薄膜光学技术_第03章 01 真空及真空镀膜机

2) .低温泵的特点
①.真正的无油真空泵：利用低温冷板来冷凝、吸附气体而 获得和保持真空，清洁无污染； ②.抽速快：特别是对H2O、H2等气体抽速很大，因而排气 速度比其他真空泵快，大大提高产品产出量； ③.运行费用低：运行时只需电力和冷却水，不需液氮等低 温液体，操作简单方便； ④.适应性强：真空腔内无运动部件，来自外界的干扰或来 自真空系统的微粒不影响低温泵工作； ⑤.可以安装在任何方位； ⑥.运动部件少且低速运行，寿命长； ⑦.可以达到10-7 Pa的极限真空度，甚至可达10-9 Pa。
Q1=C1·（T—T0）
Q2：— 灯丝引线的热传导损失
Q2=C2·（T—T0）
Q3：— 气体碰撞的热传导损失
Q3=C3·（ T—T0）P
其中：C1，C2，C3是常数，T是灯丝的温度， T0是管壁的 温度。
工作时，灯丝加热功率一定： 加热与散热达到热平衡，
Q灯丝=Q1+Q2+Q3； 当气压变化时，灯丝温度随之变化，以保持平衡态。
显然，气压越高，平衡态所对应的灯丝温度越低。
因此，用热电偶测出灯丝的温度，就可以换算出 相应的环境压强。
特点：仪器结构简单、使用方便 缺点：测量区域内，指示值呈非线性、测量结果与气 体种类- 阴极灯丝 2- 栅极（正电压） 3- 板极/离子收集极
（1）灵敏度与气体种类有关； （2）压强大于10-1Pa时，灯丝易于烧毁；
“真空泵”——用于抽出容器内气体的机器。抽气机。
真空泵主要性能参数：
抽气速率（体积流率）：L/s， m3/s； 极限真空：可以抽达的最低压强(最高真空度)； 启动压强：泵无损启动，并有抽气作用时的进气
口压强；
前级压强：泵排气口压强； 最大前级压强（反压强）：超过了就会使泵损坏
或不能正常工作的前级压强。
干法制备薄膜需要使用真空镀膜机，制 造成本高，但膜层厚度可以精确控制， 膜层强度好，无污染，已广泛采用。
PVD技术
1. 热蒸发技术 2. 溅射技术 3. 离子镀技术 4. 离子辅助镀技术
3.1 真空及真空镀膜机
“真空”是干法镀膜的基础，是光学镀膜机的基础。
本节将解答下列问题： PVD为什么要在真空中进行？ 真空用哪些参数计量？ PVD所需要的真空条件是如何确定的？ 真空如何获得？
第三章 薄膜制造技术
薄膜的制备方法
湿法
镀 膜 方 法
干法
电镀 化学镀
CVD
PVD
常压CVD
低压CVD 高温、中温
光CVD
PECVD
射频、直流、射频直 流、直流脉冲、微波
金属有机物热分解CVD
热蒸发 离子束辅助蒸发 溅射 离子镀
湿法制备薄膜工艺简单，制造成本低， 但膜层厚度不能精确控制，膜层强度差， 较难获得多层膜，有污染。
工作压强： 104Pa~10-1Pa
109
105
101
102
104 105
真空泵入口压强Pa
3. 旋片式机械泵
1). 结构
抽、排气工作 由旋片完成；
油封的作用是 密封和润滑。
2)、工作过程
3). 工作原理
根据Boyle-Malotte定律：P·V=R·T
若 将原压强为P0的容器体积V扩展△V， 且温度T不变，
1、真空基础
（1）PVD与真空
1）. 热蒸发工艺过程：
2）. 大气PVD存在的问题
常温常压下， 空气分子质量密度：1.28×10-6 g /mm3 每克气体分子含分子个数：2.08 ×1022个/g ——气体分子距离：3.34×10-6mm ——气体分子的空间密度：2.68×1016个/mm3
因此, A. 空气中活性气体分子与膜层、膜料、蒸发器反应； B. 空气分子进入膜层成为杂质； C. 蒸发膜料大多因碰撞而无法直线到达被镀件。
热阴极电离真空计的优点：
（1）测出的是总压强； （2）反应迅速，可连续读数，可远程控制； （3）电离计就可测量到5х10-5Pa，如改进后可测量到10-7Pa （4）规管小，易于连接到被测量处； （5）电离真空计校准曲线直线范围宽，通常在10-1--10-5 Pa间； （6）对机械振动不敏感；
热阴极电离真空计的缺点：
2. 常见真空泵
直联泵
(1). 常见真空泵的分类
A. 气体传输泵： ——能使气体不断吸入和排出而达到抽气目的。
a、变容式： ——泵腔容积周期性变化完成排吸气。 如：油封旋片式机械泵；滑阀泵；罗茨泵。
b、动量传递泵： ——用高速旋转的叶片或高速射流，把动量传递给气体分
子，使气体分子连续的、不断地从入口向出口运动。
（3） PVD所需真空度
当温度和气体种类一定时，
1).分子平均自由程

