電子科大薄膜物理(趙曉輝)第一章真空

第一章真空技術基礎主要內(nèi)容稀薄氣體基本性質(zhì)真空的獲得

真空的測量§1-1氣體與真空空氣作為一種氣體，由氣體分子組成（可以想象為彈性小球）。氣體分子沿直線運動，直到與鄰近分子或者器壁發(fā)生碰撞為止。1.氣體、蒸汽?取決于壓力增加時是否能夠凝聚成為液體。例如：200oC時水為蒸汽，但是在500oC,水就是氣體。當壓力較低時，氣體和蒸汽特性相同。P=F/A=nMvrms2/3NA

氣壓來源于氣體分子對器壁的不斷碰撞。氣體分壓2.氣壓PARTIALPRESSURESOFGASESCORRESPONDTOTHEIRRELATIVEVOLUMESGASSYMBOLPERCENTBYVOLUMEPARTIALPRESSURETORRPASCAL氮氣氧氣氬氣二氧化碳氖氣氦氣氪氣氫氣氙氣水N2O2ArCO2NeHeKrH2XeH2O78210.930.030.00180.00050.00010.000050.0000087Variable59315x10-24.0x10-38.7x10-44.0x10-46.6x10-55to5079,00021,000940331.85.3x10-11.1x10-15.1x10-28.7x10-3665to6650空氣是多種氣體混合物T(OC)100250-40-78.5-196P(mbar)10133x10-410-24(沸點)(冰點)(干冰)(液氮)水的飽和蒸汽壓氣體的飽和蒸汽壓部分固體的飽和蒸汽壓3.真空定義真空：低于{一個大氣壓U當?shù)卮髿鈮海臍怏w狀態(tài)“相對真空”，“絕對真空”?

特點：壓強(Pressure)低，分子稀薄， 分子的平均自由程長。電學特性輸運特性真空的性質(zhì)由壓強、單位體積分子個數(shù)、氣體密度等表示4.壓力單位PressureunitPaBarAtmTorrPa10.000019.869×10-67.501×10-3

Bar1000001

9.869×10-17.501×102

Atm1013251.013251760

Torr133.320.0013331.316×10-31

用“真空度”及“壓強”兩個參量來衡量真空的程度

帕斯卡（Pascal）=1牛/米2，國際單位制托（Torr）=133.322Pa=1/760atm單位，描述真空的獨特單位此外，mmHg、atm、bar等。

RelativePressureAbsolutePressure5.為什么需要真空?需要粒子在較長的距離做直線運動。5.為什么需要真空?2.提供一個潔凈的表面（供薄膜沉積）。污染嚴重(經(jīng)常是水)潔凈表面空氣氣氛高真空6.真空的劃分

粗真空

105－102Pa:目的是獲得壓差真空吸塵器，真空過濾器，CVD

低真空

102－10-1Pa:氣體分子運動特征改變，電場下具有導電特征

vacuum-bottle,真空瓶，真空干燥器，真空注入，濺射，LPCVD高真空

10-1－10-6Pa:蒸發(fā)，離子源超高真空＜10-6Pa

：表面分析，粒子物理§1-2稀薄氣體的基本性質(zhì)

低壓狀態(tài)下，可用理想氣體的狀態(tài)方程（波義爾定律、蓋·呂薩克定律、查理定律）來描述，遵守麥克斯韋——玻爾茲曼分布。PV＝nmolRT=nmolecularkT=nMvrms2/3NAnmol=m/Mnmolecular=7.2*1022P/T1.理想氣體狀態(tài)方程2.氣體分子的速度分布麥克斯韋速度分布函數(shù)表示分布在速度附近單位速度間隔內(nèi)的分子數(shù)占總分子數(shù)的比率。氣體分子速度分布3.三個重要速度表示最可幾速度：最大時的速度平均速度均方根速度

