薄膜物理與技術(shù)題庫完整

1、一、填空題在離子鍍膜成膜過程中，同時存在沉積和濺射作用,只有當(dāng)前者超過后者時，才能發(fā)生 薄膜的沉積薄膜的形成過程一般分為：榮結(jié)過程、核形成與生長過程、島形成與結(jié)合生長過程薄膜形成與生長的三種模式：層狀生長,島狀生長,層狀-島狀生上在氣體成分和電極材料一定條件下，起輝電壓卩只與氣體的壓強(qiáng)P和電極距離的乘 積有關(guān)。1. 表征濺射特性的參量主要有 濺射率、濺射聞、 濺射粒子的速度和能量寧。2. 溶膠（SoI）是具有液體特征的膠體體系，分散的粒子是固體或者大分子，分散的粒子大 小在 1IOOnm 之間。3. 薄膜的組織結(jié)構(gòu)是指它的結(jié)晶形態(tài)，其結(jié)構(gòu)分為四種類型：無定形結(jié)構(gòu)，多晶結(jié)構(gòu) 纖維結(jié)構(gòu)， 單晶結(jié)構(gòu)

2、。4. 氣體分子的速度具有很大的分布空間。溫度越高、氣體分子的相對原子質(zhì)量越小，分子的平均運動速度越快。二、解釋下列概念濺射：濺射是指荷能粒子轟擊固體表面（靶），使固體原子（或分子）從表面射岀的現(xiàn)象氣體分子的平均自由程:每個分子在連續(xù)兩次碰撞之間的路程稱為自由程，其統(tǒng)計平均值：ro2稱為平均自由程，飽和蒸氣壓：在一定溫度下，真空室蒸發(fā)物質(zhì)與固體或液體平衡過程中所表現(xiàn)出的壓力。凝結(jié)系數(shù)：當(dāng)蒸發(fā)的氣相原子入射到基體表面上，除了被彈性反射和吸附后再墓發(fā)的原子 之外，完全被基體表面所凝結(jié)的氣相原子數(shù)與入射到基體表面上總氣相原子數(shù)之比。物理氣相沉積法：物理氣相沉積法（PhySiCalVaPOrdePoS

3、itiOn）是利用某種物理過程，如 物質(zhì)的蒸發(fā)或在受到粒子轟擊時物質(zhì)表面原子的濺射等現(xiàn)象，實現(xiàn)物質(zhì)原子從源物質(zhì)到薄膜 的可控轉(zhuǎn)移的過程真空蒸發(fā)鍍膜法:是在真空室，加熱蕤發(fā)容器中待形成薄膜的源材料，使其原子或分子從表 面汽化逸出，形成蒸氣流，入射到固體（稱為襯底、基片或基板）表面，凝結(jié)形成固態(tài)濺射鍍膜法:利用帶有電荷的離子在電場加速后具有一定動能的特點，將離子引向欲被濺射 的物質(zhì)作成的靶電極。在離子能量合適的情況下，入射離子在與耙表面原子的碰撞過程中將 靶原子濺射出來，這些被濺射出來的原子帶有一定的動能，并且會沿著一定的方向射向襯底, 從而實現(xiàn)薄膜的沉積。高化率：離化率是指被電離的原子數(shù)占全部墓

4、發(fā)原子數(shù)的百分比例。是衡量離子鍍特性的一 個重要指標(biāo)?；瘜W(xué)氣相沉積：是利用氣態(tài)的先驅(qū)反應(yīng)物，通過原子、分子間化學(xué)反應(yīng)的途徑生成固態(tài)薄膜 的技術(shù)。物理氣相沉積：是利用某種物理過程，如物質(zhì)的蒸發(fā)或在受到離子轟擊時物質(zhì)表面原子濺射 的現(xiàn)象，實現(xiàn)物質(zhì)原子從源物質(zhì)到薄膜的可控轉(zhuǎn)移過程。濺射閾值:濺射閾值是指使耙材原子發(fā)生濺射的入射離子所必須具有的最小能量。薄膜材料：釆用特殊工藝，在體材表面上，一層或多層，厚度為一個或幾十個原子層，性質(zhì) 不同于體材表面的特質(zhì)層。氣體平均自由程：指氣體分子在兩次碰撞的間隔時間里走過的平均距離。等離子體的鞘層電位：電子與離子具有不同的速度的一個宜接后果就是形成所謂的等離子體

