薄膜物理与技术A卷答案
薄膜物理与技术-5 薄膜的形成与生长
吸附原子做表面迁移→碰撞→结合（为主）
• 临界核长成稳定核的速率决定于：
1）单位面积上的临界核数—临界核密度
2）每个临界核的捕获范围 3）所有吸附原子向临界核运动的总速度
5.2 成核理论-热力学界面能理论
* 成核速率 I 与临界核面密度 ni、临界核捕获范围 A和 吸附原子向临界核扩散的总速率 V 有关。
最小稳定核：即原子团的尺寸或所含原子的数目比它再小时， 原子团就不稳定。 对不同的薄膜材料与基片组合，都有各自的最小稳定核。如 在玻璃上沉积金属时，最小稳定核为3-10个原子 临界核：比最小稳定核再小点，或者说再小一个原子，原子 团就变成不稳定的。这种原子团为临界核。
5.2 成核理论
成核理论主要有两种理论模型： • 毛细理论（热力学界面能理论）：建立在热力学基础上，利
1 ED fD exp D o kT 1
5.1 凝结过程
平均表面扩散距离
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）称为平均表面扩散距离， 若用 ao表示相邻吸附位臵间距，则：
x
Ed ED x a0 exp 2kT
αT 1 αT 1
TR =TS 入射原子与基片能量交换充分，达到热平衡 完全适应，
不完全适应，TS < TR < TI
完全不适应， TI TR
入射原子与基片完全没有热交换
αT 0
5.2 成核理论
薄膜的形成是由成核 开始的。
凝结
5.2 成核理论
稳定核：要在基片上形成稳定的薄膜，在沉积过程中必须不 断产生这样的小原子团，即一旦形成就不分解。
5.1 凝结过程
1. 吸附
薄膜物理与技术-7薄膜的物理性质--(1)薄膜的力学性质
电镀膜的附着性能差(∵有一定数量的微孔）
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
附着力的测试方法 机械方法数种如下：
扩散附着
通过中间层附着
宏观效应附着
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
简单附着
7.1.1 薄膜的附着力
(a)简单附着： 是在薄膜和基体之间存在一个很清楚的分界面。由两个接
触面相互吸引形成的。当两个不相似或不相容的表面相互接 触时就易形成这种附着。(如真空蒸镀)
附着能 : Wfs = Ef + Es - Efs
②静电力—薄膜和基体两种材料的功函数不同， 接触后发生电子转移→界面两边积累正负 电荷 → 静电吸引
物理吸附能：0.001eV~0.1eV
③化学键力（化学吸附能0.1-0.5eV）
共价键 离子键 金属键
价电子发生了转移， 短程力，不是普遍存在。
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
须注意：T↑→薄膜晶粒大→热应力↑→其它性能变
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
③引入中间过渡层 某种材料与一些物质间附着力大，与另一些物质的附
着力却可能很小。如：
（1）二氧化硅-玻璃→附着好；二氧化硅-KDP（磷酸二氢 钾）晶体→附着差 （2）金-玻璃→附着差；金-铂、镍、钛、铬等→附着好
方法：在基片Байду номын сангаас镀一层薄金属层（Ti、Mo、Ta、 Cr等）.然后，在其上再镀需要的薄膜，薄 金属夺取基片中氧 中间层表面掺杂。
第七章 薄膜的物理性质
薄膜物理与技术