4.平均自由程MEANFREEPATH

定義：每個分子在連續(xù)兩次碰撞之間所運動的平均路程

其中:n—氣體分子密度，標準狀態(tài) n≈3*1019

d—分子直徑,幾個?代入理想氣體狀態(tài)方程

得:對于25℃空氣

cmIsλpropotionaltoT?分子密度與平均自由程101325Pa(atm)0.1Pa1x10-7Pa#/cm3MFP3x1019(30milliontrillion)4x1013(40trillion)4x107(40million)2.5x10-6in6.4x10-5mm2inches5.1cm31miles50km碰撞幾率氣體分子運動X的距離以后，彼此間碰撞的幾率。★誤區(qū)：f與λ成反比。x=λ,f＝63%x=0.1λ,f＝9%5.分子通量與余弦散射律

（1）分子通量F（入射頻率n）：單位時間單位面積的器壁上碰撞的氣體分子數(shù)＝2.64×1020P/(MT)0.5（molecules/cm2s）P:pascalM:gT:K（克努森方程）（2）氣體分子從固體表面的反射幾率A.反射幾率與入射方向無關，僅按余弦定律散射B.揭示散射的本質(zhì)是個再發(fā)射過程，即氣體將停留在固體表面一小段時間以交換能量（吸附）。

黏滯流

(分子間動量傳遞)分子流

(分子獨立運動)6.氣體的流動流體機制黏滯流:

分子間距??；分子間碰撞占主導；

通過動量傳遞進行流動；一般壓力大于0.1mbar過渡流:

介于兩者之間。分子流:

分子間距大；分子與器壁碰撞占主導；

通過無定向運動進行；一般壓力小于10mbar-3平均自由程

特征長度黏滯流:小于0.01克努森數(shù)平均自由程

特征長度過渡流:[0.01,1]平均自由程

特征長度分子流:大于1氣源2.吸附氣體：1.空間氣體：很容易被抽走物理吸附化學吸附

放氣量在中真空階段與空間氣源相當，高真空、超高真空階段為主要放氣源。真空材料：不銹鋼等，忌用陶瓷除氣手段：烘烤、離子轟擊3.系統(tǒng)漏氣：密封：O形橡膠圈：高真空金屬密封圈：超高真空氣體負荷OutgassingLeaksVirtualRealBackstreamingDiffusionPermeation氣體負荷單位:mbar?L/s抽氣曲線Pressure(mbar)Time(sec)10-11101103105107109101110131015101710+110-110-310-510-710-9空間氣體表面解吸擴散滲透Exp(-at)1/t1/t§1-3真空的獲得典型的真空系統(tǒng)包括：真空室(Chamber)，真空泵(VacuumPump),控制系統(tǒng)(Controlsystem)，真空計(VacuumGag)真空系統(tǒng)的兩個重要參數(shù)：極限真空（本底真空,BasepressureorUltimatepressure），抽氣速率(Pumpingspeed)泵將氣體抽出系統(tǒng)？No！No！！No！??！真空泵

Vacuumpump要生成真空，必須將氣體分子移出系統(tǒng)。只有當空間的兩個區(qū)域存在壓力差的時候氣體分子才會移動。低壓區(qū)域擁有較少的氣體分子，高壓區(qū)域擁有較多的分子。任何能夠在空間兩個區(qū)域之間生成壓力差的設備都可以叫做泵。在特定系統(tǒng)中生成真空的泵被稱為真空泵。Atmosphere主要的真空泵油封機械泵、分子泵、羅茨泵原理：利用機械力壓縮

油擴散泵原理：油蒸汽噴射形成壓差

濺射離子泵、鈦升華泵原理：濺射形成吸氣、升華形成吸氣

冷凝泵原理：將氣體冷凝成液態(tài)/冷凝吸附1.機械泵（旋片式機械泵）

轉(zhuǎn)子偏心地置于定子內(nèi)，旋片上有彈簧，整個部件浸于機械泵油中，油起潤滑和密封作用。旋片轉(zhuǎn)動一周后經(jīng)n個循環(huán)后真空腔Pn接近0容積變化Pn不可能趨于零，因為：

