Chapter1真空基本知识
真空技术基础
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。
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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。
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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。）
真空知识培训教材
真空理论知识培训拟制：许坤良目录：一.基础知识：二.往复式真空泵：三.旋片式油封机械真空泵：四.罗茨式真空泵：五.分子真空泵：六.油扩散泵：七.低温泵：八.真空泵流量的测量方法：九.冲洗抽气法：一.基础知识：1.真空及其度量：真空----一般是指在给定的空间内，压力低于101325Pa的气体状态。
在真空状态下，气体的稀薄程度，通常用气体的压力值来表示。
真空的主要特性-----真空状态同正常的大气状态相比较，气体较为稀薄，即单位体积内的分子数目较少，分子之间或分子与其他质点（如电子、离子）之间的碰撞几率减少，分子在单位时间内碰撞于单位表面积（如器壁）上的次数也相对减少。
分为：“自然真空”和“人为真空”人为真空---是指人们对一个容器进行抽气而获得的真空空间。
气体的稀薄程度叫真空度。
真空度可用气体压强、分子密度、平均自由程和形成一个单分子层的时间来描述，在真空科学与技术中，通常都用气体的压强来表示。
气体压强越低，真空度越高。
2.换算关系：1atm=1.01325*105Pa （1Pa=1N/m2）（760mmHg）1atm=760mmHg=760Torr（标准大气压）1Torr=133.322Pa（1Pa=7.5*10-3Torr=0.0075Torr=7.5mTorr）1bar=105Pa=750Torr 1Pa=7.5mTorr 1mbar=750mTorr3.各真空区域的物理特性及应用：低真空：1*105Pa-----1*102Pa=0.75Torr=750mTorr中真空：1*102-----1*10-1Pa=0.75mTorr高真空：1*10-1----1*10-6Pa=7.5mTorr超高真空：1*10-6---1*10-12Pa极高真空：小于10-12Torr3.1低真空（1*105Pa-----1*102Pa）在低真空状态下，气态空间的特性和常压时相比，没有明显的不同。
气体分子仍以杂乱无章的热运动为主，气体分子间的相互碰撞十分频繁。
一章真空技术基础pptppt课件-PPT课件
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
真空技术的基本知识
例：2X一70 表示双级旋片式真空泵,抽气速率为70L／S。
利用真空与大气之间的压力差所产生的力可实现真空在下述 方面的力学应用。
具体应用： 1. 真空吸引和输运固体、液体、胶体和微粒； 2. 真空吸盘起重、真空医疗器械； 3. 真空成型，复制浮雕； 4. 真空过滤； 5. 真空浸渍。
中真空 1.33×102 ~1.33×10-1（Pa）
气体分子间，分子与器壁间的相互碰撞不相上下，气体分子 密度较小 。
1. 真空的含义及表征
1.1大气与真空 1.2真空度的表征及单位 1.3真空区域的划分
2. 真空的获得
2.1 真空获得设备 旋片泵 定片式真空泵 往复泵 罗茨泵 水环真空泵 分子泵 滑阀式真空泵 油扩散泵
2.2 真空泵的选型
第一章 真空技术的基本知识
3. 真空测量及其设备
3.1 什么是真空测量
高的压强；
1.3 真空区域的划分
划分依据：真空在技术上的应用特点、真空的物理特性、 真空获得设备和真空检测仪表的有效适用范围 （GB3163）
低真空 1.33×105 ~1.33×102（Pa）
低真空这种气体状态与常压状态相比较，只有分子数目由多 变少的变化，而无气体分子空间特性的变化,分子相互间碰撞频 繁。
2. 真空的获得
分子密度减小 分子数减少
抽走 化学反应
吸附 结晶 容积扩大
2.1 真 空 获 得 设 备
