真空薄膜介绍

1、真空薄膜介紹輔仁大學物理系凌國基老師真空薄膜介紹6、真空是什麼在一個空間內，如果其氣壓低於一個大氣壓的氣體狀態，即稱為真空。任何一個罐子，我們抽一些氣體出來，裡面的氣壓比外面低，這時候我們就稱之為真空，因此,真空是很容易得到的。人類至今尚未在宇宙間找到絕對真空的地方，科學家也沒有造出 一個壓力等於零的空間。1.真空的單位1托耳（torr） = 1/ 760大氣壓力=1毫米水銀柱壓力1 毫巴（millibar） = 3/4 托耳1大氣壓=1013毫巴2.平均自由徑(mean free path)氣體分子在運動時，各個分子在碰撞到其他分子前，所行走之距離的平均值 稱為氣體的平均自由徑（mean f

2、ree path），通常以符號入表示之，單位為公分在常溫20C時（溫度越高，分子運動速度越快）壓力平均自由徑1110 -3 torr5cm1110 -4 torr50cm-51110 torr5m1110 -6 torr50m1110 -7 torr500m1110 -8 torr5 km-91110 torr50km1 H0 -10 torr500km入二6.45 10 -3/ P公分 P:單位為豪巴入三5 0 -3/ P公分P:單位為托耳1 10 -3 torr約為濺鍍的工作氣壓表一 -2.1、氣壓單位為torr之各種壓力範圍之平均自由徑從表一-2.1可知，1110 -10 torr的平均

3、自由徑為500公里，那為什麼需要用到 1110 - 10 torr, 500公里呢？當我們做的是加速器碰撞的時候，如果裡面的分子走了 1公里就會撞到其他分子，那永遠達不到我們所要的速度；所以加速器就需要幾 十公里的平均自由徑，也就是說加速器內部需要抽到1110 -10 torr這麼低的真空度。例如同步輻射儀所需的工作氣壓約為1110 -12 torr,其平均自由徑為5萬公里,也就是大概跑了 5萬公里才有一半的機率會產生碰撞。3.氣體撞擊率氣體撞擊率是指，單位時間內，氣體分子撞擊在單位面積上的分子數。=3.5 W 22 P/ - MT M :分子量T:絕對溫度（K）P:壓力（托耳，torr）在常

4、溫20 C時,- = 3.8 10 20 P分子/公分2秒 =3.8 10 6 P 分子/nm2 秒1nm （奈米）=10 ?781cm= 10mm = 10 nm = 10 ?假設在常溫20C下，某種金屬的lattice constant=3 ? = 0.3nm,其平面上平均一 個分子所佔的面積大約為0.1 nm2,空氣分子打到固體上一個分子的氣體撞擊率為 = 3.8 10 5 P 分子 / 秒探lattice constant是指，某種物質其組成分子間的最短晶格距離。壓力平均撞擊率31 X10 torr380 次 /秒41 X10 torr38 次 /秒1 X10 -5 torr3.8 次

5、/秒1 X10 -6 torr0.38次/秒1 X10 -7 torr23 次/分81 X10 torr2.3 次/分1 X10 -9 torr0.23 次/分1 10 -10 torr1.38次/小時表一 -3.1、0.1nm2面積（大約一個分子所佔的面積）被氣體撞擊的撞擊率與氣壓 的關係表我們在鍍金屬膜的時候，腔體不可能完全抽到真空，裡面還會剩下氣體，當我們抽到1X10 -71 X10 -9 torr的時候裡面剩下的大部分是水氣，到了1X10 -12 torr以下大部分是氫氣，所以在我們大部分可以處理的範圍，剩下的氣體都是水氣。由表一-3.1可知，當我們抽到1X0 -8 torr的時候，每

6、分鐘水分子會撞到金屬 小面積是2.3次，如果是1X10 -9 torr是0.23次，如果是1X10-10 torr每小時大概只 撞到1次。水分子撞到金屬1次不見得會氧化，但是如果撞到很多次就會氧化了。 而我們在鍍金屬時，希望的是沒有氧化物的產生，例如鍍銅的時候如果因為有水 氣而產生氧化銅，那電阻就會增大。用濺鍍的方法鍍銅很快，假設鍍膜時間5分鐘，我們鍍的厚度是1000?，而1000?若銅分子大小大約為 3?則表示大約有300層的銅分子；如果我們鍍的時候 背景壓力為1X0 -10 torr，由表一-3.1可之，這時候1小時的平均撞擊率為每小時 1.38 次。由此可知，當我們鍍300層，平均撞擊率

