薄膜材料與薄膜技術(shù)復(fù)習(xí)題

1、薄膜材料與薄膜技術(shù)復(fù)習(xí)題1. 薄膜材料與體材料的聯(lián)系與區(qū)別。1. 薄膜所用原料少，容易大面積化，而且可以曲面加工。例：金箔、飾品、太 陽能電池， GaN，SiC，Diamond2. 厚度小、比表面積大，能產(chǎn)生許多新效應(yīng)。如： 極化效應(yīng)、表面和界面效 應(yīng)、耦合效應(yīng)等。3. 可以獲得體態(tài)下不存在的非平衡和非化學(xué)計(jì)量 比結(jié)構(gòu)。如： Diamond: 工業(yè) 合成,2000 C, 5.5萬大氣壓,CVD生長(zhǎng)薄膜：常壓，800度.Mgx Zn 1-x 0:體相 中Mg的平衡固溶度為0.04, PLD法生長(zhǎng)的薄膜中，X可01.4. 容易實(shí)現(xiàn)多 層膜，多功能 薄膜。如：太 陽能電池、 超 晶格： GaAlAs

2、/GaAs5. 薄膜和基片的粘附性， 一般由范德瓦耳斯力、靜電力、表面能（浸潤(rùn)）和 表面互擴(kuò)散決定。范德瓦耳2. 真空度的各種單位及換算關(guān)系如何？1pa=1N2（1atm） 1.013 × 105Pa（帕）1Torr 1 / 760atm 1mmHg1Torr 133Pa 102 Pa1bar = 0.1MPa3. 機(jī)械泵、擴(kuò)散泵、渦輪分子泵和低溫泵的工作原理是什么？旋片式機(jī)械泵工作過程：1. 氣體從入口進(jìn)入轉(zhuǎn)子和定子之間2. 偏軸轉(zhuǎn)子壓縮空氣并輸送到出口3. 氣體在出口累積到一定壓強(qiáng)，噴出到大氣工作范圍及特點(diǎn)：-3Atmosphere to 10 torr耐用，便宜 由于泵的定子、

3、轉(zhuǎn)子都浸入油中，每周期都有油進(jìn)入容器，有污染。 要求機(jī)械泵油有低的飽和蒸汽壓、一定潤(rùn)滑性、黏度和高穩(wěn)定性。油擴(kuò)散泵1. 加熱油從噴嘴高速噴出，氣體分子與油分子碰撞實(shí)現(xiàn)動(dòng)量轉(zhuǎn)移，向出 氣口運(yùn)動(dòng)，或溶入油中，油冷凝后，重新加熱時(shí)，排出溶入的氣體，并 由出氣口抽出；2. 需要水冷，前級(jí)泵3. 10 -3 to 10 -7 Torr （to 10-9 Torr ，液氮冷阱 ）優(yōu)點(diǎn)： 耐用、 成本低，抽速快 無震動(dòng)和聲音 缺點(diǎn)： 油污染渦輪分子泵特點(diǎn)：1. 氣體分子被高速轉(zhuǎn)動(dòng)的渦 輪片撞擊，向出口運(yùn)動(dòng)2. 多級(jí)速度：30,000-60,000 rpm. 轉(zhuǎn)子的切向速度與分子運(yùn)動(dòng)速率相當(dāng)-103. Atm

4、osphere to 10 Torr4. 啟動(dòng)和關(guān)閉很快5. 無油，有電磁污染6. 噪聲大、有振動(dòng)、比較昂貴 .低溫泵（CryOPumP特點(diǎn)：1. 利用 20K 以下的低溫表面來凝聚氣體分子實(shí)現(xiàn)抽氣，是目前最高極限真空的 抽氣泵；2. 可對(duì)各種氣體捕集，凝結(jié)在冷凝板上，所以工作一段時(shí)間后必須對(duì)冷凝板加 熱“再生”；3. “再生”必須徹底；4. 加熱“再生”溫度 >200 °C 烘烤除去吸附的氣體5. 無油污染；6. 制冷機(jī)式低溫泵運(yùn)作成本低， 較常采用。4. 為什么薄膜的主要PVD制備技術(shù)要在真空中完成？真空的特點(diǎn)是 a 氣體分子的平均自由程大b 單位面積上分子與固體表面碰撞的

5、頻率小c 氣體分子密度低d 剩余氣體對(duì)沉積膜的摻雜 想要得到高純度的薄膜，就必須盡量在較高真空度的環(huán)境下，或是在不會(huì)與薄 膜材料產(chǎn)生反應(yīng)的氬氣等的惰性氣體中進(jìn)行。e 改變反應(yīng)進(jìn)程 薄膜要求密致，純度高，針孔小，然后真空可以提高沉積速率，降低對(duì)薄膜的 污染5. 哪些是有油真空泵，哪些是無油真空泵？無油泵有哪些主要點(diǎn)？ 機(jī)械泵和擴(kuò)散泵是有油泵，渦輪分子泵，羅茲泵，離子泵，鈦升華泵無有油，6. 敘述熱偶規(guī)、電離規(guī)測(cè)量真空度的原理和使用必須的注意事項(xiàng)。7. 什麼是CVD和PVD薄膜制備技術(shù)？8. CVD 過程自由能與反應(yīng)平衡常數(shù)的過程判據(jù)是什么？9. 寫出CVD沉積Si、Sio2、Si3N4'

