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E×B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1～10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，随膜厚的增大电阻率逐渐减小并趋于稳定值；

（2）薄膜电阻率始终大于金属箔片电阻率；

（3）薄膜电阻率的温度系数与膜厚有关；

（4）薄膜电阻率受时间或温度影响发生不可逆变化；

（5）薄膜电阻率与晶粒尺寸有关；

（6）薄膜霍耳系数与膜厚有关；

（7）薄膜热电势与膜厚有关；

（8）薄膜的磁阻与磁场有关。

薄膜物理复习题

薄膜物理复习题 电子科大版 编辑者——王岳【701舆狼共舞】 一、什么是真空？真空的区域划分，对应的真空范围，真空系统组成？ 1、所谓真空是指低于一个大气压的气体空间。同正常的大气压相比，是比较稀薄的气体状态。 2、A、粗真空：1*105~1*102Pa B、低真空：1*102~1*10-1Pa C、高真空：1*10-1~1*10-6Pa D、超高真空：<1*10-6Pa 3、典型的真空系统包括：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）以及必要的阀门、管道和其他附属设备。 二、什么是饱和蒸汽压？真空蒸度原理级包括的几个基本原理，蒸发源的类型？ 1、在一定温度下，真空室内蒸发物质的蒸汽与固体或液体平衡过程中所表现出的压力成为该物质的饱和蒸汽压。 2、（1）加热蒸发过程：包括由凝聚相转变为气相的相变过程。 （2）气化原子或分子在蒸发源与基片之间的运输，即这些粒子在环境气氛中的飞行过程。 （3）蒸发原子或分子在基片表面上的沉积过程，即是蒸气凝聚、成核、核生长、形成连续薄膜。 3、电阻蒸发源：对材料要求熔点要高、饱和蒸汽压低、化学性能稳定；在高温下不应与蒸发材料发生化学反应；具有良好的耐热性，热源变化时，功率密度变化较小。 电子束蒸发源：优点：可以使高熔点的材料蒸发，并且能有较高的蒸发速度；热量可以直接加到蒸度材料的表面，因而热效率高，热传导和热辐射的损失少；可以避免容器材料的蒸发，以及容器材料与蒸度材料之间的反应。 高频感应蒸发源：特点：蒸发速率大；蒸发源的温度均匀稳定，不易产生飞溅现象；蒸发材料是金属时，蒸发材料可产生热量，因此，坩埚可选用和蒸发材料反应最小的材料；温度容易控制，操作简单。 三、什么是溅射、外延生长？磁控溅射原理？ 1、所谓溅射是指核能粒子轰击固体表面，是固体原子或分子从表面射出的现象。 2、外延生长技术是指在一块半导体的单晶片上沿着单晶片结晶的轴方向生长一层所需要的薄单晶层。 3、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，Ar+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沉积在基片上形成薄膜。 四、离子镀原理，什么是离化率？与蒸发、溅射相比离子镀特点？ 1、在离子镀装置中，当真空室抽至10-1 Pa的高真空后，通入惰性气体，使真空度达到1~10-1Pa。接通高压电源，则在蒸发源与基片之间建立起一个低压气体放电的等离子区。由于基片处于负高压并被离子体包围、不断受到正离子轰击，因此可有效的清除基片表面的气体和污物，使成膜过程中膜层表面始终保持清洁状态。于此同时，镀材气化蒸发后，蒸发粒子进入等离子区，与等离子区中的正离子和被激活的惰性气体原子以及电子发生碰撞，其中一部分蒸发粒子被电离成正离子，正离子在负高压电场加速作用下，沉积到基片表面成膜。

薄膜物理与技术A卷答案

《薄膜物理与技术》A卷试题参考答案及评分细则 一、名词解释：（本题满分20分，每小题5分） 1、饱和蒸汽压 在一定温度下（1分），真空室内蒸发物质的蒸气与固体或液体平衡过程中（2分）所表现出的压力称为该物质的饱和蒸气压。（2分） 2、溅射 是指荷能粒子轰击固体物质表面（靶），（1分）并在碰撞过程中发生动能与动量的转移，（2分）从而将物质表面原子或分子激发出来的过程。（2分） 3、化学气相沉积 把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物的单质气体供给基片（2分），利用热、等离子体、紫外线、激光、微波等各种能源（2分），使气态物质经化学反应形成固态薄膜。（1分）。 4、外延生长 外延生长技术就是在一块半导体单晶片上（2分）沿着单晶片的结晶轴方向生长（2分）一层所需要的薄单晶层。（1分） 二、简答题：（本题满分80分） 1、什么叫真空？写出真空区域的划分及对应的真空度（10分） 答：真空是指低于一个大气压的气体空间。（2分） 对真空的划分： 1）粗真空：105－102Pa；（2分） 2）低真空：102－10-1Pa；（2分） 3）高真空：10-1－10-6Pa；（2分） 4）超高真空：＜10-6Pa。（2分） 2、什么是真空蒸发镀膜法？其基本过程有哪些？（10分） 答：真空蒸发镀膜法(简称真空蒸镀)是在真空室中，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（2分），形成蒸气流，入射到基片表面，凝结形成固态薄膜的方法。（2分）其基本过程包括： （1）加热蒸发过程。包括凝聚相转变为气相的相变过程。（2分） （2）输运过程，气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运。（2分） （3）蒸发原子或分子在基片表面的淀积过程，即使蒸气凝聚、成核、核生长、形成连续薄膜。（2分） 3、简述磁控溅射的工作原理。（10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，Ar＋在电场作用下加速飞向阴极靶，（2分）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。（2分） 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。（2分）

