國(guó)家級(jí)課程南京農(nóng)業(yè)大學(xué)薄膜材料技術(shù)與物理1

1、第一章 真空及真空獲得許多薄膜技術(shù)是在真空下實(shí)現(xiàn)的，“真空”是許多薄膜制備的必要條件，因此，掌握一定的真空知識(shí)是必需的。一、真空的定義壓力低于一個(gè)大氣壓的任何氣態(tài)空間。氣體處于平衡時(shí)，氣體狀態(tài)方程p = nktp：壓強(qiáng)（pa），n：氣體分子密度（個(gè)/米3），k：玻爾茲曼常數(shù)（1.3810-23 j/k），v：體積（m3），m：氣體質(zhì)量（kg），m：分子量（kg/mol），r：氣體普適常數(shù)，t：絕對(duì)溫度（k），r=na·k，na：阿佛伽德羅常數(shù)（6.0231023/mol） （個(gè)/米3）在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，任何氣體分子的密度31019個(gè)/cm3，“真空”是相對(duì)的。p=1.3310-4pa,

2、t=293k, n=3.21010個(gè)/cm3二、真空表示：氣體熱運(yùn)動(dòng)概率：自由程：分子直徑。t = 25c l·p=0.667(cm.pa)三、真空度單位：度量真空是以壓強(qiáng)為單位的，壓強(qiáng)高，真空度低，壓強(qiáng)低，真空度高。米千克秒制：1pa=1牛頓/米2=1千克/米·秒2=10達(dá)因/cm2=7.510-3torr1毫米汞柱（mmhg）=atm =1torr =133.3pa =1.00000014torr四、區(qū)域劃分隨著真空度的提高，“真空”的性質(zhì)逐漸發(fā)生變化，經(jīng)歷著氣體分子數(shù)的量變到“真空”質(zhì)變的若干過(guò)程，構(gòu)成了“真空”的不同區(qū)域。為了便于討論和實(shí)際應(yīng)用，常把真空劃分為粗真空

3、、低真空、高真空和超高真空四個(gè)區(qū)域，各區(qū)域的物理特性如表1-1所示。表1-1 各真空區(qū)域的物理特性區(qū)域物理特性粗真空低真空高真空超高真空真空度范圍(pa)>10310310-110-110-6<10-6平均自由程(cm)<10-410-455105>105氣流特點(diǎn)1.以氣體分子間的碰撞為主2.粘滯流過(guò)渡區(qū)域1.以氣體分子與器壁的碰撞為主2.分子流平均吸附時(shí)間氣體分子以空間飛行為主氣體分子以吸附停留為主五、真空度對(duì)薄膜工藝的影響1、減少蒸發(fā)分子與殘余氣體分子的碰撞。2、抑制它們之間的反應(yīng)，減少對(duì)襯底表面的玷污。殘余氣體分子到達(dá)基板的速率由下式給出：p：壓強(qiáng)，na：阿佛伽德

4、羅常數(shù)（6.0231023/mol）t：絕對(duì)溫度，r：氣體普適常數(shù)mg：殘余氣體的分子量六、真空的獲得：pui：泵對(duì)i氣體的極限壓強(qiáng)（帕）。qi：室內(nèi)各種氣源（帕·升/秒）。si：泵對(duì)i氣體的抽氣速率（升/秒）pi：i氣體的分壓（帕）pa，v：真空室容積。七、真空泵1、機(jī)械泵：組成部件，定子、轉(zhuǎn)子，嵌于轉(zhuǎn)子的兩個(gè)旋片以及彈簧。工作原理：玻意耳馬略特定律，pv=k。p1(v+v)=p0vv：真空室體積v：泵內(nèi)空腔體積p0：初始?jí)簭?qiáng)n pnpm（極限壓強(qiáng)）圖1-1 旋片機(jī)械泵的結(jié)構(gòu)圖1-2 旋片機(jī)械泵的四個(gè)典型的工作位置泵的理論抽速：s=2v（升/秒）：轉(zhuǎn)速，=1000轉(zhuǎn)/分，v=1/4

5、升，s=500升/分=8升/秒考慮到有害空間，實(shí)際比理論小，有一系數(shù)v，則實(shí)際抽氣速率：機(jī)械泵油：密封，潤(rùn)滑兩大作用。 對(duì)水蒸汽等可凝性氣體很大困難。2、擴(kuò)散泵工作原理：依靠從噴嘴噴出的高速（200米/秒），高密度的蒸汽流而輸送氣體的泵。以油為工作蒸汽的稱為油擴(kuò)散泵。油擴(kuò)散泵結(jié)構(gòu)及工作原理圖如圖1-3所示。它必須與機(jī)械泵配合使用。pf：前級(jí)真空壓強(qiáng)n：蒸汽分子密度u：油蒸汽速度l：出氣口至進(jìn)氣口的蒸汽流擴(kuò)散長(zhǎng)度d0：常數(shù)圖1-3 擴(kuò)散泵的結(jié)構(gòu)及工作原理3、分子泵圖1-4 臥式渦輪分子泵的結(jié)構(gòu)示意圖工作原理：處于氣體中的固體表面以一定方向運(yùn)動(dòng)，所有飛到這表面的氣體分子，經(jīng)過(guò)碰撞后都具有一定的分速

