第二章真空的获得与测量技术课件.ppt

1、 第二章第二章 真空的获得与测量技术真空的获得与测量技术n2.1 气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本概念n2.2 气体的流动状态和真空的获得气体的流动状态和真空的获得n2.3 各类真空泵简介各类真空泵简介n2.4 真空测量技术真空测量技术n2.5 几种典型真空系统的建立几种典型真空系统的建立JP450磁控溅射镀膜系统磁控溅射镀膜系统等离子增强等离子增强CVD和热丝和热丝CVD复合系统复合系统一真空沉积系统一真空沉积系统二、真空抽气系统二、真空抽气系统三、真空测量系统三、真空测量系统 四、电源系统四、电源系统 五、气路系统五、气路系统2.1 气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本

2、概念1.描述气体分子状态的宏观物理量描述气体分子状态的宏观物理量-P、T、V 理想气体状态方程：理想气体状态方程：普适气体常数普适气体常数：R=8.31J.mol-1K-1 波尔兹蔓常数波尔兹蔓常数 k=R/NA=1.38 10-23JK-1)RTMMPVmol平均平动动能平均平动动能WnnkTp322.1 气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本概念M-分子的摩尔质量，分子的摩尔质量，T为热力学温度，为热力学温度，R为普适气体常数为普适气体常数物理意义：物理意义：f(v)dv表示在速率附近，表示在速率附近，dv速率间隔内的分子数占总分子速率间隔内的分子数占总分子数的比率数的比率2.气体分

3、子的运动速度及其分布气体分子的运动速度及其分布平均速率平均速率图图1.氢气和铝蒸汽分子在不同温度条件下的速度分布氢气和铝蒸汽分子在不同温度条件下的速度分布molmolmolpMRTvMRTvMRTv3822最可几速率最可几速率方均根速率2.1 气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本概念3.气体分子的平均自由程气体分子的平均自由程一个气体分子在两次碰撞之间的平均距离：一个气体分子在两次碰撞之间的平均距离：n:单位体积内的分子数；单位体积内的分子数；d:气体分子的直径气体分子的直径 nd21RTMPNkTPMRTvnmolAmol216844.单位面积上气体分子的碰撞频率单位面积上气体分子的

4、碰撞频率 即单位面积上气体分子的通量即单位面积上气体分子的通量克努森方程克努森方程因子因子1/4是对气体分子运动方向和运动速度分布进是对气体分子运动方向和运动速度分布进行数学平均时得到的一个系数。行数学平均时得到的一个系数。1.1 气体分子运动论的基本概念衬底完全被一层分子覆盖所需时间：衬底完全被一层分子覆盖所需时间：PNRTMNNtAmol2N为表面原子密度为表面原子密度常温常压下，洁净表面被杂质完全覆盖所需时常温常压下，洁净表面被杂质完全覆盖所需时3.5 10-9 s,而在而在10-8Pa的高真空中，这一时间为的高真空中，这一时间为10h。所以在薄膜制备技术中获得和保持适当的。所以在薄膜制

5、备技术中获得和保持适当的真空度是很重要的。真空度是很重要的。5 真空度真空度 真空度的常用单位为帕（真空度的常用单位为帕（Pa)或托（或托（Torr):1 Torr=133 Pan真空度可分为：真空度可分为：q低真空：低真空：102Pa 工业应用（包装）工业应用（包装）q中真空：中真空：10210-1Pa CVD沉积技术沉积技术q高真空：高真空：10-110-5Pa 溅射沉积技术溅射沉积技术q超高真空：超高真空：10-5Pa 原子表面和界面分析原子表面和界面分析2.1气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本概念2.2 气体的流动状态和真空的获得气体的流动状态和真空的获得1.气体的流动状态气

