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薄膜物理与技术-1真空技术基础PPT课件

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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

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

薄膜制备的真空技术基础

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
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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
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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
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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

薄膜制备的真空技术基础

薄膜制备的真空技术基础
通过各种测量仪器和测量方法对真空状态下的气 体压力进行测量。
真空应用技术
将真空技术应用于各个领域,如电子、冶金、化 工、航空航天等。
02
真空镀膜技术
真空蒸发镀膜
总结词
真空蒸发镀膜是一种基于加热蒸发材料的镀膜技术,通过将材料加热至熔融状态 ,然后在真空中蒸发并凝结在基材表面形成薄膜。
详细描述
在真空蒸发镀膜过程中,蒸发源可以是电阻加热、电子束加热或激光加热等。蒸 发材料在高温下升华或熔化,然后在基材表面凝结形成薄膜。该技术适用于制备 金属、非金属、化合物等薄膜材料,具有操作简单、成膜速度快等优点。
磁控溅射镀膜
总结词
磁控溅射镀膜是一种基于溅射现象的镀膜技术,通过在真空 环境中利用磁场控制带电粒子轰击靶材表面,使靶材原子或 分子从表面溅射出来并在基材表面沉积形成薄膜。
详细描述
磁控溅射镀膜技术具有高沉积速率、高附着力、高纯度等优 点,广泛应用于制备各种金属、非金属、化合物等薄膜材料 。该技术可以通过改变工艺参数和靶材种类来控制薄膜的成 分和性能。
技术挑战
需要解决制备过程中材料的选择、成膜机制、界面反应等问题,以确 保获得高性能的薄膜。
低成本高效制备技术
总结词
详细描述
低成本高效制备技术是未来薄膜制备的重 要发展方向。
随着市场对薄膜材料需求的增加,低成本 高效制备技术将有助于降低生产成本,提 高生产效率,满足大规模应用的需求。
发展趋势
技术挑战
详细描述
通过优化真空系统的气体成分和压力,可以改变薄膜与 基材之间的相互作用,从而提高附着力。此外,对基材 进行适当的预处理,如清洗、表面活化等,也有助于增 强附着力。
薄膜性能优化
总结词
优化薄膜性能是薄膜制备的最终目标,涉及多个方面 。

薄膜技术 02薄膜制备的真空技术基础

薄膜技术 02薄膜制备的真空技术基础

真空的特点
(2)真空状态下由于气体稀薄,因此,分子之间、分子与
其他质点之间以及分子与各种表面之间相互碰撞次数相对
减少。
哪里有或用到真空?
1.2 真空气压单位
• 国际单位制:帕(Pa)
一个大气压=101.325 kPa
• 真空技术常用单位:托(Torr)
1托等于1毫米高的汞柱所产生的压强,即 1Torr=133.3224Pa
气体分子除相互碰撞瞬间外,不存在相互作用
– 气体硬球的半径远小于球间距
一般温度和压力条件下,所有气体看作理想气体
2.1 气体分子运动的基本概念
气体分子运动理论
– 分子处在无规则的热运动
温度决定平均运动速度
– 气体分子之间、气体分子与容器之间不断碰撞
气体分子的速度服从Maxwell-Boltzmann统计分布
因子1/4是对气体分子的运动方向和速度分布进行数学平均得到的系数
应用:薄膜沉积速率正比于气体的分子通量
2.5 气体分子的通量Φ
8RT va M
nMv nRT p 8N A NA
2 a
nva 4
NA p 2MRT
• Knudsen方程
– 通量与气压成正比 – 与温度、相对原子量的1/2次方成反比
P=0.1Pa,10-3Pa?
2.4 分子平均自由程
气体的平均自由程在气体输运的初级
理论和真空技术、气体放电等领 域中,都
是常用的重要物理量。
2.5 气体分子的通量Φ
气体分子的通量
• 气体分子对单位面积表面的碰撞频率 • 单位时间内,单位面积受到气体分子碰撞次数
nva 4
Va--气体分子平均速度 n--气体分子密度

