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《薄膜物理与技术》课程教学大纲课程代码：ABCL0527课程中文名称: 薄膜物理与技术课程英文名称：Thin film physics and technology课程性质：选修课程学分数：1.5课程学时数：24授课对象：新能源材料与器件专业本课程的前导课程：《材料表面与界面》、《近代物理概论》、《材料科学基础》、《固体物理》、《材料物理性能》一、课程简介本课程主要论述薄膜的制造技术与薄膜物理的基础内容。
其中系统介绍了各种成膜技术的基本原理与方法，包括蒸发镀膜、溅射镀膜、离子镀、化学气相沉积、溶液制膜技术以及膜厚的测量与监控等。
同时介绍了薄膜的形成，薄膜的结构与缺陷，薄膜的电学性质、力学性质、半导体特性、磁学性质以及超导性质等。
通过本课程的讲授，使学生在薄膜物理基础部分，懂得薄膜形成物理过程及其特征，薄膜的电磁学、光学、力学、化学等性质。
在薄膜技术部分初步掌握各种成膜技术的基本内容以及薄膜性能的检测。
二、教学基本内容和要求掌握物理、化学气相沉积法制膜技术，了解其它一些成膜技术。
学会对不同需求的薄膜，应选用不同的制膜技术。
了解各种薄膜形成的过程及其物理特性。
理解并能运用热力学界面能理论及原子聚集理论解释薄膜形成过程中的一些现象，了解薄膜结构及分析方法，理解薄膜材料的一些基本特性，为薄膜的应用打下良好的基础。
以下分章节介绍：第一章真空技术基础课程教学内容：真空的基础知识及真空的获得和测量。
课程重点、难点：真空获得的一些手段及常用的测量方法。
课程教学要求：掌握真空、平均自由程的概念，真空各种单位的换算，平均自由程、碰撞频率、碰撞频率的长度分布率的公式，高真空镀膜机的系统结构及抽气的基本过程。
理解蒸汽、理想气体的概念，余弦散射率，真空中气体的来源，机械泵、扩散泵、分子泵以及热偶真空计和电离真空计的工作原理。
了解真空的划分，气体的流动状态的划分，气体分子的速度分布，超高真空泵的工作原理。
第二章真空蒸发镀膜法课程教学内容：真空蒸发原理，蒸发源的蒸发特性及膜厚分布，蒸发源的类型，合金及化合物的蒸发，膜厚和淀积速率的测量与监控。
1、为什么要真空？真空的概念？真空的用途？答：真空蒸发、溅射镀膜和离子镀膜等常称为物理气相沉积（PVD法）是基本的薄膜制作技术。
他们均要求淀积薄膜的空间要有一定的真空度。
因此，真空技术是薄膜制作技术的基础，获得并保持所需的真空环境，是镀膜的必要条件。
所谓真空是指低于一个大气压的气体空间。
同正常的大气相比，是比较稀薄的气体状态。
粗真空（105~102Pa）：真空浸渍工艺低真空（102~10-1）：真空热处理高真空（10-1~10-6）：分子按直线飞行超高真空（< 10-6）：一得到纯净的气体；二获得纯净的固体表面2、分子的三种速率答：最可几速度：平均速度：均方根速度：3、气体的临界温度：对于每种气体都有一个特定的温度，高于此温度时，气体无论如何压缩都不会液化，这个温度称为该气体的临界温度。
利用临界温度来区分气体与液体。
高于临界温度的气态物质称为气体，低于临界温度称为蒸汽。
极限压强（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Pu，称为极限压强（或极限真空），这是该系统所能达到的最低压强，是真空系统是否满足镀膜需要的重要指标之一。
4、溅射：所谓溅射，是指何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。
5、CVD（化学气相沉积）：化学气相沉积是一种化学气相生长法，简称CVD技术。
这种方法是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，利用加热、等离子体、紫外光乃至激光等能源，借助气相作用或在基片表面的化学反应（热分解或化学合成）生成要求的薄膜。
6、薄膜的组织结构：是指它的结晶形态，分为四种类型：无定型结构、多晶结构、纤维结构和单晶结构。
7、薄膜的缺陷：在薄膜的生长和形成过程中各种缺陷都会进入到薄膜之中。
这些缺陷对薄膜产生重要的影响。
他们与薄膜制作工艺密切相关。
点缺陷：在基体温度低时或蒸发过程中温度的急剧变化会在薄膜中产生许多点缺陷，这些点缺陷对薄膜电阻率产生较大影响。
一、填空题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。