6、体的流动状态 气体的无规则热运动本身不能导致气体的宏观流动，气体的无规则热运动本身不能导致气体的宏观流动，只有只有在空间存在压力差的条件下，气体作为一个整在空间存在压力差的条件下，气体作为一个整体才会产生宏观的定向流动。体才会产生宏观的定向流动。n气体流动取决于容器形状，气体气压，温度及气体流动取决于容器形状，气体气压，温度及气体种类。气体种类。2.2 气体的流动状态和真空的获得气体的流动状态和真空的获得气体流动状态分类气体流动状态分类分子流状态分子流状态:分子间无相互碰撞分子间无相互碰撞 （高真空度）（高真空度）粘滞流状态粘滞流状态分子间碰撞平繁分子间碰撞平繁（中、低真空度）（中、低真空度）

7、层流状态：低速流情况层流状态：低速流情况涡流状态：高速流情况涡流状态：高速流情况2.2气体的流动状态和真空的获得气体的流动状态和真空的获得气体流动可按气体流动可按克努森准数克努森准数来划分：来划分：Kn=D/D为容器尺寸；为容器尺寸；为平均自由程为平均自由程n 分子流状态：分子流状态：Kn 1n 中中 间间 状状 态：态：Kn=1110 n 粘滞流状态：粘滞流状态：Kn 110 图图1.2 气体流动状态与真空系统气体流动状态与真空系统 尺寸和气体压力之间的关系尺寸和气体压力之间的关系2.气体管路的流导气体管路的流导 真空管路中气体的通过能力，流导真空管路中气体的通过能力，流导C定义为定义为 P

8、1和和P2为管路两断的气压，为管路两断的气压，Q为单位时间内通过管路的为单位时间内通过管路的气体流量。气体流量。n对分子流状态的气体：流导与气体压力无关对分子流状态的气体：流导与气体压力无关 A：管路截面积：管路截面积n对粘滞流，流导随气体的压力呈现复杂变化对粘滞流，流导随气体的压力呈现复杂变化2.2 气体的流动状态和真空的获得气体的流动状态和真空的获得21PPQCmolMRTAnAC2流导的串联和并联流导的串联和并联2.2 气体的流动状态和真空的获得气体的流动状态和真空的获得 泵泵1 泵泵2真空室真空室真空室真空室 泵泵1泵泵2并联可以提高抽速并联可以提高抽速 串联可以提高极限真空度串联可以

9、提高极限真空度3213211111CCCCCCCC串联流导串联流导2.2 气体的流动状态和真空的获得气体的流动状态和真空的获得3.真空抽速真空抽速 真空泵的抽速真空泵的抽速S定义为定义为 P为真空泵入口处的气压，为真空泵入口处的气压，Q为单位时间内通过该处的为单位时间内通过该处的 气体流量气体流量抽速抽速S和流导和流导C的物理意义：的物理意义：S特指一个截面上的气体流速特指一个截面上的气体流速C描述真空部件的气体通过能力，它使流动着的气体描述真空部件的气体通过能力，它使流动着的气体形成一定程度的压力降低形成一定程度的压力降低PQS 2.2 气体的流动状态和真空的获得气体的流动状态和真空的获得(

10、a)流量各处相等：流量各处相等：Q=C(P-Pp)=SpPp 实际抽速：实际抽速：无回流无回流有回流有回流CSCSSPP）（）（PPSPQSSQPPSQPSQPSQPPPPPPPP0011流流 量量极限真空极限真空实际抽速实际抽速(b)泵对容器的实际抽速泵对容器的实际抽速S永远小于泵的永远小于泵的理论抽速，也永远小于管路的流导理论抽速，也永远小于管路的流导C真空的获得真空的获得低真空：初级泵低真空：初级泵P 102Pa真空泵分类：真空泵分类：输运式输运式：采用对气体进行压：采用对气体进行压缩的方式将气体分子输送至缩的方式将气体分子输送至真空系统之外真空系统之外捕获式捕获式：依靠在真空系统内：依

