薄膜真空技术

真空设备为什么镀膜需要真空环境？膜料基板液态气态物理气相淀积(PVD,physicalvapordeposition)

化学气相淀积(CVD,chemicalvapordeposition)气相淀积的优势:牢固，外延生长（液相？）转移到基板表面固态：箔金镀膜的一般过程：几乎所有的现代光电薄膜材料制备都需要在真空或较低的气压条件下进行都涉及真空下气相的产生、输运和反应过程n=7.21022(P/T)真空的基本知识

一)真空的定义;二)度量单位;三)区域划分;四)真空在薄膜制备中的作用一)真空的定义

真空是指压力低于一个大气压的任何气态空间.P=1.3310-4

帕,T=293K,n=3.21010

个/厘米3

“相对真空”一个分子在两次碰撞之间所占据的体积:d2V=N•d2P=nkTkT/d2P二)真空的表示:压强大小表示真空.1标准大气压＝101325Pa（牛顿／米2

）1标准大气压=760mmHg=760(Torr)=1.013x105Pa≈105Pa在真空技术中,除国际单位制的压力单位Pa外，常以托（Torr）作为真空度的单位。1托等于1毫米高的汞柱所产生的压力:1Torr＝133Pa微观参量之间的关系:

压强,“自由程(,气体分子间相邻两次碰撞的距离)”,分子密度(n)压强高:真空度低;压强低:真空度高Pa(Pascal,SI,帕斯卡);巴(bar):1bar=105Pa

Pressureunit

SI（SystemInternational）Unit1Pa（Pascal）＝1Newton/m2

1atm＝1.013×105Pa＝760mmHg1bar＝105N/m2＝105Pa

PracticalUnit

1Torr＝1mmHg1mTorr＝10－3mmHg1Pa＝7.5×10－3Torr1Torr＝133.3Pa1bar＝105Pa＝750Torr1atm＝1.013×105Pa＝760Torr划分目的：为了研究真空和实际应用的便利；

划分依据：按照各个压强范围内气体运动特征的不同进行划分；

划分准则：理论上，可依据Knudsen数的不同进行划分三）真空区域大致划分

相关物理：1）Knudsen数定义：物理意义：是描述稀薄气体流动状态的准数！

分子平均自由程大于流场特征尺寸时的气流称为Knudsen流，其Kn

一般>10！2）真空系统中气体运动特征的理论划分：粘滞流（层流、Poiseuille流）

粘滞-分子流

分子流（自由分子流、Knudsen流）Kn<0.01Kn=0.01~1Kn>>1

—气体分子的平均自由程—流场特征尺寸（如：管径）P(Pa)10510210-110-310-610-9(m)6.667×10-86.667×10-56.667×10-26.6676.667×1036.667×106尺度数十nm不到1mcm量级若干米数km几千kmKn<<0.01≥0.01≥1>>1气体分子流动特征粘滞流过渡段分子流气体分子运动特点大气状态热运动剧烈碰撞频繁粘滞流

分子流分子-分子

与分子-器壁

碰撞几率相当器壁碰撞为主粒子直线飞行分子数更少分子间无碰撞器壁碰撞几率也低真空区域

工程划分

粗真空低真空高真空超高真空极高真空粘滞流状态：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。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。特点是气体分子平均自由程超过气体容器的尺寸或与其相当。四)真空在薄膜制备中的作用：抑制反应减少蒸发分子与残余气体分子的碰撞(输运)基板的污染蒸发分子(F)与残余气体分子(N)到达基板的速率

一般要求N/F10-1：

P=10-4-10-5Pa例：计算在高真空的条件下，清洁衬底被环境中的杂质气体分子污染所需时间。假设每一个向衬底运动过来的气体分子都是杂质，且每一个分子都被衬底所俘获。衬底完全被一层杂质气体分子覆盖所需要的时间为其中N为衬底表面的原子面密度。在常温、常压条件下，洁净表面被杂质完全覆盖所需的时间约为3.5x10-9s，而在3x10-8Pa的超高真空中，上述时间可延长至10h左右。这说明了在薄膜技术中获得和保持适当的真空环境的极端重要性。气体分子的通量(克努森方程)真空的获得：就是所谓的“抽真空”！

