第一章薄膜制备的真空技术基础

1、第一章第一章 薄膜制备的真空技术基础薄膜制备的真空技术基础n大部分的现代薄膜材料制备都是在真空或是较低大部分的现代薄膜材料制备都是在真空或是较低的气压下进行的，都涉及到气相的产生、输运以的气压下进行的，都涉及到气相的产生、输运以及反应的过程。及反应的过程。n因此，这一章中，我们先对有关气体的基本性质因此，这一章中，我们先对有关气体的基本性质进行简要的回顾，然后对最常用的真空技术的基进行简要的回顾，然后对最常用的真空技术的基础知识进行简单的介绍。础知识进行简单的介绍。第一章第一章 薄膜制备的真空技术基础薄膜制备的真空技术基础n1.1气体分子运动论气体分子运动论的基本概念的基本概念n1.2真空的基

2、本概念真空的基本概念n1.3 各类真空泵简介各类真空泵简介n1.4 真空测量技术真空测量技术n1.5 几种典型真空系统的建立几种典型真空系统的建立1.1 气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本概念1. 描述气体分子状态的宏观物理量描述气体分子状态的宏观物理量-P、T、V 气体分子之间除了相互碰撞的瞬间外，气体分子之间除了相互碰撞的瞬间外，完全不存在相互作用。完全不存在相互作用。n一般的温度和压力条件下，所有的气体都可以被看一般的温度和压力条件下，所有的气体都可以被看作是理想气体。作是理想气体。n真空技术中研究气体时，一般可以应用理想气体状真空技术中研究气体时，一般可以应用理想气体状态方程

3、。态方程。1.1 气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本概念1. 描述气体分子状态的宏观物理量描述气体分子状态的宏观物理量-P、T、V （1） 理想气体状态方程：理想气体状态方程： P：压强（：压强（Pa）；）；m：气体质量（：气体质量（Kg）；）；V：体积（：体积（m3）；）；R：普适气体常数：普适气体常数 =8.314J.mol-1K-1 ：T：绝对温度（：绝对温度（K）讨论：讨论： 对于一定质量的气体，当气体温度一定时，对于一定质量的气体，当气体温度一定时，PV = K（与温度有关的常数），（与温度有关的常数），此即波义耳此即波义耳-马略特定律（机械泵的理论基础）。马略特定律（机械

4、泵的理论基础）。molmPVRTM1.1 气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本概念1. 描述气体分子状态的宏观物理量描述气体分子状态的宏观物理量-P、T、V （2） 阿伏加德罗定律阿伏加德罗定律：（理想气体状态方程的第二种表达方式）：（理想气体状态方程的第二种表达方式） n为气体分子密度（为气体分子密度（1/m3）；波尔兹蔓常数）；波尔兹蔓常数k=R/NA=1.38 10-23JK-1；NA为阿伏加德罗常数，为阿伏加德罗常数，6.023 1023mol-1表明在相同压强和温度下，各种气体单位体积含分子数相同表明在相同压强和温度下，各种气体单位体积含分子数相同（与气体种类无（与气体种类无

5、关）关）。在标准状态下，任何气体的分子密度为在标准状态下，任何气体的分子密度为3 1019个个/m3pnkT1.1 气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本概念1. 描述气体分子状态的宏观物理量描述气体分子状态的宏观物理量-P、T、V （2） 阿伏加德罗定律阿伏加德罗定律：（理想气体状态方程的第二种表达方式）：（理想气体状态方程的第二种表达方式） 若气体由若气体由N个分子组成，每个分子的质量为个分子组成，每个分子的质量为M，则，则m=MN。而而1mol气体中的分子数气体中的分子数NA=6.023 1023，将，将Mmol=MNA代入理代入理想气体状态方程，则推出阿伏伽德罗定律。想气体状态方

6、程，则推出阿伏伽德罗定律。pnkT1.1 气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本概念 真空容器中气体分子运动是混乱的。气体分子进行无规真空容器中气体分子运动是混乱的。气体分子进行无规则热运动的每一时刻，每个分子的运动速率有偶然性，然而，则热运动的每一时刻，每个分子的运动速率有偶然性，然而，对于大量气体分子而言，其速率分布遵循统计规律。对于大量气体分子而言，其速率分布遵循统计规律。1.1 气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本概念f(v)速率分布函数（表明气体分子的速度分布只取决于分子的相对原子质量速率分布函数（表明气体分子的速度分布只取决于分子的相对原子质量M与热力学温与热力学温度

7、度T的比值），的比值），M-分子的摩尔质量，分子的摩尔质量，T为热力学温度，为热力学温度，R为普适气体常数。为普适气体常数。f(v)dv=dN/N为速率位于为速率位于v-(v+dv)区间的相对分子数或分子处于区间的相对分子数或分子处于v-(v+dv)间的几率。或者间的几率。或者f(v)dv表示在速率附近，表示在速率附近，dv速率间隔内的分子数占总分子数的比率。速率间隔内的分子数占总分子数的比率。dN = Nf(v)dv 设有设有N个气体分子的理想气体，在平衡状态速率处在个气体分子的理想气体，在平衡状态速率处在v-(v+dv)之间之间的分子数：的分子数：1.1 气体分子运动论的基本概念气体分子运

8、动论的基本概念f(v)速率分布函数，速率分布函数，M-分子的摩尔质量，分子的摩尔质量，T为热力学温度，为热力学温度，R为普适气体常数。为普适气体常数。物理意义物理意义：dN = Nf(v)dv 设有设有N个气体分子的理想气体，在平衡状态速率处在个气体分子的理想气体，在平衡状态速率处在v-(v+dv)之间之间的分子数：的分子数：1.1 气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本概念 为了更深入地理解速率分布函数所表达的意义，以下图为了更深入地理解速率分布函数所表达的意义，以下图H2和和N2分子为例，对其速率分布进行了定量描述。分子为例，对其速率分布进行了定量描述。1.1 气体分子运动论的基本概

