薄膜物理与技术复习大全 (西电版)
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?
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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
薄膜的附着类型
①简单附着：薄膜和基片间形成一个很清楚的分界面，薄膜与基片间的结合力为范
德华力
②扩散附着—由两个固体间相互扩散或溶解而导致在薄膜和基片间形成一个渐变界
面。实现扩散方法：基片加热法、离子注入法、离子轰击法、电场吸引法。
③通过中间层附着—在薄膜与基片之间形成一个化合物而附着，该化合物多为薄膜材料与基片材料
④通过宏观效应—机械锁合双电层吸引
5. 真空相关
?真空是指低于一个大气压的气体空间。常用“真空度”度量。真空度越高，压强越小。
?常用计量单位：Pa, Torr, mmHg, bar, atm.。关系如下：
?1mmHg=133.322Pa,
?1 Torr=atm/760=133.322Pa≈1mmHg
?1 bar=105Pa
●粗真空：1×105～1×102Pa 目的获得压力差。电容器生产中的真空侵渍工艺
●低真空：1×102～1×10-1Pa 真空热处理。
●高真空：1×10-1～1×10-6Pa 真空蒸发。
●超高真空：<1×10-6Pa 得到纯净的气体；获得纯净的固体表面。
6. 物理气相沉积PVD（Physics Vapor Deposition，主要是在真空环境下利用各种物理手段或
方法沉积薄膜。
1)需要使用固态的或熔化态的物质作为沉积过程的源物质；
2)源物质要经过物理过程进入气相；
3)需要相对较低的气体压力环境；
4)在气相中及衬底表面不发生化学反应。
蒸发定义：当温度升高时，材料会经历典型的固相，液相到气相的变化。任何温度下，材料上面都存在蒸气，具有平衡蒸气压。材料温度低于熔化温度时，产生蒸气的过程称为升华；样品熔化时，产生蒸气的过程称为蒸发。在微电子工艺中，蒸发较为广义，包括一切蒸气产生的过程。
对环境的要求：超真空，<1mTorr
对材料的要求：具有合适的蒸气压，得到合适的淀积速率，>10mTorr
影响因素：
解决办法：
使用高纯物质作为蒸发源；改善装置；改善真空条件，提高物质的蒸发以及薄膜沉积速度。
7. MOCVD
概念：利用金属有机物的热分解进行化学气相沉积制备薄膜的CVD方法。
特点：近十几年发展发展起来的一种新的表面气相沉积技术，它一般使用金属有机化合物和氢化物作为原料气体，进行热解化学气相沉积。
制备范围：在较低温度下沉积各种无机材料，如金属氧化物、氢化物、碳化物、氟化物及化合物半导体材料和单晶外延膜、多晶膜和非晶态膜，已成功应用于制备超晶格结构、超高速器件和量子阱激光器。
8.离子镀：IP (Ion plating），同时结合蒸发和溅射的特点，让靶材原子蒸发电离后与气体离子一起受电场的加速，而在基片上沉积薄膜的技术。
离子镀特点：
1)具有蒸发镀膜和溅射镀膜的特点
2)膜层的附着力强。
3)绕射性好，可镀复杂表面。
4)沉积速率高、成膜速度快、可镀厚膜。
5)可镀材料广泛，有利于化合物膜层的形成。
9. 溶液镀膜法：是在溶液中利用化学反应或电化学反应等化学方法在基板表面沉积薄膜的一种技术，常称为湿法镀膜。
1)化学镀
2)溶胶—凝胶法
3)阳极氧化法
4)LB法
5)电镀法
10. 溶胶-凝胶法特点
优点：
1)起始原料是分子级的能制备较均匀的材料
2)较高的纯度
3)组成成分较好控制，尤其适合制备多组分材料
4)可降低程序中的温度
6)可以控制孔隙度
7)容易制备各种形状
缺点
1)原料成本较高
2)存在残留小孔洞
3)存在残留的碳
4)较长的反应时间
5)有机溶剂对人体有一定的危害性
11. 什么叫LB法？
郎缪尔-布罗格特(Langmuir-Blodett)30年代提出的。可形成定向排列的有机单分子层或多分子层。以同时具有亲水基团和疏水基团的有机分子为原料，利用分子亲水端与亲水端相吸，疏水端与疏水端相吸，使有机分子逐次转移到固体基板上，形成单层或多层薄膜。
12. Why thin films?
1)薄膜所用原料少，容易大面积化，而且可以曲面加工。(研究和使用成本) 例：金箔、饰
品、太阳能电池，GaN，SiC，Diamond
2)新的效应: 某一维度很小、比表面积大. 例：限域效应、表面和界面效应、耦合效应，
隧穿效应、极化效应
3)可以获得体态下不存在的非平衡和非化学计量比结构。Diamond: 工业合成, 2000℃，5.5
万大气压, CVD生长薄膜:常压，800度.MgxZn1-xO: 体相中Mg的平衡固溶度为0.04, PLD 法生长的薄膜中，x可0~1.
