真空獲得和真空鍍膜-張中月

真空與薄膜技術(shù)

真空鍍膜技術(shù)是一種新穎的材料合成與加工的新技術(shù)，是表面工程技術(shù)領(lǐng)域的重要組成部分。真空鍍膜技術(shù)是利用物理、化學(xué)手段將固體表面涂覆一層特殊性能的薄膜，從而使固體表面具有耐磨損、耐高溫、耐腐蝕、抗氧化、防輻射、導(dǎo)電、導(dǎo)磁、絕緣和裝飾等許多優(yōu)于固體材料本身的優(yōu)越性能，達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量、延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命、節(jié)約能源和獲得顯著技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益的作用。因此真空鍍膜技術(shù)被譽(yù)為最具有發(fā)展前途的重要技術(shù)之一，并已在高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展中展現(xiàn)出有人的市場(chǎng)前景。真空與薄膜技術(shù)

真空技術(shù)：是建立低于大氣壓力的物理環(huán)境，已經(jīng)在此環(huán)境中進(jìn)行工藝制作、物理測(cè)量和科學(xué)試驗(yàn)等所需的技術(shù)。薄膜技術(shù)：是與薄膜制備、薄膜測(cè)試等相關(guān)的各種技術(shù)的總稱。真空與薄膜技術(shù)

真空應(yīng)用真空獲得真空測(cè)量真空檢漏薄膜物理薄膜制備薄膜表征薄膜器件真空技術(shù)薄膜技術(shù)參考書(shū)目：1、超高真空技術(shù)邱愛(ài)葉邵健中編著浙江大學(xué)出版社1991年8月出版2、半導(dǎo)體薄膜技術(shù)與物理葉志鎮(zhèn)呂建國(guó)呂斌張銀珠編著浙江大學(xué)出版社2008年9月出版3、薄膜材料-制備原理、技術(shù)及應(yīng)用唐偉忠編著冶金工業(yè)出版社2003年1月出版真空技術(shù)第一章真空物理實(shí)例：真空熱阻蒸發(fā)第一節(jié)真空的性質(zhì)一、真空的定義“真空”：譯自拉丁文Vacuo，即是虛無(wú)。在指定的空間內(nèi)，低于一個(gè)大氣壓力的氣體狀態(tài)，統(tǒng)稱為真空。氣體密度越小，真空度越高。常見(jiàn)的真空應(yīng)用？物理真空：沒(méi)有任何實(shí)物粒子存在的空間，但是什么都沒(méi)有的空間是不存在的。工業(yè)真空：指氣壓比一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓小的氣體空間，是指稀薄的氣體狀態(tài)。二、真空度的定義真空狀態(tài)下氣體稀薄程度稱為真空度，通常用壓力值表示。氣體壓力的本質(zhì)：氣體分子與容器器壁的不斷碰撞？真空的單位：在真空科學(xué)的不同學(xué)科領(lǐng)域中，由于傳統(tǒng)習(xí)慣的差異，采用的壓強(qiáng)單位也不同，目前常用的有以下幾種：(1)毫米汞柱(mmHg):在0C時(shí)，1毫米汞柱作用在單位面積的力。1mmHg=13.6g/cm21標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(atm)=760mmHg(2)托(Torr):

