真空科學(xué)技術(shù)

11.1真空的基本知識(shí)

真空：低于一個(gè)大氣壓的氣體空間。自然真空：宇宙空間所自然存在的人為真空：人類利用真空泵抽取所獲得的絕對(duì)真空：完全沒有氣體的空間狀態(tài)相對(duì)真空：氣體稀薄，分子數(shù)較少的狀態(tài)

氣體分子數(shù)密度大氣壓下P=105Pa，高真空下

P=10-11Pa，第1頁(yè)/共30頁(yè)第一頁(yè)，共31頁(yè)。2單位帕/Pa托/Torr毫巴/mbar標(biāo)準(zhǔn)大氣壓1Pa17.5×10-3

1×10-2

9.87×10-6

1Torr133.311.3331.316×10-3

1mba1000.7519.87×10-4

1atm1.013×1057601.013×103

1

真空（壓強(qiáng)）單位

真空度和壓強(qiáng)壓強(qiáng)越低，真空度越高；壓強(qiáng)越高，真空度越低。國(guó)際單位：帕斯卡（Pascal）Pa常用單位：托（Torr）毫米汞柱（mmHg）巴（bar）標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（atm）

1.1真空的基本知識(shí)第2頁(yè)/共30頁(yè)第二頁(yè)，共31頁(yè)。3粗真空:1x105－1x102Pa（粘滯流）

真空干燥、真空浸漬低真空:1x102－1x10-1Pa（過(guò)渡狀態(tài)）熱處理、低壓化學(xué)氣相沉積高真空:1x10-1－1x10-6Pa（分子流）

濺射鍍膜，真空蒸發(fā)鍍膜超高真空

:<

1x10-6Pa

表面物理，表面分析，MBE?真空的劃分1.1真空的基本知識(shí)第3頁(yè)/共30頁(yè)第三頁(yè)，共31頁(yè)。4?稀薄氣體的狀態(tài)方程在真空技術(shù)中所接觸的是稀薄氣體，這種稀薄氣體在性質(zhì)上與理想氣體的差異很小。因此，在研究稀薄氣體的性質(zhì)時(shí)，可不加修正地直接應(yīng)用理想氣體的狀態(tài)方程。1.2稀薄氣體的基本性質(zhì)理想氣體狀態(tài)方程：普適氣體常量:R=8.31J/molK玻耳茲曼常量:k=1.38×10-23J/K第4頁(yè)/共30頁(yè)第四頁(yè)，共31頁(yè)。5?氣體分子的速率分布?xì)怏w分子運(yùn)動(dòng)論認(rèn)為：氣體的大量分子每時(shí)每刻都處于無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)之中，氣體分子之間以及氣體分子與容器壁之間，發(fā)生著不斷的碰撞過(guò)程，這種碰撞過(guò)程的結(jié)果之一是使氣體分子的速度服從一定的統(tǒng)計(jì)分布。氣體分子的運(yùn)動(dòng)速率υ服從麥克斯韋爾-玻耳茲曼（Maxwell-Boltzmann）分布。1.2稀薄氣體的基本性質(zhì)第5頁(yè)/共30頁(yè)第五頁(yè)，共31頁(yè)。6?三種統(tǒng)計(jì)速率1.2稀薄氣體的基本性質(zhì)1）最概然速率2）平均速率速率與聲速（340m/s）相比擬3）方均根速率第6頁(yè)/共30頁(yè)第六頁(yè)，共31頁(yè)。71.2稀薄氣體的基本性質(zhì)?平均自由程

氣體分子在連續(xù)兩次碰撞之間的平均路程稱分子的平均自由程。大氣壓下P=105Pa，高真空下

P=10-8Pa，估算：常溫下（300K），空氣分子直徑取0.4nmd為氣體分子的直徑第7頁(yè)/共30頁(yè)第七頁(yè)，共31頁(yè)。81.2稀薄氣體的基本性質(zhì)?氣體的入射頻率（入射通量）入射頻率是真空及鍍膜技術(shù)中常用到的一個(gè)物理量，是氣體分子對(duì)于容器壁單位面積的碰撞頻率，即單位時(shí)間內(nèi)單位表面積受到氣體分子碰撞的次數(shù)。用字母J

