薄膜光學技術-3-1

第三章薄膜制造技術薄膜的制備方法鍍膜方法濕法干法CVDPVD電鍍化學鍍常壓CVD低壓CVD光CVD金屬有機物熱分解CVDPECVD熱蒸發(fā)離子束輔助蒸發(fā)濺射離子鍍射頻、直流、射頻直流、直流脈沖、微波高溫、中溫濕法制備薄膜工藝簡單，制造成本低，但膜層厚度不能精確控制，膜層強度差，較難獲得多層膜，有污染。干法制備薄膜需要使用真空鍍膜機，制造成本高，但膜層厚度可以精確控制，膜層強度好，無污染，已廣泛采用。PVD技術1.熱蒸發(fā)技術2.濺射技術3.離子鍍技術4.離子輔助鍍技術3.1真空及真空鍍膜機“真空”是干法鍍膜的基礎，是光學鍍膜機的基礎。本節(jié)將解答下列問題：

PVD為什么要在真空中進行？真空用哪些參數(shù)計量？

PVD所需要的真空條件是如何確定的？真空如何獲得？1）.熱蒸發(fā)工藝過程：（1）PVD與真空1、真空基礎2）.大氣PVD存在的問題常溫常壓下，空氣分子質量密度：1.28×10-6

g

/mm3

每克氣體分子含分子個數(shù)：2.08×1022個/g

——氣體分子距離：3.34×10-6mm

——氣體分子的空間密度：2.68×1016個/mm3因此,A.空氣中活性氣體分子與膜層、膜料、蒸發(fā)器反應；B.空氣分子進入膜層成為雜質；C.蒸發(fā)膜料大多因碰撞而無法直線到達被鍍件。3).真空PVD的優(yōu)點

真空——壓強小于1個大氣壓的氣體狀態(tài)。

PVD需要的真空條件應能保證：

“平均自由程”＞“源-件”距。易蒸發(fā)（膜料蒸發(fā)溫度大幅下降）；易獲高純膜；

膜層堅硬；成膜速度快。（2）真空與壓強1）.真空與真空度真空是一種氣體狀態(tài)（并非一無所有）。真空度是表征真空狀態(tài)氣體稀薄程度的物理量。2.真空度與壓強

A.真空度的計量采用與壓強相同的方法和單位。

注：壓強低真空度高；壓強高真空度低。

B.壓強計量單位：1標準大氣壓=760mmHg=1.01325×105Pa真空的國際單位：Pa（帕）常用真空單位還有：Torr（托）,mmHg（毫米汞柱)，

mbar（毫巴），atm（大氣壓）互換關系為：

1Torr=1/760atm=1mmHg=1.33mbar=133.3Pa幾種壓強單位的換算關系

目前尚無統(tǒng)一規(guī)定，常見的劃分為：粗真空，低，高，超高，極高。

粗真空

105-102Pa

低真空

102-10-1Pa

高真空

10-1-10-6Pa超高真空

10-6-10-10Pa

極高真空10-10Pa

-C.真空區(qū)間被劃分為：（3）PVD所需真空度1).分子平均自由程2).分子碰撞率3).PVD要求分子碰撞率<10%，若，d=0.5m→當溫度和氣體種類一定時，2.真空鍍膜機真空系統(tǒng)熱蒸發(fā)系統(tǒng)阻蒸電子槍膜厚控制系統(tǒng)光電膜厚儀石英晶體膜厚儀3.2真空獲得與檢測3.2.1真空泵

“抽真空”—抽出容器內(nèi)氣體，獲得真空狀態(tài)的過程/動作。“真空泵”—用于抽出容器內(nèi)氣體的機器。抽氣機。

1.真空與真空泵真空泵主要性能參數(shù)：抽氣速率（體積流率）：L/s，m3/s；極限真空：可以抽達的最低壓強(最高真空度)；啟動壓強：泵無損啟動，并有抽氣作用時的進氣口壓強；前級壓強：泵排氣口壓強；最大前級壓強（反壓強）：超過了就會使泵損壞或不能正常工作的前級壓強。2.常見真空泵直聯(lián)泵

