第1章---薄膜技术的真空技术基础

第一章薄膜技术的真空技术基础材料科学与工程学院纳米光电材料实验室朱归胜桂林电子科技大学材料科学与工程学院内容提要气体分子运动论的基本概念1真空获得的手段2真空度的测量3桂林电子科技大学材料科学与工程学引言问题1、是不是所有薄膜制备方法都需要在真空环境下？2、为什么在薄膜制备的过程中需要在真空环境？或者说真空环境在薄膜制备过程中的作用是什么？桂林电子科技大学材料科学与工程学引言问题1：薄膜技术与真空技术的关系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。例外：比如sol-gel技术，丝网印刷技术问题2:真空在薄膜制备过程中的作用：（1）减少蒸发分子与残余气体分子的碰撞；（2）抑制它们之间的反应；桂林电子科技大学材料科学与工程学引言薄膜的气相沉积一般需要三个基本条件：热的气相源、冷的基板和真空环境。在寒冷的冬天，窗玻璃上往往结霜；人们乍一进入温暖的房间，眼镜片上会结露。不妨将上述“霜”和“露”看作气相沉积的“膜”，则火炉上沸腾水壶中冒出的蒸汽则是“热的气相源”，冰冷的窗玻璃和眼镜片则是“冷的基板”。那么，为什么真空环境也是薄膜气相沉积的必要条件呢？一般说来，工业上利用真空有下述几条理由：①化学非活性；②热导低；③与气体分子之间的碰撞少；④压力低。通过本章的学习，可以了解真空环境对于薄膜气相沉积的必要性，并为真空获得、真空测量及真空应用等建立必要的理论基础。桂林电子科技大学材料科学与工程学2.1真空的基本知识1真空的定义真空泛指低于一个大气压的气体状态。与普通的大气压状态相比，分子密度较为稀薄，从而气体分子与气体分子，气体分子与器壁之间的碰撞几率要低些。曾存在两种不同的说法：一是真空就是“真的空了”，就是“什么也不存在的空间”。但目前即使用最先进的真空制备手段所能达到的最高真空度1*10-11Pa，每立方厘米体积中仍有3000个气体分子。因此它除了理论研究外，并无多大实际意义；另一种说法是“就真空使用者的目的而论的，只要该空间的气体可以忽略不计，就可以认为是真空了。”桂林电子科技大学材料科学与工程学1.1真空的基本知识按上述第二种说法，比如炮弹在高于大气压的空间飞行是没有问题的，因此可以将高于大气压的空间看作是真空，而对于表面研究，10-8Pa才称得上是真空。宇宙空间所存在的“自然真空”；利用真空泵抽取所得的“人为真空”。绝对真空：完全没有气体的空间状态。为了获得真空至少需要能降低压强的设备——真空泵能盛放特定空间的装置——真空容器桂林电子科技大学材料科学与工程学1.1真空的基本知识2真空度的术语描述分子密度：如用阿伏加德罗数（在1℃和1大气压下，22.4L的空间中有6*1023个气体分子，在1*10-8Pa压强下，1cm3中有355万个气体分子，相当于北京市人口的1/4。平均自由程：（气体分子人一次碰撞到下一次碰撞所飞距离的统计平均值）在1*10-8Pa压强下，25℃的空气，其平均自由程为509km，相当于北京到大连或北京到青岛间的距离，这就好比从北京到大连或北京到青岛的飞行过程中一次也不碰撞。桂林电子科技大学材料科学与工程学1.1真空的基本知识2真空度的术语描述入射频率：（单位时间碰撞（入射）到单位面积上的分子数）在1*10-8Pa压强下，25℃的空气，每1cm3的表面，平均每秒多到380亿次气体分子的碰撞。要是这些气体分子整齐地排列于固体表面，大约需要3个小时。1cm3中的气体分子尽管超过350万个，而来回自由飞行的距离却大于500km，矛盾否？这些气体分子非常小，直径只有一亿分之四厘米，（0.4nm）,但运动速度极快（大约为步枪子弹的出口速度）桂林电子科技大学材料科学与工程学1.1真空的基本知识3真空度量单位在真空技术中，常用“真空度”习惯用语和“压强”物理量表示真空程度，通常说成“某空间的真空度为多大的压强”。某空间的压强越低意味着真空度越高，反之，压强高的空间则真空度低。气体分子密度、气体分子的平均自由程、形成一个分子层所需要的时间等也可以用来表示真空度。工程常用的换算：1atm=760Torr=1033mbar=1013*102Pa单位帕/Pa托/Torr毫巴/mba标准大气压1Pa17.5×10-31×10-29.87×10-61Torr133.311.3331.316×10-31mba1000.7519.87×10-41atm1.013×1057601.013×1031桂林电子科技大学材料科学与工程学1.1真空的基本知识4真空区域划分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10-12Pa，大气压大约为105Pa,因此17个数量级的广阔的压力范围均在真空技术所涉及的范畴之内。不同真空区域的物理特性桂林电子科技大学材料科学与工程学1.1真空的基本知识桂林电子科技大学材料科学与工程学1.1真空的基本知识桂林电子科技大学材料科学与工程学1.1真空的基本知识桂林电子科技大学材料科学与工程学1.2真空的表征1气体分子的平均自由程分子平均自由程：气体分子在两次碰撞的间隔时间里走过的平均距离。假设某种气体分子的有效截面直径为d，则该气体分子的平均自由程应该等于。因此，气体分子的平均自由程与单位体积内的气体分子数n成反比。在常温常压的条件下，气体分子的平均自由程是极短的。例如，在此条件下，空气分子的有效截面直径d≈0.5nm,平均自由程λ≈50nm。2d1n(1-1)桂林电子科技大学材料科学与工程学1.2真空的表征1气体分子的平均自由程由于气体分子的运动轨迹是一条在不断碰撞的同时不断改变方向的折线，因此，尽管它的平均运动速度很高，但是单位时间里，其定向运动的距离却较小。由于气体分子的平均自由程与单位体积内的气体分子数n成反比，而压强p与n成正比，因此自由程随气体压力的下降而增加。