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
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1 1 1 1 1 1
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)