關(guān)于真空檢漏的幾個(gè)基本概念

1．概漏的基本概念

真空檢漏就是檢測(cè)真空系統(tǒng)的漏氣部位及其大小的過程。

漏氣也叫實(shí)漏，是氣體通過系統(tǒng)上的漏孔或間隙從高壓側(cè)流到低壓側(cè)的現(xiàn)象。
虛漏，是相對(duì)實(shí)漏而言的一種物理現(xiàn)象。這種現(xiàn)象是由于材料放氣、解吸、凝結(jié)氣體的再蒸發(fā)、氣體通過器壁的滲透及系統(tǒng)內(nèi)死空間中氣體的流出等原因引起真空系統(tǒng)中氣體壓力升高的現(xiàn)象。

氣密性是表征真空系統(tǒng)器壁防止氣體滲透的性能，它包括通過漏孔(或間隙)的漏氣和材質(zhì)的滲氣。

小可檢漏率是指某種檢漏方法能夠檢測(cè)出的漏率的小值。
佳靈敏度是指檢漏儀器或檢漏方法在佳條件下所能檢測(cè)出的小漏率。對(duì)于檢漏儀器來(lái)講，佳靈敏度又稱作儀器靈敏度。

檢漏靈敏度是指在具體條件下，某種檢漏方法所能檢測(cè)出的小漏率。檢漏靈敏度又稱作有效靈敏度。

反應(yīng)時(shí)間，即從檢漏方法開始實(shí)施(如開始噴吹示漏氣體)到指示方法(如儀表)做出反應(yīng)的時(shí)間。

消除時(shí)間，即從檢漏方法停止(如停止噴吹且開始抽出示漏氣體)到指示方法的指示消失的時(shí)間。

漏率，即單位時(shí)間內(nèi)流過漏孔(包括間隙)的氣體量。

2．漏孔、漏率及其單位

真空技術(shù)中所指的漏孔，由于尺寸微小、形狀復(fù)雜、形式多樣(如圖1所示)，無(wú)法用幾何尺寸表示其大小。所以一般用等效流導(dǎo)或漏氣速率(簡(jiǎn)稱為漏率)表示漏孔的大小。

用漏率表示漏孔大小時(shí)，如果不加特殊說(shuō)明，則是指在漏孔入口壓力為1.01×105Pa，出口壓力低于1.33×103Pa，溫度為296士3K的標(biāo)準(zhǔn)條件下，單位時(shí)間內(nèi)流過漏孔的溫度低于248K的空氣的氣體量。

漏率的單位是帕斯卡×立方米／秒，記為Pam3／s。為了方便，有時(shí)用帕斯卡×升／秒，記為PaL／s。

3．大容許漏率

真空系統(tǒng)不漏氣是相對(duì)的在真空檢漏技術(shù)中所指的“漏”是和大容許漏率的概念聯(lián)系在一起的。

對(duì)于動(dòng)態(tài)真空系統(tǒng)，只要其平衡壓力能夠達(dá)到所要求的真空度，這時(shí)即使存在著漏孔，也可以認(rèn)為該系統(tǒng)的漏率是容許的，該情況下系統(tǒng)的漏率稱為大容許漏率。動(dòng)態(tài)真空系統(tǒng)的大容許漏率qLmax應(yīng)滿足

qLmax≤1/10PwS        (1)

式中Pw----系統(tǒng)工作壓力

S----系統(tǒng)的有效抽速

對(duì)于靜態(tài)真空系統(tǒng)，要求在一定時(shí)間內(nèi)，其壓力維持在容許的壓力以下，這時(shí)即使存在著漏孔，同樣叮以認(rèn)為該系統(tǒng)的漏率是容許的。如果要求在時(shí)間t內(nèi),容積為V的系統(tǒng)的壓力由p升至pt，則其上限容許漏率qLmax應(yīng)滿足

qLmax≤(pt-p)V/t        (2)
各種真空設(shè)備的大容許漏率可參考表：



 4．漏孔的氣流特性

 氣體流經(jīng)漏孔的過程是很復(fù)雜的，可能包含有粘滯流、過渡流及分子流三種流動(dòng)狀態(tài)。主導(dǎo)流動(dòng)狀態(tài)與漏孔的幾何尺寸、氣體的種類、漏孔兩端的壓力及環(huán)境溫度有關(guān)。設(shè)環(huán)境溫度T=296K，入口壓力p2=1.01×105Pa，出口壓力p1《p2，漏孔長(zhǎng)L，直徑d的均勻圓截面導(dǎo)管型漏孔，其對(duì)空氣的漏率及可視流動(dòng)狀態(tài)見表2：



