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。
4 M 2 f (υ) = υe π 2RT
2
−
Mυ 2 RT
（1-1） ）
式中， 为气体分子的相对原子质量 为气体分子的相对原子质量， 为热力学温度 为热力学温度， 为气体常数 为气体常数。 式中，M为气体分子的相对原子质量，T为热力学温度，R为气体常数。气体分 子运动速度的一维分量υ 三个坐标分量方向)均满足分布函数 子运动速度的一维分量 i （i=x,y,z三个坐标分量方向 均满足分布函数： 三个坐标分量方向 均满足分布函数： 2
Φ=
2πMRT
（1-7） ）
即气体分子的通量与气体的压力呈正比， 即气体分子的通量与气体的压力呈正比，但与气体的热力学温度以及其相 对 原子质量的1/2次方成反比 上式又称为克努森（ 次方成反比。 原子质量的 次方成反比。上式又称为克努森（Knudsen）方程，它是真 ）方程， 空 和薄膜技术中最常用的方程式之一。 和薄膜技术中最常用的方程式之一
1、气体分子的运动速度及其分布 、
气体分子运动论认为： 气体分子运动论认为： 气体的大量分子每时每刻都处于无规则的热运动之中， 气体的大量分子每时每刻都处于无规则的热运动之中，其平均速度取决于气 体所具有的温度；同时，在气体分子之间以及气体分子与容器壁之间， 体所具有的温度；同时，在气体分子之间以及气体分子与容器壁之间，发生着不 断的碰撞过程， 断的碰撞过程，这种碰撞过程的结果之一是使气体分子的速度服从一定的统计分 气体分子的运动速度υ服从麦克斯韦尔 玻耳兹曼（ 服从麦克斯韦尔-玻耳兹曼 布。气体分子的运动速度 服从麦克斯韦尔 玻耳兹曼（Maxwell-Boltzmann）分 ） 布： 3 2
8RT υa = πM
（1-3） ）
可见：温度越高、气体分子的相对原子质量越小，则分子的平均运动速度越大； 可见：温度越高、气体分子的相对原子质量越小，则分子的平均运动速度越大；不 同种类气体分子的平均运动速度也只与T/M的平方根成正比。 的平方根成正比。 同种类气体分子的平均运动速度也只与 的平方根成正比 在常温条件下，一般气体分子的运动速度是很高的。比如在T=300K时，空气分 在常温条件下，一般气体分子的运动速度是很高的。比如在 时 子的平均运动速度υ 子的平均运动速度 a ≈ 460m/s。 。 同时由气体的速度分布函数还可以证明，每摩尔气体分子的动能等于（ ） 同时由气体的速度分布函数还可以证明，每摩尔气体分子的动能等于（3/2） RT，也只与其热力学温度有关。 ，也只与其热力学温度有关。
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第1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 气体的流动状态和真空抽速 1.3 真空的获得与真空泵简介 1.4 真空的测量
1.1 气体分子运动论的基本概念
描述气体压强的单位很多，如下表： 单位 1Pa 1Torr 1mba 1atm 帕/Pa 1 133.3 100 1.013 × 105 托/Torr 7.5×10-3 1 0.75 760 毫巴/mba 1× 10-2 1.333 1 1.013 ×103 10 标准大气压 9.87× 10-6 1.316 ×10-3 9.87× 10-4 1
二、要求 1 了解并掌握薄膜材料最基本的制备技术和表征方法， 最基本的薄膜生长理论和几个典型的应用； 2 多思考，多想象，多实践； 3 有一定的作业任务； 4 考查: 考试与读书报告 三、参考书 1 郑传涛，薄膜材料与薄膜技术，化学工业出版社， 2004。 2 顾培夫，薄膜技术，浙江大学出版社，1990 。 3 杨邦朝、王文生，薄膜物理与技术，电子科技大学出 版社，1994 。 4 王力衡、黄运添、郑海涛，薄膜技术，清华大学出版 社，1991 。
i M − 2R1-2） ）
上式表明：气体分子的速度分布只取决于分子的相对原子质量 与气体热 上式表明：气体分子的速度分布只取决于分子的相对原子质量M与气体热 力学温度T 的比值。 力学温度 的比值。
根据式1-1，还可以求出气体分子的平均运动速度： 根据式 ，还可以求出气体分子的平均运动速度：
1.2气体的流动状态和真空抽速
1、气体的流动状态
在空间中存在压力差，导致气体的宏观定向流动。气体的流动状态影响因素： 在空间中存在压力差，导致气体的宏观定向流动。气体的流动状态影响因素： 容器几何尺寸，气体的压力、温度及气体的种类。 容器几何尺寸，气体的压力、温度及气体的种类。图1.2显示了气体流动状态与真 显示了气体流动状态与真 空容器尺寸和气体压力间的关系。 空容器尺寸和气体压力间的关系。 气体的流动状态可借助一个无量纲的参数——克努森 克努森(Knudsen)准数 来划分。 准数Kn来划分 气体的流动状态可借助一个无量纲的参数 克努森 准数 来划分。 定义： 定义：