(1).常見真空泵的分類

A.氣體傳輸泵：——能使氣體不斷吸入和排出而達到抽氣目的。

a、變?nèi)菔剑?/p>

——泵腔容積周期性變化完成排吸氣。如：油封旋片式機械泵；滑閥泵；羅茨泵。

b、動量傳遞泵：

——用高速旋轉的葉片或高速射流，把動量傳遞給氣體分子，使氣體分子連續(xù)的、不斷地從入口向出口運動。如：分子泵；油擴散泵。B.氣體捕集泵：

——利用泵體/工作物質對氣體分子的吸附和凝結作用抽出容器內(nèi)的氣體。如：吸附泵；吸氣劑泵；低溫泵。超高真空中真空高真空低真空機械泵羅茨泵油擴散泵渦輪分子泵濺射離子泵低溫泵(2).工作范圍：工作壓強：105Pa~10-1Pa工作壓強：104Pa~10-1Pa工作壓強：10-1Pa~10-6Pa3.旋片式機械泵1).結構抽、排氣工作由旋片完成；油封的作用是密封和潤滑。2)、工作過程3).工作原理

根據(jù)Boyle-Malotte定律：P·V=R·T

若將原壓強為P0的容器體積V擴展△V，

且溫度T不變，

則擴展容積后的壓強P1

由P1

·（V+△V）=R·TP0·V=R·T

得P1

·（V+△V）=P0·V

即P1=P0·V/（V+△V）

顯然，容器體積擴展△V時，壓強P0下降為P1。4).性能指標①指標：前級壓強：1.013×105Pa(1個標準大氣壓）啟動壓強：1.013×105Pa(1個標準大氣壓）工作壓強：1.013×105Pa~1.333×10-1Pa極限真空：5×10-2Pa

②抽速：油封旋片式機械泵的理論抽速為其中：

實際抽速并非始終如此，在開始抽大氣和容器壓強較低（小于1Pa）時，機械泵的抽速都大大低于理論抽速。

直聯(lián)泵（高速）的抽速明顯高于普通機械泵。直聯(lián)泵:電動機直接驅動泵轉子，把轉速提高到1400r/min以上400r/min4.油擴散泵凸腔泵直腔泵1).結構工作物質—高純真空油；加熱器—為油汽化加熱；泵芯—為油蒸汽導向；

2).工作原理①氣體分子擴散，油蒸氣分子動量傳遞；②多級噴嘴“接力”并阻止“反擴散”（氣，油）；③分餾分級（圖示），重餾分低蒸氣壓油蒸氣沿中心高級導流管蒸發(fā)，利于獲得高極限真空，小污染。3).性能①.指標

啟動壓強：10-1Pa最大前級壓強：1Pa工作壓強：10-1Pa~10-6Pa極限真空：10-7Pa②.值得注意的問題

A.油擴散泵既不能直接抽大氣，也不能直接向大氣中排氣；

B.油擴散泵必須在有水冷的條件下使用。5.羅茨泵羅茨真空泵（簡稱羅茨泵）是一種旋轉式變?nèi)菡婵毡?。它是由羅茨鼓風機演變而來的。直排大氣的低真空羅茨泵；中真空羅茨泵（又稱機械增壓泵）；高真空多級羅茨泵。1).羅茨泵的分類2).結構及工作過程3).羅茨泵的特點在較寬的壓強范圍內(nèi)有較大的抽速；起動快，能立即工作；對被抽氣體中含有的灰塵和水蒸氣不敏感；轉子不必潤滑，泵腔內(nèi)無油；振動小，轉子動平衡條件較好，沒有排氣閥；驅動功率小，機械摩擦損失??；結構緊湊，占地面積??；運轉維護費用低。理論基礎根據(jù)氣體分子運動論，氣體分子碰撞到固體表面，在表面上停留的時間很短。如果處于氣體中的固體表面以一定的方向運動，所有飛到表面的分子，經(jīng)過碰撞后都具有一定的分速度，其大小與方向等于固體的速度。6.渦輪分子泵工作原理依靠高速運動的物體表面把定向速度傳遞給入射表面的氣體分子，造成泵出口、入口的氣體分子正向、反向傳輸幾率的差異而產(chǎn)生抽氣作用。（30000轉/分）。1.動葉輪；2.泵殼；3.渦輪排；4.中頻電動機；5.底座；6.出氣口法蘭；7.潤滑油池；8.靜葉輪；9.電機冷卻水管.

