薄膜光学技术-3-1

第三章薄膜制造技术薄膜的制备方法镀膜方法湿法干法CVDPVD电镀化学镀常压CVD低压CVD光CVD金属有机物热分解CVDPECVD热蒸发离子束辅助蒸发溅射离子镀射频、直流、射频直流、直流脉冲、微波高温、中温湿法制备薄膜工艺简单，制造成本低，但膜层厚度不能精确控制，膜层强度差，较难获得多层膜，有污染。干法制备薄膜需要使用真空镀膜机，制造成本高，但膜层厚度可以精确控制，膜层强度好，无污染，已广泛采用。PVD技术1.热蒸发技术2.溅射技术3.离子镀技术4.离子辅助镀技术3.1真空及真空镀膜机“真空”是干法镀膜的基础，是光学镀膜机的基础。本节将解答下列问题：

PVD为什么要在真空中进行？真空用哪些参数计量？

PVD所需要的真空条件是如何确定的？真空如何获得？1）.热蒸发工艺过程：（1）PVD与真空1、真空基础2）.大气PVD存在的问题常温常压下，空气分子质量密度：1.28×10-6

g

/mm3

每克气体分子含分子个数：2.08×1022个/g

——气体分子距离：3.34×10-6mm

——气体分子的空间密度：2.68×1016个/mm3因此,A.空气中活性气体分子与膜层、膜料、蒸发器反应；B.空气分子进入膜层成为杂质；C.蒸发膜料大多因碰撞而无法直线到达被镀件。3).真空PVD的优点

真空——压强小于1个大气压的气体状态。

PVD需要的真空条件应能保证：

“平均自由程”＞“源-件”距。易蒸发（膜料蒸发温度大幅下降）；易获高纯膜；

膜层坚硬；成膜速度快。（2）真空与压强1）.真空与真空度真空是一种气体状态（并非一无所有）。真空度是表征真空状态气体稀薄程度的物理量。2.真空度与压强

A.真空度的计量采用与压强相同的方法和单位。

注：压强低真空度高；压强高真空度低。

B.压强计量单位：1标准大气压=760mmHg=1.01325×105Pa真空的国际单位：Pa（帕）常用真空单位还有：Torr（托）,mmHg（毫米汞柱)，

mbar（毫巴），atm（大气压）互换关系为：

1Torr=1/760atm=1mmHg=1.33mbar=133.3Pa几种压强单位的换算关系

目前尚无统一规定，常见的划分为：粗真空，低，高，超高，极高。

粗真空

105-102Pa

低真空

102-10-1Pa

高真空

10-1-10-6Pa超高真空

10-6-10-10Pa

极高真空10-10Pa

-C.真空区间被划分为：（3）PVD所需真空度1).分子平均自由程2).分子碰撞率3).PVD要求分子碰撞率<10%，若，d=0.5m→当温度和气体种类一定时，2.真空镀膜机真空系统热蒸发系统阻蒸电子枪膜厚控制系统光电膜厚仪石英晶体膜厚仪3.2真空获得与检测3.2.1真空泵

“抽真空”—抽出容器内气体，获得真空状态的过程/动作。“真空泵”—用于抽出容器内气体的机器。抽气机。

1.真空与真空泵真空泵主要性能参数：抽气速率（体积流率）：L/s，m3/s；极限真空：可以抽达的最低压强(最高真空度)；启动压强：泵无损启动，并有抽气作用时的进气口压强；前级压强：泵排气口压强；最大前级压强（反压强）：超过了就会使泵损坏或不能正常工作的前级压强。2.常见真空泵直联泵

(1).常见真空泵的分类

A.气体传输泵：——能使气体不断吸入和排出而达到抽气目的。

a、变容式：

——泵腔容积周期性变化完成排吸气。如：油封旋片式机械泵；滑阀泵；罗茨泵。

b、动量传递泵：

——用高速旋转的叶片或高速射流，把动量传递给气体分子，使气体分子连续的、不断地从入口向出口运动。如：分子泵；油扩散泵。B.气体捕集泵：

——利用泵体/工作物质对气体分子的吸附和凝结作用抽出容器内的气体。如：吸附泵；吸气剂泵；低温泵。超高真空中真空高真空低真空机械泵罗茨泵油扩散泵涡轮分子泵溅射离子泵低温泵(2).工作范围：工作压强：105Pa~10-1Pa工作压强：104Pa~10-1Pa工作压强：10-1Pa~10-6Pa3.旋片式机械泵1).结构抽、排气工作由旋片完成；油封的作用是密封和润滑。2)、工作过程3).工作原理

根据Boyle-Malotte定律：P·V=R·T

若将原压强为P0的容器体积V扩展△V，

且温度T不变，

则扩展容积后的压强P1

由P1

·（V+△V）=R·TP0·V=R·T

得P1

·（V+△V）=P0·V

即P1=P0·V/（V+△V）

显然，容器体积扩展△V时，压强P0下降为P1。4).性能指标①指标：前级压强：1.013×105Pa(1个标准大气压）启动压强：1.013×105Pa(1个标准大气压）工作压强：1.013×105Pa~1.333×10-1Pa极限真空：5×10-2Pa

②抽速：油封旋片式机械泵的理论抽速为其中：

实际抽速并非始终如此，在开始抽大气和容器压强较低（小于1Pa）时，机械泵的抽速都大大低于理论抽速。

直联泵（高速）的抽速明显高于普通机械泵。直联泵:电动机直接驱动泵转子，把转速提高到1400r/min以上400r/min4.油扩散泵凸腔泵直腔泵1).结构工作物质—高纯真空油；加热器—为油汽化加热；泵芯—为油蒸汽导向；

