薄膜真空技术解读
最新2019-第一章薄膜制备的真空技术基础-PPT课件
中真空：102～ 10-1Pa
高真空： 10-1～10-5Pa
超高真空：<10-5 Pa
1.3 气体的流动状态和真空抽速
1、 气体的流动状态 在高真空环境中，气体分子除了与容器器壁发生碰撞以外， 几乎不发生气体分子间的碰撞过程。这种气体的流动状态被 称为气体的分子流状态。 分子流的特点是气体分子的平均自由程大于气体容器的尺寸 或与其相当。 当气体压力较高时，气体分子的平均自由程较短，气体分子 间的相互碰撞较为频繁，这种气体的流动状态称为气体的黏 滞流状态。
1.5 真空的测量
Pirani真空规 ---工作原理 •灯丝：测量灯丝、参比灯丝； •参比灯丝密封在高真空管中； •通过桥电流的大小测量气体密度(真空度) ---Pirani规的特点 •价格低廉、方便、快捷、可靠
1.5 真空的测量
电离真空规 ---工作原理 •由阴极、阳极和离子收集极组成； •阴极电离气体产生离子； •离子收集极收集离子从而测量气体密度。 ---电离真空规的特点 •灵敏、准确，但灯丝容易损坏，价格比较高 ---电离真空规的使用 •工作电流：离子规的工作电流不能随意改变； •校准：按真空计的具体步骤校准
将式（1）和（2）代入上式，可以求出气体分子的通量：
PNA
2MRT
1.2 气体分子运动论的基本概念
4、 分子平均自由程λ：气体分子在两次碰撞的间隔时间里走
过的平均距离。
1
n d 2
式中d为气体分子的有效截面直径。气体分子的平均自
由程与气体分子的密度n成反比。
5、 真空度的划分
低真空：> 10 2Pa
所谓层流状态，相当于气体分子的宏观运动方向与一组相互 平行的流线相一致。 在流速较高的情况下，气体的流动不再能够维持相互平行的 层流模式，而会转变为一种漩涡式的流动模式。这时，气流 中不断出现一些低气压的漩涡，这种气体的流动状态成为紊 流状态。如下图所示。
薄膜 电真空
薄膜电真空薄膜与电真空技术－打造未来科技的新希望薄膜和电真空技术是当今科技领域中备受瞩目的两大研究方向。
它们具有广泛的应用前景，并且正在引领着新一轮科技革命。
本文将深入探讨薄膜和电真空技术的原理、应用以及未来发展的前景。
首先，我们来了解一下薄膜技术。
薄膜是一种非常薄的材料层，通常厚度在纳米到微米级别。
薄膜技术是将材料沉积在基底上形成薄膜层的一种方法。
薄膜技术在电子器件、光学器件、能源存储和转换等领域具有广泛的应用。
例如，薄膜太阳能电池利用薄膜材料将太阳光转化为电能，具有高效率和轻便的特点，成为可再生能源的重要组成部分。
此外，薄膜技术还被应用在显示器件、传感器、光纤通信等领域，为现代科技的快速发展提供了坚实的基础。
接下来，让我们来了解一下电真空技术。
电真空是指在真空环境中利用电子束或离子束进行加热、腐蚀、镀膜等工艺的技术。
电真空技术被广泛应用于半导体、光学、材料科学等领域。
例如，电子束光刻技术是制造集成电路的重要工艺之一，通过控制电子束的聚焦和定位，实现对光刻胶的局部曝光，从而形成微米级别的芯片结构。
此外，电真空技术还被应用于材料表面处理、光学薄膜制备等领域，为科学家们提供了研究材料性能和制备新材料的重要手段。
薄膜和电真空技术的研究不仅仅是为了满足现有的需求，更重要的是为未来科技的发展打下基础。
随着科技的不断进步，对于材料的性能和功能要求也越来越高。
薄膜和电真空技术具有制备材料薄、性能优良的特点，能够满足未来科技对材料的高性能需求。
例如，通过薄膜技术制备的二维材料具有独特的电子、光学和力学性质，被广泛应用于电子器件、传感器等领域。
而电真空技术的快速发展，也为新材料和新器件的制备提供了新的方法和手段。
薄膜和电真空技术的发展离不开科研人员的不断努力和创新。
他们通过改进材料的制备方法、优化器件的结构设计以及探索新的应用领域，不断推动着薄膜和电真空技术的发展。
同时，他们也面临着一系列的挑战，如改善薄膜的质量和稳定性、提高电真空器件的加工精度和效率等。
薄膜真空吸附取料方法
