4.1 真空理論及真空技術

4.1.1 真空的基本概念[1,2,3]

磁控濺射對環境的真空度有較高要求，在了解磁控濺射原理之前，先對真空的物理概念及現代真空技術和設備進行簡單的介紹。

對真空的研究已有370多年的歷史，從1643年托里拆利對真空狀態的研究、1662年玻義耳創建了玻義耳定律，到1879年伯努利提出氣體分子運動論，他們奠定了真空技術的物理基礎[3]。

真空技術在運輸、真空器件、冶金工業、鍍膜工業、食品包裝及冷凍干燥工業、航天工業等領域已經獲得了廣泛的應用。

1. 真空及真空狀態

真空理論認為，在給定的空間內低于一個大氣壓的稀薄氣體狀態，稱為真空狀態。與通常的大氣狀態相比較，真空狀態主要有下述兩個基本特點。

（1）真空狀態下，氣體壓力低于一個大氣壓。因此，地球表面的各種真空容器必將承受到大氣的壓力，顯然，壓力差的大小由容器內外的壓力值決定。由于作用在地面上的大氣壓約為101 325 N/m2，當容器內壓力很小時，則容器所承受的壓力可達到一個大氣壓[1]。

（2）真空狀態下，單位體積的氣體分子密度小于大氣壓下氣體分子密度。因此，分子之間、分子與電子、離子等其他物質之間，以及分子與容器壁等各種表面之間相互碰撞次數相對減少，氣體分子的平均自由程（氣體分子連續碰撞之間飛行距離的統計平均值）增大。

2. 氣體分子密度及平均自由程的變化

氣體分子密度是指在給定體積中氣體的分子數。自由程是指一個分子與其他分子相繼兩次碰撞之間經過的直線路程。對個別分子而言，自由程時長時短，但大量分子的自由程則具有確定的統計規律。而平均自由程則是大量分子自由程的平均值。目前用普通的方法能獲得的低壓為1×10-8 Pa，為了更直觀地反映這個狀態，可以從分子密度和平均自由程來粗略地描述。如阿伏伽德羅常數所描述的，在0℃和1個標準大氣壓下，22.4 L的空間里有6×1023個氣體分子；即使在1×10-8 Pa的壓強下，1 cm3中就有355萬個氣體分子。在標準狀態下，（po=1.01325×105 Pa，To=0℃），空氣分子的平均自由程大約為7×10-8 m，而在25℃，1×10-8 Pa的環境中，其分子平均自由程為509 km[4]。

4.1.2 真空物理學基礎[5]

1. 氣體分子運動論[1,6]

真空中的氣體通常可以視為理想氣體，氣體的壓力p（Pa）、體積V（m3）、溫度T（K）和質量m（kg）等狀態參量間的關系，服從下述氣體實驗定律：

（1）波義耳-馬略特定律：對于一定質量的氣體，若溫度保持不變，則氣體的壓力和體積的乘積為常數，即

（2）蓋·呂薩克定律：對于一定質量的氣體，若其壓力維持不變，則氣體的體積與其絕對溫度成正比，即

（3）查理定律：對于一定質量的氣體，若其體積維持不變，則氣體的壓力與其絕對溫度成正比，即

（4）阿伏加德羅定律：對于等體積的任何氣體，在相同溫度和相同壓力下均有相同的分子數。這一定律也可以表達為在相同溫度和相同壓力下，具有相同分子數的不同種類的氣體占據相同的體積。在標準狀態下，1 mol任何氣體的體積稱為標準摩爾體積，Vo=2.24×10-2m3 mol-1。1 mol任何氣體的分子數目稱為阿伏伽德羅常數NA，NA=6.022×1023mol-1。

（5）道爾頓分壓定律：這是理想氣體的壓強遵循的一個定律，即相互不起化學作用的混合氣體的總壓力等于各種氣體分壓力之和，p=p1+p2+…+Pn。這里所說的某一組分氣體的分壓力，是指這種氣體單獨存在時所能產生的壓力。道爾頓分壓定律表明各組分氣體壓力的獨立性和線性可重疊性。

