第一章 薄膜制備的真空技術(shù)基礎(chǔ)

1、第一章第一章 薄膜制備的真空技術(shù)基礎(chǔ)薄膜制備的真空技術(shù)基礎(chǔ)n大部分的現(xiàn)代薄膜材料制備都是在真空或是較低大部分的現(xiàn)代薄膜材料制備都是在真空或是較低的氣壓下進(jìn)行的，都涉及到氣相的產(chǎn)生、輸運(yùn)以的氣壓下進(jìn)行的，都涉及到氣相的產(chǎn)生、輸運(yùn)以及反應(yīng)的過(guò)程。及反應(yīng)的過(guò)程。n因此，這一章中，我們先對(duì)有關(guān)氣體的基本性質(zhì)因此，這一章中，我們先對(duì)有關(guān)氣體的基本性質(zhì)進(jìn)行簡(jiǎn)要的回顧，然后對(duì)最常用的真空技術(shù)的基進(jìn)行簡(jiǎn)要的回顧，然后對(duì)最常用的真空技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。第一章第一章 薄膜制備的真空技術(shù)基礎(chǔ)薄膜制備的真空技術(shù)基礎(chǔ)n1.1氣體分子運(yùn)動(dòng)論氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念的基本概念n1.2真空的基

2、本概念真空的基本概念n1.3 各類(lèi)真空泵簡(jiǎn)介各類(lèi)真空泵簡(jiǎn)介n1.4 真空測(cè)量技術(shù)真空測(cè)量技術(shù)n1.5 幾種典型真空系統(tǒng)的建立幾種典型真空系統(tǒng)的建立1.1 氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念1. 描述氣體分子狀態(tài)的宏觀物理量描述氣體分子狀態(tài)的宏觀物理量-P、T、V 氣體分子之間除了相互碰撞的瞬間外，氣體分子之間除了相互碰撞的瞬間外，完全不存在相互作用。完全不存在相互作用。n一般的溫度和壓力條件下，所有的氣體都可以被看一般的溫度和壓力條件下，所有的氣體都可以被看作是理想氣體。作是理想氣體。n真空技術(shù)中研究氣體時(shí)，一般可以應(yīng)用理想氣體狀真空技術(shù)中研究氣體時(shí)，一般可以應(yīng)用理想氣體狀態(tài)方程

3、。態(tài)方程。1.1 氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念1. 描述氣體分子狀態(tài)的宏觀物理量描述氣體分子狀態(tài)的宏觀物理量-P、T、V （1） 理想氣體狀態(tài)方程：理想氣體狀態(tài)方程： P：壓強(qiáng)（：壓強(qiáng)（Pa）；）；m：氣體質(zhì)量（：氣體質(zhì)量（Kg）；）；V：體積（：體積（m3）；）；R：普適氣體常數(shù)：普適氣體常數(shù) =8.314J.mol-1K-1 ：T：絕對(duì)溫度（：絕對(duì)溫度（K）討論：討論： 對(duì)于一定質(zhì)量的氣體，當(dāng)氣體溫度一定時(shí)，對(duì)于一定質(zhì)量的氣體，當(dāng)氣體溫度一定時(shí)，PV = K（與溫度有關(guān)的常數(shù)），（與溫度有關(guān)的常數(shù)），此即波義耳此即波義耳-馬略特定律（機(jī)械泵的理論基礎(chǔ)）。馬略特定律（機(jī)械

4、泵的理論基礎(chǔ)）。molmPVRTM1.1 氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念1. 描述氣體分子狀態(tài)的宏觀物理量描述氣體分子狀態(tài)的宏觀物理量-P、T、V （2） 阿伏加德羅定律阿伏加德羅定律：（理想氣體狀態(tài)方程的第二種表達(dá)方式）：（理想氣體狀態(tài)方程的第二種表達(dá)方式） n為氣體分子密度（為氣體分子密度（1/m3）；波爾茲蔓常數(shù)）；波爾茲蔓常數(shù)k=R/NA=1.38 10-23JK-1；NA為阿伏加德羅常數(shù)，為阿伏加德羅常數(shù)，6.023 1023mol-1表明在相同壓強(qiáng)和溫度下，各種氣體單位體積含分子數(shù)相同表明在相同壓強(qiáng)和溫度下，各種氣體單位體積含分子數(shù)相同（與氣體種類(lèi)無(wú)（與氣體種類(lèi)無(wú)

5、關(guān)）關(guān)）。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，任何氣體的分子密度為在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，任何氣體的分子密度為3 1019個(gè)個(gè)/m3pnkT1.1 氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念1. 描述氣體分子狀態(tài)的宏觀物理量描述氣體分子狀態(tài)的宏觀物理量-P、T、V （2） 阿伏加德羅定律阿伏加德羅定律：（理想氣體狀態(tài)方程的第二種表達(dá)方式）：（理想氣體狀態(tài)方程的第二種表達(dá)方式） 若氣體由若氣體由N個(gè)分子組成，每個(gè)分子的質(zhì)量為個(gè)分子組成，每個(gè)分子的質(zhì)量為M，則，則m=MN。而而1mol氣體中的分子數(shù)氣體中的分子數(shù)NA=6.023 1023，將，將Mmol=MNA代入理代入理想氣體狀態(tài)方程，則推出阿伏伽德羅定律。想氣體狀態(tài)方

6、程，則推出阿伏伽德羅定律。pnkT1.1 氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念 真空容器中氣體分子運(yùn)動(dòng)是混亂的。氣體分子進(jìn)行無(wú)規(guī)真空容器中氣體分子運(yùn)動(dòng)是混亂的。氣體分子進(jìn)行無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的每一時(shí)刻，每個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)速率有偶然性，然而，則熱運(yùn)動(dòng)的每一時(shí)刻，每個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)速率有偶然性，然而，對(duì)于大量氣體分子而言，其速率分布遵循統(tǒng)計(jì)規(guī)律。對(duì)于大量氣體分子而言，其速率分布遵循統(tǒng)計(jì)規(guī)律。1.1 氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念f(v)速率分布函數(shù)（表明氣體分子的速度分布只取決于分子的相對(duì)原子質(zhì)量速率分布函數(shù)（表明氣體分子的速度分布只取決于分子的相對(duì)原子質(zhì)量M與熱力學(xué)溫與熱力學(xué)溫度

7、度T的比值），的比值），M-分子的摩爾質(zhì)量，分子的摩爾質(zhì)量，T為熱力學(xué)溫度，為熱力學(xué)溫度，R為普適氣體常數(shù)。為普適氣體常數(shù)。f(v)dv=dN/N為速率位于為速率位于v-(v+dv)區(qū)間的相對(duì)分子數(shù)或分子處于區(qū)間的相對(duì)分子數(shù)或分子處于v-(v+dv)間的幾率?；蛘唛g的幾率?；蛘遞(v)dv表示在速率附近，表示在速率附近，dv速率間隔內(nèi)的分子數(shù)占總分子數(shù)的比率。速率間隔內(nèi)的分子數(shù)占總分子數(shù)的比率。dN = Nf(v)dv 設(shè)有設(shè)有N個(gè)氣體分子的理想氣體，在平衡狀態(tài)速率處在個(gè)氣體分子的理想氣體，在平衡狀態(tài)速率處在v-(v+dv)之間之間的分子數(shù)：的分子數(shù)：1.1 氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念氣體分子運(yùn)

8、動(dòng)論的基本概念f(v)速率分布函數(shù)，速率分布函數(shù)，M-分子的摩爾質(zhì)量，分子的摩爾質(zhì)量，T為熱力學(xué)溫度，為熱力學(xué)溫度，R為普適氣體常數(shù)。為普適氣體常數(shù)。物理意義物理意義：dN = Nf(v)dv 設(shè)有設(shè)有N個(gè)氣體分子的理想氣體，在平衡狀態(tài)速率處在個(gè)氣體分子的理想氣體，在平衡狀態(tài)速率處在v-(v+dv)之間之間的分子數(shù)：的分子數(shù)：1.1 氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念 為了更深入地理解速率分布函數(shù)所表達(dá)的意義，以下圖為了更深入地理解速率分布函數(shù)所表達(dá)的意義，以下圖H2和和N2分子為例，對(duì)其速率分布進(jìn)行了定量描述。分子為例，對(duì)其速率分布進(jìn)行了定量描述。1.1 氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概