9、念气体分子运动论的基本概念 图中表示，总分子数为图中表示，总分子数为107个、速率间隔个、速率间隔dv为为1cm/s时，时，在不同速率范围的分子数。例如，在不同速率范围的分子数。例如，0 的的N2分子，分子，v处于处于1000-1000.01m/s范围内的分子数大约为范围内的分子数大约为9个。个。 由曲线可知，气体分子的速度具有很大的分布区间，平由曲线可知，气体分子的速度具有很大的分布区间，平衡温度越低，曲线越陡，分子按速率分布越集中；温度越高，衡温度越低，曲线越陡，分子按速率分布越集中；温度越高，曲线平缓，分子按速率分布越分散。气体分子的相对原子质曲线平缓，分子按速率分布越分散。气体分子的相

10、对原子质量越小，则分子的平均运动速度越大。量越小，则分子的平均运动速度越大。1.1 气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本概念3 . 气体分子的平均自由程气体分子的平均自由程 处于无规则热运动中的气体分子，彼此处于无规则热运动中的气体分子，彼此间不断碰撞，单位时间内气体分子的碰撞次间不断碰撞，单位时间内气体分子的碰撞次数称为碰撞频率。特定种类的气体分子的碰数称为碰撞频率。特定种类的气体分子的碰撞频率与气体分子热运动的速率有关，与气撞频率与气体分子热运动的速率有关，与气体的密度有关。体的密度有关。1.1 气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本概念3 . 气体分子的平均自由程气体分子的

11、平均自由程q碰撞频率：单位时间内气体分子的碰撞次数。碰撞频率：单位时间内气体分子的碰撞次数。q自由程：分子任意两次碰撞之间通过的路程，自由程：分子任意两次碰撞之间通过的路程，。：大量分子多次碰撞自由程大量分子多次碰撞自由程的平均值，的平均值， 。 或：一个气体分子连续两次碰撞间飞行距离的平均或：一个气体分子连续两次碰撞间飞行距离的平均值称为平均自由程值称为平均自由程 1.1 气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本概念3 . 气体分子的平均自由程气体分子的平均自由程一个气体分子在两次碰撞之间的平均距离：一个气体分子在两次碰撞之间的平均距离： n : 单位体积内的分子数；单位体积内的分子数；

12、 d : 气体分子的直径气体分子的直径 nd21*思考题思考题：平均自由程在制膜中的重要作用？：平均自由程在制膜中的重要作用？答答影响气体分子到达衬底的分子能量，能量对成膜结构质量有很多影响。影响气体分子到达衬底的分子能量，能量对成膜结构质量有很多影响。 自由程小自由程小碰撞多碰撞多气体分子能量气体分子能量薄膜疏松、不致密薄膜疏松、不致密1.1 气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本概念3 . 气体分子的平均自由程气体分子的平均自由程-补充补充（1） 在常温常压条件下，空气分子的有效截面直径在常温常压条件下，空气分子的有效截面直径d 0.5nm。由由T=298K，P=nKT(P=1013

13、25Pa），代入），代入 公式得到：公式得到： 50nm。表明在常温常压下，气体分子的平均自由程是。表明在常温常压下，气体分子的平均自由程是极短的。极短的。（2）由气体分子的平均自由程还可以求出其平均碰撞频率）由气体分子的平均自由程还可以求出其平均碰撞频率=va/（常温常压时，（常温常压时，va=460m/s）。所以常温常压下，每个）。所以常温常压下，每个空气分子每秒内要经历空气分子每秒内要经历1010次碰撞。运动轨迹并不是直线，次碰撞。运动轨迹并不是直线，而是不断碰撞改变方向。而是不断碰撞改变方向。RTMPNkTPMRTvnmolAmol216844. 单位面积上气体分子的碰撞频率单位面积上

14、气体分子的碰撞频率 即单位面积上气体分子的通量（即单位面积上气体分子的通量（单位时间内，碰撞于单位时间内，碰撞于单位面积上的气体分子数单位面积上的气体分子数）。）。克努森方程克努森方程因子因子1/4是对气体分子运动方向和运动速度分布进行数学是对气体分子运动方向和运动速度分布进行数学平均时得到的一个系数（球坐标）。平均时得到的一个系数（球坐标）。1.1 气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本概念衬底完全被一层分子覆盖所需时间：衬底完全被一层分子覆盖所需时间：PNRTMNNtAmol2N为表面原子密度为表面原子密度n常温常压下，洁净表面被杂质完全覆盖所需时常温常压下，洁净表面被杂质完全覆盖所

15、需时3.5 10-9 s, n在在10-8Pa的高真空中，这一时间为的高真空中，这一时间为10h。5 气体的流动状态气体的流动状态 气体的无规则热运动本身不能导致气体的宏观气体的无规则热运动本身不能导致气体的宏观流动，只有流动，只有在空间存在压力差的条件下，气体在空间存在压力差的条件下，气体作为一个整体才会产生宏观的定向流动。作为一个整体才会产生宏观的定向流动。n气体流动取决于容器形状，气体气压，温度及气体流动取决于容器形状，气体气压，温度及气体种类。气体种类。1.1 气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本概念气体流动状态分类气体流动状态分类分子流状态分子流状态: 分子间无相互碰撞分子间

16、无相互碰撞 （高真空度，容器高真空度，容器尺寸远小于或与平均自由程相当尺寸远小于或与平均自由程相当）粘滞流状态粘滞流状态分子间碰撞平繁分子间碰撞平繁（中、低真空度，（中、低真空度，容器尺寸远大于容器尺寸远大于平均自由程）平均自由程）层流状态层流状态：低速流情况：低速流情况（宏观运动（宏观运动方向与一组平行线一致。气体流动速度越慢，方向与一组平行线一致。气体流动速度越慢，气体的密度越小，真空容器的尺寸越小，气气体的密度越小，真空容器的尺寸越小，气体的黏度系数越大，则越有利于气流形成层体的黏度系数越大，则越有利于气流形成层流）流）涡流状态涡流状态：高速流情况：高速流情况（有漩涡）（有漩涡）5 气体

