薄膜物理与技术A卷答案

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：

1

、22n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。

《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。

薄膜物理与技术重点汇编

真空基础

1、薄膜的定义

2、真空如何定义（概念）？

利⽤外⼒将⼀定密闭空间内的⽓体分⼦移⾛，使该空间内的⽓压⼩于 1 个⼤⽓压，则该空间内的⽓体的物理状态就被称为真空。

注意：真空，实际上指的是⼀种低压的、稀薄的⽓体状态，⽽不是指“没有任何物质存在”！ 3、真空的分类？真空区域划分？有哪些单位制？如何换算？

真空可分为：

→→→→atm 760/1 mmHg 1 torr 1mmHg in /lbf 1 PSI 1FPS dyne/cm 10 bar 1 CGS m /N 1 Pa 1SI MKS 2262＝＝制）毫末汞柱制（＝制）

英制（＝制）

厘⽶克秒制（＝制）制，即国际单位制（ 1 N ＝105 dyne ＝0.225 lbf 1 atm ＝760 mmHg （torr ）＝1.013×105 Pa ＝

1.013 bar

4、真空泵可分为哪两⼤类？简述包括的常⽤真空泵类型及其⼯作压强范围。

5、分析说明实⽤的真空抽⽓系统为什么往往需要多种真空组成复合抽⽓系统？

从⼤⽓压⼒开始抽⽓，没有⼀种真空泵可以涵盖从1 atm到10-8Pa的⼯作范围，真空泵往往需要多种泵组合构成复合抽⽓系统，实现以更⾼的抽⽓效率达到所需的⾼真空！

6、按测量原理真空计如何分类？

7、真空与薄膜材料制备有何关系？

⼏乎所有的现代薄膜材料制备都需要在真空或较低的⽓压条件下进⾏，都涉及真空下⽓相的产⽣、输运和反应过程。了解真空的基本概念和知识，掌握真空的获得和测量技术基础知识

是了解薄膜材料制备技术的基础！

8、⽓体分⼦平均⾃由程概念

半导体薄膜技术与物理复习资料

第一章真空技术

1、真空的定义：真空是指在给定的空间内压力低于一个大气压的稀薄气体

状态。

2、真空度：通常用压强为单位来描述“真空”状态下的气体稀薄程度——

真空度。（压强高则真空度低，压强低则真空度高）

3、真空度单位：

毫米汞柱（mmHg）托（Torr）帕斯卡（Pa）巴（bar）

单位之间的换算： 1 Pa =1 牛顿/米2=1 千克/米*秒2=10 达因/cm2=0.0075 Torr

4、真空不同分区的特点：在气压高于10 Torr 的真空范围区域，气体性质和常压，气流特性也以分子间的碰撞为主;当压力渐渐减小，分子密度降低，平均自由程增加，分子间的碰撞开始减少；当达到高真空区域，真空特性以

