2025年大学《资源化学》专业题库- 化学气相沉积技术

2025年大学《资源化学》专业题库——化学气相沉积技术考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。请将正确选项的字母填在题后的括号内）1.下列哪种化学气相沉积技术通常在较低温度下进行，并能实现原子级别的精确控制？A.热化学气相沉积(TCVD)B.等离子体增强化学气相沉积(PECVD)C.原子层沉积(ALD)D.化学气相渗透(CVP)2.在化学气相沉积过程中，反应物从气相到基板表面的主要传质方式是？A.对流输运B.分子扩散C.库仑力吸引D.热泳3.提高化学气相沉积体系的反应温度，通常会导致？A.沉积速率降低，薄膜应力增大B.沉积速率增加，薄膜纯度提高C.沉积速率降低，薄膜晶粒尺寸减小D.沉积速率增加，可能产生更多晶格缺陷4.等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的主要优势在于？A.能在极高真空下进行B.沉积速率比TCVD快得多C.能沉积各种复杂成分的薄膜D.薄膜保形性最好5.下列哪项不是影响化学气相沉积薄膜均匀性的重要因素？A.基板尺寸与形状B.反应腔体的几何结构C.前驱体蒸汽压D.基板与反应物气流之间的角度6.在化学气相沉积过程中，若使用的是固体前驱体，通常需要先将其转化为气态形式，这一步骤称为？A.气相传输B.表面反应C.原子化D.蒸发7.对于半导体外延生长，化学气相沉积技术特别重视薄膜的？A.机械强度B.光学透明度C.电学性质(如导电性、电阻率)D.热稳定性8.下列哪种物质常被用作化学气相沉积沉积硅(Si)的工业前驱体？A.氯化铵(NH4Cl)B.硅烷(SiH4)C.硅氧烷(如TEOS)D.碳化硅(SiC)9.在化学气相沉积中，为了提高反应物的活性和沉积速率，有时会引入等离子体，其作用主要是？A.降低反应体系的温度B.增加反应物的输运能力C.提高反应物的化学键能D.改变薄膜的表面形貌10.下列哪项关于原子层沉积(ALD)的描述是错误的？A.ALD过程包含交替的脉冲注入和反应步骤B.ALD的保形性非常好，能在复杂三维结构上沉积均匀薄膜C.ALD的沉积速率通常比TCVD快得多D.ALD对反应条件（温度、压力）的稳定性要求很高二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填在横线上）1.化学气相沉积(CVD)技术的核心在于利用______相物质的化学反应，在基板上形成固态薄膜。2.根据反应物供给方式的不同，CVD可分为______CVD和______CVD。3.影响化学气相沉积薄膜附着力的主要因素包括基板温度、界面反应以及______。4.在低压化学气相沉积(LPCVD)中，体系压力通常控制在______乇范围内。5.等离子体增强化学气相沉积(PECVD)中，常用的等离子体产生方式有辉光放电和______。6.原子层沉积(ALD)技术的“自限制性”表面反应特点，确保了每次沉积的厚度约为______原子层。7.为了分析化学气相沉积薄膜的元素组成和化学状态，常使用______技术。8.化学气相沉积过程中，沉积速率通常与反应物在基板表面的______成正比。9.气相传输过程分为______传输（Knudsen流）和______传输（分子流）。10.化学气相渗透(CVP)技术主要用于制备______材料。三、简答题（每题5分，共15分）1.简述化学气相沉积(CVD)技术的基本过程。2.比较热化学气相沉积(TCVD)和等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在沉积温度、设备复杂度和薄膜特性方面的主要区别。3.简述温度和压力这两个关键工艺参数对化学气相沉积过程和薄膜质量的影响。四、计算题（共15分）某化学气相沉积实验，使用硅烷(SiH4)作为前驱体沉积硅(Si)薄膜。在特定条件下，测得沉积速率为10nm/min。假设硅的密度为2.33g/cm³，硅的摩尔质量为28.09g/mol，阿伏伽德罗常数为6.022x10²³mol⁻¹。请计算：(1)每小时沉积1cm²面积的硅薄膜，需要消耗多少摩尔的硅烷(SiH4)？