真空获得和真空镀膜_张中月讲义

邱爱叶 邵健中 编著 浙江大学出版社 1991年8月出版
2、半导体薄膜技术与物理
叶志镇 吕建国 吕斌 张银珠 编著 浙江大学出版社 2008年9月出版
3、薄膜材料-制备原理、技
术及应用
唐伟忠 编著 冶金工业出版社
2003年1月出版
真空技术
第一章 真空物理
实例：真空热阻蒸发
第一节 真空的性质
一、真空的定义
“真空”：译自拉丁文Vacuo，即是虚无。
在指定的空间内，低于一个大气压力的 气体状态，统称为真空。 常见的真空应用？ 气体密度越小，真空度越高。
物理真空：
没有任何实物粒子存在的空间，但是什 么都没有的空间是不存在的。
工业真空：
指气压比一个标准大气压小的气体空间， 是指稀薄的气体状态。
二、真空度的定义
2.1 压强
压强的本质：大量杂乱运动分子碰撞容器
表面所引起的动量改变率就是气体对表面
的压强。
p
1 3
mnvr2ms
m ：分子质量
n ：单位容积内的分子数
vrms ：所有分子速度的方均根
2.2 分子的动能和速度
分子的动能：
由 PV NkT
P N kT nkT
V
为使动力学理论与实验结果相一致，即：
五、真空技术的作用
真空状态下，气体分子在一定时间内碰撞于 固体表面上的次数减少，这将导致其具有一 系列新的物化特性，如：
氧化作用少 气体污染小 汽化点低 热传导与对流小 高真空的绝缘性能好
真空技术的作用：是基本的实验技术之一
在近代尖端科学技术，如表面科学、薄膜 技术、空间科学、高能粒子加速器、微电 子学、材料科学等工作中都占有关键的地 位，其应用越来越广泛。
p
1 3
mnvr2ms
P nkT
必有：vrms
3kT m
vrms
3kT m
因为质量为m，速度为 vrms的粒子的动能为：
E
1 2
mvr2ms
3 2
kT
即：动力学理论把气体分子的平均动能与气 体的绝对温度联系起来了。
分子的平均速度：
分子间不断地相互碰撞，使处于稳态的气 体形成确定的速度分布。
x
d
vx
单位时间内同dσ碰撞的速度在v附件dv范 围内的分子都以dσ 为底面，vx为高的斜桶 内。
f (v)
4
(
m
) v e 3/ 2
2
mv2 2kT
2kT
利用概率密度求平均值的方法，得到气体分子 的平均动能：
m
0
1 2
mv2
f
(v)dv
m
3 2
kT
1 2
m average(v2)
m
3 2
kT
vrms
3kT m
2.3 入射到表面的分子数
通常需要知道单位时间内轰击到真空中单 位面积上的分子数,即碰壁数。
四、真空的作用
1、降低了气体的化学活泼性，有利于储存活性 金属和利用金属的特性；
2、延长了固体表面沉积气体分子层的时间，有利 于分析研究清洁表面和测定气体层的作用；
3、减少了带电粒子在电场、磁场或电磁场作用 下运动的碰撞损失；
4、改变了大气压下靠分子间相互作用发生的物理过 程，如热、声和气体密度本身等的传播过程。
dvdd
得到速度间隔内的分子数：
dnv
2
00
n(
m
)3
/
2
e
mv2 2kT
v
2
sin
dv
dd
2kT
4
(
m
)3
/
2
e
mv2 2kT
v
2
dv
2kT
这是不考虑速度方向而处在相邻速度球壳 之间的分子数。
按概率密度的定义，有Maxwell速度分布函数：
dnv
4
(m)3 Nhomakorabea/
2
e
mv2 2kT
v
2
dv
2kT
真空状态下气体稀薄程度称为真空度， 通常用压力值表示。
？ 气体压力的本质： 气体分子与容器器壁的不断碰撞
真空的单位：
在真空科学的不同学科领域中，由于传统习惯 的差异，采用的压强单位也不同，目前常用的 有以下几种：
(1)毫米汞柱(mmHg): 1mmHg=13.6 g/cm2
在0 C时，1毫米汞柱作用在单位面积的力。
真空与薄膜技术
真空镀膜技术是一种新颖的材料合成与加工的新
技术，是表面工程技术领域的重要组成部分。 真空镀膜技术是利用物理、化学手段将固体表 面涂覆一层特殊性能的薄膜，从而使固体表面 具有耐磨损、耐高温、耐腐蚀、抗氧化、防辐 射、导电、导磁、绝缘和装饰等许多优于固体 材料本身的优越性能，达到提高产品质量、延 长产品寿命、节约能源和获得显著技术经济效 益的作用。因此真空镀膜技术被誉为最具有发 展前途的重要技术之一，并已在高技术产业化 的发展中展现出有人的市场前景。
在平衡状态下的单位体积内，在球坐标系 所确定的速度空间中，速度体积元是：
v2 sin dvdd
按照统计物理学的Maxwell速度分布定律，
处在速度体积元的分子数为：
dnv
n(
m
) e v 3/ 2
mv2 2kT
2
2kT
sin dvdd
dnv
n(
m
) e v 3/ 2
mv2 2kT
2
2kT
sin
真 真空技术：是建立低于大气压力的
空
物理环境，已经在此环境中进行工
与
艺制作、物理测量和科学试验等所
薄
需的技术。
膜
技 术
薄膜技术：是与薄膜制备、薄膜
测试等相关的各种技术的总称。
真空获得
真 空
真空测量 真空技术 真空检漏
与
真空应用
薄
膜
薄膜物理
技
薄膜制备
术 薄膜技术
薄膜表征
薄膜器件
参考书目：
1、超高真空技术
f (v)
4
(
m
) v e 3/ 2
2
mv2 2kT
2kT
df (v) 0 dv
最概然速率： v p
2kT m
f (v)
4
(
m
) v e 3/ 2
2
mv2 2kT
2kT
利用概率密度求平均值的方法，得到气体分子
的平均速度：
vm vf (v)dv
0
vm 2
2kT
m
T=300K时，空气分子的平均运动速度为460m/s
1标准大气压(atm)=760 mmHg
(2)托(Torr): 1 Torr = 1 mmHg
(3)帕斯卡(Pa): 压强的国际单位制 1 Pa = 1 牛顿/米2=7.5 X 10-3 Torr
(4)巴(bar): 1 bar = 105 Pa
真 空 的 分 类
三、真空的性质
➢减少蒸发分子与残余气体分子的碰撞 ➢抑制反应
第二节 真空的气体动力学模型
真空环境是一种低气压状态，其状态方程为：
PV=NkT
气体动力学理论能够解释真空性质与气压间的关系。
理论假设： (1)气体分子可以用不停地杂乱无章运动的 硬球表示；
(2)分子间以及分子与真空容器壁之间只发 生弹性碰撞
从这些假设出发演绎出的许多关系和准则表明：动力学 理论完全能够解释气体的性质，甚至预示气体性质。