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薄膜物理与技术2020年最新题库

来源：独旅网

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;(4)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。

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  可单独使用；真空度要求高  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：1~10-6 Pa（因此需要前级机械泵提供1 Pa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~60k r/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；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 <10 Pa）；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

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TiO2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——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- -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 ～ 100nm 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

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 (Physical vapor deposition) 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

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？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 (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 (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

(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表面

(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：

反应温度太高，一般要 1000 ℃左右，许多基体材料都耐受不住 CVD 的高温，因此了它的应用范围

5 、辉光放电过程中为什么 P·d 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？ (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 (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

(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１μ 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？

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θ的余弦进行分布。则一个分子在离开其表面时，处于立体角 d ω ( 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 2 π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：

称为平均自由程，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 ．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

(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避免的坩埚污染现象

(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 (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

(2) 氧化法用等氧化剂氧化硫化氢水溶液，可制得硫溶胶 (3) 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 1527 ℃下的镍铬合金 (Ni 80%, Cr 20%) 在 PCr =10Pa, PNi =1Pa 时，它们的蒸发速率之比 ( M Ni = 58.7 M Cr = 52.0)

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vm处有极大值，

vm称为最可几速率2kT平均速度:

m2RTM1.41RTM,Vm速度分布

8kT8RTRTmm1.59M，分子运动平均距离 m3RTM1.73RTM平均动能

均方根速度:3kT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

1.什么是饱和蒸气压？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

-2

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？克-克方程

dPH，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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？

1.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.

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：n nj3.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10-3 Torr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：并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？ Gr与反应系统的化学平衡常数 K P 有关。 Gr2.3RTlogKPm n KPi(生成物)P（反应物）j Pi1j13.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  G r 可以用反应物和生成物的标准自由能 G f 来计算，即 GrGf(生成物)Gf(反应物)E较低衬底温度下， τ随温度按指数规律变化。较高衬底温度下，反应物及副产RTAe物的扩散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：  T = T 1  T 2 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？

1.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；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）、Y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a与吸附能Ed之间的关系为a0exp(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D表示。它和表面扩散能ED之间的关系是D0'exp(ED/kT)。

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x表示，它与吸附能Ed和扩散能ED之间的关系为

xa0exp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Nno当 1时，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S  2结。当 1  S   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，可形成原子对或三原子团。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mba。 a8..形成外延薄膜的条件？

 E设沉积速率为，基片温度为， R  A  exp   D 薄膜生长速率要小于吸附原子

RTkT在基片表面上的迁移速率；提高温度有利于形成外延薄膜 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）。

4.薄膜的主要分析方法有哪些？基本原理是什么？

（1）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、样品与X射线束夹角、及样品晶面间距d满足布拉格方程2dsinn，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LRd，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和原子序数Z满足莫塞莱定律c/K(Z)，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EL1=EL23，得俄歇电子的动能E=Ek-2EL。对于每种元素的原子来说，EL1、EL23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，引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，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°C）

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》

所谓“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。

1842年Grove（格洛夫）在实验室中发现了这种现象。

1877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。 1966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。

1970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。

我国在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溅射理论

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。蒸

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。碰撞论

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。混合论

认为溅射是热蒸和碰撞论的综合过程。当前倾向于混合论。辉光放电直流辉光放电

在压力为102-10-1Pa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：

阿斯顿暗区，不发生电离和激发；阴极辉光区，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，是起连接作用。正柱区，等离子区，几乎与法拉第暗区等电位；低频交流辉光放电

在频率低于50KHz的交流电压条件下，离子有足够的活动能力且有充分的时间，在每个半周期内在各个电极上建立直流辉光放电。除了电极交替地成为阴极和阳极之外，其机理基本上与直流辉光放电相同。

我们常用的中频溅射属于这个范围，中频溅射的频率为40KHz。射频辉光放电两个重要特征：

第一、在辉光放电空间中电子振荡达到足以产生电离碰撞的能量，所以减小了放电对二次电子的依赖，并且降低了击穿电压。

第二、射频电压可以穿过任何种类的阻抗，所以电极就不再要求是导体，可以溅射任何材料。射频辉光放电的阴极室电容耦合电极，阳极接地。

溅射靶和基片完全对称放置于射频辉光放电等离子体中，正离子以均等的机会轰击溅射靶和基片，溅射成膜是不可能的。实际上，只要求靶上得到溅射，那么这个电极（溅射靶）必须绝缘起来，并通过电容耦合到射频电源上；另一个电极（真空室壁）为直接耦合电极（即接地极），而且靶面积必须比直接耦合电极小。实验证明：在射频辉光放电等离子体中阴极电压Vc与阳极电压Va之比于阳极面积Aa和阴极面积Ac之比存在如下关系：Vc/Va=（Aa/Ac）4。由于Aa >> Ac,所以Vc >> Va，放射频辉光放电时，等离子体重离子对接地零件只有极微小的轰击，而对溅射靶却进行强烈轰击并使之产生溅射。

下图为小的容性耦合电极（靶）至大的直接耦合电极之间发生射频辉光放电时，极间电位的分布图。

溅射过程靶材的溅射现象

下图为荷能离子碰撞表面所产生的各种现象：

在等离子体中，任何表面具有一定负电位时，就会发生上述溅射现象，只是强弱程度不同而已。所以靶、真空室壁、基片都有可能产生溅射现象。以靶的溅射为主时，称为溅射成膜；对基片进行溅射现象称为溅射刻蚀；真空室和基片在高压强下的溅射称为溅射清洗。我们一般应用为溅射成膜，在各种现象中，人们最关心的是溅射效应，即被正离子轰击出来的靶材中性粒子的数量，称为溅射量S。

溅射率ç：表示一个正离子入射到靶材表面从其表面上所溅射出来的原子数。溅射粒子向基片的迁移过程

靶材受到轰击所放出的粒子中，正离子由于逆向电场的作用是不能到达基片上的，其余粒子均会向基片迁移。压强为101-10-1Pa，粒子平均自由程约为1-10cm，因此靶至基片的空间距离应与该值大致相等。否则，粒子在迁移过程中将发生多次碰撞，即降低靶材原子的能量又增加靶材的散射损失。

虽然靶材原子在向基片迁移的过程中，因碰撞（主要与工作气体分子）而降低其能量，但是，由于溅射出的靶材原子能量远远高于蒸发原子的能量，所以溅射镀膜沉积在基片上的靶材原子的能量较大，其值相当于蒸发原子能量的几十至一百倍。粒子入射到基片后的成膜过程应考虑如下问题：沉积速率

指从靶材上溅射出来的材料，在单位时间内沉积到基片上得厚度，与溅射速率成正比。在选定镀膜环境以及气体的情况下，提高沉积速率的最好方法只有提高离子流。不增加电压条件下增加离子流只有提高工作气体压力。

如图所示，气体压力与溅射率的关系曲线，当压力增高到一定值时，溅射率开始明显下降。其原因是靶材粒子的背返射和散射增大，导致溅射率下降。所以由溅射率来考虑气压的最佳值是比较合适的，当然应当注意由于气压升高影响薄膜质量的问题。沉积薄膜的纯度

沉积到基片上得杂质越少越好。这里所说的杂质专指真空室残余气体。解决的方法是: 1、提高本底真空度 2、提高氩气量。

为此，在提高真空系统抽气能力的同时，提高本底真空度和加大送氩量是确保薄膜纯度必不可少的两项措施。

就溅射镀膜装置而言，真空室本底真空度应为10-3-10-4Pa。沉积成膜过程中的其它污染

真空室壁和室内构件表面所吸附的气体。采用烘烤去气方法。扩散泵返油。配制涡轮分子泵或冷凝泵等比较好。

基片清洗不彻底。应尽可能保证基片不受污染和不带有颗粒状污染物。成膜过程中的溅射条件溅射气体的选择

应具备溅射率高、对靶材呈惰性、价格便宜、来源方便、易于得到高纯度的气体。一般采用氩气。

溅射电压及基片电位

溅射电压及基片电位（即接地、悬浮或偏压）对薄膜特性的影响严重。溅射电压不但影响沉积速率，而且严重英雄薄膜的结构。基片电位直接影响入射的电子流或离子流。基片接地处于阳极电位，则它们受到等同电子轰击。

