薄膜制备工艺期末复习
光学薄膜复习要点
光学薄膜复习要点第四章光学薄膜的制造工艺1.光学薄膜器件的质量要素光学性能:●膜层厚度d●膜层折射率n折射率误差的三个主要来源：------膜层的填充密度(聚集密度)------膜层的微观组织物理结构------膜层的化学成分机械性能:硬度:膜层材料的本身硬度和膜层内部的填充密度牢固度：是指膜层对于基底的附着力、黏结程度膜层与基底之间结合力的性质（范德华力、分子间作用力、经典吸引）成膜粒子的迁移能环境稳定性：希望薄膜器件的光学性能和机械性能在经历恶劣环境较长时间后仍然不变。
恶劣环境：盐水盐雾、高湿高温、高低温突变、全水浴半水浴、酸碱腐蚀提高方法:1.选用化学稳定性好的材料2.制作结构致密无缝可钻的膜层后果：1.结构致密:酸碱盐水对膜层的腐蚀为单一面腐蚀，速度慢，耐久性强2. 结构疏松：酸碱盐水对膜层的腐蚀是深入内部的体腐蚀，速度快，耐久性差。
填充密度:膜层的实际体积与膜层的几何体积之比。
后果：高的填充密度对应着优良的机械性能和光学性能的环境稳定性。
低：机械性能：膜层与基底之间吸附能小，膜层结构疏松牢固度差膜层表面粗糙，摩擦因数较大，抗摩擦损伤能力差非密封仪器内部，面腐蚀变为深入内部的体腐蚀光学性能：光线在粗糙表面散射损大空隙对环境气体的吸收导致膜层的有效光学厚度随环境、温度的变化而变化。
折射率不稳定。
提高膜层的填充密---基片温度、沉积速率、真空度、蒸汽入射角、离子轰击影响膜层质量的工艺要素：1.真空镀制光学薄膜的基本过程清洗零件---清洁真空室/装零件---抽真空和零件加温---膜厚仪调整---离子轰击---膜料预熔---镀膜---镀后处理---检测。
2.影响薄膜器件质量的工艺要素及其作用机理●真空度:影响折射率，散射，机械强度，不溶性后果:真空度低，使膜料蒸汽分子与剩余气体分子碰撞的几率增加，蒸汽分子的动能大大减小，与基片的吸附能间隙，从而导致沉积的膜层疏松，机械强度差，聚集密度低，化学成分不纯，膜层折射率，硬度变差。
薄膜材料与薄膜技术复习
薄膜材料与薄膜技术第一章1.真空度划分：粗真空：105-102Pa 接近大气状态热运动为主低真空：102-10-1Pa高真空：10-1-10-6Pa超高真空：<10-6Pa2.吸附与脱附物理吸附与化学吸附气体吸附：固体表面捕获气体分子的现象物理吸附：没有选择性、主要靠分子之间的吸引力、容易发生脱附、一般只在低温下发生化学吸附：在较高温度下发生、不容易脱附,只有气体和固体表面原子接触生成化合物才能产生吸附作用;气体脱附：是吸附的逆过程;3.旋片式机械真空泵用油来保持各运动部件之间的密封,并靠机械的办法,使该密封空间的容积周期性地增大,即抽气；缩小,即排气,从而达到连续抽气和排气的目的;4.分子泵牵引泵：结构简单、转速小、压缩比大效率低涡轮式分子泵：抽气能力高、压缩比小效率高5.低温泵深冷板装在第二级冷头上,温度为10-20k,板正面光滑的金属表面可以去除氮、氧等气体,反面的活性炭可以吸附氢、氦、氖等气体;通过两极冷头的作用,可以达到去除各种气体的目的,从而获得超高真空状态;6.真空的测量电阻真空计：压强越低,电阻越高 p↓→R↑测量范围105---10-2Pa热偶真空计：压强越低,电动势越高p↓→↑测量范围Pa电离真空计：三种BA型、热阴极、冷阴极A：灯丝发射极F：栅极加速极 G：收集极第二章1.薄膜制备的化学方法以发生一定化学反应为前提,由热效应引起或由离子的电致分离引起;热激活、离子激活2.热氧化生长在充气条件下,通过加热基片的方式可以获得大量的氧化物、氮化物和碳化物薄膜;3.化学气相沉积优缺点：优点记住四条：①成核密度高,均匀平滑的薄膜;②绕射性好,对于形状复杂的表面或工件的深孔、细孔等都能均匀覆膜;③不需要昂贵的真空设备;④残余应力小,附着力好,且膜致密,结晶良好;⑤可在大尺寸基片或多基片上进行;可一制备金属和非金属薄膜,成膜速率快,面积大;缺点：①反应温度太高,而许多基材难以承受这样的高温②反应气体可能与设备发生化学反应;三个过程：反应物输运、化学反应、去除附产物分类：常压式、低压式NPCVD、LPCVD 热壁>500℃、冷壁LTCVD发生的典型化学反应记住四条：分解反应、还原反应、氧化反应、氮化反应、碳化反应按照不同激活方式分类：①激光化学气相沉积LCVD定义：利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激光加热非常局域化②光化学气相沉积PCVD定义：高能光子有选择性地激发表面吸附分子或气体分子而导致键断裂、产生自由化学粒子形成膜或在相邻的基片上形成化学物③等离子体增强化学气相沉积PECVD定义：在等离子体中电子平均能量足以使大多数气体电离或分解优点：比传统的化学气相沉积低得多的温度下获得单质或化合物薄膜材料缺点：由于等离子体轰击,使沉积膜表面产生缺陷,反应复杂,也使薄膜的质量有所下降;应用：用于沉积各种材料,包括SiO2、Si3N4,非晶Si：H、多晶Si、SiC等介电和半导体膜;分类：射频R-PECED、高压电源PECVD、微波m-PECVD、回旋电子加速微波mECR-PECVD辨析PCVD 、LCVD 、PECVD4.电镀定义：电流通过导电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;5.