真空技术基础课件

第二讲真空技术基础Fundamentalsofvacuumtechnology

第二讲真空技术基础要点气体分子运动论的基本概念真空获得的手段真空度的测量要点气体分子运动论的基本概念薄膜材料的制备过程是:

atombyatom

几乎所有的现代薄膜材料都是在真空或是在较低的气体压力下制备的，都涉及到气相的产生、输运以及气相反应的过程。薄膜材料与真空技术薄膜材料的制备过程是:薄膜材料与真空技术大气压:atm,kg/cm2,barPa:N/m2Torr:mm·Hg气体压力的单位与换算1atm=1000mbar=0.1MPa1Torr=133Pa薄膜技术领域：从10-7Pa到105Pa，覆盖了12个数量级大气压:atm,kg/cm2,bar气体压力的单气体的压力:理想气体的状态方程气体分子的速度分布:Maxwell-Boltzmann分布气体分子的自由程、碰撞频率:

分子运动学的基本概念气体的压力:分子运动学的基本概念H2和Al原子在不同温度下的速度分布典型值：在T=300K时，空气分子的平均运动速度:

va460m/sH2和Al原子在不同温度下的速度分布典型值：在T=300K时气体分子的自由程空气分子的有效截面半径d0.5nm。在常温常压下，气体分子的平均自由程

50nm，每个空气分子每秒钟内要经历1010次碰撞。在气体压力低于10-4Pa的情况下，其平均自由程>50m，每个空气分子每秒钟内只经历10次碰撞；气体分子间的碰撞几率已很小，气体分子的碰撞将主要是其与容器器壁之间的碰撞。气体分子的自由程空气分子的有效截面半径d0.5气体流动状态与气体压力、真空容器尺寸的关系根据Knudsen准数Kn:Kn<1:

分子流状态Kn>110

粘滞流状态气体流动状态与气体压力、真空容器尺寸的关系根据Knudsen粘滞态气流的两种不同的流动状态根据Reynolds准数Re:

Re>2200紊流状态

Re<1200层流状态粘滞态气流的两种不同的流动状态根据Reynolds准数Re:气体分子对单位面积表面的碰撞频率，称单位面积上气体分子的通量气体分子的通量（Knudsen方程）气体压力高时，分子频繁碰撞物体表面；气体压力低时，分子对物体表面的碰撞可以忽略气体分子对单位面积表面的碰撞频率，称单位面积上气体分子的通量气体分子通量的应用:杂质的污染假设每个向表面运动来的气体分子都是杂质，而每个杂质气体分子都会被表面所俘获，则可估计出不同的真空环境中，清洁表面被杂质气体分子污染所需要的时间为：在常温常压下，3.510-9秒；10-8Pa时，

10小时这一方面说明了真空环境的重要性。同时,气体分子通量还决定了薄膜的沉积速率。气体分子通量的应用:杂质的污染假设每个向在薄膜技术领域，人为地将真空环境粗略地划分为:低真空>102Pa中真空10210-1Pa高真空10-110-5Pa超高真空<10-5Pa真空度的划分在薄膜技术领域，人为地将真空环境粗略地划分为:真空度的划分真空系统中，气体的通过能力称之为流导C真空系统的导流能力流导流导C的大小取决于

真空系统(管路)的几何尺寸气体的种类与温度气体的流动状态(分子流或粘滞流)如对分子流,一个处于两直径很大的管路之间的通孔的流导为真空系统中，气体的通过能力称之为流导C真空系统的导流能力不同形状管路的流导已被编制成图表不同流导C1、C2、C3间可相互串联或并联，构成总流导C串联流导：并联流导：（就象描述气体流动的欧姆定律）真空系统的导流能力流导不同形状管路的流导已被编制成图表真空系统的导流能力流为获得真空环境，需要选用不同的真空泵，而它们的一个主要指标是其抽速Sp，其定义为(L/s)真空泵的抽速Sp与管路的流导C有着相同的物理量纲，且二者对维持系统的真空度起着同样重要的作用真空泵的抽速为获得真空环境，需要选用不同的真空泵，而它们的一个主真空泵可以达到的极限真空度

