第二章薄膜制备技术修改优秀课件

2.1 真空的基本知识
2.1.1 真空的基本概念及特点
真空的含义
在真空科学里所定义的真空是压强“低于一个标准大 气压（101.325kPa）的气体状态”。 真空是一种气体状态（并非一无所有）。所以有人把 真空认为是什么物质也不存在的，即所谓的“绝对真 空”那是错误的。 如在标准状态，即0℃，1标准大气压下每立方厘米有 2.687×1019个气体分子，而在超高真空极限10-11～ 10-12Pa压强下，每立方厘米中仍有33～330个气体分 子，可见“真空”并不真空。
为了研究真空和实际使用方便，常常根据各压 强范围内不同的物理特点，把真空划分为以下 几个区域。
粗真空区域：1×105～1×102Pa （760～1 Torr） 低真空区域：1×102～1×10-1Pa （1～10-3 Torr） 高真空区域：1×10-1～1×10-5Pa （10-3~10-7 Torr） 超高真空区域：<1×10-5Pa （<10-7 Torr）
超高真空 <10-5 Pa <10-7 Torr
气体性质 气体状态与常压相比较，只有分子数目由多变少的变
化，而无气体分子空间特性的变化，分子间相互碰 撞频繁。 气体分子间，分子与器壁间的相互碰撞不相上下，气 体分子密度较小。
分子间相互碰撞极少，分子与器壁间碰撞频繁。气体 分子密度小。
气体分子密度极低与器壁碰撞的次数极少，致使表面 形成单分子层的时间增长。气态空间中只有固体本 身的原子，几乎没有其它原子或分子存在。
2.1.2 真空度测量单位
真空容器中气体分子时刻对器壁进行弹性碰撞，即 产生气体压强。气压的大小在标准状态下与气体分 子密度有关，因此，用测量气体压强的方法来衡量 容器达到真空的程度，称为真空度。
真空度是表征真空状态气体稀薄程度的物理量
真空度的计量采用与压强相同的方法和单位。
注意：低压强对应高真空度；高压强对应低真空度。
工程大气压（at）：1at=1kgf/cm2=9.80665×104Pa
表2-1 几种压强单位的换算关系
单位 帕/Pa
托/Torr 毫巴/mba
1Pa 1Torr 1mba 1atm
1 133.3 100 1.013×105
7.5×10-3 1 0.75.013×103
2.1.4 气体吸附与脱附
所谓的气体吸附（adsorption）就是固体表面捕获 气体分子的现象。气体分子被固体表面吸附，分为 物理吸附(physical adsorption)和化学吸附 (chemical adsorption)两类。
标准大气压/atm
9.87×10-6 1.316×10-3 9.87×10-4 1
英制单位：用英寸（inch，吋）汞柱和普西（Pounds per square inch.磅/平方英尺，psi，磅/吋2）两种单位。
1英寸汞柱（inch Hg）＝3.3864×103Pa
1普西（ psi ）＝6.8948×103Pa
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。
所谓真空度，就是指低压空间中气态物质的稀薄程 度。气体的压力越低，其稀薄程度越大，也就是真 空度越高。因此，低压力与高真空或高压力与低真 空，在含义上是完全相同的。这一点千万不要弄混。
测量真空度大小的量是压强，它的单位很多。“毫 米汞柱（mmHg）”是人类使用最早、最广泛的压 强单位，它是通过直接度量长度来获得真空的大小 的。 指在0℃，1毫米水银柱作用在单位面积上的 力。
在超高真空时，气体的分子数目更少，几乎不存在 分子之间的碰撞，分子与器壁的碰撞机会也更少了。
表2-2 不同真空状态下气体的性质
真空状态
低真空 105~102 Pa 760~1 Torr
中低真空 102~10-1 Pa 1~ 10-3 Torr
高真空 10-1～10-5 Pa 10-3～10-7 Torr
真空各区域的气体分子运动性质各不相同。低（粗） 真空下，气态空间近似为大气状态，分子仍以热运 动为主，分子之间碰撞十分频繁；
低真空是气体分子的流动逐渐从黏滞流状态向分子 状态过渡，此时气体分子之间和分子与器壁之间的 碰撞次数差不多；
当达到高真空时，气体分子的流动已为分子流，气 体分子与容器器壁之间的碰撞为主，而且碰撞次数 大大减少，在高真空下蒸发的材料，其粒子将沿直 线飞行；
1Torr=133.32Pa
在实际工程技术或国内外文献中，几种非法定 计量单位（Torr（托），mmHg（毫米汞柱）， bar(巴)，atm（标准大气压），psi（磅力每平 方英寸）等）仍有采用。
目前标准大气压定义为：在0℃，水银密度＝ 13.59509g/cm3，重力加速度g＝980.665cm/s2时， 760mm水银柱所产生的压强为1标准大气压， 则1atm＝ 1.01325×105Pa
第二章薄膜制备技 术修改
真空蒸发、溅射镀膜和离子镀等常称为物理 气相沉积（Physical Vapor Deposition,PVD) 基本的薄膜制备技术。它们均要求沉积薄膜 的空间要有一定的真空度。因此真空技术是 薄膜制备技术的基础，获得并保持所需的真 空环境，是镀膜的必要条件。所以，掌握真 空的基本知识是必要的。
2.1.3 真空区域的划分及不同真空状 态下气体的性质
目前，划分真空区域的方法较多，主要考 虑的因素是真空在技术上的应用特点、真 空获得设备和真空检测仪表的有效适应范 围，以及真空的物理特性等几个方面。
在真空状态中，真空度越高，气体状态越 稀薄，气体分子的物理特性就逐渐发生变 化，因此把气体分子数的量变直到引起真 空性质的质变的过程，作为划分真空区域 的依据，是比较合适的。
但是1958年，为了纪念意大利物理学家托里 拆里(Torricelli)，用“托（Torr）”代替了毫 米汞柱。1托就是指在标准状态下，1毫米汞 柱对单位面积上的压力，表示为1Torr＝ 1mmHg。
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/m27.5×10-3Torr。