薄膜真空吸附取料方法一、引言薄膜真空吸附取料是一种常用的工业生产技术，广泛应用于电子、光学、半导体等领域。
本文将介绍薄膜真空吸附取料方法的原理、操作步骤以及其在工业生产中的应用。
二、原理薄膜真空吸附取料方法利用真空吸附原理，通过在薄膜表面形成较低的压力，使工件被吸附在薄膜上，并通过调整真空度和吸附力来实现取料。
其原理主要包括以下几个方面：1. 薄膜吸附：将工作台面上的薄膜与工件接触，通过真空泵将薄膜下方的空气抽出，形成真空环境。
薄膜的表面会产生吸附力，将工件吸附在薄膜上。
2. 真空度控制：通过真空泵控制真空度，调整吸附力大小。
真空度越高，吸附力越大，可以吸附更重的工件。
3. 气流控制：通过调整气流速度，控制工件的移动。
气流速度越大，工件移动速度越快。
三、操作步骤薄膜真空吸附取料方法的操作步骤如下：1. 准备工作：清洁工作台面和薄膜，确保无尘、无杂质，并确认真空泵工作正常。
2. 将工件放置在薄膜上，保持工件与薄膜表面接触。
3. 打开真空泵，开始抽真空。
通过调节真空泵的开关和阀门，控制真空度在适当范围内。
4. 当真空度达到要求时，开始吸附工件。
可以通过调节薄膜下方的气流速度，控制工件的移动速度。
5. 吸附完成后，关闭真空泵，停止抽真空。
将工件从薄膜上取下。
四、应用领域薄膜真空吸附取料方法在电子、光学、半导体等领域有广泛的应用。
1. 电子行业：在集成电路、半导体器件的生产过程中，常使用薄膜真空吸附取料方法。
通过将薄膜与芯片或元器件接触，实现取料和组装。
2. 光学行业：在光学元件的生产中，薄膜真空吸附取料方法可以用于取下或放置光学片、滤波片等工件，保证元件的质量和精度。
3. 医疗器械行业：在医疗器械的生产和装配过程中，薄膜真空吸附取料方法可以用于取下和装配小型零部件，提高生产效率和产品质量。
4. 汽车制造业：在汽车零部件的生产中，薄膜真空吸附取料方法可以用于取下和装配小型零部件，提高生产效率和产品质量。
薄膜物理与技术-1真空技术基础PPT课件
目录
• 真空技术基础 • 真空获得技术 • 真空测量技术 • 真空镀膜技术 • 薄膜性能检测技术
01 真空技术基础
真空定义与特性
真空定义
真空是指在给定的空间内，气体压力 低于一个大气压的状态。在真空技术 中，通常使用托斯卡或帕斯卡作为压 力单位。
真空特性
而实现气体的压缩和排除。
分子泵特性
抽气速率高、工作压力范围广、无 油污染、维护简单等。
分子泵分类
直联型分子泵、侧流型分子泵、复 合型分子泵等。
扩散泵抽气原理与特性
扩散泵抽气原理
利用加热的吸气剂将气体分子吸 进吸气剂表面，再通过扩散作用 将气体分子从吸气剂表面传递到 泵的出口，从而实现气体的排除。
扩散泵特性
真空技术的分类与应用
真空技术的分类
根据应用需求，真空技术可分为真空镀膜、真空热处理、真空电子器件制造等。
真空技术的应用
真空技术在科学研究、工业生产、航空航天、电子工业等领域有广泛应用，如 电子显微镜、太阳能电池、平板显示器的制造等。
02 真空获得技术
机械泵抽气原理与特性
机械泵抽气原理
机械泵分类
真空具有低气体压力的特性，这使得 物质在真空中表现出不同的物理和化 学性质。例如，气体分子间的碰撞减 少，气体分子的平均自由程增加。
真空的度量与单位
真空度
真空度是指真空空间内的气体压 力，通常用压力范围来表示，如 低真空、中真空、高真空和超高 真空。
真空单位
常用的真空单位有帕斯卡（Pa）、 托斯卡（Torr）和巴（bar）。1 Torr = 133.322368 Pascal。
利用高速旋转的叶轮将气体吸入，通 过压缩和排出来实现气体压缩和排除。
薄膜技术的真空技术基础
桂林电子科技大学
材料科学与工程学
1.3 真空系统的导流能力——流导
对于黏滞流状态：流导随气体压力升高而增加。不同形状管路的流导已被编制成图表不同流导C1、C2、C3间可相互串联或并联，构成总流导C——串联流导：1/C= 1/C1+ 1/C2+ 1/C3——并联流导：C=C1+C2+C3（就象描述气体流动的欧姆定律）
