真空技术基础

1、一般是指在给定的空间内，压力低于一般是指在给定的空间内，压力低于1atm (即即101325Pa)的气体状态。的气体状态。 帕（帕（Pa） 托（托（Torr） 1 Torr = 1/760 标准大气压标准大气压 1 标准大气压标准大气压=101325 Pa 1 Pa = 7.506 10-3 Torr低真空低真空 (105102 Pa): 大气布朗运动，分子间碰撞多大气布朗运动，分子间碰撞多中真空中真空 (10210-1 Pa): 气体密度减少，气体导电气体密度减少，气体导电高真空高真空 (10-110-6Pa): 残余气体分子少，碰撞很少残余气体分子少，碰撞很少超高真空超高真空 (10-6P

2、a)真空系统的组成元件：真空系统的组成元件： （1）抽气设备。）抽气设备。 （2）真空测量装置。）真空测量装置。 （3）真空阀门。）真空阀门。 （4）导管。）导管。 （5）其它元件：如捕集）其它元件：如捕集器、真空接头、波纹管等。器、真空接头、波纹管等。1.被抽容器被抽容器 2.真空测量规管真空测量规管 3.主阀主阀 4.预真空管道阀预真空管道阀 5.前级管道阀前级管道阀 6.软连接管道软连接管道 7.放气阀放气阀 8.前级泵前级泵 9.主泵（油扩散泵）主泵（油扩散泵） 10.水冷障板水冷障板开机方法：开机方法： 前级泵前级泵 主泵主泵关机方法：关机方法： 主泵主泵 前级泵前级泵C/CS/CC

3、AT/CECRIBECP1DP1TMP3RP3ArDG3IG3PS3GV302水环泵、旋片泵、水喷射泵、水环泵、旋片泵、水喷射泵、螺杆泵、爪式泵、罗茨泵、分子螺杆泵、爪式泵、罗茨泵、分子泵、泵、扩散泵、扩散泵、低温泵、吸附泵低温泵、吸附泵1）低真空阶段以机械泵为主（旋转、气体压缩）低真空阶段以机械泵为主（旋转、气体压缩）2）中真空、高真空、超高真空阶段以扩散泵、分子泵、低温）中真空、高真空、超高真空阶段以扩散泵、分子泵、低温泵为主泵为主基本概念：基本概念：主泵、粗抽泵、前级泵、粗真空泵、高真空泵、超高真空泵和主泵、粗抽泵、前级泵、粗真空泵、高真空泵、超高真空泵和增压泵增压泵工作压力和极限压力工

4、作压力和极限压力单级旋片泵结构 旋片泵工作原理 直联：转速快（直联：转速快（1400r/min），效率高，噪音小。），效率高，噪音小。间接联接间接联接(通过皮带或齿轮传动通过皮带或齿轮传动)：唯一优点就是价格便宜。唯一优点就是价格便宜。工作压力：工作压力：1atm； 极限压力：极限压力：10-2Pa无内压缩抽气，一般作为增压泵与机械泵串联；无内压缩抽气，一般作为增压泵与机械泵串联；优点：抽气能力大，而且起动快，预抽气时间短。优点：抽气能力大，而且起动快，预抽气时间短。工作压力：工作压力： 1atm ； 极限压力：极限压力：10-3Pa扩散泵扩散泵 工作原理工作原理工作压力：工作压力：10-11

5、0-6Pa； 极限压力：极限压力：10-8Pa优点：价格便宜，抽速大，便于维护优点：价格便宜，抽速大，便于维护缺点：油污染缺点：油污染 靠高速运动的刚体表面来携靠高速运动的刚体表面来携带气体分子实现抽气。带气体分子实现抽气。工作压力：工作压力：10-1Pa； 极限压力：极限压力：10-9Pa优点：可获得十分清洁的真空，有优点：可获得十分清洁的真空，有利于膜质量的提高。分子泵抽速很利于膜质量的提高。分子泵抽速很大，可以缩短工艺周期。大，可以缩短工艺周期。缺点：分子泵对氢（分子量小）的缺点：分子泵对氢（分子量小）的压缩比较小，残余气体中主要是氢。压缩比较小，残余气体中主要是氢。 利用低温表面（低于

