薄膜物理与技术题库

1、一、填空题在离子镀膜成膜过程中，同时存在 沉积和溅射作用,只有当前者超过后者时，才能发生薄膜的沉积薄膜的形成过程一般分为：凝结过程、核形成与生长过程、岛形成与结合生长过程薄膜形成与生长的三种模式：层状生长忌状生长，层状-岛状生长在气体成分和电极材料一定条件下，起辉电压V只与气体的压强P和电极距离的乘积有关。溅射率、溅射阈、 溅射粒子的速度和能量等。2. 溶胶Sol是具有液体特征的胶体体系，分散的粒子是固体或者大分子，分散的粒子大 小在 1100 nm 之间。3. 薄膜的组织结构是指它的结晶形态,其结构分为四种类型：无定形结构,多晶结构 ，纤维结构， 单晶结构。4 .气体分子的速度具有很大的分布

2、空间。温度越高、气体分子的相对原子质量越小，分 子的平均运动速度越 快。二、解释以下概念溅射：溅射是指荷能粒子轰击固体外表靶，使固体原子或分子从外表射出的现象气体分子的平均自由程：每个分子在连续两次碰撞之间的路程称为自由程，其统计平均值：2二十1称为平均自由程，饱和蒸气压：在一定温度下，真空室内蒸发物质与固体或液体平衡过程中所表现出的压力。凝结系数：当蒸发的气相原子入射到基体外表上，除了被弹性反射和吸附后再蒸发的原子 之外，完全被基体外表所凝结的气相原子数与入射到基体外表上总气相原子数之比。物理气相沉积法：物理气相沉积法 Physical vapor deposition是利用某种物理过程，如

3、物质 的蒸发或在受到粒子轰击时物质外表原子的溅射等现象，实现物质原子从源物质到薄膜的可控转移的过程真空蒸发镀膜法：是在真空室内，加热蒸发容器中待形成薄膜的源材料，使其原子或分子从 外表汽化逸出，形成蒸气流，入射到固体称为衬底、基片或基板外表，凝结形成固态溅射镀膜法：利用带有电荷的离子在电场加速后具有一定动能的特点，将离子引向欲被溅射 的物质作成的靶电极。在离子能量适宜的情况下，入射离子在与靶外表原子的碰撞过程中将 靶原子溅射出来，这些被溅射出来的原子带有一定的动能，并且会沿着一定的方向射向衬底，从而实现薄膜的沉积。离化率：离化率是指被电离的原子数占全部蒸发原子数的百分比例。是衡量离子镀特性的一

4、 个重要指标。化学气相沉积：是利用气态的先驱反响物，通过原子、分子间化学反响的途径生成固态薄膜 的技术。物理气相沉积：是利用某种物理过程，如物质的蒸发或在受到离子轰击时物质外表原子溅射 的现象，实现物质原子从源物质到薄膜的可控转移过程。溅射阈值：溅射阈值是指使靶材原子发生溅射的入射离子所必须具有的最小能量。薄膜材料 ：采用特殊工艺，在体材外表上，一层或多层，厚度为一个或几十个原子层，性质 不同于体材外表的特质层。气体平均自由程 ：指气体分子在两次碰撞的间隔时间里走过的平均距离。 等离子体的鞘层电位 ：电子与离子具有不同的速度的一个直接后果就是形成所谓的等离子体 鞘层电位， 即相对于等离子体，

5、任何位于等离子体中或其附近的物体都将会自动地处于一个 负电位，并且在其外表伴有正电荷的积累。5. 薄膜的外延生长 ：在完整的单晶存底上延续生长单晶薄膜的方法称为外延生长。6. 气体分子的通量：单位时间，气体分子在单位外表积上碰撞分子的频率。7. 磁控溅射 ：通过引入磁场， 利用磁场对带电粒子的束缚作用来提高溅射效率和沉积速率的 溅射方法称为磁控溅射。8. 真空规： 真空测量用的元件称为真空规。三、答复以下问题1、真空的概念？怎样表示真空程度，为什么说真空是薄膜制备的根底？ 在给定的空间内，气体的压强低于一个大气压的状态，称为真空 真空度 、压强、气体分子密度：单位体积中气体分子数；气体分子的平

6、均自由程；形 成一个分子层所需的时间等物理气相沉积法中的真空蒸发、 溅射镀膜和离子镀等是根本的薄膜制备技术。 它们均要求沉 积薄膜的空间有一定的真空度。2、讨论工作气体压力对溅射镀膜过程的影响？ 在相对较低的压力下， 电子的平均自由程较长， 电子在阳极上消耗的几率增大， 通过碰 撞过程引起气体分子电离的几率较低。 同时， 离子在阴极上溅射的同时发射出二次电子的几 率又由于气压较低而相对较小。这些均导致低压条件下溅射的速率很低。在相对较低的压力下，入射到衬底外表的原子没有经过很屡次碰撞，因而其能量较高， 这有利于提供沉积时原子的扩散能力，提供沉积组织的致密性在相对较高的压力下，溅射出来的靶材原子

