4.1 真空理论及真空技术

4.1.1 真空的基本概念[1,2,3]

磁控溅射对环境的真空度有较高要求，在了解磁控溅射原理之前，先对真空的物理概念及现代真空技术和设备进行简单的介绍。

对真空的研究已有370多年的历史，从1643年托里拆利对真空状态的研究、1662年玻义耳创建了玻义耳定律，到1879年伯努利提出气体分子运动论，他们奠定了真空技术的物理基础[3]。

真空技术在运输、真空器件、冶金工业、镀膜工业、食品包装及冷冻干燥工业、航天工业等领域已经获得了广泛的应用。

1．真空及真空状态

真空理论认为，在给定的空间内低于一个大气压的稀薄气体状态，称为真空状态。与通常的大气状态相比较，真空状态主要有下述两个基本特点。

（1）真空状态下，气体压力低于一个大气压。因此，地球表面的各种真空容器必将承受到大气的压力，显然，压力差的大小由容器内外的压力值决定。由于作用在地面上的大气压约为101325N/m2，当容器内压力很小时，则容器所承受的压力可达到一个大气压[1]。

（2）真空状态下，单位体积的气体分子密度小于大气压下气体分子密度。因此，分子之间、分子与电子、离子等其他物质之间，以及分子与容器壁等各种表面之间相互碰撞次数相对减少，气体分子的平均自由程（气体分子连续碰撞之间飞行距离的统计平均值）增大。

2．气体分子密度及平均自由程的变化

气体分子密度是指在给定体积中气体的分子数。自由程是指一个分子与其他分子相继两次碰撞之间经过的直线路程。对个别分子而言，自由程时长时短，但大量分子的自由程则具有确定的统计规律。而平均自由程则是大量分子自由程的平均值。目前用普通的方法能获得的低压为1×10-8Pa，为了更直观地反映这个状态，可以从分子密度和平均自由程来粗略地描述。如阿伏伽德罗常数所描述的，在0℃和1个标准大气压下，22.4L的空间里有6×1023个气体分子；即使在1×10-8Pa的压强下，1cm3中就有355万个气体分子。在标准状态下，（p_o=1.01325×105Pa，T_o=0℃），空气分子的平均自由程大约为7×10-8m，而在25℃，1×10-8Pa的环境中，其分子平均自由程为509km[4]。

4.1.2 真空物理学基础[5]

1．气体分子运动论[1,6]

真空中的气体通常可以视为理想气体，气体的压力p（Pa）、体积V（m3）、温度T（K）和质量m（kg）等状态参量间的关系，服从下述气体实验定律：

（1）波义耳-马略特定律：对于一定质量的气体，若温度保持不变，则气体的压力和体积的乘积为常数，即

（2）盖·吕萨克定律：对于一定质量的气体，若其压力维持不变，则气体的体积与其绝对温度成正比，即

（3）查理定律：对于一定质量的气体，若其体积维持不变，则气体的压力与其绝对温度成正比，即

（4）阿伏加德罗定律：对于等体积的任何气体，在相同温度和相同压力下均有相同的分子数。这一定律也可以表达为在相同温度和相同压力下，具有相同分子数的不同种类的气体占据相同的体积。在标准状态下，1mol任何气体的体积称为标准摩尔体积，V_o=2.24×10-2m3mol-1。1mol任何气体的分子数目称为阿伏伽德罗常数N_A，N_A=6.022×1023mol-1。

（5）道尔顿分压定律：这是理想气体的压强遵循的一个定律，即相互不起化学作用的混合气体的总压力等于各种气体分压力之和，p=p₁+p₂+…+p_n。这里所说的某一组分气体的分压力，是指这种气体单独存在时所能产生的压力。道尔顿分压定律表明各组分气体压力的独立性和线性可重叠性。

上述定律可以用理想气体状态方程描述：

式中，m为气体的质量（kg）；M为摩尔质量（kg/mol）；R为气体常数[8.3144J/（mol·K）]。

可以推导出：

式中，n为气体分子密度（1/m3）；k为玻耳兹曼常量（1.38×10-23J/K），k=R/N_A；ρ是气体的密度（kg/m3）。

理想气体压强的本质是气体分子对容器壁进行大量的无规则碰撞的平均效果，气体压强可以用式（4-6）表示[4]：

式中，为气体分子速度平方的平均值（m2/s2）；m为气体分子质量（kg），可以看出，压强同气体分子密度和运动速度的平方成正比。

由表示分子的平均平动动能，则有[4]

尽管气体分子在真空中容器内运动的速度及方向是无规则的，但大多数分子的运动遵循麦克斯韦速率分布规律。

对上述真空物理学基础理论感兴趣的读者可以参阅相关资料。

2．真空中气体的流动[1,7]

气体的流动状态因气体容器的几何尺寸、气体压力、温度以及气体种类而存在很大的差别。在真空技术中，气体沿管道的流动状态可划分为如下4种基本形式。

（1）抽真空的初期，管道中的气体压力和流速较高，气体的惯性力在流动中起主要作用；流动不稳定，流线无规则，不时出现旋涡，这种流动状态称为紊流。

（2）随着流速和气压的降低，在低真空区域，气流由湍流变为规则的层流，每个部分都有不同速度的流动层，流线平行于管轴，气体的黏滞力在流动中起主导作用。此时，气体分子的平均自由程仍远小于管道最小截面尺寸，这种流态称为黏滞流。

