真空态的获得与测量及真空镀膜

一、实验课题意义及要求

随着科学技术的迅猛发展，真空技术在各个领域都得到广泛的应用和发展。遍及化学、生物、医学、电子学、表面科学、冶金工业、高能物理、农业、食品工业、空间技术、材料科学、低温超导等科学领域，并发展成为一门独立的学科。而真空镀膜是在真空条件下，利用物理方法，在金属或非金属、导体或绝缘体、半导体等多种材料上喷镀单层或多层具有不同性质和要求的薄膜。真空镀膜技术在国民经济各个领域有着广泛应用，特别是近几年来，我国国民经济的迅速发展、人民生活水平的不断提高和高科技薄膜产品的不断涌现，给真空镀膜技术的发展和推广应用带来了新的机遇。

本实验要求了解真空技术的基本知识。了解真空泵、扩散泵的基本结构与使用方法。了解热偶规和电离规的基本原理与复合真空计的使用方法。掌握真空蒸发制备银膜或铜膜的工艺。

二、参考文献

[1] 张天喆，董有尔.近代物理实验[M].北京:科学出版社，2004.

[2] 王银川.真空镀膜技术的现状及发展[J].现代仪器，2000（6）:1-4.

[3] 姜燮昌.真空镀膜技术的最新进展[J].真空，1999（5）:1-7.

三、提供的仪器与材料

电子衍射仪，复合真空计，超声清洗器，铜粉，银丝，丙酮，甲醇，高纯水。

四、开题报告及预习

1.真空区域的划分及其主要应用。

2.常用真空泵的运用范围。

3.扩散泵的工作原理。

4.钛升华溅射离子泵的工作原理。

5.热电偶真空计与热阴极电离真空计的工作原理。

6.如何使用真空镀膜方法获得高质量的薄膜。

五、实验课题内容及要求

1.了解真空技术的基本知识。

2.了解真空泵、扩散泵的基本结构及使用方法。

3.了解热偶规和电离规的基本原理与复合真空计的使用方法。

4.熟悉镀膜机的结构和仪器的操作规程，根据镀膜原理仔细考虑各实验操作步骤。

5.在清洗好的载玻片上镀一层金属银、铜、铝或其他材料的薄膜。要求薄膜表面光洁如镜面，膜层坚固不易脱落。

六、实验结题报告及论文

1.报告实验课题研究目的。

2.介绍实验基本原理和实验方法。

3.介绍实验所用仪器装置及其操作步骤。

4.记录工艺过程中的物理条件和参数（如真空度、除气时间、预熔和蒸发的电流和时间），最后膜面质量等现象。

5.报告通过本实验所得收获并提出自己的意见。

实 验 指 导

一、实验原理

1.真空技术基础知识

真空技术发展到今天已广泛地渗透到各项科学技术和生产领域，它日益成为许多尖端科学、经济建设和人民生活等方面不可缺少的技术基础。作为现代科学技术主要标志的电子技术、核技术、航天技术的发展都离不开真空，反过来它们飞跃前进正在推动真空技术的迅速发展，成为真空科学技术发展史上的3个飞跃阶段，从而使真空技术由原来主要应用领域电真空工业扩展到低温超导技术、薄膜技术、表面科学、微电子学、航海工程和空间科学等近代尖端科学技术领域。至于在一般工业中的应用实在种类繁多，不胜枚举，冶金、化工、医药、制盐、制糖、食品等工业都广泛使用真空技术。例如有机物的真空蒸馏，某些溶液的浓缩、析晶、真空脱水、真空干燥等。人们还利用真空中的各种特点，研制生产出真空吊车、电子管、显像管、中子管，就连人们日常生活中使用的灯管、暖水瓶、真空除尘器等都离不开真空技术。

1）真空与真空区域的划分

“真空”是指在给定的空间内，气体分子密度低于该地区大气压下的气体分子密度的稀薄气体状态。不同的真空状态有不同的气体分子密度。在标准状态下，每立方厘米的分子数为2.6870×1019个，而在真空度为10-4Pa时，每立方厘米的分子数为3.24×1010个，即使用最现代的抽气方法获得的最高真空度10-13Pa时，每立方厘米中仍有3.24×10个分子。所以真空是一相对概念，绝对真空是不存在的。

真空状态的主要特点是:真空容器所承受的大气压力由容器内外压力差所决定。与大气相比，气体分子密度小、分子之间相互碰撞不那么频繁，单位时间内碰撞容器壁的分子数减少，从而使真空状态下热传导与对流小，绝热性能强，可降低物质的沸点和汽化点等。真空的这些特点被广泛应用到生活、生产和科研的各个领域中。

