青岛大学薄膜物理复习重点.ppt资料
第1章-光学薄膜基础知识-文档资料
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第1章 薄膜光学基础知识
光在通过分层媒质时，来自不同界面的反射光、透射光在 光的入射及反射方向产生光的干涉现象。
r
n,d
r
厚度为波长量级
能够产生干涉作用
t
t
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薄膜光学的研究对象
第1章 分支
➢它研究的对象是膜层对光的反射、透射、 吸收以及位相特性、偏振效应等；
➢ 1891年丹尼斯.泰勒（Dennis Taylor）在它的文章 中写到，在使用几年后的普通物镜的火石玻璃透 镜上“失泽”现象是十分明显的。我们很高兴的 是，能够使这种火石玻璃的拥有者放心，通常用 怀疑眼光看待的这层使玻璃“失泽”的薄膜，却 正是观测者的“挚友”，因为它增加了物镜的透 射率。
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第1章 薄膜光学基础知识
➢ 干涉现象是薄膜光学的起源 ➢ 1801年托马斯. 杨干涉实验是其理论基础 ➢ 夫琅和费在1827年制成了第一批减反射膜 ➢ 1873年，麦克斯韦的巨著《论光和磁》，进一
步奠定了薄膜光学的理论基础
➢ 1930年油扩散泵的出现促进了光学薄膜的发展 ➢ 各种制备技术是光学薄膜发展的保障
精品
第1章-光学薄膜基础知识
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第1章 薄膜光学基础知识
光学薄膜器件
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第1章 薄膜光学基础知识
1、光学薄膜的发展历史
人类最早发现的五光十色的肥皂泡； 水面上彩色斑烂的油膜； 两玻璃片间的空气层中常呈现出色彩鲜艳的光环； 所有这些现象早在十七世纪就引起了许多自然科学家的 注意，他们各自部提出了一些初步解释，但均不令人满意 ； 1801年托马斯 ．杨干涉实验结果以及菲涅耳对此进一步 发扬光大以后，上述现象才彻底为人们弄清，物理光学的基 础才从此建立起来．今天我们可以说，整部薄膜光学的物理 依据就是光的干涉。
(推荐)《薄膜物理》PPT课件
铁 (Fe) 甲烷 (CH4)
氯 (Cl2) 一氧化碳 (CO)
-12.4 -118.0 -62.5 14.7 31.0 3700.0 -82.5
144 -140.2
可以看出，氮、氢、氩、氧和空气等物质的临界温度远低于室
温，所以常温下它们是气体；水蒸气、有机物质和气态金属的
平均自由程与分子密度n和分子直径σ的平方成反比关系
kT 22P
平均自由程与压强成反比，与温度成正比
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稀薄气体的基本性质
若气体种类和温度一定的情况下
P常数
在25℃的空气情况下
P 0 .66 cm 7 Pa
或 0.667cm
P
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稀薄气体的基本性质
三、碰撞次数与余弦定律
入射频率：单位时间内，在单位面积的器壁上发生碰撞的分子
RNAk (NA：阿伏伽德罗常数) n= 7.2×1022 P/T (个／m3)
在标准状态下，任何气体分子密度为３×1019 个／cm3 当 P = 1.3 ×10-11 Pa 的真空度时 T = 293 K 则 n = 4 ×103个／cm3
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，每立方厘米的体积中仍然有几百个气体分子
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真空的基本知识
PnkT PVM m RT
P： 压强（Pa） n： 气体分子密度（个/m3） V：体积（m3） m：气体质量（kg） M：气体分子量（kg/mol） T： 绝对温度（K） k： 玻尔兹曼常数（1.3810-23J/K） R：气体普适常数（8.314J/K·mol）
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真空的基本知识
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真空的基本知识