17、的流动状态气体的流动状态1.1 气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本概念与水流动类似，平静的小河为层流，波涛汹涌的大海则紊流。与水流动类似，平静的小河为层流，波涛汹涌的大海则紊流。对于管道气：抽口处为紊流，远处则层流。对于管道气：抽口处为紊流，远处则层流。气体流动可按气体流动可按克努森准数克努森准数来划分：来划分：Kn = D/ D为容器尺寸；为容器尺寸； 为平均自由程为平均自由程n 分子流状态：分子流状态：Kn 1n 中中 间间 状状 态：态：Kn=1110 n 粘滞流状态：粘滞流状态：Kn 110 图图1.2 气体流动状态与真空系统气体流动状态与真空系统 尺寸和气体压力之间的关系尺

18、寸和气体压力之间的关系5 气体的流动状态气体的流动状态1.1 气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本概念1. 何为真空何为真空物理学上的物理学上的“真空真空”是指没有或者不计气体分子和原是指没有或者不计气体分子和原子存在的物理空间，仅存在各种能量粒子的场空间；子存在的物理空间，仅存在各种能量粒子的场空间；一般意义上的一般意义上的“真空真空”并不是指并不是指“什么物质也不存什么物质也不存在在”。应用物理与技术所讨论的应用物理与技术所讨论的“真空真空”低于一个大气低于一个大气压力的稀薄气体的空间状态。压力的稀薄气体的空间状态。1.2 真空的基本概念真空的基本概念1. 何为真空何为真空1.2

19、真空的基本概念真空的基本概念人造真空人造真空自然真空自然真空真空真空: 地球大气层以外的宇宙真空地球大气层以外的宇宙真空 （在还平面（在还平面上，大气产生的压力为上，大气产生的压力为101325Pa，约，约100KPa，工，工程中称为一个标准大气压。而珠峰顶处的气压为程中称为一个标准大气压。而珠峰顶处的气压为32Kpa，仅为海平面压力的三分之一左右），仅为海平面压力的三分之一左右）: 运用科技手段抽掉密闭容器中的气体运用科技手段抽掉密闭容器中的气体 迄今为止，采用最高超的真空技术所能达到的最低压力状态迄今为止，采用最高超的真空技术所能达到的最低压力状态大致为大致为10-12-10-13Pa，还

20、远未达到绝对真空。，还远未达到绝对真空。 2. 真空度的表征真空度的表征 通常用通常用压强压强为单位来描述为单位来描述“真空真空”状态下的气体稀状态下的气体稀薄程度薄程度真空度真空度。压强高则表示真空度低，低则表示真空度高。压强高则表示真空度低，低则表示真空度高。真空度高表示真空度真空度高表示真空度“好好”，低则表示真空度，低则表示真空度“差差”。1.2 真空的基本概念真空的基本概念2. 真空度的表征真空度的表征(1) 帕斯卡（帕斯卡（Pa）：）：国际单位制国际单位制1Pa = 1牛顿牛顿/米米2 = 1千克千克/米米秒秒2 = 10达因达因/cm2 = 7.5 10-3 Torr(2) 托（

21、托（Torr)： 1 Torr = 1/760atm （一个标准大气压）（一个标准大气压）= 133.32 Pa(3) 毫米汞柱（毫米汞柱（mmHg）：）：0时时1 mmHg作用在单位面积上的力。作用在单位面积上的力。 一个标准大气压（一个标准大气压（atm）= 760 mmHg 1 mmHg约等于约等于1托。托。(4) 巴（巴（bar）：）：1bar = 105 Pa1.2 真空的基本概念真空的基本概念2. 真空度的表征真空度的表征n为了便于讨论和实际应用，在我国，常把真空为了便于讨论和实际应用，在我国，常把真空定性地粗划分为粗真空、低真空、高真空和超定性地粗划分为粗真空、低真空、高真空和超

22、高真空四个区域（表高真空四个区域（表1-1）。）。n各区域的真空物理特性如表各区域的真空物理特性如表1-2所示。（所示。（P3）1.2 真空的基本概念真空的基本概念2. 真空度的表征真空度的表征n在薄膜技术领域，可以认为地将真空环境粗略地划分在薄膜技术领域，可以认为地将真空环境粗略地划分为（为（GB3163-82）：）：q低真空：低真空： 102Pa 工业应用（包装）工业应用（包装）q中真空：中真空： 10210-1Pa CVD沉积技术沉积技术q高真空：高真空： 10-110-5Pa 溅射沉积技术溅射沉积技术q超高真空：超高真空： 10-5Pa 原子表面和界面分析原子表面和界面分析1.2 真空

23、的基本概念真空的基本概念4. 真空及制膜设备真空及制膜设备n超高真空条件下，气体分子以在固体上吸附停留为主，超高真空条件下，气体分子以在固体上吸附停留为主，其它真空度时，气体分子以空间飞行为主。其它真空度时，气体分子以空间飞行为主。n不同的薄膜制备和分析技术队真空度的要求是不同的。不同的薄膜制备和分析技术队真空度的要求是不同的。JP450磁控溅射镀膜系统磁控溅射镀膜系统等离子增强等离子增强CVD和热丝和热丝CVD复合系统复合系统一真空沉积系统一真空沉积系统二、真空抽气系统二、真空抽气系统三、真空测量系统三、真空测量系统 四、电源系统四、电源系统 五、气路系统五、气路系统 对于一个真空系统理论上

24、所能达到的真空度，与真空对于一个真空系统理论上所能达到的真空度，与真空泵、真空系统的结构材料、加工工艺、管道等因素有关。泵、真空系统的结构材料、加工工艺、管道等因素有关。1.气体管路的流导、极限真空度和抽气速率气体管路的流导、极限真空度和抽气速率 (1) 真空管路中气体的通过能力，真空管路中气体的通过能力， 流导流导C定义为定义为 P1和和P2为管路两端的气压，为管路两端的气压，Q为单位时间内通过管为单位时间内通过管路的气体流量。路的气体流量。 21PPQC1.3 真空的获得真空的获得QP2P1301.气体管路的流导、极限真空度和抽气速率气体管路的流导、极限真空度和抽气速率 描述真空部件的气体

