我的真空考卷

1、一、 答：1、真空的特点是：（1）气压低于一个大气压的气体状态，单位体积中的气体分子数大大减少；（2）分子平均自由程增大；（3）气体分子之间之间的相互碰撞频率降低；（4）气体分子与其它粒子之间的相互碰撞也随之减少；（5）活化气体的密度低。2、真空技术在薄膜材料制备中应用有:（1）脉冲激光沉积脉冲激光沉积是一种新的薄膜制备技术，激光光源可采用大功率准分子激光器。高能量的激光束透过窗口进入真空室，经棱镜或凹面镜聚焦，聚焦后的激光束功率密度很高，它照射到原材料上，使之加热气化蒸发。靶表面吸收的激光束的能量会引起靶原子的激发，靶表面的烧蚀蒸发。蒸发物在靶前形成一个由荷能的中性原子、分子、离子、电子、原

2、子团、微尺度的微粒和熔化的液滴混合组成的羽状聚集体。当聚集体到达基片时，便在基片上凝聚而形成薄膜。基片和靶材都是放在真空室内的，开激光器之前首先要对真空室抽真空，开机械泵把真空室抽到3Pa以下，接着开分子泵，抽到Pa以下，即可进行工作。通常抽完真空后，在真空室中通入、等气体，以增强表面反应或保持薄膜的化学计量比。这时真空室还是应该保持在低真空状态下。(2) 溅射镀膜 用高能粒子轰击固体表面时能使固体表面的粒子获得能量并逸出表面，沉积在基片上。溅射现象于1870年开始用于镀膜技术，1930年以后由于提高了沉积速率而逐渐用于工业生产。常用的二极溅射设备如图3 二极溅射示意图。通常将欲沉积的材料制成

3、板材靶,固定在阴极上。基片置于正对靶面的阳极上,距靶几厘米。系统抽至高真空后充入 101帕的气体（通常为氩气），在阴极和阳极间加几千伏电压，两极间即产生辉光放电。放电产生的正离子在电场作用下飞向阴极，与靶表面原子碰撞，受碰撞从靶面逸出的靶原子称为溅射原子,其能量在1至几十电子伏范围。溅射原子在基片表面沉积成膜。与蒸发镀膜不同，溅射镀膜不受膜材熔点的限制,可溅射W、Ta、C、Mo、WC、TiC等难熔物质。溅射化合物膜可用反应溅射法，即将反应气体 (O、N、HS、CH等)加入Ar气中,反应气体及其离子与靶原子或溅射原子发生反应生成化合物（如氧化物、氮化物等）而沉积在基片上。沉积绝缘膜可采用高频溅射

4、法。基片装在接地的电极上，绝缘靶装在对面的电极上。高频电源一端接地，一端通过匹配网络和隔直流电容接到装有绝缘靶的电极上。接通高频电源后，高频电压不断改变极性。等离子体中的电子和正离子在电压的正半周和负半周分别打到绝缘靶上。由于电子迁移率高于正离子，绝缘靶表面带负电，在达到动态平衡时，靶处于负的偏置电位，从而使正离子对靶的溅射持续进行。（3）蒸发沉积镀膜蒸发沉积镀膜的基本过程为：（1）原材料被加热蒸发而气化；（2）气化的原子或分子从蒸发源向基片表面输运；（3）蒸发的原子或分子在基片表面吸附、成核、核生长，继而形成连续薄膜。真空沉积都是在一定的真空环境下进行的，镀膜室内的残余气体分子会对薄膜的形成

5、、结构产生重要的影响。根据气体分子运动论，在热平衡条件下单位时间通过单位面积的气体分子数N0为： (个/cm2 .s)其中P是气体压强，M是气体的摩尔质量，T是气体的温度。根据上式当P,T=300K、粘附系数=1时，N0在1013 数量级。这表明每秒钟大约有1013 个气体分子会到达单位基片表面。因而要获得高纯的薄膜。就必须要求残余气体的压强非常低。另一方面，蒸发出来的原材料分子是在残余气体分子中向基片运动，粒子之间会发生碰撞。两次碰撞之间的平均距离称为蒸发分子的平均自由程，式中n是残余气体分子密度，d是碰撞截面。由上式可知压强越小平均自由程越大，蒸发分子在输运中碰撞的几率越小。在蒸发镀膜中真

