第一章 薄膜制备的真空技术基础
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薄膜材料与薄膜技术答案
薄膜材料与薄膜技术答案薄膜材料与薄膜技术(答案)第一章真空技术基础1、膜的定义及分类。
答：当固体或液体的一维线性尺度远远小于它的其他二维尺度时，我们将这样的固体或液体称为膜。
通常，膜可分为两类：（1）厚度大于1mm的膜，称为厚膜；（2）厚度小于1mm的膜，称为薄膜。
2、人类所接触的真空大体上可分为哪两种？答：（1）宇宙空间所存在的真空，称之为“自然真空”；（2）人们用真空泵抽调容器中的气体所获得的真空，称之为“人为真空”。
3、何为真空、绝对真空及相对真空？答：不论哪一种类型上的真空，只要在给定空间内，气体压强低于一个大气压的气体状态，均称之为真空。
完全没有气体的空间状态称为绝对真空。
目前，即使采用最先进的真空制备手段所能达到的最低压强下，每立方厘米体积中仍有几百个气体分子。
因此，平时我们所说的真空均指相对真空状态。
4、毫米汞柱和托？答：“毫米汞柱（mmHg）”是人类使用最早、最广泛的压强单位，它是通过直接度量长度来获得真空的大小。
1958 年，为了纪念托里拆利，用“托（Torr）”，代替了毫米汞柱。
1 托就是指在标准状态下，1 毫米汞柱对单位面积上的压力，表示为1Torr=1mmHg。
5、真空区域是如何划分的？答：为了研究真空和实际使用方便，常常根据各压强范围内不同的物理特点，把真空划分为以下几个区域：（1）粗真空：l´105 ~ l´102 Pa，（2）低真空：l´102 ~ 1´10-1Pa，（3）高真空：l´10-1 ~ 1´10-6Pa和（4）超高真空：< 1´10-6Pa。
6、真空各区域的气体分子运动规律。
答：（1）粗真空下，气态空间近似为大气状态，分子仍以热运动为主，分子之间碰撞十分频繁；（2）低真空是气体分子的流动逐渐从黏滞流状态向分子状态过渡，气体分子间和分子与器壁间的碰撞次数差不多；（3）高真空时，气体分子的流动已为分子流，气体分子与容器壁之间的碰撞为主，而且碰撞次数大大减少，在高真空下蒸发的材料，其粒子将沿直线飞行；（4）在超高真空时，气体的分子数目更少，几乎不存在分子间的碰撞，分子与器壁的碰撞机会也更少了。
电子科大薄膜物理(赵晓辉)第一章真空介绍
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
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
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)
Pump/Blower Packages
真空泵工作示意图
单级罗茨真空泵结构图
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）
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
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
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)
Pump/Blower Packages
真空泵工作示意图
单级罗茨真空泵结构图
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）
第1章 薄膜技术基础
3、气体分子的通量 、
