薄膜物理复习提纲

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1、薄膜物理复习资料 特别鸣谢江流同学0 绪论1. 薄膜的定义。由原子、分子或离子沉积在基片上所形成的二维材料。2. 薄膜的分类，从功能和应用领域、电导率、磁导率三个不同方面来分，可分为？按功能和应用领域分为：（1） 电学薄膜：导电、电阻、半导体、介电、压电、铁电、超导、光电、传感、磁电、光能、电光。（2） 光学薄膜：减反射、反射、分光滤光、光存储。（3） 工程薄膜：耐腐蚀、防磨损、热传导、润滑。（4） 生物医学薄膜：抗菌杀毒、生物活性（5） 装饰包装薄膜：金、仿金TiN、铝箔按电导率（）分有：（1） 金属薄膜 （2）半导体薄膜 （3）绝缘体薄膜 （4）超导体薄膜 （5）光电薄膜等按磁导率（u）分

2、有：（1）磁性薄膜 （2）非磁性薄膜1 真空技术基础第一节 真空的基本知识1. 真空的定义，真空状态下的气体处于平衡时，描述气体性质的气体状态方程为？所谓真空是指低于一个大气压的气体空间P=nkT 或 2. 真空的单位有哪些？相互之间的换算关系为？帕斯卡（Pa） 托（Torr） 1Torr=133.322Pa毫米汞柱（mmHg） 1mmHg=133.322Pa巴（bar） 1bar=3. 真空度（或真空区域）的划分，及各区域真空的应用？粗真空105102Pa 获得压力差低真空10210-1Pa 真空热处理高真空10-110-6Pa 真空镀膜超高真空10-60Pa 表面研究4. 气体与蒸气的区分

3、？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蒸汽。温度高于临界温度的气态物质称为气体，低于临界温度的气态物质称为蒸汽第二节 第三节 真空的获得1. 前级泵、次级泵的概念？能使压力从一个大气压力开始变小，进行排气的泵常称为前级泵；另一些却只能从较低压力抽到更低压力，这些真空泵常称为次级泵2. 主要真空泵的排气原理及工作范围？（见表1-3）第四节 真空的测量1. 常见的几种真空计的工作原理及测量范围？（表1-6）2. 热偶真空计的工作原理？电离真空规的工作原理？热偶真空计是利用低压强下气体的热传导与压强有关的原理

4、制成的真空计。电离真空计是目前测量高真空的主要仪器，它是利用气体分子电离的原理来测量真空度。 2真空蒸发镀膜2-1 真空蒸发原理1. 真空蒸发镀膜的定义？真空蒸发镀膜是在真空室中，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，形成蒸气流，入射到固体（称为衬底或基片）表面，凝结形成固态薄膜的方法。2. 真空蒸发的特点与蒸发过程？特点：设备比较简单、操作容易；制成的薄膜纯度高、质量好，厚度可较准确控制；成膜速率快、效率高，用掩模可以获得清晰图形；薄膜的生长机理比较单纯。蒸发过程：（1）加热蒸发过程。（蒸发材料加热） （2）气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运，即这些粒子在环境气

5、氛中的飞行过程。（蒸发粒子的运输） （3）蒸发原子或分子在基片表面上的淀积过程，即是蒸汽凝聚、成核、核生长、形成连续薄膜。（蒸发粒子在基片的成膜）3. 饱和蒸汽压和蒸发温度的定义？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称为该物质的饱和蒸气压。已经规定物质在饱和蒸气压为托时的温度，称为该物质的蒸发温度。2-2 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布1. 蒸发理论的三点假设？（1） 蒸发原子或分子与残余气体分子间不发生碰撞；（2） 在蒸发源附近的蒸发原子或分子之间也不发生碰撞；（3） 蒸发淀积到基板上的原子不发生再蒸发现象，即第一次碰撞就凝结于基板表面上。2. 点蒸发源的膜厚

