第一章-薄膜制备的真空技术基础课件.ppt(81页)
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- 第一章 薄膜 制备 真空技术 基础 课件
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1、第一章第一章 薄膜制备的真空技术基础薄膜制备的真空技术基础n大部分的现代薄膜材料制备都是在真空或是较低大部分的现代薄膜材料制备都是在真空或是较低的气压下进行的,都涉及到气相的产生、输运以的气压下进行的,都涉及到气相的产生、输运以及反应的过程。及反应的过程。n因此,这一章中,我们先对有关气体的基本性质因此,这一章中,我们先对有关气体的基本性质进行简要的回顾,然后对最常用的真空技术的基进行简要的回顾,然后对最常用的真空技术的基础知识进行简单的介绍。础知识进行简单的介绍。第一章第一章 薄膜制备的真空技术基础薄膜制备的真空技术基础n1.1气体分子运动论气体分子运动论的基本概念的基本概念n1.2真空的基
2、本概念真空的基本概念n1.3 各类真空泵简介各类真空泵简介n1.4 真空测量技术真空测量技术n1.5 几种典型真空系统的建立几种典型真空系统的建立1.1 气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本概念1.描述气体分子状态的宏观物理量描述气体分子状态的宏观物理量-P、T、V 气体分子之间除了相互碰撞的瞬间外,气体分子之间除了相互碰撞的瞬间外,完全不存在相互作用。完全不存在相互作用。n一般的温度和压力条件下,所有的气体都可以被看一般的温度和压力条件下,所有的气体都可以被看作是理想气体。作是理想气体。n真空技术中研究气体时,一般可以应用理想气体状真空技术中研究气体时,一般可以应用理想气体状态方程。
3、态方程。1.1 气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本概念1.描述气体分子状态的宏观物理量描述气体分子状态的宏观物理量-P、T、V (1)理想气体状态方程:理想气体状态方程:P:压强(:压强(Pa););m:气体质量(:气体质量(Kg););V:体积(:体积(m3););R:普适气体常数:普适气体常数=8.314J.mol-1K-1 :T:绝对温度(:绝对温度(K)讨论:讨论:对于一定质量的气体,当气体温度一定时,对于一定质量的气体,当气体温度一定时,PV=K(与温度有关的常数),(与温度有关的常数),此即波义耳此即波义耳-马略特定律(机械泵的理论基础)。马略特定律(机械泵的理论基础)。
4、molmPVRTM1.1 气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本概念1.描述气体分子状态的宏观物理量描述气体分子状态的宏观物理量-P、T、V (2)阿伏加德罗定律阿伏加德罗定律:(理想气体状态方程的第二种表达方式):(理想气体状态方程的第二种表达方式)n为气体分子密度(为气体分子密度(1/m3);波尔兹蔓常数);波尔兹蔓常数k=R/NA=1.38 10-23JK-1;NA为阿伏加德罗常数,为阿伏加德罗常数,6.023 1023mol-1表明在相同压强和温度下,各种气体单位体积含分子数相同表明在相同压强和温度下,各种气体单位体积含分子数相同(与气体种类无(与气体种类无关)关)。在标准状态下
5、,任何气体的分子密度为在标准状态下,任何气体的分子密度为3 1019个个/m3pnkT1.1 气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本概念1.描述气体分子状态的宏观物理量描述气体分子状态的宏观物理量-P、T、V (2)阿伏加德罗定律阿伏加德罗定律:(理想气体状态方程的第二种表达方式):(理想气体状态方程的第二种表达方式)若气体由若气体由N个分子组成,每个分子的质量为个分子组成,每个分子的质量为M,则,则m=MN。而而1mol气体中的分子数气体中的分子数NA=6.023 1023,将,将Mmol=MNA代入理代入理想气体状态方程,则推出阿伏伽德罗定律。想气体状态方程,则推出阿伏伽德罗定律。p
6、nkT1.1 气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本概念 真空容器中气体分子运动是混乱的。气体分子进行无规真空容器中气体分子运动是混乱的。气体分子进行无规则热运动的每一时刻,每个分子的运动速率有偶然性,然而,则热运动的每一时刻,每个分子的运动速率有偶然性,然而,对于大量气体分子而言,其速率分布遵循统计规律。对于大量气体分子而言,其速率分布遵循统计规律。1.1 气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本概念f(v)速率分布函数(表明气体分子的速度分布只取决于分子的相对原子质量速率分布函数(表明气体分子的速度分布只取决于分子的相对原子质量M与热力学温与热力学温度度T的比值),的比值),M-
