电子科大薄膜物理(赵晓辉)第一章真空介绍
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1 第1章 真空技术基础
Thin Film Materials & Technologies
本课程讨论的对象：
什么是薄膜（Thin film）？
① 相对尺度：某一维尺寸 << 其余二维尺寸； ② 绝对尺度：在此维度上材料厚度 < 1~5 m，
厚度 > 5 m 的沉积层叫什么 ？
一般称为涂层 (Coatings)
本课程的讨论对象是什么 ？ 具有结构/功能特性的固态薄膜（thin solid films）！
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”！
存在的真空 宇宙真空：宇宙空间内 因此，真空可分为 备获得的容器内真空 人为真空：利用真空设
现代真空技术的极限：每 cm3空间内仅有数百个气体分子 对应气压 10-11 Pa 思考题：常温常压下，每cm3空间内有多少个气体分子？ 提示：可由Avogadro常数推算 (6.02×1023个/22.4×103cm3 2.7×1019 个/cm3) -4薄膜材料与技术
atm 1.316×10-3
(1/760)
PSI 1.9337×10-2 1.4504×10-4 1.4504×101 1.4696×101
10-5 105 1.013×105 6.8948×103 1.013 6.8948×10-2
9.869×10-6 9.869×10-1
(1/1.013×105)
制备技术 形成机制 主要研究：各种薄膜材料的 成分结构 特性性能
-2-
薄膜材料与技术
Thin Film Materials & Technologies
1 真空技术基础
真空与薄膜材料与技术有何关系？
本课程讨论的对象：
什么是薄膜（Thin film）？
① 相对尺度：某一维尺寸 << 其余二维尺寸； ② 绝对尺度：在此维度上材料厚度 < 1~5 m，
厚度 > 5 m 的沉积层叫什么 ？
一般称为涂层 (Coatings)
本课程的讨论对象是什么 ？ 具有结构/功能特性的固态薄膜（thin solid films）！
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”！
存在的真空 宇宙真空：宇宙空间内 因此，真空可分为 备获得的容器内真空 人为真空：利用真空设
现代真空技术的极限：每 cm3空间内仅有数百个气体分子 对应气压 10-11 Pa 思考题：常温常压下，每cm3空间内有多少个气体分子？ 提示：可由Avogadro常数推算 (6.02×1023个/22.4×103cm3 2.7×1019 个/cm3) -4薄膜材料与技术
atm 1.316×10-3
(1/760)
PSI 1.9337×10-2 1.4504×10-4 1.4504×101 1.4696×101
10-5 105 1.013×105 6.8948×103 1.013 6.8948×10-2
9.869×10-6 9.869×10-1
(1/1.013×105)
制备技术 形成机制 主要研究：各种薄膜材料的 成分结构 特性性能
-2-
薄膜材料与技术
Thin Film Materials & Technologies
1 真空技术基础
真空与薄膜材料与技术有何关系？
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。
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。
第1章真空技术的物理基础
• 2. 镀膜和材料制取设备 • 真空蒸发镀膜，溅射镀膜，离子镀膜，化 学气相沉积镀膜。等 3. 电子学和光电子学的应用 • 半导体中硅薄膜，超纯硅，提纯，二极管， 三极管，PN结，超大规模，超大规模集成 电路，光电子器件的 制备 以及应用。 • 等等，都需要真空环境。
•
• 4。真空冶金 • 真空熔炼，真空焊接，真空热 处理，真空蒸 馏等等。 • 5. 表面物理中应用 • 各种表面分析仪器，如低能电子衍射仪，俄歇 电子能谱仪，光电子能谱仪，二次离子质谱仪等， 这些仪器可以分析材料组分，结构，化学组成， 污染，掺杂等，可以监视材料的生长、制作、分 解、激活，分析其机理及影响其寿命的因素。 • 6. 宇宙航行及空间科学研究。 • 太空极高真空环境需要在地球上模拟，有许多新 的现象，是大气环境中所没有的。例如没有对流， 没有内摩擦。 • 7. 在原子研究中和利用中的应用。
