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真空镀膜技术人门知识

2014-8-10 18:03:54      点击:

真空:低于一个大气压的气体状态。

1643年,意大利物理学家托里拆利(E.Torricelli)首创著名的大气压实验,获得真空。

自然真空:气压随海拔高度增加而减小,存在于宇宙空间。

人为真空:用真空泵抽掉容器中的气体。

n        真空量度单位

1标准大气压=760mmHg=760(Torr)

1标准大气压=1.013x105 Pa

1Torr=133.3Pa

n        真空区域的划分

目前尚无统一规定,常见的划分为:

粗真空 105-103pa(760-10Torr)

低真空 103-10-1pa(10-10-3Torr)

高真空 10-1-10-6pa(10-3-10-8Torr)

超高真空 10-6-10-10pa(10-8-10-12Torr)

极高真空 <10-10pa(<10-12Torr)

n        真空技术的应用

电子技术、航空航天技术、加速器、表面物理、微电子、材料科学、医学、化工、工农业生产、日常生活等各个领域。

真空获得真空泵

1654年,德国物理学家葛利克发明了抽气泵,做了著名的马德堡半球试验。

原理:当泵工作后,形成压差,p1 >p2,实现了抽气。

n        真空泵的分类

气体传输泵: 是一种能将气体不断地吸入并排出泵外以达到抽气目的的真空泵,例如旋片机械泵、油扩散泵、涡轮分子泵。

气体捕集泵: 是一种使气体分子短期或永久吸附、凝结在泵内表面的真空泵,例如分子筛吸附泵、钛升华泵、溅射离子泵、低温泵和吸气剂泵。

n        真空泵的主要参数

抽气速率: 定义为在泵的进气口任意给定压强下,单位时间内流入泵内的气体体积

或表示为:

其中,Q为单位时间内流入泵的气体量。泵的抽气速率S并不是常数,随P而变。

极限压强:Pn(极限真空)

最高工作压强:Pm

工作压强范围(Pn-Pm):泵能正常工作的压强范围

几种常用真空泵的工作压强范围:

旋片机械泵105-10-2pa

吸附泵105-10-2pa

扩散泵100-10-5pa

涡轮分子泵101-10-8pa

溅射离子泵100-10-10pa

低温泵10-1-10-11pa

n        几种常用真空泵的工作原理

l        旋片机械泵

工作过程是: 吸气压缩排气。

定子浸在油中起润滑,密封和堵塞缝隙的作用。

主要参量是: 抽速和极限压强。

由于极限压强较高, 常用做前级泵(预抽泵)

旋片式机械泵

l        油扩散泵

工作过程是:油蒸发喷射凝结,重复循环

由于射流具有高流速(200/)、高密度、高分子量(300—500),故能有效地带走气体分子。

扩散泵不能单独使用,一般采用机械泵为前级泵,以满足出口压强(最大40Pa),如果出口压强高于规定值,抽气作用就会停止。

1. 水冷套; 2. 喷油嘴; 3. 导流管;4. 泵壳; 5. 加热器

l        涡轮分子泵

工作过程是:高速旋转叶片(30000/)—对气体分子施以定向动量压缩排气。

优点:无油,洁净,启动快,制动快,可忍受大气冲击。

缺点:由于高速旋转,不能在磁场中使用,否则会产生涡流,导致叶轮发热、变形等严重后果,对氢气等轻质气体抽速较小, 价格昂贵。

1. 动叶轮;2. 泵壳;3. 涡轮排;4. 中频电动机;5. 底座;

6. 出气口法兰;7. 润滑油池;8. 静叶轮;9. 电机冷却水管.

真空的测量真空计

n        绝对真空计

直接测量真空度的量具,如U型计、压缩真空计(麦克劳真空计)

压缩型真空计  测量范围:103 10-3 Pa

U型计  测量范围:105 10 Pa

n        相对真空计

直接测量与压强有关的物理量,再与绝对真空计相比较进行标定的真空计。

l        热偶真空计(热传导真空计)

测量范围:100-10-1Pa

测量下限:热丝温度较高,气体分子热传导很小,热丝引线本身的热传导和热辐射引起的热量减小占主导地位,这两部分与压强无关。

热电偶规管及其电路原理

l        热阴极电离真空计

原理:电子与气体分子碰撞引起分子电离,形成电子和正离,电子最终被加速极收集,正离子被收集极接收形成离子流:

I+ = kIe p = cp

其中,k称为电离计的灵敏度,是单位电子电流、单位压强下的离子流。

测量范围:1.33×10-1 1.33×10-5 Pa

测量下限:高速电子打到加速极G G产生软x射线 →软x射线射向收集极c 收集极c产生光电发射 产生电子流Ix IxI+方向相反,与压强无关。

电离规管

电离计线路图

理论解释:

p较高时,kx / p << k,此时

p很低时,kx / p >> k,此时

I+与压强无关

l        B—A真空计 (超高真空熱阴极电离计)

50年代初,Bayard Alpert经过改进电离规,减小光电流,减小受照面积,制成B-A规,收集极面积减小了100—1000倍,测量下限也降低100—1000倍。

Ф0.2mm的钨丝测量下限可达10-8 ~10-9 pa

Ф4 μm 的钨丝测量下限可达10-10 pa

B-A真空规管

1. 离子收集极;2. 加速极(栅极)3. 阴极灯丝;4. 外壳

真空镀膜

n        真空溅射:当高能粒子(电场加速的正离子)打在固体表面时,与表面的原子、分子交换能量,从而使这些原子、分子飞溅出来。

n        真空蒸发:在真空中把制作薄膜的材料加热蒸发,使其淀积在适当的表面上。

n        真空蒸发镀膜简介

l        真空系统(DM—300镀膜机)

真空系统(DM—300镀膜机)

l        蒸发系统

蒸发系统

l        蒸发源

蒸发源的形状如下图,大致有螺旋式(a)、篮式(b)、发叉式(c)和浅舟式(d)等。

蒸发源

n        膜厚的计算

在真空中气体分子的平均自由程为:L = 0.65 / p (cm),其中p的单位是Pa。当p = 1.3×10-3 Pa时,L500 cmL>>基片到蒸发源的距离,分子作直线运动。

设蒸发源为点蒸发源,单位时间内通过任何方向一立体角dω的质量为:

蒸发物质到达任一方向面积元ds质量为:

设蒸发物的密度为ρ,单位时间淀积在ds上的膜厚为t,则:

比较以上两式可得:

对于平行平面ds,φ=θ,则上式为:

由:

可得:

在点源的正上方区域 (δ=0)时:

n        薄膜厚度的测量

l        干涉显微镜法

干涉条纹间距Δ0,条纹移动Δ,台阶高为

测出Δ0和Δ,即可测得膜厚t,其中λ为单色光波长,如用白光,λ取

l        称重法

如果薄膜面积A,密度ρ和质量m可以被精确测定的话,膜厚t就可以计算出来:

l        石英晶体振荡器法

广泛应用于薄膜淀积过程中厚度的实时测量,主要应用于淀积速度,厚度的监测,还可以反过来(与电子技术结合)控制物质蒸发或溅射的速率,从而实现对于淀积过程的自动控制。