薄膜物理與技術(shù)2020年題庫

第一次作業(yè)

1.試述狹義薄膜材料的概念。

答：薄膜，薄膜是一種薄而軟的透明薄片。用塑料、膠粘劑、橡膠或其他材料制

成。薄膜科學(xué)上的解釋為:由原子，分子或離子沉積在基片表面形成的2維材料。例:光

學(xué)薄膜、復(fù)合薄膜、超導(dǎo)薄膜、聚酯薄膜、尼龍薄膜、塑料薄膜等等。薄膜被廣泛用

于電子電器，機(jī)械，印刷等行業(yè)。

2.簡述薄膜在形成穩(wěn)定核之前及之后的生長過程？

答：形成穩(wěn)定核之前：沉積原子到達(dá)基片表面，會發(fā)生三種狀態(tài)。一種是能量較

大，在到達(dá)基片表面時就會發(fā)生反射離開；如果能量較低，變會停留在基片表面，而另一

部分原子能量較大，在到達(dá)基片表面時，會發(fā)生表面遷移擴(kuò)散。如果擴(kuò)散原子在駐留時間

內(nèi)不能與其它原子結(jié)合形成更大原子團(tuán)，就會發(fā)生再蒸發(fā)離開基片表面，而擴(kuò)散原子團(tuán)在

駐留時間內(nèi)不能與其它原子相結(jié)合，便會發(fā)生分解。如果表面原子或原子團(tuán)在駐留時間內(nèi)

能與其它原子結(jié)合，便形成更大原子團(tuán)；原子團(tuán)繼續(xù)吸附其它原子就會不斷長到形成穩(wěn)定

核；

形成穩(wěn)定核之后：大多數(shù)薄膜通過島狀生長，少部分通過層狀生長模式或者層島復(fù)合

模式生長成薄膜。詳細(xì)過程為形成穩(wěn)定核后，穩(wěn)定核長大，彼此連接形成小島，新面積形

成，新面積吸附單體，發(fā)生“二次”成核，小島結(jié)合形成大島，大島長大并相互結(jié)合，有

產(chǎn)生新面積，并發(fā)生“二次”、“三次”成核；形成溝道和帶有孔洞的薄膜；溝道填平，封

孔，形成連續(xù)薄膜。

3.簡述薄膜的生長過模式及主要的控制因素？

答：（1）島狀生長模式；（2）層狀生長模式；（3）層島復(fù)合模式。

控制因素主要分兩類：晶格失配度和基片表面（或者基片濕潤性或浸潤性）；

4.從沉積速率和沉積溫度出發(fā)，簡述如何形成單晶或者粗大晶粒？如何形成多

晶、微晶甚至非晶？請給出簡單圖示？

答：提高溫度或降低沉積速率可以形成單晶或者粗大晶粒；

降低溫度或提高沉積速率可形成多晶、微晶甚至非晶。

5.薄膜外延生長的概念？影響實現(xiàn)外延生長主要因素是什么？

在單晶基片上延續(xù)生長單晶薄膜的方法稱為外延生長；

溫度、沉積速率、單晶基片；

第二次作業(yè)

1.真空的概念？怎樣表示真空程度，為什么說真空是薄膜制備的基礎(chǔ)？

答：（1）真空概念：空在給定的空間內(nèi)，氣體的壓強(qiáng)低于一個大氣壓的狀態(tài)，稱為真空；

（2）真空程度：真空度、壓強(qiáng)、氣體分子密度：單位體積中氣體分子數(shù)；氣體分子的

平均自由程；形成一個分子層所需的時間等；

（3）物理氣相沉積法中的真空蒸發(fā)、濺射鍍膜和離子鍍等是基本的薄膜制備技術(shù)。它

們均要求沉積薄膜的空間有一定的真空度。

2.試述真空各區(qū)域的氣體分子運動規(guī)律。

答：（1）粗真空下，氣態(tài)空間近似為大氣狀態(tài)，分子仍以熱運動為主，分子之間碰撞

十分頻繁;（2）低真空是氣體分子的流動逐漸從黏滯流狀態(tài)向分子狀態(tài)過渡，氣體分子間

和分子和器壁間的碰撞次數(shù)差不多;（3）高真空時，氣體分子的流動已為分子流，氣體分

子和容器壁之間的碰撞為主，而且碰撞次數(shù)大大減少，在高真空下蒸發(fā)的材料，其粒子

將沿直線飛行;⑷在超高真空時，氣體的分子數(shù)目更少，幾乎不存在分子間的碰撞，分子

和器壁的碰撞機(jī)會也更少了。

3.簡述旋片機(jī)械泵、油擴(kuò)散泵、分子泵的工作原理及性能特點？

答：旋片機(jī)械泵：原理利用機(jī)械運動部件轉(zhuǎn)動或滑動形成的輸運作用獲得真空的

泵。特點：需加真空油（密封用）；可從大氣壓開始工作；真空度要求低分可單獨使用；

真空度要求高少作為前級泵使用

油擴(kuò)散泵：原理：將真空油加熱到高溫蒸發(fā)狀態(tài)（約200℃）；

讓油蒸汽分多級向下定向高速噴出；

大量油滴通過撞擊將動能傳遞給氣體分子；

氣體分子向排氣口方向運動，并在動壓作用下排出泵體；

油氣霧滴飛向低溫介質(zhì)冷卻的泵體外壁，被冷卻凝結(jié)成液態(tài)后返回泵底部的蒸發(fā)

器。

特點：l~10-6pa（因此需要前級機(jī)械泵提供1Pa的出口壓力）

分子泵:原理泵內(nèi)交錯布置轉(zhuǎn)向不同的多級轉(zhuǎn)子和定子；

轉(zhuǎn)子葉片以20k~60kr/min的高速旋轉(zhuǎn)；

葉片通過碰撞將動能不斷傳遞給氣體分子；

氣體分子被賦予動能后被逐級壓縮排出。

4.按測量原理真空計可分幾種，各自的定義及特點？

答：熱偶真空計：大量用于真空度較低、精度要求不高的場合；結(jié)構(gòu)簡單、使用方便;

對不同氣體測量結(jié)果不同，需要校正；G）不能測量過高或過低的氣壓；熱慣性較大，

易發(fā)生零點漂移現(xiàn)象。

皮拉尼真空計（熱偶真空計的改進(jìn)形式）：大量用于真空度較低、精度要求不高的場合；

響應(yīng)速度比熱偶真空計快得多；一定程度上解決了零點漂移的問題。

電離真空計：利用氣體分子與振蕩電子的碰撞電離作用測得氣壓，可快速、連續(xù)測量;

不適于低真空測量（改進(jìn)的S-P型也要求P＜10Pa）；測量結(jié)果與氣體種類有關(guān)；需要

定期除氣處理。

薄膜真空計：依靠金屬薄膜在氣體壓力差下產(chǎn)生機(jī)械位移測量氣體的絕對壓力。測得的

是絕對壓力；測量精度很高，且與氣體種類無關(guān)；對環(huán)境溫度非常敏感，必須作好溫控；盡

管屬于絕對真空計，仍然需要精確地校正后才能使用。

第三次作業(yè)

6.如何解決蒸發(fā)過程中的分館問題？

（1）使用較多的物質(zhì)作為蒸發(fā)源，盡量減少組元成分的相對變化率

⑵采用向蒸發(fā)容器中不斷地，但每次僅加入少量被蒸發(fā)物質(zhì)的方法

⑶利用加熱不同溫度的雙蒸發(fā)源或多蒸發(fā)源的方法，分別控制和調(diào)節(jié)每個組元的蒸

發(fā)速率，此方法用得較為普遍

采用真空蒸發(fā)法制作預(yù)定組成的薄膜，經(jīng)常采用瞬時蒸發(fā)法、雙蒸發(fā)源法及合金升華

法

7.點蒸發(fā)和小平面蒸發(fā)源特性，如何改善蒸鍍存在的膜厚均勻性問題。

（1）點蒸發(fā)源：能夠從各個方向蒸發(fā)等量材料小平面蒸發(fā)源：發(fā)射具有方向性，使在

。角方向蒸發(fā)的材料質(zhì)量和COS。成正比。

（2）改善基板溫度分布：若不均勻，由于凝聚系數(shù)不同，溫度高的基板上膜厚變薄

蒸發(fā)速率必須穩(wěn)定：最典型的是DWDM濾光片，膜厚均勻性誤差應(yīng)＜0.003%,如打開擋

板后沒有轉(zhuǎn)整數(shù)圈（如缺1/4）,則總?cè)?shù)應(yīng)25/0.003=8300圈；常用窄帶濾光片（HW1%）膜厚均

勻性誤差應(yīng)＜0.5%,如打開擋板后沒有轉(zhuǎn)到整數(shù)圈（如缺1/4）,則總?cè)?shù)應(yīng)25/0.5=50圈；

真空度：真空度高，均勻性較好，真空度降低，邊緣變薄

IAD離子流密度的均勻性：清洗以后或換燈絲等都會導(dǎo)致分布變化

蒸發(fā)材料：象Ti02之類的融熔材料，每次裝料差不多；對半升華和升華材料防止挖坑；

對升華材料避免大塊材料引起蒸氣發(fā)射分布變化。

8.濺射機(jī)理？如何提高濺射率？

濺射是指這充滿腔室的工藝氣體在高電壓的作用下，形成氣體等離子體（輝光放電），其中的

陽離子在電場力作用下高速向靶材沖擊，陽離子和靶材進(jìn)行能量交換，使靶材原子獲得足夠的

能量從靶材表面逸出（其中逸出的還可能包含靶材離子）。這一整個的動力學(xué)過程，就叫做濺

射。提高濺射率：①提高離子動能（取決于電源電壓和氣體壓力）②：等離子密度（取

決于氣體壓力和電流

9.二極直流濺射、偏壓濺射、三極或四極濺射、射頻濺射、磁控濺射、離子束濺射結(jié)構(gòu)

及原理？

二極直流濺射：靶材為良導(dǎo)體,依靠氣體放電產(chǎn)生的正離子飛向陰極靶，一次電子飛向陽

極，放電依靠正離子轟擊陰極所產(chǎn)生的二次電子,經(jīng)陰極加速后被消耗補(bǔ)充的一次電子維持。

三極或四極濺射：熱陰極發(fā)射的電子與陽極產(chǎn)生等離子體，靶相對于該等離子體為負(fù)電位.

