第一章薄膜制備的真空技術(shù)基礎(chǔ)

1、第一章 薄膜制備的真空技術(shù)基礎(chǔ),大部分的現(xiàn)代薄膜材料制備都是在真空或是較低的氣壓下進(jìn)行的，都涉及到氣相的產(chǎn)生、輸運(yùn)以及反應(yīng)的過程。因此，這一章中，我們先對(duì)有關(guān)氣體的基本性質(zhì)進(jìn)行簡要的回顧，然后對(duì)最常用的真空技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行簡單的介紹。,第一章 薄膜制備的真空技術(shù)基礎(chǔ),1.1氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念1.2真空的基本概念1.3 各類真空泵簡介1.4 真空測量技術(shù)1.5 幾種典型真空系統(tǒng)的建立,1.1 氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念

2、,1. 描述氣體分子狀態(tài)的宏觀物理量-P、T、V 理想氣體：氣體分子之間除了相互碰撞的瞬間外，完全不存在相互作用。一般的溫度和壓力條件下，所有的氣體都可以被看作是理想氣體。真空技術(shù)中研究氣體時(shí)，一般可以應(yīng)用理想氣體狀態(tài)方程。,,,,,1.1 氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念,1. 描述氣體分子狀態(tài)的宏觀物理量-P、T、V （1） 理想氣體狀態(tài)方程：

3、 P：壓強(qiáng)（Pa）；m：氣體質(zhì)量（Kg）；V：體積（m3）；R：普適氣體常數(shù) =8.314J.mol-1K-1 ：T：絕對(duì)溫度（K）討論： 　 對(duì)于一定質(zhì)量的氣體，當(dāng)氣體溫度一定時(shí)，PV = K（與溫度有關(guān)的常數(shù)），此即波義耳-馬略特定律（機(jī)械泵的理論基礎(chǔ)）。,,,,,1.1 氣體分子運(yùn)動(dòng)論

4、的基本概念,1. 描述氣體分子狀態(tài)的宏觀物理量-P、T、V （2） 阿伏加德羅定律：（理想氣體狀態(tài)方程的第二種表達(dá)方式） n為氣體分子密度（1/m3）；波爾茲蔓常數(shù)k=R/NA=1.38 ? 10-23JK-1；NA為阿伏加

5、德羅常數(shù)，6.023?1023mol-1表明在相同壓強(qiáng)和溫度下，各種氣體單位體積含分子數(shù)相同（與氣體種類無關(guān)）。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，任何氣體的分子密度為3?1019個(gè)/m3,,,,,1.1 氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念,1. 描述氣體分子狀態(tài)的宏觀物理量-P、T、V （2） 阿伏加德羅定律：（理想氣體狀態(tài)方程的第二種表達(dá)方式）

6、 推導(dǎo)： 若氣體由N個(gè)分子組成，每個(gè)分子的質(zhì)量為M，則m=MN。而1mol氣體中的分子數(shù)NA=6.023?1023，將Mmol=MNA代入理想氣體狀態(tài)方程，則推出阿伏伽德羅定律。,,,,,1.1 氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念,2 氣體分子運(yùn)動(dòng)速度及其分布 (Maxwell分布）,,真空容器中氣體分子運(yùn)動(dòng)是混亂的。氣體分子進(jìn)行無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的

7、每一時(shí)刻，每個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)速率有偶然性，然而，對(duì)于大量氣體分子而言，其速率分布遵循統(tǒng)計(jì)規(guī)律。,,1.1 氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念,2 氣體分子運(yùn)動(dòng)速度及其分布 (Maxwell分布）,f(v)速率分布函數(shù)（表明氣體分子的速度分布只取決于分子的相對(duì)原子質(zhì)量M與熱力學(xué)溫度T的比值），M-分子的摩爾質(zhì)量，T為熱力學(xué)溫度，R為普適氣體常數(shù)。f(v)dv=dN/N為速率位于v-(v+dv)區(qū)間的相對(duì)分子數(shù)或分子處于v-(v+dv)間的幾率?；蛘遞

