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
8RT va M
T=300 K,气体平均运动速度， va≈460 m/s
2.3
压力根源
气 体 压 力
– 气体分子与容器器壁的不断碰撞
nMv nRT p 8N A NA
2 a
n--单位体积内的分子数 NA--Avogadro常数 n/NA--单位体积内气体分子的摩尔数
理想气体的压力p与气体分子的动能或气体热力学温度成正比。
惯性动量
Re
黏滞阻力
vd

雷诺准数相当于气体流动
的惯性动量与其受到的黏滞阻 力之比，它们各自起着破坏与 稳定气流的作用
d--为容器的特征尺寸（管道直径） v、ρ、η-- 分别为气体的流速、密度、动
力学黏度系数
3.1.3 小结：气体的流动状态 影响因素
10Pa
高真空 10-1~10-5Pa 10-3Pa
10-2Pa 超高真空 <10-5Pa
主 要 内 容
1. 真空概念
2. 真空中气体的表征 3. 真空中气流与流导
4. 真空泵原理及种类 5. 真空测量原理及种类
二、气 体 的 表 征
2.1 气体分子运动的基本概念
理想气体
– 气体分子看作相互独立的硬球
2.4 分子平均自由程
分子平均自由程
– 气体分子在两次碰撞的时间间隔里走过的平
均距离
Hale Waihona Puke 1 2 nd平均碰撞频率：va/λ
d--气体分子的有效截面直径 n--单位体积内的分子数
2.4 分子平均自由程
举例：
常温，常压空气分子d≈0.5 nm,
λ≈50 nm
平均碰撞频率1010 运动轨迹：折线 单位时间，定向运动距离较小
薄膜技术—2
真空技术基础
主 要 内 容
1. 真空概念
2. 真空中气体的表征 3. 真空中气流与流导
4. 真空泵原理及种类 5. 真空测量原理及种类
什么是真空?
一、什么是真空?
• 在真空科学中，真空的含义是指在给定的
空间内低于一个大气压力的气体状态。
真空的特点
（ 1 ）真空状态下的气体压力低于一个大气压，因此，处于 地球表面上的各种真空容器中，必将受到大气压力的作用。
4. 真空泵原理及种类 5. 真空测量原理及种类
三、气流与流导
3.1 气流的流动状态
Knudsen准数 分子流状态
气流的流动状态 层流状态 黏滞流状态 Reynolds准数
紊流状态
3.1 气流的流动状态
分子流状态
– 高真空环境，气体分子除了与容器器壁发生碰撞以 外，几乎不发生气体分子间的碰撞过程。 – 分子靠热运动自由而独立地直线前进，只发生与管 壁的碰掩而飞过管道
2.2 气体的运动速度与分布
Maxwell-Boltzmann分布
Mv 2 2 2 RT
4 M f (v ) ( ) ve 2 RT
3 2
M--分子相对原子质量 T--热力学温度 R--气体常数 H2和Al蒸汽分子在不同温度时的速率分布
2.2 气体的运动速度与分布
气体分子平均运动速度
层流状态
– 容器壁处气体分子流动速度趋近于零
– 离开器壁距离增加，气体流动速度逐渐增加
– 容器中心处，气体流动速度最高
3.1 紊流状态
紊流状态
– 其特征是流线不仅沿着管轴方向，而且
出现垂直于管轴的横向移动，形成无规
则的旋涡
3.1.2 紊流/层流划分标准
Reynolds准数Re
– 紊流状态 Re >2200 – 层流状态Re<1200 – 紊流或层流态 2200 >Re >1200
2.5 气体分子的通量Φ
应用
– 薄膜的沉积速度控制 – 基体表面杂质气体分子污染
N N 2MRT NAp
• 常温、常压下洁净表面被杂质覆盖时间3.5x10-9 s
• 高真空10-8 Pa，10h
• 10-4 Pa ？
主 要 内 容
1. 真空概念
2. 真空中气体的表征 3. 真空中气流与流导
黏滞状态（紊流状态/层流状态）
– 气体分子的平均自由程短，气体分子间相互作用碰 撞频繁
3.1.1 分子流/黏滞划分标准
Knudsen准数
Kn
D

D--气体容器的尺寸 λ--气体分子的平均自由程
• 分子流状态 Kn<1 • 黏滞流状态 Kn>110 • 过渡状态 Kn=1~110
3.1 层流状态
1.3 真空的划分
低真空
中真空 高真空
105 ~ 102 Pa
(低压CVD)
102 ~ 10-1 Pa (低压CVD、磁控溅射) 10-1 ~ 10-5 Pa (真空蒸发)
超高真空 10-5 ~ 10-9 Pa (真空蒸发、表面分析技术)
1.3 真空的划分
真空蒸镀 低真空 >102Pa 10Pa 中真空 102 ~10-1Pa 100Pa 溅射技术 低压化学气相沉 积 电子显微分析 SEM,TEM