真空获得和真空镀膜ppt课件

1、l “真空这一术语译自拉丁文Vacuo，其意义是虚无。其实真空应了解为气体较稀薄的空间。在指定的空间内，低于一个大气压力的气体形状统称为真空。真空形状下气体稀薄程度称为真空度，通常用压力值表示。l 真空技术是根本实验技术之一。自从1643年托里拆利(E. Torricelli)做了著名的有关大气压力实验，发现了真空景象以后，真空技术迅速开展。如今，真空技术曾经成为一门独立的前言学科。它的根本内容包括：真空物理、真空的获得、真空的丈量和检漏、真空系统的设计和计算等。随着外表科学、空间科学高能粒子加速器、微电子学、薄膜技术、冶金工业以及资料学等尖端科技的开展，真空技术在近代尖端科学技术中的位置越来

2、越重要。 在真空中，气体分子密度低，在某些情况下，真空可以近似地看作没有气体“污染的空间。真空中，气体分子或带电粒子的平均自在程为： pkT22l 其中为分子直径，p为压强，T为气体温度，k为玻耳兹曼常数。Torr910l 例如室温下氮分子的平均自在程在压强为 时将长于50km。电子和离子在气体中的平均自在程分别时气体分子平均自在程的 5.66 和 1.41 倍。因此除非在宇宙空间，几乎一切地面上体积有限的超真空系统中，气体分子之间或气体分子与带电粒子之间的碰撞都可以近似忽略。l 由于上述缘由，真空中分子之间碰撞频率很低，分子与固体外表碰撞的频率极低。单位面积上气体分子碰撞频率与压强p的关系为

3、： pMT22105 . 3 式中M和T分别为气体分子的分子量单位：g和温度单位：K。l 在普通高真空，例如 时，对于室温下的氮气， ，假设每次碰撞均被外表吸附，按每平方厘米单分子层可吸附 个分子计算，一个“干净的外表只需一秒多钟就被覆盖满了一个单分子层的气体分子：而在超高真空 或 时，由同样的估计可知“干净外表吸附单分子层的时间将达几小时到几十小时之久。 Torr610scmv214/1044分子14105TorrP1010Torr1110l 因此超高真空可以提供一个“原子清洁的固体外表，可有足够的时间对外表进展实验研讨。这是一项艰苦的技术突破，它导致了近二十年来新兴不明科学研讨的蓬勃开展。

4、无论在外表构造、外表组分及外表能态等根本研讨方面，还是在催化腐蚀等运用研讨方面都获得长足的开展。l 超高真空的这一特点还为得到超纯的或准确掺杂的镀膜或分子束外延生长晶体发明了必要的条件，这促进了半导体器件、大规模集成电路和超导资料等的开展，也为在实验室中制备各种纯真样品如电子轰击镀膜、等离子镀膜、真空剖裂等提供了良好的根本技术。l 真空形状下气体稀薄程度称为真空度，通常用压力值表示。1958年，第一界国际技术会议曾建议采用“托(Torr)作为丈量真空度的单位。国际单位制(SI)中规定压力的单位为帕(Pa)。我国采用SI规定。l1规范大气压(1atm)1.013105Pa(帕)l1Torr1/7

5、60atm1mmHgl1Torr133Pal 我国真空区域划分为：粗真空、低真空、高真空、超高真空和极高真空。 l粗真空l低真空 l l高真空l超高真空l极高真空Pa35103331100131Pa13103331103331Pa61103331103331Pa106103331103331Pa10103331l 丈量低于大气压的气体压强的工具称为真空计。真空计可以直接丈量气体的压强，也可以经过与压强有关的物理量来间接地丈量压强。前者称为绝对真空计，后者称为相对真空计。按照真空计的不同原理与构造可以分为：静态变形真空计、紧缩式真空计、热传导真空计、电离真空计、气体放电真空计、辐射真空计等。 l

