1、第二章 薄膜的沉積技術2.1 真空技術基礎 2.2 物理氣相鍍膜：蒸發2.3 物理氣相鍍膜：濺射2.4 化學氣相沉積2.5 化學溶液沉積2.6 膜厚的測量與監控技術淀積法氣相法液相法化學鍍、電鍍、Sol-Gel、MOD、液相外延、水熱法、噴霧熱解、噴霧水解、LB膜及自組裝PVDCVD常壓CVD、低壓CVD、金屬有機物CVD、等離子體CVD、光CVD、熱絲CVD真空蒸發 Evaperation濺射 Sputtering離子鍍 Ion plating薄膜制備方法的分類 CH2-1 真空技術基礎Fundamentals of Vacuum Techniques真空的基本知識稀薄氣體的基本性質真空的獲

2、得真空的測量與檢測真空部件及真空系統真空與薄膜材料與技術有何關系？ 幾乎所有的現代薄膜材料制備都需要在真空或較低的氣壓條件下進行 都涉及真空下氣相的產生、輸運和反應過程 了解真空的基本概念和知識，掌握真空的獲得和測量技術基礎知識 是了解薄膜材料制備技術的基礎！ CH2-1 真空技術基礎Fundamentals of Vacuum Techniques2.1.1 真空的基本知識1.初識真空：GAS and VACUUM Air, as a gas, is composed of molecules that you can imagine as round elastic balls. Mole

3、cules move in straight lines until they collide with neighboring molecules or the container wall. 2.1.1 真空的基本知識1.初識真空：氣體？蒸汽？It depends on whether it can be condensed in to liquid by increasing pressure.Exp.: At 200oC water is vapor, but at 500oC, water is gas.With low pressure, gas and vapor behave

4、the same with each other.對于每種氣體，都有一個特定溫度，即高于此溫度時，氣體無論怎樣都不會液化，稱為該氣體的臨界溫度。室溫高于臨界溫度的氣態物質稱為氣體，反之稱為蒸汽。2.1.1 真空的基本知識1.初識真空：為什么一定需要真空？a) To move a particle in a (straight) line over a large distance2.1.1 真空的基本知識1.初識真空：為什么一定需要真空？a) To move a particle in a (straight) line over a large distanceContamination(u

5、sually water)Clean surfaceAtmosphere(High)Vacuum b) To provide a clean surface2.1.1 真空的基本知識2.氣壓P = F / A=nMvrms2/3NA It comes from the striking of gas molecules on the walls. Partial Pressure PARTIAL PRESSURES OF GASES CORRESPOND TO THEIR RELATIVE VOLUMESGASSYMBOLPERCENT BYVOLUMEPARTIAL PRESSURETORR

6、PASCALNitrogenOxygenArgonCarbon DioxideNeonHeliumKryptonHydrogenXenonWaterN2O2ArCO2NeHeKrH2XeH2O78210.930.030.00180.00050.00010.000050.0000087Variable5931587.10.251.4 x 10-24.0 x 10-38.7 x 10-44.0 x 10-46.6 x 10-55 to 5079,00021,000940331.85.3 x 10-11.1 x 10-15.1 x 10-28.7 x 10-3665 to 6650THE ATMOS

7、PHERE IS A MIXTURE OF GASES2.1.1 真空的基本知識Pressures of gases2.1.1 真空的基本知識把各種固液體放入密閉的容器中，在任何溫度下都會蒸發，蒸發出來的氣壓稱為蒸汽壓。在一定溫度下，單位時間內蒸發出來的分子數與凝結在器壁和回到蒸發物質的分子數相等時的蒸汽壓稱為飽和蒸汽壓。這說明環境氣壓只有低于物質的飽和蒸汽壓，物質才會蒸發。因此，選擇真空室所用的材料時，應選擇飽和蒸汽壓低的材料，一般比要求達到的真空低兩個數量級。飽和蒸汽壓與溫度關系密切，隨溫度的升高，飽和蒸汽壓迅速增加。物質的蒸發溫度規定為飽和蒸汽壓=1.33Pa時的溫度。2.1.1 真空的