压强的表示方法： 国际单位：帕斯卡 (Pascal) 其它单位：托 (Torr) 毫米汞柱(mmHg) 毫巴(bar)
薄膜物理与技术重点汇编
真空基础1、 薄膜的定义2、 真空如何定义（概念）？利用外力将一定密闭空间内的气体分子移走，使该空间内的气压小于 1 个大气压，则该空间内的气体的物理状态就被称为真空。
注意：真空，实际上指的是一种低压的、稀薄的气体状态，而不是指“没有任何物质存在”！ 3、 真空的分类？真空区域划分？有哪些单位制？如何换算？真空可分为：⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧→→→→atm 760/1 mmHg 1 torr 1mmHg in /lbf 1 PSI 1FPS dyne/cm 10 bar 1 CGS m /N 1 Pa 1SI MKS 2262＝＝制）毫末汞柱制（＝制）英制（＝制）厘米克秒制（＝制）制，即国际单位制（ 1 N ＝105 dyne ＝0.225 lbf 1 atm ＝760 mmHg （torr ）＝1.013×105 Pa ＝1.013 bar4、真空泵可分为哪两大类？简述包括的常用真空泵类型及其工作压强范围。
5、分析说明实用的真空抽气系统为什么往往需要多种真空组成复合抽气系统？从大气压力开始抽气，没有一种真空泵可以涵盖从1 atm到10-8Pa的工作范围，真空泵往往需要多种泵组合构成复合抽气系统，实现以更高的抽气效率达到所需的高真空！6、按测量原理真空计如何分类？7、真空与薄膜材料制备有何关系？几乎所有的现代薄膜材料制备都需要在真空或较低的气压条件下进行，都涉及真空下气相的产生、输运和反应过程。
了解真空的基本概念和知识，掌握真空的获得和测量技术基础知识是了解薄膜材料制备技术的基础！8、气体分子平均自由程概念薄膜沉积的物理方法1、什么是物理气相沉积（PVD）？PVD镀膜的三个关键过程。
PVD的概念：在真空度较高的环境下，通过加热或高能粒子轰击的方法使源材料逸出沉积物质粒子（可以是原子、分子或离子），这些粒子在基片上沉积形成薄膜的技术。
其技术关键在于：如何将源材料转变为气相粒子（而非CVD的化学反应）！2、在工程基于气相粒子发射方式不同而将PVD技术分为哪几类？3、简述真空蒸发镀膜。
《材料物理薄膜物理》课件
CONTENTS 目录
• 材料物理与薄膜物理概述 • 材料的基本性质 • 薄膜的制备与生长机制 • 薄膜的物理性能与应用 • 材料与薄膜物理与薄膜物理概述
材料物理的定义与重要性
定义
材料物理是一门研究材料结构、性能和应用的科学，主要关注材料的基本组成 、微观结构和宏观性质之间的关系。
CHAPTER 03
薄膜的制备与生长机制
薄膜的制备方法
01
02
03
物理气相沉积法
利用物理过程将材料蒸发 或溅射到基底上形成薄膜 ，包括真空蒸发、溅射和 离子束沉积等。
化学气相沉积法
通过化学反应将气体转化 为固态薄膜，包括热化学 气相沉积和等离子体增强 化学气相沉积等。
液相外延法
在单晶基底上通过控制温 度和成分，使溶质从溶液 中析出，形成单晶薄膜。
介电性能
薄膜的介电常数和介质损耗是其电学 性能的重要参数，影响其在电子和微 波器件中的应用。
薄膜的磁学性能
磁导率与磁损耗
磁性薄膜的磁导率和磁损耗特性决定了其在磁记录、磁传感 器等领域的应用。
磁各向异性
不同方向的磁化行为，影响磁性薄膜的磁学性能和应用。
薄膜的应用领域
光学仪器制造
高反射、高透过的光学薄膜广 泛应用于各种光学仪器制造。
材料在循环应力作用下抵抗断裂的能力， 与其使用寿命密切相关。
材料的热学性质
热容与热导率
描述材料在温度变化时吸收或释放热量的能 力，以及热量在材料内部的传导速度。
热稳定性
材料在温度变化时保持其物理和化学性质稳 定的能力。
热膨胀
材料在温度升高时体积增大的现象。
热辐射
材料发射或吸收电磁辐射的能力，与温度和 波长有关。
第3章-光学薄膜的设计理论
1 2
则：
Y
C
B
,
B C
称为膜系的特征矩阵
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第３章 光学薄膜的设计理论
单层膜的反射 单层膜的反射率为：
r 0 0 Y Y,R 0 0 Y Y 0 0 Y Y
这样就把单层膜的问题等效成了单一 界面的问题，而不是用多次干涉的方法。
对称膜系(PQP)的特征
第３章 光学薄膜的设计理论