A.在出氣與轉(zhuǎn)子密封點之間存在著“有害空間”。

B.單等級泵時進氣口與排氣口壓力差大。

C.泵油在高溫摩擦下，裂解形成輕餾成份。

D.水蒸汽凝結(jié)，形成懸濁液解決辦法是采用雙級泵，以一個轉(zhuǎn)子空間的出氣口作為另一轉(zhuǎn)子空間的進氣口，可使極限真空從1Pa→10-2Pa采用高溫泵油氣鎮(zhèn)閥雙級泵工作原理可獲得更低的氣壓1.旋片式機械泵的缺點振動！返油（無法生成高真空）容易磨損對可凝結(jié)的氣體效果不佳發(fā)熱耗油返油2氣壓<0.2mbar時容易發(fā)生油分子的平均自由程隨氣壓降低逐漸增大壓縮過程中會產(chǎn)生水和丙酮的凝結(jié)。為避免凝結(jié)，通過氣鎮(zhèn)閥引入氣體，使可凝性氣體到達飽和蒸汽壓之前，壓縮氣體壓力已達到排氣壓力，將氣體排出。單級和雙極葉片泵的抽速特征2.Roots--羅茨泵兩個8字形共軛的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子之間、轉(zhuǎn)子與泵壁之間無油，間隙0.1mm高速轉(zhuǎn)動：可達3000轉(zhuǎn)/分，抽氣時無壓縮，工作原理：容積泵+分子泵。機械增壓泵Pump/BlowerPackages真空泵工作示意圖單級羅茨真空泵結(jié)構(gòu)圖C(blower+rotarypiston)（羅茨泵+旋轉(zhuǎn)活塞泵）D(rotarypiston)（旋轉(zhuǎn)活塞泵）A(blower+rotaryvane)（羅茨泵+旋片泵）B(rotaryvane)（旋片泵）3.擴散泵擴散泵油被加熱后沿噴嘴向下噴射，速度可達200m/s，由空氣動力學原理與進氣口形成壓力差，使氣體向下擴散而被抽走，油蒸汽水冷后重新利用。

頂級噴口擁有最純的油蒸汽工作原理抽速變化10-710--110PumpingSpeed(Air)1234InletPressure(Pa)CriticalPoint1.CompressionRatioLimit2.ConstantSpeed3.ConstantQ(Overload)4.MechanicalPumpEffect污染油蒸汽的釋放

最大出口氣壓(Page73manual)液氮冷阱+擋板(Page78manual)油擴散泵優(yōu)點簡單相對便宜無活動部件

（無振動）抽速P容易抽輕氣體可允許顆粒存在缺點油

蒸汽

熱解加熱冷卻耗時需要冷卻可能過熱可能污染腔體4.分子泵Balzers,1992LeyboldM2000,1999“Clean,LeanVacuumMachine”Turbo’s氣體隨轉(zhuǎn)子作圓周運動，獲得離心力，與轉(zhuǎn)子上頁碰撞，按余弦定律散射，獲得速度，后與定子下交碰撞，再獲向下速度分量。條件：（1）起始工作氣壓小，平均自由程大。常壓下，空氣λ=0.06μm，1.3Pa，λ=4.4mm要求λ大于葉片間距。（2）轉(zhuǎn)子葉片線速度與氣體分子速度相近分子量大、氣體易抽，H2難抽。

H2最可幾速率1557m/s，極限真空殘余氣體中。85%為H2。渦輪分子泵工作原理MoleculeVMovingWallwithSpeedVPrincipleoftheTurbomolecularPump渦輪分子泵優(yōu)點清潔無需加熱冷卻高真空抽速快N2170L/sHe130L/sH2110L/s缺點昂貴不允許顆粒存在易崩潰（更貴）抽速因氣體不同5.鈦升華泵加熱熱絲至足夠高溫（1100℃），鈦直接升華，鈦沉積在器壁內(nèi)腔上，形成新鮮鈦膜層，在升華和沉積過程中，鈦與活性氣體結(jié)合形成穩(wěn)定化合物（TiO，TiN），達到抽氣的目的：吸附作用，物理+化學（為主）。極限真空：10-10Pa

