電子科大薄膜物理(趙曉輝)第一章真空

第一章真空技術(shù)基礎(chǔ)主要內(nèi)容稀薄氣體基本性質(zhì)真空的獲得

真空的測(cè)量§1-1氣體與真空空氣作為一種氣體，由氣體分子組成（可以想象為彈性小球）。氣體分子沿直線運(yùn)動(dòng)，直到與鄰近分子或者器壁發(fā)生碰撞為止。1.氣體、蒸汽?取決于壓力增加時(shí)是否能夠凝聚成為液體。例如：200oC時(shí)水為蒸汽，但是在500oC,水就是氣體。當(dāng)壓力較低時(shí)，氣體和蒸汽特性相同。P=F/A=nMvrms2/3NA

氣壓來(lái)源于氣體分子對(duì)器壁的不斷碰撞。氣體分壓2.氣壓PARTIALPRESSURESOFGASESCORRESPONDTOTHEIRRELATIVEVOLUMESGASSYMBOLPERCENTBYVOLUMEPARTIALPRESSURETORRPASCAL氮?dú)庋鯕鈿鍤舛趸寄蕷夂怆礆鈿錃怆瘹馑甆2O2ArCO2NeHeKrH2XeH2O78210.930.030.00180.00050.00010.000050.0000087Variable59315x10-24.0x10-38.7x10-44.0x10-46.6x10-55to5079,00021,000940331.85.3x10-11.1x10-15.1x10-28.7x10-3665to6650空氣是多種氣體混合物T(OC)100250-40-78.5-196P(mbar)10133x10-410-24(沸點(diǎn))(冰點(diǎn))(干冰)(液氮)水的飽和蒸汽壓氣體的飽和蒸汽壓部分固體的飽和蒸汽壓3.真空定義真空：低于{一個(gè)大氣壓U當(dāng)?shù)卮髿鈮海臍怏w狀態(tài)“相對(duì)真空”，“絕對(duì)真空”?

特點(diǎn)：壓強(qiáng)(Pressure)低，分子稀薄， 分子的平均自由程長(zhǎng)。電學(xué)特性輸運(yùn)特性真空的性質(zhì)由壓強(qiáng)、單位體積分子個(gè)數(shù)、氣體密度等表示4.壓力單位PressureunitPaBarAtmTorrPa10.000019.869×10-67.501×10-3

Bar1000001

9.869×10-17.501×102

Atm1013251.013251760

Torr133.320.0013331.316×10-31

用“真空度”及“壓強(qiáng)”兩個(gè)參量來(lái)衡量真空的程度

帕斯卡（Pascal）=1牛/米2，國(guó)際單位制托（Torr）=133.322Pa=1/760atm單位，描述真空的獨(dú)特單位此外，mmHg、atm、bar等。

RelativePressureAbsolutePressure5.為什么需要真空?需要粒子在較長(zhǎng)的距離做直線運(yùn)動(dòng)。5.為什么需要真空?2.提供一個(gè)潔凈的表面（供薄膜沉積）。污染嚴(yán)重(經(jīng)常是水)潔凈表面空氣氣氛高真空6.真空的劃分

粗真空

105－102Pa:目的是獲得壓差真空吸塵器，真空過(guò)濾器，CVD

低真空

102－10-1Pa:氣體分子運(yùn)動(dòng)特征改變，電場(chǎng)下具有導(dǎo)電特征

vacuum-bottle,真空瓶，真空干燥器，真空注入，濺射，LPCVD高真空

10-1－10-6Pa:蒸發(fā)，離子源超高真空＜10-6Pa

：表面分析，粒子物理§1-2稀薄氣體的基本性質(zhì)

