第二章真空的獲得與測量技術(shù)課件

第二章真空的獲得與測量技術(shù)2.1氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念2.2氣體的流動(dòng)狀態(tài)和真空的獲得2.3各類真空泵簡介2.4真空測量技術(shù)2.5幾種典型真空系統(tǒng)的建立第二章真空的獲得與測量技術(shù)2.1氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本1第二章真空的獲得與測量技術(shù)課件2JP450磁控濺射鍍膜系統(tǒng)JP450磁控濺射鍍膜系統(tǒng)3等離子增強(qiáng)CVD和熱絲CVD復(fù)合系統(tǒng)一．真空沉積系統(tǒng)二、真空抽氣系統(tǒng)三、真空測量系統(tǒng)

四、電源系統(tǒng)

五、氣路系統(tǒng)等離子增強(qiáng)CVD和熱絲CVD復(fù)合系統(tǒng)一．真空沉積系統(tǒng)二、真空42.1氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念1.

描述氣體分子狀態(tài)的宏觀物理量-P、T、V

理想氣體狀態(tài)方程：

普適氣體常數(shù)：R=8.31J.mol-1K-1

波爾茲蔓常數(shù)k=R/NA=1.3810-23JK-1)平均平動(dòng)動(dòng)能2.1氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念1.描述氣體分子狀態(tài)的52.1氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念

2氣體分子運(yùn)動(dòng)速度及其分布(Maxwell分布）M-分子的摩爾質(zhì)量，T為熱力學(xué)溫度，R為普適氣體常數(shù)物理意義：f(v)dv表示在速率附近，dv速率間隔內(nèi)的分子數(shù)占總分子數(shù)的比率2.1氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念2氣體分子運(yùn)動(dòng)速度及其6第二章真空的獲得與測量技術(shù)課件72.氣體分子的運(yùn)動(dòng)速度及其分布平均速率圖1.氫氣和鋁蒸汽分子在不同溫度條件下的速度分布最可幾速率方均根速率2.氣體分子的運(yùn)動(dòng)速度及其分布平均速率圖1.氫氣和鋁蒸汽分82.1氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念3.氣體分子的平均自由程一個(gè)氣體分子在兩次碰撞之間的平均距離：n:單位體積內(nèi)的分子數(shù)；d:氣體分子的直徑

2.1氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念3.氣體分子的平均自由程94.單位面積上氣體分子的碰撞頻率

即單位面積上氣體分子的通量克努森方程因子1/4是對氣體分子運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度分布進(jìn)行數(shù)學(xué)平均時(shí)得到的一個(gè)系數(shù)。1.1氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念4.單位面積上氣體分子的碰撞頻率克努森方程因子1/4是對氣10襯底完全被一層分子覆蓋所需時(shí)間：N為表面原子密度常溫常壓下，潔凈表面被雜質(zhì)完全覆蓋所需時(shí)3.510-9s,而在10-8Pa的高真空中，這一時(shí)間為10h。所以在薄膜制備技術(shù)中獲得和保持適當(dāng)?shù)恼婵斩仁呛苤匾?。襯底完全被一層分子覆蓋所需時(shí)間：N為表面原子密度115真空度真空度的常用單位為帕（Pa)或托（Torr):1Torr=133

Pa真空度可分為：低真空：102Pa 工業(yè)應(yīng)用（包裝）中真空：102~10-1Pa CVD沉積技術(shù)高真空：10-1~10-5Pa 濺射沉積技術(shù)超高真空：10-5Pa 原子表面和界面分析2.1氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念5真空度2.1氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念122.2氣體的流動(dòng)狀態(tài)和真空的獲得1.氣體的流動(dòng)狀態(tài)氣體的無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)本身不能導(dǎo)致氣體的宏觀流動(dòng)，只有在空間存在壓力差的條件下，氣體作為一個(gè)整體才會(huì)產(chǎn)生宏觀的定向流動(dòng)。氣體流動(dòng)取決于容器形狀，氣體氣壓，溫度及氣體種類。2.2氣體的流動(dòng)狀態(tài)和真空的獲得1.氣體的流動(dòng)狀態(tài)132.2氣體的流動(dòng)狀態(tài)和真空的獲得氣體流動(dòng)狀態(tài)分類分子流狀態(tài):分子間無相互碰撞（高真空度）粘滯流狀態(tài)

分子間碰撞平繁（中、低真空度）層流狀態(tài)：低速流情況渦流狀態(tài)：高速流情況2.2氣體的流動(dòng)狀態(tài)和真空的獲得氣體流動(dòng)狀態(tài)分類分子流狀態(tài)142.2氣體的流動(dòng)狀態(tài)和真空的獲得

氣體流動(dòng)可按克努森準(zhǔn)數(shù)來劃分：Kn=D/D為容器尺寸；為平均自由程分子流狀態(tài)：Kn1中間狀態(tài)：Kn=1~110粘滯流狀態(tài)：Kn

