2024年薄膜物理和技术题库

一、填空題在离子镀膜成膜過程中，同步存在沉积和溅射作用，只有目前者超過後者時，才能发生薄膜的沉积薄膜的形成過程一般分為：凝結過程、核形成与生長過程、岛形成与結合生長過程薄膜形成与生長的三种模式：层状生長，岛状生長，层状-岛状生長在气体成分和電极材料一定条件下，起辉電压V只与气体的压强P和電极距离的乘积有关。1.表征溅射特性的参量重要有溅射率、溅射阈、溅射粒子的速度和能量等。2.溶胶(Sol)是具有液体特性的胶体体系，分散的粒子是固体或者大分子，分散的粒子大小在1～100nm之间。3．薄膜的组织构造是指它的結晶形态，其构造分為四种类型：無定形构造，多晶构造，纤维构造，單晶构造。4．气体分子的速度具有很大的分布空间。温度越高、气体分子的相對原子质量越小，分子的平均运動速度越快。二、解释下列概念溅射：溅射是指荷能粒子轰击固体表面(靶)，使固体原子(或分子)從表面射出的現象气体分子的平均自由程:每個分子在持续两次碰撞之间的旅程称為自由程，其记录平均值：称為平均自由程，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過程中所体現出的压力。凝結系数：當蒸发的气相原子入射到基体表面上，除了被弹性反射和吸附後再蒸发的原子之外，完全被基体表面所凝結的气相原子数与入射到基体表面上總气相原子数之比。物理气相沉积法：物理气相沉积法(Physicalvapordeposition)是运用某种物理過程，如物质的蒸发或在受到粒子轰击時物质表面原子的溅射等現象，实現物质原子從源物质到薄膜的可控转移的過程真空蒸发镀膜法:是在真空室内，加热蒸发容器中待形成薄膜的源材料，使其原子或分子從表面汽化逸出，形成蒸气流，入射到固体(称為衬底、基片或基板)表面，凝結形成固态溅射镀膜法:运用带有電荷的离子在電場加速後具有一定動能的特點，将离子引向欲被溅射的物质作成的靶電极。在离子能量合适的状况下，入射离子在与靶表面原子的碰撞過程中将靶原子溅射出来，這些被溅射出来的原子带有一定的動能，并且會沿著一定的方向射向衬底，從而实現薄膜的沉积。离化率:离化率是指被電离的原子数占所有蒸发原子数的比例例。是衡量离子镀特性的一种重要指標。化學气相沉积:是运用气态的先驱反应物，通過原子、分子间化學反应的途径生成固态薄膜的技术。物理气相沉积：是运用某种物理過程，如物质的蒸发或在受到离子轰击時物质表面原子溅射的現象，实現物质原子從源物质到薄膜的可控转移過程。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，在体材表面上，一层或多层，厚度為一种或几拾個原子层，性质不一样于体材表面的特质层。气体平均自由程：指气体分子在两次碰撞的间隔時间裏走過的平均距离。等离子体的鞘层電位：電子与离子具有不一样的速度的一种直接後果就是形成所谓的等离子体鞘层電位，即相對于等离子体，任何位于等离子体中或其附近的物体都将會自動地处在一种负電位，并且在其表面伴有正電荷的积累。5.薄膜的外延生長：在完整的單晶存底上延续生長單晶薄膜的措施称為外延生長。6.气体分子的通量：單位時间，气体分子在單位表面积上碰撞分子的频率。7.磁控溅射：通過引入磁場，运用磁場對带電粒子的束缚作用来提高溅射效率和沉积速率的溅射措施称為磁控溅射。8.真空规：真空测量用的元件称為真空规。三、回答問題1、真空的概念怎样表达真空程度，為何說真空是薄膜制备的基础在給定的空间内，气体的压强低于一种大气压的状态，称為真空真空度、压强、气体分子密度：單位体积中气体分子数；气体分子的平均自由程；形成一种分子层所需的時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基本的薄膜制备技术。它們均规定沉积薄膜的空间有一定的真空度。2、讨论工作气体压力對溅射镀膜過程的影响在相對较低的压力下，電子的平均自由程较長，電子在阳极上消耗的几率增大，通過碰撞過程引起气体分子電离的几率较低。同步，离子在阴极上溅射的同步发射出二次電子的几率又由于气压较低而相對较小。