真空镀膜重点详解.ppt

1.1 真空的基本知识 概念：利用外力将一定密闭空间内的气体分子移走，使该空间内的气压小于 1 个大气压，则该空间内的气体的物理状态就被称为真空。 真空的实质：一种低压气体物理状态 ? 真空度采用气体压强表征 ? 真空度的单位 = 气体压强的单位 ? 主要单位制 真空区域：指不同的真空度范围； ? 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。 相关物理： 1）Knudsen数 定义： 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） Kn 0.01 0.01 Kn = 0.01~1 1 Kn 1 真空泵的分类及常用工作压强范围 说明：从大气压力开始抽气，没有一种真空泵可以涵盖从1 atm到10-8 Pa的工作范围 ? 真空泵往往需要多种泵组合构成复合抽气系统 ? 实现以更高的抽气效率达到所需的高真空！ 旋片式机械泵（Rotary Pump） 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。 油扩散泵（Diffusion Pump） 工作原理： 1）将真空油加热到高温蒸发状态（约200℃）； 2）让油蒸汽分多级向下定向高速喷出；3）大量油滴通过撞击将动能传递给气体分子；4）气体分子向排气口方向运动，并在动压作用下排出泵体；5）油气雾滴飞向低温介质冷却的泵体外壁，被冷却凝结成液态后返回泵底部的蒸发器。 工作区间：1~10-6 Pa（因此需要前级机械泵提供1 Pa的出口压力） 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）。 涡轮分子泵（Turbomolecular Pump） 低温吸附泵（Cyropump） 工作区间：10-4~10-11 Pa 优 点：可实现目前最高的极限真空度：10-11 Pa。 缺 点：1）属于捕获泵的一种，使用要求高，需要外加冷源（液氮、液氦或制冷机）； 工作原理：利用20K以下的超低温表面来凝聚气体分子以实现抽气。1）初级冷头（外侧温度 = 50~80 K）：吸附 水气、CO2 等； 2）多级深冷头（T 20 K）：外侧光滑金属表面 ? 吸附 N2、O2、Ar； 内侧活性炭表面 ? 吸附 H2、He、Ne 真空的测量 分类 电离真空计（Ionization Gauge） 工作原理：利用气体分子与振荡电子的碰撞电离作用测得气压 ！ 1）电子的振荡与捕获：①热电子发射 ? ②加速飞向栅极 ? ③部分被捕获 ? ④漏网飞离栅极 ? ⑤反向减速掉头后再加速飞回栅极 ? ⑥再捕获 ? 漏网逃离栅极 ? ⑦再次减速并掉头加速 ? 重复②以后过程 （在劫难逃！）…… 2）气体分子碰撞电离：电子往复振荡与气体分子不断碰撞使之发生电离，电离产生的二次电子继续加入振荡-捕获过程，而气体离子则飞向离子收集极形成回路电流，且满足： Ie — 灯丝电流；S — 常数。 3）获得相对气压测值：灯丝电流 Ie 一定时，就可由离子电流 I+ 的大小测得气压