   

5．檢漏方法的分類

檢漏方法很多，根據(jù)被檢件所處的狀態(tài)可分為充壓檢漏法、真空檢漏法及其它檢漏法。
充壓檢漏法：在被檢件內(nèi)部充入一定壓力的示漏物質(zhì)，如果被檢件上有漏孔，示漏物質(zhì)便從漏孔漏出，用一定的方法或儀器在被檢件外部檢測(cè)出從漏孔漏出的示漏物質(zhì)，從而判定漏孔的存在、位置及漏率的大小，此即充壓檢漏法。
真空檢漏法：被檢件和檢漏器的敏感元件處于真空狀態(tài)，在被檢件的外部施加示漏物質(zhì)，如果有漏孔，示漏物質(zhì)就會(huì)通過漏孔進(jìn)入被檢件和敏感元件的空間，由敏感元件檢測(cè)出示漏物質(zhì)，從而可以判定漏孔的存在、位置利漏率的大小，這就是真空檢漏法。
其它檢漏法：被檢件既不充壓也不抽真空，或其外部受壓等方法歸入其它檢漏法。背壓法就是其中主要方法之一。

所謂“背壓檢漏法”是利用背壓室先將示漏氣體由漏孔充入被檢件，然后在真空狀態(tài)下使示漏氣體再?gòu)谋粰z件中漏出．以某種方法(或檢漏儀)檢測(cè)漏出的示漏氣體，判定被檢件的總漏率的方法。



影響磁控濺射均勻性的因素



磁控濺射生成的薄膜厚度的均勻性是成膜性質(zhì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，因此有必要研究影響磁控濺射均勻性的因素，以更好的實(shí)現(xiàn)磁控濺射均勻鍍膜。簡(jiǎn)單的說(shuō)磁控濺射就是在正交的電磁場(chǎng)中，閉合的磁場(chǎng)束縛電子圍繞靶面做螺線運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中不斷撞擊工作氣體氬氣電離出大量的氬離子，氬離子在電場(chǎng)作用下加速轟擊靶材，濺射出呈中性的靶原子（或分子）沉積在基片上成膜。所以要實(shí)現(xiàn)均勻的鍍膜，就需要均勻的濺射出靶原子（或分子），這就要求轟擊靶材的氬離子是均勻的且是均勻的轟擊的。由于氬離子在電場(chǎng)作用下加速轟擊靶材，所以均勻轟擊很大程度上依賴電場(chǎng)的均勻。而氬離子來(lái)源于被閉合的磁場(chǎng)束縛的電子在運(yùn)動(dòng)中不斷撞擊的工作氣體氬氣，這就要求磁場(chǎng)均勻和工作氣體氬氣均勻。但是實(shí)際的磁控濺射裝置中，這些因素都是不均勻的，這就有必要研究他們不均勻?qū)Τ赡ぞ鶆蛐缘挠绊憽?br />
磁場(chǎng)不均勻的影響
由于實(shí)際的磁控濺射裝置中電場(chǎng)和磁場(chǎng)不是處處均勻的，也不是處處正交的，都是空間的函數(shù)。寫出的三維運(yùn)動(dòng)方程表達(dá)式是不可解的，至少?zèng)]有初等函數(shù)的解。所以磁場(chǎng)的不均勻性對(duì)離子的影響，也即對(duì)成膜不均勻性的影響是難以計(jì)算的，方法就是配合實(shí)驗(yàn)具體分析。圖1是用中頻孿生靶柔性卷繞磁控濺射鍍膜裝置實(shí)驗(yàn)得出的靶磁場(chǎng)均勻性和成膜厚度均勻性的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖片

