当前位置：文档之家 › 第一章 薄膜制备的真空技术基础

第一章 薄膜制备的真空技术基础

  • 格式：ppt
  • 大小：4.12 MB
  • 文档页数：81

下载文档原格式

  / 81

合集下载

薄膜材料与薄膜技术答案

薄膜材料与薄膜技术答案

薄膜材料与薄膜技术答案薄膜材料与薄膜技术(答案)第一章真空技术基础1、膜的定义及分类。

答：当固体或液体的一维线性尺度远远小于它的其他二维尺度时，我们将这样的固体或液体称为膜。

通常，膜可分为两类：（1）厚度大于1mm的膜，称为厚膜；（2）厚度小于1mm的膜，称为薄膜。

2、人类所接触的真空大体上可分为哪两种？答：（1）宇宙空间所存在的真空，称之为“自然真空”；（2）人们用真空泵抽调容器中的气体所获得的真空，称之为“人为真空”。

3、何为真空、绝对真空及相对真空？答：不论哪一种类型上的真空，只要在给定空间内，气体压强低于一个大气压的气体状态，均称之为真空。

完全没有气体的空间状态称为绝对真空。

目前，即使采用最先进的真空制备手段所能达到的最低压强下，每立方厘米体积中仍有几百个气体分子。

因此，平时我们所说的真空均指相对真空状态。

4、毫米汞柱和托？答：“毫米汞柱（mmHg）”是人类使用最早、最广泛的压强单位，它是通过直接度量长度来获得真空的大小。

1958 年，为了纪念托里拆利，用“托（Torr）”，代替了毫米汞柱。

1 托就是指在标准状态下，1 毫米汞柱对单位面积上的压力，表示为1Torr=1mmHg。

5、真空区域是如何划分的？答：为了研究真空和实际使用方便，常常根据各压强范围内不同的物理特点，把真空划分为以下几个区域：（1）粗真空：l´105 ~ l´102 Pa，（2）低真空：l´102 ~ 1´10-1Pa，（3）高真空：l´10-1 ~ 1´10-6Pa和（4）超高真空：< 1´10-6Pa。

6、真空各区域的气体分子运动规律。

答：（1）粗真空下，气态空间近似为大气状态，分子仍以热运动为主，分子之间碰撞十分频繁；（2）低真空是气体分子的流动逐渐从黏滞流状态向分子状态过渡，气体分子间和分子与器壁间的碰撞次数差不多；（3）高真空时，气体分子的流动已为分子流，气体分子与容器壁之间的碰撞为主，而且碰撞次数大大减少，在高真空下蒸发的材料，其粒子将沿直线飞行；（4）在超高真空时，气体的分子数目更少，几乎不存在分子间的碰撞，分子与器壁的碰撞机会也更少了。

第1章 薄膜技术基础

第1章 薄膜技术基础


3、气体分子的通量 、
真空及薄膜技术中常碰到的另一个物理量， 真空及薄膜技术中常碰到的另一个物理量，是气体分子对于单位面积表 面的撞频率，即单位时间内单位面积表面受到气体分子碰撞的次数， 面的撞频率，即单位时间内单位面积表面受到气体分子碰撞的次数，称为 气 nυa 体分子的通量Φ 体分子的通量 Φ= 4 （1-6） ） 在薄膜材料的制备过程中，薄膜的沉积主要是通过气体分子对于衬底 在薄膜材料的制备过程中， 的 碰撞过程来实现的。此时，薄膜的沉积速度正比于气体分子的通量。 碰撞过程来实现的。此时，薄膜的沉积速度正比于气体分子的通量。 将式1-3和式 代入上式后， N A p 和式1-4代入上式后 将式 和式 代入上式后，可以求出气体分子的通量
4、真空区域的划分
低真空 中真空 高真空 >102 Pa： 真空干燥，低压化学气相沉积。 真空干燥，低压化学气相沉积。 ： ： 低压化学气相沉积，溅射沉积。 102 ～ 10-1： 低压化学气相沉积，溅射沉积。 10-1 ～ 10-5 ：溅射沉积，真空蒸发沉积，电子 溅射沉积，真空蒸发沉积， 显微分析，真空浇铸。 显微分析，真空浇铸。 表面物理，表面分析。 超高真空 < 10-5 ： 表面物理，表面分析。
2 nπMυa nRT p= = 8N A NA
（1-4） ）
式中，n 单位体积内的分子数；NA 为阿伏加德罗（Avogadro)常数；n/NA 即等 常数； 式中， 单位体积内的分子数； 为阿伏加德罗（ 常数 于单位体积内气体分子的摩尔数。 于单位体积内气体分子的摩尔数。 真空：宇宙空间所存在的“自然真空” 利用真空泵抽取所得的“ 真空：宇宙空间所存在的“自然真空”；利用真空泵抽取所得的“人为真 空”。 绝对真空：完全没有气体的空间状态。 绝对真空：完全没有气体的空间状态。 一般意义上的“真空”并不是指“什么物质都不存在” 目前， 一般意义上的“真空”并不是指“什么物质都不存在”。目前，即使用最 先进的真空制备手段所能达到的最高真空度下， 先进的真空制备手段所能达到的最高真空度下，每立方厘米体积中仍有几百个 气体分子。因此，平常所说的真空均指“相对真空状态” 气体分子。因此，平常所说的真空均指“相对真空状态”。 在真空技术中，常用“真空度”习惯用语和“压强”物理量表示真空程度， 在真空技术中，常用“真空度”习惯用语和“压强”物理量表示真空程度， 通常说成“某空间的真空度为多大的压强” 通常说成“某空间的真空度为多大的压强”。某空间的压强越低意味着真空度 越高，反之，压强高的空间则真空度低。 越高，反之，压强高的空间则真空度低。
薄膜物理与技术复习范围

