薄膜制备答案完全版

五.机械泵和分子泵的工作原理是什么?
①机械泵的工作原理
机械泵：利用机械方法使一个工作室的容积周期性地扩大与缩小来达到抽气的目的，是一
种前级泵。
机械泵
由玻意耳定律： PV = vRT = K (T )
有害空间
P1(V + ΔV ) = P0V →
P1
=
V
P0V + ΔV
n 个循环后：
Pn
=
P0
⎛ ⎜⎝ V
定量分析： E ⊥ H 如图。
电子受力为： F = −eE − e(v × H ) 设t=0 时，电子初速v0=0, 由此电子在开初不可能有vz，即vz =0 仅有vx初 ≠0, vy初 ≠0(电子在电场 E 作用下)
x
E
H
0
∴
⎧ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩
m
d2x dt 2
=
eE
−
e
dy dt
化，从而大大提高了参与反应物的活性。 因此，这些具有高反应活性的中性物质很容易被吸附到较低温度的基本表面上，发生
非平衡的化学反应沉积生成薄膜。
十一.叙述分子束外延法制备薄膜的工作原理，并画出设备结构图。
工作室真空：10-8Pa;
分子束喷射源多个;
各种监控仪等。
将物质如 Al、Ga 等掺杂剂分别放入喷射源的坩熔内，加
m
d2y dt 2
=
e
dx dt
H
m d2z = 0
H
⇒
⎧ d3x ⎪⎪⎨⎪⎪⎩mmddtd32t
=
y
2
−e =e
d2y dt2 H dx H dt
dt 2
⇒
m
d3x dt 3
=
−e2H 2 m
dx dt
令： dx = ξ , dt
ω2
=
e2H 2 m2
,
ω = eH m
∴
m
d 2ξ dt 2
+ ω2ξ
= A (-ω)sin(ωt + π ) = − Aω 2 t=0
∴ A = −E H
∴ ξ = −E cos(ωt + π ) = E sinωt = dx
H
2H
dt
∫ ∫ ∴
x=
x
dx =
t
E sin ωtdt
=
−E
t
cosωt
=
E (1-cosωt)
0
0H
Hω
0
Hω
∴
x=
mE eH 2
⎜⎝⎛1-cos
另外，电子在高频电场中的振荡可增加电离 Ar+离子的几率，从而使溅射速率提高。
十．叙述等离子体增强型化学气相沉积法制备薄膜的工作原理。 为了使化学反应能在较低的温度下进行，利用了等离子体的活性来促进反应，因而这
种 CVD 称为等离子体增强化学气相沉积(PECVD)即： 高频辉光放电形成等离子体+化学反应 = PECVD 辉光放电等离子体中： 电子密度高 (109~1012/cm3) 电子气温度比普通气体分子温度高出 10-100 倍 ∵ 虽环境温度(100-300℃)，但反应气体在辉光放电等离子体中能受激分解，离解和离
Nd
−d
=1−e l
N0
为产生镀膜效果，要求： l >> d ,
−d
即有： e l
≈1− d
d
l
∴ f = d 将 l ≈ 0.667 (cm) 代入得： f ≈ 1.5Pd
l
P
一般来说，为保证膜层质量，要求 f ≤ 10−1 ∴ P ≤ 10−1 。 若 d = 25 cm, 则: P ≤ 3×10−3 Pa 1.5d
Γ = 1 nv (s-1m−2 ) 4
n :分子数密度
v : 分子平均速率
（v =
8kT ） πm
证明如下：
设单位时间内vx~vx+dvx的分子在单位面积上碰撞的分子数为dΓ. 所以，在dt内vx~vx+dvx的分 子碰撞dS的分子数dNC为：
dNC = dΓdtdS
dS
dNC = dnx vxdtdS = nfM (vx )dvx vxdtdS
分子泵 5 Pa~ 10-8 Pa
罗茨泵 104 Pa~ 10-2 Pa
离子泵 10-3 Pa~ 10-10 Pa
扩散泵 5 Pa~ 10-6 Pa
升华泵 10-3 Pa~ 10-12 Pa
二. 推导赫兹-努曾方程, 并证明单位时间内在单位面积上碰撞的分子数为：N = PNA 2πμ RT
赫兹-努曾方程： 单位时间内在单位面积上碰撞的分子数为：
eH m
t
⎞ ⎟⎠
同理 可证：
y
=
mE eH 2
⎛ ⎜⎝
eH m
t-sin
eH m
t
⎞ ⎟⎠
九．指出采用什么溅射法制备介质膜（绝缘膜），并说明其工作原理。
样品
V
z y
绝缘介质靶
t 0 -Vb
高频电源 负半周 正半周
射频溅射(RF)可溅射镀制介质膜和金属膜,即在绝缘靶背面装上一金属电极,施加频率 为 5-30MHz 的高频电场一般采用工业频率 13.56MHz，可使溅射持续进行，其工作原理如 图所示：
子。当气体分子自由程不大于 h 时，气体分子的相互碰撞机会
比碰到转子的机会少，结果大量气体分子就因外摩擦被转子表
面所驱动，在前级端集结而被抽出。通过高速旋转的涡轮叶片，
不断地对气体分子施以定向的动量和压缩作用。
六.简述热电偶规管和电离真空规管的工作原理.