真空及薄膜技术中常碰到的另一个物理量， 真空及薄膜技术中常碰到的另一个物理量，是气体分子对于单位面积表 面的撞频率，即单位时间内单位面积表面受到气体分子碰撞的次数， 面的撞频率，即单位时间内单位面积表面受到气体分子碰撞的次数，称为 气 nυa 体分子的通量Φ 体分子的通量 Φ= 4 （1-6） ） 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于衬底 在薄膜材料的制备过程中， 的 碰撞过程来实现的。此时，薄膜的沉积速度正比于气体分子的通量。 碰撞过程来实现的。此时，薄膜的沉积速度正比于气体分子的通量。 将式1-3和式 代入上式后， N A p 和式1-4代入上式后 将式 和式 代入上式后，可以求出气体分子的通量
4、真空区域的划分
低真空 中真空 高真空 >102 Pa： 真空干燥，低压化学气相沉积。 真空干燥，低压化学气相沉积。 ： ： 低压化学气相沉积，溅射沉积。 102 ～ 10-1： 低压化学气相沉积，溅射沉积。 10-1 ～ 10-5 ：溅射沉积，真空蒸发沉积，电子 溅射沉积，真空蒸发沉积， 显微分析，真空浇铸。 显微分析，真空浇铸。 表面物理，表面分析。 超高真空 < 10-5 ： 表面物理，表面分析。
2 nπMυa nRT p= = 8N A NA
（1-4） ）
式中，n 单位体积内的分子数；NA 为阿伏加德罗（Avogadro)常数；n/NA 即等 常数； 式中， 单位体积内的分子数； 为阿伏加德罗（ 常数 于单位体积内气体分子的摩尔数。 于单位体积内气体分子的摩尔数。 真空：宇宙空间所存在的“自然真空” 利用真空泵抽取所得的“ 真空：宇宙空间所存在的“自然真空”；利用真空泵抽取所得的“人为真 空”。 绝对真空：完全没有气体的空间状态。 绝对真空：完全没有气体的空间状态。 一般意义上的“真空”并不是指“什么物质都不存在” 目前， 一般意义上的“真空”并不是指“什么物质都不存在”。目前，即使用最 先进的真空制备手段所能达到的最高真空度下， 先进的真空制备手段所能达到的最高真空度下，每立方厘米体积中仍有几百个 气体分子。因此，平常所说的真空均指“相对真空状态” 气体分子。因此，平常所说的真空均指“相对真空状态”。 在真空技术中，常用“真空度”习惯用语和“压强”物理量表示真空程度， 在真空技术中，常用“真空度”习惯用语和“压强”物理量表示真空程度， 通常说成“某空间的真空度为多大的压强” 通常说成“某空间的真空度为多大的压强”。某空间的压强越低意味着真空度 越高，反之，压强高的空间则真空度低。 越高，反之，压强高的空间则真空度低。
薄膜物理与技术复习范围
第一章真空技术基础真空：指低于一个大气压的气体状态。
托(Torr) =1/760atm = 133.322Pa对真空的划分：1、粗真空：105－102Pa特性和大气差异不大，目的为获得压力差，不要求改变空间性质，真空浸渍工艺2、低真空：102－10-1Pa 1016~1013个/cm3动力学性质明显，粘滞流状态→分子流状态，对流消失，气体导电，真空热处理，真空冷冻脱水3、高真空：10-1－10-6Pa 1013~1010个/cm3气体分子自由程大于容器线度，直线飞行，热传导和内摩擦性质与压强无关，蒸镀4、超高真空：＜10-6Pa分子间碰撞极少，主要用途：得到纯净的气体，获得纯净的固体表面真空的获得：真空系统包括真空室、真空泵、真空计以及必要的管道、阀门和其他附属设备。
真空的测量热偶真空计：是利用低气压强下气体的热传导与压强有关的原理制成的真空计。
散热与气体压强相关加热丝的温度与气体压强相关用热偶测量加热丝的温度 压强20 ～10-3Torr热阻真空计：散热与气体压强相关加热丝的温度与气体压强相关加热丝的电阻与温度相关用平衡电桥测量加热丝的电阻 压强电离真空计：是利用气体分子电离的原理来测量真空度。
电离真空计用于高真空的测量热丝发射热电子热电子加速并电离气体，离子被离子收集极收集形成电流电流与压强成正比1 x 10-9 Torr to 10-11 Torr第二章真空蒸发镀膜法真空蒸发镀膜法(简称真空蒸镀)是在真空室中，加热蒸发容器中待形成薄膜的原材料，使其原子或分子从表面气化逸出，形成蒸气流，入射到基片表面，凝结形成固态薄膜的方法。
