第1章真空知识

1薄膜材料杨春利yangchunli@2薄膜的定义薄膜是一种二维材料，在厚度方向上的尺寸很小，往往为纳米至微米量级；薄膜还是一种人造材料，其结构和性质与制备方法和工艺条件密切相关。薄膜在英文中用thinfilm，coating，membrane3薄膜材料的性质及典型应用光学性质电学性质磁学性质化学性质力学性质热学性质反射涂层和减反射涂层光记录介质光波导绝缘薄膜导电薄膜半导体器件磁记录介质扩散阻挡层防氧化或防腐蚀层耐磨涂层显微机械防热涂层4第一章真空技术基础真空的基本知识稀薄气体的基本性质真空的获得真空的测量51.1真空的基本知识为了使被研究的样品不被周围气氛所污染，获取“原子清洁”的表面，薄膜制备和衬底表面形成过程往往是在真空或超高真空中进行的。目前，人们所广泛使用的薄膜制备系统都具有真空系统。薄膜的制备涉及气相的产生、输运以及反应的过程。

真空：低于一个大气压的气体空间。1643年，意大利物理学家托里折利演示了著名的大气压实验，揭示了“真空”这一物理状态。6“真空”这一术语译自拉丁文Vacuo，其意义是虚无。真空应理解为气体较稀薄的空间。在指定的空间内，低于一个大气压力的气体状态统称为真空。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，分子数较少的状态真空状态下气体稀薄程度称为真空度，通常用压力值表示。真空（Vacuum）7真空技术的发展历史最早的真空获得和应用，可追溯到公元前六世纪，我国炼铁技术就相当进步，为了熔化铁，在炼铁炉上配有鼓风设备。最初使用的叫“鞲[gōu]

”的皮囊鼓风、“风箱”鼓风。还有更为典型的例子是中医的拔火罐。两千年前，它已在我国民间用作治病的工具。它很好地利用了空气热胀冷缩、蒸汽冷凝等物理现象来形成罐内真空。8历史上有确切记载获得“真空”的却是欧洲人。1643年，意大利人托利拆里(Torricelli,Evangelista,1608-1647)做了大气压实验。他用一根一端封闭的细长玻璃管和一个盛水银的小槽，先将水银从玻璃管开口端灌入，直到灌满全管。然后压住开口，将玻璃管倒立在水银槽内，再打开压住的开口。此时玻璃管中的水银高度逐渐下降，直到距离小槽液面以上760毫米时，就不再下降了。91654年德国人葛利克发明了活塞真空泵。他为了证明大气压的巨大力量，曾做过一次公开实验,他用两个直径119厘米的半球合起来，用真空泵将球内空气抽除，因而求得的表面上所受大气压是很大的横向分力，每个半球用8匹马，才能向相反方向拉开。因为该实验在德国马德堡做的，故被称为马德堡半球实验而闻名于世。101905年德国盖得发明了机械泵，1906年皮拉尼发明热阻真空计；之后，盖得又于1913年和1915年先后发明了分子泵、扩散泵；1916年贝克利发明了热阴极电离计。盖德发明的机械泵盖德发明的分子泵11真空技术迅速从低真空发展到高真空，高真空技术的发展势头一直延续到第二次世界大战。尤其是希克曼1936年发明了油扩散泵，潘宁1937年发明了冷阴极电离计，使得高真空技术在获得和测量两方面基本上已完善。直到今天，这些发明还运用在多数真空系统上。现代的有扩散泵12今天的真空技术，已能获得和测量从大气压（105pa）到10-13pa，压力范围达18个数量级，并随着某些新应用的开拓而要求一步步地接近“理想真空”。

今天的真空技术：105pa～10-13pa13

两类真空自然真空和人为真空

相对真空和绝对真空气体状态方程P－气体压强（Pa）；n－气体分子密度（m-3）；k－1.38×10-23J/KT=293K，P=1.3×10-11Pa时，n=3.2×103/cm31.1真空的基本知识P=105Pa，T=290K，n=2.481019分子/cm3绝对真空是不存在的！14真空单位帕斯卡（Pascal）：Pa

