薄膜物理第一章课件

第一章薄膜制备的真空技术基础1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2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3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5§1.1

气体分子运动论的基本概念一、气体的压力:理想气体的状态方程二、气体分子的速度分布:

Maxwell-Boltzmann分布6同一温度下不同气体的速率分布N2分子在不同温度下的速率分布

在T=300K时，空气分子的平均运动速度:va460m/s7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四、气体分子的通量（克努森Knudsen方程）证明：计算单位时间内碰撞于器壁或基板上小面积dA的分子数9由于分子运动的无规性，运动的各个方向机会均等，因此，任何时刻分子运动方向在立体角中的几率为：设dA与dΩ的法线夹角为θ，单位时间内，速率在v~v+dv间从立体角dΩ方向飞来碰撞于dA上的分子数目就是以dAcosθ为底，v为高的圆筒中的分子数：10单位时间内从立体角dΩ方向飞来的各种速度的分子数，只需对上式积分即可求得即碰撞于器壁dA上的分子数与分子飞来方向与dA法线夹角的余弦成正比。任何角度，单位时间内碰撞dA的总分子数只需对dΩ积分11代入平均速度的表达式可得气体压力高时，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13

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：*清洁表面被污染所需时间N为表面的原子面密度

14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。15气体分子间的碰撞较为频繁。分子的平均自由程较短（即气体主要是在分子间的碰撞过程中流动）。2、粘滞流状态判断气体的流动状态可用克努森准数:Kn<1分子流状态Kn>110粘滞流状态110>Kn>1过渡状态D为容器的尺寸；λ为气体分子的平均自由程17粘滞流状态低流速时，为层流状态流速较高时，为紊流状态粘滞态气流的两种不同的流动状态18层流状态，相当于气体分子的宏观运动方向与一组相互平行的流线相一致。相邻的各流层之间一直维持着相互平行的流动方向。在靠近容器壁的地方，气体分子受到器壁的粘滞力作用，其流动速度趋近于零；随着离开器壁距离的增加，气体的流动速度逐渐增加，在容器的中心处，气体流动速度最高。

在流速较高的情况下，气体的流动不能再维持相互平行的层流状态模式，而会转变为一种漩涡式的流动模式，这时气流中不断出现一些低气压的漩涡。——称为紊流状态19

气体流动状态与气体压力、真空容器尺寸的关系21

注意：在一个真空系统中的不同部分，克努森准数和雷诺系数值以及气体的流动状态可能是截然不同的。二、真空系统的导流能力流导1、流量Q单位时间内气体流动的量叫流量。在真空技术中，与水的情况不同，流量要用（压强×体（容）积/时间）表示。单位：Pa·L/s22与电学中的欧姆定律很相似。单位：L/s2、流导：真空系统中，气体的通过能力称之为流导C,表示气体流动的难易程度。定义为：流导的大小随气体的流动状态和管道的形状的不同而不同。在粘滞状态下，气体分子间的碰撞是主要的，气体的压强的作用较为有效，气体容易通过，故流导大；与此相反在分子流状态下，气体分子间的碰撞可以忽略，气体压强作用较小，所以流导小。23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)不同形状管路的流导已被编制成图表，供真空设计者查阅25对不同流导C1、C2、C3组成的系统，其合流导C为：串联流导：并联流导：（就象描述气体流动的欧姆定律）26三、真空的抽速SP1、定义

p为真空泵入口处的压力，Q为泵入口处的气体流量抽速：抽气速率，指在规定的压力下单位时间内所抽出气体的体积（理论抽速）27即真空泵的实际抽速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。所以设计真空系统的一个基本原则就是要保证管路的流导C大于真空泵的理论抽速Sp292、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。设其等效的气体回流流量Qp0