6、利用低温表面（低于100K，MR3可达可达13K）冷凝、吸附和捕集）冷凝、吸附和捕集气体来获得和保持真空的设备。气体来获得和保持真空的设备。优点：优点： 1、极限压力低。、极限压力低。(20K可得可得10-8Pa， 4.2K可得可得10-10Pa 10-12Pa) 2、抽速大。、抽速大。 3、可抽各种气体，从而获得清洁、可抽各种气体，从而获得清洁的超高真空。的超高真空。 4、占地面积小，电力消耗少。、占地面积小，电力消耗少。 5、不产生碳氢化合物、金属膜的、不产生碳氢化合物、金属膜的剥落碎片及其它污染。剥落碎片及其它污染。工作压力：工作压力：10-2Pa； 极限压力：极限压力：10-12Pa（

7、1）应有足够大的抽气速率。既能迅速抽走镀膜过程中）应有足够大的抽气速率。既能迅速抽走镀膜过程中基片及蒸发材料和真空室内各构件所放出的气体，也能迅速基片及蒸发材料和真空室内各构件所放出的气体，也能迅速抽走溅射和离子镀膜过程中的掺气及系统的漏气。抽走溅射和离子镀膜过程中的掺气及系统的漏气。（2）镀膜机抽气系统的）镀膜机抽气系统的极限真空度极限真空度应根据镀制薄膜的不应根据镀制薄膜的不同而有所选择。同而有所选择。（3）镀膜室及其抽气系统的漏气率要小，必须把系统的）镀膜室及其抽气系统的漏气率要小，必须把系统的总漏气率限制在允许的范围之内。总漏气率限制在允许的范围之内。（4）真空系统的操作、使用及检修、

8、维护方便，性能稳）真空系统的操作、使用及检修、维护方便，性能稳定可靠。定可靠。 真真 空空 镀镀 膜膜 工工 艺艺极限真空度（极限真空度（Pa）工作真空度（工作真空度（Pa）真空蒸镀电容器纸真空蒸镀电容器纸真空蒸镀聚脂薄膜真空蒸镀聚脂薄膜真空蒸镀光学膜真空蒸镀光学膜半导体集成电路铝电极蒸发半导体集成电路铝电极蒸发介质膜、半导体膜、合金膜溅射镀介质膜、半导体膜、合金膜溅射镀膜膜磁控溅射镀膜磁控溅射镀膜反应离子蒸镀反应离子蒸镀TiN膜膜10311036.71042.71031046.71051041041042.71026.71032.71026.71031032.710411041022.710

9、2102 镀膜设备镀膜设备 (真空溅射镀膜、真空离子镀膜和真空化学气相沉真空溅射镀膜、真空离子镀膜和真空化学气相沉积等积等)上都设有充气系统。需要充入的气体分两类：上都设有充气系统。需要充入的气体分两类：1、工作气体：通常是各种惰性气体，以氩为主。、工作气体：通常是各种惰性气体，以氩为主。 因为氩不污染真空系统，容易得到较高的纯度，氩的电离因为氩不污染真空系统，容易得到较高的纯度，氩的电离电位较低，容易被激发电离，氩的等离子体稳定，容易获得高电位较低，容易被激发电离，氩的等离子体稳定，容易获得高电离度的等离子区。电离度的等离子区。2、反应气体：它与成膜的种类和工艺有关，例如，用磁控法、反应气体

10、：它与成膜的种类和工艺有关，例如，用磁控法镀镀TiN，应充入氮气。，应充入氮气。 镀膜设备镀膜设备 (真空溅射镀膜、真空离子镀膜和真空化学气相沉真空溅射镀膜、真空离子镀膜和真空化学气相沉积等积等)上都设有上都设有充气系统充气系统。需要充入的气体分两类：。需要充入的气体分两类：1、工作气体：通常是各种惰性气体，以氩为主。、工作气体：通常是各种惰性气体，以氩为主。 因为氩不污染真空系统，容易得到较高的纯度，氩的电离因为氩不污染真空系统，容易得到较高的纯度，氩的电离电位较低，容易被激发电离，氩的等离子体稳定，容易获得高电位较低，容易被激发电离，氩的等离子体稳定，容易获得高电离度的等离子区。电离度的等

