真空技术基础要点

会计学1真空技术基础要点

帕（Pa）托（Torr）

1Torr=1/760标准大气压

1标准大气压=101325Pa1Pa=7.506×10-3Torr低真空(105~102Pa):大气布朗运动，分子间碰撞多中真空(102~10-1Pa):气体密度减少，气体导电高真空(10-1~10-6Pa):残余气体分子少，碰撞很少超高真空(＜10-6Pa)真空度的划分第1页/共46页真空系统真空系统的组成元件：（1）抽气设备。（2）真空测量装置。（3）真空阀门。（4）导管。（5）其它元件：如捕集器、真空接头、波纹管等。1.被抽容器2.真空测量规管3.主阀4.预真空管道阀5.前级管道阀6.软连接管道7.放气阀8.前级泵9.主泵（油扩散泵）10.水冷障板开机方法：前级泵主泵关机方法：主泵前级泵第2页/共46页MR3第3页/共46页真空获得水环泵、旋片泵、水喷射泵、螺杆泵、爪式泵、罗茨泵、分子泵、扩散泵、低温泵、吸附泵1）低真空阶段以机械泵为主（旋转、气体压缩）2）中真空、高真空、超高真空阶段以扩散泵、分子泵、低温泵为主基本概念：主泵、粗抽泵、前级泵、粗真空泵、高真空泵、超高真空泵和增压泵工作压力和极限压力第4页/共46页单级旋片泵结构旋片泵工作原理旋片机械泵(RotaryPump)直联：转速快（1400r/min），效率高，噪音小。间接联接(通过皮带或齿轮传动)：唯一优点就是价格便宜。工作压力：1atm；极限压力：10-2Pa第5页/共46页罗茨泵（增压泵）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。工作压力：1atm；极限压力：10-3Pa第6页/共46页油扩散泵扩散泵工作原理工作压力：10-1～10-6Pa；极限压力：10-8Pa优点：价格便宜，抽速大，便于维护缺点：油污染第7页/共46页分子泵(TurboMolecularPump)

靠高速运动的刚体表面来携带气体分子实现抽气。工作压力：10-1Pa；极限压力：10-9Pa优点：可获得十分清洁的真空，有利于膜质量的提高。分子泵抽速很大，可以缩短工艺周期。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。

第8页/共46页低温泵(Cryopump)

利用低温表面（低于100K，MR3可达13K）冷凝、吸附和捕集气体来获得和保持真空的设备。优点：

1、极限压力低。(20K可得10-8Pa，4.2K可得10-10Pa～10-12Pa)2、抽速大。

3、可抽各种气体，从而获得清洁的超高真空。

4、占地面积小，电力消耗少。

5、不产生碳氢化合物、金属膜的剥落碎片及其它污染。工作压力：10-2Pa；极限压力：10-12Pa第9页/共46页（1）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）镀膜机抽气系统的极限真空度应根据镀制薄膜的不同而有所选择。（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、维护方便，性能稳定可靠。

真空镀膜设备对抽气系统基本要求第10页/共46页各种镀膜工艺中要求的真空度真空镀膜工艺极限真空度（Pa）工作真空度（Pa）真空蒸镀电容器纸真空蒸镀聚脂薄膜真空蒸镀光学膜半导体集成电路铝电极蒸发介质膜、半导体膜、合金膜溅射镀膜磁控溅射镀膜反应离子蒸镀TiN膜10－31×10－3～6.7×10－42.7×10－3～10－46.7×10－510－410－410－42.7×10－2～6.7×10－32.7×10－2～6.7×10－310－32.7×10－4～1×10－410－22.7×10－210－2第11页/共46页

镀膜设备(真空溅射镀膜、真空离子镀膜和真空化学气相沉积等)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。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，用磁控法镀TiN，应充入氮气。充气系统第12页/共46页

镀膜设备(真空溅射镀膜、真空离子镀膜和真空化学气相沉积等)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。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，用磁控法镀TiN，应充入氮气。充气系统第13页/共46页气体放电气体放电管伏安特性第14页/共46页阴极溅射原理图第15页/共46页靶材的刻蚀图第16页/共46页

一种新型刻蚀均匀磁控溅射源

第17页/共46页离子镀原理图MR2电离CH4和MR3纯石墨放电产生碳离子第18页/共46页项目真空蒸镀阴极溅射离子镀粒子能量0.1～1ev1～10ev数百～数千ev沉积速度μm/mim0.1～750.01～0.50.1～50附着性一般相当好非常好绕射性不好好好三种PVD方法对比第19页/共46页真空材料及部件的清洗清洗的基本程序1污染物的确定2清洗方法的确定3清洗溶剂的选择4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。)

清洗的目的第20页/共46页

常见的真空材料表面上的污染物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；7）表面污染物：a）蒸汽压很高，b）吸附了大量气体。第21页/共46页１）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。２）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。清洁表面分类第22页/共46页表面清洗的基本方法溶剂清洗1）纯水（Ｈ２O）溶解阳离子和阴离子结合的可溶性盐类2）无水有机溶剂无水乙醇、丙酮(ACE)、甲酮、甲苯、航空汽油、松节油等。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；

b）溶剂沸点低，一般在100℃以下；

c）有较强的溶解性，对油脂、树脂、石蜡等有较强的溶除能力；

d）对光和热都比较敏感

第23页/共46页碱和酸类碱类：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。矿物油去除：与碱液形成乳浊液（乳化作用），从物体表面清除。酸类：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

第24页/共46页擦洗和浸洗(喷射)气体冲洗(氮气)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。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。优点：缩短系统的抽气时间。如真空室先充氮气后充入大气，(可缩短近一半抽气时间)。或镀工件前用氮气喷一下．EBS的Jig刷洗后，甩干时用的是N2保护气。MR3镀膜前用N2冲刷。第25页/共46页超声波清洗原理：超声空穴作用超声波清洗设备：超声波发生器（仪）＋换能器（超声振子）＋清洗槽超声波工作频率一般在20～50kHz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。第26页/共46页

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。放电时的气体压力可在1~10Pa之间，放电电压在500~5000V(加入10%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。)离子清洗第27页/共46页谢谢！第28页/共46页溅射机理：溅射完全是动能的交换过程

级联碰撞：入射离子→靶面原子，产生弹性碰撞，动能→靶面原子→靶内部原子→经过一系列的碰撞过程

第29页/共46页离子轰击固体表面产生的各种现象

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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5×10－2Pa以下。为此，首先将真空室抽到10－4

～10－5Pa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5×10－2Pa，固定针阀，再慢慢关闭主阀，直到溅射室真空度保持在6.7×10－1Pa，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。充工作气体第31页/共46页表面清洗的基本方法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。溶剂清洗第32页/共46页无水有机溶剂：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。第33页/共46页

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。第34页/共46页（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

例石油醚是一种轻质石油产品，无毒性，不溶于水，但能与大多数有机溶剂互溶。能溶解脂肪和油污等有机杂质．其溶解性与甲苯、丙酮、乙醇相似．第35页/共46页

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。第36页/共46页3．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。第37页/共46页超声清洗原理：

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。

第38页/共46页特点：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。第39页/共46页超声波清洗设备：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。

第40页/共46页3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