基本过程：（1）加热蒸发过程，凝聚相→气相该阶段的主要作用因素：饱和蒸气压（2）输运过程，气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运该阶段的主要作用因素：分子的平均自由程（工作气压），源—基距（3）基片表面的淀积过程，气相→固相凝聚→成核→核生长→连续薄膜饱和蒸气压：在一定温度下真空室内蒸发物质的蒸气与固体或液体平衡过程中所表现出的压力称为该物质的饱和蒸气压。
最新2019-第一章薄膜制备的真空技术基础-PPT课件
中真空：102～ 10-1Pa
高真空： 10-1～10-5Pa
超高真空：<10-5 Pa
1.3 气体的流动状态和真空抽速
1、 气体的流动状态 在高真空环境中，气体分子除了与容器器壁发生碰撞以外， 几乎不发生气体分子间的碰撞过程。这种气体的流动状态被 称为气体的分子流状态。 分子流的特点是气体分子的平均自由程大于气体容器的尺寸 或与其相当。 当气体压力较高时，气体分子的平均自由程较短，气体分子 间的相互碰撞较为频繁，这种气体的流动状态称为气体的黏 滞流状态。
1.5 真空的测量
Pirani真空规 ---工作原理 •灯丝：测量灯丝、参比灯丝； •参比灯丝密封在高真空管中； •通过桥电流的大小测量气体密度(真空度) ---Pirani规的特点 •价格低廉、方便、快捷、可靠
1.5 真空的测量
电离真空规 ---工作原理 •由阴极、阳极和离子收集极组成； •阴极电离气体产生离子； •离子收集极收集离子从而测量气体密度。 ---电离真空规的特点 •灵敏、准确，但灯丝容易损坏，价格比较高 ---电离真空规的使用 •工作电流：离子规的工作电流不能随意改变； •校准：按真空计的具体步骤校准
将式（1）和（2）代入上式，可以求出气体分子的通量：
PNA
2MRT
1.2 气体分子运动论的基本概念
4、 分子平均自由程λ：气体分子在两次碰撞的间隔时间里走
过的平均距离。
1
n d 2
式中d为气体分子的有效截面直径。气体分子的平均自
由程与气体分子的密度n成反比。
5、 真空度的划分
低真空：> 10 2Pa
所谓层流状态，相当于气体分子的宏观运动方向与一组相互 平行的流线相一致。 在流速较高的情况下，气体的流动不再能够维持相互平行的 层流模式，而会转变为一种漩涡式的流动模式。这时，气流 中不断出现一些低气压的漩涡，这种气体的流动状态成为紊 流状态。如下图所示。
薄膜物理与技术-1 真空技术基础
2 dN m 2 mv 4 v 2 dv exp 2kT N 2 kT N 容器中气体分子总数，m为气体分子质量,T为温度。 3
dN 麦克斯韦速度分布函数 m确定，温度确定， f (v )dv N 3 2 m 2 2 m v f (v) 4 exp v 2kT 2kT
(1/1.013×105)
1 PSI
51.7149
6.8948×103
6.8948×10-2
6.8046×10-2
说明：1、mmHg是人类使用最早、最广泛的压强单位； 1958年为纪念托里切利，用托（torr）代替了mmHg：1 torr＝1 mmHg 2、早期的真空度计量常以 torr 或 mbar 为单位； 目前随着标准化进程的推进，SI（MKS）制单位应用日渐广泛 真空度用 Pa 作单位
1 真空技术基础
不同真空度单位制间的换算关系：
torr/mmHg 1 torr (1 mmHg) 1 Pa 1 bar 1 atm 7.501×10-3 7.501×102 760.0
(760/1.013×105)
1.1 真空的基本知识
法定计量单位
bar 1.333×10-3
(1.013/760)
va
m
M
1.59
M
3. 均方根速率
计算分子平均动能
vr :va :vm =1.225: 1.128: 1
3kT 3RT RT vr 1.73 m M M
1 真空技术基础
1.2.2 气体分子的速度分布
1.2 稀薄气体的性质
例1． 计算400K温度下氧气的方均根速率、平均速率和最可 几速率。