1Torr=1mmHg(3)帕斯卡(Pa):壓強(qiáng)的國(guó)際單位制1Pa=1牛頓/米2=7.5X10-3Torr(4)巴(bar):1bar=105Pa真空的分類(lèi)四、真空的作用三、真空的性質(zhì)減少蒸發(fā)分子與殘余氣體分子的碰撞抑制反應(yīng)1、降低了氣體的化學(xué)活潑性，有利于儲(chǔ)存活性金屬和利用金屬的特性；2、延長(zhǎng)了固體表面沉積氣體分子層的時(shí)間，有利于分析研究清潔表面和測(cè)定氣體層的作用；3、減少了帶電粒子在電場(chǎng)、磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)的碰撞損失；4、改變了大氣壓下靠分子間相互作用發(fā)生的物理過(guò)程，如熱、聲和氣體密度本身等的傳播過(guò)程。五、真空技術(shù)的作用真空狀態(tài)下，氣體分子在一定時(shí)間內(nèi)碰撞于固體表面上的次數(shù)減少，這將導(dǎo)致其具有一系列新的物化特性，如：熱傳導(dǎo)與對(duì)流小氧化作用少氣體污染小汽化點(diǎn)低高真空的絕緣性能好真空技術(shù)的作用：是基本的實(shí)驗(yàn)技術(shù)之一在近代尖端科學(xué)技術(shù)，如表面科學(xué)、薄膜技術(shù)、空間科學(xué)、高能粒子加速器、微電子學(xué)、材料科學(xué)等工作中都占有關(guān)鍵的地位，其應(yīng)用越來(lái)越廣泛。第二節(jié)真空的氣體動(dòng)力學(xué)模型真空環(huán)境是一種低氣壓狀態(tài)，其狀態(tài)方程為：PV=NkT氣體動(dòng)力學(xué)理論能夠解釋真空性質(zhì)與氣壓間的關(guān)系。理論假設(shè)：(1)氣體分子可以用不停地雜亂無(wú)章運(yùn)動(dòng)的硬球表示；(2)分子間以及分子與真空容器壁之間只發(fā)生彈性碰撞從這些假設(shè)出發(fā)演繹出的許多關(guān)系和準(zhǔn)則表明：動(dòng)力學(xué)理論完全能夠解釋氣體的性質(zhì)，甚至預(yù)示氣體性質(zhì)。2.1壓強(qiáng)壓強(qiáng)的本質(zhì)：大量雜亂運(yùn)動(dòng)分子碰撞容器表面所引起的動(dòng)量改變率就是氣體對(duì)表面的壓強(qiáng)。m：分子質(zhì)量n：?jiǎn)挝蝗莘e內(nèi)的分子數(shù)：所有分子速度的方均根2.2分子的動(dòng)能和速度由為使動(dòng)力學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致，即：必有：分子的動(dòng)能：因?yàn)橘|(zhì)量為m，速度為的粒子的動(dòng)能為：即：動(dòng)力學(xué)理論把氣體分子的平均動(dòng)能與氣體的絕對(duì)溫度聯(lián)系起來(lái)了。分子的平均速度：分子間不斷地相互碰撞，使處于穩(wěn)態(tài)的氣體形成確定的速度分布。在平衡狀態(tài)下的單位體積內(nèi)，在球坐標(biāo)系所確定的速度空間中，速度體積元是：按照統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的Maxwell速度分布定律，處在速度體積元的分子數(shù)為：得到速度間隔內(nèi)的分子數(shù)：這是不考慮速度方向而處在相鄰速度球殼之間的分子數(shù)。按概率密度的定義，有Maxwell速度分布函數(shù)：最概然速率：利用概率密度求平均值的方法，得到氣體分子的平均速度：T=300K時(shí)，空氣分子的平均運(yùn)動(dòng)速度為460m/s利用概率密度求平均值的方法，得到氣體分子的平均動(dòng)能：2.3入射到表面的分子數(shù)通常需要知道單位時(shí)間內(nèi)轟擊到真空中單位面積上的分子數(shù),即碰壁數(shù)。單位時(shí)間內(nèi)同dσ碰撞的速度在v附件dv范圍內(nèi)的分子都以dσ

