第一章薄膜制备的真空技术基础.

第一章薄膜制备的真空技术基础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、输运以及反应的过程。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础知识进行简单的介绍。第一章薄膜制备的真空技术基础1.1气体分子运动论的基本概念1.2真空的基本概念1.3各类真空泵简介1.4真空测量技术1.5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1.描述气体分子状态的宏观物理量-P、T、V理想气体：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。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。真空技术中研究气体时，一般可以应用理想气体状态方程。1.1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-P、T、V（1）理想气体状态方程：P：压强（Pa）；m：气体质量（Kg）；V：体积（m3）；R：普适气体常数=8.314J.mol-1K-1：T：绝对温度（K）讨论：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），此即波义耳-马略特定律（机械泵的理论基础）。molmPVRTM1.1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-P、T、V（2）阿伏加德罗定律：（理想气体状态方程的第二种表达方式）n为气体分子密度（1/m3）；波尔兹蔓常数k=R/NA=1.3810-23JK-1；NA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（与气体种类无关）。在标准状态下，任何气体的分子密度为31019个/m3pnkT1.1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-P、T、V（2）阿伏加德罗定律：（理想气体状态方程的第二种表达方式）推导：若气体由N个分子组成，每个分子的质量为M，则m=MN。而1mol气体中的分子数NA=6.0231023，将Mmol=MNA代入理想气体状态方程，则推出阿伏伽德罗定律。pnkT1.1气体分子运动论的基本概念2气体分子运动速度及其分布(Maxwell分布）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，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2气体分子运动速度及其分布(Maxwell分布）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M与热力学温度T的比值），M-分子的摩尔质量，T为热力学温度，R为普适气体常数。f(v)dv=dN/N为速率位于v-(v+dv)区间的相对分子数或分子处于v-(v+dv)间的几率。或者f(v)dv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。dN=Nf(v)dv设有N个气体分子的理想气体，在平衡状态速率处在v-(v+dv)之间的分子数：1.1气体分子运动论的基本概念2气体分子运动速度及其分布(Maxwell分布）f(v)速率分布函数，M-分子的摩尔质量，T为热力学温度，R为普适气体常数。物理意义：dN=Nf(v)dv设有N个气体分子的理想气体，在平衡状态速率处在v-(v+dv)之间的分子数：1.1气体分子运动论的基本概念2气体分子运动速度及其分布(Maxwell分布）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N2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2气体分子运动速度及其分布(Maxwell分布）图中表示，总分子数为107个、速率间隔dv为1cm/s时，在不同速率范围的分子数。例如，0℃的N2分子，v处于1000-1000.01m/s范围内的分子数大约为9个。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，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大。1.1气体分子运动论的基本概念3.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撞频率与气体分子热运动的速率有关，与气体的密度有关。1.1气体分子运动论的基本概念3.气体分子的平均自由程碰撞频率：单位时间内气体分子的碰撞次数。自由程：分子任意两次碰撞之间通过的路程，λ。分子运动的平均自由程：大量分子多次碰撞自由程的平均值，。或：一个气体分子连续两次碰撞间飞行距离的平均值称为平均自由程1.1气体分子运动论的基本概念3.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：n:单位体积内的分子数；d:气体分子的直径nd21*思考题：平均自由程在制膜中的重要作用？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。自由程小→碰撞多→气体分子能量↓→薄膜疏松、不致密1.1气体分子运动论的基本概念3.气体分子的平均自由程----补充（1）在常温常压条件下，空气分子的有效截面直径d≈0.5nm。由T=298K，P=nKT(P=101325Pa），代入公式得到：≈50nm。表明在常温常压下，气体分子的平均自由程是极短的。（2）由气体分子的平均自由程还可以求出其平均碰撞频率=va/λ（常温常压时，va=460m/s）。所以常温常压下，每个空气分子每秒内要经历1010次碰撞。运动轨迹并不是直线，而是不断碰撞改变方向。RTMPNkTPMRTvnmolAmol216844.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（单位时间内，碰撞于单位面积上的气体分子数）。