1、真空技術與應用真空概論n真空的定義 義大利人托里切利(Torricelli)利用玻璃試管盛滿水銀倒置於水銀槽中,管中的水銀自然下降至76(760)高度,而在頂端留下一空間。這空間沒有空氣進入,則被認為是真空（vacuum）。 一般定義:一個容器內空間的壓力小於大氣壓力就是真空。也可以說若容器內氣體分子密度小於2.5*1019molecules/3(一大氣壓力的分子密度),則該容器內為真空。簡單的表示:壓力大氣壓力。n真空壓力與真空度 真空壓力單位換算表mbarPaTorrAtm11000.759.87*10-41*10-217.5*10-39.87*10-61.3313311.32*10-31
2、013101325760176cm水銀托里切利真空n大氣壓力與緯度之關係n大氣壓力隨著離地球表面愈遠而下降，然而其氣體總類的分配比例大致不變n在地球大氣層的最外層僅剩下氫氣與氦氣n高上升, 壓減小nEg. 坐飛機.大氣壓與海平面高之關係n真空的區分1. 粗略真空（Rough vacuum）：7601 torr2. 中度真空（Medium vacuum）：110-3 torr3. 高真空（High vacuum）：10-310-7 torr4. 超高真空（Ultra-high vacuum）：10-7 torr 以下n氣流的種類與特性氣流種類/d真空範圍黏滯流（Viscous flow）/d0.
3、01粗略真空過度流（Transition flow）1/d0.01中度真空分子流（Molecular flow）/d1高真空或超高真空n氣體本身的特性：n平均自由徑（Mean free path，）：氣體分子與氣體分子相繼二次碰撞中所運動之距離的平均值。n1/21/2ndon式中 n氣體分子密度（氣體分子數/真空室體積） do氣體分子的直徑;n ,do 各種氣流狀態的特性：n1. 黏滯流包括：a. Re（雷諾數）2200,氣流中有渦流產生。 b. Re（雷諾數）2200,氣流中無渦流存在。 d 氣體分子與氣體分子間碰撞頻繁，其次數遠大於氣體分子與管壁之碰撞次數。n氣體分子間因黏滯力之作用，使氣
4、體運動有方向性，並與抽氣方向相同，此特性可防止機械幫浦的油氣回流至真空系統；一般管路直徑5cm，壓力0.2torr 之氣流為黏滯流，故使用機械幫浦與擴散幫浦組合之抽氣系統，機械幫浦只抽氣至0.2torr。n分子流： d 氣體分子與管壁之碰撞次數較氣體分子與氣體分子間之碰撞為多。n氣體分子在管路中之運動為隨意方向，不受抽氣方向的影響。氣體分子動力論n氣體特性n一般氣體我們視為想氣體，也就是說氣體分子與氣體分子之間必沒有任何作用力。n在實際狀況中，氫氣、氮氣、氧氣或是惰性氣體我們都可視為想氣體。n在一大氣壓下，一方公尺體積之氣體在室溫22下含有2.5x10E25個分子。n若將氣體分子視為個別置放在
5、含有等距的格子內，則氣體分子與氣體分子間的距離為3.4x10-9m，該距離為分子大小的6-15倍，因此氣體分子可視為各自獨之個體，其運動保持直線運動，相互之間沒有作用力。n氣體分子之間的碰撞視為彈性碰撞。n氣體分子經由碰撞後依舊採取直線運動，因此若與大尺度看氣體分子的運動情形，將發現氣體的運動為是隨機的碰撞為(統計觀）。n想氣體定律nBoyles Law（1662年）在溫度固定時，一定量氣體所產生之壓力與體積成反比PV=constant or P1V1=P2V2n Charless Law （1787年）一定量氣體所產生之壓力與溫度成正比V1/T1=V2/T2nDaltons Law（1801