為底面，vx為高的斜桶內(nèi)。故分子數(shù)為：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)同dσ碰撞的各種速度的總分子數(shù)ΔN應(yīng)為分子數(shù)對(duì)vx>0和所有vy和vz積分。碰壁數(shù)：泄流2.4平均自由程氣體分子雜亂運(yùn)動(dòng)使它們彼此間發(fā)生相互碰撞，分子碰撞之間的平均飛行距離，稱為平均自由程。在穩(wěn)態(tài)下，氣體內(nèi)同類(lèi)分子間碰撞的平均自由程：:是分子球的直徑常溫、常壓的條件下，空氣分子的有效截面直徑約為0.5nm，此時(shí)，其平均自由程約為50nm。表明，在常溫、常壓下，氣體分子的平均自由程是極短的。分子碰撞：隨著氣體壓強(qiáng)或密度的減小，增大，在某些壓強(qiáng)下平均自由程將大于真空容器的尺寸；這時(shí)，分子與器壁間的碰撞多于分子間的碰撞，于是氣體經(jīng)過(guò)真空系統(tǒng)的流通便是自由分子流。平均碰撞頻率=分子平均運(yùn)動(dòng)速度/平均自由程每個(gè)空氣分子每秒要經(jīng)歷10^10次碰撞，定向運(yùn)動(dòng)的速度很慢。不同壓強(qiáng)下N2的平均自由程、入射到單位面積上的分子數(shù)和單分子層的形成時(shí)間壓強(qiáng)(Pa)10510-410-610-810-10n2.7x10192.7x10102.7x1082.7x1062.7x104f2.8x10232.8x10142.8x10122.8x10102.8x1086x10-66x1036x1056x1076x1093x10-19s3s5min8.5hour35dayn=分子數(shù)/cm3,在0C時(shí)；f=入射分子數(shù)/cm2,在0C、s-1時(shí)；=自由程，cm為單位；=單分子層形成時(shí)間，粘附幾率為1第三節(jié)氣體經(jīng)真空系統(tǒng)的流動(dòng)3.1質(zhì)量流抽真空：就是從容器內(nèi)抽除氣體質(zhì)量；抽氣率：即質(zhì)量流，取決于壓強(qiáng)下降率；質(zhì)量流(或質(zhì)量流率)：若容器內(nèi)起初包含分子質(zhì)量為m的分子數(shù)為N，則抽氣時(shí)的質(zhì)量變化率為：質(zhì)量流(或質(zhì)量流率)：氣流率，是一個(gè)易測(cè)量，氣流率的單位：Pam3s-1因?yàn)椋核裕憾x：質(zhì)量流率與氣流率的關(guān)系式：質(zhì)量流率：氣流率：?jiǎn)挝唬篜am3s-13.2流導(dǎo)在恒溫下，當(dāng)存在壓差時(shí)，便會(huì)發(fā)生氣體經(jīng)小孔或管道的流動(dòng)。在自由分子流情況下，經(jīng)管道的氣流量Q正比于壓差，即：是比例常數(shù)，與管道的直徑有關(guān)，稱為流導(dǎo),單位為m3/s流導(dǎo)(C1和C2)的并聯(lián)：流導(dǎo)(C1和C2)的串聯(lián)：流導(dǎo)流導(dǎo)定義式：3.2.1小孔的流導(dǎo)T,P1T,P2兩個(gè)大容器靠‘沒(méi)有’厚度的直徑遠(yuǎn)小于分子平均自由程的小孔相聯(lián)。若此容器充分大，使通過(guò)小孔的氣流對(duì)容器內(nèi)分子的分布不產(chǎn)生嚴(yán)重影響，則在每個(gè)容器內(nèi)各處的壓強(qiáng)可以認(rèn)為是均勻的。截面面積為AT,P1T,P2泄流分子數(shù)：T,P1T,P2設(shè)兩個(gè)容器的溫度相同，但一個(gè)的內(nèi)壓強(qiáng)大于另一個(gè)(如P1>P2),則在穩(wěn)流條件下，單位時(shí)間內(nèi)從高氣壓到低氣壓的凈分子流數(shù)為：質(zhì)量流：有：因：得到小孔的流導(dǎo)：即小孔的流導(dǎo)是氣體溫度、氣體種類(lèi)和小孔面積的函數(shù)。3.2.2管道的流導(dǎo)分子流狀態(tài):分子主要與管壁相碰撞，而分子間則幾乎不碰撞穿過(guò)半徑為r、無(wú)限長(zhǎng)管任何截面的氣流量為：若管道無(wú)限長(zhǎng)，但仍充分長(zhǎng)，則出入口端的影響可以忽略，穿過(guò)任何截面的氣流率仍然可以認(rèn)為是常數(shù)，于是：L是管道長(zhǎng)度高本輝，崔素言；真空物理，科學(xué)出版社，1983年。則長(zhǎng)管道的流導(dǎo)為：T,P1T,P2則短管道的流導(dǎo)為：T,P1T,P2對(duì)于出入口端面和管壁面積相比擬的短管，其流導(dǎo)是管道和小孔流導(dǎo)的合成(串聯(lián))。上次課的復(fù)習(xí)一、真空的定義在指定的空間內(nèi)，低于一個(gè)大氣壓力的氣體狀態(tài)，統(tǒng)稱為真空。二、氣體壓力的本質(zhì)：氣體分子與容器器壁的不斷碰撞三、真空的分類(lèi)：粗真空、低真空、高真空、超高真空和極高真空。105~103、103~10-1、10-1~10-6、10-6~10-12、<10-12四、真空的單位：(1)毫米汞柱(mmHg):1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(atm)=760mmHg(2)托(Torr):

