薄膜制備的真空技術(shù)基礎(chǔ)

1.真空的定義：真空泛指壓力低于一個(gè)大氣壓的任何氣態(tài)空間。1.1真空的基本知識(shí)2.真空度的單位

“真空度”顧名思義就是真空的程度。是真空泵、微型真空泵、微型氣泵、微型抽氣泵、微型抽氣打氣泵等抽真空設(shè)備的一個(gè)主要參數(shù)。真空度實(shí)質(zhì)上與氣體壓力是同一物理概念。真空度越高，即氣體壓力越?。环粗婵斩仍降?，即氣體壓力越大。真空度的上限就是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，即760毫米汞柱。第2頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.1真空的基本知識(shí)---大氣壓(atm):標(biāo)準(zhǔn)的大氣壓力定義為1atm---帕(Pa):N/m2(常用單位：Pa)---巴(Bar):Dy/cm2,(常用單位：mBar)---乇(Torr):1/760atm,(常用單位：Torr)第3頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天處于平衡狀態(tài)的理想氣體分子，其熱運(yùn)動(dòng)速度服從麥克斯韋爾-玻爾茲曼速率分布：

所有氣體分子熱運(yùn)動(dòng)速度的算術(shù)平均值叫算術(shù)平均速度；把所有氣體分子的速度的平方加起來(lái)，然后被分子總數(shù)除，再開(kāi)方就得到均方根速度。它們的計(jì)算公式如下(平均速率是速率分布的數(shù)學(xué)期望值)：

1.2氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念溫度越高、氣體分子的相對(duì)原子質(zhì)量越小，則分子的平均運(yùn)動(dòng)速度越大。1、氣體分子的平均運(yùn)動(dòng)速度Va（1）（2）第4頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天一些惰性氣體在298.15K（25℃）的溫度下的速率分布函數(shù)。y軸的單位為s/m，因此任何一段曲線下的面積（它表示速度處于那個(gè)范圍的概率）都是無(wú)量綱的。1.2氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念第5頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天2、氣體的壓力和氣體分子的平均自由程1.2氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念理想氣體的壓力p與氣體分子的動(dòng)能，或者說(shuō)是與氣體的熱力學(xué)溫度成正比。分子平均自由程λ：氣體分子在兩次碰撞的間隔時(shí)間里走過(guò)的平均距離。式中d為氣體分子的有效截面直徑。氣體分子的平均自由程與氣體分子的密度n成反比。（3）（4）第6頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.2氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念3、碰撞頻率Ф（氣體分子通量）：在單位時(shí)間,單位面積表面受到氣體分子碰撞的次數(shù)。（5）（6）在薄膜材料的制備過(guò)程中，薄膜的沉積主要是通過(guò)氣體分子對(duì)于襯底的碰撞過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。此時(shí)，薄膜的沉積速度正比于氣體分子通量。將式（2）和（3）代入上式，可以求出氣體分子的通量：第7頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.2氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念真空度的劃分：

低真空：105～102Pa

中真空：102～10-1Pa高真空：10-1～10-5Pa超高真空：<10-5Pa真空蒸發(fā)方法濺射沉積技術(shù)電子顯微分析材料表面分析技術(shù)低壓化學(xué)氣相沉積技術(shù)第8頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天當(dāng)真空管道兩端存在有壓力差時(shí)，氣體就會(huì)自動(dòng)地從高壓處向低壓處擴(kuò)散，便形成了氣體流動(dòng)。任何真空系統(tǒng)都是由氣源(待抽容器)、系統(tǒng)構(gòu)件(管道閥門(mén)等)及抽氣裝置(真空泵)組成的，氣體從氣源經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的構(gòu)件向抽氣口源源不斷地流動(dòng)，是動(dòng)態(tài)真空系統(tǒng)的普遍特點(diǎn)。1.3氣體的流動(dòng)狀態(tài)和真空抽速第9頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.3氣體的流動(dòng)狀態(tài)和真空抽速1、氣體的流動(dòng)狀態(tài)在高真空環(huán)境中，氣體分子除了與容器器壁發(fā)生碰撞以外，幾乎不發(fā)生氣體分子間的碰撞過(guò)程。這種氣體的流動(dòng)狀態(tài)被稱(chēng)為氣體的分子流狀態(tài)。分子流的特點(diǎn)是氣體分子的平均自由程大于氣體容器的尺寸或與其相當(dāng)。當(dāng)氣體壓力較高時(shí)，氣體分子的平均自由程較短，氣體分子間的相互碰撞較為頻繁，這種氣體的流動(dòng)狀態(tài)稱(chēng)為氣體的黏滯流狀態(tài)。第10頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.3氣體的流動(dòng)狀態(tài)和真空抽速

