薄膜制备真空技术基础.pptx

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1、第一章 薄膜制备的真空技术基础气体分子运动论的基本概念真空的基本概念1.3 各类真空泵简介1.4 真空测量技术1.5 几种典型真空系统的建立第1页/共81页1.1 气体分子运动论的基本概念1.描述气体分子状态的宏观物理量描述气体分子状态的宏观物理量-P、T、V 理想气体：理想气体：理想气体：理想气体：气体分子之间除了相互碰撞的瞬间外，气体分子之间除了相互碰撞的瞬间外，完全不存在相互作用。完全不存在相互作用。一般的温度和压力条件下，所有的气体都可以被一般的温度和压力条件下，所有的气体都可以被看作是理想气体。看作是理想气体。真空技术中研究气体时，一般可以应用理想气体真空技术中研究气体时，一般可以应

2、用理想气体状态方程。状态方程。第2页/共81页1.1 气体分子运动论的基本概念1.描述气体分子状态的宏观物理量描述气体分子状态的宏观物理量-P、T、V （1）理想气体状态方程：理想气体状态方程：P：压强（：压强（Pa）；）；m：气体质量（：气体质量（Kg）；）；V：体积（：体积（m3）；）；R：普适气体：普适气体常数常数-1K-1 ：T：绝对温度（：绝对温度（K）讨论：讨论：对对于于一一定定质质量量的的气气体体，当当气气体体温温度度一一定定时时，PV=K（与与温温度度有有关关的的常数），此即波义耳常数），此即波义耳-马略特定律（机械泵的理论基础）。马略特定律（机械泵的理论基础）。第3页/共81

3、页1.1 气体分子运动论的基本概念1.描述气体分子状态的宏观物理量-P、T、V （2）阿伏加德罗定律：（理想气体状态方程的第二种表达方式）n为气体分子密度（1/m3）；波尔兹蔓常数k=R/NA=1.38 10-23JK-1；NA为阿伏加德罗常数，1023mol-1表明在相同压强和温度下，各种气体单位体积含分子数相同（与气体种类无关）。在标准状态下，任何气体的分子密度为3 1019个/m3第4页/共81页1.1 气体分子运动论的基本概念1.描述气体分子状态的宏观物理量-P、T、V （2）阿伏加德罗定律：（理想气体状态方程的第二种表达方式）推导：推导：若气体由若气体由N个分子组成，每个分子的质量为

4、个分子组成，每个分子的质量为M，则，则m=MN。而。而1mol气体中的分子数气体中的分子数NA 1023，将，将Mmol=MNA代入理想气体状态方程，则推出阿伏伽德罗定律。代入理想气体状态方程，则推出阿伏伽德罗定律。第5页/共81页1.1 气体分子运动论的基本概念 2 2 气体分子运动速度及其分布气体分子运动速度及其分布 (Maxwell(Maxwell分布）分布）真真空空容容器器中中气气体体分分子子运运动动是是混混乱乱的的。气气体体分分子子进进行行无无规规则则热热运运动动的的每每一一时时刻刻，每每个个分分子子的的运运动动速速率率有有偶偶然然性性，然然而而，对于大量气体分子而言，其速率分布遵循

5、统计规律。对于大量气体分子而言，其速率分布遵循统计规律。第6页/共81页1.1 气体分子运动论的基本概念 2 2 气体分子运动速度及其分布气体分子运动速度及其分布 (Maxwell(Maxwell分布）分布）f(v)速率分布函数（表明气体分子的速度分布只取决于分子的相对原子质量M与热力学温度T的比值），M-分子的摩尔质量，T为热力学温度，R为普适气体常数。f(v)dv=dN/N为速率位于v-(v+dv)区间的相对分子数或分子处于v-(v+dv)间的几率。或者f(v)dv表示在速率附近，dv速率间隔内的分子数占总分子数的比率。dN=Nf(v)dv 设有N个气体分子的理想气体，在平衡状态速率处在v