11、离子区。2、反应气体：它与成膜的种类和工艺有关，例如，用磁控法、反应气体：它与成膜的种类和工艺有关，例如，用磁控法镀镀TiN，应充入氮气。，应充入氮气。0200400600800100012001E-211E-171E-131E-091E-051E-01I(A/cm )2v(V)正常放电弧光放电异常放电Townsend放电KA-+RVI项目项目真空蒸镀真空蒸镀阴极溅射阴极溅射离子镀离子镀粒子能量粒子能量0.11ev110ev数百数百数千数千ev沉积速度沉积速度m/mim0.1750.010.50.150附着性附着性一般一般相当好相当好非常好非常好绕射性绕射性不好不好好好好好1污染物的确定污染物

12、的确定2清洗方法的确定清洗方法的确定3清洗溶剂的选择清洗溶剂的选择4清洗程序及注意事项清洗程序及注意事项 改进真空系统中所有器壁和组件表面在工作条件下的工改进真空系统中所有器壁和组件表面在工作条件下的工作稳定性。作稳定性。 (工作条件包括：高温、低温、以及电子、离子、工作条件包括：高温、低温、以及电子、离子、光子或重粒子的发射和轰击。光子或重粒子的发射和轰击。)1）加工、装配、操作时沾染上的润滑剂、切削液、焊剂、粘接）加工、装配、操作时沾染上的润滑剂、切削液、焊剂、粘接剂、真空油脂等；剂、真空油脂等；2）水基类：操作时的汗迹、指纹、吹气时的水汽、唾液等；）水基类：操作时的汗迹、指纹、吹气时的水

13、汽、唾液等；3）表面氧化物：材料长期放置在空气中或放置在潮湿空气中所）表面氧化物：材料长期放置在空气中或放置在潮湿空气中所形成的表面氧化物；形成的表面氧化物；4）酸、碱、盐类物质：清洗时的残余物质、水中的矿物质等；）酸、碱、盐类物质：清洗时的残余物质、水中的矿物质等；5）抛光残渣及环境空气中的尘埃和其它有机物等。）抛光残渣及环境空气中的尘埃和其它有机物等。6）在真空设备的使用过程中，造成的真空系统再污染；）在真空设备的使用过程中，造成的真空系统再污染；7）表面污染物：表面污染物：a ）蒸汽压很高，）蒸汽压很高，b）吸附了大量气体。）吸附了大量气体。）原子级清洁表面：仅能在严格控制的超高真空条件

14、下实）原子级清洁表面：仅能在严格控制的超高真空条件下实现，一般需要通过较长的时间过程来实现，采用如加热、粒现，一般需要通过较长的时间过程来实现，采用如加热、粒子轰击、溅射、气体反应等技术手段在特定的表面区域内获子轰击、溅射、气体反应等技术手段在特定的表面区域内获得。得。 ）工艺技术上的清洁表面：保证所有的表面尽可能没有其它）工艺技术上的清洁表面：保证所有的表面尽可能没有其它微观结构物质，并且使清洗后表面的各种分子约束得更紧密，微观结构物质，并且使清洗后表面的各种分子约束得更紧密，在基体相上没有明显的化学物质。在基体相上没有明显的化学物质。溶溶 剂剂 清清 洗洗1）纯水（）纯水（O） 溶解阳离子

15、和阴离子结合的可溶性盐类溶解阳离子和阴离子结合的可溶性盐类2）无水有机溶剂）无水有机溶剂 无水乙醇、丙酮无水乙醇、丙酮(ACE)、甲酮、甲苯、航空汽油、甲酮、甲苯、航空汽油、松节油等。松节油等。有机溶剂特性：有机溶剂特性： a）挥发性强，吸附热小，不易吸附在物品表面上；）挥发性强，吸附热小，不易吸附在物品表面上； b）溶剂沸点低，一般在）溶剂沸点低，一般在100以下以下 ； c）有较强的溶解性，对油脂、树脂、石蜡等有较强）有较强的溶解性，对油脂、树脂、石蜡等有较强的溶除能力；的溶除能力； d）对光和热都比较敏感）对光和热都比较敏感 碱类碱类 ： 皂化类油去除：主要成分为脂肪，即甘油三酸酯。通过

