化学气相沉积原理和设备复习题.docx

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化学气相沉积原理和设备复习题

1.名词解释（5小题，每题4分，共20分）

1）ChemicalVaporDeposition（CVD）：

是指在一定的温度下，利用气态（或将液态或固态的物质转化为气态）的物质，在固体表面上进行化学反应，并生成固态沉积物的一种工艺方法

2）温度—用来表示物体冷热程度物理量，它反应了物体内部大量粒子热运动的剧烈程度和粒子热运动平均动能的大小。

温度高的物体——内部粒子热运动烈，粒子热运动平均动能大，反之依然。

3）热量－物体吸收或放出热能的多少。

热量总是从高温物体自发的传向低温物体，就像水从高处→低处；电流从高电位→低电位。

4）导热（热传导）——指温度不同的物体各部分或温度不同的两物体间直接接触时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象。

5）热对流－流体中（气体或液体）温度不同的各部分之间，由于发生相对的宏观运动而把热量由一处传递到另一处的现象。

6）热辐射（Thermalradiation）－由热运动产生的，以电磁波形式传递能量的现象。

7）黑体：

能吸收投入到其表面上的所有热辐射的物体，包括所有方向和所有波长，因此，相同温度下，黑体的吸收能力最强。

8）等温面：

同一时刻、温度场中所有温度相同的点连接起来所构成的面。

9）热流密度－单位时间、单位面积上所传递的热量，它具有明确的方向性，其方向与温度相反；

10）流体压缩性：

在温度不变的情况下，流体的压强增大，体积减小，密度增大的性质。

11）流体膨胀系数：

表示流体膨胀性的一个指标。

它是指温度每增加1K，流体的体积或密度的相对变化率

12）流量：

单位时间内通过过流端面的流体的体积或质量。

13）过流断面:

流体运动时,与流体的运动方向垂直的流体横断面，过流端面可能是平面,也可能是曲面。

14）质量传递——物质从高浓度区向低浓度区转移的过程称为质量传递（传输）过程。

或系统内部的物质在浓度梯度、化学位梯度和应力梯度的推动力下，由于质点的热运动而导致定向迁移，从宏观上表现为物质的定向输送，此过程叫做质量传输或扩散。

15）测量原理——是指实现测量所依据的物理现象和物理定律的总称。

如热电欧测温时依据的是热电效应，弹性模量测量时所依据的虎克定律。

16）准确度——是表示测量结果中系统误差大小的程度，即测量仪器的指示值接近测量真值的能力。

系统误差小，意味着准确度高，

17）精确度（精度）是准确度和精密度（或重复性）的综合反映。

它综合表示测量结果和实际值的偏差程度。

18）测量仪表死区：

测量仪表输入量的变化不致引起输出量的可觉察的变化的有效区间。

死区常用输入量程的百分率表示。

19）C/C复合材料：

C/C复合材料是由碳纤维及其制品（碳毡或碳布）增强的碳基复合材料。

2.填空题（每空1分，共20分）

1）从温度来分－沉积化学可分为:

（1）低温沉积（LTCVD,≤200℃，如高频等离子或微波等离子CVD）；

（2）中温沉积（MTCVD,500~800℃，如硬质合金刀具沉积耐磨涂层）；（3）高温沉积（HTCVD,900~1200℃,如陶瓷和复合材料涂层）；（4）超高温沉积（＞1200℃,如SiC陶瓷或热解石墨等）。

