真空系统的基本知识:

bomoaa · 发表于 2012-2-28 14:33:45

真空系统的基本知识:
?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。
?2、真空度的单位
?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）。
?毫米汞柱（mmHg）：1mmHg＝133.3Pa
?托（Torr）：1Torr＝1/760atm=133.3Pa
?巴（Bar）：1Bar＝105Pa

?3、平均自由程
?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）
?4、各真空区域的物理特性

物理特性
粗真空
低真空
高真空
超高真空

真空度范围(Pa)
>103
102~10-1
10-1~10-6
<10-6

平均自由程(cm)
<10-4
10-4~5
5~105
>105

气流特点
1.以气体分子间的碰撞为主
2.粘滞流
过渡区域
1.以气体分子与器壁的碰撞为主
2.分子流

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

?4、真空在薄膜制备中的作用
?（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
?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％。
?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。
?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

d=25cm,P<=2.7×10-3Pa
d=50cm,P<=1.3×10-3Pa
d=90cm,P<=7.4×10-4Pa
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
?N=PNA/(2πMGRT)1/2
?MG为残余气体的分子量
?蒸发分子达到基板的速率
?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
?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
?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

崩名
原理
工作范围

单级油封机械泵
靠机械力压缩排除气体
～100Pa

双级油封机械泵
~10-2Pa

分子泵
100~10-8Pa

罗茨泵
104~10-2Pa

水银扩散泵
靠蒸气射流携带排除气体
10~10-6Pa

油扩散泵
100~10-6Pa

溅射离子泵
靠溅射或升华形成吸气、吸附排除气体
10-1~10-10Pa

钛升华崩
100~10-10Pa

吸附泵
利用低温表面对气体进行物理吸附排除气体
~10-1Pa

冷凝泵
10-2~10-12Pa

冷凝吸附泵
10-2~10-10Pa

?（1）机械泵
?常见种类：旋片式、定片式和滑阀式。
?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。
?机械泵油的作用：密封、润滑，提高压缩率
?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
?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。
?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。

?（2）分子泵和罗茨泵
?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：
?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

?（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。
?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。
?扩散泵的极限真空压强：
?Pm＝Pfexp（-nUL/D0）
?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?
?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。

?扩散泵的要求：
?室温时，饱和蒸气压应低于10-4Pa；
?工作时，尽可能高的蒸气压。
?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.
?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.
?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
?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
?原理：对钛丝或钛球通电加热使钛升华。

?实用真空系统如图
?（1）体积流速－抽速
?在一定压强P下，单位时间流过某截面的气体体积
?S=dV/dt （l/s）
?（2）流量
?单位时间内通过某截面的气体量
?Q=d（PV）/dt （Pa.l/s）
?在压强不变的情况下，Q＝P dV/dt =P.S
?气体的流阻R=(P2-P1)/Q
?流导C=1/R=Q/(P2-P1)

?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。
?串联：R=Σ IR I ;1/C= Σ I1/CI
?串联：1/R= Σ I1/RI ; C=Σ ICI
?A0-孔的面积（cm2），a-管道半径（cm），l－管道长度（cm）

气体种类
孔
长管（l/a>=100)
短管

一般气体
3.64A0√(T/M)
30.5a3/l√(T/M)
11.4a2/(1+3l/8a)√(T/M)

空气（20℃）
11.6×A0
96.9a3/l
36.4a2/(1+3l/8a)

?真空室Q值主要考虑材料放气
?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.
?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；
?（3）在真空室内烘烤。
?如何保证抽速：
?（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；
?（3）系统的漏气量小。

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