6、-(v+dv)之间的分子数：第7页/共81页1.1 气体分子运动论的基本概念 2 2 气体分子运动速度及其分布气体分子运动速度及其分布 (Maxwell(Maxwell分布）分布）f(v)速率分布函数，M-分子的摩尔质量，T为热力学温度，R为普适气体常数。物理意义：dN=Nf(v)dv 设有N个气体分子的理想气体，在平衡状态速率处在v-(v+dv)之间的分子数：第8页/共81页1.1 气体分子运动论的基本概念 2 2 气体分子运动速度及其分布气体分子运动速度及其分布 (Maxwell(Maxwell分布）分布）为了更深入地理解速率分布函数所表达的意义，以下图为了更深入地理解速率分布函数所表达的

7、意义，以下图H2和和N2分子为例，对其速率分布进行了定量描述。分子为例，对其速率分布进行了定量描述。第9页/共81页1.1 气体分子运动论的基本概念 2 2 气体分子运动速度及其分布气体分子运动速度及其分布 (Maxwell(Maxwell分布）分布）图图中中表表示示，总总分分子子数数为为107个个、速速率率间间隔隔dv为为1cm/s时时，在在不不同同速速率率范范围围的的分分子子数数。例例如如，0 的的N2分分子子，v处处于于范范围围内内的分子数大约为的分子数大约为9个。个。由由曲曲线线可可知知，气气体体分分子子的的速速度度具具有有很很大大的的分分布布区区间间，平平衡衡温温度度越越低低，曲曲线

8、线越越陡陡，分分子子按按速速率率分分布布越越集集中中；温温度度越越高高，曲曲线线平平缓缓，分分子子按按速速率率分分布布越越分分散散。气气体体分分子子的的相相对对原原子子质质量越小，则分子的平均运动速度越大。量越小，则分子的平均运动速度越大。第10页/共81页1.1 气体分子运动论的基本概念3.气体分子的平均自由程 处处于于无无规规则则热热运运动动中中的的气气体体分分子子，彼彼此此间间不不断断碰碰撞撞，单单位位时时间间内内气气体体分分子子的的碰碰撞撞次次数数称称为为碰碰撞撞频频率率。特特定定种种类类的的气气体体分分子子的的碰碰撞频率与气体分子热运动的速率有关，与气体的密度有关。撞频率与气体分子热

9、运动的速率有关，与气体的密度有关。第11页/共81页1.1 气体分子运动论的基本概念3.气体分子的平均自由程碰撞频率：单位时间内气体分子的碰撞次数。自由程：分子任意两次碰撞之间通过的路程，。分子运动的平均自由程分子运动的平均自由程：大量分子多次碰撞自由程的平均值，。或：一个气体分子连续两次碰撞间飞行距离的平均值称为平均自由程 第12页/共81页1.1 气体分子运动论的基本概念3.气体分子的平均自由程一个气体分子在两次碰撞之间的平均距离：n:单位体积内的分子数；d:气体分子的直径 *思考题：平均自由程在制膜中的重要作用？答影响气体分子到达衬底的分子能量，能量对成膜结构质量有很多影响。自由程小碰撞

10、多气体分子能量薄膜疏松、不致密第13页/共81页1.1 气体分子运动论的基本概念3.气体分子的平均自由程-补充（1）在常温常压条件下，空气分子的有效截面直径。由T=298K，P=nKT(P=101325Pa），代入 公式得到：50nm。表明在常温常压下，气体分子的平均自由程是极短的。（2）由气体分子的平均自由程还可以求出其平均碰撞频率=va/（常温常压时，va=460m/s）。所以常温常压下，每个空气分子每秒内要经历1010次碰撞。运动轨迹并不是直线，而是不断碰撞改变方向。第14页/共81页4.单位面积上气体分子的碰撞频率 即单位面积上气体分子的通量（单位时间内，碰撞于单位面积上的气体分子数）

11、。克努森方程因子1/4是对气体分子运动方向和运动速度分布进行数学平均时得到的一个系数（球坐标）。1.1 气体分子运动论的基本概念第15页/共81页衬底完全被一层分子覆盖所需时间：衬底完全被一层分子覆盖所需时间：N为表面原子密度n常温常压下，洁净表面被杂质完全覆盖所需时 10-9 s,n在10-8Pa的高真空中，这一时间为10h。n n所以，在薄膜制备技术中获得和保持适当的真空度是很重要的。所以，在薄膜制备技术中获得和保持适当的真空度是很重要的。第16页/共81页5 气体的流动状态 气体的无规则热运动本身不能导致气体的宏观流动，只有在空间存在压力差的条件下，气体作为一个整体才会产生宏观的定向流动

