第1章薄膜技術(shù)基礎(chǔ)

1、薄膜技術(shù)與薄膜材料主講教師：張顯主講教師：張顯E-mail：電子材料與元器件教研室緒論一、本課程主要內(nèi)容：1薄膜制備的真空技術(shù)基礎(chǔ)2薄膜的物理氣相沉積蒸發(fā)法3薄膜的物理氣相沉積濺射法及其它PVD法4薄膜的化學(xué)沉積5薄膜的生長過程和薄膜結(jié)構(gòu)6薄膜材料的表征方法7薄膜材料及其應(yīng)用二、要求1了解并掌握薄膜材料最基本的制備技術(shù)和表征方法，最基本的薄膜生長理論和幾個典型的應(yīng)用；2多思考，多想象，多實踐；3有一定的作業(yè)任務(wù)；4考查: 考試與讀書報告三、參考書1 鄭傳濤，薄膜材料與薄膜技術(shù)，化學(xué)工業(yè)出版社，2004。2 顧培夫，薄膜技術(shù)，浙江大學(xué)出版社，1990 。3 楊邦朝、王文生，薄膜物理與技術(shù)，電子科

2、技大學(xué)出版社，1994 。4 王力衡、黃運(yùn)添、鄭海濤，薄膜技術(shù)，清華大學(xué)出版社，1991 。下載課件：請登錄下載課件：請登錄 校園網(wǎng)教務(wù)系統(tǒng)，在其校園網(wǎng)教務(wù)系統(tǒng)，在其 中尋找該門課程中尋找該門課程讀書報告：具體要求在教務(wù)系統(tǒng)的本門課讀書報告：具體要求在教務(wù)系統(tǒng)的本門課程討論中程討論中第1章 薄膜制備的真空技術(shù)基礎(chǔ)1.1 氣體分子運(yùn)動論的基本概念1.2 氣體的流動狀態(tài)和真空抽速1.3 真空的獲得與真空泵簡介1.4 真空的測量1、氣體分子的運(yùn)動速度及其分布、氣體分子的運(yùn)動速度及其分布 氣體分子運(yùn)動論認(rèn)為：氣體分子運(yùn)動論認(rèn)為： 氣體的大量分子每時每刻都處于無規(guī)則的熱運(yùn)動之中，其平均速度取決于氣氣體的

3、大量分子每時每刻都處于無規(guī)則的熱運(yùn)動之中，其平均速度取決于氣體所具有的溫度；同時，在氣體分子之間以及氣體分子與容器壁之間，發(fā)生著不體所具有的溫度；同時，在氣體分子之間以及氣體分子與容器壁之間，發(fā)生著不斷的碰撞過程，這種碰撞過程的結(jié)果之一是使氣體分子的速度服從一定的統(tǒng)計分?jǐn)嗟呐鲎策^程，這種碰撞過程的結(jié)果之一是使氣體分子的速度服從一定的統(tǒng)計分布。氣體分子的運(yùn)動速度布。氣體分子的運(yùn)動速度服從麥克斯韋爾服從麥克斯韋爾-玻耳茲曼（玻耳茲曼（Maxwell-Boltzmann）分）分布布： （1-1） 式中，式中，M為氣體分子的相對原子質(zhì)量，為氣體分子的相對原子質(zhì)量，T為熱力學(xué)溫度，為熱力學(xué)溫度，R為氣體

4、常數(shù)。氣體分為氣體常數(shù)。氣體分子運(yùn)動速度的一維分量子運(yùn)動速度的一維分量i （i=x,y,z三個坐標(biāo)分量方向三個坐標(biāo)分量方向)均滿足分布函數(shù)：均滿足分布函數(shù)： （1-2） 上式表明：氣體分子的速度分布只取決于分子的相對原子質(zhì)量上式表明：氣體分子的速度分布只取決于分子的相對原子質(zhì)量M與氣體熱與氣體熱力學(xué)溫度力學(xué)溫度T 的比值。的比值。 1.1 氣體分子運(yùn)動論的基本概念RTMeRTMf2223224)(RTMeMf2i2iRT2)( 根據(jù)式根據(jù)式1-1，還可以求出氣體分子的平均運(yùn)動速度：，還可以求出氣體分子的平均運(yùn)動速度： （1-3） 可見：溫度越高、氣體分子的相對原子質(zhì)量越小，則分子的平均運(yùn)動速度

