一章真空技术基础pptppt课件.ppt
,真空的基本知识真空的获得3.真空测量4.真空系统,第一章 真空技术基础,一、真空的基本知识,s分子直径，p为压强，T为气体温度，k为玻耳兹曼常数,室温下,压强为 10-4 Pa 时氮分子的平均自由程50km。因此体积有限的超真空系统中，气体分子之间或气体分子与带电粒子之间的碰撞都可以近似忽略。,b 单位面积上分子与固体表面碰撞的频率小,M和T分别为气体分子的分子量和温度,在普通高真空，例如 时，对于室温下的氮气，如果每次碰撞均被表面吸附，按每平方厘米单分子层可吸附 个分子计算，一个“干净”的表面只要一秒多钟就被覆盖满了一个单分子层的气体分子：而在超高真空 或 时，由同样的估计可知“干净”表面吸附单分子层的时间将达几小时到几十小时之久。,c 气体分子密度低,标准状态：,P=105Pa，n=2.461019分子/cm3,P=1.3 10-8Pa，n=3.24105分子/cm3,d 剩余气体对沉积膜的掺杂 真空度10Pa，杂质含量相当于1030，真空度提高100倍（10Pa），杂质含量为0.10.3。想要得到高纯度的薄膜，就必须尽量在较高真空度的环境下，或是在不会与薄膜材料产生反应的氩气等的惰性气体中进行。,e 改变反应进程,压强修正,压强降低，降低了反应温度,（1）产生压力差以完成某些过程（2）降低某些过程发生所需要的能量势垒，如 凝聚或蒸发过程（3）隔热（4）产生干净表面，表面过程，可控薄膜沉积、wafer bonding（5）净化腔体(气体、灰尘)（6）真空干燥（7）提高分子运动平均自由程,3.真空的应用,4.真空度的单位,真空状态下气体稀薄程度称为真空度，通常用压力值表示。1958年，第一界国际技术会议曾建议采用“托”(Torr)作为测量真空度的单位。国际单位制(SI)中规定压力的单位为帕(Pa)。我国采用SI真空单位。,单位换算：1标准大气压(1atm)1.013105Pa(帕)1Torr1/760atm1mmHg 1Torr133Pa102 Pa 1bar=0.1MPa 1Psi=1磅/平方英寸,帕斯卡（Pascal）：Pa 1Pa=1N/m2,旧的单位：Torr mmHg atm bar Psi Kg/cm2,真空区域划分为：粗真空、低真空、高真空、超高真空和极高真空粗真空低真空高真空超高真空极高真空,真空区域划分,5.固体对气体的吸附及气体的脱附,吸附：固体表面对气体分子的捕获。分物理吸附和化学吸附。物理吸附：由分子间的吸引力引起，没有选择性，任何气体都可在固体表面被吸附。物理吸附容易脱附。低温下发生。化学吸附：由气体与固体表面分子发生化学反应时产生，不易脱附，一般在高温下发生。真空中的吸附与脱附决定于气体压强、固体与气体的化学活性、固体温度、固体表面平整度、清洁度等。适当加热有助于物理脱附。气体的电离将加速吸附过程，而活泼金属及活性气体则容易发生化学吸附。,二、真空的获得,Ultimate PressureLow Vacuum Rotary Vane PumpsSorption PumpsHigh Vacuum Diffusion PumpsTurbo Molecular PumpsUltra-High VacuumTurbo Molecular PumpsIon PumpsTitanium Sublimation Pumps,Oil/Oil-FreeOilRotary Vane PumpsDiffusion PumpsOil-FreeTurbo Molecular PumpsIon PumpsTitanium Sublimation Pumps,往往用 机械泵+扩散泵，获得高真空（有油），用吸附泵+离子泵+钛升华泵获得超高真空（无油），也可用有油、无油复合系统。,旋片式机械泵,工作过程：气体从入口进入转子和定子之间偏轴转子压缩空气并输送到出口气体在出口累积到一定压强，喷出到大气工作范围及特点：Atmosphere to 10-3 torr耐用，便宜由于泵的定子、转子都浸入油中，每周期都有油进入容器，有污染。要求机械泵油有低的饱和蒸汽压、一定润滑性、黏度和高稳定性。,旋片式机械泵工作示意图,罗茨泵(Roots pump),特点：两个转子独立高速旋转无油，抽速高,特点：1.加热油从喷嘴高速喷出，气体分子与油分子碰撞实现动量转移，向出气口运动，或溶入油中，油冷凝后，重新加热时，排出溶入的气体，并由出气口抽出；2.需要水冷，前级泵3.10-3 to 10-7 Torr(to 10-9 Torr，液氮冷阱),优点：耐用、成本低，抽速快 无震动和声音缺点：油污染,油扩散泵,涡轮分子泵,特点：1.