薄膜物理第1章真空技術基礎

1、q 真空的基本知識真空的基本知識q 稀薄氣體的基本性質稀薄氣體的基本性質q 真空的獲得真空的獲得q 真空的測量真空的測量知識點知識點 概念概念 最可幾速度、平均速度、均方根最可幾速度、平均速度、均方根速度、平均自由程等速度、平均自由程等 換算換算 常用壓強單位的換算常用壓強單位的換算 分類分類 真空區(qū)域的劃分、真空計、各種真真空區(qū)域的劃分、真空計、各種真空泵空泵 原理原理 機械泵、擴散泵、分子泵的工作原機械泵、擴散泵、分子泵的工作原理，真空計的工作原理理，真空計的工作原理概念：利用外力將一定密閉空間內的氣體分子移走， 使該空間內的氣壓小于 1 個大氣壓， 則該空間內的氣體的物理狀態(tài)就被稱為真空

2、。注意：真空，實際上指的是 一種低壓的、稀薄的氣體狀態(tài)， 而不是指“沒有任何物質存在”！因此，真空可分為現(xiàn)代真空技術的極限：每 cm3空間內僅有數(shù)百個氣體分子 對應氣壓 10-12 Pa宇宙(自然)真空：宇宙空間內存在的真空人為真空：利用真空設備獲得的容器內真空絕對真空是不絕對真空是不存在的！存在的！1 真空技術基礎 1.1 真空的基本知識1.1.1 真空的定義及其度量單位1.1.1 真空的定義及其度量單位 真空的實質：一種低壓氣體物理狀態(tài) 真空度采用氣體壓強表征 真空度的單位 = 氣體壓強的單位 注意：真空度和氣壓的意義相反 真空度 意味著 氣壓 主要單位制 atm 760/1 mmHg 1

3、 torr1mmHgin/lbf 1 PSI 1FPSdyne/cm 10 bar 1 CGSm/N 1 Pa 1SIMKS2262制）毫米汞柱制（制）英制（制）厘米克秒制（制）制，即國際單位制（1 真空技術基礎 1.1 真空的基本知識法定計量單位法定計量單位1.1.1 真空的定義及其度量單位 不同真空度單位制間的換算關系：說明：1、mmHg是人類使用最早、最廣泛的壓強單位； 1958年為紀念托里切利，用托（torr）代替了mmHg：1 torr1 mmHg 2、早期的真空度計量常以 torr 或 mbar 為單位； 目前隨著標準化進程的推進，SI（MKS）制單位應用日漸廣泛 真空度用 Pa

4、作單位torr/mmHgPabaratmPSI1 torr(1 mmHg)1.333102(1.013105/760)1.33310-3(1.013/760)1.31610-3(1/760)1.933710-21 Pa7.50110-3(760/1.013105)10-59.86910-6(1/1.013105)1.450410-41 bar7.5011021059.86910-11.45041011 atm760.01.0131051.0131.46961011 PSI51.71496.89481036.894810-26.804610-2法定計量單位1 真空技術基礎 1.1 真空的基本知識

5、1.2 稀薄氣體的性質1.2.1 理想氣體定律（一定質量的氣體）式中：n 分子密度 (個/m3)； k 玻爾茲曼常數(shù)，1.3810-23 J/K； P 氣體壓強 (Pa)； T 氣體溫度 (K)； V 氣體體積 (m3)； m 氣體質量 (kg)； M 氣體分子量 (kg/mol)； R 普適氣體常數(shù)，R = NAk = 8.314 J/molK； NA Avogadro常數(shù)，6.021023 個/mol；TnPkTPnk Avogadro定律： 一定溫度、壓力下，各種氣體單位體積內含有的分子數(shù)相同。理想氣體狀態(tài)方程： 或1 真空技術基礎 1.2 稀薄氣體的性質氣體分子密度氣體分子密度1.2.

6、2 氣體分子的速度分布在平衡狀態(tài)時，分布在任一速度區(qū)間vv+dv內，分子的幾率，滿足麥克斯韋-波爾茲曼分布：32224exp22mdNmmvv dvkTNkTN容器中氣體分子總數(shù)， 為氣體分子質量,T為溫度。麥克斯韋速度分布函數(shù)22232exp24)(vkTmvkTmvf物理意義是：速率在v附近的單位速率區(qū)間的分子數(shù)占分子總數(shù)的百分比；或者說一個分子的速率在速率v附近單位速率區(qū)間的概率。因此，也叫做分子速率分布的概率密度。 1 真空技術基礎 1.2 稀薄氣體的性質1. 最可幾速率（速率極大值?）MRTMRTmkTvm41. 1222. 平均速率MRTMRTmkTva59. 1883. 均方根速