6、度，其大小與方向等于固體的速度。turbo-molecular泵：通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的渦輪葉片，不斷地對(duì)氣體分子施以定向的動(dòng)量和壓縮作用。需要前置真空泵（10-3torr）。4、濺射離子泵5、吸附泵6、升華泵可見(jiàn)參考書(shū)。八、真空測(cè)量1、熱真空計(jì)：工作原理：低壓下氣體的熱傳導(dǎo)與壓強(qiáng)有關(guān)，在低真空時(shí)，熱傳導(dǎo)則與壓強(qiáng)成正比。a、皮拉尼（pirani）真空計(jì)：測(cè)定因溫度變化而引起燈絲電阻的變化。b、熱電偶：用熱電偶測(cè)定溫度變化引起電動(dòng)勢(shì)變化的真空計(jì)。 q = q1 + q2 + q3 輻射 傳導(dǎo) 氣體 (t1，t2) = e (t1)-e (t2)式中，e (t1)、e (t2) 是接點(diǎn)的分熱電動(dòng)勢(shì)。所以熱

7、電動(dòng)勢(shì)僅與熱電偶的材料和接點(diǎn)溫度有關(guān)，與材料的形狀、大小無(wú)關(guān)。熱電偶還有一個(gè)中間導(dǎo)體定律：在熱電偶回路中，加入一根中間導(dǎo)體，只要中間導(dǎo)體兩端的溫度相同，就不會(huì)影響熱電動(dòng)勢(shì)。圖1-5 皮拉尼真空計(jì)圖1-6 熱電偶真空計(jì)單位時(shí)間內(nèi)氣體分子從加熱燈絲表面?zhèn)鬟f到熱真空計(jì)玻璃管的熱量 （1）式中：稱為聚合系數(shù)；t1和t2分別為熱絲和玻管溫度；r1和l分別為熱絲的半徑和長(zhǎng)度。由式（1）可知，q3與壓強(qiáng)p成正比。但是，由于氣體分子與固體表面的碰撞過(guò)程非常復(fù)雜，很難確定，所以很難由式（1）計(jì)算出q3，通常需用絕對(duì)真空計(jì)較準(zhǔn)。高真空時(shí)，自由程l>>r2-r1(r2玻管半徑)，由于壓強(qiáng)很低，q3<

8、;<q1-q2，q3與壓強(qiáng)無(wú)關(guān)。2、電離真空計(jì)工作原理似三極管。燈絲f發(fā)射熱電子，發(fā)射的熱電子（e）被加速極a加速，碰撞氣體分子（m）而使其電離：電離產(chǎn)生的離子數(shù)和氣壓p成正比，即 （2）式中，ii為離子收集極c得到的離子流，ie為加速極a得到的電子流，兩者之比稱為電離系數(shù)。圖1-6 熱陰極電離真空計(jì)假設(shè)陰極與離子收集極的間距為d，電子的平均自由程為le，如果電子每與氣體分子碰撞一次就能產(chǎn)生一次電離，則 （3）考慮到 ，且 于是 （4）但是，按式（4）計(jì)算的p要較壓縮真空計(jì)實(shí)際測(cè)得的壓強(qiáng)低。故式（2）可改寫(xiě)成 這里k為電離真空計(jì)的靈敏度，通常為440。當(dāng)ie為常數(shù)時(shí)有 ii = iekp

9、 = cp即得離子流僅與壓強(qiáng)成正比，因而測(cè)出離子流，經(jīng)直流放大器放大后，就可用轉(zhuǎn)換為壓強(qiáng)刻度的表頭指示。測(cè)量范圍：10-110-6pap>10-1pa，飽和，p<10-6pa，高速電子x射ixiib-a型：改變離子收集極，板狀柱，x射ix p10-10pa。表1-2 幾種真空計(jì)的特性名 稱原 理精 度反應(yīng)時(shí)間工作壓力范圍（pa）其 它u形管壓強(qiáng)計(jì)根據(jù)液柱差測(cè)量壓力0.5托數(shù)秒10-510-2作為校正標(biāo)準(zhǔn)，與氣體種類無(wú)關(guān)麥克勞真空計(jì)（壓縮真空計(jì)）根據(jù)壓縮后的液柱差測(cè)量壓力幾%幾十%數(shù)分1010-3 (10-4)作用校正標(biāo)準(zhǔn)，不適宜測(cè)可凝性氣體皮拉尼真空計(jì)（電阻真空計(jì)）利用氣體分子的熱傳導(dǎo)10%以上數(shù)秒10310-2 (10-3)靈敏度因氣體種類而變，熱絲狀態(tài)不同，零點(diǎn)變化。熱電偶真空計(jì)靈敏度易變肖魯斯電離真空計(jì)利用熱電子電離殘余氣體1020%10-3秒1010-