第1章真空技术的物理基础

1、真空镀膜技术真空镀膜技术南京理工大学南京理工大学2012.9 教材与课时 3学分，其中上课学分，其中上课40学时，学时，8学时实验学时实验 本课程内容包括：真空技术，薄膜技术本课程内容包括：真空技术，薄膜技术 两部分两部分 教材：教材： 1。王欲知，陈旭。王欲知，陈旭 ，真空技术，北京航空航天大，真空技术，北京航空航天大学学 出版社出版社 ， 2007.6，第，第2版。版。 2。杨帮朝，王文生，薄膜物理与技术，电子科。杨帮朝，王文生，薄膜物理与技术，电子科技大学出版社，技大学出版社， 1994年。年。 参考书：参考书： 3。王晓冬，真空技术，冶金工业出版社，。王晓冬，真空技术，冶金工业出版社，

2、2006年年9月第月第1版。版。第第1章章 真空技术的物理基础真空技术的物理基础 简要叙述真空技术的基本理论简要叙述真空技术的基本理论 详细的内容请看教材。详细的内容请看教材。1.1 真空的概念真空的概念 在真空技术中，在真空技术中，“真空真空”泛指低于一个大气压的泛指低于一个大气压的气体状态，换言之，同正常的大气比，是较为稀气体状态，换言之，同正常的大气比，是较为稀薄的一种气体状态薄的一种气体状态. 同正常的大气比同正常的大气比, 气体的分子数少气体的分子数少 。 随着海拔高度（离海平面的垂直高度）越高，气随着海拔高度（离海平面的垂直高度）越高，气体越稀薄。体越稀薄。. 通常意义上，在地球上

3、，人能生存的状况都不应通常意义上，在地球上，人能生存的状况都不应称作真空。称作真空。 真空应说成低于周围大气压的状态。真空应说成低于周围大气压的状态。1.2 真空的单位真空的单位-压强压强在真空技术中，在真空技术中，压强压强所采用的法定计量单位是帕斯卡（所采用的法定计量单位是帕斯卡（Pascal），系千克），系千克米秒制单位，简称帕米秒制单位，简称帕(Pa), 是目前国际上推荐实用的国际单位制是目前国际上推荐实用的国际单位制（SI）。）。 1Kg9.80665m/s2=9.80665 牛顿牛顿 (Kg.m/s2) 1N（牛顿）（牛顿）= 1Kg.m/s2. 1Pa =1牛顿牛顿/平方米平方米=

4、1 Kg /m.s2 1个标准大气压个标准大气压=760mmHg高高; 1个标准大气压个标准大气压(atm)0.76m13595.1Kg/m39.80665m/s2= =101325牛顿牛顿m2=101325Pa=1.01325105Pa 1毫米泵柱（毫米泵柱（mmHg）=133.322pa. 1mmHg=1.00000014Torr 1托（托（Torr）=1/760 atm=133.322Pa; 巴（巴（bar） 1bar=105Pa 毫巴毫巴 1mbar=100Pa 1.3 真空特点真空特点 1。 与大气有压差。压强低于一个大气压，故需要一个与大气有压差。压强低于一个大气压，故需要一个“真

5、空真空”容器，即真空设备。该容器在地球上就需要承受容器，即真空设备。该容器在地球上就需要承受一个大气压力的作用，压力的大小则看容器内外压差。内一个大气压力的作用，压力的大小则看容器内外压差。内部为真空环境的容器，可以认为压差为部为真空环境的容器，可以认为压差为1个大气压。所以个大气压。所以该容器必需承受大于该容器必需承受大于1个大气压力的作用。个大气压力的作用。 如需获取真空条件，必须研制设计生产真空设备，需如需获取真空条件，必须研制设计生产真空设备，需要进行真空获取、测量、气体成分分析，如何有效设计、要进行真空获取、测量、气体成分分析，如何有效设计、防漏、检漏等。防漏、检漏等。 2。分子数密