16、皂化类油去除：主要成分为脂肪，即甘油三酸酯。通过皂化反应，除掉零件表面上粘附的油脂。皂化反应，除掉零件表面上粘附的油脂。矿物油去除：与碱液形成乳浊液（乳化作用），从物体表面矿物油去除：与碱液形成乳浊液（乳化作用），从物体表面清除。清除。 酸类：酸类： 金属表面的氧化层、氮化层、器件上的金属杂质、玻璃金属表面的氧化层、氮化层、器件上的金属杂质、玻璃表面的腐蚀层，可以通过酸类与其发生化学反应而除掉。表面的腐蚀层，可以通过酸类与其发生化学反应而除掉。 常用有：盐酸、硫酸、硝酸、氢氟酸等常用有：盐酸、硫酸、硝酸、氢氟酸等 利用高压液体喷射运动流体施加到表面黏附的粒子上利用高压液体喷射运动流体施加到表面

17、黏附的粒子上的剪切力来破坏粒子与表面间的粘附力，粒子悬浮于湍流的剪切力来破坏粒子与表面间的粘附力，粒子悬浮于湍流流体中，被流体从表面带走。流体中，被流体从表面带走。 氮气在材料表面吸附时，由于吸附热小，因而吸留表面氮气在材料表面吸附时，由于吸附热小，因而吸留表面时间极短。即便吸附在器壁上，也很容易被抽走。时间极短。即便吸附在器壁上，也很容易被抽走。 优点：缩短系统的抽气时间。如真空室先充氮气后充入优点：缩短系统的抽气时间。如真空室先充氮气后充入大气，大气，(可缩短近一半抽气时间可缩短近一半抽气时间)。或镀工件前用氮气喷一。或镀工件前用氮气喷一下下EBS的的Jig刷洗后，甩干时用的是刷洗后，甩干

18、时用的是N2保护气。保护气。MR3镀膜前用镀膜前用N2冲刷。冲刷。原理：原理： 超声空穴作用超声空穴作用超声波清洗设备超声波清洗设备 ：超声波发生器（仪）：超声波发生器（仪） 换能器（超声换能器（超声振子）振子） 清洗槽清洗槽超声波工作频率一般在超声波工作频率一般在2050kHz之间。之间。特点：声波本身能进入复杂构造异形孔道，所以超声波清特点：声波本身能进入复杂构造异形孔道，所以超声波清洗可以清除复杂有孔零件内部的污染物，这是一般清洗方洗可以清除复杂有孔零件内部的污染物，这是一般清洗方法所无法实现的。法所无法实现的。 在真空室中充入适当分压力的惰性气体（如在真空室中充入适当分压力的惰性气体（

19、如Ar气），气），可以利用两个适当的电极间的低压下的辉光放电产生的离可以利用两个适当的电极间的低压下的辉光放电产生的离子轰击来达到清洗的目的。子轰击来达到清洗的目的。 放电时的气体压力可在放电时的气体压力可在110Pa之间之间 ，放电电压在，放电电压在500 5000V (加入加入10%的氧气使某些碳氢化合物氧化生成易挥发性气的氧气使某些碳氢化合物氧化生成易挥发性气体而容易被真空系统排除。体而容易被真空系统排除。)级联碰撞：入射离子级联碰撞：入射离子靶面原子，产生弹性碰撞，动靶面原子，产生弹性碰撞，动能能靶面原子靶面原子靶内部原子靶内部原子经过一系列的碰撞过程经过一系列的碰撞过程 离子轰击固体

20、表面产生的各种现象离子轰击固体表面产生的各种现象 充氩必须注意合理地选择氩的流量，因为它的大小直接影响着镀膜室的真空度，对溅射成膜的速率以及膜的纯度有一定的影响。对于真空溅射镀膜，要求溅射室氩的压强保持在0.5Pa，又要求扩散泵入口压强为5102 Pa以下。为此，首先将真空室抽到104 105Pa的极限真空, 然后用针阀充入和调整氩气流量，直到扩散泵入口压强为5102Pa，固定针阀，再慢慢关闭主阀，直到溅射室真空度保持在6.7101Pa，再将主阀定位。也可以采用自动压强控制系统保持压强的恒定。 反应气体的种类很多，有氧、氮、甲烷、一氧化碳、硫化氢等。充入的量可用针阀、流量计等控制。 充工作气体

