薄膜物理与技术2020年题库

第一次作业

1.试述狭义薄膜材料的概念。

答：薄膜，薄膜是一种薄而软的透明薄片。用塑料、胶粘剂、橡胶或其他材料制

成。薄膜科学上的解释为:由原子，分子或离子沉积在基片表面形成的2维材料。例:光

学薄膜、复合薄膜、超导薄膜、聚酯薄膜、尼龙薄膜、塑料薄膜等等。薄膜被广泛用

于电子电器，机械，印刷等行业。

2.简述薄膜在形成稳定核之前及之后的生长过程？

答：形成稳定核之前：沉积原子到达基片表面，会发生三种状态。一种是能量较

大，在到达基片表面时就会发生反射离开；如果能量较低，变会停留在基片表面，而另一

部分原子能量较大，在到达基片表面时，会发生表面迁移扩散。如果扩散原子在驻留时间

内不能与其它原子结合形成更大原子团，就会发生再蒸发离开基片表面，而扩散原子团在

驻留时间内不能与其它原子相结合，便会发生分解。如果表面原子或原子团在驻留时间内

能与其它原子结合，便形成更大原子团；原子团继续吸附其它原子就会不断长到形成稳定

核；

形成稳定核之后：大多数薄膜通过岛状生长，少部分通过层状生长模式或者层岛复合

模式生长成薄膜。详细过程为形成稳定核后，稳定核长大，彼此连接形成小岛，新面积形

成，新面积吸附单体，发生“二次”成核，小岛结合形成大岛，大岛长大并相互结合，有

产生新面积，并发生“二次”、“三次”成核；形成沟道和带有孔洞的薄膜；沟道填平，封

孔，形成连续薄膜。

3.简述薄膜的生长过模式及主要的控制因素？

答：（1）岛状生长模式；（2）层状生长模式；（3）层岛复合模式。

控制因素主要分两类：晶格失配度和基片表面（或者基片湿润性或浸润性）；

4.从沉积速率和沉积温度出发，简述如何形成单晶或者粗大晶粒？如何形成多

晶、微晶甚至非晶？请给出简单图示？

答：提高温度或降低沉积速率可以形成单晶或者粗大晶粒；

降低温度或提高沉积速率可形成多晶、微晶甚至非晶。

5.薄膜外延生长的概念？影响实现外延生长主要因素是什么？

在单晶基片上延续生长单晶薄膜的方法称为外延生长；

温度、沉积速率、单晶基片；

第二次作业

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基础？

答：（1）真空概念：空在给定的空间内，气体的压强低于一个大气压的状态，称为真空；

（2）真空程度：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

平均自由程；形成一个分子层所需的时间等；

（3）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

们均要求沉积薄膜的空间有一定的真空度。

2.试述真空各区域的气体分子运动规律。

答：（1）粗真空下，气态空间近似为大气状态，分子仍以热运动为主，分子之间碰撞

十分频繁;（2）低真空是气体分子的流动逐渐从黏滞流状态向分子状态过渡，气体分子间

和分子和器壁间的碰撞次数差不多;（3）高真空时，气体分子的流动已为分子流，气体分

子和容器壁之间的碰撞为主，而且碰撞次数大大减少，在高真空下蒸发的材料，其粒子

将沿直线飞行;⑷在超高真空时，气体的分子数目更少，几乎不存在分子间的碰撞，分子

和器壁的碰撞机会也更少了。

3.简述旋片机械泵、油扩散泵、分子泵的工作原理及性能特点？

答：旋片机械泵：原理利用机械运动部件转动或滑动形成的输运作用获得真空的

泵。特点：需加真空油（密封用）；可从大气压开始工作；真空度要求低分可单独使用；

真空度要求高少作为前级泵使用

油扩散泵：原理：将真空油加热到高温蒸发状态（约200℃）；

让油蒸汽分多级向下定向高速喷出；

大量油滴通过撞击将动能传递给气体分子；

气体分子向排气口方向运动，并在动压作用下排出泵体；

油气雾滴飞向低温介质冷却的泵体外壁，被冷却凝结成液态后返回泵底部的蒸发

器。

特点：l~10-6pa（因此需要前级机械泵提供1Pa的出口压力）

分子泵:原理泵内交错布置转向不同的多级转子和定子；

转子叶片以20k~60kr/min的高速旋转；

叶片通过碰撞将动能不断传递给气体分子；

气体分子被赋予动能后被逐级压缩排出。

4.按测量原理真空计可分几种，各自的定义及特点？

答：热偶真空计：大量用于真空度较低、精度要求不高的场合；结构简单、使用方便;

对不同气体测量结果不同，需要校正；G）不能测量过高或过低的气压；热惯性较大，

易发生零点漂移现象。

皮拉尼真空计（热偶真空计的改进形式）：大量用于真空度较低、精度要求不高的场合；

响应速度比热偶真空计快得多；一定程度上解决了零点漂移的问题。

电离真空计：利用气体分子与振荡电子的碰撞电离作用测得气压，可快速、连续测量;

