《薄膜材料与薄膜技术》复习题.docx

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《薄膜材料与薄膜技术》复习题

《薄膜材料与薄膜技术》复习题

1.薄膜材料与体材料的联系与区别。

1.薄膜所用原料少，容易大面积化，而且可以曲面加工。

例：

金箔、饰品、太阳能电池，GaN，SiC，Diamond

2.厚度小、比表面积大，能产生许多新效应。

如：

极化效应、表面和界面效应、耦合效应等。

3.可以获得体态下不存在的非平衡和非化学计量比结构。

如：

Diamond:

工业合成,2000℃，5.5万大气压,CVD生长薄膜:

常压，800度.MgxZn1-xO:

体相中Mg的平衡固溶度为0.04,PLD法生长的薄膜中，x可0~1.

4.容易实现多层膜，多功能薄膜。

如：

太阳能电池、超晶格：

GaAlAs/GaAs

5.薄膜和基片的粘附性，一般由范德瓦耳斯力、静电力、表面能（浸润）和表面互扩散决定。

范德瓦耳

2.真空度的各种单位及换算关系如何？

●1pa=1N/m2（1atm）≈1.013×105Pa（帕）

●1Torr≈1/760atm≈1mmHg

●1Torr≈133Pa≈102Pa

●1bar=0.1MPa

3.机械泵、扩散泵、涡轮分子泵和低温泵的工作原理是什么？

旋片式机械泵

工作过程：

1.气体从入口进入转子和定子之间

2.偏轴转子压缩空气并输送到出口

3.气体在出口累积到一定压强，喷出到大气

工作范围及特点：

Atmosphereto10-3torr

耐用，便宜

由于泵的定子、转子都浸入油中，每周期都有油进入容器，有污染。

要求机械泵油有低的饱和蒸汽压、一定润滑性、黏度和高稳定性。

油扩散泵

1.加热油从喷嘴高速喷出，气体分子与油分子碰撞实现动量转移，向出气口运动，或溶入油中，油冷凝后，重新加热时，排出溶入的气体，并由出气口抽出；

2.需要水冷，前级泵

3.10-3to10-7Torr（to10-9Torr，液氮冷阱）

优点：

耐用、成本低，抽速快无震动和声音

缺点：

油污染

涡轮分子泵特点：

1.气体分子被高速转动的涡轮片撞击，向出口运动

2.多级速度：

30,000-60,000rpm.转子的切向速度与分子运动速率相当

3.Atmosphereto10-10Torr

4.启动和关闭很快

5.无油，有电磁污染

6.噪声大、有振动、比较昂贵.