薄膜材料与技术09级第1章真空技术基础

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。

薄膜制备技术:第二部分 真空技术基础-田民波详述

薄膜制备技术:第二部分 真空技术基础-田民波详述

真空区域的划分
薄膜制备和分析技术对于真空度要求 真空蒸发沉积需要高真空和超高真空范围(<10-3 Pa); 溅射沉积需要中、高真空(10-2 ~ 10-5 Pa); 低压化学气相沉积需要中、低真空(10~ 100 Pa); 电子显微技术维持的分析环境需要高真空; 材料表面分析需要超高真空。
稀薄气体的基本性质
经过n个循环后
当泵室体积大,被抽容积小时,即ΔV/V 越大, V/(V+ΔV)n→0越快,Pn →0越快。 但n→∞时Pn →0。实际上不可 能,有一极限值,因为泵结构 上存在“有害空间→ 出气口与 转子密封点之间的极小空隙空 间。1处的气体不能被排走, 会穿过2点,回到吸气侧。
旋片式机械真空泵
每秒转子转m次,则t秒转 n=mt,这时待抽空间的 压强为Pt:
分子泵 钛升华泵
气体捕获泵 溅射离子泵
低温冷凝泵
真空的获得
几种常用真空泵的工作压强范围
旋片式机械真空泵
旋片泵结构示意图
旋片泵工作原理图
旋片式机械真空泵
若待抽真空室体积V,初始压强 初始压强P0,旋转一周排 出气体体积为ΔV,根据 根据P1V1= P2V2,有
转到第二周时,P1作为P0
旋片式机械真空泵
分子束的反射
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 角度θ的余弦进行 分布,则一个分子在离开其表面时,处于立体角dω(与表面 法线成 与表面法线成θ角)中的几率是:
稀薄气体的基本性质
余弦定律的意义: (1)它揭示了固体表面对气体分子作用的另一个方 面,即将分子原有的方向性彻底“消除 ,均按余弦定 律散射; (2)分子在固体表面要停留一定的时间,这是气体分子能够

