电子科大薄膜物理(赵晓辉)第一章真空技术分析.ppt

第一章 真空技术基础 主要内容 稀薄气体基本性质 真空的获得 真空的测量 §1-1 气体与真空 空气作为一种气体，由气体分子组成（可以想象为弹性小球）。气体分子沿直线运动，直到与邻近分子或者器壁发生碰撞为止。 1. 气体、蒸汽 ? 取决于压力增加时是否能够凝聚成为液体。 例如：200oC 时水为蒸汽，但是在 500oC, 水就是气体。 当压力较低时，气体和蒸汽特性相同。 P = F / A=nMvrms2/3NA 气压来源于气体分子对器壁的不断碰撞。 气体分压 2. 气压 空气是多种气体混合物 水的饱和蒸汽压 气体的饱和蒸汽压 部分固体的饱和蒸汽压 3. 真空 定义 真空：低于{一个大气压U当地大气压｝的气体状态 “相对真空”，“绝对真空”? 特点：压强(Pressure)低，分子稀薄， 分子的平均自由程长。 电学特性 输运特性 真空的性质由压强、单位体积分子个数、气体密度等表示 4. 压力单位 Pressure unit Pa Bar Atm Torr Pa 1 0.00001 9.869×10-6 7.501×10-3? Bar 100000 1? 9.869×10-1 7.501×102? Atm 101325 1.01325 1 760? Torr 133.32 0.001333 1.316×10-3 1? 用“真空度”及“压强”两个参量来衡量真空的程度 帕斯卡（Pascal）=1牛/米2，国际单位制 托（Torr）=133.322Pa=1/760atm单位，描述真空的独特单位 此外，mmHg、atm、bar等。 Relative Pressure Absolute Pressure 5. 为什么需要真空? 需要粒子在较长的距离做直线运动。 5. 为什么需要真空? 2. 提供一个洁净的表面（供薄膜沉积）。 污染严重 (经常是水) 洁净表面 空气气氛 高真空 6. 真空的划分 ? 粗真空 105－102Pa : 目的是获得压差 真空吸尘器，真空过滤器，CVD 低真空 102－10-1Pa:气体分子运动特征改变，电场下具有导电特征 vacuum-bottle, 真空瓶，真空干燥器，真空注入，溅射，LPCVD 高真空 10-1－10-6Pa :蒸发，离子源 超高真空 ＜10-6Pa ：表面分析，粒子物理 §1-2 稀薄气体的基本性质 低压状态下，可用理想气体的状态方程（波义尔定律、盖·吕萨克定律、查理定律）来描述，遵守麦克斯韦——玻尔兹曼分布。 PV＝nmolRT=nmolecularkT=nMvrms2/3NA nmol=m/M nmolecular =7.2*1022P/T 1. 理想气体状态方程 2. 气体分子的速度分布 麦克斯韦速度分布函数 表示分布在速度 附近单位速度间隔内的分子数占总分子数的比率。 气体分子速度分布 3. 三个重要速度表示 最可几速度 ： 最大时的速度 平均速度 均方根速度 4.平均自由程 MEAN FREE PATH 定义：每个分子在连续两次碰撞之间所运动的平均路程 其中:n—气体分子密度 ，标准状态 n≈3*1019 d —分子直径, 几个? 代入理想气体状态方程 得 : 对于25℃空气 cm Is λ propotional to T? 分子密度与平均自由程 碰撞几率 气体分子运动 X 的距离以后，彼此间碰撞的几率。 ★误区： f 与λ成反比。 x= λ ,f＝63% x= 0.1λ,f＝9% 5. 分子通量与余弦散射律 （1）分子通量F（入射频率n）：单位时间单位面积的器壁上碰撞的气体分子数 ＝2.64×1020P/(MT)0.5（molecules/cm2s） P: pascal M: g T: K （克努森方程） （2）气体分子从固体表面的反射几率 A.反射几率与入射方向无关，仅按余弦定律散射 B.揭示散射的本质是个再发射过程，即气体将停留在固体表面一小段时间以交换能量（吸附）。 6. 气体的流动 流体机制 黏滞流: 分子间距小；分子间碰撞占主导； 通过动量传递进行流动；一般压力大于0.1 mbar 过渡流: 介于两者之间。 分子流: 分子间距大；分子与器壁碰撞占主导； 通