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．薄膜的组织构造是指它的结晶形态，其构造分为四种类型：无定形构造，多晶构造，纤维构造，单晶构造。
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、解释以下概念溅射：溅射是指荷能粒子轰击固体外表(靶)，使固体原子(或分子)从外表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，真空室内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外表上，除了被弹性反射和吸附后再蒸发的原子之外，完全被基体外表所凝结的气相原子数与入射到基体外表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外表原子的溅射等现象，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，使其原子或分子从外表汽化逸出，形成蒸气流，入射到固体(称为衬底、基片或基板)外表，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。
在离子能量适宜的情况下，入射离子在与靶外表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。
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答：（1）气体的压强、（2）固体的温度、（3）固体表面吸附的气体密度以及（4）固体本身的性质，如表面光洁程度、清洁度等。
11、目前常用获得真空泵主要有几种类型，各自的特点？答；目前常用获得真空的设备主要有气体传输泵（旋转式机械真空泵、油扩散泵、复合分子泵）和气体捕获泵（分子筛吸附泵、钛升华泵、溅射离子泵和低温泵）两类。
气体传输泵是一种通过将气体不断吸入并排出真空泵从而达到排气的目的泵；气体捕获泵是一种利用各种吸气材料所特有的吸气作用将被抽空间的气体吸除，以达到所需真空度的泵。
气体捕获泵工作时不采用油做介质，故又称之为无油类泵。
12、何为前级泵和次级泵？答：机械泵和吸附泵都是从一个大气压力下开始抽气，因此常将这类泵称为“前级泵”，而将那些只能从较低的气压抽到更低的压力下的真空泵称为“次级泵”。
13、何为机械泵，其工作特点是什么？机械泵有哪几种形式？答：凡是利用机械运动（转动或滑动）以获得真空的泵，就称为机械泵。
机械泵可以从大气压开始工作的典型的真空泵，既可以单独使用，又可作为高真空泵或超高真空泵的前级泵。
由于这种泵是用油来进行密封的，所以属于有油类型的真空泵。
机械泵常见的有旋片式、定片式和滑阀式（又称柱塞式）几种，其中以旋片式机械泵最为常见。
14、何为分子泵，其工作特点是什么？分子泵有哪几种形式，各有何特点？答：分子泵也属于气体传输泵，但是它是一种无油类泵，可以和前级泵构成组合装置，从而获得超高真空。
分子泵分为牵引泵（阻压泵）、涡轮分子泵和复合分子泵三大类：（1）牵引泵在结构上更为简单，转速较小，但压缩比大；（2）涡轮式分子泵可分“敞开”叶片型和重叠叶片型，前者转速高，抽速也较大，后者则恰好相反；（3）复合型分子泵将涡轮分子泵抽气能力高（24000r/min）的优点和牵引分子泵（460l/sec）压缩比大（150）的优点结合在一起，利用高速旋转的转子携带气体分子而获得超高真空。
15、何为低温泵，按其工作原理可分几种类型？答：低温泵是利用20K 以下的低温表面来凝聚气体分子以实现抽气的一种泵，是目前具有最高极限真空的抽气泵。
低温泵又称冷凝泵、深冷泵。
按其工作原理又可分为低温吸附泵、低温冷凝泵、制冷机低温泵。
16、捕获泵再生时必须遵循的要求？答：（l）一且开始再生处理，就必须清除彻底。
这是因为局部升温时会使屏蔽板上冷凝的大量水蒸气转移到内部的深冷吸气板上．严重损害低温泵的抽气能力。
（2）再生时应使凝结层稳定蒸发，一定不能使系统内气体压力超过允许值，否则在除氢这类易燃易爆的气体时，一旦漏入空气就有爆炸的危险。
（3）再生时，需严防来自前级泵的碳氢化合物进入低温泵内污染吸气面，因此要求抽气时间尽可能短。
17、按测量原理真空计可分几种，各自的定义及特点？答：真空计的种类很多，通常按测量原理可分为绝对真空计和相对真空计。
通过测定物理参数直接获得气体压强的真空计称为绝对真空计；通过测量和压强有关的物理量，并和绝对真空计比较后得到压强值的真空计称为相对真空计。
