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1、第二章 真空的获得与测量技术,2.1 气体分子运动论的基本概念 2.2 气体的流动状态和真空的获得 2.3 各类真空泵简介 2.4 真空测量技术 2.5 几种典型真空系统的建立,JP450磁控溅射镀膜系统,2.1 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-P、T、V 理想气体状态方程： 普适气体常数 ：R=8.31J.mol-1K-1 波尔兹蔓常数 k=R/NA=1.3810-23JK-1),平均平动动能,2.1 气体分子运动论的基本概念,2 气体分子运动速度及其分布 (Maxwell分布）,M-分子的摩尔质量，T为热力学温度，R为普适气体常数 物理意义： f(v)dv表示
2、在速率附近，dv速率间隔内的分子数占总分子数的比率,2.气体分子的运动速度及其分布,平均速率,图1. 氢气和铝蒸汽分子在不同温度条件下的速度分布,最可几速率,方均根速率,2.1 气体分子运动论的基本概念,3 . 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： n : 单位体积内的分子数； d : 气体分子的直径,4. 单位面积上气体分子的碰撞频率 即单位面积上气体分子的通量,克努森方程,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平均时得到的一个系数。,1.1 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：,N为表面原子密度 常温常压下，洁净表面被杂质完全覆盖
3、所需时3.510-9 s, 而在10-8Pa的高真空中，这一时间为10h。所以在薄膜制备技术中获得和保持适当的真空度是很重要的。,5 真空度 真空度的常用单位为帕（Pa) 或托（Torr): 1 Torr = 133 Pa 真空度可分为： 低真空： 102Pa 工业应用（包装） 中真空： 10210-1Pa CVD沉积技术 高真空： 10-110-5Pa 溅射沉积技术 超高真空： 10-5Pa 原子表面和界面分析,2.1气体分子运动论的基本概念,2.2 气体的流动状态和真空的获得,1. 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流动，只有在空间存在压力差的条件下，气体作为一个整体
4、才会产生宏观的定向流动。 气体流动取决于容器形状，气体气压，温度及气体种类。,2.2 气体的流动状态和真空的获得,气体流动状态分类,分子流状态: 分子间无相互碰撞 （高真空度）,粘滞流状态,分子间碰撞平繁（中、低真空度）,层流状态：低速流情况,涡流状态：高速流情况,2.2气体的流动状态和真空的获得,气体流动可按克努森准数来划分：Kn = D/ D为容器尺寸； 为平均自由程 分子流状态：Kn 1 中 间 状 态：Kn=1110 粘滞流状态：Kn 110,图1.2 气体流动状态与真空系统 尺寸和气体压力之间的关系,2. 气体管路的流导 真空管路中气体的通过能力，流导C定义为 P1和P2为管路两断的
5、气压，Q为单位时间内通过管路的气体流量。 对分子流状态的气体：流导与气体压力无关 A：管路截面积 对粘滞流，流导随气体的压力呈现复杂变化,2.2 气体的流动状态和真空的获得,流导的串联和并联,2.2 气体的流动状态和真空的获得,泵1,泵2,真空室,真空室,泵1,泵2,并联可以提高抽速 串联可以提高极限真空度,并联流导,串联流导,2.2 气体的流动状态和真空的获得,3.真空抽速 真空泵的抽速S定义为 P为真空泵入口处的气压，Q为单位时间内通过该处的 气体流量 抽速S和流导C的物理意义： S特指一个截面上的气体流速 C描述真空部件的气体通过能力，它使流动着的气体 形成一定程度的压力降低,2.2 气
6、体的流动状态和真空的获得,(a) 流量各处相等：Q = C(P-Pp)=SpPp 实际抽速：,无回流,有回流,流 量,极限真空,实际抽速,(b),泵对容器的实际抽速S永远小于泵的 理论抽速，也永远小于管路的流导C,真空的获得,低真空：初级泵P 102Pa 真空泵分类： 输运式：采用对气体进行压缩的方式将气体分子输送至真空系统之外 捕获式：依靠在真空系统内凝集或吸附气体分子的方式将气体分子捕获，排除于真空系统之外。,真空存在于一个封闭的且压力比周围大气压小很多的环境中。,真空的获得,中级真空和高级真空的获得，需要初级泵和高级泵共同作用,初级泵为高级泵抽气,工作原理： 依靠偏心连杆机构驱动滑阀，在
7、滑阀运动时，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 工作参数： 理论抽速：Sp=Vf (V为转子与定子间的体积；f为转速） 实际抽速： 10-500L/s 极限真空：单级为103Pa；两级串联为1Pa 特点与使用 单独使用或用作其它泵的前级泵，低真空系统。 缺点：油污染。,2.3 真空泵简介,（1） 滑阀式（往复式）真空泵,滑阀式真空泵的结构示意图,油的作用：运动部件间的密封，对机械部件润滑。,工作原理： 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。 工作参数： 理论抽速：Sp=Vf: (V为转子与定子间的体积；f为转速） 实际抽速： 1
8、-300L/s 极限真空：单级为1Pa；两级串联为10-2 Pa 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. 缺点：油污染,（2）真空泵简介-旋片式真空泵,旋片式真空泵的结构示意图,型号：2XZ-2, 2XZ-4, 2XZ-8,（3）真空泵简介干性机械泵,工作原理 通过增加腔的溶积来降低压力 特点与使用 使用非金属材料作为运动表面，以避免使用填缝剂和润滑剂，从而可避免油污染反应室。现今集成电路工艺中使用干性泵。 缺点： 极限真空度低，噪声大，价格高,旋转支架干性机械泵,工作原理： 泵体内两个呈8字型的转子以相反的方向旋转，转子的咬合精度很高，且转子间，转子与泵体间无需油作密封，