110

圖1.2氣體流動(dòng)狀態(tài)與真空系統(tǒng)尺寸和氣體壓力之間的關(guān)系2.2氣體的流動(dòng)狀態(tài)和真空的獲得

氣體流動(dòng)可按克努森準(zhǔn)數(shù)來劃152.氣體管路的流導(dǎo)

真空管路中氣體的通過能力，流導(dǎo)C定義為 P1和P2為管路兩斷的氣壓，Q為單位時(shí)間內(nèi)通過管路的氣體流量。對分子流狀態(tài)的氣體：流導(dǎo)與氣體壓力無關(guān) A：管路截面積對粘滯流，流導(dǎo)隨氣體的壓力呈現(xiàn)復(fù)雜變化2.2氣體的流動(dòng)狀態(tài)和真空的獲得2.氣體管路的流導(dǎo)2.2氣體的流動(dòng)狀態(tài)和真空的獲得16流導(dǎo)的串聯(lián)和并聯(lián)2.2氣體的流動(dòng)狀態(tài)和真空的獲得泵1泵2真空室真空室泵1泵2并聯(lián)可以提高抽速串聯(lián)可以提高極限真空度并聯(lián)流導(dǎo)串聯(lián)流導(dǎo)流導(dǎo)的串聯(lián)和并聯(lián)2.2氣體的流動(dòng)狀態(tài)和真空的獲得泵1泵172.2氣體的流動(dòng)狀態(tài)和真空的獲得3.真空抽速

真空泵的抽速S定義為P為真空泵入口處的氣壓，Q為單位時(shí)間內(nèi)通過該處的氣體流量抽速S和流導(dǎo)C的物理意義：－S特指一個(gè)截面上的氣體流速－C描述真空部件的氣體通過能力，它使流動(dòng)著的氣體形成一定程度的壓力降低2.2氣體的流動(dòng)狀態(tài)和真空的獲得3.真空抽速18第二章真空的獲得與測量技術(shù)課件192.2氣體的流動(dòng)狀態(tài)和真空的獲得

(a)

流量各處相等：Q=C(P-Pp)=SpPp

實(shí)際抽速：

無回流有回流流量極限真空實(shí)際抽速(b)泵對容器的實(shí)際抽速S永遠(yuǎn)小于泵的理論抽速，也永遠(yuǎn)小于管路的流導(dǎo)C2.2氣體的流動(dòng)狀態(tài)和真空的獲得

(a)流量各處相等：Q20真空的獲得低真空：初級泵P102Pa真空泵分類：輸運(yùn)式：采用對氣體進(jìn)行壓縮的方式將氣體分子輸送至真空系統(tǒng)之外捕獲式：依靠在真空系統(tǒng)內(nèi)凝集或吸附氣體分子的方式將氣體分子捕獲，排除于真空系統(tǒng)之外。真空存在于一個(gè)封閉的且壓力比周圍大氣壓小很多的環(huán)境中。真空的獲得低真空：初級泵P102Pa真空存在于一個(gè)封閉21真空的獲得中級真空和高級真空的獲得，需要初級泵和高級泵共同作用初級泵為高級泵抽氣真空的獲得中級真空和高級真空的獲得，需要初級泵和高級泵共同作22工作原理：

依靠偏心連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)滑閥，在滑閥運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣體經(jīng)由吸氣口被吸入泵體內(nèi)，然后在滑閥壓縮下經(jīng)排氣閥排出泵體工作參數(shù)：理論抽速：Sp=Vf(V為轉(zhuǎn)子與定子間的體積；f為轉(zhuǎn)速）實(shí)際抽速：10-500L/s極限真空：單級為103Pa；兩級串聯(lián)為1Pa特點(diǎn)與使用

單獨(dú)使用或用作其它泵的前級泵，低真空系統(tǒng)。缺點(diǎn)：油污染。2.3真空泵簡介（1）滑閥式（往復(fù)式）真空泵滑閥式真空泵的結(jié)構(gòu)示意圖油的作用：運(yùn)動(dòng)部件間的密封，對機(jī)械部件潤滑。工作原理：2.3真空泵簡介（1）滑閥式（往復(fù)式）真空泵滑23工作原理：

依靠放置在偏心轉(zhuǎn)子中的可以滑進(jìn)滑出的旋片，將氣體隔離，壓縮，然后排出泵體之外。工作參數(shù)：理論抽速：Sp=Vf:(V為轉(zhuǎn)子與定子間的體積；f為轉(zhuǎn)速）實(shí)際抽速：1-300L/s極限真空：單級為1Pa；兩級串聯(lián)為10-2Pa特點(diǎn)與使用

單獨(dú)使用或用作其它高級泵的前級泵，低真空系統(tǒng).