化学镀定义：不加任何电场、直接通过化学反应而实现薄膜沉积的方法6.阳极沉积反应定义：不需采用外部电流源,在待镀金属盐类的溶液中,靠化学置换的方法在基体上沉积出该金属的方法;依赖阳极反应7.辨析电镀、化学镀、阳极沉积反应：①化学镀、阳极沉积反应不可单独作为镀膜技术,一般作为前驱镀处理衬底或后续镀做保护层;电镀可单独作为镀膜技术;②阳极沉积反应与化学镀的区别在于无需在溶液中加入化学还原剂,因为基体本身就是还原剂;化学镀需添加还原剂;两者都不需要外加电场;技术定义：利用分子活性气体在气液界面上凝结成膜,将该膜逐次叠积在基片上形成分子层;应用：应用这一技术可以生长有序单原子层、高度有序多原子层,其介电强度较高; 过程：第三章与CVD相比优缺点：优点：化学气相沉积对于反应物和生成物的选择,且基片需要处在较高温度下,薄膜制备有一定的局限性;物理气相沉积对沉积材料和基片没有限制;缺点：速率慢、对真空度要求高三个过程：从源材料发射粒子、粒子输运到基片、粒子在基片上凝结、成核、长大、成膜;3.真空蒸发定义：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;优点相对于其他物理制备：简单便利、操作容易、成膜速度快、效率高、广泛使用;缺点：薄膜与基片结合较差、工艺重复性不好;六种技术：①电阻加热法定义：将支撑加热材料做成适当形状,装上蒸镀材料,让电流通过蒸发源加热蒸镀材料,使其蒸发;②闪烁蒸发定义：把合金做成粉末或微细颗粒,在高温加热器或坩锅蒸发源中,使一个一个的颗粒瞬间完全蒸发;③激光蒸发定义：激光作为热源使蒸镀材料蒸发;④电子束蒸发定义：把被加热的物质放置在水冷坩锅中,利用电子束轰击其中很小一部分,使其熔化蒸发,而其余部分在坩锅的冷却作用下处于很低的温度;⑤电弧蒸发定义：属于物理气相沉积,有等离子体产生;⑥射频蒸发f>定义：通过射频线圈的适当安置,可以使待镀材料蒸发;优缺点：蒸发速度快,成本高,设备复杂;辨析电阻蒸发、电子束蒸发：①电子束蒸发可以直接对蒸发材料加热；可避免材料与容器的反应避免污染和容器材料的蒸发；可蒸发高熔点材料;电阻蒸发难加到高温度,需要蒸发源材料低熔点和高蒸气压；加热时容器如坩埚易产生污染;②电子束蒸发需要靶材导电,装置复杂,只适合于蒸发单质元素；残余气体分子和蒸发材料的蒸气会部分被电子束电离;电阻蒸发装置相对简单;4.溅射定义：溅射是指荷能粒子如正离子轰击靶材,使靶材表面原子或原子团逸出的现象;逸出的原子在工件表面形成与靶材表面成分相同的薄膜;溅射与蒸发的异同点同：在真空中进行异：蒸发制膜是将材料加热汽化溅射制膜是用离子轰击靶材,将其原子打出;优点和缺点参数控制较蒸发困难但不存在分馏,不需加热至高温等直流辉光放电伏安特性曲线：A-B:电流小,主要是游离状态的电子,离子导电；电子－原子碰撞为弹性碰撞；B-C: 增加电压,粒子能量增加,达到电离所需能量；碰撞产生更多的带电粒子；电源的输出阻抗限制电压类似稳压源;C-D: 起辉雪崩；离子轰击产生二次电子,电流迅速增大,极板间压降突然减小极板间电阻减小从而使分压下降；D-E: 电流与极板形状、面积、气体种类相关,与电压无关；随电流增大,离子轰击区域增大；极板间电压几乎不变；可在较低电压下维持放电；E-F: 异常辉光放电区；电流随电压增大而增大；电压与电流、气体压强相关可控制区域,溅射区域；F-G: 弧光放电过渡区；击穿或短路放电；比较DE、EF区正常辉光放电和异常辉光放电①辉光放电：真空度为10-1~10-2 Torr,两电极间加高压,产生辉光放电;电流电压之间不是线性关系,不服从欧姆定律;②DE段：电流增大电压不变;EF段：电压增大电流增大③DE段不可控,EF段可控辉光放电时明暗场分布：阿斯顿暗区：慢电子区域；阴极辉光：激发态气体发光；克鲁克斯暗区：气体原子电离区,电子离子浓度高；负辉光：电离；电子－离子复合；正离子浓度高阴极位降区基片所在位置;法拉第暗区：慢电子区域,压降低,电子不易加速；溅射六种装置：①辉光放电直流溅射②三级溅射③射频溅射：射频溅射是利用射频放电等离子体中的正离子轰击靶材、溅射出靶材原子从而沉积在接地的基板表面的技术;④磁控溅射⑤离子束溅射⑥交流溅射速度：射频>磁控>交流>三级>直流>离子束还有几种：对靶溅射反应溅射热溅射校准溅射磁控溅射：磁力线延伸到衬底,对衬底进行适当溅射,通过在靶表面引入磁场,利用磁场对带电粒子的约束来提高密度以增加率;优点：可在较低工作压强下得到较高的沉积率,可在较低基片温度下获得高质量薄膜;缺点：①靶材利用率低,表面不均匀溅射、非均匀腐蚀及内应力②不适用于强磁体磁控热反应溅射：加热衬底;到达衬底前靶材粒子与反应气体发生化学反应形成化合物;先解释溅射,再解释磁控溅射,再解释热反应溅射非平衡磁控溅射：①靶材非平衡使用②磁线外延到靶材时,少量外延到衬底,可以对衬底进行预清洗;靶材中毒：判断依据：溅射速率急速下降枪内真空度下降原因：化学反应没有发生在衬底上,发生在靶材上,使靶材钝化,产额下降;辨析直流、交流、三极溅射直流溅射：施加直流电压,使真空室内中性气体辉光放电,正离子打击靶材,使靶材表面中性原子溢出;交流溅射：施加交流电压;三极溅射：采用直流电源,将一个独立的电子源热阴极中的电子注入到放电系统中,而不是从靶阴极获得电子;5.