dN 麦克斯韦速度分布函数 m确定，温度确定， f (v )dv N 3 2 m 2 2 m v f (v) 4 exp v 2kT 2kT
(1/1.013×105)
1 PSI
51.7149
6.8948×103
6.8948×10-2
6.8046×10-2
说明：1、mmHg是人类使用最早、最广泛的压强单位； 1958年为纪念托里切利，用托（torr）代替了mmHg：1 torr＝1 mmHg 2、早期的真空度计量常以 torr 或 mbar 为单位； 目前随着标准化进程的推进，SI（MKS）制单位应用日渐广泛 真空度用 Pa 作单位
1 真空技术基础
不同真空度单位制间的换算关系：
torr/mmHg 1 torr (1 mmHg) 1 Pa 1 bar 1 atm 7.501×10-3 7.501×102 760.0
(760/1.013×105)
1.1 真空的基本知识
法定计量单位
bar 1.333×10-3
(1.013/760)
va
m
M
1.59
M
3. 均方根速率
计算分子平均动能
vr :va :vm =1.225: 1.128: 1
3kT 3RT RT vr 1.73 m M M
1 真空技术基础
1.2.2 气体分子的速度分布
1.2 稀薄气体的性质
例1． 计算400K温度下氧气的方均根速率、平均速率和最可 几速率。
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。
薄膜技术的真空技术基础
式中，n为单位体积内的气体分子数。从此式可知，分子流条件下管路的流导不仅取决于管路的几何尺寸，还与气体的种类和温度有关。
桂林电子科技大学
材料科学与工程学
1.3 真空系统的导流能力——流导
对于黏滞流状态：流导随气体压力升高而增加。不同形状管路的流导已被编制成图表不同流导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）
单击此处添加小标题
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。极限真空度： 10-2Pa左右；优点：结构简单、无油气回流，抽 速很大。缺点：泵体与转子发热、膨胀，造成泵体损坏；当气体压力低于10-1 Pa时，气体回流造成抽速降低。适用压力范围：10-1～1000Pa。
1.1 真空的基本知识
按上述第二种说法，比如炮弹在高于大气压的空间飞行是没有问题的，因此可以将高于大气压的空间看作是真空，而对于表面研究，10-8Pa才称得上是真空。
宇宙空间所存在的“自然真空”；利用真空泵抽取所得的“人为真空”。绝对真空：完全没有气体的空间状态。
为了获得真空至少需要
1.1 真空的基本知识
1.2 真空的表征
气流与流导气体流动状态与气体压力、真空容器尺寸的关系根据Knudsen准数Kn:Kn<1: 分子流状态Kn>110粘滞流状态
粘滞态气流的两种不同的流动状态根据Reynolds准数Re:式中，d为容器的特征尺寸（如管路的直径）；υ、ρ、η分别是气体的流速、密度和动力学黏度系数。Re>2200 紊流状态 Re<1200 层流状态
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材料科学与工程学
1.3 真空系统的导流能力——流导
对于黏滞流状态：流导随气体压力升高而增加。不同形状管路的流导已被编制成图表不同流导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）
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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。极限真空度： 10-2Pa左右；优点：结构简单、无油气回流，抽 速很大。缺点：泵体与转子发热、膨胀，造成泵体损坏；当气体压力低于10-1 Pa时，气体回流造成抽速降低。适用压力范围：10-1～1000Pa。
