薄膜物理与技术：真空技术基础

第一章

真空技术基础

本章主要内容：稀薄气体的基本性质真空的获得

真空的测量真空的基本知识真空配件、检测

§1-1气体与真空空气，气体，是由分子，你可以想像为圆形弹性球。分子移动的直线，直到他们与相邻分子或容器壁发生碰撞。1.气体与蒸汽的区别是什么?这取决于它是否可以被冷凝的液体的压力越来越大.Exp.:在200℃的水蒸汽，但在500℃，水是气体.PARTIALPRESSURESOFGASESCORRESPONDTOTHEIRRELATIVEVOLUMESGASSYMBOLPERCENTBYVOLUMEPARTIALPRESSURETORRPASCALNitrogenOxygenArgonCarbonDioxideNeonHeliumKryptonHydrogenXenonWaterN2O2ArCO2NeHeKrH2XeH2O78210.930.030.00180.00050.00010.000050.0000087Variable5931587.10.251.4x10-24.0x10-38.7x10-44.0x10-46.6x10-55to5079,00021,000940331.85.3x10-11.1x10-15.1x10-28.7x10-3665to6650大气中的各种气体的混合物P=F/A=nMvrms2/3NA

引人注目的气体分子在墙壁上。粒子压力2.压力T(OC)100250-40-78.5-196P(mbar)1013326.40.136.6x10-410-24(BOILING)(FREEZING)(DRYICE)(LIQUIDNITROGEN)蒸汽压力的水气体压力一些固体的蒸气压定义真空：低于一个大气压的气体状态。“相对真空”，“绝对真空”?

特点：压强(Pressure)低，分子稀薄， 分子的平均自由程长。电学特性输运特性真空的性质可由压强、单位体积分子个数、 气体的密度等表示3.真空(THEVACUUM)

用“真空度”及“压强”两个参量来衡量真空的程度。

帕斯卡（pascal）=1牛/米2，国际单位制托（Torr）=133.322Pa=1/760atm单位，描述真空的独特单位此外，mmHg、atm、bar等。

唯一法则相对压力绝对压力4.压力单位

PressureunitPaBarAtmTorrPa10.000019.869×10-67.501×10-3

Bar1000001

9.869×10-17.501×102

Atm1013251.013251760

Torr133.320.0013331.316×10-31

5.为什么需要一个真空?

1.在一个大的距离移动粒子（直）线污染

（通常为水）干净的表面气氛(高)真空2.提供一个干净的表面1.在一个大的距离移动粒子（直）线5.为什么需要一个真空?6.真空的划分

粗真空

105－102Pa:目的是获得压差vacuumcleaner,vacuum-filter，CVD

低真空

102－10-1Pa:气体分子运动特征改变，电场下具有导电特征vacuum-bottle,vacuum-desiccator,vacuum-impregnation，Sputtering,LPCVD高真空

10-1－10-6Pa:Evaperation,Ionsource超高真空＜10-6Pa

：Surfaceanalysis， ParticlePhysics§1-2稀薄气体的基本性质

低压状态下，可用理想气体的状态方程（波义尔定律、盖·吕萨克定律、查理定律）来描述，遵守麦克斯韦——玻尔兹曼分布。PV＝nmolRT=nmolecularkT=nMvrms2/3NAnmol=m/Mnmolecular=7.2*1022P/T1.Idealgasequation2.气体分子的速度分布

麦克斯韦速度分布函数f（v）表示分布在速度v附近单位速度间隔内的分子数占总分子数的比率

气体分子速度分布v＝f(T,M)3.三个重要速度表示最可几速度Vp：f(v)最大时的速度平均速度Va均方根速度Vrms

4.平均自由程MEANFREEPATH

定义：每个分子在连续两次碰撞之间所运动的平均路程

其中:n——气体分子密度，标准状态， n≈3*1019δ—分子直径,severalangstrom代入理想气体状态方程

得:对于25℃空气

cmn’IsλpropotionaltoT?分子密度和平均自由程101325Pa(atm)0.1Pa1x10-7Pa#/cm3MFP3x1019(30milliontrillion)4x1013(40trillion)4x107(40million)2.5x10-6in6.4x10-5mm2inches5.1cm31miles50km碰撞几率气体分子运动X的距离以后，彼此间碰撞的几率。★误区：f与λ成反比。x=λ,f＝63%x=0.1λ,f＝9%5.分子通量与余弦散射律

（1）分子通量F（入射频率n）：单位时间单位面积的器壁上碰撞的气体分子数

vaF＝n＝3.513×1022P/(MT)0.5（molecules/cm2s）WhenPisintorr.＝2.64×1020P/(MT)0.5（molecules/cm2s）WhenPisinpascal.（克努森方程）（2）气体分子从固体表面的反射几率A.反射几率与入射方向无关，仅按余弦定律散射B.揭示散射的本质是个再发射过程，即气体将停留在固体表面一小段时间以交换能量（吸附）。

