薄膜物理與技術(shù)-1 真空技術(shù)基礎(chǔ)

第一章真空技術(shù)基礎(chǔ)真空的基本知識(shí)稀薄氣體的基本性質(zhì)真空的獲得真空的測(cè)量真空與薄膜材料與技術(shù)有何關(guān)系？

幾乎所有的現(xiàn)代薄膜材料制備都需要在真空或較低的氣壓條件下進(jìn)行

都涉及真空下氣相的產(chǎn)生、輸運(yùn)和反應(yīng)過(guò)程；了解真空的基本概念和知識(shí)，掌握真空的獲得和測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)

是了解薄膜材料制備技術(shù)的基礎(chǔ)！1真空技術(shù)基礎(chǔ)1.1真空的基本知識(shí)中學(xué)物理內(nèi)容：1643年

托里切利

(Torricelli)著名的大氣壓實(shí)驗(yàn)

為人類首次揭示了真空

這個(gè)物理狀態(tài)的存在！

管內(nèi)水銀柱上方空間內(nèi)，因已排除空氣的存在而形成真空(托里切利真空)圖中A、B、C三點(diǎn)壓力相等，A、C點(diǎn)：大氣壓；B點(diǎn)：水銀柱產(chǎn)生的壓力

換句話說(shuō)：可用水銀柱產(chǎn)生的壓力作為大氣壓力的量度!

把高度為760mm的水銀柱所產(chǎn)生的壓力定義為1個(gè)大氣壓(1atm)

1atm=760mmHg！結(jié)果：得到了“真空”的物理存在和大氣壓的定義與量度依據(jù)！1.1真空的基本知識(shí)概念：利用外力將一定密閉空間內(nèi)的氣體分子移走，

使該空間內(nèi)的氣壓小于1個(gè)大氣壓，

則該空間內(nèi)的氣體的物理狀態(tài)就被稱為真空。注意：真空，實(shí)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(zhì)存在”！因此，真空可分為現(xiàn)代真空技術(shù)的極限：每cm3空間內(nèi)僅有數(shù)百個(gè)氣體分子

對(duì)應(yīng)氣壓

10-12Pa絕對(duì)真空是不存在的！1真空技術(shù)基礎(chǔ)1.1真空的基本知識(shí)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(shí)質(zhì)：一種低壓氣體物理狀態(tài)

真空度采用氣體壓強(qiáng)表征

真空度的單位=氣體壓強(qiáng)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

換算基礎(chǔ)：1N＝105dyne＝0.225lbf1atm＝760mmHg（torr）＝1.013×105

Pa＝1.013bar1真空技術(shù)基礎(chǔ)1.1真空的基本知識(shí)法定計(jì)量單位標(biāo)準(zhǔn)大氣壓定義?1真空技術(shù)基礎(chǔ)1.1真空的基本知識(shí)1.1.1真空的定義及其度量單位目前標(biāo)準(zhǔn)大氣壓定義：0oC，水銀密度；重力加速度時(shí)，760mm水銀柱所產(chǎn)生的壓強(qiáng)為1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，用atm表示，則：在此基礎(chǔ)上，可以導(dǎo)出壓強(qiáng)的非法定單位與帕之間的關(guān)系.標(biāo)準(zhǔn)大氣壓定義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(guān)系：說(shuō)明：1、mmHg是人類使用最早、最廣泛的壓強(qiáng)單位；

1958年為紀(jì)念托里切利，用托（torr）代替了mmHg：1torr＝1mmHg2、早期的真空度計(jì)量常以torr或mbar為單位；

目前隨著標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程的推進(jìn)，SI（MKS）制單位應(yīng)用日漸廣泛

