第1章真空技术基础剖析

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1、薄膜材料与技术 Thin Film Materials & Technologies,武涛 副教授 2012年 秋季学期,课程简介,总学时数：24 学时，每周 4 学时，5-10 周,课程性质：材料类专业 院级任选课,学习：薄膜材料的合成制备、形成机制、成分结构、性质性能 掌握：薄膜材料的基本概念、一般规律 和 工艺方法 ！,教材：,唐伟忠：薄膜材料制备原理、技术及应用（第2版）， 冶金工业出版社，2003,郑伟涛：薄膜材料与薄膜技术（第2版）， 化学工业出版社，2008,课程简介,主要参考书： 1、田民波，薄膜技术与薄膜材料，清华大学出版社，2006 2、M.Ohring，薄膜材料科学（第2

2、版影印本），世界图书出版公司，2006 3、杨帮朝，薄膜物理与技术，电子科技大学出版社，2006 4、戴达煌，现代表面技术科学，冶金工业出版社，2004,教学要求和考核方式： 1、不缺课，杜绝迟到，认真听讲，独立思考； 2、要复习并独立完成作业，作业要评分； 3、开卷考试，考核成绩 作业（10%）+ 课堂（10%）+ 考试（80%）。,主要教学内容,第 1 章 真空技术基础（2 学时） 真空的基本知识、获得方法和测量技术,第 2 章 薄膜制备的化学方法（6 学时） CVD 技术的原理、分类、设备工艺及应用场合 其它基于化学方法的薄膜制备技术的原理、特点和应用领域,第 3 章 薄膜制备的物理方法

3、（6 学时） 蒸发、溅射、离子镀等 PVD 技术的原理、工艺及适用领域,第 4 章 薄膜的形成与生长（6 学时） 薄膜形核、生长、形成理论；典型生长机制及对应结构特征,第5章 薄膜表征（4 学时） 薄膜材料现代表征方法的分类、原理和适用范围,本课程讨论的对象：,什么是薄膜（Thin film）？,本课程的讨论对象是什么 ？, 相对尺度：某一维尺寸 其余二维尺寸；, 绝对尺度：在此维度上材料厚度 15 m，,厚度 5 m 的沉积层叫什么 ？, 一般称为涂层 (Coatings), 具有结构/功能特性的固态薄膜（thin solid films）！,本课程的研究内容,薄膜材料与技术,1 真空技术基

4、础,真空与薄膜材料与技术有何关系？ 几乎所有的现代薄膜材料制备都需要在真空或较低的气压条件下进行 都涉及真空下气相的产生、输运和反应过程 了解真空的基本概念和知识，掌握真空的获得和测量技术基础知识 是了解薄膜材料制备技术的基础！ 1.1 真空的基本知识,中学物理内容：1643年 托里切利 (Torricelli) 著名的大气压实验 为人类首次揭示了 真空 这个物理状态的存在！ 管内水银柱上方空间内，因已排除空气的存在而形成真空 (托里切利真空) 图中A、B、C三点压力相等，A、C点：大气压；B点：水银柱产生的压力 换句话说：可用水银柱产生的压力 作为 大气压力 的量度! 把高度为760 mm的

5、水银柱所产生的压力定义为1个大气压 (1 atm) 1 atm = 760 mmHg ！ 结果：得到了“真空”的定义和大气压的定义与量度依据！,1 真空技术基础,1.1 真空的基本知识 概念：利用外力将一定密闭空间内的气体分子移走， 使该空间内的气压小于 1 个大气压， 则该空间内的气体的物理状态就被称为真空。 注意：真空，实际上指的是 一种低压的、稀薄的气体状态， 而不是指“没有任何物质存在”！ 因此，真空可分为 现代真空技术的极限：每 cm3空间内仅有数百个气体分子 对应气压 10-11 Pa 思考题：常温常压下，每cm3空间内有多少个气体分子？ 提示：可由Avogadro常数推算 (6.

6、021023个/22.4103cm3 2.71019 个/cm3),1 真空技术基础,1.1 真空的基本知识 1.1.1 真空度的单位 真空的实质：一种低压气体物理状态 真空度采用气体压强表征 真空度的单位 = 气体压强的单位 注意：真空度和气压的意义相反 真空度 意味着 气压 主要单位制 换算基础：1 N105 dyne0.225 lbf 1 atm760 mmHg（torr）1.013105 Pa1.013 bar,1 真空技术基础,1.1 真空的基本知识 1.1.1 真空度的单位 不同真空度单位制间的换算关系： 说明：1、mmHg是人类使用最早、最广泛的压强单位； 1958年为纪念托里切

7、利，用托（torr）代替了mmHg：1 torr1 mmHg 2、早期的真空度计量常以 torr 或 mbar 为单位； 目前随着标准化进程的推进，SI（MKS）制单位应用日渐广泛 真空度用 Pa 作单位,1 真空技术基础,1.1 真空的基本知识 1.1.2 真空区域的划分 真空区域：指不同的真空度范围； 划分目的：为了研究真空和实际应用的便利； 划分依据：按照各个压强范围内气体运动特征的不同进行划分； 划分准则：理论上，可依据Knudsen数的不同进行划分。,相关物理： 1）Knudsen数 定义： 物理意义：是描述稀薄气体流动状态的准数！ 分子平均自由程大于流场特征尺寸时的气流称为Knud