克努森方程因子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衬底完全被一层分子覆盖所需时间：PNRTMNNtAmol2－－N为表面原子密度常温常压下，洁净表面被杂质完全覆盖所需时3.510-9s,在10-8Pa的高真空中，这一时间为10h。所以，在薄膜制备技术中获得和保持适当的真空度是很重要的。5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流动，只有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。气体流动取决于容器形状，气体气压，温度及气体种类。1.1气体分子运动论的基本概念气体流动状态分类分子流状态:分子间无相互碰撞（高真空度，容器尺寸远小于或与平均自由程相当）粘滞流状态分子间碰撞平繁（中、低真空度，容器尺寸远大于平均自由程）层流状态：低速流情况（宏观运动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，气体的黏度系数越大，则越有利于气流形成层流）涡流状态：高速流情况（有漩涡）5气体的流动状态1.1气体分子运动论的基本概念与水流动类似，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。气体流动可按克努森准数来划分：Kn=D/D为容器尺寸；为平均自由程分子流状态：Kn1中间状态：Kn=1~110粘滞流状态：Kn110图1.2气体流动状态与真空系统尺寸和气体压力之间的关系5气体的流动状态1.1气体分子运动论的基本概念1.何为真空物理学上的“真空”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；一般意义上的“真空”并不是指“什么物质也不存在”。应用物理与技术所讨论的“真空”――低于一个大气压力的稀薄气体的空间状态。1.2真空的基本概念1.何为真空1.2真空的基本概念人造真空自然真空真空:地球大气层以外的宇宙真空（在还平面上，大气产生的压力为101325Pa，约100KPa，工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）: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大致为10-12-10-13Pa，还远未达到绝对真空。2.真空度的表征通常用压强为单位来描述“真空”状态下的气体稀薄程度―真空度。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“好”，低则表示真空度“差”。1.2真空的基本概念2.真空度的表征(1)帕斯卡（Pa）：国际单位制1Pa=1牛顿/米2=1千克/米•秒2=10达因/cm2=7.510-3Torr(2)托（Torr)：1Torr=1/760atm（一个标准大气压）=133.32Pa(3)毫米汞柱（mmHg）：0℃时1mmHg作用在单位面积上的力。一个标准大气压（atm）=760mmHg1mmHg约等于1托。(4)巴（bar）：1bar=105Pa1.2真空的基本概念2.真空度的表征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、高真空和超高真空四个区域（表1-1）。各区域的真空物理特性如表1-2所示。（P3）1.2真空的基本概念2.真空度的表征在薄膜技术领域，可以认为地将真空环境粗略地划分为（GB3163-82）：低真空：102Pa工业应用（包装）中真空：102~10-1PaCVD沉积技术高真空：10-1~10-5Pa溅射沉积技术超高真空：10-5Pa原子表面和界面分析1.2真空的基本概念4.真空及制膜设备超高真空条件下，气体分子以在固体上吸附停留为主，其它真空度时，气体分子以空间飞行为主。不同的薄膜制备和分析技术队真空度的要求是不同的。JP450磁控溅射镀膜系统等离子增强CVD和热丝CVD复合系统一．真空沉积系统二、真空抽气系统三、真空测量系统四、电源系统五、气路系统对于一个真空系统理论上所能达到的真空度，与真空泵、真空系统的结构材料、加工工艺、管道等因素有关。1.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，流导C定义为－－P1和P2为管路两端的气压，Q为单位时间内通过管路的气体流量。21PPQC1.3真空的获得QP2P1301.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程度压力降低。泵1泵2真空室真空室泵1泵2并联可以提高抽速串联可以提高极限真空度流导的串联和并联1.3真空的获得(2)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高真空度。1.3真空的获得(3)真空抽速真空泵的抽速S定义为---P为真空泵入口处气压，Q为单位时间内通过该处的气体流量―S特指一个截面上的气体流速。PQS1.3真空的获得(a)流量各处相等（无回流）：Q=C(P-Pp)=SpPp真空容器出口处的实际抽速：无回流有回流CSCSSPP泵对容器的实际抽速S永远小于泵的理论抽速，也永远小于管路的流导C，即S是Sp、C受两者中较小的一个所限制。1.3真空的获得无回流有回流）（）（PPSPQSSQPPSQPSQPSQPPPPPPPP0011流量泵的极限真空实际抽速（b）有回流1.3真空的获得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。2.真空的获得按工作原理主要分为:机械运动（罗茨真空泵，涡轮分子泵）;蒸汽流喷射（扩散泵）;吸附作用（溅射离子泵）它们所能达到的极限真空度以及载能力都各有不同。真空存在于一个封闭的且压力比周围大气压小很多的环境中。（低于一个大气压的气体空间）真空泵是真空获得的主要工具。按真空获得方法输运式真空泵捕获式真空泵对气体进行压缩的方式将气体分子输送到真空系统外依靠在真空系统内凝结或吸附气体分子的方式将气体分子捕获溅射离子泵低温吸附泵旋片式机械真空泵罗茨泵涡轮分子泵油扩散泵2.真空的获得典型的真空系统包括：待抽空的容器（真空室或真空腔）、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。真空的获得低真空：初级泵P≥100Pa，使用机械泵就可以。中级真空和高级真空的获得，需要初级泵和高级泵共同作用。分子泵等