• •
•
3) 高真空（1×10-2~1×10-6Pa） 此时气体分子密度更加降低，容器中分子数 很少。因此，分子在运动过程中相互间的碰撞 很少，气体分子的平均自由程已大于一般真空 容器的限度，绝大多数的分子与器壁相碰撞， 因而在高真空状态蒸发的材料，其分子（或微 粒）将按直线方向飞行。 另外，由于容器中的真空度很高，容器空间的 任何物体与残余气体分子的化学作用也十分微 弱。在这种状态下，气体的热传导和内摩擦已 变得与压强无关。
2 P
• • • • •
此式表明，气体分子的自由程与压强成反比，与温度成正比。 显然，在气体种类和温度一定的情况下
在25°C的空气情况下 或
P 0.667(cm 数
1.13 吸附与脱附
• 处在气体中的表面，以两种重要方式与气体相互 作用，即吸附与脱附。 • 吸附即分子附着于表面，脱附系分子从表面逸出。 究竟是出现吸附或脱附，则根据具体情况而定。 • 如果表面是洁净的，置于气体中就出现吸附； • 反之，如果它业已吸附大量气体，置于真空中就 出现脱附。气体分子在表面与空间之间的这种相 互转换在真空技术中具有重要的意义。
第一章 薄膜制备的真空技术基础
公式得到：
≈50nm。表明在常温常压下，气体分子的平均自由程是
极短的。
（2）由气体分子的平均自由程还可以求出其平均碰撞频率 =va/λ（常温常压时，va=460m/s）。所以常温常压下，每个 空气分子每秒内要经历1010次碰撞。运动轨迹并不是直线， 而是不断碰撞改变方向。
1.1 气体分子运动论的基本概念
*思考题：平均自由程在制膜中的重要作用？
答影响气体分子到达衬底的分子能量，能量对成膜结构质量有很多影响。 自由程小→碰撞多→气体分子能量↓→薄膜疏松、不致密
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----补充
（1） 在常温常压条件下，空气分子的有效截面直径d ≈0.5nm。
由T=298K，P=nKT(P=101325Pa），代入
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）
真空容器中气体分子运动是混乱的。气体分子进行无规
则热运动的每一时刻，每个分子的运动速率有偶然性，然而，
对于大量气体分子而言，其速率分布遵循统计规律。
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）
为（GB3163-82）：
低真空： 102Pa 中真空： 102~10-1Pa 高真空： 10-1~10-5Pa 超高真空： 10-5Pa
工业应用（包装） CVD沉积技术 溅射沉积技术 原子表面和界面分析
4. 真空及制膜设备
超高真空条件下，气体分子以在固体上吸附停留为主， 其它真空度时，气体分子以空间飞行为主。
2 气体分子运动速度及其分布 (Maxwell分布）
为了更深入地理解速率分布函数所表达的意义，以下图 H2和N2分子为例，对其速率分布进行了定量描述。
电子科技大学微固学院电子薄膜实验报告
五、实验内容
1.利用阻蒸箱式镀膜机完成在聚酰亚胺薄膜上铝膜的蒸镀 2.利用溅射镀膜完成在基板上镀铜膜的过程 3.完成热电偶传感器的性能测试与标定
六、实验器材（设备、元器件）：
250-阻蒸箱式镀膜机、溅射镀膜机、机械泵、电离规、电阻规、聚酰亚胺 薄膜、步进式加热器、万用表
七、实验步骤：
1.打开机械泵，待气压降低后打开充气阀，接着打开真空腔； 2.在基板一面贴上环氧树脂膜带，把聚酰亚胺薄膜粘贴在玻璃基板表面上，用 质量分数浓度为 95%的酒精对聚酰亚胺表面进行清洗（注意要戴上手套，以免 对基板造成污染）； 3.取约 0.2mg 的洁净的铝放置在蒸发舟中间，并将蒸发舟固定于腔体内正负电 极之间，用万用表测量正负电极之间的接触电阻（看是否连接导通）；并将附有 聚酰亚胺的基板固定于蒸发架的下面（注意夹子不要遮挡到聚酰亚胺薄膜）。关 闭腔体，开始抽真空。 4.打开电离规与电阻规总开关，当电阻规示数约为 1Pa 时，关闭予阀，开启底 阀，并在电阻规示数接近 2Pa 时，关闭底阀，开启予阀，重复上述步骤；约 30min 后，依次打开底阀、扩散泵、高阀。 