6、空的获得首先是通过机械泵对镀模室抽到低真空，然后再通过油扩散泵，把镀膜室抽到高真空。蒸发沉积法要求压强小于Pa的高真空。（4）磁控溅射磁控溅射属于辉光放电范畴，利用阴极溅射原理进行镀膜。膜层粒子来源于辉光放电中，氩离子对阴极靶材产生的阴极溅射作用。氩离子将靶材原子溅射下来后，沉积到工件上形成所需膜层。磁控溅射是在二极溅射的基础上，在靶材后面放置磁钢，在与靶阴极电场垂直的方向加一个横向磁场。靶面前的电子受洛伦兹力的作用，在靶面附近做螺旋线运动，增加了碰撞几率。电流密度提高到5-30mA/cm2。沉积速率达到600nm/min，它克服了阴极溅射速率低和由于电子轰击使基片温度升高的致命弱点。（5）离

7、子镀蒸发物质的分子被电子碰撞电离后以离子沉积在固体表面，称为离子镀。这种技术是D.麦托克斯于1963年提出的。离子镀是真空蒸发与阴极溅射技术的结合。一种离子镀系统如图4离子镀系统示意图,将基片台作为阴极，外壳作阳极，充入惰性气体（如氩）以产生辉光放电。从蒸发源蒸发的分子通过等离子区时发生电离。正离子被基片台负电压加速打到基片表面。未电离的中性原子（约占蒸发料的95）也沉积在基片或真空室壁表面。电场对离化的蒸气分子的加速作用（离子能量约几百几千电子伏）和氩离子对基片的溅射清洗作用，使膜层附着强度大大提高。离子镀工艺综合了蒸发（高沉积速率）与溅射（良好的膜层附着力）工艺的特点，并有很好的绕射性，可

8、为形状复杂的工件镀膜。二、答：PLD450A球型脉冲激光沉积镀膜设备介绍如下：1.设备的组成及具体结构 图（5） 球型真空室结构示意图设备是由一个450mm球型真空室组成，采用一套FB600分子泵和2XZ-8机械泵组成并设置旁路抽气回路。在球型真空室上开出了法兰接口为：（1）基片样品台组件，可放置四片30的基片，可公转换位，接口200法兰，氟橡胶圈密封。（2）四工位转靶组件，接口150法兰，氟橡胶密封。（3）激光入射窗口，激光与靶材表面成450角入射，开出两个相互垂直的CF63法兰，安装能透过248nm的石英窗二块。（4）上半球面安装CF100观察窗一个和CF63观察窗一个。（5）铰链活动门，

9、接口150法兰，氟橡胶密封。（6）分子泵抽气口，接口法兰，无氧铜圈密封。（7）CF35接口法兰5个用于旁路抽气、规管、烘烤、照明及备用。（8）CF16接口法兰2个，用于MFC进气及系统放气。2. 设备的功能：该设备系一球型室并由涡轮分子泵抽气的高真空系统，采用PLD脉冲激光技术，用于制备各种金属膜、半导体膜、铁电薄膜、硬质薄膜以及各类具有复杂成分和高熔点的氧化物薄膜。可以生长和靶材成份一致的多元化合物薄膜，甚至含有易挥发元素的多元化合物薄膜。由于灵活的换靶装置，便于实现多层膜及超晶格薄膜的生长。3. 操作运行流程： （1）清洗基片架和转靶。（2）安装基片和靶材。（3）打开V4放气阀门放入气体，

10、打开活动门，把基片架和转靶安装在球型室内，关闭活动门，关闭所有的阀门。（4）给设备通水，检查所水冷系统是否正常。（5）打开总电源，启动机械泵，打开CF35手动角阀，打开2DF-5227真空计电源。（6）真空度达到3Pa以下，打开旁抽阀（抽几分钟），然后打开FB600分子泵电源，按两下面板<PRGM>键，再按“START”键，分子泵开始加速，当达到满速400转时，关闭CF35,打开GV150,闸板阀。（7）打开加热电源，按“开”按钮，设定所需基片温度，按“Enter”键开始加热。（8）打开激光转靶控制电源，打开MFC质量流量计，预热5-10分钟。（9）待真空度达到10-3Pa以下，关