2).工作原理①气体分子扩散，油蒸气分子动量传递；②多级喷嘴“接力”并阻止“反扩散”（气，油）；③分馏分级（图示），重馏分低蒸气压油蒸气沿中心高级导流管蒸发，利于获得高极限真空，小污染。3).性能①.指标

启动压强：10-1Pa最大前级压强：1Pa工作压强：10-1Pa~10-6Pa极限真空：10-7Pa②.值得注意的问题

A.油扩散泵既不能直接抽大气，也不能直接向大气中排气；

B.油扩散泵必须在有水冷的条件下使用。5.罗茨泵罗茨真空泵（简称罗茨泵）是一种旋转式变容真空泵。它是由罗茨鼓风机演变而来的。直排大气的低真空罗茨泵；中真空罗茨泵（又称机械增压泵）；高真空多级罗茨泵。1).罗茨泵的分类2).结构及工作过程3).罗茨泵的特点在较宽的压强范围内有较大的抽速；起动快，能立即工作；对被抽气体中含有的灰尘和水蒸气不敏感；转子不必润滑，泵腔内无油；振动小，转子动平衡条件较好，没有排气阀；驱动功率小，机械摩擦损失小；结构紧凑，占地面积小；运转维护费用低。理论基础根据气体分子运动论，气体分子碰撞到固体表面，在表面上停留的时间很短。如果处于气体中的固体表面以一定的方向运动，所有飞到表面的分子，经过碰撞后都具有一定的分速度，其大小与方向等于固体的速度。6.涡轮分子泵工作原理依靠高速运动的物体表面把定向速度传递给入射表面的气体分子，造成泵出口、入口的气体分子正向、反向传输几率的差异而产生抽气作用。（30000转/分）。1.动叶轮；2.泵壳；3.涡轮排；4.中频电动机；5.底座；6.出气口法兰；7.润滑油池；8.静叶轮；9.电机冷却水管.

优点：无油，洁净，启动快，制动快，可忍受大气冲击。缺点：由于高速旋转，不能在磁场中使用，否则会产生涡流，导致叶轮发热、变形等严重后果，对氢气等轻质气体抽速较小，价格昂贵。7.低温真空泵

利用低温冷凝和低温吸附原理抽气的容积式真空泵，是无油高真空环境获得设备。低温冷凝：用液He冷却固体表面达4.2K，空气中除H2、He以外，大部分气体的饱和蒸气都低于1Pa，即空气中主要气体成分都会被冷凝，即达到抽真空的目的。低温吸附：在低温表面上粘贴一些固体吸附剂，气体分子打到这些多孔的吸附剂上而被捕集。1).工作原理

①.真正的无油真空泵：利用低温冷板来冷凝、吸附气体而获得和保持真空，清洁无污染；

②.抽速快：特别是对H2O、H2等气体抽速很大，因而排气速度比其他真空泵快，大大提高产品产出量；

③.运行费用低：运行时只需电力和冷却水，不需液氮等低温液体，操作简单方便；

④.适应性强：真空腔内无运动部件，来自外界的干扰或来自真空系统的微粒不影响低温泵工作；

⑤.可以安装在任何方位；

⑥.运动部件少且低速运行，寿命长；⑦.可以达到10-7Pa的极限真空度，甚至可达10-9Pa。2).低温泵的特点3.2.2高真空系统

1.构成2.主要部分的作用①.前级泵—机械泵：

排气于大气中；为油扩散泵提供预真空。②.高真空泵—油扩散泵：

获得10-3Pa的高真空。③.冷阱：

挡油器，阻止油蒸气进入真空室。④.过冷凝器（Polycold):

置于真空室的水分子捕集器（液态N制冷），用于补偿由“前级泵+油扩散泵”组成的系统不能抽水蒸气的缺陷。3.2.3、真空测量

——以某一中间变量与气体压强的关系为依据的间接测量。热电偶真空计

1）.结构：

Pt-铂灯丝;

A，B-热偶丝;

O-热偶接点.

2）.测量范围：102~

10-

1Pa1.热电偶真空计3）.原理

——低气压（100~10-2）下气体的热传导与压强成正比。因为：灯丝通电后，其热量散失的途径有三：

Q1：—灯丝辐射损失

Q1=C1·（T—T0）Q2：—灯丝引线的热传导损失

Q2=C2·（T—T0）Q3：—气体碰撞的热传导损失

Q3=C3·（T—T0）P其中：C1，C2，C3是常数，T是灯丝的温度，T0是管壁的温度。工作时，灯丝加热功率一定：加热与散热达到热平衡，

Q灯丝=Q1+Q2+Q3；当气压变化时，灯丝温度随之变化，以保持平衡态。显然，气压越高，平衡态所对应的灯丝温度越低。

因此，用热电偶测出灯丝的温度，就可以换算出相应的环境压强。特点：仪器结构简单、使用方便缺点：测量区域内，指示值呈非线性、测量结果与气体种类有关、零点飘移严重。2.热阴极电离真空计1).结构：

1-阴极灯丝2-栅极（正电压）3-板极/离子收集极

2).测量范围：10-1~

10-6PaIpFFGGFFGAABmVmA3).原理

——热阴极灯丝1发射热电子，在栅极2（加速极）和板极3（离子收集极/反射阴极）作用下，在三个电极之间来回振荡，其撞击中性气体粒子产生电子和离子，其间：

Ii=kIeP

Ie——阴极发射的电子流；Ii——板极收集的离子流；显然，当热阴极灯丝的加热功率一定时，Ie一定，则，P与Ii成正比。热阴极电离真空计的优点：（1）测出的是总压强；（2）反应迅速，可连续读数，可远程控制；（3）电离计就可测量到5х10-5Pa，如改进后可测量到10-7Pa（4）规管小，易于连接到被测量处；（5）电离真空计校准曲线直线范围宽，通常在10