a)Si1-xNx:H
4)容易实现多层膜,相互作用与功能集成
13. 薄膜的分类
1)从功能上分：
电学薄膜，光学薄膜，磁性薄膜，保护膜，装饰用膜、包装膜……
2)从结构上分：
无机薄膜，有机分子膜，单晶薄膜，多晶薄膜，非晶薄膜，多孔膜……
14. 外延生长【epitaxial growth】
在单晶衬底（基片）上生长一层有一定要求的、与衬底晶向相同的一薄层单晶层的方法。外延生长的最终目的是：沉积一层缺陷少，且可控制厚度及掺入杂质的单晶薄膜
①按照衬底和外延层的化学成分不同，可分为同质外延和异质外延；
②按照反应机理可分为利用化学反应的外延生长和利用物理反应的外延生长；
③按生长过程中的相变方式可分为气相外延、液相外延和固相外延等。
16. PVD和CVD两种工艺的对比
同PVD工艺相比，CVD的最大优势就是良好的阶梯覆盖性能，同时具有便于制备复合产物、不需高真空和淀积速率高等优点。CVD技术在19世纪60年代被引入半导体材料制备并快速发展。随PECVD，HDPCVD和MOCVD等技术的出现，CVD在集成电路制造中广泛应用于多晶硅、绝缘介质和金属薄膜的制备。
I.工艺温度高低是CVD和PVD之间的主要区别。温度对于高速钢镀膜具有重大意义。CVD
法的工艺温度超过了高速钢的回火温度，用CVD法镀制的高速钢工件，必须进行镀膜后的真空热处理，以恢复硬度。镀后热处理会产生不容许的变形。
II.CVD工艺对进人反应器工件的清洁要求比PVD工艺低一些，因为工件表面的一些脏东西很容易在高温下烧掉。此外，高温下得到的镀层结合强度要更好些。
III.CVD镀层往往比各种PVD镀层略厚一些，前者厚度在7.5μm左右，后者通常不到2.5μm厚。CVD镀层的表面略比基体的表面粗糙些。相反，PVD镀膜如实地反映材料的表面，不用研磨就具有很好的金属光泽，这在装饰镀膜方面十分重要。
IV.CVD反应发生在低真空的气态环境中，具有很好的绕镀性，所以密封在CVD反应器中的所有工件，除去支承点之外，全部表面都能完全镀好，甚至深孔、内壁也可镀上。相对而论，所有的PVD技术由于气压较低，绕镀性较差，因此工件背面和侧面的镀制效果不理想。PVD的反应器必须减少装载密度以避免形成阴影，而且装卡、固定比较复杂。在PVD反应器中，通常工件要不停地转动，并且有时还需要边转边往复运动。
V.在CVD工艺过程中，要严格控制工艺条件，否则，系统中的反应气体或反应产物的腐蚀作用会使基体脆化。
VI.比较CVD和PVD这两种工艺的成本比较困难，有人认为最初的设备投资PVD是CVD的3一4倍，而PVD工艺的生产周期是CVD的1/10。在CVD的一个操作循环中，可以对各式各样的工件进行处理，而PVD就受到很大限制。综合比较可以看出，在两种工艺都可用的范围内，采用PVD要比CVD代价高。
VII.最后一个比较因素是操作运行安全问题。PVD是一种完全没有污染的工序，有人称它为“绿色工程”。而CVD的反应气体、反应尾气都可能具有一定的腐蚀性，可燃性及毒性，反应尾气中还可能有粉末状以及碎片状的物质，因此对设备、环境、操作人员都必须采取一定的措施加以防
17. CVD特点
①在中温或高温下，通过气态的初始化合物之间的气相化学反应而沉积固体；需要使用固态的或熔化态的物质作为沉积过程的源物质。
②可以在大气压（常压）或者低于大气压（低压）下进行沉积。一般说低压效果要好一些；
③采用等离子和激光辅助技术可以显著地促进化学反应，使沉积可在较低的温度下进行；
④能有效控制薄膜的化学成分和厚度，均匀性和重复性好；镀层的化学成分可改变，从而获得梯度沉积物或得到混和镀层；
⑤可以控制镀层的密度和纯度；
⑥绕镀性好，可在复杂形状的基体上以及颗粒材料上镀制；
⑦气流条件通常是层流的，在基体表面形成厚的边界层；
⑧沉积层通常具有柱状晶结构，不耐歪曲。但通过各种技术对化学反应进行气相扰动，可以得到细晶粒的等轴沉积层；
⑨台阶覆盖能力最好，对衬底损伤最小，可以形成多种金属、合金、陶瓷和化合物层。
⑩设备和运转成本低，与其它相关工艺有较好的相容性；
18. 溅射
是一个离子轰击物质表面，并在碰撞过程中发生能量与动量的转移，从而最终将物质表面原子激发出来的复杂过程。
溅射具有良好的台阶覆盖能力是由于：
有较高的压力和较高的淀积原子的入射能量。进行衬底加热，增强表面扩散，可以更显著的改善台阶覆盖。
19. 等离子体
部分电子被剥夺后的原子或原子电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，它是除去固、液、气外，物质存在的第四态。等离子体是一种很好的导电体，利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。
等离子体可分为两种：高温和低温等离子体。高温等离子体只有在温度足够高时发生的。低温等离子体是在常温下发生的等离子体（虽然电子的温度很高）。低温等离子体可以被用于氧化等表面处理或者在有机物和无机物上进行沉淀涂层处理。广泛运用于多种生产领域。例如：等离子电视，电脑芯片中的蚀刻运用等。
等离子体的驱动——射频放电
高密度等离子体——high density Plasmas（HDP)
在反应器中引入磁场和/或电场，增加电子在等离子体中的行程，使电子和原子之间的碰撞频率增加，从而增加等离子体中基和离子的密度，实现高密度等离子体。
1．简述薄膜的形成过程。
薄膜：在被称为衬底或基片的固体支持物表面上，通过物理过程、化学过程或电化学过程使单个原子、分子或离子逐个凝聚而成的固体物质。主要包括三个过程：（1）产生适当的原子、分子或离子的粒子；（2）通过煤质输运到衬底上；（3）粒子直接或通过化学或电化学反应而凝聚在衬底上面形成固体沉淀物，此过程又可以分为四个阶段：（1）核化和小岛阶段；（2）合并阶段；（3）沟道阶段；（4）连续薄膜
2．图2为溅射镀膜的原理示意图，试结合图叙述溅射镀膜的基本过程，并介绍常用的溅射镀膜的方法和特点。
图 2 溅射镀膜的原理示意图
过程：该装置是由一对阴极和阳极组成的冷阴极辉光放电结构。被溅射靶（阴极）和成膜的基片及其固定架（阳极）构成溅射装置的两个极，阳极上接上1-3KV的直流负高压，阳极通常接地。
工作时通常用机械泵和扩散泵组将真空室抽到 6.65*10-3Pa，通入氩气，使真空室压力维持在（1.33-4）*10-1Pa,而后逐渐关闭主阀，使真空室内达到溅射电压，即10-1-10Pa，接通电源，阳极耙上的负高压在两极间产生辉光放电并建立起一个等离子区，其中带正电的氩离子在阴极附近的阳极电位降的作用下，加速轰击阴极靶，使靶物质由表面被溅射出，并以分子或原子状态沉积在基体表面，形成靶材料的薄膜。
将欲沉积的材料制成板材——靶,固定在阴极上。基片置于正对靶面的阳极上,距靶几厘米。系统抽至高真空后充入10～1帕的气体（通常为氩气），在阴极和阳极间加几千伏电压，两极间即产生辉光放电。放电产生的正离子在电场作用下飞向阴极，与靶表面原子碰撞，受碰撞从靶面逸出的靶原子称为溅射原子,其能量在1至几十电子伏范围。溅射原子在基片表面沉积成膜
直流阴极溅射镀膜法：特点是设备简单，在大面积的基片或材料上可以制取均匀的薄膜，放电电流
