单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章 真空技术基础,真空与薄膜材料与技术有何关系？,几乎所有的现代薄膜材料制备都需要在真空或较低的气压条件下进行,都涉及真空下气相的产生、输运和反应过程,了解真空的基本概念和知识，掌握真空的获得和测量技术基础知识,是了解薄膜材料制备技术的基础！,真空蒸发、溅射镀膜和离子镀等常称为物理气相沉积（Physical Vapor Deposition,PVD)基本的薄膜制备技术。它们均要求沉积薄膜的空间要有一定的真空度。因此真空技术是薄膜制备技术的基础，获得并保持所需的真空环境，是镀膜的必要条件。所以，掌握真空的基本知识是必要的。,第二章 真空技术基础真空与薄膜材料与技术有何关系？,1,真空技术基础课件,2,2.1 真空基本知识,2.1.1 真空的基本概念及特点,真空（Vacuum）的,概念：,利用外力将一定密闭空间内的气体分子移走，使该空间内的气压小于1 个大气压，则该空间内的气体的物理状态就被称为真空。,在真空科学里所定义的真空是压强“低于一个标准大气压（101.325kPa）的气体状态”。,注意：真空，实际上指的是,一种低压的、稀薄的气体状态，,而不是指“没有任何物质存在”！,真空是一种气体状态（并非一无所有）。所以有人把真空认为是什么物质也不存在的，即所谓的“绝对真空”那是错误的。,现代真空技术的极限：在超高真空极限10,-11,10,-12,Pa压强下，每立方厘米中仍有33330个气体分子。,思考题：常温常压下，每cm,3,空间内有多少个气体分子？,在标准状态，即0，1标准大气压下每立方厘米有2.68710,19,个气体分子，可由,Avogadro,常数进行推算(6.0210,23,个/22.410,3,cm,3,2.710,19,个/cm,3,),2.1 真空基本知识2.1.1 真空的基本概念及特点,3,在真空技术中，常用“真空度”这个习惯用语和“压强”这一物理量表示某一空间的真空程度。,所谓,真空度,，就是指低压空间中气态物质的稀薄程度。气体的压力越低，其稀薄程度越大，也就是真空度越高。因此，低压力与高真空或高压力与低真空，在含义上是完全相同的。这一点千万不要弄混。,真空度的计量采用与压强相同的方法和单位。,如：“毫米汞柱（mmHg）”指在0,，1毫米水银柱作用在单位面积上的力。,1958年，为了纪念意大利物理学家托里拆里，用“托（Torr）”代替了毫米汞柱。1托就是指在标准状态下，1毫米汞柱对单位面积上的压力，表示为1Torr1mmHg。,2.1.2 真空度测量单位,在真空技术中，常用“真空度”这个习惯用语和“压强”这一物理量,4,1971年国际计量会议正式确定“帕斯卡”作为气体压强的国际单位。,1Pa1N/m,2,7.510,-3,Torr。1Torr=133.32Pa,在实际工程技术或国内外文献中，几种非法定计量单位（Torr（托），mmHg（毫米汞柱），bar(巴)，atm（标准大气压），psi（磅力每平方英寸）等）仍有采用。,目前标准大气压定义为：在0,，水银密度,13.59509g/cm,3,，重力加速度g980.665cm/s,2,时，760mm水银柱所产生的压强为1标准大气压，则1atm,1.0132510,5,Pa,工程大气压（at）：1at=1kgf/cm,2,=9.8066510,4,Pa,1971年国际计量会议正式确定“帕斯卡”作为气体压强的国际单,5,表2-1 几种压强单位的换算关系,单位,帕/Pa,托/Torr,毫巴/mba,标准大气压/atm,1Pa,1Torr,1mba,1atm,1,133.3,100,1.01310,5,7.510,-3,1,0.75,760,110,-2,1.333,1,1.01310,3,9.8710,-6,1.31610,-3,9.8710,-4,1,英制单位：用英寸（inch，吋）汞柱和普西（,Pounds per square inch（psi）磅/平方英尺（磅/吋,2,）两种单位。