8、(v)dv表示在速率附近，dv速率間隔內(nèi)的分子數(shù)占總分子數(shù)的比率。,,dN = Nf(v)dv,設(shè)有N個(gè)氣體分子的理想氣體，在平衡狀態(tài)速率處在v-(v+dv)之間的分子數(shù)：,1.1 氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念,2 氣體分子運(yùn)動(dòng)速度及其分布 (Maxwell分布）,f(v)速率分布函數(shù)，M-分子的摩爾質(zhì)量，T為熱力學(xué)溫度，R為普適氣體常數(shù)。物理意義：,,dN = Nf(v)dv,設(shè)有N個(gè)氣體分子的理想氣體，在平衡狀態(tài)速率處在v-(v+d

9、v)之間的分子數(shù)：,1.1 氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念,2 氣體分子運(yùn)動(dòng)速度及其分布 (Maxwell分布）,,為了更深入地理解速率分布函數(shù)所表達(dá)的意義，以下圖H2和N2分子為例，對(duì)其速率分布進(jìn)行了定量描述。,1.1 氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念,2 氣體分子運(yùn)動(dòng)速度及其分布 (Maxwell分布）,,圖中表示，總分子數(shù)為107個(gè)、速率間隔dv為1cm/s時(shí)，在不同速率范圍的分子數(shù)。例如，0 ℃的N2分子，v處于1000-1000.01m/

10、s范圍內(nèi)的分子數(shù)大約為9個(gè)。 由曲線可知，氣體分子的速度具有很大的分布區(qū)間，平衡溫度越低，曲線越陡，分子按速率分布越集中；溫度越高，曲線平緩，分子按速率分布越分散。氣體分子的相對(duì)原子質(zhì)量越小，則分子的平均運(yùn)動(dòng)速度越大。,1.1 氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念,3 . 氣體分子的平均自由程 處于無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)中的氣體分子，彼此間不斷碰撞，單位時(shí)間內(nèi)氣體分子的碰撞次數(shù)稱為碰撞頻率。特定種類的氣體分子的碰撞頻率與氣體分

11、子熱運(yùn)動(dòng)的速率有關(guān)，與氣體的密度有關(guān)。,,,,,1.1 氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念,3 . 氣體分子的平均自由程碰撞頻率：單位時(shí)間內(nèi)氣體分子的碰撞次數(shù)。自由程：分子任意兩次碰撞之間通過的路程，λ。分子運(yùn)動(dòng)的平均自由程：大量分子多次碰撞自由程的平均值， 。 或：一個(gè)氣體分子連續(xù)兩次碰撞間飛行距離的平均值稱為平均自由程,,,,,1.1 氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念,3 . 氣體分子的平均自由程一個(gè)氣體分子在兩次碰撞之間的

12、平均距離： n : 單位體積內(nèi)的分子數(shù)； d : 氣體分子的直徑,,,*思考題：平均自由程在制膜中的重要作用？答影響氣體分子到達(dá)襯底的分子能量，能量對(duì)成膜結(jié)構(gòu)質(zhì)量有很多影響。 自由程小→碰撞多→氣體分子能量↓→薄膜疏松、不致密,,1.1 氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念,3 . 氣體分子的平均自由程----補(bǔ)充（1） 在常溫常壓條件下，空氣分子的有效截面直徑d ≈0.5nm。由T=298K，P=nKT(P=1013

13、25Pa），代入 公式得到： ≈50nm。表明在常溫常壓下，氣體分子的平均自由程是極短的。（2）由氣體分子的平均自由程還可以求出其平均碰撞頻率=va/λ（常溫常壓時(shí)，va=460m/s）。所以常溫常壓下，每個(gè)空氣分子每秒內(nèi)要經(jīng)歷1010次碰撞。運(yùn)動(dòng)軌跡并不是直線，而是不斷碰撞改變方向。,,,,4. 單位面積上氣體分子的碰撞頻率 即單位面積上氣體分子的通量（單位時(shí)間內(nèi)，碰撞于單位面積上的氣體分子

14、數(shù)）。,克努森方程,因子1/4是對(duì)氣體分子運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度分布進(jìn)行數(shù)學(xué)平均時(shí)得到的一個(gè)系數(shù)（球坐標(biāo)）。,1.1 氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念,襯底完全被一層分子覆蓋所需時(shí)間：,－－N為表面原子密度常溫常壓下，潔凈表面被雜質(zhì)完全覆蓋所需時(shí)3.5?10-9 s, 在10-8Pa的高真空中，這一時(shí)間為10h。所以，在薄膜制備技術(shù)中獲得和保持適當(dāng)?shù)恼婵斩仁呛苤匾摹?5 氣體的流動(dòng)狀態(tài),氣體的無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)本身不能導(dǎo)致氣體的宏觀流動(dòng)，只有在空