低温泵（Cryopump）特点：

1.利用20K以下的低温表面来凝聚气体分子实现抽气，是目前最高极限真空的抽气泵；

2.可对各种气体捕集，凝结在冷凝板上，所以工作一段时间后必须对冷凝板加热“再生”；

3.“再生”必须彻底；

4.加热“再生”温度>200°C烘烤除去吸附的气体

5.无油污染；

6.制冷机式低温泵运作成本低，较常采用。

4.为什么薄膜的主要PVD制备技术要在真空中完成？

真空的特点是a气体分子的平均自由程大

b单位面积上分子与固体表面碰撞的频率小

c气体分子密度低

d剩余气体对沉积膜的掺杂

想要得到高纯度的薄膜，就必须尽量在较高真空度的环境下，或是在不会与薄膜材料产生反应的氩气等的惰性气体中进行。

e改变反应进程

薄膜要求密致，纯度高，针孔小，然后真空可以提高沉积速率，降低对薄膜的污染

5.哪些是有油真空泵，哪些是无油真空泵？

无油泵有哪些主要点？

机械泵和扩散泵是有油泵，涡轮分子泵，罗兹泵，离子泵，钛升华泵无有油，

6.叙述热偶规、电离规测量真空度的原理和使用必须的注意事项。

7.什麽是CVD和PVD薄膜制备技术？

8.CVD过程自由能与反应平衡常数的过程判据是什么？

9.写出CVD沉积Si、SiO2、Si3N4、GaAs薄膜的反应方程？

各采用什么类型的CVD装置？

10.CVD薄膜沉积的必要条件是什么？

11.说出APCVD、LPCVD、PECVD的原理和特点。

12.什么是化学镀？

它与化学沉积镀膜的区别？

有何特点？

13.电镀与化学镀有何区别？

有那些主要应用？

14.Sol-Gel成膜技术的特点和主要工艺过程是什么？

15.说出四种以上薄膜的化学制备方法和四种以上物理制备方法？

16.什么是饱和蒸气压？

与蒸发温度的关系怎样？

17.温度变化对蒸发速率有何影响？

18.蒸发时如何控制合金薄膜的组分？

19.膜厚的主要监控方法有哪些？

20.什麽是辉光放电？

它有哪些主要应用领域？

21.溅射镀膜与真空镀膜相比，有何特点？

22.溅射率的大小与那些因素有关？

以Ar为溅射源，常温下能获得

较高溅射率的合适的溅射能量、溅射角度在什么范围？

23.什麽是直流溅射？

什麽是射频溅射？

比较它们在原理、结构与使用方面的异同点。

24.溅射率的大小主要有哪五种因素决定？

沉积率的大小又有哪些因素决定？

25.试述磁控溅射的机理，主要优点是什麽？

26.什麽是反应溅射？

如何合理控制反应溅射条件得到需要的薄膜？

27.多源蒸发与多靶溅射有哪些重要的用途？

为了得到需要组分的多元弥散薄膜，需要如何调节？

28.离子束溅射沉积的主要优点是什么？

29.离子镀膜的原理和特点是什么？

30.离子助有那些类型，离子束增强沉积薄膜合成的原理是什么？

31.有那些薄膜外延的手段？

试比较它们的特点。

32.描述薄膜形成的基本过程。

33.什么是凝聚？

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？

34.什么是捕获面积？

对薄膜形成的影响？

35.凝聚过程的表征方法是什麽？

36.核形成与生长的物理过程。

37.核形成的相变热力学和原子聚集理论的基本内容？

38.什么是同质外延、异质外延？

失配度？

39.形成外延薄膜的条件（外延材料、衬底、保护气氛等）？

40.设计一种沉积制备Fe0.75Cr0.2Mn0.05均匀复合薄膜的合理方法。

41.设计两种制备TiN薄膜的PVD方法。

42.有哪些薄膜形貌分析的技术?

43.有哪些薄膜结构分析的技术?

44.有哪些薄膜组分分析的技术?

45.X射线衍射基于什么原理？

如何从X射线谱确定晶粒的尺寸?

46.RBS基于什么原理?

如何从产额谱确定二元合金的组分?

