薄膜制备的真空技术基础1

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1、第1章薄膜制备的真空技术基础1.真空的定义：真空泛指压力低于一个大气压的任何气态空间。1.1真空的基本知识2.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760毫米汞柱。1.1真空的基本知识---大气压(atm):标准的大气压力定义为1atm---帕(Pa):N/m2(常用单位：Pa)---巴(Bar):Dy/cm2,(常用单位：mBar)---乇(Torr):1/760atm,(常用单位：Torr)1.2气体分子运动论的基本概念1、气体分子的平均运动速度

2、Va温度越高、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）2、气体的压力（2）3、碰撞频率Ф（气体分子通量）：在单位时间,单位面积表面受到气体分子碰撞的次数。1.2气体分子运动论的基本概念（3）将式（1）和（2）代入上式，可以求出气体分子的通量：1.2气体分子运动论的基本概念4、分子平均自由程λ：气体分子在两次碰撞的间隔时间里走过的平均距离。式中d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n成反比。5、真空度的划分低真空：>102Pa中真空：102～10-1Pa高真空：10-1～10-5Pa超高真空：<10-5Pa1.

3、3气体的流动状态和真空抽速1、气体的流动状态在高真空环境中，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称为气体的分子流状态。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滞流状态。1.3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－－克努森（Knudsen）准数Kn来划分，定义为：Kn<1分子流状态Kn=1~110中间状态Kn>110粘滞流状态1.3气体的流

4、动状态和真空抽速黏滞流状态的气体流动模式复杂，在低流速的情况下，黏滞流状态的气流处于层流状态；在流速较高时，气体的流动状态转变为紊流状态。所谓层流状态，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。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流状态。如下图所示。1.3气体的流动状态和真空抽速图1.3黏滞态气流的两种流动状态（a)－层流；（b)－紊流1.3气体的流动状态和真空抽速雷诺（Reynolds）准数Re是帮助判断气体流动状态的另

5、一无量纲参数，定义为：雷诺准数与气体流动状态之间的关系为：Re>2200紊流状态2200>Re>1200紊流和层流态Re<1200层流状态1.3气体的流动状态和真空抽速2、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力称为它的流导。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C的定义为：串连流导：并连流导：1.3气体的流动状态和真空抽速真空泵的理论抽速SPP为真空泵入口处的气体压力；Q为单位时间内通过真空泵的气体流量。真空泵的有效抽速S3、真空泵性能的基本参数实际抽速S小于理论抽速SP1.3气体的流动状态和真空抽速极限

6、压强Pn：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；最大工作压强：泵能正常工作的最高压强；运用范围：泵具有相当抽气能力时的压强范围。1.4真空泵简介按真空获得方法的不同,可以将真空泵分为两大类,即运输式真空泵和捕获式真空泵.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系统之外.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气流式气体输运泵：油扩散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气体分子捕获,排除于真空过程之外.包括低温吸附泵、溅射离子泵等。1.4真空泵简介1、旋片式机械真空泵原理

7、：利用插在偏心转子中的数个可以滑进滑出的旋片将泵体内的气体隔离、压缩，然后将其排除泵体之外。特点：结构简单、工作可靠缺点：油污染真空系统。1.4真空泵简介2、罗茨真空泵1.4真空泵简介3、油扩散泵---油扩散泵的特点•成本低廉、经济耐用、无振动•工作范围：低真空∼中、高真空•缺点：返油、预热1.4真空泵简介4、涡轮分子泵---涡轮分子泵的特点•抽速大、无油、启动快•工作范围：低真空∼中、高真空，大气∼超高真空•极限真空：10-6/10-10torr•缺点：振动、成本高、易损1.4真空泵简介5、低温吸附泵---低温吸附泵的特点•成本低廉、简单耐用•工作范围

8、：大气∼低真空•极限真空：10-1~10-8pa•优点：无油、无振动•缺点：使用