15、間存在壓力差的條件下，氣體作為一個(gè)整體才會(huì)產(chǎn)生宏觀的定向流動(dòng)。氣體流動(dòng)取決于容器形狀，氣體氣壓，溫度及氣體種類。,1.1 氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念,氣體流動(dòng)狀態(tài)分類,分子流狀態(tài): 分子間無相互碰撞 （高真空度，容器尺寸遠(yuǎn)小于或與平均自由程相當(dāng)）,粘滯流狀態(tài),分子間碰撞平繁（中、低真空度，容器尺寸遠(yuǎn)大于平均自由程）,,,層流狀態(tài)：低速流情況（宏觀運(yùn)動(dòng)方向與一組平行線一致。氣體流動(dòng)速度越慢，氣體的密度越小，真空容器的尺寸越小，氣體

16、的黏度系數(shù)越大，則越有利于氣流形成層流）,渦流狀態(tài)：高速流情況（有漩渦）,5 氣體的流動(dòng)狀態(tài),1.1 氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念,與水流動(dòng)類似，平靜的小河為層流，波濤洶涌的大海則紊流。對(duì)于管道氣：抽口處為紊流，遠(yuǎn)處則層流。,氣體流動(dòng)可按克努森準(zhǔn)數(shù)來劃分：Kn = D/?D為容器尺寸； ?為平均自由程 分子流狀態(tài)：Kn? 1 中 間 狀 態(tài)：Kn=1~110 粘滯流狀態(tài)：Kn ? 110,圖1.2 氣體流動(dòng)狀態(tài)與真空系統(tǒng)

17、 尺寸和氣體壓力之間的關(guān)系,5 氣體的流動(dòng)狀態(tài),1.1 氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念,1. 何為真空物理學(xué)上的“真空”是指沒有或者不計(jì)氣體分子和原子存在的物理空間，僅存在各種能量粒子的場空間；一般意義上的“真空”并不是指“什么物質(zhì)也不存在”。應(yīng)用物理與技術(shù)所討論的“真空”――低于一個(gè)大氣壓力的稀薄氣體的空間狀態(tài)。,1.2 真空的基本概念,1. 何為真空,1.2 真空的基本概念,,人造真空,自然真空,真空,: 地球大氣層以外的宇

18、宙真空 （在還平面上，大氣產(chǎn)生的壓力為101325Pa，約100KPa，工程中稱為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。而珠峰頂處的氣壓為32Kpa，僅為海平面壓力的三分之一左右）,: 運(yùn)用科技手段抽掉密閉容器中的氣體,迄今為止，采用最高超的真空技術(shù)所能達(dá)到的最低壓力狀態(tài)大致為10-12-10-13Pa，還遠(yuǎn)未達(dá)到絕對(duì)真空。,2. 真空度的表征 通常用壓強(qiáng)為單位來描述“真空”狀態(tài)下的氣體稀薄程度―真空度。壓強(qiáng)高則表示真空度低，低則表示真空度高。

19、真空度高表示真空度“好”，低則表示真空度“差”。,1.2 真空的基本概念,2. 真空度的表征(1) 帕斯卡（Pa）：國際單位制1Pa = 1牛頓/米2 = 1千克/米?秒2 = 10達(dá)因/cm2 = 7.5?10-3 Torr(2) 托（Torr)： 1 Torr = 1/760atm （一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）= 133.32 Pa(3) 毫米汞柱（mmHg）：0℃時(shí)1 mmHg作用在單位面積上的力。

20、一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（atm）= 760 mmHg 　 1 mmHg約等于1托。(4) 巴（bar）：1bar = 105 Pa,1.2 真空的基本概念,2. 真空度的表征為了便于討論和實(shí)際應(yīng)用，在我國，常把真空定性地粗劃分為粗真空、低真空、高真空和超高真空四個(gè)區(qū)域（表1-1）。各區(qū)域的真空物理特性如表1-2所示。（P3）,1.2 真空的基本概念,2. 真空度的表征在薄膜技術(shù)領(lǐng)域，可以認(rèn)為地將真空環(huán)境粗略地劃分為（GB3163-8