不适于低真空测量（改进的S-P型也要求P＜10Pa）；测量结果与气体种类有关；需要

定期除气处理。

薄膜真空计：依靠金属薄膜在气体压力差下产生机械位移测量气体的绝对压力。测得的

是绝对压力；测量精度很高，且与气体种类无关；对环境温度非常敏感，必须作好温控；尽

管属于绝对真空计，仍然需要精确地校正后才能使用。

第三次作业

6.如何解决蒸发过程中的分馆问题？

（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

⑵采用向蒸发容器中不断地，但每次仅加入少量被蒸发物质的方法

⑶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

7.点蒸发和小平面蒸发源特性，如何改善蒸镀存在的膜厚均匀性问题。

（1）点蒸发源：能够从各个方向蒸发等量材料小平面蒸发源：发射具有方向性，使在

。角方向蒸发的材料质量和COS。成正比。

（2）改善基板温度分布：若不均匀，由于凝聚系数不同，温度高的基板上膜厚变薄

蒸发速率必须稳定：最典型的是DWDM滤光片，膜厚均匀性误差应＜0.003%,如打开挡

板后没有转整数圈（如缺1/4）,则总圈数应25/0.003=8300圈；常用窄带滤光片（HW1%）膜厚均

匀性误差应＜0.5%,如打开挡板后没有转到整数圈（如缺1/4）,则总圈数应25/0.5=50圈；

真空度：真空度高，均匀性较好，真空度降低，边缘变薄

IAD离子流密度的均匀性：清洗以后或换灯丝等都会导致分布变化

蒸发材料：象Ti02之类的融熔材料，每次装料差不多；对半升华和升华材料防止挖坑；

对升华材料避免大块材料引起蒸气发射分布变化。

8.溅射机理？如何提高溅射率？

溅射是指这充满腔室的工艺气体在高电压的作用下，形成气体等离子体（辉光放电），其中的

阳离子在电场力作用下高速向靶材冲击，阳离子和靶材进行能量交换，使靶材原子获得足够的

能量从靶材表面逸出（其中逸出的还可能包含靶材离子）。这一整个的动力学过程，就叫做溅

射。提高溅射率：①提高离子动能（取决于电源电压和气体压力）②：等离子密度（取

决于气体压力和电流

9.二极直流溅射、偏压溅射、三极或四极溅射、射频溅射、磁控溅射、离子束溅射结构

及原理？

二极直流溅射：靶材为良导体,依靠气体放电产生的正离子飞向阴极靶，一次电子飞向阳

极，放电依靠正离子轰击阴极所产生的二次电子,经阴极加速后被消耗补充的一次电子维持。

三极或四极溅射：热阴极发射的电子与阳极产生等离子体，靶相对于该等离子体为负电位.

为把阴极发射的电子全部吸引过来，阳极上加正偏压，20V左右。为使放电稳定，增加第四

个电极一稳定化电极.

偏压溅射：基片施加负偏压，在淀积过程中，基片表面将受到气体粒子的稳定轰击，随

时消除可能进入薄膜表面的气体，有利于提高薄膜纯度,并且也可除掉粘除力弱的淀积粒子,

对基片进行清洗，表面净化，还可改变淀积薄膜的结构。

射频溅射：可以用射频辉光放电解释。等离子体中的电子容易在射频场中吸收能量并

在电场内振荡，与工作气体的碰撞几率增大，从而使击穿电压和放电电压显著降低。

磁控溅射：使用了磁控靶,施加磁场来改变电子的运动方向，束缚并延长电子运动轨迹，

进而提高电子对工作气体的电离效率和溅射沉积率。在阴极靶的表面上形成一个正交的电磁

场。溅射产生的二次电子在阴极位降区内被加速成为高能电子,但是它并不直接飞向阳极，

而在电场和磁场的作用下作摆线运动。高能电子束缚在阴极表面与工作气体分子发生碰撞,

传递能量，并成为低能电子。

离子束溅射:离子源、屏蔽罩。由大口径离子束发生源引出惰性气体，使其照射在靶上产

生建设作用，利用溅射出的粒子淀积在基片上制得薄膜。

10.离子镀膜的优缺点？

答：优点（1）膜层的附着性好。利用辉光放电产生的大量高能粒子对基片进行清洗，在

膜基界面形成过渡层或膜材与基材的成分混合层，有效的改善膜层的附着性能（2）膜层的

密度高（通常和大块材料密度相同）。（3）绕射性能好。（4）可镀材质范围广泛（5）有利于

化合物膜层的形成（6）淀积速率高，成膜速率快，可镀较厚的膜。

缺点：（1）膜层的缺陷密度高（2）高能粒子轰击基片温度高，需要进行冷却。

第四次作业

5.CVD的必要条件？

1.在沉积温度下，反应物具有足够的蒸气压，并能以适当的速度被引入反应室；

2.反应产物除了形成固态薄膜物质外，都必须是挥发性的；

3.沉积薄膜和基体材料必须具有足够低的蒸气压，

6.什么是低压CVD和等离子CVD?各有何优点？

答：低压CVD：气相输运和反应。低压下气体扩散系数增大，使气态反应物和副产物的

质量传输速率加快，形成薄膜的反应速率增加。

等离子CVD：等离子体参与的利用在等离子状态下粒子具有的较高能量，使沉积温度降

低。

7.试述薄膜与衬底附着的机理及对附着力的影响。

薄膜与衬底的附着机理：薄膜之所以能附着在基底上，是范德华力、扩散附着、机械咬合等

综合作用结果，可能涉及以下3种机理:①机械结合。由于薄膜本身和基底均是凹凸不平，两

者之间形成相互交错咬合。在单纯机械结合情况下，薄膜的附着力一般都较低。②物理结合。

薄膜与基底之间因范德华力而结合在一起。虽然这种引力的值较小，只有0.1~0.5eV,但仍会

造成很强的薄膜附着力,附着力一般在10-至10'N.cm2。③化学键合。薄膜与衬底界面两侧

原子之间可能形成化学键合。化学键合对于提高薄膜附着力具有重要影响。化

学键合所提供的能量一般在0.5~10eV之间，相应的附着力为10°N•cm上述3种机理单独

或者共同决定着薄膜与衬底附着。

8.化学镀的原理和特点？

答：化学镀膜是指在还原剂的作用下，使金属盐中的金属离子还原成原子，在基片表面

沉积的镀膜技术，又称无电源电镀。化学镀不加电场、直接通过化学反应实现薄膜沉积。

化学镀膜的还原反应必须在催化剂的作用下才能进行，且沉积反应只发生在基片表面上。

薄膜物理与技术题库

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，岛状生长，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。

1.表征溅射特性的参量主要有溅射率、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1~lOOnm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)从

表面射出的现象

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

2="