47.电子衍射与X射线衍射有何异同？

如何区别单晶、多晶和非晶的衍射图像？

48.用SIMS技术分析材料的组分要注意什么问题？

49.XPS和俄歇能谱适合分析材料的那些性能？

有何限制？

50.设计一套掺硼非晶硅薄膜的形貌、结构、组分、厚度的表征方法。

51.设计一套W-Ti共掺二氧化钒薄膜的形貌、结构、组分、厚度、价态的表征方法。

52.超硬材料的组成有那些规律？

53.金刚石薄膜有什么特殊性能？

如何制备？

54.类金刚石薄膜与金刚石薄膜的差别是什么？

有何应用？

55.CNx薄膜的特性和合成方法如何？

56.如何用磁控溅射制备形状记忆薄膜NiTi？

57.纳米材料有那些特殊性能？

58.举出三种三族元素氮化物薄膜，说出它们的主要制备方法。

59.三族元素氮化物的特性如何？

谈谈主要应用领域。

60.什么是巨磁电阻和庞磁电阻？

巨磁电阻薄膜有什么应用？

一、填空题（每题5分）

1.热蒸发时沉积速率的大小与、、等因素有关。

在合金材料蒸发时，为了保证蒸发膜组分与源的一致，可采用、蒸发方法。

2.分子泵是泵（有油、无油），常用，等低真空泵的作其前级泵；分子泵正常使用时，腔体真空度必须达到时才能与分子泵连通。

在分子泵停止转动后，冷却水和机械泵可以关闭。

3.核形成有两种主要理论：

和。

凡是自发的相变都应伴随者体系能的降低。

4.写出外延沉积Si薄膜的三种化学反应：

、

、；

用Si3N4薄膜可用以下反应生成：

。

5.Pa，Torr，atm都是真空的量度单位。

1N/m2=Pa；

1　atm=　　　　　　　Pa；1Torr=mmHg=Pa。

6.化学气相沉积是常用的薄膜制备方法，根据气压、温度等不同的工艺条件，发展了多种CVD方法，如：

、、

、等。

7.X射线衍射峰的极大值满足布拉格公式，它的形式为：

，

式中，θ为与的夹角；利用谢乐公式：

由X射线谱可计算晶粒的大小，其中B为衍射峰。

8.溶胶-凝胶是一种化学成膜方法，它的成膜工艺包括：

、

、、、

等主要工艺过程。

9.机械泵是低真空泵，常用作，等高真空泵的前级泵；为了防止油对样品的污染，常用，等无油泵作高真空泵；在扩散泵停止后，应当保持冷却水畅通，在分钟后可以关闭冷却水和机械泵。

10.薄膜制备的常用物理沉积方法有：

、、

、；常用的化学制备方法有：

、、等。

11.溅射率的大小与、、等因素有关。

常用的溅射角θ在范围，常用的溅射能量在范围。

12.化学气相沉积必须具备的三个条件是：

、

、

13.薄膜沉积的临界厚度大小决定於沉积速率、样品温度、是否加电场及样品片的倾斜程度等。

为了获得厚度均匀的超薄连续膜，通常采用：

的沉积速率（高或低）、的样品温度（高或低）、静电场（加或不加）和沉积（倾斜或垂直）。

14.常用的薄膜结构分析方法有：

、、；

常用的厚度测量方法有：

、、；

方法测得的是薄膜的形状厚度，方法测得的是薄膜的光学厚度，而方法测得的是薄膜的质量厚度。

二、概念题（每题10分）

1.叙述电离规测量真空度的原理和电离规的使用注意事项。

2.溅射率与那些因素有关？

对一定的溅射材料，如何选择合适的溅射条件得到最大的溅射率？

3.可用那些方法测量薄膜的厚度？

薄膜厚度的随线检测常用石英晶体振荡器，它的厚度检测原理是什么？

4.简要叙述薄膜的主要生长过程。

5.什麽是化学镀？

它与电镀成膜的主要差别什麽？

如何在塑料的非金属材料表面用化学镀方法镀金属层？

6.金刚石薄膜与类金刚石薄膜的主要结构差别是什么？

在其制备过程中原子H起什么作用？

7.叙述热偶规、电离规测量真空度的原理和注意事项。

8.写出CVD沉积Si、SiO2、Si3N4、GaAs薄膜的反应方程？

9.Sol-Gel成膜技术的特点和主要工艺过程是什么？

10.蒸发与溅射有什么区别？

各自的成膜特点是什么？

11.电镀与化学镀有何区别？

有那些主要应用？

12.超硬材料的组成有那些规律？

13.说出APCVD、LPCVD、PECVD的原理和特点。

14.金刚石薄膜与类金刚石薄膜的主要结构差别是什么？

在其制备过程中原子H起什么作用？

三、设计题（每题10分）

1.优质光学透明薄膜ITO由掺8%左右Sn的In2O3构成，Sn的In2O3的熔点1913oC,密度为7.18g/cm3;Sn的熔点231.93oC,7.31g/cm3,用学过的知识，设计一种能制备ITO薄膜的合理工艺。

2.为了制备一种La0.9Ca0.1MnO3巨磁阻薄膜，请用一种PVD技术，设计其详细工艺过程，并说明要用的材料和该设计方案的可行性。

3.已经用磁控溅射技术在SiO2/Si衬底上沉积了NiAl合金薄膜，请设计一套表征该薄膜的表面形貌、形状厚度、结晶取向、电学性质和薄膜组分的可行方案。

4.需要制备CuInSe2薄膜，请选择最好的溅射设备，并设计溅射工艺。

5.用哪些溅射工艺可以制备掺10%Cr的TiN薄膜？

（英文版）

Tworegulationspromul