，并忽略管路流阻(流导C为无穷大，p=pp)，则由流量相等有：令Q=0可得极限真空度p0为:30可见它将随着Q的减少以及p→p0的过程而趋于零所以，真空泵的实际有效抽速为若同时考虑真空泵回流、真空容器的泄露、真空管路的流导以及真空容器的容积等因素之后，整个真空系统的极限真空度总要低于真空泵的极限真空度。常引入系数γ表示则：实际有效抽速为31另外若设在时间间隔△t内，真空容器压强从p→p-△p，那么从容器中排除的气体流量为△pV，这应等于真空泵抽掉的气体流量，即则气压随时间的变化曲线为pi为t=0时系统的真空度32一、真空泵的分类输运式（排出式）：采用对气体进行压缩的方式将气体分子输送至真空系统外捕获式（内消式）：依靠真空系统内凝结或吸附气体分子的方式将气体分子捕获，排除于真空之外。§1.3真空泵简介真空泵的分类二、输运式真空泵机械式气流式331、机械式气体输运泵（机械泵）旋片式机械泵、罗茨泵以及涡轮分子泵是典型例子（1）、旋片式机械真空泵34旋片式机械泵转子的四个典型位置抽气原理是应用最广泛的一种真空泵，可以从大气开始工作35整个泵浸泡在油中，每一周期有少量油进入容器内部，形成油膜保持润滑和密封。为防止气体回流，运动部件间有很小的配合间隙。36其抽速可如下估算：设在泵的每次旋转中，转子与定子之间体积为V的气体被全部排出至泵腔之外。此时泵的理论抽速等于

注意：此式仅适用于压力较高时，当泵的压力逐渐降低时，泵的抽速将逐渐降低并趋于零。f为转速式中γ随f增加而减小37一般旋片式机械泵的抽速范围大致在1~300L/s之间，极限真空度可达10-1pa限制旋片式机械泵真空度的因素主要有：1）、泵结构上存在着有害空间Vc38特点：结构简单、工作可靠、噪声小、运行速度高缺点：由于它以油作为密封物质，所以会造成油蒸汽的回流和对真空系统的油污染其他常见的机械泵2）、吸气和排气空间之间存在气压差，高压气体从间隙窜回吸气空间3）、在吸气和排气空间的泵油气也在上述两空间之间循环流动3940（2）、罗茨真空泵(机械增压泵)41特点：转子的咬合精度很高，转子可高速旋转，不用油作为密封介质，抽速很大，极限真空度可达10-2pa左右。但当气体的压力低于10-1pa以后，气体的回流将造成罗茨泵抽速的降低。而在压力较高时，大量气体的高速压缩又会引起泵体和转子发热膨胀，造成配合精度很高的泵体损坏。因此罗茨泵的工作压力范围是0.1~1000pa之间。所以罗茨泵常用机械泵作为前极。42油扩散泵的外形图

2、气流式气体输运泵（1）油扩散泵43借助于喷嘴中高速喷出的油气喷流的动量而输运气体的真空泵利用油加热后形成大量的油蒸汽，油蒸汽沿着蒸汽导管传输到上部，经伞形喷嘴向外喷射出。三级喷嘴油扩散泵简化工作原理44三级喷嘴油扩散泵简化工作原理由于喷嘴外的压强较低，于是蒸汽会向下喷射出较长的距离，形成一高速定向的蒸气流。其射流的速度可达200m/s甚至2倍音速以上，其分压强低于扩散泵进气口上方被抽气体的分压强，两者形成压强差。45真空室内的气体分子必然会向着压强较低的扩散泵口扩散，与具有较高动量和能量的超音速蒸气分子相碰而发生动量和能量交换，气体分子在高速油分子碰撞推动下，被赶向下方，在泵的下方形成密集气体分子流，在出口处被前极的机械泵抽走从排气口排入大气。46从喷嘴喷出的油蒸气碰到水冷的泵体内壁而凝结，凝结的油沿壁面返回泵底。这种泵只排除飞人蒸汽喷流内的气体分子。由于出口处气体压强大于进口处压强，气体分子有从出口处向进口处进行反扩散的趋势；但因蒸汽流本身形成了阻挡层，减少了气体的扩散效果。47当进出口之间的反压与油蒸气流的作用相平衡时，泵便失去了进一步抽气的作用，此时就达到了该泵的极限真空。