离子镀定义：真空条件下,利用气体放电使气体或被蒸发物部分离化,产生离子轰击效应,最终将蒸发物或反应物沉积在基片上;优点：结合蒸发与溅射两种薄膜沉积技术;膜与基片结合好,离子镀的粒子绕射性,沉积率高,对环境无污染;6.离子束沉积IBD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;离子助沉积IAD7.外延生长①分子束外延MBE定义：在超高真空条件下精确控制原材料的中性分子束强度,并使其在加热的基片上进行外延生长的一种技术;优点：超高真空、可以实现低温过程、原位监控、严格控制薄膜成分及掺杂浓度②液相外延生长LPE定义：从液相中生长膜,溶有待镀材料的溶剂是液相外延生长所必需的;③热壁外延生长HWE定义：一种真空沉积技术,在这一技术中外延膜几乎在接近热平衡条件下生长,通过加热源材料与基片材料间的容器壁实现的;④有机金属化学气相沉积MOCVD定义：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;原料含有化合物半导体组分;特点：可对多种化合物半导体进行外延生长;优点相对于其他几种外延生长：①反应装置较为简单,生长温度较宽②可对化合物的组分进行精确控制,膜的均匀性和膜的电化学性质重复性好③原料气体不会对生长膜产生刻蚀作用;④只通过改变原材料即可以生长出各种成分的化合物缺点：所用的有机金属原料一般具有自燃性;原料气体具有剧毒;比较MBE、LPE、MOCVD温度/生长速率/膜纯度：液相外延生长LPE>有机金属化学气相沉积MOPVD>分子束外延MBE辨析溅射、蒸发、离子镀第四章1.薄膜形成：凝结过程、核形成与生长过程、岛形成与结合生长过程2.凝聚过程前提是形成原子对吸附原子结合成原子对及其以后的过程;必要条件是吸附原子在基体表面的扩散运动;吸附-扩散-凝结吸附过程：入射到基体表面的气象原子被固体表面的悬挂键吸引住的现象称为吸附①物理吸附：范德华力低温吸附高温解析②化学吸附：化学键选择性高温吸附3.辨析成核理论---毛细理论热力学界面能理论和原子理论：①相同之处：所依据的基本概念相同,所得到的成核速率公式形式也基本相同;②不同之处：两个使用的能量不同,所用模型不同;热力学界面能理论适合描述大尺寸临界核;因此,对于凝聚自由能较小的材料或者过饱和度较小情况下进行沉积的情况比较适合;原子理论适合小尺寸临界核;对于小尺寸临界核,这时必须过饱和度很高才能发生凝聚成核;③由于这两种理论所用模型的本质差别,热力学界面能理论所给出的有关公式预示,随着过饱和度的变化,临界核尺寸和成核速率连续变化；相反,原子理论则预示着它们不作连续变化;4.临界核形成：方程推导当原子或分子从气相中沉积到衬底的表面凝聚,成球状核或冠状核时总自由能和临界核尺寸的数学表达式分析温度、过饱和度、沉积速率对r 和ΔG 的影响;答：球状凝聚核总自由能数学表达式： 3243()4?v CV G r r G r ππσ∆=-∆+ 临界核尺寸数学表达式：22*ln(/)cvcvve VG kT P P r σσ∆==冠状凝聚核总自由能表达式：23103()4?)?)v G r r r G πφθσ∆=+∆临界核尺寸表达式：02*v G r σ∆=-;凝聚核总自由能由两部分构成,即体自由能与界面自由能,体自由能随着核心尺寸的增加而减小,界面自由能随着核心尺寸的增大而增大,所以总自由能随着核心尺寸的增加先增大后减小,存在一个临界核心尺寸和形核势垒温度影响：温度T ↑,过冷度T ∆↓,临界核半径*r 和形核势垒*G ∆都将↑,则新相核心形成困难;过饱和度影响：过饱和度S ↑,临界核半径*r 和形核势垒*G ∆都↓,所需克服的形核势垒也较低,新相核心较易形成;沉积速度影响：沉积速率R ↑时,临界核半径*r 和形核势垒*G ∆都↓,新相核心较易形成;5.根据毛细理论,简述形核率 dN/dt 的主要影响因素,并解释说明吸附气体原子的脱附激活能、扩散激活能和临界形核势垒对其影响规律和内在机制;答：形核率 dN/dt 的主要影响因素：温度,过饱和度和沉积速度;规律：吸附气体原子的脱附激活能越高,扩散激活能越低,形核率越大,临界形核势垒越低,形核率越大;内在机制：高的脱附激活能和低的扩散激活能都有利于气相原子在基体表面停留和运动,因而会提高形核率;临界形核势垒越低,新相核心越容易形成,形核率也就越大;6.根据毛细理论,简要说明为什么高温低速沉积往往获得粗大或单晶结构薄膜,而低温高速沉积则有利于获得细小多晶、微晶乃至非晶薄膜答：根据毛细理论知,在高温低速沉积速度条件下,临界核半径和形核势垒都较大,新相核心较大且不易形成,形核率低,形成薄膜组织往往粗大或者单晶薄膜；在低温高速沉积条件下,临界核半径和形核势垒都较小,新相核心较小且容易形成,形核率高,形成薄膜组织细密连续,则有利于获得细小多晶、微晶乃至非晶薄膜;7.在稳定核形成以后,岛状薄膜的形成过程一般分为几个阶段各阶段的主要现象如何答：稳定核形成之后,岛状薄膜的形成过程分为四个阶段,小岛阶段,结合阶段,沟道阶段,连续膜;小岛阶段：出现大小一致的核2-3nm,核进一步长大变成小岛,形状将又冠球形变成圆形最后变成多面体小岛;结合阶段：两个小岛将相互结合,结合后增大了高度,减小了在基片的所占的总表面积;结合时类液体特性导致新出现的基片面积上将会发生二次形核,结合后的复合岛若有足够时间,可形成晶体结构;沟道阶段：当岛的分布达到临界状态时便相互聚结成网状结构,种结构中不规则分布着宽度为50~200A 的沟渠,随着沉积继续,沟渠很快消失,薄膜变成小孔洞的连续状结构,在小孔洞处将发生二次成核或三次成核,整个薄膜连成一片;连续薄膜：随着沉积继续进行,在沟渠和孔洞消除,再入射到基体表面的气相原子便直接吸附在薄膜上,通过联并作用而形成不同结构的薄膜;8.