8、基本知識3.飽和蒸汽壓T (O C)100250-40-78.5-196P (mbar)1013326.40.136.6 x 10 -410 -24(BOILING)(FREEZING)(DRY ICE)(LIQUID NITROGEN)VAPOR PRESSURE OF WATER2.1.1 真空的基本知識3.飽和蒸汽壓Vapor Pressure of some Solids2.1.1 真空的基本知識3.飽和蒸汽壓2.1.1 真空的基本知識4.真空中學物理內容：1643年 托里切利 (Torricelli) 著名的大氣壓實驗 為人類首次揭示了 真空 這個物理狀態的存在！ 管內水銀柱上方空間

9、內，因已排除空氣的存在而形成真空 (托里切利真空) 圖中A、B、C三點壓力相等，A、C點：大氣壓；B點：水銀柱產生的壓力 換句話說：可用水銀柱產生的壓力 作為 大氣壓力 的量度! 把高度為760 mm的水銀柱所產生的壓力定義為1個大氣壓 (1 atm) 1 atm = 760 mmHg ！結果：得到了“真空”的定義和大氣壓的定義與量度依據！概念：利用外力將一定密閉空間內的氣體分子移走， 使該空間內的氣壓小于 1 個大氣壓， 則該空間內的氣體的物理狀態就被稱為真空。2.1.1 真空的基本知識4.真空概念：利用外力將一定密閉空間內的氣體分子移走， 使該空間內的氣壓小于 1 個大氣壓， 則該空間內的

10、氣體的物理狀態就被稱為真空。注意：真空，實際上指的是 一種低壓的、稀薄的氣體狀態， 而不是指“沒有任何物質存在”！因此，真空可分為現代真空技術的極限：每 cm3空間內僅有數百個氣體分子 對應氣壓 10-11 Pa思考題：常溫常壓下，每cm3空間內有多少個氣體分子？提示：可由Avogadro常數推算 (6.021023個/22.4103cm3 2.71019 個/cm3)2.1.1 真空的基本知識概念：利用外力將一定密閉空間內的氣體分子移走， 使該空間內的氣壓小于 1 個大氣壓， 則該空間內的氣體的物理狀態就被稱為真空。注意：真空，實際上指的是 一種低壓的、稀薄的氣體狀態， 而不是指“沒有任何物

11、質存在”！因此，真空可分為 特點：壓強(Pressure)低，分子稀薄，分子的平均自由程長。 電學特性輸運特性真空的性質由壓強、單位體積分子個數、氣體密度等表示4.真空5.真空度的單位 真空的實質：一種低壓氣體物理狀態 真空度采用氣體壓強表征 真空度的單位 = 氣體壓強的單位 注意：真空度和氣壓的意義相反 真空度 意味著 氣壓 主要單位制 換算基礎：1 N105 dyne0.225 lbf 1 atm760 mmHg（torr）1.013105 Pa1.013 bar2.1.1 真空的基本知識 不同真空度單位制間的換算關系：說明：1、mmHg是人類使用最早、最廣泛的壓強單位； 1958年為紀念

12、托里切利，用托（torr）代替了mmHg：1 torr1 mmHg 2、早期的真空度計量常以 torr 或 mbar 為單位； 目前隨著標準化進程的推進，SI（MKS）制單位應用日漸廣泛 真空度用 Pa 作單位torr/mmHgPabaratmPSI1 torr(1 mmHg)1.333102(1.013105/760)1.33310-3(1.013/760)1.31610-3(1/760)1.933710-21 Pa7.50110-3(760/1.013105)10-59.86910-6(1/1.013105)1.450410-41 bar7.5011021059.86910-11.4504

13、1011 atm760.01.0131051.0131.46961011 PSI51.71496.89481036.894810-26.804610-22.1.1 真空的基本知識6. 真空區域的劃分真空區域：指不同的真空度范圍； 劃分目的：為了研究真空和實際應用的便利； 劃分依據：按照各個壓強范圍內氣體運動特征的不同進行劃分； 劃分準則：理論上，可依據Knudsen數的不同進行劃分。相關物理：1）Knudsen數 定義： 物理意義：是描述稀薄氣體流動狀態的準數, 說明顆粒運動的無量綱參數！ 分子平均自由程大于流場特征尺寸時的氣流稱為Knudsen流，其 Kn 一般 10！2）真空系統中氣體運動