6、年）一個混合氣體的總壓力等於每個每個單獨氣體其分壓得總和Avogradros Law（1801年）氣體在固定溫度與體積的條件之下，氣體的壓力大小與氣體分子的數量成正比n綜合氣體定律將上面幾個氣體定律可以整合成關係式kTnkTnkTnkTnkTnPitt.321itPPPPP.321or2211NPNP在標準溫度與壓力之下（STP）數量為6.02252x1026個的氣體分子，其體積為22.4136立方公尺，我們俗稱一莫耳。222111TVPTVP氣流與氣導n氣體流域:是以氣體本身的性質以及其在管中流動時的相對量為其特點。n管路的氣導(Conductance)(Conductance)n影響氣導值
7、的參數，除了傳輸氣體的種類及壓力外，還有管路的截面形狀( (如圓形、方形或橢圓形等) )。其他的因素有長度或管件為直線或具彎角。 其他如擋板、冷凝阱、吸收阱、閥件及其他管配件之氣導係數均會在個別技術參數中描述。n以下兩點可視為管件選用時的一般性原則： 管路的長度越短越好，且須具有足夠的內徑！ 管徑大小至少須和幫浦進氣端口徑相等。n管路作用對有效抽速SeffectiveSeffective的影響n所有介於幫浦及腔體( (如；高溫真空爐) ) 間的管件及接頭均會產生節流效應( throttle effect) ( throttle effect) 並使所裝置的幫浦抽氣速率降至有效抽速Seffect
8、ive !Seffective !n此一經管損後的抽氣速率可以管件氣導的函數表示： 連續方程式pVessel x Seff = pPump x SpumppVessel x Seff = pPump x Spumpn管件的選用須注意越短越好，且須具有正確的內徑大小。氣體的吸附和放出n釋氣(Outgassing) (mbar l)(Outgassing) (mbar l)釋氣( (outgassing) outgassing) 指的是氣體或水氣由真空腔體內的表面或其他零件釋放出的過程。此一氣體的釋放量由P VP V的乘積表示，其中V V 為氣體釋放出的體積，即腔體體積；P P 或更精確以 P P
9、 表示則為因釋氣所造成的壓力增量。釋氣率(Outgassing rate) (mbar l s-1)(Outgassing rate) (mbar l s-1) 此為一定時間內的釋氣量表示為mbar l s-1.mbar l s-1.釋氣率(Outgassing rate) (mbar l s-1 c-2 )m(Outgassing rate) (mbar l s-1 c-2 )m 單位面積的釋氣率，此一數值與物質的材質與表面狀態有關。電漿放電n電漿是離子化具有等量的正電荷和負電荷的離子氣體.更精確的定義: 電漿就是有著帶電與中性粒子之準中性的氣體，電漿本身就是這些粒子的集體為。電漿有顏色是因
10、為”輝光效應”所造成的，不同氣體形成的電漿，所呈現的顏色就不一樣,例如太陽, 焰火, 氖光, 等（電漿是一團會發光的東西）n電漿的成分 電漿是由中性原子或分子、負電(電子)和正電(離子)所構成 準-中性: ni ne 游離率: h ne/(ne+ nn)n游離率 游離率主要受電漿中的電子能量決定大部分電漿製程反應室，電漿的游離率小於0.001%.高密度電漿(HDP)源的有較高的游離率約1%,太陽核心的游離率約100%.n輝光放電(glow discharge)(glow discharge)電漿 直流輝光放電電漿: :直流電，低壓狀態由一密閉之放電管內，置兩個平板電極於低氣體壓力下所產生之穩定
