薄膜制備技術(shù)基礎(chǔ)第2章課件

第二部分：薄膜制備的真空技術(shù)第二章：真空的基礎(chǔ)第三章：真空泵和真空測量第四章：真空系統(tǒng)第二節(jié)真空技術(shù)基礎(chǔ)

真空技術(shù)是制備薄膜的基礎(chǔ)，真空蒸發(fā)，濺射鍍膜和離子鍍等均要求沉積薄膜的空間要有一定的真空度，因而獲得并保持真空環(huán)境是鍍膜的必要條件。

一、真空的概念

“真空”拉丁文Vacuo，其意義是虛無=>氣體較稀薄的空間。真空是一個相對的概念“低于一個大氣壓的氣體狀態(tài)?！闭婵諣顟B(tài)是氣體分子運(yùn)動的動態(tài)結(jié)果。標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣體的分子密度約為3x1019

個/cm31/104大氣壓下氣體的分子密度約為3x1015

個/cm3二、真空度的單位真空狀態(tài)下氣體稀薄程度稱為真空度，通常用壓力值表示。1958年，第一界國際技術(shù)會議曾建議采用“托”(Torr)作為測量真空度的單位。國際單位制(SI)中規(guī)定壓力的單位為帕(Pa)。我國采用SI規(guī)定。1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(1atm)≈1.013×105Pa(帕)1Torr≈1/760atm≈1mmHg1Torr≈133Pa≈102Pa100Pa=0.75Torr≈1Torr三、真空度的劃分為了研究真空和實(shí)際應(yīng)用方便，常把真空劃分為：低真空（1×105~1×102Pa）中真空（1×102~1×10-1Pa）高真空（1×10-1~1×10-6Pa）超高真空（<1×10-6Pa）四個等級。四、真空的基本特點(diǎn)

氣體間的碰撞少，平均自由程長與器壁或研究對象表面的碰撞少壓力低，改變化學(xué)平衡熱導(dǎo)低化學(xué)非活性五、稀薄氣體的基本性質(zhì)1.在真空下，當(dāng)氣體處于平衡狀態(tài)時可以使用物態(tài)方程加以描述，即：P=nkT2.符合三個過程方程

a.玻義爾定律：PV=Cb.蓋-呂薩克定律：V/T=Cc.查理定律：P/T=C理想氣體定義：任何溫度、壓力下均服從理想氣體狀態(tài)方程的氣體，稱為理想氣體。理想氣體的特征(或條件)：⑴分子本身無體積：⑵分子間無相互作用力：意味著：分子是質(zhì)點(diǎn)(有質(zhì)量無體積)，若p→∞，則Vm→0。由p=nRT/V，溫度恒定時，p∝n/V，與分子間距離無關(guān)，所以分子間無相互作用力。速度分布函數(shù)為：其中m為氣體分子的質(zhì)量3.單位體積內(nèi)速率位于v與v+dv間的粒子數(shù)dN/N為：當(dāng)氣體分子處于穩(wěn)定狀態(tài)時，速率的分布遵循一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。

Maxwell從分子落在某速率區(qū)間中的概率出發(fā)，使用求條件極值的Lagrange乘因子法，得出速率分布定律式中f(u)是一個與u及溫度有關(guān)的函數(shù)，稱為分布函數(shù)。是速率在u至du范圍內(nèi)的分子占總分子數(shù)的分?jǐn)?shù)。2速率分布曲線圖1.8即為分子速率分布曲線?？v坐標(biāo)代表速率介于u～u+du之間的分子占總分子數(shù)的分?jǐn)?shù)，橫坐標(biāo)代表速率。溫度升高曲線變寬，速率分布變寬；溫度降低曲線變陡，速率分布集中。4.氣體分子運(yùn)動的幾種平均運(yùn)動速度

a.氣體分子的最可幾速度Vm(討論速率分布)b.氣體分子的平均速度Va(討論分子的平均運(yùn)動距離)c.氣體分子的均方根速度Vr(討論分子的平均動能)三種速率之比5