11、闭GV150阀门，关分子泵，关旁抽阀，打开CF35手动角阀。（10）打开减压阀，打开V1通气阀通入O2气，通过CF35阀门控制氧压。（11）打开激光器让其自检，待自检完毕后，设置所需的激光能量和频率，即可启动激光器让其工作。（12）调节好光路，打开转靶自传开关，即可沉积镀膜。（13）镀膜结束后，首先关闭激光器，然后关闭减压阀，关闭通气阀V1,关闭四转靶转动控制电源、控温加热电源、流量计电源、关真空计电源。（14）关闭CF35阀门，关机械泵电源，关闭总电源开关。（15）关循环水开关。三、答：1射频溅射的基本原理：荷能粒子轰击固体表面，使固体原子(或分子)逸出的现象叫溅射，逸出的粒子称为溅射粒子，

12、用于轰击的粒子可以是电子、离子或中性粒子，以为离子的质量远大于电子，因此大多数采用离子作为轰击粒子。溅射粒子沉积在基片表面上就形成了薄膜，叫做溅射沉积。使用直流电源可以构成直流溅射沉积薄膜系统。将靶材放在阴极上，而将基片放在接地的电极（阳极）上,就构成了直流二极溅射系统，工作时，先将真空室预抽到高真空（如10-3），然后通入氩气使压气维持在1-10Pa，这时接通电源在阴极和阳极间产生异常辉光放电，气体电离形成等离子体，其中带正电的氩离子受到电场加速而轰击阴极靶，从而使靶材产生溅射。用交流电源代替直流电源就构成了交流溅射系统，由于常用的交流电源的频率在射频段，所以称作射频溅射。2.射频溅射的特点

13、： 射频溅射中，等离子体中的电子容易在射频场中吸收能量并在电场内振荡，因此，电子与工作气体分子碰撞并使之电离产生离子的几率变大，故使得击穿电压、放电电压及工作气压显著降低。3.在直流溅射装置中如果使用绝缘材料靶时，轰击靶面的正离子会在靶面上积累，使其带正电，靶电位从而上升，使得电极间的电场逐渐变小，直至辉光放电熄灭和溅射停止。所以直流溅射装置不能用来溅射沉积绝缘介质薄膜。为了溅射沉积绝缘材料，人们将直流电源换成交流电源。由于交流电源的正负极性发生周期性交替，当溅射靶处于正半周期时，电子流向靶面，中和其表面积累的正电荷，并且积累电子，使其表面呈现负偏压，导致在射频电压的负半周时吸引正离子轰击靶材

14、，从而实现溅射。四、答：1.微波ECR等离子体化学气相沉积薄膜的基本原理、结构示意图以及设备的组成：微波可以在谐振腔体中产生较高的电场，从而把低气压下的气体电离成等离子体，但是它产生的等离子体密度存在一个限度：ne=0.012f2(频率f单位为HZ)。为了突破密度极限，可以引入磁场。随着磁场B的引入，电子将围绕着磁场作回旋运动，这时输入的微波频率和电子回旋频率=eB/me相等就会产生所谓的电子回旋共振，常称作ECR共振，这时微波的能量会高效率的耦合给电子，从而形成高密度的等离子体。图（6） 典型的ECR等离子CVD装置几何配置图图6是典型的ECR等离子体CVD装置的剖面图，2.45GHz的微波