12、。气体流动取决于容器形状，气体气压，温度及气体种类。1.1 气体分子运动论的基本概念第17页/共81页气体流动状态分类分子流状态:分子间无相互碰撞 （高真空度，容器尺寸远小于或与平均自由程相当）粘滞流状态 分子间碰撞平繁（中、低真空度，容器尺寸远大于平均自由程）层流状态：低速流情况（宏观运动方向与一组平行线一致。气体流动速度越慢，气体的密度越小，真空容器的尺寸越小，气体的黏度系数越大，则越有利于气流形成层流）涡流状态：高速流情况（有漩涡）5 气体的流动状态1.1 气体分子运动论的基本概念与水流动类似，平静的小河为层流，波涛汹涌的大海则紊流。对于管道气：抽口处为紊流，远处则层流。第18页/共81

13、页气体流动可按气体流动可按克努森准数克努森准数来划分：来划分：Kn=D/D为容器尺寸；为容器尺寸；为平均自由程为平均自由程 分子流状态：分子流状态：Kn 1 中中 间间 状状 态：态：Kn=1110 粘滞流状态：粘滞流状态：Kn 110 图1.2 气体流动状态与真空系统 尺寸和气体压力之间的关系5 气体的流动状态1.1 气体分子运动论的基本概念第19页/共81页1.何为真空物理学上的“真空”是指没有或者不计气体分子和原子存在的物理空间，仅存在各种能量粒子的场空间；一般意义上的“真空”并不是指“什么物质也不存在”。应用物理与技术所讨论的“真空”低于一个大气压力的稀薄气体的空间状态。1.2 真空的

14、基本概念第20页/共81页1.何为真空1.2 真空的基本概念人造真空自然真空真空:地球大气层以外的宇宙真空（在还平面上，大气产生的压力为101325Pa，约100KPa，工程中称为一个标准大气压。而珠峰顶处的气压为32Kpa，仅为海平面压力的三分之一左右）:运用科技手段抽掉密闭容器中的气体 迄今为止，采用最高超的真空技术所能达到的最低压力状态大致为10-12-10-13Pa，还远未达到绝对真空。第21页/共81页2.真空度的表征 通常用压强为单位来描述“真空”状态下的气体稀薄程度真空度。压强高则表示真空度低，低则表示真空度高。真空度高表示真空度“好”，低则表示真空度“差”。1.2 真空的基本概

15、念第22页/共81页2.真空度的表征(1)帕斯卡（Pa）：国际单位制1Pa=1牛顿/米2=1千克/米秒2=10达因/cm2 10-3 Torr(2)托（Torr)：1 Torr=1/760atm（一个标准大气压）=133.32 Pa(3)毫米汞柱（mmHg）：0时1 mmHg作用在单位面积上的力。一个标准大气压（atm）=760 mmHg 1 mmHg约等于1托。(4)巴（bar）：1bar=105 Pa1.2 真空的基本概念第23页/共81页2.真空度的表征为了便于讨论和实际应用，在我国，常把真空定性地粗划分为粗真空、低真空、高真空和超高真空四个区域（表1-1）。各区域的真空物理特性如表1-

16、2所示。（P3）1.2 真空的基本概念第24页/共81页2.真空度的表征在薄膜技术领域，可以认为地将真空环境粗略地划分为（GB3163-82）：低真空：102Pa 工业应用（包装）中真空：10210-1Pa CVD沉积技术高真空：10-110-5Pa 溅射沉积技术超高真空：10-5Pa 原子表面和界面分析1.2 真空的基本概念第25页/共81页4.真空及制膜设备n超高真空条件下，气体分子以在固体上吸附停留为主，其它真空度时，气体分子以空间飞行为主。n不同的薄膜制备和分析技术队真空度的要求是不同的。第26页/共81页JP450磁控溅射镀膜系统第27页/共81页等离子增强CVD和热丝CVD复合系统