來(lái)表示。赫茲-克努曾（Hertz-Knudsen）公式阿伏加得羅常數(shù):NA=6.02×1023/mol第8頁(yè)/共30頁(yè)第八頁(yè)，共31頁(yè)。91.2稀薄氣體的基本性質(zhì)例：作為赫茲-克努曾公式的一個(gè)應(yīng)用，我們來(lái)計(jì)算一下在高真空環(huán)境中，清潔表面被環(huán)境中的雜質(zhì)氣體分子污染所需要的時(shí)間。求解：假設(shè)每一個(gè)向清潔表面運(yùn)動(dòng)過(guò)來(lái)的氣體分子都是雜質(zhì)，并均被表面所俘獲。則可以求出表面完全被一層雜質(zhì)氣體分子覆蓋所需要的時(shí)間式中，N為基板表面單位面積上能容納的單分子層內(nèi)的氣體分子數(shù)。第9頁(yè)/共30頁(yè)第九頁(yè)，共31頁(yè)。101.2稀薄氣體的基本性質(zhì)估算：?jiǎn)挝幻娣e上單分子層的氣體分子數(shù)目N。氣體分子的尺寸在0.4nm左右，則一個(gè)分子覆蓋的面積約為0.16nm2，則：大氣壓下P=105Pa，高真空下

P=10-8Pa，第10頁(yè)/共30頁(yè)第十頁(yè)，共31頁(yè)。111.2稀薄氣體的基本性質(zhì)?余弦定律

碰撞于固體表面的分子它們飛離表面的方向與原入射方向無(wú)關(guān)，并按與表面法線方向所成角度的余弦進(jìn)行分布。一個(gè)分子離開固體表面時(shí)，處于立體角中的幾率為：θ為出射方向與法線所成的角度余弦定律的重要意義：它揭示了固體表面對(duì)氣體分子作用的另一個(gè)方面，即分子原有的方向性徹底“消除”，均按余弦定律散射。分子在固體表面上要停留一定的時(shí)間，這是氣體分子能夠與固體進(jìn)行能量交換和動(dòng)量交換的先決條件，這一點(diǎn)有重要意義。第11頁(yè)/共30頁(yè)第十一頁(yè)，共31頁(yè)。121.2稀薄氣體的基本性質(zhì)?真空度對(duì)薄膜質(zhì)量的影響

平均自由程的影響薄膜技術(shù)中最常用的真空度為10-4Pa，自由程大約是60米。即使再差，10-3Pa，自由程大約是6米。而一般的薄膜原料和襯底之間相距10cm左右，所以不需要考慮飛行中的薄膜原子和殘存氣體碰撞所產(chǎn)生的影響。如果真空度太低，薄膜原子的碰撞增加，難于沉積到襯底上，并且碰撞過(guò)程中容易與殘余氣體發(fā)生反應(yīng)，影響薄膜質(zhì)量。第12頁(yè)/共30頁(yè)第十二頁(yè)，共31頁(yè)。131.2稀薄氣體的基本性質(zhì)?真空度對(duì)薄膜質(zhì)量的影響殘余氣體混雜的影響真空度差個(gè)10倍（10－３Pa），雜質(zhì)含量相當(dāng)于10～20％，真空度提高10倍（10－５Pa），雜質(zhì)含量為0.1～0.2％。P=10－4Pa時(shí)，如果撞擊過(guò)來(lái)的殘存氣體分子全部被吸附，那么3s

時(shí)間就有約一層殘余氣體混入薄膜中，相當(dāng)于1分鐘混入20層雜質(zhì)氣體，約10～20nm/分鐘。薄膜較常用的生長(zhǎng)速率是1μm/分鐘。因此，假設(shè)氣體分子全部混入薄膜里面的話（實(shí)際上不會(huì)全部），就相當(dāng)于有1～2％的不純物混入在薄膜里面。真空度越高，所得到的薄膜質(zhì)量越好，純度越高；但真空度越高，抽取真空所需費(fèi)用也越高，設(shè)備越貴！第13頁(yè)/共30頁(yè)第十三頁(yè)，共31頁(yè)。14三、真空的獲得大氣狀態(tài)所需真空度?真空泵：具有抽氣功能的設(shè)備?復(fù)合真空泵：前級(jí)泵＋次級(jí)泵?真空泵的分類（1）輸運(yùn)式真空泵：以壓縮方式將氣體輸送到系統(tǒng)之外。a、機(jī)械式氣體輸運(yùn)泵：旋片式機(jī)械真空泵、羅茨泵、渦輪分子泵。

b、氣流式氣體輸運(yùn)泵：油擴(kuò)散泵。（2）捕獲式真空泵：依靠凝結(jié)或吸附氣體分子的方式將氣體捕獲，并排出系統(tǒng)之外。如低溫吸附泵、濺射離子泵。第14頁(yè)/共30頁(yè)第十四頁(yè)，共31頁(yè)。151.3真空的獲得?機(jī)械泵