基片悬浮，在辉光放电空间取得相对于地电位稍负的悬浮电位Vf。而基片周围等离子体电位VP

高于基片电位为（Vf+VP），将引起一定程度的电子和正离子的轰击，导致膜厚、成分或其它特性的变化。如下图:

假如基片有目的地施加偏压，使其按电的极性接收电子或离子，不仅可以净化基片增强薄膜附着力，而且还可以改变薄膜的结晶结构。基片温度高纯度的靶材

必须具备高纯度的靶材和清洁的靶表面。

溅射沉积之前对靶进行预溅射，使靶表面净化处理。

由于溅射装置中存在多种参数间的相互影响，并且综合地决定溅射薄膜的特性，因此在不同的溅射装置上，或制备不同的薄膜时，应该对溅射工艺参数进行试验选择为宜。

第二节溅射薄膜的特点膜厚可控性和重复性好控制靶电流可以控制膜厚通过溅射时间控制膜厚薄膜与基片的附着力强

高能量的溅射原子产生不同程度的注入现象，形成一层伪扩散层

基片在成膜过程中始终在等离子区中被清洗和激活，清除了附着力不强的溅射原子，净化且激活基片表面。可以制备特殊材料的薄膜

可溅射几乎所有的固体（包括粒状、粉状的物质），不受熔点的。使用不同材料同时溅射制备混合膜、化合膜。可制备氧化物绝缘膜和组分均匀的合金膜。

可通入反应气体，采用反应溅射方法制备与靶材完全不同的新的物质膜。如用硅靶制作二氧化硅绝缘膜；用钛靶，充入氮气和氩气，制备氮化钛仿金膜。膜层纯度高

没有蒸发法制膜装置中的坩埚构件，溅射膜层不会混入坩埚加热器材料的成分。缺点：成膜速度比蒸发镀膜低、基片温升高、易受杂质气体影响、装置结构复杂。

第三节溅射应用范围简介工业部门电子工业机械工业光学工业装饰航天及交通应用实例半导体材料、电介质材料、导电材料、超导材料、太阳能电池、集成线路及电路元件等耐蚀、耐热、耐摩擦性能保护性材料等反射膜、选择性透光膜、光集积回路、反射镜保护膜塑料涂层、陶瓷涂层、彩虹包装等导电玻璃厚膜低基片温度厚膜挡风玻璃备注低基片温度

第一章真空技术基础

1、膜的定义及分类。

答:当固体或液体的一维线性尺度远远小于它的其他二维尺度时,我们将这样的固体或液体称为膜。通常，膜可分为两类:

(1)厚度大于1mm的膜，称为厚膜;

(2)厚度小于1mm的膜，称为薄膜。

2、人类所接触的真空大体上可分为哪两种?

答: (1)宇宙空间所存在的真空，称之为“自然真空”(2)人们用真空泵抽调容器中的气体所获得的真空，称之为“人为真空”。

3、何为真空、绝对真空及相对真空?

答:不论哪一种类型上的真空，只要在给定空间内，气体压强低于-个大气压的气体状态，均称之为真空。完全没有气体的空间状态称为绝对真空。目前，即使采用最先进的真空制备手段所能达到的最低压强下，每立方厘米体积中仍有几百个气体分子。因此，平时我们所说的真空均指相对真空状态。

4、毫米汞柱和托?

答:“毫米汞柱(mmHg)” 是人类使用最早、最广泛的压强单位，它是通过直接度量长度来获得真空的大小。1958年，为了纪念托里拆利，用“托(Torr)”，代替了毫米汞柱。1托就是指在标准状态下，1毫米汞柱对单位面积上的压力，表示为1Torr=1mmHg。

5、真空区域是如何划分的?

答:为了研究真空和实际使用方便，常常根据各压强范围内不同的物理特点，把真空划分为以下几个区域: (1)粗真空:1’105 ~ '102 Pa.(2)低真空:I 102 ~ 110-1Pa， (3)高真空:I' 10-1 ~ 110-6Pa和 (4)超高真空: < 110-6Pa。

6、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;(4)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。

7、何为气体的吸附现象?可分几类、各有何特点?

答:气体吸附就是固体表面捕获气体分子的现象，吸附分为物理吸附和化学吸附。

(1)物理吸附没有选择性，任何气体在固体表面均可发生，主要靠分子间的相互吸引力引起的。物理吸附的气体容易发生脱附，而且这种吸附只在低温下有效; (2)化学吸附则发生在较高的温度下，和化学反应相似，气体不易脱附，但只有当气体中的原子和固体表面原子接触并形成化合键时才能产生吸附作用。

8、何为气体的脱附现象?

答:气体的脱附是气体吸附的逆过程。通常把吸附在固体表面的气体分子从固体表面被释放出来的过程叫做气体的脱附。

9、何为电吸收和化学清除现象?

答:电吸收是指气体分子经电离后形成正离子，正离子具有比中性气体分子更强的化学活泼性，因此常常和固体分子形成物理或化学吸附;化学清除现象常在活泼金属(如钡、铁等)固体材料的真空蒸发时出现，这些蒸发的固体材料将和非惰性气体分子生成化合物，从而产生化学吸附。

10、影响气体在固体表面吸附和脱附的主要因素

答: (1)气体的压强、(2)固体的温度、(3)固体表面吸附的气体密度以及(4)固体本身的性质，如表面光洁程度、清洁度等。

11、目前常用获得真空泵主要有几种类型，各自的特点?

答;目前常用获得真空的设备主要有气体传输泵(旋转式机械真空泵、油扩散泵、复合分子泵)和气体捕获泵(分子筛吸附泵、钛升华泵、溅射离子泵和低温泵)两类。气体传输泵是-种通过将气体不断吸入并排出真空泵从而达到排气的目的泵;气体捕获泵是一种利用各种吸气材料所特有的吸气作用将被抽空间的气体吸除,以达到所需真空度的泵。气体捕获泵工作时不采用油做介质，故又称之为无油类泵。

12、何为前级泵和次级泵?

答:机械泵和吸附泵都是从-个大气压力下开始抽气，因此常将这类泵称为“前级泵”，而将那些只能从较低的气压抽到更低的压力下的真空泵称为“次级泵”。

13、何为机械泵，其工作特点是什么?机械泵有哪几种形式?

答:凡是利用机械运动(转动或滑动)以获得真空的泵，就称为机械泵。机械泵可以从大气压开始工作的典型的真空泵，既可以单独使用，又可作为高真空泵或超高真空泵的前级泵。由于这种泵是用油来进行密封的，所以属于有油类型的真空泵。机械泵常见的有旋片式、定片式和滑阀式(又称柱塞式)几种，其中以旋片式机械泵最为常见。

14、何为分子泵，其工作特点是什么?分子泵有哪几种形式，各有何特点?

答:分子泵也属于气体传输泵，但是它是一种无油类泵，可以和前级泵构成组合装置，从而获得超高真空。分子泵分为牵引泵(阻压泵)、涡轮分子泵和复合分子泵三大类: (1)牵引泵在结构上更为简单，转速较小，但压缩比大; (2) 涡轮式分子泵可分“敞开”叶片型和重叠叶片型，前者转速高，抽速也较大，后者则恰好相反;(3)复合型分子泵将涡轮分子泵抽气能力高(24000r/min) 的优点和牵引分子泵(460/sec)压缩比大(150) 的优点结合在一起，利用高速旋转的转子携带气体分子而获得超高真空。

15、何为低温泵，按其工作原理可分几种类型?