15、沿着磁场方向通过一个石英窗口入射到放电室中。放电室外面绕的电磁线圈产生沿轴线呈发散形的磁场，当磁场强度达到875G时，电子回旋共振条件得到满足，发生微波能量的共振耦合传递，形成高密度等离子体。由于磁场沿放电室的轴向是发散形的，所以等离子体会沿着磁力线方向扩散到装有基片架的沉积室中。在整个放电过程中伴有高密度的自由基团产生，这些粒子撞击到基片上形成薄膜。2. 特点：它是通过介质窗或介质壁耦合给等离子体，无需像放电容耦合放电等离子体那样通过插入反应室内部的电极将功率耦合给等离子体，这种功率传输方式使得等离子体鞘层电压很低，因而仅有少量的功率消耗于鞘层区的粒子加速，大部分功率耦合给了等离子体中的电子

16、，从而高效率的将能量用于电离反应气体，而提高等离子体密度。另一方面，放置基片的电极还可以由另一个射频电源来驱动，产生的负偏压可以控制轰击基片的离子能量。五、太阳能电池1.文献名称、来源和摘要：(1)名称：多晶SiC /多孔硅结构材料的APCVD 生长及表征 来源：西安电子科技大学学报 Vol . 36 No. 2Apr . 2009 摘要：采用SiH4-2C3 H8-H2 气体反应体系,通过常压化学气相淀积(APCVD) 工艺在电化学腐蚀的多孔硅衬底上进行了多晶3C2SiC 薄膜的生长,研究了多孔硅孔隙率对薄膜生长质量的影响. 实验结果表明,当多孔硅孔隙率较低时,得到的是含有SiC(111)

17、晶粒的多晶硅薄膜,随着孔隙率的增加,生长薄膜由富碳多孔SiC 向多晶SiC 薄膜过渡,表面平整度增加,并具有< 111 > 晶向择优生长的特点.(2)名称：快速热退火制备多晶硅薄膜的研究 来源：电子元件与材料 Vol.28 No.4 Apr . 2009 摘要：采用等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）沉积非晶硅薄膜，然后在快速热退火炉中进行退火。研究了升温速率、降温速率对晶化的影响。结果表明：退火中，升温速率越大，越不利于晶核的形成；降温速率较小时（100/60 s），形成的晶粒尺寸较小，晶化情况较好，晶化率估算达64.56%。(3)name：Optimization of b

18、ack reflector for high efficiency hydrogenatednanocrystalline silicon solar cellssource：APPLIED PHYSICS LETTERS 95, 263501(2009)anstract：We have studied the effect of texture in Ag/ZnO back reflectors (BRs)on the performance ofhydrogenated nanocrystalline silicon (nc-Si:H)solar cells. While a larger

19、 texture provides superiorlight trapping, it also deteriorates the nc-Si:H quality. We have used total and diffused reflection andatomic force microscopy to evaluate the BR texture. A BR with textured Ag and thin ZnO layers hasbeen found to give the best cell performance. Using the optimized BR, we

20、have achieved an initialactive-area efficiency of 10.2% in a nc-Si:H single-junction cell and a stable total-area efficiency of12.5% in a hydrogenated amorphous silicon/nc-Si:H/nc-Si:H triple-junction cell. (4)name：Tungsten oxide as a buffer layer inserted at the SnO /p-a-SiC interfaceof pin-type am

21、orphous silicon based solar cellssource：APPLIED PHYSICS LETTERS 96, 193501(2010)anstract：A thermally evaporated p-type amorphous tungsten oxide (p-a-WO)film was introduced as abuffer layer between SnO and p-type amorphous silicon carbide (p-a-SiC)of pin-type amorphoussilicon based solar cells. Using

22、 the Schottky barrier model, it is shown that the p-a-WO layerlowered the Schottky barrier height, which enhanced the open circuit voltage and the blue responsecompared to a bufferless cell. By inserting a 2-nm-thick p-a-WO layer between SnO and an8-nm-thick p-a-SiC layer, the conversion efficiency

23、was increased by 7.3% compared to theoptimized bufferless cell only with a 10-nm-thick p-a-SiC window layer.(5)name：Polycrystalline silicon thin film solar cells preparedby PECVD-SPCsource：INTERNATI ONAL JOURNAL OF HYDROGEN ENERGY 33 ( 2008 ) 3522 3525 anstract：Among the most promising technological