加之真空度不良，致使膜中混入的杂质气体也多，从而影响膜的质量。
高频溅射镀膜法：利用高频电磁辐射来维持低气压的辉光放电。阴极安置在紧贴介质靶材的后面，把高频电压加在靶子上，这样，在一个周期内正离子和电子可以交替地轰击靶子，从而实现溅射介质材料的目的。这种方法可以采用任何材料的靶，在任何基板上沉积任何薄膜。若采用磁控源，还可以实现高速溅射沉积。
磁控溅射镀膜法：磁控溅射的特点是电场和磁场的方向互相垂直，它有效的克服了阴极溅射速率低和电子使基片温度升高的致命弱点，具有高速、低温、低损伤等优点，易于连续制作大面积膜层，便于实现自动化和大批量生产，高速指沉积速率快；低温和低损伤是指基片的温升低，对膜层的损伤小。此外还具有一般溅射的优点，如沉积的膜层均匀致密，针孔少，纯度高，附着力强，应用的靶材广，可进行反应溅射，可制取成分稳定的合金膜等。工作压力范围广，操作电压低也是其显著特点。
反应溅射镀膜法：在阴极溅射的惰性气体中，人为的掺入反应气体，可以制取反应物膜。
非对称交流溅射和偏压溅射镀膜法：特点是可以减少溅射镀膜过程中阴极溅射膜中的混入气体。
3．图3为一个PECVD的反应室结构图，试叙述其工作原理和特点
图3 PECVD的反应室结构图
原理：图中是一种平行板结构装置。衬底放在具有温控装置的下面平板上，压强通常保持在133Pa 左右，射频电压加在上下平行板之间，于是在上下平板间就会出现电容耦合式的气体放电，并产生等离子体。利用等离子体的活性来促进反应，使化学反应能在较低温度下进行，这种方法称为等离子体强化气相沉积（PECVD），是一种高频辉光放电物理过程和化学反应相结合的技术。在高温真空压力下，加在电极板上的射频RF电场，使反应室气体产生辉光放电，在辉光放电区域产生大量的电子。这些电子在电场的作用下获得充足的能量，其本身温度很高，它与气体分子相碰撞，负气体分子活化，它们吸附在衬底上，并发生化学反应天生介质膜，副产物从衬底上解析，随主流由真空抽走。
特点：1、PECVD需要增加一个能产生等离子体的高频源。2、采用PECVD可以显著降低沉积时的基体温度，并具有沉积速率快、成膜质量好、针孔少、不易龟裂等优点。3、但等离子体的轰击会使沉积表面产生缺陷，同时等离子体中产生的多种反应物质使反应复杂化，因此会使薄膜的质量下降；4、另外设备投资大、成本高，对气体的纯度要求高；5、涂层过程中产生的剧烈噪音、强光辐射、有害气体、金属蒸汽粉尘等对人体有害；6、对小孔孔径内表面难以涂层等。
4．试叙述LPCVD的原理、特点和典型应用
LPCVD原理是用加热的方式在低压条件下使气态化合物在基片表面反应并淀积形成稳定固体薄膜。由于工作压力低，气体分子的品滚自由程和扩散系数大，故可采用密集装片方式来提高生产效率，并在衬底表面获得均匀性良好的薄膜淀积层。LPCVD用于淀积Poly-Si、Si3N4、SiO2、磷硅玻璃、硼磷硅玻璃、非晶硅及难溶金属硅化物等多种薄膜。广泛应用于半导体集成电路、电力电子、光电子及MEMS 等行业的生产工艺中。
5．简述分子束外延（MBE）的结构、原理和应用。
结构：MBE主要由分子束源、基片支架、四极质谱仪、反射高能电子衍射装置、俄歇电子谱仪、二次离子分析仪构成。
原理：分子束外延（MBE）是新发展起来的外延制膜法，它是将真空蒸发镀膜加以改进和提高而形成的新的成膜技术。在超高真空环境中，通过薄膜诸组分元素的分子束流，直接喷到温度适宜的衬底表面上，在合适条件下就能淀积除所需的外延层。其系统包括一个沉积腔室，室内维持在10-10托的低压，在腔室中有一个或多个小格室（称为反射格：effusion cells），内含圆晶上所欲沉积的高纯度材料（靶材），发射格前有快门（shutter）以使圆晶能暴露于原料蒸汽；将电子束导引至靶材中央，靶材被加热而融化
MBE是一种将原子一个一个的在衬底上进行沉积的方法，因此它通常与CVD外延和真空蒸发镀膜相比，有以下几个典型特点：
（1）MBE虽然也是一个以气体分子论为基础的蒸发过程，但它并不以蒸发温度为监控参数，而是用系统中的四极质朴仪和原子吸收光谱等现代分析仪器，精密的监控分子束的种类和强度，从而严格的控制生长过程和生长速率。
（2）MBE是一个超高真空的淀积过程，既不需要考虑中间的化学反应，又不受质量传输的影响，并且利用开闭挡板来实现对生长和中断的瞬间控制。因此，膜的组分和掺杂浓度可随着源的变化而迅速调整。
（3）MBE的显著特点之一是生长速率低，MBE使微细加工在结构上的分辩能力高于CVD和LPE。
（4）在获得单晶薄膜的技术中，MBE的衬底温度低，因此有利于减少自掺杂。
（5）由于衬底和分子束源分开，所以可以随时观察生长面的外貌，有利于科学研究。
（6）MBE能有效的利用平面技术，用它制成的肖特基势垒特性达到或超过CVD和LPE制作的特性。
应用：MBE的突出优点在于能生长极薄的单晶膜层，并且能精确的控制膜厚和组分与掺杂。适于制作微波、光电和多层结构器件，从而为制作集成光学和超大规模集成电路提供了有力手段。
6．如图4为绝缘体薄膜在导电方面较有意义的金属-绝缘体-金属结构，试分析该种结构下的绝缘体薄膜的导电机理。
图4 金属-绝缘体-金属结构
答：如图所示，两块金属被绝缘体隔开，形成一个电容器，两金属端为电极，绝缘体为电介质薄膜。当电极两端分别加上正负电荷时，在两电极间形成电场，在电场作用下，电介质薄膜内的正负电荷中心相对移动从而出现电距现象，完成电场的传播。在直流电路中，该结构相当于断路。在交流电路中，因为电流的方向是随时间成成一定的函数关系变化的。而电容器充放电的过程是有时间的，这个时候，在极板间形成的电场也是随时间变化的函数，从而使得电流痛过场的形式在电容器间通过，完成在交流电下的导电。
原理：压电材料是基于压电效应的原理工作的，在晶体中，当在某一特定方向对晶体施加应力时，在于应力垂直方向两端表面出现数量相等、符号相反的束缚电荷，这一现象成为“正压电效应”,作用力相反时，表面电荷符号相反，点和密度与外加作用力大小成正比；同时，当一块具有压电效应的晶体处于外电场中，由于晶体的电极化造成的正负电荷中心位移，导致晶体形变，型变量与电场大小成正比，这是逆压电效应。具有压电效应的薄膜称为压电薄膜。
制备：压电薄膜的制备主要有气相沉积法，其中包括物理气相沉积法(PVD)和化学气相沉积法（cvd ），有时也用溶胶-凝胶法（sol-gel ）、等离子喷涂法、热氧化法和阳极氧化法制备。
8． 试阐述一种常用电介质薄膜的制备方法及其应用 氧化物电介质薄膜2o s i 的制备方法：氧化物电介质薄膜在集成电路和其他薄膜器件中有着广泛的
应用，
2o s i 薄膜材料可以用电子束蒸发镀膜法、溅射度魔法、反应溅射镀膜法等方法制备外，还经常
用单晶表面氧化的方法来生长这种薄膜，这是一种反应扩散过程，在硅单晶表面形成连续氧化层后，氧化剂通过氧化层扩散到氧化层/硅界面，和硅反应生成新的氧化层，使
2o s i 厚度不断增大。2o s i 薄膜
的氧化生长是平面工艺的基础，氧化法主要有三种：1、阳极氧化（室温）2、等离子体阳极氧化（200-800度）3、热氧化（700-1250度）。
氧化物电介质薄膜的应用：1、用作电容器介质2、用作隔离和掩膜层3、用作表面钝化膜4、集成电路多层布线绝缘膜
