现代表面工程

5.1概述1、薄膜简介2、真空3、镀膜技术一、薄膜简介二、真空引言

“真空”这一术语译自拉丁文Vacuo，其意义是虚无。其实真空应理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状态统称为真空。真空状态下气体稀薄程度称为真空度，通常用压力值表示。真空技术是基本实验技术之一。自从1643年托里拆利(E.Torricelli)做了著名的有关大气压力实验，发现了真空现象以后，真空技术迅速发展。现在，真空技术已经成为一门独立的前言学科。它的基本内容包括：真空物理、真空的获得、真空的测量和检漏、真空系统的设计和计算等。随着表面科学、空间科学高能粒子加速器、微电子学、薄膜技术、冶金工业以及材料学等尖端科技的发展，真空技术在近代尖端科学技术中的地位越来越重要。

真空：低于一个大气压的气体状态。

1643年，意大利物理学家托里拆利(E.Torricelli)

首创著名的大气压实验，获得真空。自然真空：气压随海拔高度增加而减小，存在于宇宙空间。人为真空：用真空泵抽掉容器中的气体。（1）真空的基本特点

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由程为：

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。例如室温下氮分子的平均自由程在压强为时将长于50km。电子和离子在气体中的平均自由程分别时气体分子平均自由程的5.66和1.41倍。因此除非在宇宙空间，几乎所有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。由于上述原因，真空中分子之间碰撞频率很低，分子与固体表面碰撞的频率极低。单位面积上气体分子碰撞频率ν与压强p的关系为：

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）。在普通高真空，例如时，对于室温下的氮气，，如果每次碰撞均被表面吸附，按每平方厘米单分子层可吸附个分子计算，一个“干净”的表面只要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”表面吸附单分子层的时间将达几小时到几十小时之久。因此超高真空可以提供一个“原子清洁”的固体表面，可有足够的时间对表面进行实验研究。这是一项重大的技术突破，它导致了近二十年来新兴不明科学研究的蓬勃发展。无论在表面结构、表面组分及表面能态等基本研究方面，还是在催化‘腐蚀等应用研究方面都取得长足的发展。超高真空的这一特点还为得到超纯的或精确掺杂的镀膜或分子束外延生长晶体创造了必要的条件，这促进了半导体器件、大规模集成电路和超导材料等的发展，也为在实验室中制备各种纯净样品（如电子轰击镀膜、等离子镀膜、真空剖裂等）提供了良好的基本技术。真空的特点总结1.排除了空气的不良影响，防止氧化、物体腐烂；减少杂质，提供了清洁的环境；减少了气体分子之间的碰撞次数；增强了绝热性；可以降低物质的沸点或汽化温度。（2）真空度的单位与区域划分

真空状态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)作为测量真空度的单位。国际单位制(SI)中规定压力的单位为帕(Pa)。我国采用SI规定。1标准大气压(1atm)≈1.013×105Pa(帕)1Torr≈1/760atm≈1mmHg1Torr≈133Pa

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。

粗真空低真空

高真空超高真空极高真空（3）.真空获得—真空泵1654年，德国物理学家葛利克发明了抽气泵，做了著名的马德堡半球试验。

原理：当泵工作后，形成压差，p1>p2，实现了抽气。真空泵的分类气体传输泵:

是一种能将气体不断地吸入并排出泵外以达到抽气目的的真空泵，例如旋片机械泵、油扩散泵、涡轮分子泵。气体捕集泵:

是一种使气体分子短期或永久吸附、凝结在泵内表面的真空泵，例如分子筛吸附泵、鈦升华泵、溅射离子泵、低温泵和吸气剂泵。真空泵的主要参数抽气速率:定义为在泵的进气口任意给定压强下，单位时间内流入泵内的气体体积

或表示为：其中，Q为单位时间内流入泵的气体量。泵的抽气速率S并不是常数，随P而变。极限压强

(极限真空)最高工作压强工作压强范围（）泵能正常工作的压强范围几种常用真空泵的工作压强范围旋片机械泵吸附泵扩散泵涡轮分子泵溅射离子泵低温泵

几种常用真空泵的工作原理

1.旋片机械泵工作过程是：

吸气—压缩—排气。定子浸在油中起润滑，密封和堵塞缝隙的作用。主要参量是：

抽速和极限压强。由于极限压强较高，

常用做前级泵(预抽泵)。旋片式机械泵2.油扩散泵是：油蒸发—喷射—凝结，重复循环由于射流具有工作过程高流速(约200米/秒)、高密度、高分子量(300—500)，故能有效地带走气体分子。扩散泵不能单独使用，一般采用机械泵为前级泵，以满足出口压强(最大40Pa)，如果出口压强高于规定值，抽气作用就会停止。水冷套；2.喷油嘴；3.导流管；4.泵壳；5.加热器3.涡轮分子泵工作过程是：高速旋转叶片(30000转/分)—对气体分子施以定向动量—压缩—排气。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。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.