24、alternatives for the development of photovoltaicmodules and cells of a low cost, good energetic conversion and feasibility for massproduction, polycrystalline silicon thin film solar cells deposited directly on a transparentsubstrate are currently being considered the best.We have developed in our l

25、aboratory a PECVD reactor capable of producing thedeposition of amorphous hydrogenated silicon at rates of above 2 nm/seg, allowing asignificant production per line on the plant. Discharge gas is silane, to which diborane orphosphine is added so as to form the cell. Basically, work is done on a stru

26、ctureof cell typeTCO/n+/p_/p+/M, which has 2of total thickness. Schott AF-37 glass is used as asubstrate, for their ability to withstand temperatures of up to 800. The amorphous cell issubsequently annealed at gradual temperatures of 100 to achieve dehydrogenation up to650700 for 12h until their com

27、plete crystallization is achieved.Our results show a complete crystallization of silicon with a grain size of lessthan a micron, with a dehydrogenation process at 500, leaving a remainder of lessthan 1% in hydrogen as monohydrate. The parameters of the cell estimated fromthe IV curve yield low value

28、s, FF<0.55, Icc<200 and Voc<420mV. The high seriesresistance is due to the grain size and defect density, which will be attempted to beimproved by post-hydrogenation and rapid thermal annealing (RTA) methods at hightemperatures.(6)name：Thin film polycrystalline silicon solar cells on mullit

29、e ceramics source：Renewable Energy 33 (2008) 267272 anstract：In this work, we present the structural quality of polycrystalline silicon films formed by high-temperature chemical vapor deposition(CVD) on mullite ceramics coated with spin-on flowable oxides (FOx) serving as intermediate layers(ILs). T

30、he average grain size and thesize distribution were investigated by optical microscopy. It is found that more than 65% of the surface of polysilicon films grown onboron-doped FOx is covered by large grains of 510 mm. The intra-grain and inner-grain defects as well as the grain orientation wereanalyz

31、ed with the electron backscattering diffraction (EBSD) technique. Twin-type defects such as S3 and S9 are frequently present inthese silicon layers, which are slightly (110) preferentially oriented. Finally, we present the photovoltaic data on test solar cells made onthese CVD polysilicon films. An

32、efficiency of about 3.3% is reported. The limiting factors, as well as possible improvements, arediscussed.2、研究报告：1)主要研究单位及人员：研究单位：(1)上海交通大学物理系太阳能研究所；(2)南开大学光电子所；(3)中山大学太阳能系统研究会；（4）InESS-CNRS-ULP, 23 Rue du Loess, BP 20CR,F-67037 Strasbourg Cedex 2, France；（5）中国科学院电工研究所；（6）河北工业大学材料学院；（7）中国科学院半导体研究所；

33、（8）郑州大学物理工程学院；（9）中国科学院等离子体物理研究所；（10）Department of Electrical Engineering, Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST),335 Gwahak-ro,Daejeon 305-701, Republic of Korea；（11）四川大学材料与工程学院；（12）United Solar Ovonic LLC, 1100 West Maple Road, Troy, Michigan 48084, USA。研究人员：(1)何宇亮；(2) A. Focsa；

34、(3)黄庆举；(4)刘丽娟；(5)M. Cutrera；(6)杨银堂；(7)李跃进；(8)王红娟；(9)R.H. Buitrago；(10)G.A. Risso；(11)贾护军；(12) I. Gordon；(13) A. Slaoui。2)研究的意义太阳能是一种取之不尽、十分重要的清洁能源，太阳能发电具有广阔的发展前景，多晶硅薄膜电池由于所使用的硅量远较单晶硅少，又无效率衰减问题，并有可能在廉价底材上进行加工制备，其成本预期要远低于单晶硅电池，实验室效率已达，远高于非晶硅薄膜电池的效率。因此，多晶硅薄膜电池被认为是最有可能替代单晶硅电池和非晶硅薄膜电池的下一代太阳能电池，现在已经成为国际太阳能领域的研究热点。3）研究的主要内容多晶硅薄膜太阳能电池是近几年来太阳能电池研究的热点。虽然多晶硅属于间接带隙材料,不是理想的薄膜