实际的真空系统总存在气体回流、气体泄露、气体释放等现象。设其等效的气体流量Qp0

，并忽略管路流阻(流导C为无穷大，p=pp)，则气压随时间的变化曲线为则极限真空度:真空泵可以达到的极限真空度实际的真空系统总存在气体有限流导情况下真空泵的抽速当真空管路流导为有限，真空容器出口与真空泵入口处的气体压力不相等，但气体流量相等。泵的实际抽速S降低为即抽速S永远小于泵的理论抽速Sp，且永远小于管路流导C。即S受Sp和C二者中较小的一个所限制。有限流导情况下真空泵的抽速当真空管路流导为有限，真空容器出口真空泵的分类输运式（排出式）机械式气流式捕获式（内消式）

可逆式不可逆式真空泵的分类输运式（排出式）旋片式机械真空泵的外形图旋片式机械真空泵的外形图旋片式机械真空泵的结构示意图镇气阀：空气可通过此阀掺入排气室以降低压缩比，从而使大部分蒸汽不致凝结而和掺入的气体一起被排除泵外。旋片式机械真空泵的结构示意图镇气阀：空气可通过此阀掺入排气室旋片式机械真空泵的抽速曲线

极限真空度可达10-1Pa左右，但有油污染问题旋片式机械真空泵的抽速曲线极限真空度可达10-1Pa左右，罗茨泵的外形图

罗茨泵的外形图罗茨泵的结构示意图

罗茨泵不使用油作密封介质，少油污染其适用的压力范围是在0.1-1000Pa之间

罗茨泵的结构示意图罗茨泵不使用油作密封介质，少油污染罗茨泵组成的真空机组的外形图

罗茨泵可与旋片式机械泵串联成真空机组使用，降低每台泵的负荷，扩大可获得的真空度范围罗茨泵组成的真空机组的外形图罗茨泵可与旋片式机械泵串联成真罗茨泵组成的真空机组的抽速曲线组成机组使其极限真空度提高到10-2Pa罗茨泵组成的真空机组的抽速曲线组成机组使其极限真空度提高到1油扩散泵的外形图

油扩散泵的外形图油扩散泵的结构示意图

扩散泵油在高温下会发生氧化，因此扩散泵需要在优于10-2Pa的较高真空度下工作油扩散泵的结构示意图扩散泵油在高温下会发生氧化，因此扩散泵油扩散泵组成的真空机组的外形图

由扩散泵组成真空机组，其极限真空可达110-5Pa，但油污染的问题较为严重油扩散泵组成的真空机组的外形图由扩散泵组成真空机组，其极限涡轮分子泵的外形图

涡轮分子泵的外形图涡轮分子泵的结构示意图

涡轮分子泵运转速度极高，因此需要在优于1Pa的较高真空度下运转涡轮分子泵的结构示意图涡轮分子泵运转速度极高，因此需要在优涡轮分子泵的抽速曲线

涡轮分子泵的极限真空度达10-8Pa，适用的压力范围在110-8Pa之间

涡轮分子泵的抽速曲线涡轮分子泵的极限真空度达10-8Pa，隔膜真空泵的外形图

隔膜泵的能力较小(1L/s)

，极限真空度较差(100Pa)，但无油污染问题隔膜真空泵的外形图隔膜泵的能力较小(1L/s)，极限真空干泵系统的外形图

干泵的能力较大(100L/s)

，极限真空度较高(10-2Pa)，无严重的油污染问题干泵系统的外形图干泵的能力较大(100L/s)，极限真空低温吸附(液氦冷凝)泵的外形图

低温吸附(液氦冷凝)泵的外形图低温吸附(液氦冷凝)泵的结构示意图

低温吸附泵的极限真空度可达10-8Pa。其效能取决于所用的低温温度、被吸附气体的种类、数量、吸附表面的面积等低温吸附(液氦冷凝)泵的结构示意图低温吸附泵的极限真空溅射离子泵的外形图