统计平均值：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表面上，除了被弹性反射和吸附

后再蒸发的原子之外，完全被基体表面所凝结的气相原子数与入射到基体表面

上总气相原子数之比。

物理气相沉积法：物理气相沉积法(Physicalvapordeposition)是利用某种物

理过程，如物质的蒸发或在受到粒子轰击时物质表面原子的溅射等现象，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

原子或分子从表面汽化逸出，形成蒸气流，入射到固体（称为衬底、基片或基

板）表面，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。在离子能量合适的情况下，入射离子在与

靶表面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

子镀特性的一个重要指标。

化学气相沉积：是利用气态的先驱反应物，通过原子、分子间化学反应的途径

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

表面原子溅射的现象，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，在体材表面上，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，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，并且在其表面伴有正电荷的积累。

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，气体分子在单位表面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、回答下列问题

工、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基础？

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基本的薄膜制备技术。

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，入射到衬底表面的原子没有经过很多次碰撞，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甚至会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

⑵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)在气相中及在衬底表面并不发生化学反应

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

⑵成膜速度可以很快，每分钟可达几个微米甚至数百微米

⑶CVD反应在常压或低真空进行，镀膜的绕射性好，对于形状复杂的表面或

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、残余应力小、结晶良好的薄膜镀层。由于反应

气体、反应产物和基体的相互扩散，可以得到附着力好的膜层，这对表面钝

化、抗蚀及耐磨等表面增强膜是很重要的

⑸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表面

⑺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：

反应温度太高，一般要1000C。左右，许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组成部分？

Q)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粒子

集合体

按电离程度等离子体可分为

部分电离及弱电离等离子体和完全电离等离子体两大类

部分电离及弱电离等离子体中大部分为中性粒子，只有部分或极少量中性粒子

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、简述分子束外延镀膜的特点：

(1)MBE虽然也是一个以气体分子运动论为基础的蒸发过程，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

⑵MBE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应，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

⑶MBE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

⑸MBE的另一显著特点是生长速率低，大约1klm/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

此可用多种表面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输运反应的原理

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

反应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，并在基板上发生逆向反应，使源物质重

新在基板上沉积出来，这样的过程称为化学输运反应。

1、描述气体分子从表面的反射-余弦定律及其意义？

d（D

—■-C05v

n碰撞于固体表面的分子，它们飞离表面的方向与原入射方向无

关，并按与表面法线方向所成角度e的余弦进行分布。则一个分子在离开其表

面时，处于立体角dw（与表面法线成。角）中的几率是：

式中工/TT是归一化条件，即位于2TT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）它揭示了固体表面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）分子在固体表面要停留一定的时间，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：

1=1

•RJt/P称为平均自由程，平均自由程与分子密度n和分子直径。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应

(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镭问题？

(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，但每次仅加入少量被蒸发物质的方法

(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)激光加热可以达到极高的温度，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，既完全避免了蒸发

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，不足以使四周材料达

到蒸发温度，所以激光蒸发不易出现分镭现象

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。不论是金

属、半导体、绝缘体、化合物和混合物等，只要是固体，不论是块状、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

⑶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避免的堪堪污染现象

(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l-10Pa运行，射

频辉光放电可以在10-2-10-lPa运行

8.简述CVD反应的基本类型？

a.热分解反应

b,还原或置换反应

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，要保证能以适当的速度被

引入反应室

(2)反应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

⑶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应过程中都

能保持在受热的基体上；基体材料在沉积温度下的蒸气压也必须足够低

10.简述胶体制备的一般条件，及主要制备方法？

(1)分散相在介质中的溶解度须极小

(2)必须有稳定剂存在

制备方法：

(1)还原法主要用于制备各种金属溶胶

⑵氧化法用硝酸等氧化剂氧化硫化氢水溶液，可制得硫溶胶

⑶水解法多用来制备金属氢氧化物溶胶

(4)复分解反应法常用来制备盐类的溶胶

五、计算:处于1527C。下的镇铭合金(Ni80%,Cr20%)在PCr=10Pa,

PNi=lPa时，它们的蒸发速率之比(MNi=58.7MCr=52.0)

G.町,4—

=竺?再皿

801J520

薄膜物理与技术要点总结

第一章

最可几速率：根据麦克斯韦速率分布规律，可以从理论上推得分子速率在匕处有极大值,

匕称为最可几速率产%=产为=1.41心%Vm速度分布

平均速度：解焉=产图=1-5%%，分子运动平均距离

均方根速度:=四%=秒%L73^平均动能

真空的划分：粗真空、低真空、高真空、超高真空。

真空计：利用低压强气体的热传导和压强有关；(热偶真空计)

利用气体分子电离；(电离真空计)

真空泵：机械泵、扩散泵、分子泵、罗茨泵

机械泵：利用机械力压缩和排除气体

扩散泵：利用被抽气体向蒸气流扩散的想象来实现排气作用

分子泵：前级泵利用动量传输把排气口的气体分子带走获得真空。

第二章

L什么是饱和蒸气压？蒸发温度？

饱和蒸气压：在一定温度下，真空室内蒸发物质的蒸气与固体或液体平衡过程中所表现出的

压力

蒸发温度：物质在饱和蒸气压为10'托时的温度。

2.克--克方程及其意义？

TPvHv

克-克方程F=F,可以知道饱和蒸气压和温度的关系，对于薄膜的制作技术

dTT(Vg-Vs)

有重要实际意义，帮助我们合理地选择蒸发材料和确定蒸发条件.

