电子科大薄膜物理(赵晓辉)第一章 真空
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(完整版)电子科大薄膜物理(赵晓辉)第二章蒸发
第二章 Evaporation/蒸发
主要内容
• 真空蒸发原理 • 薄膜膜厚分布及纯度 • 蒸发装置
2
PVD的特点
利用物理过程，实现物质从源到薄膜的转移。
特点：
1. 固态或熔融态作源物质 2. 经过物理过程转移 3. 较高真空度 4. 没有化学反应
3
4
Evaporation
电子束
蒸发系统
*
5
§2-1 Principle of Evaporation
• 在设计优良的系统中 ，扩散油蒸气不明显。
22
薄膜纯度
残余气体
b 3.5 1022
Pb Mb T
(atoms• cm2 sec1 )
蒸发源
S
NA d• Ma
atoms• cm2 sec1
薄膜杂质浓度
Ci
Pb M a
Mb T d•
d • : deposition rate
18
• 由于lnPv与1/T的近似正比关系，所以当T 有微小变动时，蒸发速率会有剧烈的变化！
20% 对于金属，温度变化1%，蒸发速率变化可达
必须精确控制蒸发温度！
19
五、蒸发分子的平均自由程与碰撞频率
1）Collision Probability 碰撞频率
在低真空蒸镀时，气体分子入射到基片上，单 位时间、单位面积入射的气体分子数。
– Pvap = vapor pressure (Torr) – M = molecular weight
– cm2 => area of source
17
• 可以转化为质量流量（mass flux）
evap 5.834 102
主要内容
• 真空蒸发原理 • 薄膜膜厚分布及纯度 • 蒸发装置
2
PVD的特点
利用物理过程，实现物质从源到薄膜的转移。
特点：
1. 固态或熔融态作源物质 2. 经过物理过程转移 3. 较高真空度 4. 没有化学反应
3
4
Evaporation
电子束
蒸发系统
*
5
§2-1 Principle of Evaporation
• 在设计优良的系统中 ，扩散油蒸气不明显。
22
薄膜纯度
残余气体
b 3.5 1022
Pb Mb T
(atoms• cm2 sec1 )
蒸发源
S
NA d• Ma
atoms• cm2 sec1
薄膜杂质浓度
Ci
Pb M a
Mb T d•
d • : deposition rate
18
• 由于lnPv与1/T的近似正比关系，所以当T 有微小变动时，蒸发速率会有剧烈的变化！
20% 对于金属，温度变化1%，蒸发速率变化可达
必须精确控制蒸发温度！
19
五、蒸发分子的平均自由程与碰撞频率
1）Collision Probability 碰撞频率
在低真空蒸镀时，气体分子入射到基片上，单 位时间、单位面积入射的气体分子数。
– Pvap = vapor pressure (Torr) – M = molecular weight
– cm2 => area of source
17
• 可以转化为质量流量（mass flux）
evap 5.834 102
第1章 真空技术的物理基础
在真空技术中，压强所采用的法定计量单位是帕斯卡 （Pascal），系千克米秒制单位，简称帕(Pa), 是目前国
真空特点
1. 与大气有压差。压强低于一个大气压，故需要一个“真 空”容器，即真空设备。该容器在地球上就需要承受一个 大气压力的作用，压力的大小则看容器内外压差。内部为 真空环境的容器，可以认为压差为1个大气压。所以该容 器必需承受大于1个大气压力的作用。 如需获取真空条件，必须研制设计生产真空设备，需 要进行真空获取、测量、气体成分分析，如何有效设计、 防漏、检漏等。 2.分子数密度低。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粒子， 如电子、离子之间的碰撞就不那么频繁，明显减少， 分子主要碰撞表面，如容器表面四壁、内部装置的次 数也相对减少。这是真空的最主要的特点。正是如此，各 种真空设备正是利用它进行工作。
蒸 汽 的 临 界 温 度 气 体 的 临 界 温 度
室温
实用上的室温（15~25°C）为准，凡临 界温度高于室温的气体称为蒸汽；低于室 温的则为“永久气体”或“气体”。 如此，则室温下，蒸汽是随时可液化的， 而气体则不能。氮、氢、氩、氧和空气的 临界温度远低于室温，所以在常温下它们 是“气体”。二氧化碳的临界温度与室温 接近，极易液化。 蒸汽是不能满足理想气体方程的，如将容 器体积缩小，则有一部分蒸汽转化成液态， 其压强未增。 以上关于理想气体的概念，只适用于 “永久气体”，不适用于蒸汽。“永久气 体”与蒸汽的区别，在于其所处温度是在 临界温度以上或以下。 对一定的物质，饱和蒸汽压的大小只取决 于温度。 温度越高,蒸汽压越大.