薄膜物理与技术Physics and Technology of Thin Films课程编号：07370110学分：2学时：30（其中：讲课学时： 30 实验学时：0 上机学时：0）先修课程：大学物理，普通化学适用专业：无机非金属材料工程（光电材料与器件）教材：《薄膜物理与技术》，杨邦朝，王文生主编，电子科技大学出版社，1994年1月第1版开课学院：材料科学与工程学院一．课程的性质与任务薄膜科学是现代材料科学中及其重要且发展非常迅速的一个分支，已成为微电子学、固体发光、光电子学等新兴交叉学科的材料基础，同时薄膜科学研究成果转化为生产力的速度愈来愈快，国内外对从事薄膜研发和生产的人才需求也日益强劲。
本门课程就是为适应学科发展，学生适应市场需求而设置的专业课程。
课程的基本任务是：1、基本掌握各种成膜技术的基本原理和方法；2、了解并初步掌握薄膜的形成、结构与缺陷，薄膜的电学、力学、半导体、磁学等物理性质。
二．课程的基本内容及要求第一章真空技术基础1、教学内容（1）真空的基本知识（2）稀薄气体的基本性质（3）真空的获得及测量2、教学要求理解真空的基本知识和稀薄气体的基本性质，掌握真空的获得、主要手段和真空度策略方法，了解实用真空系统。
第二章真空蒸发镀膜1、教学内容（1）真空蒸发原理（2）蒸发源的蒸发特性及膜厚分布（3）蒸发源的类型（4）合金及化合物的蒸发（5）膜厚和沉积速率的测量与监控2、教学要求掌握真空蒸发原理，掌握真空镀膜的特点和蒸发过程，理解饱和蒸汽压和蒸发源的发射特性，熟练掌握蒸发速率、薄膜厚度的测量和控制，了解蒸发镀膜的常用方法（电阻加热和电子束加热），了解合金膜及化合物摸的蒸镀。
第三章溅射镀膜1、教学内容（1）溅射镀膜的特点和基本原理（2）溅射镀膜的类型2、教学要求掌握溅射镀膜的基本原理和特点，理解表征溅射特性的参量及其影响因素，了解溅射机理及溅射镀膜的各种类型第四章离子镀膜1、教学内容（1）离子镀的原理和特点（2）离子轰击的作用（3）离子镀的类型2、教学要求掌握离子镀的基本原理和特点，理解离子轰击的作用，了解离子镀的类型。
薄膜物理与技术课后作业
《薄膜物理与技术》课后小作业1．在集成电路工艺中，BPSG薄膜沉积由热化学气相沉积的方法，而不是等离子体；传统金属钨的制备采用CVD技术而不用溅射工艺。
针对这两种工艺请分别说出至少一条这样做的原因。
图例如下。
Answer：化学气相沉积工艺压力在200-600Torr之间，分子的平均自由程更小，填孔能力更好，所以BPSG薄膜制备主要采用化学气相沉积工艺方法。
除此之外，化学气相沉积工艺是热降解的工艺，没有使用射频所产生的等离子体，因而避免了等离子体引起的器件损伤。
通过沉积钨薄膜，进行回刻除去多余的钨，可以实现对垂直通孔很好的填充。
也可以避免溅射对器件的损伤。
2．作为一个完整掌握PVD和CVD能力的镀膜设备的管理者，如果需要为喷气式发动机铸造成型的合金涡轮叶片内部冷却通道及外表面镀制2微米厚的热防护氧化锆涂层，情提供合理的方案和建议。
Answer:PVD的清洁度要求更高，镀膜厚度约为2.5微米，符合要求，PVD镀膜如实地反映被镀器件的表面，不用研磨就具有很好的金属光泽；PVD无污染3．尝试介绍用于分析照相机薄膜透镜上的紫色薄膜样品的特殊结构（如薄膜厚度、形态）和化学表征（如成分）的技术，可能存在的困难有哪些？Answer：薄膜的形貌表征技术：扫描电子显微镜技术：用二次电子信号成像来观察样品的表面形态，即用极狭窄的电子束去扫描样品，通过电子束与样品的相互作用产生各种效应，其中主要是样品的二次电子发射。
二次电子能够产生样品表面放大的形貌像，这个像是在样品被扫描时按时序建立起来的，即使用逐点成像的方法获得放大像。