6、 GaAS薄膜的反應(yīng)方程？各采用什么類型的 CVD裝 置？10. CVD 薄膜沉積的必要條件是什么？11. 說出APCVD LPCVD PECVD勺原理和特點(diǎn)。12. 什么是化學(xué)鍍？它與化學(xué)沉積鍍膜的區(qū)別？有何特點(diǎn)？13. 電鍍與化學(xué)鍍有何區(qū)別？有那些主要應(yīng)用？14. SOl-Gel 成膜技術(shù)的特點(diǎn)和主要工藝過程是什么？15. 說出四種以上薄膜的化學(xué)制備方法和四種以上物理制備方法？16. 什么是飽和蒸氣壓？與蒸發(fā)溫度的關(guān)系怎樣？17. 溫度變化對(duì)蒸發(fā)速率有何影響？18. 蒸發(fā)時(shí)如何控制合金薄膜的組分？19. 膜厚的主要監(jiān)控方法有哪些？20. 什麼是輝光放電？它有哪些主要應(yīng)用領(lǐng)域？21. 濺射鍍

7、膜與真空鍍膜相比，有何特點(diǎn)？22. 濺射率的大小與那些因素有關(guān)？以 Ar 為濺射源，常溫下能獲得 較高濺射率的合適的濺射能量、濺射角度在什么范圍？23. 什麼是直流濺射？什麼是射頻濺射？比較它們?cè)谠?、結(jié)構(gòu)與使用方面的異 同點(diǎn)。24. 濺射率的大小主要有哪五種因素決定？沉積率的大小又有哪些因素決定？25. 試述磁控濺射的機(jī)理，主要優(yōu)點(diǎn)是什麼？26. 什麼是反應(yīng)濺射？如何合理控制反應(yīng)濺射條件得到需要的薄膜？27. 多源蒸發(fā)與多靶濺射有哪些重要的用途？為了得到需要組分的多元彌散薄 膜，需要如何調(diào)節(jié)？28. 離子束濺射沉積的主要優(yōu)點(diǎn)是什么？29. 離子鍍膜的原理和特點(diǎn)是什么？30. 離子助有那些類型

8、，離子束增強(qiáng)沉積薄膜合成的原理是什么？31. 有那些薄膜外延的手段？試比較它們的特點(diǎn)。32. 描述薄膜形成的基本過程。33. 什么是凝聚？入射原子滯留時(shí)間、平均表面擴(kuò)散時(shí)間、平均擴(kuò)散距離的概 念？34. 什么是捕獲面積？對(duì)薄膜形成的影響？35. 凝聚過程的表征方法是什麼？36. 核形成與生長(zhǎng)的物理過程。37. 核形成的相變熱力學(xué)和原子聚集理論的基本內(nèi)容？38. 什么是同質(zhì)外延、異質(zhì)外延？失配度？39. 形成外延薄膜的條件（外延材料、襯底、保護(hù)氣氛等）？40. 設(shè)計(jì)一種沉積制備 Fe0.75Cr0.2Mn0.05 均勻復(fù)合薄膜的合理方法。41. 設(shè)計(jì)兩種制備TiN薄膜的PVD方法。42. 有哪些

9、薄膜形貌分析的技術(shù) ?43. 有哪些薄膜結(jié)構(gòu)分析的技術(shù) ?44. 有哪些薄膜組分分析的技術(shù) ?45. X射線衍射基于什么原理？如何從 X射線譜確定晶粒的尺寸？46. RBS基于什么原理？如何從產(chǎn)額譜確定二元合金的組分?47.電子衍射與X射線衍射有何異同？如何區(qū)別單晶、多晶和非晶的衍射圖像？48. 用SIMS技術(shù)分析材料的組分要注意什么問題？49. XPS 和俄歇能譜適合分析材料的那些性能？有何限制？50. 設(shè)計(jì)一套摻硼非晶硅薄膜的形貌、結(jié)構(gòu)、組分、厚度的表征方法。51. 設(shè)計(jì)一套 W-Ti 共摻 二氧化釩薄膜的形貌、結(jié)構(gòu)、組分、厚度、價(jià)態(tài)的表征方法。52. 超硬材料的組成有那些規(guī)律？53. 金

10、剛石薄膜有什么特殊性能？如何制備？54. 類金剛石薄膜與金剛石薄膜的差別是什么？有何應(yīng)用？55. CNx 薄膜的特性和合成方法如何？56. 如何用磁控濺射制備形狀記憶薄膜 NiTi ？57. 納米材料有那些特殊性能？58. 舉出三種三族元素氮化物薄膜，說出它們的主要制備方法。59. 三族元素氮化物的特性如何？談?wù)勚饕獞?yīng)用領(lǐng)域。60. 什么是巨磁電阻和龐磁電阻？巨磁電阻薄膜有什么應(yīng)用？填空題（每題 5 分）1. 熱蒸發(fā)時(shí)沉積速率的大小與、 、等因素有關(guān)。在合金材料蒸發(fā)時(shí)，為了保 證蒸發(fā)膜組分與源的一致，可采用 、 蒸發(fā)方法。2. 分子泵是泵（有油、無油） ，常用 ，等低真空泵的作其前級(jí)泵；分子泵