7、約為0.1次，那產生氧化物的機率就更小了那如果有一個人比較偷懶，抽到 1X0 -6 torr就開始鍍膜，從 表一-3.1可知其 平均撞擊率為每秒0.38次，每分鐘約為23次；如果要鍍的厚度是1000 ?的話, 需要5分鐘，平均撞擊率則約為 114次，算式如下：0.38 60 =22.8 二 23 （次）22.8 5 =114 （次）假設每撞10次才有一次產生氧化作用，那我們就可以去算這裡面的含氧量是 多少，這就是這個表的功用。金、銀跟氧、水氣幾乎不會起作用，因此抽到1X0 -3 torr去鍍，鍍出來就很漂亮；但是如果是鍍鋁、銅或是鉻，那麼情況就完全不一樣了。鋁、銅、鉻很容 易和氧起作用，很可能

8、撞擊一次就會起作用，這時候就要由這個表來看，我們要 鍍的多快才不會產生氧化作用。假設我們要鍍的厚度是1000? （300層），希望1秒鐘就鍍好，背景壓力為1 X10 -5 torr，由表一 -3.1可知，平均撞擊率為每秒 3.8次；換句話說，這表示在 1000? 裡面，每一個粒子的位置只被撞 3.8次，也就是300層裡只約有3.8層是被氧化的。 不過也不是每次碰撞都產生氧化作用，因此那300層裡面可能只有一層被氧化，那這個膜的品質就夠好了。4.真空之壓力範圍(入：氣體分子的平均自由路徑，d:真空儀器的主要尺寸)(1) 粗略真空(Rough Vacuum)壓力範圍：10001托耳入vv d氣流形

9、態：黏滯流(Viscous flow )(2) 中度真空(Medium Vacuum)壓力範圍：110-3托耳入=5cm,入=d氣流形態：過渡流(Tran sition flow )由表一 -2.1可知，1 X10 -3 torr其平均自由路徑 入約為5cm,如果從離真空腔體10cm 距離處一個氣體分子出發，要撞到真空腔體的機會是微乎其微。(3)高真空(High Vacuum)壓力範圍：10-310-7托耳入三50m,入 d氣流形態：分子流(Molecular flow )在此壓力下，真空系統內主要為水氣。由表一-2.1可知，1X10 -6 torr其平均自由路徑入約為50m。真空系統差不多1

10、m,再大一點1.8 m就很大了，那跑了 50 m才有 一半的碰撞機會，因此鍍出來的東西機乎是沒有碰撞的，也就是說裡面的氣體機乎是 不互相碰撞的都撞在真空腔體上。(4)超高真空(Ultra High Vacuum )壓力範圍：10-7托耳以下 氣流形態：單分子運動之前有提過，當我們抽到1X0-71X10 -9 torr的時候，真空系統內7090%為容器壁釋放出來的水氣，氣體分子與氣體分子間幾乎沒有碰撞，都碰撞在真空系 統的機器上。那為什麼還需要超高真空系統呢？由表一-3.1可知，在1X10 -7 torr時，氣體的平均撞擊率為 1分鐘23次，有一 些鍍膜方式是非常非常慢的，一個小時只能鍍幾個 ?

11、，假設 30分鐘才能鍍一層， 那鍍完一層有 630 次的碰撞機會；如果鍍的是一個金屬膜，而且是一個活性金屬 膜，此時絕對鍍不好的，因為水氣碰撞了近 700次，裡面的氧化物已經太多。如果我們是抽到1X0 -10 torr，平均撞擊率1小時只有1.38次，鍍30分鐘約 碰撞 0.6 次，還不一定會發生氧化作用，假設只有一半起氧化作用，那就是只會 碰撞 0.3 次。所以氣體分子的平均自由路徑入雖然夠，那為什麼要抽到這麼低的真空？因為有的方法鍍膜速率很快、有的方法鍍膜速率很慢；對膜層的要求，有的膜層要 求很高，不能有氧化物，這時候就要抽的很低10-810-9 torr。5. 真空系統這個有二個真空系統