5、越大；不可見：溫度越高、氣體分子的相對原子質(zhì)量越小，則分子的平均運(yùn)動速度越大；不同種類氣體分子的平均運(yùn)動速度也只與同種類氣體分子的平均運(yùn)動速度也只與T/M的平方根成正比。的平方根成正比。 在常溫條件下，一般氣體分子的運(yùn)動速度是很高的。比如在在常溫條件下，一般氣體分子的運(yùn)動速度是很高的。比如在T=300K時，空氣分時，空氣分子的平均運(yùn)動速度子的平均運(yùn)動速度a 460m/s。 同時由氣體的速度分布函數(shù)還可以證明，每摩爾氣體分子的動能等于（同時由氣體的速度分布函數(shù)還可以證明，每摩爾氣體分子的動能等于（3/2）RT，也只與其熱力學(xué)溫度有關(guān)也只與其熱力學(xué)溫度有關(guān)。 M8RTa2、氣體的壓力和氣體分子的平

6、均自由程、氣體的壓力和氣體分子的平均自由程（1）氣體的壓力 氣體分子與容器壁的不斷碰撞對外表現(xiàn)為氣體具有一定的壓力。氣體分子與容器壁的不斷碰撞對外表現(xiàn)為氣體具有一定的壓力。 理想氣體的壓力理想氣體的壓力p與氣體分子的動能，或者說是與氣體的熱力學(xué)溫度成正比，與氣體分子的動能，或者說是與氣體的熱力學(xué)溫度成正比，用理想氣體狀態(tài)方程式描述：用理想氣體狀態(tài)方程式描述： （1-4） 式中，式中，n 單位體積內(nèi)的分子數(shù)；單位體積內(nèi)的分子數(shù)；NA 為阿伏加德羅（為阿伏加德羅（Avogadro)常數(shù)；常數(shù)；n/NA 即等即等于單位體積內(nèi)氣體分子的摩爾數(shù)。于單位體積內(nèi)氣體分子的摩爾數(shù)。 真空：宇宙空間所存在的真空

7、：宇宙空間所存在的“自然真空自然真空”；利用真空泵抽取所得的；利用真空泵抽取所得的“人為真人為真空空”。 絕對真空：完全沒有氣體的空間狀態(tài)。絕對真空：完全沒有氣體的空間狀態(tài)。 一般意義上的一般意義上的“真空真空”并不是指并不是指“什么物質(zhì)都不存在什么物質(zhì)都不存在”。目前，即使用最。目前，即使用最先進(jìn)的真空制備手段所能達(dá)到的最高真空度下，每立方厘米體積中仍有幾百個先進(jìn)的真空制備手段所能達(dá)到的最高真空度下，每立方厘米體積中仍有幾百個氣體分子。因此，平常所說的真空均指氣體分子。因此，平常所說的真空均指“相對真空狀態(tài)相對真空狀態(tài)”。 在真空技術(shù)中，常用在真空技術(shù)中，常用“真空度真空度”習(xí)慣用語和習(xí)慣用

8、語和“壓強(qiáng)壓強(qiáng)”物理量表示真空程度，物理量表示真空程度，通常說成通常說成“某空間的真空度為多大的壓強(qiáng)某空間的真空度為多大的壓強(qiáng)”。某空間的壓強(qiáng)越低意味著真空度。某空間的壓強(qiáng)越低意味著真空度越高，反之，壓強(qiáng)高的空間則真空度低。越高，反之，壓強(qiáng)高的空間則真空度低。AAaNnRTNn8Mp2 描述氣體壓強(qiáng)的單位很多，如下表：注：1托就是指在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，1毫米汞柱對單位面積上的壓力。本書采用我國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用的Pa（或 MPa、 Gpa）作為氣體壓力的基本單位。單位帕/Pa托/Torr毫巴/mba標(biāo)準(zhǔn)大氣壓1Pa17.510-3 1 10-2 9.87 10-6 1Torr133.311.3331.

9、316 10-3 1mba1000.7519.87 10-4 1atm1.013 1057601.013 103 1（2）氣體分子的平均自由程）氣體分子的平均自由程 分子平均自由程：氣體分子在兩次碰撞的間隔時間里走過的平均距離。分子平均自由程：氣體分子在兩次碰撞的間隔時間里走過的平均距離。假設(shè)某假設(shè)某種氣體分子的有效截面直徑為種氣體分子的有效截面直徑為d，則該氣體分子的平均自由程應(yīng)該等于則該氣體分子的平均自由程應(yīng)該等于 （1-5） 因此，氣體分子的平均自由程與單位體積內(nèi)的氣體分子數(shù)因此，氣體分子的平均自由程與單位體積內(nèi)的氣體分子數(shù)n成反比。在常溫常壓成反比。在常溫常壓的條件下，氣體分子的平均自

10、由程是極短的。例如，在此條件下，空氣分子的有的條件下，氣體分子的平均自由程是極短的。例如，在此條件下，空氣分子的有效截面直徑效截面直徑d 0.5nm,平均自由程平均自由程 50nm。 由平均自由程還可以求出氣體分子的平均碰撞頻率由平均自由程還可以求出氣體分子的平均碰撞頻率= a / 。在常溫常壓的條。在常溫常壓的條件下，每個氣體分子每秒鐘內(nèi)要經(jīng)歷件下，每個氣體分子每秒鐘內(nèi)要經(jīng)歷1010 次碰撞。次碰撞。 由于氣體分子的運(yùn)動軌跡是一條在不斷碰撞的同時不斷改變方向的折線，因由于氣體分子的運(yùn)動軌跡是一條在不斷碰撞的同時不斷改變方向的折線，因此，盡管它的平均運(yùn)動速度很高，但是單位時間里，其定向運(yùn)動的距

