真空技術基礎

1、薄膜材料的制備過程是: atom by atom 幾乎所有的現(xiàn)代薄膜材料都是在真空或是在較低的氣體壓力下制備的，都涉及到氣相的產(chǎn)生、輸運以及氣相反應的過程。u 大氣壓: atm, kg/cm2, baru Pa: N/m2u Torr: mmHg1atm = 1000mbar = 0.1MPa1Torr = 133Pa薄膜技術領域：從10-7Pa到105Pa，覆蓋了12個數(shù)量級u 氣體的壓力: 理想氣體的狀態(tài)方程u 氣體分子的速度分布: Maxwell-Boltzmann分布u 氣體分子的自由程、碰撞頻率: 21dnavfH2和Al原子在不同溫度下的速度分布典型值：在T=300K時，空氣分子的

2、平均運動速度: va 460m/sf vMRTvM vRT( )4(2)e32222 空氣分子的有效截面半徑d 0.5nm。 在常溫常壓下，氣體分子的平均自由程 50nm，每個空氣分子每秒鐘內要經(jīng)歷1010次碰撞。 在氣體壓力低于10-4Pa的情況下，其平均自由程 50m，每個空氣分子每秒鐘內只經(jīng)歷10次碰撞；氣體分子間的碰撞幾率已很小，氣體分子的碰撞將主要是其與容器器壁之間的碰撞。氣體流動狀態(tài)與氣體壓力、真空容器尺寸的關系根據(jù)Knudsen準數(shù)Kn:uKn110 粘滯流狀態(tài)KnD粘滯態(tài)氣流的兩種不同的流動狀態(tài)根據(jù)Reynolds準數(shù)Re: Re2200 紊流狀態(tài) Re102 Pau中真空 1

3、02 10-1 Pau高真空 10-1 10-5 Pau超高真空 10-5 Pa真空度的劃分真空系統(tǒng)中，氣體的通過能力稱之為流導C真空系統(tǒng)的導流能力 流導CQpp12流導C的大小取決于u 真空系統(tǒng)(管路)的幾何尺寸u 氣體的種類與溫度u 氣體的流動狀態(tài)(分子流或粘滯流) 如對分子流, 一個處于兩直徑很大的管路之間的通孔的流導為C AnARTM2n不同形狀管路的流導已被編制成圖表n不同流導C1、C2、C3間可相互串聯(lián)或并聯(lián)，構成總流導C串聯(lián)流導：并聯(lián)流導： （就象描述氣體流動的歐姆定律）真空系統(tǒng)的導流能力 流導1111123CCCCCCCC123 為獲得真空環(huán)境，需要選用不同的真空泵，而它們的一

4、個主要指標是其抽速Sp，其定義為 ( L/s )真空泵的抽速Sp與管路的流導C有著相同的物理量綱，且二者對維持系統(tǒng)的真空度起著同樣重要的作用真空泵的抽速pQSp真空泵可以達到的極限真空度p tppp )iSptV( )(e00 實際的真空系統(tǒng)總存在氣體回流、氣體泄露、氣體釋放等現(xiàn)象。設其等效的氣體流量Qp 0 ，并忽略管路流阻(流導C為無窮大，p=pp)，則氣壓隨時間的變化曲線為0SQpPp0則極限真空度:有限流導情況下真空泵的抽速CSCSpQSPP當真空管路流導為有限，真空容器出口與真空泵入口處的氣體壓力不相等，但氣體流量相等。泵的實際抽速S降低為即抽速S永遠小于泵的理論抽速Sp，且永遠小于

5、管路流導C。即S受Sp和C二者中較小的一個所限制。真空泵的分類u輸運式（排出式） 機械式 氣流式u捕獲式（內消式） 可逆式 不可逆式旋片式機械真空泵的外形圖旋片式機械真空泵的結構示意圖鎮(zhèn)氣閥：空氣可通過此閥摻入排氣室以降低壓縮比，從而使大部分蒸汽不致凝結而和摻入的氣體一起被排除泵外。旋片式機械真空泵的抽速曲線 極限真空度可達10-1Pa左右，但有油污染問題羅茨泵的外形圖 羅茨泵的結構示意圖 p羅茨泵不使用油作密封介質，少油污染p其適用的壓力范圍是在0.1-1000Pa之間 羅茨泵組成的真空機組的外形圖 羅茨泵可與旋片式機械泵串聯(lián)成真空機組使用，降低每臺泵的負荷，擴大可獲得的真空度范圍羅茨泵組成

