01薄膜科学与技术-真空技术

加，难于沉积到衬底上，并且碰撞过程中容易与残余气体发生
反应，影响薄膜质量。
15
1.2 稀薄气体的基本性质
☞ 真空度对薄膜质量的影响 残余气体混杂的影响
3 104 p
P = 10－4Pa时，如果撞击过来的残存气体分子全部被吸附，那么3 s 时 间就有约一层残余气体混入薄膜中，相当于1分钟混入20层杂质气体， 约10～20 nm/分钟。薄膜较常用的生长速率是1μm/分钟。因此，假设 气体分子全部混入薄膜里面的话（实际上不会全部），就相当于有 1～2％的不纯物混入在薄膜里面。 真空度差个10倍（10－３Pa），杂质含量相当于10～20％，真空度提高 10倍（10－５Pa），杂质含量为0.1～0.2％。
3
帕/Pa 1 133.3 100 1.013 × 105
1Torr 1mba 1atm
压强单位，各领域喜好不同
比如汽车行业，汽油滤芯
胎压
1bar≈14.5psi
PSI（Pounds per square inch） 美国习惯使用psi作单位，意为 磅力/平方英寸
1.1 真空的基本知识
☞ 真空的划分
dN f ( v ) dv N
m 32 f ( v) 4π( ) e 2πkT
mv 2 2 kT
f ( v)
v2
o
v
8
1.2 稀薄气体的基本性质
☞ 三种统计速率 1）最概然速率
vp
vp v
2kT m 8kT πm 3kT m
2 RT M 8RT πM 3RT M
2）平均速率
1.3 真空的获得
工作原理：
涡轮分子泵的转子叶片具有特定的 形状，在它以20000～30000r/min的高速 旋转时，叶片将动量传给气体分子，同 时，涡轮分子泵中装有很多级叶片，上 一级叶片输送过来的气体分子又会受到 下一级叶片的作用而被进一步压缩至更 下一级。像油扩散泵一样，也是靠对气 体分子施加作用力，并使气体分子向特 定的方向运动的原理来工作的。
1 19 2 N 10 / m 0.16 10 18
N 1019 3 104 22 J 3 10 p p
大气压下 P = 105 Pa， 高真空下 P = 10-8 Pa，
3 109 s
3 104 s 10 h
13
1.2 稀薄气体的基本性质
真空度和压强
压强越低，真空度越高；压强越高，真空度越低。
真空（压强）单位
国际单位：帕斯卡（Pascal） Pa 常用单位：托（Torr） 毫米汞柱（mmHg）
巴（bar）
单位 1Pa
1（mmHg）
标准大气压（atm）
托/Torr 7.5×10-3 1 0.75 760 毫巴/mbar 1× 10-2 1.333 1 1.013 ×103 标准大气压 9.87× 10-6 1.316 ×10-3 9.87× 10-4 1
气体分子数密度
p nkT
n 2.5 10 p (m )
20
3
大气压下 P = 105 Pa， n 2.5 1025 / m3 2.5 1019 / cm3 高真空下 P = 10-11 Pa， n 2.5 109 / m3 2.5 103 / cm3
2
1.1 真空的基本知识
☞ 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的余弦进行分布。 一个分子离开固体表面时，处于立体角 d 中的几率为：
dp
d

