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1、第二章第二章 真空技术基础真空技术基础2.1 2.1 气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本概念2.2 2.2 真空的基本知识真空的基本知识2.3 2.3 真空的获得真空的获得2.4 2.4 真空的测量真空的测量1n1643年，意大利物理学家托里折利演示了年，意大利物理学家托里折利演示了著名的大气压实验，为人类揭示了著名的大气压实验，为人类揭示了“真空真空”这个物理状态的存在。这个物理状态的存在。n20世纪初，真空技术获得了飞速发展，被世纪初，真空技术获得了飞速发展，被广泛应用于军事及民用领域。广泛应用于军事及民用领域。n真空技术是制备薄膜的基础真空技术是制备薄膜的基础。几乎所有薄。几乎
2、所有薄膜材料的制备都是在真空或较低气压条件膜材料的制备都是在真空或较低气压条件下进行的。下进行的。概概 述述2宇宙空间所存在宇宙空间所存在的真空。的真空。真空真空自然真空自然真空人为真空人为真空人们用真空泵抽调容器中人们用真空泵抽调容器中的气体所获得的气体所获得的真空。的真空。3 真空的定义：真空的定义：在给定空间内，气体压强低在给定空间内，气体压强低于一个大气压的气体状态。于一个大气压的气体状态。绝对真空：绝对真空：完全没有气体的空间状态。完全没有气体的空间状态。一般意义上的一般意义上的“真空真空”并不是指并不是指“什么物质也什么物质也不存在不存在”。相对真相对真空状态空状态目前，即使采用最
3、先进的目前，即使采用最先进的真空制备手段所能达到的真空制备手段所能达到的最低压强下，仍存在几百最低压强下，仍存在几百个气体分子个气体分子/cm3。真空程度：真空程度：真空度，压强。真空度，压强。压强越低，真空度越高。反之，压强高的空压强越低，真空度越高。反之，压强高的空间真空度低。间真空度低。4真空的基本知识真空的基本知识P：压强（压强（Pa）n：气体分子密度（个气体分子密度（个/m3）V：体积（：体积（m3）m：气体质量（：气体质量（kg）M：气体分子量（：气体分子量（kg/mol）T：绝对温度（绝对温度（K）k：玻尔兹曼常数（玻尔兹曼常数（1.38 10-23J/K）R：气体普适常数（：气
4、体普适常数（8.314J/Kmol）5真空的基本知识真空的基本知识n=7.21022 P/T (个个m3)在标准状态下，任何气体分子密度为在标准状态下，任何气体分子密度为1019 个个cm3 当当 P=1.3 10-11 Pa 的真空度时，的真空度时，T=293 K 则则 n=4 103个个cm3(NA：阿伏伽德罗常数：阿伏伽德罗常数)6真空度真空度 压强压强气体分子密度：单位体积中气体气体分子密度：单位体积中气体分子数分子数气体分子的平均自由程气体分子的平均自由程形成一个分子层所需的时间等形成一个分子层所需的时间等 怎样表示真空程度？怎样表示真空程度？7 真空度的单位真空度的单位n毫米汞柱毫
5、米汞柱（mmHg）：）：使用最早、最广泛的使用最早、最广泛的压强单位，它是通过直接度量长度来获得压强单位，它是通过直接度量长度来获得真空的大小。真空的大小。n托托（Torr）：）：在标准状态下，在标准状态下，1 1毫米汞柱对毫米汞柱对单位面积上的压力，单位面积上的压力，1Torr=1mmHg。n1971年，国际计量会议正式确定年，国际计量会议正式确定“帕斯卡帕斯卡”作为气体压强的国际单位，作为气体压强的国际单位，1Pa=1N/m2 7.5 10-3Torr。89粗真空（粗真空（Pa）1 105 1 102低真空（低真空（Pa）1 102 1 10-1高真空（高真空（Pa）1 10-11 10-
6、6超高真空（超高真空（Pa）1 10-6真空区域的划分真空区域的划分10气体与蒸气气体与蒸气 临界温度：临界温度：对于每种气体都有一个特定的温度，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，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。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温度高于临界温度的气态物质称为气体温度低于临界温度的气态物质称为蒸气温度低于临界温度的气态物质称为蒸气但通常以室温为标准来区分气体和蒸气但通常以室温为标准来区分气体和蒸气气体与蒸气的区分依赖于临界温度气体与蒸气的区分依赖于临界温度11各种物质的
