Chapter1真空基本知识

极限真空Pu（Pa）：真空系统所能达到的最高真空，决定镀 膜的质量； 抽气速率S（L/S）：规定压强下单位时间所抽出的气体的体 积，决定抽真空需要的时间。 真空系统所能达到的真空度由方程决定：
Q V dPi P Pu S S dt
式中，Pi为被抽空间气体的分压强，Q为真空室的各种放 气源的气体流量，V为真空室的体积，t为时间。
39
吸气 吸气
吸气截止
压缩
排气
40
41
42
对机械泵油的基本要求：������ 1.饱和蒸汽压低。不容易挥发。������ 2.有一定的润滑性和粘度。润滑和油封性能好。 3.稳定性高。耐高温，不易氧化变质。 4. 定期检查油面，补充泵油。
43
空气中水蒸汽的处理
气镇阀
44
1.3.2 油扩散泵
麦克斯韦速度分布曲线
16
用麦克斯韦速度分布函数求平均值 平均速度

va
0
v vf (v)dv
0
m 4 2kT
8kT m
3/ 2
2 mv 3 v exp 2kT dv
va v
17
方均根速度
vr
v
2
式中1/π是由于归一化条件，即位于2π立体角中的几率为1而出现 的。
27
余弦散射律的意义：
固体表面会将分子原有的方向性彻底消除，均满足余弦 定律；散射的本质是一个再发射过程，分子在固体表面要停 留一定时间，使之与固体进行能量交换。
28
作业：


试举出工业上利用真空技术的5个例子。 试从荧光灯的发光原理出发，解释荧光 灯管为什么要抽真空？ 估算标准状态下空气分子的平均自由程。 （空气分子的平均直径等相关参数请 查阅有关文献。）

它们均要求淀积薄膜的空间具有一定的真空度。 因此，真空技术是薄膜制作技术的基础，获得并保持 所需的真空环境，是镀膜的必要条件。故，掌握真空 的基本知识是必要的。
一、真空及其单位
所谓真空是指低于一个大气压 的气体空间。与正常的大气相比， 是比较稀薄的气体状态。
所谓真空是相对的，绝对的真 空是不存在的。通常所说的真空是 一种“相对真空”。
•利用临界温度来区分气体与蒸汽：温度高于临界 温度的气态物质称气体，低于临界温度的气态物 质称为蒸汽。
但在工程实际中:
通常以室温为标准来区分气体和蒸汽：
1）临界温度远低于室温的是“永久气体”，(如 氮、氢、氩、氧和空气等物质)，所以在室温 下它们是“气体”，不能液化。
2）临界温度高于室温的是蒸汽，(如二氧化碳的 临界温度与室温接近，极易液化；水蒸汽、有 机物质和气态金属它们的临界温度高于室温很 多)在室温下它们极易液化。
赫兹—克努曾（Hertz-Knudsen）公式:
υ：单位时14间n内，a在单，位面积的2器pm壁k上T发生碰
撞的气体分子数，称为入射频率。 n:器壁前的气体分子密分子在连续两次碰撞之间的路程称为 “自由程”。其统计平均值称为“平均自由程”。
1 22n
可见，平均自由程与分子密度n和分子直径 的平方是反比关系。
平均自由程（续）
又气体状态方程：P=nkT ，代入气体分子密度n， 则
kT 22P
可见，气体分子的平均自由程与压强成反 比，与温度成正比。
dN/N=f()d
f()4(m)32ex m p2( /2 k)T 2 函数f()表明2了k分布T在速度υ附近单位速度间
隔内的分子数占总分子数的比率，也叫麦克斯韦 速率分布定律。
麦克斯韦速率分布曲线

Pnk T va
8k T
m
8RT
M
P PNA
2mkT 2MRT
1 真空的定义及其度量单位
计算分子运动平均距离 对应气压 10-12 Pa
1 torr (1 mmHg)
va 8kmT 8R MT1.59R MT
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。 运转模式：吸气 压缩 排气 （不断循环）
P Avogadro定律：
kT 一定温度、压力下，各种气体单位体积内含有的分子数相同。
气体分子密度
1 真空技术基础 1.2 稀薄气体的性质
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v～v+dv内，分 子的几率，满足麦克斯韦-波尔兹曼分布：
3
d N N4 2m kT 2expm v22kTv2dv
因此，真空可分为
宇 宙 ( 自 然 ) 真 空 ： 宇 宙 空 间 内 存 在 的 真 空 人 为 真 空 ： 利 用 真 空 设 备 获 得 的 容 器 内 真 空
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 10-12 Pa
1 真空技术基础 1.1 真空的基本知识
1 bar
7.501×102
105
9.869×10-1 1.4504×101
1 atm 1 PSI
760.0 51.7149
1.013×105 6.8948×103
1.013
1.4696×101
6.8948×10-2 6.8046×10-2
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 torr＝1 mmHg

第一章 真空技术基础
1. 真空的基本知识
2. 真空的获得 3.3.真空测量 4.4.真空系统
一、真空的基本知识
1. 什么是真空？ “真空” 拉丁文Vacuo，其意义是虚无 =>气体较 稀薄的空间。
2.真空的基本特点 a 气体分子的平均自由程大
室温下, 压强为 10-4 Pa 时氮分子的平均自由程 >50km。因此体积有限的超真空系统中，气体分子之 间或气体分子与带电粒子之间的碰撞都可以近似忽略。
3. 真空的应用
（1）产生压力差以完成某些过程
（2）降低某些过程发生所需要的能量势垒，如
凝聚或蒸发过程 （3）隔热 （4）产生干净表面，表面过程，可控薄膜沉积、 wafer bonding
（5）净化腔体(气体、灰尘)
（6）真空干燥
（7）提高分子运动平均自由程
4. 真空度的单位
真空状态下气体稀薄程度称为真空度，通常用压力值表 示。1958年，第一界国际技术会议曾建议采用“ 托 ”(Torr)作为测量真空度的单位。国际单位制(SI)中规定压 力的单位为帕(Pa)。我国采用SI真空单位。
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。
e 改变反应进程
1 2 Si3N4 C SiC N2 3 3 G T 1 124117 83 G2 124117 83T RT ln p2/3
压强修正
压强降低，降低了反应温度
真空区域划分

真空区域划分为：粗 2 1 10 ~ 1 10 Pa
低真空
高真空 超高真空 极高真空
2 1 1 10 ~ 1 10 Pa
1 10 ~ 1 10 Pa