真空材料与工艺技术培训资料课件

主讲人：张以忱东北大学真空与流体工程研究中心真空材料与工艺主讲人：张以忱真空材料与工艺11真空工程材料1.1真空材料的种类真空系统中所用的材料大致可分为两类：1)结构材料：是构成真空系统主体的材料，它将真空系统与大气隔开，承受着大气压力。这类材料主要是各种金属和非金属材料，包括可拆卸连接处的密封垫圈材料。2)辅助材料：系统中某些零件连接处或系统漏气处的辅助密封用的真空封脂、真空封蜡、装配时用的粘接剂、焊剂、真空泵及系统中用的真空油、吸气剂、工作气体及系统中所用的加热元件材料等。1真空工程材料1.1真空材料的种类21．2真空材料的性能与选材基本原则

1.2.1材料的真空性能1.2.1.1材料的渗透性由于在真空容器器壁两侧的气体总是存在压力差，气体从密度大的一侧向密度小的一侧渗入、扩散、通过和逸出固体阻挡层的过程称为渗透。该情况下的稳态流率称为渗透率。

从微观的角度来看，渗透过程是按以下步骤进行的（见图1）1．2真空材料的性能与选材基本原则

1.2.1材料的真3图1气体渗透过程示意图

图1气体渗透过程示意图4气体渗透过程：1).首先，气体原子或分子碰撞到真空器壁的外表面并吸附在器壁的外表面；2).吸附时有的气体分子能离解成原子态；3).气体（分子或原子）在入射一侧的壁面表层达到与环境气压相对应的平衡溶解度；4).由于表层浓度比较高，在浓度梯度的作用下气体向壁面的另一侧扩散，直到浓度均匀为止。扩散的气体分子（原子），有的能与固体分子发生化学反应，形成化合物；有的只形成不稳定的“假化合物”；有的则构成溶质；5).溶质气体扩散到器壁的另一面重新结合成分子态(如果存在步骤2时)后释放；或气体扩散到器壁的另一面后解吸和释出。气体渗透过程：1).首先，气体原子或分子碰撞到真空器壁的外5在渗透过程中，扩散这一环节是最慢最关键的一步，它与渗透气体及壁面材料的种类和性质有密切关系。一般说来，非金属材料没有步骤（2），在非金属材料（塑料、橡胶、玻璃、陶瓷等）表面上，气体分子不离解；而金属材料能溶解的气体多数是双原子气体（如H2、O2、N2等），具有步骤（2）。但是在正常热条件下，几乎所有的惰性气体都不能溶解在金属材料的晶格中（离子注入条件下除外），因而也就不能渗透通过金属材料。在渗透过程中，扩散这一环节是最慢最关键的一步，它与渗透气体及6在真空工程中所用的金属、玻璃、橡胶及塑料等，对气体来说或多或少都可以渗透。其渗透量随不同的气体和材料而异，而且差异较大。

对金属：有些金属（如：不锈钢、铜、铝、钼等）的气体渗透系数就很小，在大多数实际应用中可以忽略不计。但对某些金属（如：铁、镍等），氢气对它们就具有较高的渗透率。氢气对钢的渗透率随含碳量的增加而增加，所以选择低碳钢做真空室材料为好；另外有些金属对气体的渗透具有选择性，如氢气就极容易渗透过钯，氧气易透过银等。可以利用这个性质对气体进行提纯和真空检漏。在真空工程中所用的金属、玻璃、橡胶及塑料等，对气体来说或多或7气体对玻璃、陶瓷等的渗透：一般是以分子态的形式进行的。渗透过程和气体分子的体积及材料内部微孔大小有关。含纯二氧化硅的石英玻璃的微孔孔径约为4埃，其它玻璃因碱金属离子（钾、纳、钡等）填充于微孔之中，使其有效孔径变小，所以各种气体对石英玻璃的渗透性大，而对其它玻璃的渗透性就小。而氦分子的直径在各种气体分子中最小，所以氦对石英玻璃的渗透在气体－固体配偶中是最大的。

气体对玻璃、陶瓷等的渗透：一般是以分子态的形式进行的81.2.1.2材料的出气任何固体材料在制造过程中，及在大气环境下存放都能溶解、吸附一些气体。当材料置于真空中时，原有的动态平衡被破坏，材料就会因解溶、解吸而出气。对一般真空设备来说，材料的出气是真空系统中最主要的气源。常用的出气速率单位有：Pa.L/s.cm2。1.2.1.2材料的出气任何固体材料在制造过程9材料出气总量:出气速率通常与材料中的气体含量和温度成正比。所以有时（如电真空器件）也用高温下材料的出气总量作为选材依据。出气总量的单位：考虑体积含量为主时可用Pa.L/g；考虑表面含量为主时则用Pa.L/cm2。

对真空系统设计来说，仅有材料的出气速率的数据还是不够的，因为有许多真空泵的抽气能力是有选择性的，所以进一步知道材料出气中的各种气体成分的比例，就能有针对性的选配合适的真空泵，得到更合理的设计。材料出气总量:出气速率通常与材料中的气体含量和温度成正比。所101.2.1.3材料的蒸发、升华、蒸气压

物质的状态依据一定的条件而相互转化。液态转化成气态的过程称为蒸发，固态转化成气态的过程称为升华。

在一定的温度下，在封闭的真空空间中，由于液体（或固体）气化的结果，使空间的蒸气密度逐渐增加，当达到一定的蒸气压力之后，单位时间内脱离液体（或固体）表面的分子数与从空间返回液体（或固体）表面的再凝结分子数相等，即蒸发（或升华）速率与凝结速率达到动态平衡，这时可认为气化停止，此时的蒸气压力称为该温度下，该液体（或固体）的饱和蒸气压。1.2.1.3材料的蒸发、升华、蒸气压物11材料的

蒸气压力

与

放气压力

区分：

材料的放气压力与材料对气体的解吸、放气或渗透有关。虽然有时放气或热解吸造成的气体压力比材料固有的蒸气压力要高的多，但是通过在真空下烘烤能够降低它们对气体压力的影响，但是材料的蒸气压力却是材料本身所固有的、不变的。材料的蒸气压力与放气压力区分：材料的放气压121.2.2材料的其它性能1)机械强度:系统的器壁承受大气的压力。2）热学性能:系统承受温度的变化，材料的抗热冲击的特性。3）电磁性能：

系统中的部件具备能完成某项功能或工序所要求的电磁性能，同时这些性能又不能与真空系统的要求相矛盾。4）

其它性能：光学性能（例观察窗）、硬度、抗腐蚀性、热导率和热膨胀等性能。1.2.2材料的其它性能1)机械强度:系统131.2.3真空材料的选材原则

1.2.3.1对真空壳体及内部零件材料的要求1足够的机械强度和刚度来保证壳体的承压能力；2气密性好。要保持一个完好的真空环境，器壁材料不应存在多孔结构、裂纹或形成渗漏的其它缺陷。有较低的渗透速率和出气速率；3在工作和烘烤温度下的饱和蒸气压要足够低。4化学稳定性好。。5热稳定性好。在工作温度范围内，保持良好的真空性能和机械性能。6有较好机械加工性能及焊接性能。1.2.3真空材料的选材原则