5.打开高阀后，待腔内真空低于 5.0×10-3Pa 时，开启阻蒸电流约为 30A，之后 每 1min 增加 10A，直至阻蒸电流增加至 70A 时不再继续增加电流。在阻蒸电流 为 70A 时稳定 1min 后保持 2-3min，看到电离规示数增大时，待其自动减小， 依次关闭阻蒸电流、高阀、扩散泵，等待降温。 6.从阻蒸箱中取出已经镀好铝膜的物品，测量铝膜两端的电阻值并作好记录。 打开溅射系统的真空腔门，放置好挡板，夹在溅射系统真空腔内，关闭腔门。 打开机械泵进行抽真空，待腔内压强低于 5Pa 时，打开溅射电源，使电流在 0.2A 时维持辉光放电，约 20min 后关闭电源。依次关闭机械泵、打开充气阀、 打开真空腔体、取出基板进行测试（如无人使用，则关闭腔门、抽真空，保持 腔体清洁）。 7.待热电偶的铜膜温度冷却至室温时，用万用表测量铜膜的阻值并作好记录。 在 100℃到 180℃每隔 10℃进行一次测试。测试前确保热电偶冷端近似为室 温，把加热器放在热端进行加热，万用表在冷端测量热电偶两端的电压。在加 热过程中会发现电压随加热时间先变大后边小，记录下最大的数值。测一个温 度后冷却热电偶，接着依次进行测试（在测试前确定热电偶的温度冷却至室 温），直至获得全部的实验数据。
1.利用阻蒸箱式镀膜机完成在聚酰亚胺薄膜上铝膜的蒸镀 2.利用溅射镀膜完成在基板上镀铜膜的过程 3.完成热电偶传感器的性能测试与标定
六、实验器材（设备、元器件）：
250-阻蒸箱式镀膜机、溅射镀膜机、机械泵、电离规、电阻规、聚酰亚胺 薄膜、步进式加热器、万用表
七、实验步骤：
1.打开机械泵，待气压降低后打开充气阀，接着打开真空腔； 2.在基板一面贴上环氧树脂膜带，把聚酰亚胺薄膜粘贴在玻璃基板表面上，用 质量分数浓度为 95%的酒精对聚酰亚胺表面进行清洗（注意要戴上手套，以免 对基板造成污染）； 3.取约 0.2mg 的洁净的铝放置在蒸发舟中间，并将蒸发舟固定于腔体内正负电 极之间，用万用表测量正负电极之间的接触电阻（看是否连接导通）；并将附有 聚酰亚胺的基板固定于蒸发架的下面（注意夹子不要遮挡到聚酰亚胺薄膜）。关 闭腔体，开始抽真空。 4.打开电离规与电阻规总开关，当电阻规示数约为 1Pa 时，关闭予阀，开启底 阀，并在电阻规示数接近 2Pa 时，关闭底阀，开启予阀，重复上述步骤；约 30min 后，依次打开底阀、扩散泵、高阀。 5.打开高阀后，待腔内真空低于 5.0×10-3Pa 时，开启阻蒸电流约为 30A，之后 每 1min 增加 10A，直至阻蒸电流增加至 70A 时不再继续增加电流。在阻蒸电流 为 70A 时稳定 1min 后保持 2-3min，看到电离规示数增大时，待其自动减小， 依次关闭阻蒸电流、高阀、扩散泵，等待降温。 6.从阻蒸箱中取出已经镀好铝膜的物品，测量铝膜两端的电阻值并作好记录。 打开溅射系统的真空腔门，放置好挡板，夹在溅射系统真空腔内，关闭腔门。 打开机械泵进行抽真空，待腔内压强低于 5Pa 时，打开溅射电源，使电流在 0.2A 时维持辉光放电，约 20min 后关闭电源。依次关闭机械泵、打开充气阀、 打开真空腔体、取出基板进行测试（如无人使用，则关闭腔门、抽真空，保持 腔体清洁）。 7.待热电偶的铜膜温度冷却至室温时，用万用表测量铜膜的阻值并作好记录。 在 100℃到 180℃每隔 10℃进行一次测试。测试前确保热电偶冷端近似为室 温，把加热器放在热端进行加热，万用表在冷端测量热电偶两端的电压。在加 热过程中会发现电压随加热时间先变大后边小，记录下最大的数值。测一个温 度后冷却热电偶，接着依次进行测试（在测试前确定热电偶的温度冷却至室 温），直至获得全部的实验数据。
1-第1章 真空技术基础
早期技术落后，所制得的薄膜重复性较差，从而限
制了薄膜的应用。薄膜的应用最早只局限于抗腐性和制造
镜面。
在制备薄膜的真空系统和检测系统（如电子显微镜、低能
电子衍射以及其他表面分析技术）出现以后，薄膜的重复性才
大有改观，从此薄膜的应用也迅速拓展，尤其到了20世纪50年 代，随着电子工业和信息产业的兴起，薄膜技术和薄膜材料愈
1643年，意大利物理学家托里拆利
Байду номын сангаас
（Evangelista Torricelli，1608～1647）