半导体薄膜材料分析

半導體薄膜材料分析 李文鴻 化學工程系 黎明技術學院 摘要 使用電子迴旋共振電漿化學氣相沉積法(electron cyclotron resonance plasma chemical vapor deposition, ECRCVD)以CH4/SiH4/Ar混合氣體於低溫下成長碳化矽薄膜為例，藉由穿透式電子顯微鏡(TEM)、X光繞射儀(XRD)、掃描式電子顯微鏡(SEM)、原子力顯微鏡(AFM)、傅立葉轉換紅外線光譜儀(FTIR)、X射線光電子能譜儀(XPS; ESCA)、歐傑電子能譜儀(AES)、拉塞福背向散射儀(RBS)、低能量電子繞射（LEED）、反射式高能量電子繞射(RHEED)、拉曼光譜儀（Raman）來研究碳化矽薄膜的微結構、表面型態及化學組成與沉積參數之間的關係，藉由二次離子質譜儀(SIMS)來研究沉積膜的雜質濃度分佈，利用光子激發光(PL)來量測發光波長範圍。 關鍵字：材料分析、電子迴旋共振電漿化學氣相沉積法、碳化矽薄膜 一、前言光電半導體產業的發展非常迅速，其中

積體電路製程技術的發展朝向尺寸微小化，目前已邁入0.13μm以下製程及邁向奈米的範疇，並朝多層薄膜的趨勢。然而新材料和製程的開發及其分析更是必須掌握的。本文將以跨世紀的接班材料-碳化矽(silicon carbide)為例，介紹材料之薄膜成長及其分析。 碳化矽為具有許多優異特性的電子材料，如寬能隙、高電子遷移率、高飽和飄移速度、高崩潰電壓、高操作溫度、高熱傳導度、化學惰性、高融點及高硬度【1】，並具耐熱震(thermal shock resistance)、抗高溫氧化、比矽低的介電常數等優點。由Johnson 之優值指標(評估元件在高功率及高頻下運作的指標)碳化矽(β-SiC)為矽之1137.8倍，及Keyes 之優值指標(評估元件在高速下運作的指標) 碳化矽(β-SiC)為矽之5.8倍【2】，故碳化矽元件能在高功率、高頻及高速下操作的特性，在光電元件的製造上，具極大之應用價值，且可用於微機電系統(microelectromechanical system；MEMS)元件之薄膜【3】、封裝材料及濾材之分離膜等【4】。在商業應用發展方面，Cree Research、日本三洋公司及信越半導體等的碳化矽藍光LED已商品化，Motorola將碳化矽應用於RF 及微波的高頻高功率元件，General Electric 應用於高功率及高溫元件之感測器，Westinghouse 應用於高頻MESFET元件等。可見碳化矽具多用途且具發展潛力，因此被諭為跨世紀的接班材料。 由於材料之製程會影響材料結構及性質進而影響其應用，因此本文將介紹碳化矽材

薄膜物理与技术

薄膜物理与技术 第一章 1、真空：低于一个大气压的气体空间。P1 2、真空度与压强的关系：真空度越低，压强越高。P1 3、1Torr = 1/760 atm =133.322Pa.（或1Pa=7.5×10-3Torr）P2 4、平均自由程：每个分子在连续两次碰撞之间的路程。P5 5、余弦定律：碰撞于固体表面的分子，它们飞离表面的方向与原入射方向无关，并按与表 面法线方向所成角度θ的余弦进行分布。P7 6、极限压强（或极限真空）：对于任何一个真空系统而言，都不可能得到绝对真空（p=0）， 而是具有一定的压强。P7 7、抽气速率：在规定压强下单位时间所抽出气体的体积，它决定抽真空所需要的时间。P7 8、机械泵的原理：利用机械力压缩和排除气体。P8 9、分子泵的工作原理：靠高速转动的转子碰撞气体分子并把它驱向排气口，由前级泵抽走， 而使被抽容器获得超高真空。P13 第二章 1、真空蒸发镀膜的三个基本过程：P17 （1）加热蒸发过程：…… （2）气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运：…… （3）蒸发原子或分子在基片表面上的淀积过程：…… 2、为什么真空蒸发镀膜的三个过程必须在空气非常稀薄的真空环境中进行？P18 答：如果不是真空环境，蒸发物原子或分子将与大量空气分子碰撞，使膜层受到严重污染，甚至形成氧化物；或者蒸发源被加热氧化烧毁；或者由于空气分子的碰撞阻挡，难以形成均匀连续的薄膜。 3、饱和蒸气压：在一定温度下，真空室内蒸发物质的蒸气与固体或液体平衡过程中所表现 出的压力。P18 4、蒸发温度：物质在饱和蒸气压为10-2托时的温度。P18 5、碰撞几率：。P23 6、点蒸发源：能够从各个方向蒸发等量材料的微小球状蒸发源。P25-27 计算：公式2-28、2-33 7、蒸发源与基板的相对位置配置P33 （1）点源与基板相对位置的配置：为了获得均匀膜厚，点源必须配置在基板所围成的球体中心。 （2）小平面源与基板相对位置的配置：当小平面源为球形工作架的一部分时，该小平面蒸发源蒸发时，在内球体表面上的膜厚分布是均匀的。 （3）大、小面积基板和蒸发源的配置。 8、对蒸发源材料的要求：①熔点要高；②饱和蒸气压低；③化学性能稳定，在高温下不应 与蒸发材料发生化学反应；④具有良好的耐热性，热源变化时，功率密度变化较小；⑤原料丰富，经济耐用。P35、37 9、表2-5 适合于各种元素的蒸发源（蒸发源材料）。P36 10、外延：在适当的衬底与合适条件下，沿衬底材料晶轴方向生长一层结晶结构完整的新单 晶层薄膜的方法。P46 11、同质外延：外延薄膜和衬底属于同一物质；异质外延：外延薄膜和衬底属于不同物质。