7、临界温度各种物质的临界温度物物质质临临界温度界温度()物物质质临临界温度界温度氮氮(N2)-267.8氩氩(Ar)-12.4氢氢(H2)-241.0氧氧(O2)-118.0氖氖(Ne)-228.0氪氪(Kr)-62.5空气空气-140.0氙氙(Xe)14.7乙乙醚醚 194.0二氧化碳二氧化碳(CO2)31.0氨氨(NH3)132.4铁铁(Fe)3700.0酒精酒精 243.0甲甲烷烷(CH4)-82.5水水(H2O)374.2氯氯(Cl2)144汞汞(Hg)1450.0一氧化碳一氧化碳(CO)-140.2氮、氢、氩、氧和空气等物质的临界温度远低于室温，所以常温下它们是气体；氮、氢、氩、氧和空
8、气等物质的临界温度远低于室温，所以常温下它们是气体；水蒸气、有机物质和气态金属的临界温度远高于室温，所以常温下它们是蒸气。水蒸气、有机物质和气态金属的临界温度远高于室温，所以常温下它们是蒸气。122.1 2.1 气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本概念一、气体分子的运动速度及其分布一、气体分子的运动速度及其分布n气体分子运动论的理论：气体分子运动论的理论：气体的大量分气体的大量分子每时每刻都处于无规则的热运动之中，子每时每刻都处于无规则的热运动之中，其平均运动速度取决于气体所具有的温其平均运动速度取决于气体所具有的温度。同时，在气体分子之间以及气体分度。同时，在气体分子之间以及气体分子
9、与容器壁之间，发生着不断的碰撞过子与容器壁之间，发生着不断的碰撞过程。这种碰撞过程的结果之一是使气体程。这种碰撞过程的结果之一是使气体分子的速度服从一定的统计分布。分子的速度服从一定的统计分布。13 理想气体理想气体n对于实际气体的性质进行适当简化后提对于实际气体的性质进行适当简化后提出的一种模型。气体分子之间除了碰撞出的一种模型。气体分子之间除了碰撞的瞬间之外，完全不存在相互作用，既的瞬间之外，完全不存在相互作用，既它们可以被看作是相互独立的许多硬球。它们可以被看作是相互独立的许多硬球。且这些气体分子硬球的半径远远小于球且这些气体分子硬球的半径远远小于球与球之间的距离。与球之间的距离。n在一
10、般温度和压力下，所有气体都可以在一般温度和压力下，所有气体都可以被看作是理想气体。被看作是理想气体。14 麦麦克斯韦尔克斯韦尔-玻耳兹曼玻耳兹曼（Maxwell-Boltzmann）分布分布 M为气体分子的相对原子质量；为气体分子的相对原子质量；T为热力为热力学温度；学温度；R为气体常数。为气体常数。n n气体分子的速度取决于分子的相对原子质气体分子的速度取决于分子的相对原子质量与气体热力学温度的比值。量与气体热力学温度的比值。气体分子的运动速度气体分子的运动速度15n气体分子的速度具有很大的分布区间。气体分子的速度具有很大的分布区间。n温度越高、气体分子的相对原子质量越小，分子的温度越高、气
11、体分子的相对原子质量越小，分子的平均运动速度越大。平均运动速度越大。16n不同种类气体分子的平均运动速度只与不同种类气体分子的平均运动速度只与T/M的平方根成正比。的平方根成正比。n在常温条件下，在常温条件下，一般气体分子的运动速度一般气体分子的运动速度是很高的。是很高的。T=300K，空气分子的平均运空气分子的平均运动速度动速度va 460m/s。气体分子的平均运动速度气体分子的平均运动速度17 气体的压力和气体的压力和气体分子的平均自由程气体分子的平均自由程n气体的压力：气体的压力：气体分子与容器器壁的不气体分子与容器器壁的不断碰撞对外表现为气体具有一定的压力。断碰撞对外表现为气体具有一定