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工作原理：两个8字形的转子以相反的方向旋转，两个转子始终保持相切合，咬合精度很高，切合处气体始终不能通过，只能从上、下两边被扫出真空系统。极限真空度： 10-2Pa左右；优点：结构简单、无油气回流，抽 速很大。缺点：泵体与转子发热、膨胀，造成泵体损坏；当气体压力低于10-1 Pa时，气体回流造成抽速降低。适用压力范围：10-1～1000Pa。
1.1 真空的基本知识
按上述第二种说法，比如炮弹在高于大气压的空间飞行是没有问题的，因此可以将高于大气压的空间看作是真空，而对于表面研究，10-8Pa才称得上是真空。
宇宙空间所存在的“自然真空”；利用真空泵抽取所得的“人为真空”。绝对真空：完全没有气体的空间状态。
为了获得真空至少需要
1.1 真空的基本知识
1.2 真空的表征
气流与流导气体流动状态与气体压力、真空容器尺寸的关系根据Knudsen准数Kn:Kn<1: 分子流状态Kn>110粘滞流状态
粘滞态气流的两种不同的流动状态根据Reynolds准数Re:式中，d为容器的特征尺寸（如管路的直径）；υ、ρ、η分别是气体的流速、密度和动力学黏度系数。Re>2200 紊流状态 Re<1200 层流状态
薄膜真空吸附取料方法
薄膜真空吸附取料方法引言：薄膜真空吸附取料方法是一种在工业生产中广泛应用的技术，它可以实现高效、快速、精准地将目标物质从混合物中分离出来。
本文将详细介绍薄膜真空吸附取料方法的原理、步骤和应用领域。
一、原理：薄膜真空吸附取料方法是利用薄膜材料的特殊性质实现的。
薄膜具有较大的表面积和高度的孔隙率，可以在低压下形成均匀的真空吸附层。
当混合物经过薄膜时，目标物质会被吸附在薄膜表面，而其他物质则通过薄膜透过。
通过调节真空度和吸附时间，可以实现对目标物质的精确提取。
二、步骤：1. 准备薄膜：选择合适的薄膜材料，如聚酯薄膜、聚酰胺薄膜等，并根据实际需求裁剪成合适的尺寸。
同时，确保薄膜表面光滑且无油污等杂质。
2. 搭建真空吸附系统：将薄膜固定在吸附系统中，确保薄膜与吸附器壁之间无密封漏气现象。
连接真空泵和真空计，控制真空度和吸附时间。
3. 准备混合物：根据需要选择合适的混合物，并将其加入到取料容器中。
确保混合物与薄膜接触面积充分。
4. 启动真空吸附：打开真空泵，控制真空度在适当范围内。
根据实际情况，调节吸附时间，使目标物质充分吸附在薄膜表面。
5. 停止真空吸附：关闭真空泵，使系统恢复到大气压。
此时，目标物质仍然保持在薄膜表面。
6. 取料：将薄膜从吸附系统中取出，将目标物质从薄膜上剥离下来。
目标物质可以通过刮刀、溶解等方式进行取出。
三、应用领域：薄膜真空吸附取料方法在许多领域都有广泛应用。
1. 医药领域：可以用于药物提取、纯化等过程，提高药物的纯度和产量。
2. 食品领域：可以用于食品中有毒物质的分离和去除，保障食品安全。
3. 环境监测：可以用于水体、大气等环境样品中目标物质的分离和检测。
4. 化工领域：可以用于化工反应中的物质分离和纯化，提高产品的质量和产量。
5. 生物技术：可以用于蛋白质、DNA等生物大分子的提取和纯化，用于生物学研究和工业生产。
结论：薄膜真空吸附取料方法是一种高效、快速、精准的分离技术，广泛应用于医药、食品、环境监测、化工和生物技术等领域。
第一章 薄膜制备的真空技术基础
公式得到：
≈50nm。表明在常温常压下，气体分子的平均自由程是
极短的。
（2）由气体分子的平均自由程还可以求出其平均碰撞频率 =va/λ（常温常压时，va=460m/s）。所以常温常压下，每个 空气分子每秒内要经历1010次碰撞。运动轨迹并不是直线， 而是不断碰撞改变方向。
1.1 气体分子运动论的基本概念
*思考题：平均自由程在制膜中的重要作用？
答影响气体分子到达衬底的分子能量，能量对成膜结构质量有很多影响。 自由程小→碰撞多→气体分子能量↓→薄膜疏松、不致密
1.1 气体分子运动论的基本概念
3 . 气体分子的平均自由程----补充
（1） 在常温常压条件下，空气分子的有效截面直径d ≈0.5nm。