17、一真空沉积系统二、真空抽气系统三、真空测量系统 四、电源系统 五、气路系统第28页/共81页 对于一个真空系统理论上所能达到的真空度，与真空泵、真空系统的结构材料、加工工艺、管道等因素有关。1.气体管路的流导、极限真空度和抽气速率(1)真空管路中气体的通过能力，流导C定义为 P1和P2为管路两端的气压，Q为单位时间内通过管路的气体流量。1.3 真空的获得QP2P129第29页/共81页1.气体管路的流导、极限真空度和抽气速率气体管路的流导、极限真空度和抽气速率 描述真空部件的气体通过能力，它使流动着的气体形成描述真空部件的气体通过能力，它使流动着的气体形成一定程度压力降低。一定程度压力降低。泵

18、1 泵2真空室真空室 泵1泵2并联可以提高抽速 串联可以提高极限真空度流导的串联和并联1.3 真空的获得第30页/共81页(2)极限真空度指被抽容器不漏气，经真空泵充分抽气后所能达到的最高真空度。1.3 真空的获得第31页/共81页(3)真空抽速 真空泵的抽速S定义为-P为真空泵入口处气压，Q为单位时间内通过该处 的气体流量S特指一个截面上的气体流速。1.3 真空的获得第32页/共81页(a)流量各处相等（无回流）：Q=C(P-Pp)=SpPp 真空容器出口处的实际抽速：无回流有回流泵对容器的实际抽速S永远小于泵的理论抽速，也永远小于管路的流导C，即S是Sp、C受两者中较小的一个所限制。1.3

19、 真空的获得第33页/共81页无回流有回流流 量泵的极限真空实际抽速（b）有回流1.3 真空的获得同时考虑真空泵回流、真空容器的泄露、真空管路的流导以及真空容器的容积等因素之后，整个真空系统的极限真空度总要低于真空泵的极限真空度。第34页/共81页2.真空的获得 按工作原理主要分为:机械运动（罗茨真空泵，涡轮分子泵）;蒸汽流喷射（扩散泵）;吸附作用（溅射离子泵）它们所能达到的极限真空度以及载能力都各有不同。真空真空存在于一个封闭的且压力比周围大气压小很多的环境中。（低于一个大气压的气体空间）真空泵是真空获得的主要工具。第35页/共81页按真空获得方法输运式真空泵输运式真空泵捕获式真空泵捕获式真

20、空泵对气体进行压缩的方式将气体分子输送到真空系统外依靠在真空系统内凝结或吸附气体分子的方式将气体分子捕获溅射离子泵低温吸附泵旋片式机械真空泵罗茨泵涡轮分子泵油扩散泵第36页/共81页2.真空的获得典型的真空系统包括：待抽空的容器（真空室或真空腔）、获得真空的设备（真空泵）、测量真空的器具（真空规），以及必要的管道、阀门和其他附属设备。第37页/共81页真空的获得低低 真真 空空：初初 级级 泵泵P100Pa，使使 用用 机机 械械 泵泵就可以。就可以。中中级级真真空空和和高高级级真真空空的的获获得得，需需要要初初级级泵泵和和高高级级泵泵共共同同作作用用。分分子子泵泵等等高高级级泵泵抽抽出出的的

21、气气不不能能直直接接排排到到大大气气，要要先先排排到机械泵。到机械泵。初级泵为高级泵抽气第38页/共81页对于任何一个真空系统而言，都不可能得到绝对真空（P=0），而是具有一定的压力Pm，称为极极限限压压力力（或极限真空）。这是系统能达到的最低压力，是真空系统能否满足镀膜需要的重要指标之一。第二个主要指标是抽抽气气速速率率，指在规定压力下单位时间所抽出气体的体积，决定抽真空所需要的时间。3 真空泵简介第39页/共81页机械泵的工作原理是建筑在玻义耳马略特定律的基础上的，PVK，K为与温度有关的常数。即在温度不变的条件下，容器的体积和气体压强成反比。3 真空泵简介第40页/共81页工作原理：利用

22、泵腔内活塞的往复运动，将气体吸入、压缩并排出。3 真空泵简介（1）往复式真空泵第41页/共81页工作原理：运转时，在电动机的驱动下，通过曲柄连杆机构的作用，使汽缸内的活塞做往复运动。当活塞在汽缸内从左端向右端运动时，由于汽缸的左腔体积不断增大，汽缸内气体的密度减小，而形成抽气过程，此时被抽容器内的气体经过吸气阀进入泵体左腔。当活塞达到最右位置时，汽缸左腔内就完全充满了气体。接着活塞从右端向左端运动，此时吸气阀关闭。汽缸内气体随着活塞从右向左运动而逐渐被压缩，当汽缸内气体的压力达到或稍大于一个大气压时，排气阀被打开，将气体排到大气中，完成一个工作循环。当活塞再自左向右运动时，又重复前一个循环，如