（3）高真空状态，分子平均自由程远远大于管道最小尺寸时，气体分子与管壁之间的碰撞占主导地位。此时，分子靠热运动自由移动，只发生与管壁的碰撞和热反射而飞过管道，气体流动由各个分子的独立运动叠加而成，这种流动称为分子流。

（4）在中真空区域，介于黏滞流与分子流之间的流动状态称为中间流或过渡流。

3．气体的吸附与解吸[1,3]

吸附是气体或蒸汽分子被固体表面捕获而附着于其表面并形成单层或多层分子层的现象。捕获气体的固体称为吸附剂，被吸附气体称为吸附物。吸附的原因是吸附剂表面上存在力场。气体吸附可分为物理吸附和化学吸附。

解吸、蒸发等吸附的逆过程可以统称为脱附。脱附现象既可以是自然发生的，也可以是人为加速的。在抽真空的过程中气体从表面缓缓放出，气体的吸附量逐渐减少，这种现象在真空技术中称为材料的放气或出气。总结实践经验如下：在低真空阶段，真空度变化速率由空间中的气体被抽出的速率决定；在中真空阶段，表面放气量已接近空间气体量，两者对真空度变化速率的影响程度接近；进入高真空乃至超高真空阶段，表面放气（不计系统漏气时）成为主要气体负荷，放气的快慢直接影响抽空时间。

通过人工方式，有意识地促进气体脱附的发生，在真空技术中称为去气或除气。目前采用加热烘烤法和离子轰击法。

4.1.3 真空状态的表征[6]

1．真空的度量单位

在真空技术中，可以使用多个参数来描述真空状态下空间的真空度，最常用的有“真空度”和“压强”。制造业常用单位的换算关系如下：

1标准大气压（atm）=0.101325兆帕（MPa）=1.01325巴（bar）

1巴（bar）=105帕（Pa）

1托（Torr）=133.322帕（Pa）

1工程大气压=98.0665千帕（kPa）

1千帕（kPa）=0.0098大气压（atm）

2．真空区域划分[4,8]

随着真空度的提高，真空的性质逐渐发生变化。为了方便，人们常把真空度粗划为几个区段：

（1）低真空（105～102Pa）：在该范围内，气体空间特性与大气相差不大，气体分子密度大，平均自由程很短，使用低真空技术主要是为了获得压力差，而不是为了改变空间性质。

（2）中真空（102～10-1Pa）：在该范围内，气体的流动状态逐渐变化，从黏滞流转变为分子流，并且对流现象消失。在电场的作用下，将产生辉光和弧光放电，与气体放电和低温等离子体相关的镀膜技术都在此范围内开始。低于10-1Pa时，气体已经不能按连续的流体对待。

（3）高真空（10-1～10-5Pa）：在该范围内，气体分子的平均自由程已大于一般真空容器的限度，由于容器中的真空度很高，残余气体分子与被沉积材料的化学作用十分微弱，物理气相沉积多数发生在此真空度范围内。

（4）超高真空（10-5～10-9Pa）：在该范围内，不仅分子间的碰撞极少，而且沉积在基板表面上的物质到达单原子/分子层所需的时间也很长。因此，可以进行分子束外延。

（5）极高真空（＜10-9Pa）：在此范围内，气体分子碰撞固体表面的频率已经很低，可以保持表面清洁，适合分子尺寸级的加工以及纳米科学研究。

4.1.4 真空状态的获得

1．获得真空的设备[6,7,9]

1）真空泵的分类

获得真空环境需要使用各种各样的真空泵，它们是真空系统的主要部件。真空泵是利用机械、物理、化学或物理-化学的方法对封闭的容器进行抽气，从而在该容器的空间中产生、改善和维持某种真空状态的器件或设备。随着真空技术的发展，真空泵已有很多类型。

根据获得真空的方法，真空泵可分为两大类：输运式真空泵和捕获式真空泵。输运式真空泵采用压缩气体的方式，将气体分子输送至真空系统之外；捕获式真空泵依靠在真空系统内凝结或吸附等方式，将气体分子捕获，进而排除到真空系统之外。输运式真空泵又可细分为机械式气体输运泵和气流式气体输运泵，机械式气体输运泵有旋片式真空泵、罗茨真空泵、涡轮分子真空泵，气流式气体输运泵有油扩散喷射真空泵。捕获式真空泵包括低温真空泵、吸附真空泵、吸气剂真空泵、溅射离子真空泵等。表4-1中列出了部分常用真空泵的汉语拼音代号及名称。在工程实践中，涉及泵的名称常习惯省略“真空”两字或使用真空泵的简称。例如，称油扩散真空泵为“油扩散泵”或“扩散泵”；称“钛升华真空泵”为“钛升华泵”或“升华泵”。