薄膜物理与技术复习范围

第一章真空技术基础真空：指低于一个大气压的气体状态。

托(Torr) =1/760atm = 133.322Pa对真空的划分：1、粗真空：105－102Pa特性和大气差异不大，目的为获得压力差，不要求改变空间性质，真空浸渍工艺2、低真空：102－10-1Pa 1016~1013个/cm3动力学性质明显，粘滞流状态→分子流状态，对流消失，气体导电，真空热处理，真空冷冻脱水3、高真空：10-1－10-6Pa 1013~1010个/cm3气体分子自由程大于容器线度，直线飞行，热传导和内摩擦性质与压强无关，蒸镀4、超高真空：＜10-6Pa分子间碰撞极少，主要用途：得到纯净的气体，获得纯净的固体表面真空的获得：真空系统包括真空室、真空泵、真空计以及必要的管道、阀门和其他附属设备。

真空的测量热偶真空计：是利用低气压强下气体的热传导与压强有关的原理制成的真空计。

散热与气体压强相关加热丝的温度与气体压强相关用热偶测量加热丝的温度 压强20 ～10-3Torr热阻真空计：散热与气体压强相关加热丝的温度与气体压强相关加热丝的电阻与温度相关用平衡电桥测量加热丝的电阻 压强电离真空计：是利用气体分子电离的原理来测量真空度。

电离真空计用于高真空的测量热丝发射热电子热电子加速并电离气体，离子被离子收集极收集形成电流电流与压强成正比1 x 10-9 Torr to 10-11 Torr第二章真空蒸发镀膜法真空蒸发镀膜法(简称真空蒸镀)是在真空室中，加热蒸发容器中待形成薄膜的原材料，使其原子或分子从表面气化逸出，形成蒸气流，入射到基片表面，凝结形成固态薄膜的方法。

基本过程：（1）加热蒸发过程，凝聚相→气相该阶段的主要作用因素：饱和蒸气压（2）输运过程，气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运该阶段的主要作用因素：分子的平均自由程（工作气压），源—基距（3）基片表面的淀积过程，气相→固相凝聚→成核→核生长→连续薄膜饱和蒸气压：在一定温度下真空室内蒸发物质的蒸气与固体或液体平衡过程中所表现出的压力称为该物质的饱和蒸气压。

最新2019-第一章薄膜制备的真空技术基础-PPT课件

最新2019-第一章薄膜制备的真空技术基础-PPT课件


中真空：102～ 10-1Pa
高真空： 10-1～10-5Pa
超高真空：<10-5 Pa
1.3 气体的流动状态和真空抽速
1、 气体的流动状态 在高真空环境中，气体分子除了与容器器壁发生碰撞以外， 几乎不发生气体分子间的碰撞过程。这种气体的流动状态被 称为气体的分子流状态。 分子流的特点是气体分子的平均自由程大于气体容器的尺寸 或与其相当。 当气体压力较高时，气体分子的平均自由程较短，气体分子 间的相互碰撞较为频繁，这种气体的流动状态称为气体的黏 滞流状态。
1.5 真空的测量
Pirani真空规 ---工作原理 •灯丝：测量灯丝、参比灯丝； •参比灯丝密封在高真空管中； •通过桥电流的大小测量气体密度(真空度) ---Pirani规的特点 •价格低廉、方便、快捷、可靠
1.5 真空的测量
电离真空规 ---工作原理 •由阴极、阳极和离子收集极组成； •阴极电离气体产生离子； •离子收集极收集离子从而测量气体密度。 ---电离真空规的特点 •灵敏、准确，但灯丝容易损坏，价格比较高 ---电离真空规的使用 •工作电流：离子规的工作电流不能随意改变； •校准：按真空计的具体步骤校准
将式（1）和（2）代入上式，可以求出气体分子的通量：
PNA
2MRT
1.2 气体分子运动论的基本概念
4、 分子平均自由程λ：气体分子在两次碰撞的间隔时间里走
过的平均距离。