25、通过能力，它使流动着的气体形成一定描述真空部件的气体通过能力，它使流动着的气体形成一定程度压力降低。程度压力降低。 泵泵1 泵泵2真空室真空室真空室真空室 泵泵1泵泵2并联可以提高抽速并联可以提高抽速 串联可以提高极限真空度串联可以提高极限真空度流导的串联和并联流导的串联和并联1.3 真空的获得真空的获得(2) 极限真空度极限真空度指被抽容器不漏气，经真空泵充分抽气后所能达到的最指被抽容器不漏气，经真空泵充分抽气后所能达到的最高真空度。高真空度。1.3 真空的获得真空的获得(3)真空抽速真空抽速 真空泵的抽速真空泵的抽速S定义为定义为 -P为真空泵入口处气压，为真空泵入口处气压，Q为单位时间内

26、通过该处为单位时间内通过该处 的气体流量的气体流量S特指一个截面上的气体流速特指一个截面上的气体流速。PQS 1.3 真空的获得真空的获得(a) 流量各处相等（无回流）：流量各处相等（无回流）： Q = C(P-Pp)=SpPp 真空容器出口处的实际抽速：真空容器出口处的实际抽速： 无回流无回流有回流有回流CSCSSPP泵对容器的实际抽速泵对容器的实际抽速S永远小于泵的永远小于泵的理论抽速，也永远小于管路的流导理论抽速，也永远小于管路的流导C，即即S是是Sp、C受两者中较小的一个所限制。受两者中较小的一个所限制。1.3 真空的获得真空的获得无回流无回流有回流有回流）（）（PPSPQSSQPPS

27、QPSQPSQPPPPPPPP0011流流 量量泵的极限真空泵的极限真空实际抽速实际抽速（b）有回流）有回流1.3 真空的获得真空的获得同时考虑真空泵回流、真空容器的泄露、真空管路的流导以及真空容器的容同时考虑真空泵回流、真空容器的泄露、真空管路的流导以及真空容器的容积等因素之后，整个真空系统的极限真空度总要低于真空泵的极限真空度。积等因素之后，整个真空系统的极限真空度总要低于真空泵的极限真空度。2. 真空的获得真空的获得 按工作原理主要分为按工作原理主要分为: 机械运动机械运动（罗茨真空泵，涡轮分子泵）（罗茨真空泵，涡轮分子泵）; 蒸汽流喷射蒸汽流喷射（扩散泵）（扩散泵）; 吸附作用吸附作用

28、（溅射离子泵）（溅射离子泵）它们所能达到的极限真空度以及载能力都各有不同。它们所能达到的极限真空度以及载能力都各有不同。存在于一个封闭的且压力比周围大气压小很多的环境中。存在于一个封闭的且压力比周围大气压小很多的环境中。（低于一个大气压的气体空间）（低于一个大气压的气体空间）真空泵是真空获得的主要工具。真空泵是真空获得的主要工具。按按真真空空获获得得方方法法输运式真空泵输运式真空泵捕获式真空泵捕获式真空泵对气体进行压缩的对气体进行压缩的方式将气体分子输方式将气体分子输送到真空系统外送到真空系统外依靠在真空系统内凝依靠在真空系统内凝结或吸附气体分子的结或吸附气体分子的方式将气体分子捕获方式将气体

29、分子捕获溅射离子泵溅射离子泵低温吸附泵低温吸附泵旋片式机械真空泵旋片式机械真空泵罗茨泵罗茨泵涡轮分子泵涡轮分子泵油扩散泵油扩散泵2. 真空的获得真空的获得典型的真空系统包括：待抽空的容器（真空室或真空腔）、获典型的真空系统包括：待抽空的容器（真空室或真空腔）、获得真空的设备（真空泵）、测量真空的器具（真空规），以及得真空的设备（真空泵）、测量真空的器具（真空规），以及必要的管道、阀门和其他附属设备。必要的管道、阀门和其他附属设备。真空的获得真空的获得n低真空：初级泵低真空：初级泵P100Pa，使用机械泵就可以。使用机械泵就可以。n中级真空和高级真空的获中级真空和高级真空的获得，需要初级泵和高级

30、泵得，需要初级泵和高级泵共同作用。分子泵等高级共同作用。分子泵等高级泵抽出的气不能直接排到泵抽出的气不能直接排到大气，要先排到机械泵。大气，要先排到机械泵。初级泵为高级泵抽气初级泵为高级泵抽气n对于任何一个真空系统而言，都不可能得到绝对真对于任何一个真空系统而言，都不可能得到绝对真空（空（P=0），而是具有一定的压力），而是具有一定的压力Pm，称为，称为（或极限真空）。这是系统能达到的最低压力，（或极限真空）。这是系统能达到的最低压力，是真空系统能否满足镀膜需要的重要指标之一。是真空系统能否满足镀膜需要的重要指标之一。n第二个主要指标是第二个主要指标是，指在规定压力下单位，指在规定压力下单位时

31、间所抽出气体的体积，决定抽真空所需要的时间。时间所抽出气体的体积，决定抽真空所需要的时间。3 真空泵简介真空泵简介n机械泵的工作原理是建筑在机械泵的工作原理是建筑在玻义耳马略特定律玻义耳马略特定律的基础上的，的基础上的，PVK，K为与温度有关的常数。为与温度有关的常数。n即在温度不变的条件下，容器的体积和气体压强即在温度不变的条件下，容器的体积和气体压强成反比。成反比。3 真空泵简介真空泵简介n工作原理：工作原理： 利用泵腔内活塞的往复运动，将气体吸入、压缩并排出。利用泵腔内活塞的往复运动，将气体吸入、压缩并排出。3 真空泵简介真空泵简介（1） 往复式真空泵往复式真空泵n工作原理：工作原理：

32、运转时，在电动机的驱动下，通过曲柄连杆机构的作用，使汽缸内运转时，在电动机的驱动下，通过曲柄连杆机构的作用，使汽缸内的活塞做往复运动。当活塞在汽缸内从左端向右端运动时，由于汽缸的的活塞做往复运动。当活塞在汽缸内从左端向右端运动时，由于汽缸的左腔体积不断增大，汽缸内气体的密度减小，而形成抽气过程，此时被左腔体积不断增大，汽缸内气体的密度减小，而形成抽气过程，此时被抽容器内的气体经过吸气阀进入泵体左腔。当活塞达到最右位置时，汽抽容器内的气体经过吸气阀进入泵体左腔。当活塞达到最右位置时，汽缸左腔内就完全充满了气体。接着活塞从右端向左端运动，此时吸气阀缸左腔内就完全充满了气体。接着活塞从右端向左端运动

