真空理论知识培训教材.doc

无锡华润晶芯半导体有限公司WuxiChinaResourcesSemiconductorWafers&ChipsLtd.第1页共23页真空理论知识培训拟制：许坤良目录：一.基础知识：二.往复式真空泵：三.旋片式油封机械真空泵：四.罗茨式真空泵：五.分子真空泵：六.油扩散泵：七.低温泵：八.真空泵流量的测量方法：九.冲洗抽气法：无锡华润晶芯半导体有限公司WuxiChinaResourcesSemiconductorWafers&ChipsLtd.第2页共23页一.基础知识：1.真空及其度量：真空-一般是指在给定的空间内，压力低于101325Pa的气体状态。在真空状态下，气体的稀薄程度，通常用气体的压力值来表示。真空的主要特性-真空状态同正常的大气状态相比较，气体较为稀薄，即单位体积内的分子数目较少，分子之间或分子与其他质点（如电子、离子）之间的碰撞几率减少，分子在单位时间内碰撞于单位表面积（如器壁）上的次数也相对减少。分为：“自然真空”和“人为真空”人为真空-是指人们对一个容器进行抽气而获得的真空空间。气体的稀薄程度叫真空度。真空度可用气体压强、分子密度、平均自由程和形成一个单分子层的时间来描述，在真空科学与技术中，通常都用气体的压强来表示。气体压强越低，真空度越高。2.换算关系：1atm=1.01325*105Pa（1Pa=1N/m2）（760mmHg）1atm=760mmHg=760Torr（标准大气压）1Torr=133.322Pa（1Pa=7.5*10-3Torr=0.0075Torr=7.5mTorr）1bar=105Pa=750Torr1Pa=7.5mTorr1mbar=750mTorr3.各真空区域的物理特性及应用：低真空：1*105Pa-1*102Pa=0.75Torr=750mTorr中真空：1*102-1*10-1Pa=0.75mTorr高真空：1*10-1-1*10-6Pa=7.5mTorr无锡华润晶芯半导体有限公司WuxiChinaResourcesSemiconductorWafers&ChipsLtd.第3页共23页超高真空：1*10-6-1*10-12Pa极高真空：小于10-12Torr3.1低真空（1*105Pa-1*102Pa）在低真空状态下，气态空间的特性和常压时相比，没有明显的不同。气体分子仍以杂乱无章的热运动为主，气体分子间的相互碰撞十分频繁。3.2中真空（1*102-1*10-1Pa）在中真空状态下，由于压强较低，气体分子的密度和常压相比已有很大差别。气体的对流现象完全消失。气体流动也逐渐从粘滞流状态过渡到分子流态，即气体分子的动力学性质更为明显。气体中的带电粒子在电场作用下将会产生定向运动，若与气体分子碰撞使之电离，即发生“气体导电”现象。3.3高真空（1*10-1-1*10-6Pa）高真空时气体分子密度更加降低，分子之间的碰撞次数很少。气体流动状态完全呈现分子流态。空间的任何物体和残余气体分子的化学作用已经接近于零。3.4超高真空（1*10-6-1*10-12Pa）在超高真空区域，气体分子是以在固体表面吸附为主，表面物理化学为决定物理本质的基本规律。4.真空泵性能的表示法：1）极限压力-将真空泵与检测容器相连，放入待测的气体后，进行长时间连续地抽气，当容器内的气体压力不再下降，而维持某以定值时，此压力即为泵的极限压力。Pa2）流量-在真空泵的吸气口处，单位时间内流过的气体量称为泵的流量。流量的单位用压力*体积/时间来表示（PaM3/h）。通常泵要给出流量与入口压力的关系无锡华润晶芯半导体有限公司WuxiChinaResourcesSemiconductorWafers&ChipsLtd.第4页共23页曲线。3）抽气速率-在真空泵的吸气口处，单位时间内流过的气体的体积称为泵的抽气速率。4）抽气的概念-若真空容器所有的内表面上无气体的吸附和脱附现象发生，这种抽气过程称作理想状态的抽气过程。