1
n d 2
式中d为气体分子的有效截面直径。气体分子的平均自
由程与气体分子的密度n成反比。
5、 真空度的划分
低真空：> 10 2Pa
所谓层流状态，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。 在流速较高的情况下，气体的流动不再能够维持相互平行的 层流模式，而会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，这种气体的流动状态成为紊 流状态。如下图所示。
薄膜物理与技术-1 真空技术基础

薄膜物理与技术-1 真空技术基础

2 dN m 2 mv 4 v 2 dv exp 2kT N 2 kT N 容器中气体分子总数，m为气体分子质量,T为温度。 3


dN 麦克斯韦速度分布函数 m确定，温度确定， f (v )dv N 3 2 m 2 2 m v f (v) 4 exp v 2kT 2kT
(1/1.013×105)
1 PSI
51.7149
6.8948×103
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 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
不同真空度单位制间的换算关系：
torr/mmHg 1 torr (1 mmHg) 1 Pa 1 bar 1 atm 7.501×10-3 7.501×102 760.0
(760/1.013×105)
1.1 真空的基本知识
法定计量单位
bar 1.333×10-3
(1.013/760)
va

m

M
1.59
M
3. 均方根速率
计算分子平均动能
vr :va :vm =1.225: 1.128: 1
3kT 3RT RT vr 1.73 m M M
1 真空技术基础
1.2.2 气体分子的速度分布
1.2 稀薄气体的性质
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。
薄膜物理与技术-1真空技术基础PPT课件

薄膜物理与技术-1真空技术基础PPT课件

薄膜物理与技术-1真空技术基础 ppt课件
目录
• 真空技术基础 • 真空获得技术 • 真空测量技术 • 真空镀膜技术 • 薄膜性能检测技术
01 真空技术基础
真空定义与特性
真空定义
真空是指在给定的空间内，气体压力 低于一个大气压的状态。在真空技术 中，通常使用托斯卡或帕斯卡作为压 力单位。
真空特性
而实现气体的压缩和排除。
分子泵特性
抽气速率高、工作压力范围广、无 油污染、维护简单等。
分子泵分类
直联型分子泵、侧流型分子泵、复 合型分子泵等。
扩散泵抽气原理与特性
扩散泵抽气原理
利用加热的吸气剂将气体分子吸 进吸气剂表面，再通过扩散作用 将气体分子从吸气剂表面传递到 泵的出口，从而实现气体的排除。
扩散泵特性
真空技术的分类与应用
真空技术的分类
根据应用需求，真空技术可分为真空镀膜、真空热处理、真空电子器件制造等。
真空技术的应用
真空技术在科学研究、工业生产、航空航天、电子工业等领域有广泛应用，如 电子显微镜、太阳能电池、平板显示器的制造等。
02 真空获得技术
机械泵抽气原理与特性
机械泵抽气原理
机械泵分类
真空具有低气体压力的特性，这使得 物质在真空中表现出不同的物理和化 学性质。例如，气体分子间的碰撞减 少，气体分子的平均自由程增加。
真空的度量与单位
真空度
真空度是指真空空间内的气体压 力，通常用压力范围来表示，如 低真空、中真空、高真空和超高 真空。
真空单位
常用的真空单位有帕斯卡（Pa）、 托斯卡（Torr）和巴（bar）。1 Torr = 133.322368 Pascal。
利用高速旋转的叶轮将气体吸入，通 过压缩和排出来实现气体压缩和排除。
薄膜技术的真空技术基础

薄膜技术的真空技术基础

式中，n为单位体积内的气体分子数。从此式可知，分子流条件下管路的流导不仅取决于管路的几何尺寸，还与气体的种类和温度有关。
桂林电子科技大学
材料科学与工程学
1.3 真空系统的导流能力——流导
对于黏滞流状态：流导随气体压力升高而增加。不同形状管路的流导已被编制成图表不同流导C1、C2、C3间可相互串联或并联，构成总流导C——串联流导：1/C= 1/C1+ 1/C2+ 1/C3——并联流导：C=C1+C2+C3（就象描述气体流动的欧姆定律）
单击此处添加小标题
工作原理：两个8字形的转子以相反的方向旋转，两个转子始终保持相切合，咬合精度很高，切合处气体始终不能通过，只能从上、下两边被扫出真空系统。极限真空度： 10-2Pa左右；优点：结构简单、无油气回流，抽 速很大。缺点：泵体与转子发热、膨胀，造成泵体损坏；当气体压力低于10-1 Pa时，气体回流造成抽速降低。适用压力范围：10-1～1000Pa。
1.1 真空的基本知识
按上述第二种说法，比如炮弹在高于大气压的空间飞行是没有问题的，因此可以将高于大气压的空间看作是真空，而对于表面研究，10-8Pa才称得上是真空。
宇宙空间所存在的“自然真空”；利用真空泵抽取所得的“人为真空”。绝对真空：完全没有气体的空间状态。
为了获得真空至少需要
1.1 真空的基本知识
1.2 真空的表征
气流与流导气体流动状态与气体压力、真空容器尺寸的关系根据Knudsen准数Kn:Kn<1: 分子流状态Kn>110粘滞流状态
粘滞态气流的两种不同的流动状态根据Reynolds准数Re:式中，d为容器的特征尺寸（如管路的直径）；υ、ρ、η分别是气体的流速、密度和动力学黏度系数。Re>2200 紊流状态 Re<1200 层流状态
薄膜制备的真空技术基础