9． 试阐述一种常用金属薄膜的制备方法及其应用
制备金属薄膜最常用的方法是双喷电解抛光法。
此装置主要由三部分组成：电解冷却与循环部分，电解抛光减薄部分以及观察样品部分。图２为双喷电解抛光装置示意图。
（l ）电解冷却与循环部分
通过耐酸泵把低温电解液经喷嘴打在样品表面。低温循环电解减薄，不使样品因过热而氧化；同时又可得到表面平滑而光亮的薄膜，见图２中(1)及(2)。
（2）电解抛光减薄部分。
电解液由泵打出后，通过相对的两个铂阴极玻璃嘴喷到样品表面。喷嘴口径为１mm ，样品放在聚四氟乙烯制作的夹具上（见图３）。样品通过直径为0.5mm 的铂丝与不锈钢阳极之间保持电接触，调节
（3）观察样品部分
电解抛光时一根光导纤维管把外部光源传送到样品的一个侧面。当样品刚一穿孔时，透过样品的光通过在样品另一侧的光导纤维管传到外面的光电管，切断电解抛光射流，并发出报警声响。
图２双喷电解抛光装置原理示意图图3 样品夹具
(1)冷却设备；(2)泵、电解液；(3)喷嘴
(4)试样；(5)样品架；(6)光导纤维管
喷射法电流一电压曲线最后制成的薄膜
应用：金属薄膜开关，金属化薄膜电容，装饰材料，包装。
10．阐述GaAs薄膜作为光电发射材料的原理、结构和应用
原理：GaAs光电阴极是建立在W.E.Spicer的光电发射三步模型[2]理论基础上的，根据该理论，如果阴极材料表面的真空能级低于其体内的导带底能级，即材料的有效电子亲和势小于零，则由光照激发产生的光电子只要能从阴极体内运行到表面，就可以轻而易举地发射到真空，而无需过剩的动能去克服材料表面的势垒，这样光电子的逸出深度和几率都将大大增加，发射效率将会大幅度提高。所以后来发
射效率的GaAs 光电阴极。
应用：GaAs 光电阴极作为一种负电子亲和势(Negative Electron Affinity ，NEA)光电阴极，具有
量子效率高，暗发射小，发射电子的能量分布及角分布集
中，长波阈可调，长波响应扩展潜力大等优点，它在光电倍增管、摄像管、半导体器件、超晶格功能器件、高能物理、表面物理，特别是微光夜视技术等领域得到了广泛的应用。
结构：NEA 光电阴极分反射式和透射式两种。反射式NEA 光电阴极对厚度没有严格要求，其结构也比较简单，如图1.1为其结构示意图，反射式阴极中，GaAs 是最常用的基底，因为这种材料的量子效率高，暗电流小，光谱响应在一个相当宽的范围内比较平坦。透射式NEA 光电阴极的结构较复杂，如图1.2为其结构示意图。首先，它要有一个透明的衬底，起支撑和加固的作用，通常用的衬底层有蓝宝石、白宝石、尖晶石、GaP 、GaAs 和玻璃等。为了实现晶格匹配，通常在发射层与衬底层之间加入一缓冲层，它的晶格常数和发射层相近，这样晶格失配就被移到了衬底层/缓冲层界面，常作缓冲层的材料有GaAlAs 、GaAsP 、InGaP 等。
11． 简述透明导电膜（TCO ）的原理、制备及其在电子工业方面的应用
原理：TCO 透明导电薄膜是一种N 型氧化物半导体，化学名称是氧化烟锡，它的工作原理是，当金属原子与氧原子键结时，倾向于失去电子而成阳离子，而在金属氧化物中，具有0
10
1-ns d n )(（n ≥4，n 为主量子数）电子组态的金属阳离子，其S 轨域会做等向性的扩展，如果晶体中有某种锁状结构，能让这些阳离子相当靠近，是他们的S 轨域重叠，便可形成传导路径，再加上可移动的载子，便具有导电性了。
制备：在玻璃基片上制备透明导电薄膜的方法主要有1、喷雾法2、侵渍法3、化学气相沉积法4、溅射法 在塑料基片上制备主要是真空蒸渡法。
图1.2透射式NEA 光电阴极的结构
图1.1 反射式NEA 光电阴极的结构
电池、显示材料、热反射、光记录、磁记录、防静电等很多领域中发挥着重要的作用。
12．结合图5述超二代和三代像增强器的工作原理和各自特点
图5 超二代和三代像增强器的结构图
超二代像增强器：利用多碱NaKaSbCs（纳钾锑铯）光电阴极作为光电转换原件，在光电阴极、MCP 和荧光屏之间分别加有一定的高压电场，多碱阴极输出的光电子输入给微通道板MCP，微通道板具有二次电子特性，可以对输入的一次电子进行多次倍增，产生电子雪崩效应，这样在MCP输出端产生更多的电子，这些电子最终轰击到荧光屏上产生图像。
超二代特点：超二代管是在二代管的基础上，通过提高光阴极的林敏度（灵敏度由300-400UA/LM 提高到600Ua/lm）,减小微通道板噪声因数，提高输出信噪比（改进微通道板的性能）和改善整管的MTF，使鉴别率和输出信噪比接近三代管的水平。
三代像增强器：利用具有负电子亲和势特性的砷化镓GaAs光电阴极作为光电转换原件，在光电阴极、MCP和荧光屏之间分别加有一定的高压电场，工作原理和超二代的类似，只是微通道板工作状态下产生的正离子反馈，在三代像增强器中造成的严重后果，就是造成砷化镓光阴极灵敏度迅速衰减。三代像增强器为此在微通道板的输入面上增加一层一定厚度的多孔状氧化铝或氧化硅的离子阻挡膜以彻底阻绝电离气体分子的离子反馈，来保证砷化镓光阴极足够的工作寿命并使成像质量得到改善。
三代特点：三代管内的真空度比二代管内的真空度高，达10-9Pa这就要求三代管管壳零件的放气速率很低，因此对零件表面要求很高；在光电阴极和MCP间嫁了一个离子反馈膜用来阻挡MCP中电离气体的离子反馈，保证光电阴极足够的工作寿命并使成像质量得到改善，可同时起到光谱变换和图像增强的作用，量子效率高、光谱响应宽、使用寿命长。
第一章真空技术基础
真空：指低于一个大气压的气体状态。
托(Torr) =1/760atm = 133.322Pa
1、粗真空：105－102Pa
特性和大气差异不大，目的为获得压力差，不要求改变空间性质，真空浸渍工艺
2、低真空：102－10-1Pa 1016~1013个/cm3
动力学性质明显，粘滞流状态→分子流状态，对流消失，气体导电，真空热处理，
真空冷冻脱水
3、高真空：10-1－10-6Pa 1013~1010个/cm3
气体分子自由程大于容器线度，直线飞行，热传导和内摩擦性质与压强无关，蒸镀
4、超高真空：＜10-6Pa
分子间碰撞极少，主要用途：得到纯净的气体，获得纯净的固体表面
真空的获得：真空系统包括真空室、真空泵、真空计以及必要的管道、阀门和其他附属设备。
真空的测量
热偶真空计：是利用低气压强下气体的热传导与压强有关的原理制成的真空计。
散热与气体压强相关
加热丝的温度与气体压强相关用热偶测量加热丝的温度 压强
20 ～10-3Torr
热阻真空计：散热与气体压强相关加热丝的温度与气体压强相关
加热丝的电阻与温度相关用平衡电桥测量加热丝的电阻 压强
电离真空计：是利用气体分子电离的原理来测量真空度。
电离真空计用于高真空的测量热丝发射热电子
热电子加速并电离气体，离子被离子收集极收集形成电流
电流与压强成正比
1 x 10-9 Torr to 10-11 Torr
第二章真空蒸发镀膜法
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，形成蒸气流，入射到基片表面，凝结形成固态薄膜的方法。
基本过程：
（1）加热蒸发过程，凝聚相→气相
