薄膜物理第一章教学课件

要 点 u 气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本概念u 真空获得的手段真空获得的手段u 真空度的测量真空度的测量1 几乎所有的现代薄膜材料都是在几乎所有的现代薄膜材料都是在真空或是在较低的气体压力下制备的，真空或是在较低的气体压力下制备的，都涉及到都涉及到气相的产生、输运以及气相气相的产生、输运以及气相反应的过程反应的过程。薄膜材料与真空技术薄膜材料与真空技术2u 大气压:atm,kg/cm2,baru Pa:N/m2u Torr:mmHg气体压力的单位与换算1atm=1000mbar =0.1MPa1Torr=133Pa薄膜技术领域：从薄膜技术领域：从10-7Pa到到105Pa，覆盖了，覆盖了12个数量级个数量级3l在薄膜技术领域，人为地将真空在薄膜技术领域，人为地将真空环境粗略地划分为环境粗略地划分为:l低真空低真空 102 Pal中真空中真空 102 10-1 Pal高真空高真空 10-1 10-5 Pal超高真空超高真空 50m，每个空气分子每个空气分子每秒钟内只经历每秒钟内只经历1010次碰撞；次碰撞；气体分子气体分子间的碰撞几率已很小，气体分子的碰撞将主要是其与容器间的碰撞几率已很小，气体分子的碰撞将主要是其与容器器壁之间的碰撞。器壁之间的碰撞。7 气体分子对单位面积表面的碰撞频率，称单气体分子对单位面积表面的碰撞频率，称单位面积上气体分子的通量位面积上气体分子的通量四、气体分子的通量（克努森四、气体分子的通量（克努森四、气体分子的通量（克努森四、气体分子的通量（克努森KnudsenKnudsen方程）方程）方程）方程）证明：证明：证明：证明：计算单位时间内碰撞于器壁或基板上小面积计算单位时间内碰撞于器壁或基板上小面积计算单位时间内碰撞于器壁或基板上小面积计算单位时间内碰撞于器壁或基板上小面积d dA A的分子数的分子数的分子数的分子数8 由于分子运动的无规性，运动的各个方向机会由于分子运动的无规性，运动的各个方向机会由于分子运动的无规性，运动的各个方向机会由于分子运动的无规性，运动的各个方向机会均等，因此，任何时刻分子运动方向在立体角中的均等，因此，任何时刻分子运动方向在立体角中的均等，因此，任何时刻分子运动方向在立体角中的均等，因此，任何时刻分子运动方向在立体角中的几率为：几率为：几率为：几率为：设设设设d d d dA A与与与与d d的法线夹角为的法线夹角为的法线夹角为的法线夹角为，单位时间内，速，单位时间内，速，单位时间内，速，单位时间内，速率在率在率在率在vv+dvvv+dv间从立体角间从立体角间从立体角间从立体角d d方向飞来碰撞于方向飞来碰撞于方向飞来碰撞于方向飞来碰撞于dAdA上上上上的分子数目就是以的分子数目就是以的分子数目就是以的分子数目就是以dAcosdAcos 为底，为底，为底，为底，v v为高的圆筒中为高的圆筒中为高的圆筒中为高的圆筒中的分子数：的分子数：的分子数：的分子数：9 单位时间内单位时间内单位时间内单位时间内从从从从立体角立体角立体角立体角d d方向飞来的各种速度的方向飞来的各种速度的方向飞来的各种速度的方向飞来的各种速度的分子数，只需对上式积分即可求得分子数，只需对上式积分即可求得分子数，只需对上式积分即可求得分子数，只需对上式积分即可求得 即碰撞于器壁即碰撞于器壁即碰撞于器壁即碰撞于器壁d dA A上的分子数与分子飞来方向与上的分子数与分子飞来方向与上的分子数与分子飞来方向与上的分子数与分子飞来方向与d dA A法线夹角的余弦成正比。法线夹角的余弦成正比。法线夹角的余弦成正比。法线夹角的余弦成正比。