常用物理氣相沉積技術(shù)（PVD）之蒸鍍、濺射、離子鍍，這三種技術(shù)都要在真空條件下才能得以實(shí)現(xiàn)。

制備現(xiàn)代薄膜材料，不管是物理氣相沉積技術(shù)（PVD），還是化學(xué)氣相沉積技術(shù)（CVD），都要涉及真空條件下氣相產(chǎn)生、輸運(yùn)、反應(yīng)、凝聚、沉積等過(guò)程。因此本文將對(duì)薄膜制備過(guò)程中涉及的真空基礎(chǔ)知識(shí)做一下簡(jiǎn)單的介紹。

真空的基本知識(shí)

利用外力將一定密閉空間內(nèi)的氣體分子移走，使該空間內(nèi)的氣壓小于一個(gè)大氣壓，則該空間內(nèi)的氣體物理狀態(tài)就被稱為真空。

1643年，Torricelli著名的大氣壓實(shí)驗(yàn)，首次揭示了真空這種低壓、稀薄的氣體物理狀態(tài)的存在，并且得到了大氣壓的定義（把高度為760 mm的水銀柱所產(chǎn)生的壓力定義為1atm）和真空量度的依據(jù)。

真空度采用氣體壓強(qiáng)來(lái)表征，最開(kāi)始始用的真空度單位是mmHg（1atm=760mmHg）。

1958年，為紀(jì)念Torricelli，用其姓名前四個(gè)字母torr來(lái)代替mmHg作為真空度的單位（1 torr＝1 mmHg）。

而后也開(kāi)始采用厘米克秒制（CGS制），以bar作為單位（1bar=1×105Pa），更為常見(jiàn)的是mbar（1mbar=100Pa）。

目前隨著標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程的推進(jìn)，逐漸盛行國(guó)際單位制（SI制，即MKS制），真空度以Pa為單位（1atm=1.013×105Pa）。

記住括弧中的真空度常用單位換算關(guān)系式

真空的獲得

我們?nèi)巳硕加腥藶楂@得真空的體驗(yàn)，比如用吸管喝飲料時(shí)，其原理是我們把吸管中的空氣給吸走，造成吸管內(nèi)的真空（吸管內(nèi)的氣壓小于外界大氣壓），在壓力差的作用下把易拉罐內(nèi)的飲料通過(guò)吸管壓入我們口中。

同理，制備現(xiàn)代薄膜材料時(shí)，所需要的真空也可以用一種設(shè)備來(lái)“吸”走沉積室內(nèi)的空氣，我們將這種設(shè)備稱之為真空泵。

根據(jù)真空泵的工作原理不同，可分為氣體輸運(yùn)泵（氣體不斷吸入并排出真空泵以達(dá)到排氣的目的）和氣體捕獲泵（利用活性炭等吸氣材料和冷源裝置將被抽空間內(nèi)的氣體分子吸除）兩大類。根據(jù)真空泵工作壓強(qiáng)范圍，可分為前級(jí)泵（開(kāi)始工作壓強(qiáng)較高）和后級(jí)泵（開(kāi)始工作的壓強(qiáng)較低）。

旋片式機(jī)械泵外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，為氣體輸運(yùn)泵的一種，它可直接從大氣壓開(kāi)始工作，是常用的前級(jí)泵。

機(jī)械泵的工作原理是利用機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件轉(zhuǎn)子在偏心輪上的循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)以達(dá)到吸氣-壓縮-排氣的目的，見(jiàn)圖2（圖中灰色小點(diǎn)代表的是空氣）。

渦輪分子泵是現(xiàn)代真空技術(shù)對(duì)于無(wú)油高真空環(huán)境的要求而產(chǎn)生的一種高空泵，為氣體輸運(yùn)泵的一種，但是它初始工作的壓強(qiáng)要求為1Pa以下，不能單獨(dú)使用，必須配合如機(jī)械泵等前級(jí)泵一起使用，其最高真空度能達(dá)10-8Pa。它的外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