1Torr=1mmHg=133Pa(3)帕斯卡(Pa):壓強(qiáng)的國(guó)際單位制(4)巴(bar):1bar=105Pa五、入射到表面的分子數(shù)通常需要知道單位時(shí)間內(nèi)轟擊到真空中單位面積上的分子數(shù)，從動(dòng)力學(xué)理論有：六、平均自由程氣體分子雜亂運(yùn)動(dòng)使它們彼此間發(fā)生相互碰撞，分子碰撞之間的平均飛行距離，稱為平均自由程。七、氣流的流動(dòng)狀態(tài)：黏滯流狀態(tài)：紊流狀態(tài)，層流狀態(tài)分子流狀態(tài):分子主要與管壁相碰撞，而分子間則幾乎不碰撞八、不同壓強(qiáng)下N2的平均自由程、入射到單位面積上的分子數(shù)和單分子層的形成時(shí)間壓強(qiáng)(Pa)10510-410-610-810-10n2.7x10192.7x10102.7x1082.7x1062.7x104f2.8x10232.8x10142.8x10122.8x10102.8x1086x10-66x1036x1056x1076x1093x10-19s3s5min8.5hour35dayn=分子數(shù)/cm3,在0C時(shí)；f=入射分子數(shù)/cm2,在0C、s-1時(shí)；=自由程，cm為單位；=單分子層形成時(shí)間，粘附幾率為1九、質(zhì)量流率與氣流率的關(guān)系式：質(zhì)量流率：氣流率：?jiǎn)挝唬篜am3s-1在自由分子流情況下，經(jīng)管道的氣流量Q正比于壓差，即：是比例常數(shù)，與管道的直徑有關(guān)，稱為流導(dǎo),單位為m3/s十、流導(dǎo)流導(dǎo)(C1和C2)的并聯(lián)：流導(dǎo)(C1和C2)的串聯(lián)：流導(dǎo)流導(dǎo)定義式：小孔的流導(dǎo)：即C0是氣體溫度、氣體種類(lèi)和小孔面積的函數(shù)。則長(zhǎng)管道的流導(dǎo)為：則短管道的流導(dǎo)為：T,P1T,P2T,P1T,P2T,P第四節(jié)真空系統(tǒng)的抽氣4.1抽速抽氣泵是抽除氣體的工具。實(shí)際抽氣泵都連續(xù)工作，若進(jìn)入泵的氣流量恒定，則在泵入口會(huì)建立起具有恒定壓強(qiáng)P的穩(wěn)態(tài)。若定義：

氣流量：式中，P1是系統(tǒng)內(nèi)壓強(qiáng)，P2是泵入口處壓強(qiáng)。S0就是泵的抽氣能力，稱為抽速。與管道的直徑有關(guān)，稱為流導(dǎo),單位為m3/s抽速和流導(dǎo)具有相同的量綱。對(duì)于抽氣泵來(lái)說(shuō)，抽速S0在整個(gè)工作壓強(qiáng)范圍內(nèi)為恒值，這是一個(gè)很有用的特性。進(jìn)入泵的氣流量為：容器內(nèi)的抽速為：管道內(nèi)的氣流量為：從這些方程消去Q、P1和P2，得：結(jié)論：若泵經(jīng)流導(dǎo)C聯(lián)接到真空容器，則容器獲得的抽速必定減小。

1.對(duì)于任何給定的流導(dǎo)C，泵抽速S0無(wú)論選擇何值，容器內(nèi)獲得的最大抽速S都不會(huì)超過(guò)C(m3/s)。

2.只有當(dāng)泵與容器直接結(jié)合時(shí)，即C=∞，才能全部利用泵的抽速（S=S0）。

3.當(dāng)流導(dǎo)C等于泵的抽速S0時(shí)，容器內(nèi)獲得的抽速僅為泵抽速之半，即S0/2。

4.2抽氣率真空容器內(nèi)氣體質(zhì)量的變化率等于單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入和離開(kāi)的氣體的質(zhì)量之差：下標(biāo)i和o分別表示進(jìn)入和流出。對(duì)于恒定容積的真空系統(tǒng)：物質(zhì)不滅定律與物質(zhì)不滅定律等價(jià)的數(shù)學(xué)式：在T、m恒定時(shí)假定Qi是常數(shù)，P0為初始?jí)簭?qiáng)，則有：容器內(nèi)壓強(qiáng)將以時(shí)間常數(shù)V/S指數(shù)下降。t→∞時(shí)容器的的極限壓強(qiáng)：上式具有深刻的物理意義，是真空技術(shù)的基本關(guān)系式。4.3抽速、氣體流入量和真空度容器的極限壓強(qiáng)：極限真空度與抽速S和氣體流入量Qi有關(guān)！理想泵：實(shí)現(xiàn)抽速S最大的泵！此時(shí)所有轟擊泵表面的分子將永久地停留在泵表面上。？最大抽速是多少？入射到單位面積的氣流量：為單位時(shí)間內(nèi)轟擊到真空中單位面積的分子數(shù)：按抽速定義()，理想泵單位面積的抽速為：室溫下氮?dú)鈺r(shí)的最大抽速為100m3/s。在理想泵下，氣體流入量與真空度間的關(guān)系Chamberpump考察容積為1m3的容積，在其一個(gè)面上有一塊面積為0.01m2的理想抽氣泵。R.T.,N2的最大抽速為100m3/s。因此，在容器內(nèi)可獲得的最大抽速為：0.01m2x100m3/sm2=

1m3/s利用容器的極限壓強(qiáng)：內(nèi)任何極限壓強(qiáng)值所許可的氣體流入量值：,可以計(jì)算容器(Pam3s-1)