2）CVD的基本原理－CVD的热力学原理；CVD的动力学原理；CVD的热量传输原理；CVD的流量传输原理；CVD的质量传输原理

3）热力学第一定律的本质就是能量守恒原理。

也就说能量可以在一物体与其他物体之间传递，可以从一种形式转化成另一种形式，但是不能无中生有，也不能自行消失。

4）热力学第二定律指出：

凡是自发的过程都是不可逆的，而一切不可逆过程都可以归结为热转换为功的不可逆性。

热力学第二定律本质就是熵增加原理。

5）理想气体的内能，焓也只是（温度）的函数，也就是说，在恒温时，改变体积或压力，理想气体的内能和焓保持不变

6）盖斯定律—一个化学反应不管是一步完成，还是分几步完成，该反应的热效应相同。

换句话说，也就是反应热效应只与起始状态和终了状态有关，而与变化途径无关

7）盖斯定律的重要意义，在于它能使热化学方程像普通代数方程那样进行计算，从而可以根据已经准确测定的反应热来计算难于测量或不能直接测量的反应热。

8）一切实际发生的过程都是热力学的不可逆过程。

9）热量传递过程的推动力：

温差

10）热量传递的三种基本方式：

导热（热传导）、对流（热对流）和热辐射。

11）导热系数是表征材料导热能力的大小，是一种物性参数，与材料种类和温度关。

12）温度场是某时刻空间所有各点温度分布的总称，它是时间和空间的函数

13）气体的导热：

由于分子的热运动和相互碰撞时发生的能量传递

14）气体的温度升高时，气体分子运动速度增大，定容比热随T升高也增大，因此气体的热导率随温度升高而增大。

15）液体的热导率随压力p的升高而增大

16）纯金属的导热：

依靠自由电子的迁移和晶格的振动，但自由电子者对热导率的贡献比后者的要大，主要依靠前者；温度升高，热导率下降。

17）合金的导热：

依靠自由电子的迁移和晶格的振动；其中起着主要作用用的是后者，温度升高，热导率上升。

18）非金属的导热：

依靠晶格的振动传递热量，因此温度升高，其热导率上升。

19）气体的粘度随温度的升高而增大，液体粘度随温度的升高而下降

20）导热微分方程式的理论基础：

傅里叶定律+热力学第一定律。

21）导热过程的单值性条件包括四项：

几何条件、物理条件、时间条件、边界条件

22）平均流速确定的原则：

平均流速通过过流端面的流量应等于实际流速通过该断面的流量。

23）GaAs薄膜一种很重要的半导体材料，制备GaAs半导体薄膜时，常用的原材料有三甲基镓（CH3）3Ga（g）和氢化砷AsH3

24）C/C复合材料的性能与热解碳的结构有很大的关系，而热解碳的结构又与产生热解碳的有机前驱体的反应机理有关。

25）甲烷的分子结构是由一个碳原子和四个氢原子组成，燃烧产物主要是二氧化碳和水

26）几乎所有的有机化合物和氰化物有剧毒。

因此，在使用这些化合物时，应严格遵守有关的安全防护规则进行操作。

27）氩气为惰性气体，其来源较其它的惰性气体，如氦（He）、氖（Ne）、氪（Kr）、氙（Xe）、氡（Rn）要广泛，且价格较低，故在化学气相沉积中，氩气是一种非常重要，应用非常广泛的气体。

28）在CVD工艺中，氩气有如下三个重要的作用。

载气；将将CVD原料带入或送入反应室或原子化器；屏蔽气（保护剂）：

保证反应室内元器件或制品不受外界（如空气等）的影响。

稀释性气体：

降低先驱体气体的浓度。

29）工业上分馏液态空气制N2，制取高纯N2需将N2通过灼热铜网以除去O2，通过P2O5除去H2O之后，储入钢瓶，黑瓶黄字。

而O2是蓝瓶黑字，最危险的是H2瓶，深绿瓶红字。

30）氮气有稀释大气中氧气的作用。

因为含量在60%以上的浓氧会损伤人和动物的呼吸系统，造成“氧中毒”

31）CVD系统一般可分为封闭系统（Closedreactorsystem）和开放系统（Openreactorsystem），其中在科研和生产中，应用最广的是开放系统。