3.蒸发速率、温度变化对其的影响？

在蒸发源以上温度蒸发，蒸发源温度的微小变化即可以引起蒸发速率发生很大变化。

4.平均自由程与碰撞几率的概念？

气体分子处于不规则的热运动状态，每个气体分子在连续两次碰撞之间的路程称为自由

程”，其统计平均值称为“平均自由程”。

蒸发材料分子能与真空室中残余气体分子相互碰撞的数目占总的蒸发材料分子的百分数

5.点蒸发和小平面蒸发源特性？

点蒸发源：能够从各个方向蒸发等量材料小平面蒸发源：发射具有方向性，使在夕角方向

蒸发的材料质量和cos。成正比。

6.拉乌尔定律？如何控制合金薄膜的组分？

拉乌尔定律：在定温下，在稀溶液中，溶剂的蒸气压等于纯溶剂蒸气压乘以溶液中溶剂的

物质的量分数。为保证薄膜组成，经常采用瞬时蒸发法、双蒸发源法(将要形成合金的

每一成分，分别装入各自的蒸发源中，然后独立地控制其蒸发速率，使达到基板的各种原子

符合组成要求。)

7.MBE的特点？

(1)是以系统中的四级质谱仪、原子吸收光谱等仪器，精密的监测分子束的强度和种类，

从而严格控制生长过程和生长速率。

(2)膜的组分和掺杂浓度可随源的变化迅速做出调整。

(3)衬底温度低，降低了界面上热膨胀引起的晶格失配效应和衬底杂质对外延层的自掺杂

扩散影响。

(4)是一个动力学过程，它可以生长按照普通热平衡生长方法难以生长的薄膜。

(5)生长速率低，有利于实现精确控制厚度、结构与成分和形成陡峭异质结

(6)可用多种分析仪器实时观察生长面上的成分、结构和生长过程，有利于科学研究

8.膜厚的定义？监控方法？

膜厚的定义，应该根据测量的方法和目的来决定。

称重法(微量天平法石英晶体振荡法)电学方法(电阻法电容法电离式监控记法)

光学方法(光吸收法光干涉法等厚干涉条纹法)触针法(差动变压器法阻抗放大法

压电元件法

第三章

1.溅射镀膜和真空镀膜的特点？

L任何物质都可以溅射，尤其是高熔点、低蒸气压元素化合物2.溅射膜和基板的附着性好

3.溅射镀膜密度高，针孔少，且膜层的纯度较高4.膜度可控性和重复性好

2.正常辉光放电和异常辉光放电的特征？

正常辉光放电：在一定电流密度范围内，放电电压维持不变。

异常辉光放电：电流增大时，放电电极间电压升高，且阴极电压降与电流密度和气体压强

有关。

3.射频辉光放电的特点？

1.在辉光放电空间产生的电子可以获得足够的能量，足以产生碰撞电离；

2.由于减少了放电对二次电子的依赖，降低了击穿电压；

3.射频电压可以通过各种阻抗偶合，所以电极可以是非金属材料。

4.溅射的概念及溅射参数？

溅射是指荷能粒子轰击固体表面（靶），使固体原子或者分子从表面射出的现象。

1.溅射阈值2.溅射率及其影响因素3.溅射粒子的速度和能量分布4.溅射原子的角度分布

5.溅射率的计算

5.溅射机理？

1.溅射率随入射离子能量增大而增大，在离子能量达到一定程度后，由于离子注入效应，溅

射率减小；

2.溅射率的大小与入射离子的质量有关；

3.当入射离子能量小于溅射阈值时，不会发生溅射；

4.溅射原子的能量比蒸发原子大许多倍；

5.入射离子能量低时，溅射原子角度分布不完全符合余弦定律，与入射离子方向有关；

6.电子轰击靶材不会发生溅射现象。

6.二极直流溅射、偏压溅射、三极或四极溅射、射频溅射、磁控溅射、离子束溅射结构及原

理？

二极直流溅射靶材为良导体，依靠气体放电产生的正离子飞向阴极靶，一次电子飞向阳极，

放电依靠正离子轰击阴极所产生的二次电子，经阴极加速后被消耗补充的一次电子维持。

三极或四极溅射：热阴极发射的电子与阳极产生等离子体，靶相对于该等离子体为负电位.

为把阴极发射的电子全部吸引过来，阳极上加正偏压，20V左右。为使放电稳定，增加第四

个电极----稳定化电极.

偏压溅射：基片施加负偏压，在淀积过程中，基片表面将受到气体粒子的稳定轰击，随时消

除可能进入薄膜表面的气体，有利于提高薄膜纯度，并且也可除掉粘除力弱的淀积粒子，对

基片进行清洗，表面净化，还可改变淀积薄膜的结构。

射频溅射：可以用射频辉光放电解释。等离子体中的电子容易在射频场中吸收能量并在电

场内振荡，与工作气体的碰撞几率增大，从而使击穿电压和放电电压显著降低。

磁控溅射：使用了磁控靶,施加磁场来改变电子的运动方向，束缚并延长电子运动轨迹，进而

提高电子对工作气体的电离效率和溅射沉积率。在阴极靶的表面上形成一个正交的电磁场。

溅射产生的二次电子在阴极位降区内被加速成为高能电子，但是它并不直接飞向阳极，而在

电场和磁场的作用下作摆线运动。高能电子束缚在阴极表面与工作气体分子发生碰撞，传递

能量，并成为低能电子。

离子束溅射:离子源、屏蔽罩。由大口径离子束发生源引出惰性气体，使其照射在靶上产生建

设作用，利用溅射出的粒子淀积在基片上制得薄膜。

第四章

1.离子镀膜的优缺点？

优点：（1）膜层的附着性好。利用辉光放电产生的大量高能粒子对基片进行清洗，在膜基界

面形成过渡层或膜材与基材的成分混合层，有效的改善膜层的附着性能（2）膜层的密度高

（通常和大块材料密度相同）。（3）绕射性能好。（4）可镀材质范围广泛（5）有利于化合物

膜层的形成（6）淀积速率高，成膜速率快，可镀较厚的膜。

缺点：（1）膜层的缺陷密度高（2）高能粒子轰击基片温度高，需要进行冷却。

2.离子镀膜系统工作的必要条件？

必要条件：造成一个气体放电的空间；将镀料原子（金属原子或非金属原子）引进放电空间，

使其部分离化。

成膜条件in>rij

3.离子镀膜技术的分类？

直流二极型离子镀、三极和多阴极型离子镀、活性反应离子镀膜、射频离子镀膜技术、

4.直流二极溅射、三极和多阴极离子镀、活性反应离子镀、射频离子镀的原理和特点？

直流二极型离子镀是利用二极间的辉光放电产生离子、并由基板所加的负电压对其加速。

特点：轰击离子能量大，引起基片温度升高，薄膜表面粗糙，质量差；工艺参数难于控制。

设备简单，技术容易实现，用普通真空镀膜机就可以改装，因此也具有一定实用价值。附着

力好。

三极和多阴极型离子镀

特点：可实现低气压下的离子镀膜，镀膜质量好，光泽致密；多阴极方式中，阴极电压在200V

就能在10-3Torr左右开始放电；改变辅助阴极（多阴极）的灯丝电流来控制放电状态；灯丝

处于基板四周，扩大了阴极区、改善了绕射性，减少了高能离子对工件的轰击作用.