注意：（1）控制升華速率，使鈦充分反應，否則無效；（2）吸氣面大，抽速高。6.濺射離子泵陽極為多個不銹鋼圓筒或四方格、六方格組成,陰、陽極之間加有高壓，在陽極小室里產(chǎn)生放電。特點：極限真空10-10Pa，對油污染敏感當真空系統(tǒng)壓力降到

10-3Torr時,離子泵才開始正式發(fā)揮作用。濺射離子泵優(yōu)點清潔無活動部件可由電流輕易獲得氣壓缺點太講究

難啟動對水作用有限低容量氣體并非永久排除7.冷凝泵通過低溫凝結(jié)捕獲氣體分子。由冷凝器組成，溫度-193℃--255℃。擁有活性炭，用于吸收無法凝結(jié)的氣體分子。冷凝泵工作原理氣體分子可以與泵內(nèi)材料反應，生成固體薄膜被吸收。也可以被液化冷凝。低溫冷凝低溫吸收(Page98manual)活性炭的擺放泵的工作范圍粗真空高真空超高真空VenturiPump旋片機械泵旋轉(zhuǎn)活塞泵吸附泵干機械泵羅茨泵高真空泵超高真空泵10-1010-810-610-410-210010＋210+4P(Pa)泵的工作范圍（續(xù)）10-1210-1010-810-610-410-2110+2P(Torr)粗真空高真空超高真空粗真空泵渦輪泵擴散泵冷凝泵離子泵鈦升華泵液氮冷凝泵§1-4真空的測量幾種真空計的工作原理與測量范圍U形管壓力計利用大氣壓與真空壓差測量范圍（Pa）105－102

電阻真空計、熱偶真空計利用氣體分子熱傳導測量范圍（Pa）104－1熱陰極電離真空計、B-A型真空計利用氣體電離與壓強的關系測量范圍（Pa）10-1－10-6、10-1－10-10潘寧磁控電離計利用磁場中電離與壓強的關系測量范圍（Pa）1－10-5

氣體放電管利用氣體放電與壓強的關系測量范圍（Pa）103－1布頓式真空計熱偶真空規(guī)熱偶真空計

熱電偶測量熱線溫度的變化，即為熱偶真空計。測量熱絲電阻值的變化，即為熱阻真空計。

Q=Q1輻射+Q2傳導+Q3氣體分子帶走熱量低氣壓下，氣體傳導的熱量與壓強成正比。熱導規(guī)對不同氣體的靈敏度3.電容壓力計測量范圍：0.1-1000torr精確度高由兩個腔體組成，中間由靈敏的柔性隔板隔開。一個腔體連接被測氣體，另一個腔體保持恒定氣壓。恒定氣壓腔體內(nèi)有兩個電容盤。當氣壓變化時，隔板移動，隔板與電容盤之間電容發(fā)生變化。該信號可以轉(zhuǎn)化為氣壓。4.電離真空計

類似于一真空三極管，燈絲發(fā)射電子使氣體電離，氣體分子電離的多少與氣體分子密度成正比，即與壓強成正比，收集極收集離子數(shù)的多少，即可知壓強P的大小。注意：不可在高氣壓下使用，此時離子電流過大，將燒毀真空計。測量范圍：10-8-10-2torr由鎢絲，金屬格，收集極組成，均封裝于玻璃管中，與被測氣體相連。當氣壓升高，電流增大。電離規(guī)對不同氣體的相對靈敏度氣體對N2相對靈敏度Sr氣體對N2相對靈敏度Sr

H20.46He0.17Ne0.25Ar1.31Kr1.98Xe2.71N21.0O20.95CO1.11CO21.53干燥空氣1.0H2O0.9Hg3.4擴散泵油氣9-13HCl0.38CH4l.26CCl40.705.殘余氣體分析儀（RGA）QUADRUPOLEHEADCONTROLUNITRGA工作原理MASSNUMBER(A.M.U.)RELATIVEINTENSITYNORMAL(UNBAKED)SYSTEMH2H2ON2,,COCO2(A)RGA譜線MASSNUMBER(A.M.U.)RELATIVEINTENSITYSYSTEMWITHAIRLEAKH2H2ON2CO2(B)O25.溫度對壓力測試準確性的影響兩連通容器的壓力：1.低真空：粘滯流情況，平衡條件是壓力相等