真空技术的应用
电子科大薄膜物理(赵晓辉)第三章 溅射
34
几种气体的电离几率
通常采用Ar气，原因：
1. 电离率高，容易起辉 2. 惰性气体，不反应
3. 价格便宜
35
3.3 Sputtering Characteristics /溅射特性
36
1. Threshold voltage/阈值电压
• 对于大多数金属而言，阈值电压是升华热 的数倍，大约为10 to 30 eV • 因不同材料而不同。Tab.3－1
–因此等离子体会发光。
20
④ Glow Discharge Color/辉光放电颜色
– 不同气体被激发后发出不同颜色的光： • Nitrogen/氮气, Helium/氦气, Sodium/钠, Boron/硼, Neon/氖气 – 颜色（或波长）与弛豫时失去的能量有关： • E = hv
– 这个特性使得分析产生等离子体的气体成为可能。 • 例如: 等离子体刻蚀时的 Endpoint detection/终点探测
43
Ⅱ单晶靶出射原子的角分布不同于多晶靶
现象：在密排方向 溅射率大。 解释：沟道效应。
44
f. 靶材温度
现象：主要与靶材物质的升华能相关的某温度值有关。 在低于此温度时，溅射率几乎不变；而高于此 温度，溅射率急剧增加。
溅射与热蒸发
二者的复合作用。
45
3. 溅射原子的能量和速度分布 与入射离子能量的关系
17
②Ionization/电离
– 电子被从中性原子和分子上敲下来
M + e- => M+ + 2e– – 生成带正电的颗粒称为“离子”。 因为带电，所以可用电场操控。
18
Impact Ionization/碰撞电离:
薄膜物理与技术
薄膜物理与技术Physics and Technology of Thin Films课程编号：07370110学分：2学时：30（其中：讲课学时： 30 实验学时：0 上机学时：0）先修课程：大学物理，普通化学适用专业：无机非金属材料工程（光电材料与器件）教材：《薄膜物理与技术》，杨邦朝，王文生主编，电子科技大学出版社，1994年1月第1版开课学院：材料科学与工程学院一．课程的性质与任务薄膜科学是现代材料科学中及其重要且发展非常迅速的一个分支，已成为微电子学、固体发光、光电子学等新兴交叉学科的材料基础，同时薄膜科学研究成果转化为生产力的速度愈来愈快，国内外对从事薄膜研发和生产的人才需求也日益强劲。
本门课程就是为适应学科发展，学生适应市场需求而设置的专业课程。
课程的基本任务是：1、基本掌握各种成膜技术的基本原理和方法；2、了解并初步掌握薄膜的形成、结构与缺陷，薄膜的电学、力学、半导体、磁学等物理性质。
二．课程的基本内容及要求第一章真空技术基础1、教学内容（1）真空的基本知识（2）稀薄气体的基本性质（3）真空的获得及测量2、教学要求理解真空的基本知识和稀薄气体的基本性质，掌握真空的获得、主要手段和真空度策略方法，了解实用真空系统。
第二章真空蒸发镀膜1、教学内容（1）真空蒸发原理（2）蒸发源的蒸发特性及膜厚分布（3）蒸发源的类型（4）合金及化合物的蒸发（5）膜厚和沉积速率的测量与监控2、教学要求掌握真空蒸发原理，掌握真空镀膜的特点和蒸发过程，理解饱和蒸汽压和蒸发源的发射特性，熟练掌握蒸发速率、薄膜厚度的测量和控制，了解蒸发镀膜的常用方法（电阻加热和电子束加热），了解合金膜及化合物摸的蒸镀。
第三章溅射镀膜1、教学内容（1）溅射镀膜的特点和基本原理（2）溅射镀膜的类型2、教学要求掌握溅射镀膜的基本原理和特点，理解表征溅射特性的参量及其影响因素，了解溅射机理及溅射镀膜的各种类型第四章离子镀膜1、教学内容（1）离子镀的原理和特点（2）离子轰击的作用（3）离子镀的类型2、教学要求掌握离子镀的基本原理和特点，理解离子轰击的作用，了解离子镀的类型。
