第二讲_真空技术基础

气体分子的自由程
空气分子的有效截面半径d 0.5nm。 在常温常压下，气体分子的平均自由程 50nm，每个空气分子每秒钟内要经历1010次碰 撞。 在气体压力低于10-4Pa的情况下，其平均 自由程 > 50m，每个空气分子每秒钟内只经 历10次碰撞；气体分子间的碰撞几率已很小， 气体分子的碰撞将主要是其与容器器壁之间的 碰撞。
Q Sp p
( L/s )
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
真空泵可以达到的极限真空度
实际的真空系统总存在气体 回流、气体泄露、气体释放等现 象。设其等效的气体流量Qp 0 ， 并忽略管路流阻(流导C为无穷大， p=pp)，则气压随时间的变化曲 线为
C n A 2M
真空系统的导流能力 流导

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
1 1 1 1 C C1 C2 C3
串联流导： 并联流导：
C C1 C2 C3
（就象描述气体流动的欧姆定律）
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
超高真空 <10-5 Pa
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
Q C p1 p2
流导C的大小取决于 真空系统(管路)的几何尺寸 气体的种类与温度 气体的流动状态(分子流或粘滞流)
如对分子流, 一个处于两直径很大的管路之 间的通孔的流导为 A RT
气体压力的单位与换算
大气压: atm, kg/cm2, bar Pa: N/m2 Torr: mm· Hg 1atm = 1000mbar = 0.1MPa 1Torr = 133Pa
薄膜技术领域：从10-7Pa到105Pa，覆盖了12个数量级
分子运动学的基本概念
气体的压力:
理想气体的状态方程
气体分子的速度分布:
Maxwell-Boltzmann分布
气体分子的自由程、碰撞频率:
1 2 nd
f

va
H2和Al原子在不同温度下的速度分布
3 M v2 2 2 RT 2 ) v e
4 M f (v ) ( 2 RT
典型值：在T=300K 时，空气分子的平 均运动速度: va 460m/s
气体分子对单位面积表面的碰撞频率，称 单位面积上气体分子的通量
NA p 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
气体分子通量的应用: 杂质的污染
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：
真空测量方法的分类 (各种物理的方法)
热电势法 电阻法 电离法 电容法 ……
热偶式的真空规
热偶规仅适用于0.1100Pa的低真空范围
皮拉尼电阻真空规
皮拉尼电阻真空规
其原理、真空测量范围与热偶规相似
电离式真空规
电离式真空规
电离真空规可测量的压力范围为1Pa-10-7Pa
真空泵： 低温冷凝泵（或分子泵）1500L/s 旋片机械泵 12L/s 真空计：电离规2，热偶规2，皮 拉尼规2 ，薄膜规1
典型薄膜制备系统的结构图
第一讲 小结

薄膜材料在现代科技领域占有重要的地位，可作 为大家今后作为材料科学家或工程师的职业方向


真空技术是现代薄膜材料技术的基础
涡轮分子泵运 转速度极高， 因此需要在优 于1Pa的较高真 空度下运转
涡轮分子泵的抽速曲线
涡轮分子泵的极限真空度达10-8Pa，适用的压力 范围在110-8Pa之间
隔膜真空泵的外形图
隔膜泵的能力较小(1L/s) ，极限真空度较差(100Pa) ，但无油污染问题
干泵系统的外形图
干泵的能力较大(100L/s) ，极限真空度较高(10-2Pa) ，无严重的油污染问题
不同的薄膜制备方法涉及到不同的真空环境—— 真空度 不同的真空度需要采用不同的真空获得方法与真 空测量方法

基本概念复习
为什么在薄膜制备技术的讨论中，先要讨论 真空环境与真空技术？ 熟悉真空度的物理单位及其相互换算。 根据气体流动状态所表现出的特性，我们是 如何划分气体流动状态的？ 说明分子通量的物理意义？讨论分子通量是 如何影响薄膜纯度和薄膜沉积速率的。 了解真空泵的主要性能指标。 了解主要的真空泵种类。 了解主要的真空测量方法。 简要说明典型薄膜制备系统的组成。
真空泵的分类 输运式（排出式） 机械式 气流式

