第4期真空技术培训试题

判断题（每小题2分，共20分）压强高则表明真空度低。【√】分子泵可以对大气进行抽真空。【×】电离真空计可以有效的对低真空进行测量。【×】ITO薄膜是透明不导电薄膜。【×】温度升高，饱和蒸汽压升高。【√】平均自由程与气压有关，与温度无关。【×】溅射离子泵是属于无油泵。【√】一般机械泵的极限真空度为0.1Pa,可以与大气相连工作。【√】扩散泵不能单独工作，可以不需要用机械泵作为前级泵。【×】潘宁规可以从测量大气压开始测量。【×】仅供参考，下面很多内容是直接在网上查询的名词解释（每小题5分，共25分）1.蒸发镀膜真空蒸镀，简称蒸镀，是指在真空条件下，采用一定的加热蒸发方式蒸发镀膜材料（或称膜料）并使之气化，粒子飞至基片表面凝聚成膜的工艺方法。真空蒸发(VacuumEvaporation)镀膜是在真空条件下，用蒸发器加热蒸发物质，使之升华，蒸发粒子流直接射向基片，并在基片上沉积形成固态薄膜，或加热蒸发镀膜材料的真空镀膜方法。2.点蒸发源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）。3.磁控溅射磁控溅射原理：电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子和电子，电子飞向基片。氩离子在电场的作用下加速轰击靶材，溅射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子（或分子）沉积在基片上成膜。二次电子在加速飞向基片的过程中受到磁场洛伦兹力的影响，被束缚在靠近靶面的等离子体区域内，该区域内等离子体密度很高，二次电子在磁场的作用下围绕靶面作圆周运动，该电子的运动路径很长。4.分子束外延分子束外延(MolecularBeamEpitaxy，MBE)，在超高真空环境下，使具有一定热能的一种或多种分子(原子)束流喷射到晶体衬底，在衬底表面发生反应的过程，由于分子在"飞行"过程中几乎与环境气体无碰撞，以分子束的形式射向衬底，进行外延生长，故此而得名。分子束外延（MBE）是一种灵活的外延薄膜技术，可以表述为在超高真空环境中通过把热蒸发产生的原子或分子束投射到具有一定取向、一定温度的清洁衬底上而生成高质量的薄膜材料或各种所需结构。5.离子镀离子镀在真空条件下，利用气体放电使气体或被蒸发物质部分电离，并在气体离子或被蒸发物质离子的轰击下，将蒸发物质或其反应物沉积在基片上的方法。其中包括磁控溅射离子镀、反应离子镀、空心阴极放电离子镀（空心阴极蒸镀法）、多弧离子镀（阴极电弧离子镀）等。简答题（共55分）1.简述四种真空区域的划分，并说明各真空区域的特点和物理性质。（12分）①低真空105-102Pan稠密，和正常情况下无太大差别，气体分子仍以杂乱无章的热运动为主，气体分子间的相互碰撞还十分频繁，很难实现带电粒子的定向运动，气体流动属粘滞流态。力学作用－真空吸引和输送（无网捕捞、吸鱼机、搬运）、真空成型、真空侵渍、拔火罐（起源于东晋公元300年左右）②中真空102-10-1Pa气体分子密度和常压相比有很大下降，氧化程度降低——真空冶炼（黑色金属的真空熔炼、脱气、浇铸和热处理）—金属材料内气泡、疏松减少，机械强度和性能大大增强；气体中的带电粒子在电场作用下将产生定向运动——气体放电——真空电弧炉；气体的对流消失——真空隔热和绝缘、（保温）保温瓶。液体的沸点降低冷冻－升华：真空冷冻脱水、冬天凉衣服、真空冷冻干燥蔬菜、食品③高真空10-1-10-6Pa分子密度更加降低，分子之间的碰撞次数很少，平均自由程很大，基本不存在气体分子之间的能量交换，分子流动完全呈现分子流态；带电粒子的飞行方向不受干扰（显像管），减少了气体的电离；化学反应接近于零，活泼金属一定要在此状态下冶炼——Ti、Be、Zr、U、Ge、Mo、W；良好的电、热绝缘性能；材料的沸点、熔点降低——铝④超高真空10-6-10-9Pa气体分子是以固体表面的吸附为主；单分子层形成时间等于或大于在实验室测量所用时间——制备“清洁”表面；太空模拟室、可控热核聚变的研究、表面物理表面化学的研究2.简述四种溅射技术及其工作原理。（12分）①直流溅射是指利用直流辉光放电产生的离子轰击靶材进行溅射镀膜的技术。直流溅射装置主要由真空室、真空系统和直流溅射电源构成。直流溅射是指利用直流辉光放电产生的离子轰击靶材进行溅射镀膜的技术。②射频频率通常为13.56MHz。当绝缘基板背面的导体处于负电位时，等离子体中正离子向基板加速飞行，轰击绝缘基板使其溅射。这种溅射只能维持10-7秒的时间,此后在绝缘基板上积累的正电荷形成的正电位抵消了导体基板上的负电位，因此停止高能正离子对绝缘基板的轰击。此时，如果倒转电源极性，电子就会轰击绝缘基板，并在10-9秒时间内中和绝缘基板上的正电荷，使其电位复零。这时，再倒转极性，又能产生10-7秒时间的溅射。如此反复，即为射频溅射镀膜工作原理。