薄膜技术第二章:真空技术基础
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2-2稀薄气体的基本性质
☞真空度对薄膜质量的影响
考虑薄膜生长速度:nm/min 标准状态下撞击表面的气体原子在表面形成单原子层
所需要的时间: 在基板表面上,如果撞击过来的残存气体分子全部吸附
在物体表面上,把它换算为厚度堆积速度的话,大约是每分 钟10~30nm。
薄膜的成长速度虽然各式各样都有,较常用的是每分钟 1μm。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1~3%的不纯物混入在薄膜里面。
❖������ 真空的概念及单位。 ❖������ 稀薄气体分子的性质:速度分布、 平均自由程、碰撞次数、余弦散射定律。 ❖������ 真空度对薄膜质量的影响。
2-1真空的基本知识
托里拆利真空实验
2-1真空的基本知识
真空单位:
国际通用单位帕斯卡(Pascal):Pa 托(Torr):1Torr=1mmHg=133.322Pa 旧的单位: Torr (托), mmHg (毫米汞柱) bar(巴) ,atm(标准大气压)
标准大气压的定义:在0℃,水银密度ρ=13.59509g/cm3,
高真空: 1333106 ~ 13331010 Pa
超高真空: 13331010 Pa
极高真空: 可得到较为纯净气体;可获得较纯净的固体表 面。气体在固体表面以吸附停留为主。
流动过渡到 分子运动
气体分子间 基本无碰撞
2-1真空的基本知识
☞ 气体与蒸气的区分
气体的临界温度: 对于每种气体都有一个特定的温度, 高于此温度时,气体无论如何压缩都不会 液化,这个温度称为该气体的临界温度。 气体:温度高于临界温度的气态物质。 蒸气:温度低于临界温度的气态物质。
2-2稀薄气体的基本性质
☞自由程:
分子两次相邻碰撞之间自由通过的路程
2-3真空的获得
真空的应用:
1、产生压力差。 2、降低某些过程发生所需的能量势垒,如凝聚或蒸发过程。 3、隔热。 4、产生干净表面。 5、净化腔体。 6、真空干燥。 7、提高分子运动平均自由程。
2-3真空的获得
真空系统:真空式,泵,管路,阀门 真空测量
2-1 真空的基本知识
为了使被研究的样品不被周围气氛所污染, 获取“原子清洁”的表面,薄膜制备和衬底表 面形成过程往往是在真空或超高真空中进行的。 目前,人们所广泛使用的薄膜制备系统都具有 真空系统。
真空: 目低前于获一得个的大较气高压(真1空05P1a*)10的-11气Pa体状态。
1cm3 中残留3000个气体分子
在单位面积器壁上发射碰撞的气体分子数 。
赫兹-克努曾(Hertz-Knudsen)公式: v 1 n 4
2-2稀薄气体的基本性质
ຫໍສະໝຸດ Baidu
取氮气:
8RT 88.31J / K mol107 erg / J 298K
M
28g / mol
4.78104 cm / s
2、用平衡电桥测量加热丝的 电阻
2-4真空的测量
☞电离真空计规管1----10-7 Pa
原理:热丝发射热电子 1、热电子加速并电离气体, 离子被收集形成电流. 2、电流与压强成正比
2-4真空的测量
☞双热偶程控复合真空计
➢复合真空计由热电偶真空计和电离真空计组成,并且由热偶 计控制电离计的启动。
掌握
重力加速度g=980.665cm/s2 , 760mm Hg 柱产生的压强.
2-1真空的基本知识
1atm 760mm13.59509g / cm3 980.665cm / s2 1013249dyn / cm2 101324.9Pa 1.01325105 Pa
1mmHg 1mm13.59509g / cm2 980.665cm / s2 133.322Pa 1Torr 1mmHg 1 atm 133.322Pa
☞机械泵特点: 1、大气压----10-1Pa 2、抽速1-300L/S
2-3真空的获得-高真空
☞ 扩散泵(Diffusion Pump)
原理与特点: 1、加热油从喷嘴喷出, 气体分子与油分子碰撞, 向出气口运动。
2、需要水冷,前级泵, 不能直接抽大气。
3、1-10-6Pa
2-3真空的获得-高真空
2. 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。
2-2稀薄气体的基本性质
☞真空度对薄膜质量的影响
考虑自由程:
P=10-4 Pa时, P=10-3 Pa时, 薄膜技术中最常用的真空度为10-4 Pa,自由程大约是66 米。即使再差, 10-3 Pa,自由程大约是6.6米.
760
1bar 106 bar 106 dyn / cm2 105 Pa
2-1真空的基本知识
☞ 真空的划分
自由程短, 碰撞频繁
粗真空: 低真空:
1 013105 ~ 1333102 Pa 1333102 ~ 1333101 Pa
1333101 ~ 1333106 Pa
2 . 分子有效直径为 d (分子间距平均值),
3 . 其它分子皆静止, 某一分子以平均速率 相对其他分子运动 .
2-2稀薄气体的基本性质
☞平均自由程:λp = const.
每两次连续碰撞之间,一个分子自由运动的平均路程 .
单位时间内平均碰撞次数 考虑其他分子的运动 分子平均碰撞次数
Z πd2 un
第5章薄膜材料的评价表证及物性测量 第6章 薄膜材料的应用
表征、性质 和应用
提问:冬天,从户外进入温暖的房间,眼 镜片上会出现什麽现象?
