真空系统的基本知识:

bomoaa

真空系统的基本知识:
4 G9 x" e: V$ ?# _?1、真空的定义
?真空是压力低于一个大气压的任何气态空间。一般采用真空度来表示真空的高低。
4 b% m8 R$ |/ J5 J) R0 _?2、真空度的单位
2 X5 m" i7 Q0 C5 |8 v. L" G1 r?真空度以压强为单位来度量，压强高表示真空度低。压强低标识真空度高。
?真空度的国际单位是帕斯卡简称帕（Pa）。
. P# O3 d. d6 p9 e* v; s, @. @?毫米汞柱（mmHg）：1mmHg＝133.3Pa
?托（Torr）：1Torr＝1/760atm=133.3Pa
  x  B% C4 F4 k- v5 T?巴（Bar）：1Bar＝105Pa
2 r8 n' K6 V" k( w/ L8 t
" @6 ]; b0 m* G+ |# n?3、平均自由程
: ~6 `2 W2 N( I, j' U?气体分子之间相邻两次碰撞的距离，其统计平均值为平均自由程。
?l=1/(√2π?2n)=kT/(√2π?2P）
8 a& U7 w- x, M7 ?0 Q' J8 A?4、各真空区域的物理特性
7 }+ F& h7 j8 d9 E/ g* I# I
. s) s; P; o3 ~0 j3 w3 t' T' }  l& b7 h物理特性
7 h1 X5 E/ M' Y粗真空
+ [' Y1 W' m* z# c5 Q" I, c4 G低真空
高真空
超高真空

真空度范围(Pa)
, K  r& l5 U! o>103
102~10-1
& _6 R, c" N+ V% G: K" [10-1~10-6
. N7 Q" ^# i- n* q$ X9 f& `0 n- v<10-6

1 P/ ~' T: F, o2 D平均自由程(cm)
. K# V6 j& y4 o( Z: `. x8 A<10-4
, u  p, [+ C) G) c10-4~5
5~105
>105

气流特点
' v% |' _! {& P; a7 h; \; U1.以气体分子间的碰撞为主
2.粘滞流
& E( O0 Z+ h# A过渡区域
1.以气体分子与器壁的碰撞为主
/ V5 P3 f3 j  u0 k! p2 X' x/ ]2.分子流
6 @4 K/ h9 i5 \' S4 @' n
5 v' d% n! K- W8 f平均吸附时间
气体分子以空间飞行为主
气体分子以吸附停留为主
) c4 Y5 ]; R0 @5 i         
6 Z! A. L  F) N& `4 X/ L) p$ m" n
! S; a- Y: [# K
6 z" `, `. K1 ~: Z, O! N?4、真空在薄膜制备中的作用
( P8 ]5 q* ]8 o0 T% I?（1）减少蒸气分子与残余气体分子的碰撞
?Nd＝Noe-d/l
?f=1-e-d/l d 为蒸发分子行进的距离
- R6 x/ T) s9 d( {3 ^, G$ n: c+ I?如果平均自由程＝蒸发源到基片的距离即d=l时，f=63%;
?平均自由程增加10倍,f=9％。
) t* I: u& i1 ]! }?只有平均自由程远远大于蒸发源到基板之间的距离时，才能有效的减少分子碰撞。
- b( x/ d9 ~2 p% N?如果平均自由程足够大，l>>d, 那f≈d/l ≈ 1.5dP
?为了保证膜层的质量，一般情况下f<=10-1
% E0 f7 u2 C* b% S/ S
d=25cm,P<=2.7×10-3Pa
/ ~' j; O! ^+ u, f3 Cd=50cm,P<=1.3×10-3Pa
1 m# i, O) R" K) y* k" m3 T* }d=90cm,P<=7.4×10-4Pa
; G* T: r0 p0 @可见对于大的真空室，真空度的要求更高。
?（2）抑制残余气体和蒸发分子之间的反应
/ Z4 V& b! ^8 w2 D; N?N=PNA/(2πMGRT)1/2
?MG为残余气体的分子量
% M3 a+ Y/ E, Y4 f) M?蒸发分子达到基板的速率
6 L; G+ E$ I; s$ t?F=ρdNA/Mt ρ、d、M为膜层的密度、厚度和膜层分子量，t为蒸发时间
6 M: N/ E* ~& o0 l?N/F<=10-1, 则P<=10-1ρd (2πMGRT)1/2/Mt
?对常用材料和合适蒸发速率，P~10-4~10-5Pa
7 T9 I8 i9 d5 J0 i, Z?可见为了有效抑制反应，要求更高的真空度。

