1、真空与真空镀膜技术简介一.真空技术入门 真空：低于一个大气压的气体状态。1643年，意大利物理学家托里拆利(E.Torricelli)首创著名的大气压实验，获得真空。自然真空：气压随海拔高度增加而减小，存在于宇 宙空间。人为真空：用真空泵抽掉容器中的气体。真空量度单位真空量度单位n1标准大气压=760mmHg=760(Torr)n1标准大气压=1.013x105 Pan1Torr=133.3Pa真空区域的划分真空区域的划分 目前尚无统一规定，常见的划分为：粗真空 低真空 高真空 超高真空 极高真空 )10760(101035Torrpa)1010(10108361Torrpa)1010(101
2、0128106Torrpa)10(101210Torrpa)1010(1010313Torrpa真空技术的应用真空技术的应用 电子技术、航空航天技术、加速器、表面物理、微电子、材料科学、医学、化工、工农业生产、日常生活等各个领域。二.真空获得真空泵n1654年，德国物理学家葛利克发明了抽气泵，做了著名的马德堡半球试验。原理：原理：当泵工作后，形成压差，p1 p2，实现了抽气。真空泵的分类气体传输泵气体传输泵:是一种能将气体不断地吸入并排出泵外 以达到抽气目的的真空泵，例如旋片 机械泵、油扩散泵、涡轮分子泵。气体捕集泵气体捕集泵:是一种使气体分子短期或永久吸附、凝 结在泵内表面的真空泵，例如分子
3、筛 吸附泵、鈦升华泵、溅射离子泵、低温 泵和吸气剂泵。真空泵的主要参数n抽气速率抽气速率:定义为在泵的进气口任意给定压强下，单位时间内流入泵内的气体体积 或表示为：其中，Q为单位时间内流入泵的气体量。泵的抽气速率S并不是常数，随P而变。PQS1PPtVSn极限压强极限压强 (极限真空)n最高工作压强最高工作压强n工作压强范围工作压强范围（）泵能正常工作的压强范围n几种常用真空泵的工作压强范围 旋片机械泵 吸附泵 扩散泵 涡轮分子泵 溅射离子泵 低温泵upmpmupp pa251010pa251010pa501010pa811010pa1111010pa1001010 几种常用真空泵的工作原理1
4、.旋片机械泵n工作过程是：吸气压缩排气。n定子浸在油中起润滑，密封和堵塞缝隙的作用。n主要参量是：抽速和极限压强。n由于极限压强较高，常用做前级泵(预抽泵)。旋片式机械泵2.油扩散泵n是：油蒸发喷射凝结，重复循环n由于射流具有工作过程高流速(约200米/秒)、高密度、高分子量(300500)，故能有效地带走气体分子。n扩散泵不能单独使用，一般采用机械泵为前级泵，以满足出口压强(最大40Pa)，如果出口压强高于规定值，抽气作用就会停止。水冷套；2.喷油嘴；3.导流管；4.泵壳；5.加热器3.涡轮分子泵n工作过程是：高速旋转叶片(30000转/分)对气体分子施以定向动量压缩排气。n优点：无油，洁净
5、，启动快，制动快，可忍受大气冲击。n缺点：由于高速旋转，不能在磁场中使用，否则会产生涡流，导致叶轮发热、变形等严重后果，对氢气等轻质气体抽速较小，价格昂贵。1.动叶轮；2.泵壳；3.涡轮排；4.中频电动机；5.底座；6.出气口法兰；7.润滑油池；8.静叶轮；9.电机冷却水管.三.真空的测量真空计1.绝对真空计 直接测量真空度的量具，如U型计、压缩真空计(麦克劳真空计)。压缩型真空计测量范围：103 10-3 PaU型计测量范围：105 10 Pa2.相对真空计2.1 热热偶真空计偶真空计(热传导真空计热传导真空计)测量范围：100 10-1 Pa 测量下限：热丝温度较高，气体分子热传导很小，热
6、丝引线本身的热传导和热辐射引起的热量减小占主导地位，这两部分与压强无关。mVTQP热电偶规管及其电路原理 直接测量与压强有关的物理量，再与绝对真空计相比较进行标定的真空计。2.2 热阴极电离真空计热阴极电离真空计原理原理：电子与气体分子碰撞引起分子电离，形成电子和正离，电子最终被加速极收集，正离子被收集极接收形成离子流：I+=kIep=cp 其中，k称为电离计的灵敏度，是单位电子电流、单位压强下的离子流。测量范围：测量范围：1.3310-1 1.3310-5 Pa测量下限：测量下限：高速电子打到加速极G G产生软x射线 软x射线射向收集极c 收集极c产生光电发射 产生电子流Ix Ix与I+方向
7、相反，与压强无关。电离计线路图电离规管理论解释：理论解释：当p较高时，kx/p k，此时 与压强无关 exexeIkpkIIpkIIppkkIIxekpIIexekIII2.3 BA真空计真空计(超高真空熱阴极电离计超高真空熱阴极电离计)50年代初，Bayard 和Alpert经过改进电离规，减小光电流，减小受照面积，制成B-A规，收集极面积减小了1001000倍，测量下限也降低1001000倍。0.2mm的钨丝测量下限可达10-8 10-9 pa4 m 的钨丝测量下限可达10-10 paB-A真空规管离子收集极；2.加速极（栅极）1.3.阴极灯丝；4.外壳四.真空镀膜n真空溅射真空溅射：当高
8、能粒子(电场加速的正离子)打在固体表 面时，与表面的原子、分子交换能量，从而使这 些原子、分子飞溅出来。n真空蒸发真空蒸发：在真空中把制作薄膜的材料加热蒸发，使其 淀积在适当的表面上。真空蒸发镀膜简介 真空系统(DM300镀膜机)真空系统(DM300镀膜机)蒸发系统轰击电极工作架烘烤电极活动挡板蒸发电极蒸发源蒸发源的形状如下图，大致有螺旋式(a)、篮式(b)、发叉式(c)和浅舟式(d)等。膜厚的计算：在真空中气体分子的平均自由程为：L=0.65/p(cm)，其中p的单位是Pa。当p=1.310-3 Pa时，L500 cm。L基片到蒸发源的距离，分子作直线运动。设蒸发源为点蒸发源，单位时间内通过
9、任何方向一立体角d的质量为：蒸发物质到达任一方向面积元ds质量为 设蒸发物的密度为，单位时间淀积在ds上的膜厚为t，则 比较以上两式可得 dmdm4dstdm.dsrmdm2cos424cosrmt对于平行平面ds，=，则上式为 由 可得在点源的正上方区域(=0)时，24cosrmt,cosrh222hr2/322)(4hmht2014hmt薄膜厚度的测量20t1.干涉显微镜法干涉显微镜法 干涉条纹间距0，条纹移动，台阶高为 ，测出 0 和，即可测得膜厚t 其中为单色光波长，如用白光，取 nmm53053.0待测薄膜基片2 称重法称重法 如果薄膜面积A，密度和质量m可以被精确测定的话，膜厚t就可以计算出来：3 石英晶体振荡器法石英晶体振荡器法 广泛应用于薄膜淀积过程中厚度的实时测量，主要应用于淀积速度，厚度的监测，还可以反过来（与电子技术结合）控制物质蒸发或溅射的速率，从而实现对于淀积过程的自动控制。Amt