32）感应加热系统根据使用的电流频率，可将其分为工频，中频，高频之分。

工频加热系统：

电流频率50赫芝；

33）CVD设备是安全生产合格CVD制品的保证。

因此CVD设备设计或制造的总目标是在满足各项设计要求或使用性能的提前下，应可能减少制造风险，降低制造成本，缩短制造周期和提高设备的使用性能。

为了达到这个目标，在设备研制中应遵循以下几个原则：

（1）继承性；

（2）可靠性；（3）可制造性；（4）经济性；（5）先进性。

34）分子间引力（内聚力）和分子无规则热运动产生动量交换。

Temp分子间引力，分子动量交换，对于液体，分子间内聚力起主要作用；对于气体，分子的动量交换起主要作用

35）密封机理就是在这些潜在的接触面之间的泄露通道上，提供一个物理的堵漏体，以达到防漏效果。

36）一般来说，泄漏有三种情形：

接触面泄露、渗透泄露和破坏性泄露。

37）为了防止接触面之间的泄露，可采取密封件或密封胶的密封方法，两种方法也可以结合使用。

38）为了实现对一种物理量的测量，需要涉及测量原理、测量方法和测量系统三个基本要素。

39）红外测温仪的关键部件是红外探测器，它可分为热探测器（如热敏电阻）和光子探测器（如光电导元件）两大类。

40）某个压力测量装置的测量范围为－0.1～10MPa则其量程为（10.1MPa）。

41）所以选用仪表时，在满足被测量的数值范围的前提下，尽可能选择量程（小）的仪表，并使测量值在上限或量程的（三分之二）左右，避免使测量值出现在仪表下限或量程的（三分之一）以下。

42）在测量时，选择温度测量系统的依据主要有（测量温度范围）；（使用场合）；（传输方式，如远距离传输）（等）。

43）作为新型结构材料，C／C还具有随温度的（升高），强度不但不降低，反而呈现出（升高）的特性，使碳／碳复合材料成为目前唯一可用于高温达3000℃以上的复合材料。

44）精确度或精度是（准确度）和（精密度/重复性）的综合反映。

它综合表示测量结果和实际值的偏差程度。

45）为了实现对一种物理量的测量，需要涉及（测量原理）、（测量方法）和测量系统三个基本要素

3.简答题（5小题，每题6分，共30分）

1）CVD技术的作用或用途－

（1）制备涂（镀）层，改善和提高材料或零件的表面性能（提高或改善材料或部件的抗氧化、耐磨、耐蚀以及某些电学、光学和摩擦学性能）；开发新型结构材料或功能材料（制备纤维增强陶瓷基复合材料、C/C复合材料等；制备纳米材料；制备难熔材料的粉末、晶须、纤维（SiCf,Bf）；制备功能材料；）

2）CVD技术的优点有哪些？

－

（1）CVD设备简单，维护方便；

（2）CVD设备操作简单，灵活性强（温度，炉压等）；（3）可以制备多种金属、合金、陶瓷、化合物的涂层、复合涂层或梯度涂层；（4）绕镀性好，可在复杂形状的基体上以及颗粒材料上镀制；（5）CVD工艺可以制备出先进的纤维、泡沫、粉末，甚至复合材料；（6）因沉积温度高，沉积物与基体的结合强度高；（7）CVD工艺制备出的涂层致密、均匀，所以可以较好的控制涂层的密度，纯度、结构和晶粒度；（8）采用等离子和激光辅助技术可以显著地促进化学反应，使沉积可在较低的温度下进行；

3）CVD技术的缺点有哪些？

——

（1）CVD的反应气体、反应尾气都可能具有一定的腐蚀性，可燃性及毒性，反应尾气中还可能有粉末状以及碎片状的物质；

（2）此外与PVD相比，CVD工艺的沉积工艺的温度较高（一般为900～1200℃）；被处理的工件在如此高的温度下，会变形，会出现晶粒长大，会出现基材性能下降。

4）简单分析一下CVD工艺的沉积过程——

（1）混合气体，主要是惰性气体（N2,Ar2），还原气体（如H2）,和反应气体（如NH3，CH4,CO2等）；有时在室温下也常用高蒸气压的液体，如TiCl4,SiCl4,CH3SiCl3等等，把这类液体加热到一定温度（小于60℃），再通过一定的载体氢，氩与气泡的液体，从供气系统中把上述蒸气带入沉积反应室；也有把固体金属或化合物转变成初始气体，如气化铝就是通过金属铝与氯气或者盐酸蒸气的反应而形成的。