特点：扩散泵必须和机械泵联合才能构成高真空抽气系统，单独使用扩散泵是没有抽气作用的。此外现多使用多级喷口的多级泵，这样尽管整个泵的进口和出口之间的压差较大，但对每一级而言，蒸气阻挡层两端的压差又不太大，形成了接力作用，可减少反扩散，提高极限真空度。这种多级泵极限真空可达10-5~10-6pa。

缺点：泵内的油蒸气回流会造成真空系统的油污染。48涡轮分子泵的外形图

（2）分子涡轮泵49涡轮分子泵的结构示意图分子涡轮泵可以认为是极为精密的电风扇，是靠高速旋转的叶片（叶片具有特定的形状）对气体分子施加作用力，并使气体分子向特定方向运动而实现高真空。50对一般气体分子的抽除极为有效，例如，对氮气压缩比可达109；但对低原子序数的气体抽除能力较差，压缩比仅为103压缩比——泵出口的压力与人口压力之比。分子涡轮泵对气体的压缩比很高，所以油蒸气的回流可以完全忽略，其极限真空度可达10-8pa，抽速可达1000L/s。压力使用范围1~10-8pa.特点：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

缺点：价格较高。51三、捕获式真空泵1、低温吸附泵依靠气体分子会在低温条件下自发凝结或被其他物质表面吸附的物理现象实现对气体分子的去除，而获得真空的装置低温吸附(液氦冷凝)泵的外形图

52吸附泵的真空度依赖于所采用的低温系统的温度、吸附物质的表面积、被吸附气体的种类等多个因素。其极限真空度为10-1~10-8pa之间。可如下估算53在泵内冷凝表面上接受气体分子的速率与真空室内表面气体分子的蒸发速率相等时（平衡），吸附泵便到达了极限真空。即

ps——为被抽除气体的平衡蒸气压；T低——为冷凝表面温度；T室——为真空室内表面温度54

例如考虑对氮气分子的吸附，设真空室内表面温度为300K，若低温吸附泵低温冷凝表面温度为20K，因为氮气在T=20K时，其平衡蒸气压约为10-9pa，所以低温吸附泵对氮气吸附的极限真空度大致为5×10-9pa左右。

*平衡蒸气压：若把各种固体或液体放入密闭的容器中，在任何温度下都会蒸发和凝结，蒸发出来的蒸气形成蒸气压，当单位时间内蒸发出来的分子数同凝结在器壁表面和回到蒸发物质的分子数相等时的蒸气压称为平衡蒸气压。55对低温时平衡蒸气压较高的气体，不容易用低温泵来去除（如H2、He、Ne）。对其他气体低温吸附泵的抽速很大。

缺点：运转成本高特点：需要在10-1pa以下的预真空条件下工作，以减少吸附泵的负荷，避免在泵体内积聚过厚的气体凝结产物。是获得无油高真空的有效手段。562、溅射离子泵溅射离子泵的外形图

57

它的工作原理是靠高压阴极发射出的高速电子与残余气体分子相互碰撞后引起气体电离放电，电离后的气体分子在高速撞击Ti阴极时又会溅射出大量的Ti原子，由于Ti原子的活性很高，因而它将以吸附或化学反应的形式捕获大量的气体分子，并使其在泵体内沉积下来，从而在真空室内实现无油的高真空环境。58对不同气体分子，溅射离子泵的抽速差别很大。如对H2的抽速是对O2抽速的数倍。一般对活性较大的气体抽速大。

