《1+薄膜制备的真空技术基础》.ppt

薄膜制备的真空技术基础 薄膜制备的真空技术基础 1 薄膜制备的真空技术基础 1.1 气体分子运动论的基本概念 1.2 气体的流动状态和真空抽速 1.3 真空泵简介 1.4 真空的测量 1.1 气体分子运动论的基本概念 理想气体模型： 气体分子之间除相互碰撞的瞬间之外，完全不存在相互作用，即它们可被看作是相互独立的硬球，且硬球的半径远小于球与球之间的距离。 在一般的温度和压力条件下，所有气体可看作理想气体。 1.1.2 气体的压力和气体分子的平均自由程 理想气体的压力： 气体分子的平均自由程： 气体分子在两次碰撞的间隔时间里走过的平均距离。 1.1.3 气体分子的通量 单位面积上气体分子的通量：气体分子对于单位 面积表面的碰撞频率。 计算：在高真空的条件下，清洁表面被环境中 的杂质气体分子污染所需时间。 (假设: 每一个向清洁表面运动过来的气体分子都是杂 质，且每一个杂质分子都会被该表面所俘获。) 衬底完全被一层杂质气体分子覆盖所需要的时间： 1.2 气体的流动状态和真空抽速 分子流状态：在高真空环境下，气体的分子除了 与容器壁碰撞以外，几乎不发生气体分子间的相 互碰撞。 特点：气体分子平均自由程大于气体容器的尺寸 或与其相当。（高真空薄膜蒸发沉积系统、各种 材料表面分析仪器） 粘滞流状态：当气压较高时，气体分子的平均自 由程很短，气体分子间的相互碰撞较为频繁。 （化学气相沉积系统） 1.2.2 气体管路的流导 流导：真空管路中气体的通过能力。 1.2.3 真空泵的抽速 真空泵可以提供的极限真空度 （存在气体回流的情况） 按获得真空的方法，真空泵分为两大类： 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，如旋片式机械真空泵、罗茨泵、涡轮分子泵；气流式气体输运泵，如油扩散泵 ） 捕获式真空泵：依靠在真空系统内凝集或吸附气体分子的方式将气体分子捕获，排除于真空系统之外。（低温吸附泵、溅射离子泵） ★某些捕获式真空泵在工作完毕以后还可能将己捕获的气体分子释放回真空系统。 1.3.1 旋片式机械真空泵★ 1.3.2 罗茨（Roots）真空泵 1.3.3 油扩散泵 1.3.4 涡轮分子泵★ 1.3.5 低温吸附泵 1.3.6 溅射离子泵★ 1.4 真空的测量 由仪器测出的真空度与真空室的实际真空度 之间可能会由于温度不同而存在误差。 在分子流状态，而且真空室与测量点之间存 在较细的管道连接时，测量压力pm和实际压力 pc之间的关系将可由分子净通量为零的条件得 出： 1.4.1 热偶真空规和皮拉尼（Pirani）真空规★ 1.4.2 电离真空规★ 1.4.3 薄膜真空规 本章小结 1. 概念：平均自由程，通量，流导，抽速 2. 真空的划分， 气体流动状态的划分（克努森准数Kn） 3. 真空泵的工作原理及适用范围 （旋片式机械真空泵、涡轮分子泵、溅射离子泵） 4. 真空计的工作原理及适用范围 （热偶真空规、电离真空规） 工作原理： 高压阴极发射出的高速电子与残余气体分子碰撞引起电离放电，电离的气体分子高速撞击Ti阴极溅射出大量Ti原子。活性很高的Ti原子以吸附或化学反应的形式捕获大量气体分子并使其在泵体内沉积下来，实现无油高真空环境。 特点：气体活性大，抽速大；寿命有限。 极限真空度：10-8 Pa。 Ti升华泵 ★ ★ ★ Back 真空测量：用特定的仪器和装置，对某一特定空间内真空高低的测定。（真空计、规管） 绝对真空计：通过测定物理参数直接获得气体压强的真空计（U型真空计、压缩式真空计等） 特点：测量比较准确，气压低时测量极其困难 相对真空计：通过测量与压强有关的物理量，并与绝对真空计比较后得到压强值的真空计（放电真空计、热传导真空计、电离真空计等） 特点：准确度略差，可测量低气压 Tc、Tm — 真空室和测量点处气体温度 热偶真空规工作原理：将作为热丝的Pt通过恒定强度的电流。在达到热平衡以后，电流提供的加热功率与通过空间热辐射、金属丝热传导以及气体分子热传导而损失的功率相等，因而热丝的温度将随着真空度的不同而有规律变化。 设计基础：气体热导率随气体压力的变化。 热电势随气体压力的变化曲线 缺点：非线性，测量结果与气体种类有关，零点漂移严重。 优点：结构简单，使用方便。 测量范围:0.1-100Pa 气体的热导率将随着气体压力的增加而上升，因而热丝的温度会随着气体压力的上升而降低。这时，用热电偶测出了热丝本身的温度，也就相应测出了环境的气体压力。 皮拉尼真空规：又称热