薄膜制备的真空技术基础


15/31 15/31
仅供学生学习参考，请勿扩散
薄膜材料与技术，授课教师：张卫华 2007
气体的流动状态和真空抽速
气体流动状态随气压、温度、种类、容器尺寸等不同而不同； 高真空中，气体分子的自由行程大约 50m，远远超过容器尺 寸，高真空中，主要为器壁碰撞。－分子流状态。 Kn<1 低真空中，气体分子间碰撞频繁，－粘滞流状态。 Kn>110 克努森准数界定： K n=D/λ， 式中：D－容器尺寸， λ－分子自由行程 粘滞流状态：低流速时，气体处于层流状态，高流速时，为紊流。 雷诺数界定：Re＝vdρ/η η>2200:紊流状态； η<1200:层流状态
m为一个分子的质量，T为气体的热力学温度， k为玻耳兹曼常量, 1.380662×10－23J·K－1 f(v)－分布在速率间隔 内的相对分子数
7/31
仅供学生学习参考，请勿扩散
薄膜材料与技术，授课教师：张卫华 2007
气体分子的平均速度（ R=NAK=8.314）：
M
最概然速度 :
M
方均根速度：
C C1 C2 Cn
17/31 17/31
仅供学生学习参考，请勿扩散
薄膜材料与技术，授课教师：张卫华 2007
真空泵抽速 抽速： S p Q P Q=C(P-Pp)=SpPp，
Sp C Pp C S p Pp S pC Q S P Pp ( S p C ) / C ) S p C P
M
1955 年美国哥伦比亚大学的密勒(ler) 和库什(P.Kusch)实验
8/31
仅供学生学习参考，请勿扩散
薄膜材料与技术，授课教师：张卫华 2007
小结 1．三种统计速率都反映了大量分子作热运动的统计规律，它们 都与温度 成正比，与分子质量 成反比，且 ，三 者之比为 。在室温下，对中等质量的分子 来说，三种速率数量级一般为每秒几百米。最概然速率最小，方 均根速率最大。 2．三种速率应用于不同问题的研究中。例如： ──用来计算分子的平均平动动能，在讨论气体压强和温度 的统计规律中使用。 ──用来讨论分子的碰撞，计算分子运动的平均距离，平均 碰撞次数等。 ──由于它是速率分布曲线中极大值所对应的速率，所以在 讨论分子速率分布时常被使用。 3. 不同气体分子的平均运动速度与 T/M的平方根成正比，在室 温下，空气分子的平均运动速度约为 460m/s
1+薄膜制备的真空技术基础

1+薄膜制备的真空技术基础

因而热丝的温度会随着气体压力的上升而降低。 这时，用热电偶测出了热丝本身的温度，也就相 应测出了环境的气体压力。
缺点：非线性，测量结果与气 体种类有关，零点漂移严重。 优点：结构简单，使用方便。
薄膜制备的真空技术基础
热电势随气体压力的变化曲线
36
皮拉尼真空规：又称热阻式 真空规，通过测量热丝的电 阻随温度的变化来实现对真 空度的测量。
气体流动状态的划分（克努森准数Kn）
3. 真空泵的工作原理及适用范围 （旋片式机械真空泵、涡轮分子泵、溅射离子泵）
实现无油高真空环境。 Ti升华泵
特点：气体活性大，抽速大；寿命有限。
薄膜制备的真空技术基础极限真空度：10-8 Pa。
31
薄膜制备的真空技术基础
★ ★ ★
Back
32
1.4 真空的测量
真空测量：用特定的仪器和装置，对某一特定空间 内真空高低的测定。（真空计、规管） 绝对真空计：通过测定物理参数直接获得气体压 强的真空计（U型真空计、压缩式真空计等）
缺点：油污染
单独使用或高真空系统的前级真空
薄膜制备的真空技术基础
26
1.3.2 罗茨（Roots）真空泵
工作原理： 泵内两个呈8字型的转子
以相反的方向旋转。 优点：无油，抽速大（103 L/s），
极限真空度高（10-2 Pa） 缺点：适用范围窄（0.1~1000Pa）
薄膜制备的真空技术基础
27
1.3.3 油扩散泵
薄膜制备的真空技术基础
3
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。
薄膜材料与薄膜技术习题1-3