12、的压力。n理想气体的压力理想气体的压力p与与气体的热力学温度气体的热力学温度成正比：成正比：理想气体状态方程理想气体状态方程n为单位体积内的分子数；为单位体积内的分子数；NA为阿为阿伏伽德罗常数；伏伽德罗常数；n/NA等于单位体积等于单位体积内气体分子的摩尔数。内气体分子的摩尔数。18n分子平均自由程：分子平均自由程：气体分子在两次碰撞气体分子在两次碰撞的间隔时间里走过的平均距离。的间隔时间里走过的平均距离。n假设某种气体分子的有效截面直径为假设某种气体分子的有效截面直径为d，则该，则该气体分子的平均自由程等于气体分子的平均自由程等于气体分子的平均自由程与气体分子的密度气体分子的平均自由程与气
13、体分子的密度n成成反比。反比。常温、常压条件下，空气分子的有效截面直常温、常压条件下，空气分子的有效截面直径径d 0.5nm，此时，其平均自由程此时，其平均自由程 50nm。19n平均碰撞频率平均碰撞频率：va/n常温、常压条件下，每个空气分子每秒常温、常压条件下，每个空气分子每秒中内要经历中内要经历1010次碰撞。气体分子的运次碰撞。气体分子的运动轨迹并不是一条直线，而是一条不断动轨迹并不是一条直线，而是一条不断碰撞的同时不断改变方向的折线。碰撞的同时不断改变方向的折线。n在气体压力低于在气体压力低于0.1Pa时，气体分子之间时，气体分子之间的碰撞几率很小，气体分子的碰撞主要的碰撞几率很小，
14、气体分子的碰撞主要是与容器器壁之间的碰撞。是与容器器壁之间的碰撞。20碰撞次数与余弦定律碰撞次数与余弦定律入射频率：入射频率：单位时间内，在单位面积的器壁上发生碰撞的单位时间内，在单位面积的器壁上发生碰撞的 分子数，用分子数，用v v表示表示n n：气体分子的密度气体分子的密度v va a：气体分子的平均速度：气体分子的平均速度 上述公式称为赫兹上述公式称为赫兹-克努森克努森 (Hertz-Knudsen)Hertz-Knudsen)公式，它是描述气体公式，它是描述气体分子热运动的重要公式。分子热运动的重要公式。21气体分子从表面的反射余弦定律气体分子从表面的反射余弦定律 碰撞于固体表面的分子
15、，它们飞离表面的方向与原入射方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向无关，并按与表面法线方向所成角度的余弦进行分布。的余弦进行分布。则一个分子在离开其表面时，处于立体角则一个分子在离开其表面时，处于立体角d d(与表面法线与表面法线成成角角)中的几率是：中的几率是：式中：式中：1 1/是归一化条件，即位于是归一化条件，即位于2 2立体角中的几立体角中的几率为率为1 1而出现的。而出现的。22余弦定律的重要意义在于：余弦定律的重要意义在于：（1）它揭示了固体表面对气体分子作用的另一个它揭示了固体表面对气体分子作用的另一个方面，即将分子原有的方向性彻
16、底方面，即将分子原有的方向性彻底“消除消除”，均，均按余弦定律散射。按余弦定律散射。（2 2）分子在固体表面要停留一定的时间，这是气分子在固体表面要停留一定的时间，这是气体分子能够与固体进行能量交换和动量交换的先体分子能够与固体进行能量交换和动量交换的先决条件，这一点有重要的实际意义。决条件，这一点有重要的实际意义。23n定义定义：气体分子对于单位面积表面的碰：气体分子对于单位面积表面的碰撞频率，即单位面积上气体分子的通量。撞频率，即单位面积上气体分子的通量。n单位时间内，单位面积表面受到气体分单位时间内，单位面积表面受到气体分子的碰撞次数：子的碰撞次数：n薄膜的沉积速度正比于气体分子的通量。
17、薄膜的沉积速度正比于气体分子的通量。气体分子的通量气体分子的通量克努克努森（森（Knudsen）方程方程24固体材料与气体的界面固体材料与气体的界面n实际表面：实际表面：暴露于大气环境中的固体表暴露于大气环境中的固体表面，或经切割、研磨、抛光、清洗等加面，或经切割、研磨、抛光、清洗等加工处理，保持在常温、常压或低真空，工处理，保持在常温、常压或低真空，或高温下的表面。或高温下的表面。n清洁表面：清洁表面：不存在任何污染的化学纯表不存在任何污染的化学纯表面，经过如轰击、高温脱附、超高真空面，经过如轰击、高温脱附、超高真空条件下的解理等特殊处理后，保持在条件下的解理等特殊处理后，保持在1010-9