6、分析？3. 小面蒸发源的膜厚分析？2-3 蒸发源的类型1. 蒸发源常用的加热方式有？电阻法、电子束法、高频法2. 什么是电阻蒸发源？对电阻蒸发源材料的五点要求是？采用高熔点金属，做成适当形状的蒸发源，其上装入待蒸发材料，让电流通过，对蒸发材料进行直接加热蒸发，五点要求：（1）熔点要高 （2）饱和蒸气压低 （3）化学性能稳定 （4）具有良好的耐热性，热源变化时，功率密度变化较小 （5）原料丰富，经济耐用3. 一句话简述电子束蒸发源的加热原理？ 电子束加热原理是基于电子在电场作用下，获得动能轰击到处于阳极的蒸发材料上，使蒸发材料加热气化，而实现蒸发镀膜2-5 膜厚和淀积速率的测量与监控1. 形状膜

7、厚、质量膜厚、物性膜厚的定义是？通常三者的大小关系是？试举两例每种膜厚的测试方法？（表2-8）形状膜厚是和面之间的距离质量膜厚是和面之间的距离 物性膜厚是和面之间的距离3 溅射镀膜3-1 溅射镀膜的特点1. 溅射镀膜的特点（1） 任何物质均可以溅射（2） 溅射膜与基板之间的附着性好（3） 溅射镀膜密度高（4） 膜厚可控性和重复性好3-2 溅射的基本原理1. 结合图示解释直流辉光放电的伏安特性曲线被分为哪些区域？有何特点？磁控溅射是利用伏安特性曲线的那一放电区域进行溅射？磁控溅射是利用环状磁场控制下的辉光放电区域进行溅射2. 溅射阈值、溅射率的定义为？所谓溅射阈值是指使靶材原子发生溅射的入射离子

8、所必须具有的最小能量溅射率是描述溅射特性的一个最重要物理参量，它表示正离子轰击靶阴极时，平均每个正离子能从阴极上打出的原子数。又称溅射产频额或溅射系数3. 动量转移理论是如何解释溅射过程的？动量转移理论认为，低能离子碰撞靶时，不能从固体表面直接溅射出原子，而是把动量转移给被碰撞的原子，引起晶格点阵上原子的链锁式碰撞。结果晶体表面的原子从邻近原子那里得到愈来愈大的能量，如果这个能量大于原子的结合能，原子就从固体表面被溅射出来。动量转移理论能很好地解释热蒸发理论所不能说明如溅射率与离子入射角的关系，溅射原子的角分布规律等规律。3-2 溅射镀膜类型1. 常见的溅射镀膜类型有哪些？ 二极溅射、三极或四

9、极溅射、磁控溅射（高速低温溅射）、对向靶溅射、射频溅射、 反应溅射、偏压溅射2. 请结合图示解释二极直流溅射、偏压溅射、射频溅射、磁控溅射结构及原理。 4 离子束镀膜4-1 离子镀原理1. 请给出直流二级型离子镀装置的示意图及其原理。图2-60 给出了直流二极离子镀装置的示意图。当真空室抽至10-4Pa的高真空后，通入惰性气体（如氩气），接通高压电源，则在蒸发源与基片之间建立起一个低气压气体放电的等离子体区。由于基片处于（电压）负高压并被等离子体包围，不断受到正离子的轰击，因此可有效地清除基片表面的气体和污染物，使成膜过程中膜层表面始终保持清洁状态，镀材气化蒸发后，蒸发粒子进人等离子区，与等离

10、子区中的正离子和被激活的惰性气体原子以及电子发生碰撞，其中一部分蒸发粒子被电离成正离子，正离子在负高压电场加速作用下，沉积到基片表面成膜。离子镀中膜层的成核与生长所需的能量，不是靠加热方式获得，而是由离子加速的方式来激励的。被电离的镀材离子和气体离子一起受到电场的加速，以较高的能量轰击基片或镀层表面，这种轰击作用一直伴随着离子镀全过程。它是在真空条件下，应用气体放电实现镀膜，即在真空室中使气体或被蒸发物质电离，在气体离子或被蒸发物质离子的轰击下，同时将蒸发物或其反应产物蒸镀在基片上。由于基片是阴极，蒸发源为阳极，因此，在膜材原子沉积的同时，还存在着正离子对基片的溅射作用。显然，只有当沉积作用超

