薄膜物理与技术-1 真空技术基础

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1、第一章 真空技术基础,真空的基本知识,稀薄气体的基本性质,真空的获得,真空的测量,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！,1.1.1 真空的定义及其度量单位,1.1.1 真空的定义及其度量单位 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 atm

2、760 mmHg（torr）1.013105 Pa1.013 bar,法定计量单位,标准大气压定义?,1.1.1 真空的定义及其度量单位 目前标准大气压定义：0 oC，水银密度 ； 重力加速度 时，760 mm水银柱所产生的压强为1标准大气压，用atm表示，则： 在此基础上，可以导出压强的非法定单位与帕之间的关系.,标准大气压定义,1.1.1 真空的定义及其度量单位 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；

3、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,法定计量单位,记忆：3344,1.1.2 真空度的划分,1 真空技术基础 1.1 真空的基本知识,1.1.3 气体与蒸气,1 真空技术基础 1.1 真空的基本知识,临界温度：对于每一种气体都有一个特定的温度，高于此温度，气体无论如何压缩都不会液化，这个温度称为该气体的临界温度。 温度高于临界温度的气态物质称为气体，低于临界温度的气态物质称为蒸气。 实际应用中，通常以室温标准来区分气体和蒸气。,表1-2各种物质的临界温度。P3,气态的两种形式,常见物质的临界温度： 空气 -140 0C；氧气 -118 0C ；

4、氮气 -267.8 0C 酒精 243 0C ；水 374.2 0C； Fe 3700 0C,1.2 稀薄气体的性质 1.2.1 理想气体定律（一定质量的气体）,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/molK； NA Avogadro常数，6.021023 个/mol；, 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。,理想气体

5、状态方程：,或,（1） 波义耳定律 T恒定 （2） 盖吕萨克定律 P恒定 （3） 查理定律 V恒定,气体分子密度,1.2.2 气体分子的速度分布,在平衡状态时，分布在任一速度区间vv+dv内，分子的几率，满足麦克斯韦-波尔兹曼分布：,1.2.2 气体分子的速度分布,平衡温度越低，曲线越陡，分子按速率分布越集中；温度越高，曲线越平缓，分子按速率分布越分散。,1. 最可几速率（速率极大值?）,2. 平均速率,3. 均方根速率,讨论速度分布,计算分子运动平均距离,计算分子平均动能,1.2.2 气体分子的速度分布,物理意义是：若把整个速率范围分成许多相等的小区间，则Vm所在的区间内的分子数占分子总数的

6、百分比最大，又称为最概然速率。,利用概率求平均值，对于连续型随机变量，若分布函数为P(X),则统计平均值定义为：,例1 计算400K温度下氧气的方均根速率、平均速率和最可几速率。,1.2.2 气体分子的速度分布,空气25时,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。,-分子直径；n分子密度,薄膜技术中最常用的真空度为10-4Pa，自由程大约是66米。即使再差， 10-3Pa，自由程大约是6.6米。,气体吸附： 气体吸附就是固体表面俘获气体分子的现象。 分为物理吸附和化学吸附。 物理吸附靠分子间的相互吸引引起的，任何气体在固体表面

7、均会发生，吸附后容易脱附。 化学吸附在较高温度下发生，只有当气体与固体表面原子接触生成化合物时才能产生吸附作用，气体不易脱附。,气体脱附 是气体吸附的逆过程。,影响因素：气体的压强、固体的温度、固体表面吸附气体的密度以及固体本身的性质如光洁程度、清洁度等,1.2.4 碰撞次数与余弦散射定律(气体分子与表面的相互作用),包括：气体分子跟器壁表面的碰撞，也包括反射或被吸附。,1.2.4 碰撞次数与余弦散射定律,入射频率（入射通量或碰撞次数）：单位时间，在单位面积的器壁上发生碰撞的气体分子数,赫兹克努曾公式 描述气体热运动重要公式,入射频率,P=1.3*10-4Pa，T=270C,衬底完全被一层分子

8、覆盖所需时间：,N为表面原子密度 常温常压下，洁净表面被杂质完全覆盖所需时3.510-9 s, 而在10-8Pa的高真空中，这一时间为10h。所以在薄膜制备技术中获得和保持适当的真空度是很重要的。,1.2.4 碰撞次数与余弦散射定律,例1，求0，P = 1.3 10-4Pa氧气， 1）气体分子密度；2) 分子平均速度；3）平均自由程；4）碰撞次数；5）固体表面形成形成单分子层的时间；6）每分钟成膜厚度。 （已知0氧气分子直径3.6 10-8 cm，单分子层分子数8.7 1014 个/ cm2）,解：（1）气体分子密度 （2）分子平均速度 （3）平均自由程,4）碰撞次数,5）固体表面形成形成单分