9、转速高，抽速快。 工作参数： 理论抽速：Sp=Vf: 实际抽速： 1-103L/s 极限真空：10-2 Pa 特点与使用 与旋片机械泵串联使用，不能直接向空气排气。现正设计新型的可直接向空气排气的罗茨泵。高真空系统；价格较贵。,（4）真空泵简介- 罗茨泵,罗茨泵结构示意图,工作原理： 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。同时泵体冷却的油蒸汽又会凝聚返回泵的底部 工作参数：实际抽速： 1-104L/s (决定于泵体口径） 极限真空：10-5 Pa 特点与使用 与旋片机械泵串联使用，需要机械泵抽预真空(
10、1Pa)；油污染；价格便宜。,（5）真空泵简介- 油扩散泵,油扩散泵结构示意图,（6）真空泵简介- 涡轮分子泵,工作原理： 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20000-30000转/分的高速旋转，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高效快速的工作。 工作参数： 实际抽速： 1000L/s (决定于泵体口径和转速） 极限真空：10-8 Pa,涡轮分子泵结构示意图,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1Pa以下；无油污染；价格昂贵。 导致涡轮泵出问题的最常见的原因 1 、突
11、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。 2、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。,（6）真空泵简介- 涡轮分子泵,（7）真空泵简介- 低温吸附泵,工作原理： 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，吸附物质的表面积和吸附气体的种类等。 工作参数： 常用的吸附物质：金属表面；活性碳；沸石等分子筛 极限真空：10-110-8 Pa 特点与使用 需要机械泵抽预真空(10-1pa)；无油高真空系统；价格较贵；高温时，被吸附的气体又释放出来。,低温吸附泵结构示意图,（8）
12、真空泵简介- 溅射离子泵,工作原理： 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，而电离后的气体分子在高速撞击阴极时又会溅射出大量的Ti原子。由于Ti原子的活性很高，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，实现超高真空的获得。 工作参数： 实际抽速： 决定于泵体口径和阴极高压 极限真空：10-8 Pa 特点与使用 与旋片机械泵和分子泵配合使用，需要抽预真空(10-6 Pa)；无油污染；超高真空洁净系统；价格昂贵。,溅射离子泵结构示意图,2.4 真空测量技术,与真空环境获得方法密切相关的是真空的测量技术，根据真空度（气体压力）的范围的不同，其
13、测量方法和原理也各不同 由仪器测量出的真空度与真空室的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 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0 真空测量元件常被称为真空规，真空测量技术分为低真空和高真空测量，常用的有三种方法： 1. 热偶真空规和皮拉尼真空规 2. 薄膜真空规 3. 电离真空规,（1）真空测量技术-热偶规或皮拉尼规,热偶规工作原理：气体的热导率随气体压力变化，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
14、。 皮拉尼工作原理：通过测量热丝的电阻随温度的变化实现对真空度的测量。 测量范围： 热偶规 0.1-100Pa；皮拉尼 0.1Pa-0.1MPa 特点与使用： 都属低真空测量。,（2）真空测量技术电离真空规,工作原理：它由阴极，阳极和离子收集极组成，热阴极发射电子飞向阳 极的过程中，使气体分子电离，并被离子收集极收集形成电 流，根据离子电流测出气体压强。 测量范围： 10-9 - 1Pa (10-3 Pa相当于薄膜位移为一个原子尺寸大小) 特点与使用：属高真空和超高真空测量，通常与热偶规同时使用。,（3）真空测量技术-薄膜真空规,工作原理：通过薄膜在气体压力差下产生机械位移，测量电极间电容，
15、对气压进行绝对测量，测量结果与气体种类无关。 测量范围： 10-3 - 100Pa (10-3 Pa相当于薄膜位移为一个原子尺寸大小) 特点与使用： 属高真空测量。,1.5 几种典型真空系统的建立（1）低真空系统,系统组成： 真空室；机械泵；热偶规 应用 低压化学汽相薄膜 沉积； 真空包装等,真空室,机械泵,控制与测试,电磁阀,热偶规,2.5 几种典型真空系统的建立(2)高真空系统,系统组成： 真空室；分子泵或油扩散泵； 机械泵；热偶电离复合规 获得高真空的操作流程 应用 溅射沉积和蒸发等镀膜系统,真空室,机械泵,真空计,高真空阀,复合真空规,扩散泵或分子泵,低真空阀,预真空阀,真空室,机械泵,真空计,高真空阀,复合真空规,扩散泵或分子泵,预真空阀,离子泵,系统组成： 真空室；分子泵或油扩散泵； 机械泵；离子泵；热偶电离复合真空规 获得高真空的操作流程 应用：表面，界面及原子操纵,2.5 几种典型真空系统的建立-(3)超高真空系统,闸板阀,低真空阀,真空系统建立纲要,根据系统真空度的要求，确定选用单级泵，还是多级级联泵。 根据系统真空度的要求，采用不同的真空管件接口密封配件。如O型胶圈，无氧铜圈，银圈或金圈等。 根据真空室大小，选择各泵的抽速及型号。 真空管件要尽量的短，即真空室越靠近各泵体越好。 真空管件的截面积要求尽量的大，即管道越粗越好,本章作业,1、什么是真空？列出
