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1、57第六章 管路接头与阀门在前面章节中，我们着重在真空泵，压力量测，然而在组成成真空系统时，腔体与腔体之件的连接，或是腔体与泵的连接也是很重要的问题。管路的连接方式牵扯到如何在连接后不会漏真空，同时也必须考虑一旦真空度到达时，或是有其它用途时，如何隔离真空。阀门的选取以及真空管路的密合是这个章节所欲介绍的重点阀门（Valve)阀门是用来控制气体流通的门户，同时也是阻隔不同压力区的腔体，它的重点在于必须能够承受压力不会变形，以及阀门关门的机制如何？阀门的材料大致分为黄铜，铝以及不锈钢的材质。黄铜的阀门都用在 foreline，或是不具有腐蚀性的气体环境。铝阀门所用的压力范围涵盖全部，但是若牵连腐
2、蚀性的气体，通常以不锈钢的阀门取代。阀门与其它管件连接时，其密合的方式有采用 o-ring 以及金属式（俗称 gasket)的密合，而阀门本身在密合时（俗称 flapper)也区分为金属和 O-ring两种，金属的密合可耐到 300C，而 O-ring 则视种类而定，若是 Buna-N 只能耐80C，若是 Viton 则是可以耐到 200C。一般而言阀门可分为下列数种Gate valves Rectangular valves Right-angle and block valves Straight-through valves Ball valves Inline valves Butte
3、rfly valves Variable conductance controllers Leak valvesGate valve 58Gate Valve 一般用在两个系统之间，它可以提供一个高气体流量的通道。最常看到的地方在于高真空泵与腔体之间，藉此 Gate Valve 可以让腔体破真空而不必关掉泵的运作，其次 gate Valve 也用在由一个腔体在真空环境中，将试片或对象转进另一腔体，gate valve 成为其门户。图 6.1 为 gate valve 在开关时之情形。该阀门的开关乃是用气压的方式推挤阀门。在关的状态时，其弹簧是在松弛状态，等到要打开阀门时，则气体进入气体室推挤活
4、塞，将 flapper 带出，完成阀门打开的动作。因此该图所显示的阀门其打开的机制是采抽拉式，而其密合的方式采 O-ring。Rectangular valves该种阀用在一些系统需要阀门是很低的高度，但是有足够宽的宽度，例如可以用来传送盘状的对象（Si wafer)。Right-angle and block valves 圖 6.1 閥門開關之圖示圖 6.2 Rectangular valves59这种阀有 O-ring 密合以及金属密合两种。通常用在 foreline，UHV shut-off 阀，sorption pump 的阀。其气导为其 Straight-through valve
5、s 的一半，图 6.3 为其外貌. Straight-through valves 该阀最大的特色在于气体流通时，完全不必绕弯。图 6.4 为其外貌图Ball valves该种阀仅适合用在低真空的环境下，在高真空环境下该阀容易泄漏，图 6.5为其外貌图。圖 6.3 Right-angle and block valves 的外貌與其氣體流通 之情形圖 6.4 Straight-through valves 之外貌圖 6.5 Ball valves60Inline valves 该种阀其进气口与出气口不在同一方向，其用的时机在于其它阀门在空间的装置上无法胜任时。图 6.6 为其外貌图。Butte
6、rfly valves 该种阀用在扩散泵比较多，在装置时，必须预留空间给其 Flapper 旋转。图6.7 为其外貌。Variable conductance controllers 该种阀可以用来量整气导值。除非是特殊用途，否则不常见。图 6.8 为其外貌。圖 6.6 Inline valves 之外貌圖 6.7 Butterfly valves61Leak valves 该阀有时候也称气体控制阀，专用用来控制少量气体进入腔体。其外貌见图6.9。 真空腔体在密合时，如何不让外界气体进入腔体内是首要目标，O-ring 密合与金属密合是最主要的两种方式，为了配合这种密合，在管路接头的设计上必须要