6、 十九世纪初，利用低真空产生压力差的原理发明了真空提升、真空保送、吸尘、过滤、成形等技术。1879年爱迪生发明白炽灯，抽出灯泡中化学成份活泼的气体(氧、水蒸汽等)，防止灯丝在高温下氧化同年，克鲁克斯发明阴极射线管，第一次利用真空下气体分子平均自在程增大的物理特性后来，在电子管、电视管、加速器、电子显微镜、镀膜、蒸馏等方面也都运用了这一特性1893年发明杜瓦瓶，这是真空绝热的初次运用 l 真空技术在二十世纪得到迅速开展，并有广泛的运用。二十世纪初，在真空获得和丈量的设备方面获得进展，如旋转式机械泵，皮氏真空计，分散泵，热阴极电离真空计的发明，为工业上运用高真空技术发明了条件接着，油分散泵，冷阴极

7、电离真空计的出现使高真空的获得及丈量获得一大进展五十年代，真空技术进入超高真空时代，发明了B-A规，离子泵，涡轮分子泵近二十年来，高能加速器，受控热核反响安装、空间技术，外表物理，超导技术笋，对真空技术提出了更新，更高的要求，使真空技术在超高真空甚至极高真空方面迅速开展 l1掌握真空获得和丈量的方法l2掌握真空镀膜的方法。1.低真空的获得低真空的获得 获得低真空常采用机械泵，机械获得低真空常采用机械泵，机械泵是运用机械方法不断地改动泵内吸泵是运用机械方法不断地改动泵内吸气空腔的体积，使被抽容器内气体的气空腔的体积，使被抽容器内气体的体积不断膨胀，从而获得真空的安装。体积不断膨胀，从而获得真空的

8、安装。它可以直接在大气压下开场任务，极它可以直接在大气压下开场任务，极限真空度普通为限真空度普通为1.331.3310-2Pa，抽，抽气速率与转速及空腔体积气速率与转速及空腔体积V的大小有的大小有关，普通在每秒几升到每秒几十升之关，普通在每秒几升到每秒几十升之间。间。 l旋片式机械泵通常由转子、定子、旋片等构造构成。偏心转子置于定子的圆柱形空腔内切位置上，空腔上衔接进气管和出气阀门。转子中镶有两块旋片，旋片间用弹簧衔接，使旋片紧压在定子空腔的内壁上。转子的转动是由马达带动的，定子置于油箱中，油起到亲密、光滑与冷却的作用。l 当转子顺时针转动时，空气由被抽容器经过进气管被吸入，旋片随着转子的转动

9、使与进气管相连的区域不断扩展，而气体就不断地被吸入。当转子到达一定位置时，另一旋片把被吸入气体的区域与被抽容器隔开，并将气体紧缩，直到压强增大到可以顶开出气口的活塞阀门而被排出泵外，转子的不断转动使气体不断地从被抽容器中抽出。l 目前，广泛运用的获得高真空的泵就是分散泵。分散泵是利用气体分散景象来抽气的，它不能直接在大气压下任务，而需求一定的预备真空度1.330.133Pa。油分散泵的极限真空度主要取决于油蒸汽压和气体分子的反分散，普通能到达1.3310-51.3310-7Pa。抽气速率与构造有关，每秒几升几百升不等。l 油分散泵的构造如表示图 l 泵的底部是装有真空泵油的蒸发器，真空泵油经电

10、炉加热沸腾后，产生一定的油蒸汽，蒸汽沿着蒸汽导流管传输到上部，经由三级伞形喷口向下喷出。喷口外面的压强较油蒸汽压低，于是便构成一股向出口方向运动的高速蒸汽流，使之具有很好的运载气体分子的才干。油分子与气体分子碰撞，由于油分子的分子量大，碰撞的结果是油分子把动量交给气体分子本人慢下来，而气体分子获得向下运动的动量后便迅速往下飞去并且，在射流的界面内，气体分子不能够长期滞留，因此界面内气体分子浓度较小由于这个浓度差，使被抽气体分得以源源不断地分散进入蒸汽流而被逐级带至出口，并被前级泵抽走慢下来的蒸汽流在向下运动的过程中碰到水冷的泵壁，油分子就被冷凝下来，沿着泵壁流回蒸发器继续循环运用冷阱的作用是减