溅射离子泵的外形图溅射离子泵的结构示意图

溅射离子泵的极限真空度可以达到10-9Pa溅射离子泵的结构示意图溅射离子泵的极限真空度可以达到10-常用真空泵的工作范围不同泵种的工作压力范围不同。因而常将两种或三种真空泵结合起来组成真空机组常用真空泵的工作范围不同泵种的工作压力范围不同。因而常将两种真空测量方法的分类(各种物理的方法)热电势法电阻法电离法电容法……真空测量方法的分类(各种物理的方法)热电势法热偶式的真空规热偶规仅适用于0.1100Pa的低真空范围热偶式的真空规热偶规仅适用于0.1100Pa的低真空范围皮拉尼电阻真空规皮拉尼电阻真空规皮拉尼电阻真空规其原理、真空测量范围与热偶规相似皮拉尼电阻真空规其原理、真空测量范围与热偶规相似电离式真空规电离式真空规电离式真空规电离真空规可测量的压力范围为1Pa-10-7Pa电离式真空规电离真空规可测量的压力范围为1Pa-10-7Pa薄膜式电容真空规薄膜式电容真空规薄膜式电容真空规薄膜规线性度好，但其探测下限约为10-3Pa薄膜式电容真空规薄膜规线性度好，但其探测下限约为10-3Pa压阻式真空规利用Si元件的压阻特性，测量范围10-105Pa压阻式真空规利用Si元件的压阻特性，测量范围10-105Pa常用真空测量方法的适用范围不同的真空测量方法所适用的压力范围不同。因此常将不同的方法结合起来使用，拓宽压力测量的范围。常用真空测量方法的适用范围不同的真空测量方法所适用的压力范围例一：薄膜制备系统:金属喷镀仪例一：薄膜制备系统:金属喷镀仪金属喷镀仪的真空系统参数真空室：4.75英寸H4.75英寸真空泵：双级旋片机械泵极限真空度：6×10-2Pa抽速：0.5L/s真空计：皮拉尼电阻真空规（0.1Pa-大气压）金属喷镀仪的真空系统参数真空室：4.75英寸H4.75英例二：薄膜制备系统:分子束外延设备例二：薄膜制备系统:分子束外延设备真空室：28英寸H15英寸极限真空：<510-8Torr真空泵：低温冷凝泵（或分子泵）1500L/s旋片机械泵12L/s真空计：电离规2，热偶规2，皮拉尼规2，薄膜规1分子束外延设备的真空系统参数真空室：28英寸H15英寸分子束外延设备的真空典型薄膜制备系统的结构图典型薄膜制备系统的结构图第一讲小结薄膜材料在现代科技领域占有重要的地位，可作为大家今后作为材料科学家或工程师的职业方向真空技术是现代薄膜材料技术的基础不同的薄膜制备方法涉及到不同的真空环境——真空度不同的真空度需要采用不同的真空获得方法与真空测量方法第一讲小结薄膜材料在现代科技领域占有重要的地位，可作为大基本概念复习为什么在薄膜制备技术的讨论中，先要讨论真空环境与真空技术？熟悉真空度的物理单位及其相互换算。根据气体流动状态所表现出的特性，我们是如何划分气体流动状态的？说明分子通量的物理意义？讨论分子通量是如何影响薄膜纯度和薄膜沉积速率的。了解真空泵的主要性能指标。了解主要的真空泵种类。了解主要的真空测量方法。简要说明典型薄膜制备系统的组成。基本概念复习为什么在薄膜制备技术的讨论中，先要讨论真空环境与思考题1.使用真空泵系统对30升的真空系统抽真空到10-6Torr。关闭真空系统3分钟后，系统压力升至10-5Torr。（1）求系统的压力升高率（Torr·L/s)（2）求使用抽速为Sp=40L/s的真空泵时，系统可以达到的极限真空度。2.为电子显微镜和真空退火炉（压力均为10-5Torr)选配真空泵和真空计。设D=50cm,计算Kn和气体分子的运动状态。思考题1.使用真空泵系统对30升的真空系统抽真空到1思考题3.设薄膜制备设备的气体输入速率为75Torr·L/min，若需要保持系统的压力为1Torr,求需要的真空泵抽气速率Sp。4.设M=12,T=300K,P=10Pa,求薄膜的沉积速率（nm/s）。思考题3.设薄膜制备设备的气体输入速率为75Torr·第二讲真空技术基础Fundamentalsofvacuumtechnology

第二讲真空技术基础要点气体分子运动论的基本概念真空获得的手段真空度的测量要点气体分子运动论的基本概念薄膜材料的制备过程是:

atombyatom

几乎所有的现代薄膜材料都是在真空或是在较低的气体压力下制备的，都涉及到气相的产生、输运以及气相反应的过程。薄膜材料与真空技术薄膜材料的制备过程是:薄膜材料与真空技术大气压:atm,kg/cm2,barPa:N/m2Torr:mm·Hg气体压力的单位与换算1atm=1000mbar=0.1MPa1Torr=133Pa薄膜技术领域：从10-7Pa到105Pa，覆盖了12个数量级大气压:atm,kg/cm2,bar气体压力的单气体的压力:理想气体的状态方程气体分子的速度分布:Maxwell-Boltzmann分布气体分子的自由程、碰撞频率:

分子运动学的基本概念气体的压力:分子运动学的基本概念H2和Al原子在不同温度下的速度分布典型值：在T=300K时，空气分子的平均运动速度:

va460m/sH2和Al原子在不同温度下的速度分布典型值：在T=300K时气体分子的自由程空气分子的有效截面半径d0.5nm。在常温常压下，气体分子的平均自由程

50nm，每个空气分子每秒钟内要经历1010次碰撞。在气体压力低于10-4Pa的情况下，其平均自由程>50m，每个空气分子每秒钟内只经历10次碰撞；气体分子间的碰撞几率已很小，气体分子的碰撞将主要是其与容器器壁之间的碰撞。气体分子的自由程空气分子的有效截面半径d0.5气体流动状态与气体压力、真空容器尺寸的关系根据Knudsen准数Kn:Kn<1:

分子流状态Kn>110

粘滞流状态气体流动状态与气体压力、真空容器尺寸的关系根据Knudsen粘滞态气流的两种不同的流动状态根据Reynolds准数Re:

Re>2200紊流状态

Re<1200层流状态粘滞态气流的两种不同的流动状态根据Reynolds准数Re:气体分子对单位面积表面的碰撞频率，称单位面积上气体分子的通量气体分子的通量（Knudsen方程）气体压力高时，分子频繁碰撞物体表面；气体压力低时，分子对物体表面的碰撞可以忽略气体分子对单位面积表面的碰撞频率，称单位面积上气体分子的通量气体分子通量的应用:杂质的污染假设每个向表面运动来的气体分子都是杂质，而每个杂质气体分子都会被表面所俘获，则可估计出不同的真空环境中，清洁表面被杂质气体分子污染所需要的时间为：在常温常压下，3.510-9秒；10-8Pa时，

10小时这一方面说明了真空环境的重要性。同时,气体分子通量还决定了薄膜的沉积速率。气体分子通量的应用:杂质的污染假设每个向在薄膜技术领域，人为地将真空环境粗略地划分为:低真空>102Pa中真空10210-1Pa高真空10-110-5Pa超高真空<10-5Pa真空度的划分在薄膜技术领域，人为地将真空环境粗略地划分为:真空度的划分真空系统中，气体的通过能力称之为流导C真空系统的导流能力流导流导C的大小取决于

真空系统(管路)的几何尺寸气体的种类与温度气体的流动状态(分子流或粘滞流)如对分子流,一个处于两直径很大的管路之间的通孔的流导为真空系统中，气体的通过能力称之为流导C真空系统的导流能力不同形状管路的流导已被编制成图表不同流导C1、C2、C3间可相互串联或并联，构成总流导C串联流导：并联流导：（就象描述气体流动的欧姆定律）真空系统的导流能力流导不同形状管路的流导已被编制成图表真空系统的导流能力流为获得真空环境，需要选用不同的真空泵，而它们的一个主要指标是其抽速Sp，其定义为(L/s)真空泵的抽速Sp与管路的流导C有着相同的物理量纲，且二者对维持系统的真空度起着同样重要的作用真空泵的抽速为获得真空环境，需要选用不同的真空泵，而它们的一个主真空泵可以达到的极限真空度

实际的真空系统总存在气体回流、气体泄露、气体释放等现象。设其等效的气体流量Qp0

，并忽略管路流阻(流导C为无穷大，p=pp)，则气压随时间的变化曲线为则极限真空度:真空泵可以达到的极限真空度实际的真空系统总存在气体有限流导情况下真空泵的抽速当真空管路流导为有限，真空容器出口与真空泵入口处的气体压力不相等，但气体流量相等。泵的实际抽速S降低为即抽速S永远小于泵的理论抽速Sp，且永远小于管路流导C。即S受Sp和C二者中较小的一个所限制。有限流导情况下真空泵的抽速当真空管路流导为有限，真空容器出口真空泵的分类输运式（排出式）机械式气流式捕获式（内消式）

可逆式不可逆式真空泵的分类输运式（排出式）旋片式机械真空泵的外形图旋片式机械真空泵的外形图旋片式机械真空泵的结构示意图镇气阀：空气可通过此阀掺入排气室以降低压缩比，从而使大部分蒸汽不致凝结而和掺入的气体一起被排除泵外。旋片式机械真空泵的结构示意图镇气阀：空气可通过此阀掺入排气室旋片式机械真空泵的抽速曲线