21、2）：低真空： ?102Pa 工業(yè)應(yīng)用（包裝）中真空： 102~10-1Pa CVD沉積技術(shù)高真空： 10-1~10-5Pa 濺射沉積技術(shù)超高真空：? 10-5Pa 原子表面和界面分析,1.2 真空的基本概念,4. 真空及制膜設(shè)備,超高真空條件下，氣體分子以在固體上吸附停留為主，其它真空度時(shí)，氣體分子以空間飛行為主。不同的薄膜制備和分析技術(shù)隊(duì)真空度的要求是不同的。,JP450磁控濺射鍍膜系統(tǒng),等

22、離子增強(qiáng)CVD和熱絲CVD復(fù)合系統(tǒng),一．真空沉積系統(tǒng),二、真空抽氣系統(tǒng),三、真空測量系統(tǒng),四、電源系統(tǒng),五、氣路系統(tǒng),對(duì)于一個(gè)真空系統(tǒng)理論上所能達(dá)到的真空度，與真空泵、真空系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料、加工工藝、管道等因素有關(guān)。1.氣體管路的流導(dǎo)、極限真空度和抽氣速率 (1) 真空管路中氣體的通過能力， 流導(dǎo)C定義為 －－P1和P2為管路兩端的氣壓，Q為單位時(shí)間內(nèi)通過管路的氣體流量。,,,1.3 真空的獲得,30,1.氣體管路

23、的流導(dǎo)、極限真空度和抽氣速率 描述真空部件的氣體通過能力，它使流動(dòng)著的氣體形成一定程度壓力降低。,,泵1,泵2,,真空室,,真空室,泵1,,泵2,并聯(lián)可以提高抽速 串聯(lián)可以提高極限真空度流導(dǎo)的串聯(lián)和并聯(lián),,1.3 真空的獲得,(2) 極限真空度指被抽容器不漏氣，經(jīng)真空泵充分抽氣后所能達(dá)到的最高真空度。,,1.3 真空的獲得,(3)真空抽速 真空泵的抽速S定義為 -

24、--P為真空泵入口處氣壓，Q為單位時(shí)間內(nèi)通過該處 的氣體流量―S特指一個(gè)截面上的氣體流速。,,1.3 真空的獲得,(a) 流量各處相等（無回流）： Q = C(P-Pp)=SpPp 真空容器出口處的實(shí)際抽速：,無回流,有回流,,,,泵對(duì)容器的實(shí)際抽速S永遠(yuǎn)小于泵的理論抽速，也永遠(yuǎn)小于管路的流導(dǎo)C，即S是Sp、C受兩者中較小的一個(gè)所限制。,1.3 真空的獲得,無回流,有回流,

25、,,流 量,泵的極限真空,實(shí)際抽速,（b）有回流,1.3 真空的獲得,同時(shí)考慮真空泵回流、真空容器的泄露、真空管路的流導(dǎo)以及真空容器的容積等因素之后，整個(gè)真空系統(tǒng)的極限真空度總要低于真空泵的極限真空度。,2. 真空的獲得,按工作原理主要分為: 機(jī)械運(yùn)動(dòng)（羅茨真空泵，渦輪分子泵）; 蒸汽流噴射（擴(kuò)散泵）; 吸附

26、作用（濺射離子泵）它們所能達(dá)到的極限真空度以及載能力都各有不同。,真空存在于一個(gè)封閉的且壓力比周圍大氣壓小很多的環(huán)境中。（低于一個(gè)大氣壓的氣體空間）真空泵是真空獲得的主要工具。,,按真空獲得方法,,輸運(yùn)式真空泵,捕獲式真空泵,對(duì)氣體進(jìn)行壓縮的方式將氣體分子輸送到真空系統(tǒng)外,依靠在真空系統(tǒng)內(nèi)凝結(jié)或吸附氣體分子的方式將氣體分子捕獲,2. 真空的獲得,典型的真空系統(tǒng)包括：待抽空的容器（真空室或真空腔）、獲得真空的設(shè)備（真空泵）、測量真空

