真空的获得与测量技术

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1、 第二章第二章 真空的获得与测量技术真空的获得与测量技术n2.1 气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本概念n2.2 气体的流动状态和真空的获得气体的流动状态和真空的获得n2.3 各类真空泵简介各类真空泵简介n2.4 真空测量技术真空测量技术n2.5 几种典型真空系统的建立几种典型真空系统的建立JP450磁控溅射镀膜系统磁控溅射镀膜系统等离子增强等离子增强CVD和热丝和热丝CVD复合系统复合系统一真空沉积系统一真空沉积系统二、真空抽气系统二、真空抽气系统三、真空测量系统三、真空测量系统 四、电源系统四、电源系统 五、气路系统五、气路系统2.1 气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本

2、概念1. 描述气体分子状态的宏观物理量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：理想气体状态方程： 普适气体常数普适气体常数 ：R=8.31J.mol-1K-1 波尔兹蔓常数波尔兹蔓常数 k=R/NA=1.38 10-23JK-1)平均平动动能平均平动动能2.1 气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本概念 2 2 气体分子运动速度及其分布气体分子运动速度及其分布气体分子运动速度及其分布气体分子运动速度及其分布 (Maxwell(Maxwell分布）分布）分布）分布）M-分子的摩尔质量，分子的摩尔质量，T为热力学温度，为热力学温度，R为普适气体常数为普适气体常数物理意义：

3、物理意义：f(v)dv表示在速率附近，表示在速率附近，dv速率间隔内的分子数占总分子速率间隔内的分子数占总分子数的比率数的比率2.气体分子的运动速度及其分布气体分子的运动速度及其分布平均速率平均速率图图1. 氢气和铝蒸汽分子在不同温度条件下的速度分布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最可几速率方均根速率2.1 气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本概念3 . 气体分子的平均自由程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：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；单位体积内的分子数； d : 气体分子的直径气体分子的直径 4. 单

4、位面积上气体分子的碰撞频率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即单位面积上气体分子的通量克努森方程克努森方程因子因子1/4是对气体分子运动方向和运动速度分布进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。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：衬底完全被一层分子覆盖所需时间：N为表面原子密度为表面原子密度常常温温常常压压下下，洁洁净净表表面面被被杂杂质质完完全全覆覆盖盖所所需需时时3.5 10-9 s, 而而在在10-8Pa的的高高真真空空中中，这这一一时时间间为为10h。所所以以在在薄薄膜膜制制备备技技

5、术术中中获获得得和和保保持持适适当当的的真空度是很重要的。真空度是很重要的。5 真空度真空度 真空度的常用单位为帕（真空度的常用单位为帕（Pa) 或托（或托（Torr): 1 Torr = 133 Pan真空度可分为：真空度可分为：q低真空：低真空： 102Pa 工业应用（包装）工业应用（包装）q中真空：中真空： 10210-1Pa CVD沉积技术沉积技术q高真空：高真空： 10-110-5Pa 溅射沉积技术溅射沉积技术q超高真空：超高真空： 10-5Pa 原子表面和界面分析原子表面和界面分析2.1气体分子运动论的基本概念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气体的流动状态

6、和真空的获得1. 气体的流动状态气体的流动状态 气气体体的的无无规规则则热热运运动动本本身身不不能能导导致致气气体体的的宏宏观观流流动动，只只有有在在空空间间存存在在压压力力差差的的条条件件下下，气气体体作作为为一一个个整整体才会产生宏观的定向流动。体才会产生宏观的定向流动。n气体流动取决于容器形状，气体气压，温度及气体流动取决于容器形状，气体气压，温度及气体种类。气体种类。2.2 气体的流动状态和真空的获得气体的流动状态和真空的获得气气体体流流动动状状态态分分类类分子流状态分子流状态: 分子间无相互碰撞分子间无相互碰撞 （高真空度）（高真空度）粘滞流状态粘滞流状态 分子间碰撞平繁分子间碰撞平

7、繁（中、低真空度）（中、低真空度）层流状态层流状态：低速流情况：低速流情况涡流状态涡流状态：高速流情况：高速流情况2.2气体的流动状态和真空的获得气体的流动状态和真空的获得气体流动可按气体流动可按克努森准数克努森准数来划分：来划分：Kn = D/ D为容器尺寸；为容器尺寸； 为平均自由程为平均自由程n 分子流状态：分子流状态：Kn 1n 中中 间间 状状 态：态：Kn=1110 n 粘滞流状态：粘滞流状态：Kn 110 图图1.2 气体流动状态与真空系统气体流动状态与真空系统 尺寸和气体压力之间的关系尺寸和气体压力之间的关系2. 气体管路的流导气体管路的流导 真空管路中气体的通过能力，流导真空