6、度低。在。分子数密度低。在“真空真空”下，由于气体稀薄，即单下，由于气体稀薄，即单位体积内的分子数目较少，故分子之间或分子与其它粒子，位体积内的分子数目较少，故分子之间或分子与其它粒子，如电子、离子之间的碰撞就不那么频繁，明显减少，如电子、离子之间的碰撞就不那么频繁，明显减少， 分子主要碰撞表面，如容器表面四壁、内部装置的次分子主要碰撞表面，如容器表面四壁、内部装置的次数也相对减少。这是真空的最主要的特点。正是如此，各数也相对减少。这是真空的最主要的特点。正是如此，各种真空设备正是利用它进行工作。种真空设备正是利用它进行工作。1.4 真空技术的应用真空技术的应用 1。电真空器件。电真空器件 内

7、部为内部为“真空真空”环境的电子器件，如：微波管，显环境的电子器件，如：微波管，显像管、真空摄像管、微光管，白炽灯，日光灯，荧像管、真空摄像管、微光管，白炽灯，日光灯，荧光灯，钠灯，钨灯等。光灯，钠灯，钨灯等。 它们它们 都需要良好的真空都需要良好的真空: 主要原因在于：其原理基于利用电场、磁场等来控主要原因在于：其原理基于利用电场、磁场等来控制电子流的运动，以达到放大、振荡、显示图像等制电子流的运动，以达到放大、振荡、显示图像等目的，如果器件中气体分子较多，电子流就不可避目的，如果器件中气体分子较多，电子流就不可避免与分子碰撞，改变运动的规律。免与分子碰撞，改变运动的规律。 电真空器件一般都

8、有一个电子源，如各种热阴电真空器件一般都有一个电子源，如各种热阴极光电阴极等，它们都是一些敏感的化学性活泼表极光电阴极等，它们都是一些敏感的化学性活泼表面，极易受到气体的面，极易受到气体的“中毒作用中毒作用”而失效，只有在而失效，只有在真空中才能正常工作。真空中才能正常工作。 基于上述二个原因，不难理解，一旦电真空器件基于上述二个原因，不难理解，一旦电真空器件的内部真空变坏，必然导致器件性能变坏，甚至的内部真空变坏，必然导致器件性能变坏，甚至完全失效。完全失效。 显像管真空较差，就会导致电极间交叉跳火，出显像管真空较差，就会导致电极间交叉跳火，出现离子斑。摄像管真空较差，分辨率下降由于电现离子

9、斑。摄像管真空较差，分辨率下降由于电子束遭分子碰撞，聚散不良。图像增强器真空较子束遭分子碰撞，聚散不良。图像增强器真空较差，降低灵敏度，还出现图像频变斑点。差，降低灵敏度，还出现图像频变斑点。 真空不良对各种器件性能的影响是十分明显的，真空不良对各种器件性能的影响是十分明显的，通常电真空器件的寿命取决于阴极的寿命。而气通常电真空器件的寿命取决于阴极的寿命。而气体对阴极的中毒作用是积累的，随着时间的加长，体对阴极的中毒作用是积累的，随着时间的加长，阴极愈来愈坏，最后管子就完全不能应用了。阴极愈来愈坏，最后管子就完全不能应用了。 2. 镀膜和材料制取设备镀膜和材料制取设备 真空蒸发镀膜，溅射镀膜，

10、离子镀膜，化真空蒸发镀膜，溅射镀膜，离子镀膜，化学气相沉积镀膜。等学气相沉积镀膜。等 3. 电子学和光电子学的应用电子学和光电子学的应用 半导体中硅薄膜，超纯硅，提纯，二极管，半导体中硅薄膜，超纯硅，提纯，二极管，三极管，三极管，PN结，超大规模，超大规模集成结，超大规模，超大规模集成电路，光电子器件的电路，光电子器件的 制备制备 以及应用。以及应用。 等等，都需要真空环境。等等，都需要真空环境。 4。真空冶金。真空冶金 真空熔炼，真空焊接，真空热真空熔炼，真空焊接，真空热 处理，真空蒸处理，真空蒸馏等等。馏等等。 5. 表面物理中应用表面物理中应用 各种表面分析仪器，如低能电子衍射仪，俄歇各