粘性流

（动量转移

分子间）分子流

（分子运动

独立）6.气体的流动流态(FLOWREGIMES)粘性流(ViscousFlow):

分子间的距离小，分子之间的碰撞占主导地位;流过的动量传递，一般P大于0.1毫巴过渡流(TransitionFlow):

地区之间的粘性和分子流分子流(MolecularFlow):

分子间的距离大;分子和墙壁之间的碰撞占主导地位;流通过随机运动，一般P小于10毫巴流态平均自由程特征尺寸粘性流:小于0.01平均自由程特征尺寸分子流:大于1平均自由程特征尺寸过渡流:在0.01和1之间SYSTEMPUMPC1C2系列电导RT=R1+R21=1+1C1C2CT1=C1+C2C1xC2CTCT=C1xC2C1+C2气源2.吸附气体：1.空间气体：很容易被抽走物理吸附化学吸附

放气量在中真空阶段与空间气源相当，高真空、超高真空阶段为主要放气源。真空材料：不锈钢等，忌用陶瓷除气手段：烘烤、离子轰击3.系统漏气：密封：O形橡胶圈：高真空金属密封圈：超高真空GASLOAD放气泄漏虚拟实回流扩散渗透GASLOAD(Q)ISEXPRESSEDIN:mbarliterspersecond抽气曲线压力(mbar)时间(sec)10-11101103105107109101110131015101710+110-110-310-510-710-9量表面解吸扩散渗透§1-3真空的获得

典型的真空系统包括：真空室(Chamber)，真空泵(VacuumPump),控制系统(Controlsystem)，真空计(VacuumGag)真空系统的两个重要参数：极限真空（本底真空,BasepressureorUltimatepressure），抽气速率(Pumpingspeed)该系列泵吸入气体系统？No！No！！No！！！真空泵来产生真空，它是要移动的分子的气体从系统中取出。仅当存在两个区域的空间之间的压力差，该分子将移动。低压区域的空间的小的分子数，而在高压力区域的空间具有较大的分子数.

任何诱导的两个区域中的空间之间的压力差的装置，它可以被称为一个泵。创建某些系统中的真空度的泵，该泵被称为真空泵.

Atmosphere主要的真空泵

油封机械泵、分子泵、罗茨泵原理：利用机械力压缩油扩散泵原理：油蒸汽喷射形成压差溅射离子泵、钛升华泵原理：溅射形成吸气、升华形成吸气冷凝泵原理：将气体冷凝成液态/冷凝吸附

VACUUMPUMPINGMETHODSRotaryVanePumpsMolecularDragPumpTurbomolecularPumpFluidEntrainmentPumpVACUUMPUMPS(METHODS)ReciprocatingDisplacementPumpGasTransferVacuumPumpDragPumpEntrapmentVacuumPumpPositiveDisplacementVacuumPumpKineticVacuumPumpRotaryPumpDiaphragmPumpPistonPumpLiquidRingPumpRotaryPistonPumpRotaryPlungerPumpRootsPumpMultipleVaneRotaryPumpDryPumpAdsorptionPumpCryopumpGetterPumpGetterIonPumpSputterIonPumpEvaporationIonPumpBulkGetterPumpColdTrapIonTransferPumpGaseousRingPumpTurbinePumpAxialFlowPumpRadialFlowPumpEjectorPumpLiquidJetPumpGasJetPumpVaporJetPumpDiffusionPumpDiffusionEjectorPumpSelfPurifyingDiffusionPumpFractionatingDiffusionPumpCondenserSublimationPump抽真空的方法旋片泵分子拖动泵涡轮分子泵流体夹带泵的真空泵往复式活塞泵气体传输真空泵拖式泵捕集真空泵正排量真空泵动力学真空泵旋转泵隔膜泵柱塞泵液环泵旋转柱塞泵旋转柱塞泵罗茨泵多旋片泵干泵吸附泵低温泵吸气泵吸气离子泵溅射离子泵蒸发离子泵散装吸气泵冷阱离子传输泵气态环泵涡轮泵轴流泵径向流泵喷射泵液体射流泵燃气喷射泵蒸汽喷射泵扩散泵扩散喷射泵自我净化扩散泵分馏扩散泵聚光器升华泵1.机械泵（旋片式机械泵）

转子偏心地置于定子内，旋片上有弹簧，整个部件浸于机械泵油中，油起润滑和密封作用。旋片转动一周后经n个循环后泵原理(PumpMechanism)真空腔Pn不可能趋于零，因为：