8、管路中气体的通过能力，流导C定义为定义为 P1和和P2为管路两断的气压，为管路两断的气压，Q为单位时间内通过管路的为单位时间内通过管路的气体流量。气体流量。n对分子流状态的气体：流导与气体压力无关对分子流状态的气体：流导与气体压力无关 A：管路截面积管路截面积n对粘滞流，流导随气体的压力呈现复杂变化对粘滞流，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气体的流动状态和真空的获得流导的流导的串联和并联串联和并联2.2 气体的流动状态和真空的获得气体的流动状态和真空的获得 泵泵1 泵泵2真空室真空室真空室真空室 泵泵1泵泵2并联可以提高抽速并联可以提高抽速 串联可以提高极限真空度

9、串联可以提高极限真空度并联流导并联流导并联流导并联流导串联流导串联流导2.2 气体的流动状态和真空的获得气体的流动状态和真空的获得3.真空抽速真空抽速 真空泵的抽速真空泵的抽速S定义为定义为 P为真空泵入口处的气压，为真空泵入口处的气压，Q为单位时间内通过该处的为单位时间内通过该处的 气体流量气体流量抽速抽速S和流导和流导C的物理意义：的物理意义：S特指一个截面上的气体流速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形成一定程度的压力降低2.2 气体的流动状态和真空的获得气体的流动状态和真空的获得(a)

10、 流量各处相等：流量各处相等：Q = C(P-Pp)=SpPp 实际抽速：实际抽速： 无回流无回流有回流有回流流流 量量极限真空极限真空实际抽速实际抽速(b)泵对容器的实际抽速泵对容器的实际抽速S永远小于泵的永远小于泵的理论抽速，也永远小于管路的流导理论抽速，也永远小于管路的流导C真空的获得真空的获得低真空：初级泵低真空：初级泵P 102Pa真空泵分类：真空泵分类：输输运运式式：采采用用对对气气体体进进行行压压缩缩的的方方式式将将气气体体分分子子输输送送至至真空系统之外真空系统之外捕捕获获式式：依依靠靠在在真真空空系系统统内内凝凝集集或或吸吸附附气气体体分分子子的的方方式式将将气气体体分分子子

11、捕捕获获，排排除除于于真真空系统之外。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。真空的获得真空的获得n中中级级真真空空和和高高级级真真空空的的获获得得，需需要要初初级级泵泵和高级泵共同作用和高级泵共同作用初级泵为高级泵抽气初级泵为高级泵抽气n工作原理：工作原理： 依依靠靠偏偏心心连连杆杆机机构构驱驱动动滑滑阀阀，在在滑滑阀阀运运动动时时，气气体体经经由由吸吸气气口口被被吸吸入入泵泵体体内内，然然后后在在滑滑阀阀压压缩下经排气阀排出泵体缩下经排气阀排出泵体n工作参数：工作参数：q理理论论抽抽速速：Sp=Vf (V为为转

12、转子子与与定定子子间间的的体积；体积；f为转速）为转速）q实际抽速：实际抽速： 10-500L/sq极极限限真真空空：单单级级为为103Pa；两两级级串串联联为为1Pan特点与使用特点与使用 单单独独使使用用或或用用作作其其它它泵泵的的前前级级泵泵，低低真真空空系系统。统。n 缺点缺点：油污染。油污染。2.3 真空泵简介真空泵简介（1） 滑阀式（往复式）真空泵滑阀式（往复式）真空泵滑阀式真空泵的结构示意图滑阀式真空泵的结构示意图油油的的作作用用：运运动动部部件件间间的的密密封封，对对机机械部件润滑。械部件润滑。n工作原理：工作原理： 依依靠靠放放置置在在偏偏心心转转子子中中的的可可以以滑滑进进

