薄膜物理与技术A卷答案

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。

第三章溅射镀膜1、教学内容（1）溅射镀膜的特点和基本原理（2）溅射镀膜的类型2、教学要求掌握溅射镀膜的基本原理和特点，理解表征溅射特性的参量及其影响因素，了解溅射机理及溅射镀膜的各种类型第四章离子镀膜1、教学内容（1）离子镀的原理和特点（2）离子轰击的作用（3）离子镀的类型2、教学要求掌握离子镀的基本原理和特点，理解离子轰击的作用，了解离子镀的类型。

《薄膜物理与技术》课后小作业1．在集成电路工艺中，BPSG薄膜沉积由热化学气相沉积的方法，而不是等离子体；传统金属钨的制备采用CVD技术而不用溅射工艺。

针对这两种工艺请分别说出至少一条这样做的原因。

图例如下。

Answer：化学气相沉积工艺压力在200-600Torr之间，分子的平均自由程更小，填孔能力更好，所以BPSG薄膜制备主要采用化学气相沉积工艺方法。

除此之外，化学气相沉积工艺是热降解的工艺，没有使用射频所产生的等离子体，因而避免了等离子体引起的器件损伤。

通过沉积钨薄膜，进行回刻除去多余的钨，可以实现对垂直通孔很好的填充。

也可以避免溅射对器件的损伤。

2．作为一个完整掌握PVD和CVD能力的镀膜设备的管理者，如果需要为喷气式发动机铸造成型的合金涡轮叶片内部冷却通道及外表面镀制2微米厚的热防护氧化锆涂层，情提供合理的方案和建议。

Answer:PVD的清洁度要求更高，镀膜厚度约为2.5微米，符合要求，PVD镀膜如实地反映被镀器件的表面，不用研磨就具有很好的金属光泽；PVD无污染3．尝试介绍用于分析照相机薄膜透镜上的紫色薄膜样品的特殊结构（如薄膜厚度、形态）和化学表征（如成分）的技术，可能存在的困难有哪些？Answer：薄膜的形貌表征技术：扫描电子显微镜技术：用二次电子信号成像来观察样品的表面形态，即用极狭窄的电子束去扫描样品，通过电子束与样品的相互作用产生各种效应，其中主要是样品的二次电子发射。

二次电子能够产生样品表面放大的形貌像，这个像是在样品被扫描时按时序建立起来的，即使用逐点成像的方法获得放大像。

透射电子显微镜技术：可以看到在光学显微镜下无法看清的小于0.2um的细微结构，这些结构称为亚显微结构或超微结构。

要想看清这些结构，就必须选择波长更短的光源，以提高显微镜的分辨率。

1932年Ruska发明了以电子束为光源的透射电子显微镜，电子束的波长要比可见光和紫外光短得多，并且电子束的波长与发射电子束的电压平方根成反比，也就是说电压越高波长越短。

1、为什么要真空？真空的概念？真空的用途？答：真空蒸发、溅射镀膜和离子镀膜等常称为物理气相沉积（PVD法）是基本的薄膜制作技术。

他们均要求淀积薄膜的空间要有一定的真空度。

因此，真空技术是薄膜制作技术的基础，获得并保持所需的真空环境，是镀膜的必要条件。

所谓真空是指低于一个大气压的气体空间。

同正常的大气相比，是比较稀薄的气体状态。

粗真空（105~102Pa）：真空浸渍工艺低真空（102~10-1）：真空热处理高真空（10-1~10-6）：分子按直线飞行超高真空（< 10-6）：一得到纯净的气体；二获得纯净的固体表面2、分子的三种速率答：最可几速度：平均速度：均方根速度：3、气体的临界温度：对于每种气体都有一个特定的温度，高于此温度时，气体无论如何压缩都不会液化，这个温度称为该气体的临界温度。

利用临界温度来区分气体与液体。

高于临界温度的气态物质称为气体，低于临界温度称为蒸汽。

极限压强（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Pu，称为极限压强（或极限真空），这是该系统所能达到的最低压强，是真空系统是否满足镀膜需要的重要指标之一。