1.2.3.1对真141.2.3.2对密封材料的要求

1有足够低的饱和蒸气压。2化学及热稳定性好。在密封部位，不因合理的温升而发生软化，发生化学反应或挥发，甚至被大气冲破。3

3有一定的机械及物理性能。4某些密封材料应能溶于某些溶剂中，以便更换时易于清洗掉。1.2.3.2对密封材料的要求1有足够低的饱和蒸151.3金属材料

在真空系统设计与制造中常用的金属及其合金材料主要有：低碳钢、不锈钢、铜、铝、镍、金、银、钨、钼、钽、铌、钛、铟、镓、可伐合金、镍铬（铁）合金、磁性合金、铜合金、铸铁、铸铜、铸铝等。1.3金属材料在真空系统设计与制造中常161.3.1铸件

铸件大多用于制造各种机械真空泵泵体。要求铸件具有较高的致密性。

当工作温度较高时，不应选用含有磷、锌、镉等元素的铜合金铸件。1.3.1铸件铸件大多用于制造各种机械真空泵泵体171.3.2钢及不锈钢

1.3.2.1钢碳钢一般应用在低真空工作范围

表面处理：镀层涂覆或裸露抛光

问题：表面放气、大气渗透

设计热态工作真空系统时必须注意：气体渗透1.3.2钢及不锈钢1.3.2.1钢碳钢一般18中低真空系统：轴类、杆件、螺纹类零件以及重负荷的传动机件等：真空容器壳体、阀、管道、蒸气流泵的泵体：45＃钢

导磁性的结构：例磁控溅射靶的磁极靴

10#、15＃、20＃钢及普通碳素结构钢（例Q235A）中低真空系统：轴类、杆件、螺纹类零件以及重负荷的传动机件等191.3.2.2不锈钢

奥氏体型不锈钢：

马氏体型不锈钢：1.3×10-4Pa以上系统：奥体无磁不锈钢

工作范围：－270℃～900℃耐高温、抗腐蚀或需要热处理（淬火、调质）的轴、阀盖、封口等：马体不锈钢

1.3.2.2不锈钢奥氏体型不锈钢：马氏体型不锈钢20

1.3.2.3不锈复合钢板不锈复合钢板是以碳钢为基体，以不锈钢为复层经热迭轧制而成

真空设备常用：1Cr18Ni9Ti＋Q235A0Cr18Ni9Ti＋Q235A不适用：内径小于600mm的真空装置1.3.2.3不锈复合钢板不锈复合钢板是以碳211.3.3.1镍用途：阴极、栅极、阳极、吸气剂和热屏蔽罩及机械构件中的基体材料

镍对大气，水、盐水、碱以及大多数的有机酸都具有抗腐蚀性。

镍导磁性好，磁化强度大，在需要避免磁效应的场合禁止使用镍对氢具有很高的可渗透率和溶解度：1.3.3有色金属1.3.3.1镍用途：阴极、栅极、阳极、吸气剂和热屏蔽罩22在高真空及超高真空中最常用的是无氧铜用途：喷嘴、障板、冷阱、密封、电极等无氧铜有良好的真空气密性，对气体的溶解度低，在室温下不渗透氢和氦，而且对氧气和水蒸气的敏感性差、塑性好。

Cu不易使用温度过高，在200℃以上时Cu的抗拉强度陡降；当温度超过500℃时，Cu的蒸气压比Ni的蒸气压大约高一个数量级。无氧铜会被氧腐蚀，并在200℃以上时产生锈斑。它也会被含氧的酸腐蚀。1.3.3.2铜在高真空及超高真空中最常用的是无氧铜用途：喷嘴、障板、231.3.3.3铝

特性：1).密度小；2).导电、导热性好；3).在大气、水及部分腐蚀性介质中耐蚀性好（因其表面形成的氧化铝膜）；4).延展性良好；5).强度低；6）非磁性纯铝熔点660℃，在1100℃以上时会很快地蒸发。铝和耐熔的加热材料之间易于相浸润。1.3.3.3铝特性：1).密度小；2).导电、24

真空室内的轻型支架、放电电极、扩散泵的喷嘴、导流管、挡油障板、分子泵中的叶片、密封垫片材料及耐腐蚀及装饰镀层材料等

铝的机械强度在200℃左右时迅速下降，铝的蒸气压相对较高，因此只能用在300℃以下的烘烤真空系统中。铝难于进行普通熔焊和钎焊，一般焊接铝：真空钎焊。用途：设计应用注意问题：真空室内的轻型支架、放电电极、扩散泵的喷嘴、导流管、挡油251.3.3.4钛

钛可以加工成形，没有磁性，是理想的结构材料，适合用做镀膜设备中的磁控溅射靶、溅射离子泵的阴极等。钛对活性气体（如O2、N2、CO、CO2以及650℃以上的水蒸气）的吸附性很强

！！！应避免在H2气氛中加热Ti，因为这样能迅速形成TiH1.3.3.4钛钛可以加工成形，没有磁性，是理想的结26

1.3.3.5锆

纯锆是一种特别活泼的金属，它特别对氢气及氢的同位素氘、氚等有较强的吸附能力。Zr的中子截面很小；

Zr的二次电子发射产额低，可以用来作吸气剂（如锆铝吸气泵）；可用作中子窗；镀在不希望发射二次电子的基体材料上。特点：用途：1.3.3.5锆纯锆是一种特别活泼27

铂（Pt）、铱（Ir）

1.3.4贵重金属铂是延展性最好的金属之一，容易加工。

铂、铱在高温时不与氧反应抗氧化阴极热丝可采用在铱或铂铱合金的基材上涂覆一层高发射能力的材料。可采用纯铱丝（纯度99.9％以上）作基材，氧化钇（Y2O3）作为涂覆的发射材料。但这种氧化钇阴极不宜在有大量油蒸汽的环境下工作，受沾污后，使发射性能下降。铂（Pt）、铱（Ir）1.3.4贵重金属铂是延展性281.3.4.2钯

(Pd)

钯是一种价格相对便宜的贵重金属，其硬度和强度类似于铂。

钯在空气中加热会被氧化；

钯对H2表现出很高的溶解度（约体积的1000倍）。钯对H2的渗透率特别高（尤其在～400℃时）

H2过滤器和检漏仪中（H－Pd法检漏）

1.3.4.2钯(Pd)钯是一种价格相291.3.4.3金（Au）

金是一种延展性和可锻性都特别好的金属，是极好的导电体。对气体（尤其是氧气）的化学吸附性或溶解度很弱。

1.3.4.4银（Ag）

与金不同的是，银对O2的溶解度很高，氧在加热的银中扩散的快，与纯净的氢气通过钯的方式一样。

1.3.4.3金（Au）金是一种延展性和可锻301.3.5软金属1.3.5.1铟（In）

铟是一种特别软、低熔点（156℃）的金属，它的蒸气压很低。1.3.5.2

镓（Ga）

镓的熔点很低，在30℃时熔化，但是镓的蒸气压相当低，因此可用做液体密封材料。

1.3.5软金属1.3.5.1铟（In）311.3.6

难熔金属

1.3.6.1

钨

(W)钨腐蚀：热的王水和1:1的HF与HNO3的混合液

钨在常用的难熔材料中熔点(3400C)最高，而相应的蒸气压最低。钨是一种很硬、比较脆，化学性质很稳定的元素，钨没有磁性。

1.3.6难熔金属

1.3.6.1钨(W)321.3.6.2钼（Mo）钼是一种硬度高、无磁性、化学性质稳定的难熔(2610)金属。它只在高温时表现出氧化性，

钼腐蚀：热的稀HCl溶液

1:1的HF与HNO3混合液的1.3.6.3

钽（Ta）

钽是一种重量轻、强度高的难熔金属。它的熔点很高（2900℃）、蒸气压很低、对所有的活泼气体（包括氢在内）都具有较明显的吸气性能。

1.3.6.2钼（Mo）钼是一种硬度高、无磁性33钨、钼材料制成的蒸发源钨、钼材料制成的蒸发源34蒸发源材料的熔点和相应的饱和蒸汽压的温度蒸发源材料的熔点和相应的饱和蒸汽压的温度351.3.6.4铼（Re）