33、，此时吸气阀关闭。汽缸内气体随着活塞从右向左运动而逐渐被压缩，当汽缸内气体关闭。汽缸内气体随着活塞从右向左运动而逐渐被压缩，当汽缸内气体的压力达到或稍大于一个大气压时，排气阀被打开，将气体排到大气中，的压力达到或稍大于一个大气压时，排气阀被打开，将气体排到大气中，完成一个工作循环。当活塞再自左向右运动时，又重复前一个循环，如完成一个工作循环。当活塞再自左向右运动时，又重复前一个循环，如此反复下去，被抽容器内最终达到真空状态下的某一稳定的平衡压力。此反复下去，被抽容器内最终达到真空状态下的某一稳定的平衡压力。3 真空泵简介真空泵简介（1） 往复式真空泵往复式真空泵n工作原理：工作原理： 依靠偏心

34、连杆机构驱动滑阀，在滑阀运动时，依靠偏心连杆机构驱动滑阀，在滑阀运动时，气体经由吸气口被吸入泵体内，然后在滑阀压气体经由吸气口被吸入泵体内，然后在滑阀压缩下经排气阀排出泵体缩下经排气阀排出泵体n工作参数：工作参数：q理论抽速：理论抽速：Sp=Vf (V为转子与定子间的为转子与定子间的体积；体积；f为转速）为转速）q实际抽速：实际抽速： 10-500L/sq极限真空：单级为极限真空：单级为103Pa；两级串联为；两级串联为1Pan特点与使用特点与使用 单独使用或用作其它泵的前级泵，低真空系单独使用或用作其它泵的前级泵，低真空系统。统。n 缺点缺点：油污染。油污染。3 真空泵简介真空泵简介（2）

35、滑阀式真空泵滑阀式真空泵滑阀式真空泵的结构示意图滑阀式真空泵的结构示意图油的作用：运动部油的作用：运动部件间的密封，对机件间的密封，对机械部件润滑。械部件润滑。3 真空泵简介真空泵简介（2） 滑阀式真空泵滑阀式真空泵n与泵同心的驱动轴带动偏心轮旋转，偏心轮带动滑阀环运动，使与泵同心的驱动轴带动偏心轮旋转，偏心轮带动滑阀环运动，使滑阀杆在导轨中上下滑动和左右摆动。滑阀将泵腔分成滑阀杆在导轨中上下滑动和左右摆动。滑阀将泵腔分成A、B两个两个部分。当驱动轴按图中所示方向转动时，部分。当驱动轴按图中所示方向转动时，A腔的容积增加，压力降腔的容积增加，压力降低，泵入口气体经滑阀杆（低，泵入口气体经滑阀杆

36、（A腔一侧的开口）进入腔一侧的开口）进入A腔，此时处于腔，此时处于吸气过程。当滑阀处于左上方位置时，吸气过程。当滑阀处于左上方位置时，A腔容积达到最大，此时进腔容积达到最大，此时进气口与气口与A腔隔绝，完成吸气过程；腔隔绝，完成吸气过程；B腔的容积减小，压缩气体。当腔的容积减小，压缩气体。当B腔内气体压力达到排气压力时，推开油封的排气阀，开始排气。腔内气体压力达到排气压力时，推开油封的排气阀，开始排气。当滑阀处于左上方位置时，排气终了。在连续运转过程中，泵不当滑阀处于左上方位置时，排气终了。在连续运转过程中，泵不断地进行吸气、压缩和排气过程，从而达到了连续抽气的目的。断地进行吸气、压缩和排气过

37、程，从而达到了连续抽气的目的。3 真空泵简介真空泵简介（2） 滑阀式真空泵滑阀式真空泵n工作原理：工作原理： 依靠放置在偏心转子中的可以滑进滑出的旋依靠放置在偏心转子中的可以滑进滑出的旋片，将气体隔离，压缩，然后排出泵体之外。片，将气体隔离，压缩，然后排出泵体之外。n工作参数：工作参数：n理论抽速：理论抽速：Sp=Vf: (V为转子与定子间的体积；为转子与定子间的体积；f为转速）为转速）n实际抽速：实际抽速： 1-300L/sn极限真空：单级为极限真空：单级为1Pa；两级串联为；两级串联为10-2 Pan特点与使用特点与使用单独使用或用作其它高级泵的前级泵，低真空系统单独使用或用作其它高级泵的

38、前级泵，低真空系统.n 缺点：缺点：油污染油污染 （3）真空泵简介真空泵简介-旋片式真空泵旋片式真空泵旋片式真空泵的结构示意图旋片式真空泵的结构示意图（3）真空泵简介真空泵简介-旋片式真空泵旋片式真空泵 转子偏心地安装于泵体内且外圆与泵体内表面相切转子偏心地安装于泵体内且外圆与泵体内表面相切（两者间有很小的间隙），转子开槽，槽内装有旋片。（两者间有很小的间隙），转子开槽，槽内装有旋片。当转子旋转时，旋片靠离心力和弹簧张力使其顶端与泵当转子旋转时，旋片靠离心力和弹簧张力使其顶端与泵腔始终接触，沿泵体内壁滑动。腔始终接触，沿泵体内壁滑动。 若按箭头方向旋转时，若按箭头方向旋转时，A空间的溶剂增加，