14、特征的理論劃分： 粘滯流（層流、Poiseuille流） 粘滯-分子流 分子流（自由分子流、Knudsen流） Kn 1 氣體分子的平均自由程 流場特征尺寸（如：管徑）2.1.1 真空的基本知識在20和1.0atm情況下，空氣分子的平均自由程約為65 nm6. 真空區域的劃分2.1.1 真空的基本知識3）真空區域的工程劃分：空氣在室溫下滿足 記憶方法：“52-168(159)”P (Pa)10510210-110-310-610-9 (m)6.66710-86.66710-56.66710-26.6676.6671036.667106尺度數十nm不到1 mcm量級若干米數 km幾千kmKn1氣

15、體分子流動特征粘滯流過渡段分子流氣體分子運動特點大氣狀態熱運動劇烈碰撞頻繁粘滯流分子流分子-分子與分子-器壁碰撞幾率相當器壁碰撞為主粒子直線飛行分子數更少分子間無碰撞器壁碰撞幾率也低真空區域工程劃分 粗真空 低真空 高真空 超高真空 極高 真空 粗真空 1105 to 1102 Pa 低真空 1102 to 110-1 Pa 高真空 110-1 to 110-6 Pa 超高真空 110-6 Pa氣態空間近似為大氣狀態，分子以熱運動為主，分子之間碰撞頻繁。氣體分子的流動從黏滯流狀態向分子狀態過渡，氣體對流現象消失，若在此情況下加熱金屬可以避免與氣體化合；若加電場會產生導電現象。容器中分子數很少，

16、分子平均自由程大于一般容器的線度，分子流動為分子流，分子與容器壁碰撞為主，在此真空下蒸發材料，粒子將按直線飛行。氣體分子數更少，幾乎不存在分子間碰撞，此時氣體分子在固體表面上是以吸附停留為主。2.1.1 真空的基本知識6. 真空區域的劃分 真空下，氣體在固體表面的吸附和脫附現象總是存在的！一、基本概念 氣體吸附：固體表面捕獲氣體分子的現象 氣體脫附：逆過程 氣體從固體表面釋出二、為什么需要關注（意義？）1）氣體在固體表面的吸附/脫附常常影響真空的實現和保持；2）吸附原理還被用來制作各種吸附泵來獲得高真空。三、吸附的主要機制： 物理吸附：分子間作用力引起、無選擇性、低溫有效、易脫附 化學吸附：僅

17、當氣固接觸生成化合物時發生、高溫有效、不易脫附四、可能的影響因素：P氣、T固、氣、表面光潔度、清潔度等，如：T固 易脫附！7. 氣體的吸附與脫附2.1.1 真空的基本知識小結（本節知識要點）：1、真空如何定義（概念）？如何表征？有哪些單位制？如何換算？2、為什么要劃分真空區域？其依據是什么？關鍵參數如何定義？3、工程上如何劃分真空區域？各個真空區域的氣體分子的物理運動特征如何？4、什么是吸附和脫附？為什么要關注？其主要機制和影響因素有哪些？2.1.1 真空的基本知識 理想氣體狀態方程： ，式中：n 分子密度 (個/m3)； k 玻爾茲曼常數，1.3810-23 J/K； P 氣體壓強 (Pa)

18、； T 氣體溫度 (K)； V 氣體體積 (m3)； m 氣體質量 (kg)； M 氣體分子量 (kg/mol)； R 普適氣體常數，R = NAk = 8.314 J/molK； NA Avogadro常數，6.021023 個/mol； Avogadro定律： 一定溫度、壓力下，各種氣體單位體積內含有的分子數相同。1. Ideal gas equation2.1.2 稀薄氣體的基本性質 低壓狀態下，可用理想氣體的狀態方程（波義爾定律、蓋呂薩克定律、查理定律）來描述，遵守麥克斯韋玻爾茲曼分布。2. 氣體分子的速度分布 在平衡狀態時，分布在任一速度區間vv+dv內，分子的幾率，滿足麥克斯韋-波

