第一章薄膜制备的真空技术基础

第一页，共四十三页，2022年，8月28日1.真空的定义：真空泛指压力低于一个大气压的任何气态空间。1.1真空的基本知识2.真空度的单位

“真空度”顾名思义就是真空的程度。是真空泵、微型真空泵、微型气泵、微型抽气泵、微型抽气打气泵等抽真空设备的一个主要参数。真空度实质上与气体压力是同一物理概念。真空度越高，即气体压力越小；反之真空度越低，即气体压力越大。真空度的上限就是一个标准大气压，即760毫米汞柱。第二页，共四十三页，2022年，8月28日1.1真空的基本知识---大气压(atm):标准的大气压力定义为1atm---帕(Pa):N/m2(常用单位：Pa)---巴(Bar):Dy/cm2,(常用单位：mBar)---乇(Torr):1/760atm,(常用单位：Torr)第三页，共四十三页，2022年，8月28日处于平衡状态的理想气体分子，其热运动速度服从麦克斯韦尔-玻尔兹曼速率分布：

所有气体分子热运动速度的算术平均值叫算术平均速度；把所有气体分子的速度的平方加起来，然后被分子总数除，再开方就得到均方根速度。它们的计算公式如下(平均速率是速率分布的数学期望值)：

1.2气体分子运动论的基本概念温度越高、气体分子的相对原子质量越小，则分子的平均运动速度越大。1、气体分子的平均运动速度Va（1）（2）第四页，共四十三页，2022年，8月28日一些惰性气体在298.15K（25℃）的温度下的速率分布函数。y轴的单位为s/m，因此任何一段曲线下的面积（它表示速度处于那个范围的概率）都是无量纲的。1.2气体分子运动论的基本概念第五页，共四十三页，2022年，8月28日2、气体的压力和气体分子的平均自由程1.2气体分子运动论的基本概念理想气体的压力p与气体分子的动能，或者说是与气体的热力学温度成正比。分子平均自由程λ：气体分子在两次碰撞的间隔时间里走过的平均距离。式中d为气体分子的有效截面直径。气体分子的平均自由程与气体分子的密度n成反比。（3）（4）第六页，共四十三页，2022年，8月28日1.2气体分子运动论的基本概念3、碰撞频率Ф（气体分子通量）：在单位时间,单位面积表面受到气体分子碰撞的次数。（5）（6）在薄膜材料的制备过程中，薄膜的沉积主要是通过气体分子对于衬底的碰撞过程来实现的。此时，薄膜的沉积速度正比于气体分子通量。将式（2）和（3）代入上式，可以求出气体分子的通量：第七页，共四十三页，2022年，8月28日1.2气体分子运动论的基本概念真空度的划分：

低真空：105～102Pa

中真空：102～10-1Pa高真空：10-1～10-5Pa超高真空：<10-5Pa真空蒸发方法溅射沉积技术电子显微分析材料表面分析技术低压化学气相沉积技术第八页，共四十三页，2022年，8月28日当真空管道两端存在有压力差时，气体就会自动地从高压处向低压处扩散，便形成了气体流动。任何真空系统都是由气源(待抽容器)、系统构件(管道阀门等)及抽气装置(真空泵)组成的，气体从气源经过系统的构件向抽气口源源不断地流动，是动态真空系统的普遍特点。1.3气体的流动状态和真空抽速第九页，共四十三页，2022年，8月28日1.3气体的流动状态和真空抽速1、气体的流动状态在高真空环境中，气体分子除了与容器器壁发生碰撞以外，几乎不发生气体分子间的碰撞过程。这种气体的流动状态被称为气体的分子流状态。分子流的特点是气体分子的平均自由程大于气体容器的尺寸或与其相当。当气体压力较高时，气体分子的平均自由程较短，气体分子间的相互碰撞较为频繁，这种气体的流动状态称为气体的黏滞流状态。第十页，共四十三页，2022年，8月28日1.3气体的流动状态和真空抽速

