薄膜真空技术.pptx

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1、一个分子在两次碰撞之间所占据的体积:Ld2V=NLd2P=nkTL=kT/d2 P二)真空的表示:压强大小表示真空.1标准大气压标准大气压101325 Pa（牛顿米（牛顿米2）1标准大气压=760mmHg=760(Torr)=1.013x105Pa105Pa在真空技术中在真空技术中,除国际单位制的压力单位除国际单位制的压力单位 Pa外，常以托（外，常以托（Torr）作为真空度的单位。）作为真空度的单位。1托托等于等于1毫米高的汞柱所产生的压力毫米高的汞柱所产生的压力:1Torr133Pa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

2、强低:真空度高Pa(Pascal,SI,帕斯卡);巴(bar):1bar=105Pa第1页/共29页三）真空区域大致划分 真空划分压力分子运动状态PaTorr低 真 空1051027601粘滞流 viscous flow中 真 空10210-1110-3中间流（过渡流）intermediate flow高 真 空10-110-510-310-7分子流molecular flow超高真空10-510-7分子流molecular effusion第2页/共29页四)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/

3、F10-1：P=10-4-10-5Pa第3页/共29页真空的获得一)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 抽抽 速速Sm 最大抽速最大抽速单位时间内气体流过抽单位时间内气体流过抽气系统中任何截面的气系统中任何截面的体体积积称为体积流量，单位称为体积流量，单位为升为升/秒，秒，与气体密度无关与气体密度无关第4页/共29页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

4、泵的工作原理是基于玻意耳-马略特定律的基础上的PVK （1.1）式其中K是与温度有关的常数第5页/共29页右图表示机械泵转子在连续旋转过程中的四个典型位置。随着转子的旋转，不断进行吸气、压缩和排气的过程。假设被抽容积为V，初始压强为P0,泵内空腔体积为V，旋片转过半周后，根据（1.1）式则压强P1为P1（V+V）P0V即N个循环后第6页/共29页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

5、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第7页/共29页罗茨泵左转子由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

6、。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体积的气体第8页/共29页罗茨泵的转子之间、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

7、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第9页/共29页涡轮分子泵涡轮分子泵原理：原理：气体分子被高速转动的涡轮片撞击，向出气体分子被高速转动的涡轮片撞击，向出口运动；口运动；多级速度：多级速度：30,000-60,000 rpm；转子的切向速度与分子运动速率相当；转子的切向速度与分子运动速率相当；Atmosphere to 10-10 Torr是最常见的是最常见的 HV/UHV泵泵第10页/共29页涡轮分子泵涡轮分子泵q优点优点基本没有油的污染基本没有油的污染启动和关闭很快启动和关闭很快 q缺点缺点 噪声大，有振动。噪声大，有振动。电磁污

8、染。电磁污染。比较昂贵。比较昂贵。第11页/共29页加热油从喷嘴喷出，气体分子与油分子碰撞，向出气口运动需要水冷，前级泵10-3 to 10-7 Torr(to 10-9 Torr，液氮冷阱)q优点优点耐用耐用成本低，抽速快成本低，抽速快 无震动和声音无震动和声音q缺点缺点油污染油污染油扩散泵第12页/共29页第13页/共29页扩散泵必须和机械泵联合工作，才能构成高真空抽气系统。单独的扩散泵时没有抽气作用的理论上，扩散泵的极限真空取决于泵油的蒸气压。而且泵油必须具备很高的热稳定性和化学稳定性扩散泵油在高温下接触一旦大气非常容易变质。即使时常温下，长期接触大气也会因为吸收水分而降低性能。因此扩散

9、泵内应尽量保存良好的真空状态扩散泵油易挥发，因此在进气口都有挡油的冷阱第14页/共29页液氮冷却有很大表面积的分子筛200C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，活性碳等第15页/共29页原理：原理：极板间加高压极板间加高压(5 kV)电子螺旋运动电子螺旋运动(longer path-length).气体分子被电子离化，向阴极运动气体分子被电子离化，向阴极运动.离子注入阴极离子注入阴极(Ti，Ta)，溅射阴极材，溅射阴极材料料.溅射

10、出的阴极材料与气体反应，沉积溅射出的阴极材料与气体反应，沉积在角落中或阳极上在角落中或阳极上.10-4 Torr to 10-11 Torr溅射离子泵溅射离子泵第16页/共29页溅射离子泵溅射离子泵q优点优点干净，无油污染干净，无油污染无运动部分，无振动，无噪音无运动部分，无振动，无噪音低功耗，使用时间长低功耗，使用时间长无断电问题无断电问题q缺点缺点对惰性气体效率低对惰性气体效率低每隔几年需要对阴极材料进行再生每隔几年需要对阴极材料进行再生第17页/共29页钛升华泵钛升华泵原理：原理：加热加热Ti丝使其蒸发到冷壁丝使其蒸发到冷壁.Ti原子与气体反应原子与气体反应.优点及缺点：优点及缺点：工作

11、范围工作范围 10-8-10-11 Torr便宜，可靠，无噪音，无振动，无断电便宜，可靠，无噪音，无振动，无断电问题问题需要再生，很难排除惰性气体和甲烷需要再生，很难排除惰性气体和甲烷第18页/共29页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。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、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溅射离子泵、钛升华

12、泵联合的无油系统第19页/共29页完整真空系统示意图完整真空系统示意图完整真空系统示意图完整真空系统示意图GasinletMFCVacuumChamberPressureGaugeVariableCapacitanceValveRoughing/BackingPumpValveValveOilFilterGasOutletHighVacuumPump第20页/共29页真空的量测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：10210-1Pa2、电离真空计常用的热阴极电离真空计，通过发射

13、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：10-110-6Pa3、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，不同的真空度放电颜色不同。这种廉价方便的真空计，但是只能粗略估计真空度第21页/共29页热偶真空计热偶真空计:20 10-3Torr第22页/共29页Pirani Gauge（100 10-4Torr）第23页/共29页第24页/共29页1x10-9Torrto10-11Torr高真空测量：高真空测量：电离规(IonGauge)第25页/共29页二)电离真空计灯丝F发射的热电子()被加速极A加速,碰撞气体分子(M),电离电离产生的离子数和气压P成正比图1-13 热阴极电离真空计第26页/共29页实用真空系统第27页/共29页思考题：1、压强几个单位之间关系2、高真空系统的构成及其操作流程第28页/共29页感谢您的观看。第29页/共29页