第1章薄膜技术的真空技术基础-文档资料
桂林电子科技大学
材料科学与工程学
1.1 真空的基本知识
桂林电子科技大学
材料科学与工程学
1.1 真空的基本知识
桂林电子科技大学
材料科学与工程学
1.2 真空的表征
1 气体分子的平均自由程
分子平均自由程：气体分子在两次碰撞的间隔时间里走 过的平均距离。假设某种气体分子的有效截面直径为d， 则该气体分子的平均自由程应该等于。
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）
桂林电子科技大学
材料科学与工程学
1.4 真空泵的抽速
为获得真空环境，需要选用不同的真空泵，而它们的一 个主要指标是其抽速Sp，其定义为 Q Sp p ( L/s ) 式中，p为真空泵入口处的气体压力； Q为单位时间内通过的真空泵 入口的气体流量。 真空泵的抽速Sp与管路的流导 C有着相同的物理量纲，且二 者对维持系统的真空度起着同 样重要的作用
由于气体分子的运动轨迹是一条在不断碰撞的同时不断 改变方向的折线，因此，尽管它的平均运动速度很高， 但是单位时间里，其定向运动的距离却较小。
由于气体分子的平均自由程与单位体积内的气体分子数n 成反比，而压强p与n成正比，因此自由程随气体压力的 下降而增加。在真空度优于0.1Pa时，气体分子间的碰撞 几率已很小，主要是气体分子与容器壁之间的碰撞。分 子平均自由程的概念在真空和薄膜技术中有着非常重要 的作用。在薄膜材料的制备过程中，薄膜的沉积主要是 通过气体分子对衬底的碰撞过程来实现的。
Q S p Q p S p p (1
电子科大薄膜物理介绍
主要内容
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章
真空技术基础 物理气相沉积－－蒸发 物理气相沉积－－溅射 化学气相沉积 化学溶液沉积 薄膜生长过程和结构 薄膜材料的表征方法
课件
➢ 课件是提纲 ➢ 课本是主要内容 ➢ 讲述是重点 ➢ U盘拷贝
考试
1. 考试形式：闭卷 2. 考试内容：所有讲述内容 3. 成绩构成：
薄膜材料制备原理技术及应用唐伟忠冶金工业出版社2003薄膜物理与技术杨邦朝电子科大出版社1994薄膜科学与技术手册田民波机工版1991materialsciencethinfilmsdepositionohring世图影印版2006电子薄膜材料曲喜新科学出版社1996第一章真空技术基础第二章物理气相沉积蒸发第三章物理气相沉积溅射第四章化学气相沉积第五章化学溶液沉积第六章薄膜生长过程和结构第七章薄膜材料的表征方法考试成绩
《薄膜物理与技术》 杨邦朝， 电子科大出版社，1994
《薄膜科学与技术手册》 田民波，机工版，1991
《Material Science of Thin Films－Deposition & Structure》 M. Ohring，世图影印版，2006
《电子薄膜材料》 曲喜新，科学出版社，1996
液 相
化学镀、电镀、Sol-Gel、MOD、液相外延、水热法、喷雾热
法 解、喷雾水解、LB膜及自组装
渗
入
化合法、扩散法、离子注入法
法
1. 物理气相沉积技术(PVD)是利用热蒸发、离子溅射或辉光放电 等物理过程，在基体表面沉积所需薄膜的技术
2. 化学气相沉积技术(CVD)是利用化学反应，将气相中的物质转 移到基体表面形成所需薄膜的技术
3. 物理与化学相结合，以技术方法区分。氧化物、氮化物的制备。
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。
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。