由T=298K，P=nKT(P=101325Pa），代入
1.1 气体分子运动论的基本概念
2 气体分子运动速度及其分布 (Maxwell分布）
真空容器中气体分子运动是混乱的。气体分子进行无规
则热运动的每一时刻，每个分子的运动速率有偶然性，然而，
对于大量气体分子而言，其速率分布遵循统计规律。
1.1 气体分子运动论的基本概念
2 气体分子运动速度及其分布 (Maxwell分布）
为（GB3163-82）：
低真空： 102Pa 中真空： 102~10-1Pa 高真空： 10-1~10-5Pa 超高真空： 10-5Pa
工业应用（包装） CVD沉积技术 溅射沉积技术 原子表面和界面分析
4. 真空及制膜设备
超高真空条件下，气体分子以在固体上吸附停留为主， 其它真空度时，气体分子以空间飞行为主。
2 气体分子运动速度及其分布 (Maxwell分布）
为了更深入地理解速率分布函数所表达的意义，以下图 H2和N2分子为例，对其速率分布进行了定量描述。
薄膜真空技术
涡轮分子泵（Turbomolecular Pump）
（a）外观
（b）内部结构
（c）工作原理
工作原理：
1）泵内交错布臵转向不同的多级转子和定子； 2）转子叶片以20k~60k r/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。
涡轮分子泵
工作区间：1~10-8 Pa
优
点：1）造价较低的高真空泵方案；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）。
使用注意事项：
扩散泵油在高温下会发生氧化，因此扩散泵需要在优于10-2Pa 的较高真空度下工作
• 扩散泵必须和机械泵联合工作，才能构成高真空抽气
系统。单独的扩散泵时没有抽气作用的 • 理论上，扩散泵的极限真空取决于泵油的蒸气压。而 且泵油必须具备很高的热稳定性和化学稳定性 • 扩散泵油在高温下接触一旦大气非常容易变质。即使
时常温下，长期接触大气也会因为吸收水分而降低性
能。因此扩散泵内应尽量保存良好的真空状态 • 扩散泵油易挥发，因此在进气口都有挡油的冷阱
低温吸附泵
工作原理：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。 真空度依赖于温度、吸附 物质表面积、被吸附气体 种类等因素。 极限真空度：10-1-10-8 Pa。
由于罗茨泵是一种无 内压缩的真空泵，通 常压缩比很低，故工 作时需要前级泵
在1Pa左右的压强范围内其有 相当大的抽气速率，在这范围 内机械泵的抽速很小，扩散泵 还只刚刚开始工作。罗茨泵可 以弥补上述两种真空泵抽气速 率的脱节。
罗茨泵可与旋片式机械泵串联成真空机组使用， 降低每台泵的负荷，扩大可获得的真空度范围
薄膜技术 02薄膜制备的真空技术基础
真空的特点
（2）真空状态下由于气体稀薄，因此，分子之间、分子与
其他质点之间以及分子与各种表面之间相互碰撞次数相对
减少。
哪里有或用到真空？
1.2 真空气压单位
• 国际单位制：帕（Pa）
一个大气压=101.325 kPa
• 真空技术常用单位：托（Torr）
1托等于1毫米高的汞柱所产生的压强，即 1Torr＝133.3224Pa
气体分子除相互碰撞瞬间外，不存在相互作用
– 气体硬球的半径远小于球间距
一般温度和压力条件下，所有气体看作理想气体
2.1 气体分子运动的基本概念
气体分子运动理论
– 分子处在无规则的热运动
温度决定平均运动速度
– 气体分子之间、气体分子与容器之间不断碰撞
气体分子的速度服从Maxwell-Boltzmann统计分布
因子1/4是对气体分子的运动方向和速度分布进行数学平均得到的系数
应用：薄膜沉积速率正比于气体的分子通量
2.5 气体分子的通量Φ
8RT va M
nMv nRT p 8N A NA
2 a
nva 4
NA p 2MRT
• Knudsen方程
– 通量与气压成正比 – 与温度、相对原子量的1/2次方成反比
P=0.1Pa，10-3Pa?