11、少油蒸汽分子进入被抽容器。l 真空度的丈量可经过复合真空计来进展。l 复合真空计可分为热电偶真空计和电离真空计两种。l 热偶真空计是用在低气压下气体的热导率与气体压强间有依赖关系制成的。它通常用来丈量低真空，可测范围为13.330.1333Pa。其中有一根细金属丝铂丝或钨丝以恒定功率加热，那么丝的温度取决于输入功率与散热的平衡关系，而散热取决于气体的热导率。管内压强越低，即气体分子越稀薄，气体碰撞灯丝带走的热量就越少，那么丝温越高，从而热偶丝产生的电动势越大。经过校准定标后，就可以经过丈量热偶丝的电动势来指示真空度了。 l电离真空计是根据气体分子与电子相互碰撞产生电离的原理制成的。它用来丈量高

12、真空度，可测范围为0.1331.3310-6Pa。实验阐明，在压强P10-1Pa时，有以下关系成立l I+/Ie=K P l 其中Ie为栅极电流，P为气体压强，I+为灯丝发出电子与气体分子碰撞后使气体分子电离产生正离子而被板极搜集构成的离子电流。K为比例常数。可见，Ie不变，经过用绝对真空计进展校准，I+的值就可以指示真空度了。留意，只需在真空度到达10-1Pa以上时，才可以翻开电离规管灯丝。否那么，将呵斥规管损坏。l 一些光学零件的光学外表需求用物理方法或化学方法镀上一层或多层薄膜，使得光线经过该外表的反射光特性或透射光持性发生变化，许多机械加工所采用的刀具外表也需求堆积一层致密的、结合结实

13、的超硬镀层而使其得以硬化，延伸其运用寿命，改善被加工部件的精度和光洁度。l 目前，作为物理镀膜方法的真空镀膜，尤其是纳米级超薄膜制造技术，己广泛地运用在电真空、无线电、光学、原子能、空间技术等领域及我们的生活中。l 真空镀膜本质上是在高真空形状下利用物理方法在镀件的外表镀上一层薄膜的技术，它是一种物理景象。l 真空镀膜按其方式不同可分为真空蒸发镀膜、真空溅射镀膜和现代开展起来的离子镀膜。这里只引见真空蒸发镀膜技术。l l 众所都知，任何物质总在不断地发生着固、气、液三态变化，设在一定环境温度T下，从固体物质外表蒸发出来的气体分子与该气体分子从空间回到该物质外表的过程能到达平衡，该物质的饱和蒸气

14、压为Ps，那么：l式中AH为分子蒸发热，K为积分常数，R8.3l44l 真空蒸发镀膜主要包括以下几个物理过程： l 采用各种方式的热能转换方式，使镀膜资料蒸发或升华，成为具有一定能量0.10.3eV的气态粒子原子、分子或原子团； l 气态粒子经过根本上无碰撞的直线运动方式传输到基片；l 粒子堆积在基片外表上并凝聚成薄膜。 l 影响真空镀膜质量和厚度的要素很多，主要有真空度、蒸发源的外形、基片的位置、蒸发源的温度等。固体物质在常温暖常压下，蒸发量极低。真空度越高，蒸发源资料的分子越易于分开资料外表向周围散射。真空室内的分子越少，蒸发分子与气体分子碰撞的概率就越小，从而能无阻挠地直线到达基片的外表