7、甚至会被散射回靶材外表沉降下来，因而沉 积到衬底的几率反而下降在相对较高的压力下，使得入射原子的能量降低，这不利于薄膜组织的致密化 溅射法镀膜的沉积速率将会随着气压的变化出现一个极大值3、物理气相沉积法的共同特点？(1) 需要使用固态的或者熔融态的物质作为沉积过程的源物质(2) 源物质经过物理过程而进入气相(3) 需要相对较低的气体压力环境(4) 在气相中及在衬底外表并不发生化学反响4、简述化学气相沉积的特点？(1) 既可以制备金属薄膜、非金属薄膜，又可按要求制备多成分的合金薄膜(2) 成膜速度可以很快，每分钟可达几个微米甚至数百微米(3) CVD 反响在常压或低真空进行，镀膜的绕射性好，对于

8、形状复杂的外表或工件的深孔、 细孔都能均匀镀覆，在这方面比 PVD 优越得多(4) 能得到纯度高、致密性好、剩余应力小、结晶良好的薄膜镀层。由于反响气体、反响产 物和基体的相互扩散， 可以得到附着力好的膜层， 这对外表钝化、 抗蚀及耐磨等外表 增 强膜是很重要的(5) 由于薄膜生长的温度比膜材料的熔点低得多，由此可以得到纯度高、结晶完全的膜层， 这是有些半导体膜层所必须的(6) CVD 方法可获得平滑的沉积外表(7) 辐射损伤低。这是制造 MOS 半导体器件等不可缺少的条件 化学气相沉积的主要缺点是：反响温度太高，一般要 1000 C左右，许多基体材料都耐受不住 CVD 的高温，因此限制了它的

9、应用范围5、辉光放电过程中为什么Pd太小或太大，都不容易起辉放电？如果气体压强太低或极间距离太小， 二次电子在到达阳极前不能使足够的气体分子被碰撞电 离，形成一定数量的离子和二次电子，会使辉光放电熄灭气体压强太高或极间距离太大，二次电子因屡次碰撞而得不到加速，也不能产生辉光6、真空蒸发系统应包括那些组成局部？(1) 真空室，为蒸发过程提供必要的真空环境(2) 蒸发源或蒸发加热器，放置蒸发材料并对其加热(3) 基板，用于接受蒸发物质并在其外表形成固态薄膜(4) 基板加热器及测温器等7、什么是等离子体？以及等离子体的分类按电离程度？ 带正电的粒子与带负电的粒子具有几乎相同的密度，整体呈电中性状态的

10、粒子集合体 按电离程度等离子体可分为 局部电离及弱电离等离子体和完全电离等离子体两大类 局部电离及弱电离等离子体中大局部为中性粒子，只有局部或极少量中性粒子被电离 完全电离等离子体中所有中性粒子都被电离，而呈离子态、电子态8、简述化学吸附的特点？1. 吸附力是由吸附剂与吸附质分子之间产生的化学键力，一般较强。2. 吸附热较高，接近于化学反响热，一般在 40kJ/mol 以上3. 吸附有选择性，固体外表的活性位只吸附与之可发生反响的气体分子，如酸位吸附碱性 分子，反之亦然4. 吸附很稳定，一旦吸附，就不易解吸5. 吸附是单分子层的6. 吸附需要活化能，温度升高，吸附和解吸速率加快9、简述分子束外

11、延镀膜的特点：(1) MBE 虽然也是一个以气体分子运动论为根底的蒸发过程， 但它不是以蒸发温度为控制参 数，而是以系统中的四极质谱仪、 原子吸收光谱等近代分析仪器， 精密地监控分子束的种类 和强度，从而严格控制生长过程和生长速率(2) MBE是一个超高真空的物理沉积过程，既不需要考虑中间化学反响，又不受质量传输的影响，并且利用快门可对生长和中断瞬时调整。膜的组分和掺杂浓度可随源的变化作迅速调整(3) MBE的衬底温度低，因此降低了界面上热膨胀引入的晶格失配效应和衬底杂质对外延层 的自掺杂和扩散的影响(4) MBE是动力学过程，即将入射的中性粒子(原子或分子)一个一个地堆积在衬底上进行生长，而