RotaryVanePumps第15頁(yè)/共30頁(yè)第十五頁(yè)，共31頁(yè)。16工作原理：依靠插在偏心轉(zhuǎn)子中的數(shù)個(gè)可以滑進(jìn)滑出的旋片將泵體內(nèi)的氣體隔離、壓縮，然后將其排出泵體之外。極限真空度：10-2－10-1

Pa左右。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠。缺點(diǎn)：油蒸氣回流、引起污染1.3真空的獲得第16頁(yè)/共30頁(yè)第十六頁(yè)，共31頁(yè)。17工作原理：兩個(gè)8字形的轉(zhuǎn)子以相反的方向旋轉(zhuǎn)，兩個(gè)轉(zhuǎn)子始終保持相切合，咬合精度很高，切合處氣體始終不能通過(guò)，只能從上、下兩邊被掃出真空系統(tǒng)。用作次級(jí)泵。極限真空度：

10-4Pa左右(雙級(jí))。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)油氣回流，抽速很大。缺點(diǎn)：泵體與轉(zhuǎn)子發(fā)熱、膨脹，造成泵體損壞；當(dāng)氣體壓力低于10-1

Pa時(shí)，氣體回流造成抽速降低。?羅茨泵（RootsPumps）1.3真空的獲得第17頁(yè)/共30頁(yè)第十七頁(yè)，共31頁(yè)。18工作原理：

將油加熱至高溫蒸發(fā)狀態(tài)(2000C)，讓油蒸氣呈多級(jí)狀向下定向高速噴出(200m/s)時(shí)不斷撞擊氣體分子，并將部分動(dòng)量傳遞給這些氣體分子，使其被迫向排氣口方向運(yùn)動(dòng)，在壓縮作用下排出泵體。同時(shí)，被泵體冷卻后的油蒸氣又會(huì)凝結(jié)起來(lái)返回泵的底部。極限真空度：

10-6Pa左右。優(yōu)點(diǎn)：極限真空度高，抽速很大。缺點(diǎn)：油蒸氣回流，污染。工作狀態(tài)：

不能與大氣直接相連，使用油擴(kuò)散泵之前，需要采用各種形式的機(jī)械泵將系統(tǒng)預(yù)抽至1Pa以下。

?擴(kuò)散泵（DiffusionPumps）1.3真空的獲得第18頁(yè)/共30頁(yè)第十八頁(yè)，共31頁(yè)。19?渦輪分子泵

TurboMolecularPumps1.3真空的獲得第19頁(yè)/共30頁(yè)第十九頁(yè)，共31頁(yè)。20工作原理：

渦輪分子泵的轉(zhuǎn)子葉片具有特定的形狀，在它以20000～30000r/min的高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片將動(dòng)量傳給氣體分子，同時(shí)，渦輪分子泵中裝有很多級(jí)葉片，上一級(jí)葉片輸送過(guò)來(lái)的氣體分子又會(huì)受到下一級(jí)葉片的作用而被進(jìn)一步壓縮至更下一級(jí)。像油擴(kuò)散泵一樣，也是靠對(duì)氣體分子施加作用力，并使氣體分子向特定的方向運(yùn)動(dòng)的原理來(lái)工作的。極限真空度：

10-8Pa左右。優(yōu)點(diǎn)：極限真空度高，油蒸氣的回流可以忽略，壓縮比高，抽速可1000L/s。缺點(diǎn)：價(jià)格較高。工作狀態(tài)：不能與大氣直接相連，在使用中多用旋片式機(jī)械泵作為其前級(jí)泵。1.3真空的獲得第20頁(yè)/共30頁(yè)第二十頁(yè)，共31頁(yè)。21工作原理：依靠氣體分子會(huì)在低溫下自發(fā)凝結(jié)或被其他物質(zhì)表面吸附的物理現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體分子的去除，進(jìn)而獲得高真空。極限真空度：