11、電漿，使用於照明工業。n直流放電,正常的直流放電包含一系輝光區域(glow region)及暗空間(dark space)，此時電極間的電壓及電流密度都接近常數；當外加功率增高時，陰極區域的尺寸(指陰極暗空間及負輝光區)將逐漸增大，直到正柱(positive column)及法第暗空間完全消失，此時的情況即稱為不正常放電(abnormal discharge)，這也是輝光放電製程中使用的直流放電的形式。n射頻放電若將二極體平板電極(planar diode electrode)之一極以射頻驅動並以電容耦合，則在一般使用的13.56MHz頻率下，僅有電子可遵循外加電位的變動，亦即電子氣依著射頻頻
12、率在相對穩定的離子海中前後運動。在相同腔壓下，RF暗區比DC暗區小，電場較強使Ar解離，RF濺射在1 mTorr下都可使氣體解離。n微波放電(microwave, MW discharge)(microwave, MW discharge)電漿 頻率主要用2.45GHz2.45GHz 用於:微波爐、ICIC晶圓製造、元素分析及雷射介質真空幫浦n真空幫浦的定義、分類n定義 去除特定空間內的氣體，以減低氣體分子的數目，形成某種程度真空狀態的裝置n重要概：抽氣壓殘餘氣體分子種類特性縮比，抽氣壓力範圍，抽氣速率，終極真空壓力，抽氣之氣體選擇性nPumping Speed 指幫浦於正常運轉下，單位時間內
13、，通過進口截面的氣體體積。 抽氣速率（pumping speed,S)=氣體通量(throughput)/壓力(pressure) 。 幫浦與真空腔之間會有管路相連，其真正抽氣速度必須考量管路的氣阻。mmnWSSS1n終極壓力(Ultimate pressure) 幫浦的終極壓力乃是指幫浦所能抽到的最低壓力。n影響該特質的因素有幫浦本身的密閉性幫浦所使用之液體之蒸氣壓幫浦結構（設計及材料本質）之差異性n抽氣能量 幫浦的抽氣速度乘以壓力稱之。n原：真空決定因素 逸氣(Outgassing):材料中常有氣體的存在 ，材料表面上的氣體壓力降低，這些氣體就會釋出。 昇華 (sublimation)與蒸
14、發 (evaporation)：兩種過程都和溫度及壓力有關 。擴散(diffusion)與滲透(permeability)：氣體分子就從這些小孔及間隙中輾轉進入固體內。存在材料中的任何物質均難免藉由擴散進入真空腔體內的可能。原：抽氣過程n第一階段第一階段：大氣抽至中真空範圍，壓力隨時間之變化為自然對數的衰減，抽氣過程是非常的快速，時間極短。n第二階段第二階段：當真空度從中度真空進入高真空範圍時，表面吸附性氣體的退吸決定壓力。n第三階段：第三階段：即在高真空範圍時，表面吸附的氣體分子漸被抽盡 。n第四階段：第四階段：即使是所謂的“不漏系統” ，終極壓力由一定之氣體滲透率決定。n真空幫浦工作範圍n
15、真空幫浦選用之要點 1幫浦所能達到的終極壓力 2幫浦有效抽氣的壓力範圍 3抽氣速率大小 4幫浦排氣口壓力 5幫浦之潔淨度 6幫浦抽氣之氣體選擇性真空幫浦之分類n轉移式幫浦：將氣體或液體由一處轉移至另一處water ejector pump,piston pump,Ventri pump,Rotary pump, Turbomolecular pump, diffusion pumpn吸附式幫浦將氣體分子吸附或是形化學作用，消耗氣體分子Cyropump, 昇華式幫浦n正氣式幫浦 氣體分子動力式 以抽氣機構使容積膨脹吸氣，其間利用密閉隔絕運動機構傳輸氣體，在使氣室壓縮以排出幫浦本體，達到抽真空的功