(Pa)真空度103103粗真空11中真空10-410-4高真空10-910-9超高真空由此可見(jiàn)：使用最好的抽氣泵時(shí)，真空容器達(dá)到粗真空與超高真空之間主要差別是后者的氣體流入量比前者小12個(gè)量級(jí)。

理想泵的抽速不可能達(dá)到：實(shí)際上不可能制成能使氣體分子永久地停留的理想表面。

液氮冷卻的表面可以近似為理想表面，能夠制成冷凝抽氣泵，冷凝容易凝結(jié)的氣體，但是不能冷凝He、H2和Ne等不易凝結(jié)的氣體。

正確的選擇泵或泵組的類(lèi)型，達(dá)到需要的極限壓強(qiáng)，是真空系統(tǒng)制造的基本問(wèn)題。第五節(jié)真空系統(tǒng)內(nèi)的氣體源經(jīng)容器壁的泄漏虛漏蒸發(fā)表面出氣體出氣滲透分解真空系統(tǒng)內(nèi)的氣體源高能粒子轟擊出氣5.1經(jīng)容器壁的泄漏大多數(shù)固體材料在沒(méi)有缺陷時(shí)是不會(huì)漏氣的，漏孔往往出現(xiàn)在兩塊不同材料或不同材料之間的真空密封接頭處。漏源：真空容器壁上如有小孔，大氣就會(huì)漏入容器內(nèi)。必須減少漏孔的尺寸和數(shù)量，使總的氣體流入量小于或等于抽速與壓強(qiáng)的乘積。

檢測(cè)：氦檢漏儀能夠非常靈敏地檢測(cè)出影響真空系統(tǒng)達(dá)到超高真空的漏孔。最小可檢測(cè)的氦氣流入量是10-12Pam3/s(Pam3s-1)

(Pa)真空度10-410-4高真空10-910-9超高真空對(duì)于上面這個(gè)例子，漏氣率為10-12Pam3/s比達(dá)到超高真空允許的水平低三個(gè)量級(jí)，因此，氦檢漏試驗(yàn)?zāi)軌蚍浅ｌ`敏地檢出影響真空系統(tǒng)達(dá)到超高真空的漏孔。

對(duì)策：利用永久密封技術(shù)和可拆密封技術(shù)盡量減少漏孔的尺寸和數(shù)量，使總的氣體流量小于或等于抽速與壓強(qiáng)的乘積。由于壓差、振動(dòng)和熱脹等因素在接頭內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變，可能會(huì)使接頭損壞。5.2虛漏來(lái)源：疏松的結(jié)構(gòu)物質(zhì)以及材料內(nèi)部的花紋、氣孔和裂縫等，在大氣存放時(shí)會(huì)儲(chǔ)存氣體，抽真空時(shí)會(huì)形成虛漏源。

實(shí)例：真空系統(tǒng)的螺釘擰入盲孔，就會(huì)有以小體積的大氣儲(chǔ)存在孔內(nèi)。當(dāng)對(duì)容器抽氣時(shí)，這部分氣體就沿螺釘螺紋形成的螺旋形狹縫漏入真空系統(tǒng)內(nèi)。氣流量受狹縫流導(dǎo)和壓強(qiáng)差所控制。最后，當(dāng)所有氣體漏完后便不再有漏氣量了。

本質(zhì)：虛漏的問(wèn)題，并不是限制系統(tǒng)的極限壓強(qiáng)，而是達(dá)到極限壓強(qiáng)要花很長(zhǎng)的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間嚴(yán)重地依賴于儲(chǔ)存氣體的體積和狹縫流導(dǎo)。

對(duì)策：元件或部件的正確設(shè)計(jì)往往能避免這種虛漏。假設(shè)儲(chǔ)存氣體的體積為10-6m3，狹縫流導(dǎo)是10-2m3s-1，則除氣時(shí)間為：約10天5.3蒸發(fā)

定義：當(dāng)固體或液體的任一原子或分子的動(dòng)能足以克服其結(jié)合能時(shí)，就有粒子逸出而成為氣體，這個(gè)過(guò)程稱為蒸發(fā)。實(shí)事：由于粒子能量雜亂分布,總會(huì)有一些粒子具有足以逸出的能量，因而蒸發(fā)在任何瞬時(shí)都可能發(fā)生。事例：若固體或液體處在隔離周?chē)鷼怏w的密閉容器內(nèi)，則所有蒸發(fā)出來(lái)的氣體粒子將聚集在容器內(nèi)，聚集氣體的密度和壓強(qiáng)都將增大。因此，單位時(shí)間內(nèi)氣體分子轟擊到真空中單位面積上的速率，從動(dòng)力學(xué)理論有：可以預(yù)料：容器內(nèi)氣體的壓強(qiáng)會(huì)升高到一平衡值PV,這時(shí)單位面積的蒸發(fā)率等于分子的返回率；此時(shí)，得到平衡時(shí)的蒸發(fā)率W：平衡態(tài)單位面積的蒸發(fā)率等于氣體分子的返回率

