薄膜物理与技术要点总结_薄膜物理总结

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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vm处有极大值，vm称为最可几速率2kT2RT1.41RT,Vm速度分布

平均速度:8kTm8RTm1.59RTM，分子运动平均距离

均方根速度:3kTm3RTM1.73RTM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：

mMM×10-6 Pa

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？

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 蒸发温度：物质在饱和蒸气压为10-2托时的温度。2.克--克方程及其意义？ 克-克方程dPHdTT(VgVs)，可以知道饱和蒸气压和温度的关系，对于薄膜的制作技术有重要实际意义, 帮助我们合理地选择蒸发材料和确定蒸发条件.kT22P3.蒸发速率、温度变化对其的影响？

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： 在蒸发源以上温度蒸发，蒸发源温度的微小变化即可以引起蒸发速率发生很大变化。4.平均自由程与碰撞几率的概念？

气体分子处于不规则的热运动状态，每个气体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”。或者 粒子在两次碰撞之间所飞行的平均距离称为蒸发分子的平均自由程。

蒸发材料分子能与真空室中残余气体分子相互碰撞的数目占总的蒸发材料分子的百分数。热平衡条件下，单位时间通过单位面积的气体分子数为气体分子对基板的碰撞率。

7.MBE的特点？

外延: 在一定的单晶材料衬底上，沿衬底某个指数晶面向外延伸生长一层单晶薄膜。1)2)3)4)5)6)MBE可以严格控制薄膜生长过程和生长速率。MBE虽然也是以气体分子论为基础的蒸发过程，但它并不以蒸发温度为控制参数，而是以四极质谱、原子吸收光谱等近代分析仪器，精密控制分子束的种类和强度。

MBE是一个超高真空的物理淀积过程，即不需要中间化学反应，又不受质量输运的影响，利用快门可对生长和中断进行瞬时控制。薄膜组成和掺杂浓度可以随源的变化作迅速调整。MBE的衬底温度低，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自掺杂扩散的影响。

MBE是一个动力学过程，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，所以它可以生长普通热平衡生长难以生长的薄膜。MBE生长速率低，相当于每秒生长一个单原子层，有利于精确控制薄膜厚度、结构和成分，形成陡峭的异质结结构。特别适合生长超晶格材料。MBE在超高真空下进行，可以利用多种表面分析仪器实时进行成分、结构及生长过程分析，进行科学研究。

8.膜厚的定义？监控方法？

厚度：是指两个完全平整的平行平面之间的距离，是一个可观测到实体的尺寸。理想薄膜厚度：基片表面到薄膜表面之间的距离。由于实际上存在的表面是不平整和不连续的，而且薄膜内部还可能存在着针孔、杂质、晶体缺陷和表面吸附分子等，所以要严格的定义和测准薄膜的厚度实际上比较困难的。膜厚的定义，应该根据测量的方法和目的来决定。

称重法（微量天平法

石英晶体振荡法）电学方法（电阻法 电容法 电离式监控记法）

光学方法（光吸收法 光干涉法

等厚干涉条纹法）触针法（差动变压器法

阻抗放大法

压电元件法

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第三章

1.溅射镀膜和真空镀膜的特点？

优点：1.任何物质都可以溅射，尤其是高熔点、低蒸气压元素化合物2.溅射膜和基板的附着性好3.溅射镀膜密度高，针孔少，且膜层的纯度较高4.膜度可控性和重复性好

缺点：5溅射设备复杂，需要高压装置；6成膜速率较低（0.01-0.5m）。

2.正常辉光放电和异常辉光放电的特征？

正常辉光放电：在一定电流密度范围内，放电电压维持不变。在正常辉光放电区，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。异常辉光放电：电流增大时，放电电极间电压升高，且阴极电压降与电流密度和气体压强有关。

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。

3.射频辉光放电的特点？

1.在辉光放电空间产生的电子可以获得足够的能量，足以产生碰撞电离； 2.由于减少了放电对二次电子的依赖，降低了击穿电压；

3.射频电压可以通过各种阻抗偶合，所以电极可以不是导体材料。4.溅射的概念及溅射参数？

溅射是指荷能粒子轰击固体表面（靶），使固体原子或者分子从表面射出的现象。1.溅射阈值2.溅射率及其影响因素3.溅射粒子的速度和能量分布4.溅射原子的角度分布 5.溅射率的计算 5.溅射机理？

