旭阳教育训练计划-第二章真空泵与真控规.ppt

河北东旭投资集团 郑雷/太阳能研究院设备组 牡丹江大学光伏学院教育训练计划牡丹江大学光伏学院教育训练计划 河北东旭投资集团有限公司 2011. 03.10 1 河北东旭投资集团 郑雷/太阳能研究院设备组 个人简介 v姓名：王 玺 v年龄：26岁 v爱好：运动，读书 v联系方式： v手机哈尔滨) QQ : 386412560 河北东旭投资集团 郑雷/太阳能研究院设备组 v课程要求： 上课认真听讲，注意重点； 考试范围全部涵盖在所讲内容之中； 缺课不要超过3次，有事情可以提前请假； 平时成绩30%+期末考试70%； 河北东旭投资集团 郑雷/太阳能研究院设备组 v上节要点回顾： v1薄膜材料简介： 定义、分类，对薄膜材料的性能要求。 v2真空技术基础： 定义、真空基本特点、真空度单位与区域划分。 河北东旭投资集团 郑雷/太阳能研究院设备组 5 Silicon substrate Oxide 宽 长 厚 与衬底相比 薄膜非常薄 薄膜是指一种在 衬底上生长的薄 固体物质。如果 一种固体物质具 有三维尺寸，那 么薄膜是指一维 尺寸远远小于另 外两维上的尺寸 。 河北东旭投资集团 郑雷/太阳能研究院设备组 薄膜材料的简单分类 薄膜材料 涂层或厚膜 薄膜(1um) (力,热,磁,生物等) 河北东旭投资集团 郑雷/太阳能研究院设备组 1.3 1.3 薄膜的分类薄膜的分类 按功能和应用领域分为：按功能和应用领域分为： 1.1.电学薄膜：电学薄膜：导电、电阻、半导体、介电、压电、导电、电阻、半导体、介电、压电、 铁电、超导、光电、传感、磁电、铁电、超导、光电、传感、磁电、光能、电光。光能、电光。 2.2.光学薄膜：光学薄膜：减反射、反射、分光滤光、光存储。减反射、反射、分光滤光、光存储。 3.3.工程薄膜：工程薄膜：耐腐蚀、防磨损、热传导、润滑。耐腐蚀、防磨损、热传导、润滑。 4.4.生物医学薄膜：生物医学薄膜：抗菌杀毒、生物活性抗菌杀毒、生物活性 5.5.装饰包装薄膜：装饰包装薄膜：金、仿金金、仿金TiNTiN、铝箔铝箔 河北东旭投资集团 郑雷/太阳能研究院设备组 8 对薄膜的要求 1. Desired composition, low contaminates, good electrical and mechanical properties. 组分正确，沾污少，电和 机械性 能好 2. Uniform thickness across wafer, and wafer-to -wafer. 每一硅片和硅片之间均匀性好 3. Good step coverage (“conformal coverage”). 台阶覆盖性好 4. Good filling of spaces. 填充性好 5. Planarized films . 平整性好 河北东旭投资集团 郑雷/太阳能研究院设备组 v上节要点回顾： v1薄膜材料简介： 定义、分类，对薄膜材料的性能要求。 v2真空技术基础： 定义、真空基本特点、真空度单位与区域划分。 河北东旭投资集团 郑雷/太阳能研究院设备组 “真空”这一术语译自拉丁文Vacuo，其意义是虚无 。其实真空应理解为气体较稀薄的空间。在指定的空 间内，低于一个大气压力的气体状态统称为真空。真 空状态下气体稀薄程度称为真空度，通常用压力值表 示。 真空技术是基本实验技术之一。自从1643年托里拆 利(E. Torricelli)做了著名的有关大气压力实验，发 现了真空现象以后，真空技术迅速发展。现在，真空 技术已经成为一门独立的前言学科。它的基本内容包 括：真空物理、真空的获得、真空的测量和检漏、真 空系统的设计和计算等。