真空技術(shù)基礎(chǔ)要點.ppt

1、什么叫真空？,一般是指在給定的空間內(nèi)，壓力低于1atm (即101325Pa)的氣體狀態(tài)。,帕（Pa） 托（Torr） 1 Torr = 1/760 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 1 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓=101325 Pa 1 Pa = 7.506 10-3 Torr 低真空 (105102 Pa): 大氣布朗運(yùn)動，分子間碰撞多 中真空 (10210-1 Pa): 氣體密度減少，氣體導(dǎo)電 高真空 (10-110-6Pa): 殘余氣體分子少，碰撞很少 超高真空 (10-6Pa),真空度的劃分,真 空 系 統(tǒng),真空系統(tǒng)的組成元件： （1）抽氣設(shè)備。 （2）真空測量裝置。 （3）真空閥門。 （4）導(dǎo)管。 （5）其它元件：如捕

2、集器、真空接頭、波紋管等。,1.被抽容器 2.真空測量規(guī)管 3.主閥 4.預(yù)真空管道閥 5.前級管道閥 6.軟連接管道 7.放氣閥 8.前級泵 9.主泵（油擴(kuò)散泵） 10.水冷障板,開機(jī)方法： 前級泵 主泵 關(guān)機(jī)方法： 主泵 前級泵,MR3,真 空 獲 得,水環(huán)泵、旋片泵、水噴射泵、螺桿泵、爪式泵、羅茨泵、分子泵、擴(kuò)散泵、低溫泵、吸附泵 1）低真空階段以機(jī)械泵為主（旋轉(zhuǎn)、氣體壓縮） 2）中真空、高真空、超高真空階段以擴(kuò)散泵、分子泵、低溫泵為主 基本概念： 主泵、粗抽泵、前級泵、粗真空泵、高真空泵、超高真空泵和增壓泵 工作壓力和極限壓力,單級旋片泵結(jié)構(gòu) 旋片泵工作原理,旋片機(jī)械泵(Rotary

3、Pump),直聯(lián)：轉(zhuǎn)速快（1400r/min），效率高，噪音小。 間接聯(lián)接(通過皮帶或齒輪傳動)：唯一優(yōu)點就是價格便宜。,工作壓力：1atm； 極限壓力：10-2Pa,羅 茨 泵（增壓泵）,無內(nèi)壓縮抽氣，一般作為增壓泵與機(jī)械泵串聯(lián)； 優(yōu)點：抽氣能力大，而且起動快，預(yù)抽氣時間短。,工作壓力： 1atm ； 極限壓力：10-3Pa,油擴(kuò)散泵,擴(kuò)散泵 工作原理,工作壓力：10-110-6Pa； 極限壓力：10-8Pa,優(yōu)點：價格便宜，抽速大，便于維護(hù) 缺點：油污染,分子泵(Turbo Molecular Pump),靠高速運(yùn)動的剛體表面來攜帶氣體分子實現(xiàn)抽氣。,工作壓力：10-1Pa； 極限壓力：1

4、0-9Pa,優(yōu)點：可獲得十分清潔的真空，有利于膜質(zhì)量的提高。分子泵抽速很大，可以縮短工藝周期。 缺點：分子泵對氫（分子量?。┑膲嚎s比較小，殘余氣體中主要是氫。,低溫泵(Cryopump),利用低溫表面（低于100K，MR3可達(dá)13K）冷凝、吸附和捕集氣體來獲得和保持真空的設(shè)備。,優(yōu)點： 1、極限壓力低。(20K可得10-8Pa， 4.2K可得10-10Pa 10-12Pa) 2、抽速大。 3、可抽各種氣體，從而獲得清潔的超高真空。 4、占地面積小，電力消耗少。 5、不產(chǎn)生碳?xì)浠衔?、金屬膜的剝落碎片及其它污染?工作壓力：10-2Pa； 極限壓力：10-12Pa,（1）應(yīng)有足夠大的抽氣速率。既