11、離卻較小。此，盡管它的平均運(yùn)動速度很高，但是單位時間里，其定向運(yùn)動的距離卻較小。 由于氣體分子的平均自由程與單位體積內(nèi)的氣體分子數(shù)由于氣體分子的平均自由程與單位體積內(nèi)的氣體分子數(shù)n成反比，而壓強(qiáng)成反比，而壓強(qiáng)p與與n成正比，因此自由程隨氣體壓力的下降而增加。在真空度優(yōu)于成正比，因此自由程隨氣體壓力的下降而增加。在真空度優(yōu)于0.1Pa時，氣體分時，氣體分子間的碰撞幾率已很小，主要是氣體分子與容器壁之間的碰撞。分子平均自由程子間的碰撞幾率已很小，主要是氣體分子與容器壁之間的碰撞。分子平均自由程的概念在真空和薄膜技術(shù)中有著非常重要的作用。在薄膜材料的制備過程中，薄的概念在真空和薄膜技術(shù)中有著非常重要

12、的作用。在薄膜材料的制備過程中，薄膜的沉積主要是通過氣體分子對襯底的碰撞過程來實現(xiàn)的。膜的沉積主要是通過氣體分子對襯底的碰撞過程來實現(xiàn)的。2d1n3、氣體分子的通量、氣體分子的通量 真空及薄膜技術(shù)中常碰到的另一個物理量，是氣體分子對于單位面積表真空及薄膜技術(shù)中常碰到的另一個物理量，是氣體分子對于單位面積表面的撞頻率，即單位時間內(nèi)單位面積表面受到氣體分子碰撞的次數(shù)，稱為氣面的撞頻率，即單位時間內(nèi)單位面積表面受到氣體分子碰撞的次數(shù)，稱為氣體分子的通量體分子的通量 （1-6） 在薄膜材料的制備過程中，薄膜的沉積主要是通過氣體分子對于襯底的在薄膜材料的制備過程中，薄膜的沉積主要是通過氣體分子對于襯底的

13、碰撞過程來實現(xiàn)的。此時，薄膜的沉積速度正比于氣體分子的通量。碰撞過程來實現(xiàn)的。此時，薄膜的沉積速度正比于氣體分子的通量。 將式將式1-3和式和式1-4代入上式后，可以求出氣體分子的通量代入上式后，可以求出氣體分子的通量 （1-7）即氣體分子的通量與氣體的壓力呈正比，但與氣體的熱力學(xué)溫度以及其相對即氣體分子的通量與氣體的壓力呈正比，但與氣體的熱力學(xué)溫度以及其相對原子質(zhì)量的原子質(zhì)量的1/2次方成反比。上式又稱為克努森（次方成反比。上式又稱為克努森（Knudsen）方程，它是真）方程，它是真空空和薄膜技術(shù)中最常用的方程式之一和薄膜技術(shù)中最常用的方程式之一。4anMRTpNA2 例：例： 作為上式的一

14、個應(yīng)用，我們來計算一下在高真空環(huán)境中，作為上式的一個應(yīng)用，我們來計算一下在高真空環(huán)境中， 清潔表面被環(huán)境中的雜質(zhì)氣體分子污染所需要的時間。清潔表面被環(huán)境中的雜質(zhì)氣體分子污染所需要的時間。求解：求解： 假設(shè)每一個向清潔表面運(yùn)動過來的氣體分子都是雜質(zhì)，并均被表面所假設(shè)每一個向清潔表面運(yùn)動過來的氣體分子都是雜質(zhì)，并均被表面所俘獲。由式俘獲。由式1-7，可以求出表面完全被一層雜質(zhì)氣體分子覆蓋所需要的時間，可以求出表面完全被一層雜質(zhì)氣體分子覆蓋所需要的時間 （1-8）式中，式中，N為沉積表面的單位面積上能容納的一分子層內(nèi)的氣體分子數(shù)。由上式為沉積表面的單位面積上能容納的一分子層內(nèi)的氣體分子數(shù)。由上式可得

