光学基础及其技术 2

第三章

光学薄膜制造技术潘永强教授*（真空技术基础））镀膜制备方法湿法（液相法）化学气相沉积（CVD）化学溶液镀法常压CVD低压CVD光CVD金属有机物CVDPECVD热蒸发离子束辅助蒸发溅射离子镀(PhysicalVaporDeposition)-PVD(ChemicalVaporDeposition)-CVD薄膜制备方法干法（气相法）物理气相沉积（PVD）化学镀(CBD)电镀(ED)溶胶-凝胶(Sol-Gel)液相外延(LPE)喷雾水解（SP）*3.1真空技术基础真空——是真空镀膜的基础，更是光学镀膜机的必要条件。真空——压强小于1个大气压的气体状态。首先需要搞清以下问题：PVD为什么要在真空中进行？真空用哪些参数计量？PVD所需要的真空条件是如何确定的？真空如何获得？

**PVD与真空1.真空基础真空室(1)PVD为什么要在真空中进行？1）.大气PVD存在的问题常温常压下，空气分子质量密度：1.28×10-6g/mm3

每克气体分子含分子个数：2.08×1022个/g——气体分子距离：3.34×10-6mm——气体分子的空间密度：2.68×1016个/mm3因此,A.空气中活性气体分子与膜层、膜料、蒸发器反应；B.空气分子进入膜层成为杂质；C.蒸发膜料大多因碰撞而无法直线到达被镀件。*(1)PVD为什么要在真空中进行？2).真空PVD的优点

真空——压强小于1个大气压的气体状态。

PVD需要的真空条件应能保证：“平均自由程”＞“源-件”距。易蒸发（膜料蒸发温度大幅下降）；易获高纯膜；膜层坚硬；成膜速度快。PVD为什么要在真空中进行？平均自由程:在一定的条件下，一个气体分子在连续两次碰撞之间可能通过的各段自由程的平均值。*(2)真空用哪些参数计量？1）.真空与真空度真空是一种气体状态（并非一无所有）。真空度是表征真空状态气体稀薄程度的物理量。2）.真空度与压强

A.真空度的计量采用与压强相同的方法和单位。

注：压强低真空度高；压强高真空度低。

B.压强计量单位：

1标准大气压=760mmHg=1.01325×105Pa*(2)真空用哪些参数计量？真空的国际单位：Pa（帕）常用真空单位还有：Torr（托）,mmHg（毫米汞柱)，

mbar（毫巴），atm（大气压）互换关系为：

1Torr=1/760atm=1mmHg=1.33mbar=133.3Pa几种压强单位的换算关系*(2)真空用哪些参数计量？

目前尚无统一规定，常见的划分为：粗真空，低，高，超高，极高。

粗真空

105-102Pa

低真空

102-10-1Pa

高真空

10-1-10-6Pa

超高真空

10-6-10-10Pa

极高真空

10-10Pa

-C.真空区间被划分为：*(3)PVD所需要真空度是如何确定的？*1).分子平均自由程2).分子碰撞率3).PVD要求分子碰撞率<10%，若，d=0.5m

当温度和气体种类一定时，分子相邻两次碰撞之间所走的路程。PVD所需要的真空条件是如何确定的？*2.真空镀膜机真空镀膜机的基本构成*真空系统热蒸发系统阻蒸电子枪膜厚控制系统光电膜厚仪石英晶体膜厚仪*3.2真空的获得与检测*3.2.1真空泵

“抽真空”—抽出容器内气体，获得真空状态的过程/动作。“真空泵”—用于抽出容器内气体的机器。

1.真空与真空泵抽气速率（体积流率）：L/s，m3/s；极限真空：可以抽达的最低压强(最高真空度)；启动压强：泵无损启动，并有抽气作用时的进气口压强；前级压强：泵排气口压强；最大前级压强（反压强）：超过了就会使泵损坏或不能正常工作的前级压强。真空泵主要性能参数：*

A.气体传输泵：

——能使气体不断吸入和排出而达到抽气目的。

a、变容式：

——泵腔容积周期性变化完成排吸气。如：油封旋片式机械泵；滑阀泵；罗茨泵。

b、动量传递泵：

——用高速旋转的叶片或高速射流，把动量传递给气体分子，使气体分子连续的、不断地从入口向出口运动。

如：分子泵；油扩散泵。B.气体捕集泵：

——利用泵体/工作物质对气体分子的吸附和凝结作用抽出容器内的气体。如：吸附泵；吸气剂泵；低温泵。常见真空泵的分类*2.常见真空泵直联泵

罗茨泵

*3.旋片式机械泵1).结构抽、排气工作由旋片完成；油封的作用是密封和润滑。*工作过程**

根据Boyle-Malotte定律：P·V=R·T

若将原压强为P0的容器体积V扩展△V，且温度T不变，则扩展容积后的压强P1

由P1·（V+△V）=R·TP0·V=R·T

得P1·（V+△V）=P0·V

即P1=P0·V/（V+△V）显然，容器体积扩展△V时，压强P0下降为P1。工作原理*性能指标**①指标前级压强：1.013×105Pa(1个标准大气压）

启动压强：

1.013×105Pa(1个标准大气压）工作压强：1.013×105Pa~1.333×10-1Pa

极限真空：5×10-2Pa

②抽速：油封旋片式机械泵的理论抽速为其中：

实际抽速并非始终如此，在开始抽大气和容器压强较低（小于1Pa）时，机械泵的抽速都大大低于理论抽速。

直联泵（高速）的抽速明显高于普通机械泵。直联泵:电动机直接驱动泵转子，把转速提高到1400r/min以上400r/min*4.油扩散泵1).