飽和蒸汽壓平衡蒸汽壓PV也稱為飽和蒸汽壓，簡(jiǎn)稱蒸汽壓。容器中的液體分子跑到空間去的現(xiàn)象蒸發(fā)空間中的氣體分子返回液體內(nèi)去的現(xiàn)象凝結(jié)在一定溫度下，單位時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)與凝結(jié)的分子數(shù)相等，蒸發(fā)處于飽和狀態(tài)，此時(shí)容器的壓力飽和蒸汽壓。飽和蒸汽壓PV的表達(dá)式可以從Clausius-Clapeyron熱力學(xué)關(guān)系導(dǎo)出：式中a和b是隨材料而異的常數(shù)。

相同的物質(zhì)，飽和蒸汽壓隨溫度的上升而增大。

相同溫度下，物質(zhì)的飽和蒸汽壓越高，該物質(zhì)的蒸發(fā)能力越強(qiáng)。

在超高真空下，所有物質(zhì)的平衡蒸汽壓都遵循這個(gè)規(guī)律；且PV與真空氣壓P無(wú)關(guān)。因?yàn)檎舭l(fā)率W

只與具有足夠能量逸出的分子數(shù)有關(guān)，所以W的值與表面上方的壓強(qiáng)無(wú)關(guān)。蒸發(fā)到真空的速率應(yīng)該是常數(shù)，它只與溫度和物質(zhì)的本性有關(guān)，即：從蒸發(fā)物質(zhì)單位面積上出來(lái)的凈流量為：是表面上的蒸汽壓。當(dāng)這流量與蒸發(fā)物質(zhì)表面積乘積提供的氣體負(fù)載等于抽氣速率時(shí)，真空系統(tǒng)將受蒸發(fā)過(guò)程所限制。5.4表面出氣氣體分子與固體表面碰撞氣體分子被隨即彈回（少數(shù)時(shí)）

滯留一段時(shí)間后離開(kāi)到與入射無(wú)關(guān)的方向上去（多數(shù)時(shí)）吸附：氣體分子的滯留過(guò)程。解吸：氣體分子離開(kāi)表面的過(guò)程。物理吸附化學(xué)吸附物理吸附：分子間的VanderWaals吸引力。化學(xué)吸附：氣體分子在表面上分解后產(chǎn)生的原子與表面粒子化學(xué)反應(yīng)形成的化學(xué)鍵引起的。都可以把氣體分子看成是由約束能E吸附于表面上，E為1摩爾氣體分子從氣相想轉(zhuǎn)變?yōu)槭`態(tài)時(shí)所釋放出的能量。

若要使分子解吸，則應(yīng)給與吸附時(shí)放出的能量使之激活，故E也稱為解吸激活能。在任何時(shí)候，表面出氣就意味著表面的吸附氣體層沒(méi)有與“氣相”的氣體相平衡。如果升高表面溫度，比如對(duì)腔壁表面進(jìn)行烘烤，則能減少對(duì)到達(dá)平衡狀態(tài)所需的時(shí)間。由于固體表面粒子的熱運(yùn)動(dòng)，束縛分子總有可能經(jīng)過(guò)碰撞而獲得激活能。這是一種瞬變現(xiàn)象，達(dá)到平衡時(shí)此現(xiàn)象便中斷，達(dá)到平衡的速度較快。5.5體出氣上節(jié)沒(méi)有考慮到表面以下材料對(duì)出氣的影響。實(shí)際上，塊材在其加工和處理時(shí)，或又在其暴露大氣期間，材料體內(nèi)總會(huì)吸收氣體，所以塊材在抽真空時(shí)會(huì)出現(xiàn)體出氣。對(duì)于體出氣，我們同樣可以通過(guò)烘烤，使塊材溫度升高，出氣率增大，從而減少達(dá)到指定壓強(qiáng)所需的抽氣時(shí)間。5.6滲透

