薄膜物理与技术-1 真空技术基础-宋春元-20140909
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第一章 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
1 真空技术基础
真空与薄膜材料与技术有何关系？
1.1 真空的基本知识
几乎所有的现代薄膜材料制备都需要在真空或较低的气压条件下进行 都涉及真空下气相的产生、输运和反应过程； 了解真空的基本概念和知识，掌握真空的获得和测量技术基础知识 是了解薄膜材料制备技术的基础！
酒精 243 0C ；水 374.2 0C； Fe 3700 0C
1 真空技术基础
1.2 稀薄气体的性质
理想气体状态方程：
1.2 稀薄气体的性质
1.2.1 理想气体定律（一定质量的气体）
P nkT
或
式中：n — 分子密度 (个/m3)； P — 气体压强 (Pa)； V — 气体体积 (m3)； M — 气体分子量 (kg/mol)；
T恒定 P恒定 V恒定
P Avogadro定律： P nkT n kT 一定温度、压力下，各种气体单位体积内含有的分子数相同。
气体分子密度
PV C（C为常数） V CT P CT
1 真空技术基础
1.2.2 气体分子的速度分布
1.2 稀薄气体的性质
在平衡状态时，分布在任一速度区间v～v+dv内，分 子的几率，满足麦克斯韦-波尔兹曼分布：
13.59509 g / cm3 ；
1 atm 760 mm 13.59509 g / cm3 980.665 cm / s 2 1013249 dyn / cm 2 101324.9 Pa 1.013 105 Pa
在此基础上，可以导出压强的非法定单位与帕之间的关系.
宇宙(自然)真空：宇宙空间内存在的真空 因此，真空可分为 人为真空：利用真空设备获得的容器内真空
现代真空技术的极限：每 cm3空间内仅有数百个气体分子 对应气压 10-12 Pa
1 真空技术基础
1.1 真空的基本知识
1.1.1 真空的定义及其度量单位
真空的实质：一种低压气体物理状态 真空度采用气体压强表征 真空度的单位 = 气体压强的单位
1 真空技术基础
1.1.3 气体与蒸气 气态的两种形式
1.1 真空的基本知识
临界温度：对于每一种气体都有一个特定的温度，高于此温度， 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。 温度高于临界温度的气态物质称为气体，低于临界温度的气态 物质称为蒸气。 实际应用中，通常以室温标准来区分气体和蒸气。 表1-2各种物质的临界温度。P3 常见物质的临界温度： 空气 -140 0C；氧气 -118 0C ； 氮气 -267.8 0C
注意：真空度和气压的意义相反 真空度 意味着 气压 法定计量单位
国际单位制（MKS制，即SI制） 1 Pa＝1 N / m 2 1 bar＝106 dyne/cm 2 厘米克秒制（CGS 制） 主要单位制 1 PSI ＝1 lbf / in 2 英制（FPS制） 毫米汞柱制（mmHg 制） 1 torr ＝1 mmHg ＝1 / 760 atm
物理意义是：速率在v附近的单位速率区间的分子数占分子总数的百分比；或者说 一个分子的速率在速率v附近单位速率区间的概率。因此，也叫做分子速率分布的 概率密度。
1 真空技术基础
1.2.2 气体分子的速度分布
1.2 稀薄气体的性质
平衡温度越低，曲线越陡，分 子按速率分布越集中；温度越 高，曲线越平缓，分子按速率 分布越分散。