13、滑滑出出的的旋旋片，将气体隔离，压缩，然后排出泵体之外。片，将气体隔离，压缩，然后排出泵体之外。n工作参数：工作参数：n理理论论抽抽速速：Sp=Vf: (V为为转转子子与与定定子子间间的的体体积；积；f为转速）为转速）n实际抽速：实际抽速： 1-300L/sn极极限限真真空空：单单级级为为1Pa；两两级级串串联联为为10-2 Pan特点与使用特点与使用 单单独独使使用用或或用用作作其其它它高高级级泵泵的的前前级级泵泵，低低真真空系统空系统.n 缺点：缺点：油污染油污染 （2）真空泵简介真空泵简介-旋片式真空泵旋片式真空泵旋片式真空泵的结构示意图旋片式真空泵的结构示意图n型号：型号：2XZ-2,

14、 2XZ-4, 2XZ-8（3）真空泵简介真空泵简介干干性性机械泵机械泵n工作原理工作原理 通过增加腔的溶积来降低压力通过增加腔的溶积来降低压力n特点与使用特点与使用 使用非金属材料作为运动表使用非金属材料作为运动表面，以避免使用填缝剂和润面，以避免使用填缝剂和润滑剂，从而可避免油污染反滑剂，从而可避免油污染反应室。现今集成电路工艺中应室。现今集成电路工艺中使用干性泵。使用干性泵。n缺点：缺点： 极限真空度低，噪声大，价极限真空度低，噪声大，价格高格高旋转支架干性机械泵旋转支架干性机械泵n工作原理：工作原理： 泵泵体体内内两两个个呈呈8字字型型的的转转子子以以相相反反的的方方向向旋旋转转，转转

15、子子的的咬咬合合精精度度很很高高，且且转转子子间间，转转子子与与泵泵体体间间无无需需油油作作密封，转速高，抽速快。密封，转速高，抽速快。n工作参数：工作参数：n理论抽速：理论抽速：Sp=Vf:n实际抽速：实际抽速： 1-103L/sn极限真空：极限真空：10-2 Pan特点与使用特点与使用与与旋旋片片机机械械泵泵串串联联使使用用，不不能能直直接接向向空空气气排排气气。现现正正设设计计新新型型的的可可直直接接向向空空气气排排气气的的罗罗茨茨泵泵。高高真真空空系系统；价格较贵。统；价格较贵。（4）真空泵简介真空泵简介- 罗茨泵罗茨泵罗茨泵结构示意图罗茨泵结构示意图n工作原理：工作原理： 将将 扩扩

16、 散散 泵泵 油油 加加 热热 至至 高高 温温 蒸蒸 发发 状状 态态(200oC)，让让油油蒸蒸气气呈呈多多级级状状向向下下定定向向高高速速喷喷出出时时不不断断撞撞击击使使其其被被迫迫向向排排气气口口运运动动，在在压压缩缩作作用用下下被被排排出出泵泵体体。同同时时泵泵体冷却的油蒸汽又会凝聚返回泵的底部体冷却的油蒸汽又会凝聚返回泵的底部n工工作作参参数数：实实际际抽抽速速： 1-104L/s (决决定于泵体口径）定于泵体口径）极限真空：极限真空：10-5 Pan特点与使用特点与使用与与旋旋片片机机械械泵泵串串联联使使用用，需需要要机机械械泵泵抽抽预真空预真空(1Pa)；油污染；价格便宜。油污

17、染；价格便宜。（5）真空泵简介真空泵简介- 油扩散泵油扩散泵油油扩散泵结构示意图扩散泵结构示意图（6）真空泵简介真空泵简介- 涡轮分子泵涡轮分子泵n工作原理：工作原理： 靠机械运动对气体分子施加作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，以的转子叶片具有特定的形状，以20000-30000转转/分的高速旋转，分的高速旋转，将动量传给气体分子，多级叶片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连续压缩保证了分子泵的高效快速的工作。的高效快速的工作。n工

18、作参数：工作参数：n实际抽速实际抽速： 1000L/s (决定于决定于泵体口径和转速）泵体口径和转速）n极限真空极限真空：10-8 Pa涡轮分子泵结构示意图涡轮分子泵结构示意图n特点与使用特点与使用 与与旋旋片片机机械械泵泵串串联联使使用用，需需要要机机械械泵泵抽抽预预真真空空至至1Pa以以下；无油污染；价格昂贵。下；无油污染；价格昂贵。n导致涡轮泵出问题的最常见的原因导致涡轮泵出问题的最常见的原因 1 、突突然然将将泵泵暴暴露露于于大大气气之之下下，涡涡轮轮叶叶片片弯弯曲曲并并互互相相碰碰撞撞， 导致极大的失败。导致极大的失败。 2、涡涡轮轮泵泵的的回回转转轴轴是是精精密密平平衡衡的的，所所

