薄膜物理與技術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

學薄膜、復合薄膜、超導薄膜、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：沉積原子到達基片表面，會發(fā)生三種狀態(tài)。一種是能量較

大，在到達基片表面時就會發(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，在到達基片表面時，會發(fā)生表面遷移擴散。如果擴散原子在駐留時間

內不能與其它原子結合形成更大原子團，就會發(fā)生再蒸發(fā)離開基片表面，而擴散原子團在

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

能與其它原子結合，便形成更大原子團；原子團繼續(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：大多數薄膜通過島狀生長，少部分通過層狀生長模式或者層島復合

模式生長成薄膜。詳細過程為形成穩(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，小島結合形成大島，大島長大并相互結合，有

產生新面積，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？

答：（1）真空概念：空在給定的空間內，氣體的壓強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、氣體分子密度：單位體積中氣體分子數；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。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，氣體的分子數目更少，幾乎不存在分子間的碰撞，分子

和器壁的碰撞機會也更少了。

3.簡述旋片機械泵、油擴散泵、分子泵的工作原理及性能特點？

答：旋片機械泵：原理利用機械運動部件轉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冷卻的泵體外壁，被冷卻凝結成液態(tài)后返回泵底部的蒸發(fā)

器。

特點：l~10-6pa（因此需要前級機械泵提供1Pa的出口壓力）

分子泵:原理泵內交錯布置轉向不同的多級轉子和定子；

轉子葉片以20k~60kr/min的高速旋轉；

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；結構簡單、使用方便;

對不同氣體測量結果不同，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)生零點漂移現象。

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

響應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（改進的S-P型也要求P＜10Pa）；測量結果與氣體種類有關；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生機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；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)法制作預定組成的薄膜，經常采用瞬時蒸發(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＜0.003%,如打開擋

板后沒有轉整數圈（如缺1/4）,則總圈數應25/0.003=8300圈；常用窄帶濾光片（HW1%）膜厚均

勻性誤差應＜0.5%,如打開擋板后沒有轉到整數圈（如缺1/4）,則總圈數應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、離子束濺射結構

及原理？

二極直流濺射：靶材為良導體,依靠氣體放電產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生的二次電子,經陰極加速后被消耗補充的一次電子維持。

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

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,

對基片進行清洗，表面凈化，還可改變淀積薄膜的結構。

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。濺射產生的二次電子在陰極位降區(qū)內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

生建設作用，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。利用輝光放電產生的大量高能粒子對基片進行清洗，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，反應物具有足夠的蒸氣壓，并能以適當的速度被引入反應室；

2.反應產物除了形成固態(tài)薄膜物質外，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。低壓下氣體擴散系數增大，使氣態(tài)反應物和副產物的

質量傳輸速率加快，形成薄膜的反應速率增加。

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理及對附著力的影響。

薄膜與襯底的附著機理：薄膜之所以能附著在基底上，是范德華力、擴散附著、機械咬合等

綜合作用結果，可能涉及以下3種機理:①機械結合。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。在單純機械結合情況下，薄膜的附著力一般都較低。②物理結合。

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

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

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

學鍵合所提供的能量一般在0.5~10eV之間，相應的附著力為10°N?cm上述3種機理單獨

或者共同決定著薄膜與襯底附著。

8.化學鍍的原理和特點？

答：化學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，又稱無電源電鍍。化學鍍不加電場、直接通過化學反應實現薄膜沉積。

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

薄膜物理與技術題庫

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：凝結過程、核形成與生長過程、島形成與結合

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P和

電極距離的乘積有關。

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.薄膜的組織結構是指它的結晶形態(tài)，其結構分為四種類型：無定形結

構，多晶結構，纖維結構，單晶結構。

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

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，真空室內蒸發(fā)物質與固體或液體平衡過程中所表

現出的壓力。

凝結系數：當蒸發(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的氣相原子數與入射到基體表面

上總氣相原子數之比。

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

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

物質原子從源物質到薄膜的可控轉移的過程

真空蒸發(fā)鍍膜法：是在真空室內，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，從而實現薄膜的沉積。

