《真空技术原理与应用》课件

真空技术原理与应用真空技术是现代科学和工业的基础，广泛应用于半导体、航空航天、新能源等领域。本课程将系统介绍真空技术的基础理论与实际应用。课程概述1基础理论真空物理学原理2系统组成泵、阀门与测量仪器3工艺应用蒸镀、溅射、热处理4行业实践半导体、航空航天应用案例第一章：真空基础基本概念真空定义与分类物理原理气体分子运动理论计量单位帕斯卡、托、毫巴设计应用真空系统计算方法什么是真空？理论定义压力低于大气压的空间状态微观视角气体分子密度低于大气环境完全真空理想状态，实际无法实现真空的定义和分类低真空105~102Pa中真空102~10-1Pa高真空10-1~10-5Pa超高真空10-5~10-9Pa极高真空低于10-9Pa真空度的单位帕斯卡(Pa)国际单位制基本单位托(Torr)1Torr=133.322Pa毫巴(mbar)1mbar=100Pa大气压(atm)1atm=101325Pa毫米汞柱(mmHg)1mmHg=133.322Pa真空物理学基础气体分子运动分子无规则热运动平均自由程分子碰撞间的平均距离理想气体状态方程PV=nRT气体流动规律分子流、层流、过渡流气体分子运动理论无规则运动分子做无规则热运动速度分布麦克斯韦速度分布律分子碰撞与温度、压力相关能量传递分子间相互作用平均自由程定义分子两次连续碰撞间所走的平均距离计算公式λ=kT/(√2πd²p)真空度关系压力越低，平均自由程越长第二章：真空系统测量系统真空计、检漏仪控制系统阀门、法兰、密封件抽气系统各类真空泵真空容器反应室、工艺室真空系统的组成真空泵产生和维持真空真空阀门控制气体流动方向真空规测量真空度真空室进行工艺处理真空泵的分类气体传输泵机械泵、罗茨泵动量传输泵分子泵、扩散泵捕获泵离子泵、低温泵、吸附泵机械真空泵进气气体进入泵腔膨胀泵腔容积增大压缩泵腔容积减小排气气体排出泵外分子泵10⁴~10⁹压缩比不同气体有不同值1500~90000转速(rpm)高速旋转叶片10⁻¹~10⁻⁸极限压力(Pa)可达高真空区域扩散泵工作原理高速油蒸气流喷射捕获气体分子特点无运动部件价格便宜抽速大局限性需要预真空有油污染启动时间长离子泵电子发射阴极发射电子气体电离电子撞击气体分子产生离子离子加速离子被高压加速吸收捕获离子撞击阴极材料被埋植或溅射低温泵利用低温表面冷凝气体分子。工作温度低至10K，可达10⁻⁸Pa真空度。冷凝不同气体需不同温度，通常采用多级冷却真空阀门闸阀大通径，全开全关角阀90°转向，流阻小蝶阀简单快速，体积小真空测量仪器U型管压力计低真空，10⁵~10³Pa热偶真空计低真空，10³~10⁻¹Pa电离规高真空，10⁻¹~10⁻⁸Pa冷阴极规高真空，10⁻²~10⁻⁹Pa皮拉尼规中真空，10²~10⁻¹Pa第三章：真空获得与维持抽速计算确定合适抽气速度漏率评估控制系统泄漏系统设计优化结构布局维护策略确保长期稳定性抽气速度和抽气时间时间(分钟)压力(Pa)气体负荷和漏率气体负荷来源表面释气渗透真空泄漏工艺气体漏率单位Pa·m³/s或mbar·L/s漏率计算Q=V·Δp/Δt真空系统的设计原则合理布局减小管路阻力，避免死角匹配选型泵抽速与系统需求匹配材料选择低气体释放率，耐腐蚀密封可靠良好的密封设计和材料真空系统的操作与维护启动程序按正确顺序开启各级泵运行监控观察压力、温度等参数关机程序按规定顺序关闭设备定期维护清洁、更换部件、检漏第四章：真空材料与元件材料选择标准气体释放率低，易除气，机械稳定金属材料不锈钢、铝合金、钛合金玻璃陶瓷耐高温，透明观察聚合物密封件，特定应用场合真空材料的选择选择因素考虑内容气体释放率材料本身释放气体的能力机械性能强度、刚度、热膨胀系数加工性能可焊接性、可加工性经济性材料成本与使用寿命金属材料在真空中的应用不锈钢耐腐蚀，低气体释放率铝合金轻质，良好导热性铜优良密封，高导热性非金属材料在真空中的应用玻璃观察窗口电气绝缘透光性