6、的真空機組的抽速曲線組成機組使其極限真空度提高到10-2Pa油擴散泵的外形圖 油擴散泵的結構示意圖 擴散泵油在高溫下會發(fā)生氧化，因此擴散泵需要在優(yōu)于10-2Pa的較高真空度下工作油擴散泵組成的真空機組的外形圖 由擴散泵組成真空機組，其極限真空可達110-5Pa，但油污染的問題較為嚴重渦輪分子泵的外形圖 渦輪分子泵的結構示意圖 渦輪分子泵運轉速度極高，因此需要在優(yōu)于1Pa的較高真空度下運轉渦輪分子泵的抽速曲線 渦輪分子泵的極限真空度達10-8Pa，適用的壓力范圍在110-8Pa之間 隔膜真空泵的外形圖 隔膜泵的能力較小(1L/s) ，極限真空度較差(100Pa)，但無油污染問題干泵系統(tǒng)的外形圖

7、干泵的能力較大(100L/s) ，極限真空度較高(10-2Pa)，無嚴重的油污染問題低溫吸附 (液氦冷凝) 泵的外形圖 低溫吸附 (液氦冷凝) 泵的結構示意圖 低溫吸附泵的極限真空度可達10-8Pa。其效能取決于所用的低溫溫度、被吸附氣體的種類、數(shù)量、吸附表面的面積等濺射離子泵的外形圖 濺射離子泵的結構示意圖 濺射離子泵的極限真空度可以達到10-9Pa常用真空泵的工作范圍不同泵種的工作壓力范圍不同。因而常將兩種或三種真空泵結合起來組成真空機組真空測量方法的分類 (各種物理的方法)u 熱電勢法u 電阻法u 電離法u 電容法u 熱偶式的真空規(guī)熱偶規(guī)僅適用于0.1100Pa的低真空范圍 皮拉尼電阻真

8、空規(guī)皮拉尼電阻真空規(guī)其原理、真空測量范圍與熱偶規(guī)相似電離式真空規(guī)電離式真空規(guī)電離真空規(guī)可測量的壓力范圍為1Pa-10-7Pa薄膜式電容真空規(guī)薄膜式電容真空規(guī)薄膜規(guī)線性度好，但其探測下限約為10-3Pa壓阻式真空規(guī)利用Si元件的壓阻特性，測量范圍10-105Pa常用真空測量方法的適用范圍不同的真空測量方法所適用的壓力范圍不同。因此常將不同的方法結合起來使用，拓寬壓力測量的范圍。例一：薄膜制備系統(tǒng): 金屬噴鍍儀金屬噴鍍儀的真空系統(tǒng)參數(shù)u 真空室：4.75英寸H4.75英寸u 真空泵：雙級旋片機械泵 極限真空度：610-2Pa 抽速： 0.5L/s u 真空計：皮拉尼電阻真空規(guī) （0.1Pa-大氣壓

9、）例二：薄膜制備系統(tǒng): 分子束外延設備u 真空室： 28 英寸H15 英寸u 極限真空： 510-8 Torru 真空泵： 低溫冷凝泵（或分子泵）1500L/s 旋片機械泵 12L/su 真空計：電離規(guī)2，熱偶規(guī)2，皮 拉尼規(guī)2 ，薄膜規(guī)1分子束外延設備的真空系統(tǒng)參數(shù)典型薄膜制備系統(tǒng)的結構圖n薄膜材料在現(xiàn)代科技領域占有重要的地位，可作為大家今后作為材料科學家或工程師的職業(yè)方向n真空技術是現(xiàn)代薄膜材料技術的基礎n不同的薄膜制備方法涉及到不同的真空環(huán)境真空度n不同的真空度需要采用不同的真空獲得方法與真空測量方法u 為什么在薄膜制備技術的討論中，先要討論真空環(huán)境與真空技術？u 熟悉真空度的物理單位及其相互換算。u 根據(jù)氣體流動狀態(tài)所表現(xiàn)出的特性，我們是如何劃分氣體流動狀態(tài)的？u 說明分子通量的物理意義？討論分子通量是如何影響薄膜純度和薄膜沉積速率的。u 了解真空泵的主要性能指標。u 了解主要的真空泵種類。u 了解主要的真空測量方法。u 簡要說明典型薄膜制備系統(tǒng)的組成。1. 使用真空泵系統(tǒng)對30升的真空系統(tǒng)抽真空到10-6Torr。關閉真空系統(tǒng)3分鐘后，系統(tǒng)壓力升至10-5Torr。 （1）求系統(tǒng)的壓力升高率（TorrL/s) （2）求使用抽速為Sp=40L/s的真空泵時，系統(tǒng)可以達到的極限真空度。2. 為電子顯微鏡和真