2.4 分子平均自由程
气体的平均自由程在气体输运的初级
理论和真空技术、气体放电等领 域中，都
是常用的重要物理量。
2.5 气体分子的通量Φ
气体分子的通量
• 气体分子对单位面积表面的碰撞频率 • 单位时间内，单位面积受到气体分子碰撞次数
nva 4
Va--气体分子平均速度 n--气体分子密度
薄膜制备技术：第二部分 真空技术基础-田民波详述
真空区域的划分
薄膜制备和分析技术对于真空度要求 真空蒸发沉积需要高真空和超高真空范围（<10-3 Pa）; 溅射沉积需要中、高真空（10-2 ~ 10-5 Pa）; 低压化学气相沉积需要中、低真空（10~ 100 Pa）; 电子显微技术维持的分析环境需要高真空; 材料表面分析需要超高真空。
稀薄气体的基本性质
经过n个循环后
当泵室体积大，被抽容积小时，即ΔV/V 越大， V/(V+ΔV)n→0越快，Pn →0越快。 但n→∞时Pn →0。实际上不可 能，有一极限值，因为泵结构 上存在“有害空间→ 出气口与 转子密封点之间的极小空隙空 间。1处的气体不能被排走， 会穿过2点，回到吸气侧。
旋片式机械真空泵
每秒转子转m次，则t秒转 n=mt，这时待抽空间的 压强为Pt：
分子泵 钛升华泵
气体捕获泵 溅射离子泵
低温冷凝泵
真空的获得
几种常用真空泵的工作压强范围
旋片式机械真空泵
旋片泵结构示意图
旋片泵工作原理图
旋片式机械真空泵
若待抽真空室体积V，初始压强 初始压强P0，旋转一周排 出气体体积为ΔV，根据 根据P1V1= P2V2，有
转到第二周时，P1作为P0
旋片式机械真空泵
分子束的反射
碰撞于固体表面的分子，它们飞离表面的方向与原入射方 向无关，并按与表面法线方向所成角度 角度θ的余弦进行 分布，则一个分子在离开其表面时，处于立体角dω(与表面 法线成 与表面法线成θ角)中的几率是：
稀薄气体的基本性质
余弦定律的意义： （1）它揭示了固体表面对气体分子作用的另一个方 面，即将分子原有的方向性彻底“消除 ,均按余弦定 律散射； （2）分子在固体表面要停留一定的时间，这是气体分子能够
薄膜物理总结
一．薄膜制备的真空技术基础：薄膜制备方法物理方法：热蒸发法 溅射法 离子镀方法化学方法：电镀方法 化学气相生长法1,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。
21d n πλ= d — 气体分子的有效截面直 2,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。
3,流导：真空管路中气体的通过能力。
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。
4,真空泵的抽速: 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5,真空环境划分：低真空> 102 Pa中真空102 ~ 10-1 Pa高真空10-1 ~ 10-5 Pa超高真空< 10-5 Pa低压化学气相沉积：中、低真空（10~ 100Pa ）;溅射沉积： 中、高真空（10-2 ~ 10Pa ）;真空蒸发沉积： 高真空和超高真空（<10-3 Pa ）;电子显微分析： 高真空;材料表面分析： 超高真空。
6,气体的流动状态:分子流状态：在高真空环境下，气体的分子除了与容器壁外,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。
粘滞流状态的气体流动模式：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。
克努森（Knudsen）准数:分子流状态Kn＜1过渡状态Kn＝1~100粘滞流状态Kn ＞ 1007,旋片式机械真空泵工作原理：玻意耳-马略特定律（PV=C）即：温度一定的情况下，容器的体积和气体压强成反比。
性能参数：理论抽速Sp：单位时间内所排出的气体的体积。
真空镀膜技术
（4）铬 Cr Cr膜在可见区具有很好的中性，膜层非常牢固，常用作中性衰
减膜。
2、介质薄膜
对材料的基本要求：透明度、折射率、机械牢固度和化学稳 定性以及抗高能辐射。
（1）透明度
短波吸收或本征吸收I：主 要是由光子作用使电子由 价带跃迁到导带引起的；
（2）折射率
薄膜的折射率主要依赖： 材料种类：材料的折射率是由它的价电子在电场作用下的性质决定。材
料外层价电子很容易极化，其折射率一定很高；对化合物，电子键结合的化 合物要比离子键的折射率高。折射率大致次序递增：卤化物、氧化物、硫化 物和半导体材料。
波长：折射率随波长变化为色散。正常色散为随波长增加而减小。正常色 散位于透明区，反常色散位于吸收区。