1.1 真空的基本知识
按上述第二种说法，比如炮弹在高于大气压的空间飞行是没有问题的，因此可以将高于大气压的空间看作是真空，而对于表面研究，10-8Pa才称得上是真空。
宇宙空间所存在的“自然真空”；利用真空泵抽取所得的“人为真空”。绝对真空：完全没有气体的空间状态。
为了获得真空至少需要
1.1 真空的基本知识
1.2 真空的表征
气流与流导气体流动状态与气体压力、真空容器尺寸的关系根据Knudsen准数Kn:Kn<1: 分子流状态Kn>110粘滞流状态
粘滞态气流的两种不同的流动状态根据Reynolds准数Re:式中，d为容器的特征尺寸（如管路的直径）；υ、ρ、η分别是气体的流速、密度和动力学黏度系数。Re>2200 紊流状态 Re<1200 层流状态
薄膜制备的真空技术基础
15/31 15/31
仅供学生学习参考，请勿扩散
薄膜材料与技术，授课教师：张卫华 2007
气体的流动状态和真空抽速
气体流动状态随气压、温度、种类、容器尺寸等不同而不同； 高真空中，气体分子的自由行程大约 50m，远远超过容器尺 寸，高真空中，主要为器壁碰撞。－分子流状态。 Kn<1 低真空中，气体分子间碰撞频繁，－粘滞流状态。 Kn>110 克努森准数界定： K n=D/λ， 式中：D－容器尺寸， λ－分子自由行程 粘滞流状态：低流速时，气体处于层流状态，高流速时，为紊流。 雷诺数界定：Re＝vdρ/η η>2200:紊流状态； η<1200:层流状态
m为一个分子的质量，T为气体的热力学温度， k为玻耳兹曼常量, 1.380662×10－23J·K－1 f(v)－分布在速率间隔 内的相对分子数
7/31
仅供学生学习参考，请勿扩散
薄膜材料与技术，授课教师：张卫华 2007
气体分子的平均速度（ R=NAK=8.314）：
M
最概然速度 :
M
方均根速度：
C C1 C2 Cn
17/31 17/31
仅供学生学习参考，请勿扩散
薄膜材料与技术，授课教师：张卫华 2007
真空泵抽速 抽速： S p Q P Q=C(P-Pp)=SpPp，
Sp C Pp C S p Pp S pC Q S P Pp ( S p C ) / C ) S p C P
M
1955 年美国哥伦比亚大学的密勒(ler) 和库什(P.Kusch)实验
8/31
仅供学生学习参考，请勿扩散
薄膜材料与技术，授课教师：张卫华 2007
小结 1．三种统计速率都反映了大量分子作热运动的统计规律，它们 都与温度 成正比，与分子质量 成反比，且 ，三 者之比为 。在室温下，对中等质量的分子 来说，三种速率数量级一般为每秒几百米。最概然速率最小，方 均根速率最大。 2．三种速率应用于不同问题的研究中。例如： ──用来计算分子的平均平动动能，在讨论气体压强和温度 的统计规律中使用。 ──用来讨论分子的碰撞，计算分子运动的平均距离，平均 碰撞次数等。 ──由于它是速率分布曲线中极大值所对应的速率，所以在 讨论分子速率分布时常被使用。 3. 不同气体分子的平均运动速度与 T/M的平方根成正比，在室 温下，空气分子的平均运动速度约为 460m/s
1+薄膜制备的真空技术基础
因而热丝的温度会随着气体压力的上升而降低。 这时，用热电偶测出了热丝本身的温度，也就相 应测出了环境的气体压力。
缺点：非线性，测量结果与气 体种类有关，零点漂移严重。 优点：结构简单，使用方便。
薄膜制备的真空技术基础
热电势随气体压力的变化曲线
36
皮拉尼真空规：又称热阻式 真空规，通过测量热丝的电 阻随温度的变化来实现对真 空度的测量。
气体流动状态的划分（克努森准数Kn）
3. 真空泵的工作原理及适用范围 （旋片式机械真空泵、涡轮分子泵、溅射离子泵）
实现无油高真空环境。 Ti升华泵
特点：气体活性大，抽速大；寿命有限。
薄膜制备的真空技术基础极限真空度：10-8 Pa。
31
薄膜制备的真空技术基础