19、爾茲曼分布：麥克斯韋速度分布函數2.1.2 稀薄氣體的基本性質 2. 氣體分子的速度分布 2.1.2 稀薄氣體的基本性質 vf(T,M)2. 氣體分子的速度分布 2.1.2 稀薄氣體的基本性質 2. 氣體分子的速度分布 2.1.2 稀薄氣體的基本性質 1. 最可幾速率（速率極大值）2. 平均速率3. 均方根速率速度分布計算分子運動平均距離計算分子平均動能 氣體分子的自由程（）：每個氣體分子在與其它氣體分子連續2次碰撞之間運動經歷的路程。 平均自由程（ ）：氣體分子自由程的統計平均值。 式中： 分子直徑（m）；表明：1） 與P成反比，而與 T 成正比；2）在氣體種類和溫度一定的情況下： 2.1.

20、2 稀薄氣體的基本性質 3.氣體分子的自由程 25時P=10-4Pa時，P=10-3Pa時， 薄膜技術中最常用的真空度為10-4Pa，自由程大約是66米。即使再差， 10-3Pa，自由程大約是6.6米。 所以不需要考慮飛行中的薄膜材料和殘存氣體沖撞所產生的影響。2.1.2 稀薄氣體的基本性質 3.氣體分子的自由程 MOLECULAR DENSITY AND MEAN FREE PATH101325 Pa(atm)0.1 Pa1 x 10-7 Pa#/cm3MFP3 x 10 19(30 million trillion)4 x 10 13(40 trillion)4 x 10 7(40 mil

21、lion) 2.5 x 10-6 in6.4 x 10-5 mm2 inches5.1 cm31 miles50 km2.1.2 稀薄氣體的基本性質 3.氣體分子的自由程 入射情況入射頻率（入射通量或碰撞次數）：單位時間，在單位面積的器壁上發生碰撞的氣體分子數赫茲克努曾公式2.1.2 稀薄氣體的基本性質 4.碰撞次數與余弦散射率 氣體分子密度標準狀態：P = 105Pa，n = 2.461019分子/cm3P = 1.3 10-8Pa，n = 3.24105分子/cm32.1.2 稀薄氣體的基本性質 4.碰撞次數與余弦散射率20空氣中，固體表面形成單原子層所需時間，取氮氣：固體原子密度：單原子

22、層原子面密度：2.1.2 稀薄氣體的基本性質 4.碰撞次數與余弦散射率標準狀態下撞擊表面的氣體原子在表面形成單原子層所需要的時間：在P = 1.3 10-8Pa時，n = 3.24105分子/cm3，則氣體原子在表面形成單原子層所需要的時間：2.1.2 稀薄氣體的基本性質 4.碰撞次數與余弦散射率Degree of VacuumPressure (Torr)Gas Density, (molecules m-3 )Mean Free Path(m)Time / ML, tML (s)Atmospheric7602 x 10257 x 10-810-9Low13 x 10225 x 10-510

23、-6Medium10-33 x 10195 x 10-210-3High10-63 x 1016501UltraHigh10-103 x 10125 x 105104 稀薄氣體的參數Collision Free Conditions: P 10-6 TorrMaintain a Clean Surface:P 10-10 Torr2.1.2 稀薄氣體的基本性質 反射情況 碰撞于固體表面的分子，它們飛離固體表面的方向與原入射方向無關，并按與表面法線方向成角的余弦進行分布。 一個分子在離開其表面時，處于立體角d中的幾率為 理論與實驗研究證明了如下的余弦定律。2.1.2 稀薄氣體的基本性質 4.碰撞

24、次數與余弦散射率余弦定律（又稱克努曾定律），重要意義在于： 它揭示了固體表面對氣體分子作用的另一個方面，即分子原有的方向性徹底“消除”，均按余弦定律散射。 分子在固體表面上要停留一定的時間，這是氣體分子能夠與固體進行能量交換和動量交換的先決條件，這一點有重要意義。2.1.2 稀薄氣體的基本性質 4.碰撞次數與余弦散射率考慮自由程：薄膜技術中最常用的真空度為10-4Pa，自由程大約是66米。即使再差， 10-3Pa，自由程大約是6.6米。所以不需要考慮飛行中的薄膜材料和殘存氣體沖撞所產生的影響。 P=10-4Pa時，P=10-3Pa時，2.1.2 稀薄氣體的基本性質 5.真空度對薄膜質量的影響想

