薄膜制备技术：第二部分 真空技术基础-田民波

1、第二章：真空技术基础真空的基本知识真空的获得真空的测量真空度的单位 为了使被研究的样品不被周围气氛所污染，获取“原子清洁”的表面，薄膜制备和衬底表面形成过程往往是在真空或超高真空中进行的。目前，人们所广泛使用的薄膜制备系统都具有真空系统。F 真空：真空： 低于一个大气压的气体空间。低于一个大气压的气体空间。不同领域对什么是真空理解不一样：显像管：显像管：10-2 Pa表面研究：表面研究：10-8 Pa真空度的单位 自然真空：宇宙空间所存在的真空； 人为真空：用真空泵抽调容器中的气体所获得的真空。单位：帕斯卡（单位：帕斯卡（Pascal）：）：Pa其它常用单位：其它常用单位： Torr mmHg

2、 mbar atm 1 atm=760 Torr, 1 Torr=133.3 Pa, 1 mbar=100 Pa1 mmHg1 Torr气压的产生和气体状态方程气压的产生：气体状态方程：22-37.2 10 (m )PnT气体分子密度气体分子密度 n标准状态：标准状态： P = 105 Pa，T=273.15 Kn = 2.61025个/m3超高真空超高真空: P = 1.3 10-11 Pa，T=293 K n = 3.2109个/m3气压的产生和气体状态方程真空区域的划分(1)粗真空：1105 1102 Pa。 以热运动为主，分子间碰撞频繁，平均自以热运动为主，分子间碰撞频繁，平均自由程短

3、。(2)低真空： 1102 1101 Pa。 一定的自由程，可避免氧化，随容器中压强降低，液体的沸点也降低，出现真空脱水。真空区域的划分(3)高真空： 1101 1106 Pa。i）气体的平均自由程已大于一般真空容器的线度，绝大多数分子与器壁碰撞，很少相互碰撞，按直线飞行。ii）容器空间的任何物体与残余气体分子的化学作用也十分 微弱。Iii)气体的热传导和内摩擦与压强无关。真空区域的划分(4)超高真空： 1106 Pa 得到纯净的气体空间； 可获得纯净的固体表面，气体分子在固体表面上是以吸附停留为主，广泛用于半导体工业中的材料生长和器件制造。真空区域的划分薄膜制备和分析技术对于真空度要求薄膜制

4、备和分析技术对于真空度要求 真空蒸发沉积需要高真空和超高真空范围（10-3 Pa）; 溅射沉积需要中、高真空（10-2 10-5 Pa）; 低压化学气相沉积需要中、低真空（10 100 Pa）; 电子显微技术维持的分析环境需要高真空; 材料表面分析需要超高真空。稀薄气体的基本性质理想气体压强是可加的，遵守道尔顿分压定律，对于混合气体，总压强等于分压强之和： P=P1+P2+Pi+真空技术中所遇到的是稀薄气体，在性质上与理想气体差异很小，可直接应用应用理想气体的状态方程 理想气体定律： (i) 玻义尔定律玻义尔定律 (ii) 盖盖吕萨克定律吕萨克定律 (iii)查理定律查理定律稀薄气体的基本性质

5、玻义尔定律玻义尔定律 一定质量的气体，在恒定温度下，气体的压强与体积的乘积为常数，PV=C。盖盖吕萨克定律吕萨克定律一定质量的气体，在压强一定时，气体的体积与绝对温度成正比，V=CT。查理定律查理定律一定质量的气体，如果保持体积不变，则气体的压强与绝对温度成正比，P=CT。稀薄气体的基本性质气体分子的速度分布气体分子的速度分布在一定容器中的气体分子处于不断的运动状态，在稳态时可满足一定的统计分布规律麦克斯韦玻尔兹曼分布，速度分布函数为：该函数表示分布在速度v附近单位速度间隔内的分子数占总分子数的比率。稀薄气体的基本性质气体分子的速度分布气体分子的速度分布最可几速度vm用于讨论速度分布平均速度v

