第一章薄膜制备的真空技术基础名师编辑PPT课件.ppt

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1、第第1 1章章 薄膜制备的薄膜制备的真空技术基础真空技术基础1.1.真空的定义：真空泛指压力低于一个真空的定义：真空泛指压力低于一个 大气压的任大气压的任何气态空间。何气态空间。1.1 1.1 真空的基本知识真空的基本知识2.2.真空度的单位真空度的单位真空度实质上与气体压力是同一物理概念。真空度越高，即真空度实质上与气体压力是同一物理概念。真空度越高，即气体压力越小；反之真空度越低，即气体压力越大。真空度气体压力越小；反之真空度越低，即气体压力越大。真空度的上限就是一个标准大气压，即的上限就是一个标准大气压，即760760毫米汞柱。毫米汞柱。1.1 1.1 真空的基本知识真空的基本知识-大气

2、压大气压(atm):(atm):标准的大气压力定义为标准的大气压力定义为1 atm1 atm-帕帕(Pa):N/m(Pa):N/m2 2(常用单位：常用单位：Pa)Pa)-巴巴(Bar):Dy/cm(Bar):Dy/cm2 2,(,(常用单位：常用单位：mBar)mBar)-乇乇(Torr):1/760 atm,(Torr):1/760 atm,(常用单位：常用单位：Torr)Torr)M88RTmkTVa1.2 1.2 气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本概念1 1、气体分子的平均运动速度、气体分子的平均运动速度V Va a温度越高、气体分子的相对原子质量越小，则分子的平均温度越高、

3、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。运动速度越大。（1 1）2 2、气体的压力、气体的压力28aAAn MvnRTpNN（2 2）3 3、碰撞频率、碰撞频率（气体分子通量）（气体分子通量）：在单位时间：在单位时间,单位面积单位面积表面受到气体分子碰撞的次数表面受到气体分子碰撞的次数。231P 41aanmVnVMRTPNA21.2 1.2 气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本概念（3 3）将式（将式（1 1）和（）和（2 2）代入上式，可以求出气体分子的通量：）代入上式，可以求出气体分子的通量：21n d1.2 1.2 气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本概念

4、4 4、分子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气体分子在两次碰撞的间隔时间里走过的平均距离。过的平均距离。式中式中d d为气体分子的有效截面直径。气体分子的平均自为气体分子的有效截面直径。气体分子的平均自由程与气体分子的密度由程与气体分子的密度n n成反比。成反比。5 5、真空度的划分真空度的划分 低真空：低真空：10 2Pa 中真空：中真空：102 10-1Pa 高真空：高真空：10-110-5Pa 超高真空：超高真空：10-5 Pa1.3 1.3 气体的流动状态和真空抽速气体的流动状态和真空抽速1 1、气体的流动状态气体的流动状态在高真空环境中，气体分子除了与容器器

5、壁发生碰撞以外，在高真空环境中，气体分子除了与容器器壁发生碰撞以外，几乎不发生气体分子间的碰撞过程。这种气体的流动状态被几乎不发生气体分子间的碰撞过程。这种气体的流动状态被称为气体的称为气体的分子流状态。分子流状态。分子流的特点分子流的特点是气体分子的平均自由程大于气体容器的尺寸是气体分子的平均自由程大于气体容器的尺寸或与其相当。或与其相当。当气体压力较高时，气体分子的平均自由程较短，气体分子当气体压力较高时，气体分子的平均自由程较短，气体分子间的相互碰撞较为频繁，这种气体的流动状态称为气体的间的相互碰撞较为频繁，这种气体的流动状态称为气体的黏黏滞流状态滞流状态。1.3 1.3 气体的流动状态

6、和真空抽速气体的流动状态和真空抽速上述两种气体流动状态间的界线可以借助一个无量纲的参数上述两种气体流动状态间的界线可以借助一个无量纲的参数克努森（克努森（KnudsenKnudsen）准数）准数KnKn来划分，定义为：来划分，定义为：DKn Kn 1 Kn 110 Kn 110 粘滞流状态粘滞流状态1.3 1.3 气体的流动状态和真空抽速气体的流动状态和真空抽速黏滞流状态黏滞流状态的气体流动模式复杂，在低流速的情况下，黏滞流的气体流动模式复杂，在低流速的情况下，黏滞流状态的气流处于状态的气流处于层流状态层流状态；在流速较高时，气体的流动状态转；在流速较高时，气体的流动状态转变为变为紊流状态紊流