7、率MRTMRTmkTvr73. 133討論速度分布計算分子運動平均距離計算分子平均動能1.2.2 氣體分子的速度分布1 真空技術基礎 1.2 稀薄氣體的性質: :=1.225: 1.128: 1ramv v v每個氣體分子在與其它氣體分子連續(xù)2次碰撞之間運動經(jīng)歷的路程。 平均自由程（ ）：氣體分子自由程的統(tǒng)計平均值。 1.2.3 氣體分子的自由程（）nkTP PkT22n221-分子直徑；n分子密度1 真空技術基礎 1.2 稀薄氣體的性質1.2.4 碰撞次數(shù)與余弦散射定律碰撞次數(shù)與余弦散射定律入射頻率入射頻率（入射通量或碰撞次數(shù)）（入射通量或碰撞次數(shù)）：單位時間，在單位：單位時間，在單位面積的

8、器壁上發(fā)生碰撞的氣體分子數(shù)面積的器壁上發(fā)生碰撞的氣體分子數(shù)1v4an赫茲克努曾公式赫茲克努曾公式描述氣體熱運動重要公式22APNPmkTMRTPnkTP MRTmkTva881 真空技術基礎 1.2 稀薄氣體的性質入射入射頻率頻率如T=20 0C空氣：1822.86 10cm s個/()例例1，求，求0，P = 1.3 10-4Pa氧氣氧氣，1 1）氣體分子密度；）氣體分子密度；2) 2) 分子平均速度；分子平均速度；3 3）平均自由程；）平均自由程；4 4）碰撞次數(shù)）碰撞次數(shù)（已知（已知0氧氣分子直徑氧氣分子直徑3.63.6 10-8 cm，單分子層分子數(shù)8.7 1014 個/ cm2）32

9、488 8.31 2733.1432 104.3 10 (/ )4.3 10 (/ )aRTvMm scm s解：（1）氣體分子密度氣體分子密度 （2 2）分子平均速度）分子平均速度 （3）平均自由程平均自由程22151m22kTnP（）163(3.5 10m )PnT個/1 真空技術基礎 1.2 稀薄氣體的性質k 玻爾茲曼常數(shù)，1.3810-23 J/KR 普適氣體常數(shù)，R = NAk = 8.314 J/molK1 真空技術基礎 1.2 稀薄氣體的性質162182142113.5 104.3 103.8 10/)443.8 10/)anvmscms(分子(分子4 4）碰撞次數(shù)）碰撞次數(shù)記憶

10、：33441.2.5 真空度的劃分(與課本有差異）1 真空技術基礎 1.1 真空的基本知識目前常用獲得真空的設備有：目前常用獲得真空的設備有： 旋轉式機械真空泵旋轉式機械真空泵 油擴散泵油擴散泵 復合分子泵復合分子泵 分子篩吸附泵分子篩吸附泵 鈦升華泵鈦升華泵 濺射離子泵濺射離子泵 低溫泵低溫泵屬于氣體屬于氣體傳輸泵傳輸泵，即通過氣體吸入，即通過氣體吸入并排出真空泵從而達到排氣的目的并排出真空泵從而達到排氣的目的屬于氣體屬于氣體捕獲泵捕獲泵，即通過各種吸氣，即通過各種吸氣材料特有的吸氣作用將被抽氣體吸材料特有的吸氣作用將被抽氣體吸除，以達到所需真空。除，以達到所需真空。1 真空技術基礎 1.3

11、 真空的獲得真空的獲得：就是所謂的“抽真空”！ 利用各種真空泵把容器內的空氣抽出，使其內部壓強保持在 1 atm的特定壓強范圍！各種真空泵（Pump）不需要油作為介質，又稱為無油泵不需要油作為介質，又稱為無油泵1.3.2 真空的獲得真空泵的分類及常用工作壓強范圍說明：從大氣壓力開始抽氣，沒有一種真空泵可以涵蓋從1 atm到10-8 Pa的工作范圍 真空泵往往需要多種泵組合構成復合抽氣系統(tǒng) 實現(xiàn)以更高的抽氣效率達到所需的高真空！氣體輸運泵旋片式機械泵（Rotary Pump）單級：1051 Pa 雙級：10510-2 Pa羅茨泵（Booster Pump / Roots Pump）10310-1