活性反应离子镀阱用各种不同的放电方式使金属蒸气和反应气体的分子、原子激活、离化、

使其活化，促进其间的化学反应，在基片表面就可以获得化合物薄膜

特点：增加了反应物的活性，在温度较低的情况下就能获得附着性能良好的碳化物、氮化物

薄膜；可以在任何材料上制备薄膜，并可获得多种化合物薄膜；淀积速率高；调节或改变蒸

发速率及反应气体压力可以十分方便地制取不同配比、不同结构、不同性质的同类化合物；

由于采用了大功率、高功率密度的电子束蒸发源，几乎可以蒸镀所有金属和化合物；清洁，

无公害。

射频离子镀：通过分别调节蒸发源功率、线圈的激励功率、基板偏压等，可以对上述三个区

域进行独立的控制，由此可以在一定程度上改善膜层的物性。

特点：蒸发、离化、加速三种过程可分别独立控制，离化率靠射频激励，基板周围不产生阴

极暗区；较低工作压力下也能稳定放电，而且离化率较高，薄膜质量好；容易进行反应离子

镀；基板温升低而且较容易控制；工作真空度较高，故镀膜的绕射性差，射频对人体有害；

可以制备敏感、耐热、耐磨、抗蚀和装饰薄膜。

第五章

1.CVD热力学分析的主要目的？

CVD热力学分析的主要目的是预测某些特定条件下某些CVD反应的可行性（化学反应的方

向和限度）。在温度、压强和反应物浓度给定的条件下，热力学计算能从理论上给出沉积薄

膜的量和所有气体的分压，但是不能给出沉积速率。热力学分析可作为确定CVD工艺参数

的参考

2.CVD过程自由能与反应平衡常数的过程判据？

与反应系统的化学平衡常数有关。AGr=-23RTlog勺

AGrK?

n/m

K=1[e（生成物）/「[q.（反应物）

Pi=l/J=1

3.CVD热力学基本内容？反应速率及其影响因素？

按热力学原理，化学反应的自由能变化AG,.可以用反应物和生成物的标准自由能AG/

来计算，即Aa=246/（生成物）-2人^（反应物）

啮较低衬底温度下，7随温度按指数规律变化。较高衬底温度下，反应物及副产

筋扇养最速率为决定反应速率的主要因素。

4.热分解反应、化学合成反应及化学输运反应及其特点？

热分解反应：在简单的单温区炉中，在真空或惰性气体保护下加热基体至所需温度后，导入

反应物气体使之发生热分解，最后在基体上沉积出固体图层。

特点：主要问题是源物质的选择和确定分解温度。选择源物质考虑蒸气压与温度的关系，注

意在该温度下的分解产物中固相仅为所需沉积物质。

化学合成反应：化学合成反应是指两种或两种以上的气态反应物在热基片上发生的相互反

应。

特点：比热分解法的应用范围更加广泛。可以制备单晶、多晶和非晶薄膜。容易进行掺杂。

化学输运反应：将薄膜物质作为源物质（无挥发性物质），借助适当的气体介质与之反应而

形成气态化合物，这种气态化合物经过化学迁移或物理输运到与源区温度不同的沉积区，在

基片上再通过逆反应使源物质重新分解出来，这种反应过程称为化学输运反应。

特点：AT=工-T?不能太大；平衡常数KP接近于1。

5.CVD的必要条件？

1.在沉积温度下，反应物具有足够的蒸气压，并能以适当的速度被引入反应室；

2.反应产物除了形成固态薄膜物质外，都必须是挥发性的；

3.沉积薄膜和基体材料必须具有足够低的蒸气压，

6.什么是冷壁CVD?什么是热壁CVD?特点是什么？

冷壁CVD:器壁和原料区都不加热，仅基片被加热，沉积区一般采用感应加热或光辐射加

热。缺点是有较大温差，温度均匀性问题需特别设计来克服。适合反应物在室温下是气体或

具有较高蒸气压的液体。

热壁CVD:器壁和原料区都是加热的，反应器壁加热是为了防止反应物冷凝。管壁有反应

物沉积，易剥落造成污染。

7.什么是开管CVD?什么是闭管CVD?特点是什么？

开口CVD的特点：能连续地供气和排气；反应总处于非平衡状态；在大多数情况下，开口

体系是在一个大气压或稍高于一个大气压下进行的；开口体系的沉积工艺容易控制，工艺重

现性好，工件容易取放，同一装置可反复多次使用；有立式和卧式两种形式。

闭管法的优点：污染的机会少，不必连续抽气保持反应器内的真空，可以沉积蒸气压高的物

质。缺点：材料生长速率慢，不适合大批量生长，一次性反应器，生长成本高；管内压力检

测困难等。关键环节：反应器材料选择、装料压力计算、温度选择和控制等。

8.什么是低压CVD和等离子CVD?