任何角度，单位时间内碰撞任何角度，单位时间内碰撞任何角度，单位时间内碰撞任何角度，单位时间内碰撞d dA A的总分子数只需的总分子数只需的总分子数只需的总分子数只需对对对对d d积分积分积分积分10所以任何角度，单位时间内碰撞所以任何角度，单位时间内碰撞所以任何角度，单位时间内碰撞所以任何角度，单位时间内碰撞d dA A的总分子数为：的总分子数为：的总分子数为：的总分子数为：单位时间内碰撞于单位面积上的气体分子数为：单位时间内碰撞于单位面积上的气体分子数为：单位时间内碰撞于单位面积上的气体分子数为：单位时间内碰撞于单位面积上的气体分子数为：11代入平均速度的表达式可得代入平均速度的表达式可得代入平均速度的表达式可得代入平均速度的表达式可得p气体压力高时，分子频繁碰撞物体表面；气体压力高时，分子频繁碰撞物体表面；p气体压力低时，分子对物体表面的碰撞可以气体压力低时，分子对物体表面的碰撞可以忽略忽略12 假设每个向表面运动来的气体分子都是杂假设每个向表面运动来的气体分子都是杂质，而每个杂质气体分子都会被表面所俘获，质，而每个杂质气体分子都会被表面所俘获，则可估计出不同的真空环境中，清洁表面被杂则可估计出不同的真空环境中，清洁表面被杂质气体分子污染所需要的时间为：质气体分子污染所需要的时间为：*清洁表面被污染所需时间清洁表面被污染所需时间N 为表面的原子面密度为表面的原子面密度 13在常温常压下：在常温常压下：3.5 10-9秒；秒；10-8Pa时：时：10 小时小时 这一方面说明了真空环境的重要性。同这一方面说明了真空环境的重要性。同时时,气体分子通量还决定了薄膜的沉积速率。气体分子通量还决定了薄膜的沉积速率。141.21.2 气体的流动状态和真空抽速气体的流动状态和真空抽速气体的流动状态和真空抽速气体的流动状态和真空抽速一、气体的流动状态一、气体的流动状态一、气体的流动状态一、气体的流动状态1 1 1 1、分子流状态、分子流状态、分子流状态、分子流状态 气体分子除了与容器壁发生碰撞外，几乎不发生气体分子除了与容器壁发生碰撞外，几乎不发生气体分子除了与容器壁发生碰撞外，几乎不发生气体分子除了与容器壁发生碰撞外，几乎不发生分子间的碰撞。分子的平均自由程大于气体容器的尺分子间的碰撞。分子的平均自由程大于气体容器的尺分子间的碰撞。分子的平均自由程大于气体容器的尺分子间的碰撞。分子的平均自由程大于气体容器的尺寸或与其相当（即气体主要是在分子和气壁之间碰撞寸或与其相当（即气体主要是在分子和气壁之间碰撞寸或与其相当（即气体主要是在分子和气壁之间碰撞寸或与其相当（即气体主要是在分子和气壁之间碰撞过的程中流动）。过的程中流动）。过的程中流动）。过的程中流动）。15 气体分子间的碰撞较为频繁。分子的平均自由程较短气体分子间的碰撞较为频繁。分子的平均自由程较短气体分子间的碰撞较为频繁。分子的平均自由程较短气体分子间的碰撞较为频繁。分子的平均自由程较短（即气体主要是在分子间的碰撞过程中流动）。（即气体主要是在分子间的碰撞过程中流动）。（即气体主要是在分子间的碰撞过程中流动）。（即气体主要是在分子间的碰撞过程中流动）。2 2 2 2、粘滞流状态、粘滞流状态、粘滞流状态、粘滞流状态 判断气体的流动状态可用判断气体的流动状态可用判断气体的流动状态可用判断气体的流动状态可用克努森准数克努森准数克努森准数克努森准数:lKn110 粘滞流状态粘滞流状态l110Kn1 过渡状态过渡状态D D为容器的尺寸；为容器的尺寸；为容器的尺寸；为容器的尺寸；为气体分子的平均自由程为气体分子的平均自由程为气体分子的平均自由程为气体分子的平均自由程16粘滞流状态粘滞流状态粘滞流状态粘滞流状态 低流速时，为层流状态低流速时，为层流状态低流速时，为层流状态低流速时，为层流状态 流速较高时，为紊流状态流速较高时，为紊流状态流速较高时，为紊流状态流速较高时，为紊流状态 粘滞态气流的两种不同的流动状态粘滞态气流的两种不同的流动状态17 层流状态，相当于气体分子的宏观运动方向与一组相层流状态，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。