?5、真空的获得－真空泵
: s( y: {/ ~1 B' u2 x+ a
崩名
原理
工作范围

单级油封机械泵
! T  s; G" o% M; J' h, @* h+ T5 s5 r靠机械力压缩排除气体
～100Pa
( H1 s/ U/ I7 H& p' E8 E
" s% H& x+ x" C8 Y( d- q双级油封机械泵
~10-2Pa

$ _) Q9 n& j$ J5 J* E, H分子泵
100~10-8Pa

罗茨泵
104~10-2Pa
; I& w7 E5 M9 T9 D) z  I
1 i" d8 K2 g: G5 k4 t5 T) y水银扩散泵
靠蒸气射流携带排除气体
10~10-6Pa

油扩散泵
7 v# V1 {9 x) W4 Q, M& h100~10-6Pa

& m; p' m/ H+ a- h溅射离子泵
1 M! o, n0 d0 q# w% B: ^靠溅射或升华形成吸气、吸附排除气体
% ]9 R# `6 c4 G# c$ s10-1~10-10Pa
, S" v( p" `8 C& R
钛升华崩
100~10-10Pa
/ w+ N  V+ L$ I' P
* y) Z! m& x3 I% Y- O2 k8 `) {* C吸附泵
2 y/ P( U" V. E4 A* d利用低温表面对气体进行物理吸附排除气体
7 o* s* a4 D- I/ f~10-1Pa

冷凝泵
10-2~10-12Pa

冷凝吸附泵
8 `6 t' h+ B6 n* f$ Z' ~8 k) }10-2~10-10Pa
- X" f, d+ {- N, f2 {6 `: z. L  G1 Z   

* [+ u( G/ B" q& }  t  H- ~6 B8 S% ~9 e7 i
?（1）机械泵
?常见种类：旋片式、定片式和滑阀式。
% F8 g  E2 _9 d1 r4 t* l?旋片式，噪音最小，运转速度高（1000转/分），是真空镀膜常用的机械泵。
?主要构成：定子、转子、嵌于转子的两个旋片及其弹簧。
. s" S& ^) t9 r. S?机械泵油的作用：密封、润滑，提高压缩率
. B- w  A0 \# u- d' i: d2 U  V?机械泵油的要求：低的饱和蒸气压，一定的粘度，较高的稳定性
# s7 L9 p  ?0 g5 m, B& d. }?机械泵对水气等可凝性气体抽气有困难。当蒸气在腔内压缩，压强逐渐增大到饱和蒸气压时，水气开始凝结为水，与机械泵油混合形成一种悬浊液，不仅破坏了密封和润滑，而且会使腔体生锈。
# a8 V7 s) J1 O, [8 Y6 a?一般采用气镇泵，在气体未被压缩前，渗入一定量的空气，协助打开活门，让水蒸气在尚未凝结前排出。
* R/ e' @/ K" ^/ z! }( G
?（2）分子泵和罗茨泵
: g0 x: x. z& Z' J9 G1 g4 m?分子泵工作原理：
?气体分子碰撞到沿着一定方向的固体表面时，所有飞到这表面的分子，经过碰撞后具有一定的分速度，其大小与方向等于固体的速度。分子泵通过高速旋转的涡轮叶片，不断施以定向的动量和压缩作用，从而达到抽气的效果。
?罗茨泵工作原理：
  [/ q- G, L7 x" _+ i?应用分子泵原理和油封机械泵的变容积原理制成的。其二桨叶状的转子在空腔内部旋转，桨叶之间以及桨叶与空腔之间保持一不大隙缝（0.1mm），隙缝不用油密封。
?转速较大可以达到3000转/分
0 l5 U3 _: ~# v  N. E
?（3）扩散泵
?扩散泵是依靠从喷嘴喷出的高速（如200m/s），高密度（如几十托）的蒸气流而输送气体的泵。依靠被抽气体向蒸气扩散进行工作的。
; z5 U$ y* j* [?扩散泵结构：一般为三级喷嘴。
?铝制的各级伞形喷嘴和蒸气导管是扩散泵的核心部分。
1 d7 w% N3 Q  X* q7 v2 g0 Z?扩散泵的极限真空压强：
?Pm＝Pfexp（-nUL/D0）
, V" ^' h8 _% c. M2 V  i6 ?2 w. r?Pf 为前级真空压强，n为蒸气分子密度，L为泵的出气口蒸气流扩散长度，U为油蒸气速度
?U≈1.65×104√（T/M）（cm/s）
?M为油蒸气的分子量，D0=DN=常数，D为自扩散系数，D=1/3l?
6 l+ K- e$ s: H- S) x?L和?分别是平均自由程和算术平均速度。
?扩散泵的口径一般是钟罩直径的三分之一，扩散泵的抽气速率大约是钟罩容积的5倍。
* f% f" E( W& q% P/ c
?扩散泵的要求：
# c* O) Y( W. y9 Y1 D; ]7 q?室温时，饱和蒸气压应低于10-4Pa；
, K0 z* w# Z3 d% U( G0 @, v?工作时，尽可能高的蒸气压。
$ B  E! i, t( G$ |* C; s?必须有很高的热稳定性和化学稳定性。
?在进气口安装水冷挡板或液氮（－196℃）冷阱，则返油减少到1/10~1/1000.
% a) y6 w4 U; w% ]& u?液氮冷阱可以排除水气，一个103cm2表面积的冷阱，对水蒸气抽速可以104l/s.
( q5 W. N- A( c: Z4 M+ O, z?温度低于-120℃时，对水气才能有作用。