薄膜物理与技术题库完整

一、填空题 在离子镀膜成膜过程中，同时存在沉积和溅射作用，只有当前者超过后者时，才能发生薄膜的沉积 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，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。

薄膜物理与技术

第一章真空技术基础 1、膜的定义及分类。 答：当固体或液体的一维线性尺度远远小于它的其他二维尺度时，我们将这样的固体或液体称为膜。通常，膜可分为两类： （1）厚度大于1mm的膜，称为厚膜； （2）厚度小于1mm的膜，称为薄膜。 2、人类所接触的真空大体上可分为哪两种？ 答：（1）宇宙空间所存在的真空，称之为“自然真空”；（2）人们用真空泵抽调容器中的气体所获得的真空，称之为“人为真空”。 3、何为真空、绝对真空及相对真空？ 答：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。完全没有气体的空间状态称为绝对真空。目前，即使采用最先进的真空制备手段所能达到的最低压强下，每立方厘米体积中仍有几百个气体分子。因此，平时我们所说的真空均指相对真空状态。 4、毫米汞柱和托？ 答：“毫米汞柱（mmHg）”是人类使用最早、最广泛的压强单位，它是通过直接度量长度来获得真空的大小。1958 年，为了纪念托里拆利，用“托（Torr）”，代替了毫米汞柱。1 托就是指在标准状态下，1 毫米汞柱对单位面积上的压力，表示为1Torr=1mmHg。 5、真空区域是如何划分的？ 答：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，把真空划分为以下几个区域：（1）粗真空：l′105 ~ l′102 Pa，（2）低真空：l′102 ~ 1′10-1Pa，（3）高真空：l′10-1 ~ 1′10-6Pa和（4）超高真空：< 1′10-6Pa。 6、真空各区域的气体分子运动规律。 答：（1）粗真空下，气态空间近似为大气状态，分子仍以热运动为主，分子之间碰撞十分频繁；（2）低真空是气体分子的流动逐渐从黏滞流状态向分子状态过渡，气体分子间和分子和器壁间的碰撞次数差不多；（3）高真空时，气体分子的流动已为分子流，气体分子和容器壁之间的碰撞为主，而且碰撞次数大大减少，在高真空下蒸发的材料，其粒子将沿直线飞行；（4）在超高真空时，气体的分子数目更少，几乎不存在分子间的碰撞，分子和器壁的碰撞机会也更少了。 7、何为气体的吸附现象？可分几类、各有何特点？ 答：气体吸附就是固体表面捕获气体分子的现象，吸附分为物理吸附和化学吸附。 （1）物理吸附没有选择性，任何气体在固体表面均可发生，主要靠分子间的相互吸引力引起的。物理吸附的气体容易发生脱附，而且这种吸附只在低温下有效；（2）化学吸附则发生在较高的温度下，和化学反应相似，气体不易脱附，但只有当气体中的原子和固体表面原子接触并形成化合键时才能产生吸附作用。 8、何为气体的脱附现象？ 答：气体的脱附是气体吸附的逆过程。通常把吸附在固体表面的气体分子从固体表面被释放出来的过程叫做气体的脱附。 9、何为电吸收和化学清除现象？ 答：电吸收是指气体分子经电离后形成正离子，正离子具有比中性气体分子更强的化学活泼性，因此常常和固体分子形成物理或化学吸附；化学清除现象常在活泼金属（如钡、铁等）固体材料的真空蒸发时出现，这些蒸发的固体材料将和非惰性气体分子生成化合物，从而产生化学吸附。 10、影响气体在固体表面吸附和脱附的主要因素

薄膜物理学 课程教学大纲

薄膜物理与技术课程教学大纲 一、课程说明 （一）课程名称、所属专业、课程性质、学分； 课程名称：薄膜物理与技术 所属专业：电子器件与材料工程 课程性质：必修课 学分：3 （二）课程简介、目标与任务； 本课程讲授薄膜的形成机制和原理、薄膜结构和缺陷、薄膜各项物理性能和分析方法等物理内容；讲授薄膜各种制备技术。通过本课程学习，使学生具备从事电子薄膜、光学薄膜、以及各种功能薄膜研究与开发的能力 （三）先修课程要求，与先修课与后续相关课程之间的逻辑关系和内容衔接； 《量子力学》、《热力学与统计物理》、《固体物理》、《电子技术》、《电路分析》等。 （四）教材与主要参考书。 教材：杨邦朝，王文生. 《薄膜物理与技术》，成都：电子科技大学出版社，1994 主要参考书：1.陈国平.《薄膜物理与技术》，东南大学出版社，1993 2.田民波，薄膜技术与薄膜材料，清华大学出版社，2006-8 二、课程内容与安排 本课程全部为课堂讲授。重点：真空的获得和真空测量的工作原理；物理气相沉积和化学气相沉积的原理及方法；薄膜生长的机理。 难点：磁控溅射的机理及控制；MOCVD技术；薄膜形成过程的机理 （一）绪论2学时 1、薄膜的概念和历史 2、薄膜材料与薄膜技术的发展 3、薄膜科学是边缘交叉学科 4、薄膜产业是腾飞的高科技产业