与伽利略晚年的得意门生和亲密助手维 维安尼（Vincenzo Viviani ）一起在佛罗
伦萨做了著名的“托里拆利实验” ，证
明了大气压的存在，同时，也为人类揭 示了“真空”这个物理状态的存在。
在此后的几个世纪里，尤其是在20世纪初，真空技
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。在真 空技术中，常用“真空度”这个习惯用语和“压强”这一 物理量表示某一空间的真空程度，但是应当严格区别它们 的物理意义。 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。
1971年国际计量会议正式确定“帕斯卡”作为气体压
强的国际单位，1Pa = 1N/m2 7.510-3Torr 。
表1-1给出了目前真空技术中常用的压强单位及其之间 的换算关系。
●二、真空区域的划分
为了研究真空和实际使用方便，常常根据各压强范围
薄膜材料与技术09级第1章真空技术基础
该技术具有较高的沉积速率和较低的制造成本，适用于大面积镀膜和工业化生产。
真空蒸发镀膜技术广泛应用于光学、电子、装饰等领域。
真空溅射镀膜技术
真空溅射镀膜技术利用高能粒 子轰击靶材表面，使靶材原子 或分子被溅射出来，并在基底 表面凝结形成薄膜。
该技术具有较高的薄膜附着力 和均匀性，适用于制备高质量、 高性能的薄膜材料。
气体分子在不停地做无规则热运动， 其运动速度的大小和方向时刻都在变 化。
气体分子平均自由程
气体分子碰撞频率
气体分子在单位时间内与器壁碰撞的 平均次数。
气体分子在两次连续碰撞之间所走的 平均路程。
气体分子与固体表面的相互作用
气体分子与固体表面间的附着和脱附
气体分子在固体表面附近会受到吸引或排斥力，从而影响其运动轨迹。
真空的测量
压力计
电离真空计
通过测量容器内的气体压力来计算真空度 。常用的压力计有水银压力计、弹性压力 计和电阻式压力计等。
利用气体电离的原理来测量真空度。当气 体分子被电离后，可以通过测量电离电流 来计算真空度。
热传导真空计
磁悬浮真空计
利用气体热传导的原理来测量真空度。当 气体分子减少时，热传导会发生变化，通 过测量这种变化可以计算真空度。
真空中的气体放电现象
真空中的气体放电原理
在一定条件下，真空中的气体分子可 以发生电离，形成带电粒子，进而引 发放电现象。
真空中的气体放电特性
真空中的气体放电现象具有不同于常 规气体的特性，如辉光放电、电弧放 电等。
03
真空技术的实现方法
真空的获得
机械抽气法
通过机械泵将气体从真空容器中抽出， 以达到所需真空度。这种方法适用于 低真空和高真空的获得。
真空蒸发镀膜技术广泛应用于光学、电子、装饰等领域。
真空溅射镀膜技术
真空溅射镀膜技术利用高能粒 子轰击靶材表面，使靶材原子 或分子被溅射出来，并在基底 表面凝结形成薄膜。
该技术具有较高的薄膜附着力 和均匀性，适用于制备高质量、 高性能的薄膜材料。
气体分子在不停地做无规则热运动， 其运动速度的大小和方向时刻都在变 化。
气体分子平均自由程
气体分子碰撞频率
气体分子在单位时间内与器壁碰撞的 平均次数。
气体分子在两次连续碰撞之间所走的 平均路程。
气体分子与固体表面的相互作用
气体分子与固体表面间的附着和脱附
气体分子在固体表面附近会受到吸引或排斥力，从而影响其运动轨迹。
真空的测量
压力计
电离真空计
通过测量容器内的气体压力来计算真空度 。常用的压力计有水银压力计、弹性压力 计和电阻式压力计等。
利用气体电离的原理来测量真空度。当气 体分子被电离后，可以通过测量电离电流 来计算真空度。
热传导真空计
磁悬浮真空计
利用气体热传导的原理来测量真空度。当 气体分子减少时，热传导会发生变化，通 过测量这种变化可以计算真空度。
真空中的气体放电现象
真空中的气体放电原理
在一定条件下，真空中的气体分子可 以发生电离，形成带电粒子，进而引 发放电现象。
真空中的气体放电特性
真空中的气体放电现象具有不同于常 规气体的特性，如辉光放电、电弧放 电等。
03
真空技术的实现方法
真空的获得
机械抽气法
通过机械泵将气体从真空容器中抽出， 以达到所需真空度。这种方法适用于 低真空和高真空的获得。
薄膜物理与技术课件1-8
30
• 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
14
