真空技术第一堂课

极限真空Pu（Pa）：真空系统所能达到的最高真空，决定镀 膜的质量； 抽气速率S（L/S）：规定压强下单位时间所抽出的气体的体 积，决定抽真空需要的时间。 真空系统所能达到的真空度由方程决定：
Q V dPi P Pu S S dt
式中，Pi为被抽空间气体的分压强，Q为真空室的各种放 气源的气体流量，V为真空室的体积，t为时间。
39
吸气 吸气
吸气截止
压缩
排气
40
41
42
对机械泵油的基本要求：������ 1.饱和蒸汽压低。不容易挥发。������ 2.有一定的润滑性和粘度。润滑和油封性能好。 3.稳定性高。耐高温，不易氧化变质。 4. 定期检查油面，补充泵油。
43
空气中水蒸汽的处理
气镇阀
44
1.3.2 油扩散泵
麦克斯韦速度分布曲线
16
用麦克斯韦速度分布函数求平均值 平均速度

va
0
v vf (v)dv
0
m 4 2kT
8kT m
3/ 2
2 mv 3 v exp 2kT dv
va v
17
方均根速度
vr
v
2
式中1/π是由于归一化条件，即位于2π立体角中的几率为1而出现 的。
27
余弦散射律的意义：
固体表面会将分子原有的方向性彻底消除，均满足余弦 定律；散射的本质是一个再发射过程，分子在固体表面要停 留一定时间，使之与固体进行能量交换。
28
作业：


试举出工业上利用真空技术的5个例子。 试从荧光灯的发光原理出发，解释荧光 灯管为什么要抽真空？ 估算标准状态下空气分子的平均自由程。 （空气分子的平均直径等相关参数请 查阅有关文献。）

4.不同真空状态下的真空工艺技术
• 随着气态空间中气体分子密度的减小，气 体的物理性质发生明显变化，人们基于这 种变化，在不同的真空状态下应用各种不 同的工艺方法，达到各种不同的生产目的。
一、低真空（105~102） • 气体性质：只有气体分子数目变化，而无气 体分子空间特性变化。 • 利用真空与大气的压力差产生的力及压力差 均匀的原理实现真空的力学应用。 • 应用
真空技术讲座一
绪论
目录
• • • • • • 什么是真空 真空的表征及真空区域划分 真空发展历史简述 主要的真空工艺技术 真空技术应用 真空技术的研究内容
1.Why is vacuum？
• 物理真空： 物理真空： 没有或者不计气体分子和原子存在的物理 空间，仅存在各种能量粒子的常空间
本指没有任何实物粒子存在的空间，但什么都 没有的空间是不存在的。而假设你把一个空间的气 体都赶跑，会发现还是不时有基本粒子在真空中出 现又消失，无中生有。物理上的真空实际上是一片 不停波动的能量之海。当能量达到波峰，能量转化 为一对对正反基本粒子，当能量达到波谷，一对对 正反基本粒子又相互湮灭，转化为能量。
• 20世纪50~70年代：真空技术高速发展期。
（1）真空进入“超洁净时期”压力范围10-12~10-13Pa （2）真空容积达到数万立方米 （3）低温泵抽速达到1000万L/S
• 真空技术研究内涵的扩展
根据国际真空科学技术与应用协会（IUVSTA）美国真 空学会划分，现代真空技术分成8个学科分支 真空技术 电子材料和加工工艺 真空冶金 等离子体科学与技术 薄膜科学与技术 表面科学 应用表面科学 纳米科学与技术
真空泵组抽掉密闭容器的气体。 只能达到10-12~10-13Pa，远未达到 绝对真空

在真空技术中，压强所采用的法定计量单位是帕斯卡 （Pascal），系千克米秒制单位，简称帕(Pa), 是目前国
真空特点




1. 与大气有压差。压强低于一个大气压，故需要一个“真 空”容器，即真空设备。该容器在地球上就需要承受一个 大气压力的作用，压力的大小则看容器内外压差。内部为 真空环境的容器，可以认为压差为1个大气压。所以该容 器必需承受大于1个大气压力的作用。 如需获取真空条件，必须研制设计生产真空设备，需 要进行真空获取、测量、气体成分分析，如何有效设计、 防漏、检漏等。 2.分子数密度低。在“真空”下，由于气体稀薄，即单位 体积内的分子数目较少，故分子之间或分子与其它粒子， 如电子、离子之间的碰撞就不那么频繁，明显减少， 分子主要碰撞表面，如容器表面四壁、内部装置的次 数也相对减少。这是真空的最主要的特点。正是如此，各 种真空设备正是利用它进行工作。

