真空基本知识

1,第一章 真空技术,1.1 真空的基本知识,1.2 稀薄气体性质,2、真空获得,3、 真空测量,2,1.1 真空知识,真空：“真空”拉丁文Vacuo，其意义是虚无。 低于一个大气压的气体空间。,自然真空：宇宙空间所自然存在的人为真空：人类利用真空泵抽取所获得的绝对真空：完全没有气体的空间状态相对真空：气体稀薄，分子数较少的状态,气体分子数密度,大气压下 P = 105 Pa，,高真空下 P = 10-11 Pa，,3,1.1 真空知识,真空状态下气体稀薄程度称为真空度，通常用压力值表示。,真空度和压强,4,真空（压强）单位,压强越低，真空度越高；压强越高，真空度越低。,国际单位：帕斯卡（Pascal） Pa常用单位：托（Torr） 毫米汞柱（mmHg） 巴（bar） 标准大气压（atm）,1.1 真空知识,5,粗真空: 1x105 1x102 Pa （粘滞流） 真空干燥、真空浸渍低真空: 1x102 1x10-1 Pa （分子流） 热处理、低压化学气相沉积 高真空: 1x10-1 1x10-6 Pa 溅射镀膜，真空蒸发镀膜超高真空 : 1x10-6 Pa 表面物理，表面分析，MBE, 真空的划分,1.1 真空知识,6, 稀薄气体的状态方程 在真空技术中所接触的是稀薄气体，这种稀薄气体在性质上与理想气体的差异很小。因此，在研究稀薄气体的性质时，可不加修正地直接应用理想气体的状态方程。,1.2 稀薄气体基本性质,理想气体状态方程：,普适气体常量: R = 8.31J/mol K,玻耳兹曼常量:k = 1.3810-23 J/K,7, 气体分子的速率分布气体分子运动论认为： 气体的大量分子每时每刻都处于无规则的热运动之中，气体分子之间以及气体分子与容器壁之间，发生着不断的碰撞过程，这种碰撞过程的结果之一是使气体分子的速度服从一定的统计分布。气体分子的运动速度服从麦克斯韦尔-玻耳兹曼（Maxwell-Boltzmann）分布。,1.2 稀薄气体性质,8, 三种统计速率,1.2 稀薄气体性质,1）最可几速率,2）平均速率,3）方均根速率,速率与声速（340m/s）相比拟,9,1.2 稀薄气体性质, 平均自由程 气体分子在连续两次碰撞之间的平均路程称分子的平均自由程。,大气压下 P = 105 Pa，,高真空下 P = 10-8 Pa，,估算：常温下（300 K），空气分子直径约0.5 nm,d 为气体分子的直径,10,1.2 稀薄气体性质, 气体的入射频率（入射通量） 入射频率是真空及镀膜技术中常用到的一个物理量，是气体分子对于容器壁单位面积的碰撞频率，即单位时间内单位表面积受到气体分子碰撞的次数。用字母 J 来表示。,赫兹-克努曾（Hertz-Knudsen）公式,阿伏加得罗常数:NA = 6.021023 /mol,11,1.2 稀薄气体性质,例：作为赫兹-克努曾公式的一个应用，我们来计算一下在高真空环境中，清洁表面被环境中的杂质气体分子污染所需要的时间。,求解： 假设每一个向清洁表面运动过来的气体分子都是杂质，并均被表面所俘获。则可以求出表面完全被一层杂质气体分子覆盖所需要的时间,式中，N 为基板表面单位面积上能容纳的单分子层内的气体分子数。,12,1.2 稀薄气体性质,作为估算，我们选取,估算：单位面积上单分子层的气体分子数目N。气体分子的尺寸在0.11 nm 之间，则一个分子覆盖的面积为0.011 nm2之间。则：,大气压下 P = 105 Pa，,高真空下 P = 10-8 Pa，,13,1.2 稀薄气体性质, 余弦定律 碰撞于固体表面的分子它们飞离表面的方向与原入射方向无关，并按与表面法线方向所成角度的余弦进行分布。,一个分子离开固体表面时，处于立体角 中的几率为：,为出射方向与法线所成的角度,余弦定律的重要意义：,它揭示了固体表面对气体分子作用的另一个方面，即分子原有的方向性彻底“消除”，均按余弦定律散射。分子在固体表面上要停留一定的时间，这是气体分子能够与固体进行能量交换和动量交换的先决条件，这一点有重要意义。,14,1.2 稀薄气体性质, 真空度对薄膜质量的影响,平均自由程的影响,薄膜技术中最常用的真空度为10-4Pa，自由程大约是40米。即使再差，10-3Pa，自由程大约是4米。而一般的膜基距为10 cm 左右，所以不需要考虑飞行中的薄膜原子和残存气体碰撞所产生的影响。