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

子鍍特性的一個重要指標。

化學氣相沉積：是利用氣態(tài)的先驅反應物，通過原子、分子間化學反應的途徑

生成固態(tài)薄膜的技術。

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

表面原子濺射的現象，實現物質原子從源物質到薄膜的可控轉移過程。

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，性質不同于體材表面的特質層。

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？

在給定的空間內，氣體的壓強低于一個大氣壓的狀態(tài)，稱為真空

真空度、壓強、氣體分子密度：單位體積中氣體分子數；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。

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會被散射回靶材表面沉降下

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)的物質作為沉積過程的源物質

⑵源物質經過物理過程而進入氣相

(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)生化學反應

4、簡述化學氣相沉積的特點？

(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，每分鐘可達幾個微米甚至數百微米

⑶CVD反應在常壓或低真空進行，鍍膜的繞射性好，對于形狀復雜的表面或

工件的深孔、細孔都能均勻鍍覆，在這方面比PVD優(yōu)越得多

(4)能得到純度高、致密性好、殘余應力小、結晶良好的薄膜鍍層。由于反應

氣體、反應產物和基體的相互擴散，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、結晶

完全的膜層，這是有些半導體膜層所必須的

(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半導體器件等不可缺少的條件

化學氣相沉積的主要缺點是：

反應溫度太高，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？

如果氣體壓強太低或極間距離太小，二次電子在到達陽極前不能使足夠的氣體

分子被碰撞電離，形成一定數量的離子和二次電子，會使輝光放電熄滅

氣體壓強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

生輝光

6、真空蒸發(fā)系統(tǒng)應包括那些組成部分？

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、簡述化學吸附的特點？

1,吸附力是由吸附劑與吸附質分子之間產生的化學鍵力，一般較強。

2,吸附熱較高，接近于化學反應熱，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的蒸發(fā)過程，但它不是以蒸發(fā)

溫度為控制參數，而是以系統(tǒng)中的四極質譜儀、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度，從而嚴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反應，又不

受質量傳輸的影響，并且利用快門可對生長和中斷瞬時調整。膜的組分和摻雜

濃度可隨源的變化作迅速調整

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和襯底

雜質對外延層的自摻雜和擴散的影響

(4)MBE是動力學過程，即將入射的中性粒子(原子或分子)一個一個地堆積

在襯底上進行生長，而不是一個熱力學過程，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，相當于每秒生長一個

單原子層，因此有利于實現精確控制厚度、結構與成分和形成陡峭異質結等。

MBE特別適于生長超晶格材料

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

此可用多種表面分析儀器實時觀察生長面上的成分結構及生長過程，有利于科

學研究

10、簡述CVD輸運反應的原理

把需要沉積的物質當作源物質（不揮發(fā)性物質），借助于適當的氣態(tài)介質與之

反應而形成一種氣態(tài)化合物，這種氣態(tài)化合物經化學遷移或物理載帶（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，使源物質重

新在基板上沉積出來，這樣的過程稱為化學輸運反應。

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，并按與表面法線方向所成角度e的余弦進行分布。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關系的表達式？

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

成反比關系

平均自由程與壓強成反比，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)化學性質穩(wěn)定，在高溫下不與蒸發(fā)材料發(fā)生化學反應

(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，經濟耐用

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)法制作預定組成的薄膜，經常采用瞬時蒸發(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對某些化合物或合金進行閃爍蒸發(fā)，有利于保證膜成

分的化學計量比或防止分解；又由于材料氣化時間短促，不足以使四周材料達

到蒸發(fā)溫度，所以激光蒸發(fā)不易出現分鐳現象

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象

(4)膜厚可控性和重復性好；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。由于電子的質量小，很容易跟隨

外電場從射頻場中吸收能量并在場內作振蕩運動。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反應的基本類型？

a.熱分解反應

b,還原或置換反應

c.氧化或氮化反應

d.歧化反應

9,簡述任何CVD所用的反應體系，都必須滿足的基本條件？

(1)在沉積溫度下，反應物必須有足夠高的蒸氣壓，要保證能以適當的速度被

引入反應室

(2)反應產物除了所需要的沉積物為固態(tài)薄膜之外，其他產物必須是揮發(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)復分解反應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