相邻的各流层之间一直维持着相互互平行的流线相一致。相邻的各流层之间一直维持着相互平行的流动方向。平行的流动方向。在靠近容器壁的地方，气体分子受到器壁的粘滞力作在靠近容器壁的地方，气体分子受到器壁的粘滞力作用，其流动速度趋近于零；随着离开器壁距离的增加，气用，其流动速度趋近于零；随着离开器壁距离的增加，气体的流动速度逐渐增加，在容器的中心处，气体流动速度体的流动速度逐渐增加，在容器的中心处，气体流动速度最高。最高。在流速较高的情况下，气体的流动不能再维持相互平行在流速较高的情况下，气体的流动不能再维持相互平行的层流状态模式，而会转变为一种漩涡式的流动模式，这的层流状态模式，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。时气流中不断出现一些低气压的漩涡。称为紊流状态称为紊流状态18 除流速外也可用雷诺除流速外也可用雷诺（Reynolds）准数准数Re判断气体的判断气体的流动状态流动状态:D-为容器特征尺寸；为容器特征尺寸；v-为流速；为流速；-为密度；为密度；-为粘度系数。为粘度系数。Re2200 紊流状态紊流状态 Re100pa时，气体的热导率将不再随压强变化而显著变时，气体的热导率将不再随压强变化而显著变化，所以此时测量的灵敏度迅速下降；在化，所以此时测量的灵敏度迅速下降；在p0.1pa后，后，气体分子热传导带走的热量，在总加热功率中所占的气体分子热传导带走的热量，在总加热功率中所占的比例过小，测量灵敏度也迅速下降。比例过小，测量灵敏度也迅速下降。65特点特点：仪器结构简单、使用方便：仪器结构简单、使用方便缺点：缺点：测量区域内，指示值呈非线性、测量结果与气测量区域内，指示值呈非线性、测量结果与气体种类有关、零点飘移严重。体种类有关、零点飘移严重。2、皮拉尼真空规、皮拉尼真空规 （热阻式真空规）（热阻式真空规）利用测量热丝电阻值随温利用测量热丝电阻值随温度的变化来测定气压。度的变化来测定气压。66二、二、二、二、电离真空规电离真空规电离真空规电离真空规 阴极阴极发射的电子发射的电子在飞向阳极的过程中在飞向阳极的过程中碰撞气体分子，并使碰撞气体分子，并使后者电离，由离子收后者电离，由离子收集极接受电离的离子，集极接受电离的离子，根据根据离子电流强度离子电流强度Ii的的大小，就可以测量出大小，就可以测量出环境真空度。环境真空度。67 因为离子电流因为离子电流I Ii的大小将取决于的大小将取决于阴极发射的电子电阴极发射的电子电流强度流强度Ie、气体分子的碰撞截面气体分子的碰撞截面以及以及气体分子密度气体分子密度（即即压强压强p p)等三个因素，在固定阴极发射电流和气体种类等三个因素，在固定阴极发射电流和气体种类的情况下，离子电流强度将直接取决于电离气体的的情况下，离子电流强度将直接取决于电离气体的分分子密度（即子密度（即压力）压力）。其测量下限约为其测量下限约为1010-5-5papa，受阴极发射的高能电子在，受阴极发射的高能电子在离子收集极上产生光电子（形成离子收集极上产生光电子（形成虚假的离子电流虚假的离子电流）所）所限制。限制。68 适用压力范围适用压力范围1010-1-11010-5-5pa,pa,因为当压力大于因为当压力大于1010-1-1papa时电子的平均自由程太小，气体不能电离，故不能反时电子的平均自由程太小，气体不能电离，故不能反映气压。