薄膜材料与薄膜技术复习资料

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，把真空划分为粗真空，低真空，高真空，超高真空四个区域。

2.在高真空真空条件下，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旋转式机械真空泵，油扩散泵和复合分子泵。

4.真空计种类很多，通常按测量原理可分为绝对真空计和相对真空计。

5.气体的吸附现象可分为物理吸附和化学吸附。

6.化学气相反应沉积的反应器的设计类型可分为常压式，低压式，热壁式和冷壁式。

7.电镀方法只适用于在导电的基片上沉积金属和合金，薄膜材料在电解液中是以正离子的形式存在。

制备有序单分子膜的方法是LB技术。

8.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。

9.物理气相沉积过程的三个阶段：从材料源中发射出粒子，粒子运输到基片和粒子在基片上凝聚、成核、长大、成膜。

10.溅射过程中所选择的工作区域是异常辉光放电，基板常处于负辉光区，阴极和基板之间的距离至少应是克鲁克斯暗区宽度的3-4倍。

11.磁控溅射具有两大特点是可以在较低压强下得到较高的沉积率和可以在较低基片温度下获得高质量薄膜。

12.在离子镀成膜过程中，同时存在吸附和脱附作用，只有当前者超过后者时，才能发生薄膜的沉积。

13.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。

14.原子聚集理论中最小稳定核的结合能是以原子对结合能为最小单位不连续变化的。

15.薄膜成核生长阶段的高聚集来源于：高的沉积温度、气相原子的高的动能、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。

16.薄膜生长的三种模式有岛状、层状、层状-岛状。

17.在薄膜中存在的四种典型的缺陷为：点缺陷、位错、晶界和层错。

18.列举四种薄膜组分分析的方法：X射线衍射法、电子衍射法、扫描电子显微镜分析法和俄歇电子能谱法。

19.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。

由于作用的方式不同，对于具有对称中心的分子振动，红外吸收不敏感，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。

对于对称性高的分子振动，拉曼散射敏感。

20.拉曼光谱和红外吸收光谱是测量薄膜样品中分子振动的振动谱，前者是散射光谱，而后者是吸收光谱。

21.表征溅射特性的主要参数有溅射阈值、溅射产额、溅射粒子的速度和能量等。

什么叫真空？写出真空区域的划分及对应的真空度。

真空，一种不存在任何物质的空间状态，是一种物理现象。

粗真空 105～102Pa 粘滞流，分子间碰撞为主低真空 102～10-1 Pa 过渡流高真空 102～10-1 Pa分子流，气体分子与器壁碰撞为主超高真空 10-5～10-8 Pa气体在固体表面吸附滞留为主极高真空 10-8 Pa 以下·什么是真空蒸发镀膜法？其基本过程有哪些？真空蒸发镀膜是在真空中通过加热蒸发某种物质使其沉积在固体表面，由三个步骤组成：蒸发源材料由凝聚相转变成气相，在蒸发源与基片之间蒸发粒子的运输，蒸发粒子到达基片后凝结、成核、长大、成膜。

·什么是溅射镀膜？列举常见的溅射镀膜的类型（至少三种）。

用带电粒子轰击靶材，加速的离子轰击固体表面时，发生表面原子碰撞并发生能量和动量的转移，使靶材原子从表面逸出并淀积在衬底材料上的过程。

辉光放电直流溅射、三级溅射、射频溅射·简述正常辉光放电和异常辉光放电的特征。

在正常辉光放电时，放电仅仅覆盖阴极的一部分表面，随着放电电流变化，覆盖面也变化，但两极间电压不随电流变化。

在异常辉光放电时，放电已经覆盖阴极表面的全部，电流变化会导致电流密度变化，必须有比最合适条件高的放电电压。

·磁控溅射为什么具有“低温”、“高速”两大特点？正离子对靶材轰击所引起的靶材溅射更加有效。

同时受正交电磁场的束缚电子又只能在其能量要耗尽时才沉积在基片上。

所以磁控溅射具有“低温”“高速”这两大特点。

·简述核形成与生长的物理过程。

在基底表面上吸附的气相原子凝结之后，吸附原子在其表面上扩散迁移而形成晶核。

晶核再结合其他吸附气体原子逐渐长大，最后便形成了薄膜。

因此薄膜的形成是由成核开始的，由核生长而形成薄膜。

·简述离子轰击的作用有哪些？（至少三点）1. 离子溅射对基片表面产生清洗作用2. 产生缺陷作用3. 破坏表面结晶结构4. 改变表面形貌5. 离子掺入6. 温度升高7. 表面成分变化·简述薄膜生长阶段及各阶段的特点。