捕获式（内消式）
可逆式 不可逆式
旋片式机械真空泵的外形图
旋片式机 械真空泵 的结构示 意图
镇气阀：空气可通 过此阀掺入排气室 以降低压缩比，从 而使大部分蒸汽不 致凝结而和掺入的 气体一起被排除泵 外。
旋片式机械真空泵的抽速曲线
极限真空度可达10-1Pa左右，但有油污染问题
油扩散泵的 外形图
油扩散泵 的结构示 意图
扩散泵油在高温下 会发生氧化，因此 扩散泵需要在优于 10-2Pa的较高真空 度下工作
油扩散泵组 成的真空机 组的外形图
由扩散泵组成真 空机组，其极限 真空可达110-5Pa ，但油污染的问 题较为严重
涡轮分子泵的外形图
涡轮分子 泵的结构 示意图
p(t) p0 (pi p0 )e
则极限真空度:

S pt V
p0
ห้องสมุดไป่ตู้Qp SP
0
有限流导情况下真空泵的抽速
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
SPC Q S 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。
薄膜式电容真空规
薄膜式电容真空规
薄膜规线性度好，但其探测下限约为10-3Pa
压阻式真空规
利用Si元件的压阻特性，测量范围10-105Pa
常用真空测量方法的适用范围
不同的真空测量方法所适用的压力范围不同。因此常将 不同的方法结合起来使用，拓宽压力测量的范围。
例一：薄膜制备系统: 金属喷镀仪
金属喷镀仪的真空系统参数
在常温常压下， 3.510-9秒； 10-8Pa时， 10 小时 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。
真空度的划分
在薄膜技术领域，人为地将真空环境粗略 地划分为:

低真空 中真空 高真空
>102 Pa 102 10-1 Pa 10-1 10-5 Pa
低温吸附 (液氦冷凝) 泵的外形图
低温吸附 (液氦冷凝) 泵的结构示意图
低温吸附泵的极限真空度可达10-8Pa。其效能取决于 所用的低温温度、被吸附气体的种类、数量、吸附 表面的面积等
溅射离子泵的外形图
溅射离子泵的结构示意图
溅射离子泵的极限真空度可以达到10-9Pa
常用真空泵的工作范围
不同泵种的工作压力范围不同。因而常将两种或三 种真空泵结合起来组成真空机组
真空室：4.75英寸H4.75英寸
真空泵：双级旋片机械泵 极限真空度：6×10-2Pa 抽速： 0.5L/s
真空计：皮拉尼电阻真空规 （0.1Pa-大气压）
例二：薄膜制备系统: 分子束外延设备
分子束外延设备的真空系统参数
真空室： 28 英寸H15 英寸
极限真空：< 510-8 Torr
第二讲 真空技术基础
Fundamentals of vacuum technology
要

点


气体分子运动论的基本概念 真空获得的手段 真空度的测量
薄膜材料与真空技术
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，都涉及到气相的产生、输运 以及气相反应的过程。
罗茨泵的外形图
罗茨泵的结构示意图
罗茨泵不使用油作密封介质，少油污染 其适用的压力范围是在0.1-1000Pa之间
罗茨泵组成的真空机组的外形图
罗茨泵可与旋片式机械泵串联成真空机组使用， 降低每台泵的负荷，扩大可获得的真空度范围
罗茨泵组成的真空机组的抽速曲线
组成机组使其极限真空度提高到10-2Pa
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:

D 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:
Re
vD

紊流状态 层流状态
Re>2200 Re<1200
气体分子的通量（Knudsen方程）
思 考 题
1. 使用真空泵系统对30升的真空系统抽真空到 10-6Torr。关闭真空系统3分钟后，系统压 力升至10-5Torr。 （1）求系统的压力升高率（Torr· L/s) （2）求使用抽速为Sp=40L/s的真空泵时，系 统可以达到的极限真空度。 2. 为电子显微镜和真空退火炉（压力均为10-5 Torr)选配真空泵和真空计。设D=50cm, 计 算Kn和气体分子的运动状态。
思 考 题
3. 设薄膜制备设备的气体输入速率为 75Torr· L/min，若需要保持系统的压力为 1Torr, 求需要的真空泵抽气速率Sp。 4. 设M=12, T=300K, P=10Pa, 求薄膜的沉积速率 （nm/s）。