利用烧结过程解释核心吞并机制及其驱动力;答：机制：当两个岛相互接触时,在接触点形成半径为R的瓶颈,将产生一驱动力2б/R,使岛的沉积原子通过体扩散和表面扩散迁移到瓶颈中,且表面扩散通量大于体扩散通量;驱动力由曲率半径R决定,为2б/R;9.简述薄膜的主要生长模式,及每类生长模式各自出现的条件及特点;答：岛状生长型,层生长型,层岛生长型;岛状生长型：特点：到达衬底上的沉积原子首先凝聚成核,后续飞来的沉积原子不断聚集在核附近,使核在三维方向上不断长大而最终形成薄膜;条件：在衬底晶格和沉积膜晶格不相匹配非共格时或当核与吸附原子间的结合能大于吸附原子与基体的吸附能时,大部分薄膜形成过程属于这种类型;层状生长型：特点：沉积原子在衬底的表面以单原子层的形式均匀地覆盖一层,然后再在三维方向上生长第二层、第三层······条件：一般在衬底原子与沉积原子之间的键能大于沉积原子相互之间键能的情况下共格发生这种生长方式的生长;层岛生长型：特点：生长机制介于岛生长型和层生长型的中间状态;条件：当衬底原子与沉积原子之间的键能大于沉积原子相互之间键能、随后出现干扰层状生长结合能特性单调减少因数的情况下准共格多发生这种生长方式的生长;第五章1.组分表征2.结构表征3.原子化学键合表征能量损失谱EELS：主峰---元素种类主峰化学位移---配位结构精细结构---键合情况扩展X射线吸收精细结构EXAFS：吸收线---元素种类精细结构---键合情况辨析红外吸收光谱与拉曼光谱①红外吸收光谱：构成薄膜样品分子振动的频率一般从红外延展到远红外,用红外线照射薄膜样品时,与样品分子振动频率相同的红外线就会被分子共振吸收;每个分子都有确定的振动频率,因此可用红外光谱标识薄膜中所含分子并确立分子间的键合特征;拉曼光谱：可见光或紫外线照射在样品上时,出来的散射光频率会有稍许改变,这种改变乃是由分子振动引起的;因此可用拉曼光谱测定这种频率的改变,从而分析和鉴别薄膜样品中的化学组成和化学键合;②都是测定薄膜样品中分子振动的;③对于具有对称中心的分子振动,红外不敏感,拉曼敏感；对于反对称中心的分子振动,则红外敏感拉曼不敏感;对于对称性高的分子,拉曼敏感;辨析红外吸收光谱与傅里叶变换红外光谱FTIR①二者原理一致②传统的红外吸收光谱依赖于红外光束通过格栅色散到单色元件中进行扫描; FTIR依赖于相干干涉仪。
材料合成与制备期末复习题
材料合成与制备期末复习题第零章绪论1.材料合成:材料合成是指促使原子或分子构成材料的化学或物理过程;2.材料制备:材料制备是指研究如何控制原子与分子使其构成有用的材料，但材料制备还包括在更为宏观的尺度上控制材料的结构，使其具备所需的性能和使用效能。
3.材料合成与制备的最终目标是:制造高性能、高质量的新材料以满足各种构件、物品或仪器等物件的日益发展的需求。
4.材料合成与制备的发展方向:材料的高性能化、复合化、功能化、低维化、低成本化、绿色化;5.影响热力学过程自发进行方向的因素:(1)能量因素;(2)系统的混乱度因素; 6.隔离系统总是自发的向着熵值增加的方向进行。
7.论述反应速率的影响因素:(1)浓度对反应速率的影响:对于可逆反应，增加反应物浓度可以使平衡向产物方向移动，因此，提高反应物浓度是提高产率的一个办法，但如果反应物成本很高，将反应物之一在生成后立即分离出去或转移到另一相中去，也是提高反应产率的一个很好的办法。
对于有气相的反应，如果反应前后气体物质的反应计量数不等，则增加压力会有利于反应向气体计量数小的方向进行。
另外，对于多个反应同时进行的反应，则应按主反应的情况来控制反应物的配比;(2)温度对反应速率的影响:对于一个可逆反应，正反应吸热，则逆反应就放热;如果正反应放热，则逆反应就吸热，升高温度有利于反应向吸热方向进行，不利于放热反应;对于放热反应，用冷水浴或冰浴使其降温的办法有利于反应的进行，但影响反应速率。
实际生产中，要综合考虑单位实际内的产量和转化率同时进行;(3)溶剂等对反应速率的影响:溶剂在反应中的作用:一是提供反应的场所，二是发生溶剂化效应。
溶剂最重要的物理效应即溶剂化作用，化学效应主要有溶剂分子的催化作用和容积分子作为反应物或产物参与了化学反应。
若溶剂分子与反应物生成不稳定的溶剂化物，可使反应的活化能降低，加快反应速率;若生成稳定的溶剂化物，则使反应活化能升高，降低反应速率;若生成物与溶剂分子生成溶剂化物，不论它是否稳定，都会使反应速率加快。
薄膜材料技术复习题090526
1.薄膜定义：按照一定需要，利用特殊的制备技术，在基体表面形成厚度为亚微米至微米级的膜层。
这种二维伸展的薄膜具有特殊的成分、结构和尺寸效应而使其获得三维材料所没有的特性，同时又很节约材料，所以非常重要。
通常是把膜层无基片而能独立成形的厚度作为薄膜厚度的一个大致的标准，规定其厚度约在1µm左右。
2.一些表面定义：1)理想表面：沿着三维晶体相互平行的两个面切开，得到的表面，除了原子平移对称性破坏，与体内相同。
2)清洁表面：没有外界杂质。
