01190660-薄膜材料與技術(shù)-09級-第1章-真空技術(shù)基礎(chǔ)

1、薄膜材料與技術(shù)Thin Film Materials & Technologies,武濤 副教授2012年 秋季學(xué)期,主要教學(xué)內(nèi)容,第 1 章 真空技術(shù)基礎(chǔ)（2 學(xué)時） ? 真空的基本知識、獲得方法和測量技術(shù),第 2 章 薄膜制備的化學(xué)方法（6 學(xué)時） ? CVD 技術(shù)的原理、分類、設(shè)備工藝及應(yīng)用場合 其它基于

2、化學(xué)方法的薄膜制備技術(shù)的原理、特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域,第 3 章 薄膜制備的物理方法（6 學(xué)時） ? 蒸發(fā)、濺射、離子鍍等 PVD 技術(shù)的原理、工藝及適用領(lǐng)域,第 4 章 薄膜的形成與生長（6 學(xué)時） ? 薄膜形核、生長、形成理論；典型生長機(jī)制及對應(yīng)結(jié)構(gòu)特征,第5章 薄膜表征（4 學(xué)時） ? 薄膜材料現(xiàn)代表征方法的分類、原理和適用范圍,,本課程討論的

3、對象：,什么是薄膜（Thin film）？,,本課程的討論對象是什么 ？,① 相對尺度：某一維尺寸 << 其余二維尺寸；,② 絕對尺度：在此維度上材料厚度 < 1~5 ?m，,厚度 > 5 ?m 的沉積層叫什么 ？,? 一般稱為涂層 (Coatings),? 具有結(jié)構(gòu)/功能特性的固態(tài)薄膜（thin solid films）！,本課程的研究內(nèi)容,薄膜材料與技術(shù),,,1 真空技術(shù)基礎(chǔ),真空與薄膜材料與技術(shù)有何關(guān)系？

4、? 幾乎所有的現(xiàn)代薄膜材料制備都需要在真空或較低的氣壓條件下進(jìn)行 ? 都涉及真空下氣相的產(chǎn)生、輸運(yùn)和反應(yīng)過程? 了解真空的基本概念和知識，掌握真空的獲得和測量技術(shù)基礎(chǔ)知識 ? 是了解薄膜材料制備技術(shù)的基礎(chǔ)！1.1 真空的基本知識,,,,中學(xué)物理內(nèi)容：1643年 托里切利 (Torricelli) 著名的大氣壓實(shí)驗(yàn) ? 為人類首次揭示了 真

5、空 這個物理狀態(tài)的存在！? 管內(nèi)水銀柱上方空間內(nèi)，因已排除空氣的存在而形成真空 (托里切利真空) 圖中A、B、C三點(diǎn)壓力相等，A、C點(diǎn)：大氣壓；B點(diǎn)：水銀柱產(chǎn)生的壓力? 換句話說：可用水銀柱產(chǎn)生的壓力 作為 大氣壓力 的量度! ? 把高度為760 mm的水銀柱所產(chǎn)生的壓力定義為1個大氣壓 (1 atm) ? 1 atm = 760 mmHg ！結(jié)果：得到了“真空”的定義和大氣壓的定義與量度依據(jù)！,1 真

6、空技術(shù)基礎(chǔ),1.1 真空的基本知識概念：利用外力將一定密閉空間內(nèi)的氣體分子移走， 使該空間內(nèi)的氣壓小于 1 個大氣壓， 則該空間內(nèi)的氣體的物理狀態(tài)就被稱為真空。注意：真空，實(shí)際上指的是 ? 一種低壓的、稀薄的氣體狀態(tài)， ? 而不是指“沒有任何物質(zhì)存在”！因此，真空可分為現(xiàn)代真空技