该阶段的主要作用因素：饱和蒸气压
该阶段的主要作用因素：分子的平均自由程（工作气压），源—基距
（3）基片表面的淀积过程，气相→固相
凝聚→成核→核生长→连续薄膜
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称为该物质的饱和蒸气压。物质的饱和蒸气压随温度的上升而增大。
蒸发温度：饱和蒸气压为10-2Torr时的温度。
蒸发源的加热方式：电阻加热法电子束加热法高频感应加热
激光加热P 35
外延：是在适当的衬底与合适的条件下，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。有液相外延法、气相外延法、分子束外延法。
分子束外延镀膜法(MBE）：
用途：主要用来制造单晶半导体化合物薄膜
原理：在超高真空条件下，将薄膜诸组分元素的分子束流，直接喷到衬底表面，从而在其上形成外延层的技术。
第三章溅射镀膜
溅射：是荷能粒子轰击固体物质表面，并在碰撞过程中发生动能与动量的转移，从而将物质表面原子或分子激发出来的过程。
辉光放电：是指在低气压（1～10Pa）的稀薄气体中，在两个电极间加上电压时产生的一种气体放电现象。
磁控溅射
第四章离子镀膜
离子镀英文全称为Ion Plating 简称IP，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。
离子镀原理
离子镀的作用过程如下:蒸发源接阳极，衬底接阴极，当通以三至五千伏高压直流电以后，蒸发源与工件之间产生辉光放电。由于真空罩内充有惰性氩气，在放电电场作用下部分氩气被电离，从而在阴极衬底周围形成一等离子暗区。带正电荷的氩离子受阴极负高压的吸引，猛烈地轰击衬底表面，致使衬底表层粒子和脏物被轰溅抛出，从而使衬底待镀表面得到了充分的离子轰击清洗。随后，接通蒸发源交流电源，蒸发粒子熔化蒸发，进入辉光放电区并被电离。带正电荷的蒸发料离子，在阴极吸引下，随同氩
固粘附于衬底表面的镀层。这就是离子镀的简单作用过程。
化学气相沉积（CVD）
定义：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，利用热、等离子体、紫外线、激光、微波等各种能源，使气态物质经化学反应形成固态薄膜。它的反应物是气体，生成物之一是固体。
金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD）定义：利用金属有机化合物热分解反应进行气相外延生长薄膜的CVD 技术。
含有化合物半导体元素的原料化合物必须满足以下条件：
1、在常温下较稳定且容易处理。
2、反应的副产物不应妨碍晶体生长，不应污染生长层.
3、为适应气相生长，在室温附近应具有适当的蒸气压.
第六章
溶胶-凝胶（Sol-Gel）技术
Sol-gel工艺原理采用金属醇盐或其它盐类作为原料，通常溶解在醇、醚等有机溶剂中形成均匀溶液（solution），该溶液经过水解和缩聚反应形成溶胶（sol），进一步聚合反应实现溶胶-凝胶转变形成凝胶（gel），再经过热处理脱除溶剂和水，最后形成薄膜。
Sol-gel法对原料的要求：
1、在溶剂中的溶解度高，一般不用水溶液
2、有少量水参与时应易水解。
3、水解后形成的薄膜应不溶解，生成的挥发物易从镀件表面去除。
4、水解所生成的各种氧化物薄膜能在较低温度下进行充分脱水。
5、薄膜与基板表面有良好的附着力。
第七章薄膜的形成
凝结过程
薄膜的形成一般分为凝结过程、核形成与生长过程、岛形成与结合生长过程。
凝结过程是从蒸发源中被蒸发的气相原子、离子或分子入射到基体表面之后，从气相到吸附相，再到凝结相的一个相变过程。
从蒸发源入射到基体表面的气相原子到达基片表面之后可能发生的现象：1、与基体表面原子进行能量交换被吸附
2、吸附后气相原子仍有较大的解吸能，在基体表面作短暂停留后再解吸蒸发
3、与基体表面不进行能量交换，入射到基体表面上立即反射回去。
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。
薄膜物理与技术基本概念常识大全
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分子数量，即碰撞分子流 量（通量或蒸发速率）J ： 蒸发源温度微小变化就可以引起蒸发速率的很大变化 4. 平均自由程与碰撞几率的概念。 蒸发分子在两次碰撞之间所飞行的平均距离 M RT M RT m kT v m 41.122=== 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
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）
薄膜物理与技术课程教学大纲
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
薄膜光学知识点
薄膜光学： 1. 整部薄膜光学的物理依据就是光的干涉。（托马斯 杨干涉实验） 2. 列举常用的光学薄膜 镀膜镜片，牛顿环，滤光片、反射镜，ITO 膜，幕墙玻璃，红外膜，DWDM 、光纤薄膜器件，电致变色膜。 3. 利用薄膜可以实现的功能 减少反射，提高透射率；提高反射率；提高信噪比；保护探测器不被激光破坏；重要票据的防伪等等。总之能列出多少光的用途就能列出多少光学薄膜的用途。 提高光学效率，减少杂光。如高效减反射膜，高反射膜。实现光束的调整和再分配。如分束膜，分色膜，偏振分光膜。通过波长的选择性提高系统信噪比。如窄带及带通滤光片、长波通、短波通滤光片。实现某些特定功能。如ITO 透明导电膜，保护膜等。 4. 一束入射角为0θ的光入射到厚度为d1、折射率为n1的薄膜上产生的相位差为： 111024cos /n d δπθλ=；双光束强度为： 221212122cos2R R R r r rr δδ=+±=+± 详细计算过程：
5. 单层膜的多光束干涉计算：（薄膜光学2PPT 中P26-29）
6. 电磁场间的关系：() 111H N k E =? 光学导纳：H N N r E = ?，这是的另一种表达式 称为光学导纳 7. 光在两种材料界面上的反射：0101 cos ,cos N p r s N ηηθηηηθ ?--?==? +-*??光：光：
01010101R ηηηηηηηη* ????--=? ? ?++???? 8. 掌握单层膜的特征矩阵公式：薄膜光学3 PPT 中P 15-21 11 1211 1sin cos 1sin cos i B C i δδηηηδδ? ???????=???????????? B C ?? ???? 称为膜系的特征矩阵 C Y B = 单层膜的反射系数和反射率为： 000000,Y Y Y r R Y Y Y ηηηηηη* ????---==? ? ?+++???? 9. 掌握多层膜的特征矩阵公式：薄膜光学3 PPT 中P 26-29
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：
材料物理复习题