上述兩種氣體流動(dòng)狀態(tài)間的界線可以借助一個(gè)無(wú)量綱的參數(shù)－－克努森（Knudsen）準(zhǔn)數(shù)Kn來(lái)劃分，定義為：

Kn<1分子流狀態(tài)

Kn=1~110中間狀態(tài)

Kn>110粘滯流狀態(tài)第11頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.3氣體的流動(dòng)狀態(tài)和真空抽速黏滯流狀態(tài)的氣體流動(dòng)模式復(fù)雜，在低流速的情況下，黏滯流狀態(tài)的氣流處于層流狀態(tài)；在流速較高時(shí)，氣體的流動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鳡顟B(tài)。所謂層流狀態(tài)，相當(dāng)于氣體分子的宏觀運(yùn)動(dòng)方向與一組相互平行的流線相一致。在流速較高的情況下，氣體的流動(dòng)不再能夠維持相互平行的層流模式，而會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N漩渦式的流動(dòng)模式。這時(shí)，氣流中不斷出現(xiàn)一些低氣壓的漩渦，這種氣體的流動(dòng)狀態(tài)成為紊流狀態(tài)。如下圖所示。第12頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.3氣體的流動(dòng)狀態(tài)和真空抽速圖1.3黏滯態(tài)氣流的兩種流動(dòng)狀態(tài)（a)－層流；（b)－紊流第13頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.3氣體的流動(dòng)狀態(tài)和真空抽速雷諾（Reynolds）準(zhǔn)數(shù)Re是幫助判斷氣體流動(dòng)狀態(tài)的另一無(wú)量綱參數(shù)，定義為：雷諾準(zhǔn)數(shù)與氣體流動(dòng)狀態(tài)之間的關(guān)系為：Re>2200紊流狀態(tài)2200>Re>1200紊流和層流態(tài)Re<1200層流狀態(tài)第14頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天真空技術(shù)中，氣體沿管道的流動(dòng)狀態(tài)可劃分為如下幾種基本形式：從大氣壓力下開(kāi)始抽真空的初期，管道中氣體壓力和流速較高，氣體的慣性力在流動(dòng)中起主要作用，流動(dòng)呈不穩(wěn)定狀態(tài)，流線無(wú)規(guī)則，并不時(shí)有旋渦出現(xiàn)，這種流動(dòng)狀態(tài)稱(chēng)為湍流(渦流，紊流)；隨著流速和氣壓的降低，在低真空區(qū)域內(nèi)，氣流由湍流變成規(guī)則的層流流動(dòng)，各部分具有不同速度的流動(dòng)層，流線平行于管軸，氣體的粘滯力在流動(dòng)中起主導(dǎo)作用，此時(shí)氣體分子的平均自由程λ仍遠(yuǎn)小于導(dǎo)管最小截面尺寸d，這種流態(tài)叫做粘滯流；當(dāng)氣體流動(dòng)進(jìn)入高真空范圍，分子平均自由程λ遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于管道最小尺寸d時(shí)，氣體分子與管壁之間的碰撞占居主要地位，分子靠熱運(yùn)動(dòng)自由地直線進(jìn)行，只發(fā)生與管壁的碰撞和熱反射而飛過(guò)管道，氣體流動(dòng)由各個(gè)分子的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)疊加而成，這種流動(dòng)稱(chēng)作分子流；發(fā)生在中真空區(qū)域內(nèi)，介于粘滯與分子流之間的流動(dòng)狀態(tài)叫做中間流或過(guò)渡流。1.3氣體的流動(dòng)狀態(tài)和真空抽速第15頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.3氣體的流動(dòng)狀態(tài)和真空抽速2、氣體管路的流導(dǎo)