圖1中，磁場(chǎng)的均勻性計(jì)算方法為（Bi—Ba）/ Ba ，其中Bi為實(shí)際測(cè)量的靶的長(zhǎng)度方向各點(diǎn)沿靶的寬度方向的磁場(chǎng)，Ba為實(shí)際測(cè)量的所有Bi平均；薄膜的厚度相對(duì)偏差由公式(kdi-kda)/kda計(jì)算，其中k為膜層對(duì)波長(zhǎng)550nm的光的吸收系數(shù)，di分別為不同點(diǎn)的厚度，da為所有di的平均厚度。kdi由公式T=T0(1-R)exp(-kdi)計(jì)算，其中，T為樣品對(duì)波長(zhǎng)550nm的光的透光率，T0為PET聚酯基材對(duì)波長(zhǎng)550nm的光的透光率，R為鈦薄膜和基材接觸界面對(duì)波長(zhǎng)550nm的光的反射率,可以認(rèn)為和鈦薄膜和空氣界面的反射率相等。T、T0、R由島津的UV-3600分光光度計(jì)測(cè)量。

從圖中可以看出，磁場(chǎng)和成膜的相對(duì)偏差有大致的對(duì)應(yīng)關(guān)系，磁場(chǎng)強(qiáng)的位置，膜相對(duì)比較厚，反之就較薄。但是這種對(duì)應(yīng)關(guān)系卻是不嚴(yán)格的。首先，磁場(chǎng)均勻性波動(dòng)比較頻繁，膜厚均勻性波動(dòng)較少；第二，不均勻性大小也沒有確切的比例關(guān)系；第三，有的位置磁場(chǎng)大小和膜的厚薄甚至相反。

產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)的位置，膜相對(duì)比較厚，反之就較薄的現(xiàn)象很容易理解。因?yàn)樵诖艌?chǎng)強(qiáng)的地方，束縛的電子多，激發(fā)的離子就多，當(dāng)然被濺射出的靶材就多，膜就厚，反之則相反。產(chǎn)生種現(xiàn)象的原因是靶面上的每個(gè)點(diǎn)都對(duì)應(yīng)基材上的一個(gè)面，即，從靶面上的一個(gè)點(diǎn)上被濺射出的原子(或分子)，不是被對(duì)應(yīng)的鍍到基材上的某一個(gè)點(diǎn)上，而是以一定的幾率被鍍到基材上的一個(gè)小面內(nèi)的任意一點(diǎn)兒上。反過來(lái)，基材上某處被鍍上的膜，是靶上的一個(gè)小面共同作用的結(jié)果。這樣，相近靶磁場(chǎng)的疊加作用對(duì)鍍膜起作用，很多距離很近的靶磁場(chǎng)的波動(dòng)被疊加后當(dāng)然就顯示不出來(lái)了。

解釋第二、第三種現(xiàn)象就要用到磁鏡理論了。理想情況下，磁鏡只存在于靶的寬度方向，靶的長(zhǎng)度方向是沒有磁場(chǎng)分量的，也就沒有磁鏡。但是，實(shí)際情況下，靶的長(zhǎng)度方向也存在磁場(chǎng)，存在磁鏡，這就使得電子沿著靶的長(zhǎng)度方向運(yùn)動(dòng)不再順暢。在某些位置，由于磁鏡的阻擋電子會(huì)比較多，相反一些位置會(huì)由于磁鏡的阻擋電子比較少。這樣就導(dǎo)致一些位置膜較厚一些位置膜較薄，形成膜厚不均勻。而這些靶的長(zhǎng)度方向的磁鏡，主要在靶的寬度方向磁場(chǎng)變化比較大的位置，例如圖中100cm附近，大約在95cm到100cm之間，靶的寬度方向磁場(chǎng)變化較大，靶的長(zhǎng)度方向磁場(chǎng)分量不為零且存在梯度，這樣就形成了磁鏡阻擋部分電子穿過此區(qū)域到達(dá)100cm以后的位置。同樣的，在100cm到130cm之間，靶的長(zhǎng)度方向也存在磁場(chǎng)且有梯度，這樣，在此區(qū)域電子會(huì)受到力的作用被排斥，此區(qū)域電子就急劇減少，所以濺射速率也急劇減小，膜層就很快變薄。總的來(lái)說(shuō)，靶的寬度方向磁場(chǎng)束縛電子，靶的長(zhǎng)度方向也會(huì)有一定的磁場(chǎng)對(duì)電子有作用力。所以總的效果是，膜厚大體上和靶的寬度方向磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)，但又不是完全對(duì)應(yīng)。

