薄膜材料与技术09级第1章真空技术基础

薄膜材料与技术09级第1章真空技术基础主要教学内容第1章真空技术基础（2学时）真空的基本知识、获得和测量技术第2章薄膜制备的化学方法（6学时）CVD技术的原理、分类、设备工艺及应用场合其它基于化学方法的薄膜制备技术的原理、特点和应用领域第3章薄膜制备的物理方法（6学时）蒸发、溅射、离子镀等PVD技术的原理、工艺及适用领域第4章薄膜的形成与生长（6学时）薄膜形核、生长、形成理论；典型生长及对应结构特征第5章薄膜征（4学时）薄膜材料现代表征方法的分类、原理和适用范围本课程讨论的对象：什么是薄膜（Thinfilm）？本课程的讨论对象是什么？①相对尺度：某一维尺寸<<其余二维尺寸；②绝对尺度：在此维度上材料厚度<1~5m，厚度>5m的沉积层叫什么？一般称为涂层(Coatings)具有结构/功能特性的固态薄膜（thinsolidfilms）！本课程的研究内容薄膜材料与技术1真空技术基础真空与薄膜材料与技术有何关系？几乎所有的现代薄膜材料制备都需要在真空或较低的气压条件下进行都涉及真空下气相的产生、输运和反应过程了解真空的基本概念和知识，掌握真空的获得和测量技术基础知识是了解薄膜材料制备技术的基础！1.1真空的基本知识中学物理内容：1643年托里切利(Torricelli)著名的大气压实验为人类首次揭示了真空这个物理状态的存在！管内水银柱上方空间内，因已排除空气的存在而形成真空(托里切利真空)图中A、B、C三点压力相等，A、C点：大气压；B点：水银柱产生的压力换句话说：可用水银柱产生的压力作为大气压力的量度!把高度为760mm的水银柱所产生的压力定义为1个大气压(1atm)1atm=760mmHg！结果：得到了“真空”的定义和大气压的定义与量度依据！1真空技术基础1.1真空的基本知识概念：利用外力将一定密闭空间内的气体分子移走，使该空间内的气压小于1个大气压，则该空间内的气体的物理状态就被称为真空。注意：真空，实际上指的是一种低压的、稀薄的气体状态，而不是指“没有任何物质存在”！因此，真空可分为现代真空技术的极限：每cm3空间内仅有数百个气体分子对应气压10-11Pa思考题：常温常压下，每cm3空间内有多少个气体分子？提示：可由Avogadro常数推算(6.02×1023个/22.4×103cm32.7×1019个/cm3)1真空技术基础1.1真空的基本知识1.1.1真空度的单位真空的实质：一种低压气体物理状态真空度采用气体压强表征真空度的单位=气体压强的单位注意：真空度和气压的意义相反真空度意味着气压主要单位制换算基础：1N＝105dyne＝0.225lbf1atm＝760mmHg（torr）＝1.013×105Pa＝1.013bar1真空技术基础1.1真空的基本知识1.1.1真空度的单位不同真空度单位制间的换算关系：说明：1、mmHg是人类使用最早、最广泛的压强单位；1958年为纪念托里切利，用托（torr）代替了mmHg：1torr＝1mmHg2、早期的真空度计量常以torr或mbar为单位；目前随着标准化进程的推进，SI（MKS）制单位应用日渐广泛真空度用Pa作单位1真空技术基础1.1真空的基本知识1.1.2真空区域的划分真空区域：指不同的真空度范围；划分目的：为了研究真空和实际应用的便利；划分依据：按照各个压强范围内气体运动特征的不同进行划分；划分准则：理论上，可依据Knudsen数的不同进行划分。相关物理：1）Knudsen数定义：物理意义：是描述稀薄气体流动状态的准数！分子平均自由程大于流场特征尺寸时的气流称为Knudsen流，其Kn一般>10！