cos
θ为出射方向与法线所成的角度
余弦定律的重要意义：
它揭示了固体表面对气体分子作用的另一个方面，即 分子原有的方向性彻底“消除”，均按余弦定律散射。 分子在固体表面上要停留一定的时间，这是气体分子 能够与固体进行能量交换和动量交换的先决条件，这 一点有重要意义。
1.3 真空的获得
☞ 罗茨泵（Roots Pumps）
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。用作次级泵。
极限真空度： 10-4 Pa左右(双级)。 优点：结构简单、无油气回流，
抽速很大。
缺点：
空泵种作为惟一的高真空泵使用，又可以 与其他高真空泵种，如涡轮分子泵等联合 使用，预真空度应达到10-1 以下，以减少 吸附泵的负荷并避免在泵体内积聚过厚的 气体冷凝产物。
25
1.3 真空的获得
☞ 离子泵（Ion Pumps）
26
1.3 真空的获得
工作原理：
高压阴极发射出的高速电子与残余 气体分子相互碰撞后引起气体电离放电， 而电离后的气体分子在高速撞击Ti阴极 时又会溅射出大量的Ti原子。由于Ti原 子的活性很高，因而它将以吸附或化学 反应的形式捕获大量的气体分子并使其 在泵体内沉积下来，从而在真空室内造 成无油的高真空环境。
真空度越高，所得到的薄膜质量越好，纯度越高； 但真空度越高，抽取真空所需费用也越高，设备越贵！
16
三、真空的获得
☞ 真空泵：具有抽气功能的设备
大气状态
所需真空度
☞ 复合真空泵：前级泵＋次级泵 ☞ 真空泵的分类
（1）输运式真空泵：以压缩方式将气体输送到系统之外。 a、机械式气体输运泵：旋片式机械真空泵、罗茨泵、 涡轮分子泵。 b、气流式气体输运泵：油扩散泵。 （2）捕获式真空泵：依靠凝结或吸附气体分子的方式将气体捕获， 并排出系统之外。如低温吸附泵、溅射离子泵。
极限真空度： 10-8 Pa左右，取决于所抽
气体的活性等因素。
优点：极限真空度高，可获得无油高
真空。
缺点：寿命有限。
27
1.3 真空的获得
28
1.4 真空的测量
☞ 真空计（规管）：测量真空度的仪器
直接测量：直接测量残余气体的压强（当气体压 强很低时，直接测量很困难） 间接测量：测量与压强有关的物理量（实际的真 空计都是属于间接测量） 热偶真空计：利用低气压下热传导与压强有关的 原理制成 电离真空计：利用热电子电离残余气体，离子流 与压强有关的原理制成
17
1.3 真空的获得
☞ 机械泵
Rotary Vane Pumps
18
1.3 真空的获得
工作原理：
依靠插在偏心转子中的数个可以
滑进滑出的旋片将泵体内的气体隔离、 压缩，然后将其排出泵体之外。
极限真空度： 10-2 －10-1 Pa左右。 优点：结构简单、工作可靠。 缺点：油蒸气回流、引起污染
19
v
vrms
3）方均根速率
v
2
v 2 v vp
速率与声速（340m/s）相比拟
9
1.2 稀薄气体的基本性质
☞ 平均自由程
气体分子在连续两次碰撞之间的平均路程称分子的平均自由程。

1 2 2 πd n
kT 2 πd2p
d 为气体分子的直径
估算：常温下（300 K），空气分子直径取0.4 nm
赫兹-克努曾（Hertz-Knudsen）公式
1 J nv 4
J
p 2m kT
NA p 2MRT
J 3 10
22
p
阿伏加得罗常数: NA = 6.02×1023 /mol
11
1.2 稀薄气体的基本性质
例：作为赫兹-克努曾公式的一个应用，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。
发凝结或被其他物质表面吸附的物理现象 实现对气体分子的去除，进而获得高真空。
极限真空度： 10-8 Pa左右，取决于
所采用的低温温度、吸附物质的表面积、 被吸附气体的种类等因素。
优点：极限真空度高，可获得无油高真空；
除H2、He、Ne外，对各种气体抽速均很大。
缺点：运转成本较高。 工作状态：既可以只配以旋片泵等低真
6 103 0.6 (m) (cm) p p
8 大气压下 P = 105 Pa， 6 10 m 60 nm
高真空下 P =
10-8 Pa，
6 105 m 600 km
10
1.2 稀薄气体的基本性质
☞ 气体的入射频率（入射通量）
入射频率是真空及镀膜技术中常用到的一个物理量，是气体分子对于 容器壁单位面积的碰撞频率，即单位时间内单位表面积受到气体分子碰撞 的次数。用字母 J 来表示。
极限真空度： 10-8 Pa左右。
优点：极限真空度高，油蒸气的回流可
以忽略，压缩比高，抽速可1000L/s。
缺点：价格较高。 工作状态：不能与大气直接相连，在使
用中多用旋片式机械泵作为其前级泵。
24
1.3 真空的获得
☞ 低温吸附泵（Diffusion Pumps）
工作原理：依靠气体分子会在低温下自
14
1.2 稀薄气体的基本性质
☞ 真空度对薄膜质量的影响
平均自由程的影响
6 103 0.6 (m) (cm) p p
薄膜技术中最常用的真空度为10-4Pa，自由程大约是60米。即使 再差，10-3Pa，自由程大约是 6米。而一般的薄膜原料和衬底之 间相距10 cm 左右，所以不需要考虑飞行中的薄膜原子和残存 气体碰撞所产生的影响。如果真空度太低，薄膜原子的碰撞增
29
1.4 真空的测量
☞ 热偶真空计
工作原理：
Q Q1 Q2 Q3
Q为电源加热灯丝产生的热量，Q1为辐射热量，Q2为 灯丝与热偶丝的传导热量，Q3为气体分子碰撞灯丝而 带走的热量。热平衡时，Q1、Q2为恒量，Q3随气体 压强而变化。压强越小，因碰撞而带走的热量越少， 温度越高，温差电动势越高；反之亦然！