真空度用Pa作單位torr/mmHgPabaratmPSI1torr

(1mmHg)1.333×102

(1.013×105/760)1.333×10-3

(1.013/760)1.316×10-3

(1/760)1.9337×10-21Pa7.501×10-3

(760/1.013×105)10-59.869×10-6

(1/1.013×105)1.4504×10-41bar7.501×1021059.869×10-11.4504×1011atm760.01.013×1051.0131.4696×1011PSI51.71496.8948×1036.8948×10-26.8046×10-2法定計(jì)量單位1真空技術(shù)基礎(chǔ)1.1真空的基本知識(shí)記憶：33441.1.2真空度的劃分1真空技術(shù)基礎(chǔ)1.1真空的基本知識(shí)氣態(tài)空間近似為大氣狀態(tài)，分子以熱運(yùn)動(dòng)為主，分子之間碰撞頻繁。低真空，可以獲得壓力差而不改變空間的性質(zhì)。（如吸塵器、抽濾）容器中分子數(shù)很少，分子平均自由程大于一般容器的線度，分子流動(dòng)為分子流，分子與容器壁碰撞為主，在此真空下蒸發(fā)材料，粒子將按直線飛行。（拉制單晶、表面鍍膜、電子管生產(chǎn)）中真空，氣體分子密度與大氣狀態(tài)有很大差別。氣體分子的流動(dòng)從黏滯流狀態(tài)向分子狀態(tài)過(guò)渡，氣體對(duì)流現(xiàn)象消失。氣體中帶電離子在電場(chǎng)作用下，

產(chǎn)生氣體導(dǎo)電現(xiàn)象。（離子鍍、濺射鍍膜等氣體放電和低溫等離子體相關(guān)鍍膜技術(shù)）氣體分子數(shù)更少，幾乎不存在分子間碰撞，此時(shí)氣體分子在固體表面上是以吸附停留為主。入射固體表面的分子數(shù)達(dá)到單分子層需要的時(shí)間也較長(zhǎng)，可以獲得純凈表面。（薄膜沉積、表面分析…)氣體分子入射固體表面的頻率已經(jīng)很低，可以保持表面潔凈。適合分子尺寸加工及納米科學(xué)的研究。1.1.3氣體與蒸氣1真空技術(shù)基礎(chǔ)1.1真空的基本知識(shí)臨界溫度：對(duì)于每一種氣體都有一個(gè)特定的溫度，高于此溫度，氣體無(wú)論如何壓縮都不會(huì)液化，這個(gè)溫度稱為該氣體的臨界溫度。溫度高于臨界溫度的氣態(tài)物質(zhì)稱為氣體，低于臨界溫度的氣態(tài)物質(zhì)稱為蒸氣。實(shí)際應(yīng)用中，通常以室溫標(biāo)準(zhǔn)來(lái)區(qū)分氣體和蒸氣。表1-2各種物質(zhì)的臨界溫度。P3氣態(tài)的兩種形式常見物質(zhì)的臨界溫度：空氣-1400C；氧氣-1180C；

氮?dú)?267.80C酒精2430C；水374.20C；Fe37000C1.2稀薄氣體的性質(zhì)1.2.1理想氣體定律（一定質(zhì)量的氣體）式中：n—分子密度(個(gè)/m3)；k—玻爾茲曼常數(shù)，1.38×10-23J/K；P—?dú)怏w壓強(qiáng)(Pa)；T—?dú)怏w溫度(K)；V—?dú)怏w體積(m3)；m—?dú)怏w質(zhì)量(kg)；M—?dú)怏w分子量(kg/mol)；R—普適氣體常數(shù)，R=NA·k=8.314J/mol·K；NA—Avogadro常數(shù)，6.02×1023