11、种表面分析仪器，如低能电子衍射仪，俄歇电子能谱仪，光电子能谱仪，二次离子质谱仪等，电子能谱仪，光电子能谱仪，二次离子质谱仪等，这些仪器可以分析材料组分，结构，化学组成，这些仪器可以分析材料组分，结构，化学组成，污染，掺杂等，可以监视材料的生长、制作、分污染，掺杂等，可以监视材料的生长、制作、分解、激活，分析其机理及影响其寿命的因素。解、激活，分析其机理及影响其寿命的因素。 6. 宇宙航行及空间科学研究。宇宙航行及空间科学研究。 太空极高真空环境需要在地球上模拟，有许多太空极高真空环境需要在地球上模拟，有许多新的现象，是大气环境中所没有的。例如没有对新的现象，是大气环境中所没有的。例如没有对流，

12、没有内摩擦。流，没有内摩擦。 7. 在原子研究中和利用中的应用。在原子研究中和利用中的应用。1.5 真空度的概念真空度的概念 “真空度真空度”和和“压强压强”是两个概念，不能混是两个概念，不能混淆，淆， 压强越低压强越低意味着单位体积中气体分子数愈意味着单位体积中气体分子数愈少，少，真空度愈高真空度愈高； 反之真空度越低则压强就越高。反之真空度越低则压强就越高。 由于真空度与压强有关，所以真空的度量由于真空度与压强有关，所以真空的度量单位是用压强来表示。单位是用压强来表示。 真空度是一个定性指示。真空度是一个定性指示。1.6 真空区域的划分真空区域的划分 为了研究真空和实际应用方便，常把真空为

13、了研究真空和实际应用方便，常把真空划分为粗真空、低真空、高真空和超高真划分为粗真空、低真空、高真空和超高真空、极高真空五个等级。空、极高真空五个等级。 随着真空度的提高，真空的性质将逐渐变随着真空度的提高，真空的性质将逐渐变化，并经历由分子数的量变到真空质变的化，并经历由分子数的量变到真空质变的过程。过程。1) 粗真空（粗真空（11051103 Pa）在粗真空状态下气态空间的特性和大气差在粗真空状态下气态空间的特性和大气差异不大，异不大，气体分子数目气体分子数目多，并以多，并以热运动热运动为为主，分子之间碰撞十分频繁，气体分子的主，分子之间碰撞十分频繁，气体分子的平均自由程很短。平均自由程很短

14、。通常，在此真空区域，使用真空技术的目通常，在此真空区域，使用真空技术的目的是为了获得压力差，而不要求改变空间的是为了获得压力差，而不要求改变空间的性质。电容器生产中所采用的真空浸渍的性质。电容器生产中所采用的真空浸渍工艺所需的真空度就在此区域。工艺所需的真空度就在此区域。 2) 低真空（低真空（1103110-2Pa） 此时每立方厘米内的气体分子数为此时每立方厘米内的气体分子数为10161013个。个。气体分子密度与大气时有很大差别，气体中的带气体分子密度与大气时有很大差别，气体中的带电粒子在电场作用下，会产生气体导电现象。电粒子在电场作用下，会产生气体导电现象。 这时，气体的流动也逐渐从粘

15、稠滞留状态过度到这时，气体的流动也逐渐从粘稠滞留状态过度到分子状态，这时气体分子的动力学性质明显，气分子状态，这时气体分子的动力学性质明显，气体的对流现象完全消失。体的对流现象完全消失。 在此真空区域，由于气体分子数减少，分子的在此真空区域，由于气体分子数减少，分子的平平均自由程均自由程可以与容器尺寸相比拟。并且分子之间可以与容器尺寸相比拟。并且分子之间的碰撞次数减少，分子与容器壁的碰撞次数大大的碰撞次数减少，分子与容器壁的碰撞次数大大增加。增加。3) 高真空（高真空（110-2110-6Pa） 此时气体分子密度更加降低，容器中分子数此时气体分子密度更加降低，容器中分子数很少。因此，分子在运动

