薄膜制備的真空技術(shù)基礎(chǔ)

1、1 薄膜制備的真空技術(shù)基礎(chǔ)1.1 氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念固體液體氣體1.1.1 氣體分子的運(yùn)動(dòng)速度及其分布 氣體分子運(yùn)動(dòng)論： 氣體分子一直處無(wú)規(guī)熱運(yùn)動(dòng)； 平均運(yùn)動(dòng)速度取決于溫度； 分子之間和分子與器壁之間相互碰撞。 結(jié)果：氣體分子的速度服從一定統(tǒng)計(jì)分布, 氣體本身對(duì)外顯示一定的壓力。 理想氣體模型： 氣體分子之間除相互碰撞的瞬間之外，完全不存在相互作用，即它們可被看作是相互獨(dú)立的硬球，且硬球的半徑遠(yuǎn)小于球與球之間的距離。 在一般的溫度和壓力條件下，所有氣體可看作理想氣體。maxwell-boltzmann分布：rtmvevrtmvf22232)2(4)(溫度越高，分子的平均運(yùn)動(dòng)速度越大。相對(duì)

2、原子質(zhì)量越小，f(v)vpvv2vmrtvp2mrtv8m3rtv2 1.1.2 氣體的壓力和氣體分子的平均自由程 理想氣體的壓力：aannrtnvmnp82氣壓?jiǎn)挝唬? pa1 n/m21 atm 760 mmhg 101 325 pa1 torr1 mmhg133.3 pa1 mbar 100 pa氣體分子的平均自由程： 氣體分子在兩次碰撞的間隔時(shí)間里走過(guò)的平均距離。 2dn1d 氣體分子的有效截面直徑計(jì)算：常溫常壓下空氣。 d空氣0.5nm， 空氣50nm rtpnna平均碰撞頻率 1010/v降低氣體壓力，減小碰撞幾率，獲得較大的平均自由程。1.1.3 氣體分子的通量單位面積上氣體分子

3、的通量：氣體分子對(duì)于單位面積表面的碰撞頻率。mrtpn4vna2克努森方程氣體分子對(duì)襯底碰撞 薄膜沉積薄膜沉積速度正比于氣體分子的通量計(jì)算：在高真空的條件下，清潔表面被環(huán)境中的雜質(zhì)氣體分子污染所需時(shí)間。(假設(shè): 每一個(gè)向清潔表面運(yùn)動(dòng)過(guò)來(lái)的氣體分子都是雜質(zhì)，且每一個(gè)雜質(zhì)分子都會(huì)被該表面所俘獲。)襯底完全被一層雜質(zhì)氣體分子覆蓋所需要的時(shí)間：常溫、常壓， 3.510-9 sp=10-8 pa， 10hpnmrt2nnan 清潔表面的原子面密度真空環(huán)境劃分： 低真空 102 pa 中真空 102 10-1 pa 高真空 10-1 10-5 pa 超高真空 10-5 pa 真空蒸發(fā)沉積： 高真空和超高真

4、空（10-3 pa）; 濺射沉積： 中、高真空（10-2 10pa）;低壓化學(xué)氣相沉積：中、低真空（10 100pa）;電子顯微分析： 高真空;材料表面分析： 超高真空。back1.2 氣體的流動(dòng)狀態(tài)和真空抽速 1.2.1 氣體的流動(dòng)狀態(tài) 氣體分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)本身并不導(dǎo)致氣體的宏觀流動(dòng)。只有在空間存在宏觀壓力差的情況下，氣體作為一個(gè)整體才會(huì)產(chǎn)生宏觀的定向流動(dòng)。 氣體的流動(dòng)狀態(tài)根據(jù)氣體容器的幾何形狀、氣體的壓力、溫度以及氣體的種類(lèi)不同而存在很大差別。 分子流狀態(tài)：在高真空環(huán)境下，氣體的分子除了與容器壁碰撞以外，幾乎不發(fā)生氣體分子間的相互碰撞。特點(diǎn)：氣體分子平均自由程大于氣體容器的尺寸或與其相當(dāng)。

5、（高真空薄膜蒸發(fā)沉積系統(tǒng)、各種材料表面分析儀器）粘滯流狀態(tài)：當(dāng)氣壓較高時(shí)，氣體分子的平均自由程很短，氣體分子間的相互碰撞較為頻繁。（化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)）克努森（knudsen）準(zhǔn)數(shù)d 氣體容器的尺寸分子流狀態(tài) kn1過(guò)渡狀態(tài) kn1100粘滯流狀態(tài) kn 100dkn 層流狀態(tài)：低流速黏滯流所處的氣流狀態(tài)，即氣體宏觀運(yùn)動(dòng)方向與一組相互平行的流線(xiàn)相一致。紊流狀態(tài)：高流速黏滯流所處的氣流狀態(tài)，氣體不再能夠維持相互平行的層狀流動(dòng)模式，而呈現(xiàn)出一種旋渦式的流動(dòng)模式。1.2.2 氣體管路的流導(dǎo)流導(dǎo)：真空管路中氣體的通過(guò)能力。p1、p2 管路兩端的氣壓q 單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)管路的氣體流量 (單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)的氣體

