(完整版)电子科大薄膜物理(赵晓辉)第一章真空介绍
(完整版)电子科大薄膜物理(赵晓辉)第二章蒸发
主要内容
• 真空蒸发原理 • 薄膜膜厚分布及纯度 • 蒸发装置
2
PVD的特点
利用物理过程，实现物质从源到薄膜的转移。
特点：
1. 固态或熔融态作源物质 2. 经过物理过程转移 3. 较高真空度 4. 没有化学反应
3
4
Evaporation
电子束
蒸发系统
*
5
§2-1 Principle of Evaporation
• 在设计优良的系统中 ，扩散油蒸气不明显。
22
薄膜纯度
残余气体
b 3.5 1022
Pb Mb T
(atoms• cm2 sec1 )
蒸发源
S
NA d• Ma
atoms• cm2 sec1
薄膜杂质浓度
Ci
Pb M a
Mb T d•
d • : deposition rate
18
• 由于lnPv与1/T的近似正比关系，所以当T 有微小变动时，蒸发速率会有剧烈的变化！
20% 对于金属，温度变化1%，蒸发速率变化可达
必须精确控制蒸发温度！
19
五、蒸发分子的平均自由程与碰撞频率
1）Collision Probability 碰撞频率
在低真空蒸镀时，气体分子入射到基片上，单 位时间、单位面积入射的气体分子数。
– Pvap = vapor pressure (Torr) – M = molecular weight
– cm2 => area of source
17
• 可以转化为质量流量（mass flux）
evap 5.834 102
【正式版】薄膜物理真空技术基础PPT资料
Pnk T va
8k T
m
8RT
M
P PNA
2mkT 2MRT
1 真空的定义及其度量单位
计算分子运动平均距离 对应气压 10-12 Pa
1 torr (1 mmHg)
va 8kmT 8R MT1.59R MT
概念：利用外力将一定密闭空间内的气体分子移走，
使该空间内的气压小于 1 个大气压，
则该空间内的气体的物理状态就被称为真空。 运转模式：吸气 压缩 排气 （不断循环）
P Avogadro定律：
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
1 真空技术基础 1.2 稀薄气体的性质
1.2.2 气体分子的速度分布
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：
3
d N N4 2m kT 2expm v22kTv2dv
因此，真空可分为
宇 宙 ( 自 然 ) 真 空 ： 宇 宙 空 间 内 存 在 的 真 空 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 bar
7.501×102
105
9.869×10-1 1.4504×101
1 atm 1 PSI
760.0 51.7149
1.013×105 6.8948×103
1.013
1.4696×101
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
第1章薄膜技术的真空技术基础-文档资料
桂林电子科技大学
材料科学与工程学
1.1 真空的基本知识
桂林电子科技大学
材料科学与工程学
1.1 真空的基本知识
桂林电子科技大学
材料科学与工程学
1.2 真空的表征
1 气体分子的平均自由程
分子平均自由程：气体分子在两次碰撞的间隔时间里走 过的平均距离。假设某种气体分子的有效截面直径为d， 则该气体分子的平均自由程应该等于。
不同流导C1、C2、C3间可相互串联或并联，构成总流导C ——串联流导：1/C= 1/C1+ 1/C2+ 1/C3