來(lái)源：腔體兩側(cè)的氣壓不同造成的濃度梯度差引起滲透。

通常，對(duì)于大多數(shù)氣體-固體組合來(lái)說(shuō)，室溫下的滲透并不太重要，但是氦與某些玻璃的組合要例外。

然而，當(dāng)真空殼體溫度升高以減小表面和體出氣時(shí)，卻增加了滲透進(jìn)入真空系統(tǒng)的氣流量。5.7分解金屬材料表面或多或少存在一層氧化膜，在真空內(nèi)氧化物的分解也是一種氣體來(lái)源；而且氧化物一般比較疏松，其內(nèi)儲(chǔ)存有少量氣體，在真空內(nèi)它們是虛漏源。除此之外，真空系統(tǒng)內(nèi)的其他化合物，例如氮化物、氫化物和碳?xì)浠衔锏?，都可以在一定的溫度下分解產(chǎn)生氣體，并且可能成為超高真空系統(tǒng)極限壓強(qiáng)的限制因素。5.8高能粒子轟擊出氣高能粒子電子光子重粒子質(zhì)子中子離子原子轟擊表面解吸吸附在表面的氣體引起表面物質(zhì)的濺射也是超高真空的氣體源應(yīng)用實(shí)例：輝光放電氬離子轟擊真空容器表面除氣；電子轟擊電極表面和電極塊除氣；重粒子對(duì)材料表面濺射剝蝕和清潔表面；重粒子對(duì)材料表面摻雜和刻蝕；等等。活性金屬濺射粒子沉積過(guò)程中的吸附抽氣；真空技術(shù)第二章真空泵極限壓強(qiáng)：由第一章知識(shí)：當(dāng)氣體流入量Qi恒定時(shí)，每降低系統(tǒng)的極限壓強(qiáng)Pult一個(gè)量級(jí)就要提高抽速S一個(gè)量級(jí)！泵的實(shí)際抽速小于理論抽速，而且只工作在一個(gè)有限的壓強(qiáng)范圍內(nèi)要選用合適的泵/泵組對(duì)系統(tǒng)抽氣。機(jī)械泵：Pult

10-2Pa；低真空擴(kuò)散泵/分子泵—機(jī)械泵組：Pult

10-6Pa；高真空離子泵、吸附泵和低溫冷凝泵等：Pult

10-8Pa；超高真空

主要工具第一節(jié)機(jī)械泵

利用機(jī)械運(yùn)動(dòng)使工作室的容積周期性地?cái)U(kuò)大和壓縮實(shí)現(xiàn)抽氣！1.濾網(wǎng)2.擋油板3.泵油4.旋片5.旋片彈簧6.空腔7.轉(zhuǎn)子8.油箱9.排氣閥門(mén)10.彈簧板工作原理：波意爾—馬略特定律抽氣過(guò)程當(dāng)轉(zhuǎn)子由(a)轉(zhuǎn)向(b),空間S不斷變大,氣體通過(guò)進(jìn)氣口C被吸入；(i)(ii)當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到(c)時(shí)，空間S與進(jìn)氣口C被隔開(kāi)；(iii)當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到(d)時(shí)，氣體被壓縮，壓強(qiáng)增大，氣體沖開(kāi)出氣口的單向閥排出泵外；abcd性能參數(shù)：抽氣速率、極限真空度1.抽氣速率（抽速）理論抽速：機(jī)械泵工作時(shí)單位時(shí)間內(nèi)所排出的幾何容積。抽氣機(jī)銘牌上給的抽速。系數(shù)2表示機(jī)械泵每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)吸氣排氣各兩次；ω為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速；ΔV為泵體封閉腔的容積。理論抽速是當(dāng)進(jìn)氣口處于大氣壓時(shí)的抽速，實(shí)際抽速要小于理論抽速。例如，泵的轉(zhuǎn)速為800r/m，ΔV=1/4L，則Sth=400L/min。=6.7L/s。2.極限真空度

