2008春季学期 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dω(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

cosddp2. 气体分子的平均自由程概念及其与压强关系的表达式？

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，平均自由程与分子密度n和分子直径σ的平方成反比关系 平均自由程与压强成反比，与温度成正比。

3．通常对蒸发源材料的要求？

(1) 熔点要高

(2) 饱和蒸气压低

(3) 化学性质稳定，在高温下不与蒸发材料发生化学反应

(4) 具有良好的耐热性，热源变化时，功率密度变化很小

(5) 原料丰富，经济耐用

4. 如何解决蒸发过程中的分馏问题？

(1) 使用较多的物质作为蒸发源，尽量减少组元成分的相对变化率

(2) 采用向蒸发容器中不断地，但每次仅加入少量被蒸发物质的方法

(3) 利用加热不同温度的双蒸发源或多蒸发源的方法，分别控制和调节每个组元的蒸发速率，此方法用得较为普遍

采用真空蒸发法制作预定组成的薄膜，经常采用瞬时蒸发法、双蒸发源法及合金升华法

5. 简述激光蒸发法的特点？

(1) 激光加热可以达到极高的温度，可蒸发任何高熔点的材料，且可获得很高的蒸发速率

(2) 由于采用非接触式加热，激光器可以安放在真空室外，既完全避免了蒸发源的污染，又简化了真空室，非常适宜在高真空下制备高纯薄膜

(3) 利用激光束加热能够对某些化合物或合金进行闪烁蒸发，有利于保证膜成分的化学计量比或防止分解；又由于材料气化时间短促，不足以使四周材料达到蒸发温度，所以激光蒸发不易出现分馏现象

6．简述蒸发镀膜相比溅射镀膜工艺的特点？

溅射镀膜与真空镀膜相比，有如下特点：

(1) 任何物质均可以溅射，尤其是高熔点、低蒸气压元素和化合物。不论是金属、半导体、绝缘体、化合物和混合物等，只要是固体，不论是块状、粒状的物质都可以作为靶材

(2) 溅射膜与基板之间的附着性好

(3) 溅射镀膜密度高，针孔少，且膜层的纯度较高，因为在溅射镀膜过程中，不存在真空蒸镀时无法避免的坩埚污染现象

(4) 膜厚可控性和重复性好；可在较大面积上获得厚度均匀的薄膜

7. 为什么射频辉光放电的击穿电压和维持放电的工作电压均降低？

产生射频放电时，外加电压的变化周期小于电离和消电离所需时间(一般在10-6秒左右)，等离子体浓度来不及变化。由于电子的质量小，很容易跟随外电场从射频场中吸收能量并在场内作振荡运动。因此增加了气体分子的碰撞几率，并使电离能力显著提高

射频辉光放电的击穿电压只有直流辉光放电的1/10

射频辉光放电可以在较低的压力下进行。直流辉光放电常在1-10Pa运行，射频辉光放电可以在 10-2~ 10-1Pa运行 n221PkT228. 简述CVD反应的基本类型？

a. 热分解反应

b. 还原或置换反应

c. 氧化或氮化反应

d. 歧化反应

9. 简述任何CVD所用的反应体系，都必须满足的基本条件?

(1) 在沉积温度下，反应物必须有足够高的蒸气压，要保证能以适当的速度被引入反应室

(2) 反应产物除了所需要的沉积物为固态薄膜之外，其他产物必须是挥发性的

(3) 沉积薄膜本身必须具有足够低的蒸气压，以保证在整个沉积反应过程中都能保持在受热的基体上；基体材料在沉积温度下的蒸气压也必须足够低

10. 简述胶体制备的一般条件，及主要制备方法？

(1) 分散相在介质中的溶解度须极小

(2) 必须有稳定剂存在

制备方法：

(1) 还原法 主要用于制备各种金属溶胶

(2) 氧化法 用硝酸等氧化剂氧化硫化氢水溶液，可制得硫溶胶

(3) 水解法 多用来制备金属氢氧化物溶胶

(4) 复分解反应法 常用来制备盐类的溶胶

四、证明下列公式

饱和蒸气压与温度的关系可表示为

试证明之

证明：

dG = VdP-SdT

Vmc与Vmv相比，可以忽略，对于理想气体： Vmv ＝ RT/P

RHTdPd/1lndTSdPVdTSdPVmmmcmcmmmcmmcmVSVVSSdTdPmSTHmVTHdTdPRHTdPd/1ln

五、计算题

已知在1350 K的温度下，Al-2%Cu合金(Al 98%, Cu 2%)在PAl=2×10-4Pa, PCu=10-3Pa，

计算它们的蒸发速率之比 (MAl= 27.0 MCu= 63.7)。(10分)

解：

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。

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。

AlCuCuAlCuAlCuAlMMPPWWGG05.15277.631010229834