《一章真空技术基础pptppt课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《一章真空技术基础pptppt课件.ppt（30页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、,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
2、“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
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,
4、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
5、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 Pressure Low Vacuum Rotary Vane Pumps Sorption Pumps High Vacuum Diffusion Pumps Turbo Molecular Pumps Ultra-High Vacuum Turbo Molecular Pumps Ion Pumps Titanium Sublimation Pumps,Oil / Oil-Free Oil Rotary Vane Pumps Diffusion
6、Pumps Oil-Free Turbo Molecular Pumps Ion Pumps Titanium 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
7、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. Atmosph
8、ere to 10-10 Torr 4. 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.
9、 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.
10、3. 工作范围 10-8-10-11 Torr 4. 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
11、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
12、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） M
13、echanical 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,