随着表面科学、空间科学高 能粒子加速器、微电子学、薄膜技术、冶金工业以及 材料学等尖端科技的发展，真空技术在近代尖端科学 技术中的地位越来越重要。 河北东旭投资集团 郑雷/太阳能研究院设备组 （1）真空的基本特点 在真空中，气体分子密度低，在某些情况下，真空可 以近似地看作没有气体“污染”的空间。真空中，气体分 子或带电粒子的平均自由程为： 其中为分子直径，p为压 强，T为气体温度，k为 玻耳兹曼常数。 河北东旭投资集团 郑雷/太阳能研究院设备组 由于上述原因，真空中分子之间碰撞频率很低，分子 与固体表面碰撞的频率极低。单位面积上气体分子碰撞频 率与压强p的关系为： 式中M和T分别为气体分子的分子量（单位：g） 和温度（单位：K）。 河北东旭投资集团 郑雷/太阳能研究院设备组 （2）真空度的单位与区域划分 真空状态下气体稀薄程度称为真空度，通常 用压力值表示。1958年，第一界国际技术会议 曾建议采用“托”(Torr)作为测量真空度的单位。 国际单位制(SI)中规定压力的单位为帕(Pa)。 我国采用SI规定。 河北东旭投资集团 郑雷/太阳能研究院设备组 l1标准大气压(1atm)1.013105Pa(帕) l1Torr1/760atm1mmHg l1Torr133Pa l 我国真空区域划分为：低真空、中真空、高 真空、超高真空和极高真空。 河北东旭投资集团 郑雷/太阳能研究院设备组 v本节内容概述： 1获取真空的办法； 2测量真空度的办法； 河北东旭投资集团 郑雷/太阳能研究院设备组 真空度对薄膜质量的影响 1、减少蒸发分子与残余气体分子的碰撞 2、抑制它们之间的反应，减少对衬底表面的玷污 P：压强 NA：阿佛伽德罗常数（6.0231023/mol） T：绝对温度 R：气体普适常数 MG：残余气体的分子量 残余气体分子到达基板的速率： 河北东旭投资集团 郑雷/太阳能研究院设备组 真空系统应包括： l 待抽空的容器 (真空室) l 获得真空的设备(真空泵) l 测量真空的器具(真空计) l 必要的管道、阀门和其他附属设备 v功能：是在指定的时间、空间内获得需求的真空 度，保持真空，确保系统内某项工艺过程或物理过 程的实施 v真空系统 河北东旭投资集团 郑雷/太阳能研究院设备组 至今还没有一种泵能直接从大气一直工作到超高真空 常常需要把种真空泵组合起来构成复合排气系统以达 到所需要的高真空 真空泵：获得特定真空度的机械装置； 极限压力：系统所能达到的最低压力，或称做极限真空，是真空系 统能否满足镀膜需要的重要指标之一。 v 前级泵：能使压力从一个大气压开始变小的泵常称为“ 前级泵” v 次级泵：只能从较低压力抽到更低压力的真空泵称为“ 次级泵” 河北东旭投资集团 郑雷/太阳能研究院设备组 真空泵的分类 常用真空泵 的分类 气体传输泵 气体捕获泵 扩散泵（次级） 钛升华泵 溅射离子泵 低温冷凝泵 机械泵（前级） 分子泵（次级） 河北东旭投资集团 郑雷/太阳能研究院设备组 A B C 旋片式机械泵工作过程图 真空系统 机械真空泵：机械真空泵： 河北东旭投资集团 郑雷/太阳能研究院设备组 旋片式机械泵 结构(剖面)图 工作原理图 河北东旭投资集团 郑雷/太阳能研究院设备组 机械泵 1 定子 2 旋片 3 转子 4 弹簧 5 进气口 6 出气口 泵的抽气原理是基于气体的压 缩和膨胀。当抽除含有冷凝蒸气 的气体时，蒸气被压缩，压力增 大，蒸气就会凝结。凝成的液体 与泵油混合，并随油在泵中循环 ，把一些污染的液体带到低压区 ，液体在低压区蒸发，从而限制 了泵可达到的真空度(一般可达 到 110-3 Torr 的低真空度)，实 验室可用它获得低真空，也作为 获得高真空的前级泵。 