1. 简述物理气相沉积薄膜的物理过程 一般，单个气相原子的动能（22 1 mv E k = ）大于基体中一个原子的动能（kT 23 ），若发生碰撞，入射原子能快速交出多余的能量，则易被吸附。吸附过程包括物理吸附和化学吸附，物理吸附依靠德华力，作用围约为0.4nm ；化学吸附依靠吸附原子和基体表面原子间形成的化学键，作用围小（0.1~0.3nm ），吸附能较大，解吸较前者困难。单个气相原子吸附在基体上后，由几个被吸附的单个原子相互结合形成各种大小不一的小原子团（凝结相），小原子团长大为晶核，晶核继续长大，形成不连续薄膜，进而得到连续薄膜。 2. 简述: 临界核概念; 微滴理论; 原子理论; 表面结构驰豫和重构 ①要形成薄膜，需有特殊的小原子团产生，这种小原子团不分解出单原子或双原子等，是稳定的，称为稳定核。临界核比最小稳定核少一个原子，由薄膜材料和基片种类决定。 ②将吸附在基片表面的原子团视为微小的凝聚滴（如图），由热力学理论知，形成这个微滴时总自由能的变化为：?G=a 3r 3g v +a 1r 2σ0+a 2r 2σ1-a 2r 2σ2 只有 r >r*→ ?G ↓→才稳定 v v v d G a r g a r a r a r dr a a a r a g a a a G a g σσσσσσσσσ23102122102122310212222 3 32220234 27** ?=++-=-+-∴= +-?=3 （） 微滴的临界半径（） 总自由能变化最大值
在基片单位表面上吸附的原子数（原子密度）为： 成核速率为 当原子数>100个以上的微滴，其表面能和自由能可以用块状材料的相应数值。 ③当小于100个以下，甚至几个原子的微滴时，需用原子理论。 成核速率∝临界核密度×每个核的捕获围×吸附原子向临界核的总速度 由统计理论，临界核密度: s v v v v a r a r G r r f G r f g G f r g r d G r G f dr g πθπθπθπθθθ πσπθσπθπθσσπθσ2 1222232 20 033203 002cos 2cos sin sin 23cos cos 4()4 4 ()3 1 ()3 20, 16()/3**=?==?=-+∴?= =?=∴?=+?=?=-?=假设微滴为球帽形 （1-）面积（1-） 面积（）=4形成该微滴后，体系总的自由能变化 4（） v g 2 f G θθσσθσθσσσσσ2010()00cos 0*==??==+=∴↑≥?22201 当时，完全润湿，，即形成稳定核无需克服能量位垒，由，可知，则最大。 基片表面上有台阶、微裂缝等，有助于（+）促进成核p P R R E kT v τ0 1 ( )exp(/)==1n x P P I n An v I Zn An v Z E E G v I Zn a R r v kT πθ111 000 (2sin )exp() **** ∝?=---∴=-2 比例系数，约为10微滴的表面能和体积的自由能变化用块材数值不？ ()()10100111101000exp /i 0exp /exp /基片单位面积上的吸附点数 基片单位面积上吸附的单原子密度临界核的结合能 -临界核中的原子数目 不计入吸附能的单原子位能. 令，则：（）i i i i i i i i i i n n n E iE kT n n n E E n n E n n E iE kT n E kT n n * *????=- ?????----??????==-= ? ??? ????
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。
薄膜物理考试常见问题
1.薄膜物理主要讨论对象是什么？有哪些特性？ 2.真空如何定义？如何测量？有哪些单位制？如何换算？为什么要 划分真空区域？其依据是什么？关键参数如何定义？各个真空区域的气体分子的物理运动特征如何？ 3.真空泵可分为哪两大类？简述各类包括的常用真空泵类型及其工 作压强范围。分析说明实用的真空抽气系统为什么往往需要多种真空组成复合抽气系统。 4.什么是吸附和脱附？其主要机制和影响因素有哪些？ 5.图示说明阳极氧化生长薄膜的基本步骤，分析为什么阳极氧化需 要高的极间电压且薄膜生长厚度存在极限。 6.什么是物理气相沉积（PVD）？举例说明PVD的主要过程。选择 三种典型的离化PVD技术，比较其镀膜原理和特点。 7.真空蒸发装置一般包括哪三个组成部分？选择三种典型蒸发装 置，比较其原理、特点和适用领域。 8.画出直流辉光放电的伏安特性曲线，解释说明放电区域的划分、 以及不同放电阶段的放电现象和伏安特性变化特征，最后解释溅射镀膜工作区域的选择及理由。 9.选择三种典型溅射装置，比较其镀膜原理、工艺特点和适用领域。 10.与蒸发法相比，溅射镀膜主要有哪些优点和缺点？溅射装置可以 按哪些特性分为哪些类别？图示说明磁控溅射的实现原理和主要技术优势。 11.图示说明薄膜的初期形成过程一般分为哪几个阶段、各阶段的主
要现象如何？ 12.简述薄膜的主要生长模式如何分类，以及每类生长模式各自的出 现条件和特点。 13.根据新相自发形核理论，简述薄膜临界核心面密度n* 的主要影 响因素及各自的影响规律，并解释说明要获得均匀平整薄膜沉积的基本条件和实现途径。 14.根据薄膜非自发形核理论，简述非自发形核率(dN/dt) 的主要影 响因素，并解释说明吸附气体原子的脱附激活能、扩散激活能和临界形核势垒对其影响规律和内在机制。 15.根据薄膜非自发形核理论，简要说明为什么高温低速沉积往往获 得粗大或单晶结构薄膜，而低温高速沉积则有利于获得细小多晶、微晶乃至非晶薄膜？ 16.图示说明连续薄膜形成时三种可能的核心吞并互连机制及其驱动 力的异同。 17.溅射薄膜主要有哪四种结构形态？根据Thornton模型图示说明其 形成条件、形成特点、组织、性能和表面形貌特征。 18.画出低温抑制型薄膜生长时，沉积原子入射方向角α在0-89o之 间变化时，其纤维状结构的生长角β随α的变化规律曲线，并依据该曲线分析α在什么范围时，纤维结构的生长方向与入射来流的方向出入较小、何时出入最大？ 19.图示说明溅射气体压力、沉积温度及基片负偏压等工艺参数对溅 射薄膜的内应力状态及水平的影响规律，分析怎样才能获得较致
薄膜物理与技术测验考试重点
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 ③ 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量气体分子。 10-8—10-5Pa 真空规测量气压的范围： ① 热偶真空规和皮拉尼真空规（相对真空计） 10-2—102Pa ② 电离真空规（相对真空计） 10-7—10-2Pa ③ 薄膜真空规（绝对真空计） 10-3—105Pa 3． 气体流动状态的划分：（克努森准数λD Kn ，D 是气体容器的尺寸，λ是平均自由程） ①分子流状态（Kn<1）；②过渡状态（Kn ＝1—100）；③粘滞流状态（Kn>100） 4． 概念。 平均自由程：气体分子在两次碰撞的间隔时间里走过的平均距离。 通量：气体分子对于单位面积表面的碰撞频率。 流导：真空管路中气体的通过能力。 平衡蒸气压：一定温度下，蒸发气体与凝聚相平衡过程中所呈现的压力。 形核率：单位面积上，单位时间内形成的临界核心的数目。 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，靶材表面可能形成一层相应的化合物，导致溅射和薄膜沉积速率降低。