7、分子的摩尔质量,分子的摩尔质量,T为热力学温度,为热力学温度,R为普适气体常数。为普适气体常数。f(v)dv=dN/N为速率位于为速率位于v-(v+dv)区间的相对分子数或分子处于区间的相对分子数或分子处于v-(v+dv)间的几率。或者间的几率。或者f(v)dv表示在速率附近,表示在速率附近,dv速率间隔内的分子数占总分子数的比率。速率间隔内的分子数占总分子数的比率。dN=Nf(v)dv 设有设有N个气体分子的理想气体,在平衡状态速率处在个气体分子的理想气体,在平衡状态速率处在v-(v+dv)之间之间的分子数:的分子数:1.1 气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本概念f(v)速率分布函
8、数,速率分布函数,M-分子的摩尔质量,分子的摩尔质量,T为热力学温度,为热力学温度,R为普适气体常数。为普适气体常数。物理意义物理意义:dN=Nf(v)dv 设有设有N个气体分子的理想气体,在平衡状态速率处在个气体分子的理想气体,在平衡状态速率处在v-(v+dv)之间之间的分子数:的分子数:1.1 气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本概念 为了更深入地理解速率分布函数所表达的意义,以下图为了更深入地理解速率分布函数所表达的意义,以下图H2和和N2分子为例,对其速率分布进行了定量描述。分子为例,对其速率分布进行了定量描述。1.1 气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本概念 图中表示
9、,总分子数为图中表示,总分子数为107个、速率间隔个、速率间隔dv为为1cm/s时,时,在不同速率范围的分子数。例如,在不同速率范围的分子数。例如,0 的的N2分子,分子,v处于处于1000-1000.01m/s范围内的分子数大约为范围内的分子数大约为9个。个。由曲线可知,气体分子的速度具有很大的分布区间,平由曲线可知,气体分子的速度具有很大的分布区间,平衡温度越低,曲线越陡,分子按速率分布越集中;温度越高,衡温度越低,曲线越陡,分子按速率分布越集中;温度越高,曲线平缓,分子按速率分布越分散。气体分子的相对原子质曲线平缓,分子按速率分布越分散。气体分子的相对原子质量越小,则分子的平均运动速度越
10、大。量越小,则分子的平均运动速度越大。1.1 气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本概念3.气体分子的平均自由程气体分子的平均自由程 处于无规则热运动中的气体分子,彼此处于无规则热运动中的气体分子,彼此间不断碰撞,单位时间内气体分子的碰撞次间不断碰撞,单位时间内气体分子的碰撞次数称为碰撞频率。特定种类的气体分子的碰数称为碰撞频率。特定种类的气体分子的碰撞频率与气体分子热运动的速率有关,与气撞频率与气体分子热运动的速率有关,与气体的密度有关。体的密度有关。1.1 气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本概念3.气体分子的平均自由程气体分子的平均自由程q碰撞频率:单位时间内气体分子的碰撞
11、次数。碰撞频率:单位时间内气体分子的碰撞次数。q自由程:分子任意两次碰撞之间通过的路程,自由程:分子任意两次碰撞之间通过的路程,。:大量分子多次碰撞自由程大量分子多次碰撞自由程的平均值,的平均值,。或:一个气体分子连续两次碰撞间飞行距离的平均或:一个气体分子连续两次碰撞间飞行距离的平均值称为平均自由程值称为平均自由程 1.1 气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本概念3.气体分子的平均自由程气体分子的平均自由程一个气体分子在两次碰撞之间的平均距离:一个气体分子在两次碰撞之间的平均距离:n:单位体积内的分子数;单位体积内的分子数;d:气体分子的直径气体分子的直径 nd21*思考题思考题:平
12、均自由程在制膜中的重要作用?:平均自由程在制膜中的重要作用?答答影响气体分子到达衬底的分子能量,能量对成膜结构质量有很多影响。影响气体分子到达衬底的分子能量,能量对成膜结构质量有很多影响。自由程小自由程小碰撞多碰撞多气体分子能量气体分子能量薄膜疏松、不致密薄膜疏松、不致密1.1 气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本概念3.气体分子的平均自由程气体分子的平均自由程-补充补充(1)在常温常压条件下,空气分子的有效截面直径在常温常压条件下,空气分子的有效截面直径d 0.5nm。由由T=298K,P=nKT(P=101325Pa),代入),代入 公式得到:公式得到:50nm。表明在常温常压下,