個(gè)/mol；

Avogadro定律：

一定溫度、壓力下，各種氣體單位體積內(nèi)含有的分子數(shù)相同。理想氣體狀態(tài)方程：或（1）波義耳定律T恒定（2）蓋呂薩克定律P恒定（3）查理定律V恒定1真空技術(shù)基礎(chǔ)1.2稀薄氣體的性質(zhì)氣體分子密度1.2.2氣體分子的速度分布在平衡狀態(tài)時(shí)，分布在任一速度區(qū)間v～v+dv內(nèi)，分子的幾率，滿足麥克斯韋-波爾茲曼分布：麥克斯韋速度分布函數(shù)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(shuō)一個(gè)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(shù)基礎(chǔ)1.2稀薄氣體的性質(zhì)1.2.2氣體分子的速度分布1真空技術(shù)基礎(chǔ)1.2稀薄氣體的性質(zhì)平衡溫度越低，曲線越陡，分子按速率分布越集中；溫度越高，曲線越平緩，分子按速率分布越分散。1.最可幾速率（速率極大值?）2.平均速率3.均方根速率討論速度分布計(jì)算分子運(yùn)動(dòng)平均距離計(jì)算分子平均動(dòng)能1.2.2氣體分子的速度分布1真空技術(shù)基礎(chǔ)1.2稀薄氣體的性質(zhì)物理意義是：若把整個(gè)速率范圍分成許多相等的小區(qū)間，則Vm所在的區(qū)間內(nèi)的分子數(shù)占分子總數(shù)的百分比最大，又稱為最概然速率。利用概率求平均值，對(duì)于連續(xù)型隨機(jī)變量，若分布函數(shù)為P(X),則統(tǒng)計(jì)平均值定義為：例1．

計(jì)算400K溫度下氧氣的方均根速率、平均速率和最可幾速率。1真空技術(shù)基礎(chǔ)1.2稀薄氣體的性質(zhì)1.2.2氣體分子的速度分布1.最可幾速率2.平均速率3.均方根速率空氣25℃時(shí)每個(gè)氣體分子在與其它氣體分子連續(xù)2次碰撞之間運(yùn)動(dòng)經(jīng)歷的路程。平均自由程（）：氣體分子自由程的統(tǒng)計(jì)平均值。

1.2.3氣體分子的自由程（

）σ-分子直徑；n－分子密度P=10-4Pa時(shí)，P=10-3Pa時(shí)，薄膜技術(shù)中最常用的真空度為10-4Pa，自由程大約是66米。即使再差，10-3Pa，自由程大約是6.6米。1真空技術(shù)基礎(chǔ)1.2稀薄氣體的性質(zhì)氣體吸附：

氣體吸附就是固體表面俘獲氣體分子的現(xiàn)象。分為物理吸附和化學(xué)吸附。物理吸附靠分子間的相互吸引引起的，任何氣體在固體表面均會(huì)發(fā)生，吸附后容易脫附?；瘜W(xué)吸附在較高溫度下發(fā)生，只有當(dāng)氣體與固體表面原子接觸生成化合物時(shí)才能產(chǎn)生吸附作用，氣體不易脫附。氣體脫附

是氣體吸附的逆過(guò)程。影響因素：氣體的壓強(qiáng)、固體的溫度、固體表面吸附氣體的密度以及固體本身的性質(zhì)如光潔程度、清潔度等1.2.4碰撞次數(shù)與余弦散射定律(氣體分子與表面的相互作用)1真空技術(shù)基礎(chǔ)1.2稀薄氣體的性質(zhì)包括：氣體分子跟器壁表面的碰撞，也包括反射或被吸附。1.2.4碰撞次數(shù)與余弦散射定律入射頻率ν（入射通量或碰撞次數(shù)）：?jiǎn)挝粫r(shí)間，在單位面積的器壁上發(fā)生碰撞的氣體分子數(shù)赫茲－克努曾公式描述氣體熱運(yùn)動(dòng)重要公式1真空技術(shù)基礎(chǔ)1.2稀薄氣體的性質(zhì)入射頻率P=1.3*10-4Pa，T=270C襯底完全被一層分子覆蓋所需時(shí)間：N為表面原子密度常溫常壓下，潔凈表面被雜質(zhì)完全覆蓋所需時(shí)3.5

10-9s,而在10-8Pa的高真空中，這一時(shí)間為10h。所以在薄膜制備技術(shù)中獲得和保持適當(dāng)?shù)恼婵斩仁呛苤匾摹?.2.4碰撞次數(shù)與余弦散射定律1真空技術(shù)基礎(chǔ)1.2稀薄氣體的性質(zhì)例1，求0℃，P=1.3