11、靠在真空系统内凝集或吸附气体分子的方式凝集或吸附气体分子的方式将气体分子捕获，排除于真将气体分子捕获，排除于真空系统之外。空系统之外。真空存在于一个封闭的且压力比周围大气压小很多的环境中。真空存在于一个封闭的且压力比周围大气压小很多的环境中。真空的获得真空的获得n中级真空和高级真空中级真空和高级真空的获得，需要初级泵的获得，需要初级泵和高级泵共同作用和高级泵共同作用初级泵为高级泵抽气初级泵为高级泵抽气n工作原理：工作原理：依靠偏心连杆机构驱动滑阀，在滑阀运动时，依靠偏心连杆机构驱动滑阀，在滑阀运动时，气体经由吸气口被吸入泵体内，然后在滑阀压气体经由吸气口被吸入泵体内，然后在滑阀压缩下经排气阀排

12、出泵体缩下经排气阀排出泵体n工作参数：工作参数：q理论抽速：理论抽速：Sp=Vf (V为转子与定子间的为转子与定子间的体积；体积；f为转速）为转速）q实际抽速：实际抽速：10-500L/sq极限真空：单级为极限真空：单级为103Pa；两级串联为；两级串联为1Pan特点与使用特点与使用 单独使用或用作其它泵的前级泵，低真空系单独使用或用作其它泵的前级泵，低真空系统。统。n 缺点缺点：油污染。油污染。2.3 真空泵简介真空泵简介（1）滑阀式（往复式）真空泵滑阀式（往复式）真空泵滑阀式真空泵的结构示意图滑阀式真空泵的结构示意图油的作用：运动部油的作用：运动部件间的密封，对机件间的密封，对机械部件润滑

13、。械部件润滑。n工作原理：工作原理：依靠放置在偏心转子中的可以滑进滑出的依靠放置在偏心转子中的可以滑进滑出的旋片，将气体隔离，压缩，然后排出泵体之外。旋片，将气体隔离，压缩，然后排出泵体之外。n工作参数：工作参数：n理论抽速：理论抽速：Sp=Vf:(V为转子与定子间的为转子与定子间的体积；体积；f为转速）为转速）n实际抽速：实际抽速：1-300L/sn极限真空：单级为极限真空：单级为1Pa；两级串联为；两级串联为10-2 Pan特点与使用特点与使用 单独使用或用作其它高级泵的前级泵，低真单独使用或用作其它高级泵的前级泵，低真空系统空系统.n 缺点：缺点：油污染油污染 （2）真空泵简介真空泵简介

14、-旋片式真空泵旋片式真空泵旋片式真空泵的结构示意图旋片式真空泵的结构示意图n型号：型号：2XZ-2,2XZ-4,2XZ-8（3）真空泵简介真空泵简介干性机械泵干性机械泵n工作原理工作原理 通过增加腔的溶积来降低压力通过增加腔的溶积来降低压力n特点与使用特点与使用 使用非金属材料作为运动表使用非金属材料作为运动表面，以避免使用填缝剂和润面，以避免使用填缝剂和润滑剂，从而可避免油污染反滑剂，从而可避免油污染反应室。现今集成电路工艺中应室。现今集成电路工艺中使用干性泵。使用干性泵。n缺点：缺点：极限真空度低，噪声大，价极限真空度低，噪声大，价格高格高旋转支架干性机械泵旋转支架干性机械泵n工作原理：工

15、作原理：泵体内两个呈泵体内两个呈8字型的转子以相反字型的转子以相反的方向旋转，转子的咬合精度很的方向旋转，转子的咬合精度很高，且转子间，转子与泵体间无高，且转子间，转子与泵体间无需油作密封，转速高，抽速快。需油作密封，转速高，抽速快。n工作参数：工作参数：n理论抽速：理论抽速：Sp=Vf:n实际抽速：实际抽速：1-103L/sn极限真空：极限真空：10-2 Pan特点与使用特点与使用与旋片机械泵串联使用，不能直与旋片机械泵串联使用，不能直接向空气排气。现正设计新型的接向空气排气。现正设计新型的可直接向空气排气的罗茨泵。高可直接向空气排气的罗茨泵。高真空系统；价格较贵。真空系统；价格较贵。（4）