——并联流导：C=C1+C2+C3
（就象描述气体流动的欧姆定律）
桂林电子科技大学
材料科学与工程学
1.4 真空泵的抽速
为获得真空环境，需要选用不同的真空泵，而它们的一 个主要指标是其抽速Sp，其定义为 Q Sp p ( L/s ) 式中，p为真空泵入口处的气体压力； Q为单位时间内通过的真空泵 入口的气体流量。 真空泵的抽速Sp与管路的流导 C有着相同的物理量纲，且二 者对维持系统的真空度起着同 样重要的作用
由于气体分子的运动轨迹是一条在不断碰撞的同时不断 改变方向的折线，因此，尽管它的平均运动速度很高， 但是单位时间里，其定向运动的距离却较小。
由于气体分子的平均自由程与单位体积内的气体分子数n 成反比，而压强p与n成正比，因此自由程随气体压力的 下降而增加。在真空度优于0.1Pa时，气体分子间的碰撞 几率已很小，主要是气体分子与容器壁之间的碰撞。分 子平均自由程的概念在真空和薄膜技术中有着非常重要 的作用。在薄膜材料的制备过程中，薄膜的沉积主要是 通过气体分子对衬底的碰撞过程来实现的。
Q S p Q p S p p (1
薄膜物理与技术
薄膜物理与技术Physics and Technology of Thin Films课程编号：07370110学分：2学时：30（其中：讲课学时： 30 实验学时：0 上机学时：0）先修课程：大学物理，普通化学适用专业：无机非金属材料工程（光电材料与器件）教材：《薄膜物理与技术》，杨邦朝，王文生主编，电子科技大学出版社，1994年1月第1版开课学院：材料科学与工程学院一．课程的性质与任务薄膜科学是现代材料科学中及其重要且发展非常迅速的一个分支，已成为微电子学、固体发光、光电子学等新兴交叉学科的材料基础，同时薄膜科学研究成果转化为生产力的速度愈来愈快，国内外对从事薄膜研发和生产的人才需求也日益强劲。
本门课程就是为适应学科发展，学生适应市场需求而设置的专业课程。
课程的基本任务是：1、基本掌握各种成膜技术的基本原理和方法；2、了解并初步掌握薄膜的形成、结构与缺陷，薄膜的电学、力学、半导体、磁学等物理性质。
二．课程的基本内容及要求第一章真空技术基础1、教学内容（1）真空的基本知识（2）稀薄气体的基本性质（3）真空的获得及测量2、教学要求理解真空的基本知识和稀薄气体的基本性质，掌握真空的获得、主要手段和真空度策略方法，了解实用真空系统。
第二章真空蒸发镀膜1、教学内容（1）真空蒸发原理（2）蒸发源的蒸发特性及膜厚分布（3）蒸发源的类型（4）合金及化合物的蒸发（5）膜厚和沉积速率的测量与监控2、教学要求掌握真空蒸发原理，掌握真空镀膜的特点和蒸发过程，理解饱和蒸汽压和蒸发源的发射特性，熟练掌握蒸发速率、薄膜厚度的测量和控制，了解蒸发镀膜的常用方法（电阻加热和电子束加热），了解合金膜及化合物摸的蒸镀。
第三章溅射镀膜1、教学内容（1）溅射镀膜的特点和基本原理（2）溅射镀膜的类型2、教学要求掌握溅射镀膜的基本原理和特点，理解表征溅射特性的参量及其影响因素，了解溅射机理及溅射镀膜的各种类型第四章离子镀膜1、教学内容（1）离子镀的原理和特点（2）离子轰击的作用（3）离子镀的类型2、教学要求掌握离子镀的基本原理和特点，理解离子轰击的作用，了解离子镀的类型。
薄膜物理与技术
1、为什么要真空？真空的概念？真空的用途？答：真空蒸发、溅射镀膜和离子镀膜等常称为物理气相沉积（PVD法）是基本的薄膜制作技术。
他们均要求淀积薄膜的空间要有一定的真空度。
因此，真空技术是薄膜制作技术的基础，获得并保持所需的真空环境，是镀膜的必要条件。
所谓真空是指低于一个大气压的气体空间。
同正常的大气相比，是比较稀薄的气体状态。