薄膜物理与技术Word版
薄膜物理与技术》课程教学大纲发布时间：2010-4-28 点击率：191一、课程总述本课程大纲是以2006年电子科学与技术专业人才培养方案为依据编制的。
二、教学时数分配三、单元教学目的、教学重难点和内容设置第一章真空技术基础【教学目的】真空技术是薄膜制作的基础，【重点难点】真空获得的一些手段及常用的测量方法。
【教学内容】真空的基础知识及真空的获得和测量。
第二章真空蒸发镀膜法【教学目的】蒸发镀膜是最常用的镀膜技术，设备简单，成膜质量高，成膜速率快，是真空镀膜的基础。
【重点难点】蒸发源与基片的配置。
掌握根据不同材质镀膜的需求，选择蒸发源的类别及配置。
理解金属、合金及化合物蒸发过程中的特点。
【教学内容】真空蒸发原理，蒸发源的蒸发特性及膜厚分布，蒸发源的类型，合金及化合物的蒸发，膜厚和淀积速率的测量与监控。
第三章溅射镀膜【教学目的】基于高荷能离子轰击靶材时的溅射效应，可适用于任何物质的溅射镀膜技术，由于成膜粒子能量高，是一种制取高质量膜的技术。
【重点难点】理解溅射镀膜的机理，气氛和高压是各种溅射的基础条件，磁控溅射是提高成膜效率和质量的关键。
掌握一些基本溅射方法。
【教学内容】介绍溅射镀膜的特点，溅射的基本原理，及各种溅射镀膜类型。
第四章离子镀膜【教学目的】集真空蒸发和真空溅射技术而发展起来的一种新的镀膜技术，离子镀膜具有独特的优点，近年来在国内得到迅速发展。
【重点难点】理解离子镀的特点和原理、和蒸发及溅射的区别。
【教学内容】介绍离子镀原理，离子镀的特点，及各种离子镀的类型。
第五章化学气相沉积【教学目的】区别于物理气相沉积法的一种化学相沉积法，可以不在真空条件，利用各种气体反应制成各种成分的薄膜，显示出独特的优点。
【重点难点】理解化学气相沉积的特点并掌握制膜的几个主要阶段。
【教学内容】介绍化学气相沉积的基本原理，化学气相沉积的特点，几种主要的CVD技术。
第六章溶液镀膜法【教学目的】了解几种主要的湿法制膜技术。
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PERCENT BY VOLUME
GAS
SYMBOL
PARTIAL PRESSURE PASCAL TORR
氮气 氧气 氩气 二氧化碳 氖气 氦气 氪气 氢气 氙气 水
N2 O2 Ar CO2 Ne He Kr H2 Xe H2O
78 21 0.93 0.03 0.0018 0.0005 0.0001 0.00005 0.0000087 Variable
水就是气体。 当压力较低时，气体和蒸汽特性相同。
2. 气压
P = F / A=nMvrms2/3NA 气压来 源于 气 体分子 对 器壁的不断碰撞。
气体分压
空气是多种气体混合物
PARTIAL PRESSURES OF GASES CORRESPOND TO THEIR RELATIVE VOLUMES
（2）气体分子从固体表面的反射几率
A.反射几率与入射方向无关，仅按余弦定律散射 B.揭示散射的本质是个再发射过程，即气体将停留 在固体表面一小段时间以交换能量（吸附）。
6. 气体的流动
黏滞流 (分子间动量传递)
分子流 (分子独立运动)
流体机制
黏滞流: 分子间距小；分子间碰撞占主导； 通过动量传递进行流动；一般压力大于0.1 mbar
Relative Pressure
Absolute Pressure
用“真空度”及“压强”两个参量来衡量真 空的程度 帕斯卡（Pascal）=1牛/米2，国际单位制 托（ Torr）=133.322Pa=1/760atm单位，描 述真空的独特单位 此外，mmHg、atm、bar等。
5. 为什么需要真空?