為把陰極發(fā)射的電子全部吸引過來，陽極上加正偏壓，20V左右。為使放電穩(wěn)定，增加第四

個電極一穩(wěn)定化電極.

偏壓濺射：基片施加負(fù)偏壓，在淀積過程中，基片表面將受到氣體粒子的穩(wěn)定轟擊，隨

時消除可能進(jìn)入薄膜表面的氣體，有利于提高薄膜純度,并且也可除掉粘除力弱的淀積粒子,

對基片進(jìn)行清洗，表面凈化，還可改變淀積薄膜的結(jié)構(gòu)。

射頻濺射：可以用射頻輝光放電解釋。等離子體中的電子容易在射頻場中吸收能量并

在電場內(nèi)振蕩，與工作氣體的碰撞幾率增大，從而使擊穿電壓和放電電壓顯著降低。

磁控濺射：使用了磁控靶,施加磁場來改變電子的運動方向，束縛并延長電子運動軌跡，

進(jìn)而提高電子對工作氣體的電離效率和濺射沉積率。在陰極靶的表面上形成一個正交的電磁

場。濺射產(chǎn)生的二次電子在陰極位降區(qū)內(nèi)被加速成為高能電子,但是它并不直接飛向陽極，

而在電場和磁場的作用下作擺線運動。高能電子束縛在陰極表面與工作氣體分子發(fā)生碰撞,

傳遞能量，并成為低能電子。

離子束濺射:離子源、屏蔽罩。由大口徑離子束發(fā)生源引出惰性氣體，使其照射在靶上產(chǎn)

生建設(shè)作用，利用濺射出的粒子淀積在基片上制得薄膜。

10.離子鍍膜的優(yōu)缺點？

答：優(yōu)點（1）膜層的附著性好。利用輝光放電產(chǎn)生的大量高能粒子對基片進(jìn)行清洗，在

膜基界面形成過渡層或膜材與基材的成分混合層，有效的改善膜層的附著性能（2）膜層的

密度高（通常和大塊材料密度相同）。（3）繞射性能好。（4）可鍍材質(zhì)范圍廣泛（5）有利于

化合物膜層的形成（6）淀積速率高，成膜速率快，可鍍較厚的膜。

缺點：（1）膜層的缺陷密度高（2）高能粒子轟擊基片溫度高，需要進(jìn)行冷卻。

第四次作業(yè)

5.CVD的必要條件？

1.在沉積溫度下，反應(yīng)物具有足夠的蒸氣壓，并能以適當(dāng)?shù)乃俣缺灰敕磻?yīng)室；

2.反應(yīng)產(chǎn)物除了形成固態(tài)薄膜物質(zhì)外，都必須是揮發(fā)性的；

3.沉積薄膜和基體材料必須具有足夠低的蒸氣壓，

6.什么是低壓CVD和等離子CVD?各有何優(yōu)點？

答：低壓CVD：氣相輸運和反應(yīng)。低壓下氣體擴(kuò)散系數(shù)增大，使氣態(tài)反應(yīng)物和副產(chǎn)物的

質(zhì)量傳輸速率加快，形成薄膜的反應(yīng)速率增加。

等離子CVD：等離子體參與的利用在等離子狀態(tài)下粒子具有的較高能量，使沉積溫度降

低。

7.試述薄膜與襯底附著的機(jī)理及對附著力的影響。

薄膜與襯底的附著機(jī)理：薄膜之所以能附著在基底上，是范德華力、擴(kuò)散附著、機(jī)械咬合等

綜合作用結(jié)果，可能涉及以下3種機(jī)理:①機(jī)械結(jié)合。由于薄膜本身和基底均是凹凸不平，兩

者之間形成相互交錯咬合。在單純機(jī)械結(jié)合情況下，薄膜的附著力一般都較低。②物理結(jié)合。

薄膜與基底之間因范德華力而結(jié)合在一起。雖然這種引力的值較小，只有0.1~0.5eV,但仍會

造成很強(qiáng)的薄膜附著力,附著力一般在10-至10'N.cm2。③化學(xué)鍵合。薄膜與襯底界面兩側(cè)

原子之間可能形成化學(xué)鍵合。化學(xué)鍵合對于提高薄膜附著力具有重要影響?；?/p>

學(xué)鍵合所提供的能量一般在0.5~10eV之間，相應(yīng)的附著力為10°N?cm上述3種機(jī)理單獨

或者共同決定著薄膜與襯底附著。

8.化學(xué)鍍的原理和特點？

答：化學(xué)鍍膜是指在還原劑的作用下，使金屬鹽中的金屬離子還原成原子，在基片表面

沉積的鍍膜技術(shù)，又稱無電源電鍍。化學(xué)鍍不加電場、直接通過化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)薄膜沉積。

化學(xué)鍍膜的還原反應(yīng)必須在催化劑的作用下才能進(jìn)行，且沉積反應(yīng)只發(fā)生在基片表面上。

薄膜物理與技術(shù)題庫

一、填空題

在離子鍍膜成膜過程中，同時存在沉積和濺射作用，只有當(dāng)前者超過后者

時，才能發(fā)生薄膜的沉積

薄膜的形成過程一般分為：凝結(jié)過程、核形成與生長過程、島形成與結(jié)合

生長過程

薄膜形成與生長的三種模式：層狀生長，島狀生長，層狀-島狀生長

在氣體成分和電極材料一定條件下，起輝電壓V只與氣體的壓強(qiáng)P和

電極距離的乘積有關(guān)。

1.表征濺射特性的參量主要有濺射率、濺射閾、濺射粒子的

速度和能量等。

2.溶膠(Sol)是具有液體特征的膠體體系，分散的粒子是固體或者大分子,

分散的粒子大小在1~lOOnm之間。

3.薄膜的組織結(jié)構(gòu)是指它的結(jié)晶形態(tài)，其結(jié)構(gòu)分為四種類型：無定形結(jié)

構(gòu)，多晶結(jié)構(gòu)，纖維結(jié)構(gòu)，單晶結(jié)構(gòu)。

4.氣體分子的速度具有很大的分布空間。溫度越高、氣體分子的相對原子質(zhì)

量越小，分子的平均運動速度越快。

二、解釋下列概念

濺射：濺射是指荷能粒子轟擊固體表面(靶)，使固體原子(或分子)從

表面射出的現(xiàn)象

氣體分子的平均自由程：每個分子在連續(xù)兩次碰撞之間的路程稱為自由程，其

2="

統(tǒng)計平均值：稱為平均自由程，

飽和蒸氣壓：在一定溫度下，真空室內(nèi)蒸發(fā)物質(zhì)與固體或液體平衡過程中所表

現(xiàn)出的壓力。

凝結(jié)系數(shù)：當(dāng)蒸發(fā)的氣相原子入射到基體表面上，除了被彈性反射和吸附

后再蒸發(fā)的原子之外，完全被基體表面所凝結(jié)的氣相原子數(shù)與入射到基體表面

上總氣相原子數(shù)之比。

物理氣相沉積法：物理氣相沉積法(Physicalvapordeposition)是利用某種物

理過程，如物質(zhì)的蒸發(fā)或在受到粒子轟擊時物質(zhì)表面原子的濺射等現(xiàn)象，實現(xiàn)

物質(zhì)原子從源物質(zhì)到薄膜的可控轉(zhuǎn)移的過程

真空蒸發(fā)鍍膜法：是在真空室內(nèi)，加熱蒸發(fā)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，形成蒸氣流，入射到固體（稱為襯底、基片或基

板）表面，凝結(jié)形成固態(tài)

濺射鍍膜法：利用帶有電荷的離子在電場加速后具有一定動能的特點，將離子

引向欲被濺射的物質(zhì)作成的靶電極。在離子能量合適的情況下，入射離子在與

靶表面原子的碰撞過程中將靶原子濺射出來，這些被濺射出來的原子帶有一定

的動能，并且會沿著一定的方向射向襯底，從而實現(xiàn)薄膜的沉積。

離化率：離化率是指被電離的原子數(shù)占全部蒸發(fā)原子數(shù)的百分比例。是衡量離

子鍍特性的一個重要指標(biāo)。

化學(xué)氣相沉積：是利用氣態(tài)的先驅(qū)反應(yīng)物，通過原子、分子間化學(xué)反應(yīng)的途徑

生成固態(tài)薄膜的技術(shù)。

物理氣相沉積：是利用某種物理過程，如物質(zhì)的蒸發(fā)或在受到離子轟擊時物質(zhì)