真空度是对气体稀薄程度的一种客观量度。它本应用单位体积中的分子数来量度，但由于历史的原因，真空度的高低仍通常用各向同性的物理量“气体压强”来表示。气体压强越低，表示真空度越高；反之，压强越高，真空度就越低。

为使用方便，人们根据真空技术的应用特点、真空物理特性和真空泵、真空计的有效使用范围，将真空划分为不同区域及对应的物理特点和主要应用领域，如表1所示。

表1 真空区域的划分、特点与应用

2）真空获得

用来获得真空的器械简称为真空泵。由于真空技术发展到今天所涉及的压强范围从105～10-12Pa，宽达17个数量级，所以现在还不能用任何一种真空泵来实现。表2列出常用各种真空泵的运用范围与抽速。

表2 常用各种真空泵的运用范围与抽速

真空泵按其抽气机理可分为两大类:一是压缩型真空泵，他是将气体由一方压缩到另一方，如机械泵、扩散泵、分子泵等。二是吸附型真空泵，它是利用各种吸气作用将气体吸掉，如钛泵、离子泵、低温泵等。按起始工作状态可分为前级泵（可直接从大气压下开始抽气，如机械泵、吸附泵等）和次级泵（只能从大气压低的某一定压强下开始抽气，使系统达到更高极限真空度，如扩散泵、钛泵等）。次级泵工作时，必须辅以一定的前级泵，提供其正常工作所需要的真空度。

赖以比较各种真空泵性能的主要基本参数是:

（i）最大工作压强。泵能够正常工作的最高压强，如果工作压强超过这一数值，泵将失去工作能力。机械泵最大工作压强为1个大气压，扩散泵为1Pa。

（ii）极限压强。在被抽容器中漏气和放气可以忽略的情况下，经长时间的抽气之后，泵所能达到的最低平衡压强为该泵的极限压强。

（iii）抽气速率。在泵的入气口处，在任一给定压强P1下，单位时间内流入泵的气体体积数为泵的抽气速率，简称为抽速，常用S表示，则S=ΔV/Δt，P=Pl，式中ΔV为泵进气口处Δt时间内流入泵的气体体积，Pl为在测定该气体体积时的进气口压强。抽速在泵抽气过程中因Pl是变的，所以S一般都不是常数。

（iv）运用范围。指泵具有相当抽气能力时的压强范围。

对超高真空范围内的泵，需附加两个主要参数:抽气的选择性和残余气体的组成。一般实验室常用机械泵和扩散泵在1.5h内可获得10-4～10-5Pa真空度。

图1 旋片式机械泵结构

（1）旋片式机械真空泵。

旋片式机械泵主要有定子、转子、旋片、弹簧等组成，如图1所示。

在定子缸内偏心的装有圆柱形转子，与定子在A点相切，转子槽中装有中间带弹簧的两块旋片，旋转时靠离心力和弹簧的张力使旋片的顶端与定子内壁始终紧密接触。定子上的进、排气口被转子和旋片分为两部分。当转子沿箭头方向转动时，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以吸入气体压缩从排气孔排出。

机械泵的抽气速率主要取决于泵的工作体积ΔV，在抽气过程中随着进气口压强的降低，抽气速率逐渐减小。当抽到系统极限压强时，系统的漏气与抽出气体达到的动态平衡，此时抽速不变（见图2）。目前生产的机械泵多是两个泵腔串联起来的，如图3称为双级泵，它比单级泵具有极限真空度高（10-1～10-2Pa）和在低气压下具有较大抽速等优点。

为保证机械泵的良好密封和润滑，排气阀浸在密封油里以防大气流入泵中。油通过泵体上的缝隙、油孔及排气阀进入泵腔，使泵腔内所有的运动表面被油膜覆盖，形成了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间，以消除它们对极限真空度的影响。

使用时应注意:因被抽气体在泵腔内被压缩，所以不宜用来抽蒸气；停机后要立刻打开充气阀，防止机械泵油返至真空系统内。

图2 对容器V的抽气曲线

图3 二级旋片式机械泵结构

（2）油扩散泵。

油扩散泵是用来获得高真空的常用设备，其工作压强范围为10-1～10-6Pa。玻璃油扩散泵的结构如图4所示。

图4 玻璃油扩散泵结构

图5 扩散泵工作原理

扩散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，在喷嘴出口处蒸气流中造成低压。如图5所示被抽气体分子就不断地扩散到油蒸气流中，使被抽气体分子沿蒸气流速的方向高速运动。经三级喷嘴连续作用将被抽气体压缩到出气口由机械泵抽出。而油蒸气在冷却的泵壁上被冷凝后又返回到泵底重新被加热，如此循环工作，就达到连续抽气的目的。