答:低温泵是利用20K 以下的低温表面来凝聚气体分子以实现抽气的一种泵，是目前具有最高极限真空的抽气泵。低温泵又称冷凝泵、深冷泵。按其工作原理又可分为低温吸附泵、低温冷凝泵、制冷机低温泵。

16、捕获泵再生时必须遵循的要求?

笞:(1)-且开始再生处理，就必须清除彻底。这是因为局部升温时会使屏蔽板上冷凝的大量水蒸气转移到内部的深冷吸气板上.严重损害低温泵的抽气能力。(2)再生时应使凝结层稳定蒸发，一定不能使系统内气体压力超过允许值，否则在除氢这类易燃易爆的气体时，一旦漏入空气就有爆炸的危险。(3)再生时，需严防来自前级泵的碳氢化合物进入低温泵内污染吸气面，因此要求抽气时间尽可能短。

17、按测量原理真空计可分几种，各自的定义及特点?

答:真空计的种类很多，通常按测量原理可分为绝对真空计和相对真空计。通过测定物理参数直接获得气体压强的真空计称为绝对真空计;通过侧量和压强有关的物理量，并和绝对真空计比较后得到压强值的真空计称为相对真空计。特点: (1)绝对真空计:所测量的物理参数和气体成分无关，测量比较准确，但是在气体压强很低的情况下，直接进行测量是极其困难的; (2) 相对真空计:测量的准确度略差:而且和气体的种类有关。

第二章薄膜制备的化学方法

1、化学气相沉积的主要优点有哪些?

答:(1)可准确控制薄膜组分及掺杂水平，获得具有理想化学配比的薄膜;(2)可在复杂形状的基片上沉积; (3)可在大气压下进行，系统不需要昂贵的真空设备; (4)高沉积温度可大幅度改善晶体的结晶完整性;(5)利用材料在熔点或蒸发时分解的特点而得到其他方法无法得到的材料; (6) 沉积过程可以在大尺寸基片或多基片上进行。

2、化学气相沉积的主要缺点有哪些?

答: (1)化学反应需要高温; (2)反应气体会和基片或设备发生化学反应; (3)在化学气相沉积中所使用的设备可能较为复杂，且有许多变里需要控制。

3、在化学气相薄膜沉积过程中可控制的变里有那些?涉及那几个基本过程?

答:气体流量、气体组分、沉积温度、气压、真空室几何构型等。因此，化学气相沉积涉及三个基本过程: (1) 反应物的输运过程; (2) 化学反应过程; (3)去除反应副产品过程。4、化学气相沉积反应器的设计类型可分成几种，各自特点有哪些?

答: (1)常压和(2)低压式、(3)热壁式和(4)冷壁式。特点: (1)常压式反应器:运行的缺点是需要大流童携载气体、大尺寸设备，得到的膜污染程度高。(2)低压式反应器:不需携载气体，并在低压下只使用少最反应气体，此时，气体从-端注入，在另-端用真空泵排出。低压式反应器已得到迅猛发展。(3)热壁式反应器:整个反应器需要达到发生化学反应所需的温度，基片处于由均匀加热炉所产生的等温环境下。(4)冷壁式反应器:只有基片需要达到化学反应所需的温度，换句话说，加热区只局限于基片或基片架。

5、何为激光化学气相沉积，它的主要机制和作用是什么?

答:激光化学气相沉积是通过使用激光源产生出来的激光束实现化学气相沉积的一种方法。从本质上讲，由激光触发的化学反应有两种机制: (1)一种为光致化学反应，(2)另一种则为热致化学反应。作用: (1)在光致化学反应过程中，具有足够高能里的光子用于使分子分解并成膜,或和存在于反应气体中的其他化学物质反应并在邻近的基片上形成化合物膜o(2)在热致化学反应过程中，激光束用作加热源实现热致分解,在基片上引起的温度升高控制着沉积反应。

6、激光化学气相沉积过程中显示出的那些独特优越性?

答:激光的方向性可以使光束射向很小尺寸上的一个精确区域，产生局域沉积。通过选择激光波长可以确定光致反应沉积或热致反应沉积。在许多情况下，光致反应和热致反应过程同时发生。

7、激光化学气相沉积的反应系统和传统化学气相沉积系统相似，但薄膜的生长特点在许多方面是不同的，这其中的主要原因是什么?

答:(1)由于激光化学气相沉积中的加热非常局域化，因此其反应温度可以达到很高。(2)在激光化学气相沉积中可以对反应气体预加热，而且反应物的浓度可以很高，来自于基片以外的污染很小。(3)对于成核，表面缺陷不仅可起到通常意义下的成核中心作用，而且也起到强吸附作用,因此当激光加热时会产生较高的表面温度。(4) 由于激光化学气相沉积中激光的点几何尺寸性质增加了反应物扩散到反应区的能力,因此它的沉积率比传统化学气相沉积高出几个数量级。但是，激光化学气相沉积中局部高温在很短时间内只局限在一个小区域，因此它的沉积率由反应物的扩散以及对流所。

8、激光化学气相沉积沉积率的参数主要有哪些?

答:反应物起始浓度、惰性气体浓度、表面温度、气体温度、反应区的几何尺度等。9、紫外线光致分解沉积系统的优点是什么?

答:(1)真空紫外线可以在没有任何吸收损失的条件下被直接引|向窗口;(2)在窗口处可避免薄膜沉积; (3) 没有光线直接到达基片。

第三章

1、解释PECVD沉积过程的两种模型

答:(1)光和团簇助化学气相沉积，其沉积率为6nm/min，这里等离子体和基片不接触。(2)等离子体助化学气相沉积，在此过程中，在感应加热等离子体附近的辉光放电等离子体和基片相接触，沉积率为50nm/min。

法得到的材料; (6) 沉积过程可以在大尺寸基片或多基片上进行。

2、化学气相沉积的主要缺点有哪些?

答: (1)化学反应需要高温; (2)反应气体会和基片或设备发生化学反应; (3)在化学气相沉积中所使用的设备可能较为复杂，且有许多变里需要控制。

3、在化学气相薄膜沉积过程中可控制的变里有那些?涉及那几个基本过程?

5、何为激光化学气相沉积，它的主要机制和作用是什么?

6、激光化学气相沉积过程中显示出的那些独特优越性?

7、激光化学气相沉积的反应系统和传统化学气相沉积系统相似，但薄膜的生长特点在许多方面是不同的，这其中的主要原因是什么?

8、激光化学气相沉积沉积率的参数主要有哪些?

答:反应物起始浓度、惰性气体浓度、表面温度、气体温度、反应区的几何尺度等。9、紫外线光致分解沉积系统的优点是什么?

答:(1)真空紫外线可以在没有任何吸收损失的条件下被直接引|向窗口;(2)在窗口处可避免薄膜沉积; (3) 没有光线直接到达基片。

第三章

1、解释PECVD沉积过程的两种模型

答:(1)蒸发源材料由凝蒸发粒子到达基片后凝结、变成气相;(2) 在蒸发源和基片t之间蒸发粒子的输运:(3)威核、长大、成膜。

4、真空蒸发系统有哪几个组成部分?