15、，在常溫常壓的條件下，潔凈表面被雜質(zhì)完全覆蓋所需要的時間約為可得，在常溫常壓的條件下，潔凈表面被雜質(zhì)完全覆蓋所需要的時間約為3.510-9s；而在；而在10-8Pa的高真空中，這一時間可延長至的高真空中，這一時間可延長至10h左右。這說明，左右。這說明，在薄膜制備技術(shù)中獲得和保持適當(dāng)?shù)恼婵窄h(huán)境是極端重要的。在薄膜制備技術(shù)中獲得和保持適當(dāng)?shù)恼婵窄h(huán)境是極端重要的。pMRTA24、真空區(qū)域的劃分低真空低真空 102 Pa： 真空干燥，低壓化學(xué)氣相沉積。真空干燥，低壓化學(xué)氣相沉積。中真空中真空 102 10-1： 低壓化學(xué)氣相沉積，濺射沉積。低壓化學(xué)氣相沉積，濺射沉積。高真空高真空 10-1 10-5

16、 ：濺射沉積，真空蒸發(fā)沉積，電子：濺射沉積，真空蒸發(fā)沉積，電子 顯微分析，真空澆鑄。顯微分析，真空澆鑄。超高真空超高真空 10-5 ： 表面物理，表面分析。表面物理，表面分析。1.2氣體的流動狀態(tài)和真空抽速1、氣體的流動狀態(tài) 在空間中存在壓力差，導(dǎo)致氣體的宏觀定向流動。氣體的流動狀態(tài)影響因素：在空間中存在壓力差，導(dǎo)致氣體的宏觀定向流動。氣體的流動狀態(tài)影響因素：容器幾何尺寸，氣體的壓力、溫度及氣體的種類。容器幾何尺寸，氣體的壓力、溫度及氣體的種類。圖圖1.2顯示了氣體流動狀態(tài)與真顯示了氣體流動狀態(tài)與真空容器尺寸和氣體壓力間的關(guān)系?？杖萜鞒叽绾蜌怏w壓力間的關(guān)系。 氣體的流動狀態(tài)可借助一個無量綱的參

17、數(shù)氣體的流動狀態(tài)可借助一個無量綱的參數(shù)克努森克努森(Knudsen)準(zhǔn)數(shù)準(zhǔn)數(shù)Kn來劃分。來劃分。定義：定義： （1-9） 式中，式中，D為氣體容器的尺寸；為氣體容器的尺寸；為氣體分子的平均自由程。根據(jù)為氣體分子的平均自由程。根據(jù)Kn的大小，氣體的的大小，氣體的流動狀態(tài)可分為：流動狀態(tài)可分為：（1）分子流狀態(tài)：）分子流狀態(tài)：Kn110。 氣體壓較高，氣體分子平均自由程較短，相互碰撞較頻氣體壓較高，氣體分子平均自由程較短，相互碰撞較頻繁，如工作壓力較高的化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)就工作在這各狀態(tài)下。繁，如工作壓力較高的化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)就工作在這各狀態(tài)下。DKn與分子流狀態(tài)相比，黏滯流狀態(tài)的氣體流動模式要復(fù)雜

18、得多。根據(jù)另一個無量綱參與分子流狀態(tài)相比，黏滯流狀態(tài)的氣體流動模式要復(fù)雜得多。根據(jù)另一個無量綱參數(shù)數(shù)雷諾雷諾(Reynolds)準(zhǔn)數(shù)準(zhǔn)數(shù)Re劃分氣體的黏滯流狀態(tài)。定義：劃分氣體的黏滯流狀態(tài)。定義： （1-11）式中，式中，d為容器的特征尺寸（如管路的直徑）；為容器的特征尺寸（如管路的直徑）；、分別是氣體的流速、密度和動分別是氣體的流速、密度和動力學(xué)黏度系數(shù)。力學(xué)黏度系數(shù)。根據(jù)根據(jù)Re的大小，氣體的黏滯流狀態(tài)又可分為：的大小，氣體的黏滯流狀態(tài)又可分為：（1）層流狀態(tài)：）層流狀態(tài)： Re1200 ，流速較低。氣體分子的宏觀運(yùn)動方向與一組相互平行的，流速較低。氣體分子的宏觀運(yùn)動方向與一組相互平行的流

19、線相似，如圖流線相似，如圖1.3a所示。此時，相鄰的各流動層之間一直維持著相互平行的流動所示。此時，相鄰的各流動層之間一直維持著相互平行的流動方向。在靠近容器壁的地方，氣體分子受到器壁的黏滯力作用，其流速趨于零；方向。在靠近容器壁的地方，氣體分子受到器壁的黏滯力作用，其流速趨于零；隨著離開器壁距離的增加，氣體的流速逐漸增加；在容器的中心處，氣體流速最隨著離開器壁距離的增加，氣體的流速逐漸增加；在容器的中心處，氣體流速最高。高。（2）紊流或?qū)恿鳡顟B(tài)：）紊流或?qū)恿鳡顟B(tài)：1200 Re 2200 ，流速較高。此時氣體不再能夠維持相互平行的層狀流動，流速較高。此時氣體不再能夠維持相互平行的層狀流動模式