缺點(diǎn)：油污染（2）真空泵簡介-旋片式真空泵旋片式真空泵的結(jié)構(gòu)示意圖工作原理：（2）真空泵簡介-旋片式真空泵旋片式真空泵的結(jié)構(gòu)示24型號：2XZ-2,2XZ-4,2XZ-8型號：2XZ-2,2XZ-4,2XZ-825（3）真空泵簡介干性機(jī)械泵工作原理通過增加腔的溶積來降低壓力特點(diǎn)與使用使用非金屬材料作為運(yùn)動(dòng)表面，以避免使用填縫劑和潤滑劑，從而可避免油污染反應(yīng)室。現(xiàn)今集成電路工藝中使用干性泵。缺點(diǎn)：極限真空度低，噪聲大，價(jià)格高旋轉(zhuǎn)支架干性機(jī)械泵（3）真空泵簡介干性機(jī)械泵工作原理旋轉(zhuǎn)支架干性機(jī)械泵26工作原理：

泵體內(nèi)兩個(gè)呈8字型的轉(zhuǎn)子以相反的方向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子的咬合精度很高，且轉(zhuǎn)子間，轉(zhuǎn)子與泵體間無需油作密封，轉(zhuǎn)速高，抽速快。工作參數(shù)：理論抽速：Sp=Vf:實(shí)際抽速：1-103L/s極限真空：10-2Pa特點(diǎn)與使用

與旋片機(jī)械泵串聯(lián)使用，不能直接向空氣排氣?，F(xiàn)正設(shè)計(jì)新型的可直接向空氣排氣的羅茨泵。高真空系統(tǒng)；價(jià)格較貴。（4）真空泵簡介-羅茨泵羅茨泵結(jié)構(gòu)示意圖工作原理：（4）真空泵簡介-羅茨泵羅茨泵結(jié)構(gòu)示意圖27第二章真空的獲得與測量技術(shù)課件28工作原理：

將擴(kuò)散泵油加熱至高溫蒸發(fā)狀態(tài)(200oC)，讓油蒸氣呈多級狀向下定向高速噴出時(shí)不斷撞擊使其被迫向排氣口運(yùn)動(dòng)，在壓縮作用下被排出泵體。同時(shí)泵體冷卻的油蒸汽又會(huì)凝聚返回泵的底部工作參數(shù)：實(shí)際抽速：1-104L/s(決定于泵體口徑）極限真空：10-5Pa特點(diǎn)與使用

與旋片機(jī)械泵串聯(lián)使用，需要機(jī)械泵抽預(yù)真空(1Pa)；油污染；價(jià)格便宜。（5）真空泵簡介-油擴(kuò)散泵油擴(kuò)散泵結(jié)構(gòu)示意圖工作原理：（5）真空泵簡介-油擴(kuò)散泵油擴(kuò)散泵結(jié)構(gòu)示意圖29（6）真空泵簡介-渦輪分子泵工作原理：

靠機(jī)械運(yùn)動(dòng)對氣體分子施加作用，并使氣體分子向特定方向運(yùn)動(dòng)的原理來工作的。渦輪分子泵的轉(zhuǎn)子葉片具有特定的形狀，以20000-30000轉(zhuǎn)/分的高速旋轉(zhuǎn)，將動(dòng)量傳給氣體分子，多級葉片(10-40)的連續(xù)壓縮保證了分子泵的高效快速的工作。工作參數(shù)：實(shí)際抽速：1000L/s(決定于泵體口徑和轉(zhuǎn)速）極限真空：10-8Pa渦輪分子泵結(jié)構(gòu)示意圖（6）真空泵簡介-渦輪分子泵工作原理：渦輪分子泵結(jié)構(gòu)示意圖30特點(diǎn)與使用與旋片機(jī)械泵串聯(lián)使用，需要機(jī)械泵抽預(yù)真空至1Pa以下；無油污染；價(jià)格昂貴。導(dǎo)致渦輪泵出問題的最常見的原因1、突然將泵暴露于大氣之下，渦輪葉片彎曲并互相碰撞，導(dǎo)致極大的失敗。2、渦輪泵的回轉(zhuǎn)軸是精密平衡的，所以在使用過程中嚴(yán)禁移動(dòng)或沖撞。（6）真空泵簡介-渦輪分子泵特點(diǎn)與使用（6）真空泵簡介-渦輪分子泵31（7）真空泵簡介-低溫吸附泵工作原理：

依靠氣體分子在低溫條件下自發(fā)凝結(jié)或被其他物質(zhì)表面吸附的性質(zhì)實(shí)現(xiàn)對氣體分子的去除，進(jìn)而獲得高真空的裝置。真空度依賴于低溫度，吸附物質(zhì)的表面積和吸附氣體的種類等。工作參數(shù)：常用的吸附物質(zhì)：金屬表面；活性碳；沸石等分子篩極限真空：10-1~10-8Pa特點(diǎn)與使用

需要機(jī)械泵抽預(yù)真空(10-1pa)；無油高真空系統(tǒng)；價(jià)格較貴；高溫時(shí)，被吸附的氣體又釋放出來。低溫吸附泵結(jié)構(gòu)示意圖（7）真空泵簡介-低溫吸附泵工作原理：低溫吸附泵結(jié)構(gòu)示意圖32（8）真空泵簡介-濺射離子泵工作原理：