答:①真空室，②蒸发源

5.何为物质的饱和蒸气压?或蒸发加热装置，。放置基片及始基片加热精置。管:在一定温度下，蒸发气和疑聚相平衡过程中所呈6、何为物质的蒸发温度?里现的压力称为该物质的物和菜气压。

簣:物质的饱和蒸气压路温度的」的上升而增大，相反,温度。规定物质在饱和一定的饱和蒸气压则对应着一一定的物质

气压为1002Tor时的温度，7、电阻丝加热蒸发法的力置有哪四1主要特点?称为该物质的蒸发温度。答;①它们只能用于金属或其

蒸发，❽在加热时，蒸发材料历连的蓄发;②在一定时间内，

只有有限里的蒸发材料被理不当甚至会折断。须润湿电阻丝;④? 一旦加热，这些电

8电阻加热蒸发法的主要缺点是

电阻丝会变脆，如果处

点是:

答:(1)支撑坩埚及材料和蒸发物反62057T0等茶发1 (3)然发:(2以获得足够高的晶度使分电材料，戈军低; (4)加热时合金化合物会分解。料，如Al203、

9、激光蒸发技术的优点。

答: (1)激光是清洁的，

(2)激光光東只对得就但来自热源的污染城少到最低;

(3)激光東聚焦可获得意的表面施加热量，

可减少来自牽密度，使高熔点材料待蒸總材料支撑物的污染;(4)激光束发散性较小，

激光及其相关设备I以相也可有较高的沉积速率;

相距较远;

(5)采用外部反射镜导引激光光雨，很容易实现同时或顺序多源蒸发。

10、真空弧蒸发属于物理气相相沉积，其过程包括:

(1)等离子体的产生:

(2)等离子体被输运到基片;

(3)最后凝聚在基片上以形成所需性质的薄照。

11、脉冲激光蒸发的优尤势有哪些?

舞:际冲教光整发的优势在于

可以使源材料的原始钝度保持下来，外，被照射的靶和基片的平均温品度都很低。同时减少了坩埚污染。另对于化会物科的组元热发具此沉积是在低温下进行。

时也不会发生有很大优势。即使化合。因此脉中激光蒸发法?组分偏离现象。中的组元具有不

12、何为溅射?

下同的蒸气压在蒸发

管:在某一温度下，如果固体马或液体受到适当的高能粒子子通过碰撞有可能获<通常为离子)的责击，则这些原13、溅射的主要实验事足够的能量从表面选速，这一样原子体实有哪些?人表面发射出去的方式称为猴明。

答; (1)溅射出来的粒子物都职夫于入时极子的方向(2)从单品

择优取向; (3)溅射牽(平

的能量，而且也取决于入射粒子个入射粒子能从靶材村中打出的原子数)靶测射出来的粒子显示

速率高得多。

子的质量: (4)臧射出来来的拉子平均連率不仅取决于入射粒子

14、简述直流辉光放电等离子体产生的过程。

实比热蒸发的粒子平均

管:在两极加上电压，系统中的是很有限的，因此所形成的电流是生田牢市时线福射会产生些游惠离是非微的，这一区域AB子和电子，但其数量

电压的升高，带电离子利和电子获得足够高的有能望，和系统中的中心称为无光放电区随着两极间电离，进而使电流持续地增增加，此时由于电路中中的电源有高输出阻抗，气体分子生碰撞并产生

抗致使电压室恒定值，这一区域BC称为汤森放电区。在此区域，电流可在电压不变情况下增大。当电流增大到一定值时(c点)，会发生“雪崩”现象。离子开始轰击阴极，产生二次电子，二次电子和中性气体分子发生碰撞，产生更多的离子，离子再轰击阴极，阴极又产生出更多的二次电子，大童的离子和电子产生后，放电便达到了自持，气体开始起辉，两极间的电流剧增，电压迅速下降，放电呈负阻特性，这一区域CD叫做过渡区。在D点以后，电流平稳增加，电压维待不变，这一区域 DE称为正常辉光放电区。在这一-区域，随着电流的增加，轰击阴极的区域逐渐扩大，到达E点后，离子轰击已覆盖至整个阴极表面。此时继续增加电源功率，则使两极间的电流随着电压的增大而增大，这一区域EF称做“异常辉光放电区”。在异常辉光放电区，电流可以通过电压来控制，从而使这-区域成为溅射所选择的工作区域。在F .点以后，继续增加电源功率，两极间的电流迅速下降，电流则几乎由外电阻所控制，电流越大，电压越小，这- -区域FG称为’‘弧光放电区”。

15、相对于真空蒸发镀膜，溅射镀膜具有如下特点:

(I)对于任何待镀材料，只要能作成靶材，就可实现溅射;

(2)溅射所获得的薄膜和基片结合较好，

(3)溅射所获得的薄膜纯度高，致密性好;

(4)溅射工艺可重复性好，膜厚可控制，同时可以在大面积基片上获得厚度均匀的薄膜。溅射存在的缺点是，相对于真空蒸发，它的沉积速率低，基片会受到等离子体的辐照等作用而产生温升。

16、何为溅射率?

答:溅射率又称溅射产额或溅射系数，是描述溅射特性的一个重要参数，它表示入射正离子轰击靶阴极时，平均每个正离子能从靶阴极中打出的原子数。

17、简述溅射率的影响因素。

答:(1)溅射率和入射离子的种类、能童、角度以及靶材的种类、结构等有关。溅射率依赖于人射离子的质量，质量越大，溅射率越高。.

(2)在入射离子能童超过溅射阈值后，随着入射离子能童的增加，在150eV以前，溅射率和入射离子能里的平方成正比;在150~10000eV 范围内，溅射率变化不明显;入射能童再增加，溅射率将呈下降趋势。(3)溅射率随着入射离子和靶材法线方向所成的角(入射角)的增加而逐渐增加。在0°~ 60°范围内，溅射率和入射角q服从1/cosq规律;当入射角为60° ~80°时，溅射率最大，入射角再增加时，溅射率将急剧下降;当入射角为90°时，溅射率为零。

溅射率-般随靶材的原子序数增加而增大，元素相同，结构不同的靶材具有不同的溅射率。另外，溅射率还和靶材温度、溅射压强等因素有关。

18、溅射原子的能童分布一般呈何分布，溅射原子的能量和速度具有哪些特点?

答:溅射原子的能童分布一般呈麦克斯韦分布，溅射原子的能量和速度具有以下特点: (1)原子序数大的溅射原子溅射逸出时能童较高，而原子序数小的溅射原子溅射逸出的速度较高;(2)在相同轰击能里下，溅射原子逸出能里随入射离子的质里而线形增加;

(3)溅射原子平均逸出能里随入射离子能童的增加而增大，但当入射离子能量达到某一较高值时，平均逸出能里趋于恒定。

19、磁控溅射具有的两大特点和需要优化的主要实验参数有哪些?

答:磁控溅射具有沉积温度低、沉积速率高两大特点。在溅射镀膜过程中，可以调节并需要优

化的实验参数有电源功率、工作气体流里和压强、基片温度、基片偏压等。

20、低压溅射的主要优点有哪些?

答: (1)在低工作压强情况下，薄膜中被俘获的惰性气体的浓度会得到有效降低; (2)溅射原子具有较高的平均能量，当它们打到基片时，会形成和基底结合较好的薄膜。 21、电子的离化效率的主要提高方法有哪些?，

管:电1丁增加盛外的电子源来握供电子于1(2)提高已有电子的离化效事: (3) 利用附加的高频放电装置; (4)施加磁场o .

22、三极溅射系统的主要缺点是什么?

管:西难以从大块简平鞋中产生均匀孤射: (2)旄过程难以控制; (3)工艺重复性羞。23、相对于传统珊射过程,离子束溅射的优点?

溅射粒子子输送过程中较少受到散射;管:主要优点:具有工作压强低、减小气体进入薄膜、高子東照期还可以让基片远离离子发生过程。其它还有: O离子束窄能里分布使我们的

将孤射军作为离子能重的函教来研究:，可以使高子東精确聚

③在保持离子束焦和扫描;

可以控制离子束能重和电流。特性不变的情况下，可以变换靶村和基片材料;④24、何为反应溅射?。

管:在存在反应气体的情况下，孤射靶村时，靶郴料会和反应气体反应形成化合物的孤时。25、通过增加离子动能或通过离化提高化学活性可使薄腹具有何种优点了

告:西八和理片结台食好: (2)在低温下可实现外延生长: (3)形貌可改变: (4)可台成化合物等。 26、离子和表的相互作用构成所有离子助沉积技术的关键因素，最重要的离子表面相互作用为什么?