2008春季学期 薄膜物理 试题A卷试题 答案
2008春季学期 薄膜物理 试题A 卷试题 答案 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。 二、解释下列概念 1、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， 2、饱和蒸气压：在一定温度下，真空室内蒸发物质与固体或液体平衡过程中所表现出的压 力。 3、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。 4、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 5、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 三、回答下列问题 1、真空的概念？怎样表示真空程度，为什么说真空是薄膜制备的基础？ 在给定的空间内，气体的压强低于一个大气压的状态，称为真空 真空度 、压强、气体分子密度：单位体积中气体分子数；气体分子的平均自由程；形成一个分子层所需的时间等 物理气相沉积法中的真空蒸发、溅射镀膜和离子镀等是基本的薄膜制备技术。它们均要求沉积薄膜的空间有一定的真空度。 2、讨论工作气体压力对溅射镀膜过程的影响？ 在相对较低的压力下，电子的平均自由程较长，电子在阳极上消耗的几率增大，通过碰撞过程引起气体分子电离的几率较低。同时，离子在阴极上溅射的同时发射出二次电子的几率又由于气压较低而相对较小。这些均导致低压条件下溅射的速率很低。 在相对较低的压力下，入射到衬底表面的原子没有经过很多次碰撞，因而其能量较高，这有利于提供沉积时原子的扩散能力，提供沉积组织的致密性 在相对较高的压力下，溅射出来的靶材原子甚至会被散射回靶材表面沉降下来，因而沉积到衬底的几率反而下降 在相对较高的压力下，使得入射原子的能量降低，这不利于薄膜组织的致密化 溅射法镀膜的沉积速率将会随着气压的变化出现一个极大值 n 2 21 πσλ=
薄膜考试
第一章 1.薄膜与微细加工技术的优点 薄膜很薄，是实现微型化的主要手段．薄膜是制备新型功能器件的有效手段．探索物质秘密的有力手段．获得常规情况下难以获得的物质．获得特殊界面结构的膜层．自动化控制．2.薄膜为什么受到重视？ 1）薄膜物理是物理学（特别是固体物理学）的重要分支，发展形成自己的体系--理论与实验（2）薄膜材料具有广泛的电、光、声、热、磁等应用场合，许多制品（刀具、容器、管道、板材等）主要决定于其表层特性而不是整体特性，电子元器件（微电子、光电子）是建立在发展于表面或表面近层的物理效应基础上，微电子器件、固体电子器件提高性能、小型化的关键—相关薄膜材料的制备和研究（3）薄膜具有许多明显不同于块材料的特性，如晶体结构多为非晶态、亚稳态等, 这些特性称为反常结构与特性—为薄膜所特有（值得研究和利用）不仅是材料学研究的重要领域，也为发展新型功能材料开辟了广阔途径。（非平衡冶金、非晶态生长、超微细结构、纳米材料…….)（4）薄膜材料是现代材料科学发展最迅速的一个分支。现在科学技术的发展，特别是微电子技术的发展，打破了过去体材料的一统天下。过去需要众多材料组合才能实现的功能，现在仅仅需要少数几个器件或者一块集成电路板就可以完成。而薄膜技术正是实现器件和系统微型化的最有效的技术手段。（5）器件的微小型化不仅可以保持器件原有的功能，而且可以使之更强化，随着器件的尺寸减小以至于接近电子或其他离子量子化运动的微观尺度，薄膜材料或其器件讲显示出许多全新的物理现象。薄膜技术作为器件微型化的关键技术，是制备这类具有新型功能器件的有效手段。（6）每种材料的性能都有其局限性。薄膜技术作为材料制备的有效手段，可以将各种不同的材料灵活地组合在一起，构成具有友谊特性的复杂材料体系，发挥每种材料各自的优势，避免单一材料的局限性。 3.薄膜定义 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。 4.薄膜材料的特点 （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。 5.溅射：二级溅射、三级/四级溅射、偏压溅射、吸气溅射、反应溅射、磁控溅射、射频溅射、对向靶溅射、离子束溅射、中频溅射 6.物理气相淀积方法（PVD，Physical Vapor Deposition）：成膜组分以气相的方式从材料源输运到衬底后，直接在衬底淀积成膜的方法。如Al、AlN薄膜的淀积 化学气相淀积方法（CVD，Chemical Vapor Deposition）：成膜组分以气相方式输运到衬底后，需要通过化学反应的方式才能在衬底成膜的方法。如多晶硅薄膜的淀积是通过气相硅烷在衬底表面发生分解化学反应后在衬底沉积Si原子后成膜的。 PVD技术，从气化和成膜的方式来看，可分为：蒸发（Evaporation）热蒸发（Thermal）电子束蒸发（e-Beam）溅射（Sputter）直流(DC)射频(RF)磁控(Magnetron)反应(Reactive)离子束(Ion Beam)脉冲激光淀积（PLD：Pulsed Laser Deposition or Laser Ablation）分子束外延（MBE：Molecular Beam Epitaxy）离子镀（IP:Ion Plating) 化学气相淀积方法(CVD: Chemical Vapor Deposition)，从成膜的化学反应条件、化学组分特征和成膜的特点来看，可分为：常压化学气相淀积法APCVD（Air-Pressure）低压化学气相淀积法LPCVD （Low-Pressure），等离子增强化学气相淀积法PECVD （Plasma Enhanced）气相外延VPE （Vapor phase epitaxy）原子层淀积ALD （Atomic Layer Deposition）金属有
薄膜物理与技术复习大全 (西电版)
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 薄膜的附着类型 ①简单附着：薄膜和基片间形成一个很清楚的分界面，薄膜与基片间的结合力为范 德华力 ②扩散附着—由两个固体间相互扩散或溶解而导致在薄膜和基片间形成一个渐变界 面。实现扩散方法：基片加热法、离子注入法、离子轰击法、电场吸引法。 ③通过中间层附着—在薄膜与基片之间形成一个化合物而附着，该化合物多为薄膜材料与基片材料