5、能迅速抽走鍍膜過程中基片及蒸發(fā)材料和真空室內(nèi)各構(gòu)件所放出的氣體，也能迅速抽走濺射和離子鍍膜過程中的摻氣及系統(tǒng)的漏氣。 （2）鍍膜機(jī)抽氣系統(tǒng)的極限真空度應(yīng)根據(jù)鍍制薄膜的不同而有所選擇。 （3）鍍膜室及其抽氣系統(tǒng)的漏氣率要小，必須把系統(tǒng)的總漏氣率限制在允許的范圍之內(nèi)。 （4）真空系統(tǒng)的操作、使用及檢修、維護(hù)方便，性能穩(wěn)定可靠。,真空鍍膜設(shè)備對抽氣系統(tǒng)基本要求,各種鍍膜工藝中要求的真空度,鍍膜設(shè)備 (真空濺射鍍膜、真空離子鍍膜和真空化學(xué)氣相沉積等)上都設(shè)有充氣系統(tǒng)。需要充入的氣體分兩類： 1、工作氣體：通常是各種惰性氣體，以氬為主。 因為氬不污染真空系統(tǒng)，容易得到較高的純度，氬的電離電位較低，容易被

6、激發(fā)電離，氬的等離子體穩(wěn)定，容易獲得高電離度的等離子區(qū)。 2、反應(yīng)氣體：它與成膜的種類和工藝有關(guān)，例如，用磁控法鍍TiN，應(yīng)充入氮氣。,充氣系統(tǒng),鍍膜設(shè)備 (真空濺射鍍膜、真空離子鍍膜和真空化學(xué)氣相沉積等)上都設(shè)有充氣系統(tǒng)。需要充入的氣體分兩類： 1、工作氣體：通常是各種惰性氣體，以氬為主。 因為氬不污染真空系統(tǒng)，容易得到較高的純度，氬的電離電位較低，容易被激發(fā)電離，氬的等離子體穩(wěn)定，容易獲得高電離度的等離子區(qū)。 2、反應(yīng)氣體：它與成膜的種類和工藝有關(guān)，例如，用磁控法鍍TiN，應(yīng)充入氮氣。,充氣系統(tǒng),氣體放電,氣體放電管,伏安特性,陰極濺射原理圖,靶材的刻蝕圖,一種新型刻蝕均勻磁控濺射源,離子

7、鍍原理圖,MR2電離CH4和MR3純石墨放電產(chǎn)生碳離子,三種PVD方法對比,真空材料及部件的清洗,清洗的基本程序,1污染物的確定 2清洗方法的確定 3清洗溶劑的選擇 4清洗程序及注意事項,改進(jìn)真空系統(tǒng)中所有器壁和組件表面在工作條件下的工作穩(wěn)定性。 (工作條件包括：高溫、低溫、以及電子、離子、光子或重粒子的發(fā)射和轟擊。),清洗的目的,常見的真空材料表面上的污染物,1）加工、裝配、操作時沾染上的潤滑劑、切削液、焊劑、粘接劑、真空油脂等； 2）水基類：操作時的汗跡、指紋、吹氣時的水汽、唾液等； 3）表面氧化物：材料長期放置在空氣中或放置在潮濕空氣中所形成的表面氧化物； 4）酸、堿、鹽類物質(zhì)：清洗時的

8、殘余物質(zhì)、水中的礦物質(zhì)等； 5）拋光殘渣及環(huán)境空氣中的塵埃和其它有機(jī)物等。 6）在真空設(shè)備的使用過程中，造成的真空系統(tǒng)再污染； 7）表面污染物：a ）蒸汽壓很高，b）吸附了大量氣體。,）原子級清潔表面：僅能在嚴(yán)格控制的超高真空條件下實現(xiàn)，一般需要通過較長的時間過程來實現(xiàn)，采用如加熱、粒子轟擊、濺射、氣體反應(yīng)等技術(shù)手段在特定的表面區(qū)域內(nèi)獲得。,）工藝技術(shù)上的清潔表面：保證所有的表面盡可能沒有其它微觀結(jié)構(gòu)物質(zhì)，并且使清洗后表面的各種分子約束得更緊密，在基體相上沒有明顯的化學(xué)物質(zhì)。,清潔表面分類,表面清洗的基本方法,溶 劑 清 洗,1）純水（O） 溶解陽離子和陰離子結(jié)合的可溶性鹽類 2）無水有機(jī)溶劑

