真空技术-2.ppt

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1、真真 空空 技技 术术 主讲人:万 星 均 2009.1.20lVacuum Technique目 录一：什么是真空二：真空的分类三：真空的获得四：蒸发镀膜技术什 么 是 真 空l字面上理解：没有任何东西存在的空间 其实绝对真空是不存在的：习惯上说的空瓶，其实每立方米含有2.69*1019个气体分子宇宙环境中也存在太空粒子、星光等 真正的定义：就是给定的空间内，气体分子密度低于该地区一个标准大气压时气体分子密度状态；简单说是指低于一个大气压的气体空间 在工程应用上，真空指低于该地区大气压的稀薄气体状态大气压强l如右图的装置 大气压强可由下式算出 l大气压是如何产生的大气是由大量的气体分子组成的

2、，分子总是不停地作不规则运动。温度高，分子运动就激烈。气体分子与容器壁产生。单位体积气体分子越多，温度越高，用力越大760mm760mm大气压力大气压力真空度的单位l真空度是指处于真空状态下气体的稀薄程度l真空度一般用压强这个物理量来表征真空度高低l压强与真空度的物理意义：l真空度高意味着压强低；反之，压强高表示真空度低l真空技术最常用的真空度单位是毫米汞柱和托l不考虑细微的差别：1969年，国际计量委员会建议，推广一种更合理单位叫“帕斯卡”(Pascal),简称“帕”真空区域的划分真空区域的划分n n为了研究真空和实际应用方便，常把真空划分为粗真空、低真空、高真空和超高真空，甚至是有极高真空

3、，最后的真空级别存在测量问题。随着真空度的提高，真空的性质将逐渐变化真 空 的 分 类粗真空l76010托 物理特点：1:气体分子间的碰撞 2:粘滞流 主要真空规：U型压力计 主要真空泵：机械泵，各种粗真空泵 主要应用：真空浓缩、脱色、脱臭；真空成形；真空输运 l在此真空区间，使用真空技术的主要目的是为了获得压力差，而不要改变空间的性质低真空l压力范围：（1010-3托）物理特点：它是粗真空到高真空的过渡，气体分子之间碰撞为主向气体与器壁的碰撞为主过渡 主要真空规：麦氏计，热阻真空规 主要真空泵：机械泵 主要应用：真空蒸馏，真空干燥，冷冻干燥，真空浸渍l在此真空区间气体的流动从粘滞流过渡到分子

4、状态，分子动力学性质明显，对流完全消失高真空l压强范围（10-310-8托）l特点：1:气体分子与器壁的碰撞为主 l 2:分子流 l真空规：B-A型热阴极电离规l 阴极电离规 l主要真空泵：扩散泵；涡轮分子泵 l主要应用：各种真空冶金，热处理，真空电子束焊，半导体材料区域熔炼，电真空器件，原子能加速器，真空镀膜l在这种状态下，气体的热传导和内摩擦已与压强无关超高真空l压强范围（10-810-12托）l物理特点：1:气体分子在固体上吸附停留为主 2:表面物理化学为决定无力本质的基本规律 主要真空规：各种改进型的热阻极电离规，磁控规 主要真空泵：加阱扩散泵;各种吸气剂离子泵 主要应用：各种真空冶金

5、，热处理，真空电子束焊，真空镀膜，薄膜和表面物理，表面化学，热核反应和等离子体物理，超导技术，宇宙航行l在这种状态下，气体的热传导和内摩擦已与压强无关极高真空l压强范围（10-12托）获得和测量存在问题 由于气体密度较小，统计涨落大于5%主要真空规：冷或热阴极磁控规 主要真空泵：低温冷凝泵，扩散泵家生化阱 主要应用：宇宙航行真 空 的 获 得真真 空的获得空的获得l真空系统：真空腔；真空泵；真空计以及管道、阀门和其他附属设备l能使压力从一个大气压力开始变小，进行排气的泵前级泵l只能从较低压力抽到更低压力，这些真空泵次级泵l真空泵的两个重要指标 l 1极限压强 2抽气速率l达到真空度的计算方程机

6、械泵l机械泵结构主要由定子、旋片和转子组成l这些部件全部浸在机械泵油中，转子偏心地置于定子泵内l旋片把泵腔分为三个部分：进气口到旋片的吸气空间；两旋片同泵壁分隔出膨胀压缩空间；排气阀和旋片分隔的排气空间l转子转动，不停吸气、压缩和排气，从而获得真空机械泵的结构旋片每旋转一周，带抽空间的压强P1降低到经过经过n个循环后个循环后n n可以看出，泵室大而被抽容积小，即V/V越大，获得Pn所需时间才越短；n越大Pn越小。n n双级泵是由两个转子串联构成，以一个转子空间的出气口作为另一个转子空间的进气口。这样可使极限压强降得更低扩散泵l扩散泵是利用被抽气体向蒸气流扩散的现象来实现排气l当扩散泵油被加热后