氣體分子的平均自由程一個分子單位時間內(nèi)和其它分子碰撞的平均次數(shù)，稱為分子的平均碰撞頻率。分子的平均碰撞頻率假設(shè)·每個分子都可以看成直徑為d的彈性小球，分子間的碰撞為完全彈性碰撞。大量分子中，只有被考察的特定分子A以平均速率運(yùn)動，其它分子都看作靜止不動。單位時間內(nèi)與分子A

發(fā)生碰撞的分子數(shù)為考慮到所有分子實(shí)際上都在運(yùn)動，則有平均碰撞頻率為用宏觀量p、T表示的平均碰撞頻率為···分子在連續(xù)兩次碰撞之間自由運(yùn)動的平均路程，稱為分子的平均自由程。分子的平均自由程用宏觀量p、T表示的分子平均自由程為說明在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，各種氣體分子的平均碰撞頻率的數(shù)量級約為109s-1，平均自由程的數(shù)量級約為10-7~10-8m。d為分子直徑，p為壓強(qiáng)，T為氣體溫度，k為玻耳茲曼常數(shù)。估算氫氣分子在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的平均碰撞頻率常溫常壓下，一個分子在一秒內(nèi)平均要碰撞幾十億次，可見氣體分子之間的碰撞是多么的頻繁！解例在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，有對氫氣分子取，則真空管的線度為10-2m，其中真空度為1.33×10-3

Pa。設(shè)空氣分子的有效直徑為3×10-10m。27℃時單位體積內(nèi)的空氣分子數(shù)、平均自由程、平均碰撞次數(shù)。解例求由氣體的狀態(tài)方程,有室溫下,壓強(qiáng)為10-9torr時氮分子的平均自由程>50km。因此體積有限的超真空系統(tǒng)中，氣體分子之間或氣體分子與帶電粒子之間的碰撞都可以近似忽略。在這種情況下氣體分子相互之間很少發(fā)生碰撞，只是不斷地來回碰撞真空管的壁，因此氣體分子的平均自由程就應(yīng)該是容器的線度。即真空技術(shù)基本方程

流導(dǎo)的定義是：在單位壓差下（入口和出口壓力分別為p1和p2）流經(jīng)管路的氣流量的大小。用一個數(shù)學(xué)式子來表示，即

（Q為流經(jīng)管路的氣流量）

如果用Se來表示真空系統(tǒng)對容器的有效抽速，用Sp表示真空泵的抽速，C表示真空容器出口到真空泵入口之間管路的流導(dǎo)，則有式這個方程在真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)中是一個非常重要的方程，如果知道泵的抽速Sp和管路的流導(dǎo)C，就可以計(jì)算出系統(tǒng)對容器有效抽速，這個方程被稱為真空技術(shù)基本方程。抽真空和抽真空設(shè)備一、抽真空是利用各種真空泵將被抽容器中的氣體抽出，使該空間的壓強(qiáng)低于一個大氣壓的過程?？捎卸喾N方法實(shí)現(xiàn)抽真空真空泵：抽真空的裝置抽真空和抽真空設(shè)備二、真空泵目前常用的真空泵主要有：旋轉(zhuǎn)式機(jī)械真空泵、油擴(kuò)散泵、復(fù)合分子泵、分子篩吸附泵、鈦升華泵、濺射離子泵和低溫泵等。前三種屬于氣體傳輸泵，后四種屬于氣體捕獲泵。能使壓力從一個大氣壓力開始變小，進(jìn)行排氣的泵常稱為“前級泵”；另一些卻只能從較低壓力抽到更低壓力，這些真空泵常稱為“次級泵”。真空泵的分類（1）旋轉(zhuǎn)式機(jī)械真空泵機(jī)械泵：凡是利用機(jī)械運(yùn)動以獲得真空的泵，因用油來進(jìn)行密封，所以屬于有油類泵。原理：利用機(jī)械力連續(xù)抽氣、壓縮排除氣體。工作過程：氣體從入口進(jìn)入轉(zhuǎn)子和定子之間偏軸轉(zhuǎn)子壓縮空氣并輸送到出口氣體在出口累積到一定壓強(qiáng)，噴出到大氣工作范圍及特點(diǎn)：大氣壓10-3torr耐用，便宜油潤滑，污染旋片式機(jī)械泵工作示意圖理想情況下，旋片轉(zhuǎn)動半周后，腔體內(nèi)壓強(qiáng)：n無限大時，p趨向0；極限真空pm有害空間排氣空間與吸氣空間的間隙泵油氣的循環(huán)特點(diǎn):1.體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單工作可靠、經(jīng)濟(jì)耐用。