托（Torr）：1Torr=133.3Pa1Pa=7.5×10-3Torr旧的单位：mmHgTorr

baratm1.1真空的基本知识真空程度的表示真空度压强气体分子密度、气体分子平均自由程、形成一个分子层所需要的时间等

法定计量单位最早使用、最广泛的纪念托里拆利760mmHgVacuumATM15单位帕/Pa托/Torr毫巴/mbar标准大气压1Pa17.5×10-31×10-29.87×10-61Torr133.311.3331.316×10-31mbar1000.7519.87×10-41atm1.013×1057601.013×1031几种压强换算关系1.1真空的基本知识16低真空1×105to1×102Pa中真空1×102to1×10-1Pa高真空1×10-1to1×10-5Pa超高真空<1×10-5Pa☞真空的划分1.1真空的基本知识气态空间近似为大气状态，分子以热运动为主，分子之间碰撞频繁。气体分子的流动从黏滞流状态向分子状态过渡，气体对流现象消失，若在此情况下加热金属可以避免与气体化合；若加电场会产生导电现象。容器中分子数很少，分子平均自由程大于一般容器的线度，分子流动为分子流，分子与容器壁碰撞为主，在此真空下蒸发材料，粒子将按直线飞行。气体分子数更少，几乎不存在分子间碰撞，此时气体分子在固体表面上是以吸附停留为主。17真空环境划分：

低真空>102Pa

中真空102~10-1Pa

高真空10-1~10-5Pa

超高真空<10-5Pa真空蒸发沉积：高真空和超高真空（<10-3Pa）;溅射沉积：中、高真空（10-2~10Pa）;低压化学气相沉积：中、低真空（10~100Pa）;电子显微分析：高真空;材料表面分析：超高真空。181.2稀薄气体的基本性质理想气体定律真空技术中的稀薄气体性质上与理想气体相似，因此符合理想气体定律：1.波义尔定律2.盖·吕萨克定律3.查理定律4.理想气体状态方程m-气体质量；R-气体普适常数（8.314J/mol·K），R=NA·kNA-阿伏伽德罗常数（6.02×1023mol-1）19一、气体分子的速率分布

1.2稀薄气体的基本性质气体分子运动论：气体分子一直处无规热运动；平均运动速度取决于温度；分子之间和分子与器壁之间相互碰撞。结果：气体分子的速度服从一定统计分布,

气体本身对外显示一定的压力。

理想气体模型：气体分子之间除相互碰撞的瞬间之外，完全不存在相互作用，即它们可被看作是相互独立的硬球，且硬球的半径远小于球与球之间的距离。在一般的温度和压力条件下，所有气体可看作理想气体。20一、气体分子的速率分布在平衡状态时，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：麦克斯韦速度分布函数1.2稀薄气体的基本性质21温度越高，分子的平均运动速度越大。相对原子质量越小，221.2稀薄气体的基本性质1.最可几速率（速率极大值?）2.平均速率3.均方根速率速度分布计算分子运动平均距离计算分子平均动能T=300K，空气分子va≈460m/s231.2稀薄气体的基本性质二、平均自由程每个分子在连续两次碰撞之间的路程称为自由程；其统计平均值成为平均自由程。d-分子直径；n－分子密度25℃时P=10-4Pa时，P=10-3Pa时，薄膜技术中最常用的真空度为10-4Pa，自由程大约是66米。即使再差，10-3Pa，自由程大约是6.6米。所以不需要考虑飞行中的薄膜材料和残存气体冲撞所产生的影响。24在常温下，空气分子速率400~500米，如果在讲台上打开一瓶香水，后排的同学应立刻就可闻到香水味。但实际需要1~2

分钟才能闻到，这是为什么？实际上由于分子激烈的热运动，不断地和其它分子碰撞，分子不是走直线，而是折线。分子间的无规则碰撞在气体由非平衡态过渡到平衡态的过程中起着关键作用。有关分子碰撞的几个物理量：平均碰撞频率：一个分子在单位时间内与其他分子碰撞的平均次数。平均自由程λ：在一定的宏观条件下一个气体分子在连续两次碰撞之间所可能经过的各段自由路程的平均值。25一、平均碰撞频率提出模型:分子是直径为d的刚性小球,除碰撞外,无相互作用力。碰撞主要是由相对运动产生的。设想：跟踪分子A，其在一段时间

t内与多少分子相碰？以A的中心运动轨迹（图中虚线）为轴线，以分子有效直径d为半径，作一曲折圆柱体。分子A走的是一条折线。假设：其他分子静止不动，只有分子A在它们之间以平均相对速率运动，26A所走过的路程为：相应圆柱体的体积为：设气体分子数密度为n。中心在此圆柱体内的分子总数，亦即在t时间内与A相碰的分子数为:平均碰撞频率：在

t内：上面是假定一个分子运动而其余分子都静止而得出的结果．实际上一切分子都在运动，因此上式必须修正．如果考虑所有分子都在运动并按麦克斯韦速率分布律分布，就可从理论上求出气体分子平均相对速率与平均速度va之间存在：27例：求空气在27ºC、1atm下平均碰撞频率是多少？（空气分子直径为3

