1、 幾乎所有的現代薄膜材料都是在幾乎所有的現代薄膜材料都是在真空或是在較低的氣體壓力下制備的真空或是在較低的氣體壓力下制備的，都涉及到氣相的產生、輸運以及氣，都涉及到氣相的產生、輸運以及氣相反應的過程。相反應的過程。u 大氣壓: atm, kg/cm2, baru Pa: N/m2u Torr: mmHg1atm = 1000mbar = 0.1MPa1Torr = 133Pa薄膜技術領域：從薄膜技術領域：從10-7Pa10-7Pa到到105Pa105Pa，覆蓋了，覆蓋了1212個數量級個數量級l在薄膜技術領域，人為地將真空在薄膜技術領域，人為地將真空環境粗略地劃分為環境粗略地劃分為:l低真空低

2、真空 102 Pal中真空中真空 102 10-1 Pal高真空高真空 10-1 10-5 Pal超高真空超高真空 50m，每個空氣分子每秒鐘內只經歷10次碰撞；氣體分子間的碰撞幾率已很小，氣體分子的碰撞將主要是其與容器器壁之間的碰撞。 氣體分子對單位面積表面的碰撞頻率，稱單氣體分子對單位面積表面的碰撞頻率，稱單位面積上氣體分子的通量位面積上氣體分子的通量四、氣體分子的通量克努森四、氣體分子的通量克努森KnudsenKnudsen方程）方程）NpMRTA2證明：證明： 計算單位時間內碰撞于器壁或基板上小面積計算單位時間內碰撞于器壁或基板上小面積dAdA的分子數的分子數 由于分子運動的無規性，運

3、動的各個方向機會由于分子運動的無規性，運動的各個方向機會均等，因此，任何時刻分子運動方向在立體角中的均等，因此，任何時刻分子運動方向在立體角中的幾率為：幾率為： 設設dAdA與與dd的法線夾角為的法線夾角為，單位時間內，單位時間內，速率在速率在vv+dvvv+dv間從立體角間從立體角dd方向飛來碰撞于方向飛來碰撞于dAdA上的分子數目就是以上的分子數目就是以dAcosdAcos為底，為底，v v為高的圓為高的圓筒中的分子數：筒中的分子數：4ddvdAnvvfdcos)(4 單位時間內從立體角單位時間內從立體角dd方向飛來的各種速度的方向飛來的各種速度的分子數，只需對上式積分即可求得分子數，只需

4、對上式積分即可求得dAvndvdvvfdAndcos4)(cos40 即碰撞于器壁即碰撞于器壁dAdA上的分子數與分子飛來方向與上的分子數與分子飛來方向與dAdA法線夾角的余弦成正比。法線夾角的余弦成正比。 任何角度，單位時間內碰撞任何角度，單位時間內碰撞dAdA的總分子數只需的總分子數只需對對dd積分積分dAvnddndAvd4sincos4202/04vndAd所以任何角度，單位時間內碰撞所以任何角度，單位時間內碰撞dAdA的總分子數為：的總分子數為：單位時間內碰撞于單位面積上的氣體分子數為：單位時間內碰撞于單位面積上的氣體分子數為：dddsin代入平均速度的表達式可得代入平均速度的表達式

5、可得NpMRTA2p 氣體壓力高時，分子頻繁碰撞物體表面；氣體壓力高時，分子頻繁碰撞物體表面；p 氣體壓力低時，分子對物體表面的碰撞可以氣體壓力低時，分子對物體表面的碰撞可以忽略忽略 假設每個向表面運動來的氣體分子都是雜質，而每個雜質氣體分子都會被表面所俘獲，則可估計出不同的真空環境中，清潔表面被雜質氣體分子污染所需要的時間為：* * 清潔表面被污染所需時間清潔表面被污染所需時間pNMRTNNA2N 為表面的原子面密度為表面的原子面密度 在常溫常壓下：在常溫常壓下： 3.510-9秒；秒；10-8Pa時：時： 10 小時小時 這一方面說明了真空環境的重要性。同時,氣體分子通量還決定了薄膜的沉積