12、， 圖一是實驗室用， 圖二個是工業用圖一個在實驗室非常典型的真空系統，真空鍍膜實驗所使用的真空系統也是同一類型：S是機械幫浦，U是擴散幫浦，A是機板，B是擋板，F是蒸發源，是 M 水擋板， L 是液態氮冷凝阱。當我們鍍完了之後，把整個機器關起來，要先放 氣進去，我們的真空腔才打的開；H是放氣閥。另外，P是細抽閥（高真空閥），K 是粗抽閥（低真空閥） ， Z 是主閥。另一個圖二 是一個典型的工業用鍍眼鏡用的真空系統。一樣有機械幫浦、擴散幫浦、水擋板、冷凝阱、高真空閥、兩個低真空閥、電子槍、檔板、基板 比較特別的是多了魯式幫浦。另外，上面有一個光學監控，在鍍膜的時候，隨時 都要知道到多厚，這是薄膜

13、厚度監控的部份。這樣我們總共接觸到了幾個真空抽氣系統，我們有機械幫浦、魯式幫浦、擴 散幫浦。圖一、典型實驗室用的機器（探 很重要的圖，之後會一直用到。）二機版厂：擋版n，r J门層=4X=g蒸發源G也放氣閥Y-=5低真空閥:z-主閥液態氮冷凝阱咼真空閥 厂厂 ）y -广擴散幫浦機械幫浦A typical oil-diffusi on-pump evaporati on stati on used in the author laboratory. The no tati ons sta nd for A, quartz iodi ne lamp heater; B, substrate; C,

14、 quartz-crystal rate con troller and depositi on monitor; D, substrate mask; E, shutter(mechanical or electromagnetic); F, vapors from evaporation source; G, adapter collar betwee n the bell jar and the pump baseplate flan ge; H, air-i nlet valve; I, baseplate flan ge; J, Pira ni or thermocouple gau

15、ge; K, rough ing valve; L, liquid air trap; M,cooled chevro n baffles; N, diffusi on Pump; O,cooli ng coils; P and Q, back ing valves; R, Pira ni gauge; S, forepump with air-inlet valve T; U, diffusion-pump heater; V , filament holders; W, multiple feedthrough; X, ionization gauge; Y , Meissnert tra

16、p; Z, baffle valve.圖二、典型工業上用來鍍眼鏡的機器ppUcnt iadiiIIih* 光學監控wf杯妙时pelienlerva 1 vcwrits L(nU liu|ihr厂GcU弗9即lubetiLt LLtr 一bnirplu lc魯式幫浦水擋板FC轴加鼬“强 真空計 ventJLgun電子槍SiHUCfl蒸發源rotary 出艸機械幫浦Ml fftisl mi |引叫擴散幫浦r如!山I林E va va 低真空閥ib I n vrI ve 丿 trnii冷凝阱/brfle 丿4!EwKJ咼真空閥JureApparatus of vacuum evaporation Uy

17、z*.心8表一 -5.1、各種真空幫浦的工作範圍29壓力（mbar）粗略真空10001中度真空-3110高真空-310 10超高真空10-7以下魯式/爪式幫浦渦輪分子幫浦鈦昇華幫浦活塞式幫浦薄膜式幫浦液環式幫浦滑動葉片式幫浦 广機械幫浦二旋轉柱塞幫浦 一一魯式幫浦*螺旋式幫浦 噴射幫浦 擴散幫浦* 擴散噴射幫浦 離子幫浦 冷凍幫浦 吸附幫浦當我們用真空區分來看的話，torr跟mbar基本上可以視為一樣，因為 1mbar約等0.75torr。由表一-5.1可知，機械幫浦（滑動葉片式幫浦）的工作範圍從1大氣壓抽到1X10 3 torr；魯式幫浦大概是從幾個torr抽到1X0 3 torr；擴散幫浦

18、從1X0 3 torr抽到1X0-8 torr，所以擴散幫浦在1大氣壓到10的-3torr是沒有作用的，沒有抽氣速率。二、常用的機械幫浦（Mechanic Pump）旋轉葉片式機械幫浦旋轉葉片式機械幫浦屬於油封式機械幫浦。旋轉葉片式機械幫浦主動件為一圓形轉子，幫浦轉子和靜子為不同心的圓形零件。 運轉時旋轉的葉片在轉子溝槽中滑動，而旋片末端與幫浦的鏡子保持接觸（葉片中間有 一彈簧，可使葉片的長度伸縮），在運轉過程中達到氣體壓縮及運輸的作用，而腔室中 的幫浦油形成一層油膜，可以潤滑旋轉葉片和靜子的摩擦及排熱，亦可在運轉過程中達 成密封的效果。如圖三：進氣口靜子（幫赭腔钊圖三、旋轉葉片式機械幫浦旋轉

