真空科学技术

11.1真空的基本知识

真空：低于一个大气压的气体空间。自然真空：宇宙空间所自然存在的人为真空：人类利用真空泵抽取所获得的绝对真空：完全没有气体的空间状态相对真空：气体稀薄，分子数较少的状态

气体分子数密度大气压下P=105Pa，高真空下

P=10-11Pa，第1页/共30页第一页，共31页。2单位帕/Pa托/Torr毫巴/mbar标准大气压1Pa17.5×10-3

1×10-2

9.87×10-6

1Torr133.311.3331.316×10-3

1mba1000.7519.87×10-4

1atm1.013×1057601.013×103

1

真空（压强）单位

真空度和压强压强越低，真空度越高；压强越高，真空度越低。国际单位：帕斯卡（Pascal）Pa常用单位：托（Torr）毫米汞柱（mmHg）巴（bar）标准大气压（atm）

1.1真空的基本知识第2页/共30页第二页，共31页。3粗真空:1x105－1x102Pa（粘滞流）

真空干燥、真空浸渍低真空:1x102－1x10-1Pa（过渡状态）热处理、低压化学气相沉积高真空:1x10-1－1x10-6Pa（分子流）

溅射镀膜，真空蒸发镀膜超高真空

:<

1x10-6Pa

表面物理，表面分析，MBE☞真空的划分1.1真空的基本知识第3页/共30页第三页，共31页。4☞稀薄气体的状态方程在真空技术中所接触的是稀薄气体，这种稀薄气体在性质上与理想气体的差异很小。因此，在研究稀薄气体的性质时，可不加修正地直接应用理想气体的状态方程。1.2稀薄气体的基本性质理想气体状态方程：普适气体常量:R=8.31J/molK玻耳兹曼常量:k=1.38×10-23J/K第4页/共30页第四页，共31页。5☞气体分子的速率分布气体分子运动论认为：气体的大量分子每时每刻都处于无规则的热运动之中，气体分子之间以及气体分子与容器壁之间，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分子的速度服从一定的统计分布。气体分子的运动速率υ服从麦克斯韦尔-玻耳兹曼（Maxwell-Boltzmann）分布。1.2稀薄气体的基本性质第5页/共30页第五页，共31页。6☞三种统计速率1.2稀薄气体的基本性质1）最概然速率2）平均速率速率与声速（340m/s）相比拟3）方均根速率第6页/共30页第六页，共31页。71.2稀薄气体的基本性质☞平均自由程

气体分子在连续两次碰撞之间的平均路程称分子的平均自由程。大气压下P=105Pa，高真空下

P=10-8Pa，估算：常温下（300K），空气分子直径取0.4nmd为气体分子的直径第7页/共30页第七页，共31页。81.2稀薄气体的基本性质☞气体的入射频率（入射通量）入射频率是真空及镀膜技术中常用到的一个物理量，是气体分子对于容器壁单位面积的碰撞频率，即单位时间内单位表面积受到气体分子碰撞的次数。用字母J

来表示。赫兹-克努曾（Hertz-Knudsen）公式阿伏加得罗常数:NA=6.02×1023/mol第8页/共30页第八页，共31页。91.2稀薄气体的基本性质例：作为赫兹-克努曾公式的一个应用，我们来计算一下在高真空环境中，清洁表面被环境中的杂质气体分子污染所需要的时间。求解：假设每一个向清洁表面运动过来的气体分子都是杂质，并均被表面所俘获。则可以求出表面完全被一层杂质气体分子覆盖所需要的时间式中，N为基板表面单位面积上能容纳的单分子层内的气体分子数。第9页/共30页第九页，共31页。101.2稀薄气体的基本性质估算：单位面积上单分子层的气体分子数目N。气体分子的尺寸在0.4nm左右，则一个分子覆盖的面积约为0.16nm2，则：大气压下P=105Pa，高真空下