3)弛豫表面：表面原子因受力不均向内收缩或向外膨胀。
4)重构表面：表面原子在与表面平行的方向上的周期也发生变化，不同于晶体内部原子排列的二维对称性（再构）。
5)实际表面：存在外来原子或分子。
3. 薄膜的形成的物理过程驰豫重构驰豫+重构⎧⎪⎨⎪⎩驰豫：表面向下收缩，表面层原子与内层原子结构缺陷间距比内层原子相互之间有所减小。
重构：在平行表面方向上原子重排。
①小岛阶段——成核和核长大，透射电镜观察到大小一致(2-3nm)的核突然出现.平行基片平面的两维大于垂直方向的第三维。
说明：核生长以吸附单体在基片表面的扩散，不是由于气相原子的直接接触。
②结合阶段——两个圆形核结合时间小于0.1s,并且结合后增大了高度，减少了在基片所占的总面积。
而新出现的基片面积上会发生二次成核，复结合后的复合岛若有足够时间，可形成晶体形状，多为六角形。
核结合时的传质机理是体扩散和表面扩散（以表面扩散为主）以便表面能降低。
③沟道阶段——圆形的岛在进一步结合处，才继续发生大的变形→岛被拉长，从而连接成网状结构的薄膜，在这种结构中遍布不规则的窄长沟道，其宽度约为5-20nm ，沟道内发生三次成核，其结合效应是消除表面曲率区，以使生成的总表面能为最小。
④连续薄膜——小岛结合，岛的取向会发生显著的变化，并有些再结晶的现象。
沟道内二次或三次成核并结合，以及网状结构生长→连续薄膜。
4. 薄膜的附着类型及影响薄膜附着力的工艺因素⎧⇒⇒⇒⎨⎩⎧⎧⎧⇒⇒⇒⇒⎨⎨⎨⎩⎩⎩⎧⇒⎨⎩（在新面积处）稳定核（在捕获区）单体的吸附形成小原子团临界核临界核（在非捕获区）大岛大岛连合沟道薄膜小岛 二次成核二、三次成核二、三次成核 连续薄膜（在沟道和孔洞处）三次成核薄膜的附着类型①简单附着：薄膜和基片间形成一个很清楚的分界面，薄膜与基片间的结合力为范德华力②扩散附着—由两个固体间相互扩散或溶解而导致在薄膜和基片间形成一个渐变界面。
薄膜材料及其制备技术课程期末考试题
《薄膜材料及其制备技术》试题——材料科学与工程学院20XX 级研究生1， 在T=291K 时，水的表面张力系数（或表面能）10.073N m s -=?，63118.01610v m mol a --=醋，如果水滴半径810r m -=，请计算此时的蒸汽压'p （用p 表示）以及水滴内外压强差p D 。
（10分）2， 设T 温度下的过饱和蒸气压为'p ，该温度下的饱和蒸气蒸气为p 。
试证明：过饱和气体发生凝聚时，凝聚体单位体积自由能变化为ln('/)B V k T G p p va D =- （v α为凝聚体单个原子或分子的体积）。
（10分）3， 试从微观键能的观点证明：描述浸润问题的Young 方程cos LV SV SL s q s s =- 可以近似写作2cos 2LL LS u u q = （其中，LL u 为单位面积的液相原子之间的键能；LS u 为固-液界面上单位面积的固-液原子之间的键能）。
（10分）4，请论述真空度对成膜质量的影响。
（10分）5，衬底温度（即生长温度）是如何影响薄膜生长模式的？（10分）6，论述晶格失配（既失配应力）与薄膜生长模式的关系。
（10分）7，论述衬底表面对形核难易程度：凹面>平面>凸面。
即凹面处最容易形核，而凸面处最难形核。
（10分）8，试解释层状生长（即二维成核）机理与Step-flow生长机理，并进一步论证高温时薄膜倾向于step-flow生长。
（10分）9，自行查找文献，举例说明一至二种薄膜生长的原位观测或检测手段。
（10分）10，自行查找文献，阐述一至二种薄膜生长技术及其特点，并举例讲述其具体制备薄膜的实例及成膜质量。
（10分）。
《薄膜材料与技术》复习资料总结
《薄膜材料与技术》复习资料总结【讲义总结】1.真空区域的划分：①粗真空(1x105~1x102Pa)。
在粗真空下，气态空间近似为大气状态，分子以热运动为主，分子间碰撞十分频繁；②低真空(1x102~1x10-1)。
低真空时气体分子的流动逐渐从黏滞流状态向分子流状态过度，此时气体分子间碰撞次数与分子跟器壁间碰撞次数差不多；③高真空(1x10-1~1x10-6)。
当达到高真空时，气体分子的流动已经成为分子流状态，以气体分子与容器壁间的碰撞为主，且碰撞次数大大减小，蒸发材料的粒子沿直线飞行；④超高真空(＜1x10-6)。
达到超高真空时，气体分子数目更少，几乎不存在分子间碰撞，分子与器壁的碰撞机会更少。
2.获得真空的主要设备：旋片式机械真空泵，油扩散泵，复合分子泵，分子筛吸附泵，钛生化泵，溅射离子泵和低温泵等，其中前三种属于气体传输泵，后四种属于气体捕获泵，全为无油类真空泵。
3.输运式真空泵分为机械式气体输运泵和气流式气体输运泵。
4.极限压强：指使用标准容器做负载时，真空泵按规定的条件正常工作一段时间后，真空度不再变化而趋于稳定时的最低压强。
5.凡是利用机械运动来获得真空的泵称为机械泵，属于有油类真空泵。
6.旋片式真空泵泵体主要由锭子、转子、旋片、进气管和排气管等组成。
7.真空测量：指用特定的仪器和装置，对某一特定空间内的真空度进行测定。
这种仪器或装置称为真空计。
按测量原理分为绝对真空计和相对真空计。
8.物理气相沉积：是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过程。