低压CVD:气相输运和反应。低压下气体扩散系数增大，使气态反应物和副产物的质量传

输速率加快，形成薄膜的反应速率增加。

等离子CVD:等离子体参与的利用在等离子状态下粒子具有的较高能量，使沉积温度降低

化学气相沉积称为等离子化学气相沉积。

第六章

1.什么是化学镀？它与化学沉积镀膜的区别？

化学镀膜是指在还原剂的作用下，使金属盐中的金属离子还原成原子，在基片表面沉积的镀

膜技术，又称无电源电镀。化学镀不加电场、直接通过化学反应实现薄膜沉积。

化学镀膜的还原反应必须在催化剂的作用下才能进行，且沉积反应只发生在基片表面上。

化学沉积镀膜的还原反应是在整个溶液中均匀发生的，只有一部分金属在基片上形成薄膜,

大部分形成粉粒沉积物。

2.自催化镀膜的特点？

L可以在复杂形状表面形成薄膜；2.薄膜的孔隙率较低；3.可直接在塑料、陶瓷、玻璃等非

导体表面制备薄膜；4.薄膜具有特殊的物理、化学性能；5.不需要电源，没有导电电极。

3.Sol-Gel镀膜技术的特点和主要过程？

优点：高度均匀性；高纯度，•可降低烧结温度；可制备非晶态薄膜；可制备特殊材料（薄膜、

纤维、粉体、多孔材料等）。

缺点：原料价格高；收缩率高，容易开裂；存在残余微气孔；存在残余的羟基、碳等；有机

溶剂有毒。

主要过程：复合醇盐的制备；成膜（匀胶、浸渍提拉）；水解和聚合；干燥；焙烧。

4.阳极氧化镀膜和电镀的原理和特点？

金属或合金在适当的电解液中作为阳极，并施加一定的直流电压，由于电化学反应在阳极表

面形成氧化物薄膜的方法，称为阳极氧化技术。

特点：得到的氧化物薄膜大多是无定形结构。由于多孔性使得表面积特别大，所以显示明

显的活性，既可吸附染料也可吸附气体；化学性质稳定的超硬薄膜耐磨损性强，用封孔处理

法可将孔隙塞住，使薄膜具有更好耐蚀性和绝缘性；利用着色法可以使膜具有装饰效果。

电镀的特点：膜层缺陷：孔隙、裂纹、杂质污染、凹坑等；上述缺陷可以由电镀工艺条件控

制；限制电镀应用的最重要因素之一是拐角处镀层的形成；在拐角或边缘电镀层厚度大约

是中心厚度的两倍；多数被镀件是圆形，可降低上述效应的影响。

5.什么是LB技术？LB薄膜的种类？LB薄膜的特点？

（LB技术）是指把液体表面的有机单分子膜转移到固体衬底表面上的一种成膜技术。得到

的有机薄膜称为LB薄膜。

种类：X型膜（薄膜每层分子的亲油基指向基片表面）、丫型膜（薄膜每层分子的亲水基与亲

水基相连，亲油基与亲油基相连）、Z型膜（薄膜每层分子的亲水基指向基片表面）

优点：LB薄膜中分子有序定向排列，这是一个重要特点；很多材料都可以用LB技术成膜,

LB膜有单分子层组成，它的厚度取决于分子大小和分子的层数；通过严格控制条件，可以

得到均匀、致密和缺陷密度很低的LB薄膜；设备简单，操作方便

缺点：成膜效率低；LB薄膜均为有机薄膜，包含了有机材料的弱点；LB薄膜厚度很薄，在

薄膜表征手段方面难度较大。

第七章

1.薄膜形成的基本过程描述？

薄膜形成分为：凝结过程、核形成与生长过程、岛形成与结合生长过程。

2.什么是凝聚？入射原子滞留时间、平均表面扩散时间、平均扩散距离的概念？

凝聚：吸附原子结合成原子对及其以后的过程

入射原子滞留时间：入射到基体表面的原子在表面的平均滞留时间J与吸附能E,之间的关

系为7a=roenp（Ed/kT）

平均表面扩散时间：吸附原子在一个吸附位置上的停留时间称为平均表面扩散时间，用的

表示。它和表面扩散能之间的关系是无,=心»理（£。/左7）。

平均扩散距离：吸附原子在表面停留时间经过扩散运动所移动的距离（从起始点到终点的间

隔）称为平均表面扩散时间，并用工表示，它与吸附能&和扩散能后。之间的关系为

x=aQex^Ed-ED）/kT\

3.什么是捕获面积？对薄膜形成的影响？

捕获面积：吸附原子的捕获面积SD=N/no

当色爻0寸，每个吸附原子的捕获面积内只有一个原子，故不能形成原子对，也不能产生凝

结。当1<5工<2时，发生部分凝结。平均每个吸附原子的捕获面积内有一个或两个吸附原

子，可形成眉子对或三原子团。在滞留时间内，一部分吸附原子有可能重新蒸发掉。当

时，每个吸附原子的捕获面积内至少有两个吸附原子。可形成原子对或更大的原子团，从而

达到完全凝结。

4.凝聚过程的表征方法？

凝结系数（单位时间内，完全凝结的气相原子数与入射到基片表面上的总原子数之比）、粘

附系数（单位时间内，再凝结的气相原子数与入射到基片表面上的总原子数之比）、热适应

系数（表征入射气相（或分子）与基体表面碰撞时相互交换能量的程度的物理量称为热适应

系数）。

5.核形成与生长的物理过程。

岛状生长模式、层状生长模式、层岛混合模式

6.核形成的相变热力学和原子聚集理论的基本内容？

认为薄膜形成过程是由气相到吸附相、再到固相的相变过程，其中从吸附相到固相的转变是

在基片表面上进行的。

原子聚集理论将核（原子团）看作一个大分子聚集体，用其内部原子之间的结合能或与基片

表面原子之间的结合能代替热力学理论中的自由能。

7.什么是同质外延、异质外延？晶格失配度？

外延工艺是一种在单晶衬底的表面上淀积一个单晶薄层的方法。如果薄膜与衬底是同一种材

料该工艺被称为同质外延，常被简单地称为外延。