上述两种气体流动状态间的界线可以借助一个无量纲的参数－－克努森（Knudsen）准数Kn来划分，定义为：

Kn<1分子流状态

Kn=1~110中间状态

Kn>110粘滞流状态第十一页，共四十三页，2022年，8月28日1.3气体的流动状态和真空抽速黏滞流状态的气体流动模式复杂，在低流速的情况下，黏滞流状态的气流处于层流状态；在流速较高时，气体的流动状态转变为紊流状态。所谓层流状态，相当于气体分子的宏观运动方向与一组相互平行的流线相一致。在流速较高的情况下，气体的流动不再能够维持相互平行的层流模式，而会转变为一种漩涡式的流动模式。这时，气流中不断出现一些低气压的漩涡，这种气体的流动状态成为紊流状态。如下图所示。第十二页，共四十三页，2022年，8月28日1.3气体的流动状态和真空抽速图1.3黏滞态气流的两种流动状态（a)－层流；（b)－紊流第十三页，共四十三页，2022年，8月28日1.3气体的流动状态和真空抽速雷诺（Reynolds）准数Re是帮助判断气体流动状态的另一无量纲参数，定义为：雷诺准数与气体流动状态之间的关系为：Re>2200紊流状态2200>Re>1200紊流和层流态Re<1200层流状态第十四页，共四十三页，2022年，8月28日真空技术中，气体沿管道的流动状态可划分为如下几种基本形式：从大气压力下开始抽真空的初期，管道中气体压力和流速较高，气体的惯性力在流动中起主要作用，流动呈不稳定状态，流线无规则，并不时有旋涡出现，这种流动状态称为湍流(涡流，紊流)；随着流速和气压的降低，在低真空区域内，气流由湍流变成规则的层流流动，各部分具有不同速度的流动层，流线平行于管轴，气体的粘滞力在流动中起主导作用，此时气体分子的平均自由程λ仍远小于导管最小截面尺寸d，这种流态叫做粘滞流；当气体流动进入高真空范围，分子平均自由程λ远远大于管道最小尺寸d时，气体分子与管壁之间的碰撞占居主要地位，分子靠热运动自由地直线进行，只发生与管壁的碰撞和热反射而飞过管道，气体流动由各个分子的独立运动叠加而成，这种流动称作分子流；发生在中真空区域内，介于粘滞与分子流之间的流动状态叫做中间流或过渡流。1.3气体的流动状态和真空抽速第十五页，共四十三页，2022年，8月28日1.3气体的流动状态和真空抽速2、气体管路的流导

真空系统中总包括有真空管路，而真空管路中气体的通过能力称为它的流导。设一真空部件使流动着的气体形成一定程度的压力降低，则其流导C的定义为：

根据组成真空系统的需要，有时将几个真空元件(如管道)的入口和出口分别联接在一起，称为元件的并联，并联后元件的总流导等于各分支流导之和

C=C1+C2+…+Cn

有时将几个元件首尾顺序联接，称为元件的串联，串联后元件的总流导的倒数等于各元件流导的倒数之和

1/C=1/C1+1/C2+…+1/Cn

第十六页，共四十三页，2022年，8月28日

把一个被抽容器的出口和一台真空泵的入口，用总流导为C的真空管路联接起来，若真空泵在其入口处的抽速为Sp，则该真空系统在被抽容器出口处所能产生的有效抽速为S，则该真空系统在被抽容器出口处所能产生的有效抽速S为

S=(Sp·C)/(Sp+C)