如果真空度太低，薄膜原子的碰撞增加，难于沉积到衬底上，并且碰撞过程中容易与残余气体发生反应，影响薄膜质量。,15,1.2 稀薄气体性质, 真空度对薄膜质量的影响,残余气体混杂的影响,真空度差个10倍（10Pa），杂质含量相当于1020，真空度提高10倍（10Pa），杂质含量为0.10.2。,P = 104Pa时，如果撞击过来的残存气体分子全部被吸附，那么3 s 时间就有约一层残余气体混入薄膜中，相当于1分钟混入20层杂质气体，约1020 nm/分钟。薄膜较常用的生长速率是1m/分钟。因此，假设气体分子全部混入薄膜里面的话（实际上不会全部），就相当于有12的不纯物混入在薄膜里面。,真空度越高，所得到的薄膜质量越好，纯度越高；但真空度越高，抽取真空所需费用也越高，设备越贵！,16,真空室泵管路阀门真空测量,2、真空获得,真空系统,17,2、真空获得, 真空泵：具有抽气功能的设备, 复合真空泵：前级泵次级泵, 真空泵的分类（1）输运式真空泵：以压缩方式将气体输送到系统之外。 a、机械式气体输运泵：旋片式机械真空泵、罗茨泵、 涡轮分子泵。 b、气流式气体输运泵：油扩散泵。（2）捕获式真空泵：依靠凝结或吸附气体分子的方式将气体捕获， 并排出系统之外。如低温吸附泵、溅射离子泵。,18,1.泵负责抽空系统内的剩余气体机械泵扩散泵分子泵离子泵吸附泵钛吸附泵和冷凝吸附泵,真空室安放实验装置,真空管路连接真空系统,阀门控制真空系统的连接情况,真空系统中真空的测量,不同的真空要求由不同的泵和系统组成,2、真空获得,真空系统,19,真空泵,真空泵是吸入口形成负压，排气口直通大气，两端压力比很大抽出气体的机械,右图是运用真空泵的典型真空回路,2、真空获得,20,2 真空获得, 机械泵 Rotary Vane Pumps,21,工作原理： 依靠插在偏心转子中的数个可以滑进滑出的旋片将泵体内的气体隔离、压缩，然后将其排出泵体之外。极限真空度： 10-2 10-1 Pa左右。优点：结构简单、工作可靠。缺点：油蒸气回流、引起污染,2、真空获得,22,工作原理： 两个8字形的转子以相反的方向旋转，两个转子始终保持相切合，咬合精度很高，切合处气体始终不能通过，只能从上、下两边被扫出真空系统。用作次级泵。极限真空度： 10-4 Pa左右(双级)。优点：结构简单、无油气回流， 抽速很大。缺点： 泵体与转子发热、膨胀，造成泵体损坏；当气体压力低于10-1 Pa时，气体回流造成抽速降低。, 罗茨泵（Roots Pumps）,2、真空获得,23,工作原理： 将油加热至高温蒸发状态(2000C) ，让油蒸气呈多级状向下定向高速喷出 (200m/s)，时不断撞击气体分子，并将部分动量传递给这些气体分子，使其被迫向排气口方向运动，在压缩作用下排出泵体 。同时，被泵体冷却后的油蒸气又会凝结起来返回泵的底部。极限真空度： 10-6 Pa左右。优点：极限真空度高，抽速很大。缺点：油蒸气回流，污染。工作状态： 不能与大气直接相连，使用油扩散泵之前，需要采用各种形式的机械泵将系统预抽至1Pa以下。, 扩散泵（Diffusion Pumps）,2、真空获得,24, 涡轮分子泵 Turbo Molecular Pumps,2、真空获得,25,工作原理： 涡轮分子泵的转子叶片具有特定的形状，在它以2000030000r/min的高速旋转时，叶片将动量传给气体分子，同时，涡轮分子泵中装有很多级叶片，上一级叶片输送过来的气体分子又会受到下一级叶片的作用而被进一步压缩至更下一级。像油扩散泵一样，也是靠对气体分子施加作用力，并使气体分子向特定的方向运动的原理来工作的。极限真空度： 10-8 Pa左右。优点：极限真空度高，油蒸气的回流可以忽略，压缩比高，抽速可1000L/s。缺点：价格较高。工作状态：不能与大气直接相连，在使用中多用旋片式机械泵作为其前级泵。,2、真空获得,26,工作原理：依靠气体分子会在低温下自发凝结或被其他物质表面吸附的物理现象实现对气体分子的去除，进而获得高真空。极限真空度： 10-8 Pa左右，取决于所采用的低温温度、吸附物质的表面积、被吸附气体的种类等因素。优点：极限真空度高，可获得无油高真空；除H2、He、Ne外，对各种气体抽速均很大。缺点：运转成本较高。工作状态：既可以只配以旋片泵等低真空泵种作为惟一的高真空泵使用，又可以与其他高真空泵种，如涡轮分子泵等联合使用，预真空度应达到10-1 以下，以减少吸附泵的负荷并避免在泵体内积聚过厚的气体冷凝产物。