第1章 薄膜技术的真空技术基础

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❖ 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。
❖ 一般说来,工业上利用真空有下述几条理由:①化学 非活性;②热导低;③与气体分子之间的碰撞少;④ 压力低。通过本章的学习,可以了解真空环境对于薄 膜气相沉积的必要性,并为真空获得、真空测量及真 空应用等建立必要的理论基础。
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2.1 真空的基本知识
❖1 真空的定义
❖ 真空泛指低于一个大气压的气体状态。与普通的大气压 状态相比,分子密度较为稀薄,从而气体分子与气体分 子,气体分子与器壁之间的碰撞几率要低些。
Q C
p1 p2 ❖ 式中,p1和p2为部件两端的气体压力;Q为单位时间内通
过该真空部件的气体流量,即单位时间内流过的气体体 积与其压力的乘积。
❖ 流导C的大小取决于:真空系统(管路)的几何尺寸。在粘 滞流状态下,气体分子间的碰撞是主要的,气体压强的 作用较为有效,气体容易流通,故流导大;与此相反, 在分子流状态下,气体分子间的碰撞可以忽略,气体压 强的作用较小,所以流导小,通常,我们所利用的真空 空间压强极低,大部分属于分子流。
Qp ) Sp p
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1.4 真空泵的抽速
❖ 令的Q=0,即可求出真空泵可以达到的极限真空度P0 为
p0

Qp Sp
同时,还可以求出泵的实际有效抽速为
S

Q p

S p (1
p0 p
)
它将随着Q的减小以及p趋于P0的过程而趋于零。
——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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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;
❖ 根据Reynolds准数Re:
Re d
Re>2200 Re<1200
紊流状态 层流状态
❖ 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。
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1.3 真空系统的导流能力——流导
❖ 真空系统中,气体的通过能力称之为流导C,流导C、流 量Q和压强P三者的关系:
(0.4nm),但运动速度极快(大约为步枪子弹的出口速
度)
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1.1 真空的基本知识
❖3 真空度量单位
❖ 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”。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。气体分子密度、气体分子的平均自由程、形成一个分 子层所需要的时间等也可以用来表示真空度。
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
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1.4 真空泵的抽速
❖ 当真空管路流导为有限,真空容器出口与真空泵入口处 的气体压力不相等,但气体流量相等。泵的实际抽速S降 低为
❖ 为了获得真空至少需要
能降低压强的设备——真空泵
能盛放特定空间的装置——真空容器
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1.1 真空的基本知识
❖2 真空度的术语描述 ❖分子密度:如用阿伏加德罗数(在1 ℃和1大气压下,
22.4L的空间中有6*1023个气体分子,在1*10-8Pa压强下, 1cm3中有355万个气体分子,相当于北京市人口的1/4。
单位
帕/Pa
托/Torr 毫巴/mba 标准大气压
1Pa 1Torr 1mba 1atm
1 133.3 100 1.013 × 105
7.5×10-3 1
0.75 760
1× 10-2 1.333 1
1.013 ×103
9.87× 10-6 1.316 ×10-3 9.87× 10-4
1
❖ 工程常用的换算:1atm=760Torr=1033mbar=1013*102Pa
子数)在1*10-8Pa压强下,25 ℃的空气,每1cm3的表面, 平均每秒多到380亿次气体分子的碰撞。要是这些气体分 子整齐地排列于固体表面,大约需要3个小时。
❖ 1cm3中的气体分子尽管超过350万个,而来回自 由飞行的距离却大于500km,矛盾否?
❖ 这些气体分子非常小,直径只有一亿分之四厘米,
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1.2 真空的表征
❖2 气体分子的碰撞频率
❖ 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,称为气体分子的通量Φ , 也称克努力方程;
NAp
(1-2)
2MRT
❖ 气体压力高时,分子频繁碰撞物体表面; ❖ 气体压力低时,分子对物体表面的碰撞可以忽略
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1.1 真空的基本知识
❖4 真空区域划分
❖ 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10-12Pa,大气压大约为105Pa,因此17个数量级的广阔的压 力范围均在真空技术所涉及的范畴之内。
不同真空区域的物理特性
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1.1 真空的基本知识
S Q SpC p Sp C
❖ 即抽速S永远小于泵的理论抽速Sp,且永远小于管路流导 C。即S受Sp和C二者中较小的一个所限制。当Sp=C时,S =Sp/2。因此设计真空系统的一个基本原则就是,保证 管路的流导C大于真空泵的理论抽速Sp。
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1.4 真空泵的抽速
❖ 平均自由程:(气体分子人一次碰撞到下一次碰撞所
飞距离的统计平均值)在1*10-8Pa压强下,25 ℃的空气, 其平均自由程为509km,相当于北京到大连或北京到青岛 间的距离,这就好比从北京到大连或北京到青岛的飞行 过程中一次也不碰撞。
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1.1 真空的基本知识
❖2 真空度的术语描述 ❖ 入射频率:(单位时间碰撞(入射)到单位面积上的分
❖ 真空泵的极限真空度
真空系统极限真空度的影响因素:
真空泵回流
气体泄漏程度
真空系统 系统容积
管路流导
实际的真空泵在运转中总存在着气体的回流现象,如
上图所示。我们先仅考虑真空泵回流一个因素。设回流
为Qp ,并忽略管路的流阻(C为无穷大,p= pp),则由
流量相等的关系式:
Q