河北东旭投资集团 郑雷/太阳能研究院设备组 扩散泵是利用被抽气体向蒸汽流扩散的现象来实现排气的，扩散 泵可用来获得高真空。 河北东旭投资集团 郑雷/太阳能研究院设备组 马达电源 机械泵 机械泵放气阀 河北东旭投资集团 郑雷/太阳能研究院设备组 几种常用真空泵的工作压强范围 河北东旭投资集团 郑雷/太阳能研究院设备组 压力的表述 A：压力高于大气压： 表压绝对压大气压 B：压力低于大气压： 真空度大气压绝对压 河北东旭投资集团 郑雷/太阳能研究院设备组 在真空技术中遇到的气体压强都很低，要直接测量气体压力极不 容易的。因此，都是利用测定在低气压下与压强有关的某些物理 量，再变换后确定容器的压强 任何具体的物理特性，都是在某一压强范围内最显著，任何方法 都有测量范围，这个范围就是真空计的“量程” 没有一种真空计能够测量从大气到10-10Pa的整个领域的真空度 真空的测量 河北东旭投资集团 郑雷/太阳能研究院设备组 粗真空或低真空： U型管压差计 真空表 较高或高真空： 真空规： 测量真空度的器具； 绝对真空规 麦氏真空规 相对真空规 热偶真空规 、电离真空规 河北东旭投资集团 郑雷/太阳能研究院设备组 U型管压差计 v液柱式压力计（U型） 构成： 两端开口的垂直U型玻璃管 垂直放置的刻度标尺所构成 作用： 两气体压力差； 气体的表压(p1为测量气压，p2为大气压) 气体的绝对压力(令p2为真空，p1所示) 气体的真空度(p1通大气，p2为负压，可测其真空度) 河北东旭投资集团 郑雷/太阳能研究院设备组 麦氏(Mcleod)真空规 1 毛细管(接真空系统) 2、3 毛细管 4-玻璃泡 5 毛细管 6 活塞(接空气泵) 7 汞容器 8 底座 麦氏真空规又称为压缩 真空计，是在 110-6 Torr 的范围内测量绝对压力的仪 器。麦氏规是根据波义耳定 律来测量真空度的。它首先 是让被测真空系统的残留气 体进入规内，然后加以压缩 ，比较压缩前后的体积和压 力的变化，就可算出其真空 度。麦氏真空规有台式和转 式两种。 河北东旭投资集团 郑雷/太阳能研究院设备组 通过热电偶直接测量热丝温度的变化，热电偶产生的电动 势就可以表征规管内的压力。气体压强和热电偶的电动势 之间存在的关系： 热偶真空计（测量低真空）：热偶真空计（测量低真空）： 河北东旭投资集团 郑雷/太阳能研究院设备组 v B、热电偶：用热电偶测定温度变化引起电动势变化的真空计 v Q = Q1 + Q2 + Q3 v 热丝辐射 热丝传导 气体与热丝碰撞 v 其中，辐射热量和导线传到热量保持恒定；Q3与气体分子的碰撞（ 压强）成正比； v 热电偶电势 (T1，T2) = e (T1)-e (T2) v e (T1)、e (T2) 是接点的分热电动势 河北东旭投资集团 郑雷/太阳能研究院设备组 利用某种手段使进入规管中的部分气体分 子发生电离，收集这些离子形成离子流； 由于被测气体分子所产生的离子流在一定 压力范围内与气体的压力成正比关系，通 过离子流的大小反映出被测气体压强。 I+=kIeP 由阴极、阳极和离子收集极三电极组成。 电离真空计（测量高真空）：电离真空计（测量高真空）： 河北东旭投资集团 郑雷/太阳能研究院设备组 名 称原 理精 度 反应 时间 工作压力范 围（Pa） 其 它 U形管压强计 根据液柱差测量 压力 0.5托数秒10-510-2 作为校正标准，与气体种类 无关 麦克劳真空计 （压缩真空计） 根据压缩后的液 柱差测量压力 几% 几十% 数分 1010-3 (10-4) 作用校正标准，不适宜测可 凝