18、-91010-6-6PaPa超高真空下，外来污染少到不能超高真空下，外来污染少到不能用一般表面分析方法探测的表面。用一般表面分析方法探测的表面。25在在高真空环境中，清洁表面被环境中高真空环境中，清洁表面被环境中的气体分子污染所需要的时间的气体分子污染所需要的时间nN为表面的原子密度。为表面的原子密度。n常温、常压条件下，清洁表面被杂质完全覆盖所需常温、常压条件下，清洁表面被杂质完全覆盖所需要的时间约要的时间约3.5 10-9s。n在在10-8Pa的高真空中，时间延长至的高真空中，时间延长至10h。说明在薄膜说明在薄膜制备技术中获得和保持适当的真空环境是极其重要制备技术中获得和保持适当的真空环
19、境是极其重要的。的。假设每一个向清洁假设每一个向清洁表面运动来的气体表面运动来的气体分子都是杂质，而分子都是杂质，而每个杂质分子都被每个杂质分子都被该表面捕获。该表面捕获。262.2 2.2 真空的基本知识真空的基本知识27真空区域的划分真空区域的划分粗真空粗真空（Pa）低真空低真空（Pa）高真空高真空（Pa）超高真空超高真空（Pa）1 105 1 1021 102 1 10-11 10-11 10-61 10-6气体分子运动性质：气体分子运动性质：n粗真空下，气态空间近似为大气状态，分子仍以热运动为粗真空下，气态空间近似为大气状态，分子仍以热运动为主，分子之间碰撞十分频繁；主，分子之间碰撞十
20、分频繁；n低真空是气体分子的流动逐渐从黏滞流状态向分子状态过低真空是气体分子的流动逐渐从黏滞流状态向分子状态过渡，此时分子之间和分子与器壁之间的碰撞次数差不多；渡，此时分子之间和分子与器壁之间的碰撞次数差不多；n高真空时气体分子的流动已为分子流，气体分子与容器器高真空时气体分子的流动已为分子流，气体分子与容器器壁之间的碰撞为主，碰撞次数大大减少，在高真空下蒸发壁之间的碰撞为主，碰撞次数大大减少，在高真空下蒸发的材料，粒子将沿直线飞行；的材料，粒子将沿直线飞行；n超高真空时，气体分子数更少，几乎不存在分子间的碰撞，超高真空时，气体分子数更少，几乎不存在分子间的碰撞，分子与器壁的碰撞机会更少。分子
21、与器壁的碰撞机会更少。28n真空蒸发法真空蒸发法 沉积薄膜所需要的真空度沉积薄膜所需要的真空度属于高真空和超高真空（属于高真空和超高真空（1 10-3Pa）。）。n溅射沉积溅射沉积技术和技术和低压化学气相沉积低压化学气相沉积技术技术需要的真空度分别为中、高真空范围（需要的真空度分别为中、高真空范围（10-210Pa）和中、低真空范围（和中、低真空范围（10100Pa）。）。n电子显微分析电子显微分析 技术需要维持的分析环技术需要维持的分析环境一般属于高真空范围，而各种材料表境一般属于高真空范围，而各种材料表面分析技术需要超高真空系统。面分析技术需要超高真空系统。29气体的流动状态气体的流动状态
22、n为了更好地获得和利用真空环境，需要为了更好地获得和利用真空环境，需要对气体的流动状态有简单的了解。对气体的流动状态有简单的了解。n在空间中存在压力差的情况下，气体作在空间中存在压力差的情况下，气体作为一个整体会发生宏观的定向流动。气为一个整体会发生宏观的定向流动。气体的流动状态根据气体容器的几何尺寸，体的流动状态根据气体容器的几何尺寸，气体的压力、温度以及气体的种类不同气体的压力、温度以及气体的种类不同而存在很大的差别。而存在很大的差别。30 气体的流动状态气体的流动状态n气体的分子流状态：气体的分子流状态：在高真空环境中，在高真空环境中，气体分子除了与容器器壁发生碰撞以外，气体分子除了与容
23、器器壁发生碰撞以外，几乎不发生气体分子间的碰撞过程。几乎不发生气体分子间的碰撞过程。n特点：气体分子的平均自由程大于气体特点：气体分子的平均自由程大于气体容器的尺寸或与其相当。容器的尺寸或与其相当。n高真空薄膜蒸发沉积系统或各种材料的高真空薄膜蒸发沉积系统或各种材料的表面分析仪器工作在分子流的状态下。表面分析仪器工作在分子流的状态下。31n气体的黏滞流状态：气体的黏滞流状态：气体压力较高时，气体压力较高时，气体分子的平均自由程较短，气体分子气体分子的平均自由程较短，气体分子间的相互碰撞较为频繁。间的相互碰撞较为频繁。n化学气相沉积系统一般工作在气体的黏化学气相沉积系统一般工作在气体的黏滞流状态