答:①离子轰击可以对基片表面吸附的杂质实现脱咐和孤射，这一功能经常被用于沉积前8基片要先，余层原子被俘妥或穿入，使气体原子进入到亚表层。起初的基片时和.随后的涂层原子溅射，这将碱少颤生长军但可以导致原子的混合;田涂晨和基片原子的位似及得降缺的产生，原子位移导致基片和膜原子的剧烈混合，而增强的缺陷密度可以促进快速的互扩散。

27、离子轰击在离子镳膜过程中的重要作用。

;使基片表面产生缺陷。(3)管:(1)离子表击对基片表面起到账射清先作用。(2)离子赛击会离子轰击有可能导致基片结晶结构的破坏。(4)离子轰击会使基片表而形貌发生变化。(5)离子轰击的加热作用也会引起渗入气体的释离子素击可能造成气体在基片表面的渗入，时离版(6)

离子素击会导致基片表面温度升高，形成表面热。17)离子责击有可能导致基片表面化学成分的变化。

28、离子豪击对基片/膜所形成的界面产生重要的影响。2，:

器:西)离于寻击云在展/基片所形成的界面形威“伪扩数层”，这一“扩敬居”是葛片元素和限元物理混合所导致的.(2)离子丢击会使表而儒析作用加强，从面增强积原子和嘉片原子的相互扩散。(3)离子萧击会使沉积原子和表面发生较强的反应。使其在表面的话基发顆期，且成核密度增加。促进连续期的形成。(4房子麦击会优先再先掉松散结合的奥面质子，使界面受得更加致密，结合更加牢固.(5)离子燕击可以大懒改蔷基片表面覆盖度，增加绕射性。

29、离子轰击对薄膜生长过程的影响。

碧: 4)离子美击能浦余柱杖晶结构的形成。2)离子表击往往会增加膜层内应力。30、在离子束沉积中离子束有哪两种基本组态。

沉积到基片上;在离子束溅射沉积过窖:在直接离子東沉积中，离子束存在低能情况下直接程中，高能离子束直接打向耙材，将后者溅射并沉积到相邻的基片上。

31、分子束外延生长的主要特点。

碧:由于系统是超志真空，因此杂质气体(如残余气体)不易进入、薄膜，薄腾的纯摩高。(2)外建生长一能可在低温下进行。(3)可严格控制薄膜成分以及楼杂浓度。4)对藏膜进行原位植测分析，从而可以严格控制薄膜的生长及住质。当然，分子束外延生长方法也存在着一些问题，如设备昂贵、维护费用高、生长时间过长、不易大规模生产等。

32、化学分子束外延具有的主要优点。

答:(1)半无限大源有精确控制电子流作用;(2)单一I族分子束可自动保证组分均匀;(3)可以获得高沉积率。

33、何为有机金属化学气相沉积，对原料的要求。

答:有机金属化学气相沉积是采用加热方式将化合物分解而进行外延生长半导体化合物的方法。作为含有化合物半导体组分的原料，化合物有-定的要求。(1)在常温下较稳定而且较易处理; (2)反应的副产物不应阻碍外延生长，不应污染生长层; (3)在室温下应具有适当的蒸气压(≥Toor )。

34、有机金属化学气相沉积的特点有哪些?

答: (1)反应装置较为简单，生长温度范围较宽; (2)可对化合物的组分进行精确控制，膜的均匀性和膜的电学性质重复性好; (3)原料气体不会对生长膜产生蚀刻作用。因此，在沿膜生长方向上，可实现掺杂浓度的明显变化; (4)只通过改变原材料即可生长出各种成分的化合物。

第四章薄膜的形成和生长

1、详述薄膜生长过程中具有明显特征的生长顺序(沉积阶段)。

答:(1)首先形成无序分布的三维核，然后少量的沉积物迅速达到饱和密度，这些核随后形成所观察到的岛，岛的形状由界面能和沉积条件决定。整个生长过程受扩散控制，即吸附和亚临界原子团在基片表面扩散并被稳定岛俘获。

(2)当岛通过进一步沉积而增大尺寸时，岛彼此靠近，大岛似乎以合并小岛而生长。岛密度以沉积条件决定的速率单调减少。这一-阶段(称为合并阶段1)涉及岛间通过扩散实现可观的质里传递。

(3)当岛分布达到临界状态时，大尺寸岛的迅速合并导致形成联通网络结构，岛将变平以增加表面覆盖度。这个过程(称合并阶段1)开始时很迅速，-旦形成网络便很快慢下来。网络包含大里的空隧道，在外延生长情况下，这些隧道是结晶学形貌中的孔洞。

(4)生长的最后阶段是需要足够里的沉积物缓慢填充隧道过程。不管大面积空位在合并形成复合结构的何处形成，都有二次成核发生。这一二次成核随着进-步沉积，-般缓慢生长和合并。

2、类液体合并机理认为岛的少里移动可能因素有哪些?

答: (1)入射荷能气相原子撞击引起的动里传递，(2)岛间具有电荷而产生的静电吸引等。(3)施加横向电场产生加速合并等实验观察也说明了小岛移动的发生。.

3、决定聚集和膜生长的重要因素是吸附原子的迁移率，简述影响吸附原子迁移率的主要因素。

答:迁移率随着表面扩散激活能的减小而增加，随迁移过程中吸附原子的有效温度或动能的增加而增加，也随基片温度和表面光滑度的增加而增加。

4、薄膜成核生长阶段的高聚集来源于哪些原因?

答: (1)高的沉积温度; (2)气相原子的高的动能，对于热蒸发意味着高沉积率; (3)气相入射的角度增加。这些结论假设凝聚系数为常数，基片具有原子级别的平滑度。

5、详述薄膜生长的三种模式及生长条件，并给出示意图。

答: (1)岛状模式(或Volmer-Weber模式)。当最小的稳定核在基片上形成就会出现岛状生长，它在三维尺度生长，最终形成多个岛。当沉积物中的原子或分子彼此间的结合较之和基片的结合强很多时，就会出现这种生长模式。

(2)单层模式(或Frank-VanderMerwe模式)。在单层生长模式中，最小的稳定核的扩展以压倒所有其他方式出现在二维空间，导致平面片层的形成，在这一生长模式中，原子或分子之间

的结合要弱于原子或分子和基片的结合。第一个完整的单层会被结合稍松弛--些的第二层所覆盖。只要结合能的减少是连续的，直至接近体材料的结合能值，单层生长模型便可自持。

(3)层岛复合模式(或Stranski - Krastanov模式)o层岛模式是上述两种模式的中间复合。在这种模式中，在形成一层或更多层以后，随后的层状生长变得不利，而岛开始形成。从二维生长到三维生长的转变，人们还未认识清楚其缘由，但任何干扰层状生长结合能特性的单调减小因素都可能是出现层岛生长模式的原因。

这三种模式分别示意于下图。

薄膜材料和薄膜技术(答案)

第五章薄膜表征

1、何为自发辐射? .

答:当x射线、电子束打到薄膜样品后，在样品的原子中会产生空位，电子将从外壳层填充空位而实现跃迁，跃迁同时伴随着光子的发射，这一-过程称之为自发辐射。

2、何为电子能量损失谱(EELS) ?

答:当入射电子束打到薄膜样品后，和固体薄膜中的原子发生相互作用，电子束将显现特征能量损失，从而获得固体薄膜中原子相互作用信息，这即为电子能量损失谱(EELS)o

3、红外吸收和拉曼散射的原因是什么，为什么某些分子振动对红外吸收敏感，而另-些分子振动则对拉曼散射敏感?