,1英寸汞柱（inch Hg）3.386410,3,Pa,1普西（psi）6.894810,3,Pa,表2-1 几种压强单位的换算关系单位帕/Pa托/Torr毫巴,6,真空单位换算关系,单位,帕（Pa）,托（Torr）,微巴（,ba）,大气压（atm）,工程大气压,普西（Psi）,1帕,（1牛顿/米,2,）,1,7.500610,-3,10,9.869210,-6,1.019710,-5,1.450310,-4,1托,（1毫米汞柱）,133.32,1,1.333210,3,1.315810,-3,1.359510,-5,1.933710,-2,1微巴,（1达因/厘米,2,）,10,-1,7.500610,-4,1,9.869210,-7,1.019710,-6,1.450310,-5,1大气压,1.013310,5,760,1.013310,6,1,1.0332,14.696,1工程大气压,（1千克力/厘米,2,）,9.806710,4,735.56,9.806710,5,9.678410,-1,1,14.223,1普西,（1磅/英寸,2,）,6.894810,3,51.715,6.894810,4,6.804610,-2,7.030710,-2,1,真空单位换算关系单位帕（Pa）托（Torr）微巴（ba）大,7,2.2 真空区域的划分及不同真空状态下气体的性质,为了研究真空和实际使用方便，常常根据各压强范围内不同的物理特点，把真空划分为以下几个区域。,低真空区域：110,5,110,2,Pa（7601 Torr）,中真空区域：110,2,110,-1,Pa（110,-3,Torr）,高真空区域：110,-1,110,-5,Pa（10,-3,10,-7,Torr）,超高真空区域：110,-5,Pa（10,-7,Torr）,2.2 真空区域的划分及不同真空状态下气体的性质为了研究真空,8,真空各区域的气体分子运动性质各不相同。,低真空,下，气态空间近似为大气状态，分子仍以热运动为主，分子之间碰撞十分频繁；,中真空,是气体分子的流动逐渐从黏滞流状态向分子状态过渡，此时气体分子之间和分子与器壁之间的碰撞次数差不多；,当达到,高真空,时，气体分子的流动已为分子流，气体分子与容器器壁之间的碰撞为主，而且碰撞次数大大减少，在高真空下蒸发的材料，其粒子将沿直线飞行；,在,超高真空,时，气体的分子数目更少，几乎不存在分子之间的碰撞，分子与器壁的碰撞机会也更少了。,真空各区域的气体分子运动性质各不相同。低真空下，气态空间近似,9,表2-2 不同真空状态下气体的性质,真空状态,气体性质,低真空,10,5,10,2,Pa,7601 Torr,气体状态与常压相比较，只有分子数目由多变少的变化，而无气体分子空间特性的变化，分子间相互碰撞频繁。,中低真空,10,2,10,-1,Pa,1 10,-3,Torr,气体分子间，分子与器壁间的相互碰撞不相上下，气体分子密度较小。,高真空,10,-1,10,-5,Pa,10,-3,10,-7,Torr,分子间相互碰撞极少，分子与器壁间碰撞频繁。气体分子密度小。,超高真空,10,-5,Pa,10,-7,Torr,气体分子密度极低与器壁碰撞的次数极少，致使表面形成单分子层的时间增长。气态空间中只有固体本身的原子，几乎没有其它原子或分子存在。,压,力,范,围,表2-2 不同真空状态下气体的性质真空状态气体性质低真空气体,10,2.3 气体吸附与脱附,所谓的气体吸附（adsorption）就是固体表面捕获气体分子的现象。,通常把吸附在固体表面的气体分子从固体表面被释放出来的过程叫做气体的脱附(desorption)（,解吸,）。,根据吸附力的不同，气体吸附可分为物理吸附和化学吸附。,物理吸附,是气体分子受范德瓦耳斯力的吸引作用而附着在吸附剂表面之上，与气体的液化过程类似，其特点是吸附较弱，吸附热较小，吸附不稳定，较易脱附，但对吸附的气体一般无选择性，温度越低吸附量越大，能形成多层吸附，分子筛吸附泵和低温泵的吸气作用就属于物理吸附。