16、真空泵简介真空泵简介-罗茨泵罗茨泵罗茨泵结构示意图罗茨泵结构示意图n工作原理：工作原理：将扩散泵油加热至高温蒸发状态将扩散泵油加热至高温蒸发状态(200oC)，让油蒸气呈多级状向下定向高速喷出时让油蒸气呈多级状向下定向高速喷出时不断撞击使其被迫向排气口运动，在压不断撞击使其被迫向排气口运动，在压缩作用下被排出泵体。同时泵体冷却的缩作用下被排出泵体。同时泵体冷却的油蒸汽又会凝聚返回泵的底部油蒸汽又会凝聚返回泵的底部n工作参数：工作参数：实际抽速：实际抽速：1-104L/s(决决定于泵体口径）定于泵体口径）极限真空：极限真空：10-5 Pan特点与使用特点与使用与旋片机械泵串联使用，需要机械泵抽与

17、旋片机械泵串联使用，需要机械泵抽预真空预真空(1Pa)；油污染；价格便宜。；油污染；价格便宜。（5）真空泵简介真空泵简介-油扩散泵油扩散泵油扩散泵结构示意图油扩散泵结构示意图（6）真空泵简介真空泵简介-涡轮分子泵涡轮分子泵n工作原理：工作原理：靠机械运动对气体分子施加作靠机械运动对气体分子施加作用，并使气体分子向特定方向运用，并使气体分子向特定方向运动的原理来工作的。涡轮分子泵动的原理来工作的。涡轮分子泵的转子叶片具有特定的形状，以的转子叶片具有特定的形状，以20000-30000转转/分的高速旋转，分的高速旋转，将动量传给气体分子，多级叶片将动量传给气体分子，多级叶片(10-40)的连续压缩

18、保证了分子泵的连续压缩保证了分子泵的高效快速的工作。的高效快速的工作。n工作参数：工作参数：n实际抽速实际抽速：1000L/s(决定于决定于泵体口径和转速）泵体口径和转速）n极限真空极限真空：10-8 Pa涡轮分子泵结构示意图涡轮分子泵结构示意图n特点与使用特点与使用 与旋片机械泵串联使用，需要机械泵抽预真空至与旋片机械泵串联使用，需要机械泵抽预真空至1Pa以以下；无油污染；价格昂贵。下；无油污染；价格昂贵。n导致涡轮泵出问题的最常见的原因导致涡轮泵出问题的最常见的原因 1、突然将泵暴露于大气之下，涡轮叶片弯曲并互相碰撞，、突然将泵暴露于大气之下，涡轮叶片弯曲并互相碰撞，导致极大的失败。导致极

19、大的失败。2、涡轮泵的回转轴是精密平衡的，所以在使用过程中严禁、涡轮泵的回转轴是精密平衡的，所以在使用过程中严禁移动或冲撞。移动或冲撞。（6）真空泵简介真空泵简介-涡轮分子泵涡轮分子泵（7）真空泵简介）真空泵简介-低温吸附泵低温吸附泵n工作原理：工作原理：依靠气体分子在低温条件下自发凝结或依靠气体分子在低温条件下自发凝结或被其他物质表面吸附的性质实现对气体被其他物质表面吸附的性质实现对气体分子的去除，进而获得高真空的装置分子的去除，进而获得高真空的装置。真空度依赖于低温度，吸附物质的表面真空度依赖于低温度，吸附物质的表面积和吸附气体的种类等。积和吸附气体的种类等。n工作参数：工作参数：n常用的

20、吸附物质：金属表面；活性碳；常用的吸附物质：金属表面；活性碳；沸石等分子筛沸石等分子筛n极限真空：极限真空：10-110-8 Pan特点与使用特点与使用 需要机械泵抽预真空需要机械泵抽预真空(10-1pa)；无油高真；无油高真空系统；价格较贵；高温时，被吸附的空系统；价格较贵；高温时，被吸附的气体又释放出来。气体又释放出来。低温吸附泵结构示意图低温吸附泵结构示意图（8）真空泵简介真空泵简介-溅射离子泵溅射离子泵n工作原理：工作原理：依靠高压阴极发射出的高速电子与残余依靠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，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