9、念氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念 圖中表示，總分子數(shù)為圖中表示，總分子數(shù)為107個(gè)、速率間隔個(gè)、速率間隔dv為為1cm/s時(shí)，時(shí)，在不同速率范圍的分子數(shù)。例如，在不同速率范圍的分子數(shù)。例如，0 的的N2分子，分子，v處于處于1000-1000.01m/s范圍內(nèi)的分子數(shù)大約為范圍內(nèi)的分子數(shù)大約為9個(gè)。個(gè)。 由曲線可知，氣體分子的速度具有很大的分布區(qū)間，平由曲線可知，氣體分子的速度具有很大的分布區(qū)間，平衡溫度越低，曲線越陡，分子按速率分布越集中；溫度越高，衡溫度越低，曲線越陡，分子按速率分布越集中；溫度越高，曲線平緩，分子按速率分布越分散。氣體分子的相對(duì)原子質(zhì)曲線平緩，分子按速率分布越分散。氣體分子的相

10、對(duì)原子質(zhì)量越小，則分子的平均運(yùn)動(dòng)速度越大。量越小，則分子的平均運(yùn)動(dòng)速度越大。1.1 氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念3 . 氣體分子的平均自由程氣體分子的平均自由程 處于無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)中的氣體分子，彼此處于無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)中的氣體分子，彼此間不斷碰撞，單位時(shí)間內(nèi)氣體分子的碰撞次間不斷碰撞，單位時(shí)間內(nèi)氣體分子的碰撞次數(shù)稱(chēng)為碰撞頻率。特定種類(lèi)的氣體分子的碰數(shù)稱(chēng)為碰撞頻率。特定種類(lèi)的氣體分子的碰撞頻率與氣體分子熱運(yùn)動(dòng)的速率有關(guān)，與氣撞頻率與氣體分子熱運(yùn)動(dòng)的速率有關(guān)，與氣體的密度有關(guān)。體的密度有關(guān)。1.1 氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念3 . 氣體分子的平均自由程氣體分子的

11、平均自由程q碰撞頻率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)氣體分子的碰撞次數(shù)。碰撞頻率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)氣體分子的碰撞次數(shù)。q自由程：分子任意兩次碰撞之間通過(guò)的路程，自由程：分子任意兩次碰撞之間通過(guò)的路程，。：大量分子多次碰撞自由程大量分子多次碰撞自由程的平均值，的平均值， 。 或：一個(gè)氣體分子連續(xù)兩次碰撞間飛行距離的平均或：一個(gè)氣體分子連續(xù)兩次碰撞間飛行距離的平均值稱(chēng)為平均自由程值稱(chēng)為平均自由程 1.1 氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念3 . 氣體分子的平均自由程氣體分子的平均自由程一個(gè)氣體分子在兩次碰撞之間的平均距離：一個(gè)氣體分子在兩次碰撞之間的平均距離： n : 單位體積內(nèi)的分子數(shù)；單位體積內(nèi)的分子數(shù)；

12、 d : 氣體分子的直徑氣體分子的直徑 nd21*思考題思考題：平均自由程在制膜中的重要作用？：平均自由程在制膜中的重要作用？答答影響氣體分子到達(dá)襯底的分子能量，能量對(duì)成膜結(jié)構(gòu)質(zhì)量有很多影響。影響氣體分子到達(dá)襯底的分子能量，能量對(duì)成膜結(jié)構(gòu)質(zhì)量有很多影響。 自由程小自由程小碰撞多碰撞多氣體分子能量氣體分子能量薄膜疏松、不致密薄膜疏松、不致密1.1 氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念3 . 氣體分子的平均自由程氣體分子的平均自由程-補(bǔ)充補(bǔ)充（1） 在常溫常壓條件下，空氣分子的有效截面直徑在常溫常壓條件下，空氣分子的有效截面直徑d 0.5nm。由由T=298K，P=nKT(P=1013

13、25Pa），代入），代入 公式得到：公式得到： 50nm。表明在常溫常壓下，氣體分子的平均自由程是。表明在常溫常壓下，氣體分子的平均自由程是極短的。極短的。（2）由氣體分子的平均自由程還可以求出其平均碰撞頻率）由氣體分子的平均自由程還可以求出其平均碰撞頻率=va/（常溫常壓時(shí)，（常溫常壓時(shí)，va=460m/s）。所以常溫常壓下，每個(gè)）。所以常溫常壓下，每個(gè)空氣分子每秒內(nèi)要經(jīng)歷空氣分子每秒內(nèi)要經(jīng)歷1010次碰撞。運(yùn)動(dòng)軌跡并不是直線，次碰撞。運(yùn)動(dòng)軌跡并不是直線，而是不斷碰撞改變方向。而是不斷碰撞改變方向。RTMPNkTPMRTvnmolAmol216844. 單位面積上氣體分子的碰撞頻率單位面積上

14、氣體分子的碰撞頻率 即單位面積上氣體分子的通量（即單位面積上氣體分子的通量（單位時(shí)間內(nèi)，碰撞于單位時(shí)間內(nèi)，碰撞于單位面積上的氣體分子數(shù)單位面積上的氣體分子數(shù)）。）。克努森方程克努森方程因子因子1/4是對(duì)氣體分子運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度分布進(jìn)行數(shù)學(xué)是對(duì)氣體分子運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度分布進(jìn)行數(shù)學(xué)平均時(shí)得到的一個(gè)系數(shù)（球坐標(biāo)）。平均時(shí)得到的一個(gè)系數(shù)（球坐標(biāo)）。1.1 氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念襯底完全被一層分子覆蓋所需時(shí)間：襯底完全被一層分子覆蓋所需時(shí)間：PNRTMNNtAmol2N為表面原子密度為表面原子密度n常溫常壓下，潔凈表面被雜質(zhì)完全覆蓋所需時(shí)常溫常壓下，潔凈表面被雜質(zhì)完全覆蓋所

15、需時(shí)3.5 10-9 s, n在在10-8Pa的高真空中，這一時(shí)間為的高真空中，這一時(shí)間為10h。5 氣體的流動(dòng)狀態(tài)氣體的流動(dòng)狀態(tài) 氣體的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)本身不能導(dǎo)致氣體的宏觀氣體的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)本身不能導(dǎo)致氣體的宏觀流動(dòng)，只有流動(dòng)，只有在空間存在壓力差的條件下，氣體在空間存在壓力差的條件下，氣體作為一個(gè)整體才會(huì)產(chǎn)生宏觀的定向流動(dòng)。作為一個(gè)整體才會(huì)產(chǎn)生宏觀的定向流動(dòng)。n氣體流動(dòng)取決于容器形狀，氣體氣壓，溫度及氣體流動(dòng)取決于容器形狀，氣體氣壓，溫度及氣體種類(lèi)。氣體種類(lèi)。1.1 氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念氣體流動(dòng)狀態(tài)分類(lèi)氣體流動(dòng)狀態(tài)分類(lèi)分子流狀態(tài)分子流狀態(tài): 分子間無(wú)相互碰撞分子間

16、無(wú)相互碰撞 （高真空度，容器高真空度，容器尺寸遠(yuǎn)小于或與平均自由程相當(dāng)尺寸遠(yuǎn)小于或與平均自由程相當(dāng)）粘滯流狀態(tài)粘滯流狀態(tài)分子間碰撞平繁分子間碰撞平繁（中、低真空度，（中、低真空度，容器尺寸遠(yuǎn)大于容器尺寸遠(yuǎn)大于平均自由程）平均自由程）層流狀態(tài)層流狀態(tài)：低速流情況：低速流情況（宏觀運(yùn)動(dòng)（宏觀運(yùn)動(dòng)方向與一組平行線一致。氣體流動(dòng)速度越慢，方向與一組平行線一致。氣體流動(dòng)速度越慢，氣體的密度越小，真空容器的尺寸越小，氣氣體的密度越小，真空容器的尺寸越小，氣體的黏度系數(shù)越大，則越有利于氣流形成層體的黏度系數(shù)越大，則越有利于氣流形成層流）流）渦流狀態(tài)渦流狀態(tài)：高速流情況：高速流情況（有漩渦）（有漩渦）5 氣體

17、的流動(dòng)狀態(tài)氣體的流動(dòng)狀態(tài)1.1 氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念與水流動(dòng)類(lèi)似，平靜的小河為層流，波濤洶涌的大海則紊流。與水流動(dòng)類(lèi)似，平靜的小河為層流，波濤洶涌的大海則紊流。對(duì)于管道氣：抽口處為紊流，遠(yuǎn)處則層流。對(duì)于管道氣：抽口處為紊流，遠(yuǎn)處則層流。氣體流動(dòng)可按氣體流動(dòng)可按克努森準(zhǔn)數(shù)克努森準(zhǔn)數(shù)來(lái)劃分：來(lái)劃分：Kn = D/ D為容器尺寸；為容器尺寸； 為平均自由程為平均自由程n 分子流狀態(tài)：分子流狀態(tài)：Kn 1n 中中 間間 狀狀 態(tài)：態(tài)：Kn=1110 n 粘滯流狀態(tài)：粘滯流狀態(tài)：Kn 110 圖圖1.2 氣體流動(dòng)狀態(tài)與真空系統(tǒng)氣體流動(dòng)狀態(tài)與真空系統(tǒng) 尺寸和氣體壓力之間的關(guān)系尺