在使用扩散泵时要注意的是:开扩散泵前必须先用机械泵将系统包括扩散泵本身抽至5Pa的预备真空，然后先通水后通电加热泵油。工作过程中必须保证冷却水畅通。停机时，先断开扩散泵加热电源，大约30min泵油降至室温时，再断冷却水，最后断开机械泵电源。这样操作可防止减小泵油氧化变质，提高真空的清洁程度，延长使用寿命，保证系统的极限真空度。

（3）钛升华溅射离子泵简介。

钛升华溅射离子泵结构如图6所示。它是由密封在玻璃外壳内的钛升华泵和溅散离子泵组合而成。它具有可获得清洁真空、对活性和惰性气体的抽速都大、工作范围宽、极限真空度高、便于控制、使用安全等优点。

图6 钛升华溅射离子泵

图7 溅射离子泵结构

（A）钛升华泵。

钛升华泵是表面吸附泵的一种。它主要由泵壳和钛升华器组成，如图6的左半部分（右半部分为溅射离子泵），泵壳由玻璃或金属制成，它有一定的内表面，泵壳内盛放多组缠绕纯钛丝式钛升华器。它的抽气原理及工作过程是:首先需要用前级泵抽至10-2Pa预备真空后方可开机，然后将钛丝加热到足够高的温度，钛就源源不断地升华，升华的钛沉积在泵壳内表面上形成一层层的新鲜钛膜。被抽气体的活性气体分子碰撞在新鲜钛膜上，由于化学吸附，形成稳定的氧化钛、氮化钛等化合物，随后又被不断蒸发（溅射）而形成的新鲜钛膜所覆盖，新鲜钛膜又继续吸附气体分子，形成了稳定的抽气。

（B）溅射离子泵。

溅射离子泵是目前采用最广泛的清洁真空泵。它的结构如图7所示，在直径为16～20mm不锈钢阳极筒与钛板阴极间留有2mm的隙缝，以保持加在两极间3～5k V直流高压的电绝缘，并作为气体的通导。沿阳极筒的轴向方向加有1.6×107特斯拉的永久磁铁形成的磁场，两钛阴极间距离不应太长，一般为20mm左右，以保证足够的磁场强度。

溅射离子泵的抽气机理是:泵内空间的自由电子在电磁场作用下，使电子以轮滚线形式贴近阳极筒旋转，形成旋转电子云，旋转电子与被抽气体分子碰撞使气体分子电离，并形成潘宁放电，放电产生的离子（即被抽气体的离子）在电场作用下，飞向并轰击阴极钛板，引起强烈的钛的溅射，溅射出来的钛原子，淀积在阳极筒内壁及阴极上，遭受离子轰击较少的地区形成新鲜钛膜。一方面在化学吸附作用下维持泵对活性气体的较大抽气能力；另一方面溅射的钛原子掩埋吸附在阳极筒内壁上的吸附分子以及掩埋吸附在阴极边角部分（即不易遭到离子轰击的部分）的惰性气体，进而达到对被抽气体的连续稳定的抽气作用。

一般这样一个单室结构的泵，抽速只有1～3L/s，阳极筒直径大的抽速大些，实用上为增加泵的抽速，都用许多单室泵并联起来，而阴极则共用一块大的钛板，这样组成一个抽气单元，实际的泵又是由多个这样的抽气单元组成。

3）真空度测量

测量真空度的仪器称为“真空计”。真空计分为绝对真空计和相对真空计两大类。能从本身所测得的物理量直接求出系统中真空度的为绝对真空计，如U型管压力计，麦克劳真空计等；而相对真空计是输出信号与其压强之间的关系要用真空测量标准系统或绝对真空计校准标定后，才能测定真空度。一般实验室常用的热偶和电离真空计都是标定好的相对真空计。

（1）热电偶真空计。

热电偶真空计由热电偶规管和电测线路构成，如图8所示。规管内有一根钨或铂制成的加热丝，另由AB，AB′两根导热系数不同金属丝组成一对热电偶，热电偶一端（热端）与热丝在A点焊住，另两端B，B′分别焊于芯柱引线上，再接到毫伏表上。

