【精品课件】薄膜制备的真空技术基础

1.1.3 气体分子的通量 单位面积上气体分子的通量：气体分子对于单位 面积表面的碰撞频率。
φnv 4
Np A
2πMRT
克努森方程
气体分子对衬底碰撞 薄膜沉积 薄膜沉积速度正比于气体分子的通量
计算：在高真空的条件下，清洁表面被环境中 的杂质气体分子污染所需时间。
(假设: 每一个向清洁表面运动过来的气体分子都是杂 质，且每一个杂质分子都会被该表面所俘获。)
1 mbar ＝100 Pa
气体分子的平均自由程： 气体分子在两次碰撞的间隔时间里走过的平均距离。ຫໍສະໝຸດ λ1 nπd2
d — 气体分子的有效截面直径
计算：常温常压下λ空气。
d空气≈0.5nm，
n
pN A
RT
λ空气≈50nm
平均碰撞频率＝ v /λ ≈1010
降低气体压力，减小碰撞几率， 获得较大的平均自由程。
真空蒸发沉积： 高真空和超高真空（<10-3 Pa）;
溅射沉积：
中、高真空（10-2 ~ 10Pa）;
低压化学气相沉积：中、低真空（10~ 100Pa）;
电子显微分析： 高真空;
材料表面分析： 超高真空。
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1.2 气体的流动状态和真空抽速
1.2.1 气体的流动状态 气体分子的无规则运动本身并不导致气体的
设孔的截面积为A，则其流导应正比于通孔两
侧气体分子向通孔方向流动的流量之差。通孔
的流导
CφAA n
RT 2πM
粘滞流气体：气体流导的数值还随气体的压力 呈现复杂的变化。 一般规律是，当压力升高时，气体通过单位面 积的流量有增加的趋势，因而管路流导的数值 随压力的升高而增加。
不同流导C1、C2、C3相互串联或并联，形成
SC p
p S C
p
当Sp=C时， S=Sp/2。
图1.4 没有回流(a)和有回流(b) 情况下真空系统的模型
真空系统设计的一个基本原则：确保C大于Sp。
真空泵可以提供的极限真空度
（存在气体回流的情况）
流设量：相回等流Q 量QSp，ppQp p Sp(1Qp )
p
p
p
Q
Sp p
令Q=0，极限真空度
1.2.2 气体管路的流导
流导：真空管路中气体的通过能力。 C Q p1 p2
p1、p2 — 管路两端的气压 Q — 单位时间内通过管路的气体流量
(单位时间内流过的气体体积与压力的乘积)
分子流气体：流导C与压力无关，受管路形状 影响，且与气体种类、温度有关。
例：一个处于两个直径很大的管路间的通孔，
★某些捕获式真空泵在工作完毕以后还可能将己 捕获的气体分子释放回真空系统。
1.3.1 旋片式机械真空泵★
工作原理： 依靠安置在偏心转子中的可
p 0
p
S
实际抽速
SQS
(1
p 0
p
)
pp
p
Qd(pV)Vdp
dt
dt
t=0时的 真空度
压力随时间的变化规律
p(t)p(pp)eS V pt
0
i
0
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1.3 真空泵简介
按获得真空的方法，真空泵分为两大类： 输运式真空泵：采用对气体进行压缩的方式将气
体分子输送至真空系统之外。（机械式气体输运 泵，如旋片式机械真空泵、罗茨泵、涡轮分子泵； 气流式气体输运泵，如油扩散泵 ） 捕获式真空泵：依靠在真空系统内凝集或吸附气 体分子的方式将气体分子捕获，排除于真空系统 之外。（低温吸附泵、溅射离子泵）
1 薄膜制备的真空技术基础
1.1 气体分子运动论的基本概念 1.2 气体的流动状态和真空抽速 1.3 真空泵简介 1.4 真空的测量
1.1 气体分子运动论的基本概念
固体
液体
气体
1.1.1 气体分子的运动速度及其分布 气体分子运动论： 气体分子一直处无规热运动； 平均运动速度取决于温度； 分子之间和分子与器壁之间相互碰撞。 结果：气体分子的速度服从一定统计分布, 气体本身对外显示一定的压力。
克努森（Knudsen）准数
Kn
D λ
D — 气体容器的尺寸
分子流状态 Kn＜1 过渡状态 Kn＝1~100 粘滞流状态 Kn ＞ 100
层流状态：低流速黏滞流所处的气流状态，即气 体宏观运动方向与一组相互平行的流线相一致。 紊流状态：高流速黏滞流所处的气流状态，气体 不再能够维持相互平行的层状流动模式，而呈现 出一种旋涡式的流动模式。
衬底完全被一层杂质气体分子覆盖所需要的时间：
τφ N N
2πMRT
Np
N — 清洁表面的原子面密度
A
常温、常压， τ≈3.5×10-9 s
p=10-8 Pa， τ≈10h
真空环境划分：
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
总流导C：
串联流导
1 1 1 1 CC C C
1
2
3
并联流导
C C C C
1
2
3
1.2.3 真空泵的抽速
Q S
pp
p — 真空泵入口处气体压力 Q — 单位时间内通过真空泵入口处气体流量
思考：真空泵的抽速和管路的流导有何区别？
图1.4a： 流量相等
Q=C (p-pp)= Sp pp
实际抽速
SQ
理想气体模型：
气体分子之间除相互碰撞的瞬间之外，完全不 存在相互作用，即它们可被看作是相互独立的硬 球，且硬球的半径远小于球与球之间的距离。
在一般的温度和压力条件下，所有气体可看 作理想气体。
Maxwell-Boltzmann分布：
f(v)
4(
3
M)ve 2
2
M2v 2R T
2RT
温度越高，相对原子质量越小， 分子的平均运动速度越大。
宏观流动。只有在空间存在宏观压力差的情况下， 气体作为一个整体才会产生宏观的定向流动。
气体的流动状态根据气体容器的几何形状、 气体的压力、温度以及气体的种类不同而存在很 大差别。
分子流状态：在高真空环境下，气体的分子除了 与容器壁碰撞以外，几乎不发生气体分子间的相 互碰撞。 特点：气体分子平均自由程大于气体容器的尺寸 或与其相当。（高真空薄膜蒸发沉积系统、各种 材料表面分析仪器） 粘滞流状态：当气压较高时，气体分子的平均自 由程很短，气体分子间的相互碰撞较为频繁。 （化学气相沉积系统）
f(v)
v
v p v2
v 2RT
p
M
v
8RT πM
v v2 3RT
M
1.1.2 气体的压力和气体分子的平均自由程 理想气体的压力：
nπMv2 nRT
p
8N N
A
A
气压单位：
1 Pa＝1 N/m2
1 atm ＝760 mmHg＝ 101 325 Pa
1 Torr＝1 mmHg＝133.3 Pa