利用各种真空泵把容器内的空气抽出，使其内部压强保持在<1atm的特定压强范围！获得真空的主要工具各种真空泵（Pump）！真空泵的分类真空的获得

真空泵的主要参数

抽气速率：单位时间内泵的抽气能力

极限真空：泵所能获得的最低压强

工作范围：泵能正常工作的压强范围单位时间内气体流过抽气系统中任何截面的体积称为体积流量，单位为升/秒，与气体密度无关旋片式机械泵（RotaryPump）（c）工作原理1、扩张（吸气）2、容积最大3、压缩4、排气机械泵：利用机械运动部件转动或滑动形成的输运作用获得真空的泵。分类：旋片式（最常见）、定片式、滑阀式运转模式：吸气压缩排气（不断循环）基本特点：需加真空油（密封用）；可从大气压开始工作；

真空度要求低可单独使用；真空度要求高作为前级泵使用工作区间：单级：105~1Pa；双级：105~10-2Pa优、缺点：结构简单、工作可靠；有油污染的问题。

机械泵的定子和转子间存在影响抽真空的有害空间,泵的抽速随着压强降低而减小。为了减少有害空间的影响通常采用双级泵，双级泵由两个转子串连而成，其中一个转子的出气口为另一个转子的进气口，这样可以将极限真空的单极泵的1Pa提高到10-2Pa机械泵油的作用非常重要，它起着很好的密封和润滑作用。泵油基本要求是低的饱和蒸气压，一定的粘度和较高的稳定性。但是普通机械泵对于抽走水蒸气等可凝气体有很大困难。当蒸气在腔内压缩，压强达到饱和蒸气压时，水蒸气就开始凝结成水，并与泵油形成一种悬浊液。不仅影响泵油的密封和润滑，还会造成泵壁生锈。为此在气体尚未被压缩前，通过气镇阀渗入一定量的气体来帮助打开排气阀片，减少水气的凝结。气镇阀在抽气的起始阶段使用不会影响极限真空，但是到了一定程度后继续使用就会降低泵可以达到的极限真空机械泵的工作原理是基于玻意耳-马略特定律PV＝K罗茨（Roots）真空泵抽速:103L/s极限真空度：10-2Pa罗茨泵不使用油作密封介质，少油污染其适用的压力范围是在0.1-1000Pa之间

工作原理：泵内两个呈8字型的转子以相反的方向旋转。转子咬合精度很高,转子旋转扫过空间很大，转速很高下，抽速很大。罗茨泵组成的真空机组的外形图

罗茨泵可与旋片式机械泵串联成真空机组使用，降低每台泵的负荷，扩大可获得的真空度范围由于罗茨泵是一种无内压缩的真空泵，通常压缩比很低，故工作时需要前级泵在1Pa左右的压强范围内其有相当大的抽气速率，在这范围内机械泵的抽速很小，扩散泵还只刚刚开始工作。罗茨泵可以弥补上述两种真空泵抽气速率的脱节。（a）外观（b）内部结构（c）工作原理工作原理：1）泵内交错布置转向不同的多级转子和定子；

2）转子叶片以20k~60kr/min的高速旋转；

3）叶片通过碰撞将动能不断传递给气体分子；

4）气体分子被赋予动能后被逐级压缩排出。涡轮分子泵（TurbomolecularPump）涡轮分子泵优点基本没有油的污染启动和关闭很快缺点噪声大，有振动(转子的切向速度与分子运动速率相当)。电磁污染。比较昂贵，不易维护。使用注意事项：高速部件，切忌外界碰撞工作区间：1~10-8Pa前级泵：旋片机械泵压缩比高，对一般气体分子的抽除极有效。如氮气，压缩比达109，抽速可达1000L／s，但抽取低原子序数气体能力较差（a）外观（b）内部结构（c）工作原理真空油历经循环：