表面原子濺射的現(xiàn)象，實現(xiàn)物質(zhì)原子從源物質(zhì)到薄膜的可控轉(zhuǎn)移過程。

濺射閾值：濺射閾值是指使靶材原子發(fā)生濺射的入射離子所必須具有的最小能

量。

薄膜材料：采用特殊工藝，在體材表面上，一層或多層，厚度為一個或幾十個

原子層，性質(zhì)不同于體材表面的特質(zhì)層。

氣體平均自由程：指氣體分子在兩次碰撞的間隔時間里走過的平均距離。

等離子體的鞘層電位：電子與離子具有不同的速度的一個直接后果就是形成所

謂的等離子體鞘層電位，即相對于等離子體，任何位于等離子體中或其附近的

物體都將會自動地處于一個負(fù)電位，并且在其表面伴有正電荷的積累。

5.薄膜的外延生長：在完整的單晶存底上延續(xù)生長單晶薄膜的方法稱為外延

生長。

6,氣體分子的通量：單位時間，氣體分子在單位表面積上碰撞分子的頻率。

7,磁控濺射：通過引入磁場，利用磁場對帶電粒子的束縛作用來提高濺射效

率和沉積速率的濺射方法稱為磁控濺射。

8.真空規(guī)：真空測量用的元件稱為真空規(guī)。

三、回答下列問題

工、真空的概念？怎樣表示真空程度，為什么說真空是薄膜制備的基礎(chǔ)？

在給定的空間內(nèi)，氣體的壓強(qiáng)低于一個大氣壓的狀態(tài)，稱為真空

真空度、壓強(qiáng)、氣體分子密度：單位體積中氣體分子數(shù)；氣體分子的平均自

由程；形成一個分子層所需的時間等

物理氣相沉積法中的真空蒸發(fā)、濺射鍍膜和離子鍍等是基本的薄膜制備技術(shù)。

它們均要求沉積薄膜的空間有一定的真空度。

2、討論工作氣體壓力對濺射鍍膜過程的影響？

在相對較低的壓力下，電子的平均自由程較長，電子在陽極上消耗的幾率增

大，通過碰撞過程引起氣體分子電離的幾率較低。同時，離子在陰極上濺射的

同時發(fā)射出二次電子的幾率又由于氣壓較低而相對較小。這些均導(dǎo)致低壓條件

下濺射的速率很低。

在相對較低的壓力下，入射到襯底表面的原子沒有經(jīng)過很多次碰撞，因而其能

量較高，這有利于提供沉積時原子的擴(kuò)散能力，提供沉積組織的致密性

在相對較高的壓力下，濺射出來的靶材原子甚至?xí)簧⑸浠匕胁谋砻娉两迪?/p>

來，因而沉積到襯底的幾率反而下降

在相對較高的壓力下，使得入射原子的能量降低，這不利于薄膜組織的致密化

濺射法鍍膜的沉積速率將會隨著氣壓的變化出現(xiàn)一個極大值

3、物理氣相沉積法的共同特點？

(1)需要使用固態(tài)的或者熔融態(tài)的物質(zhì)作為沉積過程的源物質(zhì)

⑵源物質(zhì)經(jīng)過物理過程而進(jìn)入氣相

(3)需要相對較低的氣體壓力環(huán)境

(4)在氣相中及在襯底表面并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)

4、簡述化學(xué)氣相沉積的特點？

(1)既可以制備金屬薄膜、非金屬薄膜，又可按要求制備多成分的合金薄膜

⑵成膜速度可以很快，每分鐘可達(dá)幾個微米甚至數(shù)百微米

⑶CVD反應(yīng)在常壓或低真空進(jìn)行，鍍膜的繞射性好，對于形狀復(fù)雜的表面或

工件的深孔、細(xì)孔都能均勻鍍覆，在這方面比PVD優(yōu)越得多

(4)能得到純度高、致密性好、殘余應(yīng)力小、結(jié)晶良好的薄膜鍍層。由于反應(yīng)

氣體、反應(yīng)產(chǎn)物和基體的相互擴(kuò)散，可以得到附著力好的膜層，這對表面鈍

化、抗蝕及耐磨等表面增強(qiáng)膜是很重要的

⑸由于薄膜生長的溫度比膜材料的熔點低得多，由此可以得到純度高、結(jié)晶

完全的膜層，這是有些半導(dǎo)體膜層所必須的

(6)CVD方法可獲得平滑的沉積表面

⑺輻射損傷低。這是制造MOS半導(dǎo)體器件等不可缺少的條件

化學(xué)氣相沉積的主要缺點是：

反應(yīng)溫度太高，一般要1000C。左右，許多基體材料都耐受不

住CVD的高溫，因此限制了它的應(yīng)用范圍

5、輝光放電過程中為什么Pd太小或太大，都不容易起輝放電？

如果氣體壓強(qiáng)太低或極間距離太小，二次電子在到達(dá)陽極前不能使足夠的氣體

分子被碰撞電離，形成一定數(shù)量的離子和二次電子，會使輝光放電熄滅

氣體壓強(qiáng)太高或極間距離太大，二次電子因多次碰撞而得不到加速，也不能產(chǎn)

生輝光

6、真空蒸發(fā)系統(tǒng)應(yīng)包括那些組成部分？

Q)真空室，為蒸發(fā)過程提供必要的真空環(huán)境

(2)蒸發(fā)源或蒸發(fā)加熱器，放置蒸發(fā)材料并對其加熱

(3)基板，用于接受蒸發(fā)物質(zhì)并在其表面形成固態(tài)薄膜

(4)基板加熱器及測溫器等

7、什么是等離子體？以及等離子體的分類(按電離程度)？

帶正電的粒子與帶負(fù)電的粒子具有幾乎相同的密度，整體呈電中性狀態(tài)的粒子

集合體

按電離程度等離子體可分為

部分電離及弱電離等離子體和完全電離等離子體兩大類

部分電離及弱電離等離子體中大部分為中性粒子，只有部分或極少量中性粒子

被電離

完全電離等離子體中所有中性粒子都被電離，而呈離子態(tài)、電子態(tài)

8、簡述化學(xué)吸附的特點？

1,吸附力是由吸附劑與吸附質(zhì)分子之間產(chǎn)生的化學(xué)鍵力，一般較強(qiáng)。

2,吸附熱較高，接近于化學(xué)反應(yīng)熱，一般在40kJ/mol以上

3,吸附有選擇性，固體表面的活性位只吸附與之可發(fā)生反應(yīng)的氣體分子，如

酸位吸附堿性分子，反之亦然

4.吸附很穩(wěn)定，一旦吸附，就不易解吸

5,吸附是單分子層的

6,吸附需要活化能，溫度升高，吸附和解吸速率加快

9、簡述分子束外延鍍膜的特點：

(1)MBE雖然也是一個以氣體分子運動論為基礎(chǔ)的蒸發(fā)過程，但它不是以蒸發(fā)

溫度為控制參數(shù)，而是以系統(tǒng)中的四極質(zhì)譜儀、原子吸收光譜等近代分析儀

器，精密地監(jiān)控分子束的種類和強(qiáng)度，從而嚴(yán)格控制生長過程和生長速率

⑵MBE是一個超高真空的物理沉積過程，既不需要考慮中間化學(xué)反應(yīng)，又不

受質(zhì)量傳輸?shù)挠绊懀⑶依每扉T可對生長和中斷瞬時調(diào)整。膜的組分和摻雜

濃度可隨源的變化作迅速調(diào)整

⑶MBE的襯底溫度低，因此降低了界面上熱膨脹引入的晶格失配效應(yīng)和襯底

雜質(zhì)對外延層的自摻雜和擴(kuò)散的影響

(4)MBE是動力學(xué)過程，即將入射的中性粒子(原子或分子)一個一個地堆積

在襯底上進(jìn)行生長，而不是一個熱力學(xué)過程，所以它可生長按照普通熱平衡生

長方法難以生長的薄膜

⑸MBE的另一顯著特點是生長速率低，大約1klm/h，相當(dāng)于每秒生長一個

單原子層，因此有利于實現(xiàn)精確控制厚度、結(jié)構(gòu)與成分和形成陡峭異質(zhì)結(jié)等。

MBE特別適于生長超晶格材料

(6)MBE是在一個超高真空環(huán)境中進(jìn)行的，而且襯底和分子束源相隔較遠(yuǎn)，因

此可用多種表面分析儀器實時觀察生長面上的成分結(jié)構(gòu)及生長過程，有利于科

學(xué)研究

10、簡述CVD輸運反應(yīng)的原理

把需要沉積的物質(zhì)當(dāng)作源物質(zhì)（不揮發(fā)性物質(zhì)），借助于適當(dāng)?shù)臍鈶B(tài)介質(zhì)與之

反應(yīng)而形成一種氣態(tài)化合物，這種氣態(tài)化合物經(jīng)化學(xué)遷移或物理載帶（利用載

氣）輸運到與源區(qū)溫度不同的沉積區(qū)，并在基板上發(fā)生逆向反應(yīng)，使源物質(zhì)重

新在基板上沉積出來，這樣的過程稱為化學(xué)輸運反應(yīng)。

1、描述氣體分子從表面的反射-余弦定律及其意義？

d（D

—■-C05v

n碰撞于固體表面的分子，它們飛離表面的方向與原入射方向無

關(guān)，并按與表面法線方向所成角度e的余弦進(jìn)行分布。則一個分子在離開其表

面時，處于立體角dw（與表面法線成。角）中的幾率是：

式中工/TT是歸一化條件，即位于2TT立體角中的幾率為1而出現(xiàn)的余弦定律

的重要意義在于：

（1）它揭示了固體表面對氣體分子作用的另一個方面，即將分子原有的方向性

徹底“消除”，均按余弦定律散射

（2）分子在固體表面要停留一定的時間，這是氣體分子能夠與固體進(jìn)行能量交

換和動量交換的先決條件，這一點有重要的實際意義

2,氣體分子的平均自由程概念及其與壓強(qiáng)關(guān)系的表達(dá)式？

每個分子在連續(xù)兩次碰撞之間的路程稱為自由程，其統(tǒng)計平均值：

1=1

?RJt/P稱為平均自由程，平均自由程與分子密度n和分子直徑。的平方

成反比關(guān)系

平均自由程與壓強(qiáng)成反比，與溫度成正比。

3.通常對蒸發(fā)源材料的要求？

(1)熔點要高

(2)飽和蒸氣壓低

(3)化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在高溫下不與蒸發(fā)材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)