（假设转化率为100%，且沉积过程中气体体积不变）(2)若沉积层厚度均匀，其理论密度与块状硅相同，请估算该沉积层的晶粒尺寸大约是多少？（假设硅为密排六方结构，晶格常数为a=0.543nm，每个晶胞含4个硅原子）五、论述题（10分）结合化学气相沉积(CVD)技术的原理，论述选择合适的沉积方法（如TCVD,PECVD,ALD等）对于获得特定性能薄膜（例如，高纯度、超薄、高均匀性、特定晶相）的重要性，并分析不同方法在满足这些特定需求时各自的优缺点。试卷答案一、选择题1.C2.B3.B4.B5.D6.D7.C8.B9.B10.C二、填空题1.气相2.低压力；等离子体增强3.沉积速率4.10-7105.等离子体辉光放电6.一个7.X射线光电子能谱(XPS)8.吸附9.Knudsen；分子10.多孔三、简答题1.化学气相沉积的基本过程包括：前驱体气体在反应器中混合；反应物通过气相传输到达加热的基板表面；在基板表面发生化学反应，形成固态薄膜，同时副产物气化挥发掉；沉积过程持续进行，直至达到所需厚度。2.TCVD通常在较高温度下（数百至上千摄氏度）进行，设备相对简单，成本较低，但沉积速率可能较慢，且可能引入较多缺陷或杂质。PECVD在较低温度下（通常数百摄氏度）进行，沉积速率快，均匀性较好，尤其适用于柔性基板，但设备较复杂，成本较高，且可能存在等离子体损伤。ALD在较低温度下进行，沉积速率极慢，但保形性极佳，厚度控制极其精确。3.温度升高通常会增加反应物在表面的吸附速率和化学反应速率，从而提高沉积速率。但过高温度可能导致沉积物晶粒粗大、出现缺陷、挥发物扩散加剧甚至分解，影响薄膜质量和附着力。压力影响反应物的输运方式，低压下主要靠分子扩散，高压下靠对流，也影响反应物浓度和沉积速率。压力降低通常有利于沉积速率和保形性，但可能需要更高的温度或更长的沉积时间。四、计算题(1)解：沉积速率v=10nm/min=10x10⁻⁷m/min=10⁻⁶m/min1小时=60分钟沉积面积A=1cm²=1x10⁻⁴m²沉积时间t=60min沉积体积V=Axvxt=(1x10⁻⁴m²)x(10⁻⁶m/min)x(60min)=6x10⁻⁶m³硅的密度ρ=2.33g/cm³=2.33x10³kg/m³硅的摩尔质量M=28.09g/mol=28.09x10⁻³kg/mol阿伏伽德罗常数N_A=6.022x10²³mol⁻¹沉积层质量m=ρxV=2.33x10³kg/m³x6x10⁻⁶m³=1.398x10⁻²kg=13.98g摩尔数n=m/M=13.98g/(28.09x10⁻³kg/mol)≈0.499mol假设转化率为100%，且气体体积不变，则每小时沉积1cm²所需硅烷摩尔数为0.499mol。(2)解：硅为密排六方结构，晶格常数a=0.543nm=0.543x10⁻⁹m晶胞体积V_cell=a³=(0.543x10⁻⁹m)³≈1.59x10⁻²⁸m³每个晶胞含4个硅原子晶粒尺寸d的估算方法为将沉积层体积除以晶胞体积，再乘以每个晶胞的硅原子数，最后开立方根。即d≈(V/(N_A*4*V_cell))^(1/3)V=6x10⁻⁶m³(同上)N_A=6.022x10²³mol⁻¹V_cell=1.59x10⁻²⁸m³(同上)d≈((6x10⁻⁶)/(6.022x10²³*4*1.59x10⁻²⁸))^(1/3)d≈((6x10⁻⁶)/(3.85x10⁻⁴))^(1/3)d≈(1.56x10⁻³)^(1/3)d≈1.16x10⁻¹m=0.116nm（注：此计算为理论最小尺寸估算，实际晶粒尺寸受生长条件影响更大。）五、论述题选择合适的化学气相沉积(CVD)方法对于获得特定性能薄膜至关重要。不同CVD方法在温度窗口、沉积速率、均匀性、保形性、薄膜纯度、晶相控制以及设备成本等方面存在显著差异，决定了其适用于不同需求。例如，高纯度薄膜（如半导体硅）的制备常选用硅烷TCVD或等离子体增强硅烷PECVD，后者可在较低温度下获得高纯度，并减少表面缺陷。超薄薄膜（如原子层沉积AlD）的制备则依赖ALD技术，其逐层沉积模式能精确控制厚度至原子级，并实现极佳的保形性，适用于复杂三维结构。特定晶相薄膜（如单晶外延层）的制备常选用MOCVD或MBE，这些方法能在精确控制的温度和气氛下生长高质量单