（4）真空测量方法

测量低于大气压的气体压强的工具称为真空计。真空计可以直接测量气体的压强，也可以通过与压强有关的物理量来间接地测量压强。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结构可以分为：静态变形真空计、压缩式真空计、热传导真空计、电离真空计、气体放电真空计、辐射真空计等。

1.绝对真空计

直接测量真空度的量具，如U型计、压缩真空计(麦克劳真空计)。

压缩型真空计测量范围：103

～10-3PaU型计测量范围：105

～10Pa2.相对真空计2.1热偶真空计(热传导真空计)

测量范围：100—10-1Pa

测量下限：热丝温度较高，气体分子热传导很小，热丝引线本身的热传导和热辐射引起的热量减小占主导地位，这两部分与压强无关。热电偶规管及其电路原理直接测量与压强有关的物理量，再与绝对真空计相比较进行标定的真空计。热阴极电离真空计原理：电子与气体分子碰撞引起分子电离，形成电子和正离，电子最终被加速极收集，正离子被收集极接收形成离子流：

I+=kIep=cp

其中，k称为电离计的灵敏度，是单位电子电流、单位压强下的离子流。测量范围：1.33×10-1

～1.33×10-5Pa测量下限：高速电子打到加速极G→G产生软x射线→软x射线射向收集极c→收集极c产生光电发射→产生电子流Ix→Ix与I+方向相反，与压强无关。

电离计线路图电离规管理论解释：当p较高时，kx/p<<k，此时当p很低时，kx/p>>k，此时与压强无关B—A真空计(超高真空熱阴极电离计)

50年代初，Bayard

和Alpert经过改进电离规，减小光电流，减小受照面积，制成B-A规，收集极面积减小了100—1000倍，测量下限也降低100—1000倍。Ф0.2mm的钨丝测量下限可达10-8~10-9paФ4μm

的钨丝测量下限可达10-10paB-A真空规管离子收集极；2.加速极（栅极）3.阴极灯丝；4.外壳十九世纪初，利用低真空产生压力差的原理发明了真空提升、真空输送、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由程增大的物理特性．后来，在电子管、电视管、加速器、电子显微镜、镀膜、蒸馏等方面也都应用了这一特性．1893年发明杜瓦瓶，这是真空绝热的首次应用．

（6）真空技术的发展及应用

真空技术在二十世纪得到迅速发展，并有广泛的应用。二十世纪初，在真空获得和测量的设备方面取得进展，如旋转式机械泵，皮氏真空计，扩散泵，热阴极电离真空计的发明，为工业上应用高真空技术创造了条件．接着，油扩散泵，冷阴极电离真空计的出现使高真空的获得及测量取得一大进展．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，受控热核反应装置、空间技术，表面物理，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发展．

1.低真空的获得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变泵内吸气空腔的体积，使被抽容器内气体的体积不断膨胀，从而获得真空的装置。它可以直接在大气压下开始工作，极限真空度一般为1.33~1.33×10-2Pa，抽气速率与转速及空腔体积V的大小有关，一般在每秒几升到每秒几十升之间。

旋片式机械泵通常由转子、定子、旋片等结构构成。偏心转子置于定子的圆柱形空腔内切位置上，空腔上连接进气管和出气阀门。转子中镶有两块旋片，旋片间用弹簧连接，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，油起到密切、润滑与冷却的作用。当转子顺时针转动时，空气由被抽容器通过进气管被吸入，旋片随着转子的转动使与进气管相连的区域不断扩大，而气体就不断地被吸入。当转子达到一定位置时，另一旋片把被吸入气体的区域与被抽容器隔开，并将气体压缩，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。（1）高真空的获得

目前，广泛使用的获得高真空的泵就是扩散泵。扩散泵是利用气体扩散现象来抽气的，它不能直接在大气压下工作，而需要一定的预备真空度（1.33~0.133Pa）。油扩散泵的极限真空度主要取决于油蒸汽压和气体分子的反扩散，一般能达到1.33×10-5~1.33×10-7Pa。抽气速率与结构有关，每秒几升~几百升不等。油扩散泵的结构如示意图

泵的底部—是装有真空泵油的蒸发器，真空泵油经电炉加热沸腾后，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，于是便形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能力。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自己慢下来，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，气体分子不可能长期滞留，因而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扩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使用．冷阱的作用是减少油蒸汽分子进入被抽容器。（2）真空度的测量真空度的测量可通过双热偶程控复合真空计来进行。热偶计数显窗口显示的是储气桶处的压强，而复合真空计数显窗口显示的是镀膜室内的压强。复合真空计由热电偶真空计和电离真空计组成，并且由热偶计控制电离计的启动。其面板如图所示：①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。它通常用来测量低真空，可测范围为13.33~0.1333Pa。其中有一根细金属丝（铂丝或钨丝）以恒定功率加热，则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，则丝温越高，从而热偶丝产生的电动势越大。经过校准定标后，就可以通过测量热偶丝的电动势来指示真空度了。

②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。它用来测量高真空度，可测范围为0.133~1.33×10-6Pa。实验表明，在压强P≤10-1Pa时，有下列关系成立I+/Ie=K

P

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收集形成的离子电流。K为比例常数。可见，Ie不变，经过用绝对真空计进行校准，I+的值就可以指示真空度了。注意，只有在真空度达到10-1Pa以上时，才可以打开电离规管灯丝。否则，将造成规管损坏。三、镀膜技术真空镀膜一些光学零件的光学表面需要用物理方法或化学方法镀上一层或多层薄膜，使得光线经过该表面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表面也需要沉积一层致密的、结合牢固的超硬镀层而使其得以硬化，延长其使用寿命，改善被加工部件的精度和光洁度。气相沉积技术

气相沉积技术就是通过气相材料或使材料气化后，沉积于固体材料或制品（基片）表面并形成薄膜，从而使基片获得特殊表面性能的一种新技术。薄膜的制备方法可分为：液相法和气相法气相发主要是沉积技术薄膜的制备方法气相沉积技术分为：物理气相沉积和化学气相沉积。物理气相沉