解：（1）气体分子密度
P n T
(3.5 1016 个/m3 )
（2）分子平均速度 v 8RT 8 8.31 273 a M 3.14 32 103
(1/1.013×105)
1 PSI
51.7149
6.8948×103
6.8948×10-2
6.8046×10-2
说明：1、mmHg是人类使用最早、最广泛的压强单位； 1958年为纪念托里切利，用托（torr）代替了mmHg：1 torr＝1 mmHg 2、早期的真空度计量常以 torr 或 mbar 为单位； 目前随着标准化进程的推进，SI（MKS）制单位应用日渐广泛 真空度用 Pa 作单位
k — 玻尔兹曼常数，1.38×10-23 J/K； T — 气体温度 (K)； m — 气体质量 (kg)； R — 普适气体常数，R = NA· k = 8.314 J/mol· K； NA — Avogadro常数，6.02×1023 个/mol；
m PV RT M
（1） 波义耳定律 （2） 盖吕萨克定律 （3） 查理定律
1 真空技术基础
1.2 稀薄气体的性质
（） 1.2.3 气体分子的自由程
每个气体分子在与其它气体分子连续2次碰撞之间运动经历的路程。 平均自由程（ ）：气体分子自由程的统计平均值。
kT P const . 2 2 2 n 2 P 薄膜技术中最常用的真空度为 10-4Pa，自
P
P=1.3*10-4Pa，T=270C
3.7 104个/(cm2 s)
1 真空技术基础
1.2 稀薄气体的性质
1.2.4 碰撞次数与余弦散射定律 衬底完全被一层分子覆盖所需时间：
N 2 MRT t N AP N
N为表面原子密度 常温常压下，洁净表面被杂质完全覆盖所需时 3.510-9 s, 而在 10-8Pa 的高真空中，这一时间为 10h 。所以在薄膜制备技术中获得和保持适当的 真空度是很重要的。
va
m
M
1.59
M
3. 均方根速率
计算分子平均动能
vr :va :vm =1.225: 1.128: 1
3kT 3RT RT vr 1.73 m M M
1 真空技术基础
1.2.2 气体分子的速度分布
1.2 稀薄气体的性质
例1． 计算400K温度下氧气的方均根速率、平均速率和最可 几速率。
1.1.1 真空的定义及其度量单位
Pa 1.333×102
(1.013×105/760)
atm 1.316×10-3
(1/760)
PSI 1.9337×10-2 1.4504×10-4 1.4504×101 1.4696×101
10-5 105 1.013×105 1.013
9.869×10-6 9.869×10-1
结果：得到了“真空”的物理存在和大气压的定义与量度依据！
1 真空技术基础
1.1 真空的基本知识
1.1.1 真空的定义及其度量单位
概念：利用外力将一定密闭空间内的气体分子移走， 绝对真空是不 使该空间内的气压小于 1 个大气压， 存在的！ 则该空间内的气体的物理状态就被称为真空。
注意：真空，实际上指的是 一种低压的、稀薄的气体状态， 而不是指“没有任何物质存在”！
2 dN m 2 mv 4 v 2 dv exp 2kT N 2 kT N 容器中气体分子总数，m为气体分子质量,T为温度。 3
dN 麦克斯韦速度分布函数 m确定，温度确定， f (v )dv N 3 2 m 2 2 m v f (v) 4 exp v 2kT 2kT
换算基础：1 N＝105 dyne＝0.225 lbf 1 atm＝760 mmHg（torr）＝1.013×105 Pa＝1.013 bar 标准大气压定义?