P=10-8Pa，第10页/共30页第十页，共31页。111.2稀薄气体的基本性质☞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的余弦进行分布。一个分子离开固体表面时，处于立体角中的几率为：θ为出射方向与法线所成的角度余弦定律的重要意义：它揭示了固体表面对气体分子作用的另一个方面，即分子原有的方向性彻底“消除”，均按余弦定律散射。分子在固体表面上要停留一定的时间，这是气体分子能够与固体进行能量交换和动量交换的先决条件，这一点有重要意义。第11页/共30页第十一页，共31页。121.2稀薄气体的基本性质☞真空度对薄膜质量的影响

平均自由程的影响薄膜技术中最常用的真空度为10-4Pa，自由程大约是60米。即使再差，10-3Pa，自由程大约是6米。而一般的薄膜原料和衬底之间相距10cm左右，所以不需要考虑飞行中的薄膜原子和残存气体碰撞所产生的影响。如果真空度太低，薄膜原子的碰撞增加，难于沉积到衬底上，并且碰撞过程中容易与残余气体发生反应，影响薄膜质量。第12页/共30页第十二页，共31页。131.2稀薄气体的基本性质☞真空度对薄膜质量的影响残余气体混杂的影响真空度差个10倍（10－３Pa），杂质含量相当于10～20％，真空度提高10倍（10－５Pa），杂质含量为0.1～0.2％。P=10－4Pa时，如果撞击过来的残存气体分子全部被吸附，那么3s

时间就有约一层残余气体混入薄膜中，相当于1分钟混入20层杂质气体，约10～20nm/分钟。薄膜较常用的生长速率是1μm/分钟。因此，假设气体分子全部混入薄膜里面的话（实际上不会全部），就相当于有1～2％的不纯物混入在薄膜里面。真空度越高，所得到的薄膜质量越好，纯度越高；但真空度越高，抽取真空所需费用也越高，设备越贵！第13页/共30页第十三页，共31页。14三、真空的获得大气状态所需真空度☞真空泵：具有抽气功能的设备☞复合真空泵：前级泵＋次级泵☞真空泵的分类（1）输运式真空泵：以压缩方式将气体输送到系统之外。a、机械式气体输运泵：旋片式机械真空泵、罗茨泵、涡轮分子泵。

b、气流式气体输运泵：油扩散泵。（2）捕获式真空泵：依靠凝结或吸附气体分子的方式将气体捕获，并排出系统之外。如低温吸附泵、溅射离子泵。第14页/共30页第十四页，共31页。151.3真空的获得☞机械泵

RotaryVanePumps第15页/共30页第十五页，共31页。16工作原理：依靠插在偏心转子中的数个可以滑进滑出的旋片将泵体内的气体隔离、压缩，然后将其排出泵体之外。极限真空度：10-2－10-1

Pa左右。优点：结构简单、工作可靠。缺点：油蒸气回流、引起污染1.3真空的获得第16页/共30页第十六页，共31页。17工作原理：两个8字形的转子以相反的方向旋转，两个转子始终保持相切合，咬合精度很高，切合处气体始终不能通过，只能从上、下两边被扫出真空系统。用作次级泵。极限真空度：

10-4Pa左右(双级)。优点：结构简单、无油气回流，抽速很大。缺点：泵体与转子发热、膨胀，造成泵体损坏；当气体压力低于10-1

Pa时，气体回流造成抽速降低。☞罗茨泵（RootsPumps）1.3真空的获得第17页/共30页第十七页，共31页。18工作原理：

将油加热至高温蒸发状态(2000C)，让油蒸气呈多级状向下定向高速喷出(200m/s)时不断撞击气体分子，并将部分动量传递给这些气体分子，使其被迫向排气口方向运动，在压缩作用下排出泵体。同时，被泵体冷却后的油蒸气又会凝结起来返回泵的底部。极限真空度：