依靠高壓陰極發(fā)射出的高速電子與殘余氣體分子相互碰撞后引起氣體電離放電，而電離后的氣體分子在高速撞擊陰極時(shí)又會(huì)濺射出大量的Ti原子。由于Ti原子的活性很高，因而它將以吸附或化學(xué)反應(yīng)的形式捕獲大量的氣體分子并在泵體內(nèi)沉積下來，實(shí)現(xiàn)超高真空的獲得。工作參數(shù)：實(shí)際抽速：決定于泵體口徑和陰極高壓極限真空：10-8Pa特點(diǎn)與使用

與旋片機(jī)械泵和分子泵配合使用，需要抽預(yù)真空(10-6Pa)；無油污染；超高真空潔凈系統(tǒng)；價(jià)格昂貴。濺射離子泵結(jié)構(gòu)示意圖（8）真空泵簡介-濺射離子泵工作原理：濺射離子泵結(jié)構(gòu)示意圖332.4真空測量技術(shù)與真空環(huán)境獲得方法密切相關(guān)的是真空的測量技術(shù)，根據(jù)真空度（氣體壓力）的范圍的不同，其測量方法和原理也各不同由儀器測量出的真空度與真空室的實(shí)際真空度之間可能由于溫度的不同而存在誤差，而且當(dāng)氣體處于分子流狀態(tài)，真空室與測試點(diǎn)的氣壓也有所不同。pc/pm=(Tc/Tm)1/2Tc,Tm分別為真空室和測試點(diǎn)的溫度

當(dāng)氣體的流動(dòng)狀態(tài)接近甚至達(dá)到粘滯流狀態(tài)的情況下，溫差造成的測量誤差趨于0真空測量元件常被稱為真空規(guī)，真空測量技術(shù)分為低真空和高真空測量，常用的有三種方法：1.熱偶真空規(guī)和皮拉尼真空規(guī)2.薄膜真空規(guī)3.電離真空規(guī)2.4真空測量技術(shù)與真空環(huán)境獲得方法密切相關(guān)的是真空的測量34（1）真空測量技術(shù)-熱偶規(guī)或皮拉尼規(guī)熱偶規(guī)工作原理：氣體的熱導(dǎo)率隨氣體壓力變化，通過熱電偶測出熱絲的溫度，也就相應(yīng)的測出了環(huán)境的氣體壓強(qiáng)。

皮拉尼工作原理：通過測量熱絲的電阻隨溫度的變化實(shí)現(xiàn)對真空度的測量。測量范圍：熱偶規(guī)0.1-100Pa；皮拉尼0.1Pa-0.1MPa特點(diǎn)與使用：都屬低真空測量。

（1）真空測量技術(shù)-熱偶規(guī)或皮拉尼規(guī)熱偶規(guī)工作原理：氣體的熱35（2）真空測量技術(shù)—電離真空規(guī)工作原理：它由陰極，陽極和離子收集極組成，熱陰極發(fā)射電子飛向陽極的過程中，使氣體分子電離，并被離子收集極收集形成電流，根據(jù)離子電流測出氣體壓強(qiáng)。測量范圍：10-9-1Pa(10-3Pa相當(dāng)于薄膜位移為一個(gè)原子尺寸大小)特點(diǎn)與使用：屬高真空和超高真空測量，通常與熱偶規(guī)同時(shí)使用。（2）真空測量技術(shù)—電離真空規(guī)工作原理：它由陰極，陽極和離子36（3）真空測量技術(shù)--薄膜真空規(guī)工作原理：通過薄膜在氣體壓力差下產(chǎn)生機(jī)械位移，測量電極間電容，對氣壓進(jìn)行絕對測量，測量結(jié)果與氣體種類無關(guān)。測量范圍：10-3-100Pa(10-3Pa相當(dāng)于薄膜位移為一個(gè)原子尺寸大小)特點(diǎn)與使用：屬高真空測量。

（3）真空測量技術(shù)--薄膜真空規(guī)工作原理：通過薄膜在氣體壓力371.5幾種典型真空系統(tǒng)的建立—（1）低真空系統(tǒng)系統(tǒng)組成：真空室；機(jī)械泵；熱偶規(guī)應(yīng)用低壓化學(xué)汽相薄膜沉積；真空包裝等真空室機(jī)械泵控制與測試電磁閥熱偶規(guī)1.5幾種典型真空系統(tǒng)的建立—（1）低真空系統(tǒng)系統(tǒng)組成：真382.5幾種典型真空系統(tǒng)的建立—(2)高真空系統(tǒng)系統(tǒng)組成：真空室；分子泵或油擴(kuò)散泵；機(jī)械泵；熱偶電離復(fù)合規(guī)獲得高真空的操作流程

應(yīng)用濺射沉積和蒸發(fā)等鍍膜系統(tǒng)