电子枪对薄膜性能的影响 1、对膜层的影响： （1）蒸气分子的动能较大，膜层较热蒸发的更致密牢固； （2）二次电子的影响：使膜层结构粗糙，散射增加； 2、对光谱性能的影响
电子枪对光谱的影响主要是焦斑的形状、位臵、大小在成膜的影响。 特别是高精度的膜系，和大规模生产的成品率要求电子枪的焦斑要稳定。
薄膜厚度的测量
u
m
几种常用真空泵的工作压强范围
旋片机械泵 105 102 pa
吸附泵 105 102 pa
扩散泵 100 105 pa
涡轮分子泵 101 108 pa
溅射离子泵 100 1010 pa
低温泵 101 1011 pa
几种常用真空泵的工作原理
1. 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。
（3）机械牢固度和化学稳定性
薄膜制备的真空技术基础
01
分子流状态：在高真空环境下，气体的分子除了
02
与容器壁碰撞以外，几乎不发生气体分子间的相
03
互碰撞。
04
特点：气体分子平均自由程大于气体容器的尺寸
05
或与其相当。（高真空薄膜蒸发沉积系统、各种
06
材料表面分析仪器）
07
粘滞流状态：当气压较高时，气体分子的平均自
08
由程很短，气体分子间的相互碰撞较为频繁。
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：1~10-8 Pa
工作原理：
低温吸附泵
薄膜制备的真空技术基础
*
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。
薄膜制备的真空技术基础
*
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
1.3 真空泵简介
薄膜制备的真空技术基础
*
01
03
02
旋片式机械真空泵★
薄膜制备的真空技术基础
*
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。
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本章小结
薄膜制备的真空技术基础
*
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）
薄膜制备的真空技术基础
真空应用技术
将真空技术应用于各个领域，如电子、冶金、化 工、航空航天等。
02
真空镀膜技术
真空蒸发镀膜
总结词
真空蒸发镀膜是一种基于加热蒸发材料的镀膜技术，通过将材料加热至熔融状态 ，然后在真空中蒸发并凝结在基材表面形成薄膜。
详细描述
在真空蒸发镀膜过程中，蒸发源可以是电阻加热、电子束加热或激光加热等。蒸 发材料在高温下升华或熔化，然后在基材表面凝结形成薄膜。该技术适用于制备 金属、非金属、化合物等薄膜材料，具有操作简单、成膜速度快等优点。
磁控溅射镀膜
总结词
磁控溅射镀膜是一种基于溅射现象的镀膜技术，通过在真空 环境中利用磁场控制带电粒子轰击靶材表面，使靶材原子或 分子从表面溅射出来并在基材表面沉积形成薄膜。
详细描述
磁控溅射镀膜技术具有高沉积速率、高附着力、高纯度等优 点，广泛应用于制备各种金属、非金属、化合物等薄膜材料 。该技术可以通过改变工艺参数和靶材种类来控制薄膜的成 分和性能。
技术挑战
需要解决制备过程中材料的选择、成膜机制、界面反应等问题，以确 保获得高性能的薄膜。
低成本高效制备技术
总结词
详细描述
低成本高效制备技术是未来薄膜制备的重 要发展方向。
随着市场对薄膜材料需求的增加，低成本 高效制备技术将有助于降低生产成本，提 高生产效率，满足大规模应用的需求。
发展趋势
技术挑战
详细描述
通过优化真空系统的气体成分和压力，可以改变薄膜与 基材之间的相互作用，从而提高附着力。此外，对基材 进行适当的预处理，如清洗、表面活化等，也有助于增 强附着力。
薄膜性能优化
总结词
优化薄膜性能是薄膜制备的最终目标，涉及多个方面 。
真空及薄膜基础
光学器件制造
光学薄膜
光学薄膜是指在光学元件表面镀制的各种特殊薄膜，具有 高反射、高透射、滤光、偏振等功能，广泛应用于光学仪 器、激光器、光通信等领域。
真空蒸发镀膜
真空蒸发镀膜是一种制备光学薄膜的方法，通过将膜料加 热蒸发，然后在基片上凝结成膜，可以制备出高质量的光 学薄膜。
等离子体增强化学气相沉积
如新能源、生物医学、环保等领域。
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真空与薄膜的实验技术
真空实验技术
真空泵
用于创造和维持真空环境， 常用有机械泵、分子泵、 涡轮泵等。
真空测量