蒸 汽 的 临 界 温 度 气 体 的 临 界 温 度

室温



实用上的室温（15~25°C）为准，凡临 界温度高于室温的气体称为蒸汽；低于室 温的则为“永久气体”或“气体”。 如此，则室温下，蒸汽是随时可液化的， 而气体则不能。氮、氢、氩、氧和空气的 临界温度远低于室温，所以在常温下它们 是“气体”。二氧化碳的临界温度与室温 接近，极易液化。 蒸汽是不能满足理想气体方程的，如将容 器体积缩小，则有一部分蒸汽转化成液态， 其压强未增。 以上关于理想气体的概念，只适用于 “永久气体”，不适用于蒸汽。“永久气 体”与蒸汽的区别，在于其所处温度是在 临界温度以上或以下。 对一定的物质，饱和蒸汽压的大小只取决 于温度。 温度越高,蒸汽压越大.
真空技术的应用

三种PVD方法对比
项目 粒子能量
沉积速度 μm/mim 附着性 绕射性
真空蒸镀
0.1～1ev 0.1～75
一般 不好
阴极溅射
1～10ev 0.01～0.5
相当好 好
离子镀
数百～数千ev 0.1～50
非常好 好
第19页/共46页
真空材料及部件的清洗
清洗的基本程序
1 污染物的确定 2 清洗方法的确定 3 清洗溶剂的选择 4 清洗程序及注意事项
第4页/共46页
旋片机械泵(Rotary Pump)
工作压力：1atm； 极限压力：10-2Pa
单级旋片泵结构
旋片泵工作原理
直联：转速快（1400r/min），效率高，噪音小。
间接联接(通过皮带或齿轮第传5动页/)共：46唯页一优点就是价格便宜。
罗 茨 泵（增压泵）
工作压力： 1atm ； 极限压力：10-3Pa
气体冲洗(氮气)
氮气在材料表面吸附时，由于吸附热小，因而吸留表面 时间极短。即便吸附在器壁上，也很容易被抽走。
优点：缩短系统的抽气时间。如真空室先充氮气后充入 大气，(可缩短近一半抽气时间)。或镀工件前用氮气喷一下 ．
EBS的Jig刷洗后，甩干时用的是N2保护气。 MR3镀膜前用N2冲刷第。25页/共46页
放电时的气体压力可在1~10Pa之间 ，放电电压在 500 ~ 5000V (加入10%的氧气使某些碳氢化合物氧化生成易挥发性气 体而容易被真空系统排除。)
第27页/共46页
谢 谢！
第28页/共46页
溅射机理：溅射完全是动能的交换过程
级联碰撞：入射离子→靶面原子，产生弹性碰撞，动 能→靶面原子→靶内部原子→经过一系列的碰撞过程

某些真空泵系列对其抽气速率则以几何级数来分档。其单位是 “L/S”。共分18个等级，分别为0.2，0.5，1，2，4，8，15，30， 70，150，300，600，1200，2500，5000，10000，20000，40000。 真空泵系列有时也可用泵的入口尺寸来表示，其单位是“mm”。
例：2X一70 表示双级旋片式真空泵,抽气速率为70L／S。
利用真空与大气之间的压力差所产生的力可实现真空在下述 方面的力学应用。
具体应用： 1. 真空吸引和输运固体、液体、胶体和微粒； 2. 真空吸盘起重、真空医疗器械； 3. 真空成型，复制浮雕； 4. 真空过滤； 5. 真空浸渍。
中真空 1.33×102 ~1.33×10-1（Pa）
气体分子间，分子与器壁间的相互碰撞不相上下，气体分子 密度较小 。
1. 真空的含义及表征
1.1大气与真空 1.2真空度的表征及单位 1.3真空区域的划分
2. 真空的获得
2.1 真空获得设备 旋片泵 定片式真空泵 往复泵 罗茨泵 水环真空泵 分子泵 滑阀式真空泵 油扩散泵
2.2 真空泵的选型
第一章 真空技术的基本知识
3. 真空测量及其设备
3.1 什么是真空测量
高的压强；
1.3 真空区域的划分
划分依据：真空在技术上的应用特点、真空的物理特性、 真空获得设备和真空检测仪表的有效适用范围 （GB3163）
低真空 1.33×105 ~1.33×102（Pa）
低真空这种气体状态与常压状态相比较，只有分子数目由多 变少的变化，而无气体分子空间特性的变化,分子相互间碰撞频 繁。
2. 真空的获得
分子密度减小 分子数减少
抽走 化学反应
吸附 结晶 容积扩大
2.1 真 空 获 得 设 备