铼的熔点(3176C)很高（仅次于钨），在高温时，蒸气压低。铼在退火后的强度和延展性都很好，但是铼的表面硬度极高，使某些机械加工比较困难。铼不受HF或HCl的腐蚀，抗氧化能力和抗碳化能力比钨好。1.3.6.4铼（Re）铼的熔点(317361.3.7汞（Hg）

汞是一种重金属，在室温下呈液态。汞的导电性能很好，膨胀系数变化很小，表面张力大，但蒸气压比较高。汞在空气中的蒸发速率很高（室温下为10-4g.cm-2.s-1），能轻微地氧化。可用作多种开关、温度计、压力计（如麦氏计）和液态密封材料。

！！！汞蒸气有毒，因此汞应在密闭的环境中使用。

用途：1.3.7汞（Hg）汞是一种重金属，在室温下呈371.3.8可伐合金可伐(Kovar)是一种铁镍钴合金，它是在玻璃－金属密封封接中最常用的合金。它的膨胀系数与几种硬质玻璃、陶瓷相匹配。

可伐的抗腐蚀性不如不锈钢1.3.9

铬

铬的熔点是1900℃(1Pa时，蒸发温度为1397℃)。铬的附着力强，可以作为附着力较差的镀膜材料的“附着剂”，即做为基体和膜层界面的过渡金属。

1.3.8可伐合金可伐(Kovar)是一种铁381.4非金属材料真空系统中常用的非金属材料:密封材料和绝缘材料

1.4.1

玻璃

玻璃是由多种无机氧化物熔炼而成的，其主要成份是二氧化硅（SiO2）。

玻璃只有软化点而无确切的熔点和凝固点，其粘度或刚性随温度的升高而逐渐下降。玻璃很硬、刚性和脆性很大，且大多数是透明的，化学性质稳定，对大多数气体来说，玻璃的渗透率非常低。1.4非金属材料真空系统中常用的非金属材料:密391.4.1.1

真空技术中用玻璃的优缺点

1.4.1.2

玻璃的分类

软玻璃：热膨胀系数在70×10－7mm.mm-1℃-1；硬玻璃：热膨胀系数在(5～65)×10－7mm.mm－1℃－1之间。

不同氧化物与二氧化硅的熔合，可以制成不同特性的玻璃，分类如下：1.4.1.1真空技术中用玻璃的优缺点1.4.1.240（1）铅玻璃

：含有35～65％的SiO2和Al2O3、氧化铅（～15％）和碱性氧化物。

铅玻璃极易加工、电阻率很高。常用制作照明灯具（灯泡和灯管）等。重铅玻璃通常较软，一般用来屏蔽辐射。（2）钠钙玻璃：含有65～75％SiO2和Al2O3、～15％Na2O、～10％CaO（石灰）及其它氧化物

大多数的钠钙玻璃和铅玻璃同属于软玻璃

（1）铅玻璃：含有35～65％的SiO2和Al2O3、氧41（3）硼硅玻璃：75～95％的SiO2和矾土，其余成分主要是氧化硼。

硼硅玻璃的热膨胀系数低而电阻高，抗热冲击性好并且化学性质稳定。用途：太阳能集热管等

（4）石英玻璃：所含的SiO2≥96%

石英玻璃的热膨胀系数非常低，能承受很大的热冲击。可在900℃高温下持续使用，只有在1200～1500℃时才变软。石英玻璃的硬度比硼硅玻璃高，加工更困难。

0.4nm.各种气体对石英玻璃的渗透性大，氦对石英玻璃的渗透在气体－固体配偶中是最大的。（3）硼硅玻璃：75～95％的SiO2和矾土，其余成分主421.4.1.4玻璃的粘度

、热膨胀系数与热导率1.4.1.5

电阻率与电击穿强度1.4.1.3玻璃的机械性能。

1）

电阻率

2）

电击穿强度:体电阻率值很高（可达1019Ω.cm）

产生电击穿所需的电场强度

1.4.1.6

玻璃的抗化学腐蚀性能1.4.1.7

玻璃的渗透率与放气

室温下玻璃的蒸气压极低。除了H2和He之外，实际上玻璃对其余所有的气体都不渗透。在制备玻璃过程中，气体被捕获于玻璃内部成为合成产物，而且还被吸附在表面上。1.4.1.4玻璃的粘度、热膨胀系数与热导率1.443钠钙玻璃最大放气量在140℃，铅玻璃在175℃，硼硅玻璃在300℃。

钠钙玻璃最大放气量在140℃，铅玻璃在175℃，硼硅玻璃在3441.4.2陶瓷

1.4.2.1陶瓷的性质

1.4.2.2

真空中常用的陶瓷硬而脆、强度高、热稳定性好，能承受高温（软化温度约为1900℃）和高场强。1）

硅酸盐陶瓷

硬瓷、镁-铝硅酸盐、无碱铝陶瓷、锆石陶瓷2）

氧化物陶瓷

氧化铝（蓝宝石），Al2O3MgO陶瓷

3）

可机械加工的陶瓷Macor、Lavas、氮化硼（BN）

1.4.2陶瓷

1.4.2.1陶瓷的性质1.4.245

1.4.3

塑料1.4.3.1氟塑料（聚四氟乙烯）良好的电绝缘性能

化学性质十分稳定

进行切削加工

改性聚四氟乙烯：烧结成形时加入不同的添料

用途：密封垫片、永久或移动的引入装置的密封、绝缘元件和低摩擦的运动元件等

应用温度范围为－80℃～200℃，最高工作温度可达到250℃。1.4.3塑料良好的电绝缘性能化学性质十分稳定进461.4.3.2聚乙烯和聚丙烯

1.4.3.3

尼龙1.4.3.5有机玻璃低于100℃以下使用

蒸气压可达到5×10-5Pa。1.4.4

碳(石墨)及碳纤维制品

1.4.4.2

碳（石墨）纤维

1.4.3.2聚乙烯和聚丙烯1.4.3.3尼龙471.4.5橡胶

天然乳胶制成的硫化橡胶、合成橡胶

1.4.5.1软（硫化）橡胶

在天然橡胶中加入填料和添加剂使之硬化和硫化而成

表面呈多孔状，放气量大（H2、碳氢化合物以及易挥发气体）。室温下的蒸气压高（≈10-2Pa），对大多数的气体（特别是H2和CO2）的渗透率高。

只限用于工作在室温或接近室温的连续抽空的粗、低真空系统。常用做垫片和胶管。1.4.5橡胶天然乳胶制成的硫化橡胶、合成橡胶1.4.48

1.4.5.2

合成橡胶

分为普通、耐油、耐热几种。放气率和透气率显著低于普通软橡胶。1).丁基、氯丁、丁晴橡胶：低、高真空中广泛采用工作温度范围：－20～80℃，在90～100℃时出现永久变形，在低于－20℃时弹性减弱。氯丁橡胶：在真空中易挥发，适用于低真空