透射电子显微镜技术：可以看到在光学显微镜下无法看清的小于0.2um的细微结构，这些结构称为亚显微结构或超微结构。
要想看清这些结构，就必须选择波长更短的光源，以提高显微镜的分辨率。
1932年Ruska发明了以电子束为光源的透射电子显微镜，电子束的波长要比可见光和紫外光短得多，并且电子束的波长与发射电子束的电压平方根成反比，也就是说电压越高波长越短。
薄膜物理与技术
1、为什么要真空？真空的概念？真空的用途？答：真空蒸发、溅射镀膜和离子镀膜等常称为物理气相沉积（PVD法）是基本的薄膜制作技术。
他们均要求淀积薄膜的空间要有一定的真空度。
因此，真空技术是薄膜制作技术的基础，获得并保持所需的真空环境，是镀膜的必要条件。
所谓真空是指低于一个大气压的气体空间。
同正常的大气相比，是比较稀薄的气体状态。
粗真空（105~102Pa）：真空浸渍工艺低真空（102~10-1）：真空热处理高真空（10-1~10-6）：分子按直线飞行超高真空（< 10-6）：一得到纯净的气体；二获得纯净的固体表面2、分子的三种速率答：最可几速度：平均速度：均方根速度：3、气体的临界温度：对于每种气体都有一个特定的温度，高于此温度时，气体无论如何压缩都不会液化，这个温度称为该气体的临界温度。
利用临界温度来区分气体与液体。
高于临界温度的气态物质称为气体，低于临界温度称为蒸汽。
极限压强（极限真空）：对于任何一个真空系统而言，都不可能得到绝对真空（p=0），而是具有一定的压强Pu，称为极限压强（或极限真空），这是该系统所能达到的最低压强，是真空系统是否满足镀膜需要的重要指标之一。
4、溅射：所谓溅射，是指何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。
5、CVD（化学气相沉积）：化学气相沉积是一种化学气相生长法，简称CVD技术。
这种方法是把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物的单质气体供给基片，利用加热、等离子体、紫外光乃至激光等能源，借助气相作用或在基片表面的化学反应（热分解或化学合成）生成要求的薄膜。
6、薄膜的组织结构：是指它的结晶形态，分为四种类型：无定型结构、多晶结构、纤维结构和单晶结构。
7、薄膜的缺陷：在薄膜的生长和形成过程中各种缺陷都会进入到薄膜之中。
这些缺陷对薄膜产生重要的影响。
他们与薄膜制作工艺密切相关。
点缺陷：在基体温度低时或蒸发过程中温度的急剧变化会在薄膜中产生许多点缺陷，这些点缺陷对薄膜电阻率产生较大影响。
薄膜物理期末考试孙喜莲版.
薄膜物理与技术（孙喜莲版）一：填空题1. 为了研究真空和实际使用方便，根据各压强范围内不同的物理特点，把真空划分为，，，四个区域。
2. 在真空条件下，分子的平均自由程可以与容器尺寸相比拟。
3. 列举三种气体传输泵，和。
4. 气体捕获泵是通过各种材料特有的将被抽气体吸除，以达到所需真空。
5. 真空计种类很多，通常按测量原理可分为和。
6. 气体的吸附现象可分为和。
7. 化学气相反应沉积的反应器的设计类型可分为，，和。
8 电镀方法只适用于在上沉积金属和合金，薄膜材料在电解液中是以的形式存在。
制备有序单分子膜的方法是。
9 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。
10 物理气相沉积过程的三个阶段：，和。
11.在相同条件下，小平面蒸发源的中心膜厚为点蒸发源中心膜厚的倍。
12. 在反应蒸发中，蒸汽原子与活性气体之间的反应主要发生在。
13. 溅射过程中所选择的工作区域是，基板常处于区，阴极和基板之间的距离至少应是宽度的两倍。