好陶瓷电气绝缘耐高温机械稳定性聚合物O型圈垫片特定场合应用真空密封技术压缩密封O型圈、橡胶垫片金属密封铜垫圈、金属环焊接密封永久性连接方式粘接密封环氧树脂、专用胶粘剂真空焊接技术材料清洁去除表面污染物焊接工艺TIG/MIG/电子束焊接焊缝检查超声、X射线、氦检漏热处理去除内应力，稳定结构第五章：真空蒸镀技术薄膜特性厚度、均匀性、结晶度蒸发源设计蒸发材料与加热方式真空条件基础真空度与工作压力基底准备清洁度、温度控制真空蒸镀原理1加热蒸发材料加热至蒸发温度2分子传输蒸发分子直线传输3基底沉积分子在基底表面凝结4薄膜形成分子累积形成薄膜蒸发源的类型电阻加热钨舟、钼舟、石英坩埚电子束高能电子轰击材料激光蒸发激光脉冲汽化材料闪蒸粉末直接接触高温表面薄膜生长过程初始吸附原子/分子在基底表面吸附形成核心吸附原子凝聚形成小岛小岛生长小岛扩大并相互连接连续薄膜形成完整覆盖层薄膜增厚持续沉积增加厚度蒸镀设备与工艺真空度通常10⁻³~10⁻⁶Pa蒸发温度材料蒸气压达10⁻²Pa蒸发距离决定薄膜均匀性沉积速率影响薄膜结晶性第六章：溅射技术定义高能粒子轰击靶材，靶原子被击出并沉积优势沉积高熔点材料良好的台阶覆盖可控的薄膜成分应用半导体器件光学薄膜磁性存储介质溅射原理等离子体形成工作气体被电离离子加速离子被加速轰击靶材靶材喷射原子从靶表面被击出基底沉积喷射原子在基底凝结直流溅射10⁻²~10⁻¹工作压力(Pa)氩气作为工作气体500~5000工作电压(V)靶材作为阴极1~100沉积速率(nm/min)与功率、压力相关射频溅射工作原理利用射频电场防止绝缘体表面充电优点可溅射绝缘材料等离子体密度高薄膜质量好应用领域氧化物薄膜氮化物薄膜介电材料磁控溅射反应溅射金属靶材Ti,Al,Si等纯金属反应气体O₂,N₂,CH₄等化学反应靶原子与气体反应化合物薄膜TiN,Al₂O₃,SiO₂等第七章：等离子体辅助沉积气体混合反应气体进入腔室等离子体生成气体电离形成活性粒子表面反应粒子在基底表面反应薄膜形成反应产物形成固态薄膜等离子体基础电离气体物质的第四态电荷粒子电子、离子、自由基高能量密度促进化学反应温度类型电子温度高于离子温度PECVD原理传统CVD高温反应热激活分解基底温度高PECVD优势低温沉积等离子体活化良好台阶覆盖工艺参数射频功率气体流量比基底温度PECVD设备与工艺平行板式电容耦合等离子体感应耦合式高密度等离子体电子回旋共振式微波激发等离子体第八章：真空热处理目的防止氧化、去除表面气体优势表面洁净、精确控温、无污染应用半导体、金属合金、特种材料工艺种类退火、淬火、渗碳、渗氮真空热处理原理1抽真空排除氧气，防止氧化加热按工艺要求升温保温维持设定温度冷却控制冷却速率真空退火时间(小时)温度(°C)真空淬火10⁻²~10⁻³工作压力(Pa)高真空环境900~1200加热温度(°C)视材料而定50~150冷却速率(°C/min)气体淬火方式真空渗碳和渗氮真空渗碳碳原子扩散到表层提高表面硬度保持韧性内核真空渗氮氮原子扩散到表层形成硬质氮化物改善耐磨性工艺优势表面洁净变形小节能环保第九章：真空检漏技术高灵敏度检测微小泄漏快速定位多种检测方法气体、压力、示踪剂3定量泄漏评估准确测量漏率大小系统整体检查确保真空设备可靠性真空检漏的重要性工艺质量防止气体污染产品能源效率减少泵抽气能耗生产效率缩短抽气时间设备寿命延长真空泵使用寿命检漏方法分类压力变化法观察系统压力随时间变化泡沫法加压后涂抹肥皂水观察气泡卤素检漏氟里昂等卤素气体做示踪氦质谱检漏最灵敏的检漏方法氦质谱检漏喷氦可疑部位喷射氦气泄漏渗透氦通过泄漏处进入系统氦离子检测质谱仪检测氦气分子信号处理输出泄漏信号和漏率值第十章：真空技术的应用领域半导体制造芯片生产核心工艺航空航天模拟空间环境新能源光伏、锂电池生产半导体制造薄膜沉积PVD、CVD、ALD刻蚀工艺等离子体刻蚀离子注入掺杂半导体材料3检测分析电子显微镜、XPS航空航天航天