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对称膜系(PQP)的特征
第３章 光学薄膜的设计理论
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对称膜系(PQP)的讨论
第３章 光学薄膜的设计理论
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对称膜系(PQP)的讨论
第３章 光学薄膜的设计理论
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周期性对称膜系
基本上任一层薄膜的作用都可看作是改变等效界面的导纳， 从而改变了薄膜系统的光学特性；
因此，如能形象的表示出等效导纳变化轨迹，将有助于直 观的分析薄膜系统的特性及其变化，这就是所谓的导纳轨 迹图解技术；
2.1.３单一界面反射率与透射率
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第３章 光学薄膜的设计理论
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第３章 光学薄膜的设计理论
单层膜的特征矩阵
由公式：
k
E
a
cos 1
H a i 1 sin 1
i sin
1
1
k
E
b
cos 1 H b
T=1: sin2θ=0, R1=R2 T极小值：则sin2θ=１
《薄膜物理》ppt课件
溶胶-凝胶法在铁电薄膜 制备中的运用
铁电研讨可大体分为四个阶段:
第一阶段是从1920年法国人Valasek发现了罗息盐的极化， 导致了“铁电性〞概念的出现开场 第一阶段是1940年~1958年。1941年，Slater提出了铁电体 的 第一个根本微观模型同时铁电唯象实际开场建立并趋成熟， 这一时期的实际与实验研讨任务，奠定铁电资料的自发极化、 相变和畴构造了解的根底 第三阶段是1959年~1979年，发现钙钛矿构造的PbTiO3、 Pb(ZrTi)O3(PZT)、PbLa〕(ZrTi)O3(PLZT)系列、钨青铜构造 的铌酸盐系列等大量铁电体，铁电的软模实际出现并根本完善， 也称软模阶段，这一阶段，现代铁电学根本成熟
在铁电薄膜的许多运用中，铁电存储器尤其引人注目 铁电存储器具有非易失性、快速存取与抗辐射等特点， 使得它在计算机、航空航天、军工国防领域呈现宽广的 运用前景，引起全世界科技界的极大关注
图 1-7 美国军用飞机中的非挥发存储器(1988) Fig. 1-7 NV-RAM used in fighter planes of U. S. A.
从水羟基配位的无机母体来制备凝胶时，取决于诸多要素，如 pH梯度、浓度、加料方式、控制的成胶速度、温度等
溶胶-凝胶法
聚合反响的另一种方式是氧基聚合，构成氧桥M－O－M；这 种聚合过程要求在金属的配位层中没有水配体，即氧-羟基配
体
溶胶-凝胶法
2. 金属有机分子的水解聚合反响 金属烷氧基化合物(M(OR)n )是金属氧化物的溶胶-凝胶合成 中常用的反响物分子母体，几乎一切金属(包括镧系金属)均 可构成这类化合物
氢氧化铁溶胶的制备
分散相在介质中的溶解度须极小是构成溶胶的必要条件之一
溶胶-凝胶法
薄膜物理与技术-考试重点
1． 真空环境的划分：①低真空（> 102Pa ）；②中真空（102 —10-1Pa ）；③高真空（10-1—10-5Pa ）；④超高真空（< 10-5Pa ）真空蒸发沉积：高真空和超高真空（<10-3 Pa ）溅射沉积：中、高真空（10-2—10Pa ）低压化学气相沉积：中、低真空（10—100Pa ）电子显微分析：高真空材料表面分析：超高真空2． 为了获得高真空蒸发系统，通常采用旋片式机械泵和涡轮分子泵两级真空泵联用，其中与真空室直接相连的是涡轮分子泵。
真空泵的原理和适用范围：① 旋片式机械真空泵（输运式真空泵）：依靠安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。
>10-1Pa② 涡轮分子泵（输运式真空泵）：高速旋转的叶片将动量传给气体分子，并使其向特定方向运动。
10-8—1Pa③ 溅射离子泵（捕获式真空泵）：高压下电离的气体分子撞击Ti 阴极，溅射出大量活性很高的Ti 原子，以吸附或化学反应的形式捕获大量气体分子。