（二）真空技术基础2学时 1、真空的基本知识 2、真空的获得 3、真空的测量 （三）真空蒸发镀膜4学时 1、真空蒸发原理 2、蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 3、蒸发源的类型 4、合金及化合物的蒸发 5、膜厚和淀积速率的测量与控制 （四）溅射镀膜4学时 1、溅射镀膜的特点 2、溅射的基本原理 3、溅射镀膜类型 4、溅射镀膜的厚度均匀性 （五）离子镀膜2学时 1、离子镀原理 2、离子镀的特点 3、离子轰击的作用 4、离子镀的类型 （六）化学气相沉积镀膜4学时 1、化学气相沉积的基本原理 2、化学气相沉积的特点 3、化学气相沉积方法简介 4、低压化学气相沉积 5、等离子体化学气相沉积 6、其他化学气相沉积 （七）溶液镀膜法2学时 1、化学反应沉积 2、阳极氧化法

薄膜材料与技术

薄膜技术在能源材料中的应用——薄膜太 阳能电池 一概述 能源和环境是二十一世纪面临的两个重大问题，据专家估算，以现在的能源消耗速度，可开采的石油资源将在几十年后耗尽，煤炭资源也只能供应人类使用约200年。太阳能电池作为可再生无污染能源，能很好地同时解决能源和环境两大难题，具有很广阔的发展前景。照射到地球上的太阳能非常巨大，大约40 min照射到地球上的太阳能就足以满足全球人类一年的能量需求。因此，制备低成本高光电转换效率的太阳能电池不仅具有广阔的前景，而且也是时代所需。 太阳能电池行业是21世纪的朝阳行业，发展前景十分广阔。在电池行业中，最没有污染、市场空间最大的应该是太阳能电池，太阳能电池的研究与开发越来越受到世界各国的广泛重视。 太阳能电池种类繁多，主要有硅太阳能电池、聚光太阳能电池、无机化合物薄膜太阳能电池、有机薄膜太阳能电池、纳米晶薄膜太阳能电池和叠层太阳能电池等几大类[1]。 二薄膜太阳能电池。 1、薄膜硅太阳能电池 薄膜硅太阳能电池(硅膜厚约50μm)的出现，相对晶体硅太阳能电池，所用的硅材料大幅度减少，很大程度上降低了晶体硅太阳能电池的成本。薄膜硅太阳能电池主要有非晶硅(a—Si)、微晶硅(μc—Si)和多晶硅(p-Si)薄膜太阳能电池，前两者有光致衰退效应，其中μc—Si薄膜太阳能电池光致衰退效应相对较弱但μc-Si薄膜沉积速率低(仅1.2 nm/s) ，光致衰退效应致使其性能不稳定，发展受到一定的限制，而后者则无光致衰退效应问题，因此是硅系太阳能电池

的发展方向[1]。 太阳能电池是制约太阳能发电产业发展的瓶颈技术之一。目前主要的研究工作集中在新材料、新工艺、新设计等方面，其目的是为了提高电池转换效率和降低电池制造成本。制造太阳能电池的材料主要有单晶硅、多晶硅、非晶硅以及其他新型化合物半导体材料，其中非晶硅属直接转换型半导体，光吸收率大，易于制成厚度0．5微米以下、面积l平方米以上的薄膜，并且容易与其他 原子结合制成对近红外高吸收的非晶硅锗集层光电池，这是目前的主攻方向之一；另一种是非晶硅和多晶硅混合薄膜材料，它转换率高、用材省，是新世纪最有前途的薄膜电池之一。 2、无机化合物薄膜太阳能电池 选用的无机化合物主要有CdTe，CdS，GaAs，CulnSe2(CIS)等，其中CdTe的禁带宽度为1．45 eV(最佳产生光伏响应的禁带宽度为1．5 eV)，是一个理想的半导体材料，截止2004年，CdTe电池光电转化效率最高为16．5％；CdS的禁带宽度约为2．42 eV，是一种良好的太阳能电池窗口层材料，可与CdTe、SnS和CIS等形成异质结太阳能电池；GaAs的禁带宽度为1．43 eV，光吸收系数很高，GaAs单结太阳电池的理论光电转化效率为27％，目前GaA/Ge单结太阳电池最高光电转换效率超过20％，生产水平的光电转换效率已经达到19～20％，其与GalnP组成的双节、三节和多节太阳能电池有很大的发展前景；CIS薄膜太阳能电池实验室最高光电转化效率已达19．5％，在聚光条件下(14个太阳光强)，光电转化效率达到21．5％，组件产品的光电转化效率已经超过13％；CIS 薄膜用Ga部分取代In，就形成Culn1-x Ga x Se2 (简称CIGS)四元化合物，其薄膜的禁带宽度在1．04～1．7 eV范围内可调，这为太阳能电池最佳禁带宽度的优化提供了机会，同时开发了两种新的材料，用Ga完全取代In形成CuGaSe2，用S完全取代Se形成CulnS2，以备In、Se资源不足时可以采用。但是，Cd和As是有毒元素，In和Se是稀有元素，严重地制约着无机化合物薄膜太阳能电池的大规模生

