薄膜真空技術(shù)

第三章真空技術(shù)

真空的基本特點(diǎn)

氣體間的碰撞少，平均自由程長(zhǎng)與器壁或研究對(duì)象表面的碰撞少壓力低，改變化學(xué)平衡熱導(dǎo)低化學(xué)非活性平均自由程Moleculardensity,incidencerate,mean-freepath,andmonolayerformationtimeasafunctionofpressure濺射蒸鍍表面分析壓強(qiáng)（torr）主要?dú)廨dAtmWetAir10-3WaterVapor（75%-85%）10-6H2O，CO10-9H2O，CO，H210-10CO，H210-11H2不同真空度下氣體的主要成分問題：表面測(cè)量要求－1小時(shí)內(nèi)污染小于5%，請(qǐng)問真空度至少要達(dá)到多少？請(qǐng)選擇合適的真空泵，并畫出連接示意圖。體積流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)氣體流過抽氣系統(tǒng)中任何截面的體積稱為體積流量，單位為升/秒，與氣體密度無關(guān)（真空泵的表示抽速?）。氣體流動(dòng)形態(tài)：與壓強(qiáng)、溫度、氣體種類相關(guān)分子流：壓強(qiáng)低時(shí)，氣體分子的平均自由程增大，分子間的相互碰撞減少，分子與管壁的碰撞占主要地位，分于間的內(nèi)摩擦消失，氣體分子以熱運(yùn)動(dòng)而自由地獨(dú)立地直線前進(jìn)，這種流動(dòng)被稱為分子流。真空的連接與設(shè)計(jì)粘滯流：壓強(qiáng)高時(shí)，平流和湍流平流：隨氣體壓強(qiáng)和流速的逐漸降低，流動(dòng)由具有不同流動(dòng)速度的各個(gè)流動(dòng)層組成．宏觀流速矢量與管軸平行，流動(dòng)與氣體的粘滯性有關(guān)，稱為平流。湍流：當(dāng)氣體壓強(qiáng)和流速都比較高時(shí)，流動(dòng)呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，宏觀流速矢量有徑向分量．氣體流動(dòng)受到較大的阻力，通常稱這種流動(dòng)狀態(tài)為湍流或者旁流。流導(dǎo)與氣體的流動(dòng)狀態(tài)相關(guān)分子流狀態(tài)下各種導(dǎo)管的流導(dǎo)(空氣)孔長(zhǎng)管短管兩種流動(dòng)狀態(tài)下流導(dǎo)的對(duì)比和電路的對(duì)照：壓強(qiáng)電壓流導(dǎo)電導(dǎo)流量電流可以利用電路的概念來考慮管道的連接,推導(dǎo)出復(fù)雜氣路的流動(dòng)狀態(tài)p0,S0p,S粗真空抽氣公式：極限真空：抽氣公式和真空檢漏：抽真空過程中不同漏氣方式對(duì)真空度的影響看得見的指紋厚度至少100分子層；表面積1cm2，則至少有1017分子;抽氣速率100L/S,10-9Torr;1012分子/S1017/1012=105秒28小時(shí)指紋危害！烘烤過程檢漏及剩余氣體分析靈敏度可達(dá)10-9pa·L/s是最可靠的檢漏技術(shù)真空法檢漏：酒精，丙烷，Ar，CO2沒達(dá)到預(yù)期極限真空：1.泵的抽速與氣載是否匹配？2.是否已抽氣足夠時(shí)間？3.RGA質(zhì)譜？4.烘烤過程是否有效？真空系統(tǒng)的問題檢查：真空漏氣檢測(cè)：1.rate-of-rise檢測(cè)2.He質(zhì)譜漏氣檢測(cè)3.He氣+真空計(jì)檢測(cè)4.RGA檢測(cè)常見的真實(shí)泄漏：檢漏儀與系統(tǒng)的連接處；過去經(jīng)常出問題的元器件；經(jīng)常沿著密封表面運(yùn)動(dòng)的密封件；閥門的動(dòng)密封旋轉(zhuǎn)部件的動(dòng)密封艙門的密封；波紋管軸的密封真空官道上的柔性連接；螺紋連接處；靜密封，如觀察窗，引線端;焊點(diǎn)（特別是釬焊的焊點(diǎn)）;完整真空系統(tǒng)示意圖GasinletMFCVacuumChamberPressureGaugeVariableCapacitanceValveRoughing/BackingPumpValveValveOilFilterGasOutletHighVacuumPump粗真空泵：旋片式機(jī)械泵工作范圍及特點(diǎn)：大氣壓10-3torr耐用，便宜油潤(rùn)滑污染機(jī)械振動(dòng)工作過程：氣體從入口進(jìn)入轉(zhuǎn)子和定子之間偏軸轉(zhuǎn)子壓縮空氣并輸送到出口氣體在出口累積到一定壓強(qiáng)，噴出到大氣理想情況下，旋片轉(zhuǎn)動(dòng)半周后，腔體內(nèi)壓強(qiáng)：n無限大時(shí)，p趨向0；極限真空pm有害空間排氣空間與吸氣空間的間隙泵油氣的循環(huán)抽速真空泵抽速與腔體壓強(qiáng)的關(guān)系渦旋泵：低噪音、低振動(dòng)、易維護(hù)、重量輕，經(jīng)常與分子泵或離子泵組成干式泵體系干式機(jī)械泵液氮冷卻有很大表面積的分子篩>200°C烘烤除去吸附的氣體極限真空與泵的溫度相關(guān)。簡(jiǎn)單，無振動(dòng)，便宜，無油污染10-3Torr->10-10Torr(可以用兩個(gè)泵交替工作)很容易飽和多泵聯(lián)合工作高真空泵：冷凝泵(低溫泵)分子篩，活性碳，金屬表面，高沸點(diǎn)氣體覆蓋的低溫表面等加熱油從噴嘴噴出，氣體分子與油分子碰撞，向出氣口運(yùn)動(dòng)需要水冷，前級(jí)泵10-3to10-7Torr(to10-9Torr，液氮冷阱)優(yōu)點(diǎn)耐用成本低，抽速快無震動(dòng)和聲音缺點(diǎn)油污染高真空泵：油擴(kuò)散泵結(jié)構(gòu)及工作原理液氮冷阱捕獲不同氣體的效率GasApproximateVaporPressure(mbar)Water(H2O)Argon(A)CarbonDioxide(CO2)CarbonMonoxide(CO)Helium(He)Hydrogen(H2)Oxygen(O2)Neon(Ne)Nitrogen(N2)Solvents10-2250010-7>760>760>760350>760760<10-10擴(kuò)散泵抽速擴(kuò)散泵用油的一些參數(shù)高真空泵：渦輪分子泵原理：氣體分子被高速轉(zhuǎn)動(dòng)的渦輪片撞擊，向出口運(yùn)動(dòng)；多級(jí)速度：30,000-60,000rpm；轉(zhuǎn)子的切向速度與分子運(yùn)動(dòng)速率相當(dāng)；Atmosphereto10-10Torr是最常見的HV/UHV泵只有當(dāng)分子泵轉(zhuǎn)子葉片邊緣的切向速度與被抽氣體平均熱運(yùn)動(dòng)速度大致在同一個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)，分子泵才能對(duì)該氣體有有效抽氣氣體分子質(zhì)量平均熱運(yùn)動(dòng)速率（RT）H221761He41245H2O18587Ne20557N228471O232440Ar40394CO244375渦輪分子泵的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)基本沒有油的污染啟動(dòng)和關(guān)閉很快缺點(diǎn)噪聲大，有振動(dòng)。電磁污染。比較昂貴。怕粉塵低噪音設(shè)計(jì)ComparisonHighVacuumPumpsAdvantagesTypeDisadvantagesLowCostNoMovingPartsLowMaintenanceVaporJet(Diffusion)BackstreamsNoPressureToleranceMayrequirecoldtrapContinuousPumpingCleanHighpressureTurboMechanicalbearingVibrationCostHighH2OpumpingspeedMountsanypositionCleanCryoRegenerationrequiredAffectedbyheatSomvibration原理：極板間加高壓(~5kV)電子螺旋運(yùn)動(dòng)(longerpath-length).