真空系統(tǒng)中總包括有真空管路，而真空管路中氣體的通過(guò)能力稱(chēng)為它的流導(dǎo)。設(shè)一真空部件使流動(dòng)著的氣體形成一定程度的壓力降低，則其流導(dǎo)C的定義為：

根據(jù)組成真空系統(tǒng)的需要，有時(shí)將幾個(gè)真空元件(如管道)的入口和出口分別聯(lián)接在一起，稱(chēng)為元件的并聯(lián)，并聯(lián)后元件的總流導(dǎo)等于各分支流導(dǎo)之和

C=C1+C2+…+Cn

有時(shí)將幾個(gè)元件首尾順序聯(lián)接，稱(chēng)為元件的串聯(lián)，串聯(lián)后元件的總流導(dǎo)的倒數(shù)等于各元件流導(dǎo)的倒數(shù)之和

1/C=1/C1+1/C2+…+1/Cn

第16頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天

把一個(gè)被抽容器的出口和一臺(tái)真空泵的入口，用總流導(dǎo)為C的真空管路聯(lián)接起來(lái)，若真空泵在其入口處的抽速為Sp，則該真空系統(tǒng)在被抽容器出口處所能產(chǎn)生的有效抽速為S，則該真空系統(tǒng)在被抽容器出口處所能產(chǎn)生的有效抽速S為

S=(Sp·C)/(Sp+C)

此式習(xí)慣上稱(chēng)為真空技術(shù)基本方程。從中可以看出，在被抽容器出口產(chǎn)生的有效抽速S，比泵口抽速Sp和管路流導(dǎo)C都要??；若要獲得較大的S，應(yīng)該合理地搭配Sp和C，單獨(dú)增大其中的一個(gè)，不能獲得理想的結(jié)果。1.3氣體的流動(dòng)狀態(tài)和真空抽速第17頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.3氣體的流動(dòng)狀態(tài)和真空抽速真空泵的理論抽速SPP為真空泵入口處的氣體壓力；Q為單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)真空泵的氣體流量。真空泵的有效抽速S3、真空泵性能的基本參數(shù)實(shí)際抽速S小于理論抽速SP極限壓強(qiáng)Pn：泵對(duì)一個(gè)不漏氣不放氣的容器抽氣，經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的時(shí)間所能達(dá)到的最低平衡壓強(qiáng)；最大工作壓強(qiáng)：泵能正常工作的最高壓強(qiáng)；運(yùn)用范圍：泵具有相當(dāng)抽氣能力時(shí)的壓強(qiáng)范圍。第18頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.4真空泵簡(jiǎn)介按真空獲得方法的不同,可以將真空泵分為兩大類(lèi),即輸運(yùn)式真空泵和捕獲式真空泵.輸運(yùn)式真空泵采用對(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:旋片式機(jī)械真空泵、羅茨泵和渦輪分子泵氣流式氣體輸運(yùn)泵：油擴(kuò)散泵捕獲式真空泵則依靠在真空系統(tǒng)內(nèi)凝結(jié)或吸附氣體分子的方式將氣體分子捕獲,排除于真空過(guò)程之外。包括低溫吸附泵、濺射離子泵等。第19頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.4真空泵簡(jiǎn)介1、旋片式機(jī)械真空泵原理：利用插在偏心轉(zhuǎn)子中的數(shù)個(gè)可以滑進(jìn)滑出的旋片將泵體內(nèi)的氣體隔離、壓縮，然后將其排除泵體之外。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠缺點(diǎn)：油污染真空系統(tǒng)。第20頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.4真空泵簡(jiǎn)介2、羅茨真空泵泵內(nèi)的兩個(gè)“8”字形的轉(zhuǎn)子以相反的方向旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子的咬合精度高，在轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子與泵體之間的間隙中也不使用油來(lái)作為密封介質(zhì)。第21頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.4真空泵簡(jiǎn)介3、油擴(kuò)散泵油擴(kuò)散泵的工作原理靠高速蒸汽射流來(lái)攜帶氣體以達(dá)到抽氣的目的。