粗真空（105~102Pa）：真空浸渍工艺低真空（102~10-1）：真空热处理高真空（10-1~10-6）：分子按直线飞行超高真空（< 10-6）：一得到纯净的气体；二获得纯净的固体表面2、分子的三种速率答：最可几速度：平均速度：均方根速度：3、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。
利用临界温度来区分气体与液体。
高于临界温度的气态物质称为气体，低于临界温度称为蒸汽。
极限压强（极限真空）：对于任何一个真空系统而言，都不可能得到绝对真空（p=0），而是具有一定的压强Pu，称为极限压强（或极限真空），这是该系统所能达到的最低压强，是真空系统是否满足镀膜需要的重要指标之一。
4、溅射：所谓溅射，是指何能粒子轰击固体表面（靶），使固体原子（或分子）从表面射出的现象。
5、CVD（化学气相沉积）：化学气相沉积是一种化学气相生长法，简称CVD技术。
这种方法是把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物的单质气体供给基片，利用加热、等离子体、紫外光乃至激光等能源，借助气相作用或在基片表面的化学反应（热分解或化学合成）生成要求的薄膜。
6、薄膜的组织结构：是指它的结晶形态，分为四种类型：无定型结构、多晶结构、纤维结构和单晶结构。
7、薄膜的缺陷：在薄膜的生长和形成过程中各种缺陷都会进入到薄膜之中。
这些缺陷对薄膜产生重要的影响。
他们与薄膜制作工艺密切相关。
点缺陷：在基体温度低时或蒸发过程中温度的急剧变化会在薄膜中产生许多点缺陷，这些点缺陷对薄膜电阻率产生较大影响。
电子科大薄膜物理介绍
主要内容
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章
真空技术基础 物理气相沉积－－蒸发 物理气相沉积－－溅射 化学气相沉积 化学溶液沉积 薄膜生长过程和结构 薄膜材料的表征方法
课件
➢ 课件是提纲 ➢ 课本是主要内容 ➢ 讲述是重点 ➢ U盘拷贝
考试
1. 考试形式：闭卷 2. 考试内容：所有讲述内容 3. 成绩构成：
薄膜材料制备原理技术及应用唐伟忠冶金工业出版社2003薄膜物理与技术杨邦朝电子科大出版社1994薄膜科学与技术手册田民波机工版1991materialsciencethinfilmsdepositionohring世图影印版2006电子薄膜材料曲喜新科学出版社1996第一章真空技术基础第二章物理气相沉积蒸发第三章物理气相沉积溅射第四章化学气相沉积第五章化学溶液沉积第六章薄膜生长过程和结构第七章薄膜材料的表征方法考试成绩
《薄膜物理与技术》 杨邦朝， 电子科大出版社，1994
《薄膜科学与技术手册》 田民波，机工版，1991
《Material Science of Thin Films－Deposition & Structure》 M. Ohring，世图影印版，2006
《电子薄膜材料》 曲喜新，科学出版社，1996
液 相
化学镀、电镀、Sol-Gel、MOD、液相外延、水热法、喷雾热
法 解、喷雾水解、LB膜及自组装
渗
入
化合法、扩散法、离子注入法
法
1. 物理气相沉积技术(PVD)是利用热蒸发、离子溅射或辉光放电 等物理过程，在基体表面沉积所需薄膜的技术
2. 化学气相沉积技术(CVD)是利用化学反应，将气相中的物质转 移到基体表面形成所需薄膜的技术
3. 物理与化学相结合，以技术方法区分。氧化物、氮化物的制备。
薄膜真空技术PPT课件
溅射离子泵
优点 • 干净，无油污染 • 无运动部分，无振动，无噪音 • 低功耗，使用时间长 • 无断电问题
缺点 • 对惰性气体效率低 • 每隔几年需要对阴极材料进行 再生
钛升华泵
原理：
➢ 加热Ti丝使其蒸发到冷壁. ➢ Ti原子与气体反应.
