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1、1,第一章 薄膜制备的真空技术基础,2,要 点,气体分子运动论的基本概念 真空获得的手段 真空度的测量,3,几乎所有的现代薄膜材料都是在真空或是在较低的气体压力下制备的，都涉及到气相的产生、输运以及气相反应的过程。,薄膜材料与真空技术,5,在薄膜技术领域，人为地将真空环境粗略地划分为: 低真空 102 Pa 中真空 102 10-1 Pa 高真空 10-1 10-5 Pa 超高真空 10-5 Pa,真空度的划分,6,1.1 气体分子运动论的基本概念,一、 气体的压力: 理想气体的状态方程 二、 气体分子的速度分布: Maxwell-Boltzmann分布,7,在T=300K 时，空气分子的平均
2、运动速度: va 460m/s,8,三、 气体分子的自由程、碰撞频率:,空气分子的有效截面半径d 0.5nm。在常温常压下，气体分子的平均自由程 50nm，每个空气分子每秒钟内要经历1010次碰撞。 在气体压力低于10-4Pa的情况下，其平均自由程 50m，每个空气分子每秒钟内只经历10次碰撞；气体分子间的碰撞几率已很小，气体分子的碰撞将主要是其与容器器壁之间的碰撞。,9,气体分子对单位面积表面的碰撞频率，称单位面积上气体分子的通量,四、气体分子的通量（克努森Knudsen方程）,证明： 计算单位时间内碰撞于器壁或基板上小面积dA的分子数,10,由于分子运动的无规性，运动的各个方向机会均等，因
3、此，任何时刻分子运动方向在立体角中的几率为：,设dA与d的法线夹角为，单位时间内，速率在vv+dv间从立体角d方向飞来碰撞于dA上的分子数目就是以dAcos为底，v为高的圆筒中的分子数：,11,单位时间内从立体角d方向飞来的各种速度的分子数，只需对上式积分即可求得,即碰撞于器壁dA上的分子数与分子飞来方向与dA法线夹角的余弦成正比。,任何角度，单位时间内碰撞dA的总分子数只需对d积分,12,所以任何角度，单位时间内碰撞dA的总分子数为：,单位时间内碰撞于单位面积上的气体分子数为：,13,代入平均速度的表达式可得,气体压力高时，分子频繁碰撞物体表面； 气体压力低时，分子对物体表面的碰撞可以忽略,
4、14,假设每个向表面运动来的气体分子都是杂质，而每个杂质气体分子都会被表面所俘获，则可估计出不同的真空环境中，清洁表面被杂质气体分子污染所需要的时间为：,* 清洁表面被污染所需时间,N 为表面的原子面密度,15,在常温常压下： 3.510-9秒； 10-8Pa时： 10 小时,这一方面说明了真空环境的重要性。同时,气体分子通量还决定了薄膜的沉积速率。,16,1.2 气体的流动状态和真空抽速,一、气体的流动状态,1、分子流状态,气体分子除了与容器壁发生碰撞外，几乎不发生分子间的碰撞。分子的平均自由程大于气体容器的尺寸或与其相当（即气体主要是在分子和气壁之间碰撞过的程中流动）。,17,气体分子间的
5、碰撞较为频繁。分子的平均自由程较短（即气体主要是在分子间的碰撞过程中流动）。,2、粘滞流状态,判断气体的流动状态可用克努森准数:,Kn110 粘滞流状态 110Kn1 过渡状态,D为容器的尺寸； 为气体分子的平均自由程,18,粘滞态气流的两种不同的流动状态,19,层流状态，相当于气体分子的宏观运动方向与一组相互平行的流线相一致。相邻的各流层之间一直维持着相互平行的流动方向。 在靠近容器壁的地方，气体分子受到器壁的粘滞力作用，其流动速度趋近于零；随着离开器壁距离的增加，气体的流动速度逐渐增加，在容器的中心处，气体流动速度最高。,在流速较高的情况下，气体的流动不能再维持相互平行的层流状态模式，而会