极限真空度可达10-1Pa左右，但有油污染问题旋片式机械真空泵的抽速曲线极限真空度可达10-1Pa左右，罗茨泵的外形图

罗茨泵的外形图罗茨泵的结构示意图

罗茨泵不使用油作密封介质，少油污染其适用的压力范围是在0.1-1000Pa之间

罗茨泵的结构示意图罗茨泵不使用油作密封介质，少油污染罗茨泵组成的真空机组的外形图

罗茨泵可与旋片式机械泵串联成真空机组使用，降低每台泵的负荷，扩大可获得的真空度范围罗茨泵组成的真空机组的外形图罗茨泵可与旋片式机械泵串联成真罗茨泵组成的真空机组的抽速曲线组成机组使其极限真空度提高到10-2Pa罗茨泵组成的真空机组的抽速曲线组成机组使其极限真空度提高到1油扩散泵的外形图

油扩散泵的外形图油扩散泵的结构示意图

扩散泵油在高温下会发生氧化，因此扩散泵需要在优于10-2Pa的较高真空度下工作油扩散泵的结构示意图扩散泵油在高温下会发生氧化，因此扩散泵油扩散泵组成的真空机组的外形图

由扩散泵组成真空机组，其极限真空可达110-5Pa，但油污染的问题较为严重油扩散泵组成的真空机组的外形图由扩散泵组成真空机组，其极限涡轮分子泵的外形图

涡轮分子泵的外形图涡轮分子泵的结构示意图

涡轮分子泵运转速度极高，因此需要在优于1Pa的较高真空度下运转涡轮分子泵的结构示意图涡轮分子泵运转速度极高，因此需要在优涡轮分子泵的抽速曲线

涡轮分子泵的极限真空度达10-8Pa，适用的压力范围在110-8Pa之间

涡轮分子泵的抽速曲线涡轮分子泵的极限真空度达10-8Pa，隔膜真空泵的外形图

隔膜泵的能力较小(1L/s)

，极限真空度较差(100Pa)，但无油污染问题隔膜真空泵的外形图隔膜泵的能力较小(1L/s)，极限真空干泵系统的外形图

干泵的能力较大(100L/s)

，极限真空度较高(10-2Pa)，无严重的油污染问题干泵系统的外形图干泵的能力较大(100L/s)，极限真空低温吸附(液氦冷凝)泵的外形图

低温吸附(液氦冷凝)泵的外形图低温吸附(液氦冷凝)泵的结构示意图

低温吸附泵的极限真空度可达10-8Pa。其效能取决于所用的低温温度、被吸附气体的种类、数量、吸附表面的面积等低温吸附(液氦冷凝)泵的结构示意图低温吸附泵的极限真空溅射离子泵的外形图

溅射离子泵的外形图溅射离子泵的结构示意图

溅射离子泵的极限真空度可以达到10-9Pa溅射离子泵的结构示意图溅射离子泵的极限真空度可以达到10-常用真空泵的工作范围不同泵种的工作压力范围不同。因而常将两种或三种真空泵结合起来组成真空机组常用真空泵的工作范围不同泵种的工作压力范围不同。因而常将两种真空测量方法的分类(各种物理的方法)热电势法电阻法电离法电容法……真空测量方法的分类(各种物理的方法)热电势法热偶式的真空规热偶规仅适用于0.1100Pa的低真空范围热偶式的真空规热偶规仅适用于0.1100Pa的低真空范围皮拉尼电阻真空规皮拉尼电阻真空规皮拉尼电阻真空规其原理、真空测量范围与热偶规相似皮拉尼电阻真空规其原理、真空测量范围与热偶规相似电离式真空规电离式真空规电离式真空规电离真空规可测量的压力范围为1Pa-10-7Pa电离式真空规电离真空规可测量的压力范围为1Pa-10-7Pa薄膜式电容真空规薄膜式电容真空规薄膜式电容真空规薄膜规线性度好，但其探测下限约为10-3Pa薄膜式电容真空规薄膜规线性度好，但其探测下限约为10-3Pa压阻式真空规利用Si元件的压阻特性，测量范围10-105Pa压阻式真空规利用Si元件的压阻特性，测量范围10-105Pa常用真空测量方法的适用范围不同的真空测量方法所适用的压力范围不同。因此常将不同的方法结合起来使用，拓宽压力测量的范围。常用真空测量方法的适用范围不同的真空测量方法所适用的压力范围例一：薄膜制备系统:金属喷镀仪例一：薄膜制备系统:金属喷镀仪金属喷镀仪的真空系统参数真空室：4.75英寸H4.75英寸真空泵：双级旋片机械泵极