特点：①需要使用固态或熔融态的物质作为沉积过程的源物质；②源物质通过物理过程转变为气相，且在气相中与衬底表面不发生化学反应；③需要相对较低的气体压力环境，这样其他气体分子对于气相分子的散射作用较小，气相分子的运动路径近似直线；④气相分子在衬底上的沉积几率接近100%。
在物理气相沉积技术中最基本的两种方法是蒸发法和溅射法。
9.蒸发沉积薄膜纯度取决于：①蒸发源物质的纯度；②加热装置、坩埚等可能造成的污染；③真空系统中的残留气体。
薄膜复习题
绪论1.薄膜制备方法到底有哪些，它们是如何分类的，试列出它们的树形结构（第一级按干法与湿法分；第二级（干法的分类）：PVD、CVD各包含哪些；第三级：蒸发、溅射、离子镀中各包含哪些）答：PVD：真空蒸发、溅射、离子镀CVD：常压CVD、低压CVD金属有机物CVD等离子体CVD光CVD、热丝CVD2.各种镀膜方法的英文简称答：PVD：物理气相沉积CVD：化学气相沉积、MBE：分子束外延、sol-gel：溶胶凝胶法、LPCVD：低压CVD、APCVD：常压CVD、PECVD：等离子体增强CVD、MOCVD：金属有机物CVD、、脉冲激光溅射沉积(PLD)、离子束辅助沉积(IBAD)MOD:金属有机物热分解3.试举例说明薄膜的应用（机械、微电子、光电子、元器件、光学、信息技术、装饰、能源等）答：一、集成电路：P-N结、绝缘层、导线，并由此构成二极管、三极管、电阻、电容等电子元件。
二、信息存储薄膜：磁盘、光盘三、集成光电子学：四、信息显示薄膜：薄膜晶体管液晶平板显示器、OLED五、薄膜太阳能电池六、硬质涂层七、其他：电子元件：表声波器件；传感器：特点高灵敏，低成本；光学：反射膜，增透膜；装饰、包装：镀金，锡箔纸，镀膜玻璃；第一章真空基础1.掌握真空、分子平均自由程、饱和蒸汽压、蒸发温度的概念答：真空：指低于一个大气压的气体状态。
分子平均自由程：定义：每个分子在连续两次碰撞之间所运动的平均路程。
饱和蒸气压的定义：在一定温度下，气、固或气、液两相平衡时，蒸气的压力称为该物质的饱和蒸气压。
仅仅是温度的函数。
应用例子：湿度蒸发温度：定义：饱和蒸气压为10-2托左右（唐教材0.1Pa）时的温度。
2.掌握真空的单位及其换算答：通常用“真空度”及“压强”两个参量来衡量真空的程度常用单位：帕斯卡(Pascal)=1牛/米2，国际单位制托(Torr)=1/760atm=133.322Pa，旧单位此外，mmHg、atm、bar、mbar等，换算关系，1bar=105Pa1mmHg=1.000000014Torr1atm＝1.01×105Pa所以：1atm＞1bar，1mmHg≈1Torr3.理解气体的两种流动状态答：分子流：气体分子之间几乎不发生碰撞黏滞流：气体分子之间碰撞频繁4.掌握真空镀膜系统的构成（原理图），抽真空的过程答：典型的真空系统包括：真空室，真空泵，真空计5.理解机械泵、扩散泵、分子泵、溅射离子泵等的工作原理及其使用范围答：真空泵：输运式真空泵、捕获式真空泵。
光学薄膜与制备技术_中国矿业大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年
光学薄膜与制备技术_中国矿业大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年1.在重叠多个四分之一膜系时，要把工作波长区吸收大的高反膜安排在入射光一侧。
参考答案:正确2.电磁矢量都是时间、空间的函数，所以边界条件对任意时刻、界面上任意位置都成立参考答案:正确3.对物理光学基础建立起到最初作用的是。
参考答案:杨氏双缝干涉的提出4.真空蒸发镀膜时为了制造成分复杂或多层复合薄膜，应该采用。
参考答案:多源蒸发法5.不能采用电阻加热法进行镀膜的是。
参考答案:钨膜6.下面哪一种溅射方式的靶材可以是绝缘材料。
参考答案:射频溅射7.光学薄膜就是能够产生光的干涉效应的薄膜。
参考答案:正确8.我们可以使用电子显微镜来直接观察和研究点缺陷。
参考答案:错误9.核生长型生长方式发生的主要原因是蒸发原子间的结合能大于基片原子与蒸发原子间的结合能。
参考答案:正确10.电子显微镜和理论分析表明，核生长型薄膜的生长过程分为阶段。
参考答案:小岛阶段_结合阶段_沟道阶段_连续薄膜阶段11.面缺陷常见的典型构型有。
参考答案:晶界_层错_孪晶面_表面12.下面哪一种镀膜技术称作辉光放电中的蒸发法。
参考答案:离子镀13.镀制薄膜时膜厚与下列哪些因素有关。
参考答案:蒸发源形状_基片形状_源基配置方式_蒸发源特性14.普通二极直流溅射中工作气体压强必须保持在1～10Pa范围内，如果压强低于1Pa，辉光放电就不能自持而无法溅射。
而却能在低压下进行溅射镀膜。
参考答案:三级溅射_磁控溅射15.下列属于物理气相沉积薄膜的方法有。
参考答案:溅射镀膜_真空蒸发镀膜_离子镀16.真空蒸发镀膜一般包括以下哪些过程。
参考答案:沉积过程_加热蒸发过程_源-基输运过程17.下列属于绝对真空计的是。
参考答案:U型真空计_压缩式真空计18.影响晶粒尺寸的因素有。
参考答案:薄膜厚度_基板温度_退火温度_沉积速率19.λ/4-λ/2双层减反膜系通常也称为W形膜。
参考答案:正确20.在基片上交替镀制光学厚度为四分之一波长的高、低折射率材料，就一定能满足我们对薄膜光谱特性的需要。