18、寸和氣體壓力之間的關(guān)系5 氣體的流動(dòng)狀態(tài)氣體的流動(dòng)狀態(tài)1.1 氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念1. 何為真空何為真空物理學(xué)上的物理學(xué)上的“真空真空”是指沒(méi)有或者不計(jì)氣體分子和原是指沒(méi)有或者不計(jì)氣體分子和原子存在的物理空間，僅存在各種能量粒子的場(chǎng)空間；子存在的物理空間，僅存在各種能量粒子的場(chǎng)空間；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)也不存什么物質(zhì)也不存在在”。應(yīng)用物理與技術(shù)所討論的應(yīng)用物理與技術(shù)所討論的“真空真空”低于一個(gè)大氣低于一個(gè)大氣壓力的稀薄氣體的空間狀態(tài)。壓力的稀薄氣體的空間狀態(tài)。1.2 真空的基本概念真空的基本概念1. 何為真空何為真空1.2

19、真空的基本概念真空的基本概念人造真空人造真空自然真空自然真空真空真空: 地球大氣層以外的宇宙真空地球大氣層以外的宇宙真空 （在還平面（在還平面上，大氣產(chǎn)生的壓力為上，大氣產(chǎn)生的壓力為101325Pa，約，約100KPa，工，工程中稱(chēng)為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。而珠峰頂處的氣壓為程中稱(chēng)為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。而珠峰頂處的氣壓為32Kpa，僅為海平面壓力的三分之一左右），僅為海平面壓力的三分之一左右）: 運(yùn)用科技手段抽掉密閉容器中的氣體運(yùn)用科技手段抽掉密閉容器中的氣體 迄今為止，采用最高超的真空技術(shù)所能達(dá)到的最低壓力狀態(tài)迄今為止，采用最高超的真空技術(shù)所能達(dá)到的最低壓力狀態(tài)大致為大致為10-12-10-13Pa，還

20、遠(yuǎn)未達(dá)到絕對(duì)真空。，還遠(yuǎn)未達(dá)到絕對(duì)真空。 2. 真空度的表征真空度的表征 通常用通常用壓強(qiáng)壓強(qiáng)為單位來(lái)描述為單位來(lái)描述“真空真空”狀態(tài)下的氣體稀狀態(tài)下的氣體稀薄程度薄程度真空度真空度。壓強(qiáng)高則表示真空度低，低則表示真空度高。壓強(qiáng)高則表示真空度低，低則表示真空度高。真空度高表示真空度真空度高表示真空度“好好”，低則表示真空度，低則表示真空度“差差”。1.2 真空的基本概念真空的基本概念2. 真空度的表征真空度的表征(1) 帕斯卡（帕斯卡（Pa）：）：國(guó)際單位制國(guó)際單位制1Pa = 1牛頓牛頓/米米2 = 1千克千克/米米秒秒2 = 10達(dá)因達(dá)因/cm2 = 7.5 10-3 Torr(2) 托（

21、托（Torr)： 1 Torr = 1/760atm （一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）（一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）= 133.32 Pa(3) 毫米汞柱（毫米汞柱（mmHg）：）：0時(shí)時(shí)1 mmHg作用在單位面積上的力。作用在單位面積上的力。 一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（atm）= 760 mmHg 1 mmHg約等于約等于1托。托。(4) 巴（巴（bar）：）：1bar = 105 Pa1.2 真空的基本概念真空的基本概念2. 真空度的表征真空度的表征n為了便于討論和實(shí)際應(yīng)用，在我國(guó)，常把真空為了便于討論和實(shí)際應(yīng)用，在我國(guó)，常把真空定性地粗劃分為粗真空、低真空、高真空和超定性地粗劃分為粗真空、低真空、高真空和超

22、高真空四個(gè)區(qū)域（表高真空四個(gè)區(qū)域（表1-1）。）。n各區(qū)域的真空物理特性如表各區(qū)域的真空物理特性如表1-2所示。（所示。（P3）1.2 真空的基本概念真空的基本概念2. 真空度的表征真空度的表征n在薄膜技術(shù)領(lǐng)域，可以認(rèn)為地將真空環(huán)境粗略地劃分在薄膜技術(shù)領(lǐng)域，可以認(rèn)為地將真空環(huán)境粗略地劃分為（為（GB3163-82）：）：q低真空：低真空： 102Pa 工業(yè)應(yīng)用（包裝）工業(yè)應(yīng)用（包裝）q中真空：中真空： 10210-1Pa CVD沉積技術(shù)沉積技術(shù)q高真空：高真空： 10-110-5Pa 濺射沉積技術(shù)濺射沉積技術(shù)q超高真空：超高真空： 10-5Pa 原子表面和界面分析原子表面和界面分析1.2 真空

23、的基本概念真空的基本概念4. 真空及制膜設(shè)備真空及制膜設(shè)備n超高真空條件下，氣體分子以在固體上吸附停留為主，超高真空條件下，氣體分子以在固體上吸附停留為主，其它真空度時(shí)，氣體分子以空間飛行為主。其它真空度時(shí)，氣體分子以空間飛行為主。n不同的薄膜制備和分析技術(shù)隊(duì)真空度的要求是不同的。不同的薄膜制備和分析技術(shù)隊(duì)真空度的要求是不同的。JP450磁控濺射鍍膜系統(tǒng)磁控濺射鍍膜系統(tǒng)等離子增強(qiáng)等離子增強(qiáng)CVD和熱絲和熱絲CVD復(fù)合系統(tǒng)復(fù)合系統(tǒng)一真空沉積系統(tǒng)一真空沉積系統(tǒng)二、真空抽氣系統(tǒng)二、真空抽氣系統(tǒng)三、真空測(cè)量系統(tǒng)三、真空測(cè)量系統(tǒng) 四、電源系統(tǒng)四、電源系統(tǒng) 五、氣路系統(tǒng)五、氣路系統(tǒng) 對(duì)于一個(gè)真空系統(tǒng)理論上

24、所能達(dá)到的真空度，與真空對(duì)于一個(gè)真空系統(tǒng)理論上所能達(dá)到的真空度，與真空泵、真空系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料、加工工藝、管道等因素有關(guān)。泵、真空系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料、加工工藝、管道等因素有關(guān)。1.氣體管路的流導(dǎo)、極限真空度和抽氣速率氣體管路的流導(dǎo)、極限真空度和抽氣速率 (1) 真空管路中氣體的通過(guò)能力，真空管路中氣體的通過(guò)能力， 流導(dǎo)流導(dǎo)C定義為定義為 P1和和P2為管路兩端的氣壓，為管路兩端的氣壓，Q為單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)管為單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)管路的氣體流量。路的氣體流量。 21PPQC1.3 真空的獲得真空的獲得QP2P1301.氣體管路的流導(dǎo)、極限真空度和抽氣速率氣體管路的流導(dǎo)、極限真空度和抽氣速率 描述真空部件的氣體

25、通過(guò)能力，它使流動(dòng)著的氣體形成一定描述真空部件的氣體通過(guò)能力，它使流動(dòng)著的氣體形成一定程度壓力降低。程度壓力降低。 泵泵1 泵泵2真空室真空室真空室真空室 泵泵1泵泵2并聯(lián)可以提高抽速并聯(lián)可以提高抽速 串聯(lián)可以提高極限真空度串聯(lián)可以提高極限真空度流導(dǎo)的串聯(lián)和并聯(lián)流導(dǎo)的串聯(lián)和并聯(lián)1.3 真空的獲得真空的獲得(2) 極限真空度極限真空度指被抽容器不漏氣，經(jīng)真空泵充分抽氣后所能達(dá)到的最指被抽容器不漏氣，經(jīng)真空泵充分抽氣后所能達(dá)到的最高真空度。高真空度。1.3 真空的獲得真空的獲得(3)真空抽速真空抽速 真空泵的抽速真空泵的抽速S定義為定義為 -P為真空泵入口處氣壓，為真空泵入口處氣壓，Q為單位時(shí)間內(nèi)

26、通過(guò)該處為單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)該處 的氣體流量的氣體流量S特指一個(gè)截面上的氣體流速特指一個(gè)截面上的氣體流速。PQS 1.3 真空的獲得真空的獲得(a) 流量各處相等（無(wú)回流）：流量各處相等（無(wú)回流）： Q = C(P-Pp)=SpPp 真空容器出口處的實(shí)際抽速：真空容器出口處的實(shí)際抽速： 無(wú)回流無(wú)回流有回流有回流CSCSSPP泵對(duì)容器的實(shí)際抽速泵對(duì)容器的實(shí)際抽速S永遠(yuǎn)小于泵的永遠(yuǎn)小于泵的理論抽速，也永遠(yuǎn)小于管路的流導(dǎo)理論抽速，也永遠(yuǎn)小于管路的流導(dǎo)C，即即S是是Sp、C受兩者中較小的一個(gè)所限制。受兩者中較小的一個(gè)所限制。1.3 真空的獲得真空的獲得無(wú)回流無(wú)回流有回流有回流）（）（PPSPQSSQPPS