這些均导致低压条件下溅射的速率很低。在相對较低的压力下，入射到衬底表面的原子没有通過诸多次碰撞，因而其能量较高，這有助于提供沉积時原子的扩散能力，提供沉积组织的致密性在相對较高的压力下，溅射出来的靶材原子甚至會被散射回靶材表面沉降下来，因而沉积到衬底的几率反而下降在相對较高的压力下，使得入射原子的能量減少，這不利于薄膜组织的致密化溅射法镀膜的沉积速率将會伴随气压的变化出現一种极大值3、物理气相沉积法的共同特點(1)需要使用固态的或者熔融态的物质作為沉积過程的源物质(2)源物质通過物理過程而進入气相(3)需要相對较低的气体压力环境(4)在气相中及在衬底表面并不发生化學反应4、简述化學气相沉积的特點(1)既可以制备金属薄膜、非金属薄膜，又可按规定制备多成分的合金薄膜(2)成膜速度可以很快，每分钟可达几种微米甚至数百微米(3)CVD反应在常压或低真空進行，镀膜的绕射性好，對于形状复杂的表面或工件的深孔、细孔都能均匀镀覆，在這方面比PVD优越得多(4)能得到纯度高、致密性好、残存应力小、結晶良好的薄膜镀层。由于反应气体、反应产物和基体的互相扩散，可以得到附著力好的膜层，這對表面钝化、抗蚀及耐磨等表面增强膜是很重要的(5)由于薄膜生長的温度比膜材料的熔點低得多，由此可以得到纯度高、結晶完全的膜层，這是有些半导体膜层所必须的(6)CVD措施可获得平滑的沉积表面(7)辐射损伤低。這是制造MOS半导体器件等不可缺乏的条件化學气相沉积的重要缺陷是：反应温度太高，一般要1000℃左右，許多基体材料都耐受不住CVD的高温，因此限制了它的应用范围5、辉光放電過程中為何P·d太小或太大，都不轻易起辉放電假如气体压强太低或极间距离太小，二次電子在抵达阳极前不能使足够的气体分子被碰撞電离，形成一定数量的离子和二次電子，會使辉光放電熄灭气体压强太高或极间距离太大，二次電子因多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构成部分(1)真空室，為蒸发過程提供必要的真空环境(2)蒸发源或蒸发加热器，放置蒸发材料并對其加热(3)基板，用于接受蒸发物质并在其表面形成固态薄膜(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（按電离程度）带正電的粒子与带负電的粒子具有几乎相似的密度，整体呈電中性状态的粒子集合体按電离程度等离子体可分為部分電离及弱電离等离子体和完全電离等离子体两大类部分電离及弱電离等离子体中大部分為中性粒子，只有部分或很少許中性粒子被電离完全電离等离子体中所有中性粒子都被電离，而呈离子态、電子态8、简述化學吸附的特點1.吸附力是由吸附剂与吸附质分子之间产生的化學键力，一般较强。2.吸附热较高，靠近于化學反应热，一般在40kJ/mol以上3.吸附有选择性，固体表面的活性位只吸附与之可发生反应的气体分子，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.吸附是單分子层的6.吸附需要活化能，温度升高，吸附和解吸速率加紧9、简述分子束外延镀膜的特點：(1)MBE虽然也是一种以气体分子运動论為基础的蒸发過程，但它不是以蒸发温度為控制参数，而是以系统中的四极质谱仪、原子吸取光谱等近代分析仪器，精密地监控分子束的种类和强度，從而严格控制生長過程和生長速率(2)MBE是一种超高真空的物理沉积過程，既不需要考虑中间化學反应，又不受质量传播的影响，并且运用快门可對生長和中断瞬時调整。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，因此減少了界面上热膨胀引入的晶格失配效应和衬底杂质對外延层的自掺杂和扩散的影响(4)MBE是動力學過程，即将入射的中性粒子(原子或分子)一种一种地堆积在衬底上進行生長，而不是一种热力學過程，因此它可生長按照一般热平衡生長措施难以生長的薄膜(5)MBE的另一明显特點是生長速率低，大概１μm/h，相称于每秒生長一种單原子层，因此有助于实現精确控制厚度、构造与成分和形成陡峭异质結等。