10-10m

）解：亿次/秒28二、平均自由程λ即平均自由程与平均速率无关，与分子有效直径及分子数密度有关。平均自由程λ：在一定的宏观条件下一个气体分子在连续两次碰撞之间所可能经过的各段自由路程的平均值。29例：求空气分子在标准状态下的平均自由程。（空气分子直径为3

10-10m

）解：标准状态问题：一定质量的气体，保持体积不变，当温度增加时，分子运动变得剧烈，平均碰撞频率增加了，平均自由程如何变化？解答：根据公式质量一定，体积保持不变，则气体的分子数密度n也不变，平均自由程也不变。301.2稀薄气体的基本性质三、碰撞次数与余弦散射率入射情况入射频率Φ（入射通量或碰撞次数）：单位时间，在单位面积的器壁上发生碰撞的气体分子数赫兹－克努森公式,PΦ

µ温度一定时,PΦ

µ温度一定时31示例气体分子密度常温下：P=105Pa，n=2.421019分子/cm3P=1.3

10-8Pa，n=3.14106分子/cm3稀薄气体的基本性质3225℃空气中，固体表面形成单原子层所需时间，取氮气：固体原子密度：单原子层原子面密度：稀薄气体的基本性质33标准状态下撞击表面的气体原子在表面形成单原子层所需要的时间：在P=1.3

10-8Pa时，n=3.14106分子/cm3，则气体原子在表面形成单原子层所需要的时间：稀薄气体的基本性质34四、气体的流动状态气体分子的无规则运动本身并不导致气体的宏观流动。只有在空间存在宏观压力差的情况下，气体作为一个整体才会产生宏观的定向流动。气体的流动状态根据气体容器的几何形状、气体的压力、温度以及气体的种类不同而存在很大差别。气压较高时黏滞流状态低流速层流状态高流速紊流状态气体流动状态分类高真空环境分子流状态（仅与容器壁碰撞）35分子流状态：在高真空环境下，气体的分子除了与容器壁碰撞以外，几乎不发生气体分子间的相互碰撞。特点：气体分子平均自由程大于气体容器的尺寸或与其相当。（高真空薄膜蒸发沉积系统、各种材料表面分析仪器）粘滞流状态：当气压较高时，气体分子的平均自由程很短，气体分子间的相互碰撞较为频繁。（化学气相沉积系统）36气体的流动状态气体流动状态间的界线——

克努森(Knudsen)系数Kn式中，D为气体容器的尺寸，λ为气体分子的平均自由程分子流状态Kn<1过渡状态Kn=1～110黏滞流状态Kn>110气体流动状态可以被粗略地划分为三个不同的状态：3738层流状态：

在低流速的情况下，黏滞流处于层流状态，即在与气体流动方向垂直的方向上，可以设想存在不同气体流动层的明确的层状流线，且各层气体的流动方向总能保持相互平行。紊流状态：

气体流速较高的情况下，各层气体的流动方向之间将不再能够保持相互平行的状态，而呈现出一种旋涡状的流动形式。这种流动状态被称之为紊流状态。黏滞流状态分类39雷诺准数Re是帮助判断气体流动状态的另一个无量纲参数，其定义为d为容器的特征尺寸；分别是气体的流速、密度和动力学黏度系数。紊流状态紊流或层流层流状态401.3真空的获得－抽真空抽真空即利用各种真空泵将被抽容器中的气体抽出，使该空间的压强低于一个大气压。411.3真空的获得－抽真空抽真空即利用各种真空泵将被抽容器中的气体抽出，使该空间的压强低于一个大气压。目前常用获得真空的设备有：旋片式机械真空泵油扩散泵罗茨泵涡轮分子泵分子筛吸附泵钛升华泵溅射离子泵低温吸附泵属于输运式真空泵，即采用对气体进行压缩的方式将气体分子输送至真空系统之外属于捕获式真空泵，即依靠在真空系统内凝结或吸附气体分子的方式将气体分子捕获并排除421.3真空的获得－抽真空极限真空（极限压强Pu）和抽气速率——是表示真空泵性能的两个重要参数。极限压强是该系统所能达到的最低压强；抽气速率是在规定压强下单位时间抽出气体的体积，它决定抽真空所需要的时间。理论上，一个系统所能达到的真空度：Pu-真空泵的极限真空（Pa），Q-泵内各种气源（Pa·L/s），S-泵的抽气速率（L/s），V-真空室体积（L），Pi-被抽空间气体的分压强（Pa），t-时间（s）431.3真空的获得－抽真空441.3真空的获得－抽真空泵组合从图表中可以看出，没有一种泵能直接从大气一直工作到超高真空。因此常常将几种泵组合使用，实现预定真空。例如：