(4)具有良好的耐熱性，熱源變化時，功率密度變化很小

(5)原料豐富，經(jīng)濟(jì)耐用

4.如何解決蒸發(fā)過程中的分鐳問題？

(1)使用較多的物質(zhì)作為蒸發(fā)源，盡量減少組元成分的相對變化率

(2)采用向蒸發(fā)容器中不斷地，但每次僅加入少量被蒸發(fā)物質(zhì)的方法

(3)利用加熱不同溫度的雙蒸發(fā)源或多蒸發(fā)源的方法，分別控制和調(diào)節(jié)每個組

元的蒸發(fā)速率，此方法用得較為普遍

采用真空蒸發(fā)法制作預(yù)定組成的薄膜，經(jīng)常采用瞬時蒸發(fā)法、雙蒸發(fā)源法及合

金升華法

5,簡述激光蒸發(fā)法的特點？

(1)激光加熱可以達(dá)到極高的溫度，可蒸發(fā)任何高熔點的材料，且可獲得很高

的蒸發(fā)速率

(2)由于采用非接觸式加熱，激光器可以安放在真空室外，既完全避免了蒸發(fā)

源的污染，又簡化了真空室，非常適宜在高真空下制備高純薄膜

(3)利用激光束加熱能夠?qū)δ承┗衔锘蚝辖疬M(jìn)行閃爍蒸發(fā)，有利于保證膜成

分的化學(xué)計量比或防止分解；又由于材料氣化時間短促，不足以使四周材料達(dá)

到蒸發(fā)溫度，所以激光蒸發(fā)不易出現(xiàn)分鐳現(xiàn)象

6.簡述蒸發(fā)鍍膜相比濺射鍍膜工藝的特點？

濺射鍍膜與真空鍍膜相比，有如下特點：

(1)任何物質(zhì)均可以濺射，尤其是高熔點、低蒸氣壓元素和化合物。不論是金

屬、半導(dǎo)體、絕緣體、化合物和混合物等，只要是固體，不論是塊狀、粒狀的

物質(zhì)都可以作為靶材

(2)濺射膜與基板之間的附著性好

⑶濺射鍍膜密度高，針孔少，且膜層的純度較高，因為在濺射鍍膜過程中，

不存在真空蒸鍍時無法避免的堪堪污染現(xiàn)象

(4)膜厚可控性和重復(fù)性好；可在較大面積上獲得厚度均勻的薄膜

7.為什么射頻輝光放電的擊穿電壓和維持放電的工作電壓均降低？

產(chǎn)生射頻放電時，外加電壓的變化周期小于電離和消電離所需時間(一般在

10-6秒左右)，等離子體濃度來不及變化。由于電子的質(zhì)量小，很容易跟隨

外電場從射頻場中吸收能量并在場內(nèi)作振蕩運動。因此增加了氣體分子的碰撞

幾率，并使電離能力顯著提高

射頻輝光放電的擊穿電壓只有直流輝光放電的1/10

射頻輝光放電可以在較低的壓力下進(jìn)行。直流輝光放電常在l-10Pa運行，射

頻輝光放電可以在10-2-10-lPa運行

8.簡述CVD反應(yīng)的基本類型？

a.熱分解反應(yīng)

b,還原或置換反應(yīng)

c.氧化或氮化反應(yīng)

d.歧化反應(yīng)

9,簡述任何CVD所用的反應(yīng)體系，都必須滿足的基本條件？

(1)在沉積溫度下，反應(yīng)物必須有足夠高的蒸氣壓，要保證能以適當(dāng)?shù)乃俣缺?/p>

引入反應(yīng)室

(2)反應(yīng)產(chǎn)物除了所需要的沉積物為固態(tài)薄膜之外，其他產(chǎn)物必須是揮發(fā)性的

⑶沉積薄膜本身必須具有足夠低的蒸氣壓，以保證在整個沉積反應(yīng)過程中都

能保持在受熱的基體上；基體材料在沉積溫度下的蒸氣壓也必須足夠低

10.簡述膠體制備的一般條件，及主要制備方法？

(1)分散相在介質(zhì)中的溶解度須極小

(2)必須有穩(wěn)定劑存在

制備方法：

(1)還原法主要用于制備各種金屬溶膠

⑵氧化法用硝酸等氧化劑氧化硫化氫水溶液，可制得硫溶膠

⑶水解法多用來制備金屬氫氧化物溶膠

(4)復(fù)分解反應(yīng)法常用來制備鹽類的溶膠

五、計算:處于1527C。下的鎮(zhèn)銘合金(Ni80%,Cr20%)在PCr=10Pa,

PNi=lPa時，它們的蒸發(fā)速率之比(MNi=58.7MCr=52.0)

G.町,4—

=竺?再皿

801J520

薄膜物理與技術(shù)要點總結(jié)

第一章

最可幾速率：根據(jù)麥克斯韋速率分布規(guī)律，可以從理論上推得分子速率在匕處有極大值,

匕稱為最可幾速率產(chǎn)%=產(chǎn)為=1.41心%Vm速度分布

平均速度：解焉=產(chǎn)圖=1-5%%，分子運動平均距離

均方根速度:=四%=秒%L73^平均動能

真空的劃分：粗真空、低真空、高真空、超高真空。

真空計：利用低壓強(qiáng)氣體的熱傳導(dǎo)和壓強(qiáng)有關(guān)；(熱偶真空計)

利用氣體分子電離；(電離真空計)

真空泵：機(jī)械泵、擴(kuò)散泵、分子泵、羅茨泵

機(jī)械泵：利用機(jī)械力壓縮和排除氣體

擴(kuò)散泵：利用被抽氣體向蒸氣流擴(kuò)散的想象來實現(xiàn)排氣作用

分子泵：前級泵利用動量傳輸把排氣口的氣體分子帶走獲得真空。

第二章

L什么是飽和蒸氣壓？蒸發(fā)溫度？

飽和蒸氣壓：在一定溫度下，真空室內(nèi)蒸發(fā)物質(zhì)的蒸氣與固體或液體平衡過程中所表現(xiàn)出的

壓力

蒸發(fā)溫度：物質(zhì)在飽和蒸氣壓為10'托時的溫度。

2.克--克方程及其意義？

TPvHv

克-克方程F=F,可以知道飽和蒸氣壓和溫度的關(guān)系，對于薄膜的制作技術(shù)

dTT(Vg-Vs)

有重要實際意義，幫助我們合理地選擇蒸發(fā)材料和確定蒸發(fā)條件.

3.蒸發(fā)速率、溫度變化對其的影響？

在蒸發(fā)源以上溫度蒸發(fā)，蒸發(fā)源溫度的微小變化即可以引起蒸發(fā)速率發(fā)生很大變化。

4.平均自由程與碰撞幾率的概念？

氣體分子處于不規(guī)則的熱運動狀態(tài)，每個氣體分子在連續(xù)兩次碰撞之間的路程稱為自由

程”，其統(tǒng)計平均值稱為“平均自由程”。

蒸發(fā)材料分子能與真空室中殘余氣體分子相互碰撞的數(shù)目占總的蒸發(fā)材料分子的百分?jǐn)?shù)

5.點蒸發(fā)和小平面蒸發(fā)源特性？

點蒸發(fā)源：能夠從各個方向蒸發(fā)等量材料小平面蒸發(fā)源：發(fā)射具有方向性，使在夕角方向

蒸發(fā)的材料質(zhì)量和cos。成正比。

6.拉烏爾定律？如何控制合金薄膜的組分？

拉烏爾定律：在定溫下，在稀溶液中，溶劑的蒸氣壓等于純?nèi)軇┱魵鈮撼艘匀芤褐腥軇┑?/p>

物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)。為保證薄膜組成，經(jīng)常采用瞬時蒸發(fā)法、雙蒸發(fā)源法(將要形成合金的

每一成分，分別裝入各自的蒸發(fā)源中，然后獨立地控制其蒸發(fā)速率，使達(dá)到基板的各種原子

符合組成要求。)