6、转变为一种漩涡式的流动模式，这时气流中不断出现一些低气压的漩涡。称为紊流状态,20,除流速外也可用雷诺（Reynolds）准数Re判断气体的流动状态:,D-为容器特征尺寸；v-为流速；-为密度；-为粘度系数。,Re2200 紊流状态 Re1200 层流状态,21,气体流动状态与气体压力、真空容器尺寸的关系,22,注意：在一个真空系统中的不同部分，克努森准数和雷诺系数值以及气体的流动状态可能是截然不同的。,二、真空系统的导流能力 流导,1、流量Q 单位时间内气体流动的量叫流量。 在真空技术中，与水的情况不同，流量要用（压强 体（容）积/时间）表示。 单位：PaL/s,23,与电学中的欧姆定律很相
7、似。 单位：L/s,2、流导： 真空系统中，气体的通过能力称之为流导C, 表示气体流动的难易程度。定义为：,流导的大小随气体的流动状态和管道的形状的不同而不同。在粘滞状态下，气体分子间的碰撞是主要的，气体的压强的作用较为有效，气体容易通过，故流导大； 与此相反在分子流状态下，气体分子间的碰撞可以忽略，气体压强作用较小，所以流导小。,24,所以对分子流状态流动的气体来讲，可认为流导与气体压强无关。,3、小孔流导 设小孔面积为A，单位时间飞入小孔单位面积的气体分子数为：,这些分子间无碰撞，所以全部穿过小孔到达另一侧（为简单计设小孔另一侧为绝对真空），若把分子数换算成容积表示，侧小孔的流导为：,25
8、,流导C 的大小取决于 真空系统(管路)的几何尺寸 气体的种类与温度 气体的流动状态(分子流或粘滞流),不同形状管路的流导已被编制成图表，供真空设计者查阅,26,对不同流导C1、C2、C3组成的系统， 其合流导C为： 串联流导： 并联流导： （就象描述气体流动的欧姆定律）,27,三、真空的抽速SP,1、定义,p为真空泵入口处的压力，Q为泵入口处的气体流量,抽速：抽气速率，指在规定的压力下单位时间内所 抽出气体的体积（理论抽速）,28,真空泵的抽速Sp与管路的流导C有着相同的物理量纲，且二者对维持系统的真空度起着同样重要的作用,考虑如图的系统，使用一台抽速为Sp的泵通过流导C抽除真空容器中的气体
9、，由于各处流量相等，有：,所以真空泵出口处实际抽速S降低为：,29,即真空泵的实际抽速S永远小于泵的理论抽速Sp，且永远小于管路流导C。即S受Sp和C二者中较小的一个所限制。,所以设计真空系统的一个基本原则就是要保证管路的流导C大于真空泵的理论抽速Sp,30,2、真空泵可以达到的极限真空度,实际的真空系统总存在气体回流、气体泄露、气体释放等现象。设其等效的气体回流流量Qp 0 ，并忽略管路流阻(流导C为无穷大，p=pp)，则由流量相等有：,令Q=0可得极限真空度p0为:,31,可见它将随着Q的减少以及pp0的过程而趋于零,所以，真空泵的实际有效抽速为,若同时考虑真空泵回流、真空容器的泄露、真空
10、管路 的流导以及真空容器的容积等因素之后，整个真空系统的 极限真空度总要低于真空泵的极限真空度。,常引入系数表示则：实际有效抽速为,32,另外若设在时间间隔t内，真空容器压强从p p -p，那么从容器中排除的气体流量为p V，这应等于真空泵抽掉的气体流量，即,则气压随时间的变化曲线为,pi为t=0时系统的真空度,33,一、真空泵的分类,输运式（排出式）：采用对气体进行压缩的方式将气体分子输送至真空系统外 捕获式（内消式）：依靠真空系统内凝结或吸附气体分子的方式将气体分子捕获，排除于真空之外。,1.3 真空泵简介,真空泵 的分类,二 、输运式真空泵,机械式 气流式,34,1、机械式气体输运泵（机
11、械泵）,旋片式机械泵、罗茨泵以及涡轮分子泵是典型例子,（1）、旋片式机械真空泵,35,旋片式机械泵转子的四个典型位置,抽气原理,是应用最广泛的一种真空泵，可以从大气开始工作,36,整个泵浸泡在油中，每一周期有少量油进入容器内部，形成油膜保持润滑和密封。为防止气体回流，运动部件间有很小的配合间隙。,37,其抽速可如下估算：,设在泵的每次旋转中，转子与定子之间体积为V的气体被全部排出至泵腔之外。此时泵的理论抽速等于,注意：此式仅适用于压力较高时，当泵的压力逐渐降低时，泵的抽速将逐渐降低并趋于零。,f 为转速,式中随 f 增加而减小,38,一般旋片式机械泵的抽速范围大致在1300L/s之间，极限真空