低壓狀態(tài)下，可用理想氣體的狀態(tài)方程（波義爾定律、蓋·呂薩克定律、查理定律）來(lái)描述，遵守麥克斯韋——玻爾茲曼分布。PV＝nmolRT=nmolecularkT=nMvrms2/3NAnmol=m/Mnmolecular=7.2*1022P/T1.理想氣體狀態(tài)方程2.氣體分子的速度分布麥克斯韋速度分布函數(shù)表示分布在速度附近單位速度間隔內(nèi)的分子數(shù)占總分子數(shù)的比率。氣體分子速度分布3.三個(gè)重要速度表示最可幾速度：最大時(shí)的速度平均速度均方根速度

4.平均自由程MEANFREEPATH

定義：每個(gè)分子在連續(xù)兩次碰撞之間所運(yùn)動(dòng)的平均路程

其中:n—?dú)怏w分子密度，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài) n≈3*1019

d—分子直徑,幾個(gè)?代入理想氣體狀態(tài)方程

得:對(duì)于25℃空氣

cmIsλpropotionaltoT?分子密度與平均自由程101325Pa(atm)0.1Pa1x10-7Pa#/cm3MFP3x1019(30milliontrillion)4x1013(40trillion)4x107(40million)2.5x10-6in6.4x10-5mm2inches5.1cm31miles50km碰撞幾率氣體分子運(yùn)動(dòng)X的距離以后，彼此間碰撞的幾率?！镎`區(qū)：f與λ成反比。x=λ,f＝63%x=0.1λ,f＝9%5.分子通量與余弦散射律

（1）分子通量F（入射頻率n）：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位面積的器壁上碰撞的氣體分子數(shù)＝2.64×1020P/(MT)0.5（molecules/cm2s）P:pascalM:gT:K（克努森方程）（2）氣體分子從固體表面的反射幾率A.反射幾率與入射方向無(wú)關(guān)，僅按余弦定律散射B.揭示散射的本質(zhì)是個(gè)再發(fā)射過(guò)程，即氣體將停留在固體表面一小段時(shí)間以交換能量（吸附）。

黏滯流

(分子間動(dòng)量傳遞)分子流

(分子獨(dú)立運(yùn)動(dòng))6.氣體的流動(dòng)流體機(jī)制黏滯流:

分子間距?。环肿娱g碰撞占主導(dǎo)；

通過(guò)動(dòng)量傳遞進(jìn)行流動(dòng)；一般壓力大于0.1mbar過(guò)渡流:

介于兩者之間。分子流:

分子間距大；分子與器壁碰撞占主導(dǎo)；

通過(guò)無(wú)定向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行；一般壓力小于10mbar-3平均自由程

特征長(zhǎng)度黏滯流:小于0.01克努森數(shù)平均自由程

特征長(zhǎng)度過(guò)渡流:[0.01,1]平均自由程

特征長(zhǎng)度分子流:大于1氣源2.吸附氣體：1.空間氣體：很容易被抽走物理吸附化學(xué)吸附

放氣量在中真空階段與空間氣源相當(dāng)，高真空、超高真空階段為主要放氣源。真空材料：不銹鋼等，忌用陶瓷除氣手段：烘烤、離子轟擊3.系統(tǒng)漏氣：密封：O形橡膠圈：高真空金屬密封圈：超高真空氣體負(fù)荷OutgassingLeaksVirtualRealBackstreamingDiffusionPermeation氣體負(fù)荷單位:mbar?L/s抽氣曲線Pressure(mbar)Time(sec)10-11101103105107109101110131015101710+110-110-310-510-710-9空間氣體表面解吸擴(kuò)散滲透Exp(-at)1/t1/t§1-3真空的獲得典型的真空系統(tǒng)包括：真空室(Chamber)，真空泵(VacuumPump),控制系統(tǒng)(Controlsystem)，真空計(jì)(VacuumGag)真空系統(tǒng)的兩個(gè)重要參數(shù)：極限真空（本底真空,BasepressureorUltimatepressure），抽氣速率(Pumpingspeed)泵將氣體抽出系統(tǒng)？No！No??！No！??！真空泵

