真空与真空镀膜技术简介

真空与真空镀膜技术简介,一. 真空技术入门,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。,真空量度单位 1标准大气压=760mmHg=760(Torr) 1标准大气压=1.013x105 Pa 1Torr=133.3Pa,真空区域的划分 目前尚无统一规定，常见的划分为： 粗真空 低真空 高真空 超高真空 极高真空,真空技术的应用 电子技术、航空航天技术、加速器、表面物理、微电子、材料科学、医学、化工、工农业生产、日常生活等各个领域。,二. 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(300500)，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.,三. 真空的测量真空计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 10-3 Pa,U型计 测量范围：105 10 Pa,2. 相对真空计,2.1 热偶真空计(热传导真空计) 测量范围：100 10-1 Pa 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。,2.2 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：1.3310-1 1.3310-5 Pa 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 与压强无关,2.3 BA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1001000倍，测量下限也降低1001000倍。 0.2mm的钨丝测量下限可达10-8 10-9 pa 4 m 的钨丝测量下限可达10-10 pa,B-A真空规管 离子收集极；2. 加速极（栅极） 3. 阴极灯丝；4. 外壳,四. 真空镀膜,真空溅射：当高能粒子(电场加速的正离子)打在固体表 面时，与表面的原子、分子交换能量，从而使这 些原子、分子飞溅出来。 真空蒸发：在真空中把制作薄膜的材料加热蒸发，使其 淀积在适当的表面上。 真空蒸发镀膜简介 真空系统(DM300镀膜机),真空系统(DM300镀膜机),蒸发系统,蒸发源,蒸发源的形状如下图，大致有螺旋式(a)、篮式(b)、发叉 式(c)和浅舟式(d)等。,膜厚的计算：,在真空中气体分子的平均自由程为：L = 0.65 / p (cm)，其中p的单位是Pa。 当p = 1.310-3 Pa时，L500 cm。 L基片到蒸发源的距离，分子作 直线运动。,设蒸发源为点蒸发源，单位时间内通过任何方向一立体角d的质量为： 蒸发物质到达任一方向面积元ds质量为 设蒸发物的密度为，单位时间淀积在ds上的膜厚为t， 则 比较以上两式可得,对于平行平面ds，=， 则上式为 由 可得 在点源的正上方区域 (=0)时，,薄膜厚度的测量,1. 干涉显微镜法 干涉条纹间距0 ，条纹移动，台阶高为 ，测出 0 和，即可测得膜厚t 其中为单色光波长，如用白光，取,2 称重法 如果薄膜面积A，密度和质量m可以被精确测定的话， 膜厚t就可以计算出来： 3 石英晶体振荡器法 广泛应用于薄膜淀积过程中厚度的实时测量，主要应用于淀积速度，厚度的监测，还可以反过来（与电子技术结合）控制物质蒸发或溅射的速率，从而实现对于淀积过程的自动控制。,谢 谢！,