5、鞘層電位，即相對于等離子體，任何位于等離子體中或其附近的物體都將會自動地處于一個 負(fù)電位，并且在其表面伴有正電荷的積累。5. 薄膜的外延生長：在完整的單晶存底上延續(xù)生長單晶薄膜的方法稱為外延生長。6氣體分子的通量：單位時間，氣體分子在單位表面積上磁撞分子的頻率。7磁控濺射：通過引入磁場，利用磁場對帶電粒子的束縛作用來提高濺射效率和沉積速率的 濺射方法稱為磁控濺射。8真空規(guī)：真空測量用的元件稱為真空規(guī)。三、回答下列問題1、真空的概念？怎樣表示真空程度，為什么說真空是薄膜制備的基礎(chǔ)？在給定的空間，氣體的壓強(qiáng)低于一個大氣壓的狀態(tài)，稱為真空真空度、壓強(qiáng)、氣體分子密度：單位體積中氣體分子數(shù)；氣體分子的平

6、均自由程；形 成一個分子層所需的時間等物理氣相沉積法中的真空蒸發(fā)、濺射鍍膜和離子鍍等是基本的薄膜制備技術(shù)。它們均要求沉 積薄膜的空間有一定的真空度。2、討論工作氣體壓力對濺射鍍膜過程的彩響？在相對較低的壓力下，電子的平均自由程較長，電子在陽極上消耗的幾率增大，通過碰 撞過程引起氣體分子電離的幾率較低。同時，離子在陰極上濺射的同時發(fā)射出二次電子的幾 率又由于氣壓較低而相對較小。這些均導(dǎo)致低壓條件下濺射的速率很低。在相對較低的壓力下，入射到襯底表面的原子沒有經(jīng)過很多次碰撞，因而其能量較高， 這有利于提供沉積時原子的擴(kuò)散能力，提供沉積組織的致密性在相對較高的壓力下，濺射出來的靶材原子甚至?xí)簧⑸浠匕?/p>

7、材表面沉降下來，因而沉 積到襯底的幾率反而下降在相對較高的壓力下，使得入射原子的能量降低，這不利于薄膜組織的致密化濺射法鍍膜的沉積速率將會隨著氣壓的變化出現(xiàn)一個極大值3、物理氣相沉積法的共同特點？(1) 需要使用固態(tài)的或者熔融態(tài)的物質(zhì)作為沉積過程的源物質(zhì)(2) 源物質(zhì)經(jīng)過物理過程而進(jìn)入氣相(3) 需要相對較低的氣體壓力環(huán)境(4) 在氣相中及在襯底表面并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)4、簡述化學(xué)氣相沉積的特點？(1) 既可以制備金屬薄膜、非金屬薄膜，又可按要求制備多成分的合金薄膜(2) 成膜速度可以很快，每分鐘可達(dá)幾個微米甚至數(shù)百微米(3) CVD反應(yīng)在常壓或低真空進(jìn)行，鍍膜的繞射性好，對于形狀復(fù)雜的表面或工件

8、的深孔、 細(xì)孔都能均勻鍍覆，在這方面比PvD優(yōu)越得多(4) 能得到純度高、致密性好、殘余應(yīng)力小、結(jié)晶良好的薄膜鍍層。由于反應(yīng)氣體、反應(yīng)產(chǎn)物和基體的相互擴(kuò)散，可以得到附著力好的膜層，這對表面鈍化、抗蝕及耐磨等表面増強(qiáng)膜是很重要的(5) 由于薄膜生長的溫度比膜材料的熔點低得多，由此可以得到純度高、結(jié)晶完全的膜層， 這是有些半導(dǎo)體膜層所必須的(6) CYD方法可獲得平滑的沉積表面(7) 輻射損傷低。這是制造MOS半導(dǎo)體器件等不可缺少的條件化學(xué)氣相沉積的主要缺點是：反應(yīng)溫度太高，一般要IOOOr左右，許多基體材料都耐受不住CVD的高溫，因此限制了它的應(yīng)用圍5, 輝光放電過程中為什么Pd太小或太大，都不

9、容易起輝放電？如果氣體壓強(qiáng)太低或極間距離太小，二次電子在到達(dá)陽極前不能使足夠的氣體分子被碰撞電 離，形成一定數(shù)量的離子和二次電子，會使輝光放電熄滅氣體壓強(qiáng)太高或極間距離太大，二次電子因多次碰撞而得不到加速，也不能產(chǎn)生輝光6, 真空蒸發(fā)系統(tǒng)應(yīng)包括那些組成部分？(1) 真空室，為蒸發(fā)過程提供必要的真空環(huán)境(2) 蒸發(fā)源或蒸發(fā)加熱器，放置蒸發(fā)材料并對其加熱(3) 基板，用于接受蒸發(fā)物質(zhì)并在其表面形成固態(tài)薄膜(4) 基板加熱器及測溫器等7, 什么是等離子體？以及等離子體的分類(按電離程度)？帶正電的粒子與帶負(fù)電的粒子具有幾乎相同的密度，整體呈電中性狀態(tài)的粒子集合體 按電離程度等離子體可分為部分電離及弱