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一、名词解释1、薄膜：由单个的原子、离子、原子团无规则地入射到基板表面，经表面附着、迁徙、凝结、成核、核生长等过程而形成的一薄层固态物质。
2、气体分子的平均自由程：气体分子在两次碰撞的间隔时间里走过的平均距离。
3、气体分子的最可几速度：平均运动速度f(v)最大时的速度4、饱和蒸气压：一定温度下，蒸发气体与凝聚相平衡过程中所呈现的压力。
（汽、固或汽、液两相平衡时）5、真空蒸发：在真空环境下，给待蒸发物质提供足够的热量以获得蒸发所必需的蒸气压。
在适当的温度下，蒸发粒子在基片上凝结，即可实现真空蒸发沉积。
6、PLD：pulsed laser deposition激光蒸发装置7、溅射：是一个离子轰击物质表面，并在碰撞过程中发生能量与动量的转移，从而最终将物质表面原子激发出来的复杂过程。
8、离子镀：使用电子束蒸发法提供沉积的源物质，同时以衬底作为阴极、真空室作为阳极组成一个类似二级溅射（直流或射频）装置，在沉积前和沉积中采用高能量的离子流对衬底和薄膜进行溅射处理。
9、离子束辅助沉积：使用单独离子源轰击衬底表面。
10、分子束外延：在超高真空下（～10-9－10-11Torr），将薄膜诸组分元素的分子束流，直接喷到衬底表面，从而在其上形成外延薄膜。
11、PECVD：（plasma enhanced chemical vapor deposition）等离子体辅助化学气相沉积：在低压化学气相沉积过程进行的同时，利用辉光放电等离子体对沉积过程施加影响的技术。
12、ALD：（Atomic Layer Deposition）定义：原子层沉积是在一个加热反应的衬底上连续引入至少两种气相前驱体源，化学吸附至表面饱和时自动终止。
13、溶胶-凝胶(Sol-Gel)法：溶胶-凝胶是一种液相化学合成方法，是指用金属的有机或无机化合物，经过溶液、溶胶、凝胶过程，接着在溶胶或凝胶状态下成型，再经干燥和热处理等工艺流程制成不同形态的产物（包括粉体、纤维、薄膜、陶瓷）。
14、外延生长：在完整的单晶衬底上延续生长单晶薄膜；15、薄膜的生长模式：岛状生长模式、层状生长模式、层状—岛状生长模式。
16、自发形核：整个形核过程完全是在相变自由能的推动下进行的。
17、形核率：单位面积上，单位时间内形成的临界核心的数目。
18、布拉格公式：2dsinθ=nλ（式中：d —相应晶面的面间距；λ —入射的X射线的波长θ —X射线与相应晶面的夹角。
）19、真空（Vacuum）：在给定的空间内压力低于一个大气压的稀薄气体状态。
二、选择1)物理气相沉积不具有的特点是。
(a) 需要使用固态或熔融态的物质作为沉积过程的源物质；(b) 源物质经过物理过程进入气相；(c) 需要相对较高的气体压力环境；(d) 在气相中及衬底表面并不发生化学反应。
2)对元素蒸发速率影响最大的因素是。
(a)环境气体压力；(b)元素的平衡蒸气压；(c) 蒸发源所处温度；(d) 被蒸发物质的相对原子质量。
3)真空蒸发薄膜沉积的加热原理不包含。
(a) 电阻加热蒸发；(b) 电子束蒸发；(c) 等离子体溅射； (d) 激光蒸发。
4)面蒸发源与点蒸发源在源正上方的衬底处沉积物质质量密度之比为。
(a)1/4；(b) 1/2；(c) 4； (d) 1。
5）溅射法利用的是气体阶段。
(a) 汤生放电；(b) 正常辉光放电；(c) 异常辉光放电；(d) 弧光放电。
6)溅射原子的能量可为。
(a)20eV；(b) 2eV；(c) 0.2eV；(d) 0.02eV三、填空1)在离子镀膜成膜过程中，同时存在沉积和溅射作用，只有当前者超过后者时，才能发生薄膜的沉积。
2)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的技术。
3)薄膜的化学气相沉积具有相对较高的压力环境。
4)气相运输，当物质升华温度不高时，利用升华和冷凝的可逆过程实现气相沉积。
5)1Torr=133.322Pa。
1bar=7.501×102Torr。
高真空一般指气压低于1×10-1～1×10-6Pa的真空环境。
6)10-5Pa 下，气体分子密度约为2.687×1025个/cm3；常温下，平均自由程为。
气体分子的最可几速度是指：f(v)最大时的速度7)机械式气体输运泵的典型例子有：旋片式机械泵、罗茨泵、涡轮分子泵它们具有相似的工作原理，即:采用对气体进行压缩的方式将气体分子输送至真空系统8)在高真空镀膜机中，需要电离真空计来测量真空度。
热偶真空规、电离真空规的测量范围分别是（10^-2 到 10^2）Pa，（10^-7 到 1）Pa9)温度越高，相对原子质量越小，分子的平均运动速度越大。
10)降低气体压力，减小碰撞几率，获得较大的平均自由程。
11)薄膜沉积速度正比于气体分子的通量12)对元素蒸发速率影响最大的因素：蒸发源所处的温度。
13)★随着气压的变化，溅射的沉积速率出现极值，沉积速度与溅射功率(或溅射电流的平方)成正比，与靶材和衬底之间的间距成反比。
14)★CVD 技术中，薄膜制备的两个重要参数是气相反应物的过饱和度和沉积温度。
15)完整单晶的沉积条件：气相过饱和度低和沉积温度高。
16)激光 CVD 辅助技术被广泛应用于金属和绝缘介质薄膜17)低温、高速的沉积往往导致多晶态甚至是非晶态的薄膜组织。