渦輪分子泵內(nèi)，交錯(cuò)布置轉(zhuǎn)向不同的多級(jí)轉(zhuǎn)子和定子，轉(zhuǎn)子葉片轉(zhuǎn)速高達(dá)20000~60000k r/min。上一級(jí)葉片輸送過(guò)來(lái)的氣體分子，又會(huì)受到下一級(jí)葉片的作用而被進(jìn)一步壓縮至更下一級(jí)，即通過(guò)碰撞將動(dòng)能不斷傳遞給氣體分子，氣體分子被賦予動(dòng)能后被逐級(jí)壓縮排出

值得一提的是，在制備薄膜的過(guò)程中，切忌直接運(yùn)行分子泵，因?yàn)樵诘驼婵眨ㄝ^多的大氣分子）條件下分子泵葉片容易被損壞，被老板發(fā)現(xiàn)挨批事小，萬(wàn)一分子泵炸裂傷到自己可就不劃算啦。所以一定要記得先開(kāi)機(jī)械泵等前級(jí)泵，待獲取一定的真空度后才能運(yùn)行分子泵。

真空的測(cè)量

在薄膜的制備過(guò)程中，為了實(shí)時(shí)了解沉積室內(nèi)的真空度（氣壓大小），需要用到真空計(jì)（真空規(guī)）。

按真空度測(cè)量原理不同，可將其分為絕對(duì)真空計(jì)（直接測(cè)定一定空間內(nèi)的氣壓值）和相對(duì)真空計(jì)（先測(cè)量與氣壓相關(guān)的其他物理量，經(jīng)換算后得到氣壓值）。由于相對(duì)真空計(jì)容易實(shí)現(xiàn)測(cè)量，因而常選用其來(lái)測(cè)量薄膜沉積過(guò)程的真空度。

如前面所述，真空泵有嚴(yán)格要求的真空度工作范圍，同樣地，不同的真空度，需要采用不同的真空計(jì)來(lái)測(cè)量。

低真空的測(cè)量常采用皮拉尼真空計(jì)，這是熱偶真空計(jì)的一種改進(jìn)形式。圖5是是工作原理示意圖，管內(nèi)有兩組燈絲，一組燈絲置于密封定壓空間內(nèi)作為參考，另一組與待測(cè)壓腔體相通，兩組燈絲構(gòu)成Wheatstone電橋。當(dāng)兩組燈絲通電被加熱后，由于其所處環(huán)境空氣稀薄程度不同，導(dǎo)致燈絲上熱耗散速度也不同，因而兩組燈絲電阻會(huì)因溫度不同而產(chǎn)生差異，流過(guò)其上的電流也會(huì)隨之改變。由于參考端氣壓固定，參考段上燈絲溫度、電阻、電流不變，由此可比對(duì)求出待測(cè)腔體內(nèi)的真空度。

高真空的測(cè)量場(chǎng)采用電離真空計(jì)，需要與皮拉尼等低真空計(jì)配合使用。電離真空計(jì)主要由陰極（燈絲）、陽(yáng)極和離子收集極三個(gè)電極所組成，其工作原理如圖6所示。由熱陰極發(fā)射出的電子加速飛向柵極，并與路遇的氣體分子發(fā)生碰撞并使其電離。電子往復(fù)做加速減速運(yùn)動(dòng)，最終都會(huì)被刪極捕獲，在電子往復(fù)的震蕩的過(guò)程中，不斷使氣體分子電離，氣體離子飛向離子收集極形成回路電流。在固定陰極發(fā)射電流和固定氣體種類的情況下，離子電流強(qiáng)度將只取決于電離氣體的壓力，即可通過(guò)離子電流強(qiáng)度換算出沉積室內(nèi)的真空度。

通過(guò)本文的介紹，相信大家對(duì)真空的定義、不同單位的換算，以及真空的獲取和測(cè)量有了最基本的了解，如有解釋不當(dāng)之處和紕漏，敬請(qǐng)指出。