（2）当混合气体通入沉积反应室后，反应室通过发热体或感应加热，使沉积室达到要求沉积夫人反应温度。

（3）反应气体从沉积反应室排出，须经过气体排放处理系统，去除废气中的有害有毒成分，去除固体颗粒，在其进入大气之前，将其冷却。

5）如何区别CVD工艺和PVD工艺？

——

（1）CVD工艺是指在气相沉积的过程中，参与沉积的原料在固体表面或沉积室中进行化学反应（分解反应或化合反应），且生成非挥发性的固态沉积物的过程。

（2）PVD（PhysicalVaporDeposition）工艺是指在气相沉积的过程中，参与沉积的各原料通过加热蒸发成气相，或通过电子、离子、光子等荷能粒子的能量把金属或化合物靶溅射出相应的原子、离子、分子，且在固体表面上沉积成固态沉积物的过程。

在此过程中，不涉及到物质的化学反应

6）影响化学气相沉积因素有哪些？

先躯体种类；工艺方法（tcvi，icvi，pcvd）；反应条件（温度，压力，流量）；触媒种类；气体浓度；衬基结构；温度梯度；炉内真空度等

7）化学动力学研究的主要内容是什么？

（i）各种因素（浓度、温度、催化剂、溶剂、光照等）对化学反应速率影响的规律；（ii）化学反应过程经历的具体步骤，即所谓反应机理（或反应历程）。

8）热辐射具有那些特点：

a任何物体，只要温度高于0K，就会不停地向周围空间发出热辐射；b可以在真空中传播；c伴随能量形式的转变；d具有强烈的方向性；e辐射能与温度和波长均有关；f发射辐射取决于温度的4次方。

9）请总结一下三传现象的异同点－质量传输是物质分子本身的迁移的现象；热量传输是分子所含热能的传递的现象；动量传输是物质分子机械能的传递的现象。

这三者都是由分子扩散及流体微团位移而引起的,机理是相同的,描述所用的微分方程是一样的

10）试分析一下扩散系数的影响因素——

温度TD；

杂质与缺陷的影响；杂质的作用——增加缺陷浓度，D；使晶格发生畸变，D；与基质结合成化合物，D，如发生淀析；

缺陷的影响：

点缺陷——提供机制；线缺陷（位错）——提供扩散通道。

11）CVD的化学反应类型有许多种，请列出4种化学反应的类型，并举例说明（写出化学反应的方程式即可）

<1>热分解反应：

 SiH4（g）--->Si+2H2；TiI4（g）--->Ti+2I2（g）；CH4（g）--->C+2H2;SiH2CI2（g）--->Si+2HCI（g）;