蒸发喷射碰撞冷凝回流工作原理：1）将真空油加热到高温蒸发状态（约200℃）；2）让油蒸汽分多级向下定向高速喷出；

3）大量油滴通过撞击将动能传递给气体分子；

4）气体分子向排气口方向运动，并在动压作用下排出泵体；

5）油气雾滴飞向低温介质冷却的泵体外壁，被冷却凝结成液态后返回泵底部的蒸发器。油扩散泵（DiffusionPump）（d）典型高真空系统组合前级：罗茨泵+机械泵后级：油扩散泵高真空阀和冷阱阻止油气回流的Baffle优点：1）造价较低的高真空泵方案；2）没有机械运动部件。缺点：油蒸汽回流有可能污染真空系统（不宜在分析仪器和超高真空场合使用）。油扩散泵（DiffusionPump）需要水冷，前级泵10-3to10-7Torr(to10-9Torr，液氮冷阱)扩散泵油在高温下会发生氧化，因此扩散泵需要在优于10-2Pa的较高真空度下工作使用注意事项：扩散泵必须和机械泵联合工作，才能构成高真空抽气系统。单独的扩散泵时没有抽气作用的理论上，扩散泵的极限真空取决于泵油的蒸气压。而且泵油必须具备很高的热稳定性和化学稳定性扩散泵油在高温下接触一旦大气非常容易变质。即使时常温下，长期接触大气也会因为吸收水分而降低性能。因此扩散泵内应尽量保存良好的真空状态扩散泵油易挥发，因此在进气口都有挡油的冷阱

低温吸附泵工作原理：靠气体分子在低温条件下自发凝结或被其他物质表面吸附，而获得高真空。真空度依赖于温度、吸附物质表面积、被吸附气体种类等因素。极限真空度：10-1-10-8Pa。液氮冷却有很大表面积的分子筛极限真空与泵的温度相关。>200°C烘烤除去吸附的气体简单，无振动，便宜，无油污染10-4Torrto10-11Torr溅射离子泵工作原理：高压阴极发射出的高速电子与残余气体分子碰撞引起电离放电，电离的气体分子高速撞击Ti阴极溅射出大量Ti原子。活性很高的Ti原子以吸附或化学反应的形式捕获大量气体分子并使其在泵体内沉积下来，实现无油高真空环境。溅射离子泵优点干净，无油污染无运动部分，无振动，无噪音低功耗，使用时间长无断电问题缺点对惰性气体效率低每隔几年需要对阴极材料进行再生钛升华泵原理：加热Ti丝使其蒸发到冷壁.Ti原子与气体反应.优点及缺点：工作范围10-8-10-11Torr便宜，可靠，无噪音，无振动，无断电问题需要再生，很难排除惰性气体和甲烷钛升华泵的抽气机理是化学吸附。升华器升华的钛沉积在冷的泵体壁面上，形成新鲜的钛膜，对氮、氧和一氧化碳等活性气体有比较强烈的吸附作用,并形成氮化钛、碳化钛和氧化钛等稳定的化合物，但对惰性气体和甲烷几乎不吸附。钛膜吸附气体只能是单分子层的，在已吸附气体分子的位置上不能再吸附气体。因此，钛升华器必须不断地升华，使泵体壁面上不断地沉积新的钛膜，才能达到连续抽气的目的。上表可以看出每一种真空泵都有一个工作范围，目前没有任何一种真空泵可以从大气压一直工作到接近超高真空的。为此，必须将几种泵联合使用，如机械泵、油扩散泵联合的有油系统和吸附泵、溅射离子泵、钛升华泵联合的无油系统完整真空系统示意图GasinletMFCVacuumChamberPressureGaugeVariableCapacitanceValveRoughing/BackingPumpValveValveOilFilterGasOutletHighVacuumPump真空技术基础真空的获得小结：1、真空泵可分为哪两大类？简述各类包括的常用真空泵类型及其工作压强范围。2、分析说明实用的真空抽气系统为什么往往需要多种真空组成复合抽气系统？3、各举一例比较气体输运泵和气体捕获泵工作原理的不同。真空的测量概念：采用特定的仪器装置，对某一特定空间内的真空度（即：气压）进行测定。

这些仪器常被称为真空计（Manometer）或真空规（VacuumGauge）原理特点按测量原理不同分为绝对真空计U型气压计压缩式气压计薄膜真空计。。。直接测定气压值的大小气压值测量结果与气体成分无关测量准确高真空下难以实现测量相对真空计热偶真空计Pirani真空计电离真空计。。。测量与气压相关的其它物理量，并与绝对真空计测量值比较，

换算得到气压测得的气压值与气体成分相关精度略差易于实现测量分类：薄膜真空计（CapacitanceManometer）工作原理：依靠金属薄膜在气体压力差下产生机械

