薄膜物理期末考试孙喜莲版解析

1、薄膜物理与技术（孙喜莲版）一：填空题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,四个区域。2 .在 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 , 和。4 .气体捕获泵是通过各种 材料特有的 将被抽气体吸除，以达到所需真空。5 .真空计种类很多，通常按测量原理可分为 和。6 .气体的吸附现象可分为 和一。二7.化学气相反应沉积的反应器的设计类型可分为 , 和。8电镀方法只适用于在 上沉积金属和合金，薄膜材料在电解液中 是以 的形式存在。制备有序单分子膜的方法9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 。10物理气

2、相沉积过程的三个阶段：, 和。11 .在相同条件下,小平面蒸发源的中心膜厚为点蒸发源中心膜厚的 倍。12 .在反应蒸发中，蒸汽原子与活性气体之间的反应主要发生在 。13 . 溅射过程中所选择的工作区域是,基板常处于 区，阴极和基板之间的距离至少应是 宽度的两倍。14 .在气体成分和电极材料一定条件下，起辉电压v只与和的乘积有关。15 .磁控溅射具有两大特点是 和 。16 .直流二极溅射依赖离子轰击阴极所发射的次级电子来维持 017 .射频电极在靶材上的 效应使得气体离子对其自发的轰击和溅射。18 .在离子镀成膜过程中，同时存在 和 作用，只有当前者 超过后者时，才能发生薄膜的沉积。19薄膜的形

3、成过程一般分为： 、。20原子聚集理论中最小稳定核的结合能是以 为最小单位不连续变 化的。21 薄膜成核生长阶段的高聚集来源 于：、。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。22 薄 膜 生 长 的 三 种 模 式有、。23在薄膜中存在的四种典型的缺陷为： 、和 。24 列举四种薄膜组分分析的方法：、 和 。 25电子衍射图案对于单晶衍射为 ，精细多晶为, 大晶粒多品且包含织构为。26红外吸收是由引起 变化的分子振动产生的，而拉曼散射则是由引起 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， 不敏感，敏感；相反，对于具有反对称中心的分子振动， 敏 感而

4、不敏感。对于对称性高的分子振动， 敏感。27薄膜应力是薄膜重要的力学性质,它对薄膜的实际应用影响很大，它可以分为 和 028和是测量薄膜样品中分子振动的振动谱,前者是 光谱，而后者是 光谱。29表征溅射特性的主要参数有 、溅射粒子的速度 和能量等。30薄膜的组织结构分为四种类型： , , 和。1 .粗真空；低真空；高真空；超高真空2 .低3 .旋转式机械真空泵；油扩散泵；复合分子泵4 .吸气；吸气作用5 .绝对真空计；相对真空计6 .物理吸附；化学吸附7 .常压式；低压式；热壁式；冷壁式8 .导电的基片；正离子；铺展9 .化学镀10 .从源材料中发射出粒子；粒子输运到基片；粒子在基片上凝结、成

5、核、长大、 成膜11 .412 .基片上13 .异常辉光区、负辉光区、克鲁克斯暗区14 .气体压强p和电极距离15 .较低工作压强下得到较高沉积率、较低基片温度下获得高质量薄膜。16 .辉光放电17 .负偏压18 .沉积、溅射19 .凝结过程、核形成与生长过程、岛形成与结合生长过程20 .原子对的结合能21 (1)高的沉积温度；(2)气相原子的高的动能，对于热蒸发意味着高沉积率; (3)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。22 .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23 .空位、间隙原子、晶界、层错、24 .卢瑟福散射、二次离子质谱

6、仪、x射线光电子能谱、俄歇电子能谱过斑点环环加斑点26 .分子偶极、极化率、红外、拉曼散射、红外吸收、拉曼散射、拉曼散射27 .内应力和外应力28 .红外吸收光谱、拉曼散射光谱、红外吸收光谱、拉曼散射光谱29 .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。30 .无定形结构, 多晶结构,纤维结构， 单晶结构。1.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：定义：利用测定热丝电阻值随温度变化的真空计电阻真空计的测量范围为10510-2pa。由于 是相对真空计，所测压强对气体的种类依 赖 性较大，其校准曲线是针对干燥的氮气或者空气的，所以被测气体成分变化

7、较大，则对测量结果要做一定的修正。另外长时 间使用后，容易因氧化而产生零 点飘移，所以要避免长时间接触大气或在高压下工作。热偶规：热偶真空计是利用在低气压下气体的热导率与气体压强间有依赖关系制成的。其中有一根细 金属丝（铝丝或鸨丝）以恒定功率加热，则丝的 温度取 决于输入功率与散热的平衡关系，而散热取决于气体的热导率。管内压强越低， 即气体分 子越稀薄，气体碰撞灯丝带走的热量就越少， 则 丝温越高，从而热偶 丝产生的电动势越大。通过 测量热偶丝的电动势来指示真空度了。测量区间：10210-1pa,（高于100pa,气 体的热导率不再随气压的变化而显著变化；低于0.1pa,气体分子传导走的热量在