薄膜物理与技术复习资料

第一章 最可几速率：根据麦克斯韦速率分布规律，可以从理论上推得分子速率在m v 处有极大值，m v 称为最可几速率 M RT M RT m kT 41.122==,Vm 速度分布 平均速度: M RT m RT m kT 59.188==ππ，分子运动平均距离 均方根速度:M RT M RT m kT 73.133==平均动能 真空的划分：粗真空、低真空、高真空、超高真空。 真空计：利用低压强气体的热传导和压强有关； (热偶真空计) 利用气体分子电离；（电离真空计） 真空泵：机械泵、扩散泵、分子泵、罗茨泵 机械泵：利用机械力压缩和排除气体 扩散泵：利用被抽气体向蒸气流扩散的想象来实现排气作用 分子泵：前级泵利用动量传输把排气口的气体分子带走获得真空。 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；其统计平均值成为平均自由程。 常用压强单位的换算 1Torr=133.322 Pa 1 Pa=7.5×10-3 Torr 1 mba=100Pa 1atm=1.013*100000Pa 真空区域的划分、真空计、各种真空泵 粗真空 1×105 to 1×102 Pa 低真空 1×102 to 1×10-1 Pa 高真空 1×10-1 to 1×10-6 Pa 超高真空 <1×10-6 Pa 旋转式机械真空泵 油扩散泵 复合分子泵 属于气体传输泵，即通过气体吸入并排出真空泵从而达到排气的目的 分子筛吸附泵 钛升华泵 溅射离子泵 低温泵 属于气体捕获泵，即通过各种吸气材料特有的吸气作用将被抽气体吸除，以达到所需真空。 不需要油作为介质，又称为无油泵 绝对真空计： U 型压力计、压缩式真空计 相对真空计：

薄膜材料与薄膜技术复习资料

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 粗真空，低真空，高真空，超高真空四个区域。 2.在高真空真空条件下，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旋转式机械真空泵，油扩散泵和复合分子泵。 4.真空计种类很多，通常按测量原理可分为绝对真空计和相对真空计。 5.气体的吸附现象可分为物理吸附和化学吸附。 6.化学气相反应沉积的反应器的设计类型可分为常压式，低压式，热壁 式和冷壁式。 7.电镀方法只适用于在导电的基片上沉积金属和合金，薄膜材料在电解液中是以 正离子的形式存在。制备有序单分子膜的方法是LB技术。 8.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化学镀。 9.物理气相沉积过程的三个阶段：从材料源中发射出粒子，粒子运输到基片和粒子 在基片上凝聚、成核、长大、成膜。 10.溅射过程中所选择的工作区域是异常辉光放电，基板常处于负辉光区，阴极 和基板之间的距离至少应是克鲁克斯暗区宽度的3-4倍。 11.磁控溅射具有两大特点是可以在较低压强下得到较高的沉积率和可以在较低 基片温度下获得高质量薄膜。 12.在离子镀成膜过程中，同时存在吸附和脱附作用，只有当前者超 过后者时，才能发生薄膜的沉积。 13.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。 14.原子聚集理论中最小稳定核的结合能是以原子对结合能为最小单位不连续变化 的。 15.薄膜成核生长阶段的高聚集来源于：高的沉积温度、气相原子的高的动能、 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。 16.薄膜生长的三种模式有岛状、层状、层状-岛状。 17.在薄膜中存在的四种典型的缺陷为：点缺陷、位错、晶界和 层错。 18.列举四种薄膜组分分析的方法：X射线衍射法、电子衍射法、扫描电子 显微镜分析法和俄歇电子能谱法。 19.红外吸收是由引起偶极矩变化的分子振动产生的，而拉曼散射则是由引起极化率 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，红外吸收不敏感，拉曼散射敏感；相反，对于具有反对称中心的分子振动，红外吸收敏感而拉曼散射不敏感。对于对称性高的分子振动，拉曼散射敏感。 20.拉曼光谱和红外吸收光谱是测量薄膜样品中分子振动的振动谱，前者 是散射光谱，而后者是吸收光谱。 21.表征溅射特性的主要参数有溅射阈值、溅射产额、溅射粒子的速度和能 量等。 什么叫真空？写出真空区域的划分及对应的真空度。 真空，一种不存在任何物质的空间状态，是一种物理现象。粗真空 105～102Pa 粘滞流，分子间碰撞为主低真空 102～10-1 Pa 过渡流高真空 102～10-1 Pa分子流，气体分子与器壁碰撞为主超高真空 10-5～10-8 Pa气体在固体表面吸附滞留为主极高真空 10-8 Pa 以下

薄膜材料技术复习题090526

1.薄膜定义：按照一定需要，利用特殊的制备技术，在基体表面形成厚度为亚微米至微米级的膜层。这种二维伸展的薄膜具有特殊的成分、结构和尺寸效应而使其获得三维材料所没有的特性，同时又很节约材料，所以非常重要。通常是把膜层无基片而能独立成形的厚度作为薄膜厚度的一个大致的标准，规定其厚度约在1μm左右。 2.一些表面定义： 1)理想表面：沿着三维晶体相互平行的两个面切开，得到的表面，除了原子 平移对称性破坏，与体内相同。 2)清洁表面：没有外界杂质。 3)弛豫表面：表面原子因受力不均向内收缩或向外膨胀。 4)重构表面：表面原子在与表面平行的方向上的周期也发生变化，不同于晶 体内部原子排列的二维对称性（再构）。 5)实际表面：存在外来原子或分子。 3. 薄膜的形成的物理过程 驰豫 重构驰豫+重构? ? ? ? ? 驰豫：表面向下收缩，表面层原子与内层原子 结构缺陷间距比内层原子相互之间有所减小。 重构：在平行表面方向上原子重排。

①小岛阶段——成核和核长大，透射电镜观察到大小一致(2-3nm)的核突然出现.平行基片平面的两维大于垂直方向的第三维。说明：核生长以吸附单体在基片表面的扩散，不是由于气相原子的直接接触。 ②结合阶段——两个圆形核结合时间小于0.1s,并且结合后增大了高度，减少了在基片所占的总面积。而新出现的基片面积上会发生二次成核，复结合后的复合岛若有足够时间，可形成晶体形状，多为六角形。核结合时的传质机理是体扩散和表面扩散（以表面扩散为主）以便表面能降低。 ③沟道阶段——圆形的岛在进一步结合处，才继续发生大的变形→岛被拉长，从而连接成网状结构的薄膜，在这种结构中遍布不规则的窄长沟道，其宽度约为5-20nm ，沟道内发生三次成核，其结合效应是消除表面曲率区，以使生成的总表面能为最小。 ④连续薄膜——小岛结合，岛的取向会发生显著的变化，并有些再结晶的现象。沟道内二次或三次成核并结合，以及网状结构生长→连续薄膜。 4. 薄膜的附着类型及影响薄膜附着力的工艺因素 ???????????????????????（在新面积处）稳定核（在捕获区）单体的吸附形成小原子团临界核临界核（在非捕获区）大岛大岛连合沟道薄膜小岛 二次成核二、三次成核二、三次成核 连续薄膜（在沟道和孔洞处）三次成核