21、撞击阴极时而电离后的气体分子在高速撞击阴极时又会溅射出大量的又会溅射出大量的Ti原子。由于原子。由于Ti原子的原子的活性很高，因而它将以吸附或化学反应活性很高，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在泵体内的形式捕获大量的气体分子并在泵体内沉积下来，实现超高真空的获得。沉积下来，实现超高真空的获得。n工作参数：工作参数：实际抽速：实际抽速：决定于泵体口径和阴极高压决定于泵体口径和阴极高压极限真空：极限真空：10-8 Pan特点与使用特点与使用与旋片机械泵和分子泵配合使用，需要与旋片机械泵和分子泵配合使用，需要抽预真空抽预真空(10-6 Pa)；无油污染；超高真空；无油污染；超高真空

22、洁净系统；价格昂贵。洁净系统；价格昂贵。溅射离子泵结构示意图溅射离子泵结构示意图2.4 真空测量技术真空测量技术n与真空环境获得方法密切相关的是真空的测量技术，根据真空度（气与真空环境获得方法密切相关的是真空的测量技术，根据真空度（气体压力）的范围的不同，其测量方法和原理也各不同体压力）的范围的不同，其测量方法和原理也各不同n 由仪器测量出的真空度与真空室的实际真空度之间可能由于温度的由仪器测量出的真空度与真空室的实际真空度之间可能由于温度的不同而存在误差，而且当气体处于分子流状态，真空室与测试点的气不同而存在误差，而且当气体处于分子流状态，真空室与测试点的气压也有所不同。压也有所不同。pc/

23、pm=(Tc/Tm)1/2 Tc,Tm分别为真空室和测试点的温度分别为真空室和测试点的温度 当气体的流动状态接近甚至达到粘滞流状态的情况下，温差造成的测当气体的流动状态接近甚至达到粘滞流状态的情况下，温差造成的测量误差趋于量误差趋于0n 真空测量元件常被称为真空测量元件常被称为真空规真空规，真空测量技术分为低真空和高真空，真空测量技术分为低真空和高真空测量，常用的有三种方法：测量，常用的有三种方法：1.热偶真空规和皮拉尼真空规热偶真空规和皮拉尼真空规2.薄膜真空规薄膜真空规3.电离真空规电离真空规（1）真空测量技术真空测量技术-热偶规或皮拉尼规热偶规或皮拉尼规n热偶规工作原理热偶规工作原理：气

24、体的热导率随气体压力变化，通过热电偶测出热丝：气体的热导率随气体压力变化，通过热电偶测出热丝 的温度，也就相应的测出了环境的气体压强。的温度，也就相应的测出了环境的气体压强。皮拉尼工作原理皮拉尼工作原理：通过测量热丝的电阻随温度的变化实现对真空度的测量。：通过测量热丝的电阻随温度的变化实现对真空度的测量。n测量范围测量范围：热偶规热偶规 0.1-100Pa；皮拉尼；皮拉尼 0.1Pa-0.1MPan特点与使用特点与使用：都属低真空测量。都属低真空测量。（2）真空测量技术真空测量技术电离真空规电离真空规n工作原理工作原理：它由阴极，阳极和离子收集极组成，热阴极发射电子飞向阳它由阴极，阳极和离子收

25、集极组成，热阴极发射电子飞向阳 极的过程中，使气体分子电离，并被离子收集极收集形成电极的过程中，使气体分子电离，并被离子收集极收集形成电 流，根据离子电流测出气体压强。流，根据离子电流测出气体压强。n测量范围测量范围：10-9-1Pa(10-3 Pa相当于薄膜位移为一个原子尺寸大小相当于薄膜位移为一个原子尺寸大小)n特点与使用特点与使用：属高真空和超高真空测量，通常与热偶规同时使用。：属高真空和超高真空测量，通常与热偶规同时使用。（3）真空测量技术）真空测量技术-薄膜真空规薄膜真空规n工作原理工作原理：通过薄膜在气体压力差下产生机械位移，测量电极间电容，：通过薄膜在气体压力差下产生机械位移，测