7、状态。所谓所谓层流状态，层流状态，相当于气体分子的宏观运动方向与一组相互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。平行的流线相一致。在流速较高的情况下，气体的流动不再能够维持相互平行的在流速较高的情况下，气体的流动不再能够维持相互平行的层流模式，而会转变为一种漩涡式的流动模式。这时，气流层流模式，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，这种气体的流动状态成为中不断出现一些低气压的漩涡，这种气体的流动状态成为紊紊流状态流状态。如下图所示。如下图所示。1.3 1.3 气体的流动状态和真空抽速气体的流动状态和真空抽速图图1.3 1.3 黏滞态气流的两种流动

8、状态黏滞态气流的两种流动状态（a)a)层流；层流；（b)b)紊流紊流1.3 1.3 气体的流动状态和真空抽速气体的流动状态和真空抽速雷诺（雷诺（ReynoldsReynolds）准数）准数ReRe是帮助判断气体流动状态的另一无是帮助判断气体流动状态的另一无量纲参数，定义为：量纲参数，定义为：Revd雷诺准数与气体流动状态之间的关系为：雷诺准数与气体流动状态之间的关系为：Re2200 Re2200 紊流状态紊流状态2200Re1200 2200Re1200 紊流和层流态紊流和层流态Re1200 Re1200 层流状态层流状态1.3 1.3 气体的流动状态和真空抽速气体的流动状态和真空抽速2 2、

9、气体管路的流导、气体管路的流导真空系统中总包括有真空管路，而真空管路中气体的通过能真空系统中总包括有真空管路，而真空管路中气体的通过能力称为它的力称为它的流导流导。设一真空部件使流动着的气体形成一定程。设一真空部件使流动着的气体形成一定程度的压力降低，则其流导度的压力降低，则其流导C C的定义为：的定义为：21ppQC串连流导：串连流导：3211111CCCC并连流导：并连流导：321CCCC1.3 1.3 气体的流动状态和真空抽速气体的流动状态和真空抽速真空泵的理论抽速真空泵的理论抽速S SP PPQSPP P为真空泵入口处的气体压力；为真空泵入口处的气体压力；Q Q为为 单位时间内通单位时

10、间内通过真空泵的气体流量。过真空泵的气体流量。真空泵的有效抽速真空泵的有效抽速 S S CSCSSpp3 3、真空泵性能的基本参数真空泵性能的基本参数实际抽速实际抽速S S小于理论抽速小于理论抽速S SP P1.3 1.3 气体的流动状态和真空抽速气体的流动状态和真空抽速极限压强极限压强 P Pn n：泵对一个不漏气不放气的容器抽气，经过：泵对一个不漏气不放气的容器抽气，经过足够长的时间所能达到的最低平衡压强；足够长的时间所能达到的最低平衡压强；最大工作压强：最大工作压强：泵能正常工作的最高压强；泵能正常工作的最高压强；运用范围：运用范围：泵具有相当抽气能力时的压强范围。泵具有相当抽气能力时的

11、压强范围。1.4 1.4 真空泵简介真空泵简介按真空获得方法的不同按真空获得方法的不同,可以将真空泵分为两大类可以将真空泵分为两大类,即即运输式真空运输式真空泵和捕获式真空泵泵和捕获式真空泵.运输式真空泵运输式真空泵采用对气体进行压缩的方式将气体分子输送至真空采用对气体进行压缩的方式将气体分子输送至真空系统之外系统之外.机械式气体输运泵机械式气体输运泵:旋片式机械真空泵、罗茨泵和涡轮分子泵旋片式机械真空泵、罗茨泵和涡轮分子泵气流式气体输运泵：油扩散泵气流式气体输运泵：油扩散泵捕获式真空泵捕获式真空泵则依靠在真空系统内凝结或吸附气体分子的方式将则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