气体分子和真空器壁的碰撞为主；在超高真空区，气体分子在空间活动减少，而以在固体表面上吸附停留为主。

5、常用的真空泵：机械运动——机械泵、涡轮分子泵

蒸气流喷射——扩散泵

化学吸附——吸气剂泵：升华泵

吸气剂离子泵：溅射离子泵

6、一般机械泵的极限真空度为0.1Pa, 可以在大气中与大气相连工作。

7、扩散泵使用注意事项：

A.扩散泵不能单独工作，一定要用机械泵作为前级泵，并使系统抽到0.1Pa 量级时才能启动扩散泵。

B.泵体要竖直，按规定量加油和选用加热电炉功率。

C.牢记先通冷却水，后加热。结束时则应先停止加热，冷却一段

时间后才能

关闭。

8、常用真空计：热电偶真空计、电阻真空计、热阴极电离真空计、冷阴极

电离真空计、电容薄膜真空计、压缩式真快计、压敏真空计（记住常用的三

种即可以了）。

9、真空系统的质量：指系统真空度的好坏，特别是系统内所含水蒸气与油污染的程度。

第一章真空技术基础

1、膜得定义及分类。

答：当固体或液体得一维线性尺度远远小于它得其她二维尺度时，我们将这样得固体或液体称为膜。通常，膜可分为两类：

（1）厚度大于1mm得膜，称为厚膜；

（2）厚度小于1mm得膜，称为薄膜。

2、人类所接触得真空大体上可分为哪两种？

答：（1）宇宙空间所存在得真空，称之为“自然真空”；（2）人们用真空泵抽调容器中得气体所获得得真空，称之为“人为真空”。

3、何为真空、绝对真空及相对真空？

答：不论哪一种类型上得真空，只要在给定空间内，气体压强低于一个大气压得气体状态，均称之为真空。完全没有气体得空间状态称为绝对真空。目前，即使采用最先进得真空制备手段所能达到得最低压强下，每立方厘米体积中仍有几百个气体分子。因此，平时我们所说得真空均指相对真空状态。

4、毫米汞柱与托？

答：“毫米汞柱（mmHg）”就是人类使用最早、最广泛得压强单位，它就是通过直接度量长度来获得真空得大小。1958 年，为了纪念托里拆利，用“托（Torr）”，代替了毫米汞柱。1 托就就是指在标准状态下，1 毫米汞柱对单位面积上得压力，表示为1Torr=1mmHg。

5、真空区域就是如何划分得？

答：为了研究真空与实际使用方便，常常根据各压强范围内不同得物理特点，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与（4）超高真空：< 1´10-6Pa。

6、真空各区域得气体分子运动规律。

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）低真空就是气体分子得流动逐渐从黏滞流状态向分子状态过渡，气体分子间与分子与器壁间得碰撞次数差不多；（3）高真空时，气体分子得流动已为分子流，气体分子与容器壁之间得碰撞为主，而且碰撞次数大大减少，在高真空下蒸发得材料，其粒子将沿直线飞行；（4）在超高真空时，气体得分子数目更少，几乎不存在分子间得碰撞，分子与器壁得碰撞机会也更少了。

薄膜物理与技术

薄膜物理与技术

第⼀章

1、真空：低于⼀个⼤⽓压的⽓体空间。P1

2、真空度与压强的关系：真空度越低，压强越⾼。P1

3、1Torr = 1/760 atm =133.322Pa.（或1Pa=7.5×10-3Torr）P2

4、平均⾃由程：每个分⼦在连续两次碰撞之间的路程。P5

5、余弦定律：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。P7

6、极限压强（或极限真空）：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。P7

7、抽⽓速率：在规定压强下单位时间所抽出⽓体的体积，它决定抽真空所需要的时间。P7

8、机械泵的原理：利⽤机械⼒压缩和排除⽓体。P8

9、分⼦泵的⼯作原理：靠⾼速转动的转⼦碰撞⽓体分⼦并把它驱向排⽓⼝，由前级泵抽⾛，

⽽使被抽容器获得超⾼真空。P13

第⼆章

1、真空蒸发镀膜的三个基本过程：P17

（1）加热蒸发过程：……

（2）⽓化原⼦或分⼦在蒸发源与基⽚之间的输运：……

（3）蒸发原⼦或分⼦在基⽚表⾯上的淀积过程：……

2、为什么真空蒸发镀膜的三个过程必须在空⽓⾮常稀薄的真空环境中进⾏？P18

答：如果不是真空环境，蒸发物原⼦或分⼦将与⼤量空⽓分⼦碰撞，使膜层受到严重污染，甚⾄形成氧化物；或者蒸发源被加热氧化烧毁；或者由于空⽓分⼦的碰撞阻挡，难以形成均匀连续的薄膜。