10-8Pa左右，取決于所采用的低溫溫度、吸附物質(zhì)的表面積、被吸附氣體的種類等因素。優(yōu)點(diǎn)：極限真空度高，可獲得無(wú)油高真空；除H2、He、Ne外，對(duì)各種氣體抽速均很大。缺點(diǎn)：運(yùn)轉(zhuǎn)成本較高。工作狀態(tài)：既可以只配以旋片泵等低真空泵種作為惟一的高真空泵使用，又可以與其他高真空泵種，如渦輪分子泵等聯(lián)合使用，預(yù)真空度應(yīng)達(dá)到10-1以下，以減少吸附泵的負(fù)荷并避免在泵體內(nèi)積聚過(guò)厚的氣體冷凝產(chǎn)物。?低溫吸附泵（DiffusionPumps）1.3真空的獲得第21頁(yè)/共30頁(yè)第二十一頁(yè)，共31頁(yè)。22?離子泵（IonPumps）1.3真空的獲得第22頁(yè)/共30頁(yè)第二十二頁(yè)，共31頁(yè)。23工作原理：

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電離放電，而電離后的氣體分子在高速撞擊Ti陰極時(shí)又會(huì)濺射出大量的Ti原子。由于Ti原子的活性很高，因而它將以吸附或化學(xué)反應(yīng)的形式捕獲大量的氣體分子并使其在泵體內(nèi)沉積下來(lái)，從而在真空室內(nèi)造成無(wú)油的高真空環(huán)境。極限真空度：

10-8Pa左右，取決于所抽氣體的活性等因素。優(yōu)點(diǎn)：極限真空度高，可獲得無(wú)油高真空。缺點(diǎn)：壽命有限。1.3真空的獲得第23頁(yè)/共30頁(yè)第二十三頁(yè)，共31頁(yè)。241.3真空的獲得第24頁(yè)/共30頁(yè)第二十四頁(yè)，共31頁(yè)。251.4真空的測(cè)量?真空計(jì)（規(guī)管）：測(cè)量真空度的儀器直接測(cè)量：直接測(cè)量殘余氣體的壓強(qiáng)（當(dāng)氣體壓強(qiáng)很低時(shí)，直接測(cè)量很困難）間接測(cè)量：測(cè)量與壓強(qiáng)有關(guān)的物理量（實(shí)際的真空計(jì)都是屬于間接測(cè)量）

熱偶真空計(jì)：利用低氣壓下熱傳導(dǎo)與壓強(qiáng)有關(guān)的原理制成電離真空計(jì)：利用熱電子電離殘余氣體，離子流與壓強(qiáng)有關(guān)的原理制成

第25頁(yè)/共30頁(yè)第二十五頁(yè)，共31頁(yè)。261.4真空的測(cè)量?熱偶真空計(jì)工作原理：

Q為電源加熱燈絲產(chǎn)生的熱量，Q1為輻射熱量，Q2為燈絲與熱偶絲的傳導(dǎo)熱量，Q3為氣體分子碰撞燈絲而帶走的熱量。熱平衡時(shí)，Q1、Q2為恒量，Q3隨氣體壓強(qiáng)而變化。壓強(qiáng)越小，因碰撞而帶走的熱量越少，溫度越高，溫差電動(dòng)勢(shì)越高；反之亦然！測(cè)量范圍：0.1～100Pa

問題：為什么熱偶真空規(guī)管不能用于較低或較高真空度的測(cè)量，只能用于0.1～100Pa？原因：1、在氣體壓力高于100Pa時(shí)，氣體的熱導(dǎo)率將不再隨氣體壓力而顯著變化。此時(shí)，用熱絲溫度測(cè)量氣體壓力方法的靈敏度將迅速下降。2、當(dāng)氣體壓力低于0.1Pa以后，由氣體分子傳導(dǎo)走的熱量在總的加熱功率中比例過(guò)小，測(cè)量的靈敏度也將呈下降趨勢(shì)。第26頁(yè)/共30頁(yè)第二十六頁(yè)，共31頁(yè)。271.4真空的測(cè)量?電離真空計(jì)工作原理：熱陰極發(fā)射出的電子將在飛向陽(yáng)極的過(guò)程中碰撞氣體分子，并使后者發(fā)生電離，由離子收集極接收電離的離子，并根據(jù)離子電流強(qiáng)