薄膜物理与术题库

一、填空题

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薄膜形成与生长的三种模式：层状生长，岛状生长，层状-岛状生长

在气体成分和电极材料一定条件下，起辉电压V只与气体的压强P和电极距离的乘积有关。

1.表征溅射特性的参量主要有溅射率、溅射阈、溅射粒子的速度和能量等。

2. 溶胶(Sol)是具有液体特征的胶体体系，分散的粒子是固体或者大分子，分散的粒子大小在 1～100nm之间。

3．薄膜的组织结构是指它的结晶形态，其结构分为四种类型：无定形结构，多晶结构，纤维结构，单晶结构。

4．气体分子的速度具有很大的分布空间。温度越高、气体分子的相对原子质量越小，分子的平均运动速度越快。

二、解释下列概念

溅射：溅射是指荷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

气体分子的平均自由程:每个分子在连续两次碰撞之间的路程称为自由程，其统计平均值：

称为平均自由程，

饱和蒸气压：在一定温度下，真空室内蒸发物质与固体或液体平衡过程中所表现出的压力。

凝结系数：当蒸发的气相原子入射到基体表面上，除了被弹性反射和吸附后再蒸发的原子之外，完全被基体表面所凝结的气相原子数与入射到基体表面上总气相原子数之比。

物理气相沉积法：物理气相沉积法(Physical vapor deposition)是利用某种物理过程，如物质的蒸发或在受到粒子轰击时物质表面原子的溅射等现象，实现物质原子从源物质到薄膜的可控转移的过程

真空蒸发镀膜法:是在真空室内，加热蒸发容器中待形成薄膜的源材料，使其原子或分子从表面汽化逸出，形成蒸气流，入射到固体(称为衬底、基片或基板)表面，凝结形成固态

溅射镀膜法:利用带有电荷的离子在电场加速后具有一定动能的特点，将离子引向欲被溅射的物质作成的靶电极。在离子能量合适的情况下，入射离子在与靶表面原子的碰撞过程中将

靶原子溅射出来，这些被溅射出来的原子带有一定的动能，并且会沿着一定的方向射向衬底，从而实现薄膜的沉积。

离化率:离化率是指被电离的原子数占全部蒸发原子数的百分比例。是衡量离子镀特性的一个重要指标。

化学气相沉积:是利用气态的先驱反应物，通过原子、分子间化学反应的途径生成固态薄膜的技术。

物理气相沉积：是利用某种物理过程，如物质的蒸发或在受到离子轰击时物质表面原子溅射的现象，实现物质原子从源物质到薄膜的可控转移过程。

溅射阈值:溅射阈值是指使靶材原子发生溅射的入射离子所必须具有的最小能量。

薄膜材料：采用特殊工艺，在体材表面上，一层或多层，厚度为一个或几十个原子层，性质不同于体材表面的特质层。

气体平均自由程：指气体分子在两次碰撞的间隔时间里走过的平均距离。

等离子体的鞘层电位：电子与离子具有不同的速度的一个直接后果就是形成所谓的等离子体鞘层电位，即相对于等离子体，任何位于等离子体中或其附近的物体都将会自动地处于一个负电位，并且在其表面伴有正电荷的积累。

5.薄膜的外延生长：在完整的单晶存底上延续生长单晶薄膜的方法称为外延生长。

6.气体分子的通量：单位时间，气体分子在单位表面积上碰撞分子的频率。

7.磁控溅射：通过引入磁场，利用磁场对带电粒子的束缚作用来提高溅射效率和沉积速率的溅射方法称为磁控溅射。

8.真空规：真空测量用的元件称为真空规。

三、回答下列问题

1、真空的概念？怎样表示真空程度，为什么说真空是薄膜制备的基础？

在给定的空间内，气体的压强低于一个大气压的状态，称为真空

真空度、压强、气体分子密度：单位体积中气体分子数；气体分子的平均自由程；形成一个分子层所需的时间等

物理气相沉积法中的真空蒸发、溅射镀膜和离子镀等是基本的薄膜制备技术。它们均要求沉积薄膜的空间有一定的真空度。

2、讨论工作气体压力对溅射镀膜过程的影响？

在相对较低的压力下，电子的平均自由程较长，电子在阳极上消耗的几率增大，通过碰撞过程引起气体分子电离的几率较低。同时，离子在阴极上溅射的同时发射出二次电子的几率又由于气压较低而相对较小。这些均导致低压条件下溅射的速率很低。

