材料物理综合实验调研报告
实验题目：真空热蒸镀实验
物理与能源学院 材料物理专业
20## 级 材料物理 班
学 号： 135022012090
姓 名： 张顺文
指导老师： 林应斌
2014 年 09 月 15 日
一、文献综述
真空技术就是研究低于1个大气压力下空间里的气体状态的技术。基本内容包括：真空获得与测量技术，真空系统的设计技术，真空物理，真空系统下的材料制备技术，如 薄膜制备技术，纳米材料制备技术等。在实验技术层面，真空技术主要包括：真空获得，真空测量，真空下材料加工技术。在真空获得技术中，目前用以获得真空的技术方法有两种，一种是通过某此机构的运动把气体直接从密闭容器中排出的气体传输泵；另一种是通过物理、化学等方法将气体分子吸附或冷凝在低温表面上的气体捕捉泵。
二、实验原理
1.真空的概念
真空是指气体压力低于1个标准大气压的特定空间。真空的基本特点：空间气体压力低于1个标准大气压，气体分子密度小，气体分子空间自由程长，气体分子之间气体分子与容器壁之间碰撞几率降低。真空度和压强是表征真空状态气体稀薄程度的物理量。真空度越高，气体压强越低，气体越稀薄，单位体积空间内分子个数越少。一般真空按压力不同分为4个区域：粗真空 10^5～10^3 Pa；低真空10^3～10^(-1) Pa；高真空10^(-1)～lO^(-6)Pa；超高真空10^(-6) ～10^(-10)Pa。
2.真空的获得
真空的获得主要通过各种真空泵来获得。它是应用机械的、物理的或化学的方法制成为能够达到抽气目的的设备或元件。
(1)真空泵的分类：按其工作条件及作用，真空泵可分为两大类：
1)能直接在大气压下工作的真空泵称为前级泵(如机械泵、低温吸附泵等)，用以产 生预备真空；
2)需在一定的前置真空条件下才能开始工作，以继续提高真空度的真空泵称为次级泵(如扩散泵、分子泵、吸气型钛泵、钛离子泵、冷凝泵等)。
按照抽气方式又可分为两种．外排型和内吸型。
1)外排型是指将气体排出以提高真空度，如机械泵，扩散泵和分子泵等；
2)内吸型是指气体吸附在泵内的某种固体表面上，如吸附泵，离子泵，低温冷凝泵等。
(2)真空泵主要有以下三个性能参量：
1)极限真空度：无负载（无被抽容器）时泵入口处可达到的最低压强（最高真空度）。
2)抽气速率，在一定的温度压力下，压强下，单位时间从被抽容器中抽除的气体体积。
3)启动压强：泵能够开始正常工作的最高压强。
（1）机械真空泵
机械真空泵按改变空腔容积方式分，有活塞往复式、定片式和旋片式等。它们的工作原理 是建立在理想气体的波意尔一马略特定律基础之上，即PV—RT(P为压强，V为容器体积，T 为绝对温度，R为常数)，在等温过程中，一个容器内的体积和压强的乘积等于常数。这样，只 要使容器的体积在等温条件下不断扩大，就可不断降低容器的压强。
旋片式机械泵的主体为圆柱形钢筒定子空腔，内有一转子，偏心安置在钢筒定子内旋转，转速一般为350～750转／分。装在转子沟槽内的两旋片依靠弹簧力和离心力保持与泵体充分接触。定子上有一个与被抽系统相连的进气口和一个附有单向活塞阀门的出气口。工作原理可用图(a)～(d)四个过程示意图描述。当转子顺时针转动时，由进气口进入转子与定子之间部分空间V，的体积不断扩大，而出气口与转子、定子间的部分空问V。体积不断缩小，前者相当于扩大了真空室容积，所以相应的压强不断减小，而后者V：的体积缩小，其相应的气体压强最终大于大气压而被排人大气。