14. 在气体成分和电极材料一定条件下，起辉电压V只与和的乘积有关。
15.磁控溅射具有两大特点是和。
16.直流二极溅射依赖离子轰击阴极所发射的次级电子来维持。
17.射频电极在靶材上的效应使得气体离子对其自发的轰击和溅射。
18.在离子镀成膜过程中，同时存在和作用，只有当前者超过后者时，才能发生薄膜的沉积。
19 薄膜的形成过程一般分为：、、。
20 原子聚集理论中最小稳定核的结合能是以为最小单位不连续变化的。
21薄膜成核生长阶段的高聚集来源于：、、。
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。
22 薄膜生长的三种模式有、、。
23 在薄膜中存在的四种典型的缺陷为：、、和。
24 列举四种薄膜组分分析的方法：、、和。
25 电子衍射图案对于单晶衍射为，精细多晶为，大晶粒多晶且包含织构为。
26 红外吸收是由引起变化的分子振动产生的，而拉曼散射则是由引起变化的分子振动产生的。
由于作用的方式不同，对于具有对称中心的分子振动，不敏感，敏感；相反，对于具有反对称中心的分子振动，敏感而不敏感。
薄膜物理与技术-考试重点
薄膜物理与技术-考试重点1．真空环境的划分：①低真空（> 102Pa）；②中真空（102—10-1Pa）；③高真空（10-1—10-5Pa）；④超高真空（< 10-5Pa）真空蒸发沉积：高真空和超高真空（<10-3 Pa）溅射沉积：中、高真空（10-2—10Pa）低压化学气相沉积：中、低真空（10—100Pa）电子显微分析：高真空材料表面分析：超高真空2．为了获得高真空蒸发系统，通常采用旋片式机械泵和涡轮分子泵两级真空泵联用，其中与真空室直接相连的是涡轮分子泵。
真空泵的原理和适用范围：①旋片式机械真空泵（输运式真空泵）：依靠安置在偏心转子中的可以滑进滑出的旋片将气体隔离、压缩，然后排出泵体之外。
>10-1Pa②涡轮分子泵（输运式真空泵）：高速旋转的叶片将动量传给气体分子，并使其向特定方向运动。
10-8—1Pa 溅射离子泵（捕获式真空泵）：高压下电离的气体分子撞击Ti阴极，溅射出大量活性很高的Ti原子，以吸附或化学反应的形式捕获大核心的数目。
化学气相淀积：利用气态先驱反应物，通过原子、分子间化学反应的途径生成固态薄膜。
物理气相淀积：利用某种物理过程，实现物质原子从源物质到薄膜的可控转移的过程。
阴影效应：蒸发的物质被障碍物阻挡而不能沉积到衬底上。
溅射：离子轰击物质表面，并在碰撞过程中发生能量与动量的转移，将物质表面原子激发出来的过程。
溅射法：将被电场加速后具有一定动能的离子引向靶电极，与靶表面原子碰撞使之溅射出来，溅射原子能够沿一定方向射向衬底并沉积下来。
等离子体鞘层：等离子体相对器壁会呈正电性，在等离子体和壁之间的非电中性薄层称为鞘层。
弹性碰撞：参加碰撞的粒子的总动能和总动量保持不变，并且不存在粒子内能的变化。
溅射产额：被溅射出来的原子数与入射离子数之比。
（衡量溅射过程效率的参数）靶材的中毒：随着活性气体压力的增加，靶材表面可能形成一层相应的化合物，导致溅射和薄膜沉积速率降低。
《薄膜光学与技术》期末测验试题B答案
《薄膜光学与技术》期末测验试题B答案1/7————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：（2014-2015 学年第 1 学期《薄膜光学与技术》期末考试试题（B 卷）参考答案及评分标准一、填空题（每空 1 分，共 25 分）1、薄膜是指附着于基底，且与基底不同质的 非自持性 涂层。
2、镀制单层介质薄膜时，第二次看到相同的反射色时的膜层光学厚度是第一次 看到相同的反射色时膜层光学厚度的3倍。