23、此反复下去，被抽容器内最终达到真空状态下的某一稳定的平衡压力。3 真空泵简介（1）往复式真空泵第42页/共81页工作原理：依靠偏心连杆机构驱动滑阀，在滑阀运动时，气体经由吸气口被吸入泵体内，然后在滑阀压缩下经排气阀排出泵体工作参数：理论抽速：Sp=Vf (V为转子与定子间的体积；f为转速）实际抽速：10-500L/s极限真空：单级为103Pa；两级串联为1Pa特点与使用 单独使用或用作其它泵的前级泵，低真空系统。缺点：油污染。3 真空泵简介（2）滑阀式真空泵滑阀式真空泵的结构示意图油的作用：运动部件间的密封，对机械部件润滑。第43页/共81页3 真空泵简介（2）滑阀式真空泵第44页/共81页与

24、泵同心的驱动轴带动偏心轮旋转，偏心轮带动滑阀环运动，使滑阀杆在导轨中上下滑动和左右摆动。滑阀将泵腔分成A、B两个部分。当驱动轴按图中所示方向转动时，A腔的容积增加，压力降低，泵入口气体经滑阀杆（A腔一侧的开口）进入A腔，此时处于吸气过程。当滑阀处于左上方位置时，A腔容积达到最大，此时进气口与A腔隔绝，完成吸气过程；B腔的容积减小，压缩气体。当B腔内气体压力达到排气压力时，推开油封的排气阀，开始排气。当滑阀处于左上方位置时，排气终了。在连续运转过程中，泵不断地进行吸气、压缩和排气过程，从而达到了连续抽气的目的。3 真空泵简介（2）滑阀式真空泵第45页/共81页n工作原理：依靠放置在偏心转子中的可

25、以滑进滑出的旋片，将气体隔离，压缩，然后排出泵体之外。n工作参数：n理论抽速：Sp=Vf:(V为转子与定子间的体积；f为转速）n实际抽速：1-300L/sn极限真空：单级为1Pa；两级串联为10-2 Pan特点与使用单独使用或用作其它高级泵的前级泵，低真空系统.n 缺点：油污染 （3）真空泵简介-旋片式真空泵旋片式真空泵的结构示意图第46页/共81页（3）真空泵简介-旋片式真空泵第47页/共81页 转子偏心地安装于泵体内且外圆与泵体内表面相切（两者间有很小的间隙），转子开槽，槽内装有旋片。当转子旋转时，旋片靠离心力和弹簧张力使其顶端与泵腔始终接触，沿泵体内壁滑动。若按箭头方向旋转时，A空间的溶

26、剂增加，压力降低，气体经泵入口被吸入，此时处于吸气过程；B空间的溶剂减小，压力增加，处于压缩过程；C空间容积进一步缩小，压力进一步增加，当压力超过排气压力时，压缩气体推开油密封的排气阀，处于向大气中的排气过程。（3）真空泵简介-旋片式真空泵第48页/共81页型号：2XZ-2,2XZ-4,2XZ-8第49页/共81页（4）真空泵简介干性机械泵工作原理 通过增加腔的容积来降低压力特点与使用 使用非金属材料作为运动表面，以避免使用填缝剂和润滑剂，从而可避免油污染反应室。现今集成电路工艺中使用干性泵。缺点：极限真空度低，噪声大，价格高旋转支架干性机械泵第50页/共81页（4）真空泵简介干性机械泵 两个

27、转子按箭头方向旋转时，吸气口与泵腔接通，泵腔容积变大而吸气，当转子关闭吸气口时吸气结束，以后泵腔变小而压缩气体，当排气口打开后泵腔排气，排气口关闭时则排气完毕，如此循环工作。第51页/共81页n工作原理：泵体内两个呈8字型的转子以相反的方向旋转，转子的咬合精度很高，被抽气体从吸气口进入泵腔，被封闭在吸气腔V2之内，再经排气口排出泵外。n工作参数：n理论抽速：Sp=Vf:n实际抽速：1-103L/sn极限真空：10-2 Pan特点与使用与旋片机械泵串联使用，不能直接向空气排气。现正设计新型的可直接向空气排气的罗茨泵。高真空系统；价格较贵。（5）真空泵简介-罗茨泵罗茨泵结构示意图第52页/共81页