39、压力降低，空间的溶剂增加，压力降低，气体经泵入口被吸入，此时处于吸气过程；气体经泵入口被吸入，此时处于吸气过程；B空间的溶剂空间的溶剂减小，压力增加，处于压缩过程；减小，压力增加，处于压缩过程；C空间容积进一步缩小，空间容积进一步缩小，压力进一步增加，当压力超过排气压力时，压缩气体推压力进一步增加，当压力超过排气压力时，压缩气体推开油密封的排气阀，处于向大气中的排气过程。开油密封的排气阀，处于向大气中的排气过程。（3）真空泵简介真空泵简介-旋片式真空泵旋片式真空泵n型号：型号：2XZ-2, 2XZ-4, 2XZ-8（4）真空泵简介真空泵简介干性机械泵干性机械泵n工作原理工作原理 通过增加腔的容

40、积来降低压力通过增加腔的容积来降低压力n特点与使用特点与使用 使用非金属材料作为运动表使用非金属材料作为运动表面，以避免使用填缝剂和润面，以避免使用填缝剂和润滑剂，从而可避免油污染反滑剂，从而可避免油污染反应室。现今集成电路工艺中应室。现今集成电路工艺中使用干性泵。使用干性泵。n缺点：缺点： 极限真空度低，噪声大，价极限真空度低，噪声大，价格高格高旋转支架干性机械泵旋转支架干性机械泵（4）真空泵简介真空泵简介干性机械泵干性机械泵 两个转子按箭头方向旋转时，吸气口与泵两个转子按箭头方向旋转时，吸气口与泵腔接通，泵腔容积变大而吸气，当转子关闭吸腔接通，泵腔容积变大而吸气，当转子关闭吸气口时吸气结束

41、，以后泵腔变小而压缩气体，气口时吸气结束，以后泵腔变小而压缩气体，当排气口打开后泵腔排气，排气口关闭时则排当排气口打开后泵腔排气，排气口关闭时则排气完毕，如此循环工作。气完毕，如此循环工作。n工作原理：工作原理： 泵体内两个呈泵体内两个呈8字型的转子以相反的方字型的转子以相反的方向旋转，转子的咬合精度很高，被抽向旋转，转子的咬合精度很高，被抽气体从吸气口进入泵腔，被封闭在吸气体从吸气口进入泵腔，被封闭在吸气腔气腔V2之内，再经排气口排出泵外。之内，再经排气口排出泵外。n工作参数：工作参数：n理论抽速：理论抽速：Sp=Vf:n实际抽速：实际抽速： 1-103L/sn极限真空：极限真空：10-2

42、Pan特点与使用特点与使用与旋片机械泵串联使用，不能直与旋片机械泵串联使用，不能直接向空气排气。现正设计新型的接向空气排气。现正设计新型的可直接向空气排气的罗茨泵。高可直接向空气排气的罗茨泵。高真空系统；价格较贵。真空系统；价格较贵。（5）真空泵简介真空泵简介- 罗茨泵罗茨泵罗茨泵结构示意图罗茨泵结构示意图（5）真空泵简介真空泵简介- 罗茨泵罗茨泵 泵体内两个呈泵体内两个呈8字型的转子以相反的方向旋转，字型的转子以相反的方向旋转，转子的咬合精度很高，被抽气体从吸气口进入泵腔，转子的咬合精度很高，被抽气体从吸气口进入泵腔，被封闭在吸气腔被封闭在吸气腔V2之内，在经排气口排出泵外。之内，在经排气口

43、排出泵外。（由于在吸入（由于在吸入V2空间内的气体没有被压缩，当转子空间内的气体没有被压缩，当转子的顶部转过排气口边缘时，的顶部转过排气口边缘时，V2空间这时与排气侧相空间这时与排气侧相通，由于排气侧气体压力较高，有部分高压气体返通，由于排气侧气体压力较高，有部分高压气体返流到流到V2空间内，使泵腔内突然升高达到排气压力。空间内，使泵腔内突然升高达到排气压力。转子继续旋转时，被抽气体排出泵外。）转子继续旋转时，被抽气体排出泵外。）n工作原理：工作原理： 将扩散泵油加热至高温蒸发状态将扩散泵油加热至高温蒸发状态(200oC)，让油蒸气呈多级状向下定向高速喷出时让油蒸气呈多级状向下定向高速喷出时不

44、断撞击使其被迫向排气口运动，在压不断撞击使其被迫向排气口运动，在压缩作用下被排出泵体。同时泵体冷却的缩作用下被排出泵体。同时泵体冷却的油蒸汽又会凝聚返回泵的底部油蒸汽又会凝聚返回泵的底部n工作参数：工作参数：实际抽速：实际抽速： 1-104L/s (决决定于泵体口径）定于泵体口径）极限真空：极限真空：10-5 Pan特点与使用特点与使用与旋片机械泵串联使用，需要机械泵抽与旋片机械泵串联使用，需要机械泵抽预真空预真空(1Pa)；油污染；价格便宜。；油污染；价格便宜。（6）真空泵简介真空泵简介- 油扩散泵油扩散泵油扩散泵结构示意图油扩散泵结构示意图n扩散泵油被加热后产生大量的油蒸气，扩散泵油被加热

45、后产生大量的油蒸气，油蒸气沿着蒸气导管传输到上部，经伞油蒸气沿着蒸气导管传输到上部，经伞形喷嘴向外喷射出。由于喷嘴外的压强形喷嘴向外喷射出。由于喷嘴外的压强较低，于是蒸气会向下喷射出较长距离，较低，于是蒸气会向下喷射出较长距离，形成一高速定向的蒸气流。其射流的速形成一高速定向的蒸气流。其射流的速度可达度可达200m/s甚至甚至2倍音速以上，且倍音速以上，且其分压强低于扩散泵进气口上方被抽气其分压强低于扩散泵进气口上方被抽气体的分压强，两者形成压强差。这样真体的分压强，两者形成压强差。这样真空室内的气体分子必然会向着压强较低空室内的气体分子必然会向着压强较低的扩散泵喷口处扩散，跟具有较高动量的扩