19、葉片式機械幫浦是我們最常用的抽氣系統，如果我們抽的氣體是很容易液化的氣體（例如：水蒸氣），在運轉的過程中氣體不停的壓縮，其中的一些水蒸氣會液 化凝結成水，腔室中的水氣會和油混合，使油氧化，原本透明的油會變成濃稠且乳白色 帶有一點咖啡色（咖啡色為碳，乳白色為水）。不過在大氣中原本就存在著水氣，所以就算不是抽一些容易液化的氣體，機械幫浦油使用久了之後還是會產生上述的變化。以 致有時會看到機械幫浦噴出些許的白煙。封閉式迴轉幫浦對凝結性空氣之抽氣過程，如表二-1.1：狀態一：吸氣狀態二：凝結狀態三：油、水混合*+4-u體積A與真空室相連，體積增加， 蒸氣被吸入。體積A與真空室及排氣口隔 離，體積A被壓

20、縮減小，壓 力升高，但當壓力大於234torr時（70C ），蒸氣凝結。體積A與排氣口連接，但壓 力不超過234 torr，水殘留在 幫浦內並與幫浦油混合。表二-1.1圭寸閉式迴轉幫浦對凝結性空氣之抽氣過程若要防止氣體液化凝結成水，可以用氣鎮，使空氣進入壓縮空間防止要排出的氣體凝結。圖四、氣鎮旋轉油槳氣體與蒸汽同時進入幫 浦。幫浦腔內蒸氣與氣體 和系統隔絕，氣鎮閥 門打開。達到過壓狀態但水蒸 氣分壓小於飽和蒸汽 壓，蒸氣不凝結而與 氣體同被排出。進一步排出氣體與蒸 氣。表二-1.2使用氣鎮，避免蒸氣凝結成水老師的叮嚀:在使用真空系統時，常常在使用手冊上會有很嚴格的作業流程，請大家務必照著做,

21、因為所有的動作都是有意義的。1清機器【小故事大啟示-恐怖的泥渣】高科技公司的工程師通常都是很認真的，日拼夜拼的時常在吸收新知，自願去清機器等，因為清一次機器就對機器多懂一些，大家都有這種心理。聽說有一次一個週末，有一個 工程師自願留下來清機器，結果清了一個週末，之後大家又來上班時，看到他問他說你怎麼 整個瘦了一圈，他自已照了鏡子之後，馬上辭職不幹。我們永遠不知那些機器抽了這麼久，抽過了什麼東西，機器裡那些泥是什 麼，這些像泥一樣的殘留物，可能含了許許多多對人體有害的物質，所以沒事絕 對不要去清。如果在半導體工廠上班的話，更是絕對不要去做清潔機械幫浦的工 作，因為半導體廠的有毒材料太多，尤其是在

22、LED （發光二極體）工廠，紅光、紅外光及綠光都絕對不要去清。另外，有一些幫浦是一打開就知道常絕對不能碰的，一打開看裡面這麼 銹的這麼厲害，就知道它一直是在抽腐蝕性的氣體，那裡面留下來的東西，我們 根本就不知道它是什麼。這個東西的標準處理程序就是找環保公司來清理。2. 換油如果是每天在動的機器，兩年不可能不換油，因此大家在當研究生的時候, 一定都會碰到一次換油。那要怎麼換油呢?當乾淨的油變成看起來有一點渾濁時，那就是該換油的時候了，通常幫浦 下面會有一個螺絲釘，打開之後油就會洩出來，然後用一個容器接著，直到油漏 光再把螺絲鎖回去。從加油孔加入一些乾淨的油下去，接著用手轉動傳動軸，讓 新油跟舊油

23、混合之後，再次把洩油螺絲打開，把混合後的油洩掉。重覆這個步驟 一、兩次，裡面髒的油就會清理乾淨，這時就可以把新的油加進去，從視窗觀察, 將油加到視窗上所劃的那條線上，這樣整個換油就完成了。三、擴散幫浦（Diffusion Pump）1. 內部結構擴散幫浦用的油叫做擴散幫浦油，機械幫浦油的蒸氣壓非常的低（也就是 要在很高的溫度下才會有蒸氣出來），如圖五其結構像鐵塔一樣一層一層的，在一 層一層之間形成了噴嘴的形狀。幫浦筒外圍環繞著冷卻水管，底部有一加熱器。 如圖六，噴嘴使蒸氣會往下噴出，當上方真空腔的氣體分子在隨機移動時，進入 了蒸氣撞擊的範圍，就會被不斷噴出的蒸氣往下帶動 （如同快速流動的水流帶