丁基橡胶：用于1.3×10-5Pa的真空中，当真空度高于1.3×10-6Pa时，出现升华，其重量损失可达30％

丁晴橡胶：耐油性及其它各项性能均较完善，在真空中的放气量和透气性比丁基橡胶大，适用于1.3×10-4Pa以下的真空密封

1.4.5.2合成橡胶分为普通、耐油、耐热492).氟橡胶：是一种耐热耐油性好、放气量小、透气性低的真空材料。适用于高真空和超高真空中。

工作温度：－10～200℃，可以短时间在270℃下工作。在高温、高真空下具有较小的出气率和极小的升华失重值，因而它的真空性能极好。在1.3×10-7Pa压力下因升华只减少重量的2%左右，并不影响密封。所以氟橡胶可用于1.3×10-7～1.3×10-8Pa的超高真空密封。由于氟橡胶是长链聚合物（分子量达60,000），所以它对过氧化氢、氧、臭氧、许多溶剂油及润滑剂都不起反应。

2).氟橡胶：是一种耐热耐油性好、放气量小、透气性低的真空材501.4.5.3

真空密封橡胶的选择

正确的密封结构设计＋合理选择密封材料影响真空密封性能的主要因素：耐热性、压缩变形性、漏气率、气透性、出气率及升华失重1)

耐热性：保证真空系统烘烤除气的顺利进行

一般烘烤温度在120℃以下和10-5Pa的真空度下，采用丁基或丁晴橡胶；如果要求更高的烘烤温度，并且要求在超高真空环境中工作的，则需采用氟橡胶。2)

耐压缩变形性

保证密封的可靠性和密封寿命，真空密封橡胶应具有较小的压缩变形值（小于35％）

1.4.5.3真空密封橡胶的选择正确的密封结构设计513)

漏气率

d0－试样原高度；

ds－试样压缩后的高度；d1－压缩后在相同温度下保持一定时间，然后经30min

卸载并冷却到25℃时的试样高度。

4)

气透性：由于材料的内部结构所决定，不同橡胶在不同温度下对空气的气透性不同不同的气体在不同橡胶中的气透性也不一样

在同一气体中，气透性大小的顺序为：天然橡胶＞丁苯胶＞丁晴胶＞氯丁胶＞丁基胶

3)漏气率d0－试样原高度；ds－试样压缩后的高度525)

出气率：在一定温度下，单位时间内橡胶单位面积上的出气量

真空密封中一般要求在10－4～10－5Pa.L/s在25℃温度下，抽气一小时后，出气率的计算公式：

K=10-2u1/2

式中K－

出气率

u

－气体渗透系数各种橡胶出气率的大小排列：氯醇橡胶＞乙烯基硅橡胶＞天然橡胶＞丁晴橡胶＞氯丁橡胶＞氟橡胶

。5)出气率：在一定温度下，单位时间内橡胶单位面积上的出53

6)橡胶的升华：橡胶在一定的真空度和温度下的失重叫升华。一般要求升华值小于10％

按真空升华值的大小，对各种橡胶作如下排列：天然橡胶＞丁晴橡胶＞氯丁橡胶＞氯醇橡胶＞乙烯硅橡胶＞氟橡胶。在高真空系统中，橡胶密封元件对真空系统极限压力的主要影响因素是材料的漏气率和出气率。6)橡胶的升华：橡胶在一定的真空度和温度下的失重叫升541.5其它真空材料

1.5.1真空泵的工作介质

机械泵油：适当的粘度、较低的饱和蒸气压。扩散泵油：为了获得较低的入口压力及较少的返流率，要求泵油在常温下具有很低的饱和蒸气压，含易挥发（轻馏分）的成份少、溶解气体的能力低，粘度适宜。同时希望在锅炉温度下，泵油具有较高的蒸气压以保证足够密度的蒸汽射流抽气。热稳定性及抗高温氧化性好。扩散喷射泵油：由于要求油增压泵在高压力（10～10-2Pa）下有较高的抽气量，所以泵油的热稳定性和抗氧化性一定要好。在锅炉温度下有较高的饱和蒸汽压（室温下的蒸汽压并不需要很低），馏分要窄。

1.5其它真空材料

1.5.1真空泵的工作介质机551.5.2辅助密封材料

真空辅助密封材料主要依据真空密封的部位和真空度不同分为封蜡、封脂、封泥和封漆等。1)真空封蜡

2)真空封脂：主要用于真空系统的磨口、活拴及活动连接处的密封和润滑，是一种脂膏状物质。

3)真空封泥：由高粘度低蒸气压的石蜡与高岭土为主要原料混合而成的一种油泥。适于低真空系统略有振动且经常拆卸的部位，或临时密封用。

1.5.2辅助密封材料真空辅助密封材料主要依据564)真空漆：刷涂或喷涂于零件表面及焊缝用来堵漏或防止H2渗入金属器壁中。饱和蒸气压较低（约1×10－4Pa），在干燥和硬化后能承受200℃以下的温度，具有良好的抗腐蚀能力。5.3真空粘接剂1).环氧树脂封胶

是胶合能力特别强的一种胶合剂,它的饱和蒸汽压较低,使用温度高，即使在200℃温度下，也能保证可靠的密封及足够的机械强度。能用在10-4Pa的真空系统中。可与金属、陶瓷或玻璃形成高强度的粘合。并可耐120℃烘烤，长期保持牢固。4)真空漆：刷涂或喷涂于零件表面及焊缝用来堵漏或防止H57（3).厌氧胶：厌氧胶是单组分胶，室温固化。使用时操作简单，不需配比混合，它不含溶剂，渗透性好，能渗入并填满整个漏缝空间。固化后强度高（剪切强度高达250～350kg/cm2），且能耐油、盐、酸、碱、有机溶剂等介质的腐蚀，绝缘强度高，膨胀系数与铁相接近，对金属有防锈作用。受到工作温度和蒸气压的限制，仅适用于使用温度在150℃以下的一般真空系统，不宜在需要烘烤的超高真空和洁净真空场合下应用。（3).厌氧胶：厌氧胶是单组分胶，室温固化。使用时操作58真空中所用的吸气剂分蒸散型和非蒸散型两类

1.5.4吸气剂与吸附剂

1.5.4.1吸气剂(1).

蒸散型吸气剂：如钙、镁、锶、钡等。目前常用的主要有钡铝合金（BaAl4）吸气剂。

主要用于电真空器件中，如用于显象管等器件中。(2).

非蒸散型吸气剂是体积型的吸气剂（涂层型）

做成线、条粉状放于器件的栅、阳极等处高温吸气（一般工作温度为600℃），但是在低温下它们不吸气。真空中所用的吸气剂分蒸散型和非蒸散型两类1.5.459吸附剂与吸气剂相反，它是在低温下具有良好的吸气性能，温度升高时要解吸放气1.5.4.2

吸附剂这类吸附剂常用于冷吸附泵、阱用物理吸附剂。常用的有：分子筛、活性碳、活性氧化铝、硅胶等。分子筛是一种人工合成的吸附剂，其原粉的粒度范围为1～10μm。分子筛的容积大约有一半是空腔。小于晶孔直径的气体分子即可通过晶孔而吸附于晶穴的内表面。其巨大的内表面积决定了分子筛能大量吸气的特性。例如：5A型的内表面积为585m2/g，13X型的内表面积为520m2/g。在液氮温度下，分子筛吸附的气体体积约为其自身体积的50～110倍。由于分子筛晶体是离子型的，它对气体的吸附能力与气体分子的极性有关。

