+真空獲得俘獲真空泵課件

1、真空物理與技術(shù)第5章 真空獲得（俘獲泵）第1頁，共46頁。俘獲泵第2頁，共46頁。俘獲機(jī)理 將氣體分子吸附到一個(gè)表面足夠長的時(shí)間溫度表面化學(xué)鍵表面有效表面 - Capacity !暴露表面增加面積化學(xué)選擇 - selective pumping幾乎所有的材料都可以吸附某種氣體效率：有效表面吸附特種氣體第3頁，共46頁。吸附材料大比表面積活性炭沸石 (鋁硅酸鹽材料)(Linde 5A , Linde 13X)原子尺度的孔納米介孔材料分子篩800 square meters “effective area” per cc.第4頁，共46頁。吸附泵沸石Square miles of surface

2、area冷卻到液氮溫度低溫吸附和毛細(xì)吸附共同作用第5頁，共46頁。吸附泵第6頁，共46頁。吸附泵的再生吸附的氣體去哪里了?容量 10 立方米第7頁，共46頁。吸附泵抽氣特性篩溫降低，可吸附分子增多吸附Ne He程度低于N2分子篩暴露空氣中，氮分壓大大低于氖和氦分壓可被吸附的氣體量和殘余氣體壓強(qiáng)關(guān)系第8頁，共46頁。吸附泵抽氣特性商品吸附泵工作在10-3-10-1升（工作室容積）/克（吸附劑）范圍極限壓強(qiáng)取決與室溫下被吸附的氮數(shù)量抽除氧、氬、二氧化碳特別有效大氣抽除以后的平衡壓強(qiáng)第9頁，共46頁?？諝獬煞值?0頁，共46頁。吸附泵的使用吸附泵通常需要兩個(gè)共同使用一個(gè)從大氣開始抽氣-粗真空一個(gè)可以

3、達(dá)到高真空第11頁，共46頁。吸附泵小結(jié)優(yōu)點(diǎn)干凈無噪音沒有氣流沒有電流缺點(diǎn)需要液氮選擇性吸附飽和通常用在UHV系統(tǒng)中第12頁，共46頁。低溫泵第13頁，共46頁。低溫泵概述俘獲泵低溫抽氣20K以下，絕大多數(shù)氣體蒸汽壓可以忽略不計(jì)HeH2一個(gè)極冷的冰柜20K液He極限壓強(qiáng)最低、抽速最大第14頁，共46頁。蒸汽特性第15頁，共46頁。抽氣原理第16頁，共46頁。蒸汽特性要達(dá)到10-8Torr以下壓強(qiáng)，必須使用LH2或LHe冷卻LH2可以有效凝聚除He,Ne以及本身以外的一切氣體但LH2用途不廣，爆炸LN2可有效冷卻H2O，CO2 ，但對Ar, O2無能為力LHe成本限制了其使用，但是溫度最低的冷劑

4、 300元/L第17頁，共46頁。低溫泵結(jié)構(gòu)低溫抽氣陣列室溫下，低溫表面不能直接暴露氣源輻射熱負(fù)荷冷凝熱負(fù)荷低溫表面需要不透光具有中間溫度的擋板第18頁，共46頁。冷表面二級冷表面H2O蒸汽60KHe和H2抽除困難10 K (difficult)He/H2吸附量有限注意保護(hù)第二級冷表面遠(yuǎn)離容易飽和氣體遠(yuǎn)離熱負(fù)載無油第19頁，共46頁。冷卻液He純度 （Ultra Pure)壓縮機(jī)Similar to a refrigerator cycle but different第20頁，共46頁。Capacity抽氣能力低溫泵到底能吸附多少氣體？取決于氣體種類和泵的機(jī)械結(jié)構(gòu)9000Torr.L H2-a

5、 lot but not infinite106Torr.L Ar空氣/水汽抽速與泵口分子入射率相關(guān)取決于吸附與脫附的平衡第21頁，共46頁。第22頁，共46頁。抽速A black hole for water vapor氣體吸氣表面入射率逃逸率凈抽速單位水蒸汽1級表面15015L/sec.cm2N22級表面上11.98.93L/sec.cm2H22級表面內(nèi)部45396L/sec.cm2第23頁，共46頁。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)10法蘭盤低溫泵10,000 liter/second H2O1700 liters /second Ar4700 liters per second H22000 liters p