24、動， 水中的小沙石一般），也就形成一個機制將上方的氣體不斷的往下帶動，這就是它 抽氣簡單的工作原理。冷帽II噴嘴淮氣口圓筒狀冷卻水體熱保護噴射廳排電子 運接器 油槽加熱器）加熱器擋板前級抽氣管道圖五、擴散幫浦結構示意圖2. 工作原理擴散幫浦運作的流程簡述如下：（1）首先關閉進口處的閥門。（2） 打開與排氣口相連接的前級機械幫浦，一直到排氣口壓力達到O.lmbar以 下。（3）打開冷卻水供應幫浦，使冷卻水流通過幫浦的外殼。（4）打開油加熱器，約過15-20分鐘後油開始沸騰。擴散幫浦的工作原理簡述如下：（1） 沸騰後的油氣往上流動，並經由上部的噴嘴流出，如圖六的方向所示。（2）在中空倒錐形的煙筒內

25、部氣體壓力較高，外部的壓力較低，因此由上部噴 嘴噴出的油蒸氣壓，由高壓流向低壓形成超音速流，並形成綿密的傘狀噴 射流，而與待抽氣體混合後撞擊於幫浦外殼之內壁上。（3） 每一級的氣壓從最頂之第一級可達10-5 torr,到最底之第四級10-1 torr,是呈 現遞增狀態。（4）混合了待抽氣體的油氣再經過加熱、沸騰、蒸發、碰撞而凝結於內壁後回 流至幫浦底部進行在一次使用。（5）氣體分子在幫浦中經歷擴散、碰撞、壓縮到經由出口處被前級機械幫浦抽 離，此過程會再幫浦內部形成壓力差而達到真空抽氣的效果。（6）要特別注意的是，擴散幫浦的出口處不能直接與外界大氣接觸，否則大量 的油氣排至外界造成污染，以現在的

26、技術而言，都可以非常完善的回收油 氣並再加以利用。圖六、擴散幫浦工作原理圖3. 擴散幫浦的分餾擴散幫浦能將不同蒸氣壓的油氣適當的分餾，使其發揮最大的效能。如圖七所示，幫浦底部蒸發部有數個同心環的設計，使得幫浦油的流動依箭頭的方向流 動，從底部的外圍（溫度低）沿著同心圓的通道逐漸往中心（溫度高）流動，在底部的外圍加入適當的熱量，使得具高蒸氣壓（容易蒸發）的能夠在外圍就先蒸 發，當流體繼續往中心流動時，也逐漸的增加所加入的熱量，而使得低蒸氣壓（不容易蒸發）的油氣可以逐漸的蒸發。此設計可以使得高蒸氣壓的油氣集中在幫浦 外圍靠近內壁處，作為帶走趨體氣體的驅動油氣；另外，低蒸氣壓的油氣集中在 幫浦中央靠

27、近中心點的區域，可以減少油蒸氣的回流現象，並改善幫浦的終極壓 力。在10-410-8托耳的環境下，擴散幫浦內所剩的氣體幾乎是水氣，水氣會使擴 散幫浦油氧化，使得油的蒸氣壓上升，因為擴散幫浦需要低蒸氣壓的油，這些蒸 氣壓高的油就是不符合我們需要的油氣。又由圖七可知，高蒸氣壓的油會在外圍先蒸發，因此在機械幫浦抽氣的時候，這些不要的油氣就會跟著被抽走。圖七、擴散幫浦之液體純化及分餾示意圖在不斷加熱時，整個塔狀物的溫度會升高，這樣的話就有可能有部份的油在最上 方直接被蒸發，因此在塔狀物上有加了一個冷帽，避免油氣上的汙染。上述結構 全部裝在一起就如 圖八所示，另外這還有一個噴嘴級的設計，它是在最外圍的塔