吸附剂与吸气剂相反，它是在低温下具有良好的吸气性能，温60硅胶（SiO2）：硅胶是一种无毒、无腐蚀性的多孔结晶体物质，不溶于水，可溶于苛性纳溶液。硅胶的孔隙率可达到70%，平均孔径为4×10－7cm，平均密度约650kg/m3，吸湿能力可达其质量的30%。硅胶有原色硅胶和变色硅胶之分。变色硅胶吸湿后其颜色将变成红色，因此用它作原色硅胶吸湿指示剂，当其颜色变红以后，说明吸湿已饱和，即可拿去再生。可以通过再生处理后再重复使用，它们的吸气过程是物理作用。再生是用150～180℃的热空气加热。再生后的硅胶仍能继续使用，但其吸气能力有所下降。硅胶（SiO2）：硅胶是一种无毒、无腐蚀性的多孔结晶体物质，612真空材料及部件的清洗

2.1

概述表面污染物：1）蒸汽压很高，2）吸附了大量气体。

污染的来源：最初的污染常常是表面本身形成过程中的一部分。而吸附现象、化学反应、浸析、干燥过程、机械处理以及扩散和离析过程都使各种成分的表面污染物增加。2真空材料及部件的清洗

2.1概述表面污染物：1）蒸62常见的真空材料表面上的污染物有以下几种类型：1）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；2）水基类：操作时的汗迹、指纹、吹气时的水汽、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；5）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；

清洗的目的：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。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。常见的真空材料表面上的污染物有以下几种类型：1）加工、装63

清洗后得到的表面分为两类：原子级清洁表面和工艺技术上的清洁表面。

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。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，在基体相上没有明显的化学物质。清洗后得到的表面分为两类：原子级清洁表面和工艺技术上642.2

表面清洗的基本方法2.2.1

溶

剂

清

洗1）软化水或纯水

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、SiO32－等。阳离子和阴离子结合为可溶性盐类存在于水中高纯水：纯度可达99．9999％，其电阻率达18×106Ω·cm以上

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。2.2表面清洗的基本方法1）软化水或纯水离子杂质：如N652.无水有机溶剂：如无水乙醇、丙酮、甲酮、甲苯、航空汽油、松节油等。

共同特性：1）挥发性强，吸附热小，不易吸附在物品表面上；2）溶剂沸点低，一般在100℃以下；3）有较强的溶解性，对油脂、树脂、石蜡等有较强的溶除能力；5)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“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，但可以溶于有机溶剂中。2.无水有机溶剂：如无水乙醇、丙酮、甲酮、甲苯、航空汽油、66

真空中常用除油脂有机溶剂有：（1）甲苯（2）丙酮

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、水浴加热、超声等方式清洗物品。（3）乙醇

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95％；无水乙醇，纯度为99.5％，真空清洗使用的是后者。乙醇去油污能力不如甲苯和丙酮。加热后的无水乙醇除油能力较强。真空中常用除油脂有机溶剂有：（1）甲苯67（4）汽油

汽油有较强的溶解性，能溶除油污、油漆等有机杂质。特别是航空汽油，无毒性，去污能力强，是清洗常用有机溶剂。

（5）松节油

松节油与乙醚、乙醇、氯仿等有机溶剂互溶，是一种无毒溶剂。对有机杂质有较好的溶解能力，能溶解油类、脂肪、蜡和各种树脂。松节油还是一种极性溶剂，对金属杂质也有一定的吸附能力。

（6）石油分馏物、氯化或氟化碳氢化物（4）汽油汽油有较强的溶解性，能溶除油污、油漆等有机683.碱和酸类（1）碱类皂化类油去除：主要成分为脂肪，即甘油三酸酯。它与碱（KOH、NaOH、Ca（OH）2）在高温和催化剂的作用下，发生化学反应，生成溶于水的脂肪酸盐和甘油。通过这种皂化反应，除掉零件表面上粘附的油脂。矿物油去除：不能与碱起皂化反应，用碱不能使其化学分解，但它们可以与碱液形成乳浊液（乳化作用），从物体表面清除。

为加速碱除油脂效果，可采取下述方法：

1）提高碱液温度：70～100℃，加快皂化反应及促进乳化过程2）搅拌溶液：使表面周围的乳化层不断更新，加速了除油过程3）碱液中加超声波：声波振动，提高除油效果，缩短除油时间。

3.碱和酸类（1）碱类皂化类油去除：主要成分为脂肪，即69（2）酸类作用：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。

常用有：盐酸、硫酸、硝酸、氢氟酸等

1．盐酸

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。金属杂质能与盐酸发生化学反应生成氯化物而被清除。2．硫酸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。

（2）酸类作用：金属表面的氧化层、氮化层、器件上的金属杂质、703．硝酸

硝酸具有强酸性及强氧化性，以化学反应方式除掉物体表面金属杂质。硝酸不仅能与金属活动顺序表中氢以前的金属发生作用，而且能与氢以后的铜、汞、银发生反应．生成硝酸盐、氮化物和水。

4.氢氟酸：5.金属清洗剂（市售商品）：分为酸性、碱性和中性偏碱等三类。

1）酸性：多用于清洗氧化物、锈和腐蚀物；2）碱性：含有表面活性剂，用于清除轻质油污；3）中性偏碱：可避免酸碱对表面的损伤。3．硝酸

硝酸具有强酸性及强氧化性，以化学反应方式除712.2.1.1擦洗和浸洗2.2.1.2

喷

射(淋)清

洗利用高压液体喷射运动流体施加到表面黏附的粒子上的剪切力来破坏粒子与表面间的粘附力，粒子悬浮于湍流流体中，被流体从表面带走。

2.2.1.3

超声波清洗原理是：超声空穴作用

2.2.1.1擦洗和浸洗2.2.1.2喷射(淋)72超声清洗原理：

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，由于振动的频率很高，压密和拉疏过程在极快地变动，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。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。

超声清洗原理：介质液体在稀疏处受到拉力而形成大量瞬时的73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，这是一般清洗方法所无法实现的。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：①表面张力小，②对声波的衰减小，③对油脂的溶解能力大，④无毒、无害物质。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74超声波清洗设备：超声波发生器（仪）＋换能器（超声振子）＋清洗槽1）超声波发生器：将220V或380V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

2）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，它是超声清洗设备的关键部件。

3）清洗槽：超声清洗是在盛有清洗液的不锈钢槽中进行的,清洗槽底部或侧壁装有换能器。

超声波清洗设备：超声波发生器（仪）＋换能器（超声振子）＋75

夹芯式压电换能器

由钢质反射罩、铝合金声头和锆钛酸铅压电陶瓷片（PZT）等三部分构成。这种换能器具有机械谐振频率低、输出振幅大、阻抗易于控制和匹配等特点。夹芯式压电换能器

由钢质反76将多个换能器组合在一个不锈钢密封盒中，制成密封式超声换能器振板（振盒），如图示。将多个换能器组合在一个不锈钢密封盒中，制成密封式超声换能器振77底部或侧壁装有换能器的清洗槽

换能器将输入的电振荡转换成机械振动输出。

底部或侧壁装有换能器的清洗槽换能器将输入的电振荡78超声清洗机常用型式：小型一体机：发生器与清洗槽（换能器）集成一体超声清洗机常用型式：小型一体机：发生器与清洗槽（换能器）集成79超声波发生器与清洗槽分开形式超声波发生器与清洗槽分开形式80分开式2分开式281超声清洗的功率

超声空化作用在物理本质上是声场中产生的空波的非线性振动以及破灭的二次辐射冲击波。宏观的能量转换关系：换能器系统将吸收的电功率，转换成清洗介质中的声功率，如图所示。

超声清洗的功率超声空化作用在物理本质上是声场中产823超声波频率

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、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击波大，但是噪声也大，对工作环境有较大影响。清洗用超声波的工作频率一般在20～50kHz之间。