由于各种真空泵所具有的工作压强范围及启动压强不同，因此，在选用真空泵时必须满足这些基本要求。表4-2给出了部分常用真空泵的工作压强范围及启动压强值。

2）泵的功能和选用

在选用真空泵时，需要明确泵在真空系统中承担的工作任务。泵在各种不同工作领域中所起的作用归纳起来主要有如下7个方面。

（1）主泵。所谓主泵就是直接对真空系统的被抽容器进行抽气，以获得满足工艺要求所需真空度的真空泵。

（2）粗抽泵。粗抽泵是指从大气压开始抽气直到满足另一个抽气系统工作条件的真空泵。

（3）前级泵。前级泵是指用于使另一个泵的前级压强维持在其最高许可的前级压强以下的真空泵。

（4）维持泵。维持泵是指当真空系统抽气量很小时，不能有效地利用主要前级泵。为此，在真空系统中额外配置一种抽气量较小的辅助前级泵来维持主泵的正常工作，或维持已抽空的容器所需的低压真空泵。

（5）高真空泵。高真空泵是指在高真空度范围内工作的真空泵。

（6）超高真空泵。超高真空泵是指在超高真空度范围内工作的真空泵。

（7）增压泵。增压泵通常是用来提高抽气系统在低真空和高真空之间的中间压强范围的抽气量或降低前级泵抽气速率要求的真空泵。

2．真空测量[10]

1）真空测量的定义

真空度是指低于大气压的气体稀薄程度。真空测量是对真空度的评价，通常以压力表示真空度，压力高意味着真空度低；压力低则真空度高。此外，分子密度、分子平均自由程、碰撞次数、覆盖时间等都可以用来表示真空度。用分子密度表示真空度更符合真空度的定义和内涵。

真空测量包括3部分：全压力测量、分压力测量和真空计校准。由于多数真空计是通过与压力有关的物理量间接地反映压力值的，而不能直接通过真空计的有关参数计算获得压力值。因此，正确的真空测量必须对真空计进行校准。正确的真空测量，或者说真空计的正确使用，必须选择标准真空计或能产生已知低压的校准装置进行校准。须知，真空计校准是真空测量的基础，是开发优化真空测量的有力工具。

真空计量工具分为3类：计量基准器具、计量标准器具和工作计量器具。前两类用于复现和传递真空度量值；而后一类是在现场应用。3种计量器具的不确定度依次降低。

2）真空计的分类

（1）按真空度刻度方法分类[10]，可分为绝对真空计和相对真空计，常见的如压缩式真空计、热辐射真空计和U型镑压力计等，这些属于绝对真空计；热传导真空计和电离真空计等属于相对真空计。

（2）按真空计测量原理分类，可分为直接测量真空计和间接测量真空计，间接测量真空计有压缩式真空计、热传导真空计、热辐射真空计、电离真空计、放电管指示器、黏滞真空计、分压力真空计等。

（3）常用真空计的压力测量范围见表4-3。

（4）选择真空计的原则。

① 待测区域压力应与真空计的精度相匹配。

② 被测气体和真空计不会互相影响。

③ 稳定性、复现性、可靠性满足需求。

④ 真空计与生产线的匹配程度应包括安装、操作、保修、管理的难易程度等方面要求。

4.1.5 真空检漏[11]

真空系统的检漏就是检测由真空设备构成的真空系统的漏气部位及其大小的过程。对于真空系统，尤其是大规模工业化真空系统，对其进行维护以防漏气显得尤为重要。漏气一旦发生，迅速而准确地查明漏点和修理是保证生产顺利进行的重要前提。

1．真空系统容易形成的漏点

一般而言，真空系统中以下4个位置容易发生漏气。

（1）可动部分：传动轴及其密封部分。

（2）玻璃或陶瓷等易损部分。

（3）使用法兰和垫圈的密封部分。

（4）焊接部位的裂纹处。

2．难以检测到的漏点

（1）不完善的两侧焊接，内部留有气眼。在真空设备的安装中这种焊接是不允许的。

（2）真空材料内残留的砂眼。

（3）阀等一些复杂部件的内部漏气。

3．检漏方法

（1）加压法。加压法是一种用充气来查明漏气位置的方法。在真空镀膜系统中，受设备的限制，几乎不使用加压法。

（2）真空法。真空法是将装置抽成真空的检漏方法。将待测设备抽真空后，用密封罩罩住，把检漏时查明漏孔所用的示漏物质涂布或喷吹在被试物上，依靠检测流入设备内的气体来查明漏点。

4．检漏的实际操作

为了更快、更准确地找出漏点，必须遵循一定的规程。

（1）漏气发生时，应该首先检查设备中那些容易损坏的部件。

（2）当使用密度比大气小的气体（如氦气）检漏时，应从设备顶部开始；使用密度比大气大的气体（如丁烷、丙烷等）检漏时，应从设备底部开始。

（3）当发现一个漏孔时，应用密封带等物体暂时封堵，以免影响其他漏孔的检出。

（4）全部检查及封堵完之后，应再用密封罩方法复查。若不再漏气，则可以开始修理。