11、二溅射的剥离作用时才能发生薄膜的沉积。 4.2离子镀特点1. 与蒸发和溅射相比，离子镀的特点有哪些？（共六点）（1） 膜层附着性能好（2） 膜层的密度高（通常与大块材料密度相同）（3） 绕射性能好（4） 可镀材质范围广泛（5） 有利于化合物膜层的形成（6） 淀积速率高，成膜速度快，可镀较厚的膜4-3 离子轰击的作用1. 离子轰击对薄膜生长的影响？（1） 消除柱状晶粒（2） 降低薄膜内应力（3） 增加反应程度和速度6 薄膜的形成6-1 凝结过程1. 解释名词：凝结过程：凝结过程是从蒸发源中被蒸发的气相原子、离子或分子入射到基体表面之后，从气相到吸附相，再到凝结相的一个相变过程悬挂键（不饱和键）：

12、固体表面与体内在晶体结构上一个重大差异就是原子或分子间的结合化学键中断。原子或分子在固体表面形成的这种中断键称为不饱和键或悬挂键物理吸附：吸附仅仅是由原子电偶极矩之间的范德华力起作用称为物理吸附化学吸附：吸附是化学键结合力起作用则称为化学吸附吸附能：伴随吸附现象的发生而释放的一定的能量称为吸附能解吸能：除掉被吸附气相原子的能量称为解吸能2. 入射到基体表面上的气相原子在表面上形成吸附原子后将怎样运动？（P145，表面扩散过程）入射到基体表面上的气相原子在表面上形成吸附原子后，它便失去了在表面法线方向的动能，只具有与表面水平方向相平行运动的动能。依靠这种动能，吸附原子在表面上作不同方向的表面扩散

13、运动。在表面扩散过程中，单个吸附原子间相互碰撞形成原子对之后才能产生凝结。因此在研究薄膜形成过程时所说的凝结就是指吸附原子结合成原子对及其以后的过程。所以吸附原子的表面扩散运动是形成凝结的必要条件。6-2 核形成与生长1. 薄膜的形成与成长有哪几种形式？（1）岛状形式 （2）单层成长形式 （3）层岛结合形式2. 简述核形成与生长的物理过程（附图）。 （1）从蒸发源蒸发出的气相原子入射到基体表面上，其中有一部分因能量较大而弹性反射回去，另一部分则吸附在基体表面上。在吸附的气相原子中有一小部分因能量稍大而再蒸发出去。 （2）吸附气相原子在基体表面上扩散迁移，互相碰撞结合成原子对或小原子团并凝结在基

14、体表面上。 （3）这种原子团和其他吸附原子碰撞结合，或者释放一个单原子。这个过程反复进行，一旦原子团中的原子数超过某一个临界值，原子团进一步与其他吸附原子碰撞结合，只向着长大方向发展形成稳定的原子团。含有临界值原子数的原子团称为临界核，稳定的原子团称为稳定核。 （4）稳定核再捕获其他吸附原子，或者与入射气相原子相结合使它进一步长大成为小岛。6-3 薄膜形成过程与生长模式1. 岛状薄膜的形成过程可分为哪几个主要阶段？（1） 岛状阶段（2） 联并阶段（3） 沟道阶段（4） 连续模阶段7 薄膜的结构与缺陷7-1 薄膜的结构1.薄膜的组织结构有哪几种？（1）无定形结构 （2）多晶结构 （3）纤维结构

15、（4）单晶结构2.简述名词：无定形结构：从原子排列情况来看它是一种近程有序结构。多晶结构：多晶结构薄膜是由若干尺寸大小不等的晶粒所组成。纤维结构：纤维结构薄膜是晶粒具有择优取向的薄膜。7-2 薄膜的缺陷1. 薄膜中的缺陷有哪几种？（1）点缺陷 （2）位错 （3）晶粒间界 （4）层错缺陷2. 引起位错的原因通常有？ （1）基体引起的位错 （2）小岛的聚结7-3 薄膜结构与组分的分析方法1. X 射线衍射法的原理及应用。（见课件）X 射线衍射法(XRD)中随分析样品的不同又分为劳埃法（适合单晶），旋转晶体法（粉末材料和薄膜）以及粉末法（粉体材料）。旋转晶体法适合于分析薄膜样品，其工作原理如图6-1