優(yōu)點：無油，潔凈，啟動快，制動快，可忍受大氣沖擊。缺點：由于高速旋轉，不能在磁場中使用，否則會產(chǎn)生渦流，導致葉輪發(fā)熱、變形等嚴重后果，對氫氣等輕質氣體抽速較小，價格昂貴。7.低溫真空泵

利用低溫冷凝和低溫吸附原理抽氣的容積式真空泵，是無油高真空環(huán)境獲得設備。低溫冷凝：用液He冷卻固體表面達4.2K，空氣中除H2、He以外，大部分氣體的飽和蒸氣都低于1Pa，即空氣中主要氣體成分都會被冷凝，即達到抽真空的目的。低溫吸附：在低溫表面上粘貼一些固體吸附劑，氣體分子打到這些多孔的吸附劑上而被捕集。1).工作原理

①.真正的無油真空泵：利用低溫冷板來冷凝、吸附氣體而獲得和保持真空，清潔無污染；

②.抽速快：特別是對H2O、H2等氣體抽速很大，因而排氣速度比其他真空泵快，大大提高產(chǎn)品產(chǎn)出量；

③.運行費用低：運行時只需電力和冷卻水，不需液氮等低溫液體，操作簡單方便；

④.適應性強：真空腔內(nèi)無運動部件，來自外界的干擾或來自真空系統(tǒng)的微粒不影響低溫泵工作；

⑤.可以安裝在任何方位；

⑥.運動部件少且低速運行，壽命長；⑦.可以達到10-7Pa的極限真空度，甚至可達10-9Pa。2).低溫泵的特點3.2.2高真空系統(tǒng)

1.構成2.主要部分的作用①.前級泵—機械泵：

排氣于大氣中；為油擴散泵提供預真空。②.高真空泵—油擴散泵：

獲得10-3Pa的高真空。③.冷阱：

擋油器，阻止油蒸氣進入真空室。④.過冷凝器（Polycold):

置于真空室的水分子捕集器（液態(tài)N制冷），用于補償由“前級泵+油擴散泵”組成的系統(tǒng)不能抽水蒸氣的缺陷。3.2.3、真空測量

——以某一中間變量與氣體壓強的關系為依據(jù)的間接測量。熱電偶真空計

1）.結構：

Pt-鉑燈絲;

A，B-熱偶絲;

O-熱偶接點.

2）.測量范圍：102~

10-

1Pa1.熱電偶真空計3）.原理

——低氣壓（100~10-2）下氣體的熱傳導與壓強成正比。因為：燈絲通電后，其熱量散失的途徑有三：

Q1：—燈絲輻射損失

Q1=C1·（T—T0）Q2：—燈絲引線的熱傳導損失

Q2=C2·（T—T0）Q3：—氣體碰撞的熱傳導損失

Q3=C3·（T—T0）P其中：C1，C2，C3是常數(shù)，T是燈絲的溫度，T0是管壁的溫度。工作時，燈絲加熱功率一定：加熱與散熱達到熱平衡，

Q燈絲=Q1+Q2+Q3；當氣壓變化時，燈絲溫度隨之變化，以保持平衡態(tài)。顯然，氣壓越高，平衡態(tài)所對應的燈絲溫度越低。

因此，用熱電偶測出燈絲的溫度，就可以換算出相應的環(huán)境壓強。特點：儀器結構簡單、使用方便缺點：測量區(qū)域內(nèi)，指示值呈非線性、測量結果與氣體種類有關、零點飄移嚴重。2.熱陰極電離真空計1).結構：

1-陰極燈絲2-柵極（正電壓）3-板極/離子收集極

2).測量范圍：10-1~

10-6PaIpFFGGFFGAABmVmA3).原理

——熱陰極燈絲1發(fā)射熱電子，在柵極2（加速極）和板極3（離子收集極/反射陰極）作用下，在三個電極之間來回振蕩，其撞擊中性氣體粒子產(chǎn)生電子和離子，其間：

Ii=kIeP

Ie——陰極發(fā)射的電子流；Ii——板極收集的離子流；顯然，當熱陰極燈絲的加熱功率一定時，Ie一定，則，P與Ii成正比。熱陰極電離真空計的優(yōu)點：（1）測出的是總壓強；（2）反應迅速，可連續(xù)讀數(shù)，可遠程控制；（3）電離計就可測量到5х10-5Pa，如改進后可測量到10-7Pa（4）規(guī)管小，易于連接到被測量處；（5）電離真空計校準曲線直線范圍寬，通常在10