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
21
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。
(完整版)电子科大薄膜物理(赵晓辉)第一章真空介绍
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
4. 压力单位
Pressure unit
Pa
Pa
1
Bar
Atm
0.00001 9.869×10-6
Bar
100000 1
9.869×10-1
Atm
101325 1.01325 1
Torr
133.32 0.001333 1.316×10-3
Torr 7.501×10-3 7.501×102 760 1
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。
SYMBOL
N2 O2 Ar CO2 Ne He Kr H2 Xe H2O
PERCENT BY VOLUME
78 21 0.93 0.03 0.0018 0.0005 0.0001 0.00005 0.0000087 Variable
PARTIAL PRESSURE
TORR
PASCAL
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
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
4. 压力单位
Pressure unit
Pa
Pa
1
Bar
Atm
0.00001 9.869×10-6
Bar
100000 1
9.869×10-1
Atm
101325 1.01325 1
Torr
133.32 0.001333 1.316×10-3
Torr 7.501×10-3 7.501×102 760 1
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。
SYMBOL
N2 O2 Ar CO2 Ne He Kr H2 Xe H2O
PERCENT BY VOLUME
78 21 0.93 0.03 0.0018 0.0005 0.0001 0.00005 0.0000087 Variable
PARTIAL PRESSURE
TORR
PASCAL
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
薄膜物理与技术
薄膜物理与技术薄膜物理与技术第⼀章1、真空：低于⼀个⼤⽓压的⽓体空间。
P12、真空度与压强的关系：真空度越低，压强越⾼。
P13、1Torr = 1/760 atm =133.322Pa.（或1Pa=7.5×10-3Torr）P24、平均⾃由程：每个分⼦在连续两次碰撞之间的路程。
P55、余弦定律：碰撞于固体表⾯的分⼦，它们飞离表⾯的⽅向与原⼊射⽅向⽆关，并按与表⾯法线⽅向所成⾓度θ的余弦进⾏分布。
P76、极限压强（或极限真空）：对于任何⼀个真空系统⽽⾔，都不可能得到绝对真空（p=0），⽽是具有⼀定的压强。
P77、抽⽓速率：在规定压强下单位时间所抽出⽓体的体积，它决定抽真空所需要的时间。
P78、机械泵的原理：利⽤机械⼒压缩和排除⽓体。
P89、分⼦泵的⼯作原理：靠⾼速转动的转⼦碰撞⽓体分⼦并把它驱向排⽓⼝，由前级泵抽⾛，⽽使被抽容器获得超⾼真空。
P13第⼆章1、真空蒸发镀膜的三个基本过程：P17（1）加热蒸发过程：……（2）⽓化原⼦或分⼦在蒸发源与基⽚之间的输运：……（3）蒸发原⼦或分⼦在基⽚表⾯上的淀积过程：……2、为什么真空蒸发镀膜的三个过程必须在空⽓⾮常稀薄的真空环境中进⾏？P18答：如果不是真空环境，蒸发物原⼦或分⼦将与⼤量空⽓分⼦碰撞，使膜层受到严重污染，甚⾄形成氧化物；或者蒸发源被加热氧化烧毁；或者由于空⽓分⼦的碰撞阻挡，难以形成均匀连续的薄膜。
3、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。
P184、蒸发温度：物质在饱和蒸⽓压为10-2托时的温度。
P185、碰撞⼏率：。
P236、点蒸发源：能够从各个⽅向蒸发等量材料的微⼩球状蒸发源。