4、溅射：所谓溅射，是指何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。

5、CVD（化学气相沉积）：化学气相沉积是一种化学气相生长法，简称CVD技术。

这种方法是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，利用加热、等离子体、紫外光乃至激光等能源，借助气相作用或在基片表面的化学反应（热分解或化学合成）生成要求的薄膜。

6、薄膜的组织结构：是指它的结晶形态，分为四种类型：无定型结构、多晶结构、纤维结构和单晶结构。

7、薄膜的缺陷：在薄膜的生长和形成过程中各种缺陷都会进入到薄膜之中。

这些缺陷对薄膜产生重要的影响。

他们与薄膜制作工艺密切相关。

点缺陷：在基体温度低时或蒸发过程中温度的急剧变化会在薄膜中产生许多点缺陷，这些点缺陷对薄膜电阻率产生较大影响。

薄膜物理与技术（孙喜莲版）一：填空题1. 为了研究真空和实际使用方便，根据各压强范围内不同的物理特点，把真空划分为，，，四个区域。

2. 在真空条件下，分子的平均自由程可以与容器尺寸相比拟。

3. 列举三种气体传输泵，和。

4. 气体捕获泵是通过各种材料特有的将被抽气体吸除，以达到所需真空。

5. 真空计种类很多，通常按测量原理可分为和。

6. 气体的吸附现象可分为和。

7. 化学气相反应沉积的反应器的设计类型可分为，，和。

8 电镀方法只适用于在上沉积金属和合金，薄膜材料在电解液中是以的形式存在。

制备有序单分子膜的方法是。

9 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。

10 物理气相沉积过程的三个阶段：，和。

11.在相同条件下，小平面蒸发源的中心膜厚为点蒸发源中心膜厚的倍。

12. 在反应蒸发中，蒸汽原子与活性气体之间的反应主要发生在。

13. 溅射过程中所选择的工作区域是，基板常处于区，阴极和基板之间的距离至少应是宽度的两倍。

14. 在气体成分和电极材料一定条件下，起辉电压V只与和的乘积有关。

15.磁控溅射具有两大特点是和。

16.直流二极溅射依赖离子轰击阴极所发射的次级电子来维持。

17.射频电极在靶材上的效应使得气体离子对其自发的轰击和溅射。

18.在离子镀成膜过程中，同时存在和作用，只有当前者超过后者时，才能发生薄膜的沉积。

19 薄膜的形成过程一般分为：、、。

20 原子聚集理论中最小稳定核的结合能是以为最小单位不连续变化的。

21薄膜成核生长阶段的高聚集来源于：、、。

这些结论假设凝聚系数为常数，基片具有原子级别的平滑度。

22 薄膜生长的三种模式有、、。

23 在薄膜中存在的四种典型的缺陷为：、、和。

24 列举四种薄膜组分分析的方法：、、和。

25 电子衍射图案对于单晶衍射为，精细多晶为，大晶粒多晶且包含织构为。

26 红外吸收是由引起变化的分子振动产生的，而拉曼散射则是由引起变化的分子振动产生的。

由于作用的方式不同，对于具有对称中心的分子振动，不敏感，敏感；相反，对于具有反对称中心的分子振动，敏感而不敏感。

薄膜物理与技术-考试重点1．真空环境的划分：①低真空（> 102Pa）；②中真空（102—10-1Pa）；③高真空（10-1—10-5Pa）；④超高真空（< 10-5Pa）真空蒸发沉积：高真空和超高真空（<10-3 Pa）溅射沉积：中、高真空（10-2—10Pa）低压化学气相沉积：中、低真空（10—100Pa）电子显微分析：高真空材料表面分析：超高真空2．为了获得高真空蒸发系统，通常采用旋片式机械泵和涡轮分子泵两级真空泵联用，其中与真空室直接相连的是涡轮分子泵。