• 结雾!
冰冷的镜片。 室内的水蒸气。
冷的基板。
热的气相源。
• 气相沉积! 真空环境。
第2章 真空技术基础
真空的基本知识 稀薄气体的基本性质 真空的获得 真空的测量
u 2v
Z 2π d 2 vn
2-2稀薄气体的基本性质
4、分子平均碰撞次数
Z 2 πd 2 vn
p nkT
平均自由程 v
z
kT 2π d 2 p
1 2π d 2n
(1-16)
T 一定时
1
p
p 一定时 T
课后作业:计算两种情况下分子的平均自由程, 分析气压和温度对其影响.
2-4真空的测量
☞ 热电偶真空计 102----10-1 Pa
原理:散热与气体压强 有关
1、加热丝的温度与气体 压强相关
2、通过测量加热丝的温 度来计算压强
2-4真空的测量
☞ 热电阻真空计105----10-2 Pa
原理:散热与气体压强有关
1、加热丝的电阻与温度有关, 加热丝的温度与气体压强 相关.
v 1 n 1 2.461019 4.78104 2.941023分子 / cm3 s
4
4
2-2稀薄气体的基本性质
☞ 稀薄气体的参数
Collision Free Conditions: Maintain a Clean Surface:
P ~ 10-6 Pa P ~ 10-10 Pa
p
2RT M
< < 2
8RT 1.59 RT
M
M
2 3RT 1.73 RT
M
M
2-2稀薄气体的基本性质
3、平均自由程: λp
定义:每两次连续碰撞之间,一个分子自由运动的平均路程 .
☞分子平均碰撞次数:单位时间内一个分子和其它分子碰
撞的平均次数 .
简化模型
1 . 分子为刚性小球 ,
2-2稀薄气体的基本性质
1、气体分子密度(个/m3)
罗定律
阿伏加德
标准状态: P = 105Pa,
n = 2.46×1019分子/cm3 n = 3.2×106分子/cm3
P = 1.3 × 10-8 Pa,
2-2稀薄气体的基本性质
2、气体分子的速度分布
最可几速度 p 、平均速度 、均方根速2度
2-3真空的获得---超高真空
☞ 钛升华泵
➢������ ➢������ ➢������ ➢������ ➢������ 甲烷
加热钛丝使其蒸发到冷壁 Ti 原子与气体反应 气压范围 10-6-10-9 Pa 便宜、可靠 需要再生,难除惰性气体和
2-3真空的获得
☞ 真空材料
真空材料应考虑的问题: ➢������ Outgassing rates (除气速率) ➢������ Producing “virtual” leaks (产生气体虚 漏) ➢������ Mechanical stability(机械稳定性) ➢������ Temperature stability(温度稳定性) ➢������ Conductivity(热导率) ➢������ Chemical inertness(化学惰性) ➢������ Weldability(可焊接性)
2-2稀薄气体的基本性质
☞ 余弦定律
理论与实验研究证明了如下的余弦定律:
碰撞于固体表面的分子,其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,处于立体角中的 几率为:
2-2稀薄气体的基本性质
☞ 余弦定律
(又称克努曾定律),重要意义在于:
1. 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。
2-3真空的获得-低真空
☞ 机械泵(Rotary Vane Pump)
2-3真空的获得-低真空
☞ 机械泵(Rotary Vane Pump)
2-3真空的获得-低真空
☞机械泵工作原理:
1、气体从入口进入转子和定子之间。 2、偏轴转子压缩空气并输送到出口 3、气体在出口积累到一定压强,喷出到大气。
例 试估计下列两种情况下空气分子的平均自由
程 :(1)273 K、1.013 105 Pa时 ; ( 2 ) 273 K 、 1.333 103 Pa时.
(空气分子有效直径 :d 3.101010 m )
2-2稀薄气体的基本性质
5、碰撞次数和余弦散射率
碰撞次数(入射频率或入射通量):单位时间内
☞ 涡轮分子泵 (Turbo Molecular Pump)
2-3真空的获得-高真空
☞涡轮分子泵( Turbo Molecular Pump )
原理与特点:
1、气体分子被高速转动的涡轮片撞击,向出口运动。 2、多级速度:30000—60000 rpm。 3、转子切向速度与分子运动速率相当。 4、10-1-------10-9 Pa。
真空度差个10倍(10-3Pa),杂质含量相当于10~30%, 真空度提高10倍(10-5Pa),杂质含量为0.1~0.3%。
2-2稀薄气体的基本性质
☞真空度对薄膜质量的影响
想要得到高纯度的薄膜,就必须尽量在较高真空度的环 境下,或是在不会与薄膜材料产生反应的氩气等的惰性气体 中进行。
相反的,也有故意让原料气体和其它气体发生反应而产 生新的性质优良的材料的情形,这种称为反应性溅镀或是反 应性蒸镀
主要讲授内容
第1章 薄膜技术简介
What’s the thin films?
第2章 真空技术基础
真空的表征及获得
第3章 薄膜生长与薄膜结构 第4章 薄膜制备的基本工艺
薄膜的形核、生长理论 , 薄膜的形成与典型成长机制
真空蒸镀
离子束沉积 溅射镀膜
薄膜制备方法的原理介绍 , 典型薄膜材料的制备工艺介绍
化学气相沉积