薄膜制备的真空技术基础(1)

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1.3 气体的流动状态和真空抽速
图1.3 黏滞态气流的两种流动状态 （a)－层流； （b)－紊流
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1.3 气体的流动状态和真空抽速
雷诺（Reynolds）准数Re是帮助判断气体流动状态的另一无量 纲参数，定义为：
Re vd
雷诺准数与气体流动状态之间的关系为：
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离子束辅助沉积法(ion beam assisted deposition (IBAD))是在离子束沉积技 术的基础上发展起来的, 即在电子束 蒸发沉积或离子束溅射沉积的同时以 荷能离子束轰击膜的生长表面以提供 形成DLC 膜所需的能量。辅助离子束 的轰击, 有利于膜基之间界面的结合 , 薄膜生长致密, 增加sp3 的含量, 使薄 膜的性能获得很大的提高。
实际抽速S小于理论抽速SP
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1.3 气体的流动状态和真空抽速
极限压强 Pn：泵对一个不漏气不放气的容器抽气，经过 足够长的时间所能达到的最低平衡压强； 最大工作压强：泵能正常工作的最高压强； 运用范围：泵具有相当抽气能力时的压强范围。
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1.4 真空泵简介
按真空获得方法的不同,可以将真空泵分为两大类,即运输式真空 泵和捕获式真空泵. 运输式真空泵采用对气体进行压缩的方式将气体分子输送至真空 系统之外. 机械式气体输运泵: 旋片式机械真空泵、罗茨泵和涡轮分子泵 气流式气体输运泵：油扩散泵 捕获式真空泵则依靠在真空系统内凝结或吸附气体分子的方式将 气体分子捕获,排除于真空过程之外.包括低温吸附泵、溅射离子 泵等。
5、 真空度的划分
低真空：> 10 2Pa
中真空：102～ 10-1Pa
高真空： 10-1～10-5Pa
超高真空：<10-5 Pa
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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。
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影响DLC 膜性能的主要参数是膜中sp2 和sp3 的含量、H 的含 量以及薄膜的微观结构，而这些参数又直接受控于生长过程中 轰击薄膜生长表面的正离子的能量和强度以及等离子体中被激 发和被离化的、对薄膜生长有贡献的含碳基团的浓度。
DLC膜的硬度、密度、sp2 和sp3 的含量与沉积的离子能量有 关, 并随沉积离子能量的变化有一最大值, 当能量过高时沉积的 DLC 膜会发生石墨化转变。研究表明, 当沉积的C+ 离子能量在 100 eV 左右时, 沉积所得的DLC 膜sp3 含量最高。下图为几种典 型的PVD 技术产生的沉积粒子的能量范围。
1 4
nVa
P（3）1 3
nmVa2
将式（1）和（2）代入上式，可以求出气体分子的通量：
PNA
2MRT
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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。
第1章 薄膜制备的 真空技术基础
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1.1 真空的基本知识
1. 真空的定义：真空泛指压力低于一个 大气压的任何 气态空间。
2. 真空度的单位 真空度实质上与气体压力是同一物理概念。真空度越高，即气 体压力越小；反之真空度越低，即气体压力越大。真空度的上 限就是一个标准大气压，即760毫米汞柱。
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该方法是以石墨为碳源, 利用射 频振荡或直流激发的惰性气体(Ar 、He) 离子轰击石墨靶, 溅射出来 的碳原子(或离子)在基体表面上 形成DLC 膜, 当通入气体是Ar 和 H2(或碳氢气体)混合气时可制得 含氢DLC 膜。
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这种方法是在惰性气体中以电 弧放电烧蚀石墨靶产生碳离子, 基体施加负偏压来实现DLC 膜的 沉积。
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
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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
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1.4 真空泵简介
5、低温吸附泵
---低温吸附泵的特点 •成本低廉、简单耐用 •工作范围：大气∼低真空 •极限真空：10-1~10-8pa •优点：无油、无振动 •缺点：使用成本比较高
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1.4 真空泵简介
6、溅射离子泵
---溅射离子泵的特点 •抽速大、无油、无振动 •工作范围：中高真空∼超高真空 •极限真空：10-8Pa •缺点：惰性气体抽速低
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1.1 真空的基本知识
---大气压(atm): 标准的大气压力定义为1 atm ---帕(Pa): N/m2 (常用单位：Pa) ---巴(Bar): Dy/cm2, (常用单位：mBar) ---乇(Torr):1/760 atm, (常用单位：Torr)
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1.2 气体分子运动论的基本概念
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1.4 真空泵简介
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1.什么是传统机械按键设计？
传统的机械按键设计是需要手动按压按键触动PCBA上的 开关按键来实现功能的一种设计方式。
传统机械按键结构层图
：
按
PCBA
键
开关 键
传统机械按键设计要点： 1.合理的选择按键的类型， 尽量选择平头类的按键，以 防按键下陷。 2.开关按键和塑胶按键设计 间隙建议留0.05~0.1mm， 以防按键死键。 3.要考虑成型工艺，合理计 算累积公差，以防按键手感
1、气体分子的平均运动速度Va
Va
8kT
m
8RT
M
（1）
温度越高、气体分子的相对原子质量越小，则分子的平均运 动速度越大。
2、气体的压力
p n Mva2 nRT
8NA
NA
（2）