溅射现象是被电离气体的离子在电场中加速并轰击靶面，而将能量传递给碰撞处的原子，导致很小的局部区域产生高温，使靶材融化，发生热蒸发。溅射完全是一个动量转移过程

该理论认为，低能离子碰撞靶时，不能直接从表面溅射出原子，而是把动量传递给被碰撞的原子，引起原子的级联碰撞。这种碰撞沿晶体点阵的各个方向进行。碰撞因在最紧密排列的方向上最有效，结果晶体表面的原子从近邻原子得到越来越多的能量。

1.溅射率随入射离子能量增大而增大，在离子能量达到一定程度后，由于离子注入效应，溅射率减小； 2.溅射率的大小与入射离子的质量有关；

3.当入射离子能量小于溅射阈值时，不会发生溅射； 4.溅射原子的能量比蒸发原子大许多倍；

5.入射离子能量低时，溅射原子角度分布不完全符合余弦定律，与入射离子方向有关； 6.电子轰击靶材不会发生溅射现象。

6.二极直流溅射、偏压溅射、三极或四极溅射、射频溅射、磁控溅射、离子束溅射结构及原理？

二极直流溅射靶材为良导体,依靠气体放电产生的正离子飞向阴极靶，一次电子飞向阳极，放电依靠正离子轰击阴极所产生的二次电子，经阴极加速后被消耗补充的一次电子维持。

三极或四极溅射: 热阴极发射的电子与阳极产生等离子体,靶相对于该等离子体为负电位.为把阴极发射的电子全部吸引过来，阳极上加正偏压，20V左右。为使放电稳定，增加第四个电极——稳定化电极.偏压溅射: 基片施加负偏压,在淀积过程中，基片表面将受到气体粒子的稳定轰击，随时消除可能进入薄膜表面的气体，有利于提高薄膜纯度，并且也可除掉粘除力弱的淀积粒子，对基片进行清洗，表面净化，还可改变淀积薄膜的结构。

射频溅射: 可以用射频辉光放电解释。等离子体中的电子容易在射频场中吸收能量并在电场内振荡，与工作气体的碰撞几率增大，从而使击穿电压和放电电压显著降低。

磁控溅射：使用了磁控靶,施加磁场来改变电子的运动方向，束缚并延长电子运动轨迹，进而提高电子对工作气体的电离效率和溅射沉积率。在阴极靶的表面上形成一个正交的电磁场。溅射产生的二次电子在阴极位降区内被加速成为高能电子，但是它并不直接飞向阳极，而在电场和磁场的作用下作摆线运动。高能电子束缚在阴极表面与工作气体分子发生碰撞，传递能量，并成为低能电子。

离子束溅射:离子源、屏蔽罩。由大口径离子束发生源引出惰性气体，使其照射在靶上产生建设作用，利用溅射出的粒子淀积在基片上制得薄膜。第五章

1.CVD热力学分析的主要目的？

CVD热力学分析的主要目的是预测某些特定条件下某些CVD反应的可行性（化学反应的方向和限度）。在温度、压强和反应物浓度给定的条件下，热力学计算能从理论上给出沉积薄膜的量和所有气体的分压，但是不能给出沉积速率。热力学分析可作为确定CVD工艺参数的参考 2.CVD过程自由能与反应平衡常数的过程判据？

有关。Gr与反应系统的化学平衡常数 KP

3.CVD热力学基本内容？反应速率及其影响因素？

按热力学原理，化学反应的自由能变化 

r

可以用反应物和生成物的标准自由能

G来计算，即

ERTGr2.3RTlogKPKPPi(生成物)i1nP（反应物）jj1mGrGf(生成物)Gf(反应物)