1 真空技术基础
目前标准大气压定义：0
oC，水银密度
1.1 真空的基本知识
标准大气压定义
2
1.1.1 真空的定义及其度量单位
重力加速度 g 980.665 cm / s 时，760 mm水银柱所产生的压强为1标准大气压，用atm表示，则：
P=10-4Pa时， 6670cm 66.7m P=10-3Pa时， 667cm 6.67m
1 真空技术基础
1.2 稀薄气体的性质
1.2.4 碰撞次数与余弦散射定律(气体分子与表面的相互作用)
包括：气体分子跟器壁表面的碰撞，也包括反射或被吸附。 气体吸附： 气体吸附就是固体表面俘获气体分子的现象。 分为物理吸附和化学吸附。 物理吸附靠分子间的相互吸引引起的，任何气体在固体表面均会发 生，吸附后容易脱附。 化学吸附在较高温度下发生，只有当气体与固体表面原子接触生成 化合物时才能产生吸附作用，气体不易脱附。 气体脱附 是气体吸附的逆过程。 影响因素：气体的压强、固体的温度、固体表面吸附气体的密度以及固体 本身的性质如光洁程度、清洁度等
1 真空技术基础
入射频率
1.2 稀薄气体的性质
1.2.4 碰撞次数与余弦散射定律
入射频率ν （入射通量或碰撞次数）：单位时间，在单位 面积的器壁上发生碰撞的气体分子数
1 nv a 4
P nkT
赫兹－克努曾公式
描述气体热运动重要公式
va
8kT 8RT m M
P 2m kT
1
P nkT
σ-分子直径； n－分子密度 由程大约是 66米。即使再差， 10-3Pa，自由 25℃时
程大约是 6.6米。 0.667
P
(cm Pa)
1.38 1023 298 （ 6.67 103 (m Pa)） 10 2 1.41 3.14 (3.5 10 )
1.1 真空的基本知识
中学物理内容：1643年 托里切利 (Torricelli) 著名的大气压实验
为人类首次揭示了 真空 这个物理状态的存在！ 管内水银柱上方空间内，因已排除空气的存在而形成真空 (托里切 利真空) 图中A、B、C三点压力相等，A、C点：大气压；B点：水银柱产生 的压力 换句话说：可用水银柱产生的压力 作为 大气压力 的量度! 把高度为760 mm的水银柱所产生的压力定义为1个大气压 (1 atm) 1 atm = 760 mmHg ！
1 真空技术基础
1.1.2 真空度的划分
1.1 真空的基本知识
气态空间近似为大气状态，分子以热运动为主， 分子之间碰撞频繁。低真空，可以获得压力差而不 改变空间的性质。（如吸尘器、抽滤）
中真空，气体分子密度与大气状态有很大差别。气体分子的流动 容器中分子数很少，分子平均自由程大于一般容器的线度，分 气体分子入射固体表面的频率已经很低，可以 从黏滞流状态向分子状态过渡，气体对流现象消失。 气体中带电 气体分子数更少，几乎不存在分子间碰撞，此时气体分子在固体表面上 子流动为分子流，分子与容器壁碰撞为主，在此真空下蒸发材料， 保持表面洁净。适合分子尺寸加工及纳米科学的研 记忆： 3344 离子在电场作用下， 产生气体导电现象。（离子镀、溅射镀膜等 是以吸附停留为主。入射固体表面的分子数达到单分子层需要的时间也较长， 粒子将按直线飞行。（拉制单晶、表面镀膜、电子管生产） 究。 气体放电和低温等离子体相关镀膜技术） 可以获得纯净表面。（薄膜沉积、表面分析 …)
1 真空技术基础
1.2.2 气体分子的速度分布
1.2 稀薄气体的性质
1. 最可几速率（速率极大值?）
2kT 2RT RT vm 1.41 m M M
讨论速度分布
计算分子运动平均距离
物理意义是：若把整个速率范围分成许多相等的小区间，则 利用概率求平均值，对于连续型随机变 2. 平均速率 Vm所在的区间内的分子数占分子总数的百分比最大，又称为 量，若分布函数为P(X),则统计平均值定 x)dx8RT 最概然速率。 义为： x x 8( kT RT
1 真空技术基础