15、。 l 当气体分子平均自在程等于蒸发源到基片的间隔时，约有63的分子会在途中发生碰撞；当平均自在程10倍于蒸发源到基片的间隔时，就只需9左右的分子在途中发生碰撞，可见只需当d时，蒸发物质分子才干沿途无阻挠地、直线到达被镀基片或零件的外表蒸发时普通要选择比d大23倍，由于在蒸发过程中，真空室内温度升高后要放出大量气体，会使真空度降低要得到足够大的，就要求P足够小。普通实验室的真空镀膜中d在30cm左右，因此镀膜时常用的真空室气体压强为10-210-4Pa，这时的平均自在程与蒸发源到基片的间隔相比要大得多。 l 假设蒸发物质的分子在蒸发后立刻离去，并不回到原来的物质上，那么蒸发的速率可由朗谬尔(L

16、angmuir)导出的公式决议： )scm(kg1038. 41 -2-7TMPGl 式中M为待蒸发物质的摩尔质量，P为蒸气压，T为蒸发物质温度(K)。 l 在整个基片上获得厚度均匀的薄膜很重要，薄膜厚度的均匀性同蒸发源的外形有很大的关系。对于点蒸发源，基片平行放置在蒸发源的正上方，那么膜厚分布为： 2/32011hlddl 其中d0表示点源到基片垂直点的膜厚，h为垂直间隔，l为基片点间隔垂直点的间隔，M为总蒸发质量。 204 phMdl对于微小平面蒸发源，有 22011hldd20phMdl 目前，真空蒸发运用的蒸发源主要有电阻加热、电子加热、高频感应加热、电弧加热和激光加热等五大类。电阻加

17、热采用钨、钼、钽等高熔点金属做成适当外形的蒸发源，或采用石英坩埚等。根据蒸发资料的性质以及蒸发源资料的浸润性等制形成不同的蒸发源外形， l 本实验采用DM450C型真空镀膜机进展抽真空实验及镀膜实验。真空镀膜机由抽真空系统、电气系统、镀膜室及提升机构等组成。l l 本实验要求在一块平面玻璃的外表镀上一层铝反射膜，其中完成低真空、高真空的获得过程。 l1动手操作前仔细学习讲义及有关资料，熟习镀膜机和有关仪器的构造及功能、操作程序与本卷须知。l2清洗基片和铝丝。用碱水冲洗，并用无水酒精脱水，最后用棉纱或棉纸包好，放在玻璃皿内备用。l3镀膜室的清理与预备。先向钟罩内充气一段时间，然后升钟罩，装好基片

18、、电极钨丝和铝丝，清理镀膜室，降下钟罩。 l1翻开“机械泵，低阀处于“抽钟罩位置，接通热电偶真空计进展丈量。l 2当钟罩内真空度到达1.3Pa时，开“轰击和 “工件旋转 旋钮，调理变压器1BZ逐渐升高电压至2000V左右，调理针阀使钟罩内真空度坚持在6.7Pa，轰击约20min后，将变压器调回零。关针阀，关“轰击，关“工件旋转。 l3将低阀置于“抽系统位置，接通分散泵冷水，翻开“机械泵、分散泵对分散泵加热。约40min后，同时观测系统真空度在6.7Pa以上，翻开高阀，监测钟罩内真空度。当真空度超越1.33101Pa时，接通电离真空计丈量。 l1当真空度到达1.33101Pa时，开“烘烤，调理变压器2BZ烘烤镀件，使镀件获得基底温度。l2当真空度到达6.7103Pa以上时选择好蒸发电极，插入电流分配塞，开“蒸发，调理变压器1BZ，逐渐加大电流使铝丝预熔钟罩内真空度同时下降，此时用挡板挡住蒸发源防止初熔时杂质蒸发到玻璃上。l3当钟罩内真空度恢复到6.7103Pa以上时，再加大蒸发电流，同时移去挡板，此时从察看窗中可以看到铝丝逐渐熔化缩成液体小球，然后迅速蒸发，玻璃上便附着了一层铝膜。l 关高真空丈量，停分散