16、。图6-1中的 X 射线束是专用的 X 射线管中发射的具有一定波长的特征 X 射线。常用的几种特征 X 射线是 Al 的 K射线 (8.34)、Cu的K射线(1.542)、Cr的 K射线(2.29)、Fe的 K射线(1.94)。当X射线沿某方向入射某一晶体的时候，晶体中每个原子的核外电子产生的相干波彼此发生干涉，当每两个相邻波源在某一方向的光程差（）等于波长的整数倍时，它们的波峰与波峰将互相叠加而得到最大限度的加强。这种波的加强叫做衍射，相应的方向叫做衍射方向，在衍射方向前进的波叫做衍射波在晶体的点阵结构中，具有周期性排列的原子或电子散射的次生 x 射线间相互于涉的结果，决定了 X 射线在晶体

17、中衍射的方向。通过对衍射方向的测定，可以得到晶体的点阵结构、晶胞大小和形状等信息。 应用：定性分析物相；定量分析物相；测定结晶度；测定宏观应力；测定晶粒大小；确定晶体点阵参数；测定薄膜厚度4. X射线光电子能谱法的原理及应用。（老师说185到187页上都要看一下，PPT上没有打字太麻烦，烦请大家这部分看书）5. 列举几种能测量薄膜结构的测试方法？列举几种能测量薄膜中元素成分及化学状态的测试方法？测量薄膜结构：X射线衍射法；电子衍射法；扫描电子显微镜分析法测量薄膜中元素成分及化学状态：扫描电子显微镜分析法；俄歇电子能谱法；X射线光电子能谱法；二次离子质谱法8 薄膜的性质8-1 薄膜的力学性质1.

18、 薄膜在基片表面的附着通常有哪几种附着类型？附着的机理是什么？（a）简单附着（b）扩散附着（c）通过中间层附着（d）宏观效应附着等。从微观方面研究认为，附着的机理是吸附。根据吸附能大小的不同，可分为物理吸附和化学吸附。2. 应力、内应力的定义？可以测量内应力的方法有哪些？应力：在材料内部单位面积上的作用力称为应力，用s表示。内应力：如果应力是由薄膜本身原因引起的则称为内应力。薄膜内应力的测量方法，大致可分为两种：即测量晶格畸变和测量基体变形。 在测量晶格畸变时均采用x射线衍射法。在测量基体变形时采用圆形基片或短条形基片。3. 有哪些理论解释内应力的生成？(1)热收缩效应(2)相转移效应(3)空

19、位的消除(4)表面张力(表面能)和表面层(5)表面张力和晶粒间界弛豫(6)界面失配(7)杂质效应(8)原子、离子埋入效应8-2 金属薄膜的电学性质1. 连续金属膜的导电性质的特点有哪些？(1) 薄膜电阻率与薄膜厚度有密切关系，随膜厚的增大电阻率逐渐减小并趋于稳定值。 (2) 薄膜电阻率始终大于块金属箔电阻率。 (3) 薄膜电阻率的温度系数与膜厚有关。(4) 薄膜电阻率受时间或温度影响发生不可逆变化。 (5) 薄膜电阻率与晶粒尺寸有关。 (6) 其它还有：薄膜霍耳系数与膜厚有关；薄膜热电势与膜厚有关；薄膜的磁阻与磁场有关等。2. 连续金属膜的形状效应是指？ 定义1：在连续金属膜中导电性质与薄膜厚度有关的现象称为形状效应。定义2：薄膜厚度对导电电子平均自由程的几何限制称为连续金属膜的形状效应。 4. 有哪些理论可解释不连续金属膜的导电机理？ （1）热电子发射理论 （2）激活隧道效应理论