机械泵可以从大气压开始进行工作，常用来获得高真空泵的前级真空和高真空系统的预备真空。上述单级泵一般所能达到的极限真空约为10 Torr。其抽速一般在每秒零点几升到几十升之间。转子转速愈快，则抽速愈大，但在高的转速下保证密封极为困难。为了保证不漏气，通常采用蒸气压较低的机械泵油作密封填隙，并起润滑作用。
限制单级泵极限真空的因素如下：
①空腔内左右两侧空间之间的密封性。在压强为10。Torr时，密封处两端的压强差可达5个数量级，漏气量取决于该压强差，此时若要继续改善单级泵似乎无多大余地。
②排气口附近的“死角”空间。如果进气口压强已经很低，以至泵内气体被压缩到“死角”空间处压强不足以顶开活塞，则气体不能排出泵外，构成极限压强。可采用两个旋片泵串联结构的双级泵来降低后级泵的压强差及极限压强。双级泵能达到的极限真空为10～～10_4 Torr数量级。
③泵油的饱和蒸气压强，以及使用过程中油被玷污和裂变的情况。
机械泵运用时要求有一定的转向和转速，有的泵还要求通以一定的冷却水，以降低油的蒸气压。操作机械泵时要注意，泵启动时，先接通泵上附属电动机电源，等泵正常工作后再与被抽系统接通。在工作结束时必须把大气放入V。。因为机械泵工作时V，和被抽容器还处于真空状态，而泵的出气端始终是大气压，如工作后不及时放气，大气压就会由于连通管原理迫使叶片翻转，密封油随之冲人真空室而使系统污染，此即返油现象。防止返油的办法可在停机械泵之前，用铁夹夹住泵与系统连接的橡皮管，然后再关掉电动机电源；或者采用电磁阀，它能在停泵时立即自动切断管路并对泵内灌人大气。操作机械泵时还应注意，转子的转动方向一定要按箭头指示方向，不可反转。机械泵对于各种气体应有相同的抽气速率。但对于一些低沸点蒸气如水蒸气等，会在压缩过程中凝结为液体不能被排出，这使得密封油易受污染而导致蒸气压提高，故机械泵用一段时间后要换密封油。
（2）高真空泵
油机械泵比机械泵能获得更高的真空度，它的工作压力范围是10^(-1)-10^(-6)Pa，起始压力正好是机械泵的极限压力。因此，油机械泵通常要利用机械泵作为前级泵，将真空度抽到10^（-1）Pa后扩散泵才开始工作。
油扩散泵工作原理如图所示。在扩散泵底部装有真空泵油的蒸发器，真空泵底外装有加热用的电炉。当泵内的油经外部电炉加热沸腾后，产生一定的蒸汽压向上部传输，经三级喷嘴向下喷射，同时带动泵内气体分子向下喷射，考虑到油在高温下会发生氧化，必须对扩散泵加上前级泵，使扩散泵内气压先达到1．33 Pa。热油蒸汽碰到泵壁经过水冷却，再次液化降到底部，其中所夹带气体被释放出在出气口被前级泵抽走。这个循环不断进行，会形成稳定的上下压差。在稳定工作时，排气VI压力一般为1．33～0．133 Pa，在进气口极限压力一般为1．33×10～1．33×10 Pa，这个压力是我们一般二级真空系统所得到的最常用的高真空了。考虑到真空系统中，除了系统接口处出现漏气等原因，还有真空器壁所吸附的分子慢慢释放的问题，所以实际所获得的真空系统都是动态真空，若要保持极限压力，真空泵必须持续不断地工作。使用扩散泵时必须注意，必须先由机械泵对扩散泵室抽气，使其达到1．33 Pa的预备真空，然后才能打开扩散泵加热电源，同时打开冷却水并持续保持冷却水畅通。停止工作时，应该先关断扩散泵加热电源，继续通冷却水，使扩散泵油继续冷却，大约30 min后，再断开冷却水，最后关闭机械泵电源，停止机械泵工作。