真空室機(jī)械泵真空計(jì)高真空閥復(fù)合真空規(guī)擴(kuò)散泵或分子泵低真空閥預(yù)真空閥2.5幾種典型真空系統(tǒng)的建立—(2)高真空系統(tǒng)系統(tǒng)組成：真39真空室機(jī)械泵真空計(jì)高真空閥復(fù)合真空規(guī)擴(kuò)散泵或分子泵預(yù)真空閥離子泵系統(tǒng)組成：真空室；分子泵或油擴(kuò)散泵；機(jī)械泵；離子泵；熱偶電離復(fù)合真空規(guī)獲得高真空的操作流程應(yīng)用：表面，界面及原子操縱

2.5幾種典型真空系統(tǒng)的建立-(3)超高真空系統(tǒng)閘板閥低真空閥真空室機(jī)械泵真空計(jì)高真空閥復(fù)合真空規(guī)擴(kuò)散泵或分子泵預(yù)真空閥離40真空系統(tǒng)建立綱要根據(jù)系統(tǒng)真空度的要求，確定選用單級泵，還是多級級聯(lián)泵。根據(jù)系統(tǒng)真空度的要求，采用不同的真空管件接口密封配件。如O型膠圈，無氧銅圈，銀圈或金圈等。根據(jù)真空室大小，選擇各泵的抽速及型號。真空管件要盡量的短，即真空室越靠近各泵體越好。真空管件的截面積要求盡量的大，即管道越粗越好真空系統(tǒng)建立綱要根據(jù)系統(tǒng)真空度的要求，確定選用單級泵，還是多41本章作業(yè)1、什么是真空？列出最常見的真空單位？并描述4種真空范圍2、什么是平均自由程？為什么它在薄膜制備過程中很重要？4、描述旋片式機(jī)械泵和分子泵的工作原理5、渦輪分子泵最常見的失敗原因是什么？6、描述測量高、低真空的電離規(guī)和熱偶規(guī)7、如要設(shè)計(jì)一個(gè)真空度為510-4Pa的高真空系統(tǒng)，需要哪些真空泵、測試元件和閥門（3個(gè)閥），畫出系統(tǒng)框圖，并描述獲得該真空的操作過程。

本章作業(yè)1、什么是真空？列出最常見的真空單位？并描述4種真42

第二章真空的獲得與測量技術(shù)2.1氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念2.2氣體的流動(dòng)狀態(tài)和真空的獲得2.3各類真空泵簡介2.4真空測量技術(shù)2.5幾種典型真空系統(tǒng)的建立第二章真空的獲得與測量技術(shù)2.1氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本43第二章真空的獲得與測量技術(shù)課件44JP450磁控濺射鍍膜系統(tǒng)JP450磁控濺射鍍膜系統(tǒng)45等離子增強(qiáng)CVD和熱絲CVD復(fù)合系統(tǒng)一．真空沉積系統(tǒng)二、真空抽氣系統(tǒng)三、真空測量系統(tǒng)

四、電源系統(tǒng)

五、氣路系統(tǒng)等離子增強(qiáng)CVD和熱絲CVD復(fù)合系統(tǒng)一．真空沉積系統(tǒng)二、真空462.1氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念1.

描述氣體分子狀態(tài)的宏觀物理量-P、T、V

理想氣體狀態(tài)方程：

普適氣體常數(shù)：R=8.31J.mol-1K-1

波爾茲蔓常數(shù)k=R/NA=1.3810-23JK-1)平均平動(dòng)動(dòng)能2.1氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念1.描述氣體分子狀態(tài)的472.1氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念

2氣體分子運(yùn)動(dòng)速度及其分布(Maxwell分布）M-分子的摩爾質(zhì)量，T為熱力學(xué)溫度，R為普適氣體常數(shù)物理意義：f(v)dv表示在速率附近，dv速率間隔內(nèi)的分子數(shù)占總分子數(shù)的比率2.1氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念2氣體分子運(yùn)動(dòng)速度及其48第二章真空的獲得與測量技術(shù)課件492.氣體分子的運(yùn)動(dòng)速度及其分布平均速率圖1.氫氣和鋁蒸汽分子在不同溫度條件下的速度分布最可幾速率方均根速率2.氣體分子的運(yùn)動(dòng)速度及其分布平均速率圖1.氫氣和鋁蒸汽分502.1氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念3.氣體分子的平均自由程一個(gè)氣體分子在兩次碰撞之間的平均距離：n:單位體積內(nèi)的分子數(shù)；d:氣體分子的直徑

2.1氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念3.氣體分子的平均自由程514.單位面積上氣體分子的碰撞頻率