27、的器具（真空規(guī)），以及必要的管道、閥門和其他附屬設(shè)備。,真空的獲得,低真空：初級(jí)泵P≥100Pa，使用機(jī)械泵就可以。中級(jí)真空和高級(jí)真空的獲得，需要初級(jí)泵和高級(jí)泵共同作用。分子泵等高級(jí)泵抽出的氣不能直接排到大氣，要先排到機(jī)械泵。,初級(jí)泵為高級(jí)泵抽氣,對(duì)于任何一個(gè)真空系統(tǒng)而言，都不可能得到絕對(duì)真空（P=0），而是具有一定的壓力Pm，稱為極限壓力（或極限真空）。這是系統(tǒng)能達(dá)到的最低壓力，是真空系統(tǒng)能否滿足鍍膜需要的重要指標(biāo)之一。第二個(gè)主要

28、指標(biāo)是抽氣速率，指在規(guī)定壓力下單位時(shí)間所抽出氣體的體積，決定抽真空所需要的時(shí)間。,3 真空泵簡介,機(jī)械泵的工作原理是建筑在玻義耳－馬略特定律的基礎(chǔ)上的，PV＝K，K為與溫度有關(guān)的常數(shù)。即在溫度不變的條件下，容器的體積和氣體壓強(qiáng)成反比。,3 真空泵簡介,工作原理： 利用泵腔內(nèi)活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將氣體吸入、壓縮并排出。,3 真空泵簡介,（1） 往復(fù)式真空泵,工作原理： 依靠偏心連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)滑閥，在滑閥運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣體經(jīng)由吸氣口

29、被吸入泵體內(nèi)，然后在滑閥壓縮下經(jīng)排氣閥排出泵體工作參數(shù)：理論抽速：Sp=Vf (V為轉(zhuǎn)子與定子間的體積；f為轉(zhuǎn)速）實(shí)際抽速： 10-500L/s極限真空：單級(jí)為103Pa；兩級(jí)串聯(lián)為1Pa特點(diǎn)與使用 單獨(dú)使用或用作其它泵的前級(jí)泵，低真空系統(tǒng)。 缺點(diǎn)：油污染。,3 真空泵簡介,（2） 滑閥式真空泵,滑閥式真空泵的結(jié)構(gòu)示意圖,油的作用：運(yùn)動(dòng)部件間的密封，對(duì)機(jī)械部件潤滑。,3 真空泵簡介,（2） 滑閥式真空泵,工作原理：

30、 依靠放置在偏心轉(zhuǎn)子中的可以滑進(jìn)滑出的旋片，將氣體隔離，壓縮，然后排出泵體之外。工作參數(shù)：理論抽速：Sp=Vf: (V為轉(zhuǎn)子與定子間的體積；f為轉(zhuǎn)速）實(shí)際抽速： 1-300L/s極限真空：單級(jí)為1Pa；兩級(jí)串聯(lián)為10-2 Pa特點(diǎn)與使用單獨(dú)使用或用作其它高級(jí)泵的前級(jí)泵，低真空系統(tǒng). 缺點(diǎn)：油污染,（3）真空泵簡介-旋片式真空泵,旋片式真空泵的結(jié)構(gòu)示意圖,（3）真空泵簡介-旋片式真空泵,型號(hào)：2XZ-

31、2, 2XZ-4, 2XZ-8,（4）真空泵簡介干性機(jī)械泵,工作原理 通過增加腔的容積來降低壓力特點(diǎn)與使用 使用非金屬材料作為運(yùn)動(dòng)表面，以避免使用填縫劑和潤滑劑，從而可避免油污染反應(yīng)室。現(xiàn)今集成電路工藝中使用干性泵。缺點(diǎn)： 極限真空度低，噪聲大，價(jià)格高,旋轉(zhuǎn)支架干性機(jī)械泵,工作原理： 泵體內(nèi)兩個(gè)呈8字型的轉(zhuǎn)子以相反的方向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子的咬合精度很高，被抽氣體從吸氣口進(jìn)入泵腔，被封閉在吸氣腔V2之內(nèi)，再經(jīng)排