热偶真空计的工作原理是利用气体分子的导热性质，通过热电偶产生的热电势来测量真空的。使用时，调可变电阻使加热电流保持定值情况下，加热丝的平衡温度取决于气体压强，若压强越高，气体分子碰撞热丝机会越多，带走的热量越多，因而热丝温度越低，热电偶所产生的电动势也越低。反之，压强越低，热丝温度越高，热电动势越大。热电偶真空计的测量范围102～10-1Pa。

图8 热电偶规管结构

图9 热阴极电离规管结构

（2）热阴极电离真空计。

热阴极电离真空计由电离规管和测量电路两部分组成。规管结构类似一只电子三极管，如图9所示，测量电路原理如图10所示。电离真空规管是利用气体分子被快速电子碰撞而电离的现象工作的。

当阴极F通电加热后发射热电子，这些电子被处于正电位（相对阴极为正100～150V）的螺旋栅极G加速后，电子具有一定能量与气体分子做电离碰撞，使气体电离为正离子和电子。所产生的正离子被外围圆筒形处于负电位（相对阴极为负10～60V）的板极A吸引，在板极电路中形成正离子流I+。工作中当阴极发射的电子流I0一定时，正离子流I+，正比于气体压强，则有I+=I0KP，K是比例系数称为电离计的灵敏度，通常将发射电流I0保持一定值，然后用绝对真空计或标准校准系统来校准，给出I+～P的关系曲线，就可确定出K来。只要K已知，就可通过I+和I0而知压强P。

图10 电离真空计外控接法电路原理

电离真空计测量范围是10-2～10-5Pa，可连续测量。他的缺点是阴极开始工作时有放气现象，影响测量精确度。由于阴极处于高温下发射电子，容易蒸发，低真空下阴极又易氧化，因而规管使用寿命不长。故使用时被抽容器中真空度高于1×10-1Pa时才能开电离真空计测量。

4）真空系统与检漏技术

真空系统是由真空泵、真空计、被抽容器及其他元件如阀门、冷阱等，借助真空管道，按一定要求组合而成，并具有所需抽气功能的抽气装置。它的职能是在指定时间、空间内获得真空，保持真空；确保系统内某项工艺过程或物理过程的实施。真空系统根据实验要求可设计成金属真空系统、玻璃真空系统、金属和玻璃混合真空系统。

检漏技术是真空技术的重要组成部分。对金属真空系统的所有部件在装配前必须做密封性能检验，部件接合处最易产生漏气，须经周密的检漏才能达到预定的真空度。检漏一般采用分段密封法作p～t曲线，从而可判断该段是否漏气，如有漏气常用加压法、试验气体指示法等确定漏孔位置。在检查漏气率为10-6～10-10Pa·L/s这样微小的漏孔时，就要用氦质谱检漏仪、四极场滤质器等检漏仪器。

对玻璃系统的检漏可用高频火花检漏器。火花检漏器实际是一小功率高频高压设备，它的高电压输出端伸出一金属释放电弹簧尖头，能击穿附近空气。当它的高压放电尖端移到玻璃系统上的漏孔处时，因玻璃是绝缘体不能跳火，而漏孔处因空气不断流入，在高频高压作用下而形成导电区，在火花检漏器尖端与漏孔之间形成一强烈火花线，并在漏孔处有一白亮点，从而可以找到漏孔位置。使用火花检漏器时，不要在玻璃同一点上停留过久，以免玻璃局部过热而被打出小孔来。

对检出的漏孔可选用饱和蒸汽压低，具有足够的热稳定性和一定的机械和物理性质的真空密封物质密封。作暂时的或半永久的密封可选用真空泥、真空封腊、真空漆等；要作永久性密封，可用环氧树脂封胶和氯化银封接，对玻璃系统可以重新烧接。

2.真空蒸发镀膜

任何物质在一定温度下，总有一些分子从凝聚态（液、固相）变成气相离开物质表面。若把该物质密封在容器内，当物质和容器温度相同时，部分气相分子则由无规则运动而返回凝聚态，经过一定时间达成平衡。若在高真空条件下，加热该物质达到某熔点温度后，物质表面会有大量的分子或原子离开表面变成气相分子（蒸发）向四周散射，由于在高真空情况下，被蒸发的原子或分子碰撞几率较小，最后在散射途中遇到给定的温度较低的基片，在基片上冷凝而淀积一层该物质的薄膜，该过程叫做真空蒸发镀膜。