46、散泵喷口处扩散，跟具有较高动量和能量的超音速蒸气分子相碰撞而发生和能量的超音速蒸气分子相碰撞而发生动量和能量交换。动量和能量交换。（6）真空泵简介真空泵简介- 油扩散泵油扩散泵油扩散泵结构示意图油扩散泵结构示意图n气体分子在高速油分子碰撞推动下，气体分子在高速油分子碰撞推动下，被赶向下方，在泵下方形成密集气被赶向下方，在泵下方形成密集气体分子流，在出口处被前置泵抽走，体分子流，在出口处被前置泵抽走，而从喷嘴射出的油蒸气流喷到水冷而从喷嘴射出的油蒸气流喷到水冷的泵壁被冷凝成液体，流回泵底再的泵壁被冷凝成液体，流回泵底再重新被电炉加热形成蒸气。这样，重新被电炉加热形成蒸气。这样，在泵内保证了油蒸气

47、的循环，使扩在泵内保证了油蒸气的循环，使扩散泵能连续不断地工作，从而使被散泵能连续不断地工作，从而使被抽容器获得较高的真空度。抽容器获得较高的真空度。（6）真空泵简介真空泵简介- 油扩散泵油扩散泵油扩散泵结构示意图油扩散泵结构示意图（7）真空泵简介真空泵简介- 涡轮分子泵涡轮分子泵n工作原理：工作原理： 靠机械运动对气体分子施加作靠机械运动对气体分子施加作用，并使气体分子向特定方向运用，并使气体分子向特定方向运动的原理来工作的。涡轮分子泵动的原理来工作的。涡轮分子泵的转子叶片具有特定的形状，以的转子叶片具有特定的形状，以20000-30000转转/分的高速旋转，分的高速旋转，将动量传给气体分子

48、，多级叶片将动量传给气体分子，多级叶片(10-40)的连续压缩保证了分子泵的连续压缩保证了分子泵的高效快速的工作。的高效快速的工作。n工作参数：工作参数：n实际抽速实际抽速： 1000L/s (决定于决定于泵体口径和转速）泵体口径和转速）n极限真空极限真空：10-8 Pa涡轮分子泵结构示意图涡轮分子泵结构示意图n特点与使用特点与使用 与旋片机械泵串联使用，需要机械泵抽预真空至与旋片机械泵串联使用，需要机械泵抽预真空至1Pa以以下；无油污染；价格昂贵。下；无油污染；价格昂贵。n导致涡轮泵出问题的最常见的原因导致涡轮泵出问题的最常见的原因 1 、突然将泵暴露于大气之下，涡轮叶片弯曲并互相碰撞，、突

49、然将泵暴露于大气之下，涡轮叶片弯曲并互相碰撞， 导致极大的失败。导致极大的失败。 2、涡轮泵的回转轴是精密平衡的，所以在使用过程中严禁、涡轮泵的回转轴是精密平衡的，所以在使用过程中严禁移动或冲撞。移动或冲撞。（7）真空泵简介真空泵简介- 涡轮分子泵涡轮分子泵n分子泵输送气体通常应满足以下两个条件：分子泵输送气体通常应满足以下两个条件： 1 、必须在分子流状态下工作，需配备前级泵。、必须在分子流状态下工作，需配备前级泵。 2、转子叶片必须具有与气体分子速度相近的线速度。、转子叶片必须具有与气体分子速度相近的线速度。（7）真空泵简介真空泵简介- 涡轮分子泵涡轮分子泵（8）真空泵简介）真空泵简介-

50、低温吸附泵低温吸附泵n工作原理：工作原理： 依靠气体分子在低温条件下自发凝结或依靠气体分子在低温条件下自发凝结或被其他物质表面吸附的性质实现对气体被其他物质表面吸附的性质实现对气体分子的去除，进而获得高真空的装置分子的去除，进而获得高真空的装置 。真空度依赖于低温度，吸附物质的表面真空度依赖于低温度，吸附物质的表面积和吸附气体的种类等。积和吸附气体的种类等。n工作参数：工作参数：n常用的吸附物质：金属表面；活性碳；常用的吸附物质：金属表面；活性碳；沸石等分子筛沸石等分子筛n极限真空：极限真空：10-110-8 Pan特点与使用特点与使用 需要机械泵抽预真空需要机械泵抽预真空(10-1pa)；无

51、油高真；无油高真空系统；价格较贵；高温时，被吸附的空系统；价格较贵；高温时，被吸附的气体又释放出来。气体又释放出来。低温吸附泵结构示意图低温吸附泵结构示意图（8）真空泵简介）真空泵简介- 低温吸附泵低温吸附泵n利用低温表面将被抽空间的气体冷凝、捕集、吸附或冷凝吸附，使利用低温表面将被抽空间的气体冷凝、捕集、吸附或冷凝吸附，使被抽空间的压力大大降低，从而获得并维持真空状态的抽气装置。低被抽空间的压力大大降低，从而获得并维持真空状态的抽气装置。低温泵抽气是一种储存式捕集排气，它所抽走的气体不是直接排到泵外，温泵抽气是一种储存式捕集排气，它所抽走的气体不是直接排到泵外，而是储留在泵内，一旦冷凝表面温

52、度发生变化，它所抽走的气体又重而是储留在泵内，一旦冷凝表面温度发生变化，它所抽走的气体又重新放出，而破坏泵的正常工作。新放出，而破坏泵的正常工作。n 泵停止工作后，关闭高真空隔离阀，可以保持真空度不变。制冷剂泵停止工作后，关闭高真空隔离阀，可以保持真空度不变。制冷剂不再产生冷量，冷头逐渐恢复常温。这时，冻结在冷板上的可凝性气不再产生冷量，冷头逐渐恢复常温。这时，冻结在冷板上的可凝性气体将蒸发，被活性炭吸附的非可凝性气体将解吸，它们都跑到气相中体将蒸发，被活性炭吸附的非可凝性气体将解吸，它们都跑到气相中去，从而形成较高的压力。为安全及排出这些气体，在泵壳上设有再去，从而形成较高的压力。为安全及排

53、出这些气体，在泵壳上设有再生抽气排出口，泵工作时，它用密封塞塞住。当停机时，泵壳内压力生抽气排出口，泵工作时，它用密封塞塞住。当停机时，泵壳内压力升高，通过内外压力差将密封塞顶开，壳内气体自动排放到大气。升高，通过内外压力差将密封塞顶开，壳内气体自动排放到大气。（9）真空泵简介真空泵简介- 溅射离子泵溅射离子泵n工作原理：工作原理： 依靠高压阴极发射出的高速电子与残余气依靠高压阴极发射出的高速电子与残余气体分子相互碰撞后引起气体电离放电，而体分子相互碰撞后引起气体电离放电，而电离后的气体分子在高速撞击阴极时又会电离后的气体分子在高速撞击阴极时又会溅射出大量的溅射出大量的Ti原子。由于原子。由于