半导体薄膜技术与物理复习

第一章真空技术 1、真空的定义：真空是指在给定的空间内压力低于一个大气压的稀薄气体状态。 2、真空度：通常用压强为单位来描述“真空”状态下的气体稀薄程度——真空度。（压强高则真空度低，压强低则真空度高） 3、真空度单位： 毫米汞柱（mmHg）托（Torr）帕斯卡（Pa）巴（bar） 单位之间的换算：1 Pa =1 牛顿/米2=1 千克/米*秒2=10 达因/cm2=0.0075 Torr 4、真空不同分区的特点：在气压高于10 Torr 的真空范围区域，气体性质和常压，气流特性也以分子间的碰撞为主;当压力渐渐减小，分子密度降低，平均自由程增加，分子间的碰撞开始减少；当达到高真空区域，真空特性以气体分子和真空器壁的碰撞为主；在超高真空区，气体分子在空间活动减少，而以在固体表面上吸附停留为主。 5、常用的真空泵：机械运动——机械泵、涡轮分子泵 蒸气流喷射——扩散泵 化学吸附——吸气剂泵：升华泵 吸气剂离子泵：溅射离子泵 6、一般机械泵的极限真空度为0.1Pa, 可以在大气中与大气相连工作。 7、扩散泵使用注意事项： A.扩散泵不能单独工作，一定要用机械泵作为前级泵，并使系统抽到0.1Pa 量级时才能启动扩散泵。

B.泵体要竖直，按规定量加油和选用加热电炉功率。 C.牢记先通冷却水，后加热。结束时则应先停止加热，冷却一段时间后才能关闭。 8、常用真空计：热电偶真空计、电阻真空计、热阴极电离真空计、冷阴极电离真空计、电容薄膜真空计、压缩式真快计、压敏真空计（记住常用的三种即可以了）。 9、真空系统的质量：指系统真空度的好坏，特别是系统内所含水蒸气与油污染的程度。 10、真空镀膜的过程（大致了解见书18面） 11、要保持较高真空度需要： A、减少蒸发分子与残余气体分子的碰撞； B、抑制它们之间的反应，减少对衬底表面的污染。 第二章蒸发技术 1、物理气相沉积：指在一定的真空条件下，利用热蒸发或辉光放电或弧光放电等物理过程使材料沉积在衬底上的薄膜制备技术。 2、真空蒸发镀膜法（简称蒸镀）：指将固体材料置于高真空环境中加热，使之升华或蒸发并沉积在特定衬底上以获得薄膜的工艺方法。 3、真空蒸发所得到的薄膜，一般都是多晶膜或无定形膜，薄膜以岛状生长为主，历经成核和成膜两个过程。 4、真空蒸发多晶薄膜的结构和性质，与蒸发速度、衬底温度有密切关系。 5、饱和蒸气压：指在一定温度下，真空室中蒸发材料的蒸气在与固体或液体平衡过程中所表现出的压力就为该温度下的饱和蒸气压。

薄膜物理与技术基本概念常识大全1

薄膜物理基础知识大全 第一章： 最可几速度： 平均速度： 均方根速度： 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；其统计平均值成为平 均自由程。 常用压强单位的换算 1Torr=133.322 Pa 1 Pa=7.5×10-3 Torr 1 mba=100Pa 1atm=1.013*100000Pa 真空区域的划分、真空计、各种真空泵 粗真空 1×105 to 1×102 Pa 低真空 1×102 to 1×10-1 Pa 高真空 1×10-1 to 1×10-6 Pa 超高真空 <1×10-6 Pa 旋转式机械真空泵 油扩散泵 复合分子泵 属于气体传输泵，即通过气体吸入并排出真空泵从而达到排气的目的 分子筛吸附泵 钛升华泵 溅射离子泵 低温泵 属于气体捕获泵，即通过各种吸气材料特有的吸气作用将被抽气体吸除，以达到所需真空。 不需要油作为介质，又称为无油泵 绝对真空计： U 型压力计、压缩式真空计 相对真空计： 放电真空计、热传导真空计、电离真空计 机械泵、扩散泵、分子泵的工作原理，真空计的工作原理 第二章： 1. 什么是饱和蒸气压、蒸发温度？ 在一定温度下，真空室内蒸发物质的蒸气与固体或液体平衡过程中所表现出来的压力 规定物质在饱和蒸气压为10-2Torr 时的温度 2. 克-克方程及其意义？ 3. 蒸发速率、温度变化对其影响？ 根据气体分子运动论，在气体压力为P 时，单位时间内碰撞单位面积器壁上的M RT M RT m kT v a 59.188===ππM RT M RT m kT v r 73.133===P kT 22πσλ=()s g v v V V T H dT dP -=RT H C P v v -=ln M RT M RT m kT v m 41.122===

