第1章薄膜技术的真空技术基础共49页
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内容提要
1 气体分子运动论的基本概念 2 真空获得的手段 3 真空度的测量
桂林电子科技大学
材料科学与工程学院
引言
❖问题
❖1、是不是所有薄膜制备方 法都需要在真空环境下？
❖2、为什么在薄膜制备的过 程中需要在真空环境？或者 说真空环境在薄膜制备过程 中的作用是什么？
桂林电子科技大学
材料科学与工程学
引言
❖ 曾存在两种不同的说法：一是真空就是“真的空了”， 就是“什么也不存在的空间”。但目前即使用最先进的 真空制备手段所能达到的最高真空度1*10-11Pa，每立方 厘米体积中仍有3000个气体分子。因此它除了理论研究 外，并无多大实际意义；
❖ 另一种说法是“就真空使用者的目的而论的，只要该空 间的气体可以忽略不计，就可以认为是真空了。”
❖ 问题1：薄膜技术与真空技术的关系
❖ 薄膜材料的制备过程是:
❖
atom by atom
❖
❖ 几乎所有的现代薄膜材料都是在真空或是在较低的气体 压力下制备的。
❖ 例外：比如sol-gel技术，丝网印刷技术
❖ 问题2:真空在薄膜制备过程中的作用： ❖ （1）减少蒸发分子与残余气体分子的碰撞； ❖ （2）抑制它们之间的反应；
❖ 一般说来，工业上利用真空有下述几条理由：①化学 非活性；②热导低；③与气体分子之间的碰撞少；④ 压力低。通过本章的学习，可以了解真空环境对于薄 膜气相沉积的必要性，并为真空获得、真空测量及真 空应用等建立必要的理论基础。
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材料科学与工程学
2.1 真空的Fra Baidu bibliotek本知识
❖1 真空的定义
❖ 真空泛指低于一个大气压的气体状态。与普通的大气压 状态相比，分子密度较为稀薄，从而气体分子与气体分 子，气体分子与器壁之间的碰撞几率要低些。
❖ 为了获得真空至少需要
能降低压强的设备——真空泵
能盛放特定空间的装置——真空容器
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
❖2 真空度的术语描述 ❖分子密度：如用阿伏加德罗数（在1 ℃和1大气压下，
22.4L的空间中有6*1023个气体分子，在1*10-8Pa压强下， 1cm3中有355万个气体分子，相当于北京市人口的1/4。
❖ 平均自由程：（气体分子人一次碰撞到下一次碰撞所
飞距离的统计平均值）在1*10-8Pa压强下，25 ℃的空气， 其平均自由程为509km，相当于北京到大连或北京到青岛 间的距离，这就好比从北京到大连或北京到青岛的飞行 过程中一次也不碰撞。
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材料科学与工程学
1.1 真空的基本知识
❖2 真空度的术语描述 ❖ 入射频率：（单位时间碰撞（入射）到单位面积上的分
子数）在1*10-8Pa压强下，25 ℃的空气，每1cm3的表面， 平均每秒多到380亿次气体分子的碰撞。要是这些气体分 子整齐地排列于固体表面，大约需要3个小时。
❖ 1cm3中的气体分子尽管超过350万个，而来回自 由飞行的距离却大于500km，矛盾否？
❖ 这些气体分子非常小，直径只有一亿分之四厘米，
❖ 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。
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材料科学与工程学
引言
❖ 薄膜的气相沉积一般需要三个基本条件：热的气相源、 冷的基板和真空环境。
❖ 在寒冷的冬天，窗玻璃上往往结霜；人们乍一进入温 暖的房间，眼镜片上会结露。不妨将上述“霜”和 “露”看作气相沉积的“膜”，则火炉上沸腾水壶中 冒出的蒸汽则是“热的气相源”，冰冷的窗玻璃和眼 镜片则是“冷的基板”。那么，为什么真空环境也是 薄膜气相沉积的必要条件呢？
（0.4nm）,但运动速度极快（大约为步枪子弹的出口速
度）
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材料科学与工程学
1.1 真空的基本知识
❖3 真空度量单位
❖ 在真空技术中，常用“真空度”习惯用语和“压强”物理量表 示真空程度，通常说成“某空间的真空度为多大的压强”。某 空间的压强越低意味着真空度越高，反之，压强高的空间则真 空度低。气体分子密度、气体分子的平均自由程、形成一个分 子层所需要的时间等也可以用来表示真空度。
1
nd 2
(1-1)