真空技术基础知识1
真空技术基础知识真空技术发展到今天已广泛的渗透到各项科学技术和生产领域,它日益成为许多尖端科学、经济建设和人民生活等方面不可缺少的技术基础.作为现代科学技术主要标志的电子技术、核技术、航天技术的发展都离不开真空,反过来它们飞跃前进正在推动真空技术的迅速发展,成为真空科学技术发展史上的三个飞跃阶段,从而使真空技术由原来主要应用领域电真空工业,扩展到低温超导技术、薄膜技术、表面科学、微电子学、航海工程和空间科学等近代尖端科学技术中来.至于在一般工业中应用实在种类繁多,不胜枚举.它涉及冶金、化工、.医药、制盐、制糖、食品等工业都广泛使用真空技术.例如有机物的真空蒸馏,某些溶液的浓缩、析晶、真空脱水、真空干燥等.人们还利用真空中的各种特点,研制生产出真空吊车、电子管、显像管、中子管.就连人们日常生活中使用的灯管、暖水瓶、真空除尘器等都离不开真空技术.1.真空与真空区域的划分“真空”是指在给定的空间内,气体分子密度低于该地区大气压下的气体分子密度的稀薄气体状态。
不同的真空状态有不同的气体分子密度。
在标准状态下，每立方厘米的分子数为2.6870×1019个，而在真空度为10-4帕时，每立方厘米的分子数为3.24×1010个，即使用最现代的抽气方法获得的最高真空度10-13帕时，每立方厘米中仍有3.24×10个分子。
所以真空是一相对概念，绝对真空是不存在的。
气体分子密度小、分子之间相互碰撞不那么频繁，单位时间内碰撞容器壁的分子数减少，从而使真空状态下热传导与对流小，绝热性能强，可降低物质的沸点和汽化点等。
真空的这些特点被广泛应用到生活、生产和科研的各个领域中。
真空度是对气体稀薄程度的一种客观量度。
它本应用单位体积中的分子数来量度，但由于历史的原因，真空度的高低仍通常用各向同性的物理量“气体压强”来表示。
气体压强越低，表示真空度越高；反之，压强越高，真空度就越低。
在真空技术领域中，过去常用的压强单位为托（torr），它与目前国际单位制中压强单位帕斯卡的换算关系为：1帕=1牛顿/米2=1千克/米.秒2=7.50062×10-3（托）1托=1/760（标准大气压）=101325.0/760（帕）=133.3224（帕）为使用方便，人们根据真空技术的应用特点、真空物理特性和真空机械泵、真空计的有效使用范围，将真空划分为不同区域及对应的物理特点和主要应用领域，如表1所示。
真空基本知识
•真空泵是吸入口形成负压，排气口直通大气，两端压力比很大抽出气体的机械
右图是运用真空泵的典型真 空回路
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2 真空获得
☞ 机械泵
Rotary Vane Pumps
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2、真空获得
工作原理：
依靠插在偏心转子中的数个可以
滑进滑出的旋片将泵体内的气体隔离、 压缩，然后将其排出泵体之外。
极限真空度： 10-2 －10-1 Pa左右。 优点：结构简单、工作可靠。 缺点：油蒸气回流、引起污染
托/Torr 7.5×10-3 1 0.75 760
毫巴/mbar 1× 10-2 1.333 1 1.013 ×103
标准大气压 9.87× 10-6 1.316 ×10-3 9.87× 10-4 1
3
1.1 真空知识
☞ 真空的划分
粗真空: 1x105 ～ 1x102 Pa （粘滞流） 真空干燥、真空浸渍 低真空: 1x102 ～ 1x10-1 Pa （分子流） 热处理、低压化学气相沉积 高真空: 1x10-1 ～ 1x10-6 Pa
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2、真空获得
☞ 罗茨泵（Roots Pumps）
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。用作次级泵。
极限真空度： 10-4 Pa左右(双级)。 优点：结构简单、无油气回流，
抽速很大。
缺点：
2）平均速率
v
3）方均根速率
v 2 v vp
速率与声速（340m/s）相比拟