20、，而會轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N旋渦式的流動模式，如圖模式，而會轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N旋渦式的流動模式，如圖1.3b所示。這種氣流中不斷出現(xiàn)低所示。這種氣流中不斷出現(xiàn)低氣壓的旋渦稱為紊流狀態(tài)。氣壓的旋渦稱為紊流狀態(tài)。 雷諾準(zhǔn)數(shù)雷諾準(zhǔn)數(shù)Re相當(dāng)于氣體流動的慣性動量與其受到的黏滯阻力之比，它們各自相當(dāng)于氣體流動的慣性動量與其受到的黏滯阻力之比，它們各自起著破壞與穩(wěn)定氣流的作用。因此，氣體流動速度越慢，氣體密度越小，容器尺起著破壞與穩(wěn)定氣流的作用。因此，氣體流動速度越慢，氣體密度越小，容器尺寸越小，氣體黏度系數(shù)越大，越有利于氣流形成層流。寸越小，氣體黏度系數(shù)越大，越有利于氣流形成層流。 注意：在一個真空系統(tǒng)中的不同部分，注意：

21、在一個真空系統(tǒng)中的不同部分， Kn、 Re的數(shù)值以及相應(yīng)的氣體流動的數(shù)值以及相應(yīng)的氣體流動狀態(tài)可能是截然不同的。如真空室同與之相接的氣體輸送管路，很可能出現(xiàn)不同狀態(tài)可能是截然不同的。如真空室同與之相接的氣體輸送管路，很可能出現(xiàn)不同的氣體流動狀態(tài)。的氣體流動狀態(tài)。deR2、氣體管路的流導(dǎo)流導(dǎo)流導(dǎo)C：在真空系統(tǒng)內(nèi)，真空管路中氣體的通過能力。：在真空系統(tǒng)內(nèi)，真空管路中氣體的通過能力。 （1-12）式中，式中，p1和和p2為部件兩端的氣體壓力；為部件兩端的氣體壓力；Q為單位時間內(nèi)通過該真空部件的氣體流量，即為單位時間內(nèi)通過該真空部件的氣體流量，即單位時間內(nèi)流過的氣體體積與其壓力的乘積。單位時間內(nèi)流過的

22、氣體體積與其壓力的乘積。對于分子流狀態(tài)：流導(dǎo)與氣體的壓力無關(guān)，就等于單位時間內(nèi)通過該真空部件的氣對于分子流狀態(tài)：流導(dǎo)與氣體的壓力無關(guān)，就等于單位時間內(nèi)通過該真空部件的氣體體積。但由于氣體的流速與氣體的種類和溫度有關(guān)，因此，即使是在壓力差相同體體積。但由于氣體的流速與氣體的種類和溫度有關(guān)，因此，即使是在壓力差相同時，管路中流過的氣體量時，管路中流過的氣體量Q也不一樣。比如，對于處于兩個直徑很大的管路間的通也不一樣。比如，對于處于兩個直徑很大的管路間的通孔來說，若通孔的截面積為孔來說，若通孔的截面積為A，則通孔的流導(dǎo)，則通孔的流導(dǎo)C正比于通孔兩側(cè)氣體分子向通孔方向正比于通孔兩側(cè)氣體分子向通孔方向流

23、動的流量差。由式流動的流量差。由式1-7，可求出通孔的流導(dǎo)，可求出通孔的流導(dǎo)C： （1-13）式中，式中，n為單位體積內(nèi)的氣體分子數(shù)。從此式可知，分子流條件下管路的流導(dǎo)不僅取決為單位體積內(nèi)的氣體分子數(shù)。從此式可知，分子流條件下管路的流導(dǎo)不僅取決于管路的幾何尺寸，還與氣體的種類和溫度有關(guān)。于管路的幾何尺寸，還與氣體的種類和溫度有關(guān)。對于黏滯流狀態(tài)：流導(dǎo)隨氣體壓力升高而增加。對于黏滯流狀態(tài)：流導(dǎo)隨氣體壓力升高而增加。串聯(lián)流導(dǎo)：串聯(lián)流導(dǎo)：1/C= 1/C1+ 1/C2+ 1/C3并聯(lián)流導(dǎo)：并聯(lián)流導(dǎo)：C=C1+C2+C321ppQCMRTAnAC23、真空泵的抽速pQSpCSCSpQSpp1CSSCS

24、CSpQSpppp（2）真空泵的極限真空度）真空泵的極限真空度真空系統(tǒng)極限真空度的影響因素：真空系統(tǒng)極限真空度的影響因素： 真空泵的極限真空度真空泵的極限真空度真空泵回流真空泵回流 氣體泄漏程度氣體泄漏程度 真空系統(tǒng)：真空系統(tǒng)： 系統(tǒng)的容積系統(tǒng)的容積 管路流導(dǎo)管路流導(dǎo) 實際的真空泵在運(yùn)轉(zhuǎn)中總存在著氣體的回流現(xiàn)象，實際的真空泵在運(yùn)轉(zhuǎn)中總存在著氣體的回流現(xiàn)象，如右圖所示。我們先僅考慮真空泵回流一個因素。如右圖所示。我們先僅考慮真空泵回流一個因素。設(shè)回流量為設(shè)回流量為Qp ，并忽略管路的流阻（，并忽略管路的流阻（C為無窮大，為無窮大，p= pp），則由流量相等的關(guān)系式：），則由流量相等的關(guān)系式： （