2）真空系统中气体运动特征的理论划分：粘滞流（层流、Poiseuille流）粘滞-分子流分子流（自由分子流、Knudsen流）Kn<0.010.01Kn=0.01~11Kn>>1—气体分子的平均自由程—流场特征尺寸（如：管径）1真空技术基础1.1真空的基本知识1.1.2真空区域的划分3）理想气体状态方程：，式中：n—分子密度(个/m3)；k—玻尔兹曼常数，1.38×10-23J/K；P—气体压强(Pa)；T—气体温度(K)；V—气体体积(m3)；m—气体质量(kg)；M—气体分子量(kg/mol)；R—普适气体常数，R=NA·k=8.314J/mol·K；NA—Avogadro常数，6.02×1023个/mol；4）气体分子的自由程（）：每个气体分子在与其它气体分子连续2次碰撞之间运动经历的路程。平均自由程（）：气体分子自由程的统计平均值。式中：—分子直径（m）；Avogadro定律：一定温度、压力下，各种气体单位体积内含有的分子数相同。表明：1）与P成反比，而与T成正比；2）在气体种类和温度一定的情况下：1真空技术基础1.1真空的基本知识1.1.2真空区域的划分5）真空区域的工程划分：空气在室温下满足记忆方法：“52-168(159)”1真空技术基础1.1真空的基本知识1.1.3气体的吸附及脱附真空下，气体在固体表面的吸附和脱附现象总是存在的！一、基本概念气体吸附：固体表面捕获气体分子的现象气体脱附：逆过程气体从固体表面释出二、为什么需要关注（意义？）1）气体在固体表面的吸附/脱附常常影响真空的实现和保持；2）吸附原理还被用来制作各种吸附泵来获得高真空。三、吸附的主要机制：物理吸附：分子间作用力引起、无选择性、低温有效、易脱附化学吸附：仅当气固接触生成化合物时发生、高温有效、不易脱附四、可能的影响因素：P气、T固、气、表面光洁度、清洁度等，如：T固易脱附！1真空技术基础1.1真空的基本知识（课后作业）：1、真空如何定义（概念）？如何表征？有哪些单位制？如何换算？2、为什么要划分真空区域？其依据是什么？关键参数如何定义？3、工程上如何划分真空区域？各个真空区域的气体分子的物理运动特征如何？4、什么是吸附和脱附？为什么要关注？其主要机制和影响因素有哪些？1.2真空的获得真空的获得：就是所谓的“抽真空”！利用各种真空泵把容器内的空气抽出，使其内部压强保持在<1atm的特定压强范围！获得真空的主要工具各种真空泵（Pump）！真空泵的分类1真空技术基础1.2真空的获得真空泵的分类及常用工作压强范围说明：从大气压力开始抽气，没有一种真空泵可以涵盖从1atm到10-8Pa的工作范围真空泵往往需要多种泵组合构成复合抽气系统实现以更高的抽气效率达到所需的高真空！1真空技术基础1.2真空的获得1.2.1旋片式机械泵（RotaryPump）（a）外观（b）内部结构（c）工作原理1、扩张（吸气）2、容积最大3、压缩4、排气机械泵：利用机械运动部件转动或滑动形成的输运作用获得真空的泵。分类：旋片式（最常见）、定片式、滑阀式运转模式：吸气压缩排气（不断循环）基本特点：需加真空油（密封用）；可从大气压开始工作；真空度要求低可单独使用；真空度要求高作为前级泵使用工作区间：单级：105~1Pa；双级：105~10-2Pa优、缺点：结构简单、工作可靠；有油污染的问题。双级机械泵示意图1真空技术基础1.2真空的获得1.2.2油扩散泵（DiffusionPump）（a）外观（b）内部结构（c）工作原理真空油历经循环：蒸发喷射碰撞冷凝回流工作原理：1）将真空油加热到高温蒸发状态（约200℃）；2）让油蒸汽分多级向下定向高速喷出；3）大量油滴通过撞击将动能传递给气体分子；4）气体分子向排气口方向运动，并在动压作用下排出泵体；5）油气雾滴飞向低温介质冷却的泵体外壁，被冷却凝结成液态后返回泵底部的蒸发器。