3、K9 玻璃上的单层 MgF 2 膜层与单层 ZrO 2 膜层具有相同的反射色调时，MgF 2 膜层的光学厚度等于（大于、小于、等于）ZrO 2 膜层的光学厚度。
4、在折射率为 3.5 的材料表面镀单层减反射膜，材料最佳的折射率为： 1.8708 。
5、周期性对称膜系(pqp)s 的等效折射率和基本周期/pqp的等效折射率完全相同，其等效位相厚度等于基本周期的 s 倍。
6、按照材料状态不同，一般将薄膜分为固体薄膜、 气体 薄膜和液体薄膜三类。
7、 T orr 和 Pa 是两个常用来表示真空度的单位，它们较为准确的换算关系为：1T orr=133.3Pa 。
8、镀膜室内真空度高表明气体压强小 ，真空度低则气体压强 大 。
9、由于极值点的判读精度不高，因此常常采用 过正控制 、 高级次监控 、预镀监控片 等措施来提高极值法监控精度。
10、电子枪的 e 型枪是指电子束 出射后至坩埚表面的运动方向改变了 270 度。
11、请写出常用的三种金属镀膜材料： Au 、 Ag 、 Al 。
12、一般镀膜系统测量真空需要两个真空计：热电偶真空计和 电离 真空计。
13、采用光电极值法监控膜厚，监控片为 K9 玻璃（折射率为 1.52），如果要镀 制单层 ZnS 薄膜（折射率为 2.35），监控的第一个透射率极值点应该是极大值还是极小值： 极小值。
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《薄膜物理与技术》A卷试题参考答案及评分细则
一、名词解释：（本题满分20分，每小题5分）
1、饱和蒸汽压
在一定温度下（1分），真空室内蒸发物质的蒸气与固体或液体平衡过程中（2分）所表现出的压力称为该物质的饱和蒸气压。
（2分）
2、溅射
是指荷能粒子轰击固体物质表面（靶），（1分）并在碰撞过程中发生动能与动量的转移，（2分）从而将物质表面原子或分子激发出来的过程。
（2分）
3、化学气相沉积
把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物的单质气体供给基片（2分），利用热、等离子体、紫外线、激光、微波等各种能源（2分），使气态物质经化学反应形成固态薄膜。
（1分）。
4、外延生长
外延生长技术就是在一块半导体单晶片上（2分）沿着单晶片的结晶轴方向生长（2分）一层所需要的薄单晶层。
（1分）
二、简答题：（本题满分80分）
1、什么叫真空？写出真空区域的划分及对应的真空度（10分）
答：真空是指低于一个大气压的气体空间。
（2分）
对真空的划分：
1）粗真空：105－102Pa；（2分）
2）低真空：102－10-1Pa；（2分）
3）高真空：10-1－10-6Pa；（2分）
4）超高真空：＜10-6Pa。
（2分）
2、什么是真空蒸发镀膜法？其基本过程有哪些？（10分）
答：真空蒸发镀膜法(简称真空蒸镀)是在真空室中，加热蒸发容器中待形成薄膜的原材料，使其原子或分子从表面气化逸出（2分），形成蒸气流，入射到基片表面，凝结形成固态薄膜的方法。
（2分）其基本过程包括：
（1）加热蒸发过程。
包括凝聚相转变为气相的相变过程。
（2分）
（2）输运过程，气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运。
（2分）
（3）蒸发原子或分子在基片表面的淀积过程，即使蒸气凝聚、成核、核生长、形成连续薄膜。
（2分）
3、简述磁控溅射的工作原理。
（10分）