27、QPSQPSQPPPPPPPP0011流流 量量泵的極限真空泵的極限真空實(shí)際抽速實(shí)際抽速（b）有回流）有回流1.3 真空的獲得真空的獲得同時(shí)考慮真空泵回流、真空容器的泄露、真空管路的流導(dǎo)以及真空容器的容同時(shí)考慮真空泵回流、真空容器的泄露、真空管路的流導(dǎo)以及真空容器的容積等因素之后，整個(gè)真空系統(tǒng)的極限真空度總要低于真空泵的極限真空度。積等因素之后，整個(gè)真空系統(tǒng)的極限真空度總要低于真空泵的極限真空度。2. 真空的獲得真空的獲得 按工作原理主要分為按工作原理主要分為: 機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)（羅茨真空泵，渦輪分子泵）（羅茨真空泵，渦輪分子泵）; 蒸汽流噴射蒸汽流噴射（擴(kuò)散泵）（擴(kuò)散泵）; 吸附作用吸附作用

28、（濺射離子泵）（濺射離子泵）它們所能達(dá)到的極限真空度以及載能力都各有不同。它們所能達(dá)到的極限真空度以及載能力都各有不同。存在于一個(gè)封閉的且壓力比周?chē)髿鈮盒『芏嗟沫h(huán)境中。存在于一個(gè)封閉的且壓力比周?chē)髿鈮盒『芏嗟沫h(huán)境中。（低于一個(gè)大氣壓的氣體空間）（低于一個(gè)大氣壓的氣體空間）真空泵是真空獲得的主要工具。真空泵是真空獲得的主要工具。按按真真空空獲獲得得方方法法輸運(yùn)式真空泵輸運(yùn)式真空泵捕獲式真空泵捕獲式真空泵對(duì)氣體進(jìn)行壓縮的對(duì)氣體進(jìn)行壓縮的方式將氣體分子輸方式將氣體分子輸送到真空系統(tǒng)外送到真空系統(tǒng)外依靠在真空系統(tǒng)內(nèi)凝依靠在真空系統(tǒng)內(nèi)凝結(jié)或吸附氣體分子的結(jié)或吸附氣體分子的方式將氣體分子捕獲方式將氣體

29、分子捕獲濺射離子泵濺射離子泵低溫吸附泵低溫吸附泵旋片式機(jī)械真空泵旋片式機(jī)械真空泵羅茨泵羅茨泵渦輪分子泵渦輪分子泵油擴(kuò)散泵油擴(kuò)散泵2. 真空的獲得真空的獲得典型的真空系統(tǒng)包括：待抽空的容器（真空室或真空腔）、獲典型的真空系統(tǒng)包括：待抽空的容器（真空室或真空腔）、獲得真空的設(shè)備（真空泵）、測(cè)量真空的器具（真空規(guī)），以及得真空的設(shè)備（真空泵）、測(cè)量真空的器具（真空規(guī)），以及必要的管道、閥門(mén)和其他附屬設(shè)備。必要的管道、閥門(mén)和其他附屬設(shè)備。真空的獲得真空的獲得n低真空：初級(jí)泵低真空：初級(jí)泵P100Pa，使用機(jī)械泵就可以。使用機(jī)械泵就可以。n中級(jí)真空和高級(jí)真空的獲中級(jí)真空和高級(jí)真空的獲得，需要初級(jí)泵和高級(jí)

30、泵得，需要初級(jí)泵和高級(jí)泵共同作用。分子泵等高級(jí)共同作用。分子泵等高級(jí)泵抽出的氣不能直接排到泵抽出的氣不能直接排到大氣，要先排到機(jī)械泵。大氣，要先排到機(jī)械泵。初級(jí)泵為高級(jí)泵抽氣初級(jí)泵為高級(jí)泵抽氣n對(duì)于任何一個(gè)真空系統(tǒng)而言，都不可能得到絕對(duì)真對(duì)于任何一個(gè)真空系統(tǒng)而言，都不可能得到絕對(duì)真空（空（P=0），而是具有一定的壓力），而是具有一定的壓力Pm，稱(chēng)為，稱(chēng)為（或極限真空）。這是系統(tǒng)能達(dá)到的最低壓力，（或極限真空）。這是系統(tǒng)能達(dá)到的最低壓力，是真空系統(tǒng)能否滿(mǎn)足鍍膜需要的重要指標(biāo)之一。是真空系統(tǒng)能否滿(mǎn)足鍍膜需要的重要指標(biāo)之一。n第二個(gè)主要指標(biāo)是第二個(gè)主要指標(biāo)是，指在規(guī)定壓力下單位，指在規(guī)定壓力下單位時(shí)

31、間所抽出氣體的體積，決定抽真空所需要的時(shí)間。時(shí)間所抽出氣體的體積，決定抽真空所需要的時(shí)間。3 真空泵簡(jiǎn)介真空泵簡(jiǎn)介n機(jī)械泵的工作原理是建筑在機(jī)械泵的工作原理是建筑在玻義耳馬略特定律玻義耳馬略特定律的基礎(chǔ)上的，的基礎(chǔ)上的，PVK，K為與溫度有關(guān)的常數(shù)。為與溫度有關(guān)的常數(shù)。n即在溫度不變的條件下，容器的體積和氣體壓強(qiáng)即在溫度不變的條件下，容器的體積和氣體壓強(qiáng)成反比。成反比。3 真空泵簡(jiǎn)介真空泵簡(jiǎn)介n工作原理：工作原理： 利用泵腔內(nèi)活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將氣體吸入、壓縮并排出。利用泵腔內(nèi)活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將氣體吸入、壓縮并排出。3 真空泵簡(jiǎn)介真空泵簡(jiǎn)介（1） 往復(fù)式真空泵往復(fù)式真空泵n工作原理：工作原理：

32、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的作用，使汽缸內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的作用，使汽缸內(nèi)的活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)活塞在汽缸內(nèi)從左端向右端運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于汽缸的的活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)活塞在汽缸內(nèi)從左端向右端運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于汽缸的左腔體積不斷增大，汽缸內(nèi)氣體的密度減小，而形成抽氣過(guò)程，此時(shí)被左腔體積不斷增大，汽缸內(nèi)氣體的密度減小，而形成抽氣過(guò)程，此時(shí)被抽容器內(nèi)的氣體經(jīng)過(guò)吸氣閥進(jìn)入泵體左腔。當(dāng)活塞達(dá)到最右位置時(shí)，汽抽容器內(nèi)的氣體經(jīng)過(guò)吸氣閥進(jìn)入泵體左腔。當(dāng)活塞達(dá)到最右位置時(shí)，汽缸左腔內(nèi)就完全充滿(mǎn)了氣體。接著活塞從右端向左端運(yùn)動(dòng)，此時(shí)吸氣閥缸左腔內(nèi)就完全充滿(mǎn)了氣體。接著活塞從右端向左端運(yùn)動(dòng)

33、，此時(shí)吸氣閥關(guān)閉。汽缸內(nèi)氣體隨著活塞從右向左運(yùn)動(dòng)而逐漸被壓縮，當(dāng)汽缸內(nèi)氣體關(guān)閉。汽缸內(nèi)氣體隨著活塞從右向左運(yùn)動(dòng)而逐漸被壓縮，當(dāng)汽缸內(nèi)氣體的壓力達(dá)到或稍大于一個(gè)大氣壓時(shí)，排氣閥被打開(kāi)，將氣體排到大氣中，的壓力達(dá)到或稍大于一個(gè)大氣壓時(shí)，排氣閥被打開(kāi)，將氣體排到大氣中，完成一個(gè)工作循環(huán)。當(dāng)活塞再自左向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，又重復(fù)前一個(gè)循環(huán)，如完成一個(gè)工作循環(huán)。當(dāng)活塞再自左向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，又重復(fù)前一個(gè)循環(huán)，如此反復(fù)下去，被抽容器內(nèi)最終達(dá)到真空狀態(tài)下的某一穩(wěn)定的平衡壓力。此反復(fù)下去，被抽容器內(nèi)最終達(dá)到真空狀態(tài)下的某一穩(wěn)定的平衡壓力。3 真空泵簡(jiǎn)介真空泵簡(jiǎn)介（1） 往復(fù)式真空泵往復(fù)式真空泵n工作原理：工作原理： 依靠偏心