泵将气体抽出系统？
No！No！！ No！！！
真空泵 Vacuum pump
Atmosphere
• 要生成真空，必须将气体分子移出系统。只有当空间的两
个区域存在压力差的时候气体分子才会移动。低压区域拥 有较少的气体分子，高压区域拥有较多的分子。 • 任何能够在空间两个区域之间生成压力差的设备都可以叫 做泵。在特定系统中生成真空的泵被称为真空泵。
放气量在中真空阶段与空间气源相当，高真空、 超高真空阶段为主要放气源。
真空材料：不锈钢等，忌用陶瓷
除气手段：烘烤、离子轰击
3. 系统漏气：
密封： O形橡胶圈：高真空 金属密封圈：超高真空
气体负荷
Outgassing Permeation Real
Leaks Diffusion Virtual Backstreaming
Pump/Blower Packages泵结构图
C (blower + rotary piston) （罗茨泵+旋转活塞泵） D (rotary piston) （旋转活塞泵） A (blower + rotary vane) （罗茨泵+旋片泵） B (rotary vane) （旋片泵）
电学特性
输运特性
真空的性质由压强、单位体积分子个数、气体密度等 表示
4. 压力单位
Pressure unit Pa Bar Atm Torr Pa 1 100000 101325 133.32 Bar 0.00001 1 1.01325 0.001333 Atm 9.869×10-6 9.869×10-1 1 1.316×10-3 Torr 7.501×10-3 7.501×102 760 1
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 ： 最大时的速度
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。
1/t
§1-3 真空的获得
• 典型的真空系统包括：真空室 (Chamber) ，真空泵 (Vacuum Pump), 控 制 系 统 (Control system) ， 真 空 计 (Vacuum Gag) • 真空系统的两个重要参数：极限真空 （ 本 底 真 空 , Base pressure or Ultimate pressure ） ， 抽 气 速 率 (Pumping speed)
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
79,000 21,000 940 33 1.8 5.3 x 10-1 1.1 x 10-1 5.1 x 10-2 8.7 x 10-3 665 to 6650
气镇阀
解决办法是采用双级泵，以一个转子空间的出气口作为另 一转子空间的进气口，可使极限真空从1Pa→10-2Pa 采用高温泵油
双级泵工作原理
可获得更低的气压
1. 旋片式机械泵的缺点
振动！ 返油 （无法生成高真空） 容易磨损
对可凝结的气体效果不佳
发热 耗油
返油
油分子的平均自由程 随气压降低逐渐增大
主要的真空泵
• 油封机械泵、分子泵、罗茨泵 原理：利用机械力压缩
• 油扩散泵 原理：油蒸汽喷射形成压差 • 溅射离子泵、钛升华泵 原理：溅射形成吸气、升华形 成吸气 • 冷凝泵 原理：将气体冷凝成液态/冷凝 吸附
1. 机械泵（旋片式机械泵）
转子偏心地置于定子内，旋片上有弹簧， 整个部件浸于机械泵油中，油起润滑和 密封作用。 旋片转动一周后
1. 需要粒子在较长的距离做直线运动。
5. 为什么需要真空?
2. 提供一个洁净的表面（供薄膜沉积）。 空气气氛 污染严重 (经常是水)
高真空 洁净表面
6. 真空的划分
粗真空 105－102Pa : 目的是获得压差
真空吸尘器，真空过滤器，CVD
低真空 102－10-1Pa:气体分子运动特征改 变，电场下具有导电特征
3
4
10-7 Inlet Pressure (Pa)
10--1
10
最大出口气压
(Page 73 manual)
液氮冷阱+挡板
(Page 78 manual)
油扩散泵
优点
• 简单 • 相对便宜 • 无活动部件 （无振动） • 抽速 P • 容易抽轻气体 • 可允许颗粒存在
缺点
• 油 蒸汽 热解 • 加热冷却耗时 • 需要冷却 • 可能过热 • 可能污染腔体
分子密度与平均自由程
101325 Pa(atm) # /cm3 MFP 3 x 10 19 (30 million trillion) 2.5 x 10-6 in 6.4 x 10-5 mm
0.1 Pa 4 x 10 13 (40 trillion) 2 inches 5.1 cm
1 x 10-7 Pa 4 x 10 7 (40 million) 31 miles 50 km
4.平均自由程 MEAN FREE PATH 定义：每个分子在连续两次碰撞之间所运 动的平均路程
其中:n—气体分子密度 ，标准状态 n≈3*1019 d —分子直径, 几个Å
• 代入理想气体状态方程 得:
kT 2 2d P
Is λ propotional to T? cm
对于25℃空气
过渡流: 介于两者之间。 分子流: 分子间距大；分子与器壁碰撞占主导； 通过无定向运动进行；一般压力小于 10-3 mbar
克努森数
平均自由程 黏滞流: 特征长度 小于 0.01
平均自由程 过渡流: 特征长度 [0.01,1] 平均自由程 分子流: 特征长度 大于 1
气源
1. 空间气体：很容易被抽走 物理吸附 2. 吸附气体： 化学吸附
气体负荷单位: mbar∙L/s
抽气曲线
10+1 10-1
Pressure (mbar) 10-3 10-5 空间气体 Exp(-at)
表面解吸
1/t
10-7 扩散
10-9 10-11 1 10 10 3 10 5 渗透 10 7 10 9 10 11 10 13 10 15 10 17 Time (sec)
涡轮分子泵工作原理
Molecule
V