结构工作物质—高纯真空油；加热器—为油汽化加热；泵芯—为油蒸汽导向；

*原理：被抽气体分子向油蒸汽流扩散的现象来实现排气。扩散泵油加热后，产生大量油蒸汽，油蒸汽由导流管传输到上部，经伞形喷嘴向外喷射，形成高速定向的蒸汽流，使喷嘴附近的气体分子被压缩到排气口附近被前级泵抽走。油蒸汽经水冷腔壁冷凝成液体流回泵底。Si油：加热时具有高蒸汽压；不易分解；分子量非常大极限真空：10-7Pa油扩散泵的性能指标:启动压强10-1a,最大前级压1Pa,工作压强10-1Pa~10-6Pa，极限真空度10-7Pa工作原理**①.指标

启动压强：10-1Pa(进气口压强)

最大前级压强：1Pa(泵排气口压强)

工作压强：10-1Pa~10-6Pa

极限真空：10-7Pa②.值得注意的问题

A.油扩散泵既不能直接抽大气，也不能直接向大气中排气；

B.油扩散泵必须在有水冷的条件下使用。性能指标*5.罗茨泵*罗茨真空泵（简称罗茨泵）是一种旋转式变容真空泵。它是由罗茨鼓风机演变而来的。直排大气的低真空罗茨泵；中真空罗茨泵（又称机械增压泵）；高真空多级罗茨泵。罗茨泵的分类*结构及工作过程*特点：转子的咬合精度很高，转子可高速旋转，不用油作为密封介质，抽速很大，极限真空度可达10-2pa左右。

但当气体的压力低于10-1pa以后，气体的回流将造成罗茨泵抽速的降低。而在压力较高时，大量气体的高速压缩又会引起泵体和转子发热膨胀，造成配合精度很高的泵体损坏。因此罗茨泵的工作压力范围是0.1~1000pa之间。所以罗茨泵常用机械泵作为前极。罗茨泵的特点*6.涡轮分子泵理论基础根据气体分子运动论，气体分子碰撞到固体表面，在表面上停留的时间很短。如果处于气体中的固体表面以一定的方向运动，所有飞到表面的分子，经过碰撞后都具有一定的分速度，其大小与方向等于固体的速度。*工作原理依靠高速运动的物体表面把定向速度传递给入射表面的气体分子，造成泵出口、入口的气体分子正向、反向传输几率的差异而产生抽气作用。（30000转/分）。*优点：无油，洁净，启动快，制动快，可忍受大气冲击。缺点：由于高速旋转，不能在磁场中使用，否则会产生涡流，导致叶轮发热、变形等严重后果，对氢气等轻质气体抽速较小，价格昂贵。*超高真空中真空高真空低真空机械泵罗茨泵油扩散泵涡轮分子泵溅射离子泵低温泵工作压强：105Pa~1Pa工作压强：104Pa~101Pa工作压强：10-1Pa~10-5Pa工作压强：10-1Pa~10-8Pa工作范围：*3.2.2高真空系统高真空系统构成真空系统热蒸发系统膜厚控制系统①.前级泵—机械泵：②.高真空泵—油扩散泵③.冷阱*真空系统主要部分的作用①.前级泵—机械泵：

排气于大气中；为油扩散泵提供预真空。②.高真空泵—油扩散泵：

获得10-3Pa的高真空。③.冷阱：

挡油器，阻止油蒸气进入真空室。④.过冷凝器（Polycold):

置于真空室的水分子捕集器（液态N制冷），用于补偿由“前级泵+油扩散泵”组成的系统不能抽水蒸气的缺陷。*3.2.3真空测量热电偶真空规管（真空计）

——以某一中间变量与气体压强的关系为依据的间接测量。热电偶真空计

1）.结构：

Pt-铂灯丝;

A，B-热偶丝;

O-热偶接点.2）.测量范围：102~

10-

1Pa*

——低气压（100~10-2）下气体的热传导与压强成正比。因为：灯丝通电后，其热量散失的途径有三：

Q1：—

灯丝辐射损失

Q1=C1·（T—T0）Q2：—

灯丝引线的热传导损失

Q2=C2·（T—T0）Q3：—

气体碰撞的热传导损失

Q3=C3·（T—T0）P其中：C1，C2，C3是常数，T是灯丝的温度，T0是管壁的温度。用热电偶测出灯丝的温度，就可算出相应的压强工作原理*工作时，灯丝加热功率一定：加热与散热达到热平衡，

Q灯丝=Q1+Q2+Q3；

特点：仪器结构简单、使用方便缺点：测量区域内，指示值呈非线性、测量结果与气体种类有关、零点飘移严重。*电离真空规管（真空计）1).结构：

1-阴极灯丝2-栅极（正电压）3-板极/离子收集极

2).测量范围：10-1~

10-6PaIpFFGGF