薄膜物理與技術要點總結

第一章

最可幾速率：根據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%=產為=1.41心%Vm速度分布

平均速度：解焉=產圖=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：利用低壓強氣體的熱傳導和壓強有關；(熱偶真空計)

利用氣體分子電離；(電離真空計)

真空泵：機械泵、擴散泵、分子泵、羅茨泵

機械泵：利用機械力壓縮和排除氣體

擴散泵：利用被抽氣體向蒸氣流擴散的想象來實現排氣作用

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，真空室內蒸發(fā)物質的蒸氣與固體或液體平衡過程中所表現出的

壓力

蒸發(fā)溫度：物質在飽和蒸氣壓為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系，對于薄膜的制作技術

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目占總的蒸發(fā)材料分子的百分數

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溶劑蒸氣壓乘以溶液中溶劑的

物質的量分數。為保證薄膜組成，經常采用瞬時蒸發(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)中的四級質譜儀、原子吸收光譜等儀器，精密的監(jiān)測分子束的強度和種類，

從而嚴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和襯底雜質對外延層的自摻雜

擴散影響。

(4)是一個動力學過程，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，有利于實現精確控制厚度、結構與成分和形成陡峭異質結

(6)可用多種分析儀器實時觀察生長面上的成分、結構和生長過程，有利于科學研究

8.膜厚的定義？監(jiān)控方法？

膜厚的定義，應該根據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)電學方法(電阻法電容法電離式監(jiān)控記法)

光學方法(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，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

有關。

3.射頻輝光放電的特點？

1.在輝光放電空間產生的電子可以獲得足夠的能量，足以產生碰撞電離；

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？

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.濺射機理？

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

射率減?。?/p>

2.濺射率的大小與入射離子的質量有關；

3.當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；

6.電子轟擊靶材不會發(fā)生濺射現象。

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、離子束濺射結構及原

理？

二極直流濺射靶材為良導體，依靠氣體放電產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生的二次電子，經陰極加速后被消耗補充的一次電子維持。

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

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

基片進行清洗，表面凈化，還可改變淀積薄膜的結構。

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。

濺射產生的二次電子在陰極位降區(qū)內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，使其照射在靶上產生建

設作用，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。利用輝光放電產生的大量高能粒子對基片進行清洗，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）引進放電空間，

使其部分離化。

成膜條件in>rij

3.離子鍍膜技術的分類？

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

4.直流二極濺射、三極和多陰極離子鍍、活性反應離子鍍、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生離子、并由基板所加的負電壓對其加速。

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

設備簡單，技術容易實現，用普通真空鍍膜機就可以改裝，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：可實現低氣壓下的離子鍍膜，鍍膜質量好，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.

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

使其活化，促進其間的化學反應，在基片表面就可以獲得化合物薄膜

特點：增加了反應物的活性，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；調節(jié)或改變蒸

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

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，薄膜質量好；容易進行反應離子

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熱力學分析的主要目的？

CVD熱力學分析的主要目的是預測某些特定條件下某些CVD反應的可行性（化學反應的方

向和限度）。在溫度、壓強和反應物濃度給定的條件下，熱力學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。熱力學分析可作為確定CVD工藝參數

的參考

2.CVD過程自由能與反應平衡常數的過程判據？

與反應系統(tǒng)的化學平衡常數有關。AGr=-23RTlog勺

AGrK?

n/m

K=1[e（生成物）/「[q.（反應物）

Pi=l/J=1

3.CVD熱力學基本內容？反應速率及其影響因素？

按熱力學原理，化學反應的自由能變化AG,.可以用反應物和生成物的標準自由能AG/

來計算，即Aa=246/（生成物）-2人^（反應物）

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

筋扇養(yǎng)最速率為決定反應速率的主要因素。

4.熱分解反應、化學合成反應及化學輸運反應及其特點？

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

反應物氣體使之發(fā)生熱分解，最后在基體上沉積出固體圖層。

特點：主要問題是源物質的選擇和確定分解溫度。選擇源物質考慮蒸氣壓與溫度的關系，注

意在該溫度下的分解產物中固相僅為所需沉積物質。

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

應。

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

化學輸運反應：將薄膜物質作為源物質（無揮發(fā)性物質），借助適當的氣體介質與之反應而

形成氣態(tài)化合物，這種氣態(tài)化合物經過化學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使源物質重新分解出來，這種反應過程稱為化學輸運反應。