气体传输泵是一种能使气体不断的吸入和排出，借以达到抽气目的的真空泵，这种泵基本上有两种类型：变容真空泵与动量传输泵。
3、真空的测量
测量真空的仪器种类很多，本实验使用热偶真空计和电离真空计。
（1）热偶真空规
热偶真空规的原理是利用在低气压下气体热导率与压强之间的依赖关系。如图1－1所示
在玻璃管中封入加热丝C、D及两根不同金属丝A与B制成的一对热电偶。当C和D通以恒定的电流时，热丝的温度一定，则金属丝A与B的温度取决于输入功率与散热的平衡关系，而散热取决于气体的热导率。管内压强越低，即气体分子越稀薄，气体碰撞灯丝带走的热量就越少，则丝温越高，从而热偶丝产生的电动势越大。当气体压强降低时，O点温度升高，则热电偶A、B两端的热电动势E增大，由外接毫伏计读出电压升高，压强与热电动势并非线性关系，图如图1－2给出了热偶规则刻度曲线:
热偶真空计的测量范围大约在100~10-1Pa之间，它不能够测量再低的压强，这是因为当压强更低时，热丝的温度较高，此时气体分子热传导带走的热量很小，而由热丝引线本身产生的热传导和热辐射这两部分不再与压强有关，因此就达到了测量下限。
（2）电离真空计
电离真空计是根据气体分子与电子相互碰撞产生电离的原理制成的。从规管阴极的角度分有热阴极电离计和冷阴极电离计两种。它用来测量高真空度，可测范围为0.133~1.33×10-6Pa。在压强P≤10-1Pa时，有下列关系成立： I+=K *P*Ie（其中Ie为栅极电流，P为气体压强，I+为灯丝发出电子与气体分子碰撞后使气体分子电离产生正离子而被板极收集形成的离子电流。K为规管灵敏度，与规管结构、所加电压、气体种类有关，它是一特征常数）可见，Ie不变时（保持在一校准值5mA时），离子流与压强成正比。
低真空范围内，电离规的灯丝和阳极很容易被烧掉，所以一定要避免在低真空的情况下使用电离规。
4、真空蒸镀概述
真空蒸镀即真空蒸发镀膜，这是制作薄膜最一般的方法。这种方法是把装有基片的真空室抽成真空，使气体压强达到10-2Pa以下，然后加热镀料，使其原子或分子从表面气化逸出，形成蒸汽流，入射到基片表面，凝结形成固态薄膜。
真空蒸镀设备主要由真空镀膜室和真空抽气系统两大部分组成。近年来，真空蒸镀除提高系统真空度、改成抽气为无油系统、加强工艺过程监控等之外，主要的是改进是在蒸发源上，比如，为了抑制或避免镀料与加热器发生化学反应，改用耐用陶瓷干锅，如BN坩锅；为了蒸发低蒸汽压物质，采用电子束加热源或激光加热源；为了制造成分复杂或多层复合薄膜。发展了多源共蒸发或顺序蒸发法；为了制备化学物薄膜或抑制薄膜成分对原材料的偏离，出现了反应蒸镀法等。
三、所需仪器设备
1. 真空镀膜机一套、原子力显微镜、X-射线衍射仪、综合物性测量系统、半导体特性分析
仪、分光光度计、荧光光谱仪、电化学工作站、电池充放电系统、手套箱。
2. 蒸镀材料（如 Si、Ge 和 Sn 等） 、电池制备相关设备一套。
四、相关文献
1、黄润生，近代物理，南京大学出版社，2008.
2、李玉晓，近代物理实验，郑州大学出版社，2010.