上述定律可以用理想氣體狀態方程描述：

式中，m為氣體的質量（kg）；M為摩爾質量（kg/mol）；R為氣體常數［8.3144 J/（mol·K）］。

可以推導出：

式中，n為氣體分子密度（1/m3）；k為玻耳茲曼常量（1.38×10-23 J/K），k=R/NA；ρ是氣體的密度（kg/m3）。

理想氣體壓強的本質是氣體分子對容器壁進行大量的無規則碰撞的平均效果，氣體壓強可以用式（4-6）表示[4]：

式中，為氣體分子速度平方的平均值；m為氣體分子質量（kg），可以看出，壓強同氣體分子密度和運動速度的平方成正比。

由表示分子的平均平動動能，則有[4]

盡管氣體分子在真空中容器內運動的速度及方向是無規則的，但大多數分子的運動遵循麥克斯韋速率分布規律。

對上述真空物理學基礎理論感興趣的讀者可以參閱相關資料。

2. 真空中氣體的流動[1,7]

氣體的流動狀態因氣體容器的幾何尺寸、氣體壓力、溫度以及氣體種類而存在很大的差別。在真空技術中，氣體沿管道的流動狀態可劃分為如下4種基本形式。

（1）抽真空的初期，管道中的氣體壓力和流速較高，氣體的慣性力在流動中起主要作用；流動不穩定，流線無規則，不時出現旋渦，這種流動狀態稱為紊流。

（2）隨著流速和氣壓的降低，在低真空區域，氣流由湍流變為規則的層流，每個部分都有不同速度的流動層，流線平行于管軸，氣體的黏滯力在流動中起主導作用。此時，氣體分子的平均自由程仍遠小于管道最小截面尺寸，這種流態稱為黏滯流。

（3）高真空狀態，分子平均自由程遠遠大于管道最小尺寸時，氣體分子與管壁之間的碰撞占主導地位。此時，分子靠熱運動自由移動，只發生與管壁的碰撞和熱反射而飛過管道，氣體流動由各個分子的獨立運動疊加而成，這種流動稱為分子流。

（4）在中真空區域，介于黏滯流與分子流之間的流動狀態稱為中間流或過渡流。

3. 氣體的吸附與解吸[1,3]

吸附是氣體或蒸汽分子被固體表面捕獲而附著于其表面并形成單層或多層分子層的現象。捕獲氣體的固體稱為吸附劑，被吸附氣體稱為吸附物。吸附的原因是吸附劑表面上存在力場。氣體吸附可分為物理吸附和化學吸附。

解吸、蒸發等吸附的逆過程可以統稱為脫附。脫附現象既可以是自然發生的，也可以是人為加速的。在抽真空的過程中氣體從表面緩緩放出，氣體的吸附量逐漸減少，這種現象在真空技術中稱為材料的放氣或出氣。總結實踐經驗如下：在低真空階段，真空度變化速率由空間中的氣體被抽出的速率決定；在中真空階段，表面放氣量已接近空間氣體量，兩者對真空度變化速率的影響程度接近；進入高真空乃至超高真空階段，表面放氣（不計系統漏氣時）成為主要氣體負荷，放氣的快慢直接影響抽空時間。

通過人工方式，有意識地促進氣體脫附的發生，在真空技術中稱為去氣或除氣。目前采用加熱烘烤法和離子轟擊法。

4.1.3 真空狀態的表征[6]

1. 真空的度量單位

在真空技術中，可以使用多個參數來描述真空狀態下空間的真空度，最常用的有“真空度”和“壓強”。制造業常用單位的換算關系如下：

1標準大氣壓（atm）=0.101325兆帕（MPa）=1.01325巴（bar）

1巴（bar）=105帕（Pa）

1托（Torr）=133.322帕（Pa）

1工程大氣壓=98.0665千帕（kPa）

1千帕（kPa）=0.0098大氣壓（atm）

2. 真空區域劃分[4, 8]