Sp
Qp

Sp
p(1
1 nd2
(1-1)
❖ 因此,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。在常温常压的条件下,气体分子的平均自由 程是极短的。例如,在此条件下,空气分子的有效截面 直径d ≈ 0.5nm,平均自由程λ ≈50nm。
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1.2 真空的表征
❖1 气体分子的平均自由程
C A A RT
n
2M
❖ 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。
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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
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引言
❖ 薄膜的气相沉积一般需要三个基本条件:热的气相源、 冷的基板和真空环境。
❖ 在寒冷的冬天,窗玻璃上往往结霜;人们乍一进入温 暖的房间,眼镜片上会结露。不妨将上述“霜”和 “露”看作气相沉积的“膜”,则火炉上沸腾水壶中 冒出的蒸汽则是“热的气相源”,冰冷的窗玻璃和眼 镜片则是“冷的基板”。那么,为什么真空环境也是 薄膜气相沉积的必要条件呢?
❖ 这一方面说明了真空环境的重要性。同时,气体分子通量 还决定了薄膜的沉积速率。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。
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1.2 真空的表征
❖3 气流与流导
❖ 气体主要是在分子与分子碰撞的过程中流动(容器的尺 寸远大于平均自由程),故称此种气流为粘流带,图(b) 表明,气体主要是在分子和容器碰撞的过程中流动(容 器的尺寸远小于平均自由程),故称之为分子流。单位 时间内气体流动的量叫流量,流量与(质量/时间)成正 比。
第一章 薄膜技术的真空技术基础
材料科学与工程学院 纳米光电材料实验室
朱归胜
内容提要
1 气体分子运动论的基本概念 2 真空获得的手段 3 真空度的测量
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引言
❖问题
❖1、是不是所有薄膜制备方 法都需要在真空环境下?
❖2、为什么在薄膜制备的过 程中需要在真空环境?或者 说真空环境在薄膜制备过程 中的作用是什么?
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1.1 真空的基本知识
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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。
❖ 曾存在两种不同的说法:一是真空就是“真的空了”, 就是“什么也不存在的空间”。但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1*10-11Pa,每立方 厘米体积中仍有3000个气体分子。因此它除了理论研究 外,并无多大实际意义;
❖ 另一种说法是“就真空使用者的目的而论的,只要该空 间的气体可以忽略不计,就可以认为是真空了。”
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1.2 真空的表征
❖2 气体分子的碰撞频率
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❖ 假设每个向表面运动来的气体分子都是杂质,而每个杂 质气体分子都会被表面所俘获,则可估计出不同的真空 环境中,清洁表面被杂质气体分子污染所需要的时间为:
❖ 在常温常压下,
3.510-9秒;
❖ 10-8Pa时,
10 小时
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1.2 真空的表征
❖3 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
D Kn

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1.2 真空的表征
❖ 粘滞态气流的两种不同的流动状态
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引言
❖ 问题1:薄膜技术与真空技术的关系
❖ 薄膜材料的制备过程是:

atom by atom


❖ 几乎所有的现代薄膜材料都是在真空或是在较低的气体 压力下制备的。
❖ 例外:比如sol-gel技术,丝网印刷技术
❖ 问题2:真空在薄膜制备过程中的作用: ❖ (1)减少蒸发分子与残余气体分子的碰撞; ❖ (2)抑制它们之间的反应;
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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。
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1.3 真空系统的导流能力——流导
❖ 对于分子流状态:流导与气体的压力无关,就等于单位 时间内通过该真空部件的气体体积。但由于气体的流速 与气体的种类和温度有关,因此,即使是在压力差相同 时,管路中流过的气体量Q也不一样。比如,对于处于两 个直径很大的管路间的通孔来说,若通孔的截面积为A, 则通孔的流导C正比于通孔两侧气体分子向通孔方向流动 的流量差。通孔的流导C:
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