3超声波频率工作频率的选择会直接影响到清832.2.1.5高压饱和蒸汽清洗

利用高温高压条件下气态的饱和蒸汽，在被清洗的表面溶解微小的油渍污物颗粒和顽固油垢。高压饱和蒸汽可以切入细小的缝隙和孔洞去剥离或去除污物，清洗机发出的饱和蒸汽的温度最高可达300℃，蒸汽压力可达0.8～1Mpa，因此可将油渍残留物等气化蒸发，不会留在被清洗的表面上。

适用于：真空泵体、真空容器壳体、真空室内的机械零部件等。

由于高温的作用，清洗后的表面为干燥的，所以可以对各种电器、电极、电动机等进行清洗而又不影响其性能。2.2.1.5高压饱和蒸汽清洗利用高温高压条件84清洗机由水箱、蒸汽发生器、高压气管、高压蒸汽喷嘴等集成为一体组成（见图）

清洗各种金属零部件

MAX1型高压饱和蒸汽清洗机清洗机由水箱、蒸汽发生器、高压气管、高压蒸汽喷嘴等集成为一体852.2.3加热和辐照清洗1）加热将工件放置于常压或真空中加热，促使其表面上的挥发杂质蒸发来达到清洗的目的。

原理：加热工件，促使其表面吸附的水分子和各种碳氢化合物分子的解吸作用增强。解吸增强的程度与温度有关。

清洗效果与工件的环境压力、在真空中保留时间的长短、加热温度、污染物的类型及工件材料有关。得到原子级清洁表面，必须在超高真空条件下，加热温度必须高于450℃才行。适用：在较高温度的衬底上淀积膜的情况（制备特殊性质的膜），加热清洗方法特别有效。

2.2.3加热和辐照清洗1）加热清洗效果与862）辐照清洗

利用紫外辐照来分解表面上的碳氢化合物

清洗机理：在紫外线照射下，污物分子受激并离解，而臭氧的生成和存在产生高活性的原子态氧。受激的污物分子和由污物离解产生的自由基与原子态氧作用，形成较简单易挥发分子，如H2O3、CO2和N2。其反应速率随温度的增加而增加。2）辐照清洗利用紫外辐照来分解表面上的碳氢化合物872.2.4放电清洗

广泛应用在高真空、超高真空系统的清洗除气中，尤其是在真空镀膜设备中用的最多。电子清洗：利用热丝或电极作为电子源，在其上相对于待清洗的表面加负偏压，实现电子轰击的气体解吸及某些碳氢化合物的去除。清洗效果取决于电极材料、几何形状及其与表面的关系，即取决于单位表面积上的电子数和电子能量，从而取决于有效电功率。2.2.4放电清洗广泛应用在高真空、超高88离子清洗：在真空室中充入适当分压力的惰性气体（如Ar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子轰击来达到清洗的目的。

惰性气体离子轰击真空室内壁、真空室内的其它结构件及被镀基片，使某些真空系统免除高温烘烤。如果在充入的气体中加入10%的氧气，对某些碳氢化合物可以获得更好的清洗效果，因为氧气可以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。（例）重要参数：外加电压的类型（交流或直流）、放电电压大小、电流密度、充入气体种类和压力、轰击的持续时间、电极的形状和排列以及待清洗的部件的材料和位置等

放电时的气体压力可在1~10Pa之间，放电电压在500~5000V离子清洗：在真空室中充入适当分压力的惰性气体（如Ar气），可892.2.6气体冲洗

1）氮气冲洗

原理：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。

应用：缩短系统的抽气时间。如真空镀膜机在放入大气之前，先用干燥氮气充入真空室冲刷一下再充入大气，则下一抽气循环的抽气时间可缩短近一半。其原因为氮分子的吸附能远比水气分子小，在真空下充入氮气后，氮分子先被真空室壁吸附了。由于吸附位是一定的，先被氮分子占满了，其吸附的水分子就很少了，因而使抽气时间缩短了。系统被扩散泵油喷溅污染了，还可以利用氮气冲洗法来清洗被污染的系统。一般是一边对系统进行烘烤加热，一边用氮气冲洗系统，可将油污染消除。2.2.6气体冲洗

1）氮气冲洗原理：氮气在材料表面902）反应气体冲洗清洗机理：在系统中引进氧化性气体（O2

、NO）和还原性气体（H2、NH3）对金属表面进行表面氧化/还原反应清洗，消除污染，以便获得原子态的清洁金属表面。

表面反应速率与污染的情况及表面材质有关，其的大小通过调整反应气体的压力和温度来控制

特别适用于大型超高不锈钢真空系统的内部原位在线清洗（去除系统内部的碳氢化合物污染）

反应清洗气体：可以用O2或NO

2）反应气体冲洗清洗机理：在系统中引进氧化性气体（O2、N91对不锈钢（或镍基钢）系统，NO对污染物的分离作用要大于O2分子

用NO反应气体清洗不锈钢真空系统，产生的化学反应如下：NO＋CO→1/2H2+CO22NO+C→N2+CO2NO+C→1/2N2+CONO+2H→1/2N2+H2O清洗结果检测：清洗处理前后真空容器的清洁度可以通过测量热脱附（TD）和光子诱导脱附（PSD）的产额来评估。对不锈钢（或镍基钢）系统，NO对污染物的分离作用要大于O2分92NO反应气体清洗的真空装置见图

1气体微调阀2烘烤炉3真空容器4四极质谱仪5B-A规6抽气系统7NO气体检测器NO反应气体清洗的真空装置见图1气体微调阀2烘烤炉93一般当四极质谱仪检测不到碳氢化合物的谱峰时或者NO的谱峰高度是CO峰高的3倍或更大时，可以结束清洗过程。通常，这个过程至少需要几个小时。优点:实验表明用NO气体从不锈钢真空容器表面除去碳氢化合物污染的效果与用辉光放电处理方法得到的效果相近（用热脱附和光诱导脱附判断），但气体清洗所用的装置要比辉光放电清洗的装置简单，而且不需要把被清洗的容器从系统上拆下。缺点：是NO气体对人体有害，因此在清洗工艺进行之前，必须对清洗装置做安全检查，以确定无微量泄漏。一般当四极质谱仪检测不到碳氢化合物的谱峰时或者NO的谱峰高度942.3清洗的基本程序

2.3.1污染物的确定2.3.2清洗方法的确定2.3.3清洗溶剂的选择根据被清洗材料及污染物的性质来选择合适、有效的清洗剂和溶剂是溶剂清洗方法中的一个关键。清洗过程中，清洗液的顺序必须是化学上相容的和可溶混的，而且在各阶段都没有沉淀。2.3.4清洗程序及注意事项2.3清洗的基本程序

2.3.1污染物的确定2.3952.4非金属材料的清洗

2.4.1玻璃陶瓷的清洗玻璃及陶瓷件最常用的清洗方法是溶剂清洗法。对于表面清洁度要求很高的玻璃、陶瓷部件，最后要在真空环境中进行烘烤加热处理、等离子辉光放电处理等。在清洗液中浸泡→辅以刷洗、擦拭或超声波清洗→去离子水或无水乙醇冲洗