隨著真空度的提高，真空的性質逐漸發生變化。為了方便，人們常把真空度粗劃為幾個區段：

（1）低真空（105～102 Pa）：在該范圍內，氣體空間特性與大氣相差不大，氣體分子密度大，平均自由程很短，使用低真空技術主要是為了獲得壓力差，而不是為了改變空間性質。

（2）中真空（102～10-1 Pa）：在該范圍內，氣體的流動狀態逐漸變化，從黏滯流轉變為分子流，并且對流現象消失。在電場的作用下，將產生輝光和弧光放電，與氣體放電和低溫等離子體相關的鍍膜技術都在此范圍內開始。低于10-1 Pa時，氣體已經不能按連續的流體對待。

（3）高真空（10-1～10-5 Pa）：在該范圍內，氣體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，殘余氣體分子與被沉積材料的化學作用十分微弱，物理氣相沉積多數發生在此真空度范圍內。

（4）超高真空（10-5～10-9 Pa）：在該范圍內，不僅分子間的碰撞極少，而且沉積在基板表面上的物質到達單原子/分子層所需的時間也很長。因此，可以進行分子束外延。

（5）極高真空（<10-9 Pa）：在此范圍內，氣體分子碰撞固體表面的頻率已經很低，可以保持表面清潔，適合分子尺寸級的加工以及納米科學研究。

4.1.4 真空狀態的獲得

1. 獲得真空的設備[6, 7, 9]

1）真空泵的分類

獲得真空環境需要使用各種各樣的真空泵，它們是真空系統的主要部件。真空泵是利用機械、物理、化學或物理-化學的方法對封閉的容器進行抽氣，從而在該容器的空間中產生、改善和維持某種真空狀態的器件或設備。隨著真空技術的發展，真空泵已有很多類型。

根據獲得真空的方法，真空泵可分為兩大類：輸運式真空泵和捕獲式真空泵。輸運式真空泵采用壓縮氣體的方式，將氣體分子輸送至真空系統之外；捕獲式真空泵依靠在真空系統內凝結或吸附等方式，將氣體分子捕獲，進而排除到真空系統之外。輸運式真空泵又可細分為機械式氣體輸運泵和氣流式氣體輸運泵，機械式氣體輸運泵有旋片式真空泵、羅茨真空泵、渦輪分子真空泵，氣流式氣體輸運泵有油擴散噴射真空泵。捕獲式真空泵包括低溫真空泵、吸附真空泵、吸氣劑真空泵、濺射離子真空泵等。表4-1中列出了部分常用真空泵的漢語拼音代號及名稱。在工程實踐中，涉及泵的名稱常習慣省略“真空”兩字或使用真空泵的簡稱。例如，稱油擴散真空泵為“油擴散泵”或“擴散泵”；稱“鈦升華真空泵”為“鈦升華泵”或“升華泵”。

由于各種真空泵所具有的工作壓強范圍及啟動壓強不同，因此，在選用真空泵時必須滿足這些基本要求。表4-2給出了部分常用真空泵的工作壓強范圍及啟動壓強值。

2）泵的功能和選用

在選用真空泵時，需要明確泵在真空系統中承擔的工作任務。泵在各種不同工作領域中所起的作用歸納起來主要有如下7個方面。

（1）主泵。所謂主泵就是直接對真空系統的被抽容器進行抽氣，以獲得滿足工藝要求所需真空度的真空泵。

（2）粗抽泵。粗抽泵是指從大氣壓開始抽氣直到滿足另一個抽氣系統工作條件的真空泵。

（3）前級泵。前級泵是指用于使另一個泵的前級壓強維持在其最高許可的前級壓強以下的真空泵。

（4）維持泵。維持泵是指當真空系統抽氣量很小時，不能有效地利用主要前級泵。為此，在真空系統中額外配置一種抽氣量較小的輔助前級泵來維持主泵的正常工作，或維持已抽空的容器所需的低壓真空泵。

（5）高真空泵。高真空泵是指在高真空度范圍內工作的真空泵。

（6）超高真空泵。超高真空泵是指在超高真空度范圍內工作的真空泵。

（7）增壓泵。增壓泵通常是用來提高抽氣系統在低真空和高真空之間的中間壓強范圍的抽氣量或降低前級泵抽氣速率要求的真空泵。

2. 真空測量[10]

