膜以层状-岛状模式生长！层状模式形核功小，形核易完成；岛状模式弹性错配能低，生长易进行；层状-岛状模式的出现往往意味着成

11、膜初期膜基间湿润性较好且错配应变能也不大，而随着薄膜生长的进行，晶格错配能越来越大或膜基之间良好的湿润性被破坏。3、自发成核理论中的形核势垒及临界核心半径数学表达式4、根据薄膜非自发形核理论，简要说明为什么高温低速沉积往往获得粗大或单晶结构薄膜而低温高速沉积则有利于获得细小多晶、微晶乃至非晶薄膜？5、影响薄膜结合强度的两个主要因素1）薄膜的内应力；2）膜基界面的结合状态。6、薄膜内应力的主要来源薄膜内应力的主要来源：1）热应力 sth：薄膜与基片间的热变形能力不同所致；2）生长应力 (本征应力) sin：沉积薄膜时，因化学成分、微观结构、缺陷数目等的变化造成体积错配或点阵错配而形成的应力。7、

12、溅射薄膜主要有哪四种结构形态？根据Thornton模型图示说明其形成条件、形成特点、组织、性能和表面形貌特征。SZM模型 (如右图所示)：基于大量实验， Thornton提出：溅射薄膜的结构取决于溅射气压 P 和 无量纲温度 Ts/Tm： u Ts/Tm < 0.30.5时：低温抑制型生长，Ek 影响显著； Ts/Tm >0.5之后：高温热激活型生长， Ek 影响可忽略、Ts/Tm影响显著。Thornton的SZM模型 (Structure Zone model)8、图示说明薄膜基体的界面形态主要有哪四种？各有何特点？ 平界面：1）异质突变，不存在成分过渡或混合；2）界面两侧原子间距0.1-0.5 mm，缺乏扩散、弱相互作用；3）界面附近应力梯度很大；4）附着力差，弱结合。化合物界面：1）化学反应形成化合物过渡层界面；2）脆性大、应力集中；3）此类界面在较薄时：薄膜附着力上升，厚度上升，界面附着力下降合金扩散界面：1）界面两侧元素扩散互溶，界面处合金成分梯度变化；2）成分梯度的形成机制： 3）薄膜附着力较好。机械咬合界面：1）完全机械嵌合形成，界面两侧物质犬牙交错；2）界面粗