10、電離等離子體和完全電離等離子體兩大類部分電離及弱電離等離子體部分為中性粒子，只有部分或極少量中性粒子被電離完全電離等離子體中所有中性粒子都被電離，而呈離子態(tài)、電子態(tài)8, 簡述化學(xué)吸附的特點？1. 吸附力是由吸附劑與吸附質(zhì)分子之間產(chǎn)生的化學(xué)鍵力，一般較強(qiáng)。2. 吸附熱較高，接近于化學(xué)反應(yīng)熱，一般在40kJmol以上3. 吸附有選擇性，固體表面的活性位只吸附與之可發(fā)生反應(yīng)的氣體分子，如酸位吸附戚性 分子，反之亦然4. 吸附很穩(wěn)定，一旦吸附，就不易解吸5. 吸附是單分子層的6. 吸附需要活化能，溫度升高，吸附和解吸速率加快9, 簡述分子束外延鍍膜的特點：(1) MBE雖然也是一個以氣體分子運動論為基

11、礎(chǔ)的蒸發(fā)過程，但它不是以蒸發(fā)溫度為控制參 數(shù)，而是以系統(tǒng)中的四極質(zhì)譜儀、原子吸收光譜等近代分析儀器，精密地監(jiān)控分子束的種類 和強(qiáng)度，從而嚴(yán)格控制生長過程和生長速率(2) MBE是一個超高真空的物理沉積過程，既不需要考慮中間化學(xué)反應(yīng)，又不受質(zhì)量傳輸?shù)?影響，并且利用快門可對生長和中斷瞬時調(diào)整。膜的組分和摻雜濃度可隨源的變化作迅速調(diào) 整(3) MBE的襯底溫度低，因此降低了界面上熱膨脹引入的晶格失配效應(yīng)和襯底雜質(zhì)對外延層 的自摻雜和擴(kuò)散的影響(4) MBE是動力學(xué)過程，即將入射的中性粒子(原子或分子)一個一個地堆積在襯底上進(jìn)行生 長，而不是一個熱力學(xué)過程，所以它可生長按照普通熱平衡生長方法難以生長

12、的薄膜(5) MBE的另一顯著特點是生長速率低，大約1 mh,相當(dāng)于每秒生長一個單原子層，因 此有利于實現(xiàn)精確控制厚度、結(jié)構(gòu)與成分和形成陡峭異質(zhì)結(jié)等。MBE特別適于生長超晶格 材料(6) MBE是在一個超高真空環(huán)境中進(jìn)行的，而且襯底和分子束源相隔較遠(yuǎn)，因此可用多種表 面分析儀器實時觀察生長面上的成分結(jié)構(gòu)及生長過程，有利于科學(xué)研究10、簡述CVD輸運反應(yīng)的原理把需要沉積的物質(zhì)當(dāng)作源物質(zhì)(不揮發(fā)性物質(zhì))，借助于適當(dāng)?shù)臍鈶B(tài)介質(zhì)與之反應(yīng)而形成一種 氣態(tài)化合物，這種氣態(tài)化合物經(jīng)化學(xué)遷移或物理載帶(利用載氣)輸運到與源區(qū)溫度不同的沉 積區(qū)，并在基板上發(fā)生逆向反應(yīng)，使源物質(zhì)重新在基板上沉積出來，這樣的過程稱

13、為化學(xué)輸 運反應(yīng)。1、描述氣體分子從表面的反射一余弦定律及其意義？dp =-cs8碰撞于固體表面的分子，它們飛離表面的方向與原入射方向無關(guān)，并按與表面法線方向所成角度0的余弦進(jìn)行分布。則一個分子在離開其表面時，處于立體角d 3(與表面法線成0角)中的幾率是：式中1/兀是歸一化條件，即位于2 立體角中的幾率為1而出現(xiàn)的余弦定律的重要意義在于:(1) 它揭示了固體表面對氣體分子作用的另一個方面，即將分子原有的方向性徹底“消 除”，均按余弦定律散射(2) 分子在固體表面要停留一定的時間，這是氣體分子能夠與固體進(jìn)行能量交換和動量交 換的先決條件，這一點有重要的實際意義2. 氣體分子的平均自由程概念及其