Ae较低衬底温度下，τ随温度按指数规律变化。较高衬底温度下，反应物及副产物的扩散速率为决定反应速率的主要因素。

4.热分解反应、化学合成反应及化学输运反应及其特点？

热分解反应：在简单的单温区炉中，在真空或惰性气体保护下加热基体至所需温度后，导入反应物气体使之发生热分解，最后在基体上沉积出固体图层。特点：主要问题是源物质的选择和确定分解温度。选择源物质考虑蒸气压与温度的关系，注意在该温度下的分解产物中固相仅为所需沉积物质。化学合成反应：化学合成反应是指两种或两种以上的气态反应物在热基片上发生的相互反应。特点：比热分解法的应用范围更加广泛。可以制备单晶、多晶和非晶薄膜。容易进行掺杂。

化学输运反应：将薄膜物质作为源物质（无挥发性物质），借助适当的气体介质与之反应而形成气态化合物，这种气态化合物经过化学迁移或物理输运到与源区温度不同的沉积区，在基片上再通T = T1T2过逆反应使源物质重新分解出来，这种反应过程称为化学输运反应。特点：

不能太大；平衡常数KP接近于1。5.CVD的必要条件？

1.在沉积温度下，反应物具有足够的蒸气压，并能以适当的速度被引入反应室； 2.反应产物除了形成固态薄膜物质外，都必须是挥发性的； 3.沉积薄膜和基体材料必须具有足够低的蒸气压，6.什么是冷壁CVD？什么是热壁CVD？特点是什么？

冷壁CVD：器壁和原料区都不加热，仅基片被加热，沉积区一般采用感应加热或光辐射加热。缺点是有较大温差，温度均匀性问题需特别设计来克服。适合反应物在室温下是气体或具有较高蒸气压的液体。

热壁CVD：器壁和原料区都是加热的，反应器壁加热是为了防止反应物冷凝。管壁有反应物沉积，易剥落造成污染。7.什么是开管CVD？什么是闭管CVD？特点是什么？

开口CVD的特点：能连续地供气和排气； 反应总处于非平衡状态；在大多数情况下，开口体系是在一个大气压或稍高于一个大气压下进行的；开口体系的沉积工艺容易控制，工艺重现性好，工件容易取放，同一装置可反复多次使用；有立式和卧式两种形式。

闭管法的优点：污染的机会少，不必连续抽气保持反应器内的真空，可以沉积蒸气压高的物质。缺点：材料生长速率慢，不适合大批量生长，一次性反应器，生长成本高；管内压力检测困难等。关键环节：反应器材料选择、装料压力计算、温度选择和控制等。8.什么是低压CVD和等离子CVD？

低压CVD：气相输运和反应。低压下气体扩散系数增大，使气态反应物和副产物的质量传输速率加快，形成薄膜的反应速率增加。等离子CVD：等离子体参与的利用在等离子状态下粒子具有的较高能量，使沉积温度降低化学气相沉积称为等离子化学气相沉积。第七章

1.薄膜形成的基本过程描述？

薄膜形成分为：凝结过程、核形成与生长过程、岛形成与结合生长过程。2.什么是凝聚？入射原子滞留时间、平均表面扩散时间、平均扩散距离的概念？ 凝聚：吸附原子结合成原子对及其以后的过程

入射原子滞留时间：入射到基体表面的原子在表面的平均滞留时间a与吸附能Ed之间的关系为a0exp(Ed/kT)

0'exp(ED/kT)。平均表面扩散时间：吸附原子在一个吸附位置上的停留时间称为平均表面扩散时间，用D表示。它和表面扩散能ED之间的关系是D平均扩散距离：吸附原子在表面停留时间经过扩散运动所移动的距离（从起始点到终点的间隔）称为平均表面扩散时间，并用