6、er second N2抽速和分子入射率、氣體分子種類密切相關(guān)第24頁，共46頁。分類LHe貯槽式12L LHe S(H2) =4500L/s，200Day12L LHe S(H2)=27000L/s，200Day流程式封閉循環(huán)（體積龐大，多用于空間模擬）GHe閉環(huán)式He壓縮機(jī)第25頁，共46頁。低溫泵小結(jié)優(yōu)點(diǎn)干凈 無油不因突然漏氣而損壞抽速大HV，UHV 109Torr接近無限大的吸氣能力 (除了He, H2)缺點(diǎn)存儲了大量的氣體熱敏感和部分氣體反應(yīng)壓縮機(jī)第26頁，共46頁。低溫泵和渦輪分子泵比較干凈 無油 高真空泵現(xiàn)代半導(dǎo)體工業(yè)中廣泛應(yīng)用低溫泵中等尺寸與氣體反應(yīng)貯存氣體渦輪分子泵尺寸小與氣

7、體不反應(yīng)抽除氣體Typically in each applicationsTypically in film deposition applications第27頁，共46頁。典型的低溫泵系統(tǒng)第28頁，共46頁。升華泵第29頁，共46頁?；瘜W(xué)清除p=nkT，壓強(qiáng)正比于氣體分子濃度化學(xué)清除蒸發(fā)化學(xué)活性金屬與容器內(nèi)氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成化合物收氣劑（消氣劑）蒸散式：依靠高溫蒸散到別的元件上非蒸散式：適當(dāng)溫度下工作（少量蒸發(fā)）第30頁，共46頁。蒸散式收氣劑小型電子管抽空到某一真空度后，除氣玻璃除氣溫度(400-500C)下蒸汽壓大的蒸發(fā)率：Ba, Ma層剝落常見非蒸散式收氣劑鋯價(jià)格貴，可能引起爆

8、炸用鋯鋁合金代替鈦第32頁，共46頁。升華泵Ti持續(xù)蒸發(fā)到冷壁上，構(gòu)成相當(dāng)抽氣速率的泵鈦絲蒸發(fā)器高溫Ti機(jī)械強(qiáng)度太差鈦絲、鉬絲纏繞，通電加熱空心鈦鉬合金球，內(nèi)部白熾鎢絲加熱比抽速O2 N2 CO 10L/cm2活性表面H2 40L/cm2活性表面不能抽除惰性氣體升華泵可提高真空度約2個(gè)數(shù)量級第33頁，共46頁。離子泵第34頁，共46頁。電清除電清除 A在電場作用下被驅(qū)逐到負(fù)極被中和新形成的氣體分子被金屬吸附而不再離開電極實(shí)際上降低了空間分子濃度離子泵第35頁，共46頁。離子泵基本結(jié)構(gòu)能吸附離子的表面：清潔的，冷的負(fù)電表面電子源（W熱陰極）加速電子的陽極第36頁，共46頁。離子泵偏壓第37頁，共

9、46頁。離子泵的限制超高真空設(shè)備對活性氣體和惰性氣體同時(shí)起作用表面足夠大，沒有漏氣放氣，極限壓強(qiáng)很低實(shí)際很快飽和（擴(kuò)散的速率低于吸附的速率）抽速慢，1L/s操作擴(kuò)散泵將離子泵抽至10-5Pa泵體，電極烘烤除氣離子泵工作第38頁，共46頁。離子蒸發(fā)泵離子泵的限制清潔表面：放電過程不斷補(bǔ)充新的活性表面對惰性氣體抽除能力不強(qiáng)：吸附，沒有反應(yīng)離子蒸發(fā)泵利用離子泵抽氣利用收氣金屬不斷蒸發(fā)形成新的表面收氣劑對離子作用遠(yuǎn)大于對分子作用新鮮粒狀表面，增強(qiáng)氣體分子向內(nèi)能徙動第39頁，共46頁。結(jié)構(gòu)蒸發(fā)器直熱、電子束加熱、陰極濺射電離器二極管、三極管、冷陰極磁放電、熱陰極磁放電蒸發(fā)金屬Ti（鈦泵）-不同與鈦升華泵第40頁，共46頁。冷鈦泵（濺射離子泵）結(jié)構(gòu)陽極:不銹鋼圓筒陰極:鈦板磁場:平行與陽極筒,0.1-0.2T工作電壓:3-7kV,潘寧放電過程預(yù)抽氣到1Pa正離子濺射陰極TiTi在陽極沉積抽氣與Ti反應(yīng)（化學(xué)）擴(kuò)散到Ti電極內(nèi)（物理）埋葬（物理）第41頁，共46頁。抽氣單元增加層積面積單室抽氣速率1-3L/s50單元極限真空10-9Pa抽速選擇性抽氣壓強(qiáng)高:放電電流大,陽極電壓降低;空間電荷壓強(qiáng)低:繁流初始電子太少磁場第42頁，共46頁。氬不穩(wěn)定惰性氣體抽除能力不強(qiáng)？(物理吸附）有效抽除He（離子埋葬）Ar抽速差，不穩(wěn)定現(xiàn)象三極式冷鈦泵第43頁