21、表面清洗的基本方法表面清洗的基本方法1 1）软化水或纯水）软化水或纯水离子杂质：如离子杂质：如Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Al3+、Zn2+、Cu2+、Ni2、Mn2、H、NH4、SO4、Cl、NO3、HCO3、CO3、PO43、OH一一、SiO32等。阳离子和等。阳离子和阴离子结合为可溶性盐类存在于水中阴离子结合为可溶性盐类存在于水中 高纯水：纯度可达高纯水：纯度可达999999，其电阻率达，其电阻率达18106 cm以上以上 原理：原理：纯水较强的溶解能力、水分子的极性和水的冲刷作用而纯水较强的溶解能力、水分子的极性和水的冲刷作用而达到去污目的。因为水分子是有极性的，其正负

22、电中心不重合，达到去污目的。因为水分子是有极性的，其正负电中心不重合，一端显示出正电性，另一端显示出负电性，对带电离子有吸引一端显示出正电性，另一端显示出负电性，对带电离子有吸引作用。正是由于这种作用，能将浸入纯水中的物体表面所吸附作用。正是由于这种作用，能将浸入纯水中的物体表面所吸附的离子杂质拉下水进而达到清除离子杂质目的。的离子杂质拉下水进而达到清除离子杂质目的。溶溶 剂剂 清清 洗洗共同特性：共同特性：1）挥发性强，吸附热小，不易吸附在物品表面上；）挥发性强，吸附热小，不易吸附在物品表面上；2 2）溶剂沸点低，一般在）溶剂沸点低，一般在100100以下以下 ；3 3）有较强的溶解性，对油

23、脂、树脂、石蜡等有较强）有较强的溶解性，对油脂、树脂、石蜡等有较强的溶除能力；的溶除能力；5) 5) 对光和热都比较敏感对光和热都比较敏感 去污原理：根据溶质在溶剂中的溶解遵循去污原理：根据溶质在溶剂中的溶解遵循“物质结构相似者相溶物质结构相似者相溶”的原则，只要两者结构相似，溶解就易进行。油脂不能溶于水，的原则，只要两者结构相似，溶解就易进行。油脂不能溶于水，但可以溶于有机溶剂中。但可以溶于有机溶剂中。 （1 1）甲苯）甲苯（2）丙酮）丙酮 它能与水、乙醇、乙醚、氯仿等有机溶剂混溶，具有很强的它能与水、乙醇、乙醚、氯仿等有机溶剂混溶，具有很强的溶解性能溶解油类、脂肪、树脂、橡胶、蜡、胶、有机

24、玻璃溶解性能溶解油类、脂肪、树脂、橡胶、蜡、胶、有机玻璃等有机物质，是优良的有机溶剂。使用方法可采取擦洗、浸泡、等有机物质，是优良的有机溶剂。使用方法可采取擦洗、浸泡、水浴加热、超声等方式清洗物品。水浴加热、超声等方式清洗物品。（3）乙醇）乙醇 乙醇能与水、乙醚、甲醇、氯仿混溶。乙醇分两种：普通乙乙醇能与水、乙醚、甲醇、氯仿混溶。乙醇分两种：普通乙醇，纯度为醇，纯度为95；无水乙醇，纯度为；无水乙醇，纯度为99.5，真空清洗使用，真空清洗使用的是后者。乙醇去油污能力不如甲苯和丙酮。加热后的无水乙的是后者。乙醇去油污能力不如甲苯和丙酮。加热后的无水乙醇除油能力较强。醇除油能力较强。 1盐酸盐酸

25、盐酸能与碱性氧化物，两性氧化物进行化学反应，产生金盐酸能与碱性氧化物，两性氧化物进行化学反应，产生金属氯化物。如铝和钢表面上的氧化铝和氧化铁，可用盐酸除掉。属氯化物。如铝和钢表面上的氧化铝和氧化铁，可用盐酸除掉。金属杂质能与盐酸发生化学反应生成氯化物而被清除。金属杂质能与盐酸发生化学反应生成氯化物而被清除。 2 2硫酸硫酸 表面存在的金属杂质，可利用硫酸的强氧化作用除掉。表面存在的金属杂质，可利用硫酸的强氧化作用除掉。可利用硫酸的强酸性除掉金属表面上的氧化物或者氢氧化物。可利用硫酸的强酸性除掉金属表面上的氧化物或者氢氧化物。 4. 氢氟酸氢氟酸：5. 金属清洗剂（市售商品）金属清洗剂（市售商品

