薄膜物理与技术.docx

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薄膜物理与技术

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´102Pa，

（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。

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，与化学反应相似，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与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，可以与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；通过测量与压强有关的物理量，并与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：

所测量的物理参数与气体成分无关，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）反应气体会与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，或与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与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，这里等离子体与基片不接触。

（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与基片相接触，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。

电镀法的缺点是电镀过程一般难以控制。

5、何为化学镀？

答：

不加任何电场、直接通过化学反应而实现薄膜沉积的方法叫化学镀。

化学反应可以在有催化剂存在和没有催化剂存在时发生，使用活性剂的催化反应也可视为化学镀。

6、LB膜技术所形成膜的类型有哪几种？

请画出相应膜结构。

答：

（1）如果沉积层只在基片下降时得到，这样的沉积或制造的膜称为X型；

薄膜材料与薄膜技术（答案）

（2）当基片下降或抽取时实现膜的沉积则此膜为Y型，这一类型膜为大多数研究者所研究；

薄膜材料与薄膜技术（答案）

（3）当只有当基片抽取时发生膜沉积，此时获得的膜称为Z型，这一沉积模式是不常见的。

薄膜材料与薄膜技术（答案）

10、在水溶液中，离子被沉积到薄膜以前经历的具体过程有哪些？

答：

①去氢；②放电；③