要想获得均匀、牢固、杂质少而厚度可控制的高质量薄膜，必须注意如下几点因素:

（1）要有较高的真空度。真空度的高低直接影响薄膜的质量，在真空蒸发镀膜的过程中，如果真空度较低，真空室中有许多的气体分子，由高温蒸发源蒸发出来的物质分子将不断地与气体分子发生碰撞，使源分子改变运动方向，而不能顺利地到达基片表面；另外空气中的氧气可能会使源分子氧化，气体分子与基片不断发生碰撞，并与源分子一起淀积下来形成疏松的薄膜，并使热膜氧化，影响了薄膜质量。要保证蒸发出来的源分子能顺利达到基片表面，并尽可能减少气体分子与基片碰撞的机会，因此气体分子在真空室中的平均自由程λ-应大于蒸发物质到基片间的距离D。平均自由程与压强的关系为

式中，k为玻尔兹曼常数，d为气体分子的有效直径，T为绝对温度，P为气体压强。上式标明，当压强P降低时，平均自由程增大，这样源分子间以及源分子与基片间的碰撞就减少，因此，压强低真空度高，蒸发镀膜的效果就越好。一般情况下，要想获得比较满意的薄膜，真空度至少要达到10-3Pa以上。

（2）要有一定的蒸发速率。蒸发速率高，氧化可能性小，吸附的气体也少。适当的蒸发速率，可使膜层结构紧密，机械牢固增强，质量好。目前一般蒸发系统所用蒸发速率在0.5×10-10～10-5m/min。速率太快也不好。温度高，蒸发速度快，蒸发时间短，真空度下降不明显，薄膜的均匀性越好。而且，温度高能使固体物质分子获得足够的动能，在到达衬底表面后过剩的动能可使固体物质分子在衬底表面有一定程度的互扩散，形成稳定牢固的膜层。

（3）被镀基片和真空室内各附件要保持高度清洁。衬底的清洗是真空蒸发制作高质量膜层的关键，影响薄膜的牢固度和均匀性，衬底表面的任何微量灰尘、油污、杂质以及植物纤维都会大大降低薄膜的附着力，并使薄膜出现花斑和过多的针孔，其结果造成薄膜经不住摩擦试验，时间不久就会自行脱落。另外，基片与其他零件不干净会吸附大量气体，真空度上不去，影响薄膜质量。

（4）由于真空蒸发镀膜采用电流通过难熔金属蒸发皿加热的方式，对于一般熔点金属已足够应付。但是对于高熔点金属，氧化物等材料的蒸镀就无能为力，电流小时，蒸发速率上不去，固体物质分子不能获得足够的动能；电流加大后，蒸发皿又很容易烧坏。而利用磁控溅射的方法就能弥补该项缺点。使用氩离子枪，通过调节加速电压即可调节离子束动能，这样高能离子束打在固体物质靶材上，溅射出来的固体物质由于有足够的动能因此在衬底上能形成非常坚固的膜层。另外可以利用激光熔融的方法也可以对高熔点金属与氧化物镀膜。

二、实验设备简介

图11为一般镀膜机的结构示意图。主要由两部分组成，即镀膜用的真空室和真空机组。真空机组在使用过程中要特别注意三通阀与蝶阀的配合。以免扩散泵油氧化失效，而使真空度达不到要求。镀膜用的真空室中，主要组成部分为钟罩、工件支架、加热器（蒸发源）、观察窗等，根据不同需要及不同机型，可能配有轰击电极、烘烤电极、膜厚测试系统、电子枪等附件。

图11 镀膜机结构示意图

蒸发加热材料一般可用电阻法与电子束加热法，后者一般用于难熔材料的蒸发。本实验采用电阻加热，电阻加热即用钨、钼、钽等高熔点金属制成正弦或螺旋形、三角形加热器，将蒸发材料挂在加热器上。对于粉末材料，可把加热器制成舟型，如图12所示。

图12 蒸发源加热器形状示意图

三、实验内容

（1）熟悉镀膜机的结构和仪器的操作规程，根据镀膜原理和镀膜机操作规程，拟出实验操作步骤。

（2）清洗玻片，以标准清洗工艺，丙酮甲醇高纯水依次超声清洗。

（3）根据具体操作步骤，在玻片上镀制金属铜、铝或银。并记录镀膜过程中的物理条件和参数，如真空度、除气时间、蒸发电流、时间等。