薄膜材料制备与技术第一篇

薄膜材料制备与技术第一篇

m 为气体的质量,M 为气体的摩尔质量, 为气体分子的
相对原子质量,k 为玻耳兹曼常数,N 为气体分子的个数, n 为单位体积内的分子数,R 为普适气体衡量(摩尔气体常 数),N0 为阿伏伽德罗常数。
第三章 气体分子运动论
I. 气体分子的运动速度及其分布: 1. 气体分子按速度分布的实验测定 :
实验装置及原理:
Kn﹤1 Kn=1~110 Kn﹥110
§4-2 气体管路的流导
流导:真空系统中总包括有真空管路,而真空管路中气 体的通过能力称为它的流导。
设某一真空部件使流动着的气体形成一定程度的压力 降低,则其流导C的定义为:
C Q 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(L)。
流导的求解:
当不同的流导C1,C2,C3之间相互串连或并联时,形 成的总流导C可以通过下式求出:
串联流导: 1 1 1 1 1
C C1 C2 C3
Cn
并联流导: C C1 C2 C3 Cn
§4-3 真空泵的抽速(Sp)
抽气速率:指在规定压强下单位时间所抽出气体的体积,
N0 p
2MRT
此式称为克努森方程。即:气体分子的通量与气体的压 力成正比,但与气体的热力学温度(?)以及气体的相对原 子质量的1/2此方成反比。
克努森方程的实际应用:计算一下高真空环境中,清洁表 面被环境中的杂质气体分子污染所需要的时间。
假设每一个向清洁表面运动来的气体分子都是杂质,而且, 每一个杂质气体分子都会被表面俘获,利用上式,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为(N为表面的原 子面密度):
8N0
n为单位体积内气体分子的数目。
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1.1.3 气体分子的通量 单位面积上气体分子的通量:气体分子对于单位 面积表面的碰撞频率。
φnv 4
Np A
2πMRT
克努森方程
气体分子对衬底碰撞 薄膜沉积 薄膜沉积速度正比于气体分子的通量
计算:在高真空的条件下,清洁表面被环境中 的杂质气体分子污染所需时间。
(假设: 每一个向清洁表面运动过来的气体分子都是杂 质,且每一个杂质分子都会被该表面所俘获。)
1 mbar =100 Pa
气体分子的平均自由程: 气体分子在两次碰撞的间隔时间里走过的平均距离。ຫໍສະໝຸດ λ1 nπd2
d — 气体分子的有效截面直径
计算:常温常压下λ空气。
d空气≈0.5nm,
n
pN A
RT
λ空气≈50nm
平均碰撞频率= v /λ ≈1010
降低气体压力,减小碰撞几率, 获得较大的平均自由程。
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。
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1.2 气体的流动状态和真空抽速
1.2.1 气体的流动状态 气体分子的无规则运动本身并不导致气体的
设孔的截面积为A,则其流导应正比于通孔两
侧气体分子向通孔方向流动的流量之差。通孔
的流导
CφAA n
RT 2πM
粘滞流气体:气体流导的数值还随气体的压力 呈现复杂的变化。 一般规律是,当压力升高时,气体通过单位面 积的流量有增加的趋势,因而管路流导的数值 随压力的升高而增加。
不同流导C1、C2、C3相互串联或并联,形成
SC p
p S C
p
当Sp=C时, S=Sp/2。
图1.4 没有回流(a)和有回流(b) 情况下真空系统的模型
真空系统设计的一个基本原则:确保C大于Sp。
真空泵可以提供的极限真空度
(存在气体回流的情况)
流设量:相回等流Q 量QSp,ppQp p Sp(1Qp )
p
p
p
Q
Sp p
令Q=0,极限真空度
1.2.2 气体管路的流导
流导:真空管路中气体的通过能力。 C Q p1 p2
p1、p2 — 管路两端的气压 Q — 单位时间内通过管路的气体流量
(单位时间内流过的气体体积与压力的乘积)
分子流气体:流导C与压力无关,受管路形状 影响,且与气体种类、温度有关。
例:一个处于两个直径很大的管路间的通孔,
★某些捕获式真空泵在工作完毕以后还可能将己 捕获的气体分子释放回真空系统。
1.3.1 旋片式机械真空泵★
工作原理: 依靠安置在偏心转子中的可
p 0
p
S
实际抽速
SQS
(1
p 0
p
)
pp
p
Qd(pV)Vdp
dt
dt
t=0时的 真空度
压力随时间的变化规律
p(t)p(pp)eS V pt
0
i
0
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1.3 真空泵简介
按获得真空的方法,真空泵分为两大类: 输运式真空泵:采用对气体进行压缩的方式将气
体分子输送至真空系统之外。(机械式气体输运 泵,如旋片式机械真空泵、罗茨泵、涡轮分子泵; 气流式气体输运泵,如油扩散泵 ) 捕获式真空泵:依靠在真空系统内凝集或吸附气 体分子的方式将气体分子捕获,排除于真空系统 之外。(低温吸附泵、溅射离子泵)
1 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 真空泵简介 1.4 真空的测量
1.1 气体分子运动论的基本概念
固体
液体
气体
1.1.1 气体分子的运动速度及其分布 气体分子运动论: 气体分子一直处无规热运动; 平均运动速度取决于温度; 分子之间和分子与器壁之间相互碰撞。 结果:气体分子的速度服从一定统计分布, 气体本身对外显示一定的压力。
克努森(Knudsen)准数
Kn
D λ
D — 气体容器的尺寸
分子流状态 Kn<1 过渡状态 Kn=1~100 粘滞流状态 Kn > 100
层流状态:低流速黏滞流所处的气流状态,即气 体宏观运动方向与一组相互平行的流线相一致。 紊流状态:高流速黏滞流所处的气流状态,气体 不再能够维持相互平行的层状流动模式,而呈现 出一种旋涡式的流动模式。
衬底完全被一层杂质气体分子覆盖所需要的时间:
τφ N N
2πMRT
Np
N — 清洁表面的原子面密度
A
常温、常压, τ≈3.5×10-9 s
p=10-8 Pa, τ≈10h
真空环境划分:
低真空
> 102 Pa
中真空
102 ~ 10-1 Pa
高真空
10-1 ~ 10-5 Pa
超高真空
< 10-5 Pa
总流导C:
串联流导
1 1 1 1 CC C C
1
2
3
并联流导
C C C C
1
2
3
1.2.3 真空泵的抽速
Q S
pp
p — 真空泵入口处气体压力 Q — 单位时间内通过真空泵入口处气体流量
思考:真空泵的抽速和管路的流导有何区别?
图1.4a: 流量相等
Q=C (p-pp)= Sp pp
实际抽速
SQ
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。
Maxwell-Boltzmann分布:
f(v)
4(
3
M)ve 2
2
M2v 2R T
2RT
温度越高,相对原子质量越小, 分子的平均运动速度越大。
宏观流动。只有在空间存在宏观压力差的情况下, 气体作为一个整体才会产生宏观的定向流动。
气体的流动状态根据气体容器的几何形状、 气体的压力、温度以及气体的种类不同而存在很 大差别。
分子流状态:在高真空环境下,气体的分子除了 与容器壁碰撞以外,几乎不发生气体分子间的相 互碰撞。 特点:气体分子平均自由程大于气体容器的尺寸 或与其相当。(高真空薄膜蒸发沉积系统、各种 材料表面分析仪器) 粘滞流状态:当气压较高时,气体分子的平均自 由程很短,气体分子间的相互碰撞较为频繁。 (化学气相沉积系统)
f(v)
v
v p v2
v 2RT
p
M
v
8RT πM
v v2 3RT
M
1.1.2 气体的压力和气体分子的平均自由程 理想气体的压力:
nπMv2 nRT
p
8N N
A
A
气压单位:
1 Pa=1 N/m2
1 atm =760 mmHg= 101 325 Pa
1 Torr=1 mmHg=133.3 Pa
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