---油擴(kuò)散泵的特點(diǎn)?成本低廉、經(jīng)濟(jì)耐用、無(wú)振動(dòng)?工作范圍：低真空～中、高真空?缺點(diǎn)：返油、預(yù)熱第22頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.4真空泵簡(jiǎn)介4、渦輪分子泵利用高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)葉輪將動(dòng)量傳給氣體分子，使氣體產(chǎn)生定向流動(dòng)而抽氣的真空泵。

---渦輪分子泵的特點(diǎn)?抽速大、無(wú)油、啟動(dòng)快?工作范圍：低真空～中、高真空，大氣～超高真空?極限真空：10-6/10-10torr?缺點(diǎn)：振動(dòng)、成本高、易損第23頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.4真空泵簡(jiǎn)介5、低溫吸附泵依靠氣體分子會(huì)在低溫下自發(fā)凝結(jié)或被其他物質(zhì)表面吸附的物理現(xiàn)象對(duì)氣體分子去除，進(jìn)而獲得高真空。---低溫吸附泵的特點(diǎn)?成本低廉、簡(jiǎn)單耐用?工作范圍：大氣～低真空?極限真空：10-1~10-8pa?優(yōu)點(diǎn)：無(wú)油、無(wú)振動(dòng)?缺點(diǎn)：使用成本比較高第24頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.4真空泵簡(jiǎn)介6、濺射離子泵利用高速電子轟擊氣體分子可以得到正離子,正離子在電場(chǎng)作用下被驅(qū)逐到負(fù)電極上,中和后由于分子間的范德瓦爾斯力被金屬吸附而不再離開(kāi)電極。這樣降低了空間氣體分子濃度,達(dá)到了獲得真空的目的。

---濺射離子泵的特點(diǎn)?抽速大、無(wú)油、無(wú)振動(dòng)?工作范圍：中高真空～超高真空?極限真空：10-8Pa?缺點(diǎn)：惰性氣體抽速低第25頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.4真空泵簡(jiǎn)介第26頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.5真空的測(cè)量測(cè)量原理：利用氣體的熱傳導(dǎo)現(xiàn)象，以氣體的熱導(dǎo)率隨氣體壓強(qiáng)的變化為基礎(chǔ)。測(cè)量真空度的辦法通常先在氣體中引起一定的物理現(xiàn)象，然后測(cè)量這個(gè)過(guò)程中與氣體壓強(qiáng)有關(guān)的物理量，再設(shè)法確定出真空壓強(qiáng)來(lái)。低溫的氣體分子碰撞高溫固體時(shí),會(huì)從固體奪取熱量。通過(guò)被氣體分子奪取的熱量來(lái)計(jì)算壓力的真空計(jì)被成為熱傳導(dǎo)真空計(jì)。熱傳導(dǎo)真空計(jì)主要被應(yīng)用于中低真空領(lǐng)域。代表性的熱傳導(dǎo)真空計(jì)包括熱偶真空規(guī)和皮拉尼（Pirani）真空規(guī)。

第27頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.5真空的測(cè)量熱偶真空規(guī)---工作原理如圖所示，它是在一玻璃管殼中由邊桿支撐一根熱絲，熱絲通以電流加熱，使其溫度高于周?chē)鷼怏w和管殼的溫度，于是在熱絲和管殼之間產(chǎn)生熱傳導(dǎo)。當(dāng)達(dá)到熱平衡時(shí)，熱絲的溫度決定于氣體熱傳導(dǎo)，因而也就決定于氣體壓力。