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，气体分子间和分子与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，气体分子与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，分子与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，与化学反应相似，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
真空薄膜技术与薄膜材料的应用
真空薄膜技术与薄膜材料的应用及学习薄膜技术意义 ——张龙 090243138 材料物理 摘要：本文要紧讲述薄膜材料的一些差不多特点和在能源，军事以及其它方面的一些应用，并列举部分应用比较广泛的薄膜材料及现今前沿的薄膜材料和薄膜技术如光学薄膜中的太阳能薄膜，眼镜镀膜，抗反射膜及其他的一些耐腐蚀薄膜和电容薄膜，并阐述学习薄膜技术的意义。 关键词：薄膜；应用；进展；意义
Abstract：This article focuses on some basic characteristics of thin film material and the application of in the energy, military and some other aspects. Then it gives part of broader application of the thin film material and the edge of the film materials and thin film technologies such as optical thin films in solar thin film, optical coating, anti reflective film and other corrosion resistant film and film capacitors. At last it gives the significance of the thin film technology and expounds. Keywords：Thin Film； Application； Development； Meaning 引言：真空薄膜技术进展至今已有200年的历史。在一代代探究者的艰辛研究下各种材料的薄膜化差不多成为一种普遍趋势，以至于将薄膜材料及薄膜技术看成21世纪科学与技术领域的重要进展方向之一。 正文： 真空薄膜技术进展至今已有200年的历史。在19世纪能够讲一直是处于探究和预研时期。通过一代代探究者的艰辛研究，时至今日大量具有各种不同功能的薄膜得到了广泛的应用，薄膜作为一种重要的材料在材料领域占据着越来越重要的地位，各种
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
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
物理气相沉积（PVD）：利用某种物理过程，如物质的热蒸发或在受到粒子轰击时物质表面原子的溅射等现象，实现物质原子到薄膜的可控转移的过程。 PVD法: 方法的核心点：薄膜材料通过物理方法产生并输运到基体表面的镀膜方法；通常是固体或熔融源；一般来说，在气相或衬底表面没有化学反应； 需要相对较低的气体压力环境： a)其他气体分子对于气相分子的散射作用较小； b)气相分子的运动路径近似为一条直线； c)气相分子在衬底上的沉积几率接近100%。 代表性技术：蒸发镀膜、溅射镀膜；技术特点：真空度高、沉积温度低、设备相对比较简单。薄膜质量可控度小、表面容易不均匀。 物理吸附：物理吸附时吸附物与吸附剂间通过范德华力结合。
物理吸附的特点：（1）范德华力是一种静电力，具有长程作用的性质。吸附距离较远，双原子分子可达0.4nm；（2）温度和气压对吸附速度影响大，通常在低温时发生吸附，高温时解吸；（3）由于范德华力可存在于任何两个分子之间，所以物理吸附可发生在任何固体表面上，而且物理吸附可很快达到平衡；（4）不发生电荷转移、吸附热小，可以是单层或多层吸附；（5）发生物理吸附时，第一个吸附层与基片的结合能是本征吸附，以后的层间结合能渐变为吸附材料自身的内聚能。 化学吸附：化学吸附是有电荷转移或共有发生（化学吸附的本质），即吸附原子在基片表面发生了化学反应，有新的化合物产生，或者由于吸附原子的存在使基片表面化学性质发生了变化。 化学吸附的特点：（1）吸附时放热量较大，接近于化学反应，可高达5eV以上，可与反应热接近；（2）吸附时对气体的选择性很大；（3）温度对吸附速度影响大，低温下不易达到吸附平衡，吸附与解吸的速度慢，即吸附的激活能大，要在高温下解吸；（4）吸附层一般只有单分子厚（形成化学键），但当出现互扩散时，则形成多原子层的化学吸附。 微滴理论的基本思想是将一般气体在固体表面上凝结成微液滴的核形成理论(类似于毛细管湿润)应用到薄膜形成过程中的核形成研究。这种理论采用蒸气压、界面能和湿润角等宏观物理量，从热力学角度处理核形成问题。 统计理论：该理论认为临界核非常小，由1-10 个原子组成，故可以不考虑表面能和接触角，而只考虑原子与基片之间的相互作用。把原子团看作宏观分子，分析在成核过程中原子与原子之间，原子与基片原子之间的相互作用。 两种理论的比较：两种理论所依据的基本概念相同，因此成核速率公式形式上相同。 2、两种理论所用的能量不相同， 微滴——自由能ΔG，原子——结合能两者相差一个熵值 微滴理论认为原子团尺寸变化时是连续的，表面能量是连续变化的。 原子理论则认为原子团尺寸变化时是不连续的，吸附原子能的能量变化是跳跃式的。 3、两种理论提出的模型不相同 微滴——理想化的简单几何模型 原子——原子组合模型 4、微滴理论适合于大尺寸临界核，原子理论适合于小尺寸临界核。 5、两种理论都能正确预示了成核速率，临界核能量，基片温度与基片性质的关 系。（原子团较小时，原子模型接近实际情况） 溅射薄膜的形成过程：a、入射原子将自己的动能转移给基板晶格原子，并形成吸附原子； b、吸附原子在基板表面迁移、扩散，并与晶格原子或已经吸附原子交换能量，或者再蒸发或溅射而脱离表面；或者进入低能状态停留于表面； c、形成晶核，并通过扩散（表面，体）使晶核长大； d、形成小岛（稳定核长大形成→长大为较大岛）； e、逐渐形成连续薄膜。原子来源：a、入射原子b、吸附表面原子c、扩散、迁移原子 磁控溅射：特点1）高的沉积速率，比二极溅射高100倍；离化率从0.3-0.5%增加到5-6%（2）基片温升低，可对塑料基片、光刻胶等进行溅射3）基片的辐照损伤低 4）工作气压可下降2个数量级，10Pa →0.5Pa（5）靶的平均电流密度高 射频溅射：优点：A、淀积导体、半导体、绝缘体在内的所有材料；B、击穿电压及维持放电电压均很低；C、工作气压低(~1/10直流)D、电子作振荡运动，增加了碰撞几率，便于吸收能量，E、不需要二次电子来维持放电。 缺点：靶上发射的二次电子对基片的辐照损伤没有消除。 CVD 与PVD 相比较，具有以下优点：1 、沉积装置相对简单2 、可在低于熔点或分解温度下制备各种高熔点的金属薄膜和碳化物、氮化物、硅化物薄膜及氧化物薄膜，可实现高温材