薄膜物理试题B卷试题答案

2008春季学期 薄膜物理 试题B 卷试题 答案 一、填空题 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 1. 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 薄膜的方法。 2．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。 3．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。 4. 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。 5．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。 三、回答下列问题 1、描述气体分子从表面的反射－余弦定律及其意义？ 碰撞于固体表面的分子，它们飞离表面的方向与原入射方向无关，并按与表面法线方向所成角度θ的余弦进行分布。则一个分子在离开其表面时，处于立体角d ω(与表面法线成θ角)中的几率是： 式中1/π是归一化条件，即位于2π立体角中的几率为1而出现的余弦定律的重要意义在于： (1) 它揭示了固体表面对气体分子作用的另一个方面，即将分子原有的方向性彻底“消除”，均按余弦定律散射 (2) 分子在固体表面要停留一定的时间，这是气体分子能够与固体进行能量交换和动量交换的先决条件，这一点有重要的实际意义 θπωcos ?=d dp

第六章 新型半导体薄膜材料

第六章
新型半导体薄膜材料
本章主要介绍硅基非晶半导体薄膜材料的结 构特点、制备方法、光学和电学特性以及这 些材料的研究现状。同时还将介绍微晶Si薄 膜和多晶Si薄膜的结构特点、制备方法及其 应用。在应用方面，将重点介绍高效率、长 寿命、低价格、大面积非晶硅（a-Si:H）太 阳能电池的工作原理及发展现状。

概 述
? 新型半导体薄膜材料的研究与发展，主要 是以研究和发展非晶态半导体薄膜材料制 备与器件应用最为活跃，已成为材料学科 的一个重要组成部分 ? 随着非晶态半导体在科学和技术上的飞速 发展，它已在高新技术领域中得到广泛应 用，并正在形成一类新兴产业。

例如，用高效、大面积非晶硅（a-Si:H）薄 膜太阳电池制作的发电站已并网发电（它是 无任何污染的绿色电源）；用a-Si薄膜晶体 管制成的大屏幕液晶显示器和平面显像电视 机已作为商品出售；非晶硅电致发光器件和 高记录速度大容量光盘等。也正在向实际应 用和商业化方向发展。 大量事实说明，研究非晶态半导体薄膜材料 的意义不仅在于技术上能够产生新材料、新 器件和新工艺，而且对于认识固体理论中的 许多基本问题也会产生深远的影响。

硅基非晶态半导体薄膜
“非晶”固体或“无定形”（Amorphous）固 体是一种不具有晶体结构的固体。通常“非晶” 或“无定形”是同义词。但是，严格说来，所 谓“非晶”就是指那些不结晶的物质。液体等 也包括在内。所谓“无定形”是指“玻璃态”的 物质。“玻璃”这一术语多半是指将熔化状态 的物质通过冷急法冻结成的固体。