16、能。壓力範圍 1atm10-3torr or 10-4torr抽氣速率：5024000L/min功能：粗抽、前級幫浦n油封式n作動原：利用壓縮抽真空，藉幫浦中轉子與靜子連續接觸進進氣、壓縮及排氣之程。n旋轉柱塞式幫浦 運動機構：主動漸為一圓形偏心轉子，柱塞套著轉子與轉子做相對運動，藉由一滑桿做平移運動，活塞接頭做迴轉運動。 特性：抽氣速率 50024000L/min，適於粗抽n乾式真空幫 定義：在進氣、壓縮及排氣過程中，並沒有使用油脂潤滑或密封，故可以避免油氣回流。 應用範圍：在FPD與半導體製程中使用或產生的氣體具有腐蝕性、毒性、可燃性、凝結性、反應性，所以傳統的密封式機械幫浦不適用於這兩個
17、產業。發展不需要油脂密封的抽氣機制而他的操作壓力在1atm至10-3torr之粗抽，此為乾式幫浦之研發由。n魯式幫浦 魯式幫浦由一對形如花生米的轉子，其運動藉由一對定時齒輪驅動，使兩轉子維持1:1的轉速。除了一般二葉魯式幫浦的設計外，尚有三葉以上設計。 魯式幫浦氣流流動方向與轉子旋轉軸方向垂直 在中度真空有很好的抽氣速率，但在接近大氣壓的低真空領域則抽氣速率不佳。因此魯式幫浦常用在串連油封式機械幫浦或其他乾式幫浦，以加大真空系統在中渡真空的抽氣速率。 升高熱，故需冷卻系統 壓縮比：10100 終極壓力：4X10-3torrn爪式幫浦n爪式幫浦的特徵為一對如爪狀的轉子。轉子在幫浦體中迴轉時，因爪
18、子相對位置的變化而得到膨脹進氣，傳輸及壓縮排氣的作用。n爪式幫浦之轉動如魯式幫浦，是藉由一對定時齒輪驅動，使兩轉子維持1:1的轉速。n兩轉子的方向相反，互不接觸。n進氣口與排氣口各在兩側的板上，他們一轉子的位置而處於開或閉的狀態。n爪式幫浦氣流流動方向與轉軸方向平。n爪式幫浦可以在大氣壓的壓力範圍得到不錯的抽氣效果。n爪式幫浦比魯式幫浦有較大的壓縮比。n特性n級數：3-4極n終極壓力：4X10-3torrn爪式幫浦氣流方向與轉子旋轉軸方向平，在接近大氣壓下的抽氣效果佳，抽氣速率不如魯式幫浦，因此常結合魯式幫浦使用。n螺旋式幫浦n由兩個螺紋方向相反的螺旋轉子及靜子在轉子運轉時達成進氣、傳輸及排氣
19、的功能。n螺旋幫浦式轉子轉速未必1:1，有些產品是4:6或5:7n其特點為體積小、維修容，但是轉子與轉子及轉子與外殼之間的間隙設計相當重要n可直接從大氣壓力抽至10-3torrn在接近大氣壓力處的抽氣速率最佳n窩捲式幫浦n利用一對見開線形狀的轉子與靜子，此漸開線形狀的轉子和靜子夾在兩平圓板之間，具有高度避結合。n半月形的壓縮是由轉子、靜子和兩平圓板所圍繞n當轉子相對於靜子進迴旋時，在壓縮室的氣體隨著迴轉被推向中心部的排氣口，而排出氣體。n幫浦的進氣口在轉子和靜子的外緣n出氣口的壓力唯一大氣壓，吸氣口的壓力可降至7.5X10-3torr以下，其壓縮比很高。n動力式幫浦 係利用動量移轉方式將動量轉
20、移至傳輸的氣體上，以連續的方式將氣體由幫浦的進口傳至幫浦的出口，動量轉移的方式為移動機械以及高速氣流。n基本原 當流體處於分子流狀態時，氣體分子密度低，分子平均自由徑大於幫浦的特徵長度，氣體分子與壁面面碰撞之機率遠低於分子間的碰撞，此時利用高速旋轉的轉子或葉片間將動量傳給分子，使其獲得一額外的速度向出口排出n性能參數 壓縮比(Compression ratio) n抽氣速率(pumping Speed) n終極壓力(Ultima pressure)n渦輪分子幫浦構造(Turbo pump)n分類雙轉子水平式單轉子垂直式n垂直式渦輪分子幫浦優缺點n優點：製造容，成本低被抽氣體可直接進入抽氣轉子，