16、过程中相互间的碰撞很少。因此，分子在运动过程中相互间的碰撞很少，气体分子的平均自由程已大于一般真空很少，气体分子的平均自由程已大于一般真空容器的限度，绝大多数的分子与器壁相碰撞，容器的限度，绝大多数的分子与器壁相碰撞，因而在高真空状态蒸发的材料，其分子（或微因而在高真空状态蒸发的材料，其分子（或微粒）将按直线方向飞行。粒）将按直线方向飞行。另外，由于容器中的真空度很高，容器空间的另外，由于容器中的真空度很高，容器空间的任何物体与残余气体分子的化学作用也十分微任何物体与残余气体分子的化学作用也十分微弱。在这种状态下，气体的热传导和内摩擦已弱。在这种状态下，气体的热传导和内摩擦已变得与压强无关。变

17、得与压强无关。4) 超高真空（超高真空（110-6Pa110-10Pa）此时每立方厘米的气体分子数在此时每立方厘米的气体分子数在1010个以个以下。分子间的碰撞极少下。分子间的碰撞极少,分子主要与容器分子主要与容器壁相碰撞。超高真空的用途之一是得到纯壁相碰撞。超高真空的用途之一是得到纯净的气体，其二，是可获得纯净的固体表净的气体，其二，是可获得纯净的固体表面。此时气体分子在固体表面上是已吸附面。此时气体分子在固体表面上是已吸附停留为主。停留为主。 5) 极高真空（极高真空（110-10Pa） 此时每立方厘米的气体分子数在此时每立方厘米的气体分子数在108个以下。个以下。分子间的碰撞极少，分子主

18、要与容器壁相分子间的碰撞极少，分子主要与容器壁相碰撞。极高真空的获得是一项困难的工作，碰撞。极高真空的获得是一项困难的工作，但是在太空是容易得到的，极高真空可以但是在太空是容易得到的，极高真空可以模拟太空的环境，在天文和核试验上也需模拟太空的环境，在天文和核试验上也需要这样的真空环境。要这样的真空环境。1.7 气体分子运动论的基本假设气体分子运动论的基本假设 （1）任何气体均由大量微小的质点组成；对于单一气体，）任何气体均由大量微小的质点组成；对于单一气体，这些质点是完全相同的。这些微小质点称为分子。这些质点是完全相同的。这些微小质点称为分子。 （2）分子尽管很微小，但仍然有一定的体积。因此在

19、运）分子尽管很微小，但仍然有一定的体积。因此在运动时它们相互不断碰撞，且亦与容器器壁碰撞；这些碰撞动时它们相互不断碰撞，且亦与容器器壁碰撞；这些碰撞是完全弹性的，即无能量损失的。是完全弹性的，即无能量损失的。 这就是关于气体构造的分子假说。为了将这一假说构筑这就是关于气体构造的分子假说。为了将这一假说构筑成一个理论体系，气体分子论还假设：成一个理论体系，气体分子论还假设： （3）分子的运动及碰撞遵从牛顿定律，可以应用经典力）分子的运动及碰撞遵从牛顿定律，可以应用经典力学来处理。学来处理。 （4）分子的数目是巨大的，而气体的宏观性质是大量分）分子的数目是巨大的，而气体的宏观性质是大量分子的微观性

20、质的统计平均值，可以采用统计学的方法予以子的微观性质的统计平均值，可以采用统计学的方法予以求出。求出。 1.8 理想气体理想气体 从分子运动论的观点，理想气体是指符合下述假从分子运动论的观点，理想气体是指符合下述假说的一种理论模型：说的一种理论模型： （1） 气体分子本身的体积与它的活动空间即整气体分子本身的体积与它的活动空间即整个气体体积或容器体积相比，是微不足道的，在个气体体积或容器体积相比，是微不足道的，在考虑分子的运动时，可以将分子看成几何点。考虑分子的运动时，可以将分子看成几何点。 （2）分子之间没有相互作用力。除了碰撞之外）分子之间没有相互作用力。除了碰撞之外每个分子的运动是完全独