10-8—10-5Pa 真空规测量气压的范围：① 热偶真空规和皮拉尼真空规（相对真空计） 10-2—102Pa② 电离真空规（相对真空计） 10-7—10-2Pa③ 薄膜真空规（绝对真空计） 10-3—105Pa3． 气体流动状态的划分：（克努森准数λDKn ，D 是气体容器的尺寸，λ是平均自由程）①分子流状态（Kn<1）；②过渡状态（Kn ＝1—100）；③粘滞流状态（Kn>100）4． 概念。
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。
通量：气体分子对于单位面积表面的碰撞频率。
流导：真空管路中气体的通过能力。
平衡蒸气压：一定温度下，蒸发气体与凝聚相平衡过程中所呈现的压力。
形核率：单位面积上，单位时间内形成的临界核心的数目。
化学气相淀积：利用气态先驱反应物，通过原子、分子间化学反应的途径生成固态薄膜。
薄膜物理复习资料
薄膜物理复习资料薄膜为什么受到重视？1,薄膜物理是物理学（特别是固体物理学）的重要分⽀，发展形成⾃⼰的体系--理论与实验（2）薄膜材料具有⼴泛的电、光、声、热、磁等应⽤场合许多制品（⼑具、容器、管道、板材等）主要决定于其表层特性⽽不是整体特性/ 电⼦元器件（微电⼦、光电⼦）是建⽴在发展于表⾯或表⾯近层的物理效应基础上/ 微电⼦器件、固体电⼦器件提⾼性能、⼩型化的关键—相关薄膜材料的制备和研究（3）薄膜具有许多明显不同于块材料的特性，如晶体结构多为⾮晶态、亚稳态等, 这些特性称为反常结构与特性—为薄膜所特有（值得研究和利⽤）/不仅是材料学研究的重要领域，也为发展新型功能材料开辟了⼴阔途径。
（⾮平衡冶⾦、⾮晶态⽣长、超微细结构、纳⽶材料…….)（4）薄膜材料是现代材料科学发展最迅速的⼀个分⽀。
现在科学技术的发展，特别是微电⼦技术的发展，打破了过去体材料的⼀统天下。
过去需要众多材料组合才能实现的功能，现在仅仅需要少数⼏个器件或者⼀块集成电路板就可以完成。
⽽薄膜技术正是实现器件和系统微型化的最有效的技术⼿段。
（5）器件的微⼩型化不仅可以保持器件原有的功能，⽽且可以使之更强化，随着器件的尺⼨减⼩以⾄于接近电⼦或其他离⼦量⼦化运动的微观尺度，薄膜材料或其器件讲显⽰出许多全新的物理现象。
薄膜技术作为器件微型化的关键技术，是制备这类具有新型功能器件的有效⼿段。
（6）每种材料的性能都有其局限性。
薄膜技术作为材料制备的有效⼿段，可以将各种不同的材料灵活地组合在⼀起，构成具有友谊特性的复杂材料体系，发挥每种材料各⾃的优势，避免单⼀材料的局限性。
薄膜(thin film)：由物理⽓相沉积(PVD)、化学⽓相沉积(CVD)、溶液镀膜法等薄膜技术制备的薄层。
●厚膜(thick film)：由涂覆在基板表⾯的悬浮液、膏状物经⼲燥、煅烧⽽形成。
薄膜材料的特点1.薄膜材料属于介观范畴，具有量⼦尺⼨效应；2.薄膜表⾯积与体积之⽐很⼤，表⾯能级很⼤，对膜内电⼦输运影响很⼤；3.薄膜界⾯态复杂，⼒学因素和电学因素交相作⽤，内应⼒和量⼦隧穿效应同时存在，对薄膜⽣长和微结构影响巨⼤；4.异常结构和⾮理想化学计量⽐特性明显；5.可实⾏多层膜复合，如超晶格。
薄膜物理与技术重点概括
一、薄膜：采用一定方法，使处于某种状态的一种或几种物质（原材料)基团以物理或化学方式附着于衬底材料表面，在衬底材料表面形成的一层新物质。
制备分类：二、气体与蒸汽：临界温度——对于每种气体都有一个特定温度，高于此温度，气体无论如何被压缩都不会液化。
利用室温和临界温度来区分气体和蒸汽：临界温度低于室温的气态物质称气体；临界温度高于室温的气态物质称为蒸汽。
饱和蒸汽压：把各种固液体放入密闭的容器中，在任何温度下都会蒸发，蒸发出来的气压称为蒸汽压。
在一定温度下，单位时间内蒸发出来的分子数与凝结在器壁和回到蒸发物质的分子数相等时的蒸汽压称为饱和蒸汽压。
蒸发温度：规定为饱和蒸汽压=1.33Pa时的温度。
压强单位：1Bar=10^5 pa ,1Atm=101325Pa ,1Torr=133.322Pa 1N/m^2=1pa真空：指定空间内，低于一个大气压的气体状态。
真空特点：压强低，分子稀薄，分子的平均自由程长。
真空划分：平均自由程：每个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..平均自由程越长，气体分子数密度越小，压强越小。
真空获得（真空泵）机械泵、罗茨泵（低真空）；分子泵、扩散泵（高真空）；！看书。
热偶真空计的工作原理:灯丝产生的热量Q以如下三种方式向周围散发，即辐射热量Q1，灯丝与热偶丝的传导热量Q2，气体分子碰撞灯丝带走的热量Q3，热平衡时，Q1，Q2不变，Q3与气体分子数有关。