气体分子被高速转动的涡 轮片撞击，向出口运动2.多级速度：30,000-60,000 rpm.转子的切向速度与分子运动速率相当 3.Atmosphere to 10-10 Torr4.启动和关闭很快 5.无油，有电磁污染6.噪声大、有振动、比较昂贵.,复合分子泵,复合分子泵由涡轮分子泵和牵引分子泵（阻压泵）复合而成。它将涡轮分子泵的转速高、抽速大，和牵引分子泵的压缩比大的优点结合起来，利用高速旋转的转子，携带气体分子而获得超高真空。,复合分子泵结构示意,特点：1.利用20K以下的低温表面来凝聚气体分子实现抽气，是目前最高极限真空的抽气泵；2.可对各种气体捕集，凝结在冷凝板上，所以工作一段时间后必须对冷凝板加热“再生”；3.“再生”必须彻底；4.加热“再生”温度 200 C 烘烤除去吸附的气体5.无油污染；6.制冷机式低温泵运作成本低，较常采用。,低温泵（Cryopump）,离子泵,特点：1.极板间加高压(5 kV)2.电子螺旋运动(longer path-length).3.气体分子被电子离化，向阴极运动.4.离子注入阴极(Ti，Ta)，溅射阴极材料.5.溅射出的阴极材料与气体反 应，沉积在角落中或阳极上.6.10-4 Torr to 10-11 Torr,离子泵,优点干净，无油污染无运动部分，无振动，无噪音低功耗，使用时间长缺点对惰性气体效率低每隔几年需要对阴极材料进行再生,钛升华泵,特点：1.加热Ti丝使其蒸发到冷壁.2.Ti原子与气体反应.3.工作范围 10-8-10-11 Torr4.便宜，可靠5.需要再生,三、真空测量,1.低真空(1atm 10-4 Torr)热偶真空计 皮拉尼（Pirani）真空计（电阻真空计）膜片式真空计（电容式真空计）2.高真空 电离真空计(Ion Gauge)质谱仪真空计-RGA(Residual Gas Analyzer),低真空测量：热偶真空计 Thermocouple Gauge,原理：散热与气体压强相关加热丝的温度与气体压强相关 用热偶测量加热丝的温度 压强,特点：1.不同气体导热性能不同，同样压强测量结果不同，要修正；测量范围：10210-1Pa，测量压强不能过低；,3.有惯性，即压强变化时，热丝温度变化有滞后性，真空 指示也有滞后；4.由于灯丝的氧化的作用，造成零点漂移，使用时，要经常 校准加热电流值。,低真空测量：皮拉尼规 Pirani Gauge,原理：散热与气体压强相关 加热丝的温度与气 体压强相关 加热丝的电阻与温度相关，用平衡电桥测量加热丝的电阻 压强,特点：,测量范围：10510-2Pa；因为是相对真空计，所测压强对气体的依赖性强，对不同气体应修正；3.避免长时间接触大气或高压工作，经常做零点校准。,高真空测量：电离规(Ion Gauge),原理：热丝发射热电子 热电子加速并电离气体，离子被收集形成电流 电流与压强成正比测量范围：,1 x 10-1 Pa to 10-5 Pa,电离规在低真空下使用会使钨灯丝氧化，降低寿命，甚至烧断；当电离规管暴露于大气后，内部及灯丝、电极会吸附气体，再次使用时要作“除气”操作。,电离规(Ion Gauge),四、真空系统,1.真空材料 所有真空系统中使用的材料必须满足：力学性能：容易加工成型.在所涉及的温度下能保持强度，能经受反复的升降温热学性能：高温下仍具有低蒸汽压 不同部分的热膨胀系数应匹配 气体负载：不能多孔，无裂缝和气孔，表面光滑,Outgassing rates（除气速率）Producing“virtual”leaks（产生气体虚漏）Mechanical stability（机械稳定性）Temperature stability（温度稳定性）Conductivity（热导率）Chemical inertness（化学惰性）Weldability（可焊接性）,真空材料应考虑的问题：,2.常用真空材料,A 奥氏体不锈钢，如：321,347,304钢；B 铝或铝合金，容易加工，放气率低，但强度低，易变形；C 陶瓷玻璃化的氧化铝，放气率低，不易吸附气体，可耐高温(1500C)，但易碎且不易加工；D 硼酸盐玻璃,硼硅酸玻璃,石英，用于小系统或作为观察窗.易加工、耐腐蚀.E 腈橡胶或丁钠橡胶通常作为垫圈，如：O型圈，不耐高温；F 氟化橡胶可以耐200 C，常用于低压。,抽速：S=Q/P,系统实际抽速,3.真空系统的抽速,Q:单位时间内沿导管 流过的气体量,C:称为流导，表示气 体通过导管的能力,Sp 真空泵的抽速,抽气公式：,QL为外部气体对真空室泄漏的速率,极限真空：p=QL/S,