7、有凹槽或刀口，方能达到要求。下面所介绍的便是 O-ring 的密合方式。O-ring 的密合其圖 6.8 Variable conductance controllers圖 6.9 Leak valves 之外貌圖圖 6.10 正壓力密合的 O-ring 密 合63原理不外乎是将 O-ring 挤压，让 O-ring 去填满空隙，让空气无法进出。挤压 O-ring 的方式可以是正压力，也可以是剪力，完全视凹槽的几何形状而定。图 6.10为 O-ring 受到正压力而密合的凹槽几何形状，虽然其几何形状略略不同，但大体而言 O-ring 是接受正压力而密合。图 6.11 也是一种正压力下的紧密结合
8、的几何结构，只不过此回其凹槽较深，整个 O-ring 落在凹槽之内，在密合时,上方的突出物会深入下方的凹槽，挤压 O-ring 而达到密合作用。图 6.12 显示其它几何形状的密合机制，与前面不同之处在于其凹槽呈梯形状。在密合时会出现剪力。图 6.13 则是另一类的组合64圖 6.11 另一種 O-ring 密合之 方式。圖 6.12 另一種 O-ring 密 合之方式。圖 6.13 另一類幾何結構65前面几种都是 O-ring 落在一个接头的凹槽内，然而也有所谓接缝式的 O-圖 6.14 接縫式的 O-ring 組合圖 6.15 快速接頭之 組件66ring 密合，图 6.14 乃是其外貌图
9、。该种 O-ring 套在一个圆环上，两端接头靠此 O-ring 紧合，由于这种方式非常便利于管路的衔接，因此称之为 KF 接头，市面上称之为快速接头，图 6.15 为真正外貌。O-ring 的密合由于 O-ring 本身会溢出气体,所以适无法使用在超高真空。在超高真空的密合上，所采用的方式是利用金属的密合，换句话说便是以软金属为中间物，两边的接头都有所谓的刀刃边缘，在紧压时刀刃紧紧坎入软金属内形成密合作用，这中间的软金属称之为 gasket 其材质有 Al,Cu,Ni等等。同样的利用金属密合,也需要凹槽来置放 gasket，图 6.16 为金属密合的的方式说明图。图中明白说明 gasket
10、如何被外缘金属刀缘坎入。图 6.17 为 gasket 被坎入的各种方式,在此提出仅供参考圖 6.16 金屬密合 之示意圖圖 6.17 各式金屬被坎入密合之形式67之前所谈的都是针对腔体气体分子如何被控制流动的方式，诸如阀门，接头密合等等问题，但是在真空技术中刻意要将某气体输入腔体的机会也很大，例如作溅射实验需要通 Ar 气体，又例如腔体要破真空需要通干燥之氮气等等，所以气体的管路的衔接在真空系统中也是一项非常重要的项目。如何控制气体流量，以及如何密合管路是下面介绍的对象。流量控制器俗称 MFC （mass flow controller)，该气体流量计其原理乃是利用侦测气体导热程度与密度关系
11、来决定气体的流量。图 6.18 为流量计之示意图，气体由左端流入，然后经由侧边分流至三个加热器，三个加热器提供热同时也测量温度。热量的传递与气体分子的密度有关可以回馈气体入口的阀门大小，藉此修正气体的入口量。流量计对于气体的热传导反应必须要很快，否则会造成 overshooting 的现象。由于不同气体的导热程度不一样，所以流量的校正很重要，通常以氮气为标准，若改为不同气体，则其流量读数必须乘上一个比例值，价钱较高的流量计其控制器会提供一个调整钮，可以将读数乘上一个因子，因此纵使换成不同的气体，其读数依旧是该气体的真正流量。除了这基本的流量计，假设你所想控制的气体其分压很低，必须在周围温度高过
12、室温才有可能提供气体分压，在此情形下，流量计本身主体会附带一个加热器，整个管路会保持在一个设定的温度之内，藉此避免当气体流入流量计之后因温度不够形成液体而造成管路堵塞。圖 6.18 流量控制計之 工作原理68气体管路的连接与前面所提之腔体真空泵管件连接有不相似之处，气体管路口径很小，所以其密合方式有很特殊的地方，倘若该气体管路是属于金属管件，则其连接部份多半采用金属衬片结合或是金属密合的方式，倘若管件有一部份是属于玻璃，则会采用 O-ring。若使用金属衬片或金属密合的管件常见的有两种，一种称之为 VCR 另一种称之为 swagelok。图 6.19 为 VCR 之外貌图。图 6.20 为 swagelok之外貌。图 6.21 为 O-ring 的方式称之为 VCO圖 6.19 VCR 的管路銜接圖 6.20 Swagelok 的外貌及連 接之方式圖 6.22 氣體分流控制閥67管路在连接时难免会碰到分流的问题，因此会有分流的控制阀，图 6.22为其中的一种。有了上述这些组件，一个真空系统才有可能组合完整。图 6.22 为一个真空系统，其中包括了腔体，泵以及管路接合等之外貌图。圖 6.23 真空系統之完整 圖。其中包括腔 體，幫浦，管路 等等。圖 6.21 VCO 之裝置之裝置圖