<2>还原反应：

氢气还原反应－SiCl4（g）+2H2--->Si+4HCl ；

金属还原反应－TiI4（g）+2Zn2--->Ti+4ZnI（g）

<3>氧化反应：

SiH4（g）+O2--->SiO2+2H2

<4>水解反应2AlCl3（g）＋3CO2＋3H2--->Al2O3＋6HCl＋3CO；SiCl4+2H2O（g）--->SiO2+4HCl

<5>氮化反应或氨解反应：

3SiH4（g）＋4NH3--->Si3N4＋12H2

<6>碳化反应：

TiCl4（g）＋CH4--->TiC＋4HCl

<7>歧化反应：

2SiI2（g）--->Si＋SiI4

<8>合成反应：

（CH3）3Ga＋AsH3--->GaAs＋3CH4

<9>基体反应：

Ti＋2BCl3＋3H2--->TiB2＋6HCl

12）为了获得合格的CVD制品，所选用的先驱体应该具有那些特点？

室温的稳定性；反应的洁净性——反应的付产物不应污染需要沉积的产物；

较低温度下的挥发性——以便较容易的送入反应室，而不必担心冷凝在输送管道中；

沉积产物的高纯度性；反应的单一性——反应时不形成副反应或寄生反应。

13）一般而言，CVD设备应该具备哪些功能？

①将反应气体及其稀释剂等通入反应器，并能进行测量和调控；

②能为反应部位提供热量，并通过自动系统将热量反馈至加热源，以便控制涂覆温度。

③将沉积区域内的副产品气体抽走，并能安全处理；

④加热元器件及炉体的降温冷却等

14）简述一下喷射真空泵的工作原理

蒸气喷射器将具有一定压力、一定温度的蒸气通过圆锥形的喷嘴，蒸气在通过喷嘴后迅速膨胀，压力和温度急剧降低，喷射速度提高。

在喷嘴出口压力可降低到133Pa以下，温度在冰点以下，而速度可超过声速的2～3倍，也就是将蒸气的位能转化为动能。

如此高速低压的蒸气流带动需要抽吸的气体流一起进入扩散管。

而后再经过扩散管增压、减速，将其排入大气。

15）泄漏检测（检漏）方法有几种，各是什么？

1.水压法（密闭容器内部装水，并给水加压，观察有无水漏出）；

2.压降法（看压力表，压力或真空度是否下降）；

3.听音法（根据气体漏出时发出的声音）；

4.充气法（外部涂肥皂水，放入水中等）；

5.仪器捡漏法（如超声波检漏法，氦质谱捡漏法）；

6.其它方法

16）制备辐射测温计的理论依据是什么？

任何物体只要温度大于0K，都会产生热辐射能，同时物体在吸收热辐射能时，也一定会把热辐射能转变为热能。

辐射测温仪就是据此原理制成的。

17）简述一下热电偶的制作工艺流程

将两种不同类型的热电极的一端焊接起来，分别套上绝缘体，装在外保护管内，并配一个接线端子盒即可制成一只普通的热电偶。

18）在制备热电偶时，如何选择热电极？

热电极材料的选择是根据所测温度的高低决定的。

热电极粗细根据实际需要而定，贵金属热电极的一般直径0.3～0.6mm；普通金属热电极，工业用1.5～3.5mm，实验室用0.5mm。

热电极长短取决于安装部位的深度，一般在250～3000mm。

热电极的焊接形式可采用电弧焊，接触焊等。

19）在大多数情况下，热电偶需要连接补偿导线，为什么？

在测温的过程中，热电偶的冷端一般离热源较近，冷端温度是不断变化的，而离热源较远的地方的温度一般是相对稳定的。

故为了使冷端温度恒定，就需要将热电偶加长，或采用0～150℃的热电特性与热电偶相同的导线将热电偶的冷端延伸到温度恒定的地方。

20）产生滞后量的原因是什么？

产生滞后量的原因是由于测量仪器内部存在着摩擦、间隙、死区，存在着机械材料或电器材料的滞后特性等。

21）简述CVD设备设计或制造的总目标和在设备研制中应遵循哪几个原则。

CVD设备设计或制造的总目标是在满足各项设计要求或使用性能的提前下，应可能减少制造风险，降低制造成本，缩短制造周期和提高设备的使用性能。

在设备研制中应遵循以下几个原则：

（1）继承性；

（2）可靠性；（3）可制造性；（4）经济性；（5）先进性。

22）简述电加热元件材料和性能要求或如何合理选择电加热元件的材料？

Ø具有良好的耐热性及高温强度电加热元件的工作温度一般比炉温高100～200℃，故保证所选元件材料在高温下不熔化，不氧化，不挥发，不变形等

Ø具有较大的电阻率R=（ρL）/S:

当R,S不变时，ρ越大，L越小，故节省材料，便于安装；当R,L不变时，ρ越大，S越大，则提高强度，延长寿命。

Ø具有较小的电阻温度系数（1/℃）即材料的电阻率对温度的变化的敏感度要低。

Ø具有较小的热膨胀系数

Ø具有良好的加工性

23）画图说明往复真空泵工作原理

往复泵的结构和工作原理如图所示，主要部件有气缸1及在其中做往复直线运动的活塞2，活塞的驱动是用曲柄连杆机构3（包括十字头）来完成的。

除上述主要部件外还有排气阀4和吸气阀5等重要部件，以及机座、曲轴箱、动密封和静密封等辅助部件。

　运转时，在电动机的驱动下，通过曲柄连杆机构的作用，使气缸内的活塞做往复运动。

当活塞在气缸内从左端向右端运动时，由于气缸的左腔体积不断增大，气缸内气体的密度减小，而形成抽气过程，此时被抽容器中的气体经过吸气阀5进入泵体左腔。

当活塞达到最右位置时，气缸左腔内就完全充满了气体。

接着活塞从右端向左端运动，此时吸气阀5关闭。

气缸内的气体随站活塞从右向左运动而逐渐被压缩，当气缸内气体的压力达到或稍大于一个大气压时，排气阀4被打开，将气体排到大气中，完成一个工作循环。

当活塞再左向右运动时，又重复前一循环，如此反复下去，被抽容器内最终达到某一稳定的平衡压力。

为提高抽气效率，一般在气缸的两端均设有吸气阀和排气阀，然后用管路将气缸两端的吸气口和排气口并联起来。

4、推导题或证明题（2小题，每题10分，共20分）

（1）若物性参数、c和均为常数，而且无内热源，试证明：

『证明』：

假设：

（1）所研究的物体是各向同性的连续介质；

（2）热导率λ、比热容c和密度ρ均为已知。

d时间内、沿x轴方向、经x表面导入的热量：

d时间内、沿x轴方向、经x+dx表面导出的热量：

d时间内、沿x轴方向导入与导出微元体净热量：

d时间内、沿y轴方向导入与导出微元体净热量：

d时间内、沿z轴方向导入与导出微元体净热量：

dt时间内，导入与导出净热量：

傅里叶定律：

，

无内热源，微元体中内热源的发热量为0，

dt时间内，微元体中热力学能的增量：

由1+2=3：

（无qv）

又、c和均为常数，则

（2）利用泰勒级数展开法，试证明二维导热微分方程式：

的解析解为：

，并说明E的含义及其解析解使用条件（

）。

用节点（i,j）的温度ti,j来表示节点（i+1,j）的温度ti+1,j：

用节点（i,j）的温度ti,j来表示节点（i-1,j）的温度ti-1,j：

若取上面两式右边的前三项并相加，整理后，即得二阶导数的中心差分：

此外，温度对时间的微分可转变成差分：

导热微分方程式可转变为节点的差分方程：

当Δx＝Δy，有

式中，

，由（1－4E）≥0，得

，即为使用条件。

（3）对于二维、非稳态流动的流体，请推导流体的连续性方程式：

，并据此写出稳态，不可压缩流体的质量守恒定律。

从流场中取出边长为dx、dy的微元体，M:

质量流量；u、v:

X、Y向流体的速度，

单位时间内、沿x轴方向、经x表面流入微元体的质量：

单位时间内、沿x轴方向、经x+dx表面流出微元体的质量：

单位时间内、沿x轴方向流入微元体的净质量：

同理，单位时间内、沿y轴方向流入微元体的净质量：

单位时间内微元体内流体质量的变化:

流入微元体的净质量=微元体内流体质量的变化：

即

。

对于二维、稳态流动、密度为常数时：

（4）对二维静止的液体或固体而言，当扩散系数为常数时，请证明下式成立：

。

推导：

取一体积元dxdy，分析在x方向上，通过dy截面的质点数J。

则在单位时间内，dy截面，通过x→x＋dx间的质点数见下图：

考虑两个相距为dx平面的平行平面。

x方向的扩散净增量为

同理：

y方向的扩散净增量

因为在dxdy体积单元内的质点扩散净增量为

又因为：

，所以：

5、计算题（3小题，每题10分，共30分）

1）设一窑墙，用粘土砖和红墙二层砌成，其中内墙用粘土砖，外墙用红砖，厚度均为230mm。

窑墙内表面温度为1200℃，外表面温度100℃，红砖容许的使用温度为700℃以下。

求每平方米窑墙的热损失，并判断红砖在此条件下能否使用。

已知粘土砖和红砖的导热系数各为：

λ1＝0.70＋0.55×10－3tW/（m.℃）；λ2＝0.46＋0.44×10－3tW/（m.℃）。

『解』：

假定交界处的温度为600℃，则：

λ1＝0.70＋0.55×10－3×[（1200+600）/2]＝1.20W/（m.℃）

λ2＝0.46＋0.44×10－3×[（600+100）/2]＝0.61W/（m.℃）

校核交界处的温度：

与假设温度相比较：

误差＝（830－600）/600×100％＝38.3％

误差超过5％，故重新设定交界处温度为830℃，此时：

λ1＝0.70＋0.55×10－3×[（1200+830）/2]＝1.26W/（m.℃）

λ2＝0.46＋0.44×10－3×[（830+100）/2]＝0.66W/（m.℃）

校核交界处的温度：

与假设温