9、 無水乙醇、丙酮(ACE)、甲酮、甲苯、航空汽油、松節(jié)油等。 有機(jī)溶劑特性： a）揮發(fā)性強(qiáng)，吸附熱小，不易吸附在物品表面上； b）溶劑沸點低，一般在100以下 ； c）有較強(qiáng)的溶解性，對油脂、樹脂、石蠟等有較強(qiáng)的溶除能力； d）對光和熱都比較敏感,堿和酸類,堿類 ： 皂化類油去除：主要成分為脂肪，即甘油三酸酯。通過皂化反應(yīng)，除掉零件表面上粘附的油脂。 礦物油去除：與堿液形成乳濁液（乳化作用），從物體表面清除。 酸類： 金屬表面的氧化層、氮化層、器件上的金屬雜質(zhì)、玻璃表面的腐蝕層，可以通過酸類與其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而除掉。 常用有：鹽酸、硫酸、硝酸、氫氟酸等,擦洗和浸洗(噴射),氣體沖洗(氮氣),利用

10、高壓液體噴射運(yùn)動流體施加到表面黏附的粒子上的剪切力來破壞粒子與表面間的粘附力，粒子懸浮于湍流流體中，被流體從表面帶走。,氮氣在材料表面吸附時，由于吸附熱小，因而吸留表面時間極短。即便吸附在器壁上，也很容易被抽走。 優(yōu)點：縮短系統(tǒng)的抽氣時間。如真空室先充氮氣后充入大氣，(可縮短近一半抽氣時間)。或鍍工件前用氮氣噴一下,EBS的Jig刷洗后，甩干時用的是N2保護(hù)氣。 MR3鍍膜前用N2沖刷。,超 聲 波 清 洗,原理： 超聲空穴作用 超聲波清洗設(shè)備 ：超聲波發(fā)生器（儀） 換能器（超聲振子） 清洗槽 超聲波工作頻率一般在2050kHz之間。 特點：聲波本身能進(jìn)入復(fù)雜構(gòu)造異形孔道，所以超聲波清洗可以清

11、除復(fù)雜有孔零件內(nèi)部的污染物，這是一般清洗方法所無法實現(xiàn)的。,在真空室中充入適當(dāng)分壓力的惰性氣體（如Ar氣），可以利用兩個適當(dāng)?shù)碾姌O間的低壓下的輝光放電產(chǎn)生的離子轟擊來達(dá)到清洗的目的。 放電時的氣體壓力可在110Pa之間 ，放電電壓在500 5000V (加入10%的氧氣使某些碳?xì)浠衔镅趸梢讚]發(fā)性氣體而容易被真空系統(tǒng)排除。),離子清洗,謝 謝！,濺射機(jī)理：濺射完全是動能的交換過程,級聯(lián)碰撞：入射離子靶面原子，產(chǎn)生彈性碰撞，動能靶面原子靶內(nèi)部原子經(jīng)過一系列的碰撞過程,離子轟擊固體表面產(chǎn)生的各種現(xiàn)象,充氬必須注意合理地選擇氬的流量，因為它的大小直接影響著鍍膜室的真空度，對濺射成膜的速率以及膜的

