真空技術(shù)-2.ppt

1、真 空 技 術(shù),主講人: 萬 星 均 2009.1.20,Vacuum Technique,目 錄,一：什么是真空 二：真空的分類 三：真空的獲得 四：蒸發(fā)鍍膜技術(shù),什 么 是 真 空,字面上理解：沒有任何東西存在的空間 其實(shí)絕對真空是不存在的：習(xí)慣上說的空瓶，其實(shí)每立方米含有2.69*1019個氣體分子 宇宙環(huán)境中也存在太空粒子、星光等 真正的定義：就是給定的空間內(nèi)，氣體分子密度低于該地區(qū)一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時氣體分子密度狀態(tài)；簡單說是指低于一個大氣壓的氣體空間 在工程應(yīng)用上，真空指低于該地區(qū)大氣壓的稀薄氣體狀態(tài),大氣壓強(qiáng),如右圖的裝置 大氣壓強(qiáng)可由下式算出 大氣壓是如何產(chǎn)生的 大氣是由大量的氣體

2、分子組成的， 分子總是不停地作不規(guī)則運(yùn)動。溫度高， 分子運(yùn)動就激烈。氣體分子與容器壁產(chǎn)生 。單位體積氣體分子越多，溫度越高， 用力越大,760mm,760mm,大氣壓力,真空度的單位,真空度是指處于真空狀態(tài)下氣體的稀薄程度 真空度一般用壓強(qiáng)這個物理量來表征真空度高低 壓強(qiáng)與真空度的物理意義： 真空度高意味著壓強(qiáng)低；反之，壓強(qiáng)高表示真空度低 真空技術(shù)最常用的真空度單位是毫米汞柱和托 不考慮細(xì)微的差別：,1969年，國際計(jì)量委員會建議，推廣一種更合理單位叫“帕斯卡”(Pascal),簡稱“帕”,真空區(qū)域的劃分,為了研究真空和實(shí)際應(yīng)用方便，常把真空劃分為粗真空、低真空、高真空和超高真空，甚至是有極高

3、真空，最后的真空級別存在測量問題。隨著真空度的提高，真空的性質(zhì)將逐漸變化,真 空 的 分 類,粗真空,76010托 物理特點(diǎn)：1:氣體分子間的碰撞 2:粘滯流 主要真空規(guī)： U型壓力計(jì) 主要真空泵：機(jī)械泵，各種粗真空泵 主要應(yīng)用：真空濃縮、脫色、脫臭；真空成形；真空輸運(yùn) 在此真空區(qū)間，使用真空技術(shù)的主要目的是為了獲得壓力差，而不要改變空間的性質(zhì),低真空,壓力范圍：（1010-3托） 物理特點(diǎn)：它是粗真空到高真空的過渡，氣體分子之間碰撞為主向氣體與器壁的碰撞為主過渡 主要真空規(guī)：麥?zhǔn)嫌?jì)，熱阻真空規(guī) 主要真空泵：機(jī)械泵 主要應(yīng)用：真空蒸餾，真空干燥，冷凍干燥，真空浸漬 在此真空區(qū)間氣體的流動從粘滯

4、流過渡到分子狀態(tài)，分子動力學(xué)性質(zhì)明顯，對流完全消失,高真空,壓強(qiáng)范圍（10-310-8托） 特點(diǎn)：1:氣體分子與器壁的碰撞為主 2:分子流 真空規(guī)：B-A型熱陰極電離規(guī) 陰極電離規(guī) 主要真空泵：擴(kuò)散泵；渦輪分子泵 主要應(yīng)用：各種真空冶金，熱處理，真空電子束焊，半導(dǎo)體材料區(qū)域熔煉，電真空器件，原子能加速器，真空鍍膜 在這種狀態(tài)下，氣體的熱傳導(dǎo)和內(nèi)摩擦已與壓強(qiáng)無關(guān),超高真空,壓強(qiáng)范圍（10-810-12托） 物理特點(diǎn)：1:氣體分子在固體上吸附停留為主 2:表面物理化學(xué)為決定無力本質(zhì)的基本規(guī)律 主要真空規(guī)：各種改進(jìn)型的熱阻極電離規(guī)，磁控規(guī) 主要真空泵：加阱擴(kuò)散泵;各種吸氣劑離子泵 主要應(yīng)用：各種真空