薄膜材料与薄膜技术习题1-3

第一章真空技术基础1、膜的定义及分类。

2、人类所接触的真空大体上可分为哪两种？3、何为真空、绝对真空及相对真空？4、毫米汞柱和托？5、真空区域是如何划分的？6、真空各区域的气体分子运动规律。

7、何为气体的吸附现象？可分几类、各有何特点？8、何为气体的脱附现象？9、何为电吸收和化学清除现象？10、影响气体在固体表面吸附和脱附的主要因素11、目前常用获得真空泵主要有几种类型，各自的特点？12、何为前级泵和次级泵？13、何为机械泵，其工作特点是什么？机械泵有哪几种形式？14、何为分子泵，其工作特点是什么？分子泵有哪几种形式，各有何特点？15、何为低温泵，按其工作原理可分几种类型？16、捕获泵再生时必须遵循的要求？17、按测量原理真空计可分几种，各自的定义及特点？第二章薄膜制备的化学方法1、化学气相沉积的主要优点有哪些？2、化学气相沉积的主要缺点有哪些？3、在化学气相薄膜沉积过程中可控制的变量有那些？涉及那几个基本过程？4、化学气相沉积反应器的设计类型可分成几种，各自特点有哪些？5、何为激光化学气相沉积，它的主要机制和作用是什么？6、激光化学气相沉积过程中显示出的那些独特优越性？7、激光化学气相沉积的反应系统与传统化学气相沉积系统相似，但薄膜的生长特点在许多方面是不同的，这其中的主要原因是什么？8、限制激光化学气相沉积沉积率的参数主要有哪些？9、紫外线光致分解沉积系统的优点是什么？1、解释PECVD沉积过程的两种模型2、何为电镀？3、在水溶液中，离子被沉积到薄膜以前经历了哪几个过程？4、电镀法的优缺点有哪些？5、何为化学镀？6、LB 膜技术所形成膜的类型有哪几种？请画出相应膜结构。

10、在水溶液中，离子被沉积到薄膜以前经历的具体过程有哪些？11、何为电镀？其主要优缺点有哪些？电镀法制备的薄膜性质主要取决于什么？12、何为化学镀？13、何为LB技术？第三章薄膜制备的物理方法1、物理气相沉积过程的三个阶段2、真空蒸发沉积的物理原理及特点？3、真空蒸发沉积过程的三个步骤？4、真空蒸发系统有哪几个组成部分？5、何为物质的饱和蒸气压？6、何为物质的蒸发温度？7、电阻丝加热蒸发法的加热装置有哪四个主要特点？8、电阻加热蒸发法的主要缺点是：9、激光蒸发技术的优点。

薄膜制备的真空技术基础

薄膜制备的真空技术基础

通过各种测量仪器和测量方法对真空状态下的气 体压力进行测量。
真空应用技术
将真空技术应用于各个领域，如电子、冶金、化 工、航空航天等。
02
真空镀膜技术
真空蒸发镀膜
总结词
真空蒸发镀膜是一种基于加热蒸发材料的镀膜技术，通过将材料加热至熔融状态 ，然后在真空中蒸发并凝结在基材表面形成薄膜。
详细描述
在真空蒸发镀膜过程中，蒸发源可以是电阻加热、电子束加热或激光加热等。蒸 发材料在高温下升华或熔化，然后在基材表面凝结形成薄膜。该技术适用于制备 金属、非金属、化合物等薄膜材料，具有操作简单、成膜速度快等优点。
磁控溅射镀膜
总结词
磁控溅射镀膜是一种基于溅射现象的镀膜技术，通过在真空 环境中利用磁场控制带电粒子轰击靶材表面，使靶材原子或 分子从表面溅射出来并在基材表面沉积形成薄膜。
详细描述
磁控溅射镀膜技术具有高沉积速率、高附着力、高纯度等优 点，广泛应用于制备各种金属、非金属、化合物等薄膜材料 。该技术可以通过改变工艺参数和靶材种类来控制薄膜的成 分和性能。
技术挑战
需要解决制备过程中材料的选择、成膜机制、界面反应等问题，以确 保获得高性能的薄膜。
低成本高效制备技术
总结词
详细描述
低成本高效制备技术是未来薄膜制备的重 要发展方向。
随着市场对薄膜材料需求的增加，低成本 高效制备技术将有助于降低生产成本，提 高生产效率，满足大规模应用的需求。
发展趋势
技术挑战
详细描述
通过优化真空系统的气体成分和压力，可以改变薄膜与 基材之间的相互作用，从而提高附着力。此外，对基材 进行适当的预处理，如清洗、表面活化等，也有助于增 强附着力。
薄膜性能优化
总结词
优化薄膜性能是薄膜制备的最终目标，涉及多个方面 。