Vacuumpump要生成真空，必須將氣體分子移出系統(tǒng)。只有當(dāng)空間的兩個(gè)區(qū)域存在壓力差的時(shí)候氣體分子才會(huì)移動(dòng)。低壓區(qū)域擁有較少的氣體分子，高壓區(qū)域擁有較多的分子。任何能夠在空間兩個(gè)區(qū)域之間生成壓力差的設(shè)備都可以叫做泵。在特定系統(tǒng)中生成真空的泵被稱為真空泵。Atmosphere主要的真空泵油封機(jī)械泵、分子泵、羅茨泵原理：利用機(jī)械力壓縮

油擴(kuò)散泵原理：油蒸汽噴射形成壓差

濺射離子泵、鈦升華泵原理：濺射形成吸氣、升華形成吸氣

冷凝泵原理：將氣體冷凝成液態(tài)/冷凝吸附1.機(jī)械泵（旋片式機(jī)械泵）

轉(zhuǎn)子偏心地置于定子內(nèi)，旋片上有彈簧，整個(gè)部件浸于機(jī)械泵油中，油起潤(rùn)滑和密封作用。旋片轉(zhuǎn)動(dòng)一周后經(jīng)n個(gè)循環(huán)后真空腔Pn接近0容積變化Pn不可能趨于零，因?yàn)椋?/p>

A.在出氣與轉(zhuǎn)子密封點(diǎn)之間存在著“有害空間”。

B.單等級(jí)泵時(shí)進(jìn)氣口與排氣口壓力差大。

C.泵油在高溫摩擦下，裂解形成輕餾成份。

D.水蒸汽凝結(jié)，形成懸濁液解決辦法是采用雙級(jí)泵，以一個(gè)轉(zhuǎn)子空間的出氣口作為另一轉(zhuǎn)子空間的進(jìn)氣口，可使極限真空從1Pa→10-2Pa采用高溫泵油氣鎮(zhèn)閥雙級(jí)泵工作原理可獲得更低的氣壓1.旋片式機(jī)械泵的缺點(diǎn)振動(dòng)！返油（無(wú)法生成高真空）容易磨損對(duì)可凝結(jié)的氣體效果不佳發(fā)熱耗油返油2氣壓<0.2mbar時(shí)容易發(fā)生油分子的平均自由程隨氣壓降低逐漸增大壓縮過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生水和丙酮的凝結(jié)。為避免凝結(jié)，通過(guò)氣鎮(zhèn)閥引入氣體，使可凝性氣體到達(dá)飽和蒸汽壓之前，壓縮氣體壓力已達(dá)到排氣壓力，將氣體排出。單級(jí)和雙極葉片泵的抽速特征2.Roots--羅茨泵兩個(gè)8字形共軛的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子之間、轉(zhuǎn)子與泵壁之間無(wú)油，間隙0.1mm高速轉(zhuǎn)動(dòng)：可達(dá)3000轉(zhuǎn)/分，抽氣時(shí)無(wú)壓縮，工作原理：容積泵+分子泵。機(jī)械增壓泵Pump/BlowerPackages真空泵工作示意圖單級(jí)羅茨真空泵結(jié)構(gòu)圖C(blower+rotarypiston)（羅茨泵+旋轉(zhuǎn)活塞泵）D(rotarypiston)（旋轉(zhuǎn)活塞泵）A(blower+rotaryvane)（羅茨泵+旋片泵）B(rotaryvane)（旋片泵）3.擴(kuò)散泵擴(kuò)散泵油被加熱后沿噴嘴向下噴射，速度可達(dá)200m/s，由空氣動(dòng)力學(xué)原理與進(jìn)氣口形成壓力差，使氣體向下擴(kuò)散而被抽走，油蒸汽水冷后重新利用。

頂級(jí)噴口擁有最純的油蒸汽工作原理抽速變化10-710--110PumpingSpeed(Air)1234InletPressure(Pa)CriticalPoint1.CompressionRatioLimit2.ConstantSpeed3.ConstantQ(Overload)4.MechanicalPumpEffect污染油蒸汽的釋放