28、第53页/共81页（5）真空泵简介-罗茨泵 泵体内两个呈8字型的转子以相反的方向旋转，转子的咬合精度很高，被抽气体从吸气口进入泵腔，被封闭在吸气腔V2之内，在经排气口排出泵外。（由于在吸入V2空间内的气体没有被压缩，当转子的顶部转过排气口边缘时，V2空间这时与排气侧相通，由于排气侧气体压力较高，有部分高压气体返流到V2空间内，使泵腔内突然升高达到排气压力。转子继续旋转时，被抽气体排出泵外。）第54页/共81页n工作原理：将扩散泵油加热至高温蒸发状态(200oC)，让油蒸气呈多级状向下定向高速喷出时不断撞击使其被迫向排气口运动，在压缩作用下被排出泵体。同时泵体冷却的油蒸汽又会凝聚返回泵的底部n工

29、作参数：实际抽速：1-104L/s(决定于泵体口径）极限真空：10-5 Pan特点与使用与旋片机械泵串联使用，需要机械泵抽预真空(1Pa)；油污染；价格便宜。（6）真空泵简介-油扩散泵油扩散泵结构示意图第55页/共81页n扩散泵油被加热后产生大量的油蒸气，油蒸气沿着蒸气导管传输到上部，经伞形喷嘴向外喷射出。由于喷嘴外的压强较低，于是蒸气会向下喷射出较长距离，形成一高速定向的蒸气流。其射流的速度可达200m/s甚至2倍音速以上，且其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。这样真空室内的气体分子必然会向着压强较低的扩散泵喷口处扩散，跟具有较高动量和能量的超音速蒸气分子相碰撞而发

30、生动量和能量交换。（6）真空泵简介-油扩散泵油扩散泵结构示意图第56页/共81页n气体分子在高速油分子碰撞推动下，被赶向下方，在泵下方形成密集气体分子流，在出口处被前置泵抽走，而从喷嘴射出的油蒸气流喷到水冷的泵壁被冷凝成液体，流回泵底再重新被电炉加热形成蒸气。这样，在泵内保证了油蒸气的循环，使扩散泵能连续不断地工作，从而使被抽容器获得较高的真空度。（6）真空泵简介-油扩散泵油扩散泵结构示意图第57页/共81页（7）真空泵简介-涡轮分子泵n工作原理：靠机械运动对气体分子施加作用，并使气体分子向特定方向运动的原理来工作的。涡轮分子泵的转子叶片具有特定的形状，以20000-30000转/分的高速旋转

31、，将动量传给气体分子，多级叶片(10-40)的连续压缩保证了分子泵的高效快速的工作。n工作参数：n实际抽速：1000L/s(决定于泵体口径和转速）n极限真空：10-8 Pa涡轮分子泵结构示意图第58页/共81页特点与使用 与旋片机械泵串联使用，需要机械泵抽预真空至1Pa以下；无油污染；价格昂贵。导致涡轮泵出问题的最常见的原因 1、突然将泵暴露于大气之下，涡轮叶片弯曲并互相碰撞，导致极大的失败。2、涡轮泵的回转轴是精密平衡的，所以在使用过程中严禁移动或冲撞。（7）真空泵简介-涡轮分子泵第59页/共81页分子泵输送气体通常应满足以下两个条件：1、必须在分子流状态下工作，需配备前级泵。2、转子叶片必

32、须具有与气体分子速度相近的线速度。（7）真空泵简介-涡轮分子泵第60页/共81页（8）真空泵简介-低温吸附泵n工作原理：依靠气体分子在低温条件下自发凝结或被其他物质表面吸附的性质实现对气体分子的去除，进而获得高真空的装置。真空度依赖于低温度，吸附物质的表面积和吸附气体的种类等。n工作参数：n常用的吸附物质：金属表面；活性碳；沸石等分子筛n极限真空：10-110-8 Pan特点与使用 需要机械泵抽预真空(10-1pa)；无油高真空系统；价格较贵；高温时，被吸附的气体又释放出来。低温吸附泵结构示意图第61页/共81页（8）真空泵简介-低温吸附泵n利用低温表面将被抽空间的气体冷凝、捕集、吸附或冷凝吸