10-6Pa左右。优点：极限真空度高，抽速很大。缺点：油蒸气回流，污染。工作状态：

不能与大气直接相连，使用油扩散泵之前，需要采用各种形式的机械泵将系统预抽至1Pa以下。

☞扩散泵（DiffusionPumps）1.3真空的获得第18页/共30页第十八页，共31页。19☞涡轮分子泵

TurboMolecularPumps1.3真空的获得第19页/共30页第十九页，共31页。20工作原理：

涡轮分子泵的转子叶片具有特定的形状，在它以20000～30000r/min的高速旋转时，叶片将动量传给气体分子，同时，涡轮分子泵中装有很多级叶片，上一级叶片输送过来的气体分子又会受到下一级叶片的作用而被进一步压缩至更下一级。像油扩散泵一样，也是靠对气体分子施加作用力，并使气体分子向特定的方向运动的原理来工作的。极限真空度：

10-8Pa左右。优点：极限真空度高，油蒸气的回流可以忽略，压缩比高，抽速可1000L/s。缺点：价格较高。工作状态：不能与大气直接相连，在使用中多用旋片式机械泵作为其前级泵。1.3真空的获得第20页/共30页第二十页，共31页。21工作原理：依靠气体分子会在低温下自发凝结或被其他物质表面吸附的物理现象实现对气体分子的去除，进而获得高真空。极限真空度：

10-8Pa左右，取决于所采用的低温温度、吸附物质的表面积、被吸附气体的种类等因素。优点：极限真空度高，可获得无油高真空；除H2、He、Ne外，对各种气体抽速均很大。缺点：运转成本较高。工作状态：既可以只配以旋片泵等低真空泵种作为惟一的高真空泵使用，又可以与其他高真空泵种，如涡轮分子泵等联合使用，预真空度应达到10-1以下，以减少吸附泵的负荷并避免在泵体内积聚过厚的气体冷凝产物。☞低温吸附泵（DiffusionPumps）1.3真空的获得第21页/共30页第二十一页，共31页。22☞离子泵（IonPumps）1.3真空的获得第22页/共30页第二十二页，共31页。23工作原理：

高压阴极发射出的高速电子与残余气体分子相互碰撞后引起气体电离放电，而电离后的气体分子在高速撞击Ti阴极时又会溅射出大量的Ti原子。由于Ti原子的活性很高，因而它将以吸附或化学反应的形式捕获大量的气体分子并使其在泵体内沉积下来，从而在真空室内造成无油的高真空环境。极限真空度：

10-8Pa左右，取决于所抽气体的活性等因素。优点：极限真空度高，可获得无油高真空。缺点：寿命有限。1.3真空的获得第23页/共30页第二十三页，共31页。241.3真空的获得第24页/共30页第二十四页，共31页。251.4真空的测量☞真空计（规管）：测量真空度的仪器直接测量：直接测量残余气体的压强（当气体压强很低时，直接测量很困难）间接测量：测量与压强有关的物理量（实际的真空计都是属于间接测量）

热偶真空计：利用低气压下热传导与压强有关的原理制成电离真空计：利用热电子电离残余气体，离子流与压强有关的原理制成

第25页/共30页第二十五页，共31页。261.4真空的测量☞热偶真空计工作原理：

Q为电源加热灯丝产生的热量，Q1为辐射热量，Q2为灯丝与热偶丝的传导热量，Q3为气体分子碰撞灯丝而带走的热量。热平衡时，Q1、Q2为恒量，Q3随气体压强而变化。压强越小，因碰撞而带走的热量越少，温度越高，温差电动势越高；反之亦然！测量范围：0.1～100Pa

问题：为什么热偶真空规管不能用于较低或较高真空度的测量，只能用于0.1～100Pa？原因：1、在气体压力高于100Pa时，气体的热导率将不再随气体压力而显著变化。此时，用热丝温度测量气体压力方法的灵敏度将迅速下降。2、当气体压力低于0.1Pa以后，由气体分子传导走的热量在总的加热功率中比例过小，测量的灵敏度也将呈下降趋势。第26页/共30页第二十六页，共31页。271.4真空的测量☞电离真空计工作原理：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，由离子收集极接收电离的离子，并根据离子电流强