12、捕获气体分子捕获,排除于真空过程之外排除于真空过程之外.包括低温吸附泵、溅射离子包括低温吸附泵、溅射离子泵等。泵等。1.4 1.4 真空泵简介真空泵简介1 1、旋片式机械真空泵、旋片式机械真空泵原理：利用插在偏心转子中原理：利用插在偏心转子中的数个可以滑进滑出的旋片的数个可以滑进滑出的旋片将泵体内的气体隔离、压缩将泵体内的气体隔离、压缩，然后将其排除泵体之外。，然后将其排除泵体之外。特点：结构简单、工作可靠特点：结构简单、工作可靠缺点：油污染真空系统。缺点：油污染真空系统。1.4 1.4 真空泵简介真空泵简介2 2、罗茨真空泵、罗茨真空泵1.4 1.4 真空泵简介真空泵简介3 3、油扩散泵、油

13、扩散泵-油扩散泵的特点油扩散泵的特点 成本低廉、经济耐用、无成本低廉、经济耐用、无振动振动 工作范围：低真空工作范围：低真空 中、中、高真空高真空 缺点：返油、预热缺点：返油、预热1.4 1.4 真空泵简介真空泵简介4 4、涡轮分子泵、涡轮分子泵-涡轮分子泵的特点涡轮分子泵的特点 抽速大、无油、启动快抽速大、无油、启动快 工作范围：低真空工作范围：低真空 中、高真中、高真空，大气空，大气 超高真空超高真空 极限真空：极限真空：1010-6-6/10/10-10-10torrtorr 缺点：振动、成本高、易损缺点：振动、成本高、易损1.4 1.4 真空泵简介真空泵简介5 5、低温吸附泵、低温吸附

14、泵-低温吸附泵的特点低温吸附泵的特点 成本低廉、简单耐用成本低廉、简单耐用 工作范围：大气工作范围：大气 低真空低真空 极限真空：极限真空：1010-1-11010-8-8papa 优点：无油、无振动优点：无油、无振动 缺点：使用成本比较高缺点：使用成本比较高1.4 1.4 真空泵简介真空泵简介6 6、溅射离子泵、溅射离子泵-溅射离子泵的特点溅射离子泵的特点 抽速大、无油、无振动抽速大、无油、无振动 工作范围：中高真空工作范围：中高真空 超高真空超高真空 极限真空：极限真空：1010-8-8PaPa 缺点：惰性气体抽速低缺点：惰性气体抽速低1.4 1.4 真空泵简介真空泵简介1.5 1.5 真

15、空的测量真空的测量热偶真空规和皮拉尼（热偶真空规和皮拉尼（PiraniPirani）真空规）真空规测量原理：利用气体的热传导现象，以气体的熱导率随气测量原理：利用气体的热传导现象，以气体的熱导率随气体压强的变化为基础。体压强的变化为基础。测量真空度的办法通常先在气体中引起一定的物理现象，然测量真空度的办法通常先在气体中引起一定的物理现象，然后测量这个过程中与气体压强有关的物理量，再设法确定出后测量这个过程中与气体压强有关的物理量，再设法确定出真空压强来。真空压强来。1.5 1.5 真空的测量真空的测量热偶真空规热偶真空规-工作原理工作原理 灯丝通过一定电流加热；灯丝通过一定电流加热；气体分子通

16、过碰撞冷却灯丝；气体分子通过碰撞冷却灯丝；利用热偶测量灯丝温度的变化，并通过改变灯丝电压维持灯利用热偶测量灯丝温度的变化，并通过改变灯丝电压维持灯丝电流恒定，从而确定气体密度丝电流恒定，从而确定气体密度热电偶规的特点热电偶规的特点 价格低廉、方便、快捷、耐用价格低廉、方便、快捷、耐用热偶规的使用热偶规的使用 工作电流：每支热偶规的工作电流都不完全一样。工作电流：每支热偶规的工作电流都不完全一样。1.5 1.5 真空的测量真空的测量PiraniPirani真空规真空规-工作原理工作原理 灯丝：测量灯丝、参比灯丝；灯丝：测量灯丝、参比灯丝；参比灯丝密封在高真空管中；参比灯丝密封在高真空管中；通过桥电流的大小测量气体密度通过桥电流的大小测量气体密度(真空度真空度)-Pirani-Pirani规的特点规的特点 价格低廉、方便、快捷、可靠价格低廉、方便、快捷、可靠1.5 1.5 真空的测量真空的测量电离真空规电离真空规-工作原理工作原理 由阴极、阳极和离子收集极组成；由阴极、阳极和离子收集极组成；阴极电离气体产生离子；阴极电离气体产生离子；离子收集极收集离子从而测量气体密度。离子收集极收集离子从