❖ 因此，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。在常温常压的条件下，气体分子的平均自由 程是极短的。例如，在此条件下，空气分子的有效截面 直径d ≈ 0.5nm,平均自由程λ ≈50nm。
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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
单位
帕/Pa
托/Torr 毫巴/mba 标准大气压
1Pa 1Torr 1mba 1atm
1 133.3 100 1.013 × 105
7.5×10-3 1
0.75 760
1× 10-2 1.333 1
1.013 ×103
9.87× 10-6 1.316 ×10-3 9.87× 10-4
1
❖ 工程常用的换算：1atm=760Torr=1033mbar=1013*102Pa
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1.1 真空的基本知识
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1.1 真空的基本知识
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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。
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材料科学与工程学
1.1 真空的基本知识
❖ 按上述第二种说法，比如炮弹在高于大气压的空间飞行 是没有问题的，因此可以将高于大气压的空间看作是真 空，而对于表面研究，10-8Pa才称得上是真空。
❖ 宇宙空间所存在的“自然真空”；利用真空泵抽取所得 的“人为真空”。绝对真空：完全没有气体的空间状态。
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1.1 真空的基本知识
❖4 真空区域划分
❖ 迄今为止，采用最高超的真空技术所能达到的最低压力状态大 致为10-12Pa，大气压大约为105Pa,因此17个数量级的广阔的压 力范围均在真空技术所涉及的范畴之内。
不同真空区域的物理特性
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1.1 真空的基本知识
1 气体分子运动论的基本概念 2 真空获得的手段 3 真空度的测量
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引言
❖问题
❖1、是不是所有薄膜制备方 法都需要在真空环境下？
❖2、为什么在薄膜制备的过 程中需要在真空环境？或者 说真空环境在薄膜制备过程 中的作用是什么？
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材料科学与工程学
引言
❖ 曾存在两种不同的说法：一是真空就是“真的空了”， 就是“什么也不存在的空间”。但目前即使用最先进的 真空制备手段所能达到的最高真空度1*10-11Pa，每立方 厘米体积中仍有3000个气体分子。因此它除了理论研究 外，并无多大实际意义；
❖ 另一种说法是“就真空使用者的目的而论的，只要该空 间的气体可以忽略不计，就可以认为是真空了。”
❖ 问题1：薄膜技术与真空技术的关系
❖ 薄膜材料的制备过程是:
❖
atom by atom
❖
❖ 几乎所有的现代薄膜材料都是在真空或是在较低的气体 压力下制备的。
❖ 例外：比如sol-gel技术，丝网印刷技术
❖ 问题2:真空在薄膜制备过程中的作用： ❖ （1）减少蒸发分子与残余气体分子的碰撞； ❖ （2）抑制它们之间的反应；
❖ 一般说来，工业上利用真空有下述几条理由：①化学 非活性；②热导低；③与气体分子之间的碰撞少；④ 压力低。通过本章的学习，可以了解真空环境对于薄 膜气相沉积的必要性，并为真空获得、真空测量及真 空应用等建立必要的理论基础。
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材料科学与工程学
2.1 真空的Fra Baidu bibliotek本知识
❖1 真空的定义
❖ 真空泛指低于一个大气压的气体状态。与普通的大气压 状态相比，分子密度较为稀薄，从而气体分子与气体分 子，气体分子与器壁之间的碰撞几率要低些。
❖ 为了获得真空至少需要
能降低压强的设备——真空泵
能盛放特定空间的装置——真空容器
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
❖2 真空度的术语描述 ❖分子密度：如用阿伏加德罗数（在1 ℃和1大气压下，