25、要得到高純度的薄膜，就必須盡量在較高真空度的環境下，或是在不會與薄膜材料產生反應的氬氣等的惰性氣體中進行。相反的，也有故意讓原料氣體和其它氣體發生反應而產生新的性質優良的材料的情形，這種稱為反應性濺鍍或是反應性蒸鍍。Viscous Flow(momentum transferbetween molecules)Molecular Flow(molecules moveindependently)2.1.2 稀薄氣體的基本性質 6.氣體的流動Mean Free PathCharacteristic DimensionViscous Flow:is less than 0.01Mean Free

26、PathCharacteristic DimensionMolecular Flow:is greater than 1Mean Free PathCharacteristic DimensionTransition Flow:is between 0.01 and 1Knudsen number2.1.2 稀薄氣體的基本性質 6.氣體的流動 真空的獲得：就是所謂的“抽真空”！ 利用各種真空泵把容器內的空氣抽出，使其內部壓強保持在 1 atm的特定壓強范圍！獲得真空的主要工具 各種真空泵（Pump）！2.1.3 真空的獲得典型的真空系統包括：真空室(Chamber)，真空泵(Vacuum Pu

27、mp), 控制系統(Control system)，真空計(Vacuum Gag)真空系統的兩個重要參數：極限真空（本底真空, Base pressure or Ultimate pressure），抽氣速率(Pumping speed) 真空泵的分類The pumps suck gas out of the system ？Vacuum PumpsTo create a vacuum it is necessary to move the molecules of gas out of the system. The molecules will move only if there is

28、a pressure difference between the two regions of the space. The low pressure region is the space with the smaller number of molecules, while the high pressure region is the space with the larger number of molecules.Any device which can induce a pressure difference between the two regions in the spac

29、e is called a pump. The pump which creates the vacuum in the certain system is called a vacuum pump. Atmosphere2.1.3 真空的獲得 真空泵的分類及常用工作壓強范圍說明：從大氣壓力開始抽氣，沒有一種真空泵可以涵蓋從1 atm到10-8 Pa的工作范圍 真空泵往往需要多種泵組合構成復合抽氣系統 實現以更高的抽氣效率達到所需的高真空！氣體輸運泵旋片式機械泵（Rotary Pump）單級：1051 Pa 雙級：10510-2 Pa羅茨泵（Booster Pump / Roots Pump）

30、10310-1 Pa 油擴散泵（Diffusion Pump）110-6 Pa 渦輪分子泵（Turbomolecular Pump）110-8 Pa 。氣體捕獲泵濺射離子泵（Ion Pump）10-310-11 Pa 鈦升華泵（Titanium Sublimation Pump）10-310-11 Pa 低溫冷凝泵（Cyro Pump）10-410-11 Pa 吸附泵（Sorption Pump）10210-3 Pa 。2.1.3 真空的獲得真空度與真空泵 真空泵的極限壓力 低真空 旋片式機械泵 低溫吸附泵 高真空 擴散泵 渦輪分子泵 超高真空 渦輪分子泵 離子泵 Ti升華泵 有油 / 無油

31、有油 旋片式機械泵 擴散泵 渦輪分子泵 無油 無油機械泵 低溫吸附泵 渦輪分子泵 離子泵 Ti升華泵2.1.3 真空的獲得泵組合從圖表中可以看出，沒有一種泵能直接從大氣一直工作到超高真空。因此常常將幾種泵組合使用，實現預定真空。例如： 油封機械泵油擴散泵10-610-8Pa 吸附泵濺射離子泵鈦升華泵10-610-9Pa 機械泵復合分子泵獲得超高真空前級泵次級泵2.1.3 真空的獲得1.旋片式機械泵（Rotary Pump）（a）外觀（b）內部結構（c）工作原理1、擴張（吸氣）2、容積最大3、壓縮4、排氣機 械 泵：利用機械運動部件轉動或滑動形成的輸運作用獲得真空的泵。分 類：旋片式（最常見）、

