工艺展览

  真空镀膜实验指导 真空镀膜常用的方法有蒸发镀膜、射频溅射镀膜和离子镀膜等。本实验通过介绍蒸发镀膜原 理，掌握蒸发镀膜的操作方法。真空镀膜技术在电真空、无线电、光学、固体物理、原子能和空 间技术中有广泛的应用。 1 线 蒸发镀膜机理 蒸发镀膜是真空镀膜的一种，它是在高真空条件下将物质加热到沸腾状态，沸腾出来的 原子或分子溅落在固体材料表面，形成一层或多层膜的方法。凡是在沸腾温度下不分解或不变性 的物质都可以用此法蒸镀成膜。 蒸发原子的成膜过程很复杂，这里只能粗略描述如下：溅落原子首先被固体表面吸附， 当表面温度不高于某一临界温度时，原子开始“核化”——部分原子凝聚成团，出现若干“岛”，然后 这些“岛”逐渐吸收周围的原子而长大，众多的“岛”相互连接成一片而成一块连续的膜。蒸发镀膜 的条件主要有两个，分别介绍如下： 1.2 高真空 我们大家都希望蒸发出来的原子或分子不要受空气分子的阻挡而直接溅落到固体的表面，这 样，蒸发镀膜的速度高，成膜质量也好。相反，如果真空度低，有大量的空气分子存在，一方面， 蒸发出来的原子或分子与空气分子碰撞，阻碍了膜材分子的扩散，降低了蒸镀的速度，影响了膜 的均匀性，另一方面，空气的导热使得膜材的温度不能很快地升高，必然要加大加热功率；更有 甚者，空气的存在可能使膜材的某些成分氧化，引起成分变性；在连接着抽气机的情况下，若不 能很快完成镀膜，膜料将被抽走。因此，蒸发镀膜需要在高真空条件下进行。当然，真空度也不 需要绝对地高。事实上，只要分子的平均自由程大于膜材到基底的距离即可。如果膜材到基底的 距离为10 --20cm ，根据自由程公式 （d 是分子的直径，n 是分子数密度） 不难估计真空度在 Pa 以上就能够完全满足要求。 1.3 材料洁净 材料的洁净包括膜料的洁净和基底材料的洁净。这一要求似乎是不言而喻的。如果材料 中混有颗粒状或纤维状的杂质，将直接影响膜的均匀性和牢固度；如果混有可融的化学成分，将 8 页脚内容 影响膜的物理性质，如亮度、表面张力、电导率等等。所以，膜材和基底的清洗工作必须认线 真空技术 获得真空需要用真空泵。测量真空度需要用真空计。真空泵和真空计的种类都很多，本 实验的最大的目的：（1 ）了解真空泵、线 ）掌握低真空、高真空的获得、测 量与检漏的基本方法。 2.1 真空的获得 目前，在实验室中普遍的使用着机械泵、油扩散泵、吸附泵和离子泵来获得真空，下面依次介 绍它们的原理。 2.1.1 机械泵 机械泵是利用机械旋转造成吸气和排气过程，以获得真空。常用的是旋片式机械泵，它 的主要结构见图4-1-1 ，由定子、转子、旋片、弹簧等组成。转子在电机的带动下转动，转子的 外表面与定子的内表面在图中的A 点相切，转子槽内装有带弹簧的旋片，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。当转子按图中方向旋转时，同时完成吸气和排 气过程。排气阀采用油封，油在工作室的内表明产生油膜，有利于润滑和A 点的密封，但同时 也会形成油的蒸汽压，限制了机械泵的极限真空度，并有可能污染真空系统。为避免油污染， 应特别防止气体倒流，例如，当系统工作一段时间后需要停机，应先关断进气管上的阀门，保持 抽气状态，然后给进气管放气，最后才能给机械泵断电。 机械泵的极限线Pa，它主要由机械泵油的饱和蒸汽压和泵的机械加工精度 决定的。当达到极限真空度时，抽气和漏气的速度相等，真空度不再变化。如果将两个机械泵结 合起来，可以将真空度再提高一个数量级。 2.1.2 油扩散泵 ~10 Pa ，起始压力正 油扩散泵比机械泵能获得更高的真空度，它的工作所承受的压力范围是10-1 -6 好是机械泵的极限压力，因此，油扩散泵通常要利用机械泵作为前级泵，将线Pa 后才能开扩散泵。 8 页脚内容 油扩散泵是利用气体的扩散性质制作的，结构原理见图4-1-2 ，其结构主要由泵体、喷 嘴、导流管、冷却水套和加热器等部分所组成。在10-1Pa 的真空下，将扩散泵油（一种低蒸汽压的 高分子物质）加热到沸腾温度，产生大量油气，经导流管高速喷出，把由进气口扩散来的气体夹 带着喷向下方；油气被泵体冷凝，重新变成油，返回蒸发器，并释放出夹带的气体，气体被机械 泵抽走，而油又被重新加热循环，如此反复，达到连续抽气的目的。为避免气体扩散返回，往 往需要多级喷嘴，例如2~3 级。 扩散泵在加热前要先通冷却水，关机前要断开加热炉的电源，冷却 20 分钟以后再关冷 却水，然后关上通往机械泵的阀门，最后停止机械泵的工作。如果让热的油和油气遇到大量的空 气，油就会被氧化而变性，不能够达到10-6Pa 的线 真空的测量 测量真空度的设备或仪器叫真空计。利用真空计，我们才可以知道需要的真空度是否 达到了。但是，真空度的范围是很宽的，达十几个数量级，不可能由一个或一种真空计完成这样 大范围的真空度测量，所以，各种真空计都有一个测量范围，将有范围覆盖的各种真空计组合起 来，完成大范围的真空度测量。下面介绍常用的几种线 热电偶真空计 这种真空计是利用气体分子的热传导性质，通过热电偶产生的电动势来测量真空的。热 电偶线 ，一端开口的玻璃壳的开口端与真空室相接，玻璃壳内的真空度与 真空室内的真空度相同，外电路给加热丝通电，热电偶的一个结点与加热丝焊接或压接在A 点， 结点的温度与加热丝的温度相同。在恒定的电流下，加热丝的温度高低取决于玻璃壳内的气体压 强（即真空度）

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