7.MBE的特點？

(1)是以系統(tǒng)中的四級質(zhì)譜儀、原子吸收光譜等儀器，精密的監(jiān)測分子束的強(qiáng)度和種類，

從而嚴(yán)格控制生長過程和生長速率。

(2)膜的組分和摻雜濃度可隨源的變化迅速做出調(diào)整。

(3)襯底溫度低，降低了界面上熱膨脹引起的晶格失配效應(yīng)和襯底雜質(zhì)對外延層的自摻雜

擴(kuò)散影響。

(4)是一個動力學(xué)過程，它可以生長按照普通熱平衡生長方法難以生長的薄膜。

(5)生長速率低，有利于實現(xiàn)精確控制厚度、結(jié)構(gòu)與成分和形成陡峭異質(zhì)結(jié)

(6)可用多種分析儀器實時觀察生長面上的成分、結(jié)構(gòu)和生長過程，有利于科學(xué)研究

8.膜厚的定義？監(jiān)控方法？

膜厚的定義，應(yīng)該根據(jù)測量的方法和目的來決定。

稱重法(微量天平法石英晶體振蕩法)電學(xué)方法(電阻法電容法電離式監(jiān)控記法)

光學(xué)方法(光吸收法光干涉法等厚干涉條紋法)觸針法(差動變壓器法阻抗放大法

壓電元件法

第三章

1.濺射鍍膜和真空鍍膜的特點？

L任何物質(zhì)都可以濺射，尤其是高熔點、低蒸氣壓元素化合物2.濺射膜和基板的附著性好

3.濺射鍍膜密度高，針孔少，且膜層的純度較高4.膜度可控性和重復(fù)性好

2.正常輝光放電和異常輝光放電的特征？

正常輝光放電：在一定電流密度范圍內(nèi)，放電電壓維持不變。

異常輝光放電：電流增大時，放電電極間電壓升高，且陰極電壓降與電流密度和氣體壓強(qiáng)

有關(guān)。

3.射頻輝光放電的特點？

1.在輝光放電空間產(chǎn)生的電子可以獲得足夠的能量，足以產(chǎn)生碰撞電離；

2.由于減少了放電對二次電子的依賴，降低了擊穿電壓；

3.射頻電壓可以通過各種阻抗偶合，所以電極可以是非金屬材料。

4.濺射的概念及濺射參數(shù)？

濺射是指荷能粒子轟擊固體表面（靶），使固體原子或者分子從表面射出的現(xiàn)象。

1.濺射閾值2.濺射率及其影響因素3.濺射粒子的速度和能量分布4.濺射原子的角度分布

5.濺射率的計算

5.濺射機(jī)理？

1.濺射率隨入射離子能量增大而增大，在離子能量達(dá)到一定程度后，由于離子注入效應(yīng)，濺

射率減?。?/p>

2.濺射率的大小與入射離子的質(zhì)量有關(guān)；

3.當(dāng)入射離子能量小于濺射閾值時，不會發(fā)生濺射；

4.濺射原子的能量比蒸發(fā)原子大許多倍；

5.入射離子能量低時，濺射原子角度分布不完全符合余弦定律，與入射離子方向有關(guān)；

6.電子轟擊靶材不會發(fā)生濺射現(xiàn)象。

6.二極直流濺射、偏壓濺射、三極或四極濺射、射頻濺射、磁控濺射、離子束濺射結(jié)構(gòu)及原

理？

二極直流濺射靶材為良導(dǎo)體，依靠氣體放電產(chǎn)生的正離子飛向陰極靶，一次電子飛向陽極，

放電依靠正離子轟擊陰極所產(chǎn)生的二次電子，經(jīng)陰極加速后被消耗補(bǔ)充的一次電子維持。

三極或四極濺射：熱陰極發(fā)射的電子與陽極產(chǎn)生等離子體，靶相對于該等離子體為負(fù)電位.

為把陰極發(fā)射的電子全部吸引過來，陽極上加正偏壓，20V左右。為使放電穩(wěn)定，增加第四

個電極----穩(wěn)定化電極.

偏壓濺射：基片施加負(fù)偏壓，在淀積過程中，基片表面將受到氣體粒子的穩(wěn)定轟擊，隨時消

除可能進(jìn)入薄膜表面的氣體，有利于提高薄膜純度，并且也可除掉粘除力弱的淀積粒子，對

基片進(jìn)行清洗，表面凈化，還可改變淀積薄膜的結(jié)構(gòu)。

射頻濺射：可以用射頻輝光放電解釋。等離子體中的電子容易在射頻場中吸收能量并在電

場內(nèi)振蕩，與工作氣體的碰撞幾率增大，從而使擊穿電壓和放電電壓顯著降低。

磁控濺射：使用了磁控靶,施加磁場來改變電子的運動方向，束縛并延長電子運動軌跡，進(jìn)而

提高電子對工作氣體的電離效率和濺射沉積率。在陰極靶的表面上形成一個正交的電磁場。

濺射產(chǎn)生的二次電子在陰極位降區(qū)內(nèi)被加速成為高能電子，但是它并不直接飛向陽極，而在

電場和磁場的作用下作擺線運動。高能電子束縛在陰極表面與工作氣體分子發(fā)生碰撞，傳遞

能量，并成為低能電子。

離子束濺射:離子源、屏蔽罩。由大口徑離子束發(fā)生源引出惰性氣體，使其照射在靶上產(chǎn)生建

設(shè)作用，利用濺射出的粒子淀積在基片上制得薄膜。

第四章

1.離子鍍膜的優(yōu)缺點？

優(yōu)點：（1）膜層的附著性好。利用輝光放電產(chǎn)生的大量高能粒子對基片進(jìn)行清洗，在膜基界

面形成過渡層或膜材與基材的成分混合層，有效的改善膜層的附著性能（2）膜層的密度高

（通常和大塊材料密度相同）。（3）繞射性能好。（4）可鍍材質(zhì)范圍廣泛（5）有利于化合物

膜層的形成（6）淀積速率高，成膜速率快，可鍍較厚的膜。

缺點：（1）膜層的缺陷密度高（2）高能粒子轟擊基片溫度高，需要進(jìn)行冷卻。

2.離子鍍膜系統(tǒng)工作的必要條件？

必要條件：造成一個氣體放電的空間；將鍍料原子（金屬原子或非金屬原子）引進(jìn)放電空間，

使其部分離化。

成膜條件in>rij

3.離子鍍膜技術(shù)的分類？

直流二極型離子鍍、三極和多陰極型離子鍍、活性反應(yīng)離子鍍膜、射頻離子鍍膜技術(shù)、

4.直流二極濺射、三極和多陰極離子鍍、活性反應(yīng)離子鍍、射頻離子鍍的原理和特點？

直流二極型離子鍍是利用二極間的輝光放電產(chǎn)生離子、并由基板所加的負(fù)電壓對其加速。

特點：轟擊離子能量大，引起基片溫度升高，薄膜表面粗糙，質(zhì)量差；工藝參數(shù)難于控制。

設(shè)備簡單，技術(shù)容易實現(xiàn)，用普通真空鍍膜機(jī)就可以改裝，因此也具有一定實用價值。附著

力好。

三極和多陰極型離子鍍

特點：可實現(xiàn)低氣壓下的離子鍍膜，鍍膜質(zhì)量好，光澤致密；多陰極方式中，陰極電壓在200V

就能在10-3Torr左右開始放電；改變輔助陰極（多陰極）的燈絲電流來控制放電狀態(tài)；燈絲

處于基板四周，擴(kuò)大了陰極區(qū)、改善了繞射性，減少了高能離子對工件的轟擊作用.

活性反應(yīng)離子鍍阱用各種不同的放電方式使金屬蒸氣和反應(yīng)氣體的分子、原子激活、離化、

使其活化，促進(jìn)其間的化學(xué)反應(yīng)，在基片表面就可以獲得化合物薄膜

特點：增加了反應(yīng)物的活性，在溫度較低的情況下就能獲得附著性能良好的碳化物、氮化物

薄膜；可以在任何材料上制備薄膜，并可獲得多種化合物薄膜；淀積速率高；調(diào)節(jié)或改變蒸

發(fā)速率及反應(yīng)氣體壓力可以十分方便地制取不同配比、不同結(jié)構(gòu)、不同性質(zhì)的同類化合物；

由于采用了大功率、高功率密度的電子束蒸發(fā)源，幾乎可以蒸鍍所有金屬和化合物；清潔，

無公害。

射頻離子鍍：通過分別調(diào)節(jié)蒸發(fā)源功率、線圈的激勵功率、基板偏壓等，可以對上述三個區(qū)

域進(jìn)行獨立的控制，由此可以在一定程度上改善膜層的物性。

特點：蒸發(fā)、離化、加速三種過程可分別獨立控制，離化率靠射頻激勵，基板周圍不產(chǎn)生陰

極暗區(qū)；較低工作壓力下也能穩(wěn)定放電，而且離化率較高，薄膜質(zhì)量好；容易進(jìn)行反應(yīng)離子

鍍；基板溫升低而且較容易控制；工作真空度較高，故鍍膜的繞射性差，射頻對人體有害；

可以制備敏感、耐熱、耐磨、抗蝕和裝飾薄膜。

第五章

1.CVD熱力學(xué)分析的主要目的？

CVD熱力學(xué)分析的主要目的是預(yù)測某些特定條件下某些CVD反應(yīng)的可行性（化學(xué)反應(yīng)的方

向和限度）。在溫度、壓強(qiáng)和反應(yīng)物濃度給定的條件下，熱力學(xué)計算能從理論上給出沉積薄

膜的量和所有氣體的分壓，但是不能給出沉積速率。熱力學(xué)分析可作為確定CVD工藝參數(shù)