25、1-17）令令Q=0，即可求出真空泵可以達(dá)到的極限真空度，即可求出真空泵可以達(dá)到的極限真空度p0 為為 （1-18）同時，由式同時，由式1-17還可以求出泵的實際有效抽速為還可以求出泵的實際有效抽速為 （1-19）)1 (pSQpSQSQpppppppSQp 0)1 (0ppSpQSp它將隨著它將隨著Q的減小以及的減小以及p趨于趨于p0的過程而趨于零的過程而趨于零。 另外，由于氣體通量另外，由于氣體通量Q可以表達(dá)為氣體體積可以表達(dá)為氣體體積V與壓力與壓力p的乘積對時間的的乘積對時間的導(dǎo)數(shù)，即導(dǎo)數(shù)，即 （1-20）將其與式將其與式1-19結(jié)合之后，可積分求出壓力隨時間的變化規(guī)律為結(jié)合之后，可積分

26、求出壓力隨時間的變化規(guī)律為 （1-21）式中，式中，pi 為真空系統(tǒng)在為真空系統(tǒng)在t=0時的真空度，它將隨著時間的延長而趨于時的真空度，它將隨著時間的延長而趨于p0 顯然，在同時考慮所有影響因素之后，整個真空系統(tǒng)的極限真空顯然，在同時考慮所有影響因素之后，整個真空系統(tǒng)的極限真空度總要低于真空泵的極限真空度。度總要低于真空泵的極限真空度。dtdpVdtpVdQ)(VtSipeppptp.00)()(1.3真空泵的簡介1、真空泵的分類、真空泵的分類 （1）輸運(yùn)式真空泵：以壓縮方式）輸運(yùn)式真空泵：以壓縮方式 將氣體輸送到系統(tǒng)之外。將氣體輸送到系統(tǒng)之外。 a、機(jī)械式氣體輸運(yùn)泵：旋片式機(jī)、機(jī)械式氣體輸運(yùn)

27、泵：旋片式機(jī) 械真空泵、羅茨泵、渦輪分子泵。械真空泵、羅茨泵、渦輪分子泵。 b、氣流式氣體輸運(yùn)泵：油擴(kuò)散泵。、氣流式氣體輸運(yùn)泵：油擴(kuò)散泵。（2）捕獲式真空泵：依靠凝結(jié)或吸附）捕獲式真空泵：依靠凝結(jié)或吸附氣體分子的方式將氣體捕獲，并排出系氣體分子的方式將氣體捕獲，并排出系統(tǒng)之外，如低溫吸附泵、濺射離子泵。統(tǒng)之外，如低溫吸附泵、濺射離子泵。 2、各類真空泵簡介、各類真空泵簡介（1）旋片式機(jī)械真空泵）旋片式機(jī)械真空泵a、工作原理：依靠插在偏心轉(zhuǎn)子中的數(shù)個、工作原理：依靠插在偏心轉(zhuǎn)子中的數(shù)個可以滑進(jìn)滑出的旋片將泵體內(nèi)的氣體隔離、可以滑進(jìn)滑出的旋片將泵體內(nèi)的氣體隔離、壓縮，然后將其排出泵體之外。壓縮，然

28、后將其排出泵體之外。b、極限真空度：、極限真空度：10-1 Pa左右。左右。c、優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠。、優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠。d、缺點：油蒸氣回流、同進(jìn)污染系統(tǒng)。、缺點：油蒸氣回流、同進(jìn)污染系統(tǒng)。（2）羅茨（）羅茨（Roots）真空泵）真空泵a、工作原理：兩個、工作原理：兩個8字形的轉(zhuǎn)子以相反字形的轉(zhuǎn)子以相反的方向旋轉(zhuǎn)，兩個轉(zhuǎn)子始終保持相切合，的方向旋轉(zhuǎn)，兩個轉(zhuǎn)子始終保持相切合，咬合精度很高，切合處氣體始終不能通咬合精度很高，切合處氣體始終不能通過，只能從上、下兩邊被掃出真空系統(tǒng)。過，只能從上、下兩邊被掃出真空系統(tǒng)。b、極限真空度：、極限真空度： 10-2Pa左右；左右； c、優(yōu)點：結(jié)