比较：
种类 电容真空计 测量范围 10-3～ 103Pa 特点 灵敏度高、气体的介电常数不变、压力 读数完全不受气体成分影响、反应速度 快 整个线性误差允许范围是正负百分之３ ０，其中１０００Ｐa------1Pa这一段 线性最好，也就是从中真空段到低真空 段部分． 精度不高，但是电路简单,价格低廉。 应用于高真空至超高真空领域,定量性能 优异。通常与热偶规同时使用 注意 使用前一般需要预热数小时。 必须在高于环境温度的恒温条件下使用。
变容积 式泵
气体动 力式
涡轮分 子泵
分子牵 引
10-8 Pa
与旋片机械泵串 联使用，需要机械 泵抽预真空(1Pa)； 无油污染
。
价格昂贵。
离子泵
冷泵
欲除之气体不排除 大气，而是通过物 理或化学的方式永 久或暂时吸附在系 统中
物理吸 收作用
10-8 Pa
需要机械泵抽预真 价格较贵；高温时， 空(10-1pa)；无油 被吸附的气体又释 放出来。 高真空，无振动， 抽速快。
• 超高真空可以提供一个“原子清洁”的固体表面，可 有足够的时间对表面进行实验研究。这是一项重大的 技术突破，它导致了近二十年来新兴表面科学研究的 蓬勃发展。无论在表面结构、表面组分及表面能态等 基本研方面，还是在催化，腐蚀等应用研究都取得了 发展。
真空的获得
气体流动及导率
气体传导率
–串联的气体传导率：1/C = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3 + … –并联的气体传导率：C = C1 + C1 + C3 + …
11
压力范围和真空泵
真空度可分为：
气流种类 真空状态 初真空： 10 Pa~105 Pa 真空压力 10 Pa~105 Pa 特性分析 气体分子间因黏滯 力作用，气体运动 有方向性，此方向 与抽气方向相同 真空度在10-6Torr 以内时，水汽占 70%-90% 应用范围

薄膜物理与技术-1真空技术基础 ppt课件
目录
• 真空技术基础 • 真空获得技术 • 真空测量技术 • 真空镀膜技术 • 薄膜性能检测技术
01 真空技术基础
真空定义与特性
真空定义
真空是指在给定的空间内，气体压力 低于一个大气压的状态。在真空技术 中，通常使用托斯卡或帕斯卡作为压 力单位。
真空特性
而实现气体的压缩和排除。
分子泵特性
抽气速率高、工作压力范围广、无 油污染、维护简单等。
分子泵分类
直联型分子泵、侧流型分子泵、复 合型分子泵等。
扩散泵抽气原理与特性
扩散泵抽气原理
利用加热的吸气剂将气体分子吸 进吸气剂表面，再通过扩散作用 将气体分子从吸气剂表面传递到 泵的出口，从而实现气体的排除。
扩散泵特性
真空技术的分类与应用
真空技术的分类
根据应用需求，真空技术可分为真空镀膜、真空热处理、真空电子器件制造等。
真空技术的应用
真空技术在科学研究、工业生产、航空航天、电子工业等领域有广泛应用，如 电子显微镜、太阳能电池、平板显示器的制造等。
02 真空获得技术
机械泵抽气原理与特性
机械泵抽气原理
机械泵分类
真空具有低气体压力的特性，这使得 物质在真空中表现出不同的物理和化 学性质。例如，气体分子间的碰撞减 少，气体分子的平均自由程增加。
真空的度量与单位
真空度
真空度是指真空空间内的气体压 力，通常用压力范围来表示，如 低真空、中真空、高真空和超高 真空。
真空单位
常用的真空单位有帕斯卡（Pa）、 托斯卡（Torr）和巴（bar）。1 Torr = 133.322368 Pascal。
利用高速旋转的叶轮将气体吸入，通 过压缩和排出来实现气体压缩和排除。

式中：n — 分子密度 (个/m3)； k — 玻尔兹曼常数，1.38×10-23 J/K；
P — 气体压强 (Pa)；
T — 气体温度 (K)；
V — 气体体积 (m3)；
m — 气体质量 (kg)；
M — 气体分子量 (kg/mol)； R — 普适气体常数，R = NA·k = 8.314 J/mol·K； NA — Avogadro常数，6.02×1023 个/mol；
1.333×10-3
(1.013×105/760) (1.013/760)
atm
1.316×10-3
(1/760)
PSI 1.9337×10-2
7.501×10-3
(760/1.013×105)
7.501×102
105
10-5
9.869×10-6 1.4504×10-4
(1/1.013×105)
9.869×10-1 1.4504×101
P nkT n P Avogadro定律：
kT
一定温度、压力下，各种气体单位体积内含有的分子数相同。
4）气体分子的自由程（）：每个气体分子在与其它气体分子连续2次碰撞之间运动经历的路程。
平均自由程（ ）：气体分子自由程的统计平均值。
1 kT 2π 2n 2π 2P
表明：
1） 与P成反比，而与 T 成正比；
国际单位制（MKS制，即SI制） 1 Pa＝1 N / m2
主要单位制
厘米克秒制（CGS 制） 1 bar＝106
英制（FPS制） 1
PSI ＝1
lbf
/ in
2
dyne/cm 2
毫末汞柱制（mmHg 制）1 torr＝1 mmHg ＝1/ 760 atm