1-第1章 真空技术基础



早期技术落后，所制得的薄膜重复性较差，从而限
制了薄膜的应用。薄膜的应用最早只局限于抗腐性和制造
镜面。

在制备薄膜的真空系统和检测系统（如电子显微镜、低能
电子衍射以及其他表面分析技术）出现以后，薄膜的重复性才
大有改观，从此薄膜的应用也迅速拓展，尤其到了20世纪50年 代，随着电子工业和信息产业的兴起，薄膜技术和薄膜材料愈
1643年，意大利物理学家托里拆利
Байду номын сангаас
（Evangelista Torricelli，1608～1647）
与伽利略晚年的得意门生和亲密助手维 维安尼（Vincenzo Viviani ）一起在佛罗
伦萨做了著名的“托里拆利实验” ，证
明了大气压的存在，同时，也为人类揭 示了“真空”这个物理状态的存在。
在此后的几个世纪里，尤其是在20世纪初，真空技

不论哪一种类型上的真空，只要在给定空间内，气体压 强低于一个大气压的气体状态，均称之为真空。完全没有气
体的空间状态称为绝对真空。
目前，即使采用最先进的真空制备手段所能达到的最 低压强下，每立方厘米体积中仍有几百个气体分子。 因此，平时我们所说的真空均指相对真空状态。在真 空技术中，常用“真空度”这个习惯用语和“压强”这一 物理量表示某一空间的真空程度，但是应当严格区别它们 的物理意义。 某空间的压强越低意味着真空度越高，反之，压强高 的空间则真空度低。
1971年国际计量会议正式确定“帕斯卡”作为气体压
强的国际单位，1Pa = 1N/m2 7.510-3Torr 。
表1-1给出了目前真空技术中常用的压强单位及其之间 的换算关系。
●二、真空区域的划分

为了研究真空和实际使用方便，常常根据各压强范围

(完整版)电子科大薄膜物理(赵晓辉)第一章真空介绍

PV＝nmolRT=nmolecularkT=nMvrms2/3NA nmol=m/M nmolecular =7.2*1022P/T
2. 气体分子的速度分布 • 麦克斯韦速度分布函数
表示分布在速度 附近单位速度间隔内 的分子数占总分子数的比率。
气体分子速度分布
3. 三个重要速度表示
• 最可几速度 ： • 平均速度 • 均方根速度
4. 压力单位
Pressure unit
Pa
Pa
1
Bar
Atm
0.00001 9.869×10-6
Bar
100000 1
9.869×10-1
Atm
101325 1.01325 1
Torr
133.32 0.001333 1.316×10-3
Torr 7.501×10-3 7.501×102 760 1
vacuum-bottle, 真空瓶，真空干燥器，真空注入，溅射，LPCVD
高真空 10-1－10-6Pa :蒸发，离子源 超高真空 ＜10-6Pa ：表面分析，粒子物理
§1-2 稀薄气体的基本性质
1. 理想气体状态方程
低压状态下，可用理想气体的状态方程 （波义尔定律、盖·吕萨克定律、查理定律） 来描述，遵守麦克斯韦——玻尔兹曼分布。
SYMBOL
N2 O2 Ar CO2 Ne He Kr H2 Xe H2O
PERCENT BY VOLUME
78 21 0.93 0.03 0.0018 0.0005 0.0001 0.00005 0.0000087 Variable
PARTIAL PRESSURE
TORR
PASCAL
593 158 7.1 0.25 1.4 x 10-2 4.0 x 10-3 8.7 x 10-4 4.0 x 10-4 6.6 x 10-5 5 to 50

薄膜材料制备与技术第一篇


m 为气体的质量，M 为气体的摩尔质量， 为气体分子的
相对原子质量，k 为玻耳兹曼常数，N 为气体分子的个数， n 为单位体积内的分子数，R 为普适气体衡量(摩尔气体常 数)，N0 为阿伏伽德罗常数。
第三章 气体分子运动论
I. 气体分子的运动速度及其分布: 1. 气体分子按速度分布的实验测定 :
实验装置及原理:
Kn﹤1 Kn＝1～110 Kn﹥110
§4-2 气体管路的流导
流导：真空系统中总包括有真空管路，而真空管路中气 体的通过能力称为它的流导。
设某一真空部件使流动着的气体形成一定程度的压力 降低，则其流导C的定义为：
C Q P1 P2
式中，P1和P2为部件两端的气体压力；Q为单位时间内通过该真空部
件的气体流量(L)。
流导的求解：
当不同的流导C1，C2，C3之间相互串连或并联时，形 成的总流导C可以通过下式求出：
串联流导： 1 1 1 1 1
C C1 C2 C3
Cn
并联流导： C C1 C2 C3 Cn
§4-3 真空泵的抽速(Sp)
抽气速率：指在规定压强下单位时间所抽出气体的体积，
N0 p
2MRT
此式称为克努森方程。即：气体分子的通量与气体的压 力成正比，但与气体的热力学温度(?)以及气体的相对原 子质量的1/2此方成反比。
克努森方程的实际应用：计算一下高真空环境中，清洁表 面被环境中的杂质气体分子污染所需要的时间。
假设每一个向清洁表面运动来的气体分子都是杂质，而且， 每一个杂质气体分子都会被表面俘获，利用上式，可以求出表 面完全被一层杂质气体分子覆盖所需要的时间为(N为表面的原 子面密度)：
8N0
n为单位体积内气体分子的数目。
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