在真空度优于0.1Pa时，气体分子间的碰撞几率已很小，主要是气体分子与容器壁之间的碰撞。分子平均自由程的概念在真空和薄膜技术中有着非常重要的作用。在薄膜材料的制备过程中，薄膜的沉积主要是通过气体分子对衬底的碰撞过程来实现的。桂林电子科技大学材料科学与工程学1.2真空的表征2气体分子的碰撞频率真空及薄膜技术中常碰到的另一个物理量，是气体分子对于单位面积表面的撞频率，即单位时间内单位面积表面受到气体分子碰撞的次数，称为气体分子的通量Φ，也称克努力方程；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MRTpNA2(1-2)桂林电子科技大学材料科学与工程学1.2真空的表征2气体分子的碰撞频率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，3.510-9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。在薄膜材料的制备过程中，薄膜的沉积主要是通过气体分子对于衬底的碰撞过程来实现的。此时，薄膜的沉积速度正比于气体分子的通量。桂林电子科技大学材料科学与工程学1.2真空的表征3气流与流导气体主要是在分子与分子碰撞的过程中流动（容器的尺寸远大于平均自由程），故称此种气流为粘流带，图（b)表明，气体主要是在分子和容器碰撞的过程中流动（容器的尺寸远小于平均自由程），故称之为分子流。单位时间内气体流动的量叫流量，流量与（质量/时间）成正比。桂林电子科技大学材料科学与工程学1.2真空的表征3气流与流导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:Kn1:分子流状态Kn110粘滞流状态KnD桂林电子科技大学材料科学与工程学1.2真空的表征粘滞态气流的两种不同的流动状态根据Reynolds准数Re:式中，d为容器的特征尺寸（如管路的直径）；υ、ρ、η分别是气体的流速、密度和动力学黏度系数。deRRe2200紊流状态Re1200层流状态桂林电子科技大学材料科学与工程学1.3真空系统的导流能力——流导真空系统中，气体的通过能力称之为流导C，流导C、流量Q和压强P三者的关系：式中，p1和p2为部件两端的气体压力；Q为单位时间内通过该真空部件的气体流量，即单位时间内流过的气体体积与其压力的乘积。流导C的大小取决于：真空系统(管路)的几何尺寸。在粘滞流状态下，气体分子间的碰撞是主要的，气体压强的作用较为有效，气体容易流通，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，气体压强的作用较小，所以流导小，通常，我们所利用的真空空间压强极低，大部分属于分子流。21ppQC桂林电子科技大学材料科学与工程学1.3真空系统的导流能力——流导对于分子流状态：流导与气体的压力无关，就等于单位时间内通过该真空部件的气体体积。但由于气体的流速与气体的种类和温度有关，因此，即使是在压力差相同时，管路中流过的气体量Q也不一样。比如，对于处于两个直径很大的管路间的通孔来说，若通孔的截面积为A，则通孔的流导C正比于通孔两侧气体分子向通孔方向流动的流量差。通孔的流导C：式中，n为单位体积内的气体分子数。从此式可知，分子流条件下管路的流导不仅取决于管路的几何尺寸，还与气体的种类和温度有关。MRTAnAC2桂林电子科技大学材料科学与工程学1.3真空系统的导流能力——流导对于黏滞流状态：流导随气体压力升高而增加。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：1/C=1/C1+1/C2+1/C3——并联流导：C=C1+C2+C3（就象描述气体流动的欧姆定律）桂林电子科技大学材料科学与工程学1.4真空泵的抽速为获得真空环境，需要选用不同的真空泵，而它们的一个主要指标是其抽速Sp，其定义为(L/s)式中，p为真空泵入口处的气体压力；Q为单位时间内通过的真空泵入口的气体流量。pQSp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桂林电子科技大学材料科学与工程学1.4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。当Sp＝C时，S＝Sp/2。因此设计真空系统的一个基本原则就是，保证管路的流导C大于真空泵的理论抽速Sp。CSCSpQSpp桂林电子科技大学材料科学与工程学1.4真空泵的抽速真空泵的极限真空度真空系统极限真空度的影响因素：真空泵回流气体泄漏程度真空系统管路流导实际的真空泵在运转中总存在着气体的回流现象，如上图所示。我们先仅考虑真空泵回流一个因素。设回流为Qp，并忽略管路的流阻（C为无穷大，p=pp），则由流量相等的关系式：)1(pSQpSQSQppppp系统容积桂林电子科技大学材料科学与工程学1.4真空泵的抽速令的Q=0，即可求出真空泵可以达到的极限真空度P0为同时，还可以求出泵的实际有效抽速为它将随着Q的减小以及p趋于P0的过程而趋于零。显然，上面的讨论仅仅考虑了真空泵回流一个因素，在同时考虑真空泵回流、真空容器泄漏、真空管路的流导及真空容器的容积等因素后，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。ppSQp0)1(0ppSpQSp桂林电子科技大学材料科学与工程学1.5各类真空泵简介典型的真空系统应包括：待抽空的容器（真空室）、获得真空的设备（真空泵）测量真空的器具（真空规），以及必要的管道、阀门和其他附属设备。能使压力从一个大气压开始变小，进行排气的泵常称为“前级泵”。另一些却只能从较低压力抽到更低压力，这些真空泵称为“次级泵”。真空泵是获得真空的关键设备。真空泵的种类有：（1）输运式真空泵：以压缩方式将气体输送到系