12、純度有一定的影響。對于真空濺射鍍膜，要求濺射室氬的壓強(qiáng)保持在0.5Pa，又要求擴(kuò)散泵入口壓強(qiáng)為5102 Pa以下。為此，首先將真空室抽到104 105Pa的極限真空, 然后用針閥充入和調(diào)整氬氣流量，直到擴(kuò)散泵入口壓強(qiáng)為5102Pa，固定針閥，再慢慢關(guān)閉主閥，直到濺射室真空度保持在6.7101Pa，再將主閥定位。也可以采用自動壓強(qiáng)控制系統(tǒng)保持壓強(qiáng)的恒定。 反應(yīng)氣體的種類很多，有氧、氮、甲烷、一氧化碳、硫化氫等。充入的量可用針閥、流量計等控制。,充工作氣體,表面清洗的基本方法,1）軟化水或純水,離子雜質(zhì)：如Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Al3+、Zn2+、Cu2+、Ni2、Mn2、H

13、、NH4、SO4、Cl、NO3、HCO3、CO3、PO43、OH一、SiO32等。陽離子和陰離子結(jié)合為可溶性鹽類存在于水中,高純水：純度可達(dá)999999，其電阻率達(dá)18106 cm以上,原理：純水較強(qiáng)的溶解能力、水分子的極性和水的沖刷作用而達(dá)到去污目的。因為水分子是有極性的，其正負(fù)電中心不重合，一端顯示出正電性，另一端顯示出負(fù)電性，對帶電離子有吸引作用。正是由于這種作用，能將浸入純水中的物體表面所吸附的離子雜質(zhì)拉下水進(jìn)而達(dá)到清除離子雜質(zhì)目的。,溶 劑 清 洗,無水有機(jī)溶劑：如無水乙醇、丙酮、甲酮、甲苯、航空汽油、松節(jié)油等。,共同特性： 1）揮發(fā)性強(qiáng)，吸附熱小，不易吸附在物品表面上； 2）溶劑沸

14、點低，一般在100以下 ； 3）有較強(qiáng)的溶解性，對油脂、樹脂、石蠟等有較強(qiáng)的溶除能力； 5) 對光和熱都比較敏感,去污原理：根據(jù)溶質(zhì)在溶劑中的溶解遵循“物質(zhì)結(jié)構(gòu)相似者相溶”的原則，只要兩者結(jié)構(gòu)相似，溶解就易進(jìn)行。油脂不能溶于水，但可以溶于有機(jī)溶劑中。,真空中常用除油脂有機(jī)溶劑有：,（1）甲苯 （2）丙酮 它能與水、乙醇、乙醚、氯仿等有機(jī)溶劑混溶，具有很強(qiáng)的溶解性能溶解油類、脂肪、樹脂、橡膠、蠟、膠、有機(jī)玻璃等有機(jī)物質(zhì)，是優(yōu)良的有機(jī)溶劑。使用方法可采取擦洗、浸泡、水浴加熱、超聲等方式清洗物品。 （3）乙醇 乙醇能與水、乙醚、甲醇、氯仿混溶。乙醇分兩種：普通乙醇，純度為95；無水乙醇，純度為99.

15、5，真空清洗使用的是后者。乙醇去油污能力不如甲苯和丙酮。加熱后的無水乙醇除油能力較強(qiáng)。,（4）汽油 汽油有較強(qiáng)的溶解性，能溶除油污、油漆等有機(jī)雜質(zhì)。特別是航空汽油，無毒性，去污能力強(qiáng)，是清洗常用有機(jī)溶劑。（5）松節(jié)油 松節(jié)油與乙醚、乙醇、氯仿等有機(jī)溶劑互溶，是一種無毒溶劑。對有機(jī)雜質(zhì)有較好的溶解能力，能溶解油類、脂肪、蠟和各種樹脂。松節(jié)油還是一種極性溶劑，對金屬雜質(zhì)也有一定的吸附能力。 （6）石油分餾物、氯化或氟化碳?xì)浠?例石油醚是一種輕質(zhì)石油產(chǎn)品，無毒性，不溶于水，但能與大多數(shù)有機(jī)溶劑互溶。能溶解脂肪和油污等有機(jī)雜質(zhì)其溶解性與甲苯、丙酮、乙醇相似,1鹽酸 鹽酸能與堿性氧化物，兩性氧化物進(jìn)行