抽氣一段時(shí)間后，真空度達(dá)到一定值，氣體雖經(jīng)壓縮，但壓強(qiáng)不夠大，沖不開(kāi)單向閥，就排不出去，形成極限真空。限制因素a.有害空間(即定子和轉(zhuǎn)子接觸點(diǎn)處與出氣口之間的一小塊空間),氣體不可能全部排出。b.機(jī)械泵油有一定的飽和蒸汽壓，在常壓下溶解一定的氣體，當(dāng)周?chē)鷼鈮航档突驕囟壬邥r(shí)會(huì)產(chǎn)生氣體。幾個(gè)注意事項(xiàng)：第一，機(jī)械泵工作過(guò)程中，轉(zhuǎn)子快速轉(zhuǎn)動(dòng)，各接觸點(diǎn)都存在摩擦。因此，整個(gè)泵體必須浸沒(méi)在機(jī)械泵油中，起到密封潤(rùn)滑和冷卻的作用。泵油的性能對(duì)極限真空有重大影響，要選擇室溫飽和蒸汽壓低、不含揮發(fā)物質(zhì)而且具有適當(dāng)粘度的泵油。第二，由于被抽氣體在泵內(nèi)壓縮，氣體中的蒸汽會(huì)因?yàn)閴嚎s凝結(jié)成液體，而無(wú)法排出泵外。所謂氣鎮(zhèn)，就是安裝在排氣口的一個(gè)滲氣漏閥，在氣體尚未壓縮之前向泵內(nèi)滲入少量氣體，協(xié)助打開(kāi)單向閥，讓蒸汽在凝結(jié)之前排出泵外。但氣鎮(zhèn)的使用會(huì)降低系統(tǒng)的極限真空，所以只適合在抽氣的初始階段打開(kāi)。第三，機(jī)械泵停機(jī)后，泵內(nèi)外壓強(qiáng)差很大，要防止“回油”現(xiàn)象。為此，停機(jī)后需將進(jìn)氣口與大氣接通；或者在進(jìn)氣口接上電磁閥，停機(jī)時(shí)，電磁閥斷電靠彈簧作用轉(zhuǎn)向接通大氣。第四，機(jī)械泵的種類(lèi)有很多，在薄膜技術(shù)當(dāng)中，主要使用的是上面介紹的油封旋片式機(jī)械真空泵。它是一種低真空泵，單獨(dú)使用時(shí)可獲得粗低真空，在真空機(jī)組中通常作前級(jí)泵。第二節(jié)擴(kuò)散泵依靠蒸汽流輸送氣體從而獲得高真空的真空泵。1.蒸汽流2.蒸汽流導(dǎo)管3.氣相加熱器4.水管5.前置擋油板6.分餾槽7.加熱器8.接機(jī)械泵9.接被抽容器10.氣體11.鼓形泵殼12.泵液以擴(kuò)散油為工作液的稱為油擴(kuò)散泵，擴(kuò)散泵油選用分子量大、飽和蒸汽壓低，較濃稠的油。①泵油用電爐加熱后，產(chǎn)生高速蒸汽流(速度可達(dá)200∽300m/s)。②噴口周?chē)鷫簭?qiáng)降低，氣體隨即向噴口擴(kuò)散，并隨油蒸汽一起向下運(yùn)動(dòng)。油蒸汽被冷卻水冷卻回到泵底回收利用，釋放出來(lái)的空氣分子向噴口下方集結(jié)。③④經(jīng)過(guò)三級(jí)噴口的逐級(jí)作用，進(jìn)氣口的空氣分子被趕到出氣口，最終被機(jī)械泵抽走。性能參數(shù)：極限真空度、抽氣速率和返油率在噴口處，油蒸汽速率可表示為：式中，M是油蒸汽分子量。由此，按照擴(kuò)散理論推導(dǎo)出的擴(kuò)散泵的極限壓強(qiáng)為：Pf是前級(jí)真空壓強(qiáng)；n是油蒸汽分子密度；L是蒸汽流擴(kuò)散長(zhǎng)度；擴(kuò)散泵的極限壓強(qiáng)：配備性能良好的前級(jí)真空泵對(duì)于提高擴(kuò)散泵的極限真空度是至關(guān)重要的。擴(kuò)散泵的極限真空還取決于擴(kuò)散泵油的性質(zhì)。對(duì)于同一個(gè)擴(kuò)散泵，使用3號(hào)擴(kuò)散泵油（石油烴），極限真空為10-5Pa。如改用275號(hào)硅油，則可達(dá)10-7Pa！可見(jiàn)選擇泵油的重要性。幾個(gè)注意事項(xiàng)：第一，在擴(kuò)散泵工作過(guò)程中，油蒸汽會(huì)向被抽容器返流。這不僅影響系統(tǒng)極限真空，還會(huì)玷污真空容器壁，影響薄膜質(zhì)量。因此，要在進(jìn)氣口出安上冷凍擋板或液氮冷阱，以減少返油，獲得10-8∽10-9Pa的超高真空。第二，擴(kuò)散泵不能單獨(dú)工作，一定要用機(jī)械泵做前級(jí)泵，并使系統(tǒng)抽到10-1Pa量級(jí)時(shí)才能啟動(dòng)擴(kuò)散泵。否則會(huì)引起泵油的氧化！第三，牢記先通冷卻水，后加熱。結(jié)束時(shí)則應(yīng)先停止加熱，冷卻一段時(shí)間后才能關(guān)閉。第三節(jié)分子泵

通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的渦輪葉片，不斷對(duì)氣體分子施以定向的動(dòng)量和壓縮作用而獲得高真空、超高真空的一種機(jī)械真空泵。1.動(dòng)片2.定片3.進(jìn)氣口4.軸5.軸承6.排氣口結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：①由一系列動(dòng)、靜相間的葉輪相互配合組成。