在相对较低的压力下，入射到衬底表面的原子没有经过很多次碰撞，因而其能量较高，这有利于提供沉积时原子的扩散能力，提供沉积组织的致密性

在相对较高的压力下，溅射出来的靶材原子甚至会被散射回靶材表面沉降下来，因而沉积到衬底的几率反而下降

在相对较高的压力下，使得入射原子的能量降低，这不利于薄膜组织的致密化

溅射法镀膜的沉积速率将会随着气压的变化出现一个极大值

3、物理气相沉积法的共同特点？

(1) 需要使用固态的或者熔融态的物质作为沉积过程的源物质

(2) 源物质经过物理过程而进入气相

(3) 需要相对较低的气体压力环境

(4) 在气相中及在衬底表面并不发生化学反应

4、简述化学气相沉积的特点？

(1) 既可以制备金属薄膜、非金属薄膜，又可按要求制备多成分的合金薄膜

(2) 成膜速度可以很快，每分钟可达几个微米甚至数百微米

(3) CVD反应在常压或低真空进行，镀膜的绕射性好，对于形状复杂的表面或工件的深孔、细孔都能均匀镀覆，在这方面比PVD优越得多

(4) 能得到纯度高、致密性好、残余应力小、结晶良好的薄膜镀层。由于反应气体、反应产物和基体的相互扩散，可以得到附着力好的膜层，这对表面钝化、抗蚀及耐磨等表面增强膜是很重要的

(5) 由于薄膜生长的温度比膜材料的熔点低得多，由此可以得到纯度高、结晶完全的膜层，这是有些半导体膜层所必须的

(6) CVD方法可获得平滑的沉积表面

(7) 辐射损伤低。这是制造MOS半导体器件等不可缺少的条件

化学气相沉积的主要缺点是：

反应温度太高，一般要1000℃左右，许多基体材料都耐受不

住CVD的高温，因此限制了它的应用范围

5、辉光放电过程中为什么P·d太小或太大，都不容易起辉放电？

如果气体压强太低或极间距离太小，二次电子在到达阳极前不能使足够的气体分子被碰撞电离，形成一定数量的离子和二次电子，会使辉光放电熄灭

气体压强太高或极间距离太大，二次电子因多次碰撞而得不到加速，也不能产生辉光

6、真空蒸发系统应包括那些组成部分？

(1) 真空室，为蒸发过程提供必要的真空环境

(2) 蒸发源或蒸发加热器，放置蒸发材料并对其加热

(3) 基板，用于接受蒸发物质并在其表面形成固态薄膜

(4) 基板加热器及测温器等

7、什么是等离子体？以及等离子体的分类（按电离程度）？

带正电的粒子与带负电的粒子具有几乎相同的密度，整体呈电中性状态的粒子集合体

按电离程度等离子体可分为

部分电离及弱电离等离子体和完全电离等离子体两大类

部分电离及弱电离等离子体中大部分为中性粒子，只有部分或极少量中性粒子被电离

完全电离等离子体中所有中性粒子都被电离，而呈离子态、电子态

8、简述化学吸附的特点？

1. 吸附力是由吸附剂与吸附质分子之间产生的化学键力，一般较强。

2. 吸附热较高，接近于化学反应热，一般在40kJ/mol 以上

3. 吸附有选择性，固体表面的活性位只吸附与之可发生反应的气体分子，如酸位吸附碱性分子，反之亦然

4. 吸附很稳定，一旦吸附，就不易解吸

5.吸附是单分子层的

6. 吸附需要活化能，温度升高，吸附和解吸速率加快