8、总加 热功率中的比例过小，测量的灵敏度 下降。）电离规：热阴极电离真空计 通称电离真空计，主要用于 高真空测量。它是由 圆筒式热阴极电离规管和测 量线路两部分组成。这种规管与三极电子管相似， 有3个电极：阴极（灯丝）、螺旋形栅极（加速 极）和圆筒形收集极。测量时， 规管与被测真空 系统相连。通电后，热阴极发射电子，在飞向带 正电位的加速 极的路程中与管内空间的低压气体 分子碰撞，使气体分子电离。电离所产生的电 子和离子，分别在加速极和收集极（带负电位）上形成 电子流ie和离子流ii。 在被测气体压力低于10-1帕的状况下，当电子流ie恒定时，离子流ii与被测 真空系统中的气体分子密度（亦即压力

9、 p）成正比。 因此，离子流的大小就可 作为压力的度量。这种真 空计的测量范围为10-110-5帕。?什么是真空？常见的真空单位有哪些？?描述四种真空范围及其特点。真空：气体分子数量低于大气压状态的空间。但不是完全空的。？真空术语：本底真空度：全密封真空腔体内抽空时的气压。工作真空度：实验或工艺过程中所必需的气体压力。极限真空度：没有漏气和内壁脱气条件下，真空泵所能达 到的最低气压。 真空规：测量真空中气压的仪表或传感器。真空度单位：气压的单位。 真空度就是真空中的气压。真空度的测量就是气压的测量 真空单位： 帕（pa） 托（torr ） 毫巴（mb 标准大气压（atm）粗低高超极真 空102

10、105pa真 空102-10-1pa真 空10-1-10-6pa高 真 空10-6pa高真空10-10pa如要设计一个真空度为5x10-4pa的高真空系统，需要哪些真空泵、测试元件和 阀门（3个阀），画出系统框图，并描述获得该真空的操作过程。3 .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。答：旋片式机械真空泵：机械泵是运用机械方法不断地改变泵内吸气空腔的体积，使被抽容器内气体的体积不断 膨胀，从而获得真空的装置。它可以直接在 大 气压下开始工作，极限真空度一般为 11x10- 2pa,抽气速率与转速及空腔 体积v的大小有关， 一般在每秒几升到每秒几十升之间。旋片式机械泵通

11、常由 转子、定子、旋片等结构 构成。偏心转子置于定子 的圆柱形空腔内切位置上， 空腔上连接进气管和出气 阀门。转子中镶有两块旋 片，旋片间用弹簧连接，使 旋片紧压在定子空腔的 内壁上。转子的转动是由 马达带动的，定子置于油 箱 中，油起到密封、润滑 与冷却的作用。工作原理：当转子顺时针转动时，空气由被抽容器 通过进气管被吸入，旋片随 着转子的转动使与进气管 相连的区域不断扩大，而气体就不断地被吸入。当转 子达到一定位置时，另一旋片把被吸入气体的区域与被抽容器隔开，并将气体压缩，直到压强增大到可以 顶开出气口的活塞阀门而被排出泵外，转子的不断 转 动使气体不断地从被抽容器中抽出。特点与使用：单独

12、使用或用作其他泵的前级泵,低 真空系统。4 .复合分子泵：分子泵是旋叶式机械真空泵的一大发展，同机械泵一样，分子泵 也属于气体传输泵，但它是一种无油类泵，可以与前级泵构成组合装置，从而获 取超高真空。范围：超高真空10-6pa5 .油扩散泵：扩散泵是利用气体扩散现象来抽气的，它不能直接在大气压下工作，而需要一定的预备真空 度（1.330.133pa）。一般与旋片机械泵串联使 用。 油扩散泵的极限真空度主要取决于油蒸汽压和气体分子的反扩散，一般能达到1.33x10-5 1.33 x10-7pa。抽气速率与结构有关，每秒几升 几百升不等。4. 低温泵：工作原理：依靠气体分子在低温条件下自发凝结或被

13、其他物质表面吸附的性质对气体分子的去除，进而获得高真空的装置。真空度依赖于低温度，吸附 物质 的表面积和吸附气体的种类等.极限真空度：10-110-8 pa二：名词解释1.化学气相沉积（chemical vapor deposition）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。2 .激光化学气相沉积激光化学气相沉积是通过使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。3 .电镀电镀是电流通过在导电液（称为电解液）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。4 .化学镀化学镀膜是指在还原剂的作用下，使金属盐中的金属离子还原成原子，在基