薄膜技术与薄膜材料
主讲教师： 主讲教师：张显
E-mail：zhxian@ 电子材料与元器件教研室
绪论
一、本课程主要内容： 1 薄膜制备的真空技术基础 2 薄膜的物理气相沉积—蒸发法 3 薄膜的物理气相沉积—溅射法及其它PVD法 — PVD 4 薄膜的化学沉积 5 薄膜的生长过程和薄膜结构 6 薄膜材料的表征方法 7 薄膜材料及其应用
2、气体的压力和气体分子的平均自由程 、
（1）气体的压力
气体分子与容器壁的不断碰撞对外表现为气体具有一定的压力。 气体分子与容器壁的不断碰撞对外表现为气体具有一定的压力。 理想气体的压力p与气体分子的动能 或者说是与气体的热力学温度成正比， 与气体分子的动能， 理想气体的压力 与气体分子的动能，或者说是与气体的热力学温度成正比， 用理想气体状态方程式描述： 用理想气体状态方程式描述：
作为上式的一个应用，我们来计算一下在高真空环境中， 例： 作为上式的一个应用，我们来计算一下在高真空环境中， 清洁表面被环境中的杂质气体分子污染所需要的时间。 清洁表面被环境中的杂质气体分子污染所需要的时间。
求解： 假设每一个向清洁表面运动过来的气体分子都是杂质， 求解： 假设每一个向清洁表面运动过来的气体分子都是杂质，并均被表面所 俘获。由式1-7， 俘获。由式 ，可以求出表面完全被一层杂质气体分子覆盖所需要的时间
注：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。 本书采用我国国家标准规定采用的Pa（或 MPa、 Gpa）作为气体压力的基本单位。
（2）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。 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， 种气体分子的有效截面直径为 ，则该气体分子的平均自由程应该等于
1 λ= nπd2
（1-5） ）
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 因此，气体分子的平均自由程与单位体积内的气体分子数 成反比。 成反比 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， 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 平均自由程λ 效截面直径 ≈ 0.5nm,平均自由程 ≈50nm。 平均自由程 。 由平均自由程还可以求出气体分子的平均碰撞频率= 由平均自由程还可以求出气体分子的平均碰撞频率 υa / λ。在常温常压的条 。 件下，每个气体分子每秒钟内要经历10 次碰撞。 件下，每个气体分子每秒钟内要经历 10 次碰撞。 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， 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 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。 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， 由于气体分子的平均自由程与单位体积内的气体分子数 成反比，而压强p 成反比 成正比， 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 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 时 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， 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。 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。
Ν Ν 2πMRT τ= = Φ ΝA p
（1-8）
式中，N为沉积表面的单位面积上能容纳的一分子层内的气体分子数。由上式 为沉积表面的单位面积上能容纳的一分子层内的气体分子数。 式中， 为沉积表面的单位面积上能容纳的一分子层内的气体分子数 可得，在常温常压的条件下， 可得，在常温常压的条件下，洁净表面被杂质完全覆盖所需要的时间约为 3.5×10-9s；而在10-8Pa的高真空中，这一时间可延长至10h左右。这说明， × ；而在 的高真空中，这一时间可延长至 左右。这说明， 的高真空中 左右 在薄膜制备技术中获得和保持适当的真空环境是极端重要的。 在薄膜制备技术中获得和保持适当的真空环境是极端重要的。