12、度可达10-1pa,限制旋片式机械泵真空度的因素主要有：,1）、泵结构上存在着有害空间Vc,39,特点：结构简单、工作可靠、噪声小、运行速度高,缺点：由于它以油作为密封物质，所以会造成油蒸汽的回流和对真空系统的油污染,其他常见的机械泵,2）、吸气和排气空间之间存在气压差，高压气体从间 隙窜回吸气空间 3）、在吸气和排气空间的泵油气也在上述两空间之间 循环流动,40,41,（2）、罗茨真空泵(机械增压泵),42,特点：转子的咬合精度很高，转子可高速旋转，不用 油作为密封介质，抽速很大，极限真空度可达 10-2pa左右。,但当气体的压力低于10-1pa以后，气体的回流将造成罗茨泵抽速的降低。而在压
13、力较高时，大量气体的高速压缩又会引起泵体和转子发热膨胀，造成配合精度很高的泵体损坏。因此罗茨泵的工作压力范围是0.11000pa之间。所以罗茨泵常用机械泵作为前极。,43,油扩散泵的外形图,2、气流式气体输运泵,（1）油扩散泵,44,借助于喷嘴中高速喷出的油气喷流的动量而输运气体的真空泵,利用油加热后形成大量的油蒸汽，油蒸汽沿着蒸汽导管传输到上部，经伞形喷嘴向外喷射出。,三级喷嘴油扩散泵简化工作原理,45,三级喷嘴油扩散泵简化工作原理,由于喷嘴外的压强较低，于是蒸汽会向下喷射出较长的距离，形成一高速定向的蒸气流。 其射流的速度可达200m/s甚至2倍音速以上，其分压强低于扩散泵进气口上方被抽气
14、体的分压强，两者形成压强差。,46,真空室内的气体分子必然会向着压强较低的扩散泵口扩散，与具有较高动量和能量的超音速蒸气分子相碰而发生动量和能量交换，气体分子在高速油分子碰撞推动下，被赶向下方，在泵的下方形成密集气体分子流，在出口处被前极的机械泵抽走从排气口排入大气。,47,从喷嘴喷出的油蒸气碰到水冷的泵体内壁而凝结，凝结的油沿壁面返回泵底。这种泵只排除飞人蒸汽喷流内的气体分子。,由于出口处气体压强大于进口处压强，气体分子有从出口处向进口处进行反扩散的趋势；但因蒸汽流本身形成了阻挡层，减少了气体的扩散效果。,48,当进出口之间的反压与油蒸气流的作用相平衡时，泵便失去了进一步抽气的作用，此时就达
15、到了该泵的极限真空。,特点：扩散泵必须和机械泵联合才能构成高真空抽气系 统，单独使用扩散泵是没有抽气作用的。此外现多使用多级喷口的多级泵，这样尽管整个泵的进口和出口之间的压差较大，但对每一级而言，蒸气阻挡层两端的压差又不太大，形成了接力作用，可减少反扩散，提高极限真空度。这种多级泵极限真空可达10-510-6pa。,缺点：泵内的油蒸气回流会造成真空系统的油污染。,49,涡轮分子泵的外形图,（2）分子涡轮泵,50,涡轮分子泵的结构示意图,分子涡轮泵可以认为是极为精密的电风扇，是靠高速旋转的叶片（叶片具有特定的形状）对气体分子施加作用力，并使气体分子向特定方向运动而实现高真空。,51,对一般气体分
16、子的抽除极为有效，例如，对氮气压缩比可达109；但对低原子序数的气体抽除能力较差，压缩比仅为103,压缩比泵出口的压力与人口压力之比。,分子涡轮泵对气体的压缩比很高，所以油蒸气的回流可以完全忽略，其极限真空度可达10-8pa，抽速可达1000L/s。压力使用范围110-8pa.,特点：涡轮分子泵运转速度极高，因此需要在优于1Pa 的较高真空度下运转 缺点：价格较高。,52,三、捕获式真空泵,1、低温吸附泵,依靠气体分子会在低温条件下自发凝结或被其他物质表面吸附的物理现象实现对气体分子的去除，而获得真空的装置,低温吸附 (液氦冷凝) 泵的外形图,53,吸附泵的真空度依赖于所采用的低温系统的温度、吸附物质的表面积、被吸附气体的种类等多个因素。其极限真空度为10-110-8pa之间。可如下估算,54,在泵内冷凝表面上接受气体分子的速率与真空室内表面气体分子的蒸发速率相等时（平衡），吸附泵便到达了极限真空。即,ps为被抽除气体的平衡蒸气压； T低为冷
