薄膜物理与技术

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，气体压强低于一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：l′105 ~ l′102 Pa，（2）低真空：l′102 ~ 1′10-1Pa，（3）高真空：l′10-1 ~ 1′10-6Pa和（4）超高真空：< 1′10-6Pa。

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，气体分子间和分子与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，气体分子与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，分子与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，与化学反应相似，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与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。气体传输泵是一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一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，可以与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（460l/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

答：（l）一且开始再生处理，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；通过测量与压强有关的物理量，并与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：所测量的物理参数与气体成分无关，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）反应气体会与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，且有许多变量需要控制。

3、在化学气相薄膜沉积过程中可控制的变量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量携载气体、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，气体从一端注入，在另一端用真空泵排出。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，具有足够高能量的光子用于使分子分解并成膜，或与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。（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与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限制。

8、限制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 ，这里等离子体与基片不接触。（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与基片相接触，沉积率为50nm/min。

2、何为电镀

答：电镀是电流通过在导电液（称为电解液）中的流动而产生化学反应，最终在阴极上（电解）沉积某一物质的过程。

3、在水溶液中，离子被沉积到薄膜以前经历了哪几个过程

答：①去氢；②放电；③表面扩散；④成核、结晶。

4、电镀法的优缺点有哪些

答：电镀法的优点是（1）薄膜的生长速度较快；（2）基片可以是任意形状，这是其他方法所无法比拟的。电镀法的缺点是电镀过程一般难以控制。

5、何为化学镀

答：不加任何电场、直接通过化学反应而实现薄膜沉积的方法叫化学镀。化学反应可以在有催化剂存在和没有催化剂存在时发生，使用活性剂的催化反应也可视为化学镀。

6、LB 膜技术所形成膜的类型有哪几种请画出相应膜结构。

答：（1）如果沉积层只在基片下降时得到，这样的沉积或制造的膜称为X型；

薄膜材料与薄膜技术（答案）

（2）当基片下降或抽取时实现膜的沉积则此膜为Y 型，这一类型膜为大多数研究者所研究；薄膜材料与薄膜技术（答案）

（3）当只有当基片抽取时发生膜沉积，此时获得的膜称为Z 型，这一沉积模式是不常见的。薄膜材料与薄膜技术（答案）

10、在水溶液中，离子被沉积到薄膜以前经历的具体过程有哪些

答：①去氢；②放电；③表面扩散；④成核、结晶。

11、何为电镀其主要优缺点有哪些电镀法制备的薄膜性质主要取决于什么

答：电镀是电流通过在导电液（称为电解液）中的流动而产生化学反应，最终在阴极上（电解）沉积某一物质的过程。电镀法的主要优点是薄膜的生长速度较快；基片可以是任意形状，这是其他方法所无法比拟的。电镀法的缺点是电镀过程一般难以控制。电镀法制备的薄膜性质取决于电解液、电极和电流密度。

12、何为化学镀

答：不加任何电场、直接通过化学反应而实现薄膜沉积的方法叫化学镀。化学反应可以在有催化剂存在和没有催化剂存在时发生，使用活性剂的催化反应也可视为化学镀。

13、何为LB技术

答：l933年Katharine Blodgtt 和Irving Langmuir发现利用分子活性在气液界面上形成凝结膜，将该膜逐次叠积在基片上形成分子层（或称膜）的技术，后被称为Longmuir-Blodgett（LB）技术。

第三章薄膜制备的物理方法

1、物理气相沉积过程的三个阶段

答：（1）从源材料中发射出粒子；

（2）粒子输运到基片；

（3）粒子在基片上凝结、成核、长大、成膜。

2、真空蒸发沉积的物理原理及特点

答：在真空环境下，给待蒸发物提供足够的热量以获得蒸发所必需的蒸气压。在适当温度下，蒸发粒子在基片上凝结，这样即可实现真空蒸发薄膜沉积。

真空蒸发沉积薄膜具有简单便利、操作容易、成膜速度快、效率高等特点，是薄膜制备中最为广泛使用的技术，这一技术的缺点是形成的薄膜与基片结合较差，工艺重复性不

好。

3、真空蒸发沉积过程的三个步骤

答：（1）蒸发源材料由凝聚相转变成气相；（2）在蒸发源与基片之间蒸发粒子的输运；（3）蒸发粒子到达基片后凝结、成核、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蒸发源或蒸发加热装置；③放置基片及给基片加热装置。