A.在出气与转子密封点之间存在着“有害空间”。

B.单等级泵时进气口与排气口压力差大。

C.泵油在高温摩擦下，裂解形成轻馏成份。

D.水蒸汽凝结，形成悬浊液解决办法是采用双级泵，以一个转子空间的出气口作为另一转子空间的进气口，可使极限真空从1Pa→10-2Pa采用高温泵油气镇阀两个级旋片泵的工作原理lowerultimatepressure旋转泵的缺点震动油蒸汽进入真空(无法获得超高真空)磨损不能抽可凝气体发热排气含油油返流(OILBACKSTREAMING)2压力等级：小于0.2毫巴在压缩阶段发生水或丙酮凝聚。为避免结露，气体（空气）通过气镇阀导入。导入气体会导致可凝气体在达到凝聚分压前被排除。单级和双级旋转片泵抽速特性2.Roots--罗茨泵两个8字形共轭的转子，转子之间、转子与泵壁之间无油，间隙0.1mm高速转动：可达3000转/分，抽气时无压缩，工作原理：容积泵+分子泵。机械增压泵Pump/BlowerPackages风机/增压泵单级罗茨鼓风机泵总成C(blower+rotarypiston)D(rotarypiston)A(blower+rotaryvane)B(rotaryvane)3.扩散泵

扩散泵油被加热后沿喷嘴向下喷射，速度可达200m/s，由空气动力学原理与进气口形成压力差，使气体向下扩散而被抽走，油蒸汽水冷后重新利用。

一级蒸汽与其他气体分离泵的工作原理抽速10-710--110PumpingSpeed(Air)1234InletPressure(Pa)临界点1压缩比限制

2恒速

3恒定Q值（过载）

4机械泵的作用气体释放最大容许前级压力LN2冷凝4.分子泵(Moleculepomp)Balzers,1992LeyboldM2000,1999“Clean,LeanVacuumMachine”Turbo’s气体随转子作圆周运动，获得离心力，与转子上页碰撞，按余弦定律散射，获得速度，后与定子下交碰撞，再获向下速度分量。条件：（1）起始工作气压小，入大。常压下，空气λ=0.06μm，1.3Pa，λ=4.4mm要求λ大于叶片间距。（2）转子叶片线速度与气体分子速度相近分子量大、气体易抽，H2难抽H2最可几速率1557m/s，极限真空残余气体中。85%为H2。

泵运行MoleculeV以速度v运动到器壁涡轮分子泵工作原理5.钛升华泵

加热热丝至足够高温（1100℃），钛直接升华，钛沉积在器壁内腔上，形成新鲜钛膜层，在升华和沉积过程中，钛与活性气体结合形成稳定化合物（TiO，TiN），达到抽气的目的：吸附作用，物理+化学（为主）。极限真空：10-10Pa

注意：（1）控制升华速率，使钛充分反应，否则无效；（2）吸气面大，抽速高。6.溅射离子泵

阳极为多个不锈钢圆筒或四方格、六方格组成,阴、阳极之间加有高压，在阳极小室里产生放电。特点：极限真空10-10Pa，对油污染敏感当真空系统中的气压由吸附泵排气，降低到大约10-3乇时，离子泵开始工作。7.冷凝泵

低温泵捕获泵通过气体分子其内表面上（参见图6）吸附或冷凝，从而排除气体。如果气体分子，与泵的内部材料发生化学反应，由反应气体和内层材料分子创建的新材料被沉积​​为薄膜。这就是所谓的气体分子的吸附。此外，如果气体分子与泵的冷冻表面接触，气体将被冷凝，并作为液体移除。低温冷凝泵工作原理在炭中的低温吸附(Page98manual)木炭放置PUMPOPERATINGRANGESRoughVacuumHighVacuumUltraHighVacuumVenturiPumpRotaryVaneMechanicalPumpRotaryPistonMechanicalPumpSorptionPumpDryMechanicalPumpBlower/BoosterPumpHighVac.PumpsUltra-HighVac.Pumps10-1010-810-610-410-210010＋210+4P(Pa)PUMPOPERATINGRANGES10-1210-1010-810-610-410-2110+2P(Torr)RoughVacuumHighVacuumUltraHighVacuumRoughingPumpsTurboPumpDiffusionPumpCryoPumpIonPumpTit.Subl.PumpLiquidNitrogenTrap§1-4真空的测量几种真空计的工作原理与测量范围U形管压力计利用大气压与真空压差测量范围（Pa）105－102

电阻真空计、热偶真空计利用气体分子热传导测量范围（Pa）104－10-2

热阴极电离真空计、B-A型真空计利用气体电离与压强的关系测量范围（Pa）10-1－10-6、10-1－10-10潘宁磁控电离计利用磁场中电离与压强的关系测量范围（Pa）1－10-5