10-4Pa氧氣，1）氣體分子密度；2)分子平均速度；3）平均自由程；4）碰撞次數(shù)；5）固體表面形成形成單分子層的時(shí)間；6）每分鐘成膜厚度。（已知0℃氧氣分子直徑3.6

10-8cm，單分子層分子數(shù)8.7

1014個(gè)/cm2）解：（1）氣體分子密度（2）分子平均速度

（3）平均自由程1真空技術(shù)基礎(chǔ)1.2稀薄氣體的性質(zhì)1真空技術(shù)基礎(chǔ)1.2稀薄氣體的性質(zhì)4）碰撞次數(shù)5）固體表面形成形成單分子層的時(shí)間6）每分鐘成膜厚度若P=1.3

10-8Pa，t=2.3

104s1真空技術(shù)基礎(chǔ)1.2稀薄氣體的性質(zhì)課本P6反射情況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成θ角的余弦進(jìn)行分布。一個(gè)分子在離開其表面時(shí)，處于立體角dω中的幾率為理論與實(shí)驗(yàn)研究證明了如下的余弦定律。1真空技術(shù)基礎(chǔ)1.2稀薄氣體的性質(zhì)1.2.4碰撞次數(shù)與余弦散射定律余弦定律（又稱克努曾定律），重要意義在于：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。1真空技術(shù)基礎(chǔ)1.2稀薄氣體的性質(zhì)1.2.4碰撞次數(shù)與余弦散射定律想要得到高純度的薄膜，就必須盡量在較高真空度的環(huán)境下，或是在不會(huì)與薄膜材料產(chǎn)生反應(yīng)的氬氣等的惰性氣體中進(jìn)行。（1）避免被蒸發(fā)分子或原子與氣體分子發(fā)生碰撞；（2）避免被蒸發(fā)分子或原子與氣體分子發(fā)生反應(yīng)。特例：也有故意讓原料氣體和其它氣體發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)生新的性質(zhì)優(yōu)良的材料的情形，這種稱為反應(yīng)性濺鍍或是反應(yīng)性蒸鍍。1真空技術(shù)基礎(chǔ)1.2稀薄氣體的性質(zhì)1.2.5真空在薄膜制備中的作用1真空技術(shù)基礎(chǔ)1.2稀薄氣體的性質(zhì)1.2.5真空在薄膜制備中的作用

蒸發(fā)分子在行進(jìn)中，一部分會(huì)被殘余氣體分子碰撞而散亂。設(shè)N0個(gè)蒸發(fā)分子行進(jìn)距離d后未受到殘留氣體分子碰撞的數(shù)目為：被碰撞的分子N1與總分子數(shù)N0的比例關(guān)系：當(dāng)平均自由程等于蒸發(fā)源到基片的距離時(shí)，有63%的分子會(huì)受到散射；平均自由程增大10倍，則碰撞的分子數(shù)減少到9%。當(dāng)平均自由程比蒸發(fā)源到基片的距離大的多的情況下，才能有效地減少碰撞。e=2.718真空度對(duì)薄膜質(zhì)量的影響考慮自由程：薄膜技術(shù)中最常用的真空度為10-4Pa，自由程大約是66米。即使再差，10-3Pa，自由程大約是6.6米。所以不需要考慮飛行中的薄膜材料(蒸發(fā)分子)和殘存氣體沖撞所產(chǎn)生的影響。