3、黄志高，陈水源，赖发春，近代物理实验，科学出版社，2011。
五、实验过程
真空镀膜几种方法：物理：热蒸镀（最基本，最简单的方法），等等
化学：化学气相沉积等等，（化学组分有变化）
基本原理：蒸发源，鉬舟制作的，金属鉬熔点3400度左右，用电流对鉬进行加热。如果在鉬上放入一个物质，当鉬舟温度高于待蒸镀材料熔点，待蒸镀材料就会熔化成为液态，液态在真空条件下就会蒸发上来（液体表面的原子就会溢出）。比如开水。如果在其正上方放置一个东西，热离子就会上升与冷的物质发生碰撞，冷凝下来并且成核，依核继续增长形成薄膜。
鉬舟（蒸发源）：
待蒸镀材料：鉬舟中放置的材料，等待蒸镀的材料。
基片（衬底）：用于生长薄膜的东西，如铜膜，载玻片。根据不同的功能选着不同的材料。
一、实验前准备
（1）清洗镀膜室和镀膜室的玻璃钟罩。
（2）清洗衬底、蒸发源和待测镀材料，以钨丝为蒸发源和金属铝丝为待镀材料为例：
1、玻璃基片。先用水洗尘土，在用10%NaOH液煮沸数分钟，然后用蒸馏水以及超声波清洗，最后用酒精乙醚棉球轻拭并用氮气吹干。
2、金属基片。先用水洗，再用酸或碱洗，然后用纯水和酒精洗，用氮气吹干。对于洗净的基片，一定要用金属镊子夹着，切不可用手去拿或摸。
3、铝丝置于10%NaOH溶液中煮沸1分钟，铝丝表面氧化层发生剧烈反应而脱落，用镊子将铝丝从NaOH溶液取出，用去离子水冲洗若干次后吹干，置于无水乙醇中保存。
（3）将缠绕有蒸发物质（铝丝）的蒸发加热源（钨丝）固定到蒸发电极上。
（4）放置真空玻璃钟罩；
（5）接通循环冷却水。
二、真空室抽真空
（1）设置高真空蝶阀于“关闭”状态;
（2）对真空室进行粗抽：
1、开启总电源，工作方式为“机械泵”，启动机械泵进行抽真空。
2、几分钟后，开启复合真空计电源观测真空室气压的变化。
（3）真空室真空度热偶计示数）达到5Pa以下时，关闭低抽阀，工作方式选择“扩散泵”，机械泵对扩散泵抽真空。
（4）当热耦Ⅱ单元显示的压强达到3Pa时，将工作选择至扩散泵工作，接通扩散泵加热电源。
（5）待扩散泵正常工作（硅油剧烈沸腾）且真空室的压强降到1Pa以下，真空计自动开启电离规管测量真空压强。
三、烘烤真空室
扩散泵正常工作约50分钟后，可通过开启基片加热电源对真空室内进行烘烤除气。
（1）除去因清洗而残留在真空室内的酒精等清洗液。
（2）除去吸附在真空玻璃罩壁上的气体分子或水分子等
四、测量系统漏气率。
（1）设置高真空蝶阀于“关闭”状态。
（2）记录真空室的压强与时间的关系。
1、开始每个2秒钟记录一次，真空度变化慢时视情况适当调节测量时间间隔。
2、到真空度降低至10-1Pa时数量级，停止记录，做系统漏率曲线。
（3）测量完系统的漏气率后，打开高真空蝶阀，对真空室抽气
五、蒸镀铝膜
当真空室内的真空度达到10-3Pa时，可开始蒸镀铝膜。
（1）移动挡板，将待蒸镀材料与基片隔开。
（2）电压开关选择至“蒸发”挡，通过调节电压调节旋钮调节蒸发电压，逐步增大蒸发电源的电流。
（3）在增大蒸发电源的电流的过程中，会出现两个气压先上升后下降的过程。
1、第一个过程，当蒸发电源的电流很小时，蒸发源温度很低，此时的压强先上升后下降可能是因为吸附在蒸发源或待蒸镀材料表面上的空气或水分子受热蒸发。