答:红外吸收是由引起偶极矩变化的分子振动产生的，而拉曼散射则是由引起极化率变化的分子振动产生的，其原因在于:红外吸收是红外范围的低频率光直接和分子振动相互作用，而可见光和紫外光等高频率光只是和分子内的电子相互作用，因此，由于作用的方式不同，某些分子振动对红外是敏感的，而另外一些分子振动则对拉曼散射敏感。

4、为什么说红外吸收和拉曼散射的选择定则和分子振动的对称性密切相关?

答: (1)对于具有对称中心的分子振动，红外不敏感，拉曼散射敏感;相反，对于具有反对称中心的分子振动，红外吸收敏感而拉曼散射不敏感。(2)对于对称性高的分子振动，拉曼散射敏感。

5、薄膜应力有哪两类，它们各自形成的原因是什么?

答:薄膜应力可以分为外应力和内应力。薄膜外应力包括外界所施加的应力，基片和薄膜热膨胀不同所导致的应力和薄膜和基片共同受到塑性变形所弓|起的应力，而薄膜内应力则是薄膜的内禀性质，它形成的主要原因是薄膜生长中的热收缩、晶格错配或杂质的存在、相变、表面张力等因素。

6、薄膜应力的一般形式有哪些?

答:有轴向张力、轴向压力、双轴张力和静水压力以及纯切应力。

7、当薄膜的厚度tf相对和基片的厚度ts很小时，薄膜和基片膨胀系数的相对大小对薄膜应力的性质的影响如何?当应力过大时薄膜会产生何现象?

答: (1)当af>as时，薄膜则存在拉应力; (2)而当af 7、根据基片应变里求薄膜变形量的方法有哪些?

答: (1)把基片一端固定，求出膜生长时产生的自由端位移d; (2)使用圆形基片，从牛顿环的移动量求出d; (3) 将基片一端固定，在膜生长时，在基片自由端加力，测出阻止基片变形所需力的大小;(4)触针法:在定方向上移动触针，测得薄膜沉积前后基片的变形量;(5)单狭缝衍射法:将基片-端做成单狭缝，把平行光照射在单狭缝上，测里衍射光的强度，则由强度1和狭缝宽度 d的函数关系确定do另外测量方法还有光断面显微镜法、干涉仪法、全息摄影法等。

8简述薄膜应力对x射线衍射峰的影响规律及利用X射线衍射技术测童薄膜应力的两种方法。

答:薄膜具有宏观应力，则x射线衍射峰位会出现位移，而如果薄膜具有微观应力，则x射线衍射峰的宽度会变宽。利用x射线行射技术测童薄膜应力的两种方法为: (1) 一种方法是改变x射线入射角，同时改变探测器的方向，观测正反射方向的衍射图形; (2)另一种方法是x射线的入射角保持一定，改变探测器方向观测行射线图形。

试题A卷试题答案

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。

二、解释下列概念 1、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： 1称为平均自由程， 22n2、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。

3、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。

4、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

5、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

三、回答下列问题

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 (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 (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

(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表面

(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：

反应温度太高，一般要1000℃左右，许多基体材料都耐受不住CVD的高温，因此了它的应用范围

5、辉光放电过程中为什么P·d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？

(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

(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

(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１μm/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。

四、证明下列公式

合金中组元A、B的蒸发速率之比可表示为

试证明之

证明：合金中各成分的蒸发速率为

MA GA0.058PA'GB0.058PB'GAPAWAMBGBPBWBMA

TMBTA、B两种成分的蒸发速率之比为

GAPA'GBPB'nAnAnBnBnAnBMAMBPA'XAPAPB'XBPBPA'nAPAPB'nBPBPA'PAWAMBPB'PBWBMAXAXBWAmAnAMAWBmBnBMB合金中组元A、B的蒸发速率之比为

GAPAWAMBGBPBWBMA

五、计算：处于1527℃下的镍铬合金(Ni 80%, Cr 20%)在PCr=10Pa,

PNi=1Pa时，它们的蒸发速率之比 (MNi= 58.7 MCr = 52.0)

GCrWCrPCrMNi

GNiWNiPNiMCr

201058.7 2.780152.0

六、下图表示溅射薄膜组织的四种典型断面结构及衬底相对温度和溅射气压对薄膜组织的影响，试分析各种组织的形成条件和特点。(10分)

在温度很低、气体压力较高的条件下，入射粒子的能量很低。这种情况下形成的薄膜具有形态1型的微观组织。沉积组织呈现一种数十纳米的细纤维状的组织形态，纤维内部缺陷密度很高或者就是非晶态结构；纤维间的结构明显疏松，存在许多纳米尺度的孔洞。此种膜的强度很低。

形态T型的组织是介于形态1和形态2的过渡型组织。此时沉积的温度仍然很低，沉积过程中临界核心的尺寸仍然很小。形态1组织向形态T组织转变的温度与溅射时的气压有关。溅射气压越低，即入射粒子的能量越高，则发生转变的温度越向低温方向移动。Ts／ Tm＝0.3~0.5温度区间的形态2型的组织是原子表面扩散进行得较为充分时形成的薄膜组织。形成的组织为各个晶粒分别外延而形成的均匀的柱状晶组织，柱状晶的直径随沉积温度的增加而增加。晶粒内部缺陷密度较低，晶粒边界的致密性较好，这使得薄膜具有较高的强度。衬底温度的继续升高(Ts／ Tm > 0.5)使得原子的体扩散发挥重要作用。此时，在沉积进行的同时，薄膜内将发生再结晶的过程，晶粒开始长大，直至超过薄膜的厚度。薄膜的组织变为经过充分再结晶的粗大的等轴晶组织，晶粒内部缺陷很低，如图中显示的形态3型的薄膜组织。

在形态2和形态3型组织的情况下，衬底的温度已经较高，因而溅射气压或入射粒子的能量对薄膜组织的影响变得比较小。

一、选择题：

1、所谓真空，是指：（）

A、一定的空间内没有任何物质存在；

B、一定空间内气压小于1个大气压时，气体所处的物理状态； C、一定空间内气压小于1 MPa时，气体所处的物理状态； D、以上都不对

2、以下关于CVD特点的描述，不正确的是：（） A、与溅射沉积相比，CVD具有更高的沉积速率；

B、与PVD相比，CVD沉积绕射性较差，不适于在深孔等不规则表面镀膜； C、CVD的沉积温度一般高于PVD方法；

D、CVD沉积获得的薄膜致密、结晶完整、表面平滑、内部残余应力低 3、关于气体分子的平均自由程，下列说法不正确的是：（） A、气压越高，气体分子的平均自由程越小； B、真空度越高，气体分子的平均自由程越长； C、温度越高，气体分子的平均自由程越长；

D、气体分子的平均自由程与温度、压力无关，取决于气体种类

4、下列PECVD装置中，因具有放电电极而存在离子轰击、弧光放电所致的电极损坏潜在风

险和电极材料溅射污染薄膜问题的是：（）

A、电容耦合型； B、电感耦合型； C、微波谐振型； D、以上都不对

-4

5、按真空区域的工程划分，P = 10 Pa时，属于（）区域，此时气体分子的运动以（）为主。

A、粗真空； B、低真空； C、高真空； D、超高真空； E、粘滞流； F、分子流； G、粘滞-分子流 H、Poiseuille流 6、下列真空计中，（）属于绝对真空计。

A、热偶真空计； B、电离真空计； C、Pirani真空计； D、薄膜真空计 7、CVD沉积薄膜时，更容易获得微晶组织薄膜的方法是：（） A、低温CVD； B、中温CVD； C、高温CVD； D、以上都不对 8、下列真空泵中，（）属于气体输运泵。