→（真空环境中）烘烤加热处理、等离子辉光放电处理等。2.4非金属材料的清洗

2.4.1玻璃陶瓷的清洗玻璃962.4.2塑料与橡胶的清洗

2.4.2.1有机玻璃及塑料的清洗

特点：有机玻璃和塑料的清洁需要特殊的技术处理，因为它们的热稳定和机械稳定性低。

方法：大多数污染物可以用含水的洗涤剂，或用其它的溶剂清除洗掉。恰当的辉光放电轰击及辐射处理对塑料和有机玻璃的表面有好处选择适当的清洗液，较短的清洗时间，以及在粒子轰击或辐射中仔细地确定能量限度和恰当的剂量，对取得最佳清洁结果都是重要的。

2.4.2塑料与橡胶的清洗

2.4.2.1有机玻璃及972.4.2.2橡胶材料的清洗特点：真空橡胶一般不受稀酸溶液、碱溶液和酒精的腐蚀，但会受到硝酸、盐酸、丙酮以及电子轰击的严重损害。

方法：一般用无水乙醇清洗，然后放在干净处自然干燥。如果油污较重或部件体积较大，则可在20%的氢氧化钠溶液中煮30~60min

，取出后用自来水冲洗，然后再用去离子水（或蒸馏水）冲洗，最后用洁净的空气吹干或烘干。2.4.2.2橡胶材料的清洗特点：真空橡胶一般不受稀酸98分子束外延工艺流程1）对衬底进行化学清洗，除去油污和表面氧化物，获得制取高质量MBE外延材料所需的“高度清洁”表面。

2）将衬底用In粘贴在钼基体上。

3）装入样品室，抽真空到10－6×1.33Pa后，在150～200℃下除气，脱出表面吸附水气。4）样品传送到预处理室，加热到

400～500℃进一步除气。

5）样品传送到生长室，在V族保护气氛下加热到相应的氧化物离解温度，除去氧化物及CO等，这时采用RHEED来跟踪监测衬底表面氧化物的脱附情况，衬底表面的清洁度。分子束外延工艺流程1）对衬底进行化学清洗，除去油污和表面氧化996）用RHEED表面结构监控，当在RHEED的图像中衍射点突然清晰，表明氧化物已去除，立即降到工艺上所规定的生长温度，开始外延。（1）化学清洗处理

l）有机溶剂清洗：依次用

异丙醇、丙酮

、甲醇或乙醇

煮沸

＋超声波清洗三次

目的：去除衬底表面吸附的油污。要求：每次清洗时，衬底必须沉浸于有机试剂之中，表面不暴露于大气。2）去离子水清洗，其水质电阻＞18MΩ。

3）HCl清洗，以去除衬底表面氧化层，然后用去离子水冲洗

6）用RHEED表面结构监控，当在RHEED的图像中衍射点突100

4）化学腐蚀清洗

作用：主要是去除因衬底在机械切割、研磨、抛光带来的损伤层、表面吸附的杂质和形成的氧化膜。

包括氧化和溶解过程：用腐蚀溶液中的氧化剂，如H2O2.（过氧化氢）在表面形成氧化物，然后通过酸把氧化物溶解，从而获得新的新鲜清洁表面。

5）去离子水冲洗目的：形成一薄层的氧化膜来保护经化学腐蚀而产生的新鲜表面，外来的杂质如CO、CO2等气体将吸附在这一薄层的氧化膜上。外延生长前通过热处理再将它去除。

4）化学腐蚀清洗作用：主要是去除因衬底在机械切割、研磨、101（2）热处理脱附：贴有衬底的Mo托放入进样室后，抽真空使进样室真空低于10－6×1.33Pa后，升温到150～200℃先脱去水气，然后再传送到预处理室在10－8×1.33Pa下升温至450～500℃，进一步脱气20min后，再传送至生长室。若是GaAs，在衬底加热器升温到350℃时，提供10－4×1.33Pa砷压保护表面，抑制GaAs中As逸出。在RHEED监控下观察GaAs的表面结构。当RHEED图像衍射斑点突然变得十分清晰时，表面氧化膜已从衬底表面离解。（2）热处理脱附：贴有衬底的Mo托放入进样1023.材料表面除气3.材料表面除气1033.1材料表面吸附与脱附

3.1.1吸附吸附：气体分子被吸引并附着到一个固体表面的过程。吸附可分为物理吸附和化学吸附两大类。吸附产生的内在原因：各种固体、液体中，分子（或原子）之间的内聚力以及真实气体分子之间的相互作用力。3.1.1.1物理吸附

当作用力是范德瓦尔引力时为物理吸附

3.1材料表面吸附与脱附

3.1.1吸附吸附：气体分子104（1）由于范德瓦尔力普遍存在于任何分子之间，且具有可加性，因此当在固体表面上吸附了一层气体分子之后，还可再吸附第二层、第三层，……，即可产生多层吸附。不过第一层与后几层的吸附热数值却不相同。因为前者是吸附于不同种的固体表面上，而后者却是吸附于同种分子之上。（2）物理吸附具有可逆性，即在吸附后如果气体压力降低，或温度升高，气体分子可以离开固体表面（即脱附）返回气相。（3）一般可以认为qp＜4.1868×104J.mol－1就是物理吸附，如He在玻璃上的吸附热只有1.675×102J·mol－1。物理吸附特点（1）由于范德瓦尔力普遍存在于任何分子之间，且具有可加性，因105（4）在表面覆盖度很小的清洁表面上，各种气体的吸附热qp都比其蒸发潜热qV大。沸点愈高的气体，吸附热qp愈大，也就更易于被物理吸附。相反，沸点低的气体难于被物理吸附，只有在足够低的温度下，Ne、H2、He等气体才可能有明显的物理吸附。（5）实际的吸附表面是复杂的、非均匀的多相表面，吸附情况十分复杂。即使是完整的理想晶体表面，因各个晶面的构结不同，各晶面与吸附分子之间的作用力不同，相应的吸附热qp也不同。通常给出的qp值只是其平均值。对于有缺陷或断纹的不完整表面，由于局部缺陷部分有较大的表面能，吸附分子受到一些额外的作用力（如极化力），其局部qp值可以很大，情况也很复杂。只有在温度较高或覆盖度较低的情况下才可以得到一个有效的qp值，该值一般比同样气体分子在均匀完整表面上的qp值约大两倍。（4）在表面覆盖度很小的清洁表面上，各种气体的吸附热qp都比106

（6）在实际表面上吸附分子有向缺陷、台阶、裂缝等迁移的倾向。因为在这些地方它可以与较多的表面原子“接触”，能以较高的吸附能量吸附。吸附将首先发生在吸附热较大的部位，然后再发生在qp较小的部位．吸附热qp随着表面覆盖度的增加而逐渐变小，难于用单一数值的吸附热来表征其吸附特性。（6）在实际表面上吸附分子有向缺陷、台阶、裂缝等迁移的倾向107

3.1.1.2化学吸附化学吸附由表面剩余价力引起，可视为松弛的化学反应。因此只有在一定条件下，具有一定化学活性的分子（原子）才能与表面发生化学吸附。

参看图3.1（b）

化学吸附需要分子予先有足够的能量Ea才能发生。称Ea为激活能如图3.1（c）所示

被化学吸附的分子或原子要想脱离表面（称脱附），必须具有能量Ed，Ed＝Ea＋qc称为脱附能。放热化学吸附：特点2Ed＞Eh

当2Ed＜Eh时，则为吸热化学吸附。

3.1.1.2化学吸附化学吸附由表面剩余价力引起，108化学吸附有如下特点：1．只能有单分子层吸附。2．在常温下，很难或根本不可能发生逆效应。3．惰性气体不存在化学吸附。3.1.1.3吸附量