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32
1.4 真空的测量
真空测量：用特定的仪器和装置，对某一特定空间 内真空高低的测定。（真空计、规管） 绝对真空计：通过测定物理参数直接获得气体压 强的真空计（U型真空计、压缩式真空计等）
缺点：油污染
单独使用或高真空系统的前级真空
薄膜制备的真空技术基础
26
1.3.2 罗茨（Roots）真空泵
工作原理： 泵内两个呈8字型的转子
以相反的方向旋转。 优点：无油，抽速大（103 L/s），
极限真空度高（10-2 Pa） 缺点：适用范围窄（0.1~1000Pa）
薄膜制备的真空技术基础
27
1.3.3 油扩散泵
薄膜制备的真空技术基础
3
理想气体模型：
气体分子之间除相互碰撞的瞬间之外，完全不 存在相互作用，即它们可被看作是相互独立的硬 球，且硬球的半径远小于球与球之间的距离。
在一般的温度和压力条件下，所有气体可看 作理想气体。
缺点：非线性，测量结果与气 体种类有关，零点漂移严重。 优点：结构简单，使用方便。
薄膜制备的真空技术基础
热电势随气体压力的变化曲线
36
皮拉尼真空规：又称热阻式 真空规，通过测量热丝的电 阻随温度的变化来实现对真 空度的测量。
气体流动状态的划分（克努森准数Kn）
3. 真空泵的工作原理及适用范围 （旋片式机械真空泵、涡轮分子泵、溅射离子泵）
实现无油高真空环境。 Ti升华泵
特点：气体活性大，抽速大；寿命有限。
薄膜制备的真空技术基础极限真空度：10-8 Pa。
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薄膜制备的真空技术基础
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1.4 真空的测量
真空测量：用特定的仪器和装置，对某一特定空间 内真空高低的测定。（真空计、规管） 绝对真空计：通过测定物理参数直接获得气体压 强的真空计（U型真空计、压缩式真空计等）
缺点：油污染
单独使用或高真空系统的前级真空
薄膜制备的真空技术基础
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1.3.2 罗茨（Roots）真空泵
工作原理： 泵内两个呈8字型的转子
以相反的方向旋转。 优点：无油，抽速大（103 L/s），
极限真空度高（10-2 Pa） 缺点：适用范围窄（0.1~1000Pa）
薄膜制备的真空技术基础
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1.3.3 油扩散泵
薄膜制备的真空技术基础
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理想气体模型：
气体分子之间除相互碰撞的瞬间之外，完全不 存在相互作用，即它们可被看作是相互独立的硬 球，且硬球的半径远小于球与球之间的距离。
在一般的温度和压力条件下，所有气体可看 作理想气体。
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气压的稀薄气体状态。
通常用压强为单位来描述“真空”状态下的气体稀薄程 度――真空度。 真空度的常用单位为帕（Pa）、托（Torr)、毫米汞柱 （mmHg）或巴（bar）。 (1) 帕斯卡（Pa）：目前国际上推荐的在真空中使用的 国际单制（SI），简称帕（Pa）。 1Pa = 1牛顿/米2 = 1千克/米•秒2 = 10达因/cm2 =
1.1 气体分子运动论的基本概念
2 气体分子运动速度及其分布 (Maxwell分布） dN = Nf(v)dv
M-分子的摩尔质量，T为热力学温度，R为普适气体常数 物理意义：
f(v)dv表示在速率附近，dv速率间隔内的分子数占总分子数的比率
1.1 气体分子运动论的基本概念