5、何为物质的饱和蒸气压

答：在一定温度下，蒸发气体与凝聚相平衡过程中所呈现的压力称为该物质的饱和蒸气压。

6、何为物质的蒸发温度

答：物质的饱和蒸气压随温度的上升而增大，相反，一定的饱和蒸气压则对应着一定的物质温度。规定物质在饱和蒸气压为10-2Torr时的温度，称为该物质的蒸发温度。

7、电阻丝加热蒸发法的加热装置有哪四个主要特点

答；①它们只能用于金属或某些合金的蒸发；②在一定时间内，只有有限量的蒸发材料被蒸发；③在加热时，蒸发材料必须润湿电阻丝；④一旦加热，这些电阻丝会变脆，如果处理不当甚至会折断。

8、电阻加热蒸发法的主要缺点是：

答：（1）支撑坩埚及材料与蒸发物反应；（2）难以获得足够高的温度使介电材料，如Al2O3、Ta2O5、TiO2等蒸发；（3）蒸发率低；（4）加热时合金或化合物会分解。

9、激光蒸发技术的优点。

答：（1）激光是清洁的，使来自热源的污染减少到最低；

（2）激光光束只对待蒸镀材料的表面施加热量，可减少来自待蒸镀材料支撑物的污染；（3）激光束聚焦可获得高功率密度，使高熔点材料也可有较高的沉积速率；

（4）激光束发散性较小，激光及其相关设备可以相距较远；

（5）采用外部反射镜导引激光光束，很容易实现同时或顺序多源蒸发。

10、真空电弧蒸发属于物理气相沉积，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膜。

11、脉冲激光蒸发的优势有哪些

答：脉冲激光蒸发的优势在于可以使源材料的原始纯度保持下来，同时减少了坩埚污染。另外，被照射的靶和基片的平均温度都很低。因此沉积是在低温下进行。因此脉冲激光蒸发法对于化合物材料的组元蒸发具有很大优势。即使化合物中的组元具有不同的蒸气压，在蒸发时也不会发生组分偏离现象。

12、何为溅射

答：在某一温度下，如果固体或液体受到适当的高能粒子（通常为离子）的轰击，则这些原子通过碰撞有可能获得足够的能量从表面逃逸，这一将原子从表面发射出去的方式称为溅射。

13、溅射的主要实验事实有哪些

答：（l）溅射出来的粒子角分布取决于入射粒子的方向；（2）从单晶靶溅射出来的粒子显示择优取向；（3）溅射率（平均每个入射粒子能从靶材中打出的原子数）不仅取决于入射粒子的能量，而且也取决于入射粒子的质量；（4）溅射出来的粒子平均速率比热蒸发的粒子平均

速率高得多。

14、简述直流辉光放电等离子体产生的过程。

答：在两极加上电压，系统中的气体因宇宙射线辐射会产生一些游离离子和电子，但其数量是很有限的，因此所形成的电流是非常微弱的，这一区域AB称为无光放电区。随着两极间电压的升高，带电离子和电子获得足够高的能量，与系统中的中性气体分子发生碰撞并产生电离，进而使电流持续地增加，此时由于电路中的电源有高输出阻抗限制致使电压呈一恒定值，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，二次电子与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，大量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，从而使这一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，这一区域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：

（l）对于任何待镀材料，只要能作成靶材，就可实现溅射；

（2）溅射所获得的薄膜与基片结合较好，

（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）溅射率与入射离子的种类、能量、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）在入射离子能量超过溅射阈值后，随着入射离子能量的增加，在150eV 以前，溅射率与入射离子能量的平方成正比；在150~10000eV范围内，溅射率变化不明显；入射能量再增加，溅射率将呈下降趋势。（3）溅射率随着入射离子与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，溅射率与入射角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。

溅射率一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，溅射率还与靶材温度、溅射压强等因素有关。

18、溅射原子的能量分布一般呈何分布，溅射原子的能量和速度具有哪些特点

答：溅射原子的能量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量较高，而原子序数小的溅射原子溅射逸出的速度较高；（2）在相同轰击能量下，溅射原子逸出能量随入射离子的质量而线形增加；

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

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、工作气体流量与压强、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，会形成与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

