薄膜物理与技术基本概念常识大全

薄膜物理基础知识大全 第一章：最可几速度：平均速度：均方根速度：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；其统计平均值成为平均自由程。

常用压强单位的换算 1Torr=133.322 Pa 1 Pa=7.5×10-3 Torr 1 mba=100Pa 1atm=1.013*100000Pa 真空区域的划分、真空计、各种真空泵 粗真空 1×105 to 1×102 Pa 低真空 1×102 to 1×10-1 Pa 高真空 1×10-1 to 1×10-6 Pa 超高真空 <1×10-6 Pa 旋转式机械真空泵 油扩散泵 复合分子泵属于气体传输泵，即通过气体吸入并排出真空泵从而达到排气的目的 分子筛吸附泵 钛升华泵 溅射离子泵 低温泵属于气体捕获泵，即通过各种吸气材料特有的吸气作用将被抽气体吸除，以达到所需真空。

不需要油作为介质，又称为无油泵 绝对真空计：U 型压力计、压缩式真空计 相对真空计：放电真空计、热传导真空计、电离真空计机械泵、扩散泵、分子泵的工作原理，真空计的工作原理 第二章： 1.什么是饱和蒸气压、蒸发温度？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来的压力 规定物质在饱和蒸气压为10-2Torr 时的温度 2. 克-克方程及其意义？ 3.蒸发速率、温度变化对其影响？根据气体分子运动论，在气体压力为P 时，单位时间内碰撞单位面积器壁上的分子数量，即碰撞分子流量（通量或蒸发速率）J ：蒸发源温度微小变化就可以引起蒸发速率的很大变化4.平均自由程与碰撞几率的概念。

蒸发分子在两次碰撞之间所飞行的平均距离MRTM RT mkTv m 41.122===MRTM RT m kT v a 59.188===ππMRTM RT m kT v r 73.133===PkT22πσλ=()s g vv V V T H dT dP -=RTH C P v v -=ln热平衡条件下，单位时间通过单位面积的气体分子数为5.点蒸发源和小平面蒸发源特性？能够从各个方向蒸发等量材料的微小球状蒸发源称为点蒸发源（点源）。

这种蒸发源的发射特性具有方向性，使得在alpha 角方向蒸发的材料质量和cos(alpha) 成正比。

6.拉乌尔定律？如何控制合金薄膜的组分？在定温下，在稀溶液中，溶剂的蒸气压等于纯溶剂蒸气压乘以溶液中溶剂的物质的量分数在真空蒸发法制作合金薄膜时，为保证薄膜组成，经常采用瞬时蒸发法、双蒸发源法等。

7.MBE的特点？(分子束外延)外延: 在一定的单晶材料衬底上，沿衬底某个指数晶面向外延伸生长一层单晶薄膜。

1)MBE可以严格控制薄膜生长过程和生长速率。

MBE虽然也是以气体分子论为基础的蒸发过程，但它并不以蒸发温度为控制参数，而是以四极质谱、原子吸收光谱等近代分析仪器，精密控制分子束的种类和强度。

2)MBE是一个超高真空的物理淀积过程，即不需要中间化学反应，又不受质量输运的影响，利用快门可对生长和中断进行瞬时控制。

薄膜组成和掺杂浓度可以随源的变化作迅速调整。

3)MBE的衬底温度低，降低了界面上热膨胀引入的晶格失配效应和衬底杂质对外延层自掺杂扩散的影响。

4)MBE是一个动力学过程，即将入射的中性粒子（原子或分子）一个一个地堆积在衬底上进行生长，而不是一个热力学过程，所以它可以生长普通热平衡生长难以生长的薄膜。

5)MBE生长速率低，相当于每秒生长一个单原子层，有利于精确控制薄膜厚度、结构和成分，形成陡峭的异质结结构。

特别适合生长超晶格材料。

6)MBE在超高真空下进行，可以利用多种表面分析仪器实时进行成分、结构及生长过程分析，进行科学研究。

8.膜厚的定义？监控方法？厚度：是指两个完全平整的平行平面之间的距离。

理想薄膜厚度：基片表面到薄膜表面之间的距离。

监控方式见书上详解P50第二章：1.溅射镀膜与真空镀膜相比，有何特点？1)任何物质都可以溅射，尤其是高熔点金属、低蒸气压元素和化合物；2)溅射薄膜与衬底的附着性好；3)溅射镀膜的密度高、针孔少，膜层纯度高；4)膜层厚度可控性和重复性好。