真空泵的原理和适用范围：①旋片式机械真空泵（输运式真空泵）：依靠安置在偏心转子中的可以滑进滑出的旋片将气体隔离、压缩，然后排出泵体之外。

>10-1Pa②涡轮分子泵（输运式真空泵）：高速旋转的叶片将动量传给气体分子，并使其向特定方向运动。

10-8—1Pa 溅射离子泵（捕获式真空泵）：高压下电离的气体分子撞击Ti阴极，溅射出大量活性很高的Ti原子，以吸附或化学反应的形式捕获大核心的数目。

化学气相淀积：利用气态先驱反应物，通过原子、分子间化学反应的途径生成固态薄膜。

物理气相淀积：利用某种物理过程，实现物质原子从源物质到薄膜的可控转移的过程。

阴影效应：蒸发的物质被障碍物阻挡而不能沉积到衬底上。

溅射：离子轰击物质表面，并在碰撞过程中发生能量与动量的转移，将物质表面原子激发出来的过程。

溅射法：将被电场加速后具有一定动能的离子引向靶电极，与靶表面原子碰撞使之溅射出来，溅射原子能够沿一定方向射向衬底并沉积下来。

等离子体鞘层：等离子体相对器壁会呈正电性，在等离子体和壁之间的非电中性薄层称为鞘层。

弹性碰撞：参加碰撞的粒子的总动能和总动量保持不变，并且不存在粒子内能的变化。

溅射产额：被溅射出来的原子数与入射离子数之比。

（衡量溅射过程效率的参数）靶材的中毒：随着活性气体压力的增加，靶材表面可能形成一层相应的化合物，导致溅射和薄膜沉积速率降低。

《薄膜光学与技术》期末测验试题B答案1/7————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：（2014-2015 学年第 1 学期《薄膜光学与技术》期末考试试题（B 卷）参考答案及评分标准一、填空题（每空 1 分，共 25 分）1、薄膜是指附着于基底，且与基底不同质的 非自持性 涂层。

2、镀制单层介质薄膜时，第二次看到相同的反射色时的膜层光学厚度是第一次 看到相同的反射色时膜层光学厚度的3倍。

3、K9 玻璃上的单层 MgF 2 膜层与单层 ZrO 2 膜层具有相同的反射色调时，MgF 2 膜层的光学厚度等于（大于、小于、等于）ZrO 2 膜层的光学厚度。

4、在折射率为 3.5 的材料表面镀单层减反射膜，材料最佳的折射率为： 1.8708 。

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、按照材料状态不同，一般将薄膜分为固体薄膜、 气体 薄膜和液体薄膜三类。

7、 T orr 和 Pa 是两个常用来表示真空度的单位，它们较为准确的换算关系为：1T orr=133.3Pa 。

8、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 。

9、由于极值点的判读精度不高，因此常常采用 过正控制 、 高级次监控 、预镀监控片 等措施来提高极值法监控精度。

10、电子枪的 e 型枪是指电子束 出射后至坩埚表面的运动方向改变了 270 度。

11、请写出常用的三种金属镀膜材料： Au 、 Ag 、 Al 。

12、一般镀膜系统测量真空需要两个真空计：热电偶真空计和 电离 真空计。

13、采用光电极值法监控膜厚，监控片为 K9 玻璃（折射率为 1.52），如果要镀 制单层 ZnS 薄膜（折射率为 2.35），监控的第一个透射率极值点应该是极大值还是极小值： 极小值。

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。

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。

《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。

一、选择题:1、所谓真空, 是指：（）A.一定的空间内没有任何物质存在；B.一定空间内气压小于1个大气压时, 气体所处的物理状态；C、一定空间内气压小于1 MPa时, 气体所处的物理状态；D.以上都不对2.以下关于CVD特点的描述, 不正确的是: （）A.与溅射沉积相比, CVD具有更高的沉积速率；B、与PVD相比, CVD沉积绕射性较差, 不适于在深孔等不规则表面镀膜；C.CVD的沉积温度一般高于PVD方法；D.CVD沉积获得的薄膜致密、结晶完整、表面平滑、内部残余应力低3.关于气体分子的平均自由程, 下列说法不正确的是: （）A.气压越高, 气体分子的平均自由程越小；B.真空度越高, 气体分子的平均自由程越长；C.温度越高, 气体分子的平均自由程越长；D.气体分子的平均自由程与温度、压力无关, 取决于气体种类4、下列PECVD装置中, 因具有放电电极而存在离子轰击、弧光放电所致的电极损坏潜在风险和电极材料溅射污染薄膜问题的是：（）A.电容耦合型；B.电感耦合型；C.微波谐振型；D.以上都不对5、按真空区域的工程划分, P = 10-4 Pa时, 属于（）区域, 此时气体分子的运动以（）为主。