－－－熱電偶規(guī)的特點(diǎn)?價(jià)格低廉、方便、快捷、耐用－－熱偶規(guī)的使用?工作電流：每支熱偶規(guī)的工作電流都不完全一樣。第28頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.5真空的測(cè)量Pirani真空規(guī)---工作原理?燈絲：測(cè)量燈絲、參比燈絲；?參比燈絲密封在高真空管中；?通過(guò)橋電流的大小測(cè)量氣體密度(真空度)---Pirani規(guī)的特點(diǎn)?價(jià)格低廉、方便、快捷、可靠第29頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.5真空的測(cè)量電離真空規(guī)---工作原理?由陰極、陽(yáng)極和離子收集極組成；?陰極電離氣體產(chǎn)生離子；?離子收集極收集離子從而測(cè)量氣體密度。---電離真空規(guī)的特點(diǎn)?靈敏、準(zhǔn)確，但燈絲容易損壞，價(jià)格比較高---電離真空規(guī)的使用?工作電流：離子規(guī)的工作電流不能隨意改變；?校準(zhǔn)：按真空計(jì)的具體步驟校準(zhǔn)第30頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.5真空的測(cè)量薄膜真空規(guī)薄膜式真空規(guī)是一種依靠金屬薄膜在氣體壓力差作用下產(chǎn)生機(jī)械位移，從而可用于氣體絕對(duì)壓力測(cè)量，測(cè)量結(jié)果與氣體種類(lèi)無(wú)關(guān)的真空規(guī)。第31頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.5真空的測(cè)量第32頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天介紹第二種薄膜材料：DLC膜Ref:J.Robertson,MaterialsScienceandEngineeringR,37(2002)129第33頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天介紹第二種薄膜材料：DLC膜DLC膜是一種含有大量sp3

的亞穩(wěn)態(tài)非晶碳薄膜,碳原子間主要以sp3

和sp2

雜化結(jié)合,sp含量較少。DLC的結(jié)構(gòu)可以看成是由sp2(石墨)和sp3(金剛石)雜化的碳原子高度交聯(lián)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和孤立的團(tuán)簇所組成,因而DLC膜的結(jié)構(gòu)和性能介于金剛石和石墨之間。受沉積環(huán)境和沉積方式的影響,DLC膜中還可能含氫等雜質(zhì),形成各種C-H鍵。根據(jù)薄膜中碳原子的鍵合方式(C-H,C-C,C=C)及各種鍵合方式比例的不同,DLC膜可分為含氫DLC(hydrogenatedamorphouscarbon(a-C∶H))膜和無(wú)氫DLC(amorphouscarbon(a-C))膜兩大類(lèi)。第34頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天第35頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天現(xiàn)在主要是用各種氣相沉積方法制備DLC膜,根據(jù)原理不同,可分為化學(xué)氣相沉積(chemicalvapordeposition(CVD))和物理氣相沉積(physicalvapordeposition(PVD))兩大類(lèi)。含氫DLC膜一般由化學(xué)氣相沉積制備,無(wú)氫DLC

膜一般由物理氣相沉積制備。這些制備方法的共同特點(diǎn)都是在薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程中受到中等能量離子束的轟擊。離子束的轟擊將有利于致密的、具有較多sp3

的DLC膜形成。DLC膜的制備方法第36頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天

影響DLC膜性能的主要參數(shù)是膜中sp2

和sp3的含量、H的含量以及薄膜的微觀結(jié)構(gòu)，而這些參數(shù)又直接受控于生長(zhǎng)過(guò)程中轟擊薄膜生長(zhǎng)表面的正離子的能量和強(qiáng)度以及等離子體中被激發(fā)和被離化的、對(duì)薄膜生長(zhǎng)有貢獻(xiàn)的含碳基團(tuán)的濃度。DLC膜的硬度、密度、sp2和sp3的含量與沉積的離子能量有關(guān),并隨沉積離子能量的變化有一最大值,當(dāng)能量過(guò)高時(shí)沉積的DLC膜會(huì)發(fā)生石墨化轉(zhuǎn)變。研究表明,當(dāng)沉積的C+

離子能量在100eV左右時(shí),沉積所得的DLC膜sp3含量最高。下圖為幾種典型的PVD技術(shù)產(chǎn)生的沉積粒子的能量范圍。第37頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天第38頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天沉積DLC膜的裝置簡(jiǎn)圖

離子束沉積方法是以石墨或碳?xì)浠衔餁怏w(CH4、C2