表面上吸附气体的量，决定于单位时间碰撞表面的分子数及其在表面上停留的时间。若单位时间内有一个分子碰撞到单位表面上，且它们的吸附时间（又称平均停留时间）是τ，则单位表面上的吸附量σ（即表面上吸附分子的密度）为σ＝φτcm－2式中，φ正比于空间气相分子密度n（或压力p）；τ依气体分子与团体表面相互作用性质和条件的不同而有很大差别。化学吸附有如下特点：3.1.1.3吸附量表面上吸附109附为物理吸附或非活性化学吸附时，其中Ea＝0。将上式与吸附速率的定义式相比较得

由上述各式可知，只有在Ea＝0，所有入射分子都完全被凝聚，且与表面覆盖度θ无关，即c＝1、f(θ)＝1时，吸附几率α才等于1，这时的吸附速率达最大，其值等于，否则α都小于1。αp＝cf（θ）

αc＝cf（θ）附为物理吸附或非活性化学吸附时，其中Ea＝0。将上式与吸附速1102．影响凝聚几率的因素凝聚几率αp的大小主要取决于碰撞分子在表面上散失能量的难易程度，而被吸附分子散失的动能又是由表面晶格的振动来吸附。因此，凝聚几率除了与表面性质、气体种类有关外，还与表面温度、气体温度、覆盖度和碰撞频度等有关。

凝聚几率αp目前主要由实验来测定。

表2.2一些气体在玻璃表面上的凝聚几率αp2．影响凝聚几率的因素凝聚几率αp的大小主要取111

表3.2一些气体在玻璃表面上的凝聚几率αp表3.2一些气体在玻璃表面上的凝聚几率αp112

由以上数据可得下列规律

（1）表面温度愈低，凝聚几率意大。这是由于表面温度越低时，碰撞到表面的分子能量越易传递给表面之故。

（2）沸点越高的气体，凝聚几率越大。

（3）气体温度越低，凝聚几率越大，可达1.0。这是由于低温表面上可形成多分子层物理吸附，冷冻层的疏松表面上也可吸附同种气体的缘故。说明利用低温冷冻气体的方法来获得真空，是个行之有效的方法，并且可达到很高的抽速。由以上数据可得下列规律1133.1.2脱附

“脱附”是指吸附键破裂和吸附粒子由于健破裂而离开表面

脱附可以通过不同的方式来实现：热脱附（TD）：系统的温度足够高，以至于有相当大的一部分吸附络合物由于其能量高于麦克斯威分布中的脱附能而可以离开表面

电子碰撞（或激发）脱附（EID），（ESD）：电子碰撞使粒子跃迁到吸附物的激发态或离子态。激发态或离子态的粒子在基态的平衡距离下，其势能比自由粒子的势能要高，所以离子或中性粒子可以脱附。3.1.2脱附“脱附”是指吸附键破裂和吸附粒子由114离子碰撞脱附（IID）

通过不同的途径的离子或快速中性粒子对表面的碰撞可以使吸附物移开。

场致脱附（FD）：非常强的电场（1V／0.1nm的数量级）可以使离子吸附发生由基态到离子态的隧道效应，使吸附物离子立即从表面离开，。在真空材料表面除气中常用的方法是热脱附（TD）和离子碰撞脱附（IID）离子碰撞脱附（IID）通过不同的途径的离子或快速中性粒子对1153.2材料除气的基本方法

3.2.1烘烤除气

真空“烘烤”指在抽气循环的某一阶段中，将真空系统升温，随后又使之降到环境温度的过程。烘烤的注意目的是使吸附的气体从被加热的表面上解吸，而且其解吸速率要远远大于在环境温度下的解吸速率，对解吸出的气体，用真空泵从系统中排除。

烘烤的作用是：能在规定的抽气时间内达到较低的压力；或为达到规定的压力，所用的总抽气时间较短。烘烤的实质：是使结合能较低的吸附气体被有选择地从研究的表面上除去，使得在真空气氛中的被去气的部位成为比较“干净新鲜”的。3.2材料除气的基本方法

3.2.1烘烤除气1163.2.2电子轰击除气（EID＋体内扩散）

3.2.2.1电子轰击除气特点利用热丝或电极作为电子发射源，在其上相对于待除气的表面加负偏压，电子在位差为U的电场作用下，获得动能打到被除气的器件或表面上，电子可进入固体表面较深处，电子具有的大部分能量以热能形式传给固体，使吸附在表面上的原子从表面上释放出来，同时电子轰击将表面加热，促使内部原子向表面扩散并从表面解吸。表面电子轰击除气的电子能量一般在10keV以上。电子轰击除气与烘烤加热除气的机理本质相同，二者的出气速率最终都受材料体内杂质原子向表面扩散速率的限制。3.2.2电子轰击除气（EID＋体内扩散）

3.117电子轰击除气与加热除气区别：加热除气对材料表面氧化膜的破坏很小，因为大多数金属氧化物的化学稳定性较好，一般不易热离解。当加热除气时氧化膜主要依靠从金属体内扩散出来的碳原子的还原作用来清除。由于碳原子的扩散系数很小，因而这种还原过程很慢。电子轰击对氧化膜的破坏非常迅速。材料表面的氧化膜在电子轰击下很快离解并清除，体内的氧随之向表面扩散补充。与加热除气相比，电子轰击除气的起始出气速率很高，一般要比热除气大几到十几倍。除气开始阶段放出的含氧气体占大多数，约占总出气量的90~95%。当被轰击金属的温度超过400℃时，放出的气体中H2的量增大到20~30%。电子轰击除气与加热除气区别：加热除气对材料表面氧化膜的破坏1183.2.2.2电子轰击固体表面时的基本过程电子轰击固体表面时会产生许多复杂的现象（见图3）：（1）表面化合物离解：固体表面化合物，主要是氧化物，在电子轰击下容易离解，因为它们的分解能阈较低

(2)分子的聚合：电子轰击表面时，被激活和电离的分子及其“碎片”有可能来不及蒸发（特别是它们在表面的覆盖度较大时），而彼此作用形成较大的聚合分子并牢固附着在固体表面上。当轰击的电子能量在250~300eV时，聚合物的形成速度最高。在此能量下，很小的电流密度（30~40μA/cm2）下便可观察到聚合现象。3.2.2.2电子轰击固体表面时的基本过程电子轰击固体119图3电子轰击固体表面产生的物理现象图3电子轰击固体表面产生的物理现象120（3）二次电子发射：电子轰击固体时会产生一定数量的二次电子，其产额决定于一次电子能量和固体的二次发射系数。(4)热效应：电子穿入固体后，通过与体内的电子多次碰撞释放出自身能量，使固体温度上升。这种能量交换的效率随轰击电子速度的增加而增大，但是电子速度过大时，由于互作用时间短，交换效率反而下降。固体受电子轰击时，最大发热部位不在表面，而在体内某一深度处。另外，电子能量转换成热的效率随固体元素原子序数的增大而减小。对Fe、Mo、W、Ta等金属约为60~90%。二次电子发射现象对电真空器件（特别是高电压器件）中的绝缘材料有害。

（3）二次电子发射：电子轰击固体时会产生一定数量的二次电子121（5）固体原子的蒸发

：轰击入射的电子能够传递给固体原子的动能ΔE可近似表达为

ΔE≈4Eme

/m式中，E—电子能量；me、m—电子和原子的质量。受到工作温度和蒸气压的限制，仅适用于使用温度在150℃以下的一般真空系统，不宜在需要烘烤的超高真空和洁净真空场合下应用。（5）固体原子的蒸发：轰击入射的电子能够传递给固体原子的122

被外来电子激