即：Q=Q1 辐射+Q2传导+Q3气体分子带走热量在0.1～100Pa范围内，气体热导率随气体压力的增加而上升，这时热偶规才能测出真空度。
气压过高时，气体热导率不随压力变化而变化。
•气压过低时，气体热导率引起的变化Q3比Q太小，不灵敏，也不能测量。
电离真空计：电离真空规由阴极、阳极和离子收集极三个电极组成。
类似于一真空三极管，灯丝发射电子与气体分子碰撞使其电离，气体分子电离的多少与气体分子密度成正比，即与压强成正比，根据离子电流大小测量真空度。
薄膜物理技术考试知识点总结
1.1薄膜概述作业题：什么是薄膜1.薄膜的定义（1）：由单个的原子、离子、原子团无规则地入射到基板表面，经表面附着、迁徙、凝结、成核、核生长等过程而形成的一薄层固态物质。
定义（2）：采用特定的制备方法在基板表面上生长得到的一薄层固态物质。
·薄膜的尺度：通常：薄膜< 1μm 厚膜>10μm·微电子电路的工艺有哪些方法实现？答：光刻、镀膜、电子束。
1.2 薄膜结构和缺陷作业题：蒸发薄膜微观结构随基片温度的变化如何改变？低温时，扩散速率小，成核数目有限，形成不致带有纵向气孔的葡萄结构;随着温度升高，扩散速率增大，形成紧密堆积纤维状晶粒然后转为完全之谜的柱状晶体结构;温度再升高，晶粒尺寸随凝结温度升高二增大，结构变为等轴晶貌。
其他：·薄膜主要缺陷类型及特点？薄膜的缺陷分为:点缺陷(晶格排列出现只涉及到单个晶格格点，典型构型是空位和填隙原子，点缺陷不能用电子显微镜直接观测到，点缺陷种类确定后，它的形成能是一个定值)、位错(在薄膜中最常遇到，是晶格结构中一种“线性”不完整结构，位错大部分从薄膜表面伸向基体表面，并在位错周围产生畸变)、晶格间界(薄膜由于含有许多小晶粒，故晶粒间界面积比较大)和层错缺陷(由原子错排产生，在小岛间的边界处出现，当聚合并的小岛再长大时反映层错缺陷的衍射衬度就会消失)。
·薄膜晶粒织构（组织结构）模型：（能区分）·薄膜结构是指哪些结构？其特点是什么？（1）薄膜结构：组织结构（包含无定形结构、多晶结构、纤维结构、单晶结构）、晶体结构、表面结构。
（2）特点：组织结构：薄膜的结晶形态晶体结构：多数情况下，薄膜中晶粒的晶格结构与体材料相同，只是晶粒取向和晶粒尺寸不同，晶格常数也不同。
表面结构： a、呈柱状颗粒和空位组合结构；b、柱状体几乎垂直于基片表面生长，而且上下端尺寸基本相同；c、平行于基片表面的层与层之间有明显的界面；1.3 薄膜的形成作业题：1.薄膜生长的三个过程一、吸附、表面扩散与凝结过程二、核形成与生长过程三、连续薄膜的形成（岛形成与生长过程。
薄膜物理与技术课件1-8
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• 超高真空的应用
超高真空可以提供一个“原子清洁”的固体表面，可有足够 的时间对表面进行实验研究。这是一项重大的技术突破，它 导致了近二十年来新兴表面科学研究的蓬勃发展。无论在表 面结构、表面组分及表面能态等基本研究方面，还是在催化 腐蚀等应用研究方面都取得长足的发展。 超高真空可以得到超纯的或精确掺杂的镀膜或用分子束外延 生长晶体。促进了半导体器件、大规模集成电路和超导材料 等的发展，也为在实验室中制备各种纯净样品（如电子轰击 镀膜、等离子镀膜、真空剖裂等）提供了良好的基本技术。
薄膜气相沉积的三个条件：
热的气相源，冷的基板，真空环境（大部分情况）
利用真空的原因有： ①化学非活性 (non chemical activity) N2,O2 ②热导低 (low thermal conductivity)
几千度高温，真空室外不受影响；与传统钢铁行业比较。
③与气体分子之间的碰撞少 (low collision) 蒸发效率更高 ④压力低 (low pressure) 更容易蒸发。
图0-8
加速度传感器
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MEMS＆NEMS与薄膜微加工技术
MEMS（micro electro-mechanical system,微电子机械系统） NEMS（nano electro-mechanical system,纳电子机械系统） 薄膜技术与微加工技术为二者创造了良好条件。
图0-9
高精细喷墨打印机
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真空绝不是“完全空”，而是一种“指定空间内，低于一 个大气压的气体状态”。 气压单位—— Torr，mmHg，pa，atm，bar, mbar 1958年，Torr（托）代替mmHg，二者等价。 1971年，国际计量会议确定Pa（帕斯卡），国际单位。 1Pa＝1N/m2=7.5×10-3Torr, 1Torr=133.32Pa； 1atm＝760Torr, 1bar=105Pa。