28、 狀物上開了一個出口，對著排氣口，主要目的是把經分餾的一些較高蒸氣壓的油 排出，儘量讓擴散幫浦油維持原本很低的飽和蒸氣壓，所以久了之後擴散幫浦油 會逐漸減少。諭水 壊逍輻射篮繭加熱器頂端噴騁級第二噴嘴緬第三頓嘴級前級連Jg噴射噴嘴辗电h圖八、擴散幫浦內部圖4. 油蒸氣回流擴散幫浦為一高真空幫浦，其正常的工作壓力範圍在10-310-8托耳之間，此時幫浦的抽氣速率大約成一恆定值，若進氣端壓力超過10-3托耳時，油蒸氣回流的狀況便會開始出現。之前有提到擴散幫浦的工作範圍是10- 310-8 torr,由表一 -2.1可知，1 X10-3 torr的平均自由徑是5cm, 1X10-2 torr大約是0

29、.5cm。0.5cm是一段很小的距離，平均 走0.5cm撞擊到其他氣體，其他氣體指的不只是殘留下來的空氣及水氣，也包含 了油蒸氣。一般的擴散幫浦直徑大約是1520cm,較大的可能有3050cm，他們噴出來的油蒸氣到達管壁的距離大約是510cm以上，所以在1 X10-3 torr平均自由徑是5cm的狀況下，大約撞一次其它的氣體分子就會到達管壁被冷卻回液 態；而當在1 X10-2 torr的狀況下，噴出的油蒸氣以 0.5cm來算，要撞很多次才會到 達管壁，幾乎是不會撞到擴散幫浦的管壁，所以就維持蒸氣的狀態四處亂跑，不 只是往下也有可能往上跑入真空腔內（見 圖九）。如果我們都是在1X10-3 tor

30、r以上的真空度來操作，是不是就不會有油氣往上跑 了呢？還是會的。比如說，之前提到過1 X10-8 torr之前都還會有水氣的存在，熱的油蒸氣碰到水氣之後有機會會起作用然後分解，至於會分解成什麼不一定，有可 能分解成氣體，而這氣體就是油氣，油氣會四處亂跑而無法完全被冷卻的管壁凝 結，因此還是會有部份的油氣進到真空腔內。這就是擴散幫浦的最大缺點，也是 為何超高真空系統較少使用擴散幫浦的原因。恒）頂級緬精中各琴油氣來赢冋卢甲甲府（b）也垂呜增後頂縊結橋申的油衆雪化茅皐圖九、擴散幫浦前級壓力過大所引起的蒸氣回流 現象圖十、油蒸氣回流原因及降低回流方法見圖十（b）,形成噴嘴的通道處，不管熱的或冷的油接觸

31、上去後或多或少都 會有部份的油凝結在上面，而其中的一部分會產生氧化分解的作用，油是碳水化 合物，分解後產生水和二氧化碳或者是碳，久了碳粒附著在上就會呈現褐色，就 如同烤麵包、烤地瓜一樣，那是許多碳微粒聚集而成的。再久一點，就會聚成較 大顆的碳粒附在通道內，而我們以靠快速噴出的油蒸氣來帶動氣體往下的機制就 會變慢，相對感覺起來就好像抽不下去一樣。【小故事大啟示-鋁珠的故事】有一天，一位不乖的徒弟，早上到實驗室開始要鍍鋁，結果他水路忘了開，抽氣抽了半 小時後才忽然想到，他趕緊跑去開水路，這時會發生什麼事呢？實驗室內出現了燒焦味，徒弟趕緊開窗毀屍滅跡。此時，在擴散幫浦內，原本充滿鋁的 油氣在噴嘴上凝

32、結成鋁珠，堵住了噴嘴口，於是無論怎麼抽氣都抽不下去，第一個猜測就是 漏氣，可是怎麼測漏都沒查不出原因，老闆以為機器太過老舊因此換新機器-四、檔板及冷凝器擋板一般可以定義為一個具有多重冷卻面的裝置，由熱傳導係數很好的銅所 組成，由中間穿過的管子是用來接冷卻水的，之前有說過擴散幫浦的缺點就是一 定會有油氣汙染的問題，而檔板就是用來改善這個問題的。我們將擋板安裝在真 空腔體與機械幫浦之間，使擴散幫浦的回流蒸氣可以凝結在此裝置上，進而回流 至機械幫浦中，使得油氣汙染的問題大幅的下降。擋板的溫度必須比真空腔體低, 而且是越低越好，通常擋板的溫度設計在幫浦內工作流體的凝結溫度，如此甚至 可以大幅降低真空腔