26、量电极间电容，对气压进行绝对测量，测量结果与气体种类无关。对气压进行绝对测量，测量结果与气体种类无关。n测量范围测量范围：10-3-100Pa(10-3 Pa相当于薄膜位移为一个原子尺寸大小相当于薄膜位移为一个原子尺寸大小)n特点与使用特点与使用：属高真空测量。属高真空测量。1.5 几种典型真空系统的建立几种典型真空系统的建立（1）低真空系统低真空系统n系统组成：真空室；机械泵；热偶规n应用 低压化学汽相薄膜 沉积；真空包装等真空室真空室机械泵机械泵控制与测试控制与测试电磁阀电磁阀热偶规热偶规2.5 几种典型真空系统的建立几种典型真空系统的建立(2)高真空系统高真空系统n系统组成：真空室；分子

27、泵或油扩散泵；机械泵；热偶电离复合规n获得高真空的操作流程 n应用 溅射沉积和蒸发等镀膜系统 真空室真空室机械泵机械泵真空计真空计高真空阀高真空阀复合真空规复合真空规扩散泵或扩散泵或分子泵分子泵低真空阀低真空阀预真空阀预真空阀真空室真空室机械泵机械泵真空计高真空阀高真空阀复合真空规复合真空规扩散泵或扩散泵或分子泵分子泵预真空阀预真空阀离子泵离子泵n系统组成：系统组成：真空室；分子泵或油扩散泵；真空室；分子泵或油扩散泵；机械泵；离子泵；热偶电离复机械泵；离子泵；热偶电离复合真空规合真空规n获得高真空的操作流程获得高真空的操作流程n应用：表面，界面及原子操纵应用：表面，界面及原子操纵 2.5 几种

28、典型真空系统的建立几种典型真空系统的建立-(3)超高真空系统超高真空系统闸板阀闸板阀低真空阀低真空阀真空系统建立纲要真空系统建立纲要n根据系统真空度的要求，确定选用单级泵，还是多级级联泵。根据系统真空度的要求，确定选用单级泵，还是多级级联泵。n根据系统真空度的要求，采用不同的真空管件接口密封配件。根据系统真空度的要求，采用不同的真空管件接口密封配件。如如O型胶圈，无氧铜圈，银圈或金圈等。型胶圈，无氧铜圈，银圈或金圈等。n根据真空室大小，选择各泵的抽速及型号。根据真空室大小，选择各泵的抽速及型号。n真空管件要尽量的短，即真空室越靠近各泵体越好。真空管件要尽量的短，即真空室越靠近各泵体越好。n真空

29、管件的截面积要求尽量的大，即管道越粗越好真空管件的截面积要求尽量的大，即管道越粗越好本章作业本章作业n1、什么是真空？列出最常见的真空单位？并描述、什么是真空？列出最常见的真空单位？并描述 4种真空范围种真空范围n2、什么是平均自由程？为什么它在薄膜制备过程中很重要？、什么是平均自由程？为什么它在薄膜制备过程中很重要？n4、描述旋片式机械泵和分子泵的工作原理、描述旋片式机械泵和分子泵的工作原理n5、涡轮分子泵最常见的失败原因是什么？、涡轮分子泵最常见的失败原因是什么？n6、描述测量高、低真空的电离规和热偶规、描述测量高、低真空的电离规和热偶规n7、如要设计一个真空度为、如要设计一个真空度为5 10-4Pa的高真空系统，需要哪的高真空系统，需要哪 些真空些真空 泵、测试元件和阀门（泵、测试元件和阀门（3个阀），画出系统框图，并描述获得该个阀），画出系统框图，并描述获得该 真空的操作过程。真空的操作过程。