1）真空測量的定義

真空度是指低于大氣壓的氣體稀薄程度。真空測量是對真空度的評價，通常以壓力表示真空度，壓力高意味著真空度低；壓力低則真空度高。此外，分子密度、分子平均自由程、碰撞次數、覆蓋時間等都可以用來表示真空度。用分子密度表示真空度更符合真空度的定義和內涵。

真空測量包括3部分：全壓力測量、分壓力測量和真空計校準。由于多數真空計是通過與壓力有關的物理量間接地反映壓力值的，而不能直接通過真空計的有關參數計算獲得壓力值。因此，正確的真空測量必須對真空計進行校準。正確的真空測量，或者說真空計的正確使用，必須選擇標準真空計或能產生已知低壓的校準裝置進行校準。須知，真空計校準是真空測量的基礎，是開發優化真空測量的有力工具。

真空計量工具分為3類：計量基準器具、計量標準器具和工作計量器具。前兩類用于復現和傳遞真空度量值；而后一類是在現場應用。3種計量器具的不確定度依次降低。

2）真空計的分類

（1）按真空度刻度方法分類[10]，可分為絕對真空計和相對真空計，常見的如壓縮式真空計、熱輻射真空計和U型鎊壓力計等，這些屬于絕對真空計；熱傳導真空計和電離真空計等屬于相對真空計。

（2）按真空計測量原理分類，可分為直接測量真空計和間接測量真空計，間接測量真空計有壓縮式真空計、熱傳導真空計、熱輻射真空計、電離真空計、放電管指示器、黏滯真空計、分壓力真空計等。

（3）常用真空計的壓力測量范圍見表4-3。

（4）選擇真空計的原則。

① 待測區域壓力應與真空計的精度相匹配。

② 被測氣體和真空計不會互相影響。

③ 穩定性、復現性、可靠性滿足需求。

④ 真空計與生產線的匹配程度應包括安裝、操作、保修、管理的難易程度等方面要求。

4.1.5 真空檢漏[11]

真空系統的檢漏就是檢測由真空設備構成的真空系統的漏氣部位及其大小的過程。對于真空系統，尤其是大規模工業化真空系統，對其進行維護以防漏氣顯得尤為重要。漏氣一旦發生，迅速而準確地查明漏點和修理是保證生產順利進行的重要前提。

1. 真空系統容易形成的漏點

一般而言，真空系統中以下4個位置容易發生漏氣。

（1）可動部分：傳動軸及其密封部分。

（2）玻璃或陶瓷等易損部分。

（3）使用法蘭和墊圈的密封部分。

（4）焊接部位的裂紋處。

2. 難以檢測到的漏點

（1）不完善的兩側焊接，內部留有氣眼。在真空設備的安裝中這種焊接是不允許的。

（2）真空材料內殘留的砂眼。

（3）閥等一些復雜部件的內部漏氣。

3. 檢漏方法

（1）加壓法。加壓法是一種用充氣來查明漏氣位置的方法。在真空鍍膜系統中，受設備的限制，幾乎不使用加壓法。

（2）真空法。真空法是將裝置抽成真空的檢漏方法。將待測設備抽真空后，用密封罩罩住，把檢漏時查明漏孔所用的示漏物質涂布或噴吹在被試物上，依靠檢測流入設備內的氣體來查明漏點。

4. 檢漏的實際操作

為了更快、更準確地找出漏點，必須遵循一定的規程。

（1）漏氣發生時，應該首先檢查設備中那些容易損壞的部件。

（2）當使用密度比大氣小的氣體（如氦氣）檢漏時，應從設備頂部開始；使用密度比大氣大的氣體（如丁烷、丙烷等）檢漏時，應從設備底部開始。

（3）當發現一個漏孔時，應用密封帶等物體暫時封堵，以免影響其他漏孔的檢出。

（4）全部檢查及封堵完之后，應再用密封罩方法復查。若不再漏氣，則可以開始修理。