3 . 气体分子的平均自由程 一个气体分子在两次碰撞之间的平均距离：
自然真空 : 地球大气层意外的宇宙真空 真空 人造真空 : 运用科技手段抽掉密闭容器中的气体
迄今为止，采用最高超的真空技术所能达到的最低压力状态 大致为10-12-10-13Pa，还远未达到绝对真空。
1.2 真空的基本概念
2. 真空度的表征
通常用压强为单位来描述“真空”状态下的气体稀薄程度―真空度。
P1和P2为管路两断的气压，Q为单位时间内通过管路的气体流量。
描述真空部件的气体通过能力，它使流动着的气体形成一定程度压力降低。
泵2
真空室
泵1
真空室
泵1
泵2
并联可以提高抽速
串联可以提高极限真空度
1.3 真空的获得
3.真空抽速
真空泵的抽速S定义为
Q S P
---P为真空泵入口处气压，Q为单位时间内通过该处 的气体流量
涡轮分子泵结构示意图
工作参数：
实际抽速： 1000L/s (决定于 泵体口径和转速）
极限真空：10-8 Pa
（6）真空泵简介- 涡轮分子泵
特点与使用
与旋片机械泵串联使用，需要机械泵抽预真空至1Pa以 下；无油污染；价格昂贵。
导致涡轮泵出问题的最常见的原因
导致极大的失败。
1 、突然将泵暴露于大气之下，涡轮叶片弯曲并互相碰撞，
图1.2 气体流动状态与真空系统
尺寸和气体压力之间的关系
1.2 真空的基本概念
1. 何为真空
物理学上的“真空”是指没有或者不计气体分子和原
子存在的物理空间，仅存在各种能量粒子的场空间；
应用物理与技术所讨论的“真空”――低于一个大气 压力的稀薄气体的空间状态。
1.2 真空的基本概念
1. 何为真空
一个标准大气压（atm）= 760 mmHg
由于1毫米汞柱与1托的差别极小，习惯上将它们等同看待。 (4) 巴（bar）：1bar = 105 Pa
1.2 真空的基本概念
2. 真空度的表征
真空度可分为：
低真空： 102Pa
工业应用（包装）
中真空： 102~10-1Pa
高真空： 10-1~10-5Pa
(1) 帕斯卡（Pa）：国际单制（SI），简称帕（Pa）。 1Pa = 1牛顿/米2 = 1千克/米•秒2 = 10达因/cm2 = 7.510-3 Torr
(2) 托（Torr)：真空技术中最常用的单位，定义为
1 Torr = 1/760atm （一个标准大气压）= 133.32 Pa (3) 毫米汞柱（mmHg）：指0℃时1毫米汞柱作用在单位面积上的力。
特点与使用
单独使用或用作其它高级泵的前级泵，低真 空系统.
旋片式真空泵的结构示意图
缺点：油污染
（2）真空泵简介-旋片式真空泵
型号：2XZ-2, 2XZ-4, 2XZ-8
（3）真空泵简介干性机械泵
工作原理 通过增加腔的溶积来降低压力 特点与使用 使用非金属材料作为运动表 面，以避免使用填缝剂和润
nv 8 RT P 4 Fra bibliotek6M mol k T N AP 2M mol RT
克努森方程
因子1/4是对气体分子运动方向和运动速度分布进 行数学平均时得到的一个系数。
衬底完全被一层分子覆盖所需时间：
t N
N 2M mol RT N AP
N为表面原子密度 常温常压下，洁净表面被杂质完全覆盖所需时 3.510-9 s, 而在10-8Pa的高真空中，这一时间为 10h。所以在薄膜制备技术中获得和保持适当的
理论抽速：Sp=Vf: 实际抽速： 1-103L/s 极限真空：10-2 Pa
特点与使用
与旋片机械泵串联使用，不能直 接向空气排气。现正设计新型的 可直接向空气排气的罗茨泵。高 真空系统；价格较贵。
罗茨泵结构示意图
（5）真空泵简介- 油扩散泵
工作原理：
将扩散泵油加热至高温蒸发状态(200oC)， 让油蒸气呈多级状向下定向高速喷出时 不断撞击使其被迫向排气口运动，在压 缩作用下被排出泵体。同时泵体冷却的 油蒸汽又会凝聚返回泵的底部
（1） 滑阀式真空泵
（2）真空泵简介-旋片式真空泵
工作原理：
依靠放置在偏心转子中的可以滑进滑出的 旋片，将气体隔离，压缩，然后排出泵体之外。