6、體積與壓力的乘積)21ppqc分子流氣體：流導(dǎo)c與壓力無(wú)關(guān)，受管路形狀影響，且與氣體種類(lèi)、溫度有關(guān)。例：一個(gè)處于兩個(gè)直徑很大的管路間的通孔，設(shè)孔的截面積為a，則其流導(dǎo)應(yīng)正比于通孔兩側(cè)氣體分子向通孔方向流動(dòng)的流量之差。通孔的流導(dǎo)m2rtanac粘滯流氣體：氣體流導(dǎo)的數(shù)值還隨氣體的壓力呈現(xiàn)復(fù)雜的變化。一般規(guī)律是，當(dāng)壓力升高時(shí)，氣體通過(guò)單位面積的流量有增加的趨勢(shì)，因而管路流導(dǎo)的數(shù)值隨壓力的升高而增加。不同流導(dǎo)c1、c2、c3相互串聯(lián)或并聯(lián)，形成總流導(dǎo)c： 串聯(lián)流導(dǎo) 并聯(lián)流導(dǎo)3213211111cccccccc 1.2.3 真空泵的抽速思考：真空泵的抽速和管路的流導(dǎo)有何區(qū)別？pqspp 真空泵入口處氣

7、體壓力q 單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)真空泵入口處氣體流量圖1.4 沒(méi)有回流(a)和有回流(b)情況下真空系統(tǒng)的模型圖1.4a：流量相等 q=c (p-pp)= sp pp實(shí)際抽速cscspqspp真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)基本原則：確保c大于sp。當(dāng)sp=c時(shí)， s=sp/2。真空泵可以提供的極限真空度 （存在氣體回流的情況） ppp 設(shè)：回流量qp，ppsqp 0令q=0，極限真空度)1 (0ppspqsp實(shí)際抽速)1 (psqpsqpsqppppp流量相等dtdpvdtpvdq)(vtsipeppptp)()(00壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律t=0時(shí)的真空度back按獲得真空的方法，真空泵分為兩大類(lèi)：u輸運(yùn)式真空泵：

8、采用對(duì)氣體進(jìn)行壓縮的方式將氣體分子輸送至真空系統(tǒng)之外。（機(jī)械式氣體輸運(yùn)泵，如旋片式機(jī)械真空泵、羅茨泵、渦輪分子泵；氣流式氣體輸運(yùn)泵，如油擴(kuò)散泵 ） u捕獲式真空泵：依靠在真空系統(tǒng)內(nèi)凝集或吸附氣體分子的方式將氣體分子捕獲，排除于真空系統(tǒng)之外。（低溫吸附泵、濺射離子泵） 某些捕獲式真空泵在工作完畢以后還可能將己捕獲的氣體分子釋放回真空系統(tǒng)。 1.3 真空泵簡(jiǎn)介1.3.1 旋片式機(jī)械真空泵工作原理： 依靠安置在偏心轉(zhuǎn)子中的可以滑進(jìn)滑出的旋片將氣體隔離、壓縮，然后排出泵體之外。理論抽速sp=轉(zhuǎn)子與定子間的體積v轉(zhuǎn)速f抽速范圍:1300l/s，極限真空度：10-1 pa特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠缺點(diǎn)：油污

9、染工作原理示意圖：?jiǎn)为?dú)使用或高真空系統(tǒng)的前級(jí)真空吸氣壓縮排氣1.3.2 羅茨（roots）真空泵工作原理： 泵內(nèi)兩個(gè)呈8字型的轉(zhuǎn)子以相反的方向旋轉(zhuǎn)。優(yōu)點(diǎn)：無(wú)油，抽速大（103 l/s）， 極限真空度高（10-2 pa）缺點(diǎn)：適用范圍窄（0.11000pa）1.3.3 油擴(kuò)散泵工作原理： 將油加熱至高溫蒸發(fā)狀態(tài)(約200)，讓油蒸氣呈多級(jí)狀向下定向高速?lài)姵鰰r(shí)不斷撞擊氣體分子，并將部分動(dòng)量傳給這些氣體分子，使其被迫向排氣口方向運(yùn)動(dòng)，在壓縮作用下被排出泵體。適用范圍： 1-10-6 pa缺點(diǎn)：油蒸氣的回流（解決方法：冷阱）1.3.4 渦輪分子泵工作原理： 高速旋轉(zhuǎn)的葉片（2000-3000r/min