气体放电管利用气体放电与压强的关系测量范围（Pa）103－11.波登规(BourdonGauge)

2.HeatTransferGaugesThermocouplegaugeandPiraniGauge热偶真空计

在低气压下，气体传导的热量与压强成正比，对一热丝进行加热，在平衡时其温度应恒定，用热电偶测量热线温度的变化，即可知压强的变化，若测量热丝电阻值的变化，即为热阻真空计。

Q=Q1辐射+Q2传导+Q3气体分子带走热量

热偶规(ThermocoupleGauge)工作原理热导规对不同气体的灵敏度3.电容式压力计4.电离真空计

类似于一真空三极管，灯丝发射电子使气体电离，气体分子电离的多少与气体分子密度成正比，即与压强成正比，收集极收集离子数的多少，即可知压强P的大小。注意：不可在高气压下使用，此时离子电流过大，将烧毁真空计。

电离电流测量真空电离规对不同气体的相对灵敏度气体对N2相对灵敏度Sr气体对N2相对灵敏度Sr

H20.46He0.17Ne0.25Ar1.31Kr1.98Xe2.71N21.0O20.95CO1.11CO21.53干燥空气1.0H2O0.9Hg3.4扩散泵油气9-13HCl0.38CH4l.26CCl40.704.残余气体分析仪(ResidualGasAnalyzer)

QUADRUPOLEHEADCONTROLUNIT工作原理MASSNUMBER(A.M.U.)RELATIVEINTENSITYNORMAL(UNBAKED)SYSTEMH2H2ON2,,COCO2(A)RGASPECTRUMMASSNUMBER(A.M.U.)RELATIVEINTENSITYSYSTEMWITHAIRLEAKH2H2ON2CO2(B)O2RGASPECTRUM5.温度对压力测试准确性的影响两连通容器的压力：1.低真空：粘滞流情况，平衡条件是压力相等

P1=P2，

2.高真空：分子层流情况，平衡条件是流导相等例：真空室温度600℃，规管温度25℃，测量压力只有真实压力的58％。GaugeOperatingRanges10-1010-810-610-410-210010＋210+4P(Pa)RoughVacuumHighVacuumUltraHighVacuumBourdonGaugeThermocoupleGaugeColdCathodeGaugeCapacitanceManometerHotFil.IonGaugeResidualGasAnalyzerPiraniGaugeSpinningRotorGaugeMcLeodGauge§1-5真空部件Bellows—波纹管柔性波纹管的类型Valves—真空阀Feedthroughs—连接件Gasket—密封环RubberorMetal?TheMolecularSieve/ZeoliteTrap加热系统电阻加热

电子轰击

灯加热

射频加热ContactorNOT?真空系统涡轮

抽水

溅射

系统§1-6泄漏检测

出现的问题是泄漏放气泄漏虚拟实回流扩散渗透TrappedVolumesVentedScrew双O形圈密封轴（DoubleOringsealedshafts）Atmosphere(760torr)Vacuum差分抽气（DifferentialPumping）Atmosphere(1013mbar)VacuumToPump1mbar渗透LEAKS

渗透“泄漏”是不同的，因为只有这样，才能阻止他们是不是真正的泄漏改变渗透性较差的材料Onestandardcubiccentimeter/sec

(std.cc/sec)Leakrateof1x10-3stdcc/secLeakRatesoverTimeLEAKRATES10-1STDCC/SEC1CC/10SEC10-3STDCC/SEC3CC/HOUR10-5STDCC/SEC1CC/DAY10-6STDCC/SEC1CC/2WEEKS10-7STDCC/SEC3CC/YEAR10-9STDCC/SEC1CC/30YEARS为什么使用氦气§1-7真空材料温度会遇到力学性能：能够加工和制造实力;.

热性能材料的蒸汽压力应保持在最高温度低.相邻的材料的热膨胀系数必须加以考虑，特别是在接头.GasLoading多孔的;可以捕获洗涤溶剂和稍后成为虚拟的泄漏的源上的裂缝和缝隙.在极端的温度和辐射，表面和体解吸速率必须是可接受的.普通材料奥氏体不锈钢（奥氏体不锈钢）是最常用的金属，高和超高真空系统，因为它满足上述所有的要求.铝和铝合金是非常便宜的，容易机加工，并具有低的放气速率，只要该合金不具有高的锌含量。它们的缺点的，强度低，在高温和高失真焊接时。陶瓷-完全玻璃化的电瓷和玻璃化的氧化铝是良好的绝缘体，具有低的放气速率，低气体渗透性，并且可以用于到1500度下，也有一些可用的可加工陶瓷。陶瓷是易碎的，必须小心处理.高硼硅玻璃（硼硅），高硼硅（耐