7、術(shù)的極限：每 cm3空間內(nèi)僅有數(shù)百個氣體分子 ? 對應(yīng)氣壓 ? 10-11 Pa思考題：常溫常壓下，每cm3空間內(nèi)有多少個氣體分子？提示：可由Avogadro常數(shù)推算 (6.02×1023個/22.4×103cm3 ? 2.7×1019 個/cm3),,,,1 真空技術(shù)基礎(chǔ),1.1 真空的基本知識1.1.1 真空度的單位? 真空的實(shí)質(zhì)：一種低壓氣體物理狀態(tài) ? 真空度采用氣體壓強(qiáng)表征

8、? 真空度的單位 = 氣體壓強(qiáng)的單位? 注意：真空度和氣壓的意義相反 ? 真空度? 意味著 氣壓?? 主要單位制? 換算基礎(chǔ)：1 N＝105 dyne＝0.225 lbf 1 atm＝760 mmHg（torr）＝1.013×105 Pa＝1.013 bar,,,,,1 真空技術(shù)基礎(chǔ),1.1 真空的基本知識1.1.1 真空度的單位? 不同真空度單位制間的換

9、算關(guān)系：說明：1、mmHg是人類使用最早、最廣泛的壓強(qiáng)單位； 1958年為紀(jì)念托里切利，用托（torr）代替了mmHg：1 torr＝1 mmHg 2、早期的真空度計(jì)量常以 torr 或 mbar 為單位； 目前隨著標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程的推進(jìn)，SI（MKS）制單位應(yīng)用日漸廣泛 ? 真空度用 Pa 作單位,,,,1 真空

10、技術(shù)基礎(chǔ),1.1 真空的基本知識1.1.2 真空區(qū)域的劃分真空區(qū)域：指不同的真空度范圍； ? 劃分目的：為了研究真空和實(shí)際應(yīng)用的便利； ? 劃分依據(jù)：按照各個壓強(qiáng)范圍內(nèi)氣體運(yùn)動特征的不同進(jìn)行劃分； ? 劃分準(zhǔn)則：理論上，可依據(jù)Knudsen數(shù)的不同進(jìn)行劃分。,,,,相關(guān)物理：1）K

11、nudsen數(shù) 定義： 物理意義：是描述稀薄氣體流動狀態(tài)的準(zhǔn)數(shù)！ ? 分子平均自由程大于流場特征尺寸時的氣流稱為Knudsen流，其 Kn 一般 > 10！2）真空系統(tǒng)中氣體運(yùn)動特征的理論劃分： 粘滯流（層流、Poiseuille流） 粘滯-分子流 分子流（自由分子流、Knudsen流）

12、 Kn > 1,,— 氣體分子的平均自由程 — 流場特征尺寸（如：管徑）,,,,,,,,,,,1 真空技術(shù)基礎(chǔ),1.1 真空的基本知識1.1.2 真空區(qū)域的劃分,,,,3）理想氣體狀態(tài)方程： ，式中：n — 分子密度 (個/m3)； k — 玻爾茲曼常數(shù)，1.38×10-23 J/K； P — 氣體壓強(qiáng) (Pa)；

13、 T — 氣體溫度 (K)； V — 氣體體積 (m3)； m — 氣體質(zhì)量 (kg)； M — 氣體分子量 (kg/mol)； R — 普適氣體常數(shù)，R = NA·k = 8.314 J/mol·K；

14、 NA — Avogadro常數(shù)，6.02×1023 個/mol；4）氣體分子的自由程（?）：每個氣體分子在與其它氣體分子連續(xù)2次碰撞之間運(yùn)動經(jīng)歷的路程。 平均自由程（ ）：氣體分子自由程的統(tǒng)計(jì)平均值。

15、 式中：? — 分子直徑（m）；,,,,,? Avogadro定律： 一定溫度、壓力下，各種氣體單位體積內(nèi)含有的分子數(shù)相同。,,,表明：1） 與P成反比，而與 T 成正比；2）在氣體種類和溫度一定的情況下：,1 真空技術(shù)基礎(chǔ),1.1 真空的基本知識1.1.2 真空區(qū)域的劃分,,,,5）真空區(qū)域的工程劃分：空氣在室溫下滿足