34、連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)滑閥，在滑閥運(yùn)動(dòng)時(shí)，依靠偏心連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)滑閥，在滑閥運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣體經(jīng)由吸氣口被吸入泵體內(nèi)，然后在滑閥壓氣體經(jīng)由吸氣口被吸入泵體內(nèi)，然后在滑閥壓縮下經(jīng)排氣閥排出泵體縮下經(jīng)排氣閥排出泵體n工作參數(shù)：工作參數(shù)：q理論抽速：理論抽速：Sp=Vf (V為轉(zhuǎn)子與定子間的為轉(zhuǎn)子與定子間的體積；體積；f為轉(zhuǎn)速）為轉(zhuǎn)速）q實(shí)際抽速：實(shí)際抽速： 10-500L/sq極限真空：?jiǎn)渭?jí)為極限真空：?jiǎn)渭?jí)為103Pa；兩級(jí)串聯(lián)為；兩級(jí)串聯(lián)為1Pan特點(diǎn)與使用特點(diǎn)與使用 單獨(dú)使用或用作其它泵的前級(jí)泵，低真空系單獨(dú)使用或用作其它泵的前級(jí)泵，低真空系統(tǒng)。統(tǒng)。n 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：油污染。油污染。3 真空泵簡(jiǎn)介真空泵簡(jiǎn)介（2）

35、滑閥式真空泵滑閥式真空泵滑閥式真空泵的結(jié)構(gòu)示意圖滑閥式真空泵的結(jié)構(gòu)示意圖油的作用：運(yùn)動(dòng)部油的作用：運(yùn)動(dòng)部件間的密封，對(duì)機(jī)件間的密封，對(duì)機(jī)械部件潤(rùn)滑。械部件潤(rùn)滑。3 真空泵簡(jiǎn)介真空泵簡(jiǎn)介（2） 滑閥式真空泵滑閥式真空泵n與泵同心的驅(qū)動(dòng)軸帶動(dòng)偏心輪旋轉(zhuǎn)，偏心輪帶動(dòng)滑閥環(huán)運(yùn)動(dòng)，使與泵同心的驅(qū)動(dòng)軸帶動(dòng)偏心輪旋轉(zhuǎn)，偏心輪帶動(dòng)滑閥環(huán)運(yùn)動(dòng)，使滑閥桿在導(dǎo)軌中上下滑動(dòng)和左右擺動(dòng)。滑閥將泵腔分成滑閥桿在導(dǎo)軌中上下滑動(dòng)和左右擺動(dòng)?；y將泵腔分成A、B兩個(gè)兩個(gè)部分。當(dāng)驅(qū)動(dòng)軸按圖中所示方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，部分。當(dāng)驅(qū)動(dòng)軸按圖中所示方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，A腔的容積增加，壓力降腔的容積增加，壓力降低，泵入口氣體經(jīng)滑閥桿（低，泵入口氣體經(jīng)滑閥桿

36、（A腔一側(cè)的開(kāi)口）進(jìn)入腔一側(cè)的開(kāi)口）進(jìn)入A腔，此時(shí)處于腔，此時(shí)處于吸氣過(guò)程。當(dāng)滑閥處于左上方位置時(shí)，吸氣過(guò)程。當(dāng)滑閥處于左上方位置時(shí)，A腔容積達(dá)到最大，此時(shí)進(jìn)腔容積達(dá)到最大，此時(shí)進(jìn)氣口與氣口與A腔隔絕，完成吸氣過(guò)程；腔隔絕，完成吸氣過(guò)程；B腔的容積減小，壓縮氣體。當(dāng)腔的容積減小，壓縮氣體。當(dāng)B腔內(nèi)氣體壓力達(dá)到排氣壓力時(shí)，推開(kāi)油封的排氣閥，開(kāi)始排氣。腔內(nèi)氣體壓力達(dá)到排氣壓力時(shí)，推開(kāi)油封的排氣閥，開(kāi)始排氣。當(dāng)滑閥處于左上方位置時(shí)，排氣終了。在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，泵不當(dāng)滑閥處于左上方位置時(shí)，排氣終了。在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，泵不斷地進(jìn)行吸氣、壓縮和排氣過(guò)程，從而達(dá)到了連續(xù)抽氣的目的。斷地進(jìn)行吸氣、壓縮和排氣過(guò)

37、程，從而達(dá)到了連續(xù)抽氣的目的。3 真空泵簡(jiǎn)介真空泵簡(jiǎn)介（2） 滑閥式真空泵滑閥式真空泵n工作原理：工作原理： 依靠放置在偏心轉(zhuǎn)子中的可以滑進(jìn)滑出的旋依靠放置在偏心轉(zhuǎn)子中的可以滑進(jìn)滑出的旋片，將氣體隔離，壓縮，然后排出泵體之外。片，將氣體隔離，壓縮，然后排出泵體之外。n工作參數(shù)：工作參數(shù)：n理論抽速：理論抽速：Sp=Vf: (V為轉(zhuǎn)子與定子間的體積；為轉(zhuǎn)子與定子間的體積；f為轉(zhuǎn)速）為轉(zhuǎn)速）n實(shí)際抽速：實(shí)際抽速： 1-300L/sn極限真空：?jiǎn)渭?jí)為極限真空：?jiǎn)渭?jí)為1Pa；兩級(jí)串聯(lián)為；兩級(jí)串聯(lián)為10-2 Pan特點(diǎn)與使用特點(diǎn)與使用單獨(dú)使用或用作其它高級(jí)泵的前級(jí)泵，低真空系統(tǒng)單獨(dú)使用或用作其它高級(jí)泵的

38、前級(jí)泵，低真空系統(tǒng).n 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：油污染油污染 （3）真空泵簡(jiǎn)介真空泵簡(jiǎn)介-旋片式真空泵旋片式真空泵旋片式真空泵的結(jié)構(gòu)示意圖旋片式真空泵的結(jié)構(gòu)示意圖（3）真空泵簡(jiǎn)介真空泵簡(jiǎn)介-旋片式真空泵旋片式真空泵 轉(zhuǎn)子偏心地安裝于泵體內(nèi)且外圓與泵體內(nèi)表面相切轉(zhuǎn)子偏心地安裝于泵體內(nèi)且外圓與泵體內(nèi)表面相切（兩者間有很小的間隙），轉(zhuǎn)子開(kāi)槽，槽內(nèi)裝有旋片。（兩者間有很小的間隙），轉(zhuǎn)子開(kāi)槽，槽內(nèi)裝有旋片。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，旋片靠離心力和彈簧張力使其頂端與泵當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，旋片靠離心力和彈簧張力使其頂端與泵腔始終接觸，沿泵體內(nèi)壁滑動(dòng)。腔始終接觸，沿泵體內(nèi)壁滑動(dòng)。 若按箭頭方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，若按箭頭方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，A空間的溶劑增加，

39、壓力降低，空間的溶劑增加，壓力降低，氣體經(jīng)泵入口被吸入，此時(shí)處于吸氣過(guò)程；氣體經(jīng)泵入口被吸入，此時(shí)處于吸氣過(guò)程；B空間的溶劑空間的溶劑減小，壓力增加，處于壓縮過(guò)程；減小，壓力增加，處于壓縮過(guò)程；C空間容積進(jìn)一步縮小，空間容積進(jìn)一步縮小，壓力進(jìn)一步增加，當(dāng)壓力超過(guò)排氣壓力時(shí)，壓縮氣體推壓力進(jìn)一步增加，當(dāng)壓力超過(guò)排氣壓力時(shí)，壓縮氣體推開(kāi)油密封的排氣閥，處于向大氣中的排氣過(guò)程。開(kāi)油密封的排氣閥，處于向大氣中的排氣過(guò)程。（3）真空泵簡(jiǎn)介真空泵簡(jiǎn)介-旋片式真空泵旋片式真空泵n型號(hào)：型號(hào)：2XZ-2, 2XZ-4, 2XZ-8（4）真空泵簡(jiǎn)介真空泵簡(jiǎn)介干性機(jī)械泵干性機(jī)械泵n工作原理工作原理 通過(guò)增加腔的容