19、以以在在使使用用过过程程中中严严禁禁移动或冲撞。移动或冲撞。（6）真空泵简介真空泵简介- 涡轮分子泵涡轮分子泵（7）真空泵简介）真空泵简介- 低温吸附泵低温吸附泵n工作原理：工作原理： 依依靠靠气气体体分分子子在在低低温温条条件件下下自自发发凝凝结结或或被被其其他他物物质质表表面面吸吸附附的的性性质质实实现现对对气气体体分分子子的的去去除除，进进而而获获得得高高真真空空的的装装置置 。真真空空度度依依赖赖于于低低温温度度，吸吸附附物物质质的的表表面面积积和吸附气体的种类等。和吸附气体的种类等。n工作参数：工作参数：n常常用用的的吸吸附附物物质质：金金属属表表面面；活活性性碳碳；沸石等分子筛沸石

20、等分子筛n极限真空：极限真空：10-110-8 Pan特点与使用特点与使用 需需要要机机械械泵泵抽抽预预真真空空(10-1pa)；无无油油高高真真空空系系统统；价价格格较较贵贵；高高温温时时，被被吸吸附附的气体又释放出来的气体又释放出来。低温吸附泵结构示意图低温吸附泵结构示意图（8）真空泵简介真空泵简介- 溅射离子泵溅射离子泵n工作原理：工作原理： 依依靠靠高高压压阴阴极极发发射射出出的的高高速速电电子子与与残残余余气气体体分分子子相相互互碰碰撞撞后后引引起起气气体体电电离离放放电电，而而电电离离后后的的气气体体分分子子在在高高速速撞撞击击阴阴极极时时又又会会溅溅射射出出大大量量的的Ti原原子

21、子。由由于于Ti原原子子的的活活性性很很高高，因因而而它它将将以以吸吸附附或或化化学学反反应应的的形形式式捕捕获获大大量量的的气气体体分分子子并并在在泵泵体体内内沉沉积积下下来，实现超高真空的获得。来，实现超高真空的获得。n工作参数：工作参数：实际抽速：实际抽速： 决定于泵体口径和阴极高压决定于泵体口径和阴极高压极限真空：极限真空：10-8 Pan特点与使用特点与使用与与旋旋片片机机械械泵泵和和分分子子泵泵配配合合使使用用，需需要要抽抽预预真真空空(10-6 Pa)；无无油油污污染染；超超高高真真空空洁洁净系统；价格昂贵。净系统；价格昂贵。溅射离子泵结构示意图溅射离子泵结构示意图2.4 真空测

22、量技术真空测量技术n与与真真空空环环境境获获得得方方法法密密切切相相关关的的是是真真空空的的测测量量技技术术，根根据据真真空空度度（气气体压力）的范围的不同，其测量方法和原理也各不同体压力）的范围的不同，其测量方法和原理也各不同n 由由仪仪器器测测量量出出的的真真空空度度与与真真空空室室的的实实际际真真空空度度之之间间可可能能由由于于温温度度的的不不同同而而存存在在误误差差，而而且且当当气气体体处处于于分分子子流流状状态态，真真空空室室与与测测试试点点的的气气压也有所不同。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分别为真空室和测试点的温度 当当

23、气气体体的的流流动动状状态态接接近近甚甚至至达达到到粘粘滞滞流流状状态态的的情情况况下下，温温差差造造成成的的测测量误差趋于量误差趋于0n 真真空空测测量量元元件件常常被被称称为为真真空空规规，真真空空测测量量技技术术分分为为低低真真空空和和高高真真空空测量，常用的有三种方法：测量，常用的有三种方法：1. 热偶真空规和皮拉尼真空规热偶真空规和皮拉尼真空规2. 薄膜真空规薄膜真空规3. 电离真空规电离真空规（1）真空测量技术真空测量技术-热偶规或皮拉尼规热偶规或皮拉尼规n热偶规工作原理热偶规工作原理：气体的热导率随气体压力变化：气体的热导率随气体压力变化，通过热电偶测出热丝通过热电偶测出热丝 的