18)单晶外延可被分为两类：同质外延和异质外延。
19)★X 射线衍射现象发生的条件是 2dsinθ =nλ。
通过收集入射和衍射X射线的角度和强度分布的方法，可以获得晶体点阵类型、点阵常数、晶体取向、缺陷和应力等有关材料结构的信息。
20)★常用的薄膜成分表征方法有原子内的电子激发及相应的能量过程、X射线能量色散谱（EDX、俄歇电子能谱（AES）、X 射线光电子能谱（XPS），它们大多是基于原子在受到激发以后，内层电子排布会发生变化并发生相应的能量转换过程的原理。
把 M→K 跃迁对应的X射线对应的特征X射线称为Kβ线；把M→L 跃迁对应的X射线对应的特征X射线称为Kα线。
21)★作为一种常规成分分析仪器，他被广泛安装于扫描和透射电子显微镜，作为材料结构研究中的主要成分分析手段：X 射线能量色散谱仪又被简称能谱仪。
22)温度越高，相对原子质量越小，23)分子的平均运动速度越大。
24)最可几速度Vp：f(v)最大时的速度25)气体分子的无规则运动本身并不导致气体的宏观流动。
只有在空间存在宏观压力差的情况下，气体作为一个整体才会产生宏观的定向流动。
26)气体的流动状态根据气体容器的几何形状、气体的压力、温度以及气体的种类不同而存在很大差别。
27)真空系统设计的一个基本原则：确保C大于Sp。
28)平衡(饱和)蒸气压：一定温度下，蒸发气体与凝聚相平衡过程中所呈现的压力。
29)化合物的蒸发: ①蒸气可能具有完全不同于蒸发源的化学成分;②气相分子还可能发生化合与分解过程。
30)合金中各元素的蒸发过程可以被近似视为各元素相互独立的蒸发过程。
31)在物质蒸发的过程中，被蒸发原子的运动具有明显的方向性；影响沉积薄膜的均匀性和微观组织结构。
32)点蒸发源（点源）：能够从各个方向蒸发等量材料的微小球状蒸发源。
（距离衬底较远，尺寸较小）。
33)薄膜的沉积速率将与距离ｒ的平方成反比，并与衬底和蒸发源之间的方向夹角θ有关。
34)沉积物中杂质的含量与残余气体的压强p成正比；与薄膜的沉积速度成反比。
35)等离子体：由离子、电子以及中性原子和原子团组成，宏观上对外呈现出电中性。
36)磁场的存在将延长电子在等离子体中的运动轨迹，提高与原子碰撞和电离过程的几率，显著提高溅射效率和沉积速率。
37)二极直流辉光放电，PECVD薄膜的沉积，一般发生在放置于电极之上的衬底上。
38)新相的成核过程可以被分为自发成核和非自发成核。
四、判断题（）溅射镀膜中，气压越高，入射离子越多，所以沉积速率越快。
（）磁控溅射可以是直流溅射，也可以是射频溅射。
（）当入射离子能量小于一定值时（～10ev），不会发生溅射现象。
（）入射离子能量越高，溅射率就越大。
（）边界层内气体处于一种流动性较低的状态，而反应物和反应产物都需要经过扩散过程通过这一边界层，因此边界层的存在限制了薄膜的沉积速率。
（对）★某些捕获式真空泵在工作完毕以后还可能将己捕获的气体分子释放回真空系统。
（对）★蒸发法不宜被用来制备组元平衡蒸气压差别较大的合金的薄膜。
（对）★电子与其他粒子的非弹性碰撞是维持自持放电过程的主要机制。
（对）只有当入射离子能量超过一定的阈值以后，才会出现被溅射物质表面原子的溅射。
（对）随着元素外层 d 电子数增加，溅射产额提高。
（对）惰性气体作为入射离子，溅射产额较高。
（对）磁控溅射的特点：沉积速度较高、工作气体压力较低。
（对）★反应级数取决于反应的具体进程和其中的限制性环节，而与化学反应式的系数之间没有直接的关系。
（对）在低压装置中，为了抵消工作压力降低的影响，需要提高反应气体在气体总量中的浓度比。
（对）气体分子的平均自由程是指气体分子在两次碰撞的间隔时间里走过的平均距离。
（对）降低气体压力，减小碰撞几率，可以获得较大的平均自由程。
（对）没有绝对真空只有相对真空。
（期中考试考过）（对）对元素蒸发速率影响最大的因素是蒸发源所处的温度。
（对）离子的产生过程与等离子体的产生或气体的辉光放电过程密切相关。
（对）★工作气压对溅射速率、薄膜质量影响很大。
（对）使金属原子与活性气体分子在溅射沉积的同时生成所需的化合物叫反应溅射。
（对）★压力P降低，薄膜沉积速率提高一个数量级以上。
（对）原子层沉积是在一个加热反应的衬底上连续引入至少两种气相前驱体源，化学吸附至表面饱和时自动终止。
（对）当过饱和度为零时，ΔGv=０，这时将没有新相的核心可以形成，或者已经形成的新相核心不再长大。
五、简答题1)★薄膜生长的方式有哪三种模式？试述每种模式的适用条件。
岛状生长模式；层状生长模式；层状-岛状生长模式。
被沉积物与衬底间润湿性较差被沉积物倾向于自己相互键合适合岛状生长，当被沉积物与沉底之间的侵润性很好被沉积物的原子更倾向于与衬底原子键合时适合层状生长。
2)★薄膜厚度的测试方法主要有哪些，其英文简称，举一例说明其测量原理。
等厚干涉法（FET），等色干涉法（FECO）等角度干涉法（VAMFO）等角反射干涉法（CARIS）椭偏仪法，表面粗糙度仪法，称重法，石英晶体振荡器法。
举例：椭偏仪法（利用的是物质界面对于不同偏振态光具有不一样的反射，折射能力的特性，通过测量出薄膜对于不同偏振光分量的反射系数之比求出薄膜的厚度。
）3)简述新相自发成核理论的基本内容。
自发成核指的是整个成核过程中原子由气相转变为固相或液相的相变自由能推动下形成的，也称均匀成核。