16、 記憶方法：“52-168(159)”,,,,,,,,,,,,,,,,,,,1 真空技術(shù)基礎(chǔ),,,,,,,,,,1.1 真空的基本知識1.1.3 氣體的吸附及脫附? 真空下，氣體在固體表面的吸附和脫附現(xiàn)象總是存在的！一、基本概念 氣體吸附：固體表面捕獲氣體分子的現(xiàn)象 氣體脫附：逆過程 ? 氣體從固體表面釋出二、為什么需要關(guān)注（意義？）1）氣體在固體表面的吸附/脫附常常影響真空的實(shí)現(xiàn)和保持

17、；2）吸附原理還被用來制作各種吸附泵來獲得高真空。三、吸附的主要機(jī)制： 物理吸附：分子間作用力引起、無選擇性、低溫有效、易脫附 化學(xué)吸附：僅當(dāng)氣固接觸生成化合物時發(fā)生、高溫有效、不易脫附四、可能的影響因素：P氣、T固、?氣、表面光潔度、清潔度等，如：T固? ? 易脫附！,,,1 真空技術(shù)基礎(chǔ),,,,,,,,,,1.1 真空的基本知識小結(jié)（課后作業(yè)）：1、真空如何定義（概念）？如何表征？有哪些單位制？如何

18、換算？2、為什么要劃分真空區(qū)域？其依據(jù)是什么？關(guān)鍵參數(shù)如何定義？3、工程上如何劃分真空區(qū)域？各個真空區(qū)域的氣體分子的物理運(yùn)動特征如何？4、什么是吸附和脫附？為什么要關(guān)注？其主要機(jī)制和影響因素有哪些？1.2 真空的獲得真空的獲得：就是所謂的“抽真空”！? 利用各種真空泵把容器內(nèi)的空氣抽出，使其內(nèi)部壓強(qiáng)保持在 <1 atm的特定壓強(qiáng)范圍！獲得真空的主要工具 ? 各種真空泵（Pump）！真空泵的分類,1 真空技術(shù)基

19、礎(chǔ),,,,,,,,,,1.2 真空的獲得真空泵的分類及常用工作壓強(qiáng)范圍說明：從大氣壓力開始抽氣，沒有一種真空泵可以涵蓋從1 atm到10-8 Pa的工作范圍 ? 真空泵往往需要多種泵組合構(gòu)成復(fù)合抽氣系統(tǒng) ? 實(shí)現(xiàn)以更高的抽氣效率達(dá)到所需的高真空！,,,,,,,,,1 真空技術(shù)基礎(chǔ),,,,,,,,,1.2 真空的獲得1.2.1 旋片式機(jī)械泵（Rotary P

20、ump）,（a）外觀,（b）內(nèi)部結(jié)構(gòu),（c）工作原理,1、擴(kuò)張（吸氣）,2、容積最大,3、壓縮,4、排氣,機(jī) 械 泵：利用機(jī)械運(yùn)動部件轉(zhuǎn)動或滑動形成的輸運(yùn)作用獲得真空的泵。分 類：旋片式（最常見）、定片式、滑閥式運(yùn)轉(zhuǎn)模式：吸氣 ? 壓縮 ? 排氣 （不斷循環(huán)）基本特點(diǎn)：需加真空油（密封用）；可從大氣壓開始工作； 真空度要求低 ? 可單獨(dú)使用；真空度要求高 ? 作為 前級泵

21、使用工作區(qū)間：單級：105~1 Pa；雙級：105~10-2 Pa優(yōu)、缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠；有油污染的問題。,雙級機(jī)械泵示意圖,1 真空技術(shù)基礎(chǔ),,,,,,,,,1.2 真空的獲得1.2.2 油擴(kuò)散泵（Diffusion Pump）,（a）外觀,（b）內(nèi)部結(jié)構(gòu),（c）工作原理真空油歷經(jīng)循環(huán)：蒸發(fā)? 噴射? 碰撞? 冷凝? 回流,工作原理：1）將真空油加熱到高溫蒸發(fā)狀態(tài)（約200℃）；2）讓油蒸汽分多級向下定向高速噴