29、構(gòu)簡單、無油氣回流，抽速、優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、無油氣回流，抽速 很大。很大。d、缺點：泵體與轉(zhuǎn)子發(fā)熱、膨脹，造成、缺點：泵體與轉(zhuǎn)子發(fā)熱、膨脹，造成 泵體損壞；當(dāng)氣體壓力低于泵體損壞；當(dāng)氣體壓力低于 10-1 Pa時，氣體回流造成抽速時，氣體回流造成抽速 降低。降低。e、適用壓力范圍：、適用壓力范圍：10-11000Pa。（3）油擴(kuò)散泵）油擴(kuò)散泵a、工作原理：將油加熱至高溫蒸發(fā)、工作原理：將油加熱至高溫蒸發(fā)狀態(tài)（約狀態(tài)（約2000C），讓油蒸氣呈多級），讓油蒸氣呈多級狀向下定向高速噴出時不斷撞擊氣狀向下定向高速噴出時不斷撞擊氣體分子，并將部分動量傳遞給這些體分子，并將部分動量傳遞給這些氣體分子，使其

30、被迫向排氣口方向氣體分子，使其被迫向排氣口方向運(yùn)動，在壓縮作用下排出泵體運(yùn)動，在壓縮作用下排出泵體 。同。同時，被泵體冷卻后的油蒸氣又會凝時，被泵體冷卻后的油蒸氣又會凝結(jié)起來返回泵的底部。結(jié)起來返回泵的底部。b、極限真空度：、極限真空度： 10-6Pa；c、優(yōu)點：極限真空度高，抽速很大，、優(yōu)點：極限真空度高，抽速很大，根據(jù)口徑大小，抽速可以從每秒幾升根據(jù)口徑大小，抽速可以從每秒幾升至每秒上萬升不等。至每秒上萬升不等。d、缺點：油蒸氣回流，污染。、缺點：油蒸氣回流，污染。e、工作狀態(tài)：分子流狀態(tài)的真空狀態(tài)、工作狀態(tài)：分子流狀態(tài)的真空狀態(tài)不能與大氣直接相連，使用油擴(kuò)散泵不能與大氣直接相連，使用油擴(kuò)

31、散泵之前，需要采用各種形式的機(jī)械泵將之前，需要采用各種形式的機(jī)械泵將系統(tǒng)預(yù)抽至系統(tǒng)預(yù)抽至1Pa左右。左右。f、適用壓力范圍：、適用壓力范圍： 110-6Pa（4）渦輪分子泵）渦輪分子泵a、工作原理：渦輪分子泵的轉(zhuǎn)子葉片、工作原理：渦輪分子泵的轉(zhuǎn)子葉片具有特定的形狀，在它以具有特定的形狀，在它以2000030000r/min的高速旋轉(zhuǎn)時，葉片將動量傳給氣的高速旋轉(zhuǎn)時，葉片將動量傳給氣體分子，同時，渦輪分子泵中裝有很多體分子，同時，渦輪分子泵中裝有很多級葉片，上一級葉片輸送過來的氣體分級葉片，上一級葉片輸送過來的氣體分子又會受到下一級葉片的作用而被進(jìn)一子又會受到下一級葉片的作用而被進(jìn)一步壓縮至更下

32、一級。像油擴(kuò)散泵一樣，步壓縮至更下一級。像油擴(kuò)散泵一樣，也是靠對氣體分子施加作用力，并使氣也是靠對氣體分子施加作用力，并使氣體分子向特定的方向運(yùn)動的原理來工作體分子向特定的方向運(yùn)動的原理來工作的。的。b、極限真空度：、極限真空度： 10-8Pa；c、優(yōu)點：極限真空度高，壓縮比高，油、優(yōu)點：極限真空度高，壓縮比高，油蒸氣的回流可以忽略，抽速可達(dá)蒸氣的回流可以忽略，抽速可達(dá)1000L/s。d、缺點：價格較高、缺點：價格較高。e、工作狀態(tài)：在使用中多用旋片式機(jī)械、工作狀態(tài)：在使用中多用旋片式機(jī)械泵作為其前級泵。泵作為其前級泵。f、適用壓力范圍：、適用壓力范圍： 110-8Pa（5）低溫吸附泵）低溫吸

33、附泵a、工作原理：依靠氣體分子會在低溫下、工作原理：依靠氣體分子會在低溫下自發(fā)凝結(jié)或被其他物質(zhì)表面吸附的物理自發(fā)凝結(jié)或被其他物質(zhì)表面吸附的物理現(xiàn)象實現(xiàn)對氣體分子的去除，進(jìn)而獲得現(xiàn)象實現(xiàn)對氣體分子的去除，進(jìn)而獲得高真空。高真空。b、極限真空度：、極限真空度： 10-1 10-8Pa，取決于，取決于所采用的低溫溫度、吸附物質(zhì)的表面積、所采用的低溫溫度、吸附物質(zhì)的表面積、被吸附氣體的種類等因素；被吸附氣體的種類等因素；c、優(yōu)點：極限真空度高，可獲得無油高、優(yōu)點：極限真空度高，可獲得無油高真空；除真空；除H2、He、Ne外，對各種氣體抽外，對各種氣體抽速均很大速均很大。d、缺點：運(yùn)轉(zhuǎn)成本較高、缺點：運(yùn)