即單位面積上氣體分子的通量克努森方程因子1/4是對氣體分子運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度分布進(jìn)行數(shù)學(xué)平均時(shí)得到的一個(gè)系數(shù)。1.1氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念4.單位面積上氣體分子的碰撞頻率克努森方程因子1/4是對氣52襯底完全被一層分子覆蓋所需時(shí)間：N為表面原子密度常溫常壓下，潔凈表面被雜質(zhì)完全覆蓋所需時(shí)3.510-9s,而在10-8Pa的高真空中，這一時(shí)間為10h。所以在薄膜制備技術(shù)中獲得和保持適當(dāng)?shù)恼婵斩仁呛苤匾?。襯底完全被一層分子覆蓋所需時(shí)間：N為表面原子密度535真空度真空度的常用單位為帕（Pa)或托（Torr):1Torr=133

Pa真空度可分為：低真空：102Pa 工業(yè)應(yīng)用（包裝）中真空：102~10-1Pa CVD沉積技術(shù)高真空：10-1~10-5Pa 濺射沉積技術(shù)超高真空：10-5Pa 原子表面和界面分析2.1氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念5真空度2.1氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念542.2氣體的流動(dòng)狀態(tài)和真空的獲得1.氣體的流動(dòng)狀態(tài)氣體的無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)本身不能導(dǎo)致氣體的宏觀流動(dòng)，只有在空間存在壓力差的條件下，氣體作為一個(gè)整體才會(huì)產(chǎn)生宏觀的定向流動(dòng)。氣體流動(dòng)取決于容器形狀，氣體氣壓，溫度及氣體種類。2.2氣體的流動(dòng)狀態(tài)和真空的獲得1.氣體的流動(dòng)狀態(tài)552.2氣體的流動(dòng)狀態(tài)和真空的獲得氣體流動(dòng)狀態(tài)分類分子流狀態(tài):分子間無相互碰撞（高真空度）粘滯流狀態(tài)

分子間碰撞平繁（中、低真空度）層流狀態(tài)：低速流情況渦流狀態(tài)：高速流情況2.2氣體的流動(dòng)狀態(tài)和真空的獲得氣體流動(dòng)狀態(tài)分類分子流狀態(tài)562.2氣體的流動(dòng)狀態(tài)和真空的獲得

氣體流動(dòng)可按克努森準(zhǔn)數(shù)來劃分：Kn=D/D為容器尺寸；為平均自由程分子流狀態(tài)：Kn1中間狀態(tài)：Kn=1~110粘滯流狀態(tài)：Kn

110

圖1.2氣體流動(dòng)狀態(tài)與真空系統(tǒng)尺寸和氣體壓力之間的關(guān)系2.2氣體的流動(dòng)狀態(tài)和真空的獲得

氣體流動(dòng)可按克努森準(zhǔn)數(shù)來劃572.氣體管路的流導(dǎo)

真空管路中氣體的通過能力，流導(dǎo)C定義為 P1和P2為管路兩斷的氣壓，Q為單位時(shí)間內(nèi)通過管路的氣體流量。對分子流狀態(tài)的氣體：流導(dǎo)與氣體壓力無關(guān) A：管路截面積對粘滯流，流導(dǎo)隨氣體的壓力呈現(xiàn)復(fù)雜變化2.2氣體的流動(dòng)狀態(tài)和真空的獲得2.氣體管路的流導(dǎo)2.2氣體的流動(dòng)狀態(tài)和真空的獲得58流導(dǎo)的串聯(lián)和并聯(lián)2.2氣體的流動(dòng)狀態(tài)和真空的獲得泵1泵2真空室真空室泵1泵2并聯(lián)可以提高抽速串聯(lián)可以提高極限真空度并聯(lián)流導(dǎo)串聯(lián)流導(dǎo)流導(dǎo)的串聯(lián)和并聯(lián)2.2氣體的流動(dòng)狀態(tài)和真空的獲得泵1泵592.2氣體的流動(dòng)狀態(tài)和真空的獲得3.真空抽速

真空泵的抽速S定義為P為真空泵入口處的氣壓，Q為單位時(shí)間內(nèi)通過該處的氣體流量抽速S和流導(dǎo)C的物理意義：－S特指一個(gè)截面上的氣體流速－C描述真空部件的氣體通過能力，它使流動(dòng)著的氣體形成一定程度的壓力降低2.2氣體的流動(dòng)狀態(tài)和真空的獲得3.真空抽速60第二章真空的獲得與測量技術(shù)課件612.2氣體的流動(dòng)狀態(tài)和真空的獲得

(a)

流量各處相等：Q=C(P-Pp)=SpPp

實(shí)際抽速：

無回流有回流流量極限真空實(shí)際抽速(b)泵對容器的實(shí)際抽速S永遠(yuǎn)小于泵的理論抽速，也永遠(yuǎn)小于管路的流導(dǎo)C2.2氣體的流動(dòng)狀態(tài)和真空的獲得