14、片表 面沉积的镀膜技术，又称无电源电镀。化学镀不加电场、直接通过化学反应实现 薄膜沉积。5 .lb技术答：l933年katharine blodgtt和irving langmuir发现利用分子活性在气液界面上形成凝结膜，将该膜逐次叠积在基片上形成分子层（或称膜）的技术，后被称为longmuir-blodgett（lb）技术。6 .金属有机化学气相沉积有机金属化学气相沉积是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。7 .真空蒸镀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。8 .溅射答：在某一温度下，如果固体或液体受到适当的高能粒子（通常为离子）的轰

15、击，则这些原子通过碰撞有 可能获得足够的能量从表面逃逸，这一将原子从表面发射出去的方式称为溅射。9 .离子镀在真空条件下，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。结合蒸发与溅射两种薄膜沉积技术而发 展的一种pvd方法。10 .分子束外延是一种超精密和极精确的薄膜生长技术。其利用的是蒸发原理，将分子束射至 单晶衬底上生长单晶外延层的方法。11 .卢瑟福背散射（rbs以离子作为探测束，与靶原子进行弹性碰撞。根据弹性散射理论，分析背散射所携带的有关靶原子的 信息，得到最表层的信息。12 .x射线光电子谱（xps当入射线为x射线时，即形成x射线光

16、电子能谱。13 .俄歇电子谱（aes一定能量的电子束（或x射线）激发样品 俄歇效应，通过检测俄歇电子的能量和 强度，从而获得有关材料表面化学成分和结构的信息的方法。14 .红外吸收和拉曼散射红外吸收谱是由分子中振动和转动能级的跃迁而产生的分子吸收光谱。拉曼散射：光通过介质时，由于入射光与分子运动相互作用而引起频率发生变 化的散射。三、简答题1、电阻真空计和电离真空计的工作原理及特点。2、什么叫真空？写出真空区域的划分及对应的真空度。不论哪一种类型上的真空， 只要在给定空间内，气体压强低于一个大气压的气体状态，均称之为真空。为了研究真空和实际使用方便，常常根据各压强范围内不同的物理特点，把真空划

17、分为以下几个区域：（1）粗真空：l105 l 102 pa, （2）低真空：1102 1 10-1pa, （3）高真空：l10-1 1 10-6pa 和（4）超高真空： 1 10-6pa。3、列举常见的真空蒸发镀膜的类型（至少五种）。电阻加热法闪烁蒸发激光蒸发电子束蒸发电弧蒸发射频蒸发4、什么是真空蒸发镀膜法？其基本过程有哪些？答：真空蒸发镀膜法（简称真空蒸镀）在真空室中，加热蒸发容器中待形成薄膜的原材料，在真空室中，加热蒸发容器中待形成薄膜的原材料，使其原子或分子从表面气化逸出，形成蒸气流，使其原子或分子从表面气化逸出，形成蒸气流，入射 到固体（称为衬底或基片）表面，凝结形成固态薄膜的方法。

18、由于真空蒸发法或真空蒸镀法主要物理过程是通过加热蒸发材料而产生，所以又称为热蒸发法热蒸发法。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）加热蒸发过程，固相/液相气相；（2）气化原子或分子在蒸发源与 基片之间的输运，即飞行过程； （3）蒸发原子或分子在基片上的沉积过程。 5、什么是溅射镀膜？列举常见的溅射镀膜的类型（至少三种）。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直流溅射磁控溅射离子束溅射对靶溅射射频溅射交流溅射反应溅射三极溅射6、简述正常辉光放电和异常辉光放电的特征。在正常辉

19、光放电区，阴极有效放电面积随电流增加而增大，从而使有效区内电 流密度保持恒定。当整个阴极均成为有效放电区域后，只有增加阴极电流密度，才能增大电流， 形成均匀而稳定的“异常辉光放电”，并均匀覆盖基片，这个放电区就是溅射区域。2.正常与异常辉光放电在正常辉光放电末期，整个阴极都成为有效的放电区域，只有电流密度 增加，才能增大电流，延立均匀而稳定的异常辉光放电，从而均匀地覆盖 基片口这个放电区就是溅射区域。溅射电压v、电流密度j和气体压强p满足：/二月+ fw(37)、其中，e. f是常数，与电极材料，尺寸和气体种类相关.7、磁控溅射为什么具有“低温”、“高速”两大特点？在磁控溅射中，由于运动电子在

20、磁场中受到洛仑兹力， 它们的运动轨迹会发生 弯曲甚至产生螺旋运动，其运动路径变长，因而增加了与工作气体分子碰撞的次 数，使等离子体密度增大，从而磁控溅射速率得到很大的提高， 而且可以在较低 的溅射电压和气压下工作，降低薄膜污染的倾向；另一方面也提高了入射到衬底 表面的原子的能量，因而可以在很大程度上改善薄膜的质量。同时，经过多次碰 撞而丧失能量的电子到达阳极时， 已变成低能电子，从而不会使基片过热。因此 磁控溅射法具有“高速”、“低温”的优点。8、简述核形成与生长的物理过程。吸附扩散迁移凝结临界核稳定核答：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