12、 Pa 油擴散泵（Diffusion Pump）110-6 Pa 渦輪分子泵（Turbomolecular Pump）110-8 Pa 。氣體捕獲泵濺射離子泵（Ion Pump）10-310-11 Pa 鈦升華泵（Titanium Sublimation Pump）10-310-11 Pa 低溫冷凝泵（Cyro Pump）10-410-11 Pa 吸附泵（Sorption Pump）10210-3 Pa 。1 真空技術基礎 1.3 真空的獲得泵組合泵組合例如：例如： 油封機械泵油封機械泵油擴散泵油擴散泵10-610-8Pa 吸附泵吸附泵濺射離子泵鈦升華泵濺射離子泵鈦升華泵10-610-9Pa

13、機械泵機械泵復合分子泵復合分子泵獲得超高真空獲得超高真空前級泵前級泵次級泵次級泵 泵泵1 泵泵2真空室真空室真空室真空室 泵泵1泵泵2 并聯(lián)可以提高抽速并聯(lián)可以提高抽速 串聯(lián)可以提高極限真空度串聯(lián)可以提高極限真空度從圖表中可以看出，沒有一種泵能直接從大氣一直工作到超高真空。因此從圖表中可以看出，沒有一種泵能直接從大氣一直工作到超高真空。因此常常將幾種泵組合使用，實現(xiàn)預定真空。常常將幾種泵組合使用，實現(xiàn)預定真空。1.3 真空的獲得（1） 旋片式機械泵（Rotary Pump）（a）外觀（b）內部結構（c）工作原理1、擴張（吸氣）2、容積最大3、壓縮4、排氣機 械 泵：利用機械運動部件轉動或滑動形

14、成的輸運作用獲得真空的泵。分 類：旋片式（最常見）、定片式、滑閥式運轉模式：吸氣 壓縮 排氣 （不斷循環(huán)）基本特點：需加真空油（密封用）；可從大氣壓開始工作； 真空度要求低 可單獨使用；真空度要求高 作為 前級泵 使用工作區(qū)間：單級：1051 Pa；雙級：10510-2 Pa優(yōu)、缺點：結構簡單、工作可靠；有油污染的問題（油飽和蒸氣壓要低）。雙級機械泵示意圖1 真空技術基礎 1.3 真空的獲得浸入泵油答：旋片式機械泵是依靠放置在偏心轉子中的可以旋轉的旋片將氣體隔離、壓縮，然后排出泵體。圖（a）表示正在吸氣，同時把上一周期吸入的氣體逐步壓縮；（b）表示吸氣截止，此時泵的吸氣量達到最大并開始壓縮；（

15、c）表示吸氣空間另一次吸氣，而排氣空間繼續(xù)壓縮；（d）表示排氣空間內的氣體被壓縮到當壓強超過一個大氣壓時，氣體便推開排氣閥由排氣管排出。如此不斷循環(huán)。單級旋片泵工作壓強范圍105-1 Pa。例：下圖為旋片式機械泵工作過程示意圖，簡述工作原理和工作壓強范圍。1.3 真空的獲得（2） 油擴散泵（Diffusion Pump）（a）外觀（b）內部結構（c）工作原理真空油歷經(jīng)循環(huán)：蒸發(fā) 噴射 碰撞 冷凝 回流工作原理：1）將真空油加熱到高溫蒸發(fā)狀態(tài)（約200）；2）讓油蒸汽分多級向下定向高速噴出；3）大量油滴通過撞擊將動能傳遞給氣體分子；4）氣體分子向排氣口方向運動，并在動壓作用下排出泵體；5）油氣霧

16、滴飛向低溫介質冷卻的泵體外壁，被冷卻凝結成液態(tài)后返回泵底部的蒸發(fā)器。1 真空技術基礎 1.3 真空的獲得工作區(qū)間：110-6 Pa（因此需要前級機械泵提供1 Pa的出口壓力）優(yōu) 點：1）造價較低的高真空泵方案；2）沒有機械運動部件。缺 點：油蒸汽回流有可能污染真空系統(tǒng)（不宜在分析儀器和超高真空場合使用）。必須與機械泵聯(lián)用射流速度射流速度 200 m/s1.3 真空的獲得（3） 渦輪分子泵（Turbomolecular Pump）（a）外觀（b）內部結構（c）工作原理工作原理：1）泵內交錯布置轉向不同的多級轉子和定子；2）轉子葉片以20k60k r/min的高速旋轉；3）葉片通過碰撞將動能不斷傳

17、遞給氣體分子；4）氣體分子被賦予動能后被逐級壓縮排出。工作區(qū)間：110-8 Pa 也需前級泵提供1 Pa的出口壓力，但可提供更高真空度優(yōu) 點：無油、抽速較高。缺 點：1）抽取低原子序數(shù)氣體能力較差； 2）造價高；3）不易維護。1 真空技術基礎 1.3 真空的獲得動量傳輸作用動量傳輸作用定子、轉子交互布置1.3 真空的獲得（4） 低溫吸附泵（Cyropump）（a）外觀（b）內部結構多級深冷頭示意圖工作原理：利用20K以下的超低溫表面來凝聚氣體分子以實現(xiàn)抽氣。 1）初級冷頭（外側溫度 = 5080 K）：吸附 水氣、CO2 等； 2）多級深冷頭（T 20 K）：外側光滑金屬表面 吸附 N2、O2

