薄膜制备的真空技术基础

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1、1薄膜制备的真空技术基础1.1气体分子运动论的基本概念1.2气体的流动状态和真空抽速1.3真空泵简介1.4真空的测量薄膜制备的真空技术基础11.1气体分子运动论的基本概念固体液体气体薄膜制备的真空技术基础21.1.1气体分子的运动速度及其分布气体分子运动论：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。薄膜制备的真空技术基础3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

2、，所有气体可看作理想气体。Maxwell-Boltzmann分布：薄膜制备的真空技术基础4温度越高，分子的平均运动速度越大。相对原子质量越小，薄膜制备的真空技术基础5f(v)v薄膜制备的真空技术基础61.1.2气体的压力和气体分子的平均自由程理想气体的压力：气压单位：1Pa＝1N/m21atm＝760mmHg＝101325Pa1Torr＝1mmHg＝133.3Pa1mbar＝100Pa薄膜制备的真空技术基础7气体分子的平均自由程：气体分子在两次碰撞的间隔时间里走过的平均距离。d—气体分子的有效截面直径计算：常温常压下λ空气。d空气≈0.5nm，λ空气≈50nm薄膜制备的真空技术基础8平

3、均碰撞频率＝≈1010降低气体压力，减小碰撞几率，获得较大的平均自由程。薄膜制备的真空技术基础91.1.3气体分子的通量单位面积上气体分子的通量：气体分子对于单位面积表面的碰撞频率。克努森方程气体分子对衬底碰撞薄膜沉积薄膜沉积速度正比于气体分子的通量薄膜制备的真空技术基础10计算：在高真空的条件下，清洁表面被环境中的杂质气体分子污染所需时间。(假设:每一个向清洁表面运动过来的气体分子都是杂质，且每一个杂质分子都会被该表面所俘获。)衬底完全被一层杂质气体分子覆盖所需要的时间：常温、常压，τ≈3.5×10-9sp=10-8Pa，τ≈10hN—清洁表面的原子面密度薄膜制备的真空技术基础11真

4、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。Back薄膜制备的真空技术基础121.2气体的流动状态和真空抽速1.2.1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

5、。薄膜制备的真空技术基础13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）薄膜制备的真空技术基础14克努森（Knudsen）准数D—气体容器的尺寸分子流状态Kn＜1过渡状态Kn＝1~100粘滞流状态Kn＞100薄膜制备的真空技术基础15薄膜制备的真空技术基础16层流状态：低流速黏滞流所处的气流状态，即气体宏观运动方向与一组相互平行的流线相一

6、致。紊流状态：高流速黏滞流所处的气流状态，气体不再能够维持相互平行的层状流动模式，而呈现出一种旋涡式的流动模式。薄膜制备的真空技术基础171.2.2气体管路的流导流导：真空管路中气体的通过能力。p1、p2—管路两端的气压Q—单位时间内通过管路的气体流量(单位时间内流过的气体体积与压力的乘积)薄膜制备的真空技术基础18分子流气体：流导C与压力无关，受管路形状影响，且与气体种类、温度有关。例：一个处于两个直径很大的管路间的通孔，设孔的截面积为A，则其流导应正比于通孔两侧气体分子向通孔方向流动的流量之差。通孔的流导薄膜制备的真空技术基础19粘滞流气体：气体流导的数值还随气体的压力呈现复杂的变

7、化。一般规律是，当压力升高时，气体通过单位面积的流量有增加的趋势，因而管路流导的数值随压力的升高而增加。不同流导C1、C2、C3相互串联或并联，形成总流导C：串联流导并联流导薄膜制备的真空技术基础201.2.3真空泵的抽速思考：真空泵的抽速和管路的流导有何区别？p—真空泵入口处气体压力Q—单位时间内通过真空泵入口处气体流量薄膜制备的真空技术基础21图1.4没有回流(a)和有回流(b)情况下真空系统的模型图1.4a：流量相等Q=C(p-pp)=S