24、温度，也就相应的测出了环境的气体压强。的温度，也就相应的测出了环境的气体压强。 皮拉尼工作原理皮拉尼工作原理：通过测量热丝的电阻随温度的变化实现对真空度的测量。：通过测量热丝的电阻随温度的变化实现对真空度的测量。 n测量范围测量范围： 热偶规热偶规 0.1-100Pa；皮拉尼皮拉尼 0.1Pa-0.1MPan特点与使用特点与使用： 都属低真空测量。都属低真空测量。 （2）真空测量技术真空测量技术电离真空规电离真空规n工作原理工作原理：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极的

25、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。流，根据离子电流测出气体压强。n测量范围测量范围： 10-9 - 1Pa (10-3 Pa相当于薄膜位移为一个原子尺寸大小相当于薄膜位移为一个原子尺寸大小)n特点与使用特点与使用：属高真空和超高真空测量，通常与热偶规同时使用。：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）真空测量技术-薄膜真空规薄膜真空规n工作原理工作原理：通过薄膜在气体压力差下产生机械位移，测量电极间电容，：通过薄膜在气体压力差下产生机械位移，测量电极间电容， 对气压进行绝对测量，测量结果与气体种类无关。对气压进行绝对测量，

26、测量结果与气体种类无关。n测量范围测量范围： 10-3 - 100Pa (10-3 Pa相当于薄膜位移为一个原子尺寸大小相当于薄膜位移为一个原子尺寸大小)n特点与使用特点与使用： 属高真空测量。属高真空测量。 1.5 几种典型真空系统的建立几种典型真空系统的建立（1）低真空系统低真空系统n系统组成： 真空室；机械泵；热偶规n应用 低压化学汽相薄膜 沉积； 真空包装等真空室真空室机械泵机械泵控制与测试控制与测试电磁阀电磁阀热偶规热偶规2.5 几种典型真空系统的建立几种典型真空系统的建立(2)高真空系统高真空系统n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n获得高真空的操作流程

27、n应用 溅射沉积和蒸发等镀膜系统 真空室真空室机械泵机械泵真空计真空计高真空阀高真空阀复合真空规复合真空规扩散泵或扩散泵或分子泵分子泵低真空阀低真空阀预真空阀预真空阀真空室真空室机械泵机械泵真空计高真空阀高真空阀复合真空规复合真空规扩散泵或扩散泵或分子泵分子泵预真空阀预真空阀离离子子泵泵n系统组成：系统组成： 真空室；分子泵或油扩散泵；真空室；分子泵或油扩散泵； 机械泵；离子泵；热偶电离复机械泵；离子泵；热偶电离复合真空规合真空规n获得高真空的操作流程获得高真空的操作流程n应用：表面，界面及原子操纵应用：表面，界面及原子操纵 2.5 几种典型真空系统的建立几种典型真空系统的建立-(3)超高真空

28、系统超高真空系统闸闸板板阀阀低真空阀低真空阀真空系统建立纲要真空系统建立纲要n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，确定选用单级泵，还是多级级联泵。n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。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。如如O型胶圈，无氧铜圈，银圈或金圈等。型胶圈，无氧铜圈，银圈或金圈等。n根据真空室大小，选择各泵的抽速及型号。根据真空室大小，选择各泵的抽速及型号。n真空管件要尽量的短，即真空室越靠近各泵体越好。真空管件要尽量的短，即真空室越靠近各泵体越好。n真空管件的截面积要求尽量的大，即管道越粗越好真空管件的截面积

29、要求尽量的大，即管道越粗越好本章本章作业作业n1、什么是真空？列出最常见的真空单位？并描述、什么是真空？列出最常见的真空单位？并描述 4种真空范围种真空范围n2、什么是平均自由程？为什么它在薄膜制备过程中很重要？什么是平均自由程？为什么它在薄膜制备过程中很重要？n4、描述旋片式机械泵和分子泵的工作原理、描述旋片式机械泵和分子泵的工作原理n5、涡轮分子泵最常见的失败原因是什么？、涡轮分子泵最常见的失败原因是什么？n6、描述测量高、低真空的电离规和热偶规、描述测量高、低真空的电离规和热偶规n7、如如要要设设计计一一个个真真空空度度为为5 10-4Pa的的高高真真空空系系统统，需需要要哪哪 些些真真空空 泵、测试元件和阀门（泵、测试元件和阀门（3个阀），画出系统框图，并描述获得该个阀），画出系统框图，并描述获得该 真空的操作过程。真空的操作过程。