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1.2 稀薄气体性质
☞ 平均自由程
气体分子在连续两次碰撞之间的平均路程称分子的平均自由程。
真空技术基础知识
真空技术基础知识前言1. 真空“真空”来源于拉丁语“Vacuum ”，原意为“虚无”，但绝对真空不可达到，也不存在。
只能无限的逼近。
即使达到10-14—10-16托的极高真空，单位体积内还有330—33个分子。
在真空技术中，“真空”泛指低于该地区大气压的状态，也就是同正常的大气比，是较为稀薄的气体状态。
真空是相对概念，在“真空”下，由于气体稀薄，即单位体积内的分子数目较少，故分子之间或分子与其它质点（如电子、离子）之间的碰撞就不那么频繁，分子在一定时间内碰撞表面（例如器壁）的次数亦相对减少。
这就是“真空”最主要的特点。
利用这种特点可以研究常压不能研究的物质性质。
如热电子发射、基本粒子作用等。
2. 真空的测量单位一、用压强做测量单位真空度是对气体稀薄程度的一种客观量度，作为这种量度，最直接的物理量应该是单位体积中的分子数。
但是由于分子数很难直接测量，因而历来真空度的高低通常都用气体的压强来表示。
气体的压强越低，就表示真空度越高，反之亦然。
根据气体对表面的碰撞而定义的气体的压强是表面单位面积上碰撞气体分子动量的垂直分量的时间变化率。
因此，气体作用在真空容器表面上的压强定义为单位面积上的作用力。
压强的单位有相关单位制和非相关单位制。
相关单位制的各种压强单位均根据压强的定义确定。
非相关单位制的压强单位是用液注的高度来量度。
下面介绍几种常用的压强单位。
【标准大气压】（atm ）1标准大气压=101325帕【托】（Torr ）1托=1/760标准大气压【微巴】（μba ）1μba=1达因/厘米2【帕斯卡】（Pa ）国际单位制1帕斯卡=1牛顿/m2【工程大气压】（at ）1工程大气压=1公斤力/厘米2二、用真空度百分数来测量%100760760%⨯-=P δ 式中P 的单位为托，δ为真空度百分数。
此式适用于压强高于一托时。
3. 真空区域划分有了度量真空的单位，就可以对真空度的高低程度作出定量表述。
此外，为实用上便利起见，人们还根据气体空间的物理特性、常用真空泵和真空规的有效使用范围以及真空技术应用特点这三方面的差异，定性地粗划为几个区段。
第1章 真空技术基础ppt课件
式中：n — 分子密度 (个/m3)； k — 玻尔兹曼常数，1.38×10-23 J/K；
P — 气体压强 (Pa)；
T — 气体温度 (K)；
V — 气体体积 (m3)；
m — 气体质量 (kg)；
M — 气体分子量 (kg/mol)； R — 普适气体常数，R = NA·k = 8.314 J/mol·K； NA — Avogadro常数，6.02×1023 个/mol；
1.333×10-3
(1.013×105/760) (1.013/760)
atm
1.316×10-3
(1/760)
PSI 1.9337×10-2
7.501×10-3
(760/1.013×105)
7.501×102
105
10-5
9.869×10-6 1.4504×10-4
(1/1.013×105)
9.869×10-1 1.4504×101
P nkT n 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。
4）气体分子的自由程（）：每个气体分子在与其它气体分子连续2次碰撞之间运动经历的路程。
平均自由程（ ）：气体分子自由程的统计平均值。
1 kT 2π 2n 2π 2P
表明：
1） 与P成反比，而与 T 成正比；
国际单位制（MKS制，即SI制） 1 Pa＝1 N / m2
主要单位制
厘米克秒制（CGS 制） 1 bar＝106
英制（FPS制） 1
PSI ＝1
lbf
/ in
2
dyne/cm 2
毫末汞柱制（mmHg 制）1 torr＝1 mmHg ＝1/ 760 atm
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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
该曲线反映了气体分 子速度随温度的变化情况。