2.設(shè)有氣鎮(zhèn)閥，可抽除少量水蒸氣；但降低系統(tǒng)的真空度。3.不適用于抽除對金屬有腐蝕的，對泵油起化學(xué)反應(yīng)、含有顆粒塵埃的氣體，易燃易爆的氣體。

4.抽真空的能力不好。

5.潤滑油的回流和會發(fā)會對真空系統(tǒng)造成污染。

(2)擴(kuò)散泵（一概述）

油擴(kuò)散真空泵是用來獲得高真空和超高真空的主要設(shè)備，廣泛用于電子工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、真空冶煉等高科技領(lǐng)域。

油擴(kuò)散泵的工作壓力范圍10-1－10-６Pａ，其極限壓力是10-8Pa。

油擴(kuò)散泵一定要在壓力低于40Pa的時候才能開油擴(kuò)散泵，分子泵則要低于1Pa才能啟動。

（二）油擴(kuò)散泵工作原理接機(jī)械泵

擴(kuò)散泵油被泵外電爐加熱產(chǎn)生油蒸氣油蒸氣沿蒸氣導(dǎo)管上升到管頂油蒸氣經(jīng)傘形噴嘴向下噴出產(chǎn)生射流氣體分子與射流中油分子碰撞發(fā)生動量交換氣體分子與射流一起向下運(yùn)動油蒸汽與水冷的泵壁相遇而冷卻回流氣體分子則被帶到排氣口附近被抽走擴(kuò)散泵的壓縮比n蒸汽流分子密度,v蒸汽流在噴口處的速度，L射流的有效長度，D0=ND,D氣體分子在油蒸汽中的擴(kuò)散系數(shù),PL前級泵的壓強(qiáng)，Pu真空室的壓強(qiáng)。討論：(1)為了提高壓縮比，采用多級噴嘴(2)選擇抽真空性能較好的前級泵(3)選擇性能良好的擴(kuò)散泵油(4)減少返流進(jìn)氣口處安裝水冷擋板或液氮冷阱但降低抽速（三）油擴(kuò)散泵特點(diǎn)1獲得的極限真空高，為10-5Pa.2在10-1-10-4Pa壓強(qiáng)范圍內(nèi)，有恒定的大抽速，但抽氣量不大，正好與旋片泵銜接.3無運(yùn)動部分，無磨損，壽命長.4結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便，制造方便，工作時安靜.5工作介質(zhì)是油，存在油污染.6.被抽氣體不能易燃、易爆、腐蝕性.7啟動慢.渦輪分子泵渦輪分子是靠高速轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子攜帶氣體分子獲得超高真空的一種機(jī)械真空泵。工作壓力范圍為1Pa~10-8Pa

。先進(jìn)的泵可以獲得10-9Pa的極限壓力。泵的轉(zhuǎn)速為10000r/min~50000r/min,這種泵的抽速范圍很寬，在九個數(shù)量級間具有恒定的抽速。分子泵主要用作超高真空泵和高真空泵，但它不能直接對大氣排氣，需要配前級真空泵。分子泵對較輕氣體抽速很大，對氫的抽速比對空氣的抽速大20%。（一）概述1.泵的排氣壓力與進(jìn)氣壓力之比稱為壓縮比。壓縮比除與泵的級數(shù)和轉(zhuǎn)速有關(guān)外，還與氣體種類有關(guān)。2.分子量大的氣體有高的壓縮比。3.渦輪分子泵必須在分子流狀態(tài)(氣體分子的平均自由程遠(yuǎn)大于導(dǎo)管截面最大尺寸的流態(tài))下工作才能顯示出它的優(yōu)越性,因此要求配有工作壓力為1～10-2帕的前級真空泵。二、性能1渦輪分子泵的優(yōu)點(diǎn)是啟動快；2能抗各種射線的照射；3耐大氣沖擊；4無氣體存儲和解吸效應(yīng)；5無油蒸氣污染或污染很少，能獲得清潔的超高真空。