33、體內的終極壓力。圖十一、擋板裝置圖冷凝器基本上作用是跟檔板一樣，不過其溫度比擋板更低，其經冷凝收集的 油氣並不能回收流回幫浦內部的蒸發器中。一般而言，冷凝器中所收集冷凝下來 的蒸氣分為兩大部分，一部分是由擴散幫浦回流的油蒸氣，另一部分則是由真空 腔體逸出來的氣體（以水蒸氣為主），這部份的氣體90%可經由冷凝器將氣體抽 離。為能有效降低幫浦的終極壓力，使經過分解之低蒸氣壓力的油氣分子凝結， 我們通常在冷凝器中通入液態氮，使冷凝器的溫度到達-196C，此時的冷凝器溫度遠比擋板低。其外觀如 圖十二，再詳細一點的結構如 圖十三，內部的排列方式 都以可接觸到所有往上進入真空腔設計，以達到油氣完全不會汙染

34、的目的。另外之前有提到，當我們抽到10- 610-9 torr這個區間的真空度時，真空腔內 剩下的大部分是水氣，而這極低的溫度也同時具有吸附水氣的作用，因為當水氣 在真空腔內接觸到冷凝器後會即時凍結，相對來說真空腔來的氣體數也就減少， 藉此可以達到更好的真空度。圖十二、冷凝器外觀示意圖子計口空離真通眾態氮填充口圖十三、冷凝器內部結構圖圖十四顯示的是擴散幫浦、擋板與冷凝器組合起來的系統，並標示出在各個裝置入口的抽氣速率及進口壓力，由圖中可知在冷凝器的進口其進口壓力（10-7mbar）比擴散幫浦（10-5mbar）小兩個次方，而抽氣速率約為擴散幫浦的五分之一。同時位了維持整個系統能保持在10-7m

35、bar以下的低終極壓力，必須將所有相連結地方的封合材料改換成金屬，以降低系統本身的逸氣，同時真空腔體的 材料也必須謹慎的加以慎選。60150迴轉寵浦圖十四、加裝檔板及冷凝器之擴散幫浦壓力分布圖板五、鍍膜的操作程序 （如圖十五）1. 啟動：關閉所有閥門，打開前級機械幫浦，確認擴散幫浦出口的壓力達O.lmbar以下。2. 對擴散幫浦進行粗抽：打開擴散幫浦與前級機械幫浦相連接的前級閥門（細抽閥門），由前級機械幫浦進行擴散幫浦的粗抽，使擴散幫浦內的壓力達O.lmbar以下，此時打開擴散幫浦的加熱氣，打開冷卻水。3. 對真空腔體進行粗抽：關閉前級閥門（細抽閥門），打開粗抽閥門由前級機械幫浦對真空腔體進行

36、粗抽，直到真空腔體內壓力小於O.lmbar。此時間不宜太長，避免機械幫浦內的油蒸氣回流至真空腔體。4. 高真空抽氣：關閉粗抽閥門並打開前級閥門（細抽閥門）及高真空閥門，此時 真空腔體、擴散幫浦與前級機械幫浦連成一抽氣路徑。在進行此步驟之前務必 確認真空腔體內部壓力小於 O.lmbar才行。此時真空腔體內的壓力應該會急速 的下降，接著打開高真空壓力計，以確認真空腔體內的壓力。特別注意的是，在打開前級閥門的同時，前級機械幫浦會由於氣體負荷忽然增大而有抖動的現 象。5. 真空腔體在大氣壓與高真空的循環操作:a. 當真空腔體由高真空狀態要轉換成與外界大氣環境相接觸時，首先要 關閉高真空閥門及高真空壓力

37、計，接著打開放氣閥使外界大氣能夠進 入真空腔體。b. 關閉前級閥門，打開粗抽閥門，由機械幫浦對真空腔體進行抽氣。c. 如同前數高真空抽氣步驟一樣，當真空腔體內的壓力小於 O.lmbar時 關閉粗抽閥門，打開前級閥門，後再打開高真空閥門，就可以使真空 腔體內的壓力迅速到達高真空範圍。6. 關閉擴散幫浦a. 關閉所有的真空壓力計。b. 關閉高真空閥門。c. 切斷擴散幫浦的電源，使擴散幫浦內部的工作流體冷卻20分鐘。此步驟不宜過久，以避免前級機械幫浦內的油蒸氣回流。d. 關閉前級閥門，使擴散幫浦在真空中被隔絕起來。e. 關閉前級機械幫浦及擴散幫浦的冷卻水，並打開真空腔體的放氣閥 門，使外界空氣能進入