14、與壓強(qiáng)關(guān)系的表達(dá)式？每個分子在連續(xù)兩次碰撞之間的路程稱為自由程，其統(tǒng)計平均值:2jo2jiI =-O5P稱為平均自由程，平均自由程與分子密度/7和分子直徑O的平方成反比關(guān)系平均自由程與壓強(qiáng)成反比，與溫度成正比。3. 通常對蒸發(fā)源材料的要求？(1) 熔點要高(2) 飽和蒸氣壓低(3) 化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在高溫下不與蒸發(fā)材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)(4) 具有良好的耐熱性，熱源變化時，功率密度變化很小(5) 原料豐富，經(jīng)濟(jì)耐用4. 如何解決蒸發(fā)過程中的分餡問題？(1) 使用較多的物質(zhì)作為蒸發(fā)源，盡量減少組元成分的相對變化率(2) 釆用向蒸發(fā)容器中不斷地，但每次僅加入少量被蒸發(fā)物質(zhì)的方法(3) 利用加熱不同溫度的雙

15、蒸發(fā)源或多蒸發(fā)源的方法，分別控制和調(diào)節(jié)每個組元的蒸發(fā)速 率，此方法用得較為普遍采用真空墓發(fā)法制作預(yù)定組成的薄膜，經(jīng)常采用瞬時蒸發(fā)法、雙蒸發(fā)源法及合金升華法5. 簡述激光蒸發(fā)法的特點？(1) 激光加熱可以達(dá)到極高的溫度，可煞發(fā)任何高熔點的材料，且可獲得很高的蒸發(fā)速率(2) 由于采用非接蝕式加熱，激光器可以安放在真空室外，既完全避免了蒸發(fā)源的污染，又 簡化了真空室，非常適宜在高真空下制備高純薄膜(3) 利用激光束加熱能夠?qū)δ承┗衔锘蚝辖疬M(jìn)行閃爍蒸發(fā)，有利于保證膜成分的化學(xué)計量 比或防止分解；又由于材料氣化時間短促，不足以使四周材料達(dá)到蒸發(fā)溫度，所以激光蒸發(fā) 不易出現(xiàn)分憶現(xiàn)象6. 簡述蒸發(fā)鍍膜相比

16、濺射鍍膜工藝的特點？ 濺射鍍膜與真空鍍膜相比，有如下特點：(1) 任何物質(zhì)均可以濺射，尤其是高熔點、低蒸氣壓元素和化合物。不論是金屬、半導(dǎo)體、 絕緣體、化合物和混合物等，只要是固體，不論是塊狀、粒狀的物質(zhì)都可以作為靶材(2) 濺射膜與基板之間的附著性好(3) 濺射鍍膜密度高，針孔少，且膜層的純度較高，因為在濺射鍍膜過程中，不存在真空蒸 鍍時無法避免的址埸污染現(xiàn)象(4) 膜厚可控性和重復(fù)性好；可在較大面積上獲得厚度均勻的薄膜7. 為什么射頻輝光放電的擊穿電壓和維持放電的工作電壓均降低？產(chǎn)生射頻放電時，外加電壓的變化周期小于電離和消電離所需時間(一般在10-6秒左 右)，等離子體濃度來不及變化。由

17、于電子的質(zhì)量小，很容易跟隨外電場從射頻場中吸收能 量并在場作振蕩運動。因此增加了氣體分子的碰撞幾率，并使電離能力顯著提高 射頻輝光放電的擊穿電壓只有直流輝光放電的1/10射頻薛光放電可以在較低的壓力下進(jìn)行。直流輝光敖電常在I-IOPa運行，射頻詳光放電可 以在10-2" IO-IPa運行8. 簡述CVD反應(yīng)的基本類型？a. 熱分解反應(yīng)b. 還原或置換反應(yīng)c. 氧化或氮化反應(yīng)d. 歧化反應(yīng)9. 簡述任何CVD所用的反應(yīng)體系，都必須滿足的基本條件？(1) 在沉積溫度下，反應(yīng)物必須有足夠高的蒸氣壓，要保證能以適當(dāng)?shù)乃俣缺灰敕磻?yīng)室(2) 反應(yīng)產(chǎn)物除了所需要的沉積物為固態(tài)薄膜之外，其他產(chǎn)物必須是揮發(fā)性的(3) 沉積薄膜本身必須具有足夠低的蒸氣壓，以保證在整