通过各种传感器和仪表测 量真空度，如压力表、电 离真空计、热传导真空计 等。
真空密封与连接
确保实验装置的气密性， 采用各种密封材料和连接 方式。
薄膜实验技术
薄膜的制备方法
物理气相沉积（PVD）
溶胶-凝胶法
利用物理方法将材料蒸发或溅射到基 材上形成薄膜，包括真空蒸发、溅射 和离子镀等。
通过溶胶凝胶化反应制备薄膜，具有 低温合成、高纯度、高均匀性等特点。
化学气相沉积（CVD）
利用化学反应将气体转化为固态薄膜， 包括常压CVD、低压CVD和等离子体 增强CVD等。
真空的度量与单位
真空度量
真空的度量通常采用压力来表示，常用的压力单位有帕斯卡（Pa）、托 （Torr）、巴（Bar）等。
真空单位
在国际单位制中，真空的压力单位是帕斯卡（Pa），其他常用的单位还有毫巴 （mBar）、微巴（μBar）等。
真空的获得与维持
真空获得
真空的获得通常采用抽气的方法，通过抽气设备将容器内的气体抽出，以降低容 器内的压力。
薄膜制备
利用物理或化学方法制备薄膜，如物理气相沉积、化学气相沉积 等。
薄膜真空规 技术壁垒
薄膜真空规技术壁垒
薄膜真空规是一种用于测量薄膜厚度和表面形貌的仪器，它通过在真空环境中测量薄膜的光学特性来实现对薄膜厚度和表面形貌的精确测量。
薄膜真空规的技术壁垒主要包括以下几个方面：
1. 技术原理，薄膜真空规的测量原理涉及光学、真空技术和信号处理等多个领域，需要综合运用这些知识来实现精确的薄膜厚度测量。
其中，光学原理涉及到光的折射、反射、透射等特性，真空技术则需要保证在真空环境下薄膜的稳定性和精确性，信号处理则需要对测量得到的光学信号进行精确的处理和分析。
2. 设备制造，薄膜真空规的制造需要涉及到精密光学元件、真空系统、控制系统等多个方面的技术，要求制造过程精密度高、稳定性好，且需要保证在长时间使用中能够保持高精度的测量性能。
3. 数据处理，薄膜真空规测量得到的数据需要进行精确的处理和分析，以得出薄膜厚度和表面形貌的精确数据。
这涉及到对光学信号的处理、数据的算法分析等方面的技术。
4. 应用领域，薄膜真空规主要应用于半导体、光学薄膜、涂层
材料等领域，这些领域对薄膜厚度和表面形貌的精确测量要求非常高，因此对薄膜真空规的技术要求也相对较高。
总的来说，薄膜真空规的技术壁垒主要体现在其测量原理、设备制造、数据处理和应用领域等多个方面，需要综合运用光学、真空技术、控制技术等多个领域的知识，因此对相关技术人员的综合素质和技术能力提出了较高的要求。
真空气相沉积法
真空气相沉积法
真空气相沉积法（Vacuum Chemical Vapor Deposition，简称
V-CVD）是一种化学气相沉积技术，常用于制备薄膜材料。
它基于在真空环境中将气态前驱物转化为固态材料的原理。
V-CVD的工作原理是将气态前驱物加热至升华温度，生成气
态分子。
然后将气态分子输送到待涂层的基底材料表面，在表面上发生化学反应，并生成固态薄膜。
在此过程中，因为真空环境中没有气体分子来扩散或干扰反应，因此可以获得高纯度、良好质量的薄膜。
V-CVD可以用于制备各种材料的薄膜，例如金属、半导体、
陶瓷等。
它广泛应用于微电子、光电子、光伏、光学涂层等领域。
与其他气相沉积技术相比，V-CVD具有以下优点：
1. 可以在较低的温度下实现沉积，从而减小基底材料的热膨胀和变形风险。
2. 真空环境下没有气体分子的干扰，可以获得高质量、低杂质的薄膜。
3. 可以通过控制气态前驱物的供应速率和反应温度等参数来控制薄膜的成分和结构。
然而，V-CVD也存在一些局限性，如设备复杂、成本高昂、
需要高真空环境等。
另外，由于反应发生在真空中，无法应用于大规模材料制备。
尽管如此，V-CVD仍然是一种重要的薄
膜制备技术，为许多领域的研究和应用提供了重要的支持。
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Practical Unit Torr＝1 mmHg mTorr＝10－3 mmHg Pa＝7.5×10－3 Torr Torr＝133.3 Pa bar＝105 Pa＝750 Torr atm＝1.013×105 Pa＝760 Torr
三）真空区域大致划分
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
旋片式机械泵（Rotary Pump）
1、扩张（吸气）
2、容积最大
3、压缩
4、排气
（c）工作原理 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：105~1 Pa；双级：105~10-2 Pa 优、缺点：结构简单、工作可靠；有油污染的问题。
基板的污染