(a)流量各處相等：Q62真空的獲得低真空：初級泵P102Pa真空泵分類：輸運(yùn)式：采用對氣體進(jìn)行壓縮的方式將氣體分子輸送至真空系統(tǒng)之外捕獲式：依靠在真空系統(tǒng)內(nèi)凝集或吸附氣體分子的方式將氣體分子捕獲，排除于真空系統(tǒng)之外。真空存在于一個(gè)封閉的且壓力比周圍大氣壓小很多的環(huán)境中。真空的獲得低真空：初級泵P102Pa真空存在于一個(gè)封閉63真空的獲得中級真空和高級真空的獲得，需要初級泵和高級泵共同作用初級泵為高級泵抽氣真空的獲得中級真空和高級真空的獲得，需要初級泵和高級泵共同作64工作原理：

依靠偏心連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)滑閥，在滑閥運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣體經(jīng)由吸氣口被吸入泵體內(nèi)，然后在滑閥壓縮下經(jīng)排氣閥排出泵體工作參數(shù)：理論抽速：Sp=Vf(V為轉(zhuǎn)子與定子間的體積；f為轉(zhuǎn)速）實(shí)際抽速：10-500L/s極限真空：單級為103Pa；兩級串聯(lián)為1Pa特點(diǎn)與使用

單獨(dú)使用或用作其它泵的前級泵，低真空系統(tǒng)。缺點(diǎn)：油污染。2.3真空泵簡介（1）滑閥式（往復(fù)式）真空泵滑閥式真空泵的結(jié)構(gòu)示意圖油的作用：運(yùn)動(dòng)部件間的密封，對機(jī)械部件潤滑。工作原理：2.3真空泵簡介（1）滑閥式（往復(fù)式）真空泵滑65工作原理：

依靠放置在偏心轉(zhuǎn)子中的可以滑進(jìn)滑出的旋片，將氣體隔離，壓縮，然后排出泵體之外。工作參數(shù)：理論抽速：Sp=Vf:(V為轉(zhuǎn)子與定子間的體積；f為轉(zhuǎn)速）實(shí)際抽速：1-300L/s極限真空：單級為1Pa；兩級串聯(lián)為10-2Pa特點(diǎn)與使用

單獨(dú)使用或用作其它高級泵的前級泵，低真空系統(tǒng).

缺點(diǎn)：油污染（2）真空泵簡介-旋片式真空泵旋片式真空泵的結(jié)構(gòu)示意圖工作原理：（2）真空泵簡介-旋片式真空泵旋片式真空泵的結(jié)構(gòu)示66型號：2XZ-2,2XZ-4,2XZ-8型號：2XZ-2,2XZ-4,2XZ-867（3）真空泵簡介干性機(jī)械泵工作原理通過增加腔的溶積來降低壓力特點(diǎn)與使用使用非金屬材料作為運(yùn)動(dòng)表面，以避免使用填縫劑和潤滑劑，從而可避免油污染反應(yīng)室?，F(xiàn)今集成電路工藝中使用干性泵。缺點(diǎn)：極限真空度低，噪聲大，價(jià)格高旋轉(zhuǎn)支架干性機(jī)械泵（3）真空泵簡介干性機(jī)械泵工作原理旋轉(zhuǎn)支架干性機(jī)械泵68工作原理：

泵體內(nèi)兩個(gè)呈8字型的轉(zhuǎn)子以相反的方向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子的咬合精度很高，且轉(zhuǎn)子間，轉(zhuǎn)子與泵體間無需油作密封，轉(zhuǎn)速高，抽速快。工作參數(shù)：理論抽速：Sp=Vf:實(shí)際抽速：1-103L/s極限真空：10-2Pa特點(diǎn)與使用

與旋片機(jī)械泵串聯(lián)使用，不能直接向空氣排氣?，F(xiàn)正設(shè)計(jì)新型的可直接向空氣排氣的羅茨泵。高真空系統(tǒng)；價(jià)格較貴。（4）真空泵簡介-羅茨泵羅茨泵結(jié)構(gòu)示意圖工作原理：（4）真空泵簡介-羅茨泵羅茨泵結(jié)構(gòu)示意圖69第二章真空的獲得與測量技術(shù)課件70工作原理：

將擴(kuò)散泵油加熱至高溫蒸發(fā)狀態(tài)(200oC)，讓油蒸氣呈多級狀向下定向高速噴出時(shí)不斷撞擊使其被迫向排氣口運(yùn)動(dòng)，在壓縮作用下被排出泵體。同時(shí)泵體冷卻的油蒸汽又會(huì)凝聚返回泵的底部工作參數(shù)：實(shí)際抽速：1-104L/s(決定于泵體口徑）極限真空：10-5Pa特點(diǎn)與使用

與旋片機(jī)械泵串聯(lián)使用，需要機(jī)械泵抽預(yù)真空(1Pa)；油污染；價(jià)格便宜。（5）真空泵簡介-油擴(kuò)散泵油擴(kuò)散泵結(jié)構(gòu)示意圖工作原理：（5）真空泵簡介-油擴(kuò)散泵油擴(kuò)散泵結(jié)構(gòu)示意圖71（6）真空泵簡介-渦輪分子泵工作原理：

