国家级课程南京农业大学薄膜材料技术与物理1

1、第一章 真空及真空获得许多薄膜技术是在真空下实现的，“真空”是许多薄膜制备的必要条件，因此，掌握一定的真空知识是必需的。一、真空的定义压力低于一个大气压的任何气态空间。气体处于平衡时，气体状态方程p = nktp：压强（pa），n：气体分子密度（个/米3），k：玻尔兹曼常数（1.3810-23 j/k），v：体积（m3），m：气体质量（kg），m：分子量（kg/mol），r：气体普适常数，t：绝对温度（k），r=na·k，na：阿佛伽德罗常数（6.0231023/mol） （个/米3）在标准状态下，任何气体分子的密度31019个/cm3，“真空”是相对的。p=1.3310-4pa,

2、t=293k, n=3.21010个/cm3二、真空表示：气体热运动概率：自由程：分子直径。t = 25c l·p=0.667(cm.pa)三、真空度单位：度量真空是以压强为单位的，压强高，真空度低，压强低，真空度高。米千克秒制：1pa=1牛顿/米2=1千克/米·秒2=10达因/cm2=7.510-3torr1毫米汞柱（mmhg）=atm =1torr =133.3pa =1.00000014torr四、区域划分随着真空度的提高，“真空”的性质逐渐发生变化，经历着气体分子数的量变到“真空”质变的若干过程，构成了“真空”的不同区域。为了便于讨论和实际应用，常把真空划分为粗真空

3、、低真空、高真空和超高真空四个区域，各区域的物理特性如表1-1所示。表1-1 各真空区域的物理特性区域物理特性粗真空低真空高真空超高真空真空度范围(pa)>10310310-110-110-6<10-6平均自由程(cm)<10-410-455105>105气流特点1.以气体分子间的碰撞为主2.粘滞流过渡区域1.以气体分子与器壁的碰撞为主2.分子流平均吸附时间气体分子以空间飞行为主气体分子以吸附停留为主五、真空度对薄膜工艺的影响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，减少对衬底表面的玷污。残余气体分子到达基板的速率由下式给出：p：压强，na：阿佛伽德

4、罗常数（6.0231023/mol）t：绝对温度，r：气体普适常数mg：残余气体的分子量六、真空的获得：pui：泵对i气体的极限压强（帕）。qi：室内各种气源（帕·升/秒）。si：泵对i气体的抽气速率（升/秒）pi：i气体的分压（帕）pa，v：真空室容积。七、真空泵1、机械泵：组成部件，定子、转子，嵌于转子的两个旋片以及弹簧。工作原理：玻意耳马略特定律，pv=k。p1(v+v)=p0vv：真空室体积v：泵内空腔体积p0：初始压强n pnpm（极限压强）图1-1 旋片机械泵的结构图1-2 旋片机械泵的四个典型的工作位置泵的理论抽速：s=2v（升/秒）：转速，=1000转/分，v=1/4

5、升，s=500升/分=8升/秒考虑到有害空间，实际比理论小，有一系数v，则实际抽气速率：机械泵油：密封，润滑两大作用。 对水蒸汽等可凝性气体很大困难。2、扩散泵工作原理：依靠从喷嘴喷出的高速（200米/秒），高密度的蒸汽流而输送气体的泵。以油为工作蒸汽的称为油扩散泵。油扩散泵结构及工作原理图如图1-3所示。它必须与机械泵配合使用。pf：前级真空压强n：蒸汽分子密度u：油蒸汽速度l：出气口至进气口的蒸汽流扩散长度d0：常数图1-3 扩散泵的结构及工作原理3、分子泵图1-4 卧式涡轮分子泵的结构示意图工作原理：处于气体中的固体表面以一定方向运动，所有飞到这表面的气体分子，经过碰撞后都具有一定的分速

6、度，其大小与方向等于固体的速度。turbo-molecular泵：通过高速旋转的涡轮叶片，不断地对气体分子施以定向的动量和压缩作用。需要前置真空泵（10-3torr）。4、溅射离子泵5、吸附泵6、升华泵可见参考书。八、真空测量1、热真空计：工作原理：低压下气体的热传导与压强有关，在低真空时，热传导则与压强成正比。a、皮拉尼（pirani）真空计：测定因温度变化而引起灯丝电阻的变化。b、热电偶：用热电偶测定温度变化引起电动势变化的真空计。 q = q1 + q2 + q3 辐射 传导 气体 (t1，t2) = e (t1)-e (t2)式中，e (t1)、e (t2) 是接点的分热电动势。所以热

7、电动势仅与热电偶的材料和接点温度有关，与材料的形状、大小无关。热电偶还有一个中间导体定律：在热电偶回路中，加入一根中间导体，只要中间导体两端的温度相同，就不会影响热电动势。图1-5 皮拉尼真空计图1-6 热电偶真空计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的热量 （1）式中：称为聚合系数；t1和t2分别为热丝和玻管温度；r1和l分别为热丝的半径和长度。由式（1）可知，q3与压强p成正比。但是，由于气体分子与固体表面的碰撞过程非常复杂，很难确定，所以很难由式（1）计算出q3，通常需用绝对真空计较准。高真空时，自由程l>>r2-r1(r2玻管半径)，由于压强很低，q3<

8、;<q1-q2，q3与压强无关。2、电离真空计工作原理似三极管。灯丝f发射热电子，发射的热电子（e）被加速极a加速，碰撞气体分子（m）而使其电离：电离产生的离子数和气压p成正比，即 （2）式中，ii为离子收集极c得到的离子流，ie为加速极a得到的电子流，两者之比称为电离系数。图1-6 热阴极电离真空计假设阴极与离子收集极的间距为d，电子的平均自由程为le，如果电子每与气体分子碰撞一次就能产生一次电离，则 （3）考虑到 ，且 于是 （4）但是，按式（4）计算的p要较压缩真空计实际测得的压强低。故式（2）可改写成 这里k为电离真空计的灵敏度，通常为440。当ie为常数时有 ii = iekp

9、 = cp即得离子流仅与压强成正比，因而测出离子流，经直流放大器放大后，就可用转换为压强刻度的表头指示。测量范围：10-110-6pap>10-1pa，饱和，p<10-6pa，高速电子x射ixiib-a型：改变离子收集极，板状柱，x射ix p10-10pa。表1-2 几种真空计的特性名 称原 理精 度反应时间工作压力范围（pa）其 它u形管压强计根据液柱差测量压力0.5托数秒10-510-2作为校正标准，与气体种类无关麦克劳真空计（压缩真空计）根据压缩后的液柱差测量压力几%几十%数分1010-3 (10-4)作用校正标准，不适宜测可凝性气体皮拉尼真空计（电阻真空计）利用气体分子的热传导10%以上数秒10310-2 (10-3)灵敏度因气体种类而变，热丝状态不同，零点变化。热电偶真空计灵敏度易变肖鲁斯电离真空计利用热电子电离残余气体1020%10-3秒1010-