32、定片式、滑閥式運轉模式：吸氣 壓縮 排氣 （不斷循環）基本特點：需加真空油（密封用）；可從大氣壓開始工作； 真空度要求低 可單獨使用；真空度要求高 作為 前級泵 使用工作區間：單級：1051 Pa；雙級：10510-2 Pa優、缺點：結構簡單、工作可靠；有油污染的問題、振動較嚴重。雙級機械泵示意圖2.1.3 真空的獲得 轉子偏心地置于定子內，旋片上有彈簧，整個部件浸于機械泵油中，油起潤滑和密封作用。 旋片轉動一周后 經n個循環后 真空腔Pn接近0容積變化玻馬洛特定律1.旋片式機械泵（Rotary Pump）2.1.3 真空的獲得 Pn不可能趨于零，因為： A.在出氣與轉子密封點之間存在著“有害

33、空間”。 B.單等級泵時進氣口與排氣口壓力差大。 C.泵油在高溫摩擦下，裂解形成輕餾成份。 D.水蒸汽凝結，形成懸濁液解決辦法是采用雙級泵，以一個轉子空間的出氣口作為另一轉子空間的進氣口，可使極限真空從1Pa10-2Pa采用高溫泵油氣鎮閥1.旋片式機械泵（Rotary Pump）2.1.3 真空的獲得How Two stage rotary pump Workslower ultimate pressure1.旋片式機械泵（Rotary Pump）2.1.3 真空的獲得Condensation of water or acetone occurs during the compression

34、stage.To avoid condensation, gas (air) is admitted through the ballast value.The added gas causes the discharge value to open before it reaches the condensation partial pressure of the vapor. The pumping speed characteristics of single stage and two-stage rotary vane pumps. （a）外觀（b）內部結構（c）工作原理真空油歷經循

35、環：蒸發 噴射 碰撞 冷凝 回流工作原理：1）將真空油加熱到高溫蒸發狀態（約200）；2）讓油蒸汽分多級向下定向高速噴出；3）大量油滴通過撞擊將動能傳遞給氣體分子；4）氣體分子向排氣口方向運動，并在動壓作用下排出泵體；5）油氣霧滴飛向低溫介質冷卻的泵體外壁，被冷卻凝結成液態后返回泵底部的蒸發器。2. 油擴散泵（Diffusion Pump）2.1.3 真空的獲得（d）典型高真空系統組合前級：羅茨泵 + 機械泵 后級：油擴散泵高真空閥和冷阱阻止油氣回流的Baffle工作區間：110-6 Pa（因此需要前級機械泵提供1 Pa的出口壓力）優 點：1）造價較低的高真空泵方案，成本低；2）沒有機械運動部

36、件，耐用、無振動。缺 點：1）油蒸汽回流有可能污染真空系統（不宜在分析儀器和超高真空場合使用）； 2）需要預熱30分鐘；3）需要水冷。2. 油擴散泵（Diffusion Pump）2.1.3 真空的獲得擴散泵極限壓強PL前級真空泵壓強；n蒸氣分子密度；L是蒸氣流從泵的進氣口到出氣口的擴散長度；D0ND常數，D為蒸氣中氣體分子的擴散系數；v油蒸氣在噴口處的速度擴散泵的實際抽速：d是進氣口直徑2. 油擴散泵（Diffusion Pump）2.1.3 真空的獲得3 渦輪分子泵（Turbomolecular Pump）（a）外觀（b）內部結構2.1.3 真空的獲得Balzers, 1992Leybol

37、d M2000, 1999“Clean, Lean Vacuum Machine”Turbos3 渦輪分子泵（Turbomolecular Pump）（a）外觀（b）內部結構（c）工作原理工作原理：1）泵內交錯布置轉向不同的多級轉子和定子；2）轉子葉片以20k60k r/min的高速旋轉；3）葉片通過碰撞將動能不斷傳遞給氣體分子；4）氣體分子被賦予動能后被逐級壓縮排出。工作區間：110-8 Pa 也需前級泵提供1 Pa的出口壓力，但可提供更高真空度優 點：無油、抽速較高。缺 點：1）抽取低原子序數氣體能力較差； 2）造價高；3）不易維護（水冷、潤滑）。2.1.3 真空的獲得氣體隨轉子作圓周運動