蒸发分子(F)与残余气体分子(N)到达基板的速率 一般要求N/F 10-1 ： P = 10-4-10-5Pa
例：计算在高真空的条件下，清洁衬底被环境中的杂质气 体分子污染所需时间。假设每一个向衬底运动过来的气 体分子都是杂质，且每一个分子都被衬底所俘获。 衬底完全被一层杂质气体分子覆盖所需要的时间为
105 6.667×10-8 数十nm <<0.01 粘滞流
大气状态 热运动剧烈 碰撞频繁
102 6.667×10-5 不到1 m ≥0.01 过渡段
粘滞流 分子流 分子-分子 与分子-器壁 碰撞几率相当
10-1 6.667×10-2 cm量级 ≥1
10-3 6.667 若干米
10-6 6.667×103 数 km >>1 分子流
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 <1 atm的特定压强范围！
获得真空的主要工具 各种真空泵（Pump）！
气体输运泵：通过将气体不断吸入并排出真空泵达到排气的目的。 真空泵的分类 气体捕获泵：利用各种吸气材料和装置将被抽空间内的气体分子吸除。
真空泵的主要参数 抽气速率：单位时间内泵的抽气能力 极限真空：泵所能获得的最低压强 工作范围：泵能正常工作的压强范围 单位时间内气体流过抽气系统中任何截面的 体积称为体积流量，单位为升/秒， 与气体密度无关
“相对真空”
二) 真空的表示: 压强大小表示真空.
压强高: 真空度低; 压强低: 真空度高 Pa (Pascal, SI, 帕斯卡); 巴(bar): 1bar=105Pa
在真空技术中,除国际单位制的压力单位 Pa外，常以托（Torr）作 为真空度的单位。1托等于1毫米高的汞柱所产生的压力: 1Torr＝133Pa 1标准大气压＝101325 Pa（牛顿／米2 ） 1标准大气压=760mmHg=760(Torr) =1.0的工作原理是基于玻意耳-马略特定律PV＝K
10-9 6.667×106 几千km
(m) 尺度 Kn
气体分子 流动特征 气体分子 运动特点 真空区域 工程划分
器壁碰撞为主 粒子直线飞行
分子数更少 分子间无碰撞 器壁碰撞几率也低
粗真空
低真空
高真空
超高真空
极高 真空
四) 真空在薄膜制备中的作用：抑制反应 减少蒸发分子与残余气体分子的碰撞(输运)
真空设备
为什么镀膜需要真空环境？
转移到基板表面 膜料 基板
镀膜的一般过程：
固态：箔金 液态 气态
气相淀积的优势: 牢固，外延生长（液相？）
几乎所有的现代光电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
物理气相淀积(PVD, physical vapor deposition) 化学气相淀积(CVD, chemical vapor deposition)
微观参量之间的关系:
压强, “自由程( , 气体分子间相邻 两次碰撞的距离)”, 分子密度(n)
一个分子在两次碰撞之间所占据的体积:
d2
V=N• d2
P=nkT
kT/ d2 P
Pressure unit SI（System International ）Unit 1 Pa（Pascal）＝1 Newton/m2 1 atm＝1.013×105 Pa＝760 mmHg 1 bar＝105 N/m2＝105 Pa
真空的基本知识
一) 真空的定义; 二) 度量单位; 三) 区域划分; 四)真空在薄膜制备 中的作用
一) 真空的定义
真空是指压力低于一个大气压的任何气态空间.
P nkT PV (m / M ) RT
n=7.21022(P/T)
P=1.3310-4 帕, T=293K, n= 3.21010 个/厘米3
相关物理：
1）Knudsen数 定义： K n
— 气体分子的平均自由程 D — 流场特征尺寸（如：管径）
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）
气体分子的通量 (克努森方程) 其中N为衬底表面的原子面密度。在常温、常压条件下，洁 净表面被杂质完全覆盖所需的时间约为3.5x10-9 s，而在 3x10-8 Pa的超高真空中，上述时间可延长至10h左右。这说 明了在薄膜技术中获得和保持适当的真空环境的极端重要性。
真空的获得
真空的获得：就是所谓的“抽真空”！
Kn <0.01
Kn = 0.01~1
Kn >> 1
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 互碰撞极为频繁。 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。特点是气体分子平均自由程超过气体容器的尺 寸或与其相当。
P (Pa)