特點：AT=工-T?不能太大；平衡常數KP接近于1。

5.CVD的必要條件？

1.在沉積溫度下，反應物具有足夠的蒸氣壓，并能以適當的速度被引入反應室；

2.反應產物除了形成固態(tài)薄膜物質外，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計來克服。適合反應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，反應器壁加熱是為了防止反應物冷凝。管壁有反應

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；反應總處于非平衡狀態(tài)；在大多數情況下，開口

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

現性好，工件容易取放，同一裝置可反復多次使用；有立式和臥式兩種形式。

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

質。缺點：材料生長速率慢，不適合大批量生長，一次性反應器，生長成本高；管內壓力檢

測困難等。關鍵環(huán)節(jié)：反應器材料選擇、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。低壓下氣體擴散系數增大，使氣態(tài)反應物和副產物的質量傳

輸速率加快，形成薄膜的反應速率增加。

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

化學氣相沉積稱為等離子化學氣相沉積。

第六章

1.什么是化學鍍？它與化學沉積鍍膜的區(qū)別？

化學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，又稱無電源電鍍?；瘜W鍍不加電場、直接通過化學反應實現薄膜沉積。

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

化學沉積鍍膜的還原反應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

導體表面制備薄膜；4.薄膜具有特殊的物理、化學性能；5.不需要電源，沒有導電電極。

3.Sol-Gel鍍膜技術的特點和主要過程？

優(yōu)點：高度均勻性；高純度，?可降低燒結溫度；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

溶劑有毒。

主要過程：復合醇鹽的制備；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？

金屬或合金在適當的電解液中作為陽極，并施加一定的直流電壓，由于電化學反應在陽極表

面形成氧化物薄膜的方法，稱為陽極氧化技術。

特點：得到的氧化物薄膜大多是無定形結構。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；化學性質穩(wěn)定的超硬薄膜耐磨損性強，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；多數被鍍件是圓形，可降低上述效應的影響。

5.什么是LB技術？LB薄膜的種類？LB薄膜的特點？

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

的有機薄膜稱為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；通過嚴格控制條件，可以

得到均勻、致密和缺陷密度很低的LB薄膜；設備簡單，操作方便

缺點：成膜效率低；LB薄膜均為有機薄膜，包含了有機材料的弱點；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：凝結過程、核形成與生長過程、島形成與結合生長過程。

2.什么是凝聚？入射原子滯留時間、平均表面擴散時間、平均擴散距離的概念？

凝聚：吸附原子結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

系為7a=roenp（Ed/kT）

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

表示。它和表面擴散能之間的關系是無,=心?理（￡。/左7）。

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

隔）稱為平均表面擴散時間，并用工表示，它與吸附能&和擴散能后。之間的關系為

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

當色爻0寸，每個吸附原子的捕獲面積內只有一個原子，故不能形成原子對，也不能產生凝

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

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

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

達到完全凝結。

4.凝聚過程的表征方法？

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

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

系數（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

系數）。

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和原子聚集理論的基本內容？

認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變是

在基片表面上進行的。

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

表面原子之間的結合能代替熱力學理論中的自由能。

7.什么是同質外延、異質外延？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為a,薄膜材料的晶格常數為b,在基片上

外延生長薄膜的晶格失配數m可用下式表示m2二@。

a

8..形成外延薄膜的條件？

設沉積速率為,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.薄膜結構是指哪些結構？其特點是哪些？

薄膜的結構按研究對象不同分為組織結構、晶體結構、表面結構。

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

無定形結構：結構特性：近程有序、長程無序；不具備晶體的性質；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：雜質富集；纖維結構薄膜

是指晶粒具有擇優(yōu)取向的薄膜

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

尺寸不同，晶格常數也不同。薄膜材料本身的晶格常數與基片材料晶格常數不匹配；

薄膜中有較大的內應力和表面張力。

（3）表面結構：薄膜表面形成過程，由熱力學能量理論，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，薄膜形成多孔結構。