21、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。(3分)(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分)(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。(2分)(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。(2分)9、简述离子轰击的作用有哪些？(

22、至少三点)答：(1)离子轰击对基片表面起到溅射清洗作用。(2)离子轰击会使基片表面产生缺陷。(3)离子轰击有可能导致基片结晶结构的破坏。(4)离子轰击会使基片表而形貌发生变化。(5)离子轰击可能造成气体在基片表面的渗入，同时离子轰击的加热作用也会 引起渗入气体的释放。(6)离子轰击会导致基片表面温度升高，形成表面热。(7)离子轰击有可能导致基片表面化学成分的变化。10、简述直流辉光放电等离子体产生的过程。答：在两极加上电压，系统中的气体因宇宙射线辐射会产生一些游离离子和电子，但其数量是很有限的，因此所形成的电流是非常微弱的，这一区域ab称为无光放电区。随着两极间电压的升高， 带电离子和电子获得

23、足够高的能量，与系统中的中性气体分子发生碰撞并产生电离，进而使电流持续地增加，此时由于电 路中的电源有高输出阻抗限制致使电压呈一恒定值，这一区域bc称为汤森放电区。在此区域，电流可在电压不变情况下增大。当电流增大到一定值时（ c点），会发生“雪崩”现象。离子开始轰击阴极，产生二 次电子，二次电子与中性气体分子发生碰撞，产生更多的离子，离子再轰击阴极，阴极又产生出更多的二 次电子，大量的离子和电子产生后，放电便达到了自持，气体开始起辉，两极间的电流剧增，电压迅速下 降，放电呈负阻特性，这一区域 cd叫做过渡区。 在d点以后，电流平稳增加，电压维待不变，这一区域 de称为正常辉光放电区。在这一区域

24、，随着电流的增加，轰击阴极的区域逐渐扩大，到达e点后，离子轰击已覆盖至整个阴极表面。此时继续增加电源功率，则使两极间的电流随着电压的增大而增大，这一区域 ef称做“异常辉光放电区”。在异常辉光放电区，电流可以通过电压来控制，从而使这一区域成为溅射所选择的工作区域。在 f点以后，继续增加电源功率，两极间的电流迅速下降，电流则几乎由外电阻所控 制，电流越大，电压越小，这一区域fg称为弧光放电区”。11、简述溅射率的影响因素。答：（1）溅射率与入射离子的种类、能量、角度以及靶材的种类、结构等有关。溅射率依赖于人射离子的 质量，质量越大，溅射率越高。（2）在入射离子能量超过溅射阈值后，随着入射离子能量

25、的增加，在 150ev以前，溅射率与入射离子能 量的平方成正比；在15010000ev范围内，溅射率变化不明显；入射能量再增加，溅射率将呈下降趋势。（3）溅射率随着入射离子与靶材法线方向所成的角（入射角）的增加而逐渐增加。在0。60。范围内，溅射率与入射角q服从1/cosq规律；当入射角为 60 80时，溅射率最大，入射角再增加时，溅射率 将急剧下降；当入射角为 90。时，溅射率为零。溅射率一般随靶材的原子序数增加而增大，元素相同，结构不同的靶材具有不同的溅射率。另外，溅射率还与靶材温度、溅射压强等因素有关。12、简述薄膜生长阶段及各阶段的特点。答：（1）首先形成无序分布的三维核，然后少量的沉

26、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

27、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。13、简述薄膜生长的三种模式及生长条件。答：（l ）岛状模式（或 volmer-weber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（或frank-vandermerwe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

28、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（或 stranski - krastanov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。14、简述薄膜组分及结构表征的主要分析方法。 薄膜组分离子作为探测束的成分分析方法 卢瑟福背散射（rbs 二次离子质谱分析（sims

29、）x射线作为探测束的成分分析技术 俄歇电子能谱（aes）x-射线光电子能谱（xps电子束作为探测束的成分分析技术：x射线能谱仪成分分析（eds）结构表征常见的方法有x射线衍射（三维有序固体，x射线吸收深度为10100um）；掠射几何 构型和电子衍射探针（薄膜结构，1um） 四、问答题1、热阴极电离真空计存在一个测量上限压强值，其原因是什么？热阴极电离真空计 通称电离真空计，主要用于 高真空测量。它是由圆筒式热阴 极电离规管和测 量线路两部分组成。这种规管与三极电子管相似，有3个电极：阴极（灯丝）、螺旋形栅极（加速 极）和圆筒形收集极。测量时，规管与 被测真空 系统相连。通电后，热阴极发射电子，在飞向带 正电位的加速极的路