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。

·简述薄膜生长的三种模式及生长条件。

（l）岛状模式。

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。

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。

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。

·简述薄膜组分及结构表征的主要分析方法。

X射线衍射方法、低能电子衍射和反射式高能电子衍射X射线能量色散谱、俄歇电子能谱、X射线光电子能谱、卢瑟福背散射技术、二次离子质谱化学气相沉积化学气相沉积(Chemical vapor deposition，简称CVD)是反应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料的工艺技术。

1.激光化学气相沉积反应由激光激发的化学气相沉积方法。

1.电镀电镀是利用电解的原理将导电体铺上一层金属的方法。

1.化学镀化学镀也称无电解镀或者自催化镀，是在无外加电流的情况下借助合适的还原剂，使镀液中金属离子还原成金属，并沉积到零件表面的 1 种镀覆方法。

1.LB技术LB膜技术在适当的条件下，不溶物单分子层可以通过特定的方法转移到固体基底上，并且基本保持其定向排列的分子层结构。

1.金属有机化学气相沉积金属有机化学气相沉积法是在基板上成长半导体薄膜的一种方法。

1.真空蒸镀真空蒸镀是将待成膜的物质置于真空中进行蒸发或升华，使之在工件或基片表面析出的过程。

1.溅射用带电粒子轰击靶材，加速的离子轰击固体表面时，发生表面原子碰撞并发生能量和动量的转移，使靶材原子从表面逸出并淀积在衬底材料上的过程。

1.离子镀离子镀在真空条件下，利用气体放电使气体或被蒸发物质部分电离，并在气体离子或被蒸发物质离子的轰击下，将蒸发物质或其反应物沉积在基片上的方法。

1.分子束外延在超高真空条件下，由装有各种所需组分的炉子加热而产生的蒸气，经小孔准直后形成的分子束或原子束，直接喷射到适当温度的单晶基片上，同时控制分子束对衬底扫描，就可使分子或原子按晶体排列一层层地“长”在基片上形成薄膜。

1.卢瑟福背散射（RBS）通过将一束确定能量的高能离子束（通常是质子或α粒子）打到待分析材料上，检测背向反射的离子的能量，即可确定靶原子的种类、浓度和深度分布。

1.X射线光电子谱（XPS）以X射线为激发光源的光电子能谱1.俄歇电子谱（AES）俄歇电子能谱(AES、Auger)是一种利用高能电子束为激发源的表面分析技术. AES分析区域受激原子发射出具有元素特征的俄歇电子。

红外吸收和拉曼散射红外吸收是指物质对红外光的吸收。

拉曼散射指光波在被散射后频率发生变化的现象。

•描述旋片式机械泵、复合分子泵、油扩散泵、低温泵的工作原理及范围。

旋片式机械泵：转子带动叶片转动，当叶片处于入口时，叶片从转子中伸出最长，此时，介质进入，随着转子的旋转，叶片将逐渐缩短，叶片与泵体的空间也将越来越小，直逼出口，最终将介质送出。

复合式分子泵的形式很多，按结构分，主要有两种：一种是涡轮叶片与盘式牵引泵的串联组合；另一种是涡轮叶片与筒式牵引泵的串联组合。

涡轮级主要用来提高泵的抽速，一般采用有利于提高抽速的叶片形状，级数在l0级以内。

牵引级主要用来增加泵的压缩比，提高泵的出口压力。

油扩散泵所使用的任何泵油，都是蒸气压不同的多组分的混合物。

因此，要提高油扩散泵的抽气和真空性能，泵在工作中自身还要对泵油进行分馏和净化。

分馏目的是使高蒸气压组分的油不进入高真空工作喷嘴（高真空端的喷嘴）；净化目的是使高蒸气压组分的油在工作过程中不断为前级泵所抽除，使油逐渐趋于纯净.低温泵内设有由液氦或制冷机冷却到极低温度的冷板。

它使气体凝结，并保持凝结物的蒸汽压力低于泵的极限压力，从而达到抽气作用。

•描述测量高、低真空的电离规、电阻规和热偶规的原理和使用范围。

电阻规：当给热丝加恒定的电流时，由于气压不同通过气体传导走的热量不同，热丝所保持的温度就不同，这导致热丝电阻大小不同，通过测量热丝电阻大小就可以推算气压大小。

测量范围一般在0.1Pa至1000Pa。

电离规：由热阴极即灯丝发射电子，电离真空中的气体分子，产生离子，由收集极收集产生的离子，形成离子电流，通过测量离子电流的大小即可推算出真空中气体分子的密度，进而得到气压大小。

测量范围一般为1.0E-05Pa至0.1Pa。

热偶规：直接测量热比的温度变化。

测量范围一般与在0.1Pa至1000Pa。

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