7、产生大量的有蒸气，油蒸气沿着蒸气导管传输到上部，经伞形喷口向外喷射出来l喷射流速度高，分压强低于扩散泵进气口上方被抽气体的分压强，两者形成压强差l高速蒸气带走被抽气体到出气口，由机械泵抽走；而油蒸气被冷凝成液体，流回泵底再重新被加热成蒸气l这样形成一个循环进气口出气口扩散泵的结构及工作原理扩散泵的极限压强为n n其中，PL为前级真空泵压强；n是蒸气分子密度；L是蒸气流从泵的进气口到出气口的扩散长度，D为蒸气气体分子的扩散系数n n扩散泵必须与机械泵配合使用才能组成高真空系统，单独使用扩散泵是没有用的n n油蒸气向真空室扩散会造成膜层污染，因此在进气口安装水冷挡板或液氮冷阱，返油率可大大降低真

8、空 蒸 发 镀 膜 技 术真空蒸发镀膜法l真空蒸发镀膜法是在真空室中，加热蒸发容器中待形成薄膜的原材料，使其原子或分子从表面逸出，形成蒸气流，入射到基片表面，凝结形成固态薄膜的方法l分三部分：真空室；蒸发源；基片真空蒸发镀膜原理真空蒸发的特点与蒸发过程l特点：优点：设备简单、操作容易；制成的薄膜纯度高、质量好，厚度可较准确控制；成膜速率快、效率高；薄膜生长机理比较单纯 缺点：不容易获得结晶结构的薄膜，所形成薄膜在基板上的附着力较小，工艺重复性不够好真空蒸发镀膜的三个基本过程l加热蒸发过程l气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运l蒸发原子或分子在基片表面上的淀积过程l饱和蒸气压l在一定温度下，真

9、空室内蒸发物质的蒸气与固体或液体平衡过程中所表现出的压力称为饱和蒸气压l饱和蒸气压个具体物质及环境温度有密切关系饱和蒸气压与温度之间的数学表达式Hv为摩尔气化热；Vg、VS分别是气相和固相或液相的摩尔体积；T为绝对温度可简化为可简化为:可写成可写成:饱和蒸气压的自然对数与1/T的关系是一条直线饱和蒸气压随温度升高而迅速增加l一般能到达正常蒸发速率所需的温度l在真空条件下物质的蒸发要比常压下容易得多，所需蒸发温度大大降低，蒸发过程大大缩短，蒸发速率显著提高l蒸发速率最大蒸发速率最大蒸发速率蒸发分子的平均自由程与碰撞几率n n气体分子对基板表面的粘附系数，决定于残余气体分子与基板表面性质以及基板温

10、度n n要获得高纯度的薄膜，就必须要求残余气体的压强应非常低n n蒸发分子的平均自由程，表示为为受残余气体碰撞的数目n n为了薄膜质量，一般要求90%没有发生碰撞蒸发源的蒸发特性及膜厚分布l基板上不同蒸发位置的膜厚取决于蒸发源的蒸发特性、基板和蒸发源的几何形状、相对位置以及蒸发物质的蒸发量点蒸发源点蒸发源n n通常将各个方向蒸发等量材料的微小球状蒸发源称为点蒸发源n n某一立体角内蒸发材料总量为由图可知则有所以到达dS2上的蒸发材料如果薄膜密度为，厚度为tdS2dS1xhdw点蒸发源的发射特性球曲面基板上的膜厚分布l当蒸发面积较大时，为了获得镀层膜厚有较好的均匀性，除了选择合适的蒸发源以及采用旋转基板架外，还可使用基板处于球面分布状态l蒸发源与基板的相对位置配置源置于球体中心金属材料蒸发方式l1 电阻蒸发源l2电子束蒸发源l3高频感应蒸发源化合物材料蒸发方式化合物材料蒸发方式n n1 合金的蒸发n n（1）瞬时蒸发法n n（2）双源或多源蒸发法化合物的蒸发l化合物蒸发方法有三种：电阻加热法；反应蒸发法；双源或多源蒸发法；l其中反应蒸发法主要用于制备高熔点的绝缘介质薄膜，如氧化物、氮化物和硅化物l就是将活性气体导入真空室，使活性气体的原子、分子和从蒸发源逸出的蒸发金属原子、低价化合物分子在基板表面上淀积过程发生反应，从而形成所需高价化合物薄膜的方法