此式习惯上称为真空技术基本方程。从中可以看出，在被抽容器出口产生的有效抽速S，比泵口抽速Sp和管路流导C都要小；若要获得较大的S，应该合理地搭配Sp和C，单独增大其中的一个，不能获得理想的结果。1.3气体的流动状态和真空抽速第十七页，共四十三页，2022年，8月28日1.3气体的流动状态和真空抽速真空泵的理论抽速SPP为真空泵入口处的气体压力；Q为单位时间内通过真空泵的气体流量。真空泵的有效抽速S3、真空泵性能的基本参数实际抽速S小于理论抽速SP极限压强Pn：泵对一个不漏气不放气的容器抽气，经过足够长的时间所能达到的最低平衡压强；最大工作压强：泵能正常工作的最高压强；运用范围：泵具有相当抽气能力时的压强范围。第十八页，共四十三页，2022年，8月28日1.4真空泵简介按真空获得方法的不同,可以将真空泵分为两大类,即输运式真空泵和捕获式真空泵.输运式真空泵采用对气体进行压缩的方式将气体分子输送至真空系统之外.机械式气体输运泵:旋片式机械真空泵、罗茨泵和涡轮分子泵气流式气体输运泵：油扩散泵捕获式真空泵则依靠在真空系统内凝结或吸附气体分子的方式将气体分子捕获,排除于真空过程之外。包括低温吸附泵、溅射离子泵等。第十九页，共四十三页，2022年，8月28日1.4真空泵简介1、旋片式机械真空泵原理：利用插在偏心转子中的数个可以滑进滑出的旋片将泵体内的气体隔离、压缩，然后将其排除泵体之外。特点：结构简单、工作可靠缺点：油污染真空系统。第二十页，共四十三页，2022年，8月28日1.4真空泵简介2、罗茨真空泵泵内的两个“8”字形的转子以相反的方向旋转。转子的咬合精度高，在转子与转子、转子与泵体之间的间隙中也不使用油来作为密封介质。第二十一页，共四十三页，2022年，8月28日1.4真空泵简介3、油扩散泵油扩散泵的工作原理靠高速蒸汽射流来携带气体以达到抽气的目的。

---油扩散泵的特点•成本低廉、经济耐用、无振动•工作范围：低真空∼中、高真空•缺点：返油、预热第二十二页，共四十三页，2022年，8月28日1.4真空泵简介4、涡轮分子泵利用高速旋转的动叶轮将动量传给气体分子，使气体产生定向流动而抽气的真空泵。

---涡轮分子泵的特点•抽速大、无油、启动快•工作范围：低真空∼中、高真空，大气∼超高真空•极限真空：10-6/10-10torr•缺点：振动、成本高、易损第二十三页，共四十三页，2022年，8月28日1.4真空泵简介5、低温吸附泵依靠气体分子会在低温下自发凝结或被其他物质表面吸附的物理现象对气体分子去除，进而获得高真空。---低温吸附泵的特点•成本低廉、简单耐用•工作范围：大气∼低真空•极限真空：10-1~10-8pa•优点：无油、无振动•缺点：使用成本比较高第二十四页，共四十三页，2022年，8月28日1.4真空泵简介6、溅射离子泵利用高速电子轰击气体分子可以得到正离子,正离子在电场作用下被驱逐到负电极上,中和后由于分子间的范德瓦尔斯力被金属吸附而不再离开电极。这样降低了空间气体分子浓度,达到了获得真空的目的。

---溅射离子泵的特点•抽速大、无油、无振动•工作范围：中高真空∼超高真空•极限真空：10-8Pa•缺点：惰性气体抽速低第二十五页，共四十三页，2022年，8月28日1.4真空泵简介第二十六页，共四十三页，2022年，8月28日1.5真空的测量测量原理：利用气体的热传导现象，以气体的热导率随气体压强的变化为基础。测量真空度的办法通常先在气体中引起一定的物理现象，然后测量这个过程中与气体压强有关的物理量，再设法确定出真空压强来。低温的气体分子碰撞高温固体时,会从固体夺取热量。通过被气体分子夺取的热量来计算压力的真空计被成为热传导真空计。热传导真空计主要被应用于中低真空领域。代表性的热传导真空计包括热偶真空规和皮拉尼（Pirani）真空规。