24、下。滞流状态下。气体的流动状态气体的流动状态32 克努森（克努森（Knudsen）准数准数Kn气体容器的尺寸气体容器的尺寸气体分子的平均自由程气体分子的平均自由程分子流状态分子流状态 Kn110两种气体流两种气体流动状态间的动状态间的界线界线33在低在低流速情况流速情况下，黏滞态气下，黏滞态气流处于层流状流处于层流状态。态。在流速较高时，在流速较高时，变为紊乱状态。变为紊乱状态。3435 雷诺（雷诺（Reynolds）准数）准数Rend为容器的特征尺寸（管路直径）；为容器的特征尺寸（管路直径）；v、分别是气体的流速、密度和动力学黏度分别是气体的流速、密度和动力学黏度系数。系数。nRe2200
25、紊流状态紊流状态n2200 Re1200 紊流或层流态紊流或层流态nRe氧气、水蒸汽或氮气氧气、水蒸汽或氮气氩气。氩气。n溅射离子泵与低温吸附泵有吸附气体分溅射离子泵与低温吸附泵有吸附气体分子的相似之处。不同点：溅射离子泵所子的相似之处。不同点：溅射离子泵所抽取的气体分子不会在高温下再被释放抽取的气体分子不会在高温下再被释放出来。出来。Ti电极的不断溅射使得离子泵的电极的不断溅射使得离子泵的寿命具有一定限度。寿命具有一定限度。55n绝对真空计：绝对真空计：通过测定物理参数直接通过测定物理参数直接获得气体压强的真空计，如获得气体压强的真空计，如U型压力计、型压力计、压缩式真空计。它们所测量的物理
26、参压缩式真空计。它们所测量的物理参数与气体成分无关，测量准确。数与气体成分无关，测量准确。n相对真空计：相对真空计：通过测量与压强有关的通过测量与压强有关的物理量，并与绝对真空计比较后得到物理量，并与绝对真空计比较后得到压强值，如放电真空计、热传导真空压强值，如放电真空计、热传导真空计、电离真空计等，测量准确度略差，计、电离真空计等，测量准确度略差，且和气体种类有关。且和气体种类有关。2.4 2.4 真空的测量真空的测量56 电阻真空电阻真空计计n是是热传导真空计的一种，热传导真空计的一种，利用测量真空中热丝的利用测量真空中热丝的温度，间接获得真空度温度，间接获得真空度的大小。的大小。n原理：
27、低压强下气体的原理：低压强下气体的热传导与压强有关。真热传导与压强有关。真空室的压强和灯丝电阻空室的压强和灯丝电阻之间存在的关系：之间存在的关系：P R。n测量范围：测量范围：10510-2Pa。校准曲线都是针对干燥校准曲线都是针对干燥的氮气或空气。的氮气或空气。57 热热偶偶真空计真空计n以气体的热传导随气体压力的变化为基以气体的热传导随气体压力的变化为基础。是低真空时最常用的测量手段。础。是低真空时最常用的测量手段。n原理：在热偶真空规中，在作为热丝的原理：在热偶真空规中，在作为热丝的铂丝中通过恒定强度的电流，达到热平铂丝中通过恒定强度的电流，达到热平衡后，电流提供的加热功率与通过空间衡后
28、，电流提供的加热功率与通过空间热辐射、金属丝热传导以及气体分子热热辐射、金属丝热传导以及气体分子热传导损失的功率相等，热丝的温度将随传导损失的功率相等，热丝的温度将随着真空度的不同呈现有规律的变化。气着真空度的不同呈现有规律的变化。气体压强和热电偶的电动势关系：体压强和热电偶的电动势关系：P 。585960n测量范围：测量范围：10210-1Pa。n测量压强不能过低，因为当压强过低时，测量压强不能过低，因为当压强过低时，气体分子热传导逸去的热量很少，而以气体分子热传导逸去的热量很少，而以热丝、热电偶的热传导和热辐射引起的热丝、热电偶的热传导和热辐射引起的热损失为主，则热电偶电动势的变化将热损失
29、为主，则热电偶电动势的变化将不是由于压强变化所引起。不是由于压强变化所引起。n具有热惯性，数据的读取滞后。具有热惯性，数据的读取滞后。n经常调整加热电流，重新校正加热电流经常调整加热电流，重新校正加热电流值。值。61 电离真空计电离真空计n在高真空范围内最常使用的测量工具。在高真空范围内最常使用的测量工具。n主要部分：阴极、阳极和离子收集极。主要部分：阴极、阳极和离子收集极。n由热阴极发射出的电子将在飞向阳极的过程中由热阴极发射出的电子将在飞向阳极的过程中碰撞气体分子，并使后者发生电离。由离子收碰撞气体分子，并使后者发生电离。由离子收集极接收电离的离子，并根据离子电流强度的集极接收电离的离子，并根据离子电流强度的大小测量环境的真空度。大小测量环境的真空度。n测量的压力上限：测量的压力上限：1Pa。n由于不同气体分子的碰撞电离截面不同，因此由于不同气体分子的碰撞电离截面不同，因此电离真空计的测量值与所测量的气体种类有关。电离真空计的测量值与所测量的气体种类有关。6263