渦輪分子泵廣泛用于高能加速器、可控?zé)岷朔磻?yīng)裝置、重粒子加速器和高級電子器件制造等方面。渦輪分子泵的特點(diǎn)鈦升華泵加熱Ti絲使其蒸發(fā)到冷壁.Ti原子與氣體反應(yīng).工作范圍10-8-10-11Torr便宜，可靠，無噪音，無振動，無斷電問題需要再生，很難排除惰性氣體和甲烷液氮冷卻有很大表面積的分子篩10-3Torr->10-10Torr(可以用兩個泵交替工作)很容易飽和多泵聯(lián)合工作>200°C烘烤除去吸附的氣體簡單，無振動，便宜，無油污染極限真空與泵的溫度相關(guān)。冷凝泵金屬表面，高沸點(diǎn)氣體覆蓋的低溫表面，分子篩，活性碳等吸附泵可吸附有毒有害氣體和易燃易爆氣體無油真空泵常和其它干式真空泵聯(lián)合使用運(yùn)行成本高種類原理工作壓強(qiáng)范圍機(jī)械泵油封機(jī)械泵（單級）油封機(jī)械泵（雙級）分子泵羅茨泵利用機(jī)械力壓縮排除氣體大氣壓至1Pa大氣壓至10-2Pa10-1~10-7Pa103~10-3Pa蒸氣噴射泵水銀擴(kuò)散泵油擴(kuò)散泵油噴射泵靠蒸氣噴射的動量把氣體帶走1~10-6Pa干式泵濺射離子泵鈦升華泵利用濺射或升華形成吸氣、吸附排除氣體10-2~10-8Pa吸附泵冷凝泵冷凝吸附泵利用低溫表面對氣體進(jìn)行物理吸附排除氣體大氣壓至10-2Pa10-3~10-10Pa10-3~10-8Pa真空測量

一、概述測量原理均是利用測定在低氣壓下與壓強(qiáng)有關(guān)的某些物理量，再經(jīng)變換后確定容器的壓強(qiáng)。當(dāng)壓強(qiáng)改變時，這些和壓強(qiáng)有關(guān)的特性也隨之變化的物理現(xiàn)象，就是真空測量的基礎(chǔ)。任何具體的物理特性，都是在某一壓強(qiáng)范圍才最顯著。因此，任何方法都有其一定的測量范圍，即為該真空計(jì)的“量程”。目前，還沒有一種真空計(jì)能夠測量1大氣壓至10-10Pa整個范圍的真空度。真空計(jì)分為絕對真空計(jì)和相對真空計(jì)。根據(jù)測量原理的不同，可分為具體的真空計(jì)。表2.4-1幾種真空計(jì)的工作原理與測量范圍名稱工作原理測量范圍/PaU形管真空計(jì)利用大氣與真空壓差105~10-2水銀壓縮真空計(jì)根據(jù)Boyle定律103-10-4熱阻真空計(jì)利用氣體分子熱傳導(dǎo)104~10-2熱偶真空計(jì)熱陰極電離真空計(jì)利用熱電子電離殘余氣體10-1~10-6B-A型真空計(jì)10-1~10-10潘寧磁控電離計(jì)利用磁場中氣體電離與壓強(qiáng)有關(guān)的原理1~10-5氣體放電管真空計(jì)利用氣體放電與壓強(qiáng)有關(guān)的原理103~1二、真空計(jì)的選擇低真空(atm~10-4Torr)熱偶，Pirani真空計(jì)，膜片式真空計(jì)高真空電離規(guī)IonGauge剩余氣體分析ResidualGasAnalyzer（1）壓強(qiáng)范圍；（2）測量壓強(qiáng)的類型，總壓還是分壓；（3）真空中的殘余氣體種類；（4）測量精度要求真空測量真空系統(tǒng)1.真空系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖真空室泵管路閥門真空測量機(jī)械泵分子泵閥門管路閘板閥真空室真空測量真空狀態(tài)是氣體分子運(yùn)動的動態(tài)結(jié)果漏氣與放氣系統(tǒng)中氣體的流動處于分子流狀態(tài)2.真空系統(tǒng)的組成泵—負(fù)責(zé)抽空系統(tǒng)內(nèi)的剩余氣體機(jī)械泵擴(kuò)散泵分子泵離子泵吸附泵－鈦吸附泵和冷凝吸附泵真空室—安放實(shí)驗(yàn)裝置真空管路—連接真空系統(tǒng)閥門—控制真空系統(tǒng)的連接情況真空的測量不同的真空要求由不同的泵和系統(tǒng)組成3.表征真空系統(tǒng)的幾個參數(shù)(1)體積流速S（體積流率）單位時間流過管道某一特定截面的體積(3)流導(dǎo)C、流阻Z表征氣體沿管道流動的動力或阻力