5)溅射设备复杂，需要高压装置；6)成膜速率较低（0.01-0.5 m）。

2.正常辉光放电和异常辉光放电的特征？在正常辉光放电区，阴极有效放电面积随电流增加而增大，从而使有效区内电流密度保持恒定。

当整个阴极均成为有效放电区域后，只有增加阴极电流密度，才能增大电流，形成均匀而稳定的“异常辉光放电”，并均匀覆盖基片，这个放电区就是溅射区域。

3.射频辉光放电的特点？i.在辉光放电空间产生的电子可以获得足够的能量，足以产生碰撞电离；ii.由于减少了放电对二次电子的依赖，降低了击穿电压；iii.射频电压可以通过各种阻抗偶合，所以电极可以是非金属材料。

4. 溅射的概念及溅射参数。

溅射是指荷能粒子轰击固体表面（靶），使固体原子或者分子从表面射出的现象。

1) 溅射阈值2) 溅射率及其影响因素 3) 溅射粒子的速度和能量分布 4) 溅射原子的角度分布 5) 溅射率的计算5.溅射机理溅射现象是被电离气体的离子在电场中加速并轰击靶面，而将能量传递给碰撞处的原子，导致很小的局部区域产生高温，使靶材融化，发生热蒸发。

溅射完全是一个动量转移过程该理论认为，低能离子碰撞靶时，不能直接从表面溅射出原子，而是把动量传递给被碰撞的原子，引起原子的级联碰撞。

这种碰撞沿晶体点阵的各个方向进行。

碰撞因在最紧密排列的方向上最有效，结果晶体表面的原子从近邻原子得到越来越多的能量。

当原子的能量大于结合能时，就从表面溅射出来 6.二极直流溅射、偏压溅射、三极或四极溅射、射频溅射、磁控溅射、离子束溅射系统的结构和原理 二极直流溅射：是依赖离子轰击阴极所发射的次级电子来维持辉光放电 靶与基板的距离以大于阴极暗区的3-4倍为宜。

直流二极溅射 射频二极溅射偏压溅射：结构、基片施加负偏压。

三极或四极溅射：热阴极发射的电子与阳极产生等离子体 靶相对于该等离子体为负电位、为使放电稳定，增加第四个电极——稳定化电极射频溅射：等离子体中的电子容易在射频场中吸收能量并在电场内振荡，与工作气体的碰撞几率增大，从而使击穿电压和放电电压显著降低。

磁控溅射：使用了磁控靶在阴极靶的表面上形成一个正交的电磁场。

溅射产生的二次电子在阴极位降区内被加速成为高能电子，但是它并不直接飞向阳极，而在电场和磁场的作用下作摆线运动。

高能电子束缚在阴极表面与工作气体分子发生碰撞，传递能量，并成为低能电子。

离子束溅射系统：离子束由惰性气体或反应气体的离子组成，离子能量高，它们打到由薄膜材料构成的靶上，引起靶原子溅射，并在衬底上形成薄膜。

第四章：1. 离子镀膜系统工作的必要条件？ 1)造成一个气体放电的空间；2) 将镀料原子(金属原子或非金属原子)引进放电空间，使其部分离化。

2. 离子镀膜的原理及薄膜形成条件？ 淀积过程μ为淀积原子在基片表面的淀积速率；ρ为薄膜质量密度；M 为淀积物质的摩尔质量；N A 阿佛加德罗常数。

溅射过程：j 是入射离子形成的电流密度3. 离子镀膜技术的分类？ 按薄膜材料气化方式分类：jn n >41060AN n Mρμ-=316219100.6310/1.610j j n j cm s --==⨯⋅⨯电阻加热、电子束加热、高频感应加热、阴极弧光放电加热等。