21、故具有較大抽氣率外型與擴散幫浦相近，改裝容。n缺點： 常置於反應是下方，受損n水平式渦輪分子幫浦優缺點n優點：轉子結構較對稱平衡工換內部滾動軸承容，更換後使用者可以自進平衡調整及校正停機進放氣，可承受較大的空氣壓力。配合各種指向的進氣法蘭可以任意角度安裝在真空系統。n缺點：氣體垂直進入轉軸，能量損耗較大直角入口處部分氣體被堵住n渦輪分子幫浦使用注意n擴散幫浦Diffusion pump 壓力範圍： 10-310-9torr。抽氣速率：10100,000 l/s 抽氣原：利用高分子量高速運動之蒸氣分子，經由碰撞把動量 轉移給待抽氣體，賦予被抽氣體單一方面的動量，並將之排往較 高壓力之區域。n擴散
22、幫浦使用時常見之問題、原因與解決之道：問題可 能 原 因解 決 方 法1. 無法達到預期之終極壓力a. 系統漏氣b. 系統嚴重污染c. 幫浦油被污染d. 幫浦熱量不足e. 冷卻水不夠f. 冷卻水過量或溫度過低g. 前級壓力太高h.幫浦急速冷卻水管仍有水流i.真空計不準確查出漏氣位置並修護清潔工作之執更換幫浦油檢查電壓供應、熱接觸效果及有無漏電查水壓大小、查水溫、調水流量查前級位置有否漏氣，查前級機械幫浦功能，查機械幫浦油是否已失效查看並排除真空計校正2. 抽氣速率太低a. 電熱量太小b. 油面太低c. 噴嘴組合不正確或損壞查電熱線情況添加油檢查、修或更換3. 進氣壓力突升a. 熱電能輸入不當b
23、. 幫浦油嚴重逸氣c. 進氣口之前以至前級段漏氣檢查並修正查視油情況檢查並處4. 系統污染嚴重a.前級壓力太高b.在大於10-3torr 之壓力下長時間工作c.系統操作或放氣不當檢查前級區域是否漏氣、機械幫浦性能、油品質n儲氣式幫浦n冷凍幫浦（Cryopump）特點：乾淨，無油氣污染。 壓力範圍： 10-310-10torr。抽氣速率：50010,000 l/s 抽氣原：利用氣體膨脹吸熱的原，產生極低的溫度，以達到抽真空的效果。一般使用99.995以上純度He，經壓縮機壓縮到300psi 的高壓，壓縮機產生的熱利用水或空氣冷卻，高壓氦氣在膨脹室膨脹，產生降溫作用。n離子幫浦n原： 利用極板濺射
24、出鈦離子於陽極形成鈦膜，再與氣體產生固態化合物，而達到抽氣效果。n壓力：n10-3 10-10 torrn分為極式與極式n抽氣速率：1 1000 L/sec真空度量n真空計之種類n電容式(capacitor)真空計n離子式(BA)真空計n離子式真空計n冷陰極式Cold cathode ion gauge真空材料、元件、封合n真空材料選擇真空材料選擇n一個真空系統所使用的材料包括金屬，玻璃，陶瓷以及一些特殊橡膠。n要求的特點有足夠的機械性質阻擋內外壓力差足夠的緻密性抵擋氣體的滲透。低的蒸汽壓及溢氣量好的製造特質以便容成型並同時能夠抗惡劣工作環境。金屬性質n金屬一般在真空系統中擔任腔體的部份，它必
25、須能夠被容焊接，接合以及密合。n材料自身要有好的機械性質，能夠抗壓力，同時低蒸汽壓，低溢氣量且對氣體有極佳的抗滲透率。n若對於特殊用途，如燈絲，絕熱或是熱傳導則是另當別論。n常見的金屬有鋁以及不鏽鋼。n常用之真空材料種類與特性n常用之真空材料種類與特性n1 1金金屬之蒸氣壓屬之蒸氣壓n一般的金屬其蒸汽壓都很低，然而有少數金屬其蒸汽壓在真空系統baking時會影響到真空度Zn,Pb,Cd,Se,Sn例如黃銅，有些螺絲含有Cd，303不鏽鋼含有S以及Sen含有Zn以及Pb者之合金在工作環境達400-500C時，將會嚴重破壞真空。n在超高真空中選用金屬不外乎是，不鏽鋼，鎳合金，無氧銅。n2 2氣體的