1真空技术基础1.2真空的获得1.2.2油扩散泵（DiffusionPump）（d）典型高真空系统组合前级：罗茨泵+机械泵后级：油扩散泵高真空阀和冷阱阻止油气回流的Baffle工作区间：1~10-6Pa（因此需要前级机械泵提供1Pa的出口压力）优点：1）造价较低的高真空泵；2）没有机械运动部件。缺点：油蒸汽回流有可能污染真空系统（不宜在分析仪器和超高真空场合使用）。1真空技术基础1.2真空的获得1.2.3涡轮分子泵（TurbomolecularPump）（a）外观（b）内部结构（c）工作原理工作原理：1）泵内交错布置转向不同的多级转子和定子；2）转子叶片以20k~60kr/min的高速旋转；3）叶片通过碰撞将动能不断传递给气体分子；4）气体分子被赋予动能后被逐级压缩排出。工作区间：1~10-8Pa也需前级泵提供1Pa的出口压力，但可提供更高真空度优点：无油、抽速较高。缺点：1）抽取低原子序数气体能力较差；2）造价高；3）不易维护。1真空技术基础1.2真空的获得1.2.4低温吸附泵（Cyropump）（a）外观（b）内部结构多级深冷头示意图工作原理：利用20K以下的超低温表面来凝聚气体分子以实现抽气。1）初级冷头（外侧温度=50~80K）：吸附水气、CO2等；2）多级深冷头（T<20K）：外侧光滑金属表面吸附N2、O2、Ar；内侧活性炭表面吸附H2、He、Ne工作区间：10-4~10-11Pa优点：可实现目前最高的极限真空度：10-11Pa。缺点：1）属于捕获泵的一种，使用要求高，需要外加冷源（液氮、液氦或制冷机）；2）需要“再生”处理。1真空技术基础1.2真空的获得小结（课后作业）：1、真空泵可分为哪两大类？简述各类包括的常用真空泵类型及其工作压强范围。2、分析说明实用的真空抽气系统为什么往往需要多种真空组成复合抽气系统？3、各举一例比较气体输运泵和气体捕获泵工作原理的不同。1.3真空的测量概念：采用特定的仪器装置，对某一特定空间内的真空度（即：气压）进行测定。这些仪器常被称为真空计（Manometer）或真空规（VacuumGauge）分类：因此：P时，气体稀薄化气体导热能力Qg相同灯丝电流下Ql热电偶温度T电压表上测得的热电势V特定气压范围内（102~10-1Pa间），成立：！工作原理：利用一个灯丝持续加热，灯丝旁有一热电偶，灯丝放热总量（Qt）等于辐射热损失（Qr）、热电偶-灯丝间热传导（Ql）及气体分子与灯丝碰撞携带走的热量（Qg）之和：1真空技术基础1.3真空的测量1.3.1热偶真空计（ThermoCoupleGauge）热偶真空计的工作原理示意图工作范围：102~10-1Pa之间；应用场合：大量用于真空度较低、精度要求不高的场合；特点：1）结构简单、使用方便；2）对不同气体测量结果不同，需要校正；3）不能测量过高或过低的气压；4）热惯性较大，易发生零点漂移现象。工作原理：1）由两组灯丝组成，一组灯丝置于密封定压空间内作为参考，另一组与待测压腔体相通。2）两组灯丝同时被视为两个电阻组成Wheatstone电桥。3）两组灯丝同时被通电加热，若其所处环境压力不同（空气稀薄程度不同）导致热耗散速度也不同，因而灯丝电阻会因温度不同而产生差异，流过之电流随之改变。4）因参考端气压固定，因而温度、电阻、流过电流不变，借助其补偿作用可比对求出待测腔体内的气体压力。1真空技术基础1.3真空的测量1.3.2皮拉尼真空计（PiraniGauge）热偶真空计的改进形式！皮拉尼真空计的工作原理工作范围：102~10-1Pa之间（与热偶真空计相当）；应用场合：大量用于真空度较低、精度要求不高的场合；特点：1）响应速度比热偶真空计快得多；2）一定程度上解决了零点漂移的问题。