的參考

2.CVD過程自由能與反應(yīng)平衡常數(shù)的過程判據(jù)？

與反應(yīng)系統(tǒng)的化學(xué)平衡常數(shù)有關(guān)。AGr=-23RTlog勺

AGrK?

n/m

K=1[e（生成物）/「[q.（反應(yīng)物）

Pi=l/J=1

3.CVD熱力學(xué)基本內(nèi)容？反應(yīng)速率及其影響因素？

按熱力學(xué)原理，化學(xué)反應(yīng)的自由能變化AG,.可以用反應(yīng)物和生成物的標(biāo)準(zhǔn)自由能AG/

來計算，即Aa=246/（生成物）-2人^（反應(yīng)物）

嚙較低襯底溫度下，7隨溫度按指數(shù)規(guī)律變化。較高襯底溫度下，反應(yīng)物及副產(chǎn)

筋扇養(yǎng)最速率為決定反應(yīng)速率的主要因素。

4.熱分解反應(yīng)、化學(xué)合成反應(yīng)及化學(xué)輸運反應(yīng)及其特點？

熱分解反應(yīng)：在簡單的單溫區(qū)爐中，在真空或惰性氣體保護(hù)下加熱基體至所需溫度后，導(dǎo)入

反應(yīng)物氣體使之發(fā)生熱分解，最后在基體上沉積出固體圖層。

特點：主要問題是源物質(zhì)的選擇和確定分解溫度。選擇源物質(zhì)考慮蒸氣壓與溫度的關(guān)系，注

意在該溫度下的分解產(chǎn)物中固相僅為所需沉積物質(zhì)。

化學(xué)合成反應(yīng)：化學(xué)合成反應(yīng)是指兩種或兩種以上的氣態(tài)反應(yīng)物在熱基片上發(fā)生的相互反

應(yīng)。

特點：比熱分解法的應(yīng)用范圍更加廣泛。可以制備單晶、多晶和非晶薄膜。容易進(jìn)行摻雜。

化學(xué)輸運反應(yīng)：將薄膜物質(zhì)作為源物質(zhì)（無揮發(fā)性物質(zhì)），借助適當(dāng)?shù)臍怏w介質(zhì)與之反應(yīng)而

形成氣態(tài)化合物，這種氣態(tài)化合物經(jīng)過化學(xué)遷移或物理輸運到與源區(qū)溫度不同的沉積區(qū)，在

基片上再通過逆反應(yīng)使源物質(zhì)重新分解出來，這種反應(yīng)過程稱為化學(xué)輸運反應(yīng)。

特點：AT=工-T?不能太大；平衡常數(shù)KP接近于1。

5.CVD的必要條件？

1.在沉積溫度下，反應(yīng)物具有足夠的蒸氣壓，并能以適當(dāng)?shù)乃俣缺灰敕磻?yīng)室；

2.反應(yīng)產(chǎn)物除了形成固態(tài)薄膜物質(zhì)外，都必須是揮發(fā)性的；

3.沉積薄膜和基體材料必須具有足夠低的蒸氣壓，

6.什么是冷壁CVD?什么是熱壁CVD?特點是什么？

冷壁CVD:器壁和原料區(qū)都不加熱，僅基片被加熱，沉積區(qū)一般采用感應(yīng)加熱或光輻射加

熱。缺點是有較大溫差，溫度均勻性問題需特別設(shè)計來克服。適合反應(yīng)物在室溫下是氣體或

具有較高蒸氣壓的液體。

熱壁CVD:器壁和原料區(qū)都是加熱的，反應(yīng)器壁加熱是為了防止反應(yīng)物冷凝。管壁有反應(yīng)

物沉積，易剝落造成污染。

7.什么是開管CVD?什么是閉管CVD?特點是什么？

開口CVD的特點：能連續(xù)地供氣和排氣；反應(yīng)總處于非平衡狀態(tài)；在大多數(shù)情況下，開口

體系是在一個大氣壓或稍高于一個大氣壓下進(jìn)行的；開口體系的沉積工藝容易控制，工藝重

現(xiàn)性好，工件容易取放，同一裝置可反復(fù)多次使用；有立式和臥式兩種形式。

閉管法的優(yōu)點：污染的機(jī)會少，不必連續(xù)抽氣保持反應(yīng)器內(nèi)的真空，可以沉積蒸氣壓高的物

質(zhì)。缺點：材料生長速率慢，不適合大批量生長，一次性反應(yīng)器，生長成本高；管內(nèi)壓力檢

測困難等。關(guān)鍵環(huán)節(jié)：反應(yīng)器材料選擇、裝料壓力計算、溫度選擇和控制等。

8.什么是低壓CVD和等離子CVD?

低壓CVD:氣相輸運和反應(yīng)。低壓下氣體擴(kuò)散系數(shù)增大，使氣態(tài)反應(yīng)物和副產(chǎn)物的質(zhì)量傳

輸速率加快，形成薄膜的反應(yīng)速率增加。

等離子CVD:等離子體參與的利用在等離子狀態(tài)下粒子具有的較高能量，使沉積溫度降低

化學(xué)氣相沉積稱為等離子化學(xué)氣相沉積。

第六章

1.什么是化學(xué)鍍？它與化學(xué)沉積鍍膜的區(qū)別？

化學(xué)鍍膜是指在還原劑的作用下，使金屬鹽中的金屬離子還原成原子，在基片表面沉積的鍍

膜技術(shù)，又稱無電源電鍍?；瘜W(xué)鍍不加電場、直接通過化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)薄膜沉積。

化學(xué)鍍膜的還原反應(yīng)必須在催化劑的作用下才能進(jìn)行，且沉積反應(yīng)只發(fā)生在基片表面上。

化學(xué)沉積鍍膜的還原反應(yīng)是在整個溶液中均勻發(fā)生的，只有一部分金屬在基片上形成薄膜,

大部分形成粉粒沉積物。

2.自催化鍍膜的特點？

L可以在復(fù)雜形狀表面形成薄膜；2.薄膜的孔隙率較低；3.可直接在塑料、陶瓷、玻璃等非

導(dǎo)體表面制備薄膜；4.薄膜具有特殊的物理、化學(xué)性能；5.不需要電源，沒有導(dǎo)電電極。

3.Sol-Gel鍍膜技術(shù)的特點和主要過程？

優(yōu)點：高度均勻性；高純度，?可降低燒結(jié)溫度；可制備非晶態(tài)薄膜；可制備特殊材料（薄膜、

纖維、粉體、多孔材料等）。

缺點：原料價格高；收縮率高，容易開裂；存在殘余微氣孔；存在殘余的羥基、碳等；有機(jī)

溶劑有毒。

主要過程：復(fù)合醇鹽的制備；成膜（勻膠、浸漬提拉）；水解和聚合；干燥；焙燒。

4.陽極氧化鍍膜和電鍍的原理和特點？

金屬或合金在適當(dāng)?shù)碾娊庖褐凶鳛殛枠O，并施加一定的直流電壓，由于電化學(xué)反應(yīng)在陽極表

面形成氧化物薄膜的方法，稱為陽極氧化技術(shù)。

特點：得到的氧化物薄膜大多是無定形結(jié)構(gòu)。由于多孔性使得表面積特別大，所以顯示明

顯的活性，既可吸附染料也可吸附氣體；化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的超硬薄膜耐磨損性強(qiáng)，用封孔處理

法可將孔隙塞住，使薄膜具有更好耐蝕性和絕緣性；利用著色法可以使膜具有裝飾效果。

電鍍的特點：膜層缺陷：孔隙、裂紋、雜質(zhì)污染、凹坑等；上述缺陷可以由電鍍工藝條件控

制；限制電鍍應(yīng)用的最重要因素之一是拐角處鍍層的形成；在拐角或邊緣電鍍層厚度大約

是中心厚度的兩倍；多數(shù)被鍍件是圓形，可降低上述效應(yīng)的影響。

5.什么是LB技術(shù)？LB薄膜的種類？LB薄膜的特點？

（LB技術(shù)）是指把液體表面的有機(jī)單分子膜轉(zhuǎn)移到固體襯底表面上的一種成膜技術(shù)。得到

的有機(jī)薄膜稱為LB薄膜。

種類：X型膜（薄膜每層分子的親油基指向基片表面）、丫型膜（薄膜每層分子的親水基與親

水基相連，親油基與親油基相連）、Z型膜（薄膜每層分子的親水基指向基片表面）

優(yōu)點：LB薄膜中分子有序定向排列，這是一個重要特點；很多材料都可以用LB技術(shù)成膜,

LB膜有單分子層組成，它的厚度取決于分子大小和分子的層數(shù)；通過嚴(yán)格控制條件，可以

得到均勻、致密和缺陷密度很低的LB薄膜；設(shè)備簡單，操作方便

缺點：成膜效率低；LB薄膜均為有機(jī)薄膜，包含了有機(jī)材料的弱點；LB薄膜厚度很薄，在

薄膜表征手段方面難度較大。

第七章

1.薄膜形成的基本過程描述？

薄膜形成分為：凝結(jié)過程、核形成與生長過程、島形成與結(jié)合生長過程。

2.什么是凝聚？入射原子滯留時間、平均表面擴(kuò)散時間、平均擴(kuò)散距離的概念？

凝聚：吸附原子結(jié)合成原子對及其以后的過程

入射原子滯留時間：入射到基體表面的原子在表面的平均滯留時間J與吸附能E,之間的關(guān)