位移测量气体的绝对压力。1）利用金属薄膜将容器分隔为两部分，上半部充入

压力已知的气体，下半部与待测真空腔连通；2）薄膜两侧存在压差时，薄膜在压力作用下发生变

形，使薄膜与固定极板的间距发生变化，从而使

极间电容发生变化，测得电容变化即可反求得到

薄膜偏移量，然后反推压力差。工作范围：下限10-3Pa，上限取决于薄膜强度和位

移极限，一般在105～103Pa之间。应用场合：适用于工作气体具有腐蚀性的真空环境测量。薄膜真空计的结构及工作原理示意图真空的测量特点：1）测得的是绝对压力；

2）测量精度很高，且与气体种类无关；

3）对环境温度非常敏感，必须作好温控。

4）尽管属于绝对真空计，仍然需要精确地校正后才能使用。因此：P

时，气体稀薄化气体导热能力Qg

相同灯丝电流下Ql

热电偶温度T

电压表上测得的热电势V特定气压范围内（102~10-1Pa间），成立：！工作原理：利用一个灯丝持续加热，灯丝旁有一热电偶，灯丝放热总量（Qt）等于辐射热损失（Qr）、热电偶-灯丝间热传导

（Ql）及气体分子与灯丝碰撞携带走的热量（Qg）之和：热偶真空计（ThermoCoupleGauge）热偶真空计的工作原理示意图工作范围：102~10-1Pa之间；应用场合：大量用于真空度较低、精度要求不高的场合；特点：1）结构简单、使用方便；

2）对不同气体测量结果不同，需要校正；

3）不能测量过高或过低的气压；

4）热惯性较大，易发生零点漂移现象。常见气体或蒸汽的修正系数气体修正系数气体修正系数空气、氮1.00氪2.30氢0.60一氧化碳0.97氦1.12二氧化碳0.94氖1.31甲烷0.61氩1.56乙烯0.86真空的测量工作原理：1）由两组灯丝组成，一组灯丝置于密封定压空间内作为参

考，另一组与待测压腔体相通。2）两组灯丝同时被视为两个电阻组成Wheatstone电桥。3）两组灯丝同时被通电加热，若其所处环境压力不同（空

气稀薄程度不同）导致热耗散速度也不同，因而灯丝电

阻会因温度不同而产生差异，流过之电流随之改变。4）因参考端气压固定，因而温度、电阻、流过电流不变，

借助其补偿作用可比对求出待测腔体内的气体压力。

皮拉尼真空计（PiraniGauge）

热偶真空计的改进形式！皮拉尼真空计的工作原理工作范围：102~10-1Pa之间（与热偶真空计相当）；应用场合：大量用于真空度较低、精度要求不高的场合；特点：1）响应速度比热偶真空计快得多；

2）一定程度上解决了零点漂移的问题。真空的测量真空的测量：小结热真空计测定因温度变化而引起灯丝电阻变化的真空计，称为皮拉尼真空计用热电偶测定温度变化引起电动势变化的真空计，称为热电偶真空计测量范围：102～10-1Pa在0.1-100Pa的压力范围内，气体的热导率将随着气体压力的增加而上升，因而热丝的温度会随着气体压力的上升而降低。在气体压力高于100Pa的情况下，气体的热导率将不再随气体压力而变。这时，用热丝温度测量气体压力方法的灵敏程度将迅速下降．而当气体压力低于0.1Pa以后，由气体分子传导走的热量在总加热功率中的比例过小，测量的灵敏度也将呈下降趋势。电离真空计（IonizationGauge）（a）内部结构（b）工作原理示意图工作原理：利用气体分子与振荡电子的碰撞电离作用测得气压！

1）电子的振荡与捕获：①热电子发射②加速飞向栅极③部分被捕获④漏网飞离栅极

⑤反向减速再反向加速飞回栅极⑥再捕获漏网逃离栅极

重复以上过程2）气体分子碰撞电离：电子往复振荡与气体分子不断碰撞使之发生电离，电离产生的二次电子继续

加入振荡-捕获过程，而气体离子则飞向离子收集极形成回路电流，且满足：

Ie

—灯丝电流；S—常数。3）获得相对气压测值：灯丝电流Ie一定时，就可由离子电流I+

的大小测得气压P。真空的测量电离真空计（IonizationGauge）（a）S-P型工作上下限问题及分类：高低真空端不同！

1）下限（高真空端）：需要解决软X射线问题。问题：栅极被高能电子轰击发射出的软X射线会进一步

轰击离子收集极，使之发射光电子并在离子收集

极上形成微弱的等效离子电流ix（光电效应），

收集极电流IC

实际上由I+和ix两部分组成：

普通三极型电离真空计ix的量级与真空度为10-6~10-7Pa时的I+相当，因此其工作下限一般为10-6Pa！解决方法：离子收集极尺寸最小化针状

受软X射线轰击的面积（几率）

ix的数量级