油封机械泵＋油扩散泵——10-6~10-8Pa

吸附泵＋溅射离子泵＋钛升华泵——10-6~10-9Pa

机械泵＋复合分子泵——获得超高真空前级泵次级泵451、机械泵

RotaryVanePumps1.3真空的获得－抽真空凡是利用机械运动（转动或滑动）以获得真空的泵，称为机械泵，从大气压开始旋片式噪声小、速度快定片式滑阀式461.3真空的获得－抽真空工作原理：依靠放置在偏心转子中的可以滑进滑出的旋片，将气体隔离，压缩，然后排除泵体之外。47说明：为了提高气体的密封效果，防止气体回流，旋片式机械泵的运动部件之间只有很小的配合间隙，并且在泵体内还利用油来作为运动部件间的密封物质。同时，油还起着对这些机械部件进行润滑的作用。主要性能指标：抽速：1~300L/s极限真空度：单级旋片泵0.1Pa两级串联0.01Pa

旋片式机械泵不仅可以单独使用，而且经常被用做其他真空泵的前级真空泵。。48玻－马洛特定律n次循环后Pn达到极限值？1.3真空的获得－抽真空49影响真空度的因素：有害空间

出气口与转子密封点之间的空隙，影响极限压强机械泵的真空油

饱和蒸气压低、润滑性、黏度、稳定性水水蒸气与机械泵油混合形成悬浊液，破坏泵油质量1.3真空的获得－抽真空极限真空度可达10-1Pa左右，双级旋片泵的极限真空可达10-2Pa数量级。502、罗茨泵罗茨泵内两个8字形的转子以相反的方向旋转，转子的咬合精度很高，不使用油作为密封介质。特点：油蒸气污染少转速快（3000转/分），抽速大（103L/s)

启动快振动小极限压强达到10-2Pa，适用压力范围是0.1～1000Pa之间1.3真空的获得－抽真空512、罗茨泵1.3真空的获得－抽真空当气体的压力低于10-1Pa以后，气体的回流将造成罗茨泵抽速的降低。而在压力较高时，大量气体的高速压缩又会引起泵体和转子的发热与热膨胀，造成配合精度很高的泵体的损坏。因此，罗茨泵的适用压力范围是在0.1—1000Pa之间。在一般情况下，罗茨泵总是与旋片式机械真空泵串联成真空泵机组使用。52磁力驱动罗茨真空泵（无泄漏）系列1944年德国人发明，适应在10～1000Pa压力范围内工作。53罗茨泵与其它油封式机械泵相比有以下特点：

较宽的压力范围内有较大的抽速；转子具有良好的几何对称性，故振动小，运转平稳。转子间及转子和壳体间均有间隙，不用润滑，摩擦损失小，可大大降低驱动功率，从而可实现较高转速；泵腔内无需用油密封和润滑，可减少油蒸气对真空系统的污染；结构简单、紧凑，对被抽气体中的灰尘和水蒸汽不敏感；压缩比较低，对氢气抽气效果差；转子表面为形状较为复杂的曲线柱面，加工和检查比较困难。应用领域：冶炼、石油化工、电工、电子等行业543、油扩散泵1.3真空的获得－抽真空油扩散泵的工作方式是将油加热至高温蒸发状态(约200℃)，让油蒸气呈多级状向下定向高速喷出时不断撞击气体分子，并将部分动量传递给这些气体分于，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。只能被用在1～10-6Pa的压力范围内，即分子流状态的真空条件下，而不能直接与大气相连。缺点是泵内油蒸气的回流会直接造成真空系统的油污染。由于这个原因，在材料表面分析仪器和其他超高真空系统中一般不采用油扩散泵。5510-3~10-1torr10-4~10-7torr加热器~200oCoiljet冷却水管道油扩散泵便宜,耐用返油加热慢(~0.5hr)&冷却慢(~2hr