薄膜真空技术PPT课件
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抑制反应 蒸发分子(F)与残余气体分子(N)到达基板的速率 N/F 10-1 ： P = 10-4-10-5Pa
真空的获得
一) 机械泵; 二) 分子泵和罗茨泵; 三) 扩散泵; 四) 吸附泵; 五) 溅射 离子泵; 六) 升华泵
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
罗茨泵
左转子由0°转到180°的抽气过 程：在0°位置时（图a）左转子 从泵入口封入v0体积的气体。当 转到45°位置时（图b ），该腔 与排气口相通。由于排气侧压强 较高，引起一部分气体返冲过来。 当转到90°位置时（图c）左转 子封入的气体，连同返冲的气体 一起排向泵外。这时，右转子也 从泵入口封入v0体积的气体。当 转子继续转到135°时（图d）右 转子封入的气体与排气口相通， 重复上述过程。转子主轴旋转一 周共排出四个v0体积的气体
罗茨泵的极限真空除取决于泵本身结构和制造精度外， 还取决于前级泵的极限真空 由于以上特点罗茨泵时常被串连使用
涡轮分子泵
原理：
➢ 气体分子被高速转动的涡轮片 撞击，向出口运动；
➢ 多级速度：30,000-60,000 rpm； ➢ 转子的切向速度与分子运动速
率相当； ➢ Atmosphere to 10-10 Torr
是最常见的 HV/UHV泵
涡轮分子泵
优点 • 基本没有油的污染 • 启动和关闭很快
缺点 • 噪声大，有振动。 • 电磁污染。 • 比较昂贵。
油扩散泵
➢ 加热油从喷嘴喷出，气体分 子与油分子碰撞，向出气口 运动
➢ 需要水冷，前级泵
➢ 10-3 to 10-7 Torr (to 10-9 Torr， 液氮冷阱)
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) =1.013x105 Pa≈105 Pa
真空设备
为什么镀膜需要真空环境？
镀膜的一般过程：
转移到基板表面
膜料
基板
固态：箔金 液态 气态
气相淀积的优势: 牢固，外延生长（液相？）
物理气相淀积(PVD, physical vapor deposition) 化学气相淀积(CVD, chemical vapor deposition)
真空的基本知识
优点 • 耐用 • 成本低，抽速快 • 无震动和声音
缺点 • 油污染
• 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
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.
PnkT PV(m/ M)RT
n=7.21022(P/T)
P=1.3310-4 帕, T=293K, n= 3.21010 个/厘米3
“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
微观参量之间的关系:
压强, “自由程(L, 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:
Ld2
V=N• Ld2
L=kT/ d2 P
P=nkT
三）真空区域大致划分
真空划分 低真空 中真空 高真空 超高真空
压 Pa 105～102
力 Torr
760～1
102～10-1
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
S抽 速 Sm 最大抽速
旋片机械泵
常见的机械泵有旋片式、定 片式和滑阀式等。旋片式的噪声 小，运行速度高，被广泛应用在 真空镀膜机上。
主要结构如右图所示 机械泵的工作原理是基于 玻意耳-马略特定律的基础上的
PV＝K （1.1）式
1～10-3
10-1～10-5 10-3～10-7
〈10-5
〈10-7
分子运动状态
粘滞流 viscous flow 中间流（过渡流）
intermediate flow 分子流 molecular flow
分子流 molecular effusion
四) 真空在薄膜制备中的作用 减少蒸发分子与残余气体分子的碰撞：f = 1-e-d/l
其中K是与温度有关的常数
ຫໍສະໝຸດ Baidu
右图表示机械泵转子在 连续旋转过程中的四个典型 位置。随着转子的旋转，不 断进行吸气、压缩和排气的 过程。
假设被抽容积为V，初始 压强为P 0,泵内空腔体积为 △V，旋片转过半周后，根 据（1.1）式则压强P 1为
P1（V+ △V ）＝P0V
即
N个循环后
机械泵的定子和转子间存在影响抽真空的有害空间,泵的抽速随着压强降低而减 小。为了减少有害空间的影响通常采用双级泵，双级泵由两个转子串连而成，其中 一个转子的出气口为另一个转子的进气口，这样可以将极限真空的单极泵的1Pa提 高到10-2Pa
机械泵油的作用非常重要，它起着很好的密封和润滑作用。泵油基本要求是低 的饱和蒸气压，一定的粘度和较高的稳定性。但是普通机械泵对于抽走水蒸气等可 凝气体有很大困难。当蒸气在腔内压缩，压强达到饱和蒸气压时，水蒸气就开始凝 结成水，并与泵油形成一种悬浊液。不仅影响泵油的密封和润滑，还会造成泵壁生 锈。
为此在气体尚未被压缩前，通过气镇阀渗入一定量的气体来帮助打开排气阀片， 减少水气的凝结。气镇阀在抽气的起始阶段使用不会影响极限真空，但是到了一定 程度后继续使用就会降低泵可以达到的极限真空
罗茨泵的转子之间、转子与泵壳内壁之间，保持有一 定的间隙，可以实现高转速运行且没有卡住的危险。