16、化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生金屬氯化物。如鋁和鋼表面上的氧化鋁和氧化鐵，可用鹽酸除掉。金屬雜質(zhì)能與鹽酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氯化物而被清除。,2硫酸 表面存在的金屬雜質(zhì)，可利用硫酸的強(qiáng)氧化作用除掉?？衫昧蛩岬膹?qiáng)酸性除掉金屬表面上的氧化物或者氫氧化物。,3硝酸 硝酸具有強(qiáng)酸性及強(qiáng)氧化性，以化學(xué)反應(yīng)方式除掉物體表面金屬雜質(zhì)。硝酸不僅能與金屬活動順序表中氫以前的金屬發(fā)生作用，而且能與氫以后的銅、汞、銀發(fā)生反應(yīng)生成硝酸鹽、氮化物和水。,4. 氫氟酸：,5. 金屬清洗劑（市售商品）：分為酸性、堿性和中性偏堿等三類。,1）酸性：多用于清洗氧化物、銹和腐蝕物； 2）堿性：含有表面活性劑，用于清除輕質(zhì)油污； 3）中性偏堿：可避

17、免酸堿對表面的損傷。,超聲清洗原理：,介質(zhì)液體在稀疏處受到拉力而形成大量瞬時的空隙氣泡，介質(zhì)液體在稠密處受到壓力使氣泡閉合，由于振動的頻率很高，壓密和拉疏過程在極快地變動，使得大量空隙氣泡在瞬間破碎，產(chǎn)生很強(qiáng)的爆破沖擊波，波譜為連續(xù)譜加上離散譜。這由小的內(nèi)向爆裂氣泡所產(chǎn)生的瞬時壓力可大到幾個大氣壓甚至幾十個大氣壓。在氣泡的破裂過程中，氣泡里面的氣體能夠被迅速加熱。正是利用這個巨大的瞬時壓力產(chǎn)生的強(qiáng)大沖擊力量以及氣泡瞬時閉合所產(chǎn)生的局部高溫作用，破壞工件表面的油膜等污染物，使之脫離表面被沖落到清洗溶液中，從而使工件表面達(dá)到凈化。,特點：聲波本身能進(jìn)入復(fù)雜構(gòu)造異形孔道，所以超聲波清洗可以清除復(fù)雜有

18、孔零件內(nèi)部的污染物，這是一般清洗方法所無法實現(xiàn)的。,清洗液選擇：根據(jù)污染物種類的不同，選擇純水、有機(jī)溶劑清洗液或無機(jī)酸性，堿性和中性清洗液作為清洗介質(zhì)。為了強(qiáng)化清洗效果，有時還在清洗液中加入金剛砂研磨劑。清洗液可按以下原則選?。罕砻鎻埩π?，對聲波的衰減小，對油脂的溶解能力大，無毒、無害物質(zhì)。,超聲波清洗設(shè)備 ：超聲波發(fā)生器（儀） 換能器（超聲振子） 清洗槽,1）超聲波發(fā)生器 ：將220V或380V的交流電轉(zhuǎn)換成超聲頻的電振蕩信號，其核心部件為振蕩器,2）超聲換能器：將超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲頻電振蕩信號轉(zhuǎn)換為超聲頻機(jī)械振動，它是超聲清洗設(shè)備的關(guān)鍵部件。,3）清洗槽：超聲清洗是在盛有清洗液的不銹鋼槽中進(jìn)行的,清洗槽底部或側(cè)壁裝有換能器。,3 超聲波頻率,工作頻率的選擇會直接影響到清洗效果。從超聲清洗機(jī)理而言，所選擇的頻率要有利于氣泡的產(chǎn)生、發(fā)育和破滅，保證一定的空化效應(yīng)。 選擇的工作頻率過高，則不利于絕大多數(shù)氣泡的形成發(fā)育，氣泡不破滅或雖破滅但產(chǎn)生的沖擊波太?。蝗绻ぷ黝l率選的過低時，雖然低頻產(chǎn)生的氣泡及沖擊波大，但是噪聲也大，對工作環(huán)境