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。 >10-1Pa

② 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

③ 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量气体分子。 10-8—10-5Pa 真空规测量气压的范围：

① 热偶真空规和皮拉尼真空规（相对真空计） 10-2—102Pa

② 电离真空规（相对真空计） 10-7—10-2Pa

③ 薄膜真空规（绝对真空计） 10-3—105Pa

3． 气体流动状态的划分：（克努森准数λD

Kn ，D 是气体容器的尺寸，λ是平均自由程）

①分子流状态（Kn<1）；②过渡状态（Kn ＝1—100）；③粘滞流状态（Kn>100）

4． 概念。

平均自由程：气体分子在两次碰撞的间隔时间里走过的平均距离。

通量：气体分子对于单位面积表面的碰撞频率。

流导：真空管路中气体的通过能力。

平衡蒸气压：一定温度下，蒸发气体与凝聚相平衡过程中所呈现的压力。

形核率：单位面积上，单位时间内形成的临界核心的数目。

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。

等离子体辅助化学气相沉积（PECVD ）：在低压化学气相沉积过程进行的同时，利用辉光放电等离子体对沉积过程施加影响。

5． 对元素蒸发速率影响最大的因素是蒸发源所处的温度。当环境中元素分压小于平衡蒸气

压时，就发生元素的净蒸发。

6． 溅射法工作于气体的异常辉光放电阶段，这一放电阶段等离子存在的区域为面积较大、

分布较均匀。溅射法使用最广泛的溅射气体为Ar 。对于金属材料可采用直流或射频溅射法，对非金属材料可采用射频溅射法。在溅射系统中，可以在进样室通过反溅对衬底进行预处理，通常采用射频溅射，对置于阴极的衬底进行反溅。

电弧蒸发法工作于气体的弧光放电阶段

7． 真空系统设计的一个基本原则：确保真空管路的流导C 大于真空泵的理论抽速S p 。利用

理论抽速为S p 的真空泵通过流导为C 的管路抽除真空容器中的气体（C=2S p ），则真空容器出口处的实际抽速S 最大为 2/3 S p ，最小为0。 实际抽速最大值：C

S C S p Q S p p +== 8． 制备完整单晶薄膜的沉积条件是较高的沉积温度和较低的气相过饱和度，其生长模式为

层状生长模式。

外延生长（在完整的单晶衬底上延续生长单晶薄膜）条件：较高的衬底温度和较低的沉积速率。

9． 熔结过程中原子的扩散机制有两种，即体扩散机制和表面扩散机制。其中表面扩散机制

对熔结过程的贡献更大一些。

10． 合金组元蒸发速率之比：A

B B B B A A A A B M M 0p x 0p x M M )(γ)(γφφ==B A

B A p p p A ：合金中A 的平衡蒸气压； p A (0)：纯组元A 的平衡蒸气压；x A ：合金中A 的摩尔分数；γA —A 的活度系数；M A ：A 的相对原子质量。 注意A 和B 的位置

11． 点蒸发源衬底上沉积物的质量密度：2

r M dA dM e s s π4θcos = 面蒸发源衬底上沉积物的质量密度：2r

M dA dM e s s πφcos θcos = θ：衬底表面法线与空间角方向间的偏离角度

Φ：平面蒸发源法线与接收平面中心和平面源中心连线之间的夹角

r ：衬底与蒸发源距离 M e ：蒸发物质总量

膜厚：s s dA dM ρ=t 最大膜厚2

e 0h M πρ4=t 点蒸发源的膜厚分布：2

32])(1[1h

l t t 0+= 面蒸发源的膜厚分布：22])(1[1h l t t 0+=

厚度均匀性的改善方法：

① 加大蒸发源到衬底的距离

② 转动衬底

③ 面蒸发源和衬底表面置于同一个圆周上（同时需要沉积的样品较多、尺寸较小时）

0r r 21cos cos ≈=θφ 2

024r M r M dA dM e e s s ππφcos θcos ≈= 12． 真空蒸发装置按蒸发源的加热原理可分为：电阻式蒸发*、电子束蒸发*、电弧蒸发、激

光蒸发*、空心阴极蒸发。

13． 等离子体鞘层及其电位分布：

14． 辉光放电属于非弹性碰撞。电子将大部分能量转移给其他质量较大的粒子，引起其激

发或电离。

15． 溅射产额的影响因素：①入射离子能量；②入射离子种类和被溅射物质种类；③离子

入射角度；④靶材温度。

溅射阈值：只有当入射离子能量超过一定的阈值以后，才能溅射。

16． 主要溅射方法有：①直流溅射*；②射频溅射*；③磁控溅射*；④反应溅射；⑤离子束

溅射。

其他PVD 方法：①离子镀*（结合蒸发与溅射技术）；②反应蒸发沉积；③离子束辅助沉积；④离化团束沉积；⑤等离子体浸没式离子沉积。

17． 蒸发法：被蒸发物质多处于熔融状态，本身会发生扩散、对流，表现出很强的自发均匀

化的倾向。

溅射法：靶物质的扩散能力弱。由于溅射产额差别造成的靶材表面成分的偏离很快就会使靶材表面成分趋于某一平衡成分，从而在随后的溅射过程中实现一种成分的自动补偿效应。

溅射沉积法的主要特点：

① 沉积原子的能量较高，因此薄膜的组织更致密、附着力也可以得到显著改善； ② 制备合金薄膜时，其成分的控制性能好；

③ 溅射的靶材可以是极难熔的材料。溅射法可以方便地用于高熔点物质的薄膜制备。 ④ 可利用反应溅射技术，从金属元素靶材制备化合物薄膜。

⑤ 被沉积原子携带一定能量，有助于改善薄膜的覆盖能力，降低薄膜表面的粗糙度。

18． 电子束蒸发、磁控溅射的原理；射频溅射的原理。

19． 化学气相沉积反应的类型：

① 热解反应。氢化物、羰基化合物和有机金属化合物。多晶Si 、非晶Si 和Ni 薄膜的

沉积。