特点：与低温吸附泵不同，溅射离子泵所抽除的气体分子不会在高温下再被释放出来。极限真空度可达10-8pa左右。

缺点：Ti电极由于不断溅射，所以使得溅射离子泵的使用寿命有一定的限度。59不同真空泵的适用压力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60§1.4真空的测量与真空的获得方法密切相关的是真空的测量技术。根据真空度的不同或气体压力的不同，其测量方法也大相径庭。因此找不出一种仪器能够测量整个压强范围。人们往往是针对具体的被测压强范围，设法用这样那样的手段来测量。

真空规是基于不同气体的物理参数而制造的，各有千秋。能够从仪器本身测得的物理量直接换算出压强大小的真空规叫绝对真空规，否则叫相对真空规。61大多数仪器是先测量出随压强变化的参数，再换算成压强。在薄膜技术领域所涉及的压强范围内，能直接测量出压强的仪器几乎没有。

注意，仪器测量的真空度与真空室的实际真空度之间会由于温度的不同而存在误差，当气体处于分子流状态，且真空室与测量点之间存在较细的管道连接时，测量压力pm与实际压力pc之间的关系可由分子净通量为零的条件求出：62所以当测量点温度Tm较高时，检测出的压力pm将比实际偏高，相反……，显然Tc与Tm之间的差别越大，造成的测量误差将越大。如：Tc=600°C；Tm=25°C时，测量出的压力将只有真空室实际压力的58%。当气体流动状态接近或处于粘滞流状态时。温度差别导致的测量误差将趋于零。因为任何压力差会由于气体的迅速扩散和流动而趋于消失63一、热偶真空规和皮拉尼真空规都是以气体的热导率随压力的变化为基础而设计的。

1、热偶真空规一根置于容器内的加热丝，设其总发热量为Q，Q会消耗于热辐射（QR）、加热丝支架的热传导（QL）以及由于气体分子与热丝碰撞而带走的热量（Qg）.64在到达平衡后，电流（恒定）提供的加热功率与损失的功率相等，即其中QR和QL在灯丝温度T一定时为恒定值，而Qg与真空容器中的气体压力p有关，所以热丝的温度将随真空度的不同而呈现有规律的变化。65在0.1~100pa的压力范围内，气体的热导率将随气体压力的增加而上升，因而热丝的温度会随气体压力的上升而降低。所以用热电偶测量出热丝的温度，也就测量出了环境的压力。不能用于较低或较高真空度的测量。因为在p>100pa时，气体的热导率将不再随压强变化而显著变化，所以此时测量的灵敏度迅速下降；在p<0.1pa后，气体分子热传导带走的热量，在总加热功率中所占的比例过小，测量灵敏度也迅速下降。66特点：仪器结构简单、使用方便缺点：测量区域内，指示值呈非线性、测量结果与气体种类有关、零点飘移严重。

2、皮拉尼真空规（热阻式真空规）利用测量热丝电阻值随温度的变化来测定气压。67二、电离真空规阴极发射的电子在飞向阳极的过程中碰撞气体分子，并使后者电离，由离子收集极接受电离的离子，根据离子电流强度Ii的大小，就可以测量出环境真空度。68因为离子电流Ii的大小将取决于阴极发射的电子电流强度Ie、气体分子的碰撞截面以及气体分子密度（即压强p)等三个因素，在固定阴极发射电流和气体种类的情况下，离子电流强度将直接取决于电离气体的分子密度（即压力）。其测量下限约为10-5pa，受阴极发射的高能电子在离子收集极上产生光电子（形成虚假的离子电流）所限制。69适用压力范围10-1~10-5pa,因为当压力大于10-1pa时电子的平均自由程太小，气体不能电离，故不能反映气压。三、薄膜真空规是依靠金属薄膜在气体压力差作用下，产生机械位移来对压强进行测量。70薄膜真空规有两个被隔开的真空腔，当一个腔内压力已知，另一个腔压力未知的情况，薄膜的位移量将与两个腔内的压力差成