1真空技术基础1.3真空的测量1.3.3电离真空计（IonizationGauge）（a）内部结构（b）工作原理示意图工作原理：利用气体分子与振荡电子的碰撞电离作用测得气压！1）电子的振荡与捕获：①热电子发射②加速飞向栅极③部分被捕获④漏网飞离栅极⑤反向减速掉头后再加速飞回栅极⑥再捕获漏网逃离栅极⑦再次减速并掉头加速重复②以后过程（在劫难逃！）……2）气体分子碰撞电离：电子往复振荡与气体分子不断碰撞使之发生电离，电离产生的二次电子继续加入振荡-捕获过程，而气体离子则飞向离子收集极形成回路电流，且满足：Ie—灯丝电流；S—常数。3）获得相对气压测值：灯丝电流Ie一定时，就可由离子电流I+的大小测得气压P。1真空技术基础1.3真空的测量1.3.3电离真空计（IonizationGauge）（a）S-P型工作上下限问题及分类：高低真空端不同！1）下限（高真空端）：需要解决软X射线问题。问题：栅极被高能电子轰击发射出的软X射线会进一步轰击离子收集极，使之发射光电子并在离子收集极上形成微弱的等效离子电流ix（光电效应），收集极电流IC实际上由I+和ix两部分组成：普通三极型电离真空计ix的量级与真空度为10-6~10-7Pa时的I+相当，因此其工作下限一般为10-6Pa！解决方法：离子收集极尺寸最小化针状受软X射线轰击的面积（几率）ix的数量级（与真空度为10-8~10-9Pa时的I+相当）此类改进工作下限的电离真空计由Bayard和Alpert提出，被称为B-A型，其工作下限可低至10-8Pa！（b）B-A型1真空技术基础1.3真空的测量1.3.3电离真空计（IonizationGauge）（a）S-P型工作上下限问题及分类：高低真空端不同！2）上限（低真空端）：解决饱和电离的非线性问题。问题：P>10-1Pa时，气体分子数电子与气体分子的碰撞几率同时电子能量、自由程气体电离趋于饱和ICP的线性关系不再成立！因此，普通电离真空计的工作上限为10-1Pa。解决方法：1）大幅度降低电极间间隔（~3mm）；2）提高灯丝（发射极）电位到+45V，同时提高离子收集极电位到0V。此类改进工作上限的电离真空计由Schulz和Phelps提出，被称为S-P型，其工作上限可提高到10Pa，但同时由于强化了前述的软X射线导致的光电效应，工作下限也相应提高到10-2Pa！（b）B-A型1真空技术基础1.3真空的测量1.3.3电离真空计（IonizationGauge）小结：1）电离真空计的工作范围：普通三极型：10-6~10-1Pa；B-A型：10-8~10-1Pa（高真空适用）；S-P型：10-2~10Pa（低真空适用）2）特点：①可快速、连续测量；②不适于低真空测量（改进的S-P型也要求P<10Pa）；③测量结果与气体种类有关；④需要定期除气处理。课后作业：真空计如何分类？图示说明至少2种常用真空计的工作原理、工作范围、适用场合以及优、缺点。1真空技术基础1.3真空的测量1.3.4薄膜真空计（CapacitanceManometer）工作原理：依靠金属薄膜在气体压力差下产生机械位移测量气体的绝对压力。1）利用金属薄膜将容器分隔为两部分，上半部充入压力已知的气体，下半部与待测真空腔连通；2）薄膜两侧存在压差时，薄膜在压力作用下发生变形，使薄膜与固定极板的间距发生变化，从而使极间电容发生变化，测得电容变化即可反求得到薄膜偏移量，然后反推压力差。工作范围：下限10-3Pa，上限取决于薄膜强度和位移极限，一般在105～103Pa之间。应用场合：适用于工作气体具有腐蚀性的真空环境测量。特点：1）测得的是绝对压力；2）测量精度很高，且与气体种类无关；3）对环境温度非常敏感，必须作好温控。4）尽管属于绝对真空计，仍然需要精确地校正后才能使用。薄膜真空计的结构及工作原理示意图