32、氣口排出泵外。工作參數(shù)：理論抽速：Sp=Vf:實(shí)際抽速： 1-103L/s極限真空：10-2 Pa特點(diǎn)與使用與旋片機(jī)械泵串聯(lián)使用，不能直接向空氣排氣?，F(xiàn)正設(shè)計(jì)新型的可直接向空氣排氣的羅茨泵。高真空系統(tǒng)；價(jià)格較貴。,（5）真空泵簡介- 羅茨泵,羅茨泵結(jié)構(gòu)示意圖,工作原理： 將擴(kuò)散泵油加熱至高溫蒸發(fā)狀態(tài)(200oC)，讓油蒸氣呈多級(jí)狀向下定向高速噴出時(shí)不斷撞擊使其被迫向排氣口運(yùn)動(dòng)，在壓縮作用下被排出泵體。同時(shí)泵體冷

33、卻的油蒸汽又會(huì)凝聚返回泵的底部工作參數(shù)：實(shí)際抽速： 1-104L/s (決定于泵體口徑）極限真空：10-5 Pa特點(diǎn)與使用與旋片機(jī)械泵串聯(lián)使用，需要機(jī)械泵抽預(yù)真空(1Pa)；油污染；價(jià)格便宜。,（6）真空泵簡介- 油擴(kuò)散泵,油擴(kuò)散泵結(jié)構(gòu)示意圖,（7）真空泵簡介- 渦輪分子泵,工作原理： 靠機(jī)械運(yùn)動(dòng)對(duì)氣體分子施加作用，并使氣體分子向特定方向運(yùn)動(dòng)的原理來工作的。渦輪分子泵的轉(zhuǎn)子葉片具有特定的形狀，以20000

34、-30000轉(zhuǎn)/分的高速旋轉(zhuǎn)，將動(dòng)量傳給氣體分子，多級(jí)葉片(10-40)的連續(xù)壓縮保證了分子泵的高效快速的工作。工作參數(shù)：實(shí)際抽速： 1000L/s (決定于泵體口徑和轉(zhuǎn)速）極限真空：10-8 Pa,渦輪分子泵結(jié)構(gòu)示意圖,特點(diǎn)與使用 與旋片機(jī)械泵串聯(lián)使用，需要機(jī)械泵抽預(yù)真空至1Pa以下；無油污染；價(jià)格昂貴。導(dǎo)致渦輪泵出問題的最常見的原因 1 、突然將泵暴露于大氣之下，渦輪葉片彎曲并互相碰撞， 導(dǎo)致極大的失敗

35、。 2、渦輪泵的回轉(zhuǎn)軸是精密平衡的，所以在使用過程中嚴(yán)禁移動(dòng)或沖撞。,（7）真空泵簡介- 渦輪分子泵,分子泵輸送氣體通常應(yīng)滿足以下兩個(gè)條件： 1 、必須在分子流狀態(tài)下工作，需配備前級(jí)泵。 2、轉(zhuǎn)子葉片必須具有與氣體分子速度相近的線速度。,（7）真空泵簡介- 渦輪分子泵,（8）真空泵簡介- 低溫吸附泵,工作原理： 依靠氣體分子在低溫條件下自發(fā)凝結(jié)或被其他物質(zhì)表面吸附的性質(zhì)實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體分子的去除，進(jìn)而獲得高真空的裝置 。

36、真空度依賴于低溫度，吸附物質(zhì)的表面積和吸附氣體的種類等。工作參數(shù)：常用的吸附物質(zhì)：金屬表面；活性碳；沸石等分子篩極限真空：10-1~10-8 Pa特點(diǎn)與使用 需要機(jī)械泵抽預(yù)真空(10-1pa)；無油高真空系統(tǒng)；價(jià)格較貴；高溫時(shí)，被吸附的氣體又釋放出來。,低溫吸附泵結(jié)構(gòu)示意圖,（9）真空泵簡介- 濺射離子泵,工作原理： 依靠高壓陰極發(fā)射出的高速電子與殘余氣體分子相互碰撞后引起氣體電離放電，而電離后的氣體分子在高速

37、撞擊陰極時(shí)又會(huì)濺射出大量的Ti原子。由于Ti原子的活性很高，因而它將以吸附或化學(xué)反應(yīng)的形式捕獲大量的氣體分子并在泵體內(nèi)沉積下來，實(shí)現(xiàn)超高真空的獲得。工作參數(shù)：實(shí)際抽速： 決定于泵體口徑和陰極高壓極限真空：10-8 Pa特點(diǎn)與使用與旋片機(jī)械泵和分子泵配合使用，需要抽預(yù)真空(10-6 Pa)；無油污染；超高真空潔凈系統(tǒng)；價(jià)格昂貴。適于抽除惰性氣體。,濺射離子泵結(jié)構(gòu)示意圖,1.4 真空測量技術(shù),目前，真空技術(shù)所涉及的壓強(qiáng)范圍極廣，