21、立的，不受其他分子的每个分子的运动是完全独立的，不受其他分子的影响。影响。 低压气体与理想气体很接近，因此在真空技术低压气体与理想气体很接近，因此在真空技术中完全可应用理想气体的模型而不必加以任何修中完全可应用理想气体的模型而不必加以任何修正。正。1.9 气体运动的基本定律气体运动的基本定律 一定量气体的压强一定量气体的压强P、体积、体积V、温度温度T、质量、质量m 1.波义耳定律波义耳定律: 一定质量的气体，在一定质量的气体，在恒定的温恒定的温度度下，气体的压强与体积的乘积下，气体的压强与体积的乘积为常数。为常数。 PV=C 或或 P1V1=P2V2 2.盖盖 吕萨克定律吕萨克定律 一定质量

22、的气体，在一定质量的气体，在压强一定压强一定时，时，气体的体积与绝对温度成正比。气体的体积与绝对温度成正比。 V=CT TTVV00 3.査理定律査理定律 一定质量的气体，如果一定质量的气体，如果体体积不变积不变，则气体的压强与，则气体的压强与绝对温度成正比。绝对温度成正比。 P=CT 或或 TTPP00 当气体处于平衡时，可得到描述气体性质的气体状态方程，当气体处于平衡时，可得到描述气体性质的气体状态方程，即：即： P=nkT 或或 式中，式中，P为压强（为压强（Pa）；）； n是气体分子密度（个是气体分子密度（个/m3）；）； V为体积（为体积（m3）；）； M为气体分子量（为气体分子量（

23、kg/mol）; m是气体质量（是气体质量（kg）; T是绝对温度（是绝对温度（K）；）； k是波尔兹曼常数（是波尔兹曼常数（1.3810-23J/K）。）。 R为气体普适常数（为气体普适常数（8.314J/mol.K），也可以用），也可以用R=RA.k来来表示，表示，NA为阿伏加德罗常数（为阿伏加德罗常数（6.0321023个个/mol），）， 于是可得：于是可得：RTMmPV )m/(102 . 7322个TPn1.10 临界温度临界温度 对于每一种气体都有一个特定的温度，高对于每一种气体都有一个特定的温度，高于此温度时，气体无论如何压缩都不会液于此温度时，气体无论如何压缩都不会液化，这个

24、温度称为该气体的化，这个温度称为该气体的临界温度临界温度。 也就是说，当一个气体处在临界温度以上也就是说，当一个气体处在临界温度以上时，无论怎样压缩都不能使其液化；当它时，无论怎样压缩都不能使其液化；当它处于临界温度以下时，则可压缩使其液化。处于临界温度以下时，则可压缩使其液化。1.11 气体和蒸汽气体和蒸汽 实用上的室温（实用上的室温（1525C）为准，凡临）为准，凡临界温度高于室温的气体称为蒸汽；低于室界温度高于室温的气体称为蒸汽；低于室温的则为温的则为“永久气体永久气体”或或“气体气体”。 如此，则室温下，蒸汽是随时可液化的，如此，则室温下，蒸汽是随时可液化的，而气体则不能。氮、氢、氩、

25、氧和空气的而气体则不能。氮、氢、氩、氧和空气的临界温度远低于室温，所以在常温下它们临界温度远低于室温，所以在常温下它们是是“气体气体”。二氧化碳的临界温度与室温。二氧化碳的临界温度与室温接近，极易液化。接近，极易液化。 蒸汽是不能满足理想气体方程的蒸汽是不能满足理想气体方程的，如将容，如将容器体积缩小，则有一部分蒸汽转化成液态，器体积缩小，则有一部分蒸汽转化成液态，其压强未增。其压强未增。 以上关于理想气体的概念，只适用于以上关于理想气体的概念，只适用于“永久气体永久气体”，不适用于蒸汽。，不适用于蒸汽。“永久气永久气体体”与蒸汽的区别，在于其所处温度是在与蒸汽的区别，在于其所处温度是在临界温

26、度以上或以下。临界温度以上或以下。 对一定的物质，饱和蒸汽压的大小只取决对一定的物质，饱和蒸汽压的大小只取决于温度。于温度。 温度越高温度越高,蒸汽压越大蒸汽压越大.1.12 气体分子的平均自由程气体分子的平均自由程 气体分子处于不规则的热运动状态，它除与容器壁发生碰撞外，气体气体分子处于不规则的热运动状态，它除与容器壁发生碰撞外，气体分子间还经常发生碰撞。每个分子在连续两次碰撞之间的路程称为分子间还经常发生碰撞。每个分子在连续两次碰撞之间的路程称为“自由程自由程”。这是一个描述气体性质的微观参量。其统计平均值：。这是一个描述气体性质的微观参量。其统计平均值：称为称为“平均自由程平均自由程”。