8、sen流，其 Kn 一般 10！ 2）真空系统中气体运动特征的理论划分： 粘滞流（层流、Poiseuille流） 粘滞-分子流 分子流（自由分子流、Knudsen流） Kn 1, 气体分子的平均自由程 流场特征尺寸（如：管径）,1 真空技术基础,1.1 真空的基本知识 1.1.2 真空区域的划分,3）理想气体状态方程： ， 式中：n 分子密度 (个/m3)； k 玻尔兹曼常数，1.3810-23 J/K； P 气体压强 (Pa)； T 气体温度 (K)； V 气体体积 (m3)； m 气体质量 (kg)； M 气体分子量 (kg/mol)； R 普适气体常数，R = NAk = 8.314 J

9、/molK； NA Avogadro常数，6.021023 个/mol； 4）气体分子的自由程（）：每个气体分子在与其它气体分子连续2次碰撞之间运动经历的路程。 平均自由程（ ）：气体分子自由程的统计平均值。 式中： 分子直径（m）；, Avogadro定律： 一定温度、压力下，各种气体单位体积内含有的分子数相同。,表明： 1） 与P成反比，而与 T 成正比； 2）在气体种类和温度一定的情况下：,1 真空技术基础,1.1 真空的基本知识 1.1.2 真空区域的划分,5）真空区域的工程划分：空气在室温下满足 记忆方法：“52-168(159)”,1 真空技术基础,1.1 真空的基本知识 1.1.

10、3 气体的吸附及脱附 真空下，气体在固体表面的吸附和脱附现象总是存在的！ 一、基本概念 气体吸附：固体表面捕获气体分子的现象 气体脱附：逆过程 气体从固体表面释出 二、为什么需要关注（意义？） 1）气体在固体表面的吸附/脱附常常影响真空的实现和保持； 2）吸附原理还被用来制作各种吸附泵来获得高真空。 三、吸附的主要机制： 物理吸附：分子间作用力引起、无选择性、低温有效、易脱附 化学吸附：仅当气固接触生成化合物时发生、高温有效、不易脱附 四、可能的影响因素：P气、T固、气、表面光洁度、清洁度等，如：T固 易脱附！,1 真空技术基础,1.1 真空的基本知识 小结（课后作业）： 1、真空如何定义（概

11、念）？如何表征？有哪些单位制？如何换算？ 2、为什么要划分真空区域？其依据是什么？关键参数如何定义？ 3、工程上如何划分真空区域？各个真空区域的气体分子的物理运动特征如何？ 4、什么是吸附和脱附？为什么要关注？其主要机制和影响因素有哪些？ 1.2 真空的获得 真空的获得：就是所谓的“抽真空”！ 利用各种真空泵把容器内的空气抽出，使其内部压强保持在 1 atm的特定压强范围！ 获得真空的主要工具 各种真空泵（Pump）！ 真空泵的分类,1 真空技术基础,1.2 真空的获得 真空泵的分类及常用工作压强范围 说明：从大气压力开始抽气，没有一种真空泵可以涵盖从1 atm到10-8 Pa的工作范围 真空

12、泵往往需要多种泵组合构成复合抽气系统 实现以更高的抽气效率达到所需的高真空！,1 真空技术基础,1.2 真空的获得 1.2.1 旋片式机械泵（Rotary Pump）,（a）外观,（b）内部结构,（c）工作原理,1、扩张（吸气）,2、容积最大,3、压缩,4、排气,机 械 泵：利用机械运动部件转动或滑动形成的输运作用获得真空的泵。 分 类：旋片式（最常见）、定片式、滑阀式 运转模式：吸气 压缩 排气 （不断循环） 基本特点：需加真空油（密封用）；可从大气压开始工作； 真空度要求低 可单独使用；真空度要求高 作为 前级泵 使用 工作区间：单级：1051 Pa；双级：10510-2 Pa 优、缺点：

13、结构简单、工作可靠；有油污染的问题。,双级机械泵示意图,1 真空技术基础,1.2 真空的获得 1.2.2 油扩散泵（Diffusion Pump）,（a）外观,（b）内部结构,（c）工作原理 真空油历经循环： 蒸发 喷射 碰撞 冷凝 回流,工作原理： 1）将真空油加热到高温蒸发状态（约200）； 2）让油蒸汽分多级向下定向高速喷出； 3）大量油滴通过撞击将动能传递给气体分子； 4）气体分子向排气口方向运动，并在动压作用下排出泵体； 5）油气雾滴飞向低温介质冷却的泵体外壁，被冷却凝结成液态后返回泵底部的蒸发器。,1 真空技术基础,1.2 真空的获得 1.2.2 油扩散泵（Diffusion Pu

14、mp）,（d）典型高真空系统组合 前级：罗茨泵 + 机械泵 后级：油扩散泵,高真空阀和冷阱,阻止油气回流的Baffle,工作区间：110-6 Pa（因此需要前级机械泵提供1 Pa的出口压力） 优 点：1）造价较低的高真空泵方案；2）没有机械运动部件。 缺 点：油蒸汽回流有可能污染真空系统（不宜在分析仪器和超高真空场合使用）。,1 真空技术基础,1.2 真空的获得 1.2.3 涡轮分子泵（Turbomolecular Pump）,（a）外观,（b）内部结构,（c）工作原理,工作原理： 1）泵内交错布置转向不同的多级转子和定子； 2）转子叶片以20k60k r/min的高速旋转； 3）叶片通过碰撞将动能不断传递给气体分子； 4）气体分子被赋予动能后被逐级压缩排出。,工作区间：110-8 Pa 也需前级泵提供1 Pa的出口压力，但可提供更高真空度 优 点：无油、抽速较高。 缺 点：1）抽取低原子序数气体能力较差； 2）造价高；3）不易维护。,1 真空技术基础,1.2 真空的获得 1.2.4 低温吸附泵（Cyropump）,（a）外观,（b）内部结构,多级深冷头示意图,工作原理：利用20K以下的超低温表面来凝聚气体分子以实现抽气。 1