优点及缺点：
➢ 工作范围 10-8-10-11 Torr ➢ 便宜，可靠，无噪音，无振动，无断
电问题 ➢ 需要再生，很难排除惰性气体和甲烷
上表可以看出每一种真空泵都有一个工作范围，目前没有任何 一种真空泵可以从大气压一直工作到接近超高真空的。
为此，必须将几种泵联合使用，如 机械泵、油扩散泵联合 的有油系统和吸附泵、溅射离子泵、钛升华泵联合的无油系统
• 扩散泵油易挥发，因此在进气口都有挡油的冷阱
吸附泵
3.51022 p
MT
➢ 液氮冷却有很大表面积的分子筛 ➢ >200 °C 烘烤除去吸附的气体 ➢ 极限真空与泵的温度相关。 ➢ 简单，无振动，便宜，无油污染 ➢ 10-3 Torr-> 10-10 Torr (可以用两个
泵交替工作) ➢ 很容易饱和多泵联合工作
是最常见的 HV/UHV泵
涡轮分子泵
优点 • 基本没有油的污染 • 启动和关闭很快
缺点 • 噪声大，有振动。 • 电磁污染。 • 比较昂贵。
油扩散泵
➢ 加热油从喷嘴喷出，气体分 子与油分子碰撞，向出气口 运动
➢ 需要水冷，前级泵
➢ 10-3 to 10-7 Torr (to 10-9 Torr， 液氮冷阱)
1、热真空计
测定因温度变化而引起灯丝电阻变化的真空计，称为皮拉尼（Pirani） 真空计 用热电偶测定温度变化引起电动势变化的真空计，称为热电偶真空计 测量范围：102～10-1 Pa
1-V-1薄膜物理与技术-第一部分序言,第一章
最可几速率：
Vm
2KT m
算术平均速率：
8KT
Va m
均方根速率：
3KT
Vr m
分布函数：f(Vr)< f(Va)< f(Vm)
但：
Vm < Va < Vr
2.平均自由程 的定义：气体两次碰撞之间所走路程的
统计平均值
Va
z
Z----每秒一个气体分子与其他分子碰撞次数 d
薄膜物理与技术
任课老师 李金钗 武汉大学
序言
本课程主要包括三部分： 一. 真空科学与技术
1. 真空的基本知识 2. 真空的获得（各种真空泵原理、结构
及应用） 3. 真空的测量原理 4. 真空系统的组成、检漏及流导的计算
二. 薄膜物理 1. 薄膜的各种制备方法及原理 2. 薄膜厚度的测量 3. 薄膜的形成机理、晶体结构、缺陷 4. 薄膜的物理性质
真空浸漆等
(2) 低真空：1×103~ 1×10-1 Pa 1016~1013 个/cm3，加电场下会电离、液体沸点大大降低
(可用于真空脱水) (3) 高真空： 1×10-1~1×10-6 Pa 高真空下蒸发出的材料分子，按直线飞行
(4) 超高真空：<1×10-6 Pa n< 1010个/cm3 不少高科技器件或材料只能在超高真空下才能获得
• 等离子体的形成、离子束的产生、注入均 需在真空条件下完成
第一部分 真空科学与技术
应用领域：
原子能技术、航天、薄膜制备、分析测试 电真空器件、微电子、轻工业、日常用品等
例：
1. 原子能技术 各种加速器（串列加速器、正负电子对撞机、慢
正电子束）
2. 航天技术： 地面模拟实验
薄膜物理与技术
太阳能电池有以下几类： 硅基太阳能电池(单晶/多晶/非晶)(24.7%) ；化合物太阳能电池(砷化镓/硫化镉/碲化镉/铜铟硒等)； 有机薄膜太阳能电池 (酞青类化合物/导电聚合物等)； 纳米薄膜太阳能电池(纳米TiO2) 。
第五章 薄膜的性质
了解薄膜的一些力、电、半导体、磁特性，及这些特性的使用价值。薄膜的力学、电学性质，及半导体、磁性、超导薄膜的特性及薄膜的应用。了解薄膜的一些力、电、半导体、磁特性，及这些特性的使用价值。 重点： 力，电性质，薄膜应用。薄膜材料以其独特的性质为促进器件微型化、集成化发挥了重要作用。薄膜制作作为一种极其重要的材料制作关键技术是现代大学本科生必须了解的基础知识。