11、正 常使用時(shí)，腔體真空度必須達(dá)到時(shí)才能與分子泵連通。在分子泵停止轉(zhuǎn)動(dòng) 后，冷卻水和機(jī)械泵可以關(guān)閉。3. 核形成有兩種主要理論：和。凡是自發(fā)的相變都應(yīng)伴隨者體系 能的降低。4. 寫出外延沉積 Si 薄膜的三種化學(xué)反應(yīng)： 、；用 Si 3N4 薄膜可用以下反應(yīng)生成： 。5. Pa ，Torr ，atm 都是真空的量度單位。 1 N/m2 = Pa ；1 atm = Pa ； 1 Torr = mmHg = Pa 。6. 化學(xué)氣相沉積是常用的薄膜制備方法，根據(jù)氣壓、溫度等不同的工藝條件，發(fā)展了多種CVD方法，如：、等 。7. X 射線衍射峰的極大值滿足布拉格公式，它的形式為：，式中，為與的夾角；利用

12、謝樂公式：由X射線譜可計(jì)算晶粒的大小，其中 B為衍射峰8. 溶膠- 凝膠是一種化學(xué)成膜方法，它的成膜工藝包括：等主要工藝過程9. 機(jī)械泵是低真空泵，常用作 ，等高真空泵的前級(jí)泵；為了防止油對(duì)樣品的 污染，常用， 等無油泵作高真空泵； 在擴(kuò)散泵停止后， 應(yīng)當(dāng)保持冷卻水暢通， 在分鐘后可以關(guān)閉冷卻水和機(jī)械泵。10. 薄膜制備的常用物理沉積方法有： 、；常用的化學(xué)制備方法有： 、等。11. 濺射率的大小與、 、等因素有關(guān)。常用的濺射角 在 范圍，常用的濺射能量在 范圍。12. 化學(xué)氣相沉積必須具備的三個(gè)條件是： 、13. 薄膜沉積的臨界厚度大小決定於沉積速率、樣品溫度、是否加電場(chǎng)及樣品 片的傾斜程度

13、等。為了獲得厚度均勻的超薄連續(xù)膜，通常采用：的沉積速率 （高或低）、的樣品溫度（高或低） 、靜電場(chǎng)（加或不加）和 沉積（傾斜或 垂直）。14. 常用的薄膜結(jié)構(gòu)分析方法有： 、；常用的厚度測(cè)量方法有： 、 、；方法測(cè)得的是薄膜的形狀厚度， 方法測(cè)得的是薄膜的光學(xué)厚度，而方法測(cè)得的 是薄膜的質(zhì)量厚度。、概念題（每題 10 分）1. 敘述電離規(guī)測(cè)量真空度的原理和電離規(guī)的使用注意事項(xiàng)。2. 濺射率與那些因素有關(guān)？對(duì)一定的濺射材料，如何選擇合適的濺射條件得 到最大的濺 射率？3. 可用那些方法測(cè)量薄膜的厚度？薄膜厚度的隨線檢測(cè)常用石英晶體振蕩 器，它的厚度檢測(cè)原理是什么？4. 簡(jiǎn)要敘述薄膜的主要生長(zhǎng)過程

14、。5. 什麼是化學(xué)鍍？它與電鍍成膜的主要差別什麼？如何在塑料的非金屬材 料表面用化學(xué)鍍方法鍍金屬層？6. 金剛石薄膜與類金剛石薄膜的主要結(jié)構(gòu)差別是什么？在其制備過程中原 子 H 起什么作用？7. 敘述熱偶規(guī)、電離規(guī)測(cè)量真空度的原理和注意事項(xiàng)。8. 寫出CVD沉積Si、Sio2、Si 3N4、GaAS薄膜的反應(yīng)方程？9. Sol-Gel 成膜技術(shù)的特點(diǎn)和主要工藝過程是什么？10. 蒸發(fā)與濺射有什么區(qū)別？各自的成膜特點(diǎn)是什么？11. 電鍍與化學(xué)鍍有何區(qū)別？有那些主要應(yīng)用？12. 超硬材料的組成有那些規(guī)律？13. 說出APCVD LPCVD PECV的原理和特點(diǎn)。14. 金剛石薄膜與類金剛石薄膜的主要結(jié)構(gòu)差別是什么？在其制備過程中原子H起什么作用?三、設(shè)計(jì)題（每題 10 分）1. 優(yōu)質(zhì)光學(xué)透明薄膜ITo由摻8流右Sn的In 2Q構(gòu)成，Sn的ln2O的熔點(diǎn) 1913°C,密度為 7.18gcm3; Sn 的熔點(diǎn) 231.93 °C, 7.31 g/cm 3,用學(xué)過的 知識(shí)，設(shè)計(jì)一