P=10-4Pa時(shí)，P=10-3Pa時(shí)，1真空技術(shù)基礎(chǔ)1.2稀薄氣體的性質(zhì)1.2.5真空在薄膜制備中的作用1真空技術(shù)基礎(chǔ)1.2稀薄氣體的性質(zhì)1.2.5真空在薄膜制備中的作用殘余氣體分子到達(dá)基片的速率：蒸發(fā)分子到達(dá)基片的速率：1真空技術(shù)基礎(chǔ)1.3真空的獲得1.3.1氣體的流動(dòng)狀態(tài)高真空時(shí)，氣體分子除與容器壁碰撞外，幾乎不發(fā)生氣體分子間的相互碰撞。這種氣體流動(dòng)狀態(tài)稱為分子流動(dòng)狀態(tài)。分子流動(dòng)狀態(tài)的特點(diǎn)是氣體分子的平均自由程超過(guò)了氣體容器的尺寸或與其相當(dāng)。氣壓較高時(shí)，氣體分子的平均自由程很短，氣體分子相互碰撞極為頻繁。這種氣體流動(dòng)狀態(tài)稱為氣體的粘滯流動(dòng)狀態(tài)。粘滯流動(dòng)狀態(tài)物理機(jī)理復(fù)雜。低速流時(shí)，粘滯流動(dòng)處于層流狀態(tài)。

氣體流速較高，各種氣體流動(dòng)方向間不再能保持相互平行的狀態(tài)，而呈現(xiàn)出一種旋渦式的流動(dòng)形式。流動(dòng)氣體中出現(xiàn)一些低氣壓的漩渦，流動(dòng)路徑上的任何微小阻礙都會(huì)對(duì)流動(dòng)產(chǎn)生很大影響，這種流動(dòng)狀態(tài)稱滯留狀態(tài)。氣體流動(dòng)可按克努森準(zhǔn)數(shù)來(lái)劃分：Kn=D/

D為容器尺寸；為平均自由程分子流狀態(tài)：Kn1

中間狀態(tài)：Kn=1~110

粘滯流狀態(tài)：Kn

110氣體流動(dòng)狀態(tài)與真空系統(tǒng)尺寸和氣體壓力之間的關(guān)系1真空技術(shù)基礎(chǔ)1.3真空的獲得1.3.1氣體的流動(dòng)狀態(tài)目前常用獲得真空的設(shè)備有：旋轉(zhuǎn)式機(jī)械真空泵油擴(kuò)散泵復(fù)合分子泵分子篩吸附泵鈦升華泵濺射離子泵低溫泵屬于氣體傳輸泵，即通過(guò)氣體吸入并排出真空泵從而達(dá)到排氣的目的屬于氣體捕獲泵，即通過(guò)各種吸氣材料特有的吸氣作用將被抽氣體吸除，以達(dá)到所需真空。不需要油作為介質(zhì)，又稱為無(wú)油泵1真空技術(shù)基礎(chǔ)1.3.2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(nèi)的空氣抽出，使其內(nèi)部壓強(qiáng)保持在<1atm的特定壓強(qiáng)范圍！各種真空泵（Pump）極限真空（極限壓強(qiáng)Pu）和抽氣速率——是表示真空泵性能的兩個(gè)重要參數(shù)。極限壓強(qiáng)是該系統(tǒng)所能達(dá)到的最低壓強(qiáng)；抽氣速率是在規(guī)定壓強(qiáng)下單位時(shí)間抽出氣體的體積，它決定抽真空所需要的時(shí)間。理論上，一個(gè)系統(tǒng)所能達(dá)到的真空度：Pu-真空泵的極限真空（Pa），Q-泵內(nèi)各種氣源（Pa·L/s），S-泵的抽氣速率（L/s），V-真空室體積（L），Pi-被抽空間氣體的分壓強(qiáng)（Pa），t-時(shí)間（s）1真空技術(shù)基礎(chǔ)1.3.2真空的獲得1.3.2真空的獲得真空泵的分類及常用工作壓強(qiáng)范圍說(shuō)明：從大氣壓力開始抽氣，沒有一種真空泵可以涵蓋從1atm到10-8Pa的工作范圍

真空泵往往需要多種泵組合構(gòu)成復(fù)合抽氣系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)以更高的抽氣效率達(dá)到所需的高真空！氣體輸運(yùn)泵旋片式機(jī)械泵（RotaryPump）單級(jí)：105~1Pa雙級(jí)：105~10-2Pa羅茨泵（BoosterPump/RootsPump）103~10-1Pa油擴(kuò)散泵（DiffusionPump）1~10-6Pa渦輪分子泵（TurbomolecularPump）1~10-8Pa