容器内气源产生的气体量为Q（Pam3）=Ql+Qd+Qp+Qb+Qr式中：Ql-漏气量；Qd-容器内表面吸附气体的脱附量；Qp-容器内部的扩散或渗透的放气量；Qb-泵向真空容器的返流气体量；Qr-真空容器内装配的机构的放器量；为了获得超高真空，烘烤这道工序是必不可少的。因为温度高了，气体分子在表面上滞留时间短了，短时间Q能快速下降。在250-450条件下烘烤比不烘烤，压力能够下降3-4个数量级。除掉水蒸气后，残余气体多为金属中溶解的氢气了。容器内压力p不能继续下降的原因是Q引起的。在容器不漏气的情况下，极限压力取决于表面放气率。5.真空泵的分类：5.1气体输送泵：它是一种能使气体不断吸入和排出泵外以达到抽气目的的真空泵。5.1.1变容真空泵：是利用泵腔容积的周期变化来完成吸气、压缩和排气的装置。1）往复式真空泵-利用泵腔内活塞的往复运动，将气体吸入、压缩并排出。（活塞式真空泵）。无锡华润晶芯半导体有限公司WuxiChinaResourcesSemiconductorWafers&ChipsLtd.第5页共23页2）旋转式真空泵-利用泵腔内活塞的旋转运动，将气体吸入、压缩并排出。油封式机械泵。干式真空泵-排气口与大气相通，能连续向大气中排气的泵。液环真空泵。罗茨真空泵-泵内装有两个相反方向同步旋转的双叶或多叶形的转子，转子间、转子与泵壳内壁之间均保持有一定的间隙。它属于无内压缩式的真空泵。5.1.2动量传动式真空泵：是利用高速旋转的叶片或高速射流，把动量传输给被抽气体或气体分子，使之吸入、压缩、排气的一种装置。1）分子真空泵-它是利用高速旋转的转子把动量传输给气体分子，使之压缩、排气的一种真空泵。牵引分子泵-高速旋转的转子表面与气体分子相碰，把动量传输给气体分子，将气体分子拖动到泵的出口排出。涡轮分子泵-泵内装有多级带槽的圆盘或叶片的转子，在定子圆盘（或定片）间旋转，转子的圆周线速度很高，这种泵通常在分子流状态下工作。复合式分子泵-它是由涡轮分子泵和牵引式分子泵，优化组合，串联起来工作的一种真空泵。2）喷射真空泵-它是利用文丘里效应的压力降产生的高速射流把气体输送到泵出口的一种动量传输泵。水喷射泵。气体喷射泵。蒸汽喷射泵。3）扩散泵-以油或汞蒸汽作为工作介质。无锡华润晶芯半导体有限公司WuxiChinaResourcesSemiconductorWafers&ChipsLtd.第6页共23页5.2气体捕集泵：它是一种将被抽气体吸附或凝结在泵内表面上的真空泵。1）吸附泵-它主要依靠具有大面积的吸附剂的物理吸附作用来抽气的一种捕集式真空泵。2）低温泵-利用低温表面来冷凝捕集气体的真空泵。6.真空泵的技术术语：除主要特性、极限压力、流量和抽气速率之外，还有以下有关性能和参数：1）启动压力-泵无损坏启动并有抽气作用时的压力。2）前级压力-排气压力低于101325Pa的真空泵出口压力。3）最大前级压力-超过它能使泵损坏的前级压力。4）最大工作压力-对应最大流量的入口压力。在此压力下，泵能连续工作而不恶化或损坏。5）压缩比-泵对给定气体的出口压力与入口压力之比。6）何氏系数。7）抽气系数-泵的实际抽气速率与泵入口面积按分子泻流计算的理论抽气速率之比。8）返流率-泵在规定条件下工作时，与抽气方向相反而通过泵入口的单位面积、单位时间的泵液的质量流率。9）水蒸气允许量-在正常环境条件下，气镇泵在连续工作时能抽除的水蒸气的质量流率。10）最大允许水蒸气入口压力-在正常环境条件下，气镇泵在连续工作时所能抽除的水蒸气的最高入口压力。无锡华润晶芯半导体有限公司WuxiChinaResourcesSemiconductorWafers&ChipsLtd.第7页共23页7.真空泵的用途：1）主泵-在真空系统中，用来获得所要求的真空度的真空泵。2）粗抽泵-从大气压开始，降低系统的压力达到另一抽气系统开始工作的真空泵。3）前级泵-用以使另一个泵的前级压力维持在其最高许可的前级压力以下的真空泵。前级泵也可以做粗抽泵使用。4）维持泵-在真空系统中，当抽气量很小时，不能有效地利用主要前级泵，为此，在真空系统中配置一种容量较小的辅助前级泵