38、因此找不出一種壓強(qiáng)計(jì)能覆蓋整個(gè)壓強(qiáng)范圍。人們往往是針對(duì)具體的被測壓強(qiáng)范圍，設(shè)法用這樣那樣的手段來測量。換句話說，真空規(guī)是基于不同氣體的物理參數(shù)而制造的，各有千秋。那么，怎么的真空規(guī)好呢？適合于具體的工作條件的真空規(guī)，就是最好的。,1.4 真空測量技術(shù),根據(jù)真空度范圍不同，真空測量方法和原理各不同。測量出的真空度與實(shí)際真空度之間可能由于溫度的不同而存在誤差，而且當(dāng)氣體處于分子流狀態(tài)，真空室與測試點(diǎn)的氣壓也有所不同。 pc

39、/pm = (Tc/Tm)1/2 －－Tc, Tm分別為真空室和測試點(diǎn)的溫度當(dāng)氣體的流動(dòng)狀態(tài)接近甚至達(dá)到粘滯流狀態(tài)的情況下，溫差造成的測量誤差趨于0。,1.4 真空測量技術(shù),真空測量元件常被稱為真空規(guī)。真空測量技術(shù)分為低真空和高真空測量。常用的有三種方法：1. 熱偶真空規(guī)和皮拉尼真空規(guī)2. 薄膜真空規(guī)3. 電離真空規(guī),（1）真空測量技術(shù)-熱偶規(guī)或皮拉尼規(guī),熱偶規(guī)或皮拉尼規(guī)都是以氣體的熱導(dǎo)率隨氣體壓

40、力的變化為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的，是低真空時(shí)最常用的測量手段。 對(duì)不同氣體的測量結(jié)果不同，因不同氣體分子的導(dǎo)熱系數(shù)不同。,（1）真空測量技術(shù)-熱偶規(guī)或皮拉尼規(guī),熱偶規(guī)工作原理：氣體的熱導(dǎo)率隨氣體壓力變化（氣體熱導(dǎo)率隨著氣體壓力 的增加而上升，因而熱絲的溫度會(huì)隨著氣體壓力的上升而降低），通 過熱電偶測出熱絲的溫度，也就相應(yīng)的測出了環(huán)境的氣體壓強(qiáng)。測量范圍： 熱偶規(guī) 0

41、.1-100Pa特點(diǎn)與使用： 屬低真空測量，儀器結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。,（1）真空測量技術(shù)-熱偶規(guī)或皮拉尼規(guī),皮拉尼工作原理：（電阻真空規(guī)）通過測量熱絲的電阻隨溫度的變化實(shí)現(xiàn) 對(duì)真空度的測量。 測量范圍： 皮拉尼 0.1Pa-0.1MPa特點(diǎn)與使用： 屬低真空測量，優(yōu)缺點(diǎn)與

42、熱歐規(guī)相似。儀器結(jié)構(gòu)簡單， 使用方便。 。,,,（2）真空測量技術(shù)—電離真空規(guī),工作原理：利用某種手段使進(jìn)入規(guī)管中的部分氣體分子發(fā)生電離，收集這些離子形成離子流；由于被測氣體分子所產(chǎn)生的離子流在一定壓力范圍內(nèi)與氣體的壓力呈現(xiàn)出正比關(guān)系，則通過測量離子流的大小就可以反映出被測氣體的壓力值。測量范圍： 10-9 - 1Pa 特點(diǎn)與使用：屬高真空和超高真空測量，通常

43、與熱偶規(guī)同時(shí)使用。,（2）真空測量技術(shù)—電離真空規(guī),應(yīng)用最廣的是熱陰極電離真空計(jì)：高溫陰極燈絲發(fā)射電子，經(jīng)陽極加速后獲得足夠的能量，與氣體分子碰撞引起電離，產(chǎn)生正離子與電子。電子及正離子數(shù)正比于氣體的壓力p。收集極收集正離子，根據(jù)所測離子流的大小指示氣體壓力。冷陰極電離真空計(jì)同熱陰極電離真空計(jì)的工作原理相同，只是電離源不同?？坷浒l(fā)射產(chǎn)生少量的初始自由電子，在電磁場的作用下最終形成自持氣體放電。放電電流與壓力有確定關(guān)系。,（2）真空測