54、Ti原子的活性原子的活性很高，因而它将以吸附或化学反应的形式很高，因而它将以吸附或化学反应的形式捕获大量的气体分子并在泵体内沉积下来，捕获大量的气体分子并在泵体内沉积下来，实现超高真空的获得。实现超高真空的获得。n工作参数：工作参数：实际抽速：实际抽速： 决定于泵体口径和阴极高压决定于泵体口径和阴极高压极限真空：极限真空：10-8 Pan特点与使用特点与使用与旋片机械泵和分子泵配合使用，需要抽与旋片机械泵和分子泵配合使用，需要抽预真空预真空(10-6 Pa)；无油污染；超高真空洁净；无油污染；超高真空洁净系统；价格昂贵。适于抽除惰性气体。系统；价格昂贵。适于抽除惰性气体。溅射离子泵结构示意图溅

55、射离子泵结构示意图（9）真空泵简介真空泵简介- 溅射离子泵溅射离子泵n溅射离子泵的抽速对不同的气体是不一样的。溅射离子泵的抽速对不同的气体是不一样的。它所抽除的气体分子不会在高温下再被释放出它所抽除的气体分子不会在高温下再被释放出来。同时，来。同时，Ti电极的不断溅射使得离子泵的寿电极的不断溅射使得离子泵的寿命是有一定限度的，它根据所使用的真空度范命是有一定限度的，它根据所使用的真空度范围不同溅射而变化很大。为了延长围不同溅射而变化很大。为了延长Ti电极的使电极的使用寿命，溅射离子泵多与其他泵串连起来使用用寿命，溅射离子泵多与其他泵串连起来使用于高真空系统之中。于高真空系统之中。1.4 真空测

56、量技术真空测量技术n目前，真空技术所涉及的压强范围极广，因此找不出一目前，真空技术所涉及的压强范围极广，因此找不出一种压强计能覆盖整个压强范围。种压强计能覆盖整个压强范围。n人们往往是针对具体的被测压强范围，设法用这样那样人们往往是针对具体的被测压强范围，设法用这样那样的手段来测量。换句话说，真空规是基于不同气体的物的手段来测量。换句话说，真空规是基于不同气体的物理参数而制造的，各有千秋。理参数而制造的，各有千秋。n那么，怎么的真空规好呢？适合于具体的工作条件的真那么，怎么的真空规好呢？适合于具体的工作条件的真空规，就是最好的。空规，就是最好的。1.4 真空测量技术真空测量技术n根据真空度范围

57、不同，真空测量方法和原理各不同。根据真空度范围不同，真空测量方法和原理各不同。n测量出的真空度与实际真空度之间可能由于温度的不同测量出的真空度与实际真空度之间可能由于温度的不同而存在误差，而且当气体处于分子流状态，真空室与测而存在误差，而且当气体处于分子流状态，真空室与测试点的气压也有所不同。试点的气压也有所不同。 pc/pm = (Tc/Tm)1/2 Tc, Tm分别为真空室和测试点的温度分别为真空室和测试点的温度n当气体的流动状态接近甚至达到粘滞流状态的情况下，当气体的流动状态接近甚至达到粘滞流状态的情况下，温差造成的测量误差趋于温差造成的测量误差趋于0。1.4 真空测量技术真空测量技术n

58、真空测量元件常被称为真空测量元件常被称为真空规真空规。n真空测量技术分为低真空和高真空测量。真空测量技术分为低真空和高真空测量。n常用的有三种方法：常用的有三种方法：1. 热偶真空规和皮拉尼真空规热偶真空规和皮拉尼真空规2. 薄膜真空规薄膜真空规3. 电离真空规电离真空规（1）真空测量技术真空测量技术-热偶规或皮拉尼规热偶规或皮拉尼规n热偶规或皮拉尼规都是以气体的热导率随气体压热偶规或皮拉尼规都是以气体的热导率随气体压力的变化为基础设计的，是低真空时最常用的测力的变化为基础设计的，是低真空时最常用的测量手段。量手段。n 对不同气体的测量结果不同，因不同气体分子的对不同气体的测量结果不同，因不同

59、气体分子的导热系数不同。导热系数不同。（1）真空测量技术真空测量技术-热偶规或皮拉尼规热偶规或皮拉尼规n热偶规工作原理热偶规工作原理：气体的热导率随气体压力变化（气体热导率随着气体压力：气体的热导率随气体压力变化（气体热导率随着气体压力 的增加而上升，因而热丝的温度会随着气体压力的上升而降低），通的增加而上升，因而热丝的温度会随着气体压力的上升而降低），通 过热电偶测出热丝的温度，也就相应的测出了环境的气体压强。过热电偶测出热丝的温度，也就相应的测出了环境的气体压强。n测量范围测量范围： 热偶规热偶规 0.1-100Pan特点与使用特点与使用： 属低真空测量，属低真空测量，仪器结构简单，使用方

60、便。仪器结构简单，使用方便。 （1）真空测量技术真空测量技术-热偶规或皮拉尼规热偶规或皮拉尼规n皮拉尼工作原理皮拉尼工作原理：（电阻真空规）通过测量热丝的电阻随温度的变化实现：（电阻真空规）通过测量热丝的电阻随温度的变化实现 对真空度的测量。对真空度的测量。 n测量范围测量范围： 皮拉尼皮拉尼 0.1Pa-0.1MPan特点与使用特点与使用： 属低真空测量，优缺点与热欧规相似。属低真空测量，优缺点与热欧规相似。仪器结构简单，仪器结构简单， 使用方便。使用方便。 。（2）真空测量技术真空测量技术电离真空规电离真空规n工作原理工作原理：利用某种手段使进入规管中的部分气体分子发生电离，收集利用某种手