26、）：分为酸性、碱性和中性分为酸性、碱性和中性偏碱等三类。偏碱等三类。 1 1）酸性：多用于清洗氧化物、锈和腐蚀物；）酸性：多用于清洗氧化物、锈和腐蚀物；2 2）碱性：含有表面活性剂，用于清除轻质油污；）碱性：含有表面活性剂，用于清除轻质油污；3 3）中性偏碱：可避免酸碱对表面的损伤。）中性偏碱：可避免酸碱对表面的损伤。 介质液体在稀疏处受到拉力而形成大量瞬时的空隙气泡，介质液体在稀疏处受到拉力而形成大量瞬时的空隙气泡，介质液体在稠密处受到压力使气泡闭合，由于振动的频率很介质液体在稠密处受到压力使气泡闭合，由于振动的频率很高，压密和拉疏过程在极快地变动，使得大量空隙气泡在瞬高，压密和拉疏过程在极

27、快地变动，使得大量空隙气泡在瞬间破碎，产生很强的爆破冲击波，波谱为连续谱加上离散谱。间破碎，产生很强的爆破冲击波，波谱为连续谱加上离散谱。这由小的内向爆裂气泡所产生的瞬时压力可大到几个大气压这由小的内向爆裂气泡所产生的瞬时压力可大到几个大气压甚至几十个大气压。在气泡的破裂过程中，气泡里面的气体甚至几十个大气压。在气泡的破裂过程中，气泡里面的气体能够被迅速加热。正是利用这个巨大的瞬时压力产生的强大能够被迅速加热。正是利用这个巨大的瞬时压力产生的强大冲击力量以及气泡瞬时闭合所产生的局部高温作用，破坏工冲击力量以及气泡瞬时闭合所产生的局部高温作用，破坏工件表面的油膜等污染物，使之脱离表面被冲落到清洗

28、溶液中，件表面的油膜等污染物，使之脱离表面被冲落到清洗溶液中，从而使工件表面达到净化。从而使工件表面达到净化。 清洗液选择：根据污染物种类的不同，选择纯水、清洗液选择：根据污染物种类的不同，选择纯水、有机溶剂清洗液或无机酸性，碱性和中性清洗液作有机溶剂清洗液或无机酸性，碱性和中性清洗液作为清洗介质。为了强化清洗效果，有时还在清洗液为清洗介质。为了强化清洗效果，有时还在清洗液中加入金刚砂研磨剂。清洗液可按以下原则选取：中加入金刚砂研磨剂。清洗液可按以下原则选取：表面张力小，表面张力小，对声波的衰减小，对声波的衰减小，对油脂的溶对油脂的溶解能力大，解能力大，无毒、无害物质。无毒、无害物质。1 1）

29、超声波发生器）超声波发生器 ：将将220V220V或或380V380V的交流电转换成的交流电转换成超声频的电振荡信号，其核心部件为振荡器超声频的电振荡信号，其核心部件为振荡器 2 2）超声换能器：将超声波发生器产生的超声频电振）超声换能器：将超声波发生器产生的超声频电振荡信号转换为超声频机械振动，它是超声清洗设备荡信号转换为超声频机械振动，它是超声清洗设备的关键部件。的关键部件。 3）清洗槽：清洗槽：超声清洗是在盛有清洗液的不锈钢槽中超声清洗是在盛有清洗液的不锈钢槽中进行的进行的, ,清洗槽底部或侧壁装有换能器。清洗槽底部或侧壁装有换能器。 工作频率的选择会直接影响到清洗效果。从超声工作频率的选择会直接影响到清洗效果。从超声清洗机理而言，所选择的频率要有利于气泡的产生、清洗机理而言，所选择的频率要有利于气泡的产生、发育和破灭，保证一定的空化效应。发育和破灭，保证一定的空化效应。 选择的工作频率过高，则不利于绝大多数气泡的选择的工作频率过高，则不利于绝大多数气泡的形成发育，气泡不破灭或虽破灭但产生的冲击波太小；形成发育，气泡不破灭或虽破灭但产生的冲击波太小；如果工作频率选的过低时，虽然低频产生的气泡及冲如果工作频率选的过低时，虽然低频产生的气泡及冲击波大，但是噪