①热电偶规管的工作原理
热电偶工作原理：任何两根不同的金属如镍-康铜、铜-康铜、铂-铂铑等，当其两个接头的
=
0
其解：ξ = Acos(ωt + φ)
当 t=0 时
ξ0
=
dx dt
t=0
=
0
∴ ξ0 = Acosφ = 0
Байду номын сангаас
∴ φ=π 2
∴ ξ = Acos(ωt + π ) 2
∴ ξ = Acos(ωt + π ) dx = ξ , ω = eH
2 dt
m
而在 x 方向仅受电场力作用，所以有：
dξ = d 2x = eE dt dt2 m
V + ΔV
⎞n ⎟⎠
当 n → ∞ 则 Pn → 0
但存在有害空间，所以存在极限 Pm。抽速 S = 2ωΔV (升/秒)
因有害空间，所以实际抽速为:
SH
= S(1−
Pm ) P
∴当 P → Pm 时， SH → 0
高速旋转
②分子泵的工作原理
涡轮叶片
分子泵：是一种次级泵，包含一对间距 h 很小的定子和同轴转
3.气路要求：开始和结束时保证所有阀门都要关闭，实验过程中需要注意开关阀门次 序。
4.抽真空：开前级泵抽至低真空再开次级泵，关闭各泵之前先关对应阀门。 5.真空计：需要注意各真空计对应的量程，粗真空用热电偶真空计测量，抽真空过程 中，量程由大调小，当达到其小读数时再开电离真空计，真空计接通电源时应该确保其处 在最大量程。
要求镀膜室内残余分子的自由程大于蒸发源到基片的距离，保证镀膜的纯净与牢固。 八．叙述磁控溅射发制备薄膜的工作原理，并画出电子在圆形靶面上的运行轨迹。
在某一温度下由阴极射线管发射出高能粒子轰击靶材，通过栋梁传递的方式使靶粒子 从靶材表面逃逸出来沉积到附近的基片上形成薄膜。
定性分析：引入正交电磁场使电子作曲线运动，从而使 Ar 原子的离化率提高到 5-6％， 进而使溅射速率提高十倍以上。
kT
πm
NA
NA
4 4 kT π m
三. 证明气体分子自由程公式：
l ≈ 0.667 (cm) P
由大学物理知，气体分子平均自由程为
(室温 T=25℃=298K)
= PN A 证毕. 2πμ RT
l= 1 2πσ 2n
σ :分子直经∝10-10 m
由 n = P = 7.2×1022 P (个/米3) = 7.2×1016 P (个/厘米3)
一、填空题 真空区域划分: 粗真空 压强（Pa） 平均自由程（cm）
≥103 ≤10-4
低真空 103-10-1 10-4-5
高真空 10-1-10-6 5-105
超高真空 ≤10-6 ≥105
抽真空设备 抽气能力 (极限真空度) 抽真空设备 抽气能力 (极限真空度)
机械泵 105 Pa~ 1 Pa
设备(如 Ar 气瓶)几个部分。注意事项： 1.水路要求：保证水管与水压继电器，真空泵以及其他需要冷却的部位连接稳固，开
机前先接通水路，并保障整个实验过程中冷却水的通畅，实验完毕后待真空泵冷却后再关 水。
2.电路要求：保证各电器连通电源，开电源前和实验结束后均需保证电流，电压以及 功率调节旋钮调至最小。
热使物质熔化升华就能产生相应的分子束；
喷射源的孔径远小于容器内蒸汽分子的平均自由程；喷射
源的炉温和档板可调，从而实现成膜及掺杂精确控制。
这是目前最精确可控的成膜技术。
Sn源 Al源 Ga源
样品 档板
十二.画出制备薄膜设备系统简图,并指出设备操作注意事项. 制备薄膜设备一般包括：水路，电路，气路，真空泵，真空计，真空室以及其他附属