22.4L的空间中有6*1023个气体分子，在1*10-8Pa压强下， 1cm3中有355万个气体分子，相当于北京市人口的1/4。
❖ 平均自由程：（气体分子人一次碰撞到下一次碰撞所
飞距离的统计平均值）在1*10-8Pa压强下，25 ℃的空气， 其平均自由程为509km，相当于北京到大连或北京到青岛 间的距离，这就好比从北京到大连或北京到青岛的飞行 过程中一次也不碰撞。
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材料科学与工程学
1.1 真空的基本知识
❖2 真空度的术语描述 ❖ 入射频率：（单位时间碰撞（入射）到单位面积上的分
子数）在1*10-8Pa压强下，25 ℃的空气，每1cm3的表面， 平均每秒多到380亿次气体分子的碰撞。要是这些气体分 子整齐地排列于固体表面，大约需要3个小时。
❖ 1cm3中的气体分子尽管超过350万个，而来回自 由飞行的距离却大于500km，矛盾否？
❖ 这些气体分子非常小，直径只有一亿分之四厘米，
❖ 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。
桂林电子科技大学
材料科学与工程学
引言
❖ 薄膜的气相沉积一般需要三个基本条件：热的气相源、 冷的基板和真空环境。
❖ 在寒冷的冬天，窗玻璃上往往结霜；人们乍一进入温 暖的房间，眼镜片上会结露。不妨将上述“霜”和 “露”看作气相沉积的“膜”，则火炉上沸腾水壶中 冒出的蒸汽则是“热的气相源”，冰冷的窗玻璃和眼 镜片则是“冷的基板”。那么，为什么真空环境也是 薄膜气相沉积的必要条件呢？
（0.4nm）,但运动速度极快（大约为步枪子弹的出口速
度）
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材料科学与工程学
1.1 真空的基本知识
❖3 真空度量单位
❖ 在真空技术中，常用“真空度”习惯用语和“压强”物理量表 示真空程度，通常说成“某空间的真空度为多大的压强”。某 空间的压强越低意味着真空度越高，反之，压强高的空间则真 空度低。气体分子密度、气体分子的平均自由程、形成一个分 子层所需要的时间等也可以用来表示真空度。
1
nd 2
(1-1)
❖ 因此，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。在常温常压的条件下，气体分子的平均自由 程是极短的。例如，在此条件下，空气分子的有效截面 直径d ≈ 0.5nm,平均自由程λ ≈50nm。
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1.2 真空的表征
❖1 气体分子的平均自由程
单位
帕/Pa
托/Torr 毫巴/mba 标准大气压
1Pa 1Torr 1mba 1atm
1 133.3 100 1.013 × 105
7.5×10-3 1
0.75 760
1× 10-2 1.333 1
1.013 ×103
9.87× 10-6 1.316 ×10-3 9.87× 10-4
1
❖ 工程常用的换算：1atm=760Torr=1033mbar=1013*102Pa
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1.1 真空的基本知识
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1.1 真空的基本知识
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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。
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
❖ 按上述第二种说法，比如炮弹在高于大气压的空间飞行 是没有问题的，因此可以将高于大气压的空间看作是真 空，而对于表面研究，10-8Pa才称得上是真空。
❖ 宇宙空间所存在的“自然真空”；利用真空泵抽取所得 的“人为真空”。绝对真空：完全没有气体的空间状态。
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1.1 真空的基本知识
❖4 真空区域划分
❖ 迄今为止，采用最高超的真空技术所能达到的最低压力状态大 致为10-12Pa，大气压大约为105Pa,因此17个数量级的广阔的压 力范围均在真空技术所涉及的范畴之内。
不同真空区域的物理特性
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1.1 真空的基本知识