6、速率。一、氣體的流動狀態一、氣體的流動狀態1 1、分子流狀態、分子流狀態 氣體分子除了與容器壁發生碰撞外，幾乎不發生氣體分子除了與容器壁發生碰撞外，幾乎不發生分子間的碰撞。分子的平均自由程大于氣體容器的尺分子間的碰撞。分子的平均自由程大于氣體容器的尺寸或與其相當即氣體主要是在分子和氣壁之間碰撞寸或與其相當即氣體主要是在分子和氣壁之間碰撞過的程中流動）。過的程中流動）。 氣體分子間的碰撞較為頻繁。分子的平均自由程較氣體分子間的碰撞較為頻繁。分子的平均自由程較短即氣體主要是在分子間的碰撞過程中流動）。短即氣體主要是在分子間的碰撞過程中流動）。2 2、粘滯流狀態、粘滯流狀態 判斷氣體的流動狀態可用克

7、努森準數判斷氣體的流動狀態可用克努森準數: :lKn110 粘滯流狀態粘滯流狀態l110Kn1 過渡狀態過渡狀態DKnD為容器的尺寸；為容器的尺寸； 為氣體分子的平均自由程為氣體分子的平均自由程粘滯流狀態粘滯流狀態 低流速時，為層流狀態低流速時，為層流狀態 流速較高時，為紊流狀態流速較高時，為紊流狀態 粘滯態氣流的兩種不同的流動狀態粘滯態氣流的兩種不同的流動狀態 層流狀態，相當于氣體分子的宏觀運動方向與一組相層流狀態，相當于氣體分子的宏觀運動方向與一組相互平行的流線相一致。相鄰的各流層之間一直維持著相互平行的流線相一致。相鄰的各流層之間一直維持著相互平行的流動方向。互平行的流動方向。 在靠近容

8、器壁的地方，氣體分子受到器壁的粘滯力在靠近容器壁的地方，氣體分子受到器壁的粘滯力作用，其流動速度趨近于零；隨著離開器壁距離的增加作用，其流動速度趨近于零；隨著離開器壁距離的增加，氣體的流動速度逐漸增加，在容器的中心處，氣體流，氣體的流動速度逐漸增加，在容器的中心處，氣體流動速度最高。動速度最高。 在流速較高的情況下，氣體的流動不能再維持相互平行在流速較高的情況下，氣體的流動不能再維持相互平行的層流狀態模式，而會轉變為一種漩渦式的流動模式，這的層流狀態模式，而會轉變為一種漩渦式的流動模式，這時氣流中不斷出現一些低氣壓的漩渦。時氣流中不斷出現一些低氣壓的漩渦。稱為紊流狀態稱為紊流狀態 除流速外也可

9、用雷諾除流速外也可用雷諾Reynolds準數準數Re判斷氣體的判斷氣體的流動狀態流動狀態: D-為容器特征尺寸；為容器特征尺寸；v-為流速；為流速；-為密度；為密度；-為粘度系數。為粘度系數。vDRe Re2200 紊流狀態紊流狀態 Re100pa時，氣體的熱導率將不再隨壓強變化而顯著時，氣體的熱導率將不再隨壓強變化而顯著變化，所以此時測量的靈敏度迅速下降；在變化，所以此時測量的靈敏度迅速下降；在p0.1pa后后，氣體分子熱傳導帶走的熱量，在總加熱功率中所占，氣體分子熱傳導帶走的熱量，在總加熱功率中所占的比例過小，測量靈敏度也迅速下降。的比例過小，測量靈敏度也迅速下降。特點：儀器結構簡單、使用

10、方便特點：儀器結構簡單、使用方便缺陷：測量區域內，指示值呈非線性、測量結果與氣缺陷：測量區域內，指示值呈非線性、測量結果與氣體種類有關、零點飄移嚴重。體種類有關、零點飄移嚴重。 2、皮拉尼真空規、皮拉尼真空規 （熱阻式真空規）（熱阻式真空規） 利用測量熱絲電阻值隨溫利用測量熱絲電阻值隨溫度的變化來測定氣壓。度的變化來測定氣壓。二、電離真空規二、電離真空規 陰極發射的電子陰極發射的電子在飛向陽極的過程中在飛向陽極的過程中碰撞氣體分子，并使碰撞氣體分子，并使后者電離，由離子收后者電離，由離子收集極接受電離的離子集極接受電離的離子，根據離子電流強度，根據離子電流強度Ii的大小，就可以測量的大小，就可