答：（1）增加额外的电子源来提供电子；（2）提高已有电子的离化效率；（3）利用附加的高频放电装置；（4）施加磁场。

22、三极溅射系统的主要缺点是什么

答：（1）难以从大块扁平靶中产生均匀溅射；（2）放电过程难以控制；（3）工艺重复性差。

23、相对于传统溅射过程，离子束溅射的优点

答：主要优点：具有工作压强低、减小气体进入薄膜、溅射粒子输送过程中较少受到散射；离子束溅射还可以让基片远离离子发生过程。其它还有：①离子束窄能量分布使我们能够将溅射率作为离子能量的函数来研究；②可以使离子束精确聚焦和扫描；③在保持离子束特性不变的情况下，可以变换靶材和基片材料；④可以独立控制离子束能量和电流。

24、何为反应溅射

答：在存在反应气体的情况下，溅射靶材时，靶材料会与反应气体反应形成化合物的溅射。

25、通过增加离子动能或通过离化提高化学活性可使薄膜具有何种优点

答：（1）与基片结合良好；（2）在低温下可实现外延生长；（3）形貌可改变；（4）可合成化合物等。

26、离子和表面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附和溅射，这一功能经常被用于沉积前的基片清洗；②涂层原子被俘获或穿入，使气体原子进入到亚表层；③起初的基片溅射和随后的涂层原子溅射，这将减少膜生长率但可以导致原子的混合；④涂层和基片原子的位移似及点阵缺陷的产生，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、离子轰击在离子镀膜过程中的重要作用。

答：（1）离子轰击对基片表面起到溅射清洗作用。（2）离子轰击会使基片表面产生缺陷。（3）

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）离子轰击可能造成气体在基片表面的渗入，同时离子轰击的加热作用也会引起渗入气体的释放。（6）离子轰击会导致基片表面温度升高，形成表面热。（7）离子轰击有可能导致基片表面化学成分的变化。

28、离子轰击对基片/膜所形成的界面产生重要的影响。

答：（1）离子轰击会在膜/基片所形成的界面形成“伪扩散层”，这一“伪扩散层”是基片元素和膜元素物理混合所导致的。（2）离子轰击会使表而偏析作用加强，从面增强沉积原子与基片原子的相互扩散。（3）离子轰击会使沉积原子和表面发生较强的反应，使其在表面的活动受到限制，而且成核密度增加，促进连续膜的形成。（4）离子轰击会优先清洗掉松散结合的界面原子，使界面变得更加致密，结合更加牢固。（5）离子轰击可以大幅改善基片表面覆盖度，增加绕射性。

29、离子轰击对薄膜生长过程的影响。

答：（l）离子轰击能消除柱状晶结构的形成。（2）离子轰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。

答：在直接离子束沉积中，离子束存在低能情况下直接沉积到基片上；在离子束溅射沉积过程中，高能离子束直接打向靶材，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。

答：（1）由于系统是超高真空，因此杂质气体（如残余气体）不易进入薄膜，薄膜的纯度高。（2）外延生长一般可在低温下进行。（3）可严格控制薄膜成分以及掺杂浓度。（4）对薄膜进行原位检测分析，从而可以严格控制薄膜的生长及性质。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Ⅲ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，化合物有一定的要求。（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（≥1Toor）。

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。

第四章薄膜的形成与生长

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I）涉及岛间通过扩散实现可观的质量传递。

（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II）开始时很迅速，一旦形成网络便很快慢下来。网络包含大量的空隧道，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量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一步沉积，一般缓慢生长和合并。

2、类液体合并机理认为岛的少量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量传递，（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：（l）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与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与基片的结合。第一个完整的单层会被结合稍松弛一些的第二层所覆盖。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）。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。

薄膜材料与薄膜技术（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，与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）。

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，而另一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与分子振动相互作用，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与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与基片共同受到塑性变形所引起的应力，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 相对与基片的厚度ts很小时，薄膜与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、根据基片应变量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：在一定方向上移动触针，测得薄膜沉积前后基片的变形量；（5）单狭缝衍射法：将基片一端做成单狭缝，把平行光照射在单狭缝上，测量衍射光的强度，则由强度I 和狭缝宽度 d 的函数关系确定d。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 射线衍射技术测量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 射线衍射技术测量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衍射线图形。