薄膜真空技术课件

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：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:Ld2V=N•Ld2P=nkTL=kT/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(L,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四)真空在薄膜制备中的作用减少蒸发分子与残余气体分子的碰撞：f=1-e-d/l抑制反应蒸发分子(F)与残余气体分子(N)到达基板的速率N/F10-1：

P=10-4-10-5Pa真空的获得

一)机械泵;二)分子泵和罗茨泵;三)扩散泵;四)吸附泵;五)溅射离子泵;六)升华泵真空泵的主要参数

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S抽速Sm

最大抽速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机械泵

常见的机械泵有旋片式、定片式和滑阀式等。旋片式的噪声小，运行速度高，被广泛应用在真空镀膜机上。主要结构如右图所示

机械泵的工作原理是基于玻意耳-马略特定律的基础上的

PV＝K（1.1）式其中K是与温度有关的常数

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罗茨泵

左转子由0°转到180°的抽气过程：在0°位置时（图a）左转子从泵入口封入v0体积的气体。当转到45°位置时（图b

），该腔与排气口相通。由于排气侧压强较高，引起一部分气体返冲过来。当转到90°位置时（图c）左转子封入的气体，连同返冲的气体一起排向泵外。这时，右转子也从泵入口封入v0体积的气体。当转子继续转到135°时（图d）右转子封入的气体与排气口相通，重复上述过程。转子主轴旋转一周共排出四个v0体积的气体罗茨泵的转子之间、转子与泵壳内壁之间，保持有一定的间隙，可以实现高转速运行且没有卡住的危险。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。

罗茨泵的极限真空除取决于泵本身结构和制造精度外，还取决于前级泵的极限真空由于以上特点罗茨泵时常被串连使用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。电磁污染。比较昂贵。加热油从喷嘴喷出，气体分子与油分子碰撞，向出气口运动需要水冷，前级泵10-3to10-7Torr(to10-9Torr，液氮冷阱)优点耐用成本低，抽速快无震动和声音缺点油污染油扩散泵液氮冷却有很大表面积的分子筛>200°C烘烤除去吸附的气体极限真空与泵的温度相关。简单，无振动，便宜，无油污染10-3Torr->10-10Torr(可以用两个泵交替工作)很容易饱和多泵联合工作吸附泵金属表面，高沸点气体覆盖的低温表面，分子筛，活性碳等原理：极板间加高压(~5kV)电子螺旋运动(longerpath-length).气体分子被电子离化，向阴极运动.离子注入阴极(Ti，Ta)，溅射阴极材料.溅射出的阴极材料与气体反应，沉积在角落中或阳极上.10-4Torrto10-11Torr溅射离子泵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真空的量测

1、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（Pirani）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

2、电离真空计常用的热阴极电离真空计，通过发射热电子使气体电离后，测出离子流，而离子流仅与压强成正比由此来测出真空度

测量范围：10-1～10-6Pa

3、放电管如果在真空室的一个部位接右下图示的放电管，当用氖变压器外加6千伏电压时，就会产生激烈的放电，不同的真空度放电