1.2 稀薄气体的性质
例1，求0℃，P = 1.3 10-4Pa氧气，
1）气体分子密度；2) 分子平均速度；3）平均自由程；4）碰撞次数；5） 固体表面形成形成单分子层的时间；6）每分钟成膜厚度。
（已知0℃氧Biblioteka Baidu分子直径3.6 10-8 cm，单分子层分子数8.7 1014 个/ cm2）
1 真空技术基础
不同真空度单位制间的换算关系：
torr/mmHg 1 torr (1 mmHg) 1 Pa 1 bar 1 atm 7.501×10-3 7.501×102 760.0
(760/1.013×105)
1.1 真空的基本知识
法定计量单位
bar 1.333×10-3
(1.013/760)
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
1 真空技术基础
真空与薄膜材料与技术有何关系？
1.1 真空的基本知识
几乎所有的现代薄膜材料制备都需要在真空或较低的气压条件下进行 都涉及真空下气相的产生、输运和反应过程； 了解真空的基本概念和知识，掌握真空的获得和测量技术基础知识 是了解薄膜材料制备技术的基础！
酒精 243 0C ；水 374.2 0C； Fe 3700 0C
1 真空技术基础
1.2 稀薄气体的性质
理想气体状态方程：
1.2 稀薄气体的性质
1.2.1 理想气体定律（一定质量的气体）
P nkT
或
式中：n — 分子密度 (个/m3)； P — 气体压强 (Pa)； V — 气体体积 (m3)； M — 气体分子量 (kg/mol)；
T恒定 P恒定 V恒定
P Avogadro定律： P nkT n kT 一定温度、压力下，各种气体单位体积内含有的分子数相同。
气体分子密度
PV C（C为常数） V CT P CT
1 真空技术基础
1.2.2 气体分子的速度分布
1.2 稀薄气体的性质
在平衡状态时，分布在任一速度区间v～v+dv内，分 子的几率，满足麦克斯韦-波尔兹曼分布：
13.59509 g / cm3 ；
1 atm 760 mm 13.59509 g / cm3 980.665 cm / s 2 1013249 dyn / cm 2 101324.9 Pa 1.013 105 Pa
在此基础上，可以导出压强的非法定单位与帕之间的关系.
宇宙(自然)真空：宇宙空间内存在的真空 因此，真空可分为 人为真空：利用真空设备获得的容器内真空
现代真空技术的极限：每 cm3空间内仅有数百个气体分子 对应气压 10-12 Pa
1 真空技术基础
1.1 真空的基本知识
1.1.1 真空的定义及其度量单位
真空的实质：一种低压气体物理状态 真空度采用气体压强表征 真空度的单位 = 气体压强的单位
1 真空技术基础
1.1.3 气体与蒸气 气态的两种形式
1.1 真空的基本知识
临界温度：对于每一种气体都有一个特定的温度，高于此温度， 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。 温度高于临界温度的气态物质称为气体，低于临界温度的气态 物质称为蒸气。 实际应用中，通常以室温标准来区分气体和蒸气。 表1-2各种物质的临界温度。P3 常见物质的临界温度： 空气 -140 0C；氧气 -118 0C ； 氮气 -267.8 0C
注意：真空度和气压的意义相反 真空度 意味着 气压 法定计量单位
国际单位制（MKS制，即SI制） 1 Pa＝1 N / m 2 1 bar＝106 dyne/cm 2 厘米克秒制（CGS 制） 主要单位制 1 PSI ＝1 lbf / in 2 英制（FPS制） 毫米汞柱制（mmHg 制） 1 torr ＝1 mmHg ＝1 / 760 atm
物理意义是：速率在v附近的单位速率区间的分子数占分子总数的百分比；或者说 一个分子的速率在速率v附近单位速率区间的概率。因此，也叫做分子速率分布的 概率密度。