P25-27计算：公式2-28、2-337、蒸发源与基板的相对位置配置P33（1）点源与基板相对位置的配置：为了获得均匀膜厚，点源必须配置在基板所围成的球体中⼼。
（2）⼩平⾯源与基板相对位置的配置：当⼩平⾯源为球形⼯作架的⼀部分时，该⼩平⾯蒸发源蒸发时，在内球体表⾯上的膜厚分布是均匀的。
半导体薄膜技术与物理第一章
(T1,T2) = e (T1)-e (T2) e (T1)、e (T2) 就是接点得分热电动势
关于热电偶:(1)热电动势仅与热电偶得材料和接点温度有关
(2)中间导体定律:热电偶回路中,加入两端温度相同得中间导 体,不会影响热电动势。
18
皮拉尼真空计
热电偶真空计
19
单位时间内气体分子从加热灯丝表面传递到热真空计玻璃管得热量
nUL
Pm
Pf
exp
D0
它P必f:前须级与真机空械压泵强配合使用。
n:蒸汽分子密度
U:油蒸汽速度
L:出气口至进气口得蒸汽扩散长度
D0:=常数 14
真空室
真空室放气阀 管道 高真空阀 真空规管 水冷障板
扩散泵
加热电源
预阀 粗抽管道
低阀 前级管道 机机械械泵泵放放 气阀气阀
机机械械泵泵 马马达达电电源源
8
真空泵得种类及工作原理
1、机械泵:
组成部件:定子、转子,嵌于转子得两个旋片以及弹簧 工作原理:玻意-耳马略特定律,PV=K。
P1(V+△V)=P0V
V:真空室体积
V P1 P0 V V
V：泵内空腔体积
Pn
P0
( V
V V
)n
P0：初始压强
n PnPm（极限压强） 9
大家学习辛苦了，还是要坚持
6
1、1、4 区域划分
为了便于讨论和实际应用,常根据各压强范围内不同得物理特点 把真空划分为粗真空、低真空、高真空和超高真空四个区域。
7
1、2 真空得获得
工具——真空泵
P
Pui
i
Qi
i
/
Si
i
V Si
关于热电偶:(1)热电动势仅与热电偶得材料和接点温度有关
(2)中间导体定律:热电偶回路中,加入两端温度相同得中间导 体,不会影响热电动势。
18
皮拉尼真空计
热电偶真空计
19
单位时间内气体分子从加热灯丝表面传递到热真空计玻璃管得热量
nUL
Pm
Pf
exp
D0
它P必f:前须级与真机空械压泵强配合使用。
n:蒸汽分子密度
U:油蒸汽速度
L:出气口至进气口得蒸汽扩散长度
D0:=常数 14
真空室
真空室放气阀 管道 高真空阀 真空规管 水冷障板
扩散泵
加热电源
预阀 粗抽管道
低阀 前级管道 机机械械泵泵放放 气阀气阀
机机械械泵泵 马马达达电电源源
8
真空泵得种类及工作原理
1、机械泵:
组成部件:定子、转子,嵌于转子得两个旋片以及弹簧 工作原理:玻意-耳马略特定律,PV=K。
P1(V+△V)=P0V
V:真空室体积
V P1 P0 V V
V：泵内空腔体积
Pn
P0
( V
V V
)n
P0：初始压强
n PnPm（极限压强） 9
大家学习辛苦了，还是要坚持
6
1、1、4 区域划分
为了便于讨论和实际应用,常根据各压强范围内不同得物理特点 把真空划分为粗真空、低真空、高真空和超高真空四个区域。
7
1、2 真空得获得
工具——真空泵
P
Pui
i
Qi
i
/
Si
i
V Si
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
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）
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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。
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。
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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）
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
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
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?