12、不是一个热力学过程，所以它可生长按照普通热平衡生长方法难以生长的薄膜(5) MBE的另一显著特点是生长速率低，大约1卩m/h,相当于每秒生长一个单原子层，因此有利于实现精确控制厚度、结构与成分和形成陡峭异质结等。MBE特别适于生长超晶格材料(6) MBE是在一个超高真空环境中进行的，而且衬底和分子束源相隔较远，因此可用多种外表分析仪器实时观察生长面上的成分结构及生长过程，有利于科学研究10、简述CVD输运反响的原理把需要沉积的物质当作源物质(不挥发性物质)，借助于适当的气态介质与之反响而形成一种 气态化合物，这种气态化合物经化学迁移或物理载带(利用载气)输运到与源区温度不同的沉积区，并在基板上

13、发生逆向反响， 使源物质重新在基板上沉积出来，这样的过程称为化学输1、描述气体分子从外表的反射-余弦定律及其意义？dpCOG0碰撞于固体外表的分子，它们飞离外表的方向与原入射方向无关，并按与外表法线方向所成角度B的余弦进行分布。那么一个分子在离开其外表时，处于立体角d3 (与外表法线成B角)中的几率是：式中1/ n是归一化条件，即位于2n立体角中的几率为1而出现的余弦定律的重要意义在于：(1) 它揭示了固体外表对气体分子作用的另一个方面，即将分子原有的方向性彻底消除均按余弦定律散射(2) 分子在固体外表要停留一定的时间，这是气体分子能够与固体进行能量交换和动量交 换的先决条件，这一点有重要的实

14、际意义2.气体分子的平均自由程概念及其与压强关系的表达式?每个分子在连续两次碰撞之间的路程称为自由程，其统计平均值:2 二- 1tr，血©称为平均自由程，平均自由程与分子密度n和分子直径b的平方成反比关系平均自由程与压强成反比，与温度成正比。3 通常对蒸发源材料的要求？(1) 熔点要高(2) 饱和蒸气压低(3) 化学性质稳定，在高温下不与蒸发材料发生化学反响(4) 具有良好的耐热性，热源变化时，功率密度变化很小(5) 原料丰富，经济耐用4. 如何解决蒸发过程中的分馏问题？(1) 使用较多的物质作为蒸发源，尽量减少组元成分的相对变化率(2) 采用向蒸发容器中不断地，但每次仅参加少量被蒸

15、发物质的方法(3) 利用加热不同温度的双蒸发源或多蒸发源的方法，分别控制和调节每个组元的蒸发速 率，此方法用得较为普遍采用真空蒸发法制作预定组成的薄膜，经常采用瞬时蒸发法、双蒸发源法及合金升华法5. 简述激光蒸发法的特点？(1) 激光加热可以到达极高的温度，可蒸发任何高熔点的材料，且可获得很高的蒸发速率(2) 由于采用非接触式加热，激光器可以安放在真空室外，既完全防止了蒸发源的污染，又 简化了真空室，非常适宜在高真空下制备高纯薄膜(3) 利用激光束加热能够对某些化合物或合金进行闪烁蒸发，有利于保证膜成分的化学计量比或防止分解；又由于材料气化时间短促，缺乏以使四周材料到达蒸发温度，所以激光蒸发不

16、易出现分馏现象6. 简述蒸发镀膜相比溅射镀膜工艺的特点？溅射镀膜与真空镀膜相比，有如下特点：(1) 任何物质均可以溅射，尤其是高熔点、低蒸气压元素和化合物。不管是金属、半导体、 绝缘体、化合物和混合物等，只要是固体，不管是块状、粒状的物质都可以作为靶材(2) 溅射膜与基板之间的附着性好(3) 溅射镀膜密度高，针孔少，且膜层的纯度较高，因为在溅射镀膜过程中，不存在真空蒸 镀时无法防止的坩埚污染现象(4) 膜厚可控性和重复性好；可在较大面积上获得厚度均匀的薄膜7. 为什么射频辉光放电的击穿电压和维持放电的工作电压均降低？产生射频放电时，外加电压的变化周期小于电离和消电离所需时间(一般在10-6秒左

17、右)，等离子体浓度来不及变化。由于电子的质量小，很容易跟随外电场从射频场中吸收能 量并在场内作振荡运动。因此增加了气体分子的碰撞几率，并使电离能力显著提高射频辉光放电的击穿电压只有直流辉光放电的1/10射频辉光放电可以在较低的压力下进行。直流辉光放电常在1-10Pa运行，射频辉光放电可以在 10-2 10-1Pa 运行8. 简述CVD反响的根本类型？a. 热分解反响b. 复原或置换反响c. 氧化或氮化反响d. 歧化反响9. 简述任何CVD所用的反响体系，都必须满足的根本条件？(1) 在沉积温度下，反响物必须有足够高的蒸气压，要保证能以适当的速度被引入反响室(2) 反响产物除了所需要的沉积物为固态薄膜之外，其他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气压，以保证在整个沉积反响过程中都能保持在受