11、以測量出環境真空度。出環境真空度。 因為離子電流因為離子電流IiIi的大小將取決于陰極發射的電子的大小將取決于陰極發射的電子電流強度電流強度IeIe、氣體分子的碰撞截面以及氣體分子密度、氣體分子的碰撞截面以及氣體分子密度即壓強即壓強p)p)等三個因素，在固定陰極發射電流和氣體等三個因素，在固定陰極發射電流和氣體種類的情況下，離子電流強度將直接取決于電離氣體種類的情況下，離子電流強度將直接取決于電離氣體的分子密度即壓力）。的分子密度即壓力）。 其測量下限約為其測量下限約為10-5pa10-5pa，受陰極發射的高能電子，受陰極發射的高能電子在離子收集極上產生光電子形成虛假的離子電流在離子收集極上產

12、生光電子形成虛假的離子電流所限制。所限制。 適用壓力范圍適用壓力范圍10-110-5pa,10-110-5pa,因為當壓力大于因為當壓力大于10-10-1pa1pa時電子的平均自由程太小，氣體不能電離，故不能時電子的平均自由程太小，氣體不能電離，故不能反映氣壓。反映氣壓。三、薄膜真空規三、薄膜真空規 是依靠金屬薄膜在氣體是依靠金屬薄膜在氣體壓力差作用下，產生機械壓力差作用下，產生機械位移來對壓強進行測量。位移來對壓強進行測量。 薄膜真空規有兩個被隔薄膜真空規有兩個被隔開的真空腔，當一個腔內壓開的真空腔，當一個腔內壓力已知，另一個腔壓力未知力已知，另一個腔壓力未知的情況，薄膜的位移量將與的情況，

13、薄膜的位移量將與兩個腔內的壓力差成正比。兩個腔內的壓力差成正比。 薄膜的位移是依靠測量薄膜的位移是依靠測量薄膜與另一金屬電極間的薄膜與另一金屬電極間的電容電容C1 C1 的變化而實現的。的變化而實現的。 其測量下限約為其測量下限約為10-3pa10-3pa，這相當于探測到，這相當于探測到薄膜位移只有一個原子尺度的大小；其測量上限薄膜位移只有一個原子尺度的大小；其測量上限受薄膜材料本身抗破壞性強度的限制。受薄膜材料本身抗破壞性強度的限制。 特點：可用于氣體絕對壓力的測量，測量結果與特點：可用于氣體絕對壓力的測量，測量結果與氣體種類無關氣體種類無關 不同種類真空規的壓力適用范圍不同種類真空規的壓力

14、適用范圍n薄膜材料在現代科技領域占有重要的地位，可作為大薄膜材料在現代科技領域占有重要的地位，可作為大家今后作為科學家或工程師的職業方向家今后作為科學家或工程師的職業方向n真空技術是現代薄膜材料技術的基礎真空技術是現代薄膜材料技術的基礎n不同的薄膜制備方法涉及到不同的真空環境不同的薄膜制備方法涉及到不同的真空環境真空度真空度n不同的真空度需要采用不同的真空獲得方法與真空測不同的真空度需要采用不同的真空獲得方法與真空測量方法量方法u 為什么在薄膜制備技術的討論中，先要討論真為什么在薄膜制備技術的討論中，先要討論真空環境與真空技術？空環境與真空技術？u 熟悉真空度的物理單位及其相互換算。熟悉真空度

15、的物理單位及其相互換算。u 根據氣體流動狀態所表現出的特性，我們是如根據氣體流動狀態所表現出的特性，我們是如何劃分氣體流動狀態的？何劃分氣體流動狀態的？u 說明分子通量的物理意義？討論分子通量是如說明分子通量的物理意義？討論分子通量是如何影響薄膜純度和薄膜沉積速率的。何影響薄膜純度和薄膜沉積速率的。u 了解真空泵的主要性能指標。了解真空泵的主要性能指標。u 了解主要的真空泵種類。了解主要的真空泵種類。u 了解主要的真空測量方法。了解主要的真空測量方法。1、使用真空泵系統對、使用真空泵系統對30升的真空系統抽真空到升的真空系統抽真空到 10-6Torr。關閉真空系統。關閉真空系統3分鐘后，系統壓力升至分鐘后，系統壓力升至10-5Torr。 （1求系統的壓力升高率求系統的壓力升高率TorrL/s) （2求使用抽速為求使用抽速為Sp=40L/s的真空泵時，系統可以的真空泵時，系統可以達到的極限真空度。達到的極限真空度。2.、為電子顯微鏡和真空退火爐壓力均為、為電子顯微鏡和真空退火爐壓力均為10-5 Torr) 選配真空泵和真空計。設選配真空泵和真空