③磁控溅射磁控溅射的工作原理是指电子在电场E的作用下，在飞向基片过程中与氩原子发生碰撞，使其电离产生出Ar正离子和新的电子；新电子飞向基片，Ar离子在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射。在溅射粒子中，中性的靶原子或分子沉积在基片上形成薄膜，而产生的二次电子会受到电场和磁场作用，产生E（电场）×B（磁场）所指的方向漂移，简称E×B漂移，其运动轨迹近似于一条摆线。若为环形磁场，则电子就以近似摆线形式在靶表面做圆周运动，它们的运动路径不仅很长，而且被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内，并且在该区域中电离出大量的Ar来轰击靶材，从而实现了高的沉积速率。随着碰撞次数的增加，二次电子的能量消耗殆尽，逐渐远离靶表面，并在电场E的作用下最终沉积在基片上。由于该电子的能量很低，传递给基片的能量很小，致使基片温升较低。④反应溅射是指在存在反应气体的情况下，溅射靶材时，靶材会与反应气体反应形成化合物(如氮化物或氧化物)，在惰性气体溅射化合物靶材时由于化学不稳定性往往导致薄膜较靶材少一个或更多组分，此时如果加上反应气体可以补偿所缺少的组分，这种溅射也可以视为反应溅射。⑤离子束溅射又称离子束沉积，它是在离子束技术基础上发展起来的成膜技术。按用于薄膜沉积的离子束的功能不同，可分为两类，一次离子束沉积和二次离子束沉积。一次离子束沉积的离子由需要沉积的薄膜组分材料的离子组成，离子能量较低，它们到达基片后就沉积成膜，又称为低能离子束沉积。二次离子束沉积的离子由惰性气体或反应气体的离子组成，离子的能量较高，它们打到溅射靶上，引起靶原子溅射，再沉积到基片上形成薄膜，又称离子束溅射。离子束沉积的工作原理如图所示，由大口径离子源产生惰性气体离子，照射到靶上产生溅射作用，通常情况下还要采用第二个离子源，使其发出的离子束对薄膜进行照射，以便在更广的范围内对薄膜的性质进行控制。3.蒸发镀膜顺利进行需要具备两个条件是什么？并加以详细解释。（12分）为使蒸发镀膜顺利进行，应具备两个条件：蒸发过程中的真空条件和镀膜过程中的蒸发条件。蒸发过程中的真空条件。蒸发镀膜过程中，从膜材表面蒸发的粒子以一定的速度在空间沿直线运动，直到与其其他粒子碰撞为止。在真空室内，当气相中的粒子浓度和残余气体的压力足够低时，这些粒子从蒸发源到基片之间可以保持直线飞行，否则，就会产生磁撞而改变运动方向。为此，增加残余气体的平均自由程，借以减少其与蒸气分子的碰撞几率，把真空室内抽成高真空是必要的。当真空容器内蒸气分子的平均自由程大于蒸发源与基片的距离时，就会获得充分的真空条件。真空条件下物质的蒸发特点。膜材加热到一定温度时就会发生气休现象，即由固相或液相进入到气相，在真空条件下物质的蒸发比在常压下容易得多，所需的蒸发温度也大幅度下降，因此熔化蒸发过程缩短，蒸发效率明显地提高。①蒸发条件蒸汽压条件：使饱和蒸汽压达到1Pa以上，真空有助于蒸发；温度条件：使饱和蒸汽压Pv达到1Pa的蒸发温度T②真空条件在真空条件下镀膜的目的、优点：真空条件下易于蒸发（需要熔化的金属，熔、沸点降低；需要汽化的金属，易于脱离表面形成蒸汽）；真空条件下易于空间输运（膜材粒子散失少）；真空条件下易于膜的生长（残余气体影响小）4.电弧离子镀技术特点及原理，如何克服大颗粒问题？（10分）①离子镀的特点离子镀与蒸发镀、溅射镀相比最大的特点是荷能离子一边轰击基片与膜层，一边进行沉积。荷能离子轰击作用会产生一系列的效应：（1）膜基结合力强，膜层不易脱落。（2）绕射性好，改善了表面覆盖度。（3）镀层质量好;（4）沉积速率高，成膜速度快，可镀制30μm的膜厚（5）镀膜所适用的基底材料与膜材范围广泛。②离子镀原理真空室抽至10－3～10－4Pa，随后通入工作气体（Ar），使其真空度达到1～10－1Pa，接通高压电源，在蒸发源（阳极）和基片（阴极）之间建立起一个低压气体放电的低温等离子区。在负辉区附近产生的工作气体离子进入阴极暗区被电场加速并轰击基片表面，可有效地清除基片表面的气体和污物。随后，使膜材汽化，蒸发的粒子进入等离子区，并与等离子区中的正离子和被激发的工作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，大部分原子达不到离化的能量，处于激发状态。被电离的膜材离子和工作气体离子一起受到负高压电场加速，以较高的能量轰击基片和镀层的表面，并沉积成膜。③真空电弧离子镀中的大颗粒抑制与消除：一是抑制大颗粒的发射，消除污染源。二是采用大颗粒过滤器，通过控制大颗粒运动，将其从等离子体中过滤掉，使之不混入镀层之中。（１）从阴极电弧发射颗粒的机制入手减少甚至消除颗粒的发射。降低弧电流；加强阴极冷却；增大反应气体分压；加快阴极弧斑运动速度；脉冲电弧放电。（２）从阴极等离子流束中把颗粒分离开来。高速旋转阴极靶材；遮挡屏蔽；磁过滤。（３）过滤式真空电弧离子镀技术。过滤和阻挡宏观颗粒；引导离子进入镀膜室。过滤弧虽然过滤掉了大部分宏观颗粒，但是还会有小部分到达沉积室，在管道内设置挡板，阻挡大颗