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1.2 气体分子运动论的基本概念
3、碰撞频率Ф（气体分子通量）：在单位时间, 单位面积 表面受到气体分子碰撞的次数。
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1.4 真空泵简介
1、旋片式机械真空泵
原理：利用插在偏心转子中 的数个可以滑进滑出的旋片 将泵体内的气体隔离、压缩 ，然后将其排除泵体之外。 特点：结构简单、工作可靠 缺点：油污染真空系统。
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1.4 真空泵简介
2、罗茨真空泵
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1.4 真空泵简介
Re>2200
紊流状态
2200>Re>1200 紊流和层流态
Re<1200
层流状态
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1.3 气体的流动状态和真空抽速
2、气体管路的流导 真空系统中总包括有真空管路，而真空管路中气体的通过能 力称为它的流导。设一真空部件使流动着的气体形成一定程 度的压力降低，则其流导C的定义为：
C Q p1 p2
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沉积DLC膜的装置简图
离子束沉积方法是以石墨或碳氢化合物气体(CH4、C2H2、C2H4、 C6H6)等)为碳源, 通过电弧蒸发、离子束溅射或热丝电子发射产 生碳或碳氢离子, 通过偏压加速引向基体, 荷能离子作用于基体
表面而形成DLC 膜。
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1.5 真空的测量
薄膜真空规
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1.5 真空的测量
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介绍Biblioteka Baidu二种薄膜材料：DLC 膜
Ref: J. Robertson, Materials Science and Engineering R, 37 (2002) 129
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3、油扩散泵
---油扩散泵的特点 •成本低廉、经济耐用、无 振动 •工作范围：低真空∼中、 高真空 •缺点：返油、预热
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1.4 真空泵简介
4、涡轮分子泵
---涡轮分子泵的特点 •抽速大、无油、启动快 •工作范围：低真空∼中、高真 空，大气∼超高真空 •极限真空：10-6/ 10-10torr •缺点：振动、成本高、易损
介绍第二种薄膜材料：DLC 膜
DLC 膜是一种含有大量sp3 的亚稳态非晶碳薄膜, 碳原子间主要以 sp3 和sp2 杂化结合, sp含量较少。DLC 的结构可以看成是由sp2( 石 墨)和sp3( 金刚石) 杂化的碳原子高度交联的网状结构和孤立的团 簇所组成, 因而DLC 膜的结构和性能介于金刚石和石墨之间。受沉 积环境和沉积方式的影响, DLC 膜中还可能含氢等杂质, 形成各种 C- H 键。 根据薄膜中碳原子的键合方式( C- H, C- C, C= C) 及各种键合方式比 例的不同,DLC 膜可分为含氢DLC (hydrogenated amorphous carbon (a- C∶H)) 膜和无氢DLC(amorphous carbon (a- C))膜两大类。
---工作原理 •灯丝通过一定电流加热； •气体分子通过碰撞冷却灯丝； •利用热偶测量灯丝温度的变化，并通过改变灯丝电压维持灯 丝电流恒定，从而确定气体密度 －－－热电偶规的特点 •价格低廉、方便、快捷、耐用 －－热偶规的使用 •工作电流：每支热偶规的工作电流都不完全一样。
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1.5 真空的测量
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1.3 气体的流动状态和真空抽速
上述两种气体流动状态间的界线可以借助一个无量纲的参数－ －克努森（Knudsen）准数Kn来划分，定义为：
Kn D
Kn < 1
分子流状态
Kn = 1~110 中间状态
Kn > 110 粘滞流状态
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1.3 气体的流动状态和真空抽速
黏滞流状态的气体流动模式复杂，在低流速的情况下，黏滞流 状态的气流处于层流状态；在流速较高时，气体的流动状态转 变为紊流状态。
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。
1.5 真空的测量
测量真空度的办法通常先在气体中引起一定的物理现象，然 后测量这个过程中与气体压强有关的物理量，再设法确定出 真空压强来。
热偶真空规和皮拉尼（Pirani）真空规
测量原理：利用气体的热传导现象，以气体的熱导率随气 体压强的变化为基础。
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1.5 真空的测量
热偶真空规
串连流导： 并连流导：
1 1 1 1 C C1 C2 C3
C C1 C2 C3
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1.3 气体的流动状态和真空抽速
3、 真空泵性能的基本参数
真空泵的理论抽速SP
SP
Q P
P为真空泵入口处的气体压力；Q为 单位时间内通
过真空泵的气体流量。
真空泵的有效抽速 S
S SpC Sp C
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DLC 膜的制备方法
现在主要是用各种气相沉积方法制备DLC 膜,根据原理不同, 可分为化学气相沉积(chemical vapor deposition (CVD)) 和物理气 相沉积(physical vapor deposition(PVD))两大类。
含氢DLC 膜一般由化学气相沉积制备, 无氢DLC 膜一般由物理 气相沉积制备。这些制备方法的共同特点都是在薄膜的生长过 程中受到中等能量离子束的轰击。离子束的轰击将有利于致密 的、具有较多sp3 的DLC 膜形成。
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XRD pattern of the film deposited at 80 eV ion energy
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(a) SEM image of the film deposited at 80 eV ion energy, and (b) an enlarged image.