1.2 稀薄气体的基本性质
☞ 稀薄气体的参数
Degree of Vacuum Atmospheric Low Medium High UltraHigh Pressure (Torr) 760 1 10-3 10-6 10-10 Gas Density, ρ (molecules m-3 ) 2 x 1025 3 x 1022 3 x 1019 3 x 1016 3 x 1012 Mean Free Path (m) 7 x 10-8 5 x 10-5 5 x 10-2 50 5 x 105 Time / ML, tML (s) 10-9 10-6 10-3 1 104
P nkT
赫兹－克努曾公式
va 8kT 8RT m M

P 2m kT
P
稀薄气体的基本性质
气体分子密度
P n 7.2 10 (m -3 ) T
22
标准状态： P = 105Pa，n = 2.461019分子/cm3
P = 1.3 10-8Pa，n = 3.24105分子/cm3
气体吸附：
气体吸附就是固体表面俘获气体分子的现象。 分为物理吸附和化学吸附。 物理吸附靠分子间的相互吸引引起的，任何气体在固体 表面均会发生，吸附后容易脱附。 化学吸附在较高温度下发生，只有当气体与固体表面原 子接触生成化合物时才能产生吸附作用，气体不易脱附。
气体脱附
是气体吸附的逆过程。
影响因素：气体的压强、固体的温度、固体表面吸附气体的
第一章 真空技术基础
真空的基本知识 稀薄气体的基本性质
真空的获得
真空的测量
1.1 真空的 基本知识
1643年，意大利物理学家托里折利演示了著 名的大气压实验，揭示了“真空”这一物理状态。 为了使被研究的样品不被周围气氛所污染， 获取“原子清洁”的表面，薄膜制备和衬底表面形

真空系统
真空系统概念
• 真空系统是由真空泵、真空计、真空阀门、冷阱及真空 管道等组合而成的，是具有所需抽气功能的装置。
真空系统
真空系统应满足下列基本要求：
• 1、应能达到一定的极限真空和工作真空。 极限真空是指系统无漏气时所能达到的最低压强，它是 真空系统的一个重要性能指标。一般说来，极限压强越 低的真空系统越好。工作真空是进行某种工艺过程时所 能维持的真空。在工艺处理过程中，往往要放出大量的 气体，因此工作真空低于系统的极限真空。
真空系统
真空系统应满足下列基本要求：
• 2、有较大的有效抽速 • 3、具有适宜的气氛 • 4、此外，真空系统还要求结构简单、牢靠、操作维修方 便、价格便宜等。
真空系统
真空系统的材料
• 真空系统所用的材料，大致可分为结构材料和辅助材料 两类。结构材料是构成真空系统主体的材料，它将真空 与大气隔开，承受着大气的压力，一般是金属和玻璃。 辅助材料通常是指弹性体、绝缘体和真空油脂等。
真空系统
真空阀门
• 真空阀门是一种用来改变气流方向或控制流量大小的部 件，在真空系统中起着重要作用。
真空系统
真空阱
• 真空阱可分为机械阱、吸附阱和液氮冷阱，在低真空、 高真空系统中都可应用。在低真空系统中主要用来阻挡 和吸附来自机械泵的油蒸汽，防止油蒸汽污染真空系统； 在高真空和超高真空系统常将真空阱置于扩散泵入口的 上方用来吸附和阻挡扩散泵的油蒸汽返流到真空容器， 同时也吸附真空系统中的水和其它物质的蒸汽，以获得 所需要的清洁真空。冷阱是利用低温壁来捕集油蒸汽和 其它蒸汽，其效果取决于冷阱结构和冷剂的温度，温度 越低效果越好。
真空系统
操作注意事项
• 操作中需要尽可能避免或减少油蒸汽的污染，使真空系 统经常处于清洁、良好的状态，严格操作规程，防止故 障发生。 • （1）泵工作液的选择 • （2）设计机构的考虑 • （3）定期维护吸附阱 • （4）控制预抽压强减少机械泵油蒸汽的返流 • （5）气体净化 • （6）供给冷阱液时呀把气阀打开，放出温度较高的气体 以防冷阱温升，释放出已吸附的蒸汽物质。 • （7）定期检查机械泵油的油位，防止油量不足而降低泵 的性能 。 • （8）停机后要对机械泵放气，防止回油。