44、量技術(shù)—電離真空規(guī),在真空系統(tǒng)中，往往需要兩種或多種儀表以互補(bǔ)彼此的不足和滿足所有的測量范圍，這就需要根據(jù)具體情況來決定。表1-5給出了不同真空應(yīng)用范圍真空計(jì)的選用以及使用時(shí)應(yīng)注意的問題。,（3）真空測量技術(shù)--薄膜真空規(guī),工作原理：通過薄膜在氣體壓力差下產(chǎn)生機(jī)械位移，測量電極間電容， 對(duì)氣壓進(jìn)行絕對(duì)測量，測量結(jié)果與氣體種類無關(guān)。測量范圍： 10-3 - 100Pa (10-3 Pa相當(dāng)于

45、薄膜位移為一個(gè)原子尺寸大小)特點(diǎn)與使用： 屬高真空測量。,1.5 真空度對(duì)薄膜工藝的影響,真空薄膜的質(zhì)量與材料、薄膜工藝以及真空系統(tǒng)的質(zhì)量有關(guān)。真空系統(tǒng)的質(zhì)量主要是指系統(tǒng)真空度的好壞，特別是系統(tǒng)內(nèi)所含水蒸氣與油污染的程度。保持較高的真空度，可以：１、減少蒸發(fā)分子與殘余氣體分子的碰撞；２、抑制它們之間的反應(yīng)，減少對(duì)襯底表面的玷污。,1.6 幾種典型真空系統(tǒng)的建立—（1）低真空系統(tǒng),系統(tǒng)組成： 真空室；機(jī)械泵；熱偶規(guī)應(yīng)

46、用 低壓化學(xué)汽相薄膜 沉積； 真空包裝等,,,,,真空室,機(jī)械泵,,,,,控制與測試,,,電磁閥,熱偶規(guī),,,,,,1.6 幾種典型真空系統(tǒng)的建立—(2)高真空系統(tǒng),系統(tǒng)組成：真空室；分子泵或油擴(kuò)散泵； 機(jī)械泵；熱偶電離復(fù)合規(guī)獲得高真空的操作流程 應(yīng)用 濺射沉積和蒸發(fā)等鍍膜系統(tǒng),,,,,真空室,機(jī)械泵,,,,,真空計(jì),,,高真空閥,復(fù)合真空規(guī),,,,,,擴(kuò)散泵或分子泵,,,,,,

47、,低真空閥,預(yù)真空閥,,,,,,,真空室,機(jī)械泵,,,,,真空計(jì),,,高真空閥,復(fù)合真空規(guī),,,,,,擴(kuò)散泵或分子泵,,,,,,,預(yù)真空閥,,,,,離子泵,,,,系統(tǒng)組成： 真空室；分子泵或油擴(kuò)散泵； 機(jī)械泵；離子泵；熱偶電離復(fù)合真空規(guī)獲得高真空的操作流程應(yīng)用：表面，界面及原子操縱,1.6 幾種典型真空系統(tǒng)的建立-(3)超高真空系統(tǒng),,,閘板閥,低真空閥,真空系統(tǒng)建立綱要,根據(jù)系統(tǒng)真空度的要求，確定選

48、用單級(jí)泵，還是多級(jí)級(jí)聯(lián)泵。根據(jù)系統(tǒng)真空度的要求，采用不同的真空管件接口密封配件。如O型膠圈，無氧銅圈，銀圈或金圈等。根據(jù)真空室大小，選擇各泵的抽速及型號(hào)。真空管件要盡量的短，即真空室越靠近各泵體越好。真空管件的截面積要求盡量的大，即管道越粗越好。,本章作業(yè),1、什么是真空？列出最常見的真空單位？并描述 4種真空范圍。2、什么是平均自由程？為什么它在薄膜制備過程中很重要？4、描述旋片式機(jī)械泵、油擴(kuò)散泵、渦輪分子泵和濺射