5、冶金，熱處理，真空電子束焊，真空鍍膜，薄膜和表面物理，表面化學(xué)，熱核反應(yīng)和等離子體物理，超導(dǎo)技術(shù)，宇宙航行 在這種狀態(tài)下，氣體的熱傳導(dǎo)和內(nèi)摩擦已與壓強(qiáng)無關(guān),極高真空,壓強(qiáng)范圍（10-12托）獲得和測量存在問題 由于氣體密度較小，統(tǒng)計(jì)漲落大于5% 主要真空規(guī)：冷或熱陰極磁控規(guī) 主要真空泵：低溫冷凝泵，擴(kuò)散泵家生化阱 主要應(yīng)用：宇宙航行,真 空 的 獲 得,真 空的獲得,真空系統(tǒng)：真空腔；真空泵；真空計(jì)以及管道、閥門和其他附屬設(shè)備 能使壓力從一個大氣壓力開始變小，進(jìn)行排氣的泵前級泵 只能從較低壓力抽到更低壓力，這些真空泵次級泵 真空泵的兩個重要指標(biāo) 1極限壓強(qiáng) 2抽氣速率 達(dá)到真空度的計(jì)算方程,機(jī)

6、械泵,機(jī)械泵結(jié)構(gòu)主要由定子、旋片和轉(zhuǎn)子組成 這些部件全部浸在機(jī)械泵油中，轉(zhuǎn)子偏心地置于定子泵內(nèi) 旋片把泵腔分為三個部分：進(jìn)氣口到旋片的吸氣空間；兩旋片同泵壁分隔出膨脹壓縮空間；排氣閥和旋片分隔的排氣空間 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，不停吸氣、壓縮和排氣，從而獲得真空,機(jī)械泵的結(jié)構(gòu),旋片每旋轉(zhuǎn)一周，帶抽空間的壓強(qiáng)P1降低到,經(jīng)過n個循環(huán)后,可以看出，泵室大而被抽容積小，即V/V越大，獲得Pn所需時間才越短；n越大Pn越小。 雙級泵是由兩個轉(zhuǎn)子串聯(lián)構(gòu)成，以一個轉(zhuǎn)子空間的出氣口作為另一個轉(zhuǎn)子空間的進(jìn)氣口。這樣可使極限壓強(qiáng)降得更低,擴(kuò)散泵,擴(kuò)散泵是利用被抽氣體向蒸氣流擴(kuò)散的現(xiàn)象來實(shí)現(xiàn)排氣 當(dāng)擴(kuò)散泵油被加熱后產(chǎn)生大量的有

7、蒸氣，油蒸氣沿著蒸氣導(dǎo)管傳輸?shù)缴喜?，?jīng)傘形噴口向外噴射出來 噴射流速度高，分壓強(qiáng)低于擴(kuò)散泵進(jìn)氣口上方被抽氣體的分壓強(qiáng)，兩者形成壓強(qiáng)差 高速蒸氣帶走被抽氣體到出氣口，由機(jī)械泵抽走；而油蒸氣被冷凝成液體，流回泵底再重新被加熱成蒸氣 這樣形成一個循環(huán),進(jìn)氣口,出氣口,擴(kuò)散泵的結(jié)構(gòu)及工作原理,擴(kuò)散泵的極限壓強(qiáng)為,其中，PL為前級真空泵壓強(qiáng)；n是蒸氣分子密度；L是蒸氣流從泵的進(jìn)氣口到出氣口的擴(kuò)散長度，D為蒸氣氣體分子的擴(kuò)散系數(shù) 擴(kuò)散泵必須與機(jī)械泵配合使用才能組成高真空系統(tǒng)，單獨(dú)使用擴(kuò)散泵是沒有用的 油蒸氣向真空室擴(kuò)散會造成膜層污染，因此在進(jìn)氣口安裝水冷擋板或液氮冷阱，返油率可大大降低,真 空 蒸 發(fā) 鍍