工作参数：
理论抽速：Sp=Vf: 体积；f为转速）
(V为转子与定子间的
实际抽速： 1-300L/s 极限真空：单级为1Pa；两级串联为10-2
Pa
工作参数：
实际抽速： 决定于泵体口径和阴极高压
极限真空：10-8 Pa
溅射离子泵结构示意图
特点与使用
与旋片机械泵和分子泵配合使用，需要 抽预真空(10-6 Pa)；无油污染；超高真空 洁净系统；价格昂贵。
1.4 真空测量技术
与真空环境获得方法密切相关的是真空的测量技术，根据真空度 （气体压力）的范围的不同，其测量方法和原理也各不同 由仪器测量出的真空度与真空室的实际真空度之间可能由于温度的 不同而存在误差，而且当气体处于分子流状态，真空室与测试点的 气压也有所不同。 pc/pm = (Tc/Tm)1/2 Tc,Tm分别为真空室和测试点的温度
工作参数： 理论抽速：Sp=Vf (V为转子与定子间的 体积；f为转速） 实际抽速： 10-500L/s 极 限 真 空 ： 单 级 为 103Pa； 两 级 串 联 为 1Pa 特点与使用
单独使用或用作其它泵的前级泵，低真空系 统。 缺点：油污染。
滑阀式真空泵的结构示意图
3 真空泵简介
真空度是很重要的。
1.1 气体分子运动论的基本概念
5 气体的流动状态
气体的无规则热运动本身不能导致气体的宏观 流动，只有在空间存在压力差的条件下，气体 作为一个整体才会产生宏观的定向流动。
气体流动取决于容器形状，气体气压，温度及
气体种类。
1.1 气体分子运动论的基本概念
5 气体的流动状态
气 体 流 动 状 态 分 类
3 真空泵简介
（1） 往复式真空泵
工作原理：
利用泵腔内活塞的往复运动，将气体吸入、压缩并排出。
3 真空泵简介
（1） 滑阀式真空泵
油的作用：运动部 件间的密封，对机 械部件润滑。
工作原理：
依靠偏心连杆机构驱动滑阀，在滑阀运动时， 气体经由吸气口被吸入泵体内，然后在滑阀压 缩下经排气阀排出泵体
第一章 薄膜制备的真空技术基础
1.1气体分子运动论的基本概念
1.2真空的基本概念
1.3 各类真空泵简介
1.4 真空测量技术 1.5 几种典型真空系统的建立
1.1 气体分子运动论的基本概念
1. 描述气体分子状态的宏观物 理量-P、T、V 理想气体状态方程：
PV m RT M mol
2、涡轮泵的回转轴是精密平衡的，所以在使用过程中严禁 移动或冲撞。
（7）真空泵简介- 低温吸附泵
工作原理：
依靠气体分子在低温条件下自发凝结或 被其他物质表面吸附的性质实现对气体 分子的去除，进而获得高真空的装置 。 真空度依赖于低温度，吸附物质的表面 积和吸附气体的种类等。
工作参数：
常用的吸附物质：金属表面；活性碳； 沸石等分子筛
―S特指一个截面上的气体流速。
极限真空度指被抽容器漏气，经真空泵充分抽气后所能 达到的最高真空度。
1.3 真空的获得
(a)流量各处相等：Q = C(P-Pp)=SpPp 实际抽速：
S PC S SP C
泵对容器的实际抽速S永远小于泵的
理论抽速，也永远小于管路的流导C
(b) 流 量 极限真空 实际抽速
极限真空：10-1~10-8 Pa
特点与使用
需要机械泵抽预真空(10-1pa)；无油高真
低温吸附泵结构示意图
空系统；价格较贵；高温时，被吸附的 气体又释放出来。
（8）真空泵简介- 溅射离子泵
工作原理：
依靠高压阴极发射出的高速电子与残余 气体分子相互碰撞后引起气体电离放电， 而电离后的气体分子在高速撞击阴极时 又会溅射出大量的Ti原子。由于Ti原子的 活性很高，因而它将以吸附或化学反应 的形式捕获大量的气体分子并在泵体内 沉积下来，实现超高真空的获得。
滑剂，从而可避免油污染反 应室。现今集成电路工艺中 使用干性泵。
旋转支架干性机械泵
缺点：
极限真空度低，噪声大，价 格高
（4）真空泵简介- 罗茨泵
工作原理：
泵体内两个呈8字型的转子以相反 的方向旋转，转子的咬合精度很 高，且转子间，转子与泵体间无 需油作密封，转速高，抽速快。
工作参数：