22、出；3）大量油滴通過撞擊將動能傳遞給氣體分子；4）氣體分子向排氣口方向運(yùn)動，并在動壓作用下排出泵體；5）油氣霧滴飛向低溫介質(zhì)冷卻的泵體外壁，被冷卻凝結(jié)成液態(tài)后返回泵底部的蒸發(fā)器。,1 真空技術(shù)基礎(chǔ),,,,,,,,,1.2 真空的獲得1.2.2 油擴(kuò)散泵（Diffusion Pump）,（d）典型高真空系統(tǒng)組合前級：羅茨泵 + 機(jī)械泵 后級：油擴(kuò)散泵,高真空閥和冷阱,,,阻止油氣回流的Baffle,工作區(qū)間：1~10-

23、6 Pa（因此需要前級機(jī)械泵提供1 Pa的出口壓力）優(yōu) 點(diǎn)：1）造價較低的高真空泵方案；2）沒有機(jī)械運(yùn)動部件。缺 點(diǎn)：油蒸汽回流有可能污染真空系統(tǒng)（不宜在分析儀器和超高真空場合使用）。,1 真空技術(shù)基礎(chǔ),,,,,,,,,1.2 真空的獲得1.2.3 渦輪分子泵（Turbomolecular Pump）,（a）外觀,（b）內(nèi)部結(jié)構(gòu),（c）工作原理,工作原理：1）泵內(nèi)交錯布置轉(zhuǎn)向不同的多級轉(zhuǎn)子和定子；

24、2）轉(zhuǎn)子葉片以20k~60k r/min的高速旋轉(zhuǎn)；3）葉片通過碰撞將動能不斷傳遞給氣體分子；4）氣體分子被賦予動能后被逐級壓縮排出。,,工作區(qū)間：1~10-8 Pa 也需前級泵提供1 Pa的出口壓力，但可提供更高真空度優(yōu) 點(diǎn)：無油、抽速較高。缺 點(diǎn)：1）抽取低原子序數(shù)氣體能力較差； 2）造價高；3）不易維護(hù)。,1 真空技術(shù)基礎(chǔ),,,,,,1.2 真空的

25、獲得1.2.4 低溫吸附泵（Cyropump）,（a）外觀,（b）內(nèi)部結(jié)構(gòu),多級深冷頭示意圖,工作原理：利用20K以下的超低溫表面來凝聚氣體分子以實(shí)現(xiàn)抽氣。 1）初級冷頭（外側(cè)溫度 = 50~80 K）：吸附 水氣、CO2 等； 2）多級深冷頭（T < 20 K）：外側(cè)光滑金屬表面 ? 吸附 N2、O2、Ar；

26、 內(nèi)側(cè)活性炭表面 ? 吸附 H2、He、Ne工作區(qū)間：10-4~10-11 Pa優(yōu) 點(diǎn)：可實(shí)現(xiàn)目前最高的極限真空度：10-11 Pa。缺 點(diǎn)：1）屬于捕獲泵的一種，使用要求高，需要外加冷源（液氮、液氦或制冷機(jī)）； 2）需要“再生”處理。,,,1 真空技術(shù)基礎(chǔ),,,,,,,,,,1.2 真空的

27、獲得小結(jié)（課后作業(yè)）：1、真空泵可分為哪兩大類？簡述各類包括的常用真空泵類型及其工作壓強(qiáng)范圍。2、分析說明實(shí)用的真空抽氣系統(tǒng)為什么往往需要多種真空組成復(fù)合抽氣系統(tǒng)？3、各舉一例比較氣體輸運(yùn)泵和氣體捕獲泵工作原理的不同。1.3 真空的測量概念：采用特定的儀器裝置，對某一特定空間內(nèi)的真空度（即：氣壓）進(jìn)行測定。 ? 這些儀器常被稱為 真空計(jì)（Manometer）或 真空規(guī)（Vacuum Gauge）