6、a用于计算分子运动的平均距离均方根速度vr用于计算分子的平均动能稀薄气体的基本性质平均自由程平均自由程气体分子处于不规则的热运动状态，它除与容器壁发生碰撞外，气体分子间还经常发生碰撞。每个分子在连续两次碰撞之间的路程称为平均自由程。其统计平均值：气体分子的平均自由程与压强成反比，与温度成正比。稀薄气体的基本性质若气体种类和温度一定的情况下:在25的空气情况下：或平均自由程平均自由程稀薄气体的基本性质真空度对薄膜质量的影响真空度对薄膜质量的影响 薄膜技术中最常用的真空度为10-4 Pa，自由程大约是66米。即使再差， 10-3 Pa，自由程大约是6.6米。 所以，不需要考虑飞行中的薄膜材料和残存

7、气体冲撞所产生的影响。 P=10-4 Pa时，时，667066.7cmmP=10-3 Pa时，时，6676.67cmm稀薄气体的基本性质真空度对薄膜质量的影响真空度对薄膜质量的影响 在基板表面上，如果撞击过来的残存气体分子全部吸附在物体表面上，把它换算为厚度堆积速度的话，大约是每分钟1030 nm。 假如薄膜生长速度：nm/min，生长气压为10-4 Pa： 薄膜的成长速度虽然各式各样都有，较常用的是每分钟1m。因此，假设气体分子全部混入薄膜里面的话（实际上不会全部），就相当于有13的不纯物混入在薄膜里面。 真空度差10倍（10Pa），杂质含量相当于1030，真空度提高10倍（10Pa），杂质

8、含量为0.10.3。稀薄气体的基本性质真空度对薄膜质量的影响真空度对薄膜质量的影响 想要得到高纯度的薄膜，就必须尽量在较高真空度的环境下，或是在不会与薄膜材料产生反应的氩气等的惰性气体中进行。 相反的，也有故意让原料气体和其它气体发生反应而产生新的性质优良的材料的情形，这种称为反应性溅镀或是反应性蒸镀。气体的流动状态 气体的流动状态根据气体容器的几何形状、气体的压力、温度以及气体的种类不同而存在很大差别。分子流状态分子流状态：在高真空环境下，气体的分子除了与容器壁碰撞以外，几乎不发生气体分子间的相互碰撞。 高真空薄膜蒸发沉积系统或各种材料表面分析仪器就工作在分子流状态下。粘滞流状态粘滞流状态：

9、当气压较高时，气体分子的平均自由程很短，气体分子间的相互碰撞极为频繁。 化学气相沉积系统一般工作在粘滞流状态。气体的流动状态层流状态层流状态：低流速黏滞流所处的气流状态。不同气体流动层的层状流线，且各层气体的流动方向相互平行。在靠近管壁的地方，气体分子感受到管壁的阻力作用，流动的速度接近于零；随着离开管壁距离的增加，气体流动的速度增加，并且在管道的中心处气体流动最快。紊流状态紊流状态：高流速黏滞流所处的气流状态。各层气体的流动方向之间不能保持相互平行的状态，而呈现出一种旋涡状的流动形式。流动的气体中出现了一些低气压的旋涡，同时流动路径上的任何微小的阻碍都会对流动产生很大的影响。稀薄气体的基本性

10、质碰撞次数与余弦散射定律碰撞次数与余弦散射定律单位时间内，在单位面积的器壁上发生碰撞的气体分子数称为入射频率，用v表示。其数值与器壁前的气体分子密度成正比，与分子速度va成正比，则有：赫兹克努曾(Hertz-Knudsen) 公式:可用于实际计算在温度和压强一定情况下的v值。稀薄气体的基本性质分子束的反射分子束的反射碰撞于固体表面的分子，它们飞离表面的方向与原入射方向无关，并按与表面法线方向所成角度 角度的余弦进行分布，则一个分子在离开其表面时，处于立体角d(与表面法线成 与表面法线成角)中的几率是： 稀薄气体的基本性质余弦定律的意义：余弦定律的意义：（1）它揭示了固体表面对气体分子作用的另一