Moving Wall with Speed V
Principle of the Turbomolecular Pump
涡轮分子泵
优点
• • • • 清洁 无需加热冷却 高真空 抽速快
缺点
• • • • 昂贵 不允许颗粒存在 易崩溃 （更贵） 抽速因气体不同
真 空 腔
Pn接近 经n个循环后 0
v P 1 P 0 v v
容积变化
v Pn P0 v v
n
Pn不可能趋于零，因为：
A. 在出气与转子密封点之间存在着“有害空
间”。
B.单等级泵时进气口与排气口压力差大。
C.泵油在高温摩擦下，裂解形成轻馏成份。
D.水蒸汽凝结，形成悬浊液
水的饱和蒸汽压
T (O C) 100 25 0 (冰点) (沸点)
P (mbar)
1013 32 6.4 0.13
-40
-78.5 -196
(干冰)
(液氮)
6.6 x 10 -4
10 -24
气体的饱和蒸汽压
GAS
SYMBOL
PARTIAL PRESSURE PASCAL TORR
氮气 氧气 氩气 二氧化碳 氖气 氦气 氪气 氢气 氙气 水
N2 O2 Ar CO2 Ne He Kr H2 Xe H2O
78 21 0.93 0.03 0.0018 0.0005 0.0001 0.00005 0.0000087 Variable
水就是气体。 当压力较低时，气体和蒸汽特性相同。
2. 气压
P = F / A=nMvrms2/3NA 气压来 源于 气 体分子 对 器壁的不断碰撞。
气体分压
空气是多种气体混合物
PARTIAL PRESSURES OF GASES CORRESPOND TO THEIR RELATIVE VOLUMES
（2）气体分子从固体表面的反射几率
A.反射几率与入射方向无关，仅按余弦定律散射 B.揭示散射的本质是个再发射过程，即气体将停留 在固体表面一小段时间以交换能量（吸附）。
6. 气体的流动
黏滞流 (分子间动量传递)
分子流 (分子独立运动)
流体机制
黏滞流: 分子间距小；分子间碰撞占主导； 通过动量传递进行流动；一般压力大于0.1 mbar
Relative Pressure
Absolute Pressure
用“真空度”及“压强”两个参量来衡量真 空的程度 帕斯卡（Pascal）=1牛/米2，国际单位制 托（ Torr）=133.322Pa=1/760atm单位，描 述真空的独特单位 此外，mmHg、atm、bar等。
5. 为什么需要真空?
泵将气体抽出系统？
No！No！！ No！！！
真空泵 Vacuum pump
Atmosphere
• 要生成真空，必须将气体分子移出系统。只有当空间的两
个区域存在压力差的时候气体分子才会移动。低压区域拥 有较少的气体分子，高压区域拥有较多的分子。 • 任何能够在空间两个区域之间生成压力差的设备都可以叫 做泵。在特定系统中生成真空的泵被称为真空泵。
放气量在中真空阶段与空间气源相当，高真空、 超高真空阶段为主要放气源。
真空材料：不锈钢等，忌用陶瓷
除气手段：烘烤、离子轰击
3. 系统漏气：
密封： O形橡胶圈：高真空 金属密封圈：超高真空
气体负荷
Outgassing Permeation Real
Leaks Diffusion Virtual Backstreaming
Pump/Blower Packages泵结构图
C (blower + rotary piston) （罗茨泵+旋转活塞泵） D (rotary piston) （旋转活塞泵） A (blower + rotary vane) （罗茨泵+旋片泵） B (rotary vane) （旋片泵）
电学特性
输运特性
真空的性质由压强、单位体积分子个数、气体密度等 表示
4. 压力单位
Pressure unit Pa Bar Atm Torr Pa 1 100000 101325 133.32 Bar 0.00001 1 1.01325 0.001333 Atm 9.869×10-6 9.869×10-1 1 1.316×10-3 Torr 7.501×10-3 7.501×102 760 1
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 ： 最大时的速度
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。
1/t
§1-3 真空的获得
• 典型的真空系统包括：真空室 (Chamber) ，真空泵 (Vacuum Pump), 控 制 系 统 (Control system) ， 真 空 计 (Vacuum Gag) • 真空系统的两个重要参数：极限真空 （ 本 底 真 空 , Base pressure or Ultimate pressure ） ， 抽 气 速 率 (Pumping speed)
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
79,000 21,000 940 33 1.8 5.3 x 10-1 1.1 x 10-1 5.1 x 10-2 8.7 x 10-3 665 to 6650
气镇阀
解决办法是采用双级泵，以一个转子空间的出气口作为另 一转子空间的进气口，可使极限真空从1Pa→10-2Pa 采用高温泵油
双级泵工作原理
可获得更低的气压
1. 旋片式机械泵的缺点
振动！ 返油 （无法生成高真空） 容易磨损
对可凝结的气体效果不佳
发热 耗油
返油
油分子的平均自由程 随气压降低逐渐增大
主要的真空泵
• 油封机械泵、分子泵、罗茨泵 原理：利用机械力压缩
• 油扩散泵 原理：油蒸汽喷射形成压差 • 溅射离子泵、钛升华泵 原理：溅射形成吸气、升华形 成吸气 • 冷凝泵 原理：将气体冷凝成液态/冷凝 吸附
1. 机械泵（旋片式机械泵）
转子偏心地置于定子内，旋片上有弹簧， 整个部件浸于机械泵油中，油起润滑和 密封作用。 旋片转动一周后
1. 需要粒子在较长的距离做直线运动。
5. 为什么需要真空?