氣體不均勻性的影響
一般來(lái)說(shuō)氣體不均勻可以由兩種情況產(chǎn)生，一種是送氣不均勻，另一種就是抽氣不均勻。

圖2是均勻抽氣不同送氣方式下膜厚的變化情況：

圖片

其2中，銅管送氣是氣體從銅管的一端進(jìn)入，從銅管上均勻開的多個(gè)小孔流出進(jìn)入真空室，由于從進(jìn)氣端到末端氣體被小孔流出形成壓強(qiáng)漸小，小孔流出的氣體也逐漸減少，形成不均勻送氣；二進(jìn)制送氣是將氣體均勻的一路分為二路，二路均分為四路，如此均分為多路后送入真空室，可認(rèn)為是均勻送氣。觀察對(duì)比圖中曲線可知二進(jìn)制送氣情況下，影響膜厚不均勻的主要是磁場(chǎng)，銅管送氣的情況下，膜厚的分布，在磁場(chǎng)影響的基礎(chǔ)上，疊加了一個(gè)斜率。這個(gè)斜率，正好和銅管送氣產(chǎn)生的壓強(qiáng)梯度相符。壓強(qiáng)大的地方，膜較厚，相反較薄。根據(jù)形成不均勻送氣的原理可以推知，膜層厚度的變化斜率可能和小孔的密度，大小和送氣壓力有關(guān)，基本關(guān)系大概是和小孔密度、大小成正比，和送氣壓力成反比。

圖3是均勻送氣不同抽氣情況下膜厚的變化情況：

圖片

其中，正常抽氣情況指的是真空室內(nèi)的孿生靶兩端對(duì)稱抽氣，可認(rèn)為是均勻抽氣；而前分子泵關(guān)和后分子泵關(guān)則是一端抽氣，屬于不均勻抽氣。由于都是均勻送氣不均勻抽氣，真空室內(nèi)的氣體就不均勻了。很顯然前分子泵關(guān)只開后分子泵時(shí)，氣壓從前到后逐漸減小，而后分子泵關(guān)只開前分子泵時(shí)，氣壓從后到前逐漸減小。實(shí)驗(yàn)得到的膜厚考慮磁場(chǎng)的影響后也正與氣壓變化相符。

另外還可以發(fā)現(xiàn)，某些位置本來(lái)受磁場(chǎng)的影響均勻性較差，但是加上抽氣引起的氣體不均勻影響后，均勻性反而變好了。這就給我們一個(gè)啟示，也許可以通過特意使氣體在某處有特定的不均勻來(lái)補(bǔ)償磁鐵不均勻產(chǎn)生的影響。

靶基距、氣壓的影響
靶基距也是影響磁控濺射薄膜厚度均勻性的重要工藝參數(shù)，薄膜厚度均勻性在一定范圍內(nèi)隨著靶基距的增大有提高的趨勢(shì)，濺射工作氣壓也是影響薄膜厚度均勻性重要因素 。但是，這種均勻是在小范圍內(nèi)的，因?yàn)樵龃蟀谢喈a(chǎn)生的均勻性是增加靶上的一點(diǎn)對(duì)應(yīng)的基材上的面積產(chǎn)生的，而增加工作氣壓是由于增加粒子散射產(chǎn)生的，顯然，這些因素只能在小面積范圍內(nèi)起作用。

結(jié)論：

磁場(chǎng)的均勻性和工作氣體的均勻性是影響成膜均勻性的主要因素。磁場(chǎng)大的位置膜厚，反之膜薄，靶的長(zhǎng)度方向的磁場(chǎng)分量也會(huì)對(duì)鍍膜厚度均勻性產(chǎn)生影響；氣壓大的位置膜厚，反之膜薄。由于磁場(chǎng)不可能是理想的，那么就存在不均勻，而膜層厚度和氣壓的關(guān)系使調(diào)節(jié)氣壓不均勻來(lái)補(bǔ)償磁場(chǎng)不均勻成為可能。另外，還可以配合調(diào)整靶基距和工作氣體壓強(qiáng)的方法在一定程度上使膜層均勻。


【返回列表】