公式得到：
≈50nm。表明在常温常压下，气体分子的平均自由程是
极短的。
（2）由气体分子的平均自由程还可以求出其平均碰撞频率 =va/λ（常温常压时，va=460m/s）。所以常温常压下，每个 空气分子每秒内要经历1010次碰撞。运动轨迹并不是直线， 而是不断碰撞改变方向。
1.1 气体分子运动论的基本概念
*思考题：平均自由程在制膜中的重要作用？
答影响气体分子到达衬底的分子能量，能量对成膜结构质量有很多影响。 自由程小→碰撞多→气体分子能量↓→薄膜疏松、不致密
1.1 气体分子运动论的基本概念
3 . 气体分子的平均自由程----补充
（1） 在常温常压条件下，空气分子的有效截面直径d ≈0.5nm。
由T=298K，P=nKT(P=101325Pa），代入
1.1 气体分子运动论的基本概念
2 气体分子运动速度及其分布 (Maxwell分布）
真空容器中气体分子运动是混乱的。气体分子进行无规
则热运动的每一时刻，每个分子的运动速率有偶然性，然而，
对于大量气体分子而言，其速率分布遵循统计规律。
1.1 气体分子运动论的基本概念
2 气体分子运动速度及其分布 (Maxwell分布）
为（GB3163-82）：

低真空： 102Pa 中真空： 102~10-1Pa 高真空： 10-1~10-5Pa 超高真空： 10-5Pa
工业应用（包装） CVD沉积技术 溅射沉积技术 原子表面和界面分析
4. 真空及制膜设备

超高真空条件下，气体分子以在固体上吸附停留为主， 其它真空度时，气体分子以空间飞行为主。
2 气体分子运动速度及其分布 (Maxwell分布）
为了更深入地理解速率分布函数所表达的意义，以下图 H2和N2分子为例，对其速率分布进行了定量描述。
1.1 气体分子运动论的基本概念
2 气体分子运动速度及其分布 (Maxwell分布）
图中表示，总分子数为 107 个、速率间隔 dv 为 1cm/s 时， 在不同速率范围的分子数 。例如， 0 ℃ 的 N2 分子， v 处于 1000-1000.01m/s范围内的分子数大约为9个。 由曲线可知，气体分子的速度具有很大的分布区间，平 衡温度越低，曲线越陡，分子按速率分布越集中；温度越高， 曲线平缓，分子按速率分布越分散。气体分子的相对原子质 量越小，则分子的平均运动速度越大。
1.2 真空的基本概念
1. 何为真空
自然真空 : 地球大气层以外的宇宙真空 （在还平面
上，大气产生的压力为101325Pa，约100KPa，工
程中称为一个标准大气压。而珠峰顶处的气压为
真空
32Kpa，仅为海平面压力的三分之一左右）
人造真空 : 运用科技手段抽掉密闭容器中的气体
迄今为止，采用最高超的真空技术所能达到的最低压力状态 大致为10-12-10-13Pa，还远未达到绝对真空。
1.1 气体分子运动论的基本概念
1. 描述气体分子状态的宏观物理量-P、T、V
（2） 阿伏加德罗定律：（理想气体状态方程的第二种表达方式）
p nkT
n为气体分子密度（1/m3）；波尔兹蔓常数k=R/NA=1.38 10-23JK-1； NA为阿伏加德罗常数，6.0231023mol-1


不同的薄膜制备和分析技术队真空度的要求是不同的。
JP450磁控溅射镀膜系统
一．真空沉积系统 二、真空抽气系统 四、电源系统 五、气路系统
三、真空测量系统
等离子增强CVD和热丝CVD复合系统
1.3 真空的获得
对于一个真空系统理论上所能达到的真空度，与真空
泵、真空系统的结构材料、加工工艺、管道等因素有关。


自由程：分子任意两次碰撞之间通过的路程，λ。
分子运动的平均自由程：大量分子多次碰撞自由程
的平均值， 。
或：一个气体分子连续两次碰撞间飞行距离的平均 值称为平均自由程
1.1 气体分子运动论的基本概念
3 . 气体分子的平均自由程 一个气体分子在两次碰撞之间的平均距离：
1 2 d n
n : 单位体积内的分子数； d : 气体分子的直径
表明在相同压强和温度下，各种气体单位体积含分子数相同（与气体种类无 关）。 在标准状态下，任何气体的分子密度为31019个/m3