11、个方面，即将分子原有的方向性彻底“消除 ,均按余弦定律散射；（2）分子在固体表面要停留一定的时间，这是气体分子能够与固体进行能量交换和动量交换的先决条件。真空的获得典型的真空系统包括：真空室，真空泵，真空计真空泵真空室真空计真空的获得真空室中气体的来源：(1) 空间气体：很容易被抽走；(2) 吸附气体：物理吸附和化学吸附 真空材料：不锈钢等，忌用陶瓷 除气手段：烘烤、离子轰击(3) 系统漏气： O形橡胶圈：低、高真空 金属密封圈：超高真空密封：真空的获得能使压力从一个大气压开始变小，进行排气的泵常称为“前级泵”。从较低压力抽到更低压力的真空泵称为“次级泵”。极限真空：任何一个真空系统，都不可能

12、得到绝对真空，而是具有一定的压强，称为极限压强或极限真空。抽气速率：指在规定压强下单位时间所抽出气体的体积，它决定抽真空所需要的时间。真空的获得理论上讲，任何一个真空系统所能达到的真空度可由下列方程确定：式中，Pu是真空泵的极限真空（Pa） S 是泵的抽气速率（ L/s） Pi是被抽空间气体的分压 （Pa） Q是真空室内的各种气源（PaL/s） V是真空室的体积（L） t是时间（s）真空泵的分类常用真空泵的分类气体传输泵气体捕获泵扩散泵钛升华泵溅射离子泵低温冷凝泵机械泵分子泵真空的获得几种常用真空泵的工作压强范围几种常用真空泵的工作压强范围旋片式机械真空泵旋片泵结构示意图旋片泵工作原理图旋片泵

13、工作原理图旋片式机械真空泵若待抽真空室体积V，初始压强 初始压强P0，旋转一周排出气体体积为V，根据 根据P1V1= P2V2，有 转到第二周时，P1作为P0旋片式机械真空泵经过n个循环后当泵室体积大，被抽容积小时，即V/V 越大，V/(V+V)n0越快，Pn 0越快。但n时Pn 0。实际上不可能，有一极限值，因为泵结构上存在“有害空间 出气口与转子密封点之间的极小空隙空间。1处的气体不能被排走，会穿过2点，回到吸气侧。旋片式机械真空泵每秒转子转m次，则t秒转 n=mt，这时待抽空间的压强为Pt：机械泵的工作特性曲线上式只有在Pt远远大于极限真空时才适用，即该关系适用于抽气的早期。旋片式机械真

14、空泵双级泵和机械泵油双级泵和机械泵油为了减小有害空间的影响，通常采用双级泵；该泵由两个转子串联，以一个转子空间的出气口为另一个转子空间的进气口。可使极限真空从单级泵的1Pa提高到10-2Pa ；机械泵油要求：饱和蒸气压低，有一定的润滑性和粘度，较高的稳定性。分子泵当气体分子碰撞到高速移动的固体表面时，在表面停留很短时间，并在离开时获得与固体表面速率相近的相对切向速率。靠高速转动的转子碰撞气体分子并把它驱向排气口由前级泵抽走，使容器获得超高真空。特点：启动速度快、噪声小、运行平稳、抽速大、不需任何工作液体。分子泵涡轮分子泵是靠对气体分子施加作用力，并使气体分子向特定的方向运动的原理来工作的。20

15、000到30000转每分钟。涡轮分子泵的一个特点是对一般气体分子的抽除极为有效。例如对于其压缩比(即泵的出口压力与入口压力之比)可以达到109。但是涡轮分子泵抽取相对原子质量较小。的气体的能力较差，例如对于氢气，其压缩 ，其压缩比仅有 l03左右。油扩散泵利用被抽气体向蒸气流扩散的现象，机械泵油被加热，油蒸气向油嘴外喷射，形成高速气流；射流的速度达200m/s, 且其分压低于进气口上方被抽气体的分压强扩散并同蒸气分子交换能量沿蒸气方向高速运动，被带走；油蒸气冷凝循环干式真空泵-罗茨泵两个8字形共轭转子，反向旋转。无油封；间隙小：0.1 mm；高速转动: 3000 rpm抽气时无压缩。工作原理：