18、、Ar； 內側活性炭表面 吸附 H2、He、Ne工作區(qū)間：10-410-11 Pa優(yōu) 點：可實現(xiàn)目前最高的極限真空度：10-11 Pa。缺 點：1）屬于捕獲泵的一種，使用要求高，需要外加冷源（液氮、液氦或制冷機）； 2）需要“再生”處理。1 真空技術基礎 1.3 真空的獲得n工作原理：工作原理： 依靠高壓陰極發(fā)射出的高速電子與殘余依靠高壓陰極發(fā)射出的高速電子與殘余氣體分子相互碰撞后引起氣體分子相互碰撞后引起氣體電離放電氣體電離放電，而電離后的氣體分子在高速而電離后的氣體分子在高速撞擊陰極撞擊陰極時時又會又會濺射出大量的濺射出大量的Ti原子原子。由于。由于Ti原子的原子的活性很高，因而它將以活性

19、很高，因而它將以吸附或化學反應吸附或化學反應的形式捕獲大量的氣體分子并在泵體內的形式捕獲大量的氣體分子并在泵體內沉積下來沉積下來，實現(xiàn)超高真空的獲得。，實現(xiàn)超高真空的獲得。n工作參數(shù)：工作參數(shù)：實際抽速：實際抽速： 決定于泵體口徑和陰極高壓決定于泵體口徑和陰極高壓極限真空：極限真空：10-8 Pan特點與使用特點與使用與旋片機械泵和分子泵配合使用，需要與旋片機械泵和分子泵配合使用，需要抽預真空抽預真空(10-6 Pa)；無油污染；超高真空；無油污染；超高真空潔凈系統(tǒng)；價格昂貴。潔凈系統(tǒng)；價格昂貴。濺射離子泵結構示意圖濺射離子泵結構示意圖（5） 濺射離子泵1 真空技術基礎 1.3 真空的獲得n

20、真空測量元件常被稱為真空測量元件常被稱為真空規(guī)真空規(guī).1.4 真空的測量1 真空技術基礎 1.4 真空的測量n真空測量技術分為低真空和高真空測量，常用的有三種方法：真空測量技術分為低真空和高真空測量，常用的有三種方法：1. 皮拉尼真空規(guī)皮拉尼真空規(guī)2. 熱偶真空規(guī)和熱偶真空規(guī)和3. 電離真空規(guī)電離真空規(guī)1.4 真空的測量1 真空技術基礎 1.4 真空的測量1 真空技術基礎 1.4 真空的測量1、熱真空計、熱真空計：工作原理：在低真空時，熱傳導與壓強成正比A、皮拉尼（皮拉尼（Pirani）真空計）真空計：測定因溫度變化引起燈絲電阻的變化燈絲電阻的變化B、熱電偶熱電偶：用熱電偶測定溫度變化引起電動

21、勢變化電動勢變化的真空計 （1）真空測量技術真空測量技術-熱偶規(guī)或皮拉尼規(guī)熱偶規(guī)或皮拉尼規(guī) P6n皮拉尼工作原理皮拉尼工作原理：通過測量熱絲的：通過測量熱絲的電阻電阻隨溫度的變化實現(xiàn)對真空度的測量。隨溫度的變化實現(xiàn)對真空度的測量。熱偶規(guī)工作原理熱偶規(guī)工作原理：氣體的熱導率隨氣體壓力變化，通過：氣體的熱導率隨氣體壓力變化，通過熱電偶熱電偶測出熱絲測出熱絲 的溫度，也就相應的測出了環(huán)境的氣體壓強。的溫度，也就相應的測出了環(huán)境的氣體壓強。 測量范圍測量范圍： 皮拉尼皮拉尼 105-10-2Pa；熱偶規(guī)；熱偶規(guī) 102-10-1Pa n特點與使用特點與使用： 都屬低真空測量，都屬低真空測量，儀器結構簡單，使用方便。儀器結構簡單，使用方便。 對不同氣體的測量結果不同，因不同氣體分子的導熱系數(shù)不同。對不同氣體的測量結果不同，因不同氣體分子的導熱系數(shù)不同。 Q = Q1 + Q2 + Q3 輻射 傳導 氣體 Q = Q1 + Q3 輻射 氣體（2