如果薄膜与衬底不是同一种材料该工艺被称为异质外延，常被简单地称为外延。

晶格失配度若沉积薄膜用的基片材料的晶格常数为a,薄膜材料的晶格常数为b,在基片上

外延生长薄膜的晶格失配数m可用下式表示m2二@。

a

8..形成外延薄膜的条件？

设沉积速率为,基片温度为,RWAexp-薄膜生长速率要小于吸附原子

在基片表面上符迁移速率；提高矗有利于形成外延土膜

第八章

1.薄膜结构是指哪些结构？其特点是哪些？

薄膜的结构按研究对象不同分为组织结构、晶体结构、表面结构。

（1）组织结构是指薄膜的结晶形态，包括无定形结构、多晶结构、纤维结构、单晶结构。

无定形结构：结构特性：近程有序、长程无序；不具备晶体的性质；亚稳态。晶界上存在晶

格畸变；界面能：界面移动造成晶粒长大和界面平直化；空位源：杂质富集；纤维结构薄膜

是指晶粒具有择优取向的薄膜

（2）晶体结构：多数情况下，薄膜中晶粒的晶格结构与体材料相同，只是晶粒取向和晶粒

尺寸不同，晶格常数也不同。薄膜材料本身的晶格常数与基片材料晶格常数不匹配；

薄膜中有较大的内应力和表面张力。

（3）表面结构：薄膜表面形成过程，由热力学能量理论，薄膜表面平化；晶粒的各向异性

生长，薄膜表面粗化；低温基片上，薄膜形成多孔结构。

2.蒸发薄膜微观结构随温度变化如何改变？

低温时，扩散速率小，成核数目有限，形成不致密带有纵向气孔的葡萄结构，•随着温度升高，

扩散速率增大，形成紧密堆积纤维状晶粒然后转为完全之谜的柱状晶体结构；温度再升高,

晶粒尺寸随凝结温度升高二增大，结构变为等轴晶貌；

3.薄膜的主要缺陷类型及特点？

薄膜的缺陷分为：点缺陷(晶格排列出现只涉及到单个晶格格点，典型构型是空位和填隙原

子，点缺陷不能用电子显微镜直接观测到，点缺陷种类确定后，它的形成能是一个定值)、

位错(在薄膜中最常遇到，是晶格结构中一种“线性”不完整结构，位错大部分从薄膜表面

伸向基体表面，并在位错周围产生畸变)、晶格间界(薄膜由于含有许多小晶粒，故晶粒间

界面积比较大)和层错缺陷(由原子错排产生，在小岛间的边界处出现，当聚合并的小岛再

长大时反映层错缺陷的衍射衬度就会消失)O

4.薄膜的主要分析方法有哪些？基本原理是什么？

(I)X射线衍射法。利用X射线晶体学，X射线束射到分析样品表面后产生反射，检出器

收集反射的X射线信息，当入射X射线波长2、样品与X射线束夹角0、及样品晶面间距

d满足布拉格方程2dsin夕=,检测器可检测到最大光强。

(2)电子衍射法。在透射电子显微镜下观察薄膜结构同时进行电子衍射分析，电子束波长

比特征X射线小得多，利用=求出晶格面间距。

(3)扫描电子显微镜分析法。将样品发射的特征X射线送入X射线色谱仪或X射线能谱仪

进行化学成分分析，特征X射线波长X和原子序数Z满足莫塞莱定律五瓦=K(Z-b),

只要测得X射线的波长，进而测定其化学成分。

(4)俄歇电子能谱法。俄歇电子的动能为E,由能量守恒定律Ek-EL1=EL23+E,近似ELkEg

得俄歇电子的动能E=Ek-2EL。对于每种元素的原子来说，Eu、Eg都有不同的特征值，只要

测出电子动能E,就可以进行元素鉴定。利用俄歇电子能谱法中的化学位移效应不但可以鉴

定样品的组分元素还可鉴定它的化学状态。

(5)X射线光电子能谱法。X射线入射到自由原子的内壳层上，将电子电离成光电子，有电

子能量分析测得光电子束缚能，不同源自或同一原子的不同壳层有不同数量的特征值。可以

通过元素鉴定测出。

(6)二次离子质谱法。二次离子质谱是利用质谱法分析初级离子入射靶面后，溅射产生的

二次离子而获取材料表面信息的一种方法。二次离子质谱可以分析包括氢在内的全部元素,

并能给出同位素的信息，分析化合物组分和分子结构。

关于溅射

发布时间：2010-4-28

溅射

一、溅射的基本内容：

1、定义：所谓溅射，就是这充满腔室的工艺气体在高电压的作用下，形成气体等离子体(辉

光放电)，其中的阳离子在电场力作用下高速向靶材冲击，阳离子和靶材进行能量交换，使靶

材原子获得足够的能量从靶材表面逸出(其中逸出的还可能包含靶材离子)。这一整个的动力

学过程，就叫做溅射。

入射离子轰击靶面时，将其部分能量传输给表层晶格原子，弓I起靶材中原子的运动。有的原子

获得能量后从晶格处移位，并克服了表面势垒直接发生溅射；有的不能脱离晶格的束缚，只能

在原位做振动并波及周围原子，结果使靶的温度升高；而有的原子获得足够大的能量后产生一

次反冲，将其临近的原子碰撞移位，反冲继续下去产生高次反冲，这一过程称为级联碰撞。级

联碰撞的结果是部分原子达到表面，克服势垒逸出，这就形成了级联溅射，这就是溅射机理。

当级联碰撞范围内反冲原子密度不高时，动态反冲原子彼此间的碰撞可以忽略，这就是线性级

联碰撞

2、溅射的四要素：

①：靶材物质

②：电磁场

③：底物

④：一整套完整配备的镀膜设备

3、溅射收益：

3.1、离子每一次撞击靶材时，靶材所释放出的靶材原子。

3.2、影响溅射收益的因素：

①：等离子体中离子动能

②：入射离子的入射角度

3.3、最大溅射收益的决定因素：

①：入射角度在45。-50。左右

②：取决于靶材物质

3.4、入射角度的影响因素

①；由电场决定

②：靶材表面于入射源的相对角度

4、溅射率：