28、,分類：,因此：P ? 時，氣體稀薄化 ? 氣體導(dǎo)熱能力? ? Qg ? ? 相同燈絲電流下 Ql ? ? 熱電偶溫度 T ? ? 電壓表上測得的熱電勢 V ?? 特定氣壓范圍內(nèi)（102~10-1 Pa 間），成立： ！,工作原理：利用一個燈絲持續(xù)加熱，燈絲旁有一熱電偶，燈絲放熱總量（Qt）等于輻射熱損失（Qr）、熱電偶-燈絲間熱傳導(dǎo)（Ql）及氣體分子與

29、燈絲碰撞攜帶走的熱量（Qg）之和：,1 真空技術(shù)基礎(chǔ),,,,,,1.3 真空的測量1.3.1 熱偶真空計(jì)（ThermoCouple Gauge）,熱偶真空計(jì)的工作原理示意圖,,,,工作范圍：102~10-1 Pa 之間；應(yīng)用場合：大量用于真空度較低、精度要求不高的場合；特 點(diǎn)：1）結(jié)構(gòu)簡單、使用方便； 2）對不同氣體測量結(jié)果不同，需要校正； ? 3

30、）不能測量過高或過低的氣壓； 4）熱慣性較大，易發(fā)生零點(diǎn)漂移現(xiàn)象。,工作原理：1）由兩組燈絲組成，一組燈絲置于密封定壓空間內(nèi)作為參 考，另一組與待測壓腔體相通。2）兩組燈絲同時被視為兩個電阻組成Wheatstone電橋。3）兩組燈絲同時被通電加熱，若其所處環(huán)境壓力不同（空 氣稀薄程度不同）導(dǎo)致熱耗散速度也不同，因而燈絲電 阻會因溫度不同而產(chǎn)生差異，流過之電流隨之

31、改變。4）因參考端氣壓固定，因而溫度、電阻、流過電流不變， 借助其補(bǔ)償作用可比對求出待測腔體內(nèi)的氣體壓力。,1 真空技術(shù)基礎(chǔ),,,,,,1.3 真空的測量1.3.2 皮拉尼真空計(jì)（Pirani Gauge）? 熱偶真空計(jì)的改進(jìn)形式！,皮拉尼真空計(jì)的工作原理,,,,工作范圍：102~10-1 Pa 之間（與熱偶真空計(jì)相當(dāng)）；應(yīng)用場合：大量用于真空度較低、精度要求不高的場合；特 點(diǎn)：1）響應(yīng)速度比熱偶真空

32、計(jì)快得多； 2）一定程度上解決了零點(diǎn)漂移的問題。,1 真空技術(shù)基礎(chǔ),,,,,,1.3 真空的測量1.3.3 電離真空計(jì)（Ionization Gauge）,（a）內(nèi)部結(jié)構(gòu),（b）工作原理示意圖,工作原理：利用氣體分子與振蕩電子的碰撞電離作用測得氣壓 ！ 1）電子的振蕩與捕獲：①熱電子發(fā)射 ? ②加速飛向柵極 ? ③部分被捕獲 ? ④漏網(wǎng)飛離柵極 ?

33、 ⑤反向減速掉頭后再加速飛回柵極 ? ⑥再捕獲 ? 漏網(wǎng)逃離柵極 ? ⑦再次減速并掉頭加速 ? 重復(fù)②以后過程 （在劫難逃！）……2）氣體分子碰撞電離：電子往復(fù)振蕩與氣體分子不斷碰撞使之發(fā)生電離，電離產(chǎn)生的二次電子繼續(xù) 加入振蕩-

34、捕獲過程，而氣體離子則飛向離子收集極形成回路電流，且滿足： Ie — 燈絲電流；S — 常數(shù)。3）獲得相對氣壓測值：燈絲電流 Ie 一定時，就可由離子電流 I+ 的大小測得氣壓 P。,,,,1