13、气体分子的平均自由程是。表明在常温常压下,气体分子的平均自由程是极短的。极短的。(2)由气体分子的平均自由程还可以求出其平均碰撞频率)由气体分子的平均自由程还可以求出其平均碰撞频率=va/(常温常压时,(常温常压时,va=460m/s)。所以常温常压下,每个)。所以常温常压下,每个空气分子每秒内要经历空气分子每秒内要经历1010次碰撞。运动轨迹并不是直线,次碰撞。运动轨迹并不是直线,而是不断碰撞改变方向。而是不断碰撞改变方向。RTMPNkTPMRTvnmolAmol216844.单位面积上气体分子的碰撞频率单位面积上气体分子的碰撞频率 即单位面积上气体分子的通量(即单位面积上气体分子的通量(单
14、位时间内,碰撞于单位时间内,碰撞于单位面积上的气体分子数单位面积上的气体分子数)。)。克努森方程克努森方程因子因子1/4是对气体分子运动方向和运动速度分布进行数学是对气体分子运动方向和运动速度分布进行数学平均时得到的一个系数(球坐标)。平均时得到的一个系数(球坐标)。1.1 气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本概念衬底完全被一层分子覆盖所需时间:衬底完全被一层分子覆盖所需时间:PNRTMNNtAmol2N为表面原子密度为表面原子密度n常温常压下,洁净表面被杂质完全覆盖所需时常温常压下,洁净表面被杂质完全覆盖所需时3.5 10-9 s,n在在10-8Pa的高真空中,这一时间为的高真空中,
15、这一时间为10h。5 气体的流动状态气体的流动状态 气体的无规则热运动本身不能导致气体的宏观气体的无规则热运动本身不能导致气体的宏观流动,只有流动,只有在空间存在压力差的条件下,气体在空间存在压力差的条件下,气体作为一个整体才会产生宏观的定向流动。作为一个整体才会产生宏观的定向流动。n气体流动取决于容器形状,气体气压,温度及气体流动取决于容器形状,气体气压,温度及气体种类。气体种类。1.1 气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本概念气体流动状态分类气体流动状态分类分子流状态分子流状态:分子间无相互碰撞分子间无相互碰撞 (高真空度,容器高真空度,容器尺寸远小于或与平均自由程相当尺寸远小于或
16、与平均自由程相当)粘滞流状态粘滞流状态分子间碰撞平繁分子间碰撞平繁(中、低真空度,(中、低真空度,容器尺寸远大于容器尺寸远大于平均自由程)平均自由程)层流状态层流状态:低速流情况:低速流情况(宏观运动(宏观运动方向与一组平行线一致。气体流动速度越慢,方向与一组平行线一致。气体流动速度越慢,气体的密度越小,真空容器的尺寸越小,气气体的密度越小,真空容器的尺寸越小,气体的黏度系数越大,则越有利于气流形成层体的黏度系数越大,则越有利于气流形成层流)流)涡流状态涡流状态:高速流情况:高速流情况(有漩涡)(有漩涡)5 气体的流动状态气体的流动状态1.1 气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本概念与
17、水流动类似,平静的小河为层流,波涛汹涌的大海则紊流。与水流动类似,平静的小河为层流,波涛汹涌的大海则紊流。对于管道气:抽口处为紊流,远处则层流。对于管道气:抽口处为紊流,远处则层流。气体流动可按气体流动可按克努森准数克努森准数来划分:来划分:Kn=D/D为容器尺寸;为容器尺寸;为平均自由程为平均自由程n 分子流状态:分子流状态:Kn 1n 中中 间间 状状 态:态:Kn=1110 n 粘滞流状态:粘滞流状态:Kn 110 图图1.2 气体流动状态与真空系统气体流动状态与真空系统 尺寸和气体压力之间的关系尺寸和气体压力之间的关系5 气体的流动状态气体的流动状态1.1 气体分子运动论的基本概念气体
18、分子运动论的基本概念1.何为真空何为真空物理学上的物理学上的“真空真空”是指没有或者不计气体分子和原是指没有或者不计气体分子和原子存在的物理空间,仅存在各种能量粒子的场空间;子存在的物理空间,仅存在各种能量粒子的场空间;一般意义上的一般意义上的“真空真空”并不是指并不是指“什么物质也不存什么物质也不存在在”。应用物理与技术所讨论的应用物理与技术所讨论的“真空真空”低于一个大气低于一个大气压力的稀薄气体的空间状态。压力的稀薄气体的空间状态。1.2 真空的基本概念真空的基本概念1.何为真空何为真空1.2 真空的基本概念真空的基本概念人造真空人造真空自然真空自然真空真空真空:地球大气层以外的宇宙真空