x表示，它与吸附能Ed和扩散能ED之间的关系为xa0expEdED/kT

3.什么是捕获面积？对薄膜形成的影响？ 捕获面积：吸附原子的捕获面积

当 S

 时，每个吸附原子的捕获面积内只有一个原子，故不能形成原子对，也不能产生凝结。当 S

时，发生部分凝结。平均每个吸附原子的捕获面积内有一个或两个吸附原子，可形成1原子对或三原子团。在滞留时间内，一部分吸附原子有可能重新蒸发掉。当

时，每个吸附原子的捕获面积内至少有两个吸附原子。可形成原子对或更大的原子团，从而达到完全凝结。4.凝聚过程的表征方法？ SDNno1S2凝结系数（单位时间内，完全凝结的气相原子数与入射到基片表面上的总原子数之比）、粘附系数（单位时间内，再凝结的气相原子数与入射到基片表面上的总原子数之比）、热适应系数（表征入射气相（或分子）与基体表面碰撞时相互交换能量的程度的物理量称为热适应系数）。5.核形成与生长的物理过程。

岛状生长模式、层状生长模式、层岛混合模式

6.核形成的相变热力学和原子聚集理论的基本内容？

认为薄膜形成过程是由气相到吸附相、再到固相的相变过程，其中从吸附相到固相的转变是在基片表面上进行的。

原子聚集理论将核（原子团）看作一个大分子聚集体，用其内部原子之间的结合能或与基片表面原子之间的结合能代替热力学理论中的自由能。7.什么是同质外延、异质外延？晶格失配度？

外延工艺是一种在单晶衬底的表面上淀积一个单晶薄层的方法。如果薄膜与衬底是同一种材料该工艺被称为同质外延，常被简单地称为外延。如果薄膜与衬底不是同一种材料该工艺被称为异质外延，常被简单地称为外延。

晶格失配度若沉积薄膜用的基片材料的晶格常数为a，薄膜材料的晶格常数为b，在基片上外延生长薄膜的晶格失配数m可用下式表示mbaa。

ERAexpD设沉积速率为

R，基片温度为 T，

kT



薄膜生长速率要小于吸附原子 8..形成外延薄膜的条件？

在基片表面上的迁移速率；提高温度有利于形成外延薄膜 第八章

1.薄膜结构是指哪些结构？其特点是哪些？

薄膜的结构按研究对象不同分为组织结构、晶体结构、表面结构。

（1）组织结构是指薄膜的结晶形态，包括无定形结构、多晶结构、纤维结构、单晶结构。无定形结构：结构特性：近程有序、长程无序；不具备晶体的性质；亚稳态。晶界上存在晶格畸变；界面能：界面移动造成晶粒长大和界面平直化；空位源：杂质富集；纤维结构薄膜是指晶粒具有择优取向的薄膜

（2）晶体结构：多数情况下，薄膜中晶粒的晶格结构与体材料相同，只是晶粒取向和晶粒尺寸不同，晶格常数也不同。薄膜材料本身的晶格常数与基片材料晶格常数不匹配； 薄膜中有较大的内应力和表面张力。

（3）表面结构：薄膜表面形成过程，由热力学能量理论，薄膜表面平化；晶粒的各向异性生长，薄膜表面粗化；低温基片上，薄膜形成多孔结构。2.蒸发薄膜微观结构随温度变化如何改变？

低温时，扩散速率小，成核数目有限，形成不致密带有纵向气孔的葡萄结构；随着温度升高，扩散速率增大，形成紧密堆积纤维状晶粒然后转为完全之谜的柱状晶体结构；温度再升高，晶粒尺寸随凝结温度升高二增大，结构变为等轴晶貌； 3.薄膜的主要缺陷类型及特点？

薄膜的缺陷分为：点缺陷（晶格排列出现只涉及到单个晶格格点，典型构型是空位和填隙原子，点缺陷不能用电子显微镜直接观测到，点缺陷种类确定后，它的形成能是一个定值）、位错（在薄膜中最常遇到，是晶格结构中一种“线性”不完整结构，位错大部分从薄膜表面伸向基体表面，并在位错周围产生畸变）、晶格间界（薄膜由于含有许多小晶粒，故晶粒间界面积比较大）和层错缺陷（由原子错排产生，在小岛间的边界处出现，当聚合并的小岛再长大时反映层错缺陷的衍射衬度就会消失）。4.薄膜的主要分析方法有哪些？基本原理是什么？