薄膜物理课件文字
第一章真空的基本知识§1. 真空的定义、单位和真空区域的划分1.真空的定义气体的压强低于一个标准大气压的气态空间一标准大气压：g=980.665 cm/s2\T=273 K时，760mm水银柱高所施加的压强平衡状态下，气体宏观参量的重要关系式：P=nKT P=压强(Pa)2. 真空的单位：(1)帕 (Pa) 1 Pa=1 N/M2=10达因/cm2(2)乇 (torr)(3)mmHg(4)µbar(微巴) or bar1 torr=1 mmHg= 133.3 Pa1 Pa= 0.75×10-2 torr = 10达因/cm21 µbar= 1 达因/cm2 = 0.1 Pa3. 真空区域的划分(1) 粗真空：1×105 Pa > P >1×103 Pa (大约10 torr)(2) 低真空：1×103~ 1×10-1 Pa(3) 高真空： 1×10-1~1×10-6 Pa(4) 超高真空：<1×10-6 Pan< 1010个/cm3，不少高科技器件或材料只能在超高真空下才能获得§2.稀薄气体的基本性质1.气体的三种速率表达式最可几速率：算术平均速率：均方根速率：2.平均自由程的定义：气体两次碰撞之间所走路程的统计平均值a) 考虑到其它气体分子在运动，及气体速率有一定分布，作如下修正：§ 3. 气体的输运1. 抽真空过程中气体流动的三个过程(1) 初始阶段(气压较高、流速较大)出现湍流，起作用的是气体的惯性力(2) 气压较低时：粘滞性流动—各层速度不同，起作用的是层间相互摩擦力(3) 气压更低：分子性流动—分子间相互摩擦可忽略，流动完全有分子与器壁碰撞，即：湍流-粘滞性流动-分子性流动2. 气体量，流量及其表达式(1) 定义：气体量：气体体积×压强，即PV，单位：牛·米-2·米3=牛顿·米流量Q：单位时间流过的气体量Q=PV/t=牛·米/秒(2) 流量表达式： (长圆管道情况)a) 粘滞性流动时：第2章真空的获得§ 3 机械泵1. 机械泵的Pu : 5*10-4乇机械泵的用途：抽低真空；扩散泵、分子泵的前级真空泵机械泵的结构：由工作室、进气管、排气阀、油腔、气镇阀、马达构成工作室包括：定子、转子、旋片旋片装于转子上并将定子分成三部分：吸气空间；膨胀压宿空间；排气空间。
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1.1.4 气体和蒸汽
对于每种气体，都有一个特定温度，即高于此温度时，气体无论怎样压缩 都不会液化，称为该气体的临界温度。室温高于临界温度的气态物质称为 气体，反之称为蒸汽。（参见课本p3表格）
绝大多数气相原子都被吸附到表面，
若吸附仅由原子电偶极矩之间的范德华力起作用——物理吸附； 若吸附由化学键结合力起作用——化学吸附。
Thin-Film Physics and Technology
2.1.1 吸附
•物理和化学吸附 （1）用发热量大小区分：物理－发热 量小；化学－发热量大。 （2）用位能曲线表示：引力、斥力作 用，使分子停留在一个位能最小的位 置上。
解决办法：使用气镇泵，在气体未压缩之前，先渗入一定量的空气，协助打开 活门，让水蒸汽在未凝结前排出。
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1.4.3 电离真空规
电离真空规：
由阴极（灯丝）、栅极（+）和离子收集极（-） 三个电极组成。灯丝通电发出的热电子向栅极飞 行过程中，与气体分子碰撞使其电离。离子收集 级接受电离的离子，并根据离子电流大小测量真 空度。离子电流与阴极发射电流、气体种类和气 体分子密度有关。
D
D为气体容器的尺寸： Kn<1 分子流状态 Kn=1～110 中间流状态 Kn>110 粘滞流
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1.3.3 油封机械泵
最基本的从大气开始工作的真空泵。
原理类似于从水槽中一杯一杯舀水，但不同的是真空泵的工作对象是空气， 所以在排气时，不能使真空室外的气体进入，所以需要用油来密封，同时又 起润滑作用。
薄膜物理与技术复习资料