, 低温吸附泵（Diffusion Pumps）,2、真空获得,27, 离子泵（Ion Pumps）,2、真空获得,28,工作原理： 高压阴极发射出的高速电子与残余气体分子相互碰撞后引起气体电离放电，而电离后的气体分子在高速撞击Ti阴极时又会溅射出大量的Ti原子。由于Ti原子的活性很高，因而它将以吸附或化学反应的形式捕获大量的气体分子并使其在泵体内沉积下来，从而在真空室内造成无油的高真空环境。极限真空度： 10-8 Pa左右，取决于所抽气体的活性等因素。优点：极限真空度高，可获得无油高真空。缺点：寿命有限。,2、真空获得,29,2、真空获得,30,吸盘是直接吸吊物体的元件,通常是由橡胶材料与金属骨架压制成型的,真空吸盘,真空吸盘的安装方式,螺纹连接（无缓冲能力）,带缓冲体的连接,吸盘真空口的取出方式,纵向（ZPT型）,横向（ZPR型快换接头和ZPY型带倒勾式）,2、真空获得,31,橡胶材料如长时间在高温下工作，将缩短寿命。如橡胶出现脆裂，是橡胶老化的表现，所以应保管在冷暗的室内，避免受热或日光照射,材质区别,真空吸盘,2、真空获得,32,真空发生器,基本原理,组成：真空发生器由先收缩后扩张的拉瓦尔喷管、负压腔和接收管等组成。有供气口、排气口和真空口。 气体流动：当供气口的供气压力高于一定值后，喷管射出超声速射流。 形成真空： 由于气体的粘性，高速射流卷吸走负压腔内的气体，使该腔形成很低的真空度。在真空口处接上真空吸盘，靠真空压力便可吸起吸吊物,2、真空获得,33,真空发生器的工作原理,单级真空发生器,多级真空发生器,喷嘴,负压腔,扩张接收管,供气口,真空口,排气口,当供气口的压力超过一定值时，喷管射出超声速射流，并由于气体的粘性卷吸走负压腔内的气体，使该腔形成很低的真空压力，从而在真空口形成真空。,当喷嘴与接收管直径增大时，真空压力降低，而吸入流量增加,负压腔分成了前后两个，前面一个接收管直径较小，能够提供较高的真空压力，而后一个直径较大，能够实现较大的吸入流量。,2、真空获得,34,真空发生器,分类,按性能分：,按连接方式分：,按外形分：,盒式（B型） 在排气口带消声器,管式（D型） 不带消声器,标准型（S型）,大流量型（L型）,快换接头式,椎管螺纹连接式,ZU系列,最高真空压力S：-85KpaL：-48Kpa,喷嘴口径05：0.5mm07：0.7mm,05,ZU,S,ZH,B,07,S,06,06,ZH,D,07,S,01,01,01,喷嘴口径,最高真空压力,供气口接管口径,真空口接管口径,排气口接管口径,ZH系列,2、真空获得,35,真空压力开关,概述,真空压力开关是用于检测真空压力的开关。当真空压力未达到设定值时，开关处于断开状态。当真空压力达到设定值时，开关处于接通状态，发出电讯号指挥真空吸附机构动作。,作用,当真空系统存在泄漏，吸盘破损或气源压力变动等原因而影响到真空压力大小时，装上真空压力开关便可保证真空系统安全可靠的工作。,真空压力开关的分类,按功能分,按电触点的形式分,通用型,小孔口吸着确认型,无触点式（电子式）,有触点式（磁性舌簧开关式）,2、真空获得,36,真空压力开关,应根据工件的大小选择合适能力的真空压力开关。如精密小零件，其使用的吸着口径很小，所以真空压力开关的闭合压力和开启压力之差很小，必须使用像ZSP1系列这种迟滞小，且精度高的吸着确认型开关设定压力必须调到确认吸着的最低真空度以上，以避免吸着不稳定ZSM1系列真空压力开关不要靠近磁场和动力线,确认吸着区,吸着不稳定区,不吸着区,供给压力,设定压力,大气压力0,高真空,2、真空获得,37,真空过滤器,基本概念：真空过滤器是将从大气中吸入的污染物（主要是尘埃）收集起来，以防止真空系统中的元件受污染而出现故障。,基本要求：滤芯污染程度的确认简单，清扫污染物容易，结构紧凑，不致使真空到达时间增长。,两个系列,ZFA系列（箱式结构）,ZFA 100 F 01,100,流量,螺纹,口径,托架,ZFA系列（管式连接）,ZFA 100 04,100,流量,输入输出口管外径,2、真空获得,38,真空过滤器,进出口方向不得装反，配管处不得有泄漏真空过滤器内流速不大，空气中的水分不会凝结，故该过滤器无需分水功能不要用AF系列过滤器取代ZF系列过滤器，避免性