最大出口氣壓(Page73manual)液氮冷阱+擋板(Page78manual)油擴(kuò)散泵優(yōu)點(diǎn)簡(jiǎn)單相對(duì)便宜無(wú)活動(dòng)部件

（無(wú)振動(dòng)）抽速P容易抽輕氣體可允許顆粒存在缺點(diǎn)油

蒸汽

熱解加熱冷卻耗時(shí)需要冷卻可能過(guò)熱可能污染腔體4.分子泵Balzers,1992LeyboldM2000,1999“Clean,LeanVacuumMachine”Turbo’s氣體隨轉(zhuǎn)子作圓周運(yùn)動(dòng)，獲得離心力，與轉(zhuǎn)子上頁(yè)碰撞，按余弦定律散射，獲得速度，后與定子下交碰撞，再獲向下速度分量。條件：（1）起始工作氣壓小，平均自由程大。常壓下，空氣λ=0.06μm，1.3Pa，λ=4.4mm要求λ大于葉片間距。（2）轉(zhuǎn)子葉片線速度與氣體分子速度相近分子量大、氣體易抽，H2難抽。

H2最可幾速率1557m/s，極限真空殘余氣體中。85%為H2。渦輪分子泵工作原理MoleculeVMovingWallwithSpeedVPrincipleoftheTurbomolecularPump渦輪分子泵優(yōu)點(diǎn)清潔無(wú)需加熱冷卻高真空抽速快N2170L/sHe130L/sH2110L/s缺點(diǎn)昂貴不允許顆粒存在易崩潰（更貴）抽速因氣體不同5.鈦升華泵加熱熱絲至足夠高溫（1100℃），鈦直接升華，鈦沉積在器壁內(nèi)腔上，形成新鮮鈦膜層，在升華和沉積過(guò)程中，鈦與活性氣體結(jié)合形成穩(wěn)定化合物（TiO，TiN），達(dá)到抽氣的目的：吸附作用，物理+化學(xué)（為主）。極限真空：10-10Pa

注意：（1）控制升華速率，使鈦充分反應(yīng)，否則無(wú)效；（2）吸氣面大，抽速高。6.濺射離子泵陽(yáng)極為多個(gè)不銹鋼圓筒或四方格、六方格組成,陰、陽(yáng)極之間加有高壓，在陽(yáng)極小室里產(chǎn)生放電。特點(diǎn)：極限真空10-10Pa，對(duì)油污染敏感當(dāng)真空系統(tǒng)壓力降到

10-3Torr時(shí),離子泵才開始正式發(fā)揮作用。濺射離子泵優(yōu)點(diǎn)清潔無(wú)活動(dòng)部件可由電流輕易獲得氣壓缺點(diǎn)太講究

難啟動(dòng)對(duì)水作用有限低容量氣體并非永久排除7.冷凝泵通過(guò)低溫凝結(jié)捕獲氣體分子。由冷凝器組成，溫度-193℃--255℃。擁有活性炭，用于吸收無(wú)法凝結(jié)的氣體分子。冷凝泵工作原理氣體分子可以與泵內(nèi)材料反應(yīng)，生成固體薄膜被吸收。也可以被液化冷凝。低溫冷凝低溫吸收(Page98manual)活性炭的擺放泵的工作范圍粗真空高真空超高真空VenturiPump旋片機(jī)械泵旋轉(zhuǎn)活塞泵吸附泵干機(jī)械泵羅茨泵高真空泵超高真空泵10-1010-810-610-410-210010＋210+4P(Pa)泵的工作范圍（續(xù)）10-1210-1010-810-610-410-2110+2P(Torr)粗真空高真空超高真空粗真空泵渦輪泵擴(kuò)散泵冷凝泵離子泵鈦升華泵液氮冷凝泵§1-4真空的測(cè)量幾種真空計(jì)的工作原理與測(cè)量范圍U形管壓力計(jì)利用大氣壓與真空壓差測(cè)量范圍（Pa）105－102