2、第二个过程，当蒸发电源的电流很大时，蒸发源温度较高（约500摄氏度），此时的压强先上升后下降可能是因为吸附在蒸发源或待蒸镀材料表面上的有机物的分解，并被真空机组抽出真空室。
（4）继续缓慢升高加热电流，待蒸发材料表面出现软化，随着时间的持续，原本固态的待蒸发物质熔化并在蒸发物质上铺展开来。
（5）待预熔一段时间后，移开蒸发挡板开始蒸发
（6）达到要求时间后迅速降低电流到0，蒸发过程结束。
（7）蒸镀铝膜完毕后，将电压选择开关至“断”挡，切断蒸发电源。
六、关闭真空系统
（1）关闭真空计。
（2）关闭高真空蝶阀，将工作方式选择打到“扩散泵”挡。
（3）当扩散泵的泵油温度降低至室温时，将工作方式打到“机械泵”挡。
（4）工作方式选择打到“关闭”挡。
七、薄膜性能表征
薄膜质量和性能取决于制备方法和处理工艺，薄膜材料的微结构对材料的性能具有重要的影响。利用X射线衍射仪、原子力显微镜、四探针电阻测试系统和荧光光谱仪等测试薄膜的结构、形貌、光学和电学等性能。
八、拓展研究性实验
在熟悉掌握真空镀膜工艺后，可根据调研结果开展其他拓展性选题实验，如蒸镀半导体材料、有机材料、光电材料等。
（六）实验结果分析处理
原始数据:
测量系统漏气率:
由漏气率曲线可知真空度与时间线性相关。
（七）思考题
1. 薄膜生长温度对薄膜的结构有什么重要影响？
答：生长温度对薄膜结构有很大影响，基片温度的选择要根据具体情况而定。
①生长温度愈高,吸附在其表面的残余气体分子将愈少,进而增加基片与沉积分子之间的结合力,使膜层附着力、机械强度增加，结构更紧密。
②生长温度高，使吸附原子的动能增大，跨越表面势垒的概率增多，容易结晶化，并使薄膜缺陷减少，同时薄膜内应力也会减少；基片温度低，则易形成无定形结构膜。
③提高生长温度可促进凝结分子与剩余气体的化学反应，改变膜层的结晶形式和结晶常数，从而改变膜层光学性质。
④蒸镀金属一般采用冷基片，这可减少大颗粒结晶引起的光反射和氧化反应引起的光吸收，提高膜层的反射率。
⑤蒸镀比较厚的膜层，通常要求基片温度要高一些，可以减少薄膜内应力。
2. 热蒸镀对真空度有何要求？
答:真空度要低于
Pa.因为,
①获得高质量的薄膜,要求从蒸发源出来的蒸发原子或分子到达基片的距离要小于真空室残余气体分子的平均自由程。
②降低蒸发原子或分子向基片运动过程中受到残余气体碰撞的概率,减小蒸发原子或分子与残余气体分子之间的反应,尤其是氧等气体分子容易被基体吸附后改变薄膜的结构和成分,进而得到组分确定、纯净且牢固的薄膜。
3. 选择蒸发源材料要依据哪些原则？
①蒸发源材料具有良好的热稳定性,化学性质不活泼,达到蒸发温度时加热器本身的蒸发气压要足够低。
②蒸发源材料的熔点必须高于待蒸发材料的蒸发温度,加热器要有足够大的热容量。
（八）课堂思考题
1、炼钢场，地下有铁水，那么天花板会不会镀上一成铁？
答：铁原子上升过程中与空气分子碰撞时满足动能定理和能量守恒，能量减少，并且其运动方向发生改变，方向无规则，碰撞越多，能量越少，方向越无规则。简单来说，铁分子平均自由程小与地板与天花板的距离（书上147，公式23-2）
2、真空油的作用：
怎样避免真空油的倒吸气化,进入真空环境，反油现象或回油现象（实验结束时、意外停电等情况）（密封不可能完全无缝，由于内外压强差，大气压足以把油滴分子压进机械泵的腔体，继而扩散）？