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。
真空的获得
一) 机械泵; 二) 分子泵和罗茨泵; 三) 扩散泵; 四) 吸附泵; 五) 溅射 离子泵; 六) 升华泵
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
罗茨泵
左转子由0°转到180°的抽气过 程：在0°位置时（图a）左转子 从泵入口封入v0体积的气体。当 转到45°位置时（图b ），该腔 与排气口相通。由于排气侧压强 较高，引起一部分气体返冲过来。 当转到90°位置时（图c）左转 子封入的气体，连同返冲的气体 一起排向泵外。这时，右转子也 从泵入口封入v0体积的气体。当 转子继续转到135°时（图d）右 转子封入的气体与排气口相通， 重复上述过程。转子主轴旋转一 周共排出四个v0体积的气体
罗茨泵的极限真空除取决于泵本身结构和制造精度外， 还取决于前级泵的极限真空 由于以上特点罗茨泵时常被串连使用
涡轮分子泵
原理：
➢ 气体分子被高速转动的涡轮片 撞击，向出口运动；
➢ 多级速度：30,000-60,000 rpm； ➢ 转子的切向速度与分子运动速
率相当； ➢ Atmosphere to 10-10 Torr
是最常见的 HV/UHV泵
涡轮分子泵
优点 • 基本没有油的污染 • 启动和关闭很快
缺点 • 噪声大，有振动。 • 电磁污染。 • 比较昂贵。
油扩散泵
➢ 加热油从喷嘴喷出，气体分 子与油分子碰撞，向出气口 运动
➢ 需要水冷，前级泵
➢ 10-3 to 10-7 Torr (to 10-9 Torr， 液氮冷阱)
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) =1.013x105 Pa≈105 Pa
真空设备
为什么镀膜需要真空环境？
镀膜的一般过程：
转移到基板表面
膜料
基板
固态：箔金 液态 气态
气相淀积的优势: 牢固，外延生长（液相？）
物理气相淀积(PVD, physical vapor deposition) 化学气相淀积(CVD, chemical vapor deposition)
真空的基本知识
优点 • 耐用 • 成本低，抽速快 • 无震动和声音
缺点 • 油污染
• 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
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.
PnkT PV(m/ M)RT
n=7.21022(P/T)
P=1.3310-4 帕, T=293K, n= 3.21010 个/厘米3
“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
微观参量之间的关系:
压强, “自由程(L, 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:
Ld2
V=N• Ld2
L=kT/ d2 P
P=nkT
三）真空区域大致划分
真空划分 低真空 中真空 高真空 超高真空
压 Pa 105～102
力 Torr
760～1
102～10-1
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
S抽 速 Sm 最大抽速
旋片机械泵
常见的机械泵有旋片式、定 片式和滑阀式等。旋片式的噪声 小，运行速度高，被广泛应用在 真空镀膜机上。
主要结构如右图所示 机械泵的工作原理是基于 玻意耳-马略特定律的基础上的
PV＝K （1.1）式
1～10-3
10-1～10-5 10-3～10-7
〈10-5
〈10-7
分子运动状态
粘滞流 viscous flow 中间流（过渡流）
intermediate flow 分子流 molecular flow
分子流 molecular effusion
四) 真空在薄膜制备中的作用 减少蒸发分子与残余气体分子的碰撞：f = 1-e-d/l
其中K是与温度有关的常数
ຫໍສະໝຸດ Baidu
右图表示机械泵转子在 连续旋转过程中的四个典型 位置。随着转子的旋转，不 断进行吸气、压缩和排气的 过程。
假设被抽容积为V，初始 压强为P 0,泵内空腔体积为 △V，旋片转过半周后，根 据（1.1）式则压强P 1为
P1（V+ △V ）＝P0V
即
N个循环后
机械泵的定子和转子间存在影响抽真空的有害空间,泵的抽速随着压强降低而减 小。为了减少有害空间的影响通常采用双级泵，双级泵由两个转子串连而成，其中 一个转子的出气口为另一个转子的进气口，这样可以将极限真空的单极泵的1Pa提 高到10-2Pa
机械泵油的作用非常重要，它起着很好的密封和润滑作用。泵油基本要求是低 的饱和蒸气压，一定的粘度和较高的稳定性。但是普通机械泵对于抽走水蒸气等可 凝气体有很大困难。当蒸气在腔内压缩，压强达到饱和蒸气压时，水蒸气就开始凝 结成水，并与泵油形成一种悬浊液。不仅影响泵油的密封和润滑，还会造成泵壁生 锈。
为此在气体尚未被压缩前，通过气镇阀渗入一定量的气体来帮助打开排气阀片， 减少水气的凝结。气镇阀在抽气的起始阶段使用不会影响极限真空，但是到了一定 程度后继续使用就会降低泵可以达到的极限真空
罗茨泵的转子之间、转子与泵壳内壁之间，保持有一 定的间隙，可以实现高转速运行且没有卡住的危险。
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。