薄膜材料与技术-试题A卷试题-答案.doc

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

3、物理气相沉积法的共同特点？
(1) 需要使用固态的或者熔融态的物质作为沉积过程的源物质
(2) 源物质经过物理过程而进入气相
(3) 需要相对较低的气体压力环境
(4) 在气相中及在衬底表面并不发生化学反应

4、简述化学气相沉积的特点？
(1) 既可以制备金属薄膜、非金属薄膜，又可按要求制备多成分的合金薄膜
2) 成膜速度可以很快，每分钟可达几个微米甚至数百微米
(3) CVD反应在常压或低真空进行，镀膜的绕射性好，对于形状复杂的表面或工件的深孔、细孔都能均匀镀覆，在这方面比PVD优越得多
(4) 能得到纯度高、致密性好、残余应力小、结晶良好的薄膜镀层。由于反应气体、反应产物和基体的相互扩散，可以得到附着力好的膜层，这对表面钝化、抗蚀及耐磨等表面 增强膜是很重要的
(5) 由于薄膜生长的温度比膜材料的熔点低得多，由此可以得到纯度高、结晶完全的膜层，这是有些半导体膜层所必须的
(6) CVD方法可获得平滑的沉积表面
(7) 辐射损伤低。这是制造MOS半导体器件等不可缺少的条件
化学气相沉积的主要缺点是：
反应温度太高，一般要1000℃左右，许多基体材料都耐受不
住CVD的高温，因此限制了它的应用范围

5、辉光放电过程中为什么P·d太小或太大，都不容易起辉放电？
如果气体压强太低或极间距离太小，二次电子在到达阳极前不能使足够的气体分子被碰撞电离，形成一定数量的离子和二次电子，会使辉光放电熄灭
气体压强太高或极间距离太大，二次电子因多次碰撞而得不到加速，也不能产生辉光

6、真空蒸发系统应包括那些组成部分？
(1) 真空室，为蒸发过程提供必要的真空环境
(2) 蒸发源或蒸发加热器，放置蒸发材料并对其加热　
(3) 基板，用于接受蒸发物质并在其表面形成固态薄膜
(4) 基板加热器及测温器等

7、什么是等离子体？以及等离子体的分类（按电离程度）？
带正电的粒子与带负电的粒子具有几乎相同的密度，整体呈电中性状态的粒子集合体
按电离程度等离子体可分为
部分电离及弱电离等离子体和完全电离等离子体两大类
部分电离及弱电离等离子体中大部分为中性粒子，只有部分或极少量中性粒子被电离
完全电离等离子体中所有中性粒子都被电离，而呈离子态、电子态

8、简述化学吸附的特点？
1. 吸附力是由吸附剂与吸附质分子之间产生的化学键力，一般较强。
2. 吸附热较高，接近于化学反应热，一般在40kJ/mol 以上
3. 吸附有选择性固体表面的活性位只吸附与之可发生反应的气体分子，如酸位吸附碱性分子，反之亦然
4. 吸附很稳定，一旦吸附，就不易解吸
5.吸附是单分子层的
6. 吸附需要活化能，温度升高，吸附和解吸速率加快

9、简述分子束外延镀膜的特点：
(1) MBE虽然也是一个以气体分子运动论为基础的蒸发过程，但它不是以蒸发温度为控制参数，而是以系统中的四极质谱仪、原子吸收光谱等近代分析仪器，精密地监控分子束的种类和强度，从而严格控制生长过程和生长速率
(2) MBE是一个超高真空的物理沉积过程，既不需要考虑中间化学反应，又不受质量传输的影响，并且利用快门可对生长和中断瞬时调整。膜的组分和掺杂浓度可随源的变化作迅速调整
(3) MBE的衬底温度低，因此降低了界面上热膨胀引入的晶格失配效应和衬底杂质对外延层的自掺杂和扩散的影响
(4) MBE是动力学过程，即将入射的中性粒子(原子或分子)一个一个地堆积在衬底上进行生长，而不是一个热力学过程，所以它可生长按照普通热平衡生长方法难以生长的薄膜
(5) MBE的另一显著特点是生长速率低，大约１μm/h，相当于每秒生长一个单原子层，因此有利于实现精确控制厚度、结构与成分和形成陡峭异质结等。 MBE特别适于生长超晶格材料
(6) MBE是在一个超高真空环境中进行的，而且衬底和分子束源相隔较远，因此可用多种表面分析仪器实时观察生长面上的成分结构及生长过程，有利于科学研究

10、简述CVD输运反应的原理
把需要沉积的物质当作源物质(不挥发性物质)，借助于适当的气态介质与之反应而形成一种气态化合物，这种气态化合物经化学迁移或物理载带(利用载气)输运到与源区温度不同的沉积区，并在基板上发生逆向反应，使源物质重新在基板上沉积出来，这样的过程称为化学输运反应。

四、证明下列公式
合金中组元A、B的蒸发速率之比可表示为

试证明之
证明：合金中各成分的蒸发速率为

A、B两种成分的蒸发速率之比为

合金中组元A、B的蒸发速率之比为

五、计算：处于1527℃下的镍铬合金(Ni 80%, Cr 20%)在PCr=10Pa,
PNi=1Pa时，它们的蒸发速率之比 (MNi= 58.7 MCr = 52.0)

六、下图表示溅射薄膜组织的四种典型断面结构及衬底相对温度和溅射气压对薄膜组织
的影响，试分析各种组织的形成条件和特点。(10分)

在温度很低、气体压力较高的条件下，入射粒子的能量很低。这种情况下形成的薄膜具有形态1型的微观组织。沉积组织呈现一种数十纳米的细纤维状的组织形态，纤维内部缺陷密度很高或者就是非晶态结构；纤维间的结构明显疏松，存在许多纳米尺度的孔洞。此种膜的强度很低。
形态T型的组织是介于形态1和形态2的过渡型组织。此时沉积的温度仍然很低，沉积过程中临界核心的尺寸仍然很小。形态1组织向形态T组织转变的温度与溅射时的气压有关。溅射气压越低，即入射粒子的能量越高，则发生转变的温度越向低温方向移动。Ts／ Tm＝0.3~0.5温度区间的形态2型的组织是原子表面扩散进行得较为充分时形成的薄膜组织。形成的组织为各个晶粒分别外延而形成的均匀的柱状晶组织，柱状晶的直径随沉积温度的增加而增加。晶粒内部缺陷密度较低，晶粒边界的致密性较好，这使得薄膜具有较高的强度。衬底温度的继续升高(Ts／ Tm > 0.5)使得原子的体扩散发挥重要作用。此时，在沉积进行的同时，薄膜内将发生再结晶的过程，晶粒开始长大，直至超过薄膜的厚度。薄膜的组织变为经过充分再结晶的粗大的等轴晶组织，晶粒内部缺陷很低，如图中显示的形态3型的薄膜组织。
在形态2和形态3型组织的情况下，衬底的温度已经较高，因而溅射气压或入射粒
子的能量对薄膜组织的影响变得比较小。