镜面镀膜有三层：外层防污膜是防灰尘和油渍；中层防反射膜，是提高镜片光线通过率。 内层加硬膜是防止镜片磨损、刮花。
2.、太阳能薄膜技术
1973年世界爆发了第一次能源危机，使人们清醒地认识到地球上化石能源储藏及供给的有限性，客观上要求人们必须寻找其它可替代的能源技术，改变现有的以使用单一化石能源为基础的能源供给结构。为此，以美国为首的西方发达国家纷纷投入大量人力、物力和财力支持太阳电池的研究和发展，同时在以亟待解决的与化石能源燃烧有关的大气污染、温室效应等环境问题的促使下，在全世界范围内掀起了开发利用太阳能的热潮，也由此拉开了太阳电池发电的序幕。
薄膜技术与薄膜材料之所以受到人们的关注，主要基于下面几个理由：
（1）薄膜材料是典型的二维材料，即在两个尺度上较大，而在第三个尺度上很小。
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
薄膜物理与技术课件1-8
30
• 超高真空的应用
超高真空可以提供一个“原子清洁”的固体表面，可有足够 的时间对表面进行实验研究。这是一项重大的技术突破，它 导致了近二十年来新兴表面科学研究的蓬勃发展。无论在表 面结构、表面组分及表面能态等基本研究方面，还是在催化 腐蚀等应用研究方面都取得长足的发展。 超高真空可以得到超纯的或精确掺杂的镀膜或用分子束外延 生长晶体。促进了半导体器件、大规模集成电路和超导材料 等的发展，也为在实验室中制备各种纯净样品（如电子轰击 镀膜、等离子镀膜、真空剖裂等）提供了良好的基本技术。
薄膜气相沉积的三个条件：
热的气相源，冷的基板，真空环境（大部分情况）
利用真空的原因有： ①化学非活性 (non chemical activity) N2,O2 ②热导低 (low thermal conductivity)
几千度高温，真空室外不受影响；与传统钢铁行业比较。
③与气体分子之间的碰撞少 (low collision) 蒸发效率更高 ④压力低 (low pressure) 更容易蒸发。
图0-8
加速度传感器
14
MEMS＆NEMS与薄膜微加工技术
MEMS（micro electro-mechanical system,微电子机械系统） NEMS（nano electro-mechanical system,纳电子机械系统） 薄膜技术与微加工技术为二者创造了良好条件。
图0-9
高精细喷墨打印机
21
真空绝不是“完全空”，而是一种“指定空间内，低于一 个大气压的气体状态”。 气压单位—— Torr，mmHg，pa，atm，bar, mbar 1958年，Torr（托）代替mmHg，二者等价。 1971年，国际计量会议确定Pa（帕斯卡），国际单位。 1Pa＝1N/m2=7.5×10-3Torr, 1Torr=133.32Pa； 1atm＝760Torr, 1bar=105Pa。
薄膜物理与技术
薄膜物理与技术薄膜物理与技术第⼀章1、真空：低于⼀个⼤⽓压的⽓体空间。
P12、真空度与压强的关系：真空度越低，压强越⾼。
P13、1Torr = 1/760 atm =133.322Pa.（或1Pa=7.5×10-3Torr）P24、平均⾃由程：每个分⼦在连续两次碰撞之间的路程。
P55、余弦定律：碰撞于固体表⾯的分⼦，它们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θ的余弦进⾏分布。