電阻真空計(jì)、熱偶真空計(jì)利用氣體分子熱傳導(dǎo)測(cè)量范圍（Pa）104－1熱陰極電離真空計(jì)、B-A型真空計(jì)利用氣體電離與壓強(qiáng)的關(guān)系測(cè)量范圍（Pa）10-1－10-6、10-1－10-10潘寧磁控電離計(jì)利用磁場(chǎng)中電離與壓強(qiáng)的關(guān)系測(cè)量范圍（Pa）1－10-5

氣體放電管利用氣體放電與壓強(qiáng)的關(guān)系測(cè)量范圍（Pa）103－1布頓式真空計(jì)熱偶真空規(guī)熱偶真空計(jì)

熱電偶測(cè)量熱線溫度的變化，即為熱偶真空計(jì)。測(cè)量熱絲電阻值的變化，即為熱阻真空計(jì)。

Q=Q1輻射+Q2傳導(dǎo)+Q3氣體分子帶走熱量低氣壓下，氣體傳導(dǎo)的熱量與壓強(qiáng)成正比。熱導(dǎo)規(guī)對(duì)不同氣體的靈敏度3.電容壓力計(jì)測(cè)量范圍：0.1-1000torr精確度高由兩個(gè)腔體組成，中間由靈敏的柔性隔板隔開。一個(gè)腔體連接被測(cè)氣體，另一個(gè)腔體保持恒定氣壓。恒定氣壓腔體內(nèi)有兩個(gè)電容盤。當(dāng)氣壓變化時(shí)，隔板移動(dòng)，隔板與電容盤之間電容發(fā)生變化。該信號(hào)可以轉(zhuǎn)化為氣壓。4.電離真空計(jì)

類似于一真空三極管，燈絲發(fā)射電子使氣體電離，氣體分子電離的多少與氣體分子密度成正比，即與壓強(qiáng)成正比，收集極收集離子數(shù)的多少，即可知壓強(qiáng)P的大小。注意：不可在高氣壓下使用，此時(shí)離子電流過(guò)大，將燒毀真空計(jì)。測(cè)量范圍：10-8-10-2torr由鎢絲，金屬格，收集極組成，均封裝于玻璃管中，與被測(cè)氣體相連。當(dāng)氣壓升高，電流增大。電離規(guī)對(duì)不同氣體的相對(duì)靈敏度氣體對(duì)N2相對(duì)靈敏度Sr氣體對(duì)N2相對(duì)靈敏度Sr

H20.46He0.17Ne0.25Ar1.31Kr1.98Xe2.71N21.0O20.95CO1.11CO21.53干燥空氣1.0H2O0.9Hg3.4擴(kuò)散泵油氣9-13HCl0.38CH4l.26CCl40.705.殘余氣體分析儀（RGA）QUADRUPOLEHEADCONTROLUNITRGA工作原理MASSNUMBER(A.M.U.)RELATIVEINTENSITYNORMAL(UNBAKED)SYSTEMH2H2ON2,,COCO2(A)RGA譜線MASSNUMBER(A.M.U.)RELATIVEINTENSITYSYSTEMWITHAIRLEAKH2H2ON2CO2(B)O25.溫度對(duì)壓力測(cè)試準(zhǔn)確性的影響兩連通容器的壓力：1.低真空：粘滯流情況，平衡條件是壓力相等

P1=P2，

2.高真空：分子層流情況，平衡條件是流導(dǎo)相等例：真空室溫度600℃，規(guī)管溫度25℃，測(cè)量壓力只有真實(shí)壓力的58％。真空計(jì)工作范圍10-1010-810-610-410-210010＋210+4P(Pa)粗真空高真空超高真空BourdonGauge熱偶規(guī)冷陰極規(guī)電容壓力計(jì)HotFil.IonGaugeRGA皮拉尼規(guī)SpinningRotorGaugeMcLeodGauge§1-5真空部件Bellows—波紋管真空系統(tǒng)連接件