35、 真空技術(shù)基礎(chǔ),,,,,,1.3 真空的測量1.3.3 電離真空計(jì)（Ionization Gauge）,（a）S-P型,工作上下限問題及分類：高低真空端不同 ！ 1）下限（高真空端）：需要解決軟X射線問題。問題：柵極被高能電子轟擊發(fā)射出的軟X射線會進(jìn)一步 轟擊離子收集極，使之發(fā)射光電子并在離子收集 極上形成微弱的等效離子電流 ix（光電效應(yīng)）， 收集極電

36、流 IC 實(shí)際上由 I+ 和 ix 兩部分組成： 普通三極型電離真空計(jì) ix 的量級與真空度為10-6~10-7 Pa時的I+ 相當(dāng)，因此其工作下限一般為10-6 Pa！解決方法：離子收集極尺寸最小化 ? 針狀 ? ?受軟X射線轟擊的面積（幾率） ? ? ix 的數(shù)量級 （與真空度為10-8~1

37、0-9 Pa時的 I+ 相當(dāng)）此類改進(jìn)工作下限的電離真空計(jì)由Bayard和Alpert提出，被稱為B-A型，其工作下限可低至10-8 Pa！,,（b）B-A型,,,1 真空技術(shù)基礎(chǔ),,,,,,1.3 真空的測量1.3.3 電離真空計(jì)（Ionization Gauge）,（a）S-P型,工作上下限問題及分類：高低真空端不同 ！ 2）上限（低真空端）：解決飽和電離的非線性問題。問題：P >10-1 Pa時，氣體分子數(shù)??

38、 ? 電子與氣體分子的碰撞幾率? 同時電子能量?、自由程?? ? 氣體電離趨于飽和 ? IC ? P 的線性關(guān)系不再成立！因此，普通電離真空計(jì)的工作上限為10-1 Pa。解決方法：1）大幅度降低電極間間隔（~3 mm）； 2）提高燈絲（發(fā)射極）電位到+45 V， 同時提高離子

39、收集極電位到 0 V。此類改進(jìn)工作上限的電離真空計(jì)由Schulz和Phelps提出，被稱為S-P型，其工作上限可提高到10 Pa，但同時由于強(qiáng)化了前述的軟X射線導(dǎo)致的光電效應(yīng)，工作下限也相應(yīng)提高到10-2 Pa！,,（b）B-A型,,,1 真空技術(shù)基礎(chǔ),,,,,,1.3 真空的測量1.3.3 電離真空計(jì)（Ionization Gauge）,小結(jié)： 1）電離真空計(jì)的工作范圍： 普通三極型：10-6~10-1 P

40、a； B-A型：10-8~10-1 Pa（高真空適用）； S-P型：10-2~10 Pa（低真空適用）2）特 點(diǎn)： ①可快速、連續(xù)測量； ②不適于低真空測量（改進(jìn)的S-P型也要求 P <10 Pa）； ③測量結(jié)果與氣體種類有關(guān)； ④需要定期除氣處理。課后作業(yè)：真空計(jì)如何分類？圖示說明至少 2 種常用真空計(jì)的工作原理、工作范圍、

41、適用場合以及優(yōu)、缺點(diǎn)。,,,1 真空技術(shù)基礎(chǔ),,,,,,1.3 真空的測量1.3.4 薄膜真空計(jì)（Capacitance Manometer）,,,,工作原理：依靠金屬薄膜在氣體壓力差下產(chǎn)生機(jī)械 位移測量氣體的絕對壓力。1）利用金屬薄膜將容器分隔為兩部分，上半部充入 壓力已知的氣體，下半部與待測真空腔連通；2）薄膜兩側(cè)存在壓差時，薄膜在壓力作用下發(fā)生變 形，

42、使薄膜與固定極板的間距發(fā)生變化，從而使 極間電容發(fā)生變化，測得電容變化即可反求得到 薄膜偏移量，然后反推壓力差。工作范圍：下限10-3 Pa，上限取決于薄膜強(qiáng)度和位 移極限，一般在105～103 Pa之間。應(yīng)用場合：適用于工作氣體具有腐蝕性的真空環(huán)境測量。特點(diǎn)：1）測得的是絕對壓力； 2）測量精度很高，且與氣體種類無關(guān)；