38、真空腔體，平衡管路壓力。為什麼 關閉擴散幫浦時，最後還要平衡壓力呢？見圖四，當我們全部都關掉時，進氣端是真空狀態而排氣端是大氣狀態。1大氣壓是1033.6公分的水銀柱高，也就是說每一平方公分有約1公斤的重量壓著，10平方公分就有10公斤壓著。從轉子突出來的葉片部分，一定不只10平方公分，所以壓在上面的重量最大有可能到100公斤，而在沒有運轉的狀況下，承受不了這麼大的重量就會導致機械幫浦油倒流。當機械幫浦油從進氣口被擠壓到了管路之後，經由管路無法得知會汙染到 哪個地方，而一些汙染到的地方不會產生立即的影響，不過如果汙染到擴散幫浦 裡的話，那就事情就嚴重了。擴散幫浦油原本可以抽到10-8 torr

39、表示它的飽和蒸氣壓是10-8 torr，可是機械幫浦油的飽和蒸氣壓只有10-3 torr，當過多的份量混入（分餾也清不乾淨的份量），會造成擴散幫浦油的飽和蒸氣壓也隨之降到10-3 torr，那就會造成抽不下去的現象。當擴散幫浦只抽的到10-3 torr時，第一個反應一定是漏氣抽不下去，接著就 會查漏，查漏是可大可小，花的時間也無法控制，可是它真正的原因不是漏氣， 所以也會浪費不少時間。注意事項：1. 在關閉擴散幫浦時，可同時關閉前級閥門，讓擴散幫浦在真空隔絕的狀態之下能 夠冷卻下來。2. 前級及粗抽閥門不能同時開啟。3. 如果閥門是薄膜型式，不能關閉太緊，以避免薄膜破裂導致油蒸氣回流至真空腔

40、體。星蜩巨蚩期蕃協側创冊比请皿 据回畚牆哩圧工帝ToWKoasWT用qwLA常谶皿66皿刚護逍嚮團$訂團制障関Flt2O7騎0B昼时卿STl圖十五、鍍膜的操作說明六、漏氣JNSULATOR SPACERAoDISCHARGE SHIELDS /（避免氣體溢岀的擋板）c:EXHAUST VMSRIGHT ANGLE CONNECTIONtN3UUATOR（絕緣體）圖十六我們在做真空實驗時，總覺得只要每一根螺絲鎖的緊緊的，氣體就不會漏出來。 但是如上左圖，在champer內出現一腔體B，如果我們沒有特別在A處作 加強的隔絕處理，就算螺絲鎖的緊緊的，B腔體裡的氣體還是會慢慢的一點一點的從A處逸出。於

41、是當我們在抽真空時，裡面的氣體一點一點很慢很慢的逸出（或許要花2小時裡面的氣體才會真正的被抽完），我們就會有一種抽不下去的感覺，更糟糕的是它 裡面的氣體都是空氣，就算我們有辦法知道剩餘氣體的成分 ，也是查到一堆的空氣， 這時我們會認為一定是漏氣，可是沒有漏所以怎麼查又查不出來，這就是虛漏一個例子。右邊的圖是一個解決的方法它直接在 B腔體上打好幾個洞，那 B腔體 的氣體會直接跑出來，上述的情形就不會發生，因此這是一個防止虛漏的好方 法。另外，螺絲、螺牙通常都會包氣體，我們都會認為一定要用吃奶的力氣把它鎖 的很緊，這是一個迷思，其實只要鎖緊就好了。表6.1、使用擴散幫浦常見之問題、原因與解決方法問題可能原因解決之道（1）無法達到預期之（a）系統漏氣查出漏氣位置來源並修護終極壓力/ （ b）系統嚴重污染清潔工作之執行實漏V.S.虛漏（c）幫浦油污染飽和蒸氣壓太咼檢查並換置請見圖十六的說明（d）幫浦熱量不夠檢查電壓供應，熱接觸效果很常發生及有無漏電（e）冷卻水不夠檢查水壓大小（f）冷卻水過量或溫度過低檢查水溫、調水流量（g）前級壓力太低檢查前級位置是否漏氣，檢 查機械幫浦功能，檢查機械 幫浦油是否已失效（h）幫浦急速冷卻水管仍有水流查看並排除（i）真空計不準確真空計校正（2）抽氣速率太低（a）電熱量大小檢查電熱線情況（b ）油面太低添加油（c ）噴嘴組合