P1=P2，

2.高真空：分子層流情況，平衡條件是流導相等例：真空室溫度600℃，規(guī)管溫度25℃，測量壓力只有真實壓力的58％。真空計工作范圍10-1010-810-610-410-210010＋210+4P(Pa)粗真空高真空超高真空BourdonGauge熱偶規(guī)冷陰極規(guī)電容壓力計HotFil.IonGaugeRGA皮拉尼規(guī)SpinningRotorGaugeMcLeodGauge§1-5真空部件Bellows—波紋管真空系統(tǒng)連接件

提供直線連接的緩沖

為安裝硬件提供充分的靈活性

減少連接處的應力

熱循環(huán)時提供充分的膨脹/收縮空間Valves—真空閥真空系統(tǒng)隔離閥

氣壓傳動316L不銹鋼材質(zhì)

彈性變形金屬密封最高工作溫度200℃

波紋管密封Feedthroughs—連接件Gasket—密封環(huán)RubberorMetal?MassFlowController—流量計由主管和支管構(gòu)成。支管

中部有加熱線圈和溫度傳感器。

測量傳感器之間溫差。流速越慢，溫差越大。

針對不同氣體進行校正。分子篩和沸石阱Thermocouple—熱電偶由兩條不同的金屬絲連接構(gòu)成。測量連接點的溫度

溫度上升時，電壓隨之升高。HeatingSystemResistanceheating電阻加熱Electronicbombardment電子轟擊Lampheating燈絲加熱RFheating射頻加熱ContactorNOT?§1-6LEAKDETECTION檢漏漏氣的可能OutgassingLeaksVirtualRealBackstreamingDiffusionPermeationTrappedVolumesVentedScrewDoubleOringsealedshaftsAtmosphere(760torr)VacuumDifferentialPumpingAtmosphere(1013mbar)VacuumToPump1mbarstandardcubiccentimeter/sec

(sccs)密封后的殘余氣體像真正的泄漏:1mm3@1atm=1000L@10-6Torr泄漏速率10-1sccs 10-3sccsLeakRatesoverTime10-1STDCC/SEC1CC/10SEC10-3STDCC/SEC3CC/HOUR10-5STDCC/SEC1CC/DAY10-6STDCC/SEC1CC/2WEEKS10-7STDCC/SEC3CC/YEAR10-9STDCC/SEC1CC/30YEARSPermeationLeaks滲透泄漏（Permeationleaks）與真正的泄漏不同，唯一消除的辦法只能是更換為滲漏較少的材料。為什么用氦氣檢漏?§1-7VacuumMaterials機械性能：可以被加工和制作；

強度；

耐溫性熱性能：高溫時材料的蒸汽壓必須很低；

相鄰材料的熱膨脹匹配，特別是接口處。GasLoading不能是多孔的；必須沒有裂紋裂縫（會陷入清潔用溶劑，成為虛擬的泄漏源。）極端溫度和輻射條件下的表面和整體解吸速率不能太高。CommonMaterialsAusteniticStainlessSteel(奧氏體不銹鋼)

高真空和超高真空最常用的材料，滿足所有上述要求。AluminumandAluminumAlloys（鋁合金）

便宜，易加工，鋅含量低時放氣率很低。缺點是高溫下強度較低，焊接時形變嚴重。Ceramics–完全玻璃化的陶瓷和氧化鋁是很好的絕緣體，放氣率低，氣體滲透少，可在1500℃高溫下使用。部分陶瓷可機械加工。易碎，使用時小心輕放。BorosilicateGlass(硼硅),Pyrex

(耐熱玻璃),經(jīng)常用做小系統(tǒng)或觀察窗口。易于加工成部件，抗腐蝕。Nitrile（腈）

Rubber.BunaNt.m（丁納橡膠）.

經(jīng)常用來制作橡膠圈"O"rings.PTFE

具有自潤滑特性，較低的放氣率，較好的電絕緣體。相比于其他塑料，可用于較高溫度。過高的滲透率使得PTFE不適合作為真空密封。

PolycarbonatesandPolys