氣體分子被電子離化，向陰極運(yùn)動(dòng).離子注入陰極(Ti，Ta)，濺射陰極材料.濺射出的陰極材料與氣體反應(yīng)，沉積在角落中或陽極上.10-4Torrto10-11Torr濺射離子泵超高真空泵：濺射離子泵優(yōu)點(diǎn)干凈，無油污染無運(yùn)動(dòng)部分，無振動(dòng)，無噪音低功耗，使用時(shí)間長(zhǎng)無斷電問題缺點(diǎn)對(duì)惰性氣體效率低每隔幾年需要對(duì)陰極材料進(jìn)行再生三極型離子泵提高對(duì)惰性氣體的抽氣效率加磁場(chǎng)增加電離效率；惰性氣體被埋入真空容器壁而被除去。超高真空泵：鈦升華泵原理：加熱Ti絲使其蒸發(fā)到冷壁.Ti原子與氣體反應(yīng).抽氣速率與鈦膜面積有關(guān)優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)：工作范圍10-8-10-11Torr便宜，可靠，無噪音，無振動(dòng)，無斷電問題需要再生，很難排除惰性氣體和甲烷真空泵的比較真空泵工作范圍10-1210-1010-810-610-410-2110+2P(mbar)RoughVacuumHighVacuumUltraHighVacuumVenturiPumpRotaryVaneMechanicalPumpRotaryPistonMechanicalPumpSorptionPumpDryMechanicalPumpBlower/BoosterPumpHighVac.PumpsUltra-HighVac.Pumps熱偶真空計(jì):20～10-3Torr優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)速度快缺點(diǎn)：需要校正，對(duì)于不同的氣體，常有不同的測(cè)量范圍PiraniGauge

（100～10-4Torr）電容規(guī)1x10-3Torrto10-11Torr高真空測(cè)量：電離規(guī)(IonGauge)GaugeSensitivityGasRelativeSensitivityA1.2CO1.0-1.1H20.4-0.55He0.16H2O0.9-1.0N21.00Ne0.25O20.8-0.9真空計(jì)的工作范圍10-1210-1010-810-610-410-2110+2P(mbar)RoughVacuumHighVacuumUltraHighVacuumBourdonGaugeThermocoupleGaugeColdCathodeGaugeCapacitanceManometerHotFil.IonGaugeResidualGasAnalyzerPiraniGaugeSpinningRotorGaugeMcLeodGauge壓強(qiáng)控制器Airadmittedbyregulator真空技術(shù)中的特殊要求清潔材料盲孔和焊接烘烤放氣對(duì)材料的要求:放氣小不滲漏玻璃和鋅??？玻璃是很好的真空用材料，但漏氦。鋅的蒸汽壓過高，超高真空應(yīng)避免使用?？焖俳宇^高真空法蘭電極法蘭針尖閥真空材料1.力學(xué)性能：易加工成型高溫下能保持強(qiáng)度熱淬滅性好2.熱學(xué)性能：低蒸氣壓熱膨脹系數(shù)匹配3.氣體負(fù)載：放氣小、不能是多孔、滲漏小、表面光滑一般材料的飽和蒸氣壓要低于所需真空度兩個(gè)數(shù)量級(jí)常用真空腔體材料奧氏體不銹鋼，比如321、347、304鋼（碳含量越高，滲漏越厲害）鋁或鋁合金，H2滲漏小，容易加工，放氣率低，但強(qiáng)度低，易變形陶瓷－玻璃化的氧化鋁，放氣率低，不易吸附氣體，可耐高溫(1500攝氏度)，但陶瓷易碎且不易加工硼酸鹽玻璃，硼硅酸玻璃，石英，用于小系統(tǒng)或作為觀察窗.易加工耐腐蝕.密封圈腈橡膠或丁鈉橡膠通常作為墊圈，比如O型圈。不耐高溫氟化橡膠可以耐200攝氏度，常用于低壓。聚合物對(duì)所有的氣體滲漏都很大焊接盲孔和焊接－不要造成放氣源外部?jī)?nèi)部焊接位置GasinletMFCVacuumChamberPressureGaugeVariable