3、饱和蒸⽓压：在⼀定温度下，真空室内蒸发物质的蒸⽓与固体或液体平衡过程中所表现

出的压⼒。P18

4、蒸发温度：物质在饱和蒸⽓压为10-2托时的温度。P18

薄膜物理与技术

薄膜物理与技术

Physics and Technology of Thin Films

课程编号：07370110

学分：2

学时：30（其中：讲课学时： 30 实验学时：0 上机学时：0）

先修课程：⼤学物理，普通化学

适⽤专业：⽆机⾮⾦属材料⼯程（光电材料与器件）

教材：《薄膜物理与技术》，杨邦朝，王⽂⽣主编，电⼦科技⼤学出版社，1994年1⽉第1版

开课学院：材料科学与⼯程学院

⼀．课程的性质与任务

薄膜科学是现代材料科学中及其重要且发展⾮常迅速的⼀个分⽀，已成为微电⼦学、固体发光、光电⼦学等新兴交叉学科的材料基础，同时薄膜科学研究成果转化为⽣产⼒的速度愈来愈快，国内外对从事薄膜研发和⽣产的⼈才需求也⽇益强劲。本门课程就是为适应学科发展，学⽣适应市场需求⽽设置的专业课程。

课程的基本任务是：

1、基本掌握各种成膜技术的基本原理和⽅法；

2、了解并初步掌握薄膜的形成、结构与缺陷，薄膜的电学、⼒学、半导体、磁

学等物理性质。

⼆．课程的基本内容及要求

第⼀章真空技术基础

1、教学内容

（1）真空的基本知识

（2）稀薄⽓体的基本性质

（3）真空的获得及测量

2、教学要求

理解真空的基本知识和稀薄⽓体的基本性质，掌握真空的获得、主要⼿段和真空度策略⽅法，了解实⽤真空系统。

第⼆章真空蒸发镀膜

1、教学内容

（1）真空蒸发原理

（2）蒸发源的蒸发特性及膜厚分布

（3）蒸发源的类型

（4）合⾦及化合物的蒸发

（5）膜厚和沉积速率的测量与监控

2、教学要求

掌握真空蒸发原理，掌握真空镀膜的特点和蒸发过程，理解饱和蒸汽压和蒸发源的发射特性，熟练掌握蒸发速率、薄膜厚度的测量和控制，了解蒸发镀膜的常⽤⽅法（电阻加热和电⼦束加热），了解合⾦膜及化合物摸的蒸镀。

1.1薄膜概述

作业题：什么是薄膜

1.薄膜的定义（1）：由单个的原子、离子、原子团无规则地入射到基板表面，经表面附着、迁徙、凝结、成核、核生长等过程而形成的一薄层固态物质。

定义（2）：采用特定的制备方法在基板表面上生长得到的

一薄层固态物质。

·薄膜的尺度：通常：薄膜< 1μm 厚膜>10μm

·微电子电路的工艺有哪些方法实现？

答：光刻、镀膜、电子束。

1.2 薄膜结构和缺陷

作业题：蒸发薄膜微观结构随基片温度的变化如何改变？

低温时，扩散速率小，成核数目有限，形成不致带有纵向气孔的葡萄结构;随着温度升高，扩散速率增大，形成紧密堆积纤维状晶粒然后转为完全之谜的柱状晶体结构;温度再升高，晶粒尺寸随凝结温度升高二增大，结构变为等轴晶貌。

其他：

·薄膜主要缺陷类型及特点？

薄膜的缺陷分为:点缺陷(晶格排列出现只涉及到单个晶格格点，典型构型是空位和填隙原子，点缺陷不能用电子显微镜直接观测到，点缺陷种类确定后，它的形成能是一个定值)、位错(在薄膜中最常遇到，是晶格结构中一种“线性”不完整结构，位错大部分从薄膜表面伸向基体表面，并在位错周围产生畸变)、晶格间界(薄膜由于含有许多小晶粒，故晶粒间界面积比较大)和层错缺陷(由原子错排产生，在小岛间的边界处出现，当聚合并的小岛再长大时反映层错缺陷的衍射衬度就会消失)。·薄膜晶粒织构（组织结构）模型：（能区分）

·薄膜结构是指哪些结构？其特点是什么？

（1）薄膜结构：组织结构（包含无定形结构、多晶结构、纤维结构、单晶结构）、晶体结构、表面结构。（2）特点：组织结构：薄膜的结晶形态