34、轉(zhuǎn)成本較高。e、工作狀態(tài)：既可以只配以旋片泵等低、工作狀態(tài)：既可以只配以旋片泵等低真空泵種作為惟一的高真空泵使用，又可真空泵種作為惟一的高真空泵使用，又可以與其他高真空泵種，如渦輪分子泵等聯(lián)以與其他高真空泵種，如渦輪分子泵等聯(lián)合使用，預(yù)真空度應(yīng)達(dá)到合使用，預(yù)真空度應(yīng)達(dá)到10-1 以下，以減以下，以減少吸附泵的負(fù)荷并避免在泵體內(nèi)積聚過厚少吸附泵的負(fù)荷并避免在泵體內(nèi)積聚過厚的氣體冷凝產(chǎn)物。的氣體冷凝產(chǎn)物。（6）濺射離子泵）濺射離子泵a、工作原理：高壓陰極發(fā)射出的高速電、工作原理：高壓陰極發(fā)射出的高速電子與殘余氣體分子相互碰撞后引起氣體子與殘余氣體分子相互碰撞后引起氣體電離放電，而電離后的氣體分子在

35、高速電離放電，而電離后的氣體分子在高速撞擊撞擊Ti陰極時又會濺射出大量的陰極時又會濺射出大量的Ti 原子。原子。由于由于Ti原子的活性很高，因而它將以吸原子的活性很高，因而它將以吸附或化學(xué)反應(yīng)的形式捕獲大量的氣體分附或化學(xué)反應(yīng)的形式捕獲大量的氣體分子并使其在泵體內(nèi)沉積下來，從而在真子并使其在泵體內(nèi)沉積下來，從而在真空室內(nèi)造成無油的高真空環(huán)境?？帐覂?nèi)造成無油的高真空環(huán)境。b、極限真空度：與其他泵種串聯(lián)使用，、極限真空度：與其他泵種串聯(lián)使用，可達(dá)可達(dá) 10-8Pa。抽速取決于所抽氣體的活。抽速取決于所抽氣體的活性等因素。性等因素。c、優(yōu)點：極限真空度高，可獲得無油高、優(yōu)點：極限真空度高，可獲得無油

36、高真空。真空。d、缺點：壽命有限。、缺點：壽命有限。1、熱偶真空規(guī)和皮拉尼、熱偶真空規(guī)和皮拉尼真空規(guī)真空規(guī) （真空測量用的元件稱為真空規(guī)）（真空測量用的元件稱為真空規(guī)）（1）熱偶真空規(guī)）熱偶真空規(guī) 熱電偶溫度計：是用兩根不同的金屬絲組成，把兩絲聯(lián)接的熱電偶溫度計：是用兩根不同的金屬絲組成，把兩絲聯(lián)接的 一一 端置入一個固定的低溫箱中，另一端置入某溫度媒質(zhì)中，端置入一個固定的低溫箱中，另一端置入某溫度媒質(zhì)中， 當(dāng)回路中有電流通過時，便可通過電流計或電位計測出溫當(dāng)回路中有電流通過時，便可通過電流計或電位計測出溫 差電流的大小，并在刻度盤上刻出對應(yīng)的溫度值。這樣，差電流的大小，并在刻度盤上刻出對應(yīng)的

37、溫度值。這樣， 便可制做熱電偶溫度計。便可制做熱電偶溫度計。 熱偶真空規(guī)：在作為熱絲的熱偶真空規(guī)：在作為熱絲的Pt絲中通過恒定強(qiáng)度的電流。在達(dá)到熱平衡以后，電絲中通過恒定強(qiáng)度的電流。在達(dá)到熱平衡以后，電流提供的加熱功率與通過空間熱輻射，金屬絲熱傳導(dǎo)以及氣體分子熱傳導(dǎo)而損失流提供的加熱功率與通過空間熱輻射，金屬絲熱傳導(dǎo)以及氣體分子熱傳導(dǎo)而損失的功率相等，因而熱絲的溫度將隨著真空度的不同而呈現(xiàn)有規(guī)律的變化。這時，的功率相等，因而熱絲的溫度將隨著真空度的不同而呈現(xiàn)有規(guī)律的變化。這時，用熱電偶的方法測出熱絲本身的溫度，也就相應(yīng)測出了環(huán)境的壓力。用熱電偶的方法測出熱絲本身的溫度，也就相應(yīng)測出了環(huán)境的壓力。問題問題1：為什么熱偶真空規(guī)不能用于較低或較高真空度的測量，只能用于：為