-+
而 le = 4 2 l,
l ≈ 0.667 (cm) ∴ Ii = d = 0.26Pd = KP
P
Ie le
K ∴ Ii = IeKP = 0.26 d IeP = C P (电离规管的特征方程)
当P>5Pa：氧化； 当P>1×10-1Pa较高真空：电离达到平衡→饱和→不能测；
当P<10-6Pa超高真空：高速电子打到加速极上→产生软X射线→X射线打到离子收集极上→
高真空下：l自由程>> r1管半经→Q3 很小,即Q3<<Q1+Q2；Q3与压强P关系弱 ∴ 不能测。
②电离真空规管的工作原理
P ∝ Ii Ie
Ii :离子收集极得到的离子流；
Ie : 加速极上得到的电子流。
灯丝(阴极) 栅极(加速极)
接真空室
离子收集极
Ii
假设：
Ii Ie
=
d le
（ le 电子自由程）
产生光电子发射→导致离子流增加→形成虚假的离子流Ii ∴不能测
∴ 电离规管的测量范围：l0-1Pa～l0-6Pa
七．叙述蒸发法制备薄膜的工作原理 蒸发法制备薄膜的工作原理是在真空中通过电流加入，电子束轰击加热和激光加热等
方法，使薄膜材料蒸发成原子或分子。它们随机较大的自由程作直线运动，碰撞基片表面 而凝结，形成薄膜。
温度不同时，出现温差电动势： ε (T1,T2 ) = e(T1) − e(T2 )
热电偶中间导体定律：在热电偶回路中，加入一根中间导体，只要中间导体两端的温度相 同，就不会影响热电动热。 在低压强下气体的热传导与压强成正比关系.
总热量的散失： Q = Q1 + Q2 + Q3 Q1 :辐射热； Q2 : 灯丝两端支撑的传热；
kT
T
T
∴ l= 1 =
T
= ≈ 0.667 (cm) ，可见：压强越小，平均自由程越大。
2πσ 2n 2πσ 2 7.2 ×1016 P
P
四.计算出薄膜制备中对真空度最低要求是多少？
−d
设N0个蒸发分子经d后未受残余气体分子碰撞的数目为： Nd = N0e l
显然，被碰撞的分子百分数
f
为：
f
=1−
dΓ = nfM (vx )vxdvx
∞
∫ Γ = 0 nfM (vx )vxdvx =
fM
(vx )
=
⎛ ⎜⎝
m 2π kT
1
⎞2 ⎟⎠
− mvx2
e 2kT
= 1 nv 证毕. 4
v xdt
∵ n = P , v = 8kT , m = μ , k = R , ∴ N = Γ = 1 nv = 1 P 8kT =
负半周时：氩离子溅射靶材，并堆积在靶面，但正离子运动相对电子运动要慢得多， 所以正氩离子堆积慢。
正半周时：电子打在靶表面上，与靶表面上的正离子Ar+中和，并堆积在靶面上，由于 电子运动快，所以堆积快。
因此，从长一段时间来看，靶材表面呈负性，即相当于靶自动地加了一个负偏压Vb， 从而靶材料能在正离子Ar+轰击下持续溅射。
接真空室
Pt
Q3 :气体分子碰撞灯丝而带走的热量 显然：Q1和Q2与压强P无关；只有Q3与压强P有关；
加热灯丝 玻璃管半经r1
压强P↑，碰撞次数↑，Q3↑，从而灯丝温度变化越大。
粗真空下：l自由程<< r1管半经→Q3 起主导作用；
K
mV
但Q3与压强P关系微弱 ∴ 不能测准。
mA
低真空下：l自由程≈r1管半经→ 仍有 Q3＞ Q1+ Q2；Q3与压强P成正比 ∴ 能测准。