蒸发法真空镀膜-教材.pdf

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1、真空的获得、测量及镀膜“真空”是指在指定空间内低于环境大气压力的气体状态。完全没有气体的空间状态称为绝对真空。绝对真空实际上是不存在的。在真空状态下�气体分子之间或气体分子与其他分子之间的碰撞次数减少�分子在一定的时间内碰撞于固体表面上的次数亦相对减少�这导致其具有一系列新的物化特性�诸如热传导与对流小、氧化作用小、气体污染小、汽化点低等等。真空技术在近代尖端科学技术�如表面科学、薄膜技术、空间科学、高能粒子加速器等工作中都占有关键地位�在工业生产中也有广泛的应用。真空镀膜技术是真空应用技术的一个重要分支�它已广泛地应用于光学、电子学、能源开发、理化仪器、建筑机械、包装、表面科学以及科学研究等

2、领域中。真空镀膜所采用的方法主要有蒸发、溅射、分子束外延、化学镀膜等。真空镀膜是指在真空条件中采用蒸发和溅射等技术使镀膜材料气化�并在一定条件下使气化的原子或分子牢固地凝结在被镀衬底上形成薄膜。【实验目的】1�了解真空技术的基本知识�2�掌握低、高真空的获得和测量的基本原理及方法�3�了解真空镀膜的基本知识�4�学习掌握蒸发镀膜的基本原理和方法�【实验原理】1�真空度及测量单位真空技术中常用真空度来度量真空状态下空间气体的稀薄程度。通常真空度用气体的压力值来表示。压力值越高�真空度越低�压力值越低�真空度越高。常用的压力单位有�2帕斯卡(Pa)�国际单位制中压力单位�我国法定压力单位。1Pa=

3、1N/m.标准大气压(atm)�1atm=101325Pa≈760mmHg.2毫米汞柱(mmHg)�1mmHg是指0℃时1mm高水银柱(汞柱)作用在1cm面积上的力。托(Torr)�1Torr=1/760atm≈1mmHg为实用上便利起见�人们常把真空度粗划为几个区段�522-1低真空10~10Pa中真空10~10Pa-1-5-5高真空10~10Pa超高真空<10Pa2�真空的获得用来获得真空的设备称为真空泵�真空泵按其工作机理可分为排气型和吸气型两大类。排气型真空泵是利用内部的各种压缩机构�将被抽容器中的气体压缩到排气口�而将气体排出泵体外�如机械泵、扩散泵和分子泵等。吸气型真空泵则是在封闭

4、的真空系统中�利用各种表面(吸气剂)吸气的办法将被抽空间的气体分子长期吸着在吸气剂表面上�使被抽容器保持真空�如吸附泵、离子泵和低温泵等。机械泵机械泵是运用机械方法不断地改变泵内吸气空腔的容积�使被抽容器内气体的体积不断膨胀压缩从而获得真空的泵�机械泵的种类很多�目前常用的是旋片式机械泵。图1是单级旋片式机械泵的结构示意图。泵主要由定子、旋片、转子组成。在定子缸内偏心地装有转子�转子槽中装有两块旋片�由于弹簧弹力的作用而紧贴于缸壁(转动后还有旋片离心力)。定子上的进排气口被转子和旋片分为两部分。图1.单级旋片式机械泵工作原理图1—定子�2—旋片�3—转子�当转子在定子缸内旋转时周期性地将4—弹

5、簧�5—排气阀。进气口方面容积逐渐扩大而吸入气体�同时逐渐缩小排气口方面容积将已吸入气体压缩从排气阀排出。排气阀浸在油里以防止大气流入泵中。油通过泵体上的裂隙、油孔及排气阀进入泵腔�使泵腔内所有的运动表面被油覆盖�形成吸气腔与排气腔之间的密封。同时�油还充满了泵腔内的一切有害空腔�以消除它们对极限真空度的影响。旋片式机械泵使用时必须注意以下几点�(1)启动前先检查油槽中的油液面是否达到规定的要求�机械泵转子转动方向与泵的规定方向是否符合(否则会把泵油压入真空系统)。(2)机械泵停止工作时要立即让进气口与大气相通�以清除泵内外的压差�防止大气通过缝隙把泵内的油缓缓地从进气口倒压进被抽容器(“回油

6、”现象)。这一操作一般都由与机械泵进气口上的电磁阀来完成�当泵停止工作时�电磁阀自动使泵的抽气口与真空系统隔绝�并使泵的抽气口接通大气。(3)泵不宜长时间抽大气�否则因长时间大负荷工作会使泵体和电动机受损。扩散泵油扩散泵是用来获得高真空或超高真空的主要设备。其特点是结构简单�没有机械运动部件�使用寿命长�可靠性高�操作与维护方便等。扩散泵的主要部件有泵体、冷却帽、喷嘴、蒸气流导管和加热器等�如图2所示。扩散泵油锅中的泵油在真空中加热到沸腾温度(约200℃)�产生大量的油蒸气�油蒸气经导流管由各级喷嘴定向高速喷出。由于扩散泵进气口附近被抽气体的分压力高于蒸气流中该气体的分压力�所以被抽气体分子就

7、不断地扩散到蒸气流中。油蒸气撞击被抽气体分子�使被抽气体分子沿蒸气流束的方向高速运动。气体分子碰到泵壁又反射回来�再受到蒸气流的碰撞而重新沿蒸气图2.扩散泵工作原理图流方向流向泵壁。经过几次碰撞后�气体分子被压缩到低真空端�再由下几级喷嘴喷出的蒸气流进行多级压缩�最后由前级真空泵抽走。而油蒸气在冷却的泵壁上被冷凝后又返回到油锅中重新被加热�如此循环工作。扩散泵的启动压强应小于1Pa�因为在这一压强