薄膜真空技術(shù)課件

真空設(shè)備為什么鍍膜需要真空環(huán)境？膜料基板液態(tài)氣態(tài)物理氣相淀積(PVD,physicalvapordeposition)

化學(xué)氣相淀積(CVD,chemicalvapordeposition)氣相淀積的優(yōu)勢:牢固，外延生長（液相？）轉(zhuǎn)移到基板表面固態(tài)：箔金鍍膜的一般過程：n=7.21022(P/T)真空的基本知識

一)真空的定義;二)度量單位;三)區(qū)域劃分;四)真空在薄膜制備中的作用一)真空的定義

真空是指壓力低于一個(gè)大氣壓的任何氣態(tài)空間.P=1.3310-4

帕,T=293K,n=3.21010

個(gè)/厘米3

“相對真空”一個(gè)分子在兩次碰撞之間所占據(jù)的體積:Ld2V=N?Ld2P=nkTL=kT/d2P二)真空的表示:壓強(qiáng)大小表示真空.1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓＝101325Pa（牛頓／米2

）1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓=760mmHg=760(Torr)=1.013x105Pa≈105Pa在真空技術(shù)中,除國際單位制的壓力單位Pa外，常以托（Torr）作為真空度的單位。1托等于1毫米高的汞柱所產(chǎn)生的壓力:1Torr＝133Pa微觀參量之間的關(guān)系:

壓強(qiáng),“自由程(L,氣體分子間相鄰兩次碰撞的距離)”,分子密度(n)壓強(qiáng)高:真空度低;壓強(qiáng)低:真空度高Pa(Pascal,SI,帕斯卡);巴(bar):1bar=105Pa四)真空在薄膜制備中的作用減少蒸發(fā)分子與殘余氣體分子的碰撞：f=1-e-d/l抑制反應(yīng)蒸發(fā)分子(F)與殘余氣體分子(N)到達(dá)基板的速率N/F10-1：

P=10-4-10-5Pa真空的獲得

一)機(jī)械泵;二)分子泵和羅茨泵;三)擴(kuò)散泵;四)吸附泵;五)濺射離子泵;六)升華泵真空泵的主要參數(shù)

抽氣速率：單位時(shí)間內(nèi)泵的抽氣能力

極限真空：泵所能獲得的最低壓強(qiáng)

工作范圍：泵能正常工作的壓強(qiáng)范圍S抽速Sm

最大抽速單位時(shí)間內(nèi)氣體流過抽氣系統(tǒng)中任何截面的體積稱為體積流量，單位為升/秒，與氣體密度無關(guān)旋片機(jī)械泵

常見的機(jī)械泵有旋片式、定片式和滑閥式等。旋片式的噪聲小，運(yùn)行速度高，被廣泛應(yīng)用在真空鍍膜機(jī)上。主要結(jié)構(gòu)如右圖所示

機(jī)械泵的工作原理是基于玻意耳-馬略特定律的基礎(chǔ)上的

PV＝K（1.1）式其中K是與溫度有關(guān)的常數(shù)

機(jī)械泵的定子和轉(zhuǎn)子間存在影響抽真空的有害空間,泵的抽速隨著壓強(qiáng)降低而減小。為了減少有害空間的影響通常采用雙級泵，雙級泵由兩個(gè)轉(zhuǎn)子串連而成，其中一個(gè)轉(zhuǎn)子的出氣口為另一個(gè)轉(zhuǎn)子的進(jìn)氣口，這樣可以將極限真空的單極泵的1Pa提高到10-2Pa

機(jī)械泵油的作用非常重要，它起著很好的密封和潤滑作用。泵油基本要求是低的飽和蒸氣壓，一定的粘度和較高的穩(wěn)定性。但是普通機(jī)械泵對于抽走水蒸氣等可凝氣體有很大困難。當(dāng)蒸氣在腔內(nèi)壓縮，壓強(qiáng)達(dá)到飽和蒸氣壓時(shí)，水蒸氣就開始凝結(jié)成水，并與泵油形成一種懸濁液。不僅影響泵油的密封和潤滑，還會(huì)造成泵壁生銹。為此在氣體尚未被壓縮前，通過氣鎮(zhèn)閥滲入一定量的氣體來幫助打開排氣閥片，減少水氣的凝結(jié)。氣鎮(zhèn)閥在抽氣的起始階段使用不會(huì)影響極限真空，但是到了一定程度后繼續(xù)使用就會(huì)降低泵可以達(dá)到的極限真空羅茨泵

左轉(zhuǎn)子由0°轉(zhuǎn)到180°的抽氣過程：在0°位置時(shí)（圖a）左轉(zhuǎn)子從泵入口封入v0體積的氣體。當(dāng)轉(zhuǎn)到45°位置時(shí)（圖b