8、 膜 技 術(shù),真空蒸發(fā)鍍膜法,真空蒸發(fā)鍍膜法是在真空室中，加熱蒸發(fā)容器中待形成薄膜的原材料，使其原子或分子從表面逸出，形成蒸氣流，入射到基片表面，凝結(jié)形成固態(tài)薄膜的方法 分三部分：真空室；蒸發(fā)源；基片,真空蒸發(fā)鍍膜原理,真空蒸發(fā)的特點(diǎn)與蒸發(fā)過程,特點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡單、操作容易；制成的薄膜純度高、質(zhì)量好，厚度可較準(zhǔn)確控制；成膜速率快、效率高；薄膜生長機(jī)理比較單純 缺點(diǎn)：不容易獲得結(jié)晶結(jié)構(gòu)的薄膜，所形成薄膜在基板上的附著力較小，工藝重復(fù)性不夠好,真空蒸發(fā)鍍膜的三個基本過程,加熱蒸發(fā)過程 氣化原子或分子在蒸發(fā)源與基片之間的輸運(yùn) 蒸發(fā)原子或分子在基片表面上的淀積過程 飽和蒸氣壓,在一定溫度下，真空室

9、內(nèi)蒸發(fā)物質(zhì)的蒸氣與固體或液體平衡過程中所表現(xiàn)出的壓力稱為飽和蒸氣壓 飽和蒸氣壓個具體物質(zhì)及環(huán)境溫度有密切關(guān)系,飽和蒸氣壓與溫度之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式,Hv為摩爾氣化熱；Vg、VS分別是氣相和固相或液相的摩爾體積；T為絕對溫度,可簡化為:,可寫成:,飽和蒸氣壓的自然對數(shù)與1/T的關(guān)系是一條直線,飽和蒸氣壓隨溫度升高而迅速增加,一般能到達(dá)正常蒸發(fā)速率所需的溫度 在真空條件下物質(zhì)的蒸發(fā)要比常壓下容易得多，所需蒸發(fā)溫度大大降低，蒸發(fā)過程大大縮短，蒸發(fā)速率顯著提高 蒸發(fā)速率,最大蒸發(fā)速率,蒸發(fā)分子的平均自由程與碰撞幾率,氣體分子對基板表面的粘附系數(shù)，決定于殘余氣體分子與基板表面性質(zhì)以及基板溫度,要獲得高純度的

10、薄膜，就必須要求殘余氣體的壓強(qiáng)應(yīng)非常低,蒸發(fā)分子的平均自由程，表示為,為受殘余氣體碰撞的數(shù)目,為了薄膜質(zhì)量，一般要求90%沒有發(fā)生碰撞,蒸發(fā)源的蒸發(fā)特性及膜厚分布,基板上不同蒸發(fā)位置的膜厚取決于蒸發(fā)源的蒸發(fā)特性、基板和蒸發(fā)源的幾何形狀、相對位置以及蒸發(fā)物質(zhì)的蒸發(fā)量,點(diǎn)蒸發(fā)源,通常將各個方向蒸發(fā)等量材料的微小球狀蒸發(fā)源稱為點(diǎn)蒸發(fā)源,某一立體角內(nèi)蒸發(fā)材料總量為,由圖可知,則有,所以到達(dá)dS2上的蒸發(fā)材料,如果薄膜密度為，厚度為t,dS2,dS1,x,h,dw,點(diǎn)蒸發(fā)源的發(fā)射特性,球曲面基板上的膜厚分布,當(dāng)蒸發(fā)面積較大時，為了獲得鍍層膜厚有較好的均勻性，除了選擇合適的蒸發(fā)源以及采用旋轉(zhuǎn)基板架外，還可使用基板處于球面分布狀態(tài),蒸發(fā)源與基板的相對位置配置,源置于球體中心,金屬材料蒸發(fā)方式,1 電阻蒸發(fā)源 2電子束蒸發(fā)源 3高頻感應(yīng)蒸發(fā)源,化合物材料蒸發(fā)方式,1 合金的蒸發(fā) （1）瞬時蒸發(fā)法 （2）雙源或多源蒸發(fā)法,化合物的蒸發(fā),化