9、子层的时间,6）每分钟成膜厚度,若P = 1.3 10-8Pa，t= 2.3 104s,课本P6,反射情况,碰撞于固体表面的分子，它们飞离表面的方向与原入射方向无关，并按与表面法线方向成角的余弦进行分布。 一个分子在离开其表面时，处于立体角d中的几率为,理论与实验研究证明了如下的余弦定律。,1.2.4 碰撞次数与余弦散射定律,余弦定律（又称克努曾定律），重要意义在于：,它揭示了固体表面对气体分子作用的另一个方面，即分子原有的方向性彻底“消除”，均按余弦定律散射。 分子在固体表面上要停留一定的时间，这是气体分子能够与固体进行能量交换和动量交换的先决条件，这一点有重要意义。,1.2.4 碰撞次数与

10、余弦散射定律,想要得到高纯度的薄膜，就必须尽量在较高真空度的环境下，或是在不会与薄膜材料产生反应的氩气等的惰性气体中进行。 （1）避免被蒸发分子或原子与气体分子发生碰撞； （2）避免被蒸发分子或原子与气体分子发生反应。 特例：也有故意让原料气体和其它气体发生反应而产生新的性质优良的材料的情形，这种称为反应性溅镀或是反应性蒸镀。,1.2.5 真空在薄膜制备中的作用,1.2.5 真空在薄膜制备中的作用,蒸发分子在行进中，一部分会被残余气体分子碰撞而散乱。 设N0个蒸发分子行进距离d后未受到残留气体分子碰撞的数目为：,被碰撞的分子N1与总分子数N0的比例关系：,当平均自由程等于蒸发源到基片的距离时，

11、有63%的分子会受到散射； 平均自由程增大10倍，则碰撞的分子数减少到9%。 当平均自由程比蒸发源到基片的距离大的多的情况下，才能有效地减少碰撞。,e=2.718,真空度对薄膜质量的影响,考虑自由程：,薄膜技术中最常用的真空度为10-4Pa，自由程大约是66米。即使再差， 10-3Pa，自由程大约是6.6米。 所以不需要考虑飞行中的薄膜材料(蒸发分子)和残存气体冲撞所产生的影响。,P=10-4Pa时，,P=10-3Pa时，,1.2.5 真空在薄膜制备中的作用,1.2.5 真空在薄膜制备中的作用,残余气体分子到达基片的速率：,蒸发分子到达基片的速率：,1 真空技术基础 1.3 真空的获得,1.3

12、.1 气体的流动状态,高真空时，气体分子除与容器壁碰撞外，几乎不发生气体分子间的相互碰撞。这种气体流动状态称为分子流动状态。分子流动状态的特点是气体分子的平均自由程超过了气体容器的尺寸或与其相当。,气压较高时，气体分子的平均自由程很短，气体分子相互碰撞极为频繁。这种气体流动状态称为气体的粘滞流动状态。粘滞流动状态物理机理复杂。,低速流时，粘滞流动处于层流状态。 气体流速较高，各种气体流动方向间不再能保持相互平行的状态，而呈现出一种旋涡式的流动形式。流动气体中出现一些低气压的漩涡，流动路径上的任何微小阻碍都会对流动产生很大影响，这种流动状态称滞留状态。,气体流动可按克努森准数来划分： Kn =

13、D/ D为容器尺寸； 为平均自由程 分子流状态：Kn 1 中 间 状 态：Kn=1110 粘滞流状态：Kn 110,气体流动状态与真空系统尺寸和气体压力之间的关系,1 真空技术基础 1.3 真空的获得,1.3.1 气体的流动状态,目前常用获得真空的设备有： 旋转式机械真空泵 油扩散泵 复合分子泵 分子筛吸附泵 钛升华泵 溅射离子泵 低温泵,属于气体传输泵，即通过气体吸入并排出真空泵从而达到排气的目的,属于气体捕获泵，即通过各种吸气材料特有的吸气作用将被抽气体吸除，以达到所需真空。 不需要油作为介质，又称为无油泵,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

14、保持在 1 atm的特定压强范围！,各种真空泵（Pump）,极限真空（极限压强Pu）和抽气速率,是表示真空泵性能的两个重要参数。极限压强是该系统所能达到的最低压强；抽气速率是在规定压强下单位时间抽出气体的体积，它决定抽真空所需要的时间。,1 真空技术基础 1.3.2 真空的获得,1.3.2 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！,1.3 真空的获得抽真空,泵组合,例如： 油封机械泵油扩散泵10-610-8Pa 吸附泵溅射离

15、子泵钛升华泵10-610-9Pa 机械泵复合分子泵获得超高真空,前级泵,次级泵,并联可以提高抽速 串联可以提高极限真空度,从图表中可以看出，没有一种泵能直接从大气一直工作到超高真空。因此常常将几种泵组合使用，实现预定真空。,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：结构简单、工作可靠；有油污染的问题（油饱和蒸气压要低）。,双级机械泵示意图,浸入泵油,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：