薄膜真空技术

第三章真空技术

真空的基本特点

气体间的碰撞少，平均自由程长与器壁或研究对象表面的碰撞少压力低，改变化学平衡热导低化学非活性平均自由程Moleculardensity,incidencerate,mean-freepath,andmonolayerformationtimeasafunctionofpressure溅射蒸镀表面分析压强（torr）主要气载AtmWetAir10-3WaterVapor（75%-85%）10-6H2O，CO10-9H2O，CO，H210-10CO，H210-11H2不同真空度下气体的主要成分问题：表面测量要求－1小时内污染小于5%，请问真空度至少要达到多少？请选择合适的真空泵，并画出连接示意图。体积流量：单位时间内气体流过抽气系统中任何截面的体积称为体积流量，单位为升/秒，与气体密度无关（真空泵的表示抽速?）。气体流动形态：与压强、温度、气体种类相关分子流：压强低时，气体分子的平均自由程增大，分子间的相互碰撞减少，分子与管壁的碰撞占主要地位，分于间的内摩擦消失，气体分子以热运动而自由地独立地直线前进，这种流动被称为分子流。真空的连接与设计粘滞流：压强高时，平流和湍流平流：随气体压强和流速的逐渐降低，流动由具有不同流动速度的各个流动层组成．宏观流速矢量与管轴平行，流动与气体的粘滞性有关，称为平流。湍流：当气体压强和流速都比较高时，流动呈现不稳定状态，宏观流速矢量有径向分量．气体流动受到较大的阻力，通常称这种流动状态为湍流或者旁流。流导与气体的流动状态相关分子流状态下各种导管的流导(空气)孔长管短管两种流动状态下流导的对比和电路的对照：压强电压流导电导流量电流可以利用电路的概念来考虑管道的连接,推导出复杂气路的流动状态p0,S0p,S粗真空抽气公式：极限真空：抽气公式和真空检漏：抽真空过程中不同漏气方式对真空度的影响看得见的指纹厚度至少100分子层；表面积1cm2，则至少有1017分子;抽气速率100L/S,10-9Torr;1012分子/S1017/1012=105秒28小时指纹危害！烘烤过程检漏及剩余气体分析灵敏度可达10-9pa·L/s是最可靠的检漏技术真空法检漏：酒精，丙烷，Ar，CO2没达到预期极限真空：1.泵的抽速与气载是否匹配？2.是否已抽气足够时间？3.RGA质谱？4.烘烤过程是否有效？真空系统的问题检查：真空漏气检测：1.rate-of-rise检测2.He质谱漏气检测3.He气+真空计检测4.RGA检测常见的真实泄漏：检漏仪与系统的连接处；过去经常出问题的元器件；经常沿着密封表面运动的密封件；阀门的动密封旋转部件的动密封舱门的密封；波纹管轴的密封真空官道上的柔性连接；螺纹连接处；静密封，如观察窗，引线端;焊点（特别是钎焊的焊点）;完整真空系统示意图GasinletMFCVacuumChamberPressureGaugeVariableCapacitanceValveRoughing/BackingPumpValveValveOilFilterGasOutletHighVacuumPump粗真空泵：旋片式机械泵工作范围及特点：大气压10-3torr耐用，便宜油润滑污染机械振动工作过程：气体从入口进入转子和定子之间偏轴转子压缩空气并输送到出口气体在出口累积到一定压强，喷出到大气理想情况下，旋片转动半周后，腔体内压强：n无限大时，p趋向0；极限真空pm有害空间排气空间与吸气空间的间隙泵油气的循环抽速真空泵抽速与腔体压强的关系涡旋泵：低噪音、低振动、易维护、重量轻，经常与分子泵或离子泵组成干式泵体系干式机械泵液氮冷却有很大表面积的分子筛>200°C烘烤除去吸附的气体极限真空与泵的温度相关。简单，无振动，便宜，无油污染10-3Torr->10-10Torr(可以用两个泵交替工作)很容易饱和多泵联合工作高真空泵：冷凝泵(低温泵)分子筛，活性碳，金属表面，高沸点气体覆盖的低温表面等加热油从喷嘴喷出，气体分子与油分子碰撞，向出气口运动需要水冷，前级泵10-3to10-7Torr(to10-9Torr，液氮冷阱)优点耐用成本低，抽速快无震动和声音缺点油污染高真空泵：油扩散泵结构及工作原理液氮冷阱捕获不同气体的效率GasApproximateVaporPressure(mbar)Water(H2O)Argon(A)CarbonDioxide(CO2)CarbonMonoxide(CO)Helium(He)Hydrogen(H2)Oxygen(O2)Neon(Ne)Nitrogen(N2)Solvents10-2250010-7>760>760>760350>760760<10-10扩散泵抽速扩散泵用油的一些参数高真空泵：涡轮分子泵原理：气体分子被高速转动的涡轮片撞击，向出口运动；多级速度：30,000-60,000rpm；转子的切向速度与分子运动速率相当；Atmosphereto10-10Torr是最常见的HV/UHV泵只有当分子泵转子叶片边缘的切向速度与被抽气体平均热运动速度大致在同一个数量级时，分子泵才能对该气体有有效抽气气体分子质量平均热运动速率（RT）H221761He41245H2O18587Ne20557N228471O232440Ar40394CO244375涡轮分子泵的特点优点基本没有油的污染启动和关闭很快缺点噪声大，有振动。电磁污染。比较昂贵。怕粉尘低噪音设计ComparisonHighVacuumPumpsAdvantagesTypeDisadvantagesLowCostNoMovingPartsLowMaintenanceVaporJet(Diffusion)BackstreamsNoPressureToleranceMayrequirecoldtrapContinuousPumpingCleanHighpressureTurboMechanicalbearingVibrationCostHighH2OpumpingspeedMountsanypositionCleanCryoRegenerationrequiredAffectedbyheatSomvibration原理：极板间加高压(~5kV)电子螺旋运动(longerpath-length).气体分子被电子离化，向阴极运动.离子注入阴极(Ti，Ta)，溅射阴极材料.溅射出的阴极材料与气体反应，沉积在角落中或阳极上.10-4Torrto10-11Torr溅射离子泵超高真空泵：溅射离子泵优点干净，无油污染无运动部分，无振动，无噪音低功耗，使用时间长无断电问题缺点对惰性气体效率低每隔几年需要对阴极材料进行再生三极型离子泵提高对惰性气体的抽气效率加磁场增加电离效率；惰性气体被埋入真空容器壁而被除去。超高真空泵：钛升华泵原理：加热Ti丝使其蒸发到冷壁.Ti原子与气体反应.抽气速率与钛膜面积有关优点及缺点：工作范围10-8-10-11Torr便宜，可靠，无噪音，无振动，无断电问题需要再生，很难排除惰性气体和甲烷真空泵的比较真空泵工作范围10-1210-1010-810-610-410-2110+2P(mbar)RoughVacuumHighVacuumUltraHighVacuumVenturiPumpRotaryVaneMechanicalPumpRotaryPistonMechanicalPumpSorptionPumpDryMechanicalPumpBlower/BoosterPumpHighVac.PumpsUltra-HighVac.Pumps热偶真空计:20～10-3Torr优点：响应速度快缺点：需要校正，对于不同的气体，常有不同的测量范围PiraniGauge