系為7a=roenp（Ed/kT）

平均表面擴(kuò)散時間：吸附原子在一個吸附位置上的停留時間稱為平均表面擴(kuò)散時間，用的

表示。它和表面擴(kuò)散能之間的關(guān)系是無,=心?理（￡。/左7）。

平均擴(kuò)散距離：吸附原子在表面停留時間經(jīng)過擴(kuò)散運動所移動的距離（從起始點到終點的間

隔）稱為平均表面擴(kuò)散時間，并用工表示，它與吸附能&和擴(kuò)散能后。之間的關(guān)系為

x=aQex^Ed-ED）/kT\

3.什么是捕獲面積？對薄膜形成的影響？

捕獲面積：吸附原子的捕獲面積SD=N/no

當(dāng)色爻0寸，每個吸附原子的捕獲面積內(nèi)只有一個原子，故不能形成原子對，也不能產(chǎn)生凝

結(jié)。當(dāng)1<5工<2時，發(fā)生部分凝結(jié)。平均每個吸附原子的捕獲面積內(nèi)有一個或兩個吸附原

子，可形成眉子對或三原子團(tuán)。在滯留時間內(nèi)，一部分吸附原子有可能重新蒸發(fā)掉。當(dāng)

時，每個吸附原子的捕獲面積內(nèi)至少有兩個吸附原子?？尚纬稍訉蚋蟮脑訄F(tuán)，從而

達(dá)到完全凝結(jié)。

4.凝聚過程的表征方法？

凝結(jié)系數(shù)（單位時間內(nèi)，完全凝結(jié)的氣相原子數(shù)與入射到基片表面上的總原子數(shù)之比）、粘

附系數(shù)（單位時間內(nèi)，再凝結(jié)的氣相原子數(shù)與入射到基片表面上的總原子數(shù)之比）、熱適應(yīng)

系數(shù)（表征入射氣相（或分子）與基體表面碰撞時相互交換能量的程度的物理量稱為熱適應(yīng)

系數(shù)）。

5.核形成與生長的物理過程。

島狀生長模式、層狀生長模式、層島混合模式

6.核形成的相變熱力學(xué)和原子聚集理論的基本內(nèi)容？

認(rèn)為薄膜形成過程是由氣相到吸附相、再到固相的相變過程，其中從吸附相到固相的轉(zhuǎn)變是

在基片表面上進(jìn)行的。

原子聚集理論將核（原子團(tuán)）看作一個大分子聚集體，用其內(nèi)部原子之間的結(jié)合能或與基片

表面原子之間的結(jié)合能代替熱力學(xué)理論中的自由能。

7.什么是同質(zhì)外延、異質(zhì)外延？晶格失配度？

外延工藝是一種在單晶襯底的表面上淀積一個單晶薄層的方法。如果薄膜與襯底是同一種材

料該工藝被稱為同質(zhì)外延，常被簡單地稱為外延。

如果薄膜與襯底不是同一種材料該工藝被稱為異質(zhì)外延，常被簡單地稱為外延。

晶格失配度若沉積薄膜用的基片材料的晶格常數(shù)為a,薄膜材料的晶格常數(shù)為b,在基片上

外延生長薄膜的晶格失配數(shù)m可用下式表示m2二@。

a

8..形成外延薄膜的條件？

設(shè)沉積速率為,基片溫度為,RWAexp-薄膜生長速率要小于吸附原子

在基片表面上符遷移速率；提高矗有利于形成外延土膜

第八章

1.薄膜結(jié)構(gòu)是指哪些結(jié)構(gòu)？其特點是哪些？

薄膜的結(jié)構(gòu)按研究對象不同分為組織結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、表面結(jié)構(gòu)。

（1）組織結(jié)構(gòu)是指薄膜的結(jié)晶形態(tài)，包括無定形結(jié)構(gòu)、多晶結(jié)構(gòu)、纖維結(jié)構(gòu)、單晶結(jié)構(gòu)。

無定形結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)特性：近程有序、長程無序；不具備晶體的性質(zhì)；亞穩(wěn)態(tài)。晶界上存在晶

格畸變；界面能：界面移動造成晶粒長大和界面平直化；空位源：雜質(zhì)富集；纖維結(jié)構(gòu)薄膜

是指晶粒具有擇優(yōu)取向的薄膜

（2）晶體結(jié)構(gòu)：多數(shù)情況下，薄膜中晶粒的晶格結(jié)構(gòu)與體材料相同，只是晶粒取向和晶粒

尺寸不同，晶格常數(shù)也不同。薄膜材料本身的晶格常數(shù)與基片材料晶格常數(shù)不匹配；

薄膜中有較大的內(nèi)應(yīng)力和表面張力。

（3）表面結(jié)構(gòu)：薄膜表面形成過程，由熱力學(xué)能量理論，薄膜表面平化；晶粒的各向異性

生長，薄膜表面粗化；低溫基片上，薄膜形成多孔結(jié)構(gòu)。

2.蒸發(fā)薄膜微觀結(jié)構(gòu)隨溫度變化如何改變？

低溫時，擴(kuò)散速率小，成核數(shù)目有限，形成不致密帶有縱向氣孔的葡萄結(jié)構(gòu)，?隨著溫度升高，

擴(kuò)散速率增大，形成緊密堆積纖維狀晶粒然后轉(zhuǎn)為完全之謎的柱狀晶體結(jié)構(gòu)；溫度再升高,

晶粒尺寸隨凝結(jié)溫度升高二增大，結(jié)構(gòu)變?yōu)榈容S晶貌；

3.薄膜的主要缺陷類型及特點？

薄膜的缺陷分為：點缺陷(晶格排列出現(xiàn)只涉及到單個晶格格點，典型構(gòu)型是空位和填隙原

子，點缺陷不能用電子顯微鏡直接觀測到，點缺陷種類確定后，它的形成能是一個定值)、

位錯(在薄膜中最常遇到，是晶格結(jié)構(gòu)中一種“線性”不完整結(jié)構(gòu)，位錯大部分從薄膜表面

伸向基體表面，并在位錯周圍產(chǎn)生畸變)、晶格間界(薄膜由于含有許多小晶粒，故晶粒間

界面積比較大)和層錯缺陷(由原子錯排產(chǎn)生，在小島間的邊界處出現(xiàn)，當(dāng)聚合并的小島再

長大時反映層錯缺陷的衍射襯度就會消失)O

4.薄膜的主要分析方法有哪些？基本原理是什么？

(I)X射線衍射法。利用X射線晶體學(xué)，X射線束射到分析樣品表面后產(chǎn)生反射，檢出器

收集反射的X射線信息，當(dāng)入射X射線波長2、樣品與X射線束夾角0、及樣品晶面間距

d滿足布拉格方程2dsin夕=,檢測器可檢測到最大光強(qiáng)。

(2)電子衍射法。在透射電子顯微鏡下觀察薄膜結(jié)構(gòu)同時進(jìn)行電子衍射分析，電子束波長

比特征X射線小得多，利用=求出晶格面間距。

(3)掃描電子顯微鏡分析法。將樣品發(fā)射的特征X射線送入X射線色譜儀或X射線能譜儀

進(jìn)行化學(xué)成分分析，特征X射線波長X和原子序數(shù)Z滿足莫塞萊定律五瓦=K(Z-b),

只要測得X射線的波長，進(jìn)而測定其化學(xué)成分。

(4)俄歇電子能譜法。俄歇電子的動能為E,由能量守恒定律Ek-EL1=EL23+E,近似ELkEg

得俄歇電子的動能E=Ek-2EL。對于每種元素的原子來說，Eu、Eg都有不同的特征值，只要

測出電子動能E,就可以進(jìn)行元素鑒定。利用俄歇電子能譜法中的化學(xué)位移效應(yīng)不但可以鑒

定樣品的組分元素還可鑒定它的化學(xué)狀態(tài)。

(5)X射線光電子能譜法。X射線入射到自由原子的內(nèi)殼層上，將電子電離成光電子，有電

子能量分析測得光電子束縛能，不同源自或同一原子的不同殼層有不同數(shù)量的特征值?？梢?/p>

通過元素鑒定測出。

(6)二次離子質(zhì)譜法。二次離子質(zhì)譜是利用質(zhì)譜法分析初級離子入射靶面后，濺射產(chǎn)生的

二次離子而獲取材料表面信息的一種方法。二次離子質(zhì)譜可以分析包括氫在內(nèi)的全部元素,

并能給出同位素的信息，分析化合物組分和分子結(jié)構(gòu)。

關(guān)于濺射

發(fā)布時間：2010-4-28

濺射

一、濺射的基本內(nèi)容：

1、定義：所謂濺射，就是這充滿腔室的工藝氣體在高電壓的作用下，形成氣體等離子體(輝

光放電)，其中的陽離子在電場力作用下高速向靶材沖擊，陽離子和靶材進(jìn)行能量交換，使靶

材原子獲得足夠的能量從靶材表面逸出(其中逸出的還可能包含靶材離子)。這一整個的動力

學(xué)過程，就叫做濺射。

入射離子轟擊靶面時，將其部分能量傳輸給表層晶格原子，弓I起靶材中原子的運動。有的原子

獲得能量后從晶格處移位，并克服了表面勢壘直接發(fā)生濺射；有的不能脫離晶格的束縛，只能

在原位做振動并波及周圍原子，結(jié)果使靶的溫度升高；而有的原子獲得足夠大的能量后產(chǎn)生一

次反沖，將其臨近的原子碰撞移位，反沖繼續(xù)下去產(chǎn)生高次反沖，這一過程稱為級聯(lián)碰撞。級

聯(lián)碰撞的結(jié)果是部分原子達(dá)到表面，克服勢壘逸出，這就形成了級聯(lián)濺射，這就是濺射機(jī)理。

當(dāng)級聯(lián)碰撞范圍內(nèi)反沖原子密度不高時，動態(tài)反沖原子彼此間的碰撞可以忽略，這就是線性級

聯(lián)碰撞

2、濺射的四要素：

①：靶材物質(zhì)