），該腔與排氣口相通。由于排氣側(cè)壓強(qiáng)較高，引起一部分氣體返沖過來。當(dāng)轉(zhuǎn)到90°位置時(shí)（圖c）左轉(zhuǎn)子封入的氣體，連同返沖的氣體一起排向泵外。這時(shí)，右轉(zhuǎn)子也從泵入口封入v0體積的氣體。當(dāng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)到135°時(shí)（圖d）右轉(zhuǎn)子封入的氣體與排氣口相通，重復(fù)上述過程。轉(zhuǎn)子主軸旋轉(zhuǎn)一周共排出四個(gè)v0體積的氣體羅茨泵的轉(zhuǎn)子之間、轉(zhuǎn)子與泵殼內(nèi)壁之間，保持有一定的間隙，可以實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速運(yùn)行且沒有卡住的危險(xiǎn)。由于羅茨泵是一種無內(nèi)壓縮的真空泵，通常壓縮比很低，故工作時(shí)需要前級泵在1Pa左右的壓強(qiáng)范圍內(nèi)其有相當(dāng)大的抽氣速率，在這范圍內(nèi)機(jī)械泵的抽速很小，擴(kuò)散泵還只剛剛開始工作。羅茨泵可以彌補(bǔ)上述兩種真空泵抽氣速率的脫節(jié)。

羅茨泵的極限真空除取決于泵本身結(jié)構(gòu)和制造精度外，還取決于前級泵的極限真空由于以上特點(diǎn)羅茨泵時(shí)常被串連使用渦輪分子泵優(yōu)點(diǎn)基本沒有油的污染啟動(dòng)和關(guān)閉很快缺點(diǎn)噪聲大，有振動(dòng)。電磁污染。比較昂貴。加熱油從噴嘴噴出，氣體分子與油分子碰撞，向出氣口運(yùn)動(dòng)需要水冷，前級泵10-3to10-7Torr(to10-9Torr，液氮冷阱)優(yōu)點(diǎn)耐用成本低，抽速快無震動(dòng)和聲音缺點(diǎn)油污染油擴(kuò)散泵液氮冷卻有很大表面積的分子篩>200°C烘烤除去吸附的氣體極限真空與泵的溫度相關(guān)。簡單，無振動(dòng)，便宜，無油污染10-3Torr->10-10Torr(可以用兩個(gè)泵交替工作)很容易飽和多泵聯(lián)合工作吸附泵金屬表面，高沸點(diǎn)氣體覆蓋的低溫表面，分子篩，活性碳等原理：極板間加高壓(~5kV)電子螺旋運(yùn)動(dòng)(longerpath-length).氣體分子被電子離化，向陰極運(yùn)動(dòng).離子注入陰極(Ti，Ta)，濺射陰極材料.濺射出的陰極材料與氣體反應(yīng)，沉積在角落中或陽極上.10-4Torrto10-11Torr濺射離子泵濺射離子泵優(yōu)點(diǎn)干凈，無油污染無運(yùn)動(dòng)部分，無振動(dòng)，無噪音低功耗，使用時(shí)間長無斷電問題缺點(diǎn)對惰性氣體效率低每隔幾年需要對陰極材料進(jìn)行再生上表可以看出每一種真空泵都有一個(gè)工作范圍，目前沒有任何一種真空泵可以從大氣壓一直工作到接近超高真空的。為此，必須將幾種泵聯(lián)合使用，如機(jī)械泵、油擴(kuò)散泵聯(lián)合的有油系統(tǒng)和吸附泵、濺射離子泵、鈦升華泵聯(lián)合的無油系統(tǒng)完整真空系統(tǒng)示意圖GasinletMFCVacuumChamberPressureGaugeVariableCapacitanceValveRoughing/BackingPumpValveValveOilFilterGasOutletHighVacuumPump真空的量測

1、熱真空計(jì)

測定因溫度變化而引起燈絲電阻變化的真空計(jì)，稱為皮拉尼（Pirani）真空計(jì)用熱電偶測定溫度變化引起電動(dòng)勢變化的真空計(jì)，稱為熱電偶真空計(jì)

測量范圍：102～10-1Pa

2、電離真空計(jì)常用的熱陰極電離真空計(jì)，通過發(fā)射熱電子使氣體電離后，測出離子流，而離子流僅與壓強(qiáng)成正比由此來測出真空度

測量范圍：10-1～10-6Pa

3、放電管如果在真空室的一個(gè)部位接右下圖示的放電管，當(dāng)用氖變壓器外加6千伏電壓時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生激烈的放電，不同的真空度放電