提供直線連接的緩沖

為安裝硬件提供充分的靈活性

減少連接處的應(yīng)力

熱循環(huán)時(shí)提供充分的膨脹/收縮空間Valves—真空閥真空系統(tǒng)隔離閥

氣壓傳動(dòng)316L不銹鋼材質(zhì)

彈性變形金屬密封最高工作溫度200℃

波紋管密封Feedthroughs—連接件Gasket—密封環(huán)RubberorMetal?MassFlowController—流量計(jì)由主管和支管構(gòu)成。支管

中部有加熱線圈和溫度傳感器。

測(cè)量傳感器之間溫差。流速越慢，溫差越大。

針對(duì)不同氣體進(jìn)行校正。分子篩和沸石阱Thermocouple—熱電偶由兩條不同的金屬絲連接構(gòu)成。測(cè)量連接點(diǎn)的溫度

溫度上升時(shí)，電壓隨之升高。HeatingSystemResistanceheating電阻加熱Electronicbombardment電子轟擊Lampheating燈絲加熱RFheating射頻加熱ContactorNOT?§1-6LEAKDETECTION檢漏漏氣的可能OutgassingLeaksVirtualRealBackstreamingDiffusionPermeationTrappedVolumesVentedScrewDoubleOringsealedshaftsAtmosphere(760torr)VacuumDifferentialPumpingAtmosphere(1013mbar)VacuumToPump1mbarstandardcubiccentimeter/sec

(sccs)密封后的殘余氣體像真正的泄漏:1mm3@1atm=1000L@10-6Torr泄漏速率10-1sccs 10-3sccsLeakRatesoverTime10-1STDCC/SEC1CC/10SEC10-3STDCC/SEC3CC/HOUR10-5STDCC/SEC1CC/DAY10-6STDCC/SEC1CC/2WEEKS10-7STDCC/SEC3CC/YEAR10-9STDCC/SEC1CC/30YEARSPermeationLeaks滲透泄漏（Permeationleaks）與真正的泄漏不同，唯一消除的辦法只能是更換為滲漏較少的材料。為什么用氦氣檢漏?§1-7VacuumMaterials機(jī)械性能：可以被加工和制作；

強(qiáng)度；

耐溫性熱性能：高溫時(shí)材料的蒸汽壓必須很低；

相鄰材料的熱膨脹匹配，特別是接口處。GasLoading不能是多孔的；必須沒(méi)有裂紋裂縫（會(huì)陷入清潔用溶劑，成為虛擬的泄漏源。）極端溫度和輻射條件下的表面和整體解吸速率不能太高。CommonMaterialsAusteniticStainlessSteel(奧氏體不銹鋼)

高真空和超高真空最常用的材料，滿足所有上述要求。AluminumandAluminumAlloys（鋁合金）

便宜，易加工，鋅含量低時(shí)放氣率很低。缺點(diǎn)是高溫下強(qiáng)度較低，焊接時(shí)形變嚴(yán)重。Ceramics–完全玻璃化的陶瓷和氧化鋁是很好的絕緣體，放氣率低，氣體滲透少，可在1500℃高溫下使用。部分陶瓷可機(jī)械加工。易碎，使用時(shí)小心輕放。BorosilicateGlass(硼硅),Pyrex

(耐熱玻璃),經(jīng)常用做小系統(tǒng)或觀察窗口。易于加工成部件，抗腐蝕。Nitrile（腈）

Rubber.BunaNt.m（丁納橡膠）.

經(jīng)常用來(lái)制作橡膠圈"O"rings.PTFE

具有自潤(rùn)滑特性，較低的放氣率，較好的電絕緣體。相比于其他塑料，可用于較高溫度。過(guò)高的滲透率使得PTFE不適合作為真空密封。

PolycarbonatesandPolys