A.粗真空；B.低真空；C.高真空；D.超高真空；E、粘滞流；F、分子流；G、粘滞-分子流H、Poiseuille流6、下列真空计中, （）属于绝对真空计。

A.热偶真空计；B.电离真空计；C、Pirani真空计；D、薄膜真空计7、CVD沉积薄膜时, 更容易获得微晶组织薄膜的方法是：（）A.低温CVD；B.中温CVD；C.高温CVD；D.以上都不对8、下列真空泵中, （）属于气体输运泵。

A.旋片式机械泵；B、油扩散泵；C、涡轮分子泵；D、低温泵9、低温CVD装置一般指沉积温度<（）的CVD装置。

A.1000℃；B.500℃；C.900℃；D.650℃10、下列关于镍磷镀技术的说法中, 正确的是: （）A.所获得的镀层含有25wt%左右的P而非纯Ni, 所以也称NiP镀；B、低P含量的镍磷镀镀层致密, 硬度可达到与电镀硬Cr相当的水平；C.高P含量的镍磷镀镀层无磁性；D.可直接在不具有导电性的基体上镀膜11.关于LPCVD方法, 以下说法中正确的是: （）A、低压造成沉积界面层厚度增加, 因此薄膜沉积速率比常压CVD更低；B.低压造成反应气体的扩散系数增大；C.低压导致反应气体的迁移运动速度增大；D.薄膜的污染几率比常压CVD更低12.气相沉积固态薄膜时, 根据热力学分析以下说法中不正确的是: （）A.气相过饱和度越大, 固态新相形核能垒越低；B.气相过饱和度越大, 固态新相形核能垒越高；C、气相过饱和度越大, 固态新相临界晶核尺寸越大；D.固态新相的形核能垒和临界晶核尺寸只取决于沉积温度（过冷度）13、溅射获得的气相沉积原子是高能离子轰击靶材后, 二者通过级联碰撞交换能量的结果, 因此入射离子能量（）时更容易发生溅射现象。

《薄膜物理》试卷A答案及评分标准一、填空题（每空1 分，共18分）1·低于一个大气压（1分）2·热传导（1分）3·化学、范德华力、化学键结合力（3分）4·扩散附着、通过中间层附着、宏观效应附着（3分）5·岛状生长模式、层状生长模式、层岛结合生长模式（3分）6·薄膜材料晶格常数与基体材料晶格常数不匹配、薄膜中有较大的内应力和表面张力（2分） 7·空位、填隙原子、杂质原子（3分）8·本征应力、非本征应力(或热应力)（2分）二、名词解释（每个5分，共20分）气体分子的平均自由程：气体分子处于不规则的热运动状态，它除与容器壁发生碰撞外，气体分子间还经常发生碰撞。

每个气体分子在连续两次碰撞之间的平均路程称为气体分子的平均自由程。

离子镀：在真空条件下，利用气体放电使气体或被蒸发物部分离化，产生离子轰击效应，最终将蒸发物或反应物沉积在基片上。

薄膜的尺寸效应：由于薄膜的厚度有限，与块体材料比较，其几何尺寸对薄膜的特性将产生影响，这种现象称为薄膜的尺寸效应，包含厚度尺寸效应和颗粒尺寸效应。

外延生长：是一种制备单晶薄膜的新技术，它是在适当的衬底与合适条件下，沿衬底材料晶轴方向生长一层结晶结构完整的新单晶层薄膜的方法。

三、简答题（每小题8分，共24分）1·答：（1）薄膜是在基片之上生成的，基片和薄膜之间就会存在着一定的相互作用，这种相互作用通常的表现形式是附着，附着是薄膜应用的前提。