薄膜物理考试知识点

薄膜是生长在基片之上，厚度在亚微米以下，具有一定功能的材料。 薄膜特点：1、薄膜材料属于介观范畴，具有量子尺寸效应；2薄膜表面积与体积之比很大，表面能级很大，对膜内电子输运影响很大；3薄膜界面态复杂，力学因素和电学因素交相作用，内应力和量子隧穿效应同时存在，对薄膜生长和微结构影响巨大；4异常结构和非理想化学计量比特性明显；5可实行多层膜复合，如超晶格。 制备薄膜为什么需要真空环境?a. 非真空，蒸汽分子不能沿直线运动，不易成膜 b. 非真空，成膜物质与空气中活性分子反应，形成化合物。即生成另外物质，如A l膜氧化成Al2O3 .c. 非真空，蒸发器（加热器）极易损坏，加热器采用W.M。Ta等难熔金属，但由于吸气效应产生脆性（氢脆），另外由于生成化合物易损坏。d. 非真空，残余气体分子将进入膜层－形成缺陷影响膜质量－形成化合物e. 非真空，影响靶材料气化f.非真空，改变基片表面状态，影响薄膜生长。真空是指压强低于一个大气压的气体状态。薄膜制备技术中获得真空的手段都是减少气体分子数量飞离方向与入射方向无关，非弹性碰撞；有能量和动量交换，可能停留在固体表面。主要排气手段：1）低真空阶段以机械泵为主（旋转、气体压缩）2）中、高真空阶段以扩散泵/分子泵为主。机械泵由于极限压强较高，常用做前级泵(预抽泵)。分子泵：无油，洁净，启动快，抽速大，运行平稳。 真空蒸发镀膜法：原理，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，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。真空蒸发镀膜法的优缺点：优点：是设备比较简单、操作容易；制成的薄膜纯度高、质量好，厚度可较准确控制；成膜速率快、效率高，用掩膜可以获得清晰图形；薄膜的生长机理比较单纯。缺点：不容易获得结晶结构的薄膜，所形成薄膜在基板上的附着力较小，工艺重复性不够好等。一定温度下，真空室内蒸发物质的蒸气与固体或液体平衡过程中所表现的压力称为该物质的饱和蒸气压。一定的饱和蒸气压必定对应一定的物质的温度。饱和蒸汽压表征了物质的蒸发能力。真空蒸发镀膜过程中，能否在基板上获得均匀膜厚，是制膜的关键问题。基板上不同蒸发位置的膜厚，取决于蒸发源的蒸发（或发射）特性、基板与蒸发源的几何形状、相对位置以及蒸发物质的蒸发量。通常对蒸发源材料的要求是：(1)熔点要高。(2)饱和蒸气压低。防止或减少在高温下蒸发源材料会随蒸发材料蒸发而成为杂质进入蒸镀膜层中。(3)化学性能稳定，在高温下不应与蒸发材料发生化学反应。各种物质蒸发时采用蒸发源见表2-5所示。(4) 具有良好的耐热性。热源变化时，功率密度变化较小； (5)原料丰富，经济耐用。高温熔化的蒸镀材料在蒸发源上有扩展倾向时，可以认为是容易湿润的；如果在蒸发源上有凝聚而接近于形成球形的倾向时，就可以认为是难于湿润的。电子束加热原理与特点：基于电子在电场作用下，获得动能轰击到处于阳极的蒸发材料上，使蒸发材料加热气化，而实现蒸发镀膜。特别适合制作高熔点薄膜材料和高纯薄膜材料。淀积速率和膜厚是最重要的薄膜淀积参数。理想的薄膜厚度是指基片表面和薄膜表面之间的距离，膜厚既是一个宏观概念，又是微观上的实体线度，膜厚的定义应根据测量的方法和目的来决定。 溅射镀膜：“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。整个溅射过程都是建立在辉光放电的基础之上，即溅射离子都来源于气体放电。辉光放电是溅射的基础。辉光放电是在真空度约为10～1Pa的稀薄气体中，两个电极之间加上电压时产生的一种放电现象。与真空蒸发镀膜相比，溅射镀膜有如下的优点：（1）任何物质均可以溅射，尤其是高熔点、低蒸气压元素和化合物。（2）溅射膜与基板之间的附着性好。（3）溅射镀膜密度高，针孔少，且膜层的纯度较高。（4）膜层可控性和重复性好。缺点：（1）溅射设备复杂、需要高压装置；（2）溅射淀积的成膜速度低，真空蒸镀淀积速率为0.1～5μm/min，而溅射速率为0.01～0.5μm/min；（3）基板温升较高和易受杂质气体影响。电流的增大与电压无关，只与阴极板上产生辉光的表面积有关。特点：电流增大时，两放电极板间电压升高，且阴极电压的大小与电流密度和气体压强有关。与溅射现象有关的重要问题主要有两个：a.在克鲁克暗区周围所形成的正离子冲击阴极；b.当两极间的电压不变而改变两极间的距离时，主要发生变化的是由等离子体构成的阳极光柱部分的长度,而从阴极到负辉光区的距离是几乎不改变的。一般的溅射法：使由辉光放电产生的正离子撞击阴极，把阴极原子溅射出来。阴极与阳极之间的距离，至少必须比阴极与负辉光区之间的距离要长。表征溅射特性的参量主要有溅射阀值(主要取决于靶材料，与离子质量无明显依赖关系 )、溅射率(与入射离子种类、能量、角度及靶材的类型、晶格结构、表面状态、升华热大小等因素有关，单晶靶材还与表面取向有关）以及溅射粒子的速度和能量等。溅射原子的能量与靶材料、入射离子的种类和能量以及溅射原子的方向性有关。溅射过程包括靶的溅射、逸出粒子的形态、溅射粒子向基片的迁移和在基板上成膜的过程。欲降低残余气体压力，提高薄膜的纯度，可采取提高本底真空度和增加送氩量这两项有效措施。基片温度直接影响膜层的生长及特性。磁控溅射（高速、低温，利用电磁场的正交），离子束溅射（高真空时，纯度较高、基片的温升低、重复性较好、多层膜、用途广） 离子镀膜：离子镀简称IP。它是在真空条件下，应用气体放电实现镀膜，即在真空室中使气体或被蒸发物质电离，在气体离子或被蒸发物质离子的轰击下，同时将蒸发物或其反应产物蒸镀在基片上。是在真空蒸发和真空溅射技术基础上发展起来的一种

薄膜物理与技术-考试重点

薄膜物理与技术-考试重点

1．真空环境的划分：①低真空（> 102Pa）；②中真空（102—10-1Pa）；③高真空（10-1—10-5Pa）；④超高真空（< 10-5Pa） 真空蒸发沉积：高真空和超高真空（<10-3 Pa）溅射沉积：中、高真空（10-2—10Pa） 低压化学气相沉积：中、低真空（10—100Pa）电子显微分析：高真空 材料表面分析：超高真空 2．为了获得高真空蒸发系统，通常采用旋片式机械泵和涡轮分子泵两级真空泵联用，其中与真空室直接相连的是涡轮分子泵。 真空泵的原理和适用范围： ①旋片式机械真空泵（输运式真空泵）：依靠安置在偏心转子中的可以滑进滑出的旋片将气体隔离、压缩，然后排出泵体之外。 >10-1Pa ②涡轮分子泵（输运式真空泵）：高速旋转的叶片将动量传给气体分子，并使其向特定方向运动。10-8—1Pa 溅射离子泵（捕获式真空泵）：高压下电离的气体分子撞击Ti阴极，溅射出大量活性很高的Ti原子，以吸附或化学反应的形式捕获大

核心的数目。 化学气相淀积：利用气态先驱反应物，通过原子、分子间化学反应的途径生成固态薄膜。物理气相淀积：利用某种物理过程，实现物质原子从源物质到薄膜的可控转移的过程。 阴影效应：蒸发的物质被障碍物阻挡而不能沉积到衬底上。 溅射：离子轰击物质表面，并在碰撞过程中发生能量与动量的转移，将物质表面原子激发出来的过程。 溅射法：将被电场加速后具有一定动能的离子引向靶电极，与靶表面原子碰撞使之溅射出来，溅射原子能够沿一定方向射向衬底并沉积下来。 等离子体鞘层：等离子体相对器壁会呈正电性，在等离子体和壁之间的非电中性薄层称为鞘层。 弹性碰撞：参加碰撞的粒子的总动能和总动量保持不变，并且不存在粒子内能的变化。 溅射产额：被溅射出来的原子数与入射离子数之比。（衡量溅射过程效率的参数） 靶材的中毒：随着活性气体压力的增加，靶材