27、由此可知，平均自由程与分子密度。由此可知，平均自由程与分子密度n和分子直和分子直径径 的平方是反比关系。的平方是反比关系。根据（根据（1- ）式，上式可改写为）式，上式可改写为此式表明，此式表明，气体分子的自由程与压强成反比，与温度成正比。气体分子的自由程与压强成反比，与温度成正比。显然，在气体种类和温度一定的情况下显然，在气体种类和温度一定的情况下 在在25C的空气情况下的空气情况下或或 PkT22常数P0 .6 6 7 ()Pc mP a)(667. 0cmPn2211.13 吸附与脱附 处在气体中的表面，以两种重要方式与气体相互处在气体中的表面，以两种重要方式与气体相互作用，即吸附与脱附

28、。作用，即吸附与脱附。 吸附吸附即分子附着于表面，即分子附着于表面，脱附脱附系分子从表面逸出。系分子从表面逸出。究竟是出现吸附或脱附，则根据具体情况而定。究竟是出现吸附或脱附，则根据具体情况而定。 如果表面是洁净的，置于气体中就出现吸附；如果表面是洁净的，置于气体中就出现吸附； 反之，如果它业已吸附大量气体，置于真空中就反之，如果它业已吸附大量气体，置于真空中就出现脱附。气体分子在表面与空间之间的这种相出现脱附。气体分子在表面与空间之间的这种相互转换在真空技术中具有重要的意义。互转换在真空技术中具有重要的意义。 1.14 两个分子间的相互作用力两个分子间的相互作用力 处于基态的两个分子之间，存

29、在四种相互作用力。处于基态的两个分子之间，存在四种相互作用力。 （1）弥散力）弥散力 即通常所称的即通常所称的范德瓦尔力范德瓦尔力，它存在于任何，它存在于任何一对分子之间。气体在低温时液化，就是这个力的作用结一对分子之间。气体在低温时液化，就是这个力的作用结果。弥散力存在于任何两个中性分子之间。果。弥散力存在于任何两个中性分子之间。 （2）感应力）感应力 两个分子中一个或者两个都具有永久电矩两个分子中一个或者两个都具有永久电矩（电偶极矩（电偶极矩或四极矩或四极矩）时出现的力。这时有电矩的分）时出现的力。这时有电矩的分子在另一个分子中感应出一个电矩，从而产生相互作用力。子在另一个分子中感应出一个

30、电矩，从而产生相互作用力。 （3）静电力）静电力 当两个分子都具有永久电矩时，就出现这当两个分子都具有永久电矩时，就出现这种静电作用力。种静电作用力。 （4）价力）价力 相当于将原子结合为分子的力以及分子在相当于将原子结合为分子的力以及分子在极度接近时出现的短程斥力。极度接近时出现的短程斥力。 真空技术中常遇气体多为偶极矩及四极矩均为零（真空技术中常遇气体多为偶极矩及四极矩均为零（=0，=0）之气体，故）之气体，故主要只存在弥散力及价力，而且主要是主要只存在弥散力及价力，而且主要是弥散力。弥散力。 1.15 物理吸附与化学吸附物理吸附与化学吸附 吸附的位能曲线。分子接近表面时，吸引力吸附的位能曲线。分子接近表面时，吸引力,先处于先处于物理吸附，当获得能量并能越过化学吸附激活能物理吸附，当获得能量并能越过化学吸附激活能Ea时，就转变为化学吸附。此时分子处在化学吸附平时，就转变为化学吸附。此时分子处在化学吸附平衡位置，它比处在无穷远处时能量低一数量衡位置，它比处在无穷远处时能量低一数量qc，这，这是发生吸附时应放出的热量，故称化学吸附热。化是发生吸附时应放出的热量，故称化学吸