33、附，使被抽空间的压力大大降低，从而获得并维持真空状态的抽气装置。低温泵抽气是一种储存式捕集排气，它所抽走的气体不是直接排到泵外，而是储留在泵内，一旦冷凝表面温度发生变化，它所抽走的气体又重新放出，而破坏泵的正常工作。n 泵停止工作后，关闭高真空隔离阀，可以保持真空度不变。制冷剂不再产生冷量，冷头逐渐恢复常温。这时，冻结在冷板上的可凝性气体将蒸发，被活性炭吸附的非可凝性气体将解吸，它们都跑到气相中去，从而形成较高的压力。为安全及排出这些气体，在泵壳上设有再生抽气排出口，泵工作时，它用密封塞塞住。当停机时，泵壳内压力升高，通过内外压力差将密封塞顶开，壳内气体自动排放到大气。第62页/共81页（9）

34、真空泵简介-溅射离子泵n工作原理：依靠高压阴极发射出的高速电子与残余气体分子相互碰撞后引起气体电离放电，而电离后的气体分子在高速撞击阴极时又会溅射出大量的Ti原子。由于Ti原子的活性很高，因而它将以吸附或化学反应的形式捕获大量的气体分子并在泵体内沉积下来，实现超高真空的获得。n工作参数：实际抽速：决定于泵体口径和阴极高压极限真空：10-8 Pan特点与使用与旋片机械泵和分子泵配合使用，需要抽预真空(10-6 Pa)；无油污染；超高真空洁净系统；价格昂贵。适于抽除惰性气体。溅射离子泵结构示意图第63页/共81页（9）真空泵简介-溅射离子泵n溅射离子泵的抽速对不同的气体是不一样的。它所抽除的气体分

35、子不会在高温下再被释放出来。同时，Ti电极的不断溅射使得离子泵的寿命是有一定限度的，它根据所使用的真空度范围不同溅射而变化很大。为了延长Ti电极的使用寿命，溅射离子泵多与其他泵串连起来使用于高真空系统之中。第64页/共81页1.4 真空测量技术n目前，真空技术所涉及的压强范围极广，因此找不出一种压强计能覆盖整个压强范围。n人们往往是针对具体的被测压强范围，设法用这样那样的手段来测量。换句话说，真空规是基于不同气体的物理参数而制造的，各有千秋。n那么，怎么的真空规好呢？适合于具体的工作条件的真空规，就是最好的。第65页/共81页1.4 真空测量技术n根据真空度范围不同，真空测量方法和原理各不同。

36、n测量出的真空度与实际真空度之间可能由于温度的不同而存在误差，而且当气体处于分子流状态，真空室与测试点的气压也有所不同。pc/pm=(Tc/Tm)1/2 Tc,Tm分别为真空室和测试点的温度n当气体的流动状态接近甚至达到粘滞流状态的情况下，温差造成的测量误差趋于0。第66页/共81页1.4 真空测量技术n真空测量元件常被称为真空规。n真空测量技术分为低真空和高真空测量。n常用的有三种方法：1.热偶真空规和皮拉尼真空规2.薄膜真空规3.电离真空规第67页/共81页（1）真空测量技术-热偶规或皮拉尼规n热偶规或皮拉尼规都是以气体的热导率随气体压力的变化为基础设计的，是低真空时最常用的测量手段。n

37、对不同气体的测量结果不同，因不同气体分子的导热系数不同。第68页/共81页（1）真空测量技术-热偶规或皮拉尼规n热偶规工作原理：气体的热导率随气体压力变化（气体热导率随着气体压力 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），通 过热电偶测出热丝的温度，也就相应的测出了环境的气体压强。n测量范围：热偶规 n特点与使用：属低真空测量，仪器结构简单，使用方便。第69页/共81页（1）真空测量技术-热偶规或皮拉尼规n皮拉尼工作原理：（电阻真空规）通过测量热丝的电阻随温度的变化实现 对真空度的测量。n测量范围：皮拉尼 n特点与使用：属低真空测量，优缺点与热欧规相似。仪器结构简单，使用方便。