40、積來(lái)降低壓力通過(guò)增加腔的容積來(lái)降低壓力n特點(diǎn)與使用特點(diǎn)與使用 使用非金屬材料作為運(yùn)動(dòng)表使用非金屬材料作為運(yùn)動(dòng)表面，以避免使用填縫劑和潤(rùn)面，以避免使用填縫劑和潤(rùn)滑劑，從而可避免油污染反滑劑，從而可避免油污染反應(yīng)室?，F(xiàn)今集成電路工藝中應(yīng)室?，F(xiàn)今集成電路工藝中使用干性泵。使用干性泵。n缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 極限真空度低，噪聲大，價(jià)極限真空度低，噪聲大，價(jià)格高格高旋轉(zhuǎn)支架干性機(jī)械泵旋轉(zhuǎn)支架干性機(jī)械泵（4）真空泵簡(jiǎn)介真空泵簡(jiǎn)介干性機(jī)械泵干性機(jī)械泵 兩個(gè)轉(zhuǎn)子按箭頭方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，吸氣口與泵兩個(gè)轉(zhuǎn)子按箭頭方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，吸氣口與泵腔接通，泵腔容積變大而吸氣，當(dāng)轉(zhuǎn)子關(guān)閉吸腔接通，泵腔容積變大而吸氣，當(dāng)轉(zhuǎn)子關(guān)閉吸氣口時(shí)吸氣結(jié)束

41、，以后泵腔變小而壓縮氣體，氣口時(shí)吸氣結(jié)束，以后泵腔變小而壓縮氣體，當(dāng)排氣口打開(kāi)后泵腔排氣，排氣口關(guān)閉時(shí)則排當(dāng)排氣口打開(kāi)后泵腔排氣，排氣口關(guān)閉時(shí)則排氣完畢，如此循環(huán)工作。氣完畢，如此循環(huán)工作。n工作原理：工作原理： 泵體內(nèi)兩個(gè)呈泵體內(nèi)兩個(gè)呈8字型的轉(zhuǎn)子以相反的方字型的轉(zhuǎn)子以相反的方向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子的咬合精度很高，被抽向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子的咬合精度很高，被抽氣體從吸氣口進(jìn)入泵腔，被封閉在吸氣體從吸氣口進(jìn)入泵腔，被封閉在吸氣腔氣腔V2之內(nèi)，再經(jīng)排氣口排出泵外。之內(nèi)，再經(jīng)排氣口排出泵外。n工作參數(shù)：工作參數(shù)：n理論抽速：理論抽速：Sp=Vf:n實(shí)際抽速：實(shí)際抽速： 1-103L/sn極限真空：極限真空：10-2

42、Pan特點(diǎn)與使用特點(diǎn)與使用與旋片機(jī)械泵串聯(lián)使用，不能直與旋片機(jī)械泵串聯(lián)使用，不能直接向空氣排氣。現(xiàn)正設(shè)計(jì)新型的接向空氣排氣?，F(xiàn)正設(shè)計(jì)新型的可直接向空氣排氣的羅茨泵。高可直接向空氣排氣的羅茨泵。高真空系統(tǒng)；價(jià)格較貴。真空系統(tǒng)；價(jià)格較貴。（5）真空泵簡(jiǎn)介真空泵簡(jiǎn)介- 羅茨泵羅茨泵羅茨泵結(jié)構(gòu)示意圖羅茨泵結(jié)構(gòu)示意圖（5）真空泵簡(jiǎn)介真空泵簡(jiǎn)介- 羅茨泵羅茨泵 泵體內(nèi)兩個(gè)呈泵體內(nèi)兩個(gè)呈8字型的轉(zhuǎn)子以相反的方向旋轉(zhuǎn)，字型的轉(zhuǎn)子以相反的方向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子的咬合精度很高，被抽氣體從吸氣口進(jìn)入泵腔，轉(zhuǎn)子的咬合精度很高，被抽氣體從吸氣口進(jìn)入泵腔，被封閉在吸氣腔被封閉在吸氣腔V2之內(nèi)，在經(jīng)排氣口排出泵外。之內(nèi)，在經(jīng)排氣口

43、排出泵外。（由于在吸入（由于在吸入V2空間內(nèi)的氣體沒(méi)有被壓縮，當(dāng)轉(zhuǎn)子空間內(nèi)的氣體沒(méi)有被壓縮，當(dāng)轉(zhuǎn)子的頂部轉(zhuǎn)過(guò)排氣口邊緣時(shí)，的頂部轉(zhuǎn)過(guò)排氣口邊緣時(shí)，V2空間這時(shí)與排氣側(cè)相空間這時(shí)與排氣側(cè)相通，由于排氣側(cè)氣體壓力較高，有部分高壓氣體返通，由于排氣側(cè)氣體壓力較高，有部分高壓氣體返流到流到V2空間內(nèi)，使泵腔內(nèi)突然升高達(dá)到排氣壓力。空間內(nèi)，使泵腔內(nèi)突然升高達(dá)到排氣壓力。轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)，被抽氣體排出泵外。）轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)，被抽氣體排出泵外。）n工作原理：工作原理： 將擴(kuò)散泵油加熱至高溫蒸發(fā)狀態(tài)將擴(kuò)散泵油加熱至高溫蒸發(fā)狀態(tài)(200oC)，讓油蒸氣呈多級(jí)狀向下定向高速?lài)姵鰰r(shí)讓油蒸氣呈多級(jí)狀向下定向高速?lài)姵鰰r(shí)不

44、斷撞擊使其被迫向排氣口運(yùn)動(dòng)，在壓不斷撞擊使其被迫向排氣口運(yùn)動(dòng)，在壓縮作用下被排出泵體。同時(shí)泵體冷卻的縮作用下被排出泵體。同時(shí)泵體冷卻的油蒸汽又會(huì)凝聚返回泵的底部油蒸汽又會(huì)凝聚返回泵的底部n工作參數(shù)：工作參數(shù)：實(shí)際抽速：實(shí)際抽速： 1-104L/s (決決定于泵體口徑）定于泵體口徑）極限真空：極限真空：10-5 Pan特點(diǎn)與使用特點(diǎn)與使用與旋片機(jī)械泵串聯(lián)使用，需要機(jī)械泵抽與旋片機(jī)械泵串聯(lián)使用，需要機(jī)械泵抽預(yù)真空預(yù)真空(1Pa)；油污染；價(jià)格便宜。；油污染；價(jià)格便宜。（6）真空泵簡(jiǎn)介真空泵簡(jiǎn)介- 油擴(kuò)散泵油擴(kuò)散泵油擴(kuò)散泵結(jié)構(gòu)示意圖油擴(kuò)散泵結(jié)構(gòu)示意圖n擴(kuò)散泵油被加熱后產(chǎn)生大量的油蒸氣，擴(kuò)散泵油被加熱

45、后產(chǎn)生大量的油蒸氣，油蒸氣沿著蒸氣導(dǎo)管傳輸?shù)缴喜?，?jīng)傘油蒸氣沿著蒸氣導(dǎo)管傳輸?shù)缴喜浚?jīng)傘形噴嘴向外噴射出。由于噴嘴外的壓強(qiáng)形噴嘴向外噴射出。由于噴嘴外的壓強(qiáng)較低，于是蒸氣會(huì)向下噴射出較長(zhǎng)距離，較低，于是蒸氣會(huì)向下噴射出較長(zhǎng)距離，形成一高速定向的蒸氣流。其射流的速形成一高速定向的蒸氣流。其射流的速度可達(dá)度可達(dá)200m/s甚至甚至2倍音速以上，且倍音速以上，且其分壓強(qiáng)低于擴(kuò)散泵進(jìn)氣口上方被抽氣其分壓強(qiáng)低于擴(kuò)散泵進(jìn)氣口上方被抽氣體的分壓強(qiáng)，兩者形成壓強(qiáng)差。這樣真體的分壓強(qiáng)，兩者形成壓強(qiáng)差。這樣真空室內(nèi)的氣體分子必然會(huì)向著壓強(qiáng)較低空室內(nèi)的氣體分子必然會(huì)向著壓強(qiáng)較低的擴(kuò)散泵噴口處擴(kuò)散，跟具有較高動(dòng)量的擴(kuò)

46、散泵噴口處擴(kuò)散，跟具有較高動(dòng)量和能量的超音速蒸氣分子相碰撞而發(fā)生和能量的超音速蒸氣分子相碰撞而發(fā)生動(dòng)量和能量交換。動(dòng)量和能量交換。（6）真空泵簡(jiǎn)介真空泵簡(jiǎn)介- 油擴(kuò)散泵油擴(kuò)散泵油擴(kuò)散泵結(jié)構(gòu)示意圖油擴(kuò)散泵結(jié)構(gòu)示意圖n氣體分子在高速油分子碰撞推動(dòng)下，氣體分子在高速油分子碰撞推動(dòng)下，被趕向下方，在泵下方形成密集氣被趕向下方，在泵下方形成密集氣體分子流，在出口處被前置泵抽走，體分子流，在出口處被前置泵抽走，而從噴嘴射出的油蒸氣流噴到水冷而從噴嘴射出的油蒸氣流噴到水冷的泵壁被冷凝成液體，流回泵底再的泵壁被冷凝成液體，流回泵底再重新被電爐加熱形成蒸氣。這樣，重新被電爐加熱形成蒸氣。這樣，在泵內(nèi)保證了油蒸氣