第一章最可几速率：根据麦克斯韦速率分布规律，可以从理论上推得分子速率在m v 处有极大值，m v 称为最可几速率M RT M RT m kT 41.122==,Vm 速度分布 平均速度:M RT m RT m kT 59.188==ππ，分子运动平均距离 均方根速度:M RT M RT m kT 73.133==平均动能真空的划分：粗真空、低真空、高真空、超高真空。
真空计：利用低压强气体的热传导和压强有关； (热偶真空计)利用气体分子电离；（电离真空计）真空泵：机械泵、扩散泵、分子泵、罗茨泵机械泵：利用机械力压缩和排除气体扩散泵：利用被抽气体向蒸气流扩散的想象来实现排气作用分子泵：前级泵利用动量传输把排气口的气体分子带走获得真空。
平均自由程：每个分子在连续两次碰撞之间的路程称为自由程；其统计平均值成为平均自由程。
常用压强单位的换算 1Torr=133.322 Pa 1 Pa=7.5×10-3 Torr1 mba=100Pa 1atm=1.013*100000Pa真空区域的划分、真空计、各种真空泵粗真空 1×105 to 1×102 Pa 低真空 1×102 to 1×10-1 Pa 高真空 1×10-1 to 1×10-6 Pa 超高真空 <1×10-6 Pa旋转式机械真空泵油扩散泵复合分子泵属于气体传输泵，即通过气体吸入并排出真空泵从而达到排气的目的分子筛吸附泵钛升华泵溅射离子泵低温泵属于气体捕获泵，即通过各种吸气材料特有的吸气作用将被抽气体吸除，以达到所需真空。
不需要油作为介质，又称为无油泵绝对真空计：U 型压力计、压缩式真空计相对真空计：放电真空计、热传导真空计、电离真空计机械泵、扩散泵、分子泵的工作原理，真空计的工作原理第二章1.什么是饱和蒸气压？蒸发温度？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蒸发温度：物质在饱和蒸气压为10-2托时的温度。
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2.1.1 吸附
旋片型和定片型适用于小型泵，活阀型适用于大型泵。旋 片型更快、更安静。
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1.3.3 油封机械泵
假设待抽容器（真空室）的体积为V，初始压强
为p0，机械泵的空腔体积为ΔV。根据玻义耳定律， 旋片转过半周后，真空室的压强降低为p1，经过n 个循环后，真空室的压强变为pn。
p1
p0
V
V V
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1.3.1 气体的流动状态
气体流动状态间的界限用克努曾数Kn划分：
D
Kn
D为气体容器的尺寸：
Kn<1
分子流状态
Kn=1～110 中间流状态
Kn>110
粘滞流
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1.3.3 油封机械泵
最基本的从大气开始工作的真空泵。
原理类似于从水槽中一杯一杯舀水，但不同的是真空泵的工作对象是空气， 所以在排气时，不能使真空室外的气体进入，所以需要用油来密封，同时又 起润滑作用。
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流动方向
流动方向
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1.3.1 气体的流动状态
粘滞流在低流速状态下为层流状态，靠近 管壁处，气体分子感受到阻力的作用，流 动速度接近于零；随着离开管壁距离的增 加，气体流动的速度增加，在管道中心处 的气体流动最快。
粘滞流在高速状态下为湍流状态。 流速较高时，各层气体的流动方向不再 保持相互平行的状态，而是呈现出一种 漩涡状的流动形式。流动的气体中出现 一些低气压的漩涡，同时流动路径上的 任何微小阻碍都会对流动产生很大影响。
排气空间高压气体从间隙窜回吸气空间。
（3）真空泵的油蒸气在吸气和排气空间循环
流动，机械泵油的饱和蒸气压在10-2～10-5
Torr。
双极机械泵
1-气镇阀； 2-前排气阀； 3-后排气阀； 4-进气管
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1.3.3 油封机械泵
对机械泵油的基本要求： 1）饱和蒸汽压低 2）有一定的润滑性和粘度 3）稳定性高
因此，选择真空室所用的材料时，应选择饱和蒸汽压低的材料，一般比要 求达到的真空低两个数量级。 饱和蒸汽压与温度关系密切，随温度的升高，饱和蒸汽压迅速增加。