答：磁控溅射的工作原理是：电子e在电场E作用下，在飞向基板过程中与氩原子发生碰撞，使其电离出Ar＋和一个新的电子e，电子飞向基片，Ar＋在电场作用下加速飞向阴极靶，（2分）并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射。
在溅射粒子中，中性的靶原子或分子则淀积在基片上形成薄膜。
（2分）
二次电子e1一旦离开靶面，就同时受到电场和磁场的作用。
一般可近似认为：二次电子在阴极暗区时，只受电场作用；一旦进入负辉区就只受磁场作用。
（2分）
从靶面发出的二次电子，首先在阴极暗区受到电场加速，飞向负辉区。
进入负辉区的电子具有一定速度，并且是垂直于磁力线运动的，此时电子受洛仑兹力的作用而绕磁力线旋转。
（2分）电子旋转半圈之后，重新进入阴极暗区，受到电场减速。
当电子接近靶面时，速度即可降到零。
以后电子又开始一个新的运动周期，作E×B漂移。
（2分）
4、简述离子镀的原理。
（10分）
答：离子镀的工作原理:蒸发源接阳极，衬底接阴极，当通以三至五千伏高压直流电以后，蒸发源与工件之间产生辉光放电（2分）。
由于真空罩内充有惰性氩气，在放电电场作用下部分氩气被电离，从而在阴极衬底周围形成一等离子暗区。
（2分）带正电荷的氩离子受阴极负高压的吸引，猛烈地轰击衬底表面，致使衬底表层粒子和脏物被轰溅抛出，从而使衬底待镀表面得到了充分的离子轰击清洗。
（2分）随后，接通蒸发源交流电源，蒸发粒子熔化蒸发，进入辉光放电区并被电离。
（2分）带正电荷的蒸发料离子，在阴极吸引下，随同氩离子一同冲向衬底，当抛镀于衬底表面上的蒸发料离子超过溅失离子的数量时，则逐渐堆积形成一层牢固粘附于衬底表面的镀层。
（2分）
5、什么是有机金属化学气相沉积法，当选用含有化合物半导体元素的原料时需要满足哪些条件？（10
分）
答：有机金属化学气相沉积法是一种利用有机金属化合物的热分解反应进行气相外延生长薄膜的CVD技术。
（4分）
选用含有化合物半导体元素的原料时须满足以下条件：
（1）在常温下较稳定且容易处理；（2分）
（2）反应的副产物不应妨碍晶体生长，不应污染生长层；（2分）
（3）为适应气相生长，在室温附近应具有适当的蒸气压。
（2分）
6、简述溶胶-凝胶法制备薄膜的过程（10分）
答：采用金属醇盐或其它盐类作为原料（2分），通常溶解在醇、醚等有机溶剂中形成均匀溶液（solution），（2分）该溶液经过水解和缩聚反应形成溶胶（sol），（2分）进一步聚合反应实现溶胶-凝胶转变形成凝胶（gel）（2分），在经过热处理脱除溶剂和水，最后形成薄膜。
（2分）
7、简述核形成与生长的步骤。
（10分）
答：核形成与生长有四个步骤：
（1）从蒸发源蒸发出的气相原子入射到基体表面上，其中有一部分因能量较大而弹性反射回去，另一部分则吸附在基体表面上。
在吸附的气相原子中有一小部分因能量稍大而再蒸发出去。
（3分）（2）吸附气相原子在基体表面上扩散迁移，互相碰撞结合成原子对或小原子团并凝结在基体表面上。
（3分）
（3）这种原子团和其他吸附原子碰撞结合，或者释放一个单原子。
这个过程反复进行，一旦原子团中的原子数超过某一个临界值，原子团进一步与其他吸附原子碰撞结合，只向着长大方向发展形成稳定的原子团。
含有临界值原子数的原子团称为临界核，稳定的原子团称为稳定核。
（2分）（4）稳定核再捕获其他吸附原子，或者与入射气相原子相结合使它进一步长大成为小岛。
（2分）
8、什么叫薄膜？试写出几种类型的薄膜（至少四种）。
（10分）
答：薄膜是指在基板的垂直方向上所堆积的1～10的原子层或分子层（2分）。
半导体薄膜（2分）、超导薄膜（2分）、铁电薄膜（2分）、光学薄膜（2分）、磁性薄膜、陶瓷薄膜等等。