Q=C(P2-P1),P1、P2為管道兩端的壓強(qiáng)(2)流量Q（體積流率）單位時間流過管道某一特定截面的的氣體分子的量穩(wěn)定流動狀態(tài)下流量守恒串連：并連：串連時總流導(dǎo)小于任何連接的流導(dǎo)(4)泵抽速S泵入口處單位時間抽入的氣體體積

(6)泵的有效抽速（實(shí)際抽速）當(dāng)一個容器由一根管道連接到泵進(jìn)行抽氣時，在容器出口處的抽速。(5)泵抽除量R表征泵的抽氣能力

R=P1S實(shí)際抽速的計(jì)算：S=Q/P=截面積*流速系統(tǒng)實(shí)際抽速Q(mào)=Sp·Pr=S·P=C(P-Pr)分離變量，積分得：其中：Pi為真空室初始真空度（t=0）P0為真空室極限真空度（t→∞）Pt為真空室某一時刻真空度材料的真空性能材料的擴(kuò)散與滲透性氣體的滲透過程氣體分子碰撞外壁并吸附吸附時有的氣體分子能離解成原子態(tài)金屬表面非材料金屬沒有，氣體不解離惰性氣體不能溶解在晶格中，不能滲透氣體分子（原子）在壁面達(dá)到與環(huán)境氣壓相對應(yīng)的平衡溶解度與壓強(qiáng)差、溫度相關(guān)在濃度梯度作用下向內(nèi)壁擴(kuò)散（關(guān)鍵環(huán)節(jié)）在內(nèi)壁解吸和釋出滲透速率滲透率與氣體和材料種類相關(guān)金屬：SSCuAl(很小，忽略）FeNi（滲氫)非金屬：滲透過程和氣體分子直徑和材料空隙相關(guān)避免使用多孔、粗結(jié)構(gòu)、松軟層狀材料材料的真空性能材料的放氣溶解、吸附的氣體在真空環(huán)境中解溶解吸常溫放氣有機(jī)材料：水汽，放棄速率高，隨時間衰減慢不宜做真空系統(tǒng)內(nèi)部材料金屬

玻璃陶瓷：水汽COCO2放氣速率低，隨時間衰減快高溫放氣高溫放氣主要由體內(nèi)擴(kuò)撒過程決定金屬：COH2CO2H2O氣體呈原子態(tài)，表面反應(yīng)玻璃、金屬的表面層經(jīng)過化學(xué)清洗、去脂、拋光、烘烤降低放氣性能真空系統(tǒng)檢漏真空檢漏的重要意義抽氣過程極限壓強(qiáng)dP/dt=0時Pu=Q/Se漏氣與放氣總和Q對有效抽速Se的比值物理過程：一邊抽氣，一邊不斷的漏氣，動態(tài)平衡要得到低的極限壓強(qiáng)：提高有效抽速、減低漏氣量漏氣形成原因系統(tǒng)微小裂縫：玻璃、金屬、金屬-玻璃封接、引線封接肉眼不能直接觀察，必