1.1 气体分子运动论的基本概念
1. 描述气体分子状态的宏观物理量-P、T、V （2） 阿伏加德罗定律：（理想气体状态方程的第二种表达方式）
p nkT
推导：
若气体由N个分子组成，每个分子的质量为M，则m=MN。 而1mol气体中的分子数NA=6.0231023，将Mmol=MNA代入理 想气体状态方程，则推出阿伏伽德罗定律。
图1.2 气体流动状态与真空系统
尺寸和气体压力之间的关系
1.2 真空的基本概念
1. 何为真空

物理学上的“真空”是指没有或者不计气体分子和原
子存在的物理空间，仅存在各种能量粒子的场空间；

一般意义上的“真空”并不是指“什么物质也不存 在”。

应用物理与技术所讨论的“真空”――低于一个大气 压力的稀薄气体的空间状态。
1.气体管路的流导、极限真空度和抽气速率 (1) 真空管路中气体的通过能力，
流导C定义为
C Q P1 P2
－－P1和P2为管路两端的气压，Q为单位时间内通过管 路的气体流量。
P1 Q P2
30
1.3 真空的获得
1.气体管路的流导、极限真空度和抽气速率
描述真空部件的气体通过能力，它使流动着的气体形成一定 程度压力降低。
泵2
真空室
泵1
真空室
泵1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
泵2
并联可以提高抽速
串联可以提高极限真空度
流导的串联和并联
1.3 真空的获得
(2) 极限真空度
指被抽容器不漏气，经真空泵充分抽气后所能达到的最
高真空度。
1.3 真空的获得
(3)真空抽速 真空泵的抽速S定义为
Q S P
---P为真空泵入口处气压，Q为单位时间内通过该处 的气体流量
2. 真空的获得
1.1 气体分子运动论的基本概念
2 气体分子运动速度及其分布 (Maxwell分布）
设有N个气体分子的理想气体，在平衡状态速率处在v-(v+dv)之间 的分子数：
dN = Nf(v)dv
f(v)速率分布函数，M-分子的摩尔质量，T为热力学温度，R为普适气体常数。
物理意义：
1.1 气体分子运动论的基本概念
第一章 薄膜制备的真空技术基础

大部分的现代薄膜材料制备都是在真空或是较低
的气压下进行的，都涉及到气相的产生、输运以
及反应的过程。

因此，这一章中，我们先对有关气体的基本性质
进行简要的回顾，然后对最常用的真空技术的基
础知识进行简单的介绍。
第一章 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
t N N 2M mol RT N AP

－－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,
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。
1.1 气体分子运动论的基本概念
5 气体的流动状态
气体的无规则热运动本身不能导致气体的宏观 流动，只有在空间存在压力差的条件下，气体 作为一个整体才会产生宏观的定向流动。
与水流动类似，平静的小河为层流，波涛汹涌的大海则紊流。 对于管道气：抽口处为紊流，远处则层流。
1.1 气体分子运动论的基本概念
5 气体的流动状态
气体流动可按克努森准数来划分：
Kn = 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=1~110 粘滞流状态：Kn 110
1.2真空的基本概念


1.3 各类真空泵简介
1.4 真空测量技术 1.5 几种典型真空系统的建立
1.1 气体分子运动论的基本概念
1. 描述气体分子状态的宏观物理量-P、T、V

理想气体：气体分子之间除了相互碰撞的瞬间外， 完全不存在相互作用。 一般的温度和压力条件下，所有的气体都可以被看 作是理想气体。 真空技术中研究气体时，一般可以应用理想气体状 态方程。
设有N个气体分子的理想气体，在平衡状态速率处在v-(v+dv)之间 的分子数：
dN = Nf(v)dv
f(v)速率分布函数（表明气体分子的速度分布只取决于分子的相对原子质量M与热力学温
度T的比值），M-分子的摩尔质量，T为热力学温度，R为普适气体常数。
f(v)dv=dN/N为速率位于v-(v+dv)区间的相对分子数或分子处于v-(v+dv)间的几率。或者 f(v)dv表示在速率附近，dv速率间隔内的分子数占总分子数的比率。
1.1 气体分子运动论的基本概念
3 . 气体分子的平均自由程
处于无规则热运动中的气体分子，彼此 间不断碰撞，单位时间内气体分子的碰撞次 数称为碰撞频率。特定种类的气体分子的碰
撞频率与气体分子热运动的速率有关，与气
体的密度有关。
1.1 气体分子运动论的基本概念
3 . 气体分子的平均自由程

碰撞频率：单位时间内气体分子的碰撞次数。
（b）有回流
流 量 泵的极限真空 实际抽速
Q S P P QP S P P（ 1 QP P0 SP P0 Q S S（ ） P 1 P P
QP ） SP P
无回流
有回流
同时考虑真空泵回流、真空容器的泄露、真空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。