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固体液体气体1.1.1气体分子的运动速度及其分布气体分子运动论：气体分子一直处无规热运动；平均运动速度取决于温度；分子之间和分子与器壁之间相互碰撞。结果：气体分子的速度服从一定统计分布,气体本身对外显示一定的压力。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。Maxwell-Boltzmann分布：温度越高，分子的平均运动速度越大。相对原子质量越小，f(v)v1.1.2气体的压力和气体分子的平均自由程理想气体的压力：气压单位：1Pa＝1N/m21atm＝760mmHg＝101325Pa1Torr＝1mmHg＝133.3Pa1mbar＝100Pa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。d—气体分子的有效截面直径计算：常温常压下λ空气。d空气≈0.5nm，λ空气≈50nm平均碰撞频率＝≈1010降低气体压力，减小碰撞几率，获得较大的平均自由程。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。克努森方程气体分子对衬底碰撞薄膜沉积薄膜沉积速度正比于气体分子的通量计算：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：常温、常压，τ≈3.5×10-9sp=10-8Pa，τ≈10hN—清洁表面的原子面密度真空环境划分：低真空>102Pa中真空102~10-1Pa高真空10-1~10-5Pa超高真空<10-5Pa真空蒸发沉积：高真空和超高真空（<10-3Pa）;溅射沉积：中、高真空（10-2~10Pa）;低压化学气相沉积：中、低真空（10~100Pa）;电子显微分析：高真空;材料表面分析：超高真空。Back1.2气体的流动状态和真空抽速1.2.1气体的流动状态气体分子的无规则运动本身并不导致气体的宏观流动。只有在空间存在宏观压力差的情况下，气体作为一个整体才会产生宏观的定向流动。气体的流动状态根据气体容器的几何形状、气体的压力、温度以及气体的种类不同而存在很大差别。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）克努森（Knudsen）准数D—气体容器的尺寸分子流状态Kn＜1过渡状态Kn＝1~100粘滞流状态Kn＞100层流状态：低流速黏滞流所处的气流状态，即气体宏观运动方向与一组相互平行的流线相一致。紊流状态：高流速黏滞流所处的气流状态，气体不再能够维持相互平行的层状流动模式，而呈现出一种旋涡式的流动模式。1.2.2气体管路的流导流导：真空管路中气体的通过能力。p1、p2—管路两端的气压Q—单位时间内通过管路的气体流量(单位时间内流过的气体体积与压力的乘积)分子流气体：流导C与压力无关，受管路形状影响，且与气体种类、温度有关。例：一个处于两个直径很大的管路间的通孔，设孔的截面积为A，则其流导应正比于通孔两侧气体分子向通孔方向流动的流量之差。通孔的流导粘滞流气体：气体流导的数值还随气体的压力呈现复杂的变化。一般规律是，当压力升高时，气体通过单位面积的流量有增加的趋势，因而管路流导的数值随压力的升高而增加。不同流导C1、C2、C3相互串联或并联，形成总流导C：串联流导并联流导1.2.3真空泵的抽速思考：真空泵的抽速和管路的流导有何区别？p—真空泵入口处气体压力Q—单位时间内通过真空泵入口处气体流量图1.4没有回流(a)和有回流(b)情况下真空系统的模型图1.4a：流量相等Q=C(p-pp)=Sppp实际抽速真空系统设计的一个基本原则：确保C大于Sp。当Sp=C时，S=Sp/2。真空泵可以提供的极限真空度（存在气体回流的情况）设：回流量Qp，令Q=0，极限真空度实际抽速流量相等压力随时间的变化规律t=0时的真空度Back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真空泵简介1.3.1旋片式机械真空泵★工作原理：依靠安置在偏心转子中的可以滑进滑出的旋片将气体隔离、压缩，然后排出泵体之外。理论抽速Sp=转子与定子间的体积V×转速f抽速范围:1~300L/s，极限真空度：10-1Pa特点：结构简单、工作可靠缺点：油污染工作原理示意图：单独使用或高真空系统的前级真空吸气压缩排气1.3.2罗茨（Roots）真空泵工作原理：泵内两个呈8字型的转子以相反的方向旋转。优点：无油，抽速大（103L/s），极限真空度高（10-2Pa）缺点：适用范围窄（0.1~1000Pa）1.3.3油扩散泵工作原理：将油加热至高温蒸发状态(约200℃)，让油蒸气呈多级状向下定向高速喷出时不断撞击气体分子，并将部分动量传给这些气体分子，使其被迫向排气口方向运动，在压缩作用下被排出泵体。适用范围：1-10-6Pa缺点：油蒸气的回流（解决方法：冷阱）1.3.4涡轮分子泵★工作原理：高速旋转的叶片（2000-3000r/min）将动量传给气体分子，并使其向特定方向运动。特点：压缩比高（氮气109，氢气103），无油。适用范围：1~10-8Pa1.3.5低温吸附泵工作原理：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而获得高真空。真空度依赖于低温温度、吸附物质的表面积、被吸附气体的种类等因素。适用范围：10-1-10-8Pa。1.3.6溅射离子泵★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：10-8Pa。Ti升华泵★★★Back1.4真空的测量真空测量：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：Tc、Tm—真空室和测量点处气体温度1.4.1热偶真空规和皮拉尼（Pirani）真空规★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：又称热阻式真空规，通过测量热丝的电阻随温度的变化来实现对真空度的测量。优缺点：同热偶真空规类型：定温度型，定电流型和定电压型。1.4.2电离真空规★工作原理：热阴极发射出的电子在飞向阳极过程中碰撞气体分子使之电离。离子收集极接收电离的离子，根据离子电流强度Ii的大小测量环境真空度。——与热偶真空规结合使用的高真空规阴极发射的电子电流强度Ie、气体分子的碰撞截面、气体分子的密度离子电流与气体压力之间的关系测量范围：1~10-7Pa缺点：测量值与所测气体种类有关。▲为了消除真空规本身放气对高真空度时测量值的影响，在使用之前需加热至稍高的温度进行预先烘烤，以减少测量时放气的影响。1.4.3薄膜真空规工作原理：薄膜在气体压力差下产生机械位移。测量范围下限：10-3Pa上限：取决于薄膜材料本身抗破坏的强度或薄膜的位移极限。优点：绝对测量，测量结果与气体种类无关，线性度很好。★★Back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）