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薄膜材料与薄膜技术答案薄膜材料与薄膜技术(答案)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。
《薄膜光学与技术》期末测验试题A答案————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：2012-2013学年第1学期《薄膜光学与技术》期末考试试题（A 卷）参考答案及评分标准一、填空题 （每空1分，共24分）1、在折射率为3.5的基底表面镀单层减反射膜，对于4000nm 的光波，理论上能达到最佳减反射效果的薄膜折射率为： 1.8708 ，需要镀制的薄膜光学厚度为 1000 nm 。
2、若薄膜的折射率为n ，光线在薄膜内的折射角为θ，则s 、p 光的修正导纳分别为 ncos θ 、 n/cos θ 。
3、对于波长为λ的光来说，单层膜的光学厚度每增加 λ/4 ，薄膜的反射率就会出现一次极值变化。
当薄膜的折射率小于基底折射率时，出现的第一个反射率极值是 极小 （极大、极小）值。
4、虚设层的形成条件是： 薄膜的光学厚度等于半波长的整数倍 。
5、周期性对称膜系(pqp)s 的等效折射率和 基本周期/pqp 的等效折射率完全相同，其等效位相厚度等于 基本周期的s 倍 。
6、折射率为n 1，光学厚度为λ0/4，基底的折射率为n s ，那么，该单层膜与基底的组合导纳为： s n n Y 217、介质高反射膜的波数宽度仅与两种膜料的 折射率 有关，折射率 差值越大 ，高反射带越宽。
8、热偶真空规是通过测量温度达到间接测量 真空 的目的。
9、镀膜室内真空度高表明气体压强 小 ，真空度低则气体压强 大 。
10、薄膜几何厚度的监控通常用 石英晶振 膜厚仪来实现，光学厚度常常采用 光电 膜厚仪来监控。
11、采用PVD 技术制造薄膜器件时，薄膜折射率的误差主要来自三个方面： 膜层的聚集密度 、 膜层的微观组织物理结构 、 膜层的化学成分 。
12、改善膜层厚度均匀性的措施包括 旋转夹具 和 膜层厚度调节板 。
13、采用光电极值法监控膜厚，如果需要镀制光学厚度为900nm 的薄膜，在500-700nm 范围内，可以选取的监控波长为 600 和 514.3 nm 。
《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。
《薄膜材料及其制备技术》试题——材料科学与工程学院20XX 级研究生1， 在T=291K 时，水的表面张力系数（或表面能）10.073N m s -=?，63118.01610v m mol a --=醋，如果水滴半径810r m -=，请计算此时的蒸汽压'p （用p 表示）以及水滴内外压强差p D 。
（10分）2， 设T 温度下的过饱和蒸气压为'p ，该温度下的饱和蒸气蒸气为p 。
试证明：过饱和气体发生凝聚时，凝聚体单位体积自由能变化为ln('/)B V k T G p p va D =- （v α为凝聚体单个原子或分子的体积）。
（10分）3， 试从微观键能的观点证明：描述浸润问题的Young 方程cos LV SV SL s q s s =- 可以近似写作2cos 2LL LS u u q = （其中，LL u 为单位面积的液相原子之间的键能；LS u 为固-液界面上单位面积的固-液原子之间的键能）。
（10分）4，请论述真空度对成膜质量的影响。
（10分）5，衬底温度（即生长温度）是如何影响薄膜生长模式的？（10分）6，论述晶格失配（既失配应力）与薄膜生长模式的关系。
（10分）7，论述衬底表面对形核难易程度：凹面>平面>凸面。
即凹面处最容易形核，而凸面处最难形核。
（10分）8，试解释层状生长（即二维成核）机理与Step-flow生长机理，并进一步论证高温时薄膜倾向于step-flow生长。
（10分）9，自行查找文献，举例说明一至二种薄膜生长的原位观测或检测手段。
（10分）10，自行查找文献，阐述一至二种薄膜生长技术及其特点，并举例讲述其具体制备薄膜的实例及成膜质量。
（10分）。