P76、极限压强（或极限真空）：对于任何⼀个真空系统⽽⾔，都不可能得到绝对真空（p=0），⽽是具有⼀定的压强。
P77、抽⽓速率：在规定压强下单位时间所抽出⽓体的体积，它决定抽真空所需要的时间。
P78、机械泵的原理：利⽤机械⼒压缩和排除⽓体。
P89、分⼦泵的⼯作原理：靠⾼速转动的转⼦碰撞⽓体分⼦并把它驱向排⽓⼝，由前级泵抽⾛，⽽使被抽容器获得超⾼真空。
P13第⼆章1、真空蒸发镀膜的三个基本过程：P17（1）加热蒸发过程：……（2）⽓化原⼦或分⼦在蒸发源与基⽚之间的输运：……（3）蒸发原⼦或分⼦在基⽚表⾯上的淀积过程：……2、为什么真空蒸发镀膜的三个过程必须在空⽓⾮常稀薄的真空环境中进⾏？P18答：如果不是真空环境，蒸发物原⼦或分⼦将与⼤量空⽓分⼦碰撞，使膜层受到严重污染，甚⾄形成氧化物；或者蒸发源被加热氧化烧毁；或者由于空⽓分⼦的碰撞阻挡，难以形成均匀连续的薄膜。
3、饱和蒸⽓压：在⼀定温度下，真空室内蒸发物质的蒸⽓与固体或液体平衡过程中所表现出的压⼒。
P184、蒸发温度：物质在饱和蒸⽓压为10-2托时的温度。
P185、碰撞⼏率：。
P236、点蒸发源：能够从各个⽅向蒸发等量材料的微⼩球状蒸发源。
P25-27计算：公式2-28、2-337、蒸发源与基板的相对位置配置P33（1）点源与基板相对位置的配置：为了获得均匀膜厚，点源必须配置在基板所围成的球体中⼼。
（2）⼩平⾯源与基板相对位置的配置：当⼩平⾯源为球形⼯作架的⼀部分时，该⼩平⾯蒸发源蒸发时，在内球体表⾯上的膜厚分布是均匀的。
半导体薄膜技术与物理第一章
关于热电偶:(1)热电动势仅与热电偶得材料和接点温度有关
(2)中间导体定律:热电偶回路中,加入两端温度相同得中间导 体,不会影响热电动势。
18
皮拉尼真空计
热电偶真空计
19
单位时间内气体分子从加热灯丝表面传递到热真空计玻璃管得热量
nUL
Pm
Pf
exp
D0
它P必f:前须级与真机空械压泵强配合使用。
n:蒸汽分子密度
U:油蒸汽速度
L:出气口至进气口得蒸汽扩散长度
D0:=常数 14
真空室
真空室放气阀 管道 高真空阀 真空规管 水冷障板
扩散泵
加热电源
预阀 粗抽管道
低阀 前级管道 机机械械泵泵放放 气阀气阀
机机械械泵泵 马马达达电电源源
8
真空泵得种类及工作原理
1、机械泵:
组成部件:定子、转子,嵌于转子得两个旋片以及弹簧 工作原理:玻意-耳马略特定律,PV=K。
P1(V+△V)=P0V
V:真空室体积
V P1 P0 V V
V：泵内空腔体积
Pn
P0
( V
V V
)n
P0：初始压强
n PnPm（极限压强） 9
大家学习辛苦了，还是要坚持
6
1、1、4 区域划分
为了便于讨论和实际应用,常根据各压强范围内不同得物理特点 把真空划分为粗真空、低真空、高真空和超高真空四个区域。
7
1、2 真空得获得
工具——真空泵
P
Pui
i
Qi
i
/
Si
i
V Si
精编薄膜物理课件文字资料
第一章真空的基本知识§1. 真空的定义、单位和真空区域的划分1.真空的定义气体的压强低于一个标准大气压的气态空间一标准大气压：g=980.665 cm/s2\T=273 K时，760mm水银柱高所施加的压强平衡状态下，气体宏观参量的重要关系式：P=nKT P=压强(Pa)2. 真空的单位：(1)帕(Pa) 1 Pa=1 N/M2=10达因/cm2(2)乇(torr)(3)mmHg(4)µbar(微巴) or bar1 torr=1 mmHg= 133.3 Pa1 Pa= 0.75×10-2 torr = 10达因/cm21 µbar= 1 达因/cm2 = 0.1 Pa3. 