（1）X射线衍射法。利用X射线晶体学，X射线束射到分析样品表面后产生反射，检出器收集反射的X射线信息，当入射X射线波长、样品与X射线束夹角、及样品晶面间距d满足布拉格方程2dsinn，检测器可检测到最大光强。

（2）电子衍射法。在透射电子显微镜下观察薄膜结构同时进行电子衍射分析，电子束波长比特征X射线小得多，利用LRd，求出晶格面间距。

c/K(Z)，只要（3）扫描电子显微镜分析法。将样品发射的特征X射线送入X射线色谱仪或X射线能谱仪进行化学成分分析，特征X射线波长和原子序数Z满足莫塞莱定律

测得X射线的波长，进而测定其化学成分。

（4）俄歇电子能谱法。俄歇电子的动能为E，由能量守恒定律Ek-EL1=EL23+E，近似EL1=EL23，得俄歇电子的动能E=Ek-2EL。对于每种元素的原子来说，EL1、EL23都有不同的特征值，只要测出电子动能E，就可以进行元素鉴定。利用俄歇电子能谱法中的化学位移效应不但可以鉴定样品的组分元素还可鉴定它的化学状态。

（5）X射线光电子能谱法。X射线入射到自由原子的内壳层上，将电子电离成光电子，有电子能量分析测得光电子束缚能，不同源自或同一原子的不同壳层有不同数量的特征值。可以通过元素鉴定测出。

（6）二次离子质谱法。二次离子质谱是利用质谱法分析初级离子入射靶面后，溅射产生的二次离子而获取材料表面信息的一种方法。二次离子质谱可以分析包括氢在内的全部元素，并能给出同位素的信息，分析化合物组分和分子结构。《薄膜物理与技术》

1、薄膜的定义

薄膜的制备方法

真空的定义及性质（理想气体状态方程）

真空的单位

真空区域的划分

气体的三种速度分布（最可几速度、平均速度、均方根速度）意义

平均自由程的定义及计算

余弦散射定律及意义

确定真空系统所能达到的真空度的方程

2、主要真空泵的排气原理与工作范围

几类真空计的工作原理与测量范围（填空或选择）

真空蒸发镀膜的定义

真空蒸发镀膜的基本过程

3、蒸发速率的表达式及蒸发源温度变化引起蒸发速率的变化

蒸发过程的几点假设

几种最常用的蒸发源及膜厚分布状况

4、蒸发源的类型

电子束蒸发源中电子束的加热原理及特点

高频感应蒸发源的特点

合金的蒸发中组元金属的蒸发速率之比

5、合金及化合物的蒸发方法

特殊的蒸发方法

膜厚的定义

膜厚的测量方法（尤其是原理：石英晶体振荡法、电离式监控计法光干涉法）溅射镀膜的定义

溅射镀膜的优点及缺点

直流辉光放电的区域

辉光放电过程中，如何确定阴极与阳极之间的距离

6、射频放电的频率

溅射阈值、溅射率、溅射过程

溅射的两种理论

溅射镀膜的类型（重点为二极式、磁控式、射频式）

离子镀膜的定义

离子镀膜的成膜条件（公式的计算）

离子镀膜的特点

离子轰击的作用

离子镀的类型（活性反应离子镀、射频离子镀）化学气相沉积的定义

CVD的装置组成CVD反应的类型

CVD法制备薄膜的过程

CVD的特点

7、CVD反应体系的条件

低压化学气相沉积的原理

等离子体化学气相沉积（定义及原理）

等离子体的作用

8、有机金属化学气相沉积、光CVD、电子回旋共振等离子体沉积

溶液镀膜法的定义

化学镀的定义及原理

9、化学镀与化学沉积的异同点

如何进行化学镀镍、铜、银等金属

溶胶－凝胶法制备薄膜的工艺（至少三种）

10、阳极氧化法的定义及原理

阳极氧化法中氧化物薄膜厚度的计算公式

电镀的定义与原理

11、电镀过程中补充电极附件区域的离子的方法

对电镀层的要求

LB制备的定义及原理

LB膜的分类

薄膜的形成与生长形式

薄膜的结构类型薄膜的缺陷

薄膜的组织结构