A、旋片式机械泵； B、油扩散泵； C、涡轮分子泵； D、低温泵 9、低温CVD装置一般指沉积温度 <（）的CVD装置。 A、1000℃； B、500℃； C、900℃； D、650℃ 10、下列关于镍磷镀技术的说法中，正确的是：（）

A、所获得的镀层含有25wt%左右的P而非纯Ni，所以也称NiP镀； B、低P含量的镍磷镀镀层致密，硬度可达到与电镀硬Cr相当的水平； C、高P含量的镍磷镀镀层无磁性；

D、可直接在不具有导电性的基体上镀膜

11、关于LPCVD方法，以下说法中正确的是：（）

A、低压造成沉积界面层厚度增加，因此薄膜沉积速率比常压CVD更低； B、低压造成反应气体的扩散系数增大；

C、低压导致反应气体的迁移运动速度增大； D、薄膜的污染几率比常压CVD更低

12、气相沉积固态薄膜时，根据热力学分析以下说法中不正确的是：（） A、气相过饱和度越大，固态新相形核能垒越低； B、气相过饱和度越大，固态新相形核能垒越高；

C、气相过饱和度越大，固态新相临界晶核尺寸越大；

D、固态新相的形核能垒和临界晶核尺寸只取决于沉积温度（过冷度） 13、溅射获得的气相沉积原子是高能离子轰击靶材后，二者通过级联碰撞交换能量的结果，因此入射离子能量（）时更容易发生溅射现象。

A、极高； B、极低； C、适中； D、固定不变

14、薄膜-基片间浸润性较差时，薄膜往往以（）模式生长。 A、岛状； B、层状； C、层状-岛状； D、随机 15、以下关于闪烁蒸发技术的描述，正确的是：（） A、其蒸发温度和电阻加热蒸发相近；

B、不存在沉积物成分偏离蒸发材料成分的问题；

C、由于可使材料瞬间蒸发，因而可以沉积高熔点难蒸发材料如W、Mo、石墨等； D、蒸发过程中大量释放气体，易导致“飞溅” 16、在简单二极直流辉光放电系统中，从阴极到阳极会出现一系列明暗交替的辉光区和暗区，其中（）是二次电子和离子的主要加速区，该区域内的压降占整个放电电压的绝大部分，而其后的（）是正离子、电子浓度最高和辉光最强区。

A、阿斯顿暗区； B、阴极暗区； C、法拉第暗区； D、阳极暗区； E、阴极辉光区； F、负辉光区； G、正辉光区； H、阳极辉光区

17、下列蒸发物质中：（）属于易升华材料；（）能够在1000℃以下温度实现蒸发；蒸发温度最高的是（）。

A、Ti； B、Al； C、Zn； D、W； E、石墨； F、Mo； G、Co； H、Cu 18、溅射产额是指：（）

A、单位时间内，从单位面积靶材中溅射出的原子个数；

B、平均每个正离子轰击靶材时，可从靶材中溅射出的原子个数； C、单位体积靶材在单位时间内发射的原子数；

D、薄膜表面上单位面积上平均接收到的靶材原子个数 19、以下关于薄膜内应力的说法中，正确的是：（） A、过高的拉应力往往使薄膜局部开裂、脱落； B、过高的压应力往往使薄膜局部起皱、剥落； C、内应力主要源自于热应力和生长应力； D、热应力只可能是拉应力状态

20、薄膜的附着力与薄膜材料、基片材料的表面能及膜-基界面间的界面能有关，以下说法中正确的是：（）

A、薄膜材料的表面能越高，薄膜的附着力越高； B、基片材料的表面能越高，薄膜的附着力越高； C、膜-基界面间的界面能越高，薄膜的附着力越高； D、膜-基界面间的界面能越低，薄膜的附着力越高 21、沉积（）薄膜时，更容易获得非晶薄膜。

A、纯金属； B、合金； C、无机化合物； D、非金属单质

22、Ar 的入射角 =（）时，其溅射产额最高。

oooo

A、90（垂直于靶面）； B、45； C、80； D、60 23、用石墨作为待蒸发物质沉积碳薄膜，宜采用的蒸发方法是：（）

A、电阻加热蒸发； B、闪烁蒸发； C、电弧放电加热蒸发； D、以上都不对 24、根据新相自发形核理论，以下条件下中可提高临界核心面密度的是：（） A、提高气相压力； B、降低气相压力； C、提高沉积温度；

D、固定气相压力和沉积温度不变

25、入射离子能量E 满足（）的条件时，溅射产额大致正比于E。

445

A、E < 150 eV； B、E = 150-10 eV； C、E > 10 eV； D、E > 10 eV 26、PECVD一般工作温度低于500℃，所以属于（）CVD装置。 A、低温； B、中温； C、高温； D、常温

27、以下真空计中，更适合气体有腐蚀性的真空系统压力测量的是：（）

A、电离真空计； B、热偶真空计； C、薄膜真空计； D、皮拉尼真空计 28、（）主要采用强非金属性元素的氢化物和金属烷基化合物作为原料气体。 A、MOCVD； B、LPCVD； C、PECVD； D、普通CVD 29、以下关于PECVD的说法中，正确的是：（） A、PECVD沉积薄膜的质量优于传统CVD； B、PECVD的设备成本较高；

C、PECVD属于低温沉积，所获薄膜内应力小、不易破损；

D、PECVD在工业领域应用的广泛程度已超过各种普通CVD方法。

-7

30、气压P = 8.0×10 torr时，相当于P = （）Pa、（）atm或（）bar，此时的真空

状态属于（）区域，气体分子运动具有（）特征。

-4-9-9-4

A、1.07×10； B、6.00×10； C、1.05×10； D、6.08×10；

-9-4

E、1.07×10； F、6.00×10； G、粗真空； H、低真空； I、高真空； J、超高真空； K、分子流； L、粘滞流； M、粘滞-分子流 N、以上都不对 31、（）是指在含有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，从而在作为阴极的基片表面还原出金属，获得金属或合金薄膜的沉积方法，根据法拉第电解定律，利用CuSO4溶液作为电解质，要在基片上析出16 g重的纯Cu膜理论上至少需要（）库仑的电量（已知Cu的摩尔质量为 g/mol）。

A、阳极氧化； B、镍磷镀； C、电镀； D、微弧氧化 E、24125； F、48250； G、96500； H、193000

二、填空题

1、表征真空度的气体压强单位制主要有_________制、_________制、_________制和_________制等，这些单位可方便地进行换算，如：0.0133 torr = __________ Pa = _________ atm = _________ PSI = _________ bar。 2、为了研究和工程应用的便利，常将真空划分为_________、_________、_________、__________、_________ 等几个不同压强范围区域，例如：涡轮分子泵的启动气压约为1 Pa左右，按照一般工程划分标准此时的气压属于__________范围。

3、CVD沉积装置一般由三个基本部分构成，分别是：________________________________、________________________________和_____________________________，CVD沉积工艺控制最重要的两个参数是：____________________和___________________。

4、PECVD装置可分为____________ 型、_________ 型和____________ 型三类，ECR PECVD属于其中的____________ 型；按耦合方式不同，射频耦合型又可分为________耦合式和________耦合式两类。

5、________是指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，从而在作为阴极的基片表面还原出金属，获得金属或合金薄膜的沉积方法，其过程满足_________定律：即电流通过电解质溶液时，流经电极的_________与____________________的物质的量成正比，例如：由AgNO3溶液中析出1摩尔纯银需要_________库仑电量，而电镀Zn时要沉积39 g纯Zn膜则需要_________库仑电量（已知Zn的摩尔质量为65 g/mol）。 6、CVD化学气相沉积反应主要有_______反应、_______反应、_______反应、______反应、________反应和________反应等几种主要类型。

