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真空中残余气体的基本性质  

2011-11-13 12:24:13|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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真空残余气体的状态方程

       在真空技术中所接触的是稀薄气体,这种稀薄气体在性质上与理想气体的差异很小。因此,在研究稀薄气体的性质时,可不加修正地直接应用理想气体的状态方程
       理想气体状态方程:
真空中残余气体的基本性质 - 驰奔 - --COXEM有限公司 中国代表处--  普适气体常量: R = 8.31J/mol K
 
真空中残余气体的基本性质 - 驰奔 - --COXEM有限公司 中国代表处--  玻耳兹曼常量: k = 1.38×10-23 J/K

  气体分子的速率分布

气体分子运动论认为:

        气体的大量分子每时每刻都处于无规则的热运动之中,气体分子之间以及气体分子与容器壁之间,发生着不断的碰撞过程,这种碰撞过程的结果之一是使气体分子的速度服从一定的统计分布。气体分子的运动速度υ服从麦克斯韦尔-玻耳兹曼(Maxwell-Boltzmann)分布。

真空中残余气体的基本性质 - 驰奔 - --COXEM有限公司 中国代表处--

 

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三种统计速率

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    3 )均方根速率                     真空中残余气体的基本性质 - 驰奔 - --COXEM有限公司 中国代表处--
 
 
平均自由程
         气体分子在连续两次碰撞之间的平均路程称分子的平均自由程。
   真空中残余气体的基本性质 - 驰奔 - --COXEM有限公司 中国代表处--     d 为气体分子的直径

 
估算:常温下(300 K),空气分子直径约0.5 nm

真空中残余气体的基本性质 - 驰奔 - --COXEM有限公司 中国代表处--

大气压下  P = 105 Pa,   平均自由程为 40nm

超高真空下 P = 10-8 Pa, 平均自由程为400Km
 
气体的入射频率(入射通量)

 入射频率是真空及镀膜技术中常用到的一个物理量,是气体分子对于容器壁单位面积的碰撞频率,即单位时间内单位表面积受到气体分子碰撞的次数。用字母 J 来表示

赫兹-克努曾(Hertz-Knudsen)公式:

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余弦定律C

       碰撞于固体表面的分子它们飞离表面的方向与原入射方向无关,并按与表面法线方向所成角度的余弦进行分布。 
  一个分子离开固体表面时,处于立体角        中的几率为:

真空中残余气体的基本性质 - 驰奔 - --COXEM有限公司 中国代表处--θ为出射方向与法线所成的角度

余弦定律的重要意义:  它揭示了固体表面对气体分子作用的另一个方面,即分子原有的方向性彻底“消除”,均按余弦定律散射。

分子在固体表面上要停留一定的时间,这是气体分子能够与固体进行能量交换和动量交换的先决条件,这一点有重要意义。

 
真空度对薄膜质量的影响
 
n平均自由程的影响

薄膜技术中最常用的真空度为10-4Pa,自由程大约是40米。即使再差,10-3Pa,自由程大约是4米。而一般的膜基距为10 cm 左右,所以不需要考虑飞行中的薄膜原子和残存气体碰撞所产生的影响。如果真空度太低,薄膜原子的碰撞增加,难于沉积到衬底上,并且碰撞过程中容易与残余气体发生反应,影响薄膜质量。
 
n残余气体混杂的影响

P = 10-4Pa时,如果撞击过来的残存气体分子全部被吸附,那么3 s 时间就有约一层残余气体混入薄膜中,相当于1分钟混入20层杂质气体,约10~20 nm/分钟。薄膜较常用的生长速率是1μm/分钟。因此,假设气体分子全部混入薄膜里面的话(实际上不会全部),就相当于有1~2%的不纯物混入在薄膜里面。

真空度差个10倍(10-3Pa),杂质含量相当于10~20%,真空度提高10倍(10-5Pa),杂质含量为0.1~0.2%。


真空度越高,所得到的薄膜质量越好,纯度越高;

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