真空区域的划分(1) 粗真空：1×105 Pa > P >1×103 Pa (大约10 torr)(2) 低真空：1×103~ 1×10-1 Pa(3) 高真空：1×10-1~1×10-6 Pa(4) 超高真空：<1×10-6 Pan< 1010个/cm3，不少高科技器件或材料只能在超高真空下才能获得§2.稀薄气体的基本性质1.气体的三种速率表达式最可几速率：算术平均速率：均方根速率：2.平均自由程的定义：气体两次碰撞之间所走路程的统计平均值a) 考虑到其它气体分子在运动，及气体速率有一定分布，作如下修正：§ 3. 气体的输运1. 抽真空过程中气体流动的三个过程(1) 初始阶段(气压较高、流速较大)出现湍流，起作用的是气体的惯性力(2) 气压较低时：粘滞性流动—各层速度不同，起作用的是层间相互摩擦力(3) 气压更低：分子性流动—分子间相互摩擦可忽略，流动完全有分子与器壁碰撞，即：湍流-粘滞性流动-分子性流动2. 气体量，流量及其表达式(1) 定义：气体量：气体体积×压强，即PV，单位：牛·米-2·米3=牛顿·米流量Q：单位时间流过的气体量Q=PV/t=牛·米/秒(2) 流量表达式：(长圆管道情况)a) 粘滞性流动时：第2章真空的获得§3 机械泵1. 机械泵的Pu : 5*10-4乇机械泵的用途：抽低真空；扩散泵、分子泵的前级真空泵机械泵的结构：由工作室、进气管、排气阀、油腔、气镇阀、马达构成工作室包括：定子、转子、旋片旋片装于转子上并将定子分成三部分：吸气空间；膨胀压宿空间；排气空间。
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2. 气体分子的速度分布 • 麦克斯韦速度分布函数
表示分布在速度 附近单位速度间隔内 的分子数占总分子数的比率。
气体分子速度分布
3. 三个重要速度表示
• 最可几速度 ： • 平均速度 • 均方根速度
4. 压力单位
Pressure unit
Pa
Pa
1
Bar
Atm
0.00001 9.869×10-6
Bar
100000 1
9.869×10-1
Atm
101325 1.01325 1
Torr
133.32 0.001333 1.316×10-3
Torr 7.501×10-3 7.501×102 760 1
vacuum-bottle, 真空瓶，真空干燥器，真空注入，溅射，LPCVD
高真空 10-1－10-6Pa :蒸发，离子源 超高真空 ＜10-6Pa ：表面分析，粒子物理
§1-2 稀薄气体的基本性质
1. 理想气体状态方程
低压状态下，可用理想气体的状态方程 （波义尔定律、盖·吕萨克定律、查理定律） 来描述，遵守麦克斯韦——玻尔兹曼分布。
SYMBOL
N2 O2 Ar CO2 Ne He Kr H2 Xe H2O
PERCENT BY VOLUME
78 21 0.93 0.03 0.0018 0.0005 0.0001 0.00005 0.0000087 Variable
PARTIAL PRESSURE
TORR
PASCAL
593 158 7.1 0.25 1.4 x 10-2 4.0 x 10-3 8.7 x 10-4 4.0 x 10-4 6.6 x 10-5 5 to 50
Relative Pressure
Absolute Pressure
用“真空度”及“压强”两个参量来衡量真 空的程度
帕斯卡（Pascal）=1牛/米2，国际单位制 托（Torr）=133.322Pa=1/760atm单位，描 述真空的独特单位
此外，mmHg、atm、bar等。
5. 为什么需要真空?