19、地球大气层以外的宇宙真空(在还平面(在还平面上,大气产生的压力为上,大气产生的压力为101325Pa,约,约100KPa,工,工程中称为一个标准大气压。而珠峰顶处的气压为程中称为一个标准大气压。而珠峰顶处的气压为32Kpa,仅为海平面压力的三分之一左右),仅为海平面压力的三分之一左右):运用科技手段抽掉密闭容器中的气体运用科技手段抽掉密闭容器中的气体 迄今为止,采用最高超的真空技术所能达到的最低压力状态迄今为止,采用最高超的真空技术所能达到的最低压力状态大致为大致为10-12-10-13Pa,还远未达到绝对真空。,还远未达到绝对真空。2.真空度的表征真空度的表征 通常用通常用压强压强为单位来描
20、述为单位来描述“真空真空”状态下的气体稀状态下的气体稀薄程度薄程度真空度真空度。压强高则表示真空度低,低则表示真空度高。压强高则表示真空度低,低则表示真空度高。真空度高表示真空度真空度高表示真空度“好好”,低则表示真空度,低则表示真空度“差差”。1.2 真空的基本概念真空的基本概念2.真空度的表征真空度的表征(1)帕斯卡(帕斯卡(Pa):):国际单位制国际单位制1Pa=1牛顿牛顿/米米2=1千克千克/米米秒秒2=10达因达因/cm2=7.5 10-3 Torr(2)托(托(Torr):1 Torr=1/760atm(一个标准大气压)(一个标准大气压)=133.32 Pa(3)毫米汞柱(毫米汞柱
21、(mmHg):):0时时1 mmHg作用在单位面积上的力。作用在单位面积上的力。一个标准大气压(一个标准大气压(atm)=760 mmHg 1 mmHg约等于约等于1托。托。(4)巴(巴(bar):):1bar=105 Pa1.2 真空的基本概念真空的基本概念2.真空度的表征真空度的表征n为了便于讨论和实际应用,在我国,常把真空为了便于讨论和实际应用,在我国,常把真空定性地粗划分为粗真空、低真空、高真空和超定性地粗划分为粗真空、低真空、高真空和超高真空四个区域(表高真空四个区域(表1-1)。)。n各区域的真空物理特性如表各区域的真空物理特性如表1-2所示。(所示。(P3)1.2 真空的基本概念
22、真空的基本概念2.真空度的表征真空度的表征n在薄膜技术领域,可以认为地将真空环境粗略地划分在薄膜技术领域,可以认为地将真空环境粗略地划分为(为(GB3163-82):):q低真空:低真空:102Pa 工业应用(包装)工业应用(包装)q中真空:中真空:10210-1Pa CVD沉积技术沉积技术q高真空:高真空:10-110-5Pa 溅射沉积技术溅射沉积技术q超高真空:超高真空:10-5Pa 原子表面和界面分析原子表面和界面分析1.2 真空的基本概念真空的基本概念4.真空及制膜设备真空及制膜设备n超高真空条件下,气体分子以在固体上吸附停留为主,超高真空条件下,气体分子以在固体上吸附停留为主,其它真
23、空度时,气体分子以空间飞行为主。其它真空度时,气体分子以空间飞行为主。n不同的薄膜制备和分析技术队真空度的要求是不同的。不同的薄膜制备和分析技术队真空度的要求是不同的。JP450磁控溅射镀膜系统磁控溅射镀膜系统等离子增强等离子增强CVD和热丝和热丝CVD复合系统复合系统一真空沉积系统一真空沉积系统二、真空抽气系统二、真空抽气系统三、真空测量系统三、真空测量系统 四、电源系统四、电源系统 五、气路系统五、气路系统 对于一个真空系统理论上所能达到的真空度,与真空对于一个真空系统理论上所能达到的真空度,与真空泵、真空系统的结构材料、加工工艺、管道等因素有关。泵、真空系统的结构材料、加工工艺、管道等因
24、素有关。1.气体管路的流导、极限真空度和抽气速率气体管路的流导、极限真空度和抽气速率(1)真空管路中气体的通过能力,真空管路中气体的通过能力,流导流导C定义为定义为 P1和和P2为管路两端的气压,为管路两端的气压,Q为单位时间内通过管为单位时间内通过管路的气体流量。路的气体流量。21PPQC1.3 真空的获得真空的获得QP2P1301.气体管路的流导、极限真空度和抽气速率气体管路的流导、极限真空度和抽气速率 描述真空部件的气体通过能力,它使流动着的气体形成一定描述真空部件的气体通过能力,它使流动着的气体形成一定程度压力降低。程度压力降低。泵泵1 泵泵2真空室真空室真空室真空室 泵泵1泵泵2并联
25、可以提高抽速并联可以提高抽速 串联可以提高极限真空度串联可以提高极限真空度流导的串联和并联流导的串联和并联1.3 真空的获得真空的获得(2)极限真空度极限真空度指被抽容器不漏气,经真空泵充分抽气后所能达到的最指被抽容器不漏气,经真空泵充分抽气后所能达到的最高真空度。高真空度。1.3 真空的获得真空的获得(3)真空抽速真空抽速 真空泵的抽速真空泵的抽速S定义为定义为-P为真空泵入口处气压,为真空泵入口处气压,Q为单位时间内通过该处为单位时间内通过该处 的气体流量的气体流量S特指一个截面上的气体流速特指一个截面上的气体流速。PQS 1.3 真空的获得真空的获得(a)流量各处相等(无回流):流量各处
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