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1.2.5 分子从表面反射（余弦定律）
理论与实验研究证明了如下的余弦定律（又称克努曾定律）。
碰撞于固体表面的分子，其飞离表面的方向与原入射方向无关，并按与表
压强大于10-1Pa时，虽然气体分子很多，但
是电离作用达到饱和，使曲线偏离线性。
压强小于10-6Pa时，阴极发射的高能电子打
到栅极上，产生软X射线，当其辐射到离子 收集极时，将自己的能量传给金属中的自由 电子，使电子逸出金属，形成光电流，使离 子电流增加。此时的离子流是离子电流与光 电2流021之/3/1和1 ，使曲线偏离线性。
2.1.1 吸附
•吸附现象 带有一定的能量的气相原子到达基板表面后，可能： （1）与基板原子之间进行能量交换被吸附； （2）吸附后，气相原子仍有较大的解析能，在基板表面短暂停留后，再解析蒸 发； （3）与基板表面不进行能量交换，直接被基板反射回去。
绝大多数气相原子都被吸附到表面，
若吸附仅由原子电偶极矩之间的范德华力起作用——物理吸附； 若吸附由化学键结合力起作用——化学吸附。
思考：真空室内各种材质的饱和蒸汽压应比真空室的目标气压高还是低？为什 么？真空室水蒸汽的抽取较困难，
因为：水在20℃时，饱和蒸汽压为2.3×103Pa，当水蒸汽在腔内压缩，压强逐 渐增大到饱和蒸汽压时，就会凝结成水。水与油混合在一起，形成一种悬浊液， 破坏油的密封和润滑，且使泵壁生锈。
解决办法：使用气镇泵，在气体未压缩之前，先渗入一定量的空气，协助打开 活门，让水蒸汽在未凝结前排出。
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电离真空规：
由阴极（灯丝）、栅极（+）和离子收集极（-） 三个电极组成。灯丝通电发出的热电子向栅极飞 行过程中，与气体分子碰撞使其电离。离子收集 级接受电离的离子，并根据离子电流大小测量真 空度。离子电流与阴极发射电流、气体种类和气
体分子密度有关。 A e A 2e
测量范围是10-1～10-6Pa
1.4.3 电离真空规
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1.4.3 电离真空规
改进版：B-A型电离真空规
由Bayard和Alpert开发并以名字首 字母命名。将收集极改为针状， 把灯丝放在加速极外边，使收集 极受到软X射线照射的面积减小， 于是可测量更高的真空度（~10-10 Pa）
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2.1 吸附，表面扩散，凝结
面法线方向所成角度的余弦进行分布。
一个分子离开固体表面时，处于立体角dΩ中的几率为： dp d cos
式中，1/π为归一化因子，即位于2 π立体角中的概率为1
余弦定律的意义：
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；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。
法线
dp d cos
入射 离子
并不适用于被离子溅射的原子。
θ
表面
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1.3.1 气体的流动状态
气体流动状态与气体容器的几何形状、气体压力、温度和气体种类有关。
分子流：高真空环境下，气体分子除了与容器壁发生碰撞外，几 乎不发生分子间的相互碰撞。
特点：气体分子的平均自由程超过了气体容器的尺寸或相当。
粘滞流：气压较高时，气体分子的平均自由程很短，气体分子间 的相互碰撞十分频繁。
pn
p0
( V
V V
)n
这说明：真空室V越小，泵室Δ V越大，系统达到pn 20的21/时3/11间越短。从理论上分析.3 油封机械泵
但是实际上只能达到一个极限值pm，因为如 下3个原因：
Vc
（1）泵结构上存在有害空间Vc
排气口
（2）吸气空间和排气空间之间存在气压差，
1.1.4 气体和蒸汽
对于每种气体，都有一个特定温度，即高于此温度时，气体无论怎样压缩 都不会液化，称为该气体的临界温度。室温高于临界温度的气态物质称为 气体，反之称为蒸汽。（参见课本p3表格）
饱和蒸汽压：
把各种固液体放入密闭的容器中，在任何温度下都会蒸发，蒸发出来的气 压称为蒸汽压。 在一定温度下，单位时间内蒸发出来的分子数与凝结在器壁和回到蒸发物 质的分子数相等时的蒸汽压称为饱和蒸汽压。