2.蒸發(fā)薄膜微觀結構隨溫度變化如何改變？

低溫時，擴散速率小，成核數目有限，形成不致密帶有縱向氣孔的葡萄結構，?隨著溫度升高，

擴散速率增大，形成緊密堆積纖維狀晶粒然后轉為完全之謎的柱狀晶體結構；溫度再升高,

晶粒尺寸隨凝結溫度升高二增大，結構變?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(晶格排列出現只涉及到單個晶格格點，典型構型是空位和填隙原

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，是晶格結構中一種“線性”不完整結構，位錯大部分從薄膜表面

伸向基體表面，并在位錯周圍產生畸變)、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(由原子錯排產生，在小島間的邊界處出現，當聚合并的小島再

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，X射線束射到分析樣品表面后產生反射，檢出器

收集反射的X射線信息，當入射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。

(2)電子衍射法。在透射電子顯微鏡下觀察薄膜結構同時進行電子衍射分析，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

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

只要測得X射線的波長，進而測定其化學成分。

(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,就可以進行元素鑒定。利用俄歇電子能譜法中的化學位移效應不但可以鑒

定樣品的組分元素還可鑒定它的化學狀態(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量的特征值?？梢?/p>

通過元素鑒定測出。

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

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

并能給出同位素的信息，分析化合物組分和分子結構。

關于濺射

發(fā)布時間：2010-4-28

濺射

一、濺射的基本內容：

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，結果使靶的溫度升高；而有的原子獲得足夠大的能量后產生一

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

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

當級聯(lián)碰撞范圍內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

②：電磁場

③：底物

④：一整套完整配備的鍍膜設備

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

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：每單位時間內靶材物質所釋放出的原子個數

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)計學公式：Rs（統(tǒng)計學）=d/t。

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

久之會產生污染。所以真空濺射腔室內必須進行定期清潔。

二、濺射種類：

1、反應濺射：氧化物，氮化物作為沉積物質

現象：①:靶材分子分裂，其于工藝氣體離子發(fā)生反應，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）：二極濺射是一種經典的標準濺射技術，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)生濺射的靶材質量占原靶材質量的比率。

公式表示：靶材利用率=｛原靶材質量（Kg）—濺射后靶材質量｝/原靶材質量

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，增加生產效率，降

低成本。

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

片、連接片、陰極）

4.2、兩種濺射技術的區(qū)別：

①：靶材利用率不同

②：濺射腔室和陰極設計要求不同

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》

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

的現象。

12年Grove（格洛夫）在實驗室中發(fā)現了這種現象。

7年美國貝爾實驗室及西屋電氣公司首先開始應用濺射原理制備薄膜。

：6年美國國際商用電子計算機公司應用高頻濺射技術制成了絕緣膜。

'0年磁控濺射技術及其裝置出現，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雜的要求，而且促進了新工藝的發(fā)展。

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

究上也已出現了工業(yè)性生產的局面。

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電位，所以一般稱這種濺射為陰極濺射。關于陰極濺射的理

論解釋，主要有如下三種。

發(fā)論

認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生高溫區(qū)，靶材達到蒸發(fā)

溫度而產生蒸發(fā)。

撞論

認為濺射現象是彈性碰撞的直接結果。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)生離子注入現象。

合論

認為濺射是熱蒸發(fā)論和碰撞論的綜合過程。當前傾向于混合論。

粕放電

克輝光放電

在壓力為（TPa的容器內，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，產生更多帶電粒子，電流隨之平穩(wěn)增加，進入“湯森放電

區(qū)”。電流增加到一定程度，發(fā)生“雪崩”現象，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，產生更多離子，這些離子再轟擊陰極，又產生更多的二次電子，如此循環(huán)，當

產生的電子數正好產生足夠多離子，這些離子能夠再生出同樣數量的電子時，進入自持狀態(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。當轟擊區(qū)域覆蓋整個陰極面后，再進一步增加功率，會使放電區(qū)內的電壓和電流密度

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

繼續(xù)增加功率，當電流密度達到約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，無法到達所需要的電離碰撞次數；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，以致于當轟擊陰極時，已無足夠的能量

產生二次電子。

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)，產生很強的電離，具有很高的正離子濃度，有較強的空間電荷；

負輝光區(qū)，光度最強，有較強的負空間電荷；

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