1 真空技术基础
1.2.2 气体分子的速度分布
1.2 稀薄气体的性质
平衡温度越低，曲线越陡，分 子按速率分布越集中；温度越 高，曲线越平缓，分子按速率 分布越分散。
解：（1）气体分子密度
P n T
(3.5 1016 个/m3 )
（2）分子平均速度 v 8RT 8 8.31 273 a M 3.14 32 103
(1/1.013×105)
1 PSI
51.7149
6.8948×103
6.8948×10-2
6.8046×10-2
说明：1、mmHg是人类使用最早、最广泛的压强单位； 1958年为纪念托里切利，用托（torr）代替了mmHg：1 torr＝1 mmHg 2、早期的真空度计量常以 torr 或 mbar 为单位； 目前随着标准化进程的推进，SI（MKS）制单位应用日渐广泛 真空度用 Pa 作单位
k — 玻尔兹曼常数，1.38×10-23 J/K； T — 气体温度 (K)； m — 气体质量 (kg)； R — 普适气体常数，R = NA· k = 8.314 J/mol· K； NA — Avogadro常数，6.02×1023 个/mol；
m PV RT M
（1） 波义耳定律 （2） 盖吕萨克定律 （3） 查理定律
1 真空技术基础
1.2 稀薄气体的性质
（） 1.2.3 气体分子的自由程
每个气体分子在与其它气体分子连续2次碰撞之间运动经历的路程。 平均自由程（ ）：气体分子自由程的统计平均值。
kT P const . 2 2 2 n 2 P 薄膜技术中最常用的真空度为 10-4Pa，自
P
P=1.3*10-4Pa，T=270C
3.7 104个/(cm2 s)
1 真空技术基础
1.2 稀薄气体的性质
1.2.4 碰撞次数与余弦散射定律 衬底完全被一层分子覆盖所需时间：
N 2 MRT t N AP N
N为表面原子密度 常温常压下，洁净表面被杂质完全覆盖所需时 3.510-9 s, 而在 10-8Pa 的高真空中，这一时间为 10h 。所以在薄膜制备技术中获得和保持适当的 真空度是很重要的。
va
m
M
1.59
M
3. 均方根速率
计算分子平均动能
vr :va :vm =1.225: 1.128: 1
3kT 3RT RT vr 1.73 m M M
1 真空技术基础
1.2.2 气体分子的速度分布
1.2 稀薄气体的性质
例1． 计算400K温度下氧气的方均根速率、平均速率和最可 几速率。
1.1.1 真空的定义及其度量单位
Pa 1.333×102
(1.013×105/760)
atm 1.316×10-3
(1/760)
PSI 1.9337×10-2 1.4504×10-4 1.4504×101 1.4696×101
10-5 105 1.013×105 1.013
9.869×10-6 9.869×10-1
结果：得到了“真空”的物理存在和大气压的定义与量度依据！
1 真空技术基础
1.1 真空的基本知识
1.1.1 真空的定义及其度量单位
概念：利用外力将一定密闭空间内的气体分子移走， 绝对真空是不 使该空间内的气压小于 1 个大气压， 存在的！ 则该空间内的气体的物理状态就被称为真空。
注意：真空，实际上指的是 一种低压的、稀薄的气体状态， 而不是指“没有任何物质存在”！
2 dN m 2 mv 4 v 2 dv exp 2kT N 2 kT N 容器中气体分子总数，m为气体分子质量,T为温度。 3
dN 麦克斯韦速度分布函数 m确定，温度确定， f (v )dv N 3 2 m 2 2 m v f (v) 4 exp v 2kT 2kT
换算基础：1 N＝105 dyne＝0.225 lbf 1 atm＝760 mmHg（torr）＝1.013×105 Pa＝1.013 bar 标准大气压定义?