特点：（1）绝对真空计：所测量的物理参数和气体成分无关，测量比较准确，但是在气体压强很低的情况下，直接进行测量是极其困难的；（2）相对真空计：测量的准确度略差，而且和气体的种类有关。
第二章薄膜制备的化学方法1、化学气相沉积的主要优点有哪些？答：（1）可准确控制薄膜组分及掺杂水平，获得具有理想化学配比的薄膜；（2）可在复杂形状的基片上沉积；（3）可在大气压下进行，系统不需要昂贵的真空设备；（4）高沉积温度可大幅度改善晶体的结晶完整性；（5）利用材料在熔点或蒸发时分解的特点而得到其他方法无法得到的材料；（6）沉积过程可以在大尺寸基片或多基片上进行。
2、化学气相沉积的主要缺点有哪些？答：（1）化学反应需要高温；（2）反应气体会和基片或设备发生化学反应；（3）在化学气相沉积中所使用的设备可能较为复杂，且有许多变量需要控制。
3、在化学气相薄膜沉积过程中可控制的变量有那些？涉及那几个基本过程？答：气体流量、气体组分、沉积温度、气压、真空室几何构型等。
因此，化学气相沉积涉及三个基本过程：（1）反应物的输运过程；（2）化学反应过程；（3）去除反应副产品过程。
4、化学气相沉积反应器的设计类型可分成几种，各自特点有哪些？答：（1）常压和（2）低压式、（3）热壁式和（4）冷壁式。
特点：（1）常压式反应器：运行的缺点是需要大流量携载气体、大尺寸设备，得到的膜污染程度高。
（2）低压式反应器：不需携载气体，并在低压下只使用少最反应气体，此时，气体从一端注入，在另一端用真空泵排出。
低压式反应器已得到迅猛发展。
（3）热壁式反应器：整个反应器需要达到发生化学反应所需的温度，基片处于由均匀加热炉所产生的等温环境下。
（4）冷壁式反应器：只有基片需要达到化学反应所需的温度，换句话说，加热区只局限于基片或基片架。
5、何为激光化学气相沉积，它的主要机制和作用是什么？答：激光化学气相沉积是通过使用激光源产生出来的激光束实现化学气相沉积的一种方法。
从本质上讲，由激光触发的化学反应有两种机制：（1）一种为光致化学反应，（2）另一种则为热致化学反应。
作用：（1）在光致化学反应过程中，具有足够高能量的光子用于使分子分解并成膜，或和存在于反应气体中的其他化学物质反应并在邻近的基片上形成化合物膜。
（2）在热致化学反应过程中，激光束用作加热源实现热致分解，在基片上引起的温度升高控制着沉积反应。
6、激光化学气相沉积过程中显示出的那些独特优越性？答：激光的方向性可以使光束射向很小尺寸上的一个精确区域，产生局域沉积。
通过选择激光波长可以确定光致反应沉积或热致反应沉积。
在许多情况下，光致反应和热致反应过程同时发生。
7、激光化学气相沉积的反应系统和传统化学气相沉积系统相似，但薄膜的生长特点在许多方面是不同的，这其中的主要原因是什么？答：（1）由于激光化学气相沉积中的加热非常局域化，因此其反应温度可以达到很高。
（2）在激光化学气相沉积中可以对反应气体预加热，而且反应物的浓度可以很高，来自于基片以外的污染很小。
（3）对于成核，表面缺陷不仅可起到通常意义下的成核中心作用，而且也起到强吸附作用，因此当激光加热时会产生较高的表面温度。
（4）由于激光化学气相沉积中激光的点几何尺寸性质增加了反应物扩散到反应区的能力，因此它的沉积率比传统化学气相沉积高出几个数量级。
但是，激光化学气相沉积中局部高温在很短时间内只局限在一个小区域，因此它的沉积率由反应物的扩散以及对流所限制。
8、限制激光化学气相沉积沉积率的参数主要有哪些？答：反应物起始浓度、惰性气体浓度、表面温度、气体温度、反应区的几何尺度等。
9、紫外线光致分解沉积系统的优点是什么？答：（1）真空紫外线可以在没有任何吸收损失的条件下被直接引向窗口; （2）在窗口处可避免薄膜沉积；（3）没有光线直接到达基片。
第三章1、解释PECVD沉积过程的两种模型答：（1）光和团簇助化学气相沉积，其沉积率为6nm/min ，这里等离子体和基片不接触。
（2）等离子体助化学气相沉积，在此过程中，在感应加热等离子体附近的辉光放电等离子体和基片相接触，沉积率为50nm/min。
2、何为电镀？答：电镀是电流通过在导电液（称为电解液）中的流动而产生化学反应，最终在阴极上（电解）沉积某一物质的过程。
3、在水溶液中，离子被沉积到薄膜以前经历了哪几个过程？答：①去氢；②放电；③表面扩散；④成核、结晶。
4、电镀法的优缺点有哪些？答：电镀法的优点是（1）薄膜的生长速度较快；（2）基片可以是任意形状，这是其他方法所无法比拟的。