38、，獲得離心力，與轉子上頁碰撞，按余弦定律散射，獲得速度，后與定子下交碰撞，再獲向下速度分量。 條件：（1）起始工作氣壓小，入大。 常壓下，空氣=0.06m，1.3Pa，=4.4mm要求大于葉片間距。 （2）轉子葉片線速度與氣體分子速度相近分子量大、氣體易抽，H2難抽H2最可幾速率1557m/s，極限真空殘余氣體中。85%為H2。3 渦輪分子泵（Turbomolecular Pump）2.1.3 真空的獲得4 低溫吸附泵（Cyropump）（a）外觀（b）內部結構多級深冷頭示意圖工作原理：利用20K以下的超低溫表面來凝聚氣體分子以實現抽氣。 1）初級冷頭（外側溫度 = 5080 K）：吸附 水氣

39、、CO2 等； 2）多級深冷頭（T 20 K）：外側光滑金屬表面 吸附 N2、O2、Ar； 內側活性炭表面 吸附 H2、He、Ne工作區間：10-410-11 Pa優 點：可實現目前最高的極限真空度：10-11 Pa；無油、無振動，結構簡單。缺 點：1）屬于捕獲泵的一種，使用成本和要求高，需要外加冷源（液氮、液氦或制冷機）； 2）需要“再生”處理，200oC要除氣。2.1.3 真空的獲得4 低溫吸附泵（Cyropump）2.1.3 真空的獲得Pumping by CryocondensationCryosorption in charcoalCharcoal placement4 低溫吸附泵（

40、Cyropump）2.1.3 真空的獲得 離子泵的特點抽速大、無油、無振動工作范圍：中高真空超高真空極限真空： 10-11 torr缺點：惰性氣體抽速低 使用與維護啟動： 10-1 Pa時，氣體分子數 電子與氣體分子的碰撞幾率 同時電子能量、自由程 氣體電離趨于飽和 IC P 的線性關系不再成立！因此，普通電離真空計的工作上限為10-1 Pa。解決方法：1）大幅度降低電極間間隔（3 mm）； 2）提高燈絲（發射極）電位到+45 V， 同時提高離子收集極電位到 0 V。此類改進工作上限的電離真空計由Schulz和Phelps提出，被稱為S-P型，其工作上限可提高到10 Pa，但同時由于強化了前述

41、的軟X射線導致的光電效應，工作下限也相應提高到10-2 Pa！（b）B-A型3 電離真空計（Ionization Gauge）2.1.4 真空的測量小結： 1）電離真空計的工作范圍： 普通三極型：10-610-1 Pa； B-A型：10-810-1 Pa（高真空適用）； S-P型：10-210 Pa（低真空適用）2）特 點： 可快速、連續測量； 不適于低真空測量（改進的S-P型也要求 P 10 Pa）； 測量結果與氣體種類有關； 需要定期除氣處理。3 電離真空計（Ionization Gauge）2.1.4 真空的測量4 薄膜真空計（Capacitance Manometer）工作原理：依靠金

42、屬薄膜在氣體壓力差下產生機械 位移測量氣體的絕對壓力。1）利用金屬薄膜將容器分隔為兩部分，上半部充入 壓力已知的氣體，下半部與待測真空腔連通；2）薄膜兩側存在壓差時，薄膜在壓力作用下發生變 形，使薄膜與固定極板的間距發生變化，從而使 極間電容發生變化，測得電容變化即可反求得到 薄膜偏移量，然后反推壓力差。工作范圍：下限10-3 Pa，上限取決于薄膜強度和位 移極限，一般在105103 Pa之間。應用場合：適用于工作氣體具有腐蝕性的真空環境測量。特點：1）測得的是絕對壓力； 2）測量精度很高，且與氣體種類無關； 3）對環境溫度非常敏感，必須作好溫控。 4）盡管屬于絕對真空計，仍然需要精確地校正后