1 真空技术基础
目前标准大气压定义：0
oC，水银密度
1.1 真空的基本知识
标准大气压定义
2
1.1.1 真空的定义及其度量单位
重力加速度 g 980.665 cm / s 时，760 mm水银柱所产生的压强为1标准大气压，用atm表示，则：
P=10-4Pa时， 6670cm 66.7m P=10-3Pa时， 667cm 6.67m
1 真空技术基础
1.2 稀薄气体的性质
1.2.4 碰撞次数与余弦散射定律(气体分子与表面的相互作用)
包括：气体分子跟器壁表面的碰撞，也包括反射或被吸附。 气体吸附： 气体吸附就是固体表面俘获气体分子的现象。 分为物理吸附和化学吸附。 物理吸附靠分子间的相互吸引引起的，任何气体在固体表面均会发 生，吸附后容易脱附。 化学吸附在较高温度下发生，只有当气体与固体表面原子接触生成 化合物时才能产生吸附作用，气体不易脱附。 气体脱附 是气体吸附的逆过程。 影响因素：气体的压强、固体的温度、固体表面吸附气体的密度以及固体 本身的性质如光洁程度、清洁度等
1 真空技术基础
入射频率
1.2 稀薄气体的性质
1.2.4 碰撞次数与余弦散射定律
入射频率ν （入射通量或碰撞次数）：单位时间，在单位 面积的器壁上发生碰撞的气体分子数
1 nv a 4
P nkT
赫兹－克努曾公式
描述气体热运动重要公式
va
8kT 8RT m M
P 2m kT
1
P nkT
σ-分子直径； n－分子密度 由程大约是 66米。即使再差， 10-3Pa，自由 25℃时
程大约是 6.6米。 0.667
P
(cm Pa)
1.38 1023 298 （ 6.67 103 (m Pa)） 10 2 1.41 3.14 (3.5 10 )
1.1 真空的基本知识
中学物理内容：1643年 托里切利 (Torricelli) 著名的大气压实验
为人类首次揭示了 真空 这个物理状态的存在！ 管内水银柱上方空间内，因已排除空气的存在而形成真空 (托里切 利真空) 图中A、B、C三点压力相等，A、C点：大气压；B点：水银柱产生 的压力 换句话说：可用水银柱产生的压力 作为 大气压力 的量度! 把高度为760 mm的水银柱所产生的压力定义为1个大气压 (1 atm) 1 atm = 760 mmHg ！
1 真空技术基础
1.1.2 真空度的划分
1.1 真空的基本知识
气态空间近似为大气状态，分子以热运动为主， 分子之间碰撞频繁。低真空，可以获得压力差而不 改变空间的性质。（如吸尘器、抽滤）
中真空，气体分子密度与大气状态有很大差别。气体分子的流动 容器中分子数很少，分子平均自由程大于一般容器的线度，分 气体分子入射固体表面的频率已经很低，可以 从黏滞流状态向分子状态过渡，气体对流现象消失。 气体中带电 气体分子数更少，几乎不存在分子间碰撞，此时气体分子在固体表面上 子流动为分子流，分子与容器壁碰撞为主，在此真空下蒸发材料， 保持表面洁净。适合分子尺寸加工及纳米科学的研 记忆： 3344 离子在电场作用下， 产生气体导电现象。（离子镀、溅射镀膜等 是以吸附停留为主。入射固体表面的分子数达到单分子层需要的时间也较长， 粒子将按直线飞行。（拉制单晶、表面镀膜、电子管生产） 究。 气体放电和低温等离子体相关镀膜技术） 可以获得纯净表面。（薄膜沉积、表面分析 …)
1 真空技术基础
1.2.2 气体分子的速度分布
1.2 稀薄气体的性质
1. 最可几速率（速率极大值?）
2kT 2RT RT vm 1.41 m M M
讨论速度分布
计算分子运动平均距离
物理意义是：若把整个速率范围分成许多相等的小区间，则 利用概率求平均值，对于连续型随机变 2. 平均速率 Vm所在的区间内的分子数占分子总数的百分比最大，又称为 量，若分布函数为P(X),则统计平均值定 x)dx8RT 最概然速率。 义为： x x 8( kT RT
1 真空技术基础
1.2 稀薄气体的性质
例1，求0℃，P = 1.3 10-4Pa氧气，
1）气体分子密度；2) 分子平均速度；3）平均自由程；4）碰撞次数；5） 固体表面形成形成单分子层的时间；6）每分钟成膜厚度。
（已知0℃氧Biblioteka Baidu分子直径3.6 10-8 cm，单分子层分子数8.7 1014 个/ cm2）
1 真空技术基础
不同真空度单位制间的换算关系：
torr/mmHg 1 torr (1 mmHg) 1 Pa 1 bar 1 atm 7.501×10-3 7.501×102 760.0
(760/1.013×105)
1.1 真空的基本知识
法定计量单位
bar 1.333×10-3
(1.013/760)