38、第70页/共81页（2）真空测量技术电离真空规n工作原理：利用某种手段使进入规管中的部分气体分子发生电离，收集这些离子形成离子流；由于被测气体分子所产生的离子流在一定压力范围内与气体的压力呈现出正比关系，则通过测量离子流的大小就可以反映出被测气体的压力值。n测量范围：10-9-1Pa n特点与使用：属高真空和超高真空测量，通常与热偶规同时使用。第71页/共81页（2）真空测量技术电离真空规n应用最广的是热阴极电离真空计：高温阴极灯丝发射电子，经阳极加速后获得足够的能量，与气体分子碰撞引起电离，产生正离子与电子。电子及正离子数正比于气体的压力p。收集极收集正离子，根据所测离子流的大小指示气体压力

39、。n冷阴极电离真空计同热阴极电离真空计的工作原理相同，只是电离源不同。靠冷发射产生少量的初始自由电子，在电磁场的作用下最终形成自持气体放电。放电电流与压力有确定关系。第72页/共81页（2）真空测量技术电离真空规n在真空系统中，往往需要两种或多种仪表以互补彼此的不足和满足所有的测量范围，这就需要根据具体情况来决定。n表1-5给出了不同真空应用范围真空计的选用以及使用时应注意的问题。第73页/共81页（3）真空测量技术-薄膜真空规n工作原理：通过薄膜在气体压力差下产生机械位移，测量电极间电容，对气压进行绝对测量，测量结果与气体种类无关。n测量范围：10-3-100Pa(10-3 Pa相当于薄膜位

40、移为一个原子尺寸大小)n特点与使用：属高真空测量。第74页/共81页1.5 真空度对薄膜工艺的影响n真空薄膜的质量与材料、薄膜工艺以及真空系统的质量有关。n真空系统的质量主要是指系统真空度的好坏，特别是系统内所含水蒸气与油污染的程度。n保持较高的真空度，可以：、减少蒸发分子与残余气体分子的碰撞；、抑制它们之间的反应，减少对衬底表面的玷污。第75页/共81页1.6 几种典型真空系统的建立（1）低真空系统n系统组成：真空室；机械泵；热偶规n应用 低压化学汽相薄膜 沉积；真空包装等真空室机械泵控制与测试电磁阀热偶规第76页/共81页1.6 几种典型真空系统的建立(2)高真空系统n系统组成：真空室；分

41、子泵或油扩散泵；机械泵；热偶电离复合规n获得高真空的操作流程 n应用 溅射沉积和蒸发等镀膜系统 真空室机械泵真空计高真空阀复合真空规扩散泵或分子泵低真空阀预真空阀第77页/共81页真空室机械泵真空计高真空阀复合真空规扩散泵或分子泵预真空阀离子泵n系统组成：真空室；分子泵或油扩散泵；机械泵；离子泵；热偶电离复合真空规n获得高真空的操作流程n应用：表面，界面及原子操纵 1.6 几种典型真空系统的建立-(3)超高真空系统闸板阀低真空阀第78页/共81页真空系统建立纲要根据系统真空度的要求，确定选用单级泵，还是多级级联泵。根据系统真空度的要求，采用不同的真空管件接口密封配件。如O型胶圈，无氧铜圈，银圈

42、或金圈等。根据真空室大小，选择各泵的抽速及型号。真空管件要尽量的短，即真空室越靠近各泵体越好。真空管件的截面积要求尽量的大，即管道越粗越好。第79页/共81页本章作业1、什么是真空？列出最常见的真空单位？并描述 4种真空范围。2、什么是平均自由程？为什么它在薄膜制备过程中很重要？4、描述旋片式机械泵、油扩散泵、涡轮分子泵和溅射离子泵的工作原理。5、涡轮分子泵输送气体通常应满足的两个条件是什么？6、描述测量高、低真空的电离规和热偶规。7、如要设计一个真空度为5 10-4Pa的高真空系统，需要哪 些真空泵、测试元件和阀门（3个阀），画出系统框图，并描述获得该真空的操作过程。8、分析真空度对薄膜工艺的影响。第80页/共81页感谢您的观看！第81页/共81页