43、才能使用。薄膜真空計的結構及工作原理示意圖2.1.4 真空的測量5 離子規(Bayard-Alpert)工作原理 由燈絲、柵極和離子收集極組成； 燈絲電離氣體產生離子； 離子收集極收集離子從而測量氣體密度。離子規的特點 工作范圍： 10-2 10-9 Pa ； 靈敏、準確，但燈絲容易損壞，價格比較高離子規的使用 工作電流：離子規的工作電流不能隨意改變 ； 校準：按真空計的具體步驟校準2.1.4 真空的測量6 溫度對壓力測試準確性的影響2.1.4 真空的測量兩連通容器的壓力：1. 低真空：粘滯流情況，平衡條件是壓力相等 P1=P2， 2. 高真空：分子層流情況，平衡條件是流導相等例：真空室溫度6

44、00 ，規管溫度25 ， 測量壓力只有真實壓力的58。Gauge Operating Ranges10-1010-810-610-410-210010210+4P (Pa)Rough VacuumHigh VacuumUltra High VacuumBourdon GaugeThermocouple GaugeCold Cathode GaugeCapacitance ManometerHot Fil. Ion GaugeResidual Gas AnalyzerPirani GaugeSpinning Rotor GaugeMcLeod Gauge2.1.5 真空組件與真空系統1 真空部件

45、材料選擇的原則 放氣率及虛漏 機械、溫度、化學的穩定性 導電性能、焊接性能 推薦使用的材料 金屬材料：低碳不銹鋼、無氧銅、 Be-Cu合金、 Ta、Mo、W 絕緣材料：藍寶石、石英、聚四氟乙烯、玻璃 磁性材料： Fe、 Co、 Ni 潤滑物質： MoS2 避免使用的材料 易升華金屬或合金 (Zn、 Cd、黃銅等)、焊錫、油及油脂2.1.5 真空組件與真空系統1 真空部件Type of flexible bellows2.1.5 真空組件與真空系統1 真空部件Bellows波紋管2.1.5 真空組件與真空系統1 真空部件Valves真空閥2.1.5 真空組件與真空系統1 真空部件Feedthro

46、ughs連接件2.1.5 真空組件與真空系統1 真空部件Gasket密封環Rubber or Metal?2.1.5 真空組件與真空系統1 真空部件膠圈密封 普通 O形圈密封及快卸法蘭 優點：方便、快捷、經濟 缺點：對UHV有影響、不能烘烤 氟橡膠圈：10-6 Pa J圈密封 適用于轉動密封金屬密封 優點：可實現UHV、可烘烤 缺點：使用成本高、每次更換 注意保護密封刀口2.1.5 真空組件與真空系統1 真空部件金屬的焊接 真空室、管道與法蘭 優點：可實現UHV、可烘烤 缺點：不能移動 使用與維護 不能使用焊錫作焊料 注意焊縫的檢漏、避免虛焊，使用過程中避免重載和變形閥的使用(手動、氣動、電動

47、、電磁)蝶閥：低真空、價格低廉角閥：高真空、超高真空，金屬或橡膠密封、需要限位閘板閥：高真空、超高真空，金屬或橡膠密封、需要限位針閥：控制流量連接與密封2.1.5 真空組件與真空系統1 真空部件2.1.5 真空組件與真空系統1 真空部件：質量流量計The Molecular Sieve/Zeolite Trap2.1.5 真空組件與真空系統1 真空部件2.1.5 真空組件與真空系統1 真空部件2.1.5 真空組件與真空系統2 真空的檢漏 LEAK DETECTIONProblems that appear to be LeaksOutgassingLeaksVirtualRealBackstr

48、eamingDiffusionPermeation2.1.5 真空組件與真空系統2 真空的檢漏 Trapped VolumesVented Screw2.1.5 真空組件與真空系統2 真空的檢漏 Double O ring sealed shaftsAtmosphere(760 torr)Vacuum2.1.5 真空組件與真空系統2 真空的檢漏 Differential PumpingAtmosphere(1013 mbar)VacuumTo Pump1 mbar2.1.5 真空組件與真空系統2 真空的檢漏 PERMEATION LEAKSPermeation “leaks” are different than real leaks because the only way to stop them is to change to a less permeable material2.1.5 真空組件與真空