,2.3 气体吸附与脱附所谓的气体吸附（adsorptio,11,化学吸附,是靠固体表面的原子与气体分子间形成吸附化学键来实现的，与发生化学反应相类似，同物理吸附相比，化学吸附的特点是吸附强，吸附热大，稳定不易脱附，吸附有选择性，温度较高时发生化学吸附的气体分子增多，只能紧贴表面形成单层吸附（在化学吸附的分子上面还能形成物理吸附），溅射离子泵和电子管中吸气剂的吸气作用就包括化学吸附。,化学吸附是靠固体表面的原子与气体分子间形成吸附化学键来,12,真空技术中，气体在固体表面的吸附和脱附现象总是存在的，只是外界条件不同，产生吸附或脱附的程度不同。,在抽真空的过程中，空间气体压力不断降低，表面上脱附速率大于吸附速率，气体吸附量逐渐减少，气体从表面上缓缓放出，这种现象在真空中叫做材料的放气或出气。,一般地，影响气体在固体表面吸附和脱附的主要因素是气体的压强、固体的温度、固体表面吸附的气体密度以及固体本身的性质，如表面光洁程度、清洁度等。当固体表面温度较高时，气体分子容易发生脱附，对真空室的适当烘烤有利于真空的获得就是利用这个道理。,真空技术中，气体在固体表面的吸附和脱附现象总是存在的，只是外,13,通过人为的手段有意识地促进气体解吸现象的发生，在真空技术中叫做去气或除气。人工去气可以缩短系统达到极限真空的时间；可以获得没有气体分子遮盖的清洁表面。,加热烘烤去气,方法通过提高吸气表面的温度，增加分子热运动能量来促进解吸，边加热边排气，常用于超高真空系统容器内表面及内部构件的去气和真空电子器件内灯丝等内部金属元件的去气；,离子轰击去气,方法一般是在空间形成气体放电，产生离子体区，使高能离子轰击待清洗的固体表面，产生气体溅射，使吸附气体发生脱附，这是一种相当有效、简捷迅速的除气手段，在表面技术、表面科学等有气体放电条件或有离子源的设备中广泛采用。,通过人为的手段有意识地促进气体解吸现象的发生，在真空技术中叫,14,在真空技术中，常常会遇到各种各样的气体，这些气体在固体表面的吸附和脱附现象是很常见的，这对于高真空技术，尤其是超高真空技术来说是一个具有重大意义的问题。例如，为了提高管内的真空度，需预先对零件进行除气处理，这个过程就是固体表面的气体分子脱附的过程，伴随着气体的脱附，容器中将形成一定程度的真空状态。,在真空技术中，常常会遇到各种各样的气体，这些气体在固体表面的,15,2.4 真空的获得方法,用于获得真空的设备叫真空泵，检测真空度的仪器叫真空计（真空规）,“抽真空”是指抽出容器内气体，获得真空状态的过程或动作。,真空的获得就是人们常说的“抽真空”，即利用各种真空泵将被抽容器中的气体抽出，使该空间的压强低于一个大气压。,人们通常把能够从密闭容器中排出气体或使容器中的气体分子数目不断减少的设备称为真空获得设备或,真空泵,。,“真空泵”是用于抽出容器内气体的机器。,2.4 真空的获得方法用于获得真空的设备叫真空泵，检测真空度,16,真空泵主要性能参数：,抽气速率（体积流速）：在给定压强下，单位时间内从泵的进气口抽入泵内的气体体积，称为泵在该压强下的抽气速率。单位：L/s；m,3,/s,极限真空：,在被抽容器的漏气及容器内壁放气可忽略的情况下，真空泵能抽得的最高真空称为极限真空。,启动压强：泵无损启动，并有抽气作用时的压强；,前级压强：排气口压强；,最大前级压强（反压强）：超过了就会使泵损坏或不能正常工作的前级压强。,真空泵主要性能参数：,17,常见真空泵类型,（1）分类,按真空泵的工作原理，真空泵基本上可以分为两种类型，,气体传输式真空泵:对气体进行压缩的方式将气体分子输送到真空系统外。旋转式机械真空泵、罗茨泵、涡轮分子泵、油扩散泵、复合分子泵、,气体捕获式真空泵: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。分子筛吸附泵、钛升华泵、溅射离子泵和低温