?（4）吸附泵
?原理：利用表面积很大的多孔吸附剂的物理吸附作用而进行抽气。为了加强吸附作用，一般用液氮进行冷却。
?适用于超高真空设备。
?（5）溅射离子泵
% t1 V# f9 V5 q, k( w4 t' c?原理：利用磁控管放电，使气体分子电离，离子因被电场加速而撞击钛阴极、阴极捕集离子－第一抽气原理；
?溅射的钛原子产生吸气－第二抽气原理。
?（6）升华泵
7 M& b7 b2 B) ?3 T( L$ a?原理：对钛丝或钛球通电加热使钛升华。

& B# u* Y1 D& w% h) F?实用真空系统如图
6 c( X4 i2 j2 g0 H?（1）体积流速－抽速
+ p+ N6 n3 r9 K# X' m" |, B?在一定压强P下，单位时间流过某截面的气体体积
: N+ B+ W6 T: [! S4 A: A# s?S=dV/dt （l/s）
?（2）流量
& I4 D7 A! z5 B4 r9 P* p, [/ j?单位时间内通过某截面的气体量
& c& c) e2 g5 G8 b?Q=d（PV）/dt （Pa.l/s）
?在压强不变的情况下，Q＝P dV/dt =P.S
! p) H/ Y; d* P7 ?" W?气体的流阻R=(P2-P1)/Q
6 z- w( U. c% p# G?流导C=1/R=Q/(P2-P1)
3 C& n$ e) s0 W2 x2 C
7 q6 q+ U. a: S8 P7 g6 K) T?对于复杂的真空系统，可以按照电路的串、并联公式计算总流阻或流导。
% y2 `* d& c+ }" G?串联：R=Σ IR I ;1/C= Σ I1/CI
+ j7 E" t- |0 h4 K1 F?串联：1/R= Σ I1/RI ; C=Σ ICI
) F& r! K9 A" @# q?A0-孔的面积（cm2），a-管道半径（cm），l－管道长度（cm）
' g; {& ?* @6 E
! z# h4 @7 ]# t" K& a8 e9 ^5 {气体种类
- b1 G/ y- w( X( ]) b) @9 _9 Y孔
, p* L: r& G+ P长管（l/a>=100)
" B1 U& b6 W, n* q1 c短管
- w5 r  F- _2 ?
一般气体
! o: s: f3 p# G# ?3.64A0√(T/M)
30.5a3/l√(T/M)
11.4a2/(1+3l/8a)√(T/M)
) B% E/ y* i# S  z4 i
. ]; D' b7 k: N空气（20℃）
4 [  K' k9 @6 @' L  L; A11.6×A0
5 c/ W! O" ~. b; X1 ^! p; ]96.9a3/l
36.4a2/(1+3l/8a)
  B/ X5 |0 j5 i* ?
4 O+ `; z+ _1 {& k) S5 G4 }
  d: _; H4 Z! v, k  X4 ]& M?真空室Q值主要考虑材料放气
9 b: P7 p3 m$ f- n# ??真空室材料不锈钢，每平方厘米不锈钢表面放气上有1×10-6Pa.L/s的放气量，1L的真空室有600平方厘米的内表面，总放气量为6×10-4Pa.L/s.
1 Y( B! ]$ M' L/ R% s& ?# ]?如何减少放气量：
?（1）采用放气量少的材料；
?（2）材料进入真空室时进行适当处理；
/ F9 O# q, W$ ?$ W  J6 y?（3）在真空室内烘烤。
! H/ {4 a1 n! t' l( Y?如何保证抽速：
" v# p7 H2 Z" T, U?（1）为了充分发挥泵的性能，必须尽可能粗而短；
?（2）泵的抽速配臵合理；
8 E5 ]+ u/ _1 P  N  l. p8 q?（3）系统的漏气量小。
  b+ W8 V2 i6 {' ~( y+ r
, m+ L# J3 f4 i5 `上一篇：光学薄膜真空镀膜技术
0 R; U& p# \5 ?7 m7 r下一篇：晶振片