高真空的获得与测量

1、真空获得、测量与镀膜实验真空获得、测量与镀膜实验普通物理普通物理( (近代物理近代物理) )实验实验背景简介 真空技术作为一门基本实验技术，在近代尖端科学技术，如表面科学、可控核聚变、高能粒子加速器、宇宙空间环境模拟、微电子学、低温技术、材料科学等领域都占有重要的地位。在工业生产中，如真空输运、真空熔炼和真空热处理、真空镀膜、电真空器件和设备（光电管、离子管、气体激光器、能谱仪等）和超大规模集成电路等都有着重要应用。真空获得、测量与镀膜实验真空获得、测量与镀膜实验实验目的实验目的实验仪器实验仪器思考问题思考问题实验原理实验原理实验内容实验内容数据处理数据处理注意事项注意事项实验目的实验目的 1

2、. 了解真空技术的基本知识，以真空镀膜机为例，掌握高真空的获得与测量的基本原理及方法； 2. 学习和掌握在玻璃基片上溅镀单层高反射金属膜的原理和操作方法。实验仪器图1 真空镀膜机结构1. 总控电源 2. 真空室 3. 溅射电源 4. 旁抽阀V5 5.放气阀V6 6.电离真空计 7.热偶真空计 8.流量计 9. 真空法兰升降和机械泵电源 10.分子泵电源实验原理一、真空度及真空区域划分： 真空度是对气体稀薄程度的一种客观度量，单位体积中气体分子数越少，表明真空度越高，由于气体分子密度不易度量，真空度通常用气体压强来表示，压强越低则真空度越高。 真空区域粗真空低真空高真空超高真空极高真空压强（Pa

3、）105 103103 10-110-1 10-610-6 10-1010-10 二、真空的获得： （1） 低真空泵机械泵的工作原理 V旋片弹簧排气阀放油阀油标排气孔进气滤网进气口（接至被抽系统）进气管转子工作室油气分离室定子图2 旋片式真空泵结构示意图 图3 旋片式机械泵的工作原理 旋片式真空泵抽气过程：旋片旋转时的几个典型位置如图3所示，当刮板A通过进气口（图3（a）位置）时开始吸气，随着刮板A的运动，吸气空间不断增大，到图3（b）所示位置时达到最大，刮板继续运动，当刮板A运动到图3（c）所示位置时，开始压缩气体，压缩到压强大于一个大气压时，排气阀门自动打开，气体被排到大气中，如图3（d）

4、所示,之后就进入下一个循环。整个泵体必须浸没在机械泵油中才能工作，泵油起着密封润滑和冷却的作用机械泵可在大气压下启动正常工作，其极限真空度可达10-2Pa。 （2）高真空泵分子泵的工作原理： 分子泵是靠高速转动的转子携带气体分子运动而获得高真空的一种机械真空泵，工作压强范围为1-10-8帕。不能直接对大气抽气，需要配置前级泵。涡轮分子泵典型结构见图4所示，它由涡轮叶片、驱动系统和外壳组成。叶片转动时的平均平移速度大体上等于空气分子的平均热运动速度，气体分子与叶轮相碰撞获得定向速度，而叶轮开槽的角度保证分子由入口到出口的传输几率大于相反方向的几率，造成泵出口、入口的气体分子正向、反向传输几率的差

5、异而产生抽气作用。图4 涡轮分子泵结构图 三、真空的测量：测量真空度的装置叫作真空计或真空规。 （1）热偶真空计（热偶规） 测量范围为13.30.1Pa。 利用气体的导热率与压强成正比的特点制成。真空度越高，规管内单位体积的气体分子数越少，气体导热性能越差，热电偶热端的热平衡温度越高，热电偶冷热两端的温度差越大，C、D两端的电动势也就越大，这样由热电偶的温差电动势的大小可间接测出真空度。图5 热偶真空规结构 （2）电离真空计（电离规） 测量范围为0.110-6Pa。 根据电子与气体分子碰撞产生电离的原理制成。阴极灯丝发出的电子与气体分子碰撞使气体分子电离产生的正离子被收集极收集，形成离子电流I

6、，离子电流与栅极电流Ie及气体压强P成正比图6 电离规结构 eIKI P四、真空泵的抽气速率 升/分（或升/秒） d VSd t(log)2.3dPSVdt 如只需粗略估计抽速，可求其平均抽速。 2121ln/PPSVtt 五、磁控溅射镀膜原理： 磁控溅射的基本原理，就是以磁场来改变电子的运动方向，并束缚和延长电子的运动轨迹，从而提高了电子对工作气体的电离几率和有效地利用了电子的能量。因此，使正离子对靶材轰击所引起的靶材溅射更加有效。同时，受正交电磁场束缚的电子，又只能在其能量要耗尽时才沉积在基片上。图6 磁控溅射原理 实验内容1.放基片：清洗基片，将基片放入样品托架，覆盖掩膜版，固定。（如图

7、7所示） 2.抽真空 （1）盖上真空法兰； （2）开机械泵，慢开旁抽阀V5，对溅射室直接抽气； （3）开热偶真空计，显示到20Pa左右，关V5开电磁阀DF，依次开分子泵，开闸板阀G（不能开得过死）； （4）当热偶真空计满度0.1Pa（数码显示为1.E-1）时,方可开DL-7程控真空计(高真空计),抽真空达10-4Pa； （5）记录各时刻的低、高真空计的示值，作出被抽容器（溅射室）的抽气曲线。图7 样品托架3. 溅射镀膜（1）关闭高真空计，打开气路阀V3（慢开），开气源，关小闸板阀G，使低真空计显示3Pa左右。（2）设置计算的控制状态进行镀膜，设置镀膜时间；（3）启动励磁电源。先确认电压、电流调

8、节旋钮处于零位，然后按电源“开”钮，缓慢调节电源、电流旋钮，使励磁电源逐渐增大到起辉所需值，但不得超过3A，待起辉后将电流适当调小，以免烧坏线圈。（4）启动直流电源，调节至所需功率，电磁靶起辉溅射。（5）用计算机控制镀膜时间和更换基片。（6）列表记录镀膜过程的物理条件和参数（即真空度、质量流量、工作电压、电流或工作功率和镀膜时间）。3. 取样和关机（1）溅射工作完毕后，先将板压调节到，然后关断板压关灯丝（橙色按钮），关溅射总电源。（2）关气源，依次开闸板阀G，关流量计（先调至0位再关），关V3（V1、V2都得关），约抽1020分钟。（3）关（两）真空计，关闸板阀G，关分子泵，过510分钟关电磁阀DF，关机械泵。（4）按步骤1取出样品，并按步骤3抽真空达10-3Pa,再按上一步关机。（5）关真空泵处的总电源、关水。（6）观察镀制膜层的质量，并对实验结果进行分析。数据处理1. 真空测量数据记录2. 真空镀膜数据记录 时间（min）真空度（Pa）样品编号123456溅镀时间（min）真空度（Pa）质量流量（sccm）溅射功