（2分）（2）由于基底的约束和薄膜生长过程中的非平衡性，薄膜中通常有较大的内应力。

附着和内应力是薄膜极为重要的固有特征。

（2分）（3）由于薄膜的厚度有限，与块体材料比较，其几何尺寸对薄膜的特性将产生影响，具有明显的尺寸效应。

（1分）（4）具有明显的表面效应和界面效应。

由于薄膜材料的表/界面积同体积之比很大，所以表面效应和界面效应很显著，表面能、表面态、表面散射、表面干涉和界面结构、界面电子态等一系列表面/界面特性对它的物性影响很大。

《薄膜光学与技术》期末考试试题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9,则s、p光的修正导纳分别为ncos9_、n/cos 9 。

3、对于波长为入的光来说，单层膜的光学厚度每增加辿，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n1,光学厚度为入0/4,基底的折射率为n s,那么，该单层膜与基底的组合导纳为：二二nf / ns _________________7、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，咼反射带越宽。

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：」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。

二、辨析题：先回答以下说法是否正确？然后说明理由或修改正确。

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。

一、填空题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。

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，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。

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。

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。

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。

第三章溅射镀膜1、教学内容（1）溅射镀膜的特点和基本原理（2）溅射镀膜的类型2、教学要求掌握溅射镀膜的基本原理和特点，理解表征溅射特性的参量及其影响因素，了解溅射机理及溅射镀膜的各种类型第四章离⼦镀膜1、教学内容（1）离⼦镀的原理和特点（2）离⼦轰击的作⽤（3）离⼦镀的类型2、教学要求掌握离⼦镀的基本原理和特点，理解离⼦轰击的作⽤，了解离⼦镀的类型。

1.简述薄膜在形成稳定核之前的生长过程？沉积原子到达基片表面，会发生三种状态。

一种是能量较大，在到达基片表面时就会发生反射离开；如果能量较低，变会停留在基片表面，而另一部分原子能量较大，在到达基片表面时，会发生表面迁移扩散。

如果扩散原子在驻留时间内不能与其它原子结合形成更大原子团，就会发生再蒸发离开基片表面，而扩散原子团在驻留时间内不能与其它原子相结合，便会发生分解。

如果表面原子或原子团在驻留时间内能与其它原子结合，便形成更大原子团；原子团继续吸附其它原子就会不断长到形成稳定核。

2.从热力学角度分析，薄膜的形核主要分哪两类？形成机制是什么？1.从热力学角度，形核主要分：自发形核和非自发形核；2.自发形核主要是由于相变自由能差导致的，而非自发形核不但受到相变自由能差的影响，还受到其它一些因素的影响，如界面，缺陷等。

3.简述扫描电子显微镜的成像原理？X射线衍射技术的基本原理？扫描电子显微镜：入射电子激发样品表面产生二次电子，由于样品表面起伏变化造成二次电子发射数目和发射角度的不同，从而形成明暗相间的衬度像。

X射线衍射技术：布拉格衍射公式。

4.简述四种薄膜的成份分析方法？1.X射线能量色散谱（EDX）；2.电子探针（EPMA）；3. 俄歇电子能谱（AES）；4. X射线光电子谱（XPS）；5. 卢瑟福背散射（RBS）; 6. 二次离子质谱（SIMS）。

任意四种。

5.薄膜的组织结构可以分为哪四类？1.无定型结构；2. 多晶结构；3. 纤维结构；4. 单晶结构；6.列举出连续薄膜形成的三种重要影响机制？奥斯瓦尔德吞并机制、熔结机制、原子团迁移机制。

下列描述不属于薄膜组织结构的是（）（1）无定形结构（2）多晶结构（3）单晶结构（4）复合结构下列仪器设备不能用于薄膜表面形貌分析的是：（1）扫描电子显微镜（2）原子力显微镜（3）透射电子显微镜（4）X射线衍射B卷：7.简述薄膜的生长过模式及主要的控制因素？生长模式：岛状生长模式、层状生长模式和岛状-层状生长模式；控制因素主要分两类：晶格失配度和基片表面（或者基片湿润性或浸润性）；8.从沉积速率和沉积温度出发，简述如何形成单晶或者粗大晶粒？如何形成多晶、微晶甚至非晶？请给出简单图示？1.提高温度或降低沉积速率可以形成单晶或者粗大晶粒；2.降低温度或提高沉积速率可形成多晶、微晶甚至非晶。