②：電磁場

③：底物

④：一整套完整配備的鍍膜設(shè)備

3、濺射收益：

3.1、離子每一次撞擊靶材時，靶材所釋放出的靶材原子。

3.2、影響濺射收益的因素：

①：等離子體中離子動能

②：入射離子的入射角度

3.3、最大濺射收益的決定因素：

①：入射角度在45。-50。左右

②：取決于靶材物質(zhì)

3.4、入射角度的影響因素

①；由電場決定

②：靶材表面于入射源的相對角度

4、濺射率：

4.1、定義：每單位時間內(nèi)靶材物質(zhì)所釋放出的原子個數(shù)

4.2、濺射率的影響因素

①；離子動能（取決于電源電壓和氣體壓力）

②：等離子密度（取決于氣體壓力和電流）

4.3、統(tǒng)計學(xué)公式：Rs（統(tǒng)計學(xué)）=d/t。

注：濺射原子溢出角度大部分在0~10度之間，因此在腔室內(nèi)所有區(qū)域都可能被鍍上一層膜，

久之會產(chǎn)生污染。所以真空濺射腔室內(nèi)必須進(jìn)行定期清潔。

二、濺射種類：

1、反應(yīng)濺射：氧化物，氮化物作為沉積物質(zhì)

現(xiàn)象：①:靶材分子分裂，其于工藝氣體離子發(fā)生反應(yīng)，形成化合物

②：膜層性能改變

③：靶材有可能中毒

2、二極濺射（見下圖）：二極濺射是一種經(jīng)典的標(biāo)準(zhǔn)濺射技術(shù)，其中等離子體和電子均只沿

著電場方向運動。

特征：①：無磁場

②：濺射率低

③：放電電壓高（＞500V）

④：鍍膜底物受熱溫度極易升高（＞500℃）

用途：主要用于金屬靶材、絕緣靶材、磁性靶材等的濺射鍍。

3、磁控濺射（見下圖）：暗區(qū)無等離子體產(chǎn)生，在磁控濺射下，電子呈螺旋形運動，不會直

接沖向陽極。而是在電場力和磁場力的綜合作用在腔室內(nèi)做螺旋運動。同時獲的能量而和工藝

氣體以及濺射出的靶材原子進(jìn)行能量交換，使氣體及靶材原子離子化，大大提高氣體等離子體

密度，從而提高了濺射速率（可提高10—20倍）和濺射均勻性。

4、二極濺射與磁控濺射對比：

4.1:靶材利用率（TU）:是指發(fā)生濺射的靶材質(zhì)量占原靶材質(zhì)量的比率。

公式表示：靶材利用率=｛原靶材質(zhì)量（Kg）—濺射后靶材質(zhì)量｝/原靶材質(zhì)量

靶材利用率對比見下表：

注：①：磁控濺射靶材利用率稍低，電壓要求低，電流會高，濺射率提高，增加生產(chǎn)效率，降

低成本。

②：靶材使用壽命結(jié)素之前必須及時更換新靶材，防止靶材周圍物質(zhì)發(fā)生濺射（金屬箔

片、連接片、陰極）

4.2、兩種濺射技術(shù)的區(qū)別：

①：靶材利用率不同

②：濺射腔室和陰極設(shè)計要求不同

③）：放電電流和放電電壓不同（見下表）

④：濺射率不同：磁控濺射有更短的沉積時間，更高的沉積量和更短沉積周期。

以下引自書籍：

《真空濺射技術(shù)》

挈濺射”就是用荷能粒子（通常用氣體正離子）轟擊物體，從而引起物體表面原子從母體中逸出

的現(xiàn)象。

12年Grove（格洛夫）在實驗室中發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象。

7年美國貝爾實驗室及西屋電氣公司首先開始應(yīng)用濺射原理制備薄膜。

：6年美國國際商用電子計算機(jī)公司應(yīng)用高頻濺射技術(shù)制成了絕緣膜。

'0年磁控濺射技術(shù)及其裝置出現(xiàn)，它以“高速”、“低溫”兩大特點使薄膜工藝發(fā)生了深刻變化，不

但滿足薄膜工藝越來越復(fù)雜的要求，而且促進(jìn)了新工藝的發(fā)展。

國在1980年前后，許多單位競先發(fā)展磁控濺射技術(shù)。目前在磁控濺射裝置和相應(yīng)的薄膜工藝研

究上也已出現(xiàn)了工業(yè)性生產(chǎn)的局面。

第一節(jié)濺射理論及其濺射薄膜的形成過程

時理論

被荷能粒子轟擊的靶材處于負(fù)電位，所以一般稱這種濺射為陰極濺射。關(guān)于陰極濺射的理

論解釋，主要有如下三種。

發(fā)論

認(rèn)為濺射是由氣體正離子轟擊陰極靶，使靶表面受轟擊的部位局部產(chǎn)生高溫區(qū)，靶材達(dá)到蒸發(fā)

溫度而產(chǎn)生蒸發(fā)。

撞論

認(rèn)為濺射現(xiàn)象是彈性碰撞的直接結(jié)果。轟擊離子能量不足，不能發(fā)生濺射；轟擊離子能量過

高，會發(fā)生離子注入現(xiàn)象。

合論

認(rèn)為濺射是熱蒸發(fā)論和碰撞論的綜合過程。當(dāng)前傾向于混合論。

粕放電

克輝光放電

在壓力為（TPa的容器內(nèi)，在兩個電極間加上直流電壓后所發(fā)生的放電過程如圖：

電壓小時，由宇宙射線或空間殘留的少量離子和電子的存在只有很小的電流。增加電壓，帶電

粒子能量增加，碰撞中性氣體原子，產(chǎn)生更多帶電粒子，電流隨之平穩(wěn)增加，進(jìn)入“湯森放電

區(qū)”。電流增加到一定程度，發(fā)生“雪崩”現(xiàn)象，離子轟擊陰極，釋放二次電子，二次電子與中性

氣體原子碰撞，產(chǎn)生更多離子，這些離子再轟擊陰極，又產(chǎn)生更多的二次電子，如此循環(huán)，當(dāng)

產(chǎn)生的電子數(shù)正好產(chǎn)生足夠多離子，這些離子能夠再生出同樣數(shù)量的電子時，進(jìn)入自持狀態(tài)，

氣體開始起輝，電壓降低，電流突然升高，此為“正常輝光放電區(qū)”。放電自動調(diào)整陰極轟擊面

積，最初轟擊是不均勻的，隨著電源功率增大，轟擊面積增大，直到陰極面上電流密度幾乎均

勻為止。當(dāng)轟擊區(qū)域覆蓋整個陰極面后，再進(jìn)一步增加功率，會使放電區(qū)內(nèi)的電壓和電流密度

同時升高，進(jìn)入濺射工藝工作區(qū)域，即“異常輝光放電區(qū)”。在該區(qū)域內(nèi)，如果陰極沒有水冷或

繼續(xù)增加功率，當(dāng)電流密度達(dá)到約0.1A/cm2以上，將有熱發(fā)射電子混入二次電子之中，隨后發(fā)

生又一個，，雪崩，，。由于輸入阻抗限制著電壓，將形成低壓大電流的“弧光放電”。

形成“異常輝光放電”的關(guān)鍵是擊穿電壓VB,主要取決于二次電子的平均自由程和陰陽極

之間的距離。為了引起最初的雪崩，每個二次電子必須產(chǎn)生出約10-20個離子。若氣壓太低或

極間距離太小，二次電子撞到陽極之前，無法到達(dá)所需要的電離碰撞次數(shù)；若氣壓太高或極間

距離太大，氣體中形成的離子將因非彈性碰撞而減速，以致于當(dāng)轟擊陰極時，已無足夠的能量

產(chǎn)生二次電子。

直流輝光放電的形貌和參量分布圖：

可斯頓暗區(qū)，不發(fā)生電離和激發(fā)；

3月極輝光區(qū)，氣體分子激發(fā)發(fā)光；

陰極暗區(qū)，產(chǎn)生很強(qiáng)的電離，具有很高的正離子濃度，有較強(qiáng)的空間電荷；

負(fù)輝光區(qū)，光度最強(qiáng)，有較強(qiáng)的負(fù)空間電荷；

法拉第暗區(qū)，電離和激發(fā)都很小；不一定是輝光放電必須的，是起連接作