第二十七页，共四十三页，2022年，8月28日1.5真空的测量热偶真空规---工作原理如图所示，它是在一玻璃管壳中由边杆支撑一根热丝，热丝通以电流加热，使其温度高于周围气体和管壳的温度，于是在热丝和管壳之间产生热传导。当达到热平衡时，热丝的温度决定于气体热传导，因而也就决定于气体压力。

－－－热电偶规的特点•价格低廉、方便、快捷、耐用－－热偶规的使用•工作电流：每支热偶规的工作电流都不完全一样。第二十八页，共四十三页，2022年，8月28日1.5真空的测量Pirani真空规---工作原理•灯丝：测量灯丝、参比灯丝；•参比灯丝密封在高真空管中；•通过桥电流的大小测量气体密度(真空度)---Pirani规的特点•价格低廉、方便、快捷、可靠第二十九页，共四十三页，2022年，8月28日1.5真空的测量电离真空规---工作原理•由阴极、阳极和离子收集极组成；•阴极电离气体产生离子；•离子收集极收集离子从而测量气体密度。---电离真空规的特点•灵敏、准确，但灯丝容易损坏，价格比较高---电离真空规的使用•工作电流：离子规的工作电流不能随意改变；•校准：按真空计的具体步骤校准第三十页，共四十三页，2022年，8月28日1.5真空的测量薄膜真空规薄膜式真空规是一种依靠金属薄膜在气体压力差作用下产生机械位移，从而可用于气体绝对压力测量，测量结果与气体种类无关的真空规。第三十一页，共四十三页，2022年，8月28日1.5真空的测量第三十二页，共四十三页，2022年，8月28日介绍第二种薄膜材料：DLC膜Ref:J.Robertson,MaterialsScienceandEngineeringR,37(2002)129第三十三页，共四十三页，2022年，8月28日介绍第二种薄膜材料：DLC膜DLC膜是一种含有大量sp3

的亚稳态非晶碳薄膜,碳原子间主要以sp3

和sp2

杂化结合,sp含量较少。DLC的结构可以看成是由sp2(石墨)和sp3(金刚石)杂化的碳原子高度交联的网状结构和孤立的团簇所组成,因而DLC膜的结构和性能介于金刚石和石墨之间。受沉积环境和沉积方式的影响,DLC膜中还可能含氢等杂质,形成各种C-H键。根据薄膜中碳原子的键合方式(C-H,C-C,C=C)及各种键合方式比例的不同,DLC膜可分为含氢DLC(hydrogenatedamorphouscarbon(a-C∶H))膜和无氢DLC(amorphouscarbon(a-C))膜两大类。第三十四页，共四十三页，2022年，8月28日第三十五页，共四十三页，2022年，8月28日现在主要是用各种气相沉积方法制备DLC膜,根据原理不同,可分为化学气相沉积(chemicalvapordeposition(CVD))和物理气相沉积(physicalvapordeposition(PVD))两大类。含氢DLC膜一般由化学气相沉积制备,无氢DLC

膜一般由物理气相沉积制备。这些制备方法的共同特点都是在薄膜的生长过程中受到中等能量离子束的轰击。离子束的轰击将有利于致密的、具有较多sp3

的DLC膜形成。DLC膜的制备方法第三十六页，共四十三页，2022年，8月28日

影响DLC膜性能的主要参数是膜中sp2

和sp3的含量、H的含量以及薄膜的微观结构，而这些参数又直接受控于生长过程中轰击薄膜生长表面的正离子的能量和强度以及等离子体中被激发和被离化的、对薄膜生长有贡献的含碳基团的浓度。DLC膜的硬度、密度、sp2和sp3的含量与沉积的离子能量有关,并随沉积离子能量的变化有一最大值,当能量过高时沉积的DLC膜会发生石墨化转变。研究表明,当沉积的C+

离子能量在100eV