碰撞几率
气体分子运动 X 的距离以后，彼此间碰撞的几率。
★误区： f 与λ成反比。 x= λ ,f＝63% x= 0.1λ,f＝9%
5. 分子通量与余弦散射律
（1）分子通量F（入射频率n）：单位时间 单位面积的器壁上碰撞的气体分子数
（克努森方程） ＝2.64×1020P/(MT)0.5（molecules/cm2s） P: pascal M: g T: K
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。
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
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
Байду номын сангаас
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. 扩散泵
扩散泵油被加热后沿喷嘴 向下喷射，速度可达 200m/s ， 由 空 气 动 力 学 原理与进气口形成压力差， 使气体向下扩散而被抽走，
油蒸汽水冷后重新利用。
顶级喷口拥有最纯的油蒸汽
工作原理
抽速变化
1
Pumping Speed (Air)
2
Critical Point 1. Compression Ratio Limit 2. Constant Speed 3. Constant Q (Overload) 4. Mechanical Pump Effect
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
2
气压<0.2 mbar 时容易发生
单级和双极叶片泵的抽速特征
压缩过程中会产生水和丙酮的凝结。为避免凝结，通过气镇阀引入气体，使可
凝性气体到达饱和蒸汽压之前，压缩气体压力已达到排气压力，将气体排出。
2. Roots--罗茨泵
• 两个8字形共轭的转 子，转子之间、转 子与泵壁之间无油， 间隙0.1mm高速转 动：可达3000转/分， 抽气时无压缩，工 作原理：容积泵+分 子泵。 • 机械增压泵
4. 分子泵
“Clean, Lean Vacuum Machine”
Turbo’s
Balzers, 1992
Leybold M2000, 1999
气体随转子作圆周运动，获得离心力，与转 子上页碰撞，按余弦定律散射，获得速度， 后与定子下交碰撞，再获向下速度分量。 条件：（1）起始工作气压小，平均自由程大。 常压下，空气λ=0.06μm，1.3Pa，λ=4.4mm 要求λ大于叶片间距。 （2）转子叶片线速度与气体分子速度相近分 子量大、气体易抽，H2难抽。 H2最可几速率1557m/s，极限真空残余气体 中。85%为H2。
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
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
（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
N2 170 L/s He 130 L/s H2 110 L/s
5. 钛升华泵
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。
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)
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）
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
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
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?
碰撞几率
气体分子运动 X 的距离以后，彼此间碰撞的几率。
★误区： f 与λ成反比。 x= λ ,f＝63% x= 0.1λ,f＝9%
5. 分子通量与余弦散射律
（1）分子通量F（入射频率n）：单位时间 单位面积的器壁上碰撞的气体分子数
（克努森方程） ＝2.64×1020P/(MT)0.5（molecules/cm2s） P: pascal M: g T: K
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。
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
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
Байду номын сангаас
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. 扩散泵
扩散泵油被加热后沿喷嘴 向下喷射，速度可达 200m/s ， 由 空 气 动 力 学 原理与进气口形成压力差， 使气体向下扩散而被抽走，
油蒸汽水冷后重新利用。
顶级喷口拥有最纯的油蒸汽
工作原理
抽速变化
1
Pumping Speed (Air)
2
Critical Point 1. Compression Ratio Limit 2. Constant Speed 3. Constant Q (Overload) 4. Mechanical Pump Effect
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
2
气压<0.2 mbar 时容易发生
单级和双极叶片泵的抽速特征
压缩过程中会产生水和丙酮的凝结。为避免凝结，通过气镇阀引入气体，使可
凝性气体到达饱和蒸汽压之前，压缩气体压力已达到排气压力，将气体排出。
2. Roots--罗茨泵
• 两个8字形共轭的转 子，转子之间、转 子与泵壁之间无油， 间隙0.1mm高速转 动：可达3000转/分， 抽气时无压缩，工 作原理：容积泵+分 子泵。 • 机械增压泵
4. 分子泵
“Clean, Lean Vacuum Machine”
Turbo’s
Balzers, 1992
Leybold M2000, 1999
气体随转子作圆周运动，获得离心力，与转 子上页碰撞，按余弦定律散射，获得速度， 后与定子下交碰撞，再获向下速度分量。 条件：（1）起始工作气压小，平均自由程大。 常压下，空气λ=0.06μm，1.3Pa，λ=4.4mm 要求λ大于叶片间距。 （2）转子叶片线速度与气体分子速度相近分 子量大、气体易抽，H2难抽。 H2最可几速率1557m/s，极限真空残余气体 中。85%为H2。
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
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
（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
N2 170 L/s He 130 L/s H2 110 L/s
5. 钛升华泵
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。
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)