1
0.667 2 (cm)
2 2n
P
3P
n 气体分子密度
分子直径
P 压强（Pa）
2).分子碰撞率
N p N0 1 ed 1 e3Pd 2
d “源 ~ 件”间距（cm)
3).PVD要求分子碰撞率<10%，若，d=0.5m
1). 罗茨泵的分类
罗茨真空泵（简称罗茨泵）是一种旋转 式变容真空泵。它是由罗茨鼓风机演变 而来的。 直排大气的低真空罗茨泵； 中真空罗茨泵（又称机械增压泵）； 高真空多级罗茨泵。
2).结构及工作过程
3).罗茨泵的特点
在较宽的压强范围内有较大的抽速； 起动快，能立即工作； 对被抽气体中含有的灰尘和水蒸气不敏感； 转子不必润滑，泵腔内无油； 振动小，转子动平衡条件较好，没有排气阀； 驱动功率小，机械摩擦损失小； 结构紧凑，占地面积小； 运转维护费用低。
课堂论题十一
1、薄膜光学原理解决的问题
①有膜光学零件表面光谱反射率、透射率的计算方法 ②常见光学薄膜惯用膜系结构 ③规则膜系光谱反射、透射特性及其计算方法
2、必须掌握的概念和方法
①单层薄膜光谱反射、透射特性及其计算方法 ②规则膜系(LH)m光谱反射、透射特性及其计算方法 ③减反射膜系设计的基本思想方法 ④光学薄膜的偏振效应特性计算方法 ⑤薄膜光谱反射、透射特性与膜系结构参数之间的关系 ⑥所有标注以“说明”、“注意”、“显然”的问题
互换关系为： 1 Torr =1/760 atm=1mmHg=1.33mbar=133.3Pa
几种压强单位的换算关系
C. 真空区间被划分为：
目前尚无统一规定，常见的划分为： 粗真空，低，高，超高，极高。
粗真空 105-102 Pa 低真空 102-10-1Pa 高真空 10-1-10-6 Pa 超高真空 10-6-10-10 Pa 极高真空 10-10 Pa -
3.2.3、真空测量
1.热电偶真空计
——以某一中间变 量与气体压强的关系为 依据的间接测量。
热电偶真空计 1）. 结构：
Pt-铂灯丝; A，B-热偶丝; O-热偶接点. 2）. 测量范围： 102 ~ 10 - 1Pa
3）. 原理
——低气压（100~10-2）下气体的热传导与压强成正比。
因为： 灯丝通电后，其热量散失的途径有三： Q1：— 灯丝辐射损失
启动压强： 1.013×105Pa(1个标准大气压） 工作压强： 1.013×105Pa~1.333 ×10-1Pa 极限真空：5 ×10-2Pa
②抽速： 油封旋片式机械泵的理论抽速为 Sth z n VS
其中：Z 刮片数目，n 转子转速，VS 泵腔容积
实际抽速并非始终如此，在开始抽大气和容器压强较 低（小于1Pa）时，机械泵的抽速都大大低于理论抽速。
级导流管蒸发，利于获得高极限真空，小污染。
3). 性能
①.指标
启动压强：10-1Pa 最大前级压强：1Pa 工作压强： 10-1Pa~10 -6Pa 极限真空：10-7Pa
②.值得注意的问题
A. 油扩散泵既不能直接抽大气，也不能直接向大气中排气； B.油扩散泵必须在有水冷的条件下使用。
5. 罗茨泵
直联泵（高速）的抽速明显高于普通机械泵。
直联泵:电动机直接驱动泵转子，把转速提高到1400r/min以上
4. 油扩散泵
直腔泵
凸腔泵
1). 结构
工作物质— 高纯真空油；
加热器— 为油汽化加热；
泵芯— 为油蒸汽导向；
2). 工作原理
①气体分子扩散，油蒸气分子动量传递； ②多级喷嘴“接力”并阻止“反扩散”（气，油）； ③分馏分级（图示），重馏分低蒸气压油蒸气沿中心高
7. 低温真空泵
利用低 温冷凝和低 温吸附原理 抽气的容积 式真空泵， 是无油高真 空环境获得 设备。
1). 工作原理
低温冷凝：用液He冷却固体表面达4.2K， 空气中除H2、He以外，大部分气体的饱和蒸气 都低于1Pa，即空气中主要气体成分都会被冷凝， 即达到抽真空的目的。
低温吸附：在低温表面上粘贴一些固体吸 附剂，气体分子打到这些多孔的吸附剂上而被 捕集。
2). 测量范围： 10-1 ~ 10 -6Pa
B A
F
FG
FG
Ip
mV
A
mA
G
F


3). 原理
——热阴极灯丝1发射热电子，在栅极2（加速极） 和板极3（离子收集极/反射阴极）作用下，在三个电极之 间来回振荡，其撞击中性气体粒子产生电子和离子，其间：
Ii=kIeP Ie——阴极发射的电子流；
Ii——板极收集的离子流； 显然，当热阴极灯丝的加热功率一定时，Ie一定，则， P与Ii成正比。
则 扩展容积后的压强P1 由 P1 ·（V+ △ V）=R ·T
P0·V=R·T 得 P1 ·（V+ △ V）= P0·V 即 P1= P0·V/ （V+ △ V） 显然，容器体积扩展△V时，压强P0下降为P1。