47、的循環(huán)，使擴(kuò)在泵內(nèi)保證了油蒸氣的循環(huán)，使擴(kuò)散泵能連續(xù)不斷地工作，從而使被散泵能連續(xù)不斷地工作，從而使被抽容器獲得較高的真空度。抽容器獲得較高的真空度。（6）真空泵簡(jiǎn)介真空泵簡(jiǎn)介- 油擴(kuò)散泵油擴(kuò)散泵油擴(kuò)散泵結(jié)構(gòu)示意圖油擴(kuò)散泵結(jié)構(gòu)示意圖（7）真空泵簡(jiǎn)介真空泵簡(jiǎn)介- 渦輪分子泵渦輪分子泵n工作原理：工作原理： 靠機(jī)械運(yùn)動(dòng)對(duì)氣體分子施加作靠機(jī)械運(yùn)動(dòng)對(duì)氣體分子施加作用，并使氣體分子向特定方向運(yùn)用，并使氣體分子向特定方向運(yùn)動(dòng)的原理來(lái)工作的。渦輪分子泵動(dòng)的原理來(lái)工作的。渦輪分子泵的轉(zhuǎn)子葉片具有特定的形狀，以的轉(zhuǎn)子葉片具有特定的形狀，以20000-30000轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)/分的高速旋轉(zhuǎn)，分的高速旋轉(zhuǎn)，將動(dòng)量傳給氣體分子

48、，多級(jí)葉片將動(dòng)量傳給氣體分子，多級(jí)葉片(10-40)的連續(xù)壓縮保證了分子泵的連續(xù)壓縮保證了分子泵的高效快速的工作。的高效快速的工作。n工作參數(shù)：工作參數(shù)：n實(shí)際抽速實(shí)際抽速： 1000L/s (決定于決定于泵體口徑和轉(zhuǎn)速）泵體口徑和轉(zhuǎn)速）n極限真空極限真空：10-8 Pa渦輪分子泵結(jié)構(gòu)示意圖渦輪分子泵結(jié)構(gòu)示意圖n特點(diǎn)與使用特點(diǎn)與使用 與旋片機(jī)械泵串聯(lián)使用，需要機(jī)械泵抽預(yù)真空至與旋片機(jī)械泵串聯(lián)使用，需要機(jī)械泵抽預(yù)真空至1Pa以以下；無(wú)油污染；價(jià)格昂貴。下；無(wú)油污染；價(jià)格昂貴。n導(dǎo)致渦輪泵出問(wèn)題的最常見(jiàn)的原因?qū)е聹u輪泵出問(wèn)題的最常見(jiàn)的原因 1 、突然將泵暴露于大氣之下，渦輪葉片彎曲并互相碰撞，、突

49、然將泵暴露于大氣之下，渦輪葉片彎曲并互相碰撞， 導(dǎo)致極大的失敗。導(dǎo)致極大的失敗。 2、渦輪泵的回轉(zhuǎn)軸是精密平衡的，所以在使用過(guò)程中嚴(yán)禁、渦輪泵的回轉(zhuǎn)軸是精密平衡的，所以在使用過(guò)程中嚴(yán)禁移動(dòng)或沖撞。移動(dòng)或沖撞。（7）真空泵簡(jiǎn)介真空泵簡(jiǎn)介- 渦輪分子泵渦輪分子泵n分子泵輸送氣體通常應(yīng)滿(mǎn)足以下兩個(gè)條件：分子泵輸送氣體通常應(yīng)滿(mǎn)足以下兩個(gè)條件： 1 、必須在分子流狀態(tài)下工作，需配備前級(jí)泵。、必須在分子流狀態(tài)下工作，需配備前級(jí)泵。 2、轉(zhuǎn)子葉片必須具有與氣體分子速度相近的線速度。、轉(zhuǎn)子葉片必須具有與氣體分子速度相近的線速度。（7）真空泵簡(jiǎn)介真空泵簡(jiǎn)介- 渦輪分子泵渦輪分子泵（8）真空泵簡(jiǎn)介）真空泵簡(jiǎn)介-

50、低溫吸附泵低溫吸附泵n工作原理：工作原理： 依靠氣體分子在低溫條件下自發(fā)凝結(jié)或依靠氣體分子在低溫條件下自發(fā)凝結(jié)或被其他物質(zhì)表面吸附的性質(zhì)實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體被其他物質(zhì)表面吸附的性質(zhì)實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體分子的去除，進(jìn)而獲得高真空的裝置分子的去除，進(jìn)而獲得高真空的裝置 。真空度依賴(lài)于低溫度，吸附物質(zhì)的表面真空度依賴(lài)于低溫度，吸附物質(zhì)的表面積和吸附氣體的種類(lèi)等。積和吸附氣體的種類(lèi)等。n工作參數(shù)：工作參數(shù)：n常用的吸附物質(zhì)：金屬表面；活性碳；常用的吸附物質(zhì)：金屬表面；活性碳；沸石等分子篩沸石等分子篩n極限真空：極限真空：10-110-8 Pan特點(diǎn)與使用特點(diǎn)與使用 需要機(jī)械泵抽預(yù)真空需要機(jī)械泵抽預(yù)真空(10-1pa)；無(wú)

51、油高真；無(wú)油高真空系統(tǒng)；價(jià)格較貴；高溫時(shí)，被吸附的空系統(tǒng)；價(jià)格較貴；高溫時(shí)，被吸附的氣體又釋放出來(lái)。氣體又釋放出來(lái)。低溫吸附泵結(jié)構(gòu)示意圖低溫吸附泵結(jié)構(gòu)示意圖（8）真空泵簡(jiǎn)介）真空泵簡(jiǎn)介- 低溫吸附泵低溫吸附泵n利用低溫表面將被抽空間的氣體冷凝、捕集、吸附或冷凝吸附，使利用低溫表面將被抽空間的氣體冷凝、捕集、吸附或冷凝吸附，使被抽空間的壓力大大降低，從而獲得并維持真空狀態(tài)的抽氣裝置。低被抽空間的壓力大大降低，從而獲得并維持真空狀態(tài)的抽氣裝置。低溫泵抽氣是一種儲(chǔ)存式捕集排氣，它所抽走的氣體不是直接排到泵外，溫泵抽氣是一種儲(chǔ)存式捕集排氣，它所抽走的氣體不是直接排到泵外，而是儲(chǔ)留在泵內(nèi)，一旦冷凝表面溫

52、度發(fā)生變化，它所抽走的氣體又重而是儲(chǔ)留在泵內(nèi)，一旦冷凝表面溫度發(fā)生變化，它所抽走的氣體又重新放出，而破壞泵的正常工作。新放出，而破壞泵的正常工作。n 泵停止工作后，關(guān)閉高真空隔離閥，可以保持真空度不變。制冷劑泵停止工作后，關(guān)閉高真空隔離閥，可以保持真空度不變。制冷劑不再產(chǎn)生冷量，冷頭逐漸恢復(fù)常溫。這時(shí)，凍結(jié)在冷板上的可凝性氣不再產(chǎn)生冷量，冷頭逐漸恢復(fù)常溫。這時(shí)，凍結(jié)在冷板上的可凝性氣體將蒸發(fā)，被活性炭吸附的非可凝性氣體將解吸，它們都跑到氣相中體將蒸發(fā)，被活性炭吸附的非可凝性氣體將解吸，它們都跑到氣相中去，從而形成較高的壓力。為安全及排出這些氣體，在泵殼上設(shè)有再去，從而形成較高的壓力。為安全及排

53、出這些氣體，在泵殼上設(shè)有再生抽氣排出口，泵工作時(shí)，它用密封塞塞住。當(dāng)停機(jī)時(shí)，泵殼內(nèi)壓力生抽氣排出口，泵工作時(shí)，它用密封塞塞住。當(dāng)停機(jī)時(shí)，泵殼內(nèi)壓力升高，通過(guò)內(nèi)外壓力差將密封塞頂開(kāi)，殼內(nèi)氣體自動(dòng)排放到大氣。升高，通過(guò)內(nèi)外壓力差將密封塞頂開(kāi)，殼內(nèi)氣體自動(dòng)排放到大氣。（9）真空泵簡(jiǎn)介真空泵簡(jiǎn)介- 濺射離子泵濺射離子泵n工作原理：工作原理： 依靠高壓陰極發(fā)射出的高速電子與殘余氣依靠高壓陰極發(fā)射出的高速電子與殘余氣體分子相互碰撞后引起氣體電離放電，而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高速撞擊陰極時(shí)又會(huì)電離后的氣體分子在高速撞擊陰極時(shí)又會(huì)濺射出大量的濺射出大量的Ti原子。由于原子。由于