4.1、定义：每单位时间内靶材物质所释放出的原子个数

4.2、溅射率的影响因素

①；离子动能（取决于电源电压和气体压力）

②：等离子密度（取决于气体压力和电流）

4.3、统计学公式：Rs（统计学）=d/t。

注：溅射原子溢出角度大部分在0~10度之间，因此在腔室内所有区域都可能被镀上一层膜，

久之会产生污染。所以真空溅射腔室内必须进行定期清洁。

二、溅射种类：

1、反应溅射：氧化物，氮化物作为沉积物质

现象：①:靶材分子分裂，其于工艺气体离子发生反应，形成化合物

②：膜层性能改变

③：靶材有可能中毒

2、二极溅射（见下图）：二极溅射是一种经典的标准溅射技术，其中等离子体和电子均只沿

着电场方向运动。

特征：①：无磁场

②：溅射率低

③：放电电压高（＞500V）

④：镀膜底物受热温度极易升高（＞500℃）

用途：主要用于金属靶材、绝缘靶材、磁性靶材等的溅射镀。

3、磁控溅射（见下图）：暗区无等离子体产生，在磁控溅射下，电子呈螺旋形运动，不会直

接冲向阳极。而是在电场力和磁场力的综合作用在腔室内做螺旋运动。同时获的能量而和工艺

气体以及溅射出的靶材原子进行能量交换，使气体及靶材原子离子化，大大提高气体等离子体

密度，从而提高了溅射速率（可提高10—20倍）和溅射均匀性。

4、二极溅射与磁控溅射对比：

4.1:靶材利用率（TU）:是指发生溅射的靶材质量占原靶材质量的比率。

公式表示：靶材利用率=｛原靶材质量（Kg）—溅射后靶材质量｝/原靶材质量

靶材利用率对比见下表：

注：①：磁控溅射靶材利用率稍低，电压要求低，电流会高，溅射率提高，增加生产效率，降

低成本。

②：靶材使用寿命结素之前必须及时更换新靶材，防止靶材周围物质发生溅射（金属箔

片、连接片、阴极）

4.2、两种溅射技术的区别：

①：靶材利用率不同

②：溅射腔室和阴极设计要求不同

③）：放电电流和放电电压不同（见下表）

④：溅射率不同：磁控溅射有更短的沉积时间，更高的沉积量和更短沉积周期。

以下引自书籍：

《真空溅射技术》

挈溅射”就是用荷能粒子（通常用气体正离子）轰击物体，从而引起物体表面原子从母体中逸出

的现象。

12年Grove（格洛夫）在实验室中发现了这种现象。

7年美国贝尔实验室及西屋电气公司首先开始应用溅射原理制备薄膜。

：6年美国国际商用电子计算机公司应用高频溅射技术制成了绝缘膜。

'0年磁控溅射技术及其装置出现，它以“高速”、“低温”两大特点使薄膜工艺发生了深刻变化，不

但满足薄膜工艺越来越复杂的要求，而且促进了新工艺的发展。

国在1980年前后，许多单位竞先发展磁控溅射技术。目前在磁控溅射装置和相应的薄膜工艺研

究上也已出现了工业性生产的局面。

第一节溅射理论及其溅射薄膜的形成过程

时理论

被荷能粒子轰击的靶材处于负电位，所以一般称这种溅射为阴极溅射。关于阴极溅射的理

论解释，主要有如下三种。

发论

认为溅射是由气体正离子轰击阴极靶，使靶表面受轰击的部位局部产生高温区，靶材达到蒸发

温度而产生蒸发。

撞论

认为溅射现象是弹性碰撞的直接结果。轰击离子能量不足，不能发生溅射；轰击离子能量过

高，会发生离子注入现象。

合论

认为溅射是热蒸发论和碰撞论的综合过程。当前倾向于混合论。

粕放电

克辉光放电

在压力为（TPa的容器内，在两个电极间加上直流电压后所发生的放电过程如图：

电压小时，由宇宙射线或空间残留的少量离子和电子的存在只有很小的电流。增加电压，带电

粒子能量增加，碰撞中性气体原子，产生更多带电粒子，电流随之平稳增加，进入“汤森放电

区”。电流增加到一定程度，发生“雪崩”现象，离子轰击阴极，释放二次电子，二次电子与中性

气体原子碰撞，产生更多离子，这些离子再轰击阴极，又产生更多的二次电子，如此循环，当

产生的电子数正好产生足够多离子，这些离子能够再生出同样数量的电子时，进入自持状态，

气体开始起辉，电压降低，电流突然升高，此为“正常辉光放电区”。放电自动调整阴极轰击面

积，最初轰击是不均匀的，随着电源功率增大，轰击面积增大，直到阴极面上电流密度几乎均

匀为止。当轰击区域覆盖整个阴极面后，再进一步增加功率，会使放电区内的电压和电流密度

同时升高，进入溅射工艺工作区域，即“异常辉光放电区”。在该区域内，如果阴极没有水冷或

继续增加功率，当电流密度达到约0.1A/cm2以上，将有热发射电子混入二次电子之中，随后发

生又一个，，雪崩，，。由于输入阻抗限制着电压，将形成低压大电流的“弧光放电”。

形成“异常辉光放电”的关键是击穿电压VB,主要取决于二次电子的平均自由程和阴阳极

之间的距离。为了引起最初的雪崩，每个二次电子必须产生出约10-20个离子。若气压太低或

极间距离太小，二次电子撞到阳极之前，无法到达所需要的电离碰撞次数；若气压太高或极间

距离太大，气体中形成的离子将因非弹性碰撞而减速，以致于当轰击阴极时，已无足够的能量

产生二次电子。

直流辉光放电的形貌和参量分布图：

可斯顿暗区，不发生电离和激发；

3月极辉光区，气体分子激发发光；

阴极暗区，产生很强的电离，具有很高的正离子浓度，有较强的空间电荷；

负辉光区，光度最强，有较强的负空间电荷；

法拉第暗区，电离和激发都很小；不一定是辉光放电必须的，是起连接作