2. 提供一个洁净的表面（供薄膜沉积）。 空气气氛 污染严重 (经常是水)
高真空 洁净表面
6. 真空的划分
粗真空 105－102Pa : 目的是获得压差
真空吸尘器，真空过滤器，CVD
低真空 102－10-1Pa:气体分子运动特征改 变，电场下具有导电特征
3
4
10-7 Inlet Pressure (Pa)
10--1
10
最大出口气压
(Page 73 manual)
液氮冷阱+挡板
(Page 78 manual)
油扩散泵
优点
• 简单 • 相对便宜 • 无活动部件 （无振动） • 抽速 P • 容易抽轻气体 • 可允许颗粒存在
缺点
• 油 蒸汽 热解 • 加热冷却耗时 • 需要冷却 • 可能过热 • 可能污染腔体
分子密度与平均自由程
101325 Pa(atm) # /cm3 MFP 3 x 10 19 (30 million trillion) 2.5 x 10-6 in 6.4 x 10-5 mm
0.1 Pa 4 x 10 13 (40 trillion) 2 inches 5.1 cm
1 x 10-7 Pa 4 x 10 7 (40 million) 31 miles 50 km
4.平均自由程 MEAN FREE PATH 定义：每个分子在连续两次碰撞之间所运 动的平均路程
其中:n—气体分子密度 ，标准状态 n≈3*1019 d —分子直径, 几个Å
• 代入理想气体状态方程 得:
kT 2 2d P
Is λ propotional to T? cm
对于25℃空气
过渡流: 介于两者之间。 分子流: 分子间距大；分子与器壁碰撞占主导； 通过无定向运动进行；一般压力小于 10-3 mbar
克努森数
平均自由程 黏滞流: 特征长度 小于 0.01
平均自由程 过渡流: 特征长度 [0.01,1] 平均自由程 分子流: 特征长度 大于 1
气源
1. 空间气体：很容易被抽走 物理吸附 2. 吸附气体： 化学吸附
气体负荷单位: mbar∙L/s
抽气曲线
10+1 10-1
Pressure (mbar) 10-3 10-5 空间气体 Exp(-at)
表面解吸
1/t
10-7 扩散
10-9 10-11 1 10 10 3 10 5 渗透 10 7 10 9 10 11 10 13 10 15 10 17 Time (sec)
涡轮分子泵工作原理
Molecule
V
Moving Wall with Speed V
Principle of the Turbomolecular Pump
涡轮分子泵
优点
• • • • 清洁 无需加热冷却 高真空 抽速快
缺点
• • • • 昂贵 不允许颗粒存在 易崩溃 （更贵） 抽速因气体不同
真 空 腔
Pn接近 经n个循环后 0
v P 1 P 0 v v
容积变化
v Pn P0 v v
n
Pn不可能趋于零，因为：
A. 在出气与转子密封点之间存在着“有害空
间”。
B.单等级泵时进气口与排气口压力差大。
C.泵油在高温摩擦下，裂解形成轻馏成份。
D.水蒸汽凝结，形成悬浊液
水的饱和蒸汽压
T (O C) 100 25 0 (冰点) (沸点)
P (mbar)
1013 32 6.4 0.13
-40
-78.5 -196
(干冰)
(液氮)
6.6 x 10 -4
10 -24
气体的饱和蒸汽压