54、Ti原子的活性原子的活性很高，因而它將以吸附或化學(xué)反應(yīng)的形式很高，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子并在泵體內(nèi)沉積下來(lái)，捕獲大量的氣體分子并在泵體內(nèi)沉積下來(lái)，實(shí)現(xiàn)超高真空的獲得。實(shí)現(xiàn)超高真空的獲得。n工作參數(shù)：工作參數(shù)：實(shí)際抽速：實(shí)際抽速： 決定于泵體口徑和陰極高壓決定于泵體口徑和陰極高壓極限真空：極限真空：10-8 Pan特點(diǎn)與使用特點(diǎn)與使用與旋片機(jī)械泵和分子泵配合使用，需要抽與旋片機(jī)械泵和分子泵配合使用，需要抽預(yù)真空預(yù)真空(10-6 Pa)；無(wú)油污染；超高真空潔凈；無(wú)油污染；超高真空潔凈系統(tǒng)；價(jià)格昂貴。適于抽除惰性氣體。系統(tǒng)；價(jià)格昂貴。適于抽除惰性氣體。濺射離子泵結(jié)構(gòu)示意圖濺

55、射離子泵結(jié)構(gòu)示意圖（9）真空泵簡(jiǎn)介真空泵簡(jiǎn)介- 濺射離子泵濺射離子泵n濺射離子泵的抽速對(duì)不同的氣體是不一樣的。濺射離子泵的抽速對(duì)不同的氣體是不一樣的。它所抽除的氣體分子不會(huì)在高溫下再被釋放出它所抽除的氣體分子不會(huì)在高溫下再被釋放出來(lái)。同時(shí)，來(lái)。同時(shí)，Ti電極的不斷濺射使得離子泵的壽電極的不斷濺射使得離子泵的壽命是有一定限度的，它根據(jù)所使用的真空度范命是有一定限度的，它根據(jù)所使用的真空度范圍不同濺射而變化很大。為了延長(zhǎng)圍不同濺射而變化很大。為了延長(zhǎng)Ti電極的使電極的使用壽命，濺射離子泵多與其他泵串連起來(lái)使用用壽命，濺射離子泵多與其他泵串連起來(lái)使用于高真空系統(tǒng)之中。于高真空系統(tǒng)之中。1.4 真空測(cè)

56、量技術(shù)真空測(cè)量技術(shù)n目前，真空技術(shù)所涉及的壓強(qiáng)范圍極廣，因此找不出一目前，真空技術(shù)所涉及的壓強(qiáng)范圍極廣，因此找不出一種壓強(qiáng)計(jì)能覆蓋整個(gè)壓強(qiáng)范圍。種壓強(qiáng)計(jì)能覆蓋整個(gè)壓強(qiáng)范圍。n人們往往是針對(duì)具體的被測(cè)壓強(qiáng)范圍，設(shè)法用這樣那樣人們往往是針對(duì)具體的被測(cè)壓強(qiáng)范圍，設(shè)法用這樣那樣的手段來(lái)測(cè)量。換句話(huà)說(shuō)，真空規(guī)是基于不同氣體的物的手段來(lái)測(cè)量。換句話(huà)說(shuō)，真空規(guī)是基于不同氣體的物理參數(shù)而制造的，各有千秋。理參數(shù)而制造的，各有千秋。n那么，怎么的真空規(guī)好呢？適合于具體的工作條件的真那么，怎么的真空規(guī)好呢？適合于具體的工作條件的真空規(guī)，就是最好的。空規(guī)，就是最好的。1.4 真空測(cè)量技術(shù)真空測(cè)量技術(shù)n根據(jù)真空度范圍

57、不同，真空測(cè)量方法和原理各不同。根據(jù)真空度范圍不同，真空測(cè)量方法和原理各不同。n測(cè)量出的真空度與實(shí)際真空度之間可能由于溫度的不同測(cè)量出的真空度與實(shí)際真空度之間可能由于溫度的不同而存在誤差，而且當(dāng)氣體處于分子流狀態(tài)，真空室與測(cè)而存在誤差，而且當(dāng)氣體處于分子流狀態(tài)，真空室與測(cè)試點(diǎn)的氣壓也有所不同。試點(diǎn)的氣壓也有所不同。 pc/pm = (Tc/Tm)1/2 Tc, Tm分別為真空室和測(cè)試點(diǎn)的溫度分別為真空室和測(cè)試點(diǎn)的溫度n當(dāng)氣體的流動(dòng)狀態(tài)接近甚至達(dá)到粘滯流狀態(tài)的情況下，當(dāng)氣體的流動(dòng)狀態(tài)接近甚至達(dá)到粘滯流狀態(tài)的情況下，溫差造成的測(cè)量誤差趨于溫差造成的測(cè)量誤差趨于0。1.4 真空測(cè)量技術(shù)真空測(cè)量技術(shù)n

58、真空測(cè)量元件常被稱(chēng)為真空測(cè)量元件常被稱(chēng)為真空規(guī)真空規(guī)。n真空測(cè)量技術(shù)分為低真空和高真空測(cè)量。真空測(cè)量技術(shù)分為低真空和高真空測(cè)量。n常用的有三種方法：常用的有三種方法：1. 熱偶真空規(guī)和皮拉尼真空規(guī)熱偶真空規(guī)和皮拉尼真空規(guī)2. 薄膜真空規(guī)薄膜真空規(guī)3. 電離真空規(guī)電離真空規(guī)（1）真空測(cè)量技術(shù)真空測(cè)量技術(shù)-熱偶規(guī)或皮拉尼規(guī)熱偶規(guī)或皮拉尼規(guī)n熱偶規(guī)或皮拉尼規(guī)都是以氣體的熱導(dǎo)率隨氣體壓熱偶規(guī)或皮拉尼規(guī)都是以氣體的熱導(dǎo)率隨氣體壓力的變化為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的，是低真空時(shí)最常用的測(cè)力的變化為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的，是低真空時(shí)最常用的測(cè)量手段。量手段。n 對(duì)不同氣體的測(cè)量結(jié)果不同，因不同氣體分子的對(duì)不同氣體的測(cè)量結(jié)果不同，因不同

59、氣體分子的導(dǎo)熱系數(shù)不同。導(dǎo)熱系數(shù)不同。（1）真空測(cè)量技術(shù)真空測(cè)量技術(shù)-熱偶規(guī)或皮拉尼規(guī)熱偶規(guī)或皮拉尼規(guī)n熱偶規(guī)工作原理熱偶規(guī)工作原理：氣體的熱導(dǎo)率隨氣體壓力變化（氣體熱導(dǎo)率隨著氣體壓力：氣體的熱導(dǎo)率隨氣體壓力變化（氣體熱導(dǎo)率隨著氣體壓力 的增加而上升，因而熱絲的溫度會(huì)隨著氣體壓力的上升而降低），通的增加而上升，因而熱絲的溫度會(huì)隨著氣體壓力的上升而降低），通 過(guò)熱電偶測(cè)出熱絲的溫度，也就相應(yīng)的測(cè)出了環(huán)境的氣體壓強(qiáng)。過(guò)熱電偶測(cè)出熱絲的溫度，也就相應(yīng)的測(cè)出了環(huán)境的氣體壓強(qiáng)。n測(cè)量范圍測(cè)量范圍： 熱偶規(guī)熱偶規(guī) 0.1-100Pan特點(diǎn)與使用特點(diǎn)與使用： 屬低真空測(cè)量，屬低真空測(cè)量，儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方

60、便。儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。 （1）真空測(cè)量技術(shù)真空測(cè)量技術(shù)-熱偶規(guī)或皮拉尼規(guī)熱偶規(guī)或皮拉尼規(guī)n皮拉尼工作原理皮拉尼工作原理：（電阻真空規(guī)）通過(guò)測(cè)量熱絲的電阻隨溫度的變化實(shí)現(xiàn)：（電阻真空規(guī)）通過(guò)測(cè)量熱絲的電阻隨溫度的變化實(shí)現(xiàn) 對(duì)真空度的測(cè)量。對(duì)真空度的測(cè)量。 n測(cè)量范圍測(cè)量范圍： 皮拉尼皮拉尼 0.1Pa-0.1MPan特點(diǎn)與使用特點(diǎn)與使用： 屬低真空測(cè)量，優(yōu)缺點(diǎn)與熱歐規(guī)相似。屬低真空測(cè)量，優(yōu)缺點(diǎn)與熱歐規(guī)相似。儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 使用方便。使用方便。 。（2）真空測(cè)量技術(shù)真空測(cè)量技術(shù)電離真空規(guī)電離真空規(guī)n工作原理工作原理：利用某種手段使進(jìn)入規(guī)管中的部分氣體分子發(fā)生電離，收集利用某種手