第一章 真空技术基础
主要内容
1. 稀薄气体基本性质 2. 真空的获得 3. 真空的测量
§1-1 气体与真空
空气作为一种气体， 由气体分子组成（可 以想象为弹性小球）。 气体分子沿直线运动， 直到与邻近分子或者 器壁发生碰撞为止。
1. 气体、蒸汽 ?
取决于压力增加时是否能够凝聚成为液体。 例如：200oC 时水为蒸汽，但是在 500oC, 水就是气体。 当压力较低时，气体和蒸汽特性相同。
6.6 x 10 -4 10 -24
气体的饱和蒸汽压
部分固体的饱和蒸汽压
3. 真空
定义
真空：低于{一个大气压U当地大气压｝的气体状态 “相对真空”，“绝对真空”? 特点：压强(Pressure)低，分子稀薄，
分子的平均自由程长。
电学特性
输运特性
真空的性质由压强、单位体积分子个数、气体密度等 表示
cm
分子密度与平均自由程
101325 Pa(atm)
#
3 x 10 19
/cm3 (30 million trillion)
MFP
2.5 x 10-6 in 6.4 x 10-5 mm
0.1 Pa
4 x 10 13 (40 trillion)
2 inches 5.1 cm
1 x 10-7 Pa
4 x 10 7 (40 million)
2. 气压
➢ P = F / A=nMvrms2/3NA
➢ 气压来源于气体分子对 器壁的不断碰撞。
➢ 气体分压
空气是多种气体混合物
PARTIAL PRESSURES OF GASES CORRESPOND TO THEIR RELATIVE VOLUMES
GAS
氮气 氧气 氩气 二氧化碳 氖气 氦气 氪气 氢气 氙气 水
过渡流: 介于两者之间。
分子流: 分子间距大；分子与器壁碰撞占主导； 通过无定向运动进行；一般压力小于 10-3 mbar
克努森数
平均自由程 黏滞流: 特征长度
小于 0.01
平均自由程 过渡流: 特征长度 [0.01,1]
平均自由程 分子流: 特征长度
79,000 21,000
940 33 1.8 5.3 x 10-1 1.1 x 10-1 5.1 x 10-2 8.7 x 10-3 665 to 6650
水的饱和蒸汽压
T (O C) 100 25 0 -40 -78.5 -196
(沸点)
(冰点)
(干冰) (液氮)
P (mbar) 1013 32 6.4 0.13
31 miles 50 km
碰撞几率
气体分子运动 X 的距离以后，彼此间碰撞的几率。
★误区： f 与λ成反比。 x= λ ,f＝63% x= 0.1λ,f＝9%
5. 分子通量与余弦散射律
（1）分子通量F（入射频率n）：单位时间 单位面积的器壁上碰撞的气体分子数
（克努森方程）
＝2.64×1020P/(MT)0.5（molecules/cm2s） P: pascal M: g T: K
最大时的速度
4.平均自由程 MEAN FREE PATH 定义：每个分子在连续两次碰撞之间所运 动的平均路程
其中:n—气体分子密度 ，标准状态 n≈3*1019
d —分子直径, 几个Å
• 代入理想气体状态方程
得: kT 2d 2P
对于25℃空气
Is λ propotional to T?
1. 需要粒子在较长的距离做直线运动。
5. 为什么需要真空?
2. 提供一个洁净的表面（供
洁净表面
6. 真空的划分
粗真空 105－102Pa : 目的是获得压差
真空吸尘器，真空过滤器，CVD
低真空 102－10-1Pa:气体分子运动特征改 变，电场下具有导电特征
（2）气体分子从固体表面的反射几率
A.反射几率与入射方向无关，仅按余弦定律散射 B.揭示散射的本质是个再发射过程，即气体将停留 在固体表面一小段时间以交换能量（吸附）。
6. 气体的流动
黏滞流 (分子间动量传递)
分子流 (分子独立运动)
流体机制
黏滞流: 分子间距小；分子间碰撞占主导； 通过动量传递进行流动；一般压力大于0.1 mbar