薄膜物理与技术B卷答案

薄膜物理与技术B卷试题参考答案及评分细则一、名词解释：（本题满分12分，每小题3分）1、瞬时蒸发法瞬时蒸发法是指将细小的合金颗粒，逐次送到非常炽热的蒸发器或坩锅中，使一个一个的颗粒实现瞬间完全蒸发。（3分）2、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。（3分）3、活性反应离子镀活性反应离子镀是指在离子镀过程中，在真空室中导入能和金属蒸气起反应的气体（1分），并用各种放电方式使金属蒸气和反应气体的分子、原子激活离化（2分），促进其间的化学反应，在基片表面上获得化合物薄膜的方法（3分）。4、成核速率成核速率是指单位时间内在单位基体表面上形成稳定核的数量。（3分）二、简答题：（本题满分88分）1、什么叫真空？典型的真空系统由哪些部分组成？（5分）答：真空是指低于一个大气压的气体空间。（1分）典型的真空系统应包括：待抽空的容器（真空室）、获得真空的设备（真空泵）、测量真空的器具（真空计）以及必要的管道、阀门和其他附属设备。（4分）2、简述磁控溅射的工作原理。（7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，在电场作用下加速飞向阴极靶，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。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。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。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EB漂移。3、什么叫薄膜？试举出薄膜的5例应用。（8分）答：薄膜是指在基板的垂直方向上所堆积的110的原子层或分子层（3分）。薄膜的应用很多：半导体薄膜、超导薄膜、陶瓷薄膜、铁电纤维薄膜、光学薄膜、磁性薄膜等等。（8分）4、在离子镀膜过程中，薄膜淀积之前的离子轰击对基片有哪些作用？（6分）答：（1）溅射清洗作用； （2）产生缺陷和位错网； （3）破坏表面结晶结构； （4）气体掺入； （5）表面成分变化； （6）表面形貌变化； （7）温度升高。5、在溅射镀膜过程中，如何提高淀积薄膜的纯度，并指出防止淀积过程中的污染的措施。（10分）答：为提高淀积薄膜的纯度，必须尽量减少淀积到基片上杂质的量。由于主要的杂质是真空室的残余气体（1分），因此要提高薄膜纯度，就要降低残余气体压力（2分），可采取的有效措施是提高本底真空度和增加送氩量（4分）。防止淀积过程中的污染的措施：（1）为减少真空室壁和真空室中的其他零件可能会有吸附气体、水汽和二氧化碳等重新释出，可能接触辉光的一切表面都必须在淀积过程中适当冷却，以便使其在淀积的最初几分钟内达到热平衡（6分）；也可在抽气过程中进行高温烘烤（7分）。（2）为防止扩散泵油的回流现象，通常在放电区与阻尼器之间进行某种形式的气体调节，即在系统中利用高真空阀门作为节气阀（8分）。另外，如果将阻尼器与涡轮分子泵结合起来，代替扩散泵，将能消除这种污染（9分）。（3）为避免基片表面颗粒物质的影响，淀积前应对基片进行彻底的清洗，尽可能保证基片不受污染或携带颗粒污染物（10分）。6、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？（8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。（2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；（4分）（2）反应的副产物不应妨碍晶体生长，不应污染生长层；（6分）（3）为适应气相生长，在室温附近应具有适当的蒸气压。（8分）7、简述什么是电镀，在电镀过程中，给电极附近消耗离子的区域提供新离子的方法有哪些？（8分）答：电镀是利用电解反应在位于负极的基板上进行镀膜的过程。在电镀过程中，给电极附近消耗离子的区域提供新离子的方法有：（1）离子浓度梯度引起的扩散；（2）电场引起的离子迁移；（3）电解液中离子的对流。8、什么是物理吸附与化学吸附，它们之间有何差异，试用吸附过程能量曲线图说明。（11分）（5分）物理吸附是指吸附仅仅是由原子电偶极矩之间的范德华力起作用；化学吸附是指吸附是由化学键结合力起作用。（7分）从吸附过程能量曲线上看，当入射到基体表面的气相原子动能较小时，处于物理吸附状态，其吸附能用Qp表示。（9分）当这种气相原子动能较大但小于或等于Ea时则可产生化学吸附。达到完全化学吸附，这种气相原子所具有的动能必须达到吸附能Ed的数量。（11分）9、简述核形成与生长的步骤。（8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。（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）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。（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。10、什么是内摩擦现象？在薄膜中引起位错的原因有哪些？（9分）答：内摩擦现象是指若让薄膜随意振动一下，它的振幅会以某一比率进行衰减，这主要是由于振动能量通过薄膜中的位错运动转变为热能的结果，这种能量的转换过程称为薄膜的内摩擦。（3分）在薄膜中引起位错的原因主要有：（1）基体引起的位错如果薄膜和基体之间有晶格失配的位错，则在生长成单层的拟似性结构时就会有位错产生。如果在基体上有位错，那么在基体上形成的薄膜就会因基体的位错引起位错。（3分）（2）小岛的聚结薄膜中产生位错的主要原因是来自小岛的长大和聚结。在多数的小岛中其结晶方向都是任意的。特别是两个晶体方向稍有不同的两个小岛相互聚结成长时，就会产生以位错形式形成小倾斜角晶粒间界。另外，当小岛刚一聚结合并时在薄膜内有相当强的应力产生，有时应力集中在小岛聚结过程中形成空位的地方产生位错。（3分）11、与不连续薄膜、薄金属箔片相比，连续金属膜在导电性质上有哪些自己固有的特点。（8分） 答：虽然连续金属膜在微观结构上比不连续薄膜要致密得多，但是与用块状金属压制的薄金属箔片相比，它含的各种微观缺陷导致它在导电性质上与金属箔片有较大的差异，从而形成了自已固有的一些特点：（1） 薄膜电阻率与薄膜厚度有密切关系