26、滲透性氣體的滲透性n氣體分子溶入金屬之中然後進擴散隨之穿透金屬。n若金屬部份有鏽蝕現象發生，則該處最容發生氫氣滲透，因為水氣容與鐵作用,形成較高的氫分壓。n2-1氫氣n氣體分子溶入金屬之中然後進擴散隨之穿透金屬。n氫氣是幾個少數氣體分子中最容穿過金屬的氣體。n若金屬部份有鏽蝕現象發生，則該處最容發生氫氣滲透，因為水氣容與鐵作用,形成較高的氫分壓。n氫在金屬中乃是以原子方式擴散，在穿透後再形成分子。n2-2玻璃n各種氣體對於有機高分子都具有極高的滲透率（縱使是惰性氣體也是如此）。n二氧化碳對於橡膠有很高的滲透率，相對於空氣則就小了許多。n倘若在一壓力差相差極大的環境裡，則高滲透率的氣體其穿越的機
27、會遠大於低穿透率的氣體。n結構金屬n鋁與不鏽鋼為真空腔體中最常見的兩種金屬材料。n鋁價格便宜而且容成形，但由於不與其他金屬結合因此其用途受限。n常用在與O-ring的結合，或是真空腔體內內部的組件。n300系的austenitic 不鏽鋼為真空腔體最常用的材料，其高的機械性質，耐腐蝕，焊接，低溢氣量都是其優點。n304與316不鏽鋼為最常見的真空材料。n303由於具有S所以雖然容加工，但是基於真空的考量而不與採用n對於一般應用在冷凍幫浦的結構上，由於為了減低其熱傳導的損失，因此必須採用薄的不鏽鋼材料，所以研發出含有氮的不鏽鋼，例如304N或316Nn不鏽鋼之所以會具有高的抗氧性以及低的溢氣量乃
28、是形成Cr2O3之故n玻璃與陶瓷n玻璃沒有絕對的熔點，軟玻璃與硬玻璃的分野在於所摻入的氧化物不同，前者是在SiO2中摻入sodium oxide 以及calcium oxide而後者則是摻入boric oxiden不同種類的玻璃其工作溫度範圍會有所不同，這影響到其工作條件，例如borosilicate可在數分鐘達到400C但是lead glass必須在24小時才能全部達到400C，其導熱度有很大的差異。n陶瓷乃是金屬的氧化物，氮化物或是碳化物。n強度高，低蒸汽壓。nAlumina （鋁氧化物）被使用最多，用在feedthrough，或是當作絕緣體n氮化物與Borides 則被使用在真空內部加熱
29、用之坩鍋n玻璃與陶瓷 a.硼玻璃熱膨脹係數小，於燒製焊接，質密，硬度高。b.鉛玻璃多用於真空封口。c.陶瓷為電與熱之極佳絕緣體，強度高且可耐溫度的突然變化，但是製作不。nPolymern高分子在真空技術中通常擔任氣體密合的關鍵零件。nBuna-N, Viton, Silicone 以及Kalrez用在O-ring的gasket或是vacuum feed through。n對於抗氣體的滲透能力遠低於陶瓷及玻璃。nElastomer當接觸某些溶劑時會產生腫大，最後加速氣體的滲透(1) 合成橡膠( Elastomers )：主要用於O-Ring 之真空封合，但卻有很高的吸水性與氣體滲透性，因此逸氣率
30、很高，不適於高真空使用，一般用作粗抽氣體管路。(2) 塑膠( Plastics )：主要用於電引入或物品保存箱(3) 低蒸氣壓環氧樹脂( Epoxy )：主要用於真空漏氣孔穴之補漏Polymer對於高溫的環境無法適應,溢氣速度比其他材料來的高,其溢氣的成份以水蒸汽居多,當溫度升高時，原本的材料將可能產生分解。真空封合技術真空封合技術真空封合技術的重要性： 真空系統不可能一體成型，通常包括了各種不同的形狀與材料之零件、組件，有時必需要更換現有元件，甚或使用時必須隨時開啟與關閉真空室，因此必須以各種封合方式加以接合，接合時最重要的因素為氣密性，也就是說必須是真空封合，漏氣率不能超過額定值。真空封合的分類：(一) 永久性封合： 熔焊 銅焊 錫焊 玻璃與金屬接合 陶瓷與金屬接合(二) 可拆卸接合 蠟，樹脂與黏著劑 彈性體襯墊封合 金屬墊圈封合 永久性封合 熔焊：