映气压。三、三、三、三、薄膜真空规薄膜真空规薄膜真空规薄膜真空规 是依靠金属薄膜在气体是依靠金属薄膜在气体压力差作用下，产生机械压力差作用下，产生机械位移来对压强进行测量。位移来对压强进行测量。69 薄膜真空规有两个被隔薄膜真空规有两个被隔开的真空腔，当一个腔内压开的真空腔，当一个腔内压力已知，另一个腔压力未知力已知，另一个腔压力未知的情况，的情况，薄膜的位移量薄膜的位移量将与将与两个两个腔内的压力差腔内的压力差成正比。成正比。薄膜的位移是依靠测量薄膜的位移是依靠测量薄膜与另一金属电极间的薄膜与另一金属电极间的电容电容C1 的变化而实现的。的变化而实现的。70 其测量下限约为其测量下限约为1010-3-3papa，这相当于探测到薄，这相当于探测到薄膜位移只有一个膜位移只有一个原子尺度的大小原子尺度的大小；其测量上限受；其测量上限受薄膜材料本身抗破坏性强度的限制。薄膜材料本身抗破坏性强度的限制。特点：特点：可用于气体绝对压力的测量，测量结果与可用于气体绝对压力的测量，测量结果与气体种类无关气体种类无关71 不同种类真空规的压力适用范围不同种类真空规的压力适用范围72第一章第一章 小结小结n薄膜材料在现代科技领域占有重要的地位，可作为大薄膜材料在现代科技领域占有重要的地位，可作为大家今后作为科学家或工程师的职业方向家今后作为科学家或工程师的职业方向n真空技术是现代薄膜材料技术的基础真空技术是现代薄膜材料技术的基础n不同的薄膜制备方法涉及到不同的真空环境不同的薄膜制备方法涉及到不同的真空环境真空度真空度n不同的真空度需要采用不同的真空获得方法与真空测不同的真空度需要采用不同的真空获得方法与真空测量方法量方法73基本概念复习u为什么在薄膜制备技术的讨论中，先要讨论真空为什么在薄膜制备技术的讨论中，先要讨论真空环境与真空技术？环境与真空技术？u熟悉真空度的物理单位及其相互换算。熟悉真空度的物理单位及其相互换算。u根据气体流动状态所表现出的特性，我们是如何根据气体流动状态所表现出的特性，我们是如何划分气体流动状态的？划分气体流动状态的？u说明分子通量的物理意义？讨论分子通量是如何说明分子通量的物理意义？讨论分子通量是如何影响薄膜纯度和薄膜沉积速率的。影响薄膜纯度和薄膜沉积速率的。u了解真空泵的主要性能指标。了解真空泵的主要性能指标。u了解主要的真空泵种类。了解主要的真空泵种类。u了解主要的真空测量方法。了解主要的真空测量方法。74思 考 题1、使用真空泵系统对、使用真空泵系统对30升的真空系统抽真空到升的真空系统抽真空到 10-6Torr。关闭真空系统。关闭真空系统3分钟后，系统压力升至分钟后，系统压力升至10-5Torr。（1）求系统的压力升高率（）求系统的压力升高率（TorrL/s)（2）求使用抽速为）求使用抽速为Sp=40L/s的真空泵时，系统可以达的真空泵时，系统可以达到的极限真空度。到的极限真空度。2.、为电子显微镜和真空退火炉（压力均为、为电子显微镜和真空退火炉（压力均为10-5 Torr)选配真空泵和真空计。设选配真空泵和真空计。设D=50cm,计算计算克努森准数克努森准数 和气体分子的运动状态。和气体分子的运动状态。75思思 考考 题题3.设薄膜制备设备的气体输入速率为设薄膜制备设备的气体输入速率为 75TorrL/min，若需要保持系统的，若需要保持系统的 压力为压力为1Torr,求需要的真空泵抽气速率求需要的真空泵抽气速率Sp。4.证明：通孔证明：通孔A在分子流状态时的流导。在分子流状态时的流导。5.求证公式（求证公式（1-24），即不同温度点处测量），即不同温度点处测量 出的气体压力不尽相同。出的气体压力不尽相同。76END