答：泵充气阀：三通接口，有一个接口连通大气，其重要组件，一个由继电器控制的活塞。当通电时，继电器工作，大气的接口被活塞封住，停电时，继电器放开活塞，大气接入，抵消压强差。如图:
3、扩散泵上方，扩散泵下方哪里压强高。
答:（上方高）上方压强高，向低压强的方向扩散。飘下来的气体分子被向下喷射的硅油气流一级一级地向下推送，最后被机械泵抽走。只要上方的气体分子浓度高与下方气体分子浓度，气体抽气过程始终在进行。理论上如果密封性好可以达到
数量级
4、扩散泵使用的条件：压强要小与10的负三次方毫米汞柱（没有严格的定义）,原因？
答：①如果外面的压强低于10负三次方毫米汞柱，里面的蒸汽流容易在内外形成压强 差，那么喷口蒸汽流的速度比较大，压缩的效果比较明显。
②硅油是液体，加热的压强越低，硅油的沸点越低，这种沸腾也是最激烈的沸腾，就可以保证里面蒸汽压是饱和蒸汽压，内外压强最大，压缩效果最好。
③硅油是有机物，暴露在空气中加热，容易氧化；油一直生成的蒸汽使油与空气隔绝发生裂解形成碳，堵住管口。
5、复合真空计（测量真空度），实验时自动切换。（要求：原理、使用条件）
答：⑴热电偶真空计（原理、两根灯丝的形状、校准曲线、非线性电子元件）,热电偶硅管，硅管里面的两根灯丝，上面的叫发热灯丝，用于发热；下面的叫热偶灯丝，由于测量发热灯丝的热电动势，如果在发热灯丝周围存在气体分子的话，有一定概率打到发热灯丝上，带走一部分热量，热电偶就会测量到带走的热量。气体分子越多，则概率越大，探测到的热变化越大。（课本图P126 23-6），对照校准曲线就可以测量真空度。
测量上限为什么是0.1Pa？因为0.1Pa时气体分子非常稀薄，分子打到灯丝的概率为0，热电势不变。
⑵电离真空计（公式、线性电子元价，注意使用范围，如果用于低真空可能不满足I=k*Ie*P，可能变为高次方，产生高电流I，烧坏灯丝和阳极），电离硅管，硅管三级有发射极（耳钉）、收集极（戒指）、加速栅极（项梁，管中间的丝状物）。发射极发射的电子在电场中运动，一旦被收集极接收，好比发射极与收集极通路，形成的电流叫离子流。电子从发射极出发经加速栅极，加速为高能离子，如果偶遇气体分子发生轰击，就使得被碰撞的气体分子电离带电，而带电的气体分子就在加速栅极中又被加速为高能粒子，一个变两个，两个变四个，以雪崩形式增长。而能产生多少带电粒子取决与气体压强，压强越大，产生的带电粒子越多，离子流越大。
6、烘烤的目的，不用烘烤可不可以除掉？
答：①除去因清洗而残留在真空室内的酒精等清洗洗液。
②除去吸附在真空室玻璃罩上的气体分子或水分子等。
7、为什么硅会用五颜六色，而铝没有？
答：五颜六色是因为发生干涉，铝膜表面发生镜面反射，没有光程差。
估测以这个（有两个绿色的，铜为基片的）为例两个膜中心的厚度（中心绿色）。
答：
，绿光波长为0.577---0.492微米，中心为一级干涉，得d为0.246----0.2885微米。
8、设计方案，怎么测漏气率？
答：①设置高真空蝶阀于“关闭”状态。
②记录真空室的压强与时间的关系。
（开始每隔2秒记录一次，真空度变化慢时视情况适当调节测量时间间隔；到真空度降低至
Pa数量级，停止记录，做系统漏率曲线）