（100～10-4Torr）电容规1x10-3Torrto10-11Torr高真空测量：电离规(IonGauge)GaugeSensitivityGasRelativeSensitivityA1.2CO1.0-1.1H20.4-0.55He0.16H2O0.9-1.0N21.00Ne0.25O20.8-0.9真空计的工作范围10-1210-1010-810-610-410-2110+2P(mbar)RoughVacuumHighVacuumUltraHighVacuumBourdonGaugeThermocoupleGaugeColdCathodeGaugeCapacitanceManometerHotFil.IonGaugeResidualGasAnalyzerPiraniGaugeSpinningRotorGaugeMcLeodGauge压强控制器Airadmittedbyregulator真空技术中的特殊要求清洁材料盲孔和焊接烘烤放气对材料的要求:放气小不渗漏玻璃和锌！？玻璃是很好的真空用材料，但漏氦。锌的蒸汽压过高，超高真空应避免使用。快速接头高真空法兰电极法兰针尖阀真空材料1.力学性能：易加工成型高温下能保持强度热淬灭性好2.热学性能：低蒸气压热膨胀系数匹配3.气体负载：放气小、不能是多孔、渗漏小、表面光滑一般材料的饱和蒸气压要低于所需真空度两个数量级常用真空腔体材料奥氏体不锈钢，比如321、347、304钢（碳含量越高，渗漏越厉害）铝或铝合金，H2渗漏小，容易加工，放气率低，但强度低，易变形陶瓷－玻璃化的氧化铝，放气率低，不易吸附气体，可耐高温(1500摄氏度)，但陶瓷易碎且不易加工硼酸盐玻璃，硼硅酸玻璃，石英，用于小系统或作为观察窗.易加工耐腐蚀.密封圈腈橡胶或丁钠橡胶通常作为垫圈，比如O型圈。不耐高温氟化橡胶可以耐200摄氏度，常用于低压。聚合物对所有的气体渗漏都很大焊接盲孔和焊接－不要造成放气源外部内部焊接位置GasinletMFCVacuumChamberPressureGaugeVariable