气体分子的最可几速率
根据麦克斯韦速率分布定律，从理论上可 推可得几分 速子 度速 ，率其在值为υm：处有极大值，υm被称为最
表1-1 各种物质的临界温度
1-2 稀薄气体的基本性质（复习）
气体状态方程 (描述气体性质，当气体处于平衡时可得到)
P=nkT or PV= RT
P:压强（Pa）；
m
n:气体分子密度（个/m3M）；
V:体积（ m3 ）； T:绝对温度（K）；
M:气体分子量（kg/mol）； m:气体质量（kg）；
气体分子的均方根速率
气体分子的均方根速度为：
r
3kT m
3RT 1.73R(T cm /s)
M
M
三种速度的比较
三种速度中， υr＞υa ＞υm 均方根速度υr最大，平均速度υa次之，最可几 速度υm最小。
这三种速度在不同的场合有各自的应用： υr 在计算分子的平均动能时采用； υa在计算分子运动的平均距离时要用到； υm在讨论速度分布时要用到。
k:玻尔兹曼常数（1.38×10-23 J/K）；
R:气体普适常数（8.314 J/mol • K）也叫摩尔气体常数，
亦为：R=NA • k， NA : 阿佛伽德罗常数（6.023 ×1023 个/mol）。
1)波义尔定律
一定质量的气体，在恒定温度 下，气体的压强与体积的乘积为常 数。
PV=C or P1V1=P2V2
2)盖·吕萨克定律
一定质量的气体，在压强一 定时，气体的体积与绝对温度成正 比。
V=CT or V/V0=T/T0
3)查理定律
一定质量的气体，如果保持体 积不变，则气体的压强与绝对温度 成正比。
P=CT or P/P0=T/T0
一、气体分子的速度分布(简介)
麦克斯韦—玻尔兹曼分布 在平衡状态下，当气体分子间的相互作
1、真空的单位
在真空技术中对于真空程度的 高低，可以用多个参量来度量，最 常用的有“真空度”和“压强”。
此外，也可用气体分子密度、气 体分子的平均自由程、形成一个分 子层所需的时间等来表示。
2、区别：“真空度”和“压强”
“真空度”和“压强”是两个概念，不能混 淆：压强越低，意味着单位体积中气体分子数愈 少，真空度愈高；反之真空度越低则压强就越高。
m
2kT m
2RT 1.41R(T cm /s)
M
M
M:气体分子量（kg/mol）； m:气体质量（kg）；
k:玻尔兹曼常数（1.38×10-23 J/K）；
R:气体普适常数（8.314 J/mol • K），也叫摩尔气体常 数。
气体分子的平均速率
气体分子的平均速度为：
a8 kmT 8 R MT 1.59R M(T cm /s)
用可以忽略时，分布在任一速度区间 υ— υ+dυ 内分子的几率为：
d N N 4 (2 m k)T 3 2ex m p 2/( 2 k) T 2 d
N:容器中气体分子总数；m:气体分子质量； T：气体温度；k：玻尔兹曼常数。
麦克斯韦速率分布定律
由上式可见，在不同的速度附近取相等的间 隔d ，比率dN/N的数值一般是不同的。比率 dN/N与速度有关，与的函数关系成正比，即
由于真空度与压强有关，所以真空的度量单位 是用压强来表示。
二、真空区域的划分
三、固体对气体的吸附、气体的脱附
1.固体对气体的吸附 物理吸附 化学吸附
2.气体从固体表面的脱附 3.影响因素
四、气体与蒸汽
•气体的临界温度：对于每种气体都有一个特定的 温度，高于此温度时，气体无论如何压缩都不会 液化，这个温度称为该气体的临界温度。
第一部分：薄膜的获得
第一章 真空技术基础
1-1 真空的基本知识 1-2 稀薄气体的基本性质 1-3 真空的获得 1-4 真空的测量 1-5 真空检漏
1-1 真空的基本知识
薄膜制备方法:物理沉积和化学沉积两大类。 物理气相沉积法(Physical Vapor Deposition，
简称PVD) 的基本制作技术包括：真空蒸发、溅射镀膜 和离子镀等。
在气体种类一定、室温的情况下：
0.667
P
20℃空气在不同压强下的分子平均自由程
P(Torr) 1
10-3 10-4 10-5 10-6 10-9
λ（cm） 4.72×10-3
4.72 47.2 472 4720 4.72×106
三、碰撞速率与余弦散射律
1、气体分子向固体表面入射碰撞
描述气体分子热运动的重要公式：