薄膜材料与技术考试题及答案解析一、单项选择题（每题2分，共20分）1. 薄膜材料的厚度一般在什么范围内？A. 1mm以上B. 1μm以上C. 1nm以上D. 1mm以下答案：D2. 下列哪种材料不属于半导体材料？A. 硅B. 锗C. 铜D. 砷化镓答案：C3. 薄膜制备技术中，哪种方法可以用于制备绝缘膜？A. 磁控溅射B. 化学气相沉积C. 物理气相沉积D. 以上都可以答案：D4. 薄膜材料的应力状态可以分为哪两种？A. 压缩应力和拉伸应力B. 表面应力和内部应力C. 热应力和机械应力D. 静态应力和动态应力答案：A5. 薄膜材料的附着力通常通过哪种测试来评估？A. 硬度测试B. 拉伸测试C. 剪切测试D. 弯曲测试答案：C6. 薄膜材料的光学性能不包括以下哪一项？A. 透光率B. 反射率C. 导电性D. 折射率答案：C7. 以下哪种技术常用于制备金属薄膜？A. 电镀B. 热蒸发C. 激光切割D. 化学镀答案：B8. 薄膜材料的表面粗糙度通常用哪种仪器测量？A. 扫描电子显微镜B. 原子力显微镜C. 透射电子显微镜D. 光学显微镜答案：B9. 薄膜材料的热稳定性通常通过哪种测试来评估？A. 热重分析B. 差示扫描量热法C. 热膨胀系数测试D. 以上都可以答案：D10. 薄膜材料的电导率与哪些因素有关？A. 材料类型B. 厚度C. 表面处理D. 以上都是答案：D二、多项选择题（每题3分，共15分）1. 薄膜材料的制备方法包括哪些？A. 化学气相沉积B. 物理气相沉积C. 溶液法D. 机械加工答案：ABC2. 薄膜材料的应用领域包括哪些？A. 电子行业B. 航空航天C. 医疗器械D. 建筑行业答案：ABCD3. 薄膜材料的性能测试通常包括哪些方面？A. 力学性能B. 电学性能C. 热学性能D. 光学性能答案：ABCD4. 薄膜材料的应力来源可能包括哪些？A. 制备过程中的热应力B. 材料内部的残余应力C. 外部环境的机械应力D. 材料的热膨胀系数差异答案：ABCD5. 薄膜材料的表面特性包括哪些？A. 表面粗糙度B. 表面张力C. 表面能D. 表面电荷答案：ABCD三、简答题（每题10分，共30分）1. 简述薄膜材料在电子行业中的主要应用。
薄膜及涂层材料试卷（A）答案一、填空题（共30分，每空1分）1、液相外延、气相外延、分子束外延2、输送式真空泵、捕获式真空泵3、热应力、生长应力（或本征应力）4、同质外延、异质外延5、层状生长模式、岛状生长模式、层状－岛状生长模式6、气相传输、气相反应阶段；表面吸附、表面反应的阶段7、奥斯瓦尔德（Ostward）吞并过程、熔结过程、原子团的迁移8、热解反应、还原反应、氧化反应、置换反应、歧化反应、气相输送反应9、平界面、形成化合物的界面、合金扩散的界面、机械咬合界面10、光学干涉法、微平衡称重法、石英晶体振荡法二、简答题（共70分）1、真空蒸发装置主要包括哪些类别？选择三种典型蒸发装置，比较其原理、特点和适用领域。
（8分）答：在蒸发沉积装置中，最重要的组成部分就是物质的蒸发源，根据其加热原理，可以分为以下几种。
电阻式蒸发装置，电子束蒸发装置，电弧蒸发装置，激光蒸发装置，空心阴极蒸发装置。
（2分）（1）电子束蒸发装置原理：在电子束加热装置中，被加热的物质被放置于水冷的坩埚中，电子束只轰击到其中很少的一部分物质，而其余的大部分物质在坩埚的冷却作用下一直处于很低的温度，即后者实际上变成了被蒸发物质的坩埚。
因此，电子束蒸发沉积装置中可以安置多个坩埚，这使得人们可以同时分别蒸发和沉积多种不同的物质。
电子束蒸发的特点和适用领域：工作真空度比较高，可与离子源联合使用；可用于粉末、块状材料的蒸发；可以蒸发金属和化合物；可以比较精确地控制蒸发速率；电离率比较低。
（2分）（2）电弧蒸发装置原理：把将要蒸发的材料制成放电电极（阳极，位于蒸发靶靶头位置），薄膜沉积前，调节电极（被蒸发材料）和引弧针头之间的距离，至一合适范围。
薄膜沉积时，施加于放电电极和引弧针头之上的工作电压将两者之间的空气击穿，产生电弧，而瞬间的高温电弧使得电极端部（被蒸发材料）受热产生蒸发，从而实现物质的沉积。
控制电弧点燃的次数或时间，即可以沉积出一定厚度的薄膜。
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n221πσλ=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AB B A B A B A M M W W P P G G ⋅⋅=T M P G A A A '058.0=T M P G B B B '058.0=B A B A B A M M P P G G ''=A A A P X P ='BA AA n n n X +=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 (M Ni = 58.7 M Cr = 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。
B B B P X P ='B A B B n n n X +=B A B A B A P P n n P P ⋅=''BB A A B A B A M n M n m m W W ==A B B A B A B A M M W W P P P P ⋅⋅=''A B B A B A B A M M W W P P G G ⋅⋅=Cr Ni Ni Cr Ni Cr Ni Cr M M P P W W G G ⋅⋅=7.20.527.581108020≈⋅⋅=。