MBE尤其适于生長超晶格材料(6)MBE是在一种超高真空环境中進行的，并且衬底和分子束源相隔较遠，因此可用多种表面分析仪器实時观测生長面上的成分构造及生長過程，有助于科學研究10、简述CVD输运反应的原理把需要沉积的物质當作源物质(不挥发性物质)，借助于合适的气态介质与之反应而形成一种气态化合物，這种气态化合物經化學迁移或物理载带(运用载气)输运到与源区温度不一样的沉积区，并在基板上发生逆向反应，使源物质重新在基板上沉积出来，這样的過程称為化學输运反应。1、描述气体分子從表面的反射－余弦定律及其意义碰撞于固体表面的分子，它們飞离表面的方向与原入射方向無关，并按与表面法线方向所成角度θ的余弦進行分布。则一种分子在离開其表面時，处在立体角dω(与表面法线成θ角)中的几率是：式中1/π是归一化条件，即位于2π立体角中的几率為1而出現的余弦定律的重要意义在于：(1)它揭示了固体表面對气体分子作用的另一种方面，即将分子原有的方向性彻底“消除”，均按余弦定律散射(2)分子在固体表面要停留一定的時间，這是气体分子可以与固体進行能量互换和動量互换的先决条件，這一點有重要的实际意义2.气体分子的平均自由程概念及其与压强关系的体現式每個分子在持续两次碰撞之间的旅程称為自由程，其记录平均值：称為平均自由程，平均自由程与分子密度n和分子直径σ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。3．一般對蒸发源材料的规定(1)熔點要高(2)饱和蒸气压低(3)化學性质稳定，在高温下不与蒸发材料发生化學反应(4)具有良好的耐热性，热源变化時，功率密度变化很小(5)原料丰富，經济耐用4.怎样处理蒸发過程中的分馏問題(1)使用较多的物质作為蒸发源，尽量減少组元成分的相對变化率(2)采用向蒸发容器中不停地，但每次仅加入少許被蒸发物质的措施(3)运用加热不一样温度的双蒸发源或多蒸发源的措施，分别控制和调整每個组元的蒸发速率，此措施用得较為普遍采用真空蒸发法制作预定构成的薄膜，常常采用瞬時蒸发法、双蒸发源法及合金升华法5.简述激光蒸发法的特點(1)激光加热可以到达极高的温度，可蒸发任何高熔點的材料，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，非常合适在高真空下制备高纯薄膜(3)运用激光束加热可以對某些化合物或合金進行闪烁蒸发，有助于保证膜成分的化學计量比或防止分解；又由于材料气化時间短促，局限性以使四面材料到达蒸发温度，因此激光蒸发不易出現分馏現象6．简述蒸发镀膜相比溅射镀膜工艺的特點溅射镀膜与真空镀膜相比，有如下特點：(1)任何物质均可以溅射，尤其是高熔點、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為靶材(2)溅射膜与基板之间的附著性好(3)溅射镀膜密度高，针孔少，且膜层的纯度较高，由于在溅射镀膜過程中，不存在真空蒸镀時無法防止的坩埚污染現象(4)膜厚可控性和反复性好；可在较大面积上获得厚度均匀的薄膜7.為何射频辉光放電的击穿電压和维持放電的工作電压均減少产生射频放電時，外加電压的变化周期不不小于電离和消電离所需時间(一般在10-6秒左右)，等离子体浓度来不及变化。由于電子的质量小，很轻易跟随外電場從射频場中吸取能量并在場内作振荡运動。因此增長了气体分子的碰撞几率，并使電离能力明显提高射频辉光放電的击穿電压只有直流辉光放電的1/10射频辉光放電可以在较低的压力下進行。直流辉光放電常在1-10Pa运行，射频辉光放電可以在10-2~10-1Pa运行8.简述CVD反应的基本类型a.热分解反应b.還原或置换反应c.氧化或氮化反应d.歧化反应9.简述任何CVD所用的反应体系，都必须满足的基本条件(1)在沉积温度下，反应物必须有足够高的蒸气压，要保证能以合适的速度被引入反应室(2)反应产物除了所需要的沉积物為固态薄膜之外，其他产物必须是挥发性的(3)沉积薄膜自身必须具有足够低的蒸气压，以保证在整個沉积反应過程中都能保持在受热的基体上；基体材料在沉