靠機(jī)械運(yùn)動(dòng)對氣體分子施加作用，并使氣體分子向特定方向運(yùn)動(dòng)的原理來工作的。渦輪分子泵的轉(zhuǎn)子葉片具有特定的形狀，以20000-30000轉(zhuǎn)/分的高速旋轉(zhuǎn)，將動(dòng)量傳給氣體分子，多級葉片(10-40)的連續(xù)壓縮保證了分子泵的高效快速的工作。工作參數(shù)：實(shí)際抽速：1000L/s(決定于泵體口徑和轉(zhuǎn)速）極限真空：10-8Pa渦輪分子泵結(jié)構(gòu)示意圖（6）真空泵簡介-渦輪分子泵工作原理：渦輪分子泵結(jié)構(gòu)示意圖72特點(diǎn)與使用與旋片機(jī)械泵串聯(lián)使用，需要機(jī)械泵抽預(yù)真空至1Pa以下；無油污染；價(jià)格昂貴。導(dǎo)致渦輪泵出問題的最常見的原因1、突然將泵暴露于大氣之下，渦輪葉片彎曲并互相碰撞，導(dǎo)致極大的失敗。2、渦輪泵的回轉(zhuǎn)軸是精密平衡的，所以在使用過程中嚴(yán)禁移動(dòng)或沖撞。（6）真空泵簡介-渦輪分子泵特點(diǎn)與使用（6）真空泵簡介-渦輪分子泵73（7）真空泵簡介-低溫吸附泵工作原理：

依靠氣體分子在低溫條件下自發(fā)凝結(jié)或被其他物質(zhì)表面吸附的性質(zhì)實(shí)現(xiàn)對氣體分子的去除，進(jìn)而獲得高真空的裝置。真空度依賴于低溫度，吸附物質(zhì)的表面積和吸附氣體的種類等。工作參數(shù)：常用的吸附物質(zhì)：金屬表面；活性碳；沸石等分子篩極限真空：10-1~10-8Pa特點(diǎn)與使用

需要機(jī)械泵抽預(yù)真空(10-1pa)；無油高真空系統(tǒng)；價(jià)格較貴；高溫時(shí)，被吸附的氣體又釋放出來。低溫吸附泵結(jié)構(gòu)示意圖（7）真空泵簡介-低溫吸附泵工作原理：低溫吸附泵結(jié)構(gòu)示意圖74（8）真空泵簡介-濺射離子泵工作原理：

依靠高壓陰極發(fā)射出的高速電子與殘余氣體分子相互碰撞后引起氣體電離放電，而電離后的氣體分子在高速撞擊陰極時(shí)又會(huì)濺射出大量的Ti原子。由于Ti原子的活性很高，因而它將以吸附或化學(xué)反應(yīng)的形式捕獲大量的氣體分子并在泵體內(nèi)沉積下來，實(shí)現(xiàn)超高真空的獲得。工作參數(shù)：實(shí)際抽速：決定于泵體口徑和陰極高壓極限真空：10-8Pa特點(diǎn)與使用

與旋片機(jī)械泵和分子泵配合使用，需要抽預(yù)真空(10-6Pa)；無油污染；超高真空潔凈系統(tǒng)；價(jià)格昂貴。濺射離子泵結(jié)構(gòu)示意圖（8）真空泵簡介-濺射離子泵工作原理：濺射離子泵結(jié)構(gòu)示意圖752.4真空測量技術(shù)與真空環(huán)境獲得方法密切相關(guān)的是真空的測量技術(shù)，根據(jù)真空度（氣體壓力）的范圍的不同，其測量方法和原理也各不同由儀器測量出的真空度與真空室的實(shí)際真空度之間可能由于溫度的不同而存在誤差，而且當(dāng)氣體處于分子流狀態(tài)，真空室與測試點(diǎn)的氣壓也有所不同。pc/pm=(Tc/Tm)1/2Tc,Tm分別為真空室和測試點(diǎn)的溫度

當(dāng)氣體的流動(dòng)狀態(tài)接近甚至達(dá)到粘滯流狀態(tài)的情況下，溫差造成的測量誤差趨于0真空測量元件常被稱為真空規(guī)，真空測量技術(shù)分為低真空和高真空測量，常用的有三種方法：1.熱偶真空規(guī)和皮拉尼真空規(guī)2.薄膜真空規(guī)3.電離真空規(guī)2.4真空測量技術(shù)與真空環(huán)境獲得方法密切相關(guān)的是真空的測量76（1）真空測量技術(shù)-熱偶規(guī)或皮拉尼規(guī)熱偶規(guī)工作原理：氣體的熱導(dǎo)率隨氣體壓力變化，通過熱電偶測出熱絲的溫度，也就相應(yīng)的測出了環(huán)境的氣體壓強(qiáng)。

皮拉尼工作原理：通過測量熱絲的電阻隨溫度的變化實(shí)現(xiàn)對真空度的測量。測量范圍：熱偶規(guī)0.1-100Pa；皮拉尼0.1Pa-0.1MPa特點(diǎn)與使用：都屬低真空測量。