10、）將動(dòng)量傳給氣體分子，并使其向特定方向運(yùn)動(dòng)。特點(diǎn)：壓縮比高（氮?dú)?109，氫氣 103），無(wú)油。適用范圍：110-8 pa1.3.5 低溫吸附泵工作原理： 依靠氣體分子在低溫條件下自發(fā)凝結(jié)或被其他物質(zhì)表面吸附而獲得高真空。 真空度依賴(lài)于低溫溫度、吸附物質(zhì)的表面積、被吸附氣體的種類(lèi)等因素。適用范圍：10-1-10-8 pa。1.3.6 濺射離子泵工作原理： 高壓陰極發(fā)射出的高速電子與殘余氣體分子碰撞引起電離放電，電離的氣體分子高速撞擊ti陰極濺射出大量ti原子?；钚院芨叩膖i原子以吸附或化學(xué)反應(yīng)的形式捕獲大量氣體分子并使其在泵體內(nèi)沉積下來(lái)，實(shí)現(xiàn)無(wú)油高真空環(huán)境。特點(diǎn)：氣體活性大，抽速大；壽命有限。

11、極限真空度：10-8 pa。ti升華泵back1.4 真空的測(cè)量真空測(cè)量：用特定的儀器和裝置，對(duì)某一特定空間內(nèi)真空高低的測(cè)定。（真空計(jì)、規(guī)管） u 絕對(duì)真空計(jì)：通過(guò)測(cè)定物理參數(shù)直接獲得氣體壓強(qiáng)的真空計(jì)（u型真空計(jì)、壓縮式真空計(jì)等） 特點(diǎn)：測(cè)量比較準(zhǔn)確，氣壓低時(shí)測(cè)量極其困難u 相對(duì)真空計(jì)：通過(guò)測(cè)量與壓強(qiáng)有關(guān)的物理量，并與絕對(duì)真空計(jì)比較后得到壓強(qiáng)值的真空計(jì)（放電真空計(jì)、熱傳導(dǎo)真空計(jì)、電離真空計(jì)等） 特點(diǎn)：準(zhǔn)確度略差，可測(cè)量低氣壓 由儀器測(cè)出的真空度與真空室的實(shí)際真空度之間可能會(huì)由于溫度不同而存在誤差。 在分子流狀態(tài)，而且真空室與測(cè)量點(diǎn)之間存在較細(xì)的管道連接時(shí)，測(cè)量壓力pm和實(shí)際壓力pc之間的關(guān)系將

12、可由分子凈通量為零的條件得出：mcmcttpptc、tm 真空室和測(cè)量點(diǎn)處氣體溫度1.4.1 熱偶真空規(guī)和皮拉尼（pirani）真空規(guī)熱偶真空規(guī)工作原理：將作為熱絲的pt通過(guò)恒定強(qiáng)度的電流。在達(dá)到熱平衡以后，電流提供的加熱功率與通過(guò)空間熱輻射、金屬絲熱傳導(dǎo)以及氣體分子熱傳導(dǎo)而損失的功率相等，因而熱絲的溫度將隨著真空度的不同而有規(guī)律變化。設(shè)計(jì)基礎(chǔ)：氣體熱導(dǎo)率隨氣體壓力的變化。熱電勢(shì)隨氣體壓力的變化曲線(xiàn)缺點(diǎn)：非線(xiàn)性，測(cè)量結(jié)果與氣體種類(lèi)有關(guān)，零點(diǎn)漂移嚴(yán)重。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。測(cè)量范圍:0.1-100pa 氣體的熱導(dǎo)率將隨著氣體壓力的增加而上升，因而熱絲的溫度會(huì)隨著氣體壓力的上升而降低。這時(shí)，用

13、熱電偶測(cè)出了熱絲本身的溫度，也就相應(yīng)測(cè)出了環(huán)境的氣體壓力。皮拉尼真空規(guī)：又稱(chēng)熱阻式真空規(guī)，通過(guò)測(cè)量熱絲的電阻隨溫度的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)真空度的測(cè)量。優(yōu)缺點(diǎn)：同熱偶真空規(guī)類(lèi)型：定溫度型，定電流型 和定電壓型。1.4.2 電離真空規(guī)工作原理：熱陰極發(fā)射出的電子在飛向陽(yáng)極過(guò)程中碰撞氣體分子使之電離。離子收集極接收電離的離子，根據(jù)離子電流強(qiáng)度ii的大小測(cè)量環(huán)境真空度。 與熱偶真空規(guī)結(jié)合使用的高真空規(guī)陰極發(fā)射的電子電流強(qiáng)度ie、氣體分子的碰撞截面、氣體分子的密度離子電流與氣體壓力之間的關(guān)系測(cè)量范圍：110-7pa缺 點(diǎn)：測(cè)量值與所測(cè)氣體 種類(lèi)有關(guān)。為了消除真空規(guī)本身放氣對(duì)高真空度時(shí)測(cè)量值的影響，在使用之前需加熱至稍高的溫度進(jìn)行預(yù)先烘烤，以減少測(cè)量時(shí)放氣的影響。1.4.3 薄膜真空規(guī)工作原理：