7、PVD包括三个分别对应气相物质的产生、输运和沉积过程的阶段，这三个阶段分别是：1）从________发射粒子（气相原子、分子、离子）；2）激发粒子输运到______；3）气相粒子在基片上__________________。蒸发与溅射相比，在第1阶段的主要区别在于：________是通过外加能量加热源材料使之克服逸出功而发生气态热逸出，而________是通过高能粒子轰击靶材，通过碰撞输入传递能量使具有更高动能的靶材粒子逸出。

8、蒸发镀膜装置主要包括_____________、__________、___________、_____________、____________和_____________等。 9、实现蒸发沉积薄膜的基本条件是___________________小于其________________，可通过以下三种途径实现：1）提高待蒸发材料的______；2）降低系统的______；3）降低待蒸发材料的_________。 10、溅射装置按电极特性可分为__________、__________和___________，其中能实现绝缘体和半导体靶材溅射沉积的是___________；根据溅射沉积物质与靶材是否同质进行分类，可分为常规溅射和___________。

11、薄膜的初期生长主要有三种模式，分别为：__________模式、__________模式和____________模式，总体而言，______模式形核功小，形核容易；________模式生长时弹性错配能低，生长易进行。

12、蒸发沉积初期成膜过程的实验观察表明：随着名义膜厚的不断增加，其过程一般可分为____________、______________、_______________、_________________、______________五个阶段。 13、为表征薄膜成分，可采用的入射粒子束主要有_______束、_______束和_______束等，而携带薄膜成分信息的出射束可以和入射束类型一致，也可以不同，例如：RBS分析的入射束和出射束均为________束；XPS分析的入射束为X射线束，而出射束为_______束。

14、可实时监测薄膜厚度及沉积速率的方法主要有_______________法、_______________法、_______________法和光学干涉法；而薄膜厚度的后效测量除光学干涉法外，还可以采用原子力显微镜、___________仪和_______仪实现。

15、采用球痕（Ball-Crater）法测量多层超硬薄膜厚度时，假设已知硬质合金磨球的直径为25 mm，TiN、TiCN、DLC层的横向延伸宽度分别为50m、100m和50m（如右图所示），磨穿区域直径d约为200m，则该薄膜的总厚度约为________，TiN层、TiCN层及DLC层的厚度分别为_______、________和________。

三、简答题

1、真空如何定义（概念）？如何表征？有哪些单位制？如何换算？ 2、为什么要划分真空区域？其依据是什么？关键参数如何定义？

3、工程上如何划分真空区域？各个真空区域的气体分子的物理运动特征如何？ 4、什么是吸附和脱附？为什么要关注？其主要机制和影响因素有哪些？

5、真空泵可分为哪两大类？简述各类包括的常用真空泵类型及其工作压强范围。 6、分析说明实用的真空抽气系统为什么往往需要多种真空泵组成复合抽气系统？ 7、各举一例比较气体输运泵和气体捕获泵工作原理的不同。

8、真空计如何分类？图示说明至少 2 种常用真空计的工作原理、工作范围、适用场合以及优、缺点。

9、化学方法制备薄膜的主要特征是什么？基本分类如何？

10、什么是化学气相沉积？有哪些技术优势？各举一例说明其主要化学反应类型。 11、填充完成CVD设备的基本构成示意图，简述CVD形成薄膜的一般过程。

反应气体去除副产品 12、分析对比激光辅助CVD、光化学气相沉积和 PECVD的异同点。 13、图示说明阳极氧化生长薄膜的基本步骤，分析为什么阳极氧化需要高的极间电压且薄膜生长厚度存在极限。

14、化学镀镍为什么又被称为NiP镀？根据含P量高低可分为哪三类，各自性能如何？总体而言NiP镀有哪些优点和不足？

15、什么是溶胶-凝胶技术？有哪些技术要求？

16、什么是物理气相沉积（PVD）？举例说明PVD的主要过程。 17、真空蒸发装置一般包括哪三个组成部分？何者为最关键的部分，主要需要完成哪些功能？ 18、真空蒸发装置主要包括哪些类别？选择三种典型蒸发装置，比较其原理、特点和适用领域。

19、画出直流辉光放电的伏安特性曲线，解释说明放电区域的划分、以及不同放电阶段的放电现象和伏安特性变化特征，最后解释溅射镀膜工作区域的选择及理由。 20、选择三种典型溅射装置，比较其镀膜原理、工艺特点和适用领域。 21、与蒸发法相比，溅射镀膜主要有哪些优点和缺点？溅射装置可以按哪些特性分为哪些类别？

22、简述磁控溅射的出发点和实现方法，并图示说明磁控溅射实现电子磁约束的原理。 23、选择三种典型的离化 PVD技术，比较其镀膜原理和特点。 24、分析说明离子束溅射和离子束辅助溅射沉积的区别。

25、试以表格形式比较蒸发、溅射和离子镀三种 PVD技术的镀膜原理和特点。 26、图示说明薄膜的初期形成过程一般分为哪几个阶段、各阶段的主要现象如何？ 27、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。

28、根据新相自发形核理论，简述薄膜临界核心面密度 n 的主要影响因素及各自的影响规律，并解释说明要获得均匀平整薄膜沉积的基本条件和实现途径。 29、根据薄膜非自发形核理论，简述非自发形核率 (dN/dt) 的主要影响因素，并解释说明吸附气体原子的脱附激活能、扩散激活能和临界形核势垒对其影响规律和内在机制。 30、根据薄膜非自发形核理论，分析并图示说明沉积速率和基片温度如何影响所获薄膜的组织特征（为什么高温低速沉积往往获得粗大或单晶结构薄膜，而低温高速沉积有利于多晶或非晶薄膜产生？）。

31、图示说明连续薄膜形成时三种可能的核心吞并互连机制及其驱动力的异同。 32、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。

33、画出低温抑制型薄膜生长时，沉积原子入射方向角在0-之间变化时，其纤维状结构的生长角随的变化规律曲线，并依据该曲线分析在什么范围时，纤维结构的生长方向与入射来流的方向出入较小、何时出入最大？ 34、图示说明溅射气体压力、沉积温度及基片负偏压等工艺参数对溅射薄膜内应力状态及水平的影响规律，分析怎样才能在获得较致密 T 型组织的同时，获得适度的膜内压应力状态。 35、图示说明薄膜-基体界面形态主要有哪四种？各有何特点？附着力如何？ 36、薄膜材料的表征一般可分为哪几大类？

37、薄膜厚度和沉积率的实时监测主要有哪些方法？已镀制薄膜厚度的测量方法主要有哪些？其中哪些可用于透明薄膜的厚度表征？

38、选择三种膜厚/沉积速率表征法，图示说明其测量原理、特点和适用场合。

39、列表比较常用薄膜成分表征方法的入射束、出射束、可探测元素范围、探测极限、空间分辩率和深度分辨率等特性，并说明哪些方法可用来分析原子的化合态？分析方法 EDX AES XPS RBS SIMS 元素范围探测极限空间分辩率深度分辨率入射束出射束 o

40、薄膜附着力目前是否有完善的定量表征方法？图示说明其主要表征方法的实现原理。 41、图示说明薄膜截面TEM样品的基本制备步骤和TEM电子衍射花样特征与薄膜组织特征的一般对应关系。

42、实现真空蒸发镀膜需要建立怎样的蒸发条件？实现这一条件的三个途径分别是什么？已知某型电阻加热蒸发装置的极限加热温度为2250 K，蒸发物的平衡蒸汽压Pe ≥ 1.0 Pa时可满足蒸镀要求，试根据右图所给数据，确定图中各种金属在该设备上实现蒸发条件要求的蒸发温度，指出其中哪些材料不能在该设备上实现蒸发镀膜。

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