16、容积泵+分子泵溅射离子泵结构：阳极为多个不锈钢圆筒或四方格、六方格组成，以增加吸气面积。溅射离子泵溅射离子泵是靠高压阴极发射出的高速电子与残余气体分子相互碰撞后引起气体电离放电，而电离后的气体分子在高速撞击阴极时又会溅射出大量的Ti原子。由于Ti原子的活性很高，因而它将以吸附或化学反应的形式捕获大量的气体分子并使其在泵体内沉积下来，从而在真空室内实现无油的高真空环境。溅射离子泵的抽速对于不同的气体是不一样。对于活性较大的气体种类，溅射离子泵具有较大的抽速。比如，溅射离子泵对于H2的抽速是其对的抽速是其对O2、H2O蒸气或N2抽速的几倍，而它对于后面几种气体的抽速又远大于对Ar的抽速。溅射离子泵

17、溅射离子泵所抽除的气体分子不会在高温下再被释放出来在高温下再被释放出来。同时，Ti电极的不断溅射使得离子泵的寿命是有一定限度的。极限真空度可以达到10-8 Pa左右。加热钛丝升华，钛沉积在器壁内腔上，形成钛膜层，在升华和沉积过程中，钛与活性气体结合形成稳定化合物(TiO、TiN)，达到抽气的目的。Ti升华泵升华泵真空的测量直接测量气体压力不易，利用测定在低气压下与压强有关的某些物理量，再变换后确定压强； 任何具体的物理特性，都是在某一压强范围内最显著，任何方法都有测量范围真空计量程u热电偶温度计可测：10410-2 Pa；u电离真空计可测：10-1-10-5 Pa；u没有一种真空计能够测量从大

18、气到10-10 Pa的整个领域的真空度。电阻真空计 规管中的加热灯丝是电阻温度系数较大的钨丝或铂丝，热丝电阻连接惠斯顿电桥，并作为电桥的一个臂，低压强下加热时，灯丝所产生的热量Q可表示为：Q=Q1+Q2,式中Q1是灯丝辐射的热量，与灯丝温度有关；Q2是气体分子碰撞灯丝而带走的热量，大小与气体的压强有关，而加热丝的电阻随气压变化。电阻真空计的测量范围大致是105 10-2 Pa。热偶真空计规管主要由加热灯丝C与D和用来测量热丝温度的热电偶A与B组成。在达到热平衡以后，电流提供的加热功率与通过空间热辐射、金属丝热传导以及气体分子热传导而损失的功率相等，因而热丝的温度将随着真空度的不同而有规律变化。

19、当气体压强降低时，气体的热导率减小，热电偶节点处的温度将随热丝温度的升高而增大，同样，热电偶冷端的温差电动势也增大。这时，用热电偶测出了温差电动势，也就相应测出了环境的气体压力。测量范围是102 101 Pa。电离真空计 灯丝在通电加热后发出电子，热电子向处于正电位的栅极飞去。由于收集极是负电位，电子在靠近收集极时受到电场的排斥而返回，在栅极间来回振荡。电子在飞行过程中不断跟管内气体分子碰撞，使气体分子电离，正离子被收集极收集，从而在回路中产生离子流。电离产生的正离子流I与发射电子流Ie、气体的压强之间的关系为： IkIeP。 普通型电离真空计的测量范围是1.33101 1.33105Pa,无论高于还是低于此测量极限都会使电子流I和气体的压强之间失去线型关系。电离真空计电离真空规测量范围的下限受阴极发射的高能光子在收集极上产生的光电效应所限制，这种效应产生的光电流相当于10-7 Pa的真空条件下的离子电流。电离真空规的工作上限为1 Pa左右，这时，电子的自由程太短，已不能使气体分子产生有效的电离。为了消除真空规本身放气对高真空度时测量值的影响，使用前需要将其加热至稍高的温度进行预先烘烤，以减少测量时放气的影响。