按原子或分子电离和激活方式分类：辉光放电型、电子束型、热电子型、电弧放电型、以及各种离子源。

4. 直流二极离子镀、三极和多阴极离子镀、活性反应离子镀、射频离子镀的原理和特点？直流二极离子镀：利用二极间的辉光放电产生离子、并由基板所加的负电压对其加速 轰击离子能量大，引起基片温度升高，薄膜表面粗糙，质量差；工艺参数难于控制。

附着力方面优于其它的离子镀方法。

三极和多阴极离子镀： 1) 可实现低气压下的离子镀膜。

真空度比二级型离子镀的真空度大约高一个数量级。

所以，镀膜质量好，光泽致密2) 通过改变辅助阴极(多阴极)的灯丝电流来控制放电状态。

3)避免了直流二极型离子镀溅射严重、成膜粗糙、温升高而难以控制的弱点。

活性反应离子镀：在离子镀膜基础上，若导入与金属蒸气起反应的气体，如O2、N2、C2H2、CH4等代替Ar 或掺入Ar 之中，并用各种不同的放电方式使金属蒸气和反应气体的分子、原子激活、离化、使其活化，促进其间的化学反应，在基片表面就可以获得化合物薄膜，这种方法称为活性反应离子镀法。

特点： 1) 电离增加了反应物的活性，在温度较低的情况下就能获得附着性能良好的碳化物、氮化物薄膜。

2) 可以在任何材料上制备薄膜，并可获得多种化合物薄膜。

3) 淀积速率高。

4)调节或改变蒸发速率及反应气体压力可以十分方便地制取不同配比、不同结构、不同性质的同类化合物。

5) 由于采用了大功率、高功率密度的电子束蒸发源，几乎可以蒸镀所有金属和化合物。

6)清洁，无公害。

射频离子镀：（1）以蒸发源为中心的蒸发区； （2）以线圈为中心的离化区；（3）以基板为中心，使生成的离子加速，并沉积在基板 特点: a) 蒸发、离化、加速三种过程可分别独立控制，离化率靠射频激励，而不是靠加速直流电场，基板周围不产生阴极暗区。

b) 在10-1-l0-3 Pa 的较低工作压力下也能稳定放电，而且离化率较高，薄膜质量好。

c) 容易进行反应离子镀。

d) 和其它离子镀方法相比，基板温升低而且较容易控制。

第五章: 1. CVD 热力学分析的主要目的？预测某些特定条件下某些CVD 反应的可行性（化学反应的方向和限度）。

2. CVD 过程自由能与反应平衡常数的过程判据？ 小于零则反应3.CVD 热力学基本内容？反应速率及其影响因素？反应动力学是一个把反应热力学预言变为现实，使反应实际进行的问题；它是研究化学反应的速度和各种因素对其影响的科学。

反应速率τ是指在反应系统的单位体积中，物质（反应物或产物）随时间的变化率。

较低衬底温度下， τ随温度按指数规律变化。

11()nmP i j i j K P P ===∏∏生成物（反应物）2.3log r PG RT K ∆=-较高衬底温度下，反应物及副产物的扩散速率为决定反应速率的主要因素。

4.热分解反应、化学合成反应及化学输运反应及其特点？热分解反应（吸热反应）：该方法在简单的单温区炉中，在真空或惰性气体保护下加热基体至所需温度后，导入反应物气体使之发生热分解，最后在基体上沉积出固体图层。

化学合成反应:指两种或两种以上的气态反应物在热基片上发生的相互反应。

化学合成反应法比热分解法的应用范围更加广泛。

可以制备单晶、多晶和非晶薄膜。

容易进行掺杂。

化学输运反应:将薄膜物质作为源物质（无挥发性物质），借助适当的气体介质与之反应而形成气态化合物，这种气态化合物经过化学迁移或物理输运到与源区温度不同的沉积区，在基片上再通过逆反应使源物质重新分解出来5.CVD的必要条件？1)在沉积温度下，反应物具有足够的蒸气压，并能以适当的速度被引入反应室；2)反应产物除了形成固态薄膜物质外，都必须是挥发性的；3)沉积薄膜和基体材料必须具有足够低的蒸气压6.什么是冷壁CVD？什么是热壁CVD？特点是什么？冷壁CVD：器壁和原料区都不加热，仅基片被加热，沉积区一般采用感应加热或光辐射加热。