真空原理2

第二章真空系统

在半导体的制程设备里，真空系统（Vacuum Systems）的应用可以说是非常的广泛。从薄膜沈积（Thin Film Deposition），干蚀刻（Dry Etching），离子植入（Ion Implantation）及微影（Lithography）等主要的制程设备，到扫描式电子显微镜（Scanning electron Microscope）和二次离子质量分析仪（Secondary Ion Mass Spectroscope）等半导体表面分析仪器，都需要真空系统来维持这些价格昂贵的机器于适合的环境（指压力）下操作。

溅镀法在进行沈积之前，为了防止其他杂质的影响，通常都先以高真空度帮浦，将反应室内的压力降到10-6Torr以下。接着再通入原子质量合宜的钝气，在压力约1～10m Torr的环境中，进行金属的溅镀。

第一节真空之定义

英文“Vacuum”，表示“Empty”或“Nothing”，空无一物，是佛家的境界，但在真空技术里，真空系针对大气而言，表示一特定空间内的部份气体被排出，其压力小于一大气压，通常称此空间为真空或真空状态。我们知道在海面上标准的状态下，一莫耳气体占有22.4升的体积，气体对气壁碰撞会产生压力，其大小为760毫米汞柱或称

760Torr，当容器内之气体被抽除，气体分子数目减少而处于真空状态。

在真空技术中，一密闭容器虽保持真空，但并非“真正的空”，也就是说真空并不表示里面全无气体分子;事实上以目前技术所及的超高真空状态，其中仍有为数可观的气体分子存在。

第二节真空之分类

（一）真空技术中，将真空依压力大小分为四个区域如下:

1.粗略真空（Rough vacuum）760～1Torr

2.中度真空（Medium vacuum）1～10-3Torr

3.高真空（High vacuum）10-3～10-7Torr

4.超高真空（Ultra-high vacuum）10-7Torr以下

（二）真空的产生可分为自然与人造两种，所谓的人造真空最早者如倒立的玻璃管水银柱如图2-1所示。

典型人造真空系统如图2-2所示，基本上包括真空邦浦，真空阀门，真空量测计、真空罩、真空管路、各种零组件。

而自然真空原本就存在于自然界，离地球表面越高，空气越稀薄，压力越低，在离第100公里的高度为高真空，在400公里则已是超高真空状态了如图2-3所示。

图2-1人造真空型式-托里拆利真空

图2-2人造真空系统示意图

（三）大气与大气压力

前面提到真空系针对大气而言，地球上之人造真空设备，在邦浦抽气前，真空器内充满了大气，使用过程中，又为大气所环绕，

因此了解大气之基本物理与化学性质是真空技术所必须。在常温

图2-3自然真空高度与压力关系实例

图2-4大气与真空状态下之分子数目

时，地球表面之气体以高速作随意方向的运动，因此在一密闭容器肉，气体分子与气体分子问及气体分子与器壁间随时有碰撞作用发生，其与器壁碰撞所造成的动量改变，使器璧承受一压力，在大气的情况下，

压力的大小为14.7psi或者760Torr，就是我们通称的一大气压

（1atm），如图2-4（a）所示。如果把容器内的气体用邦浦抽气，则压力下降，气体分子数目变少，如图2-4（b）示。

常见的所谓标准大气压，其定义为:在0℃时，大气施于760毫米水银柱的压力，水银柱之密度为13.595g/m3。

一标准大气压值随应用场合之不同而使用不同的压力单位，常见者如下示:

1标准大气压力=l atm

=760mmHg

=760Torr

=1.013x105Pa（Pascal〉

=1013mbar（毫巴，气象学常用单位〉

=14.7psi

=1.03327kg/cd

=7.6x l05micron

在真空技术中，压力单位以Torr，mbar，Pa的使用较为普遍。大气压力760Torr的产生是由于大气（或谓空气）的存在，大气是各种气体的混合，其中百分之九十九以上是氮气与氧气，而其他各种气体的总和还不到百分之一！这是一大气压的情形，如果使用真空邦浦对原本一大气的真空容器抽气，则其成份将随压力的大小而改变，比

如说氯气在一大气压估了78%，在低压的情况可能占10%左右，若约略估计，则在10-3Torr之压力，水气可能占了75%～95%的大小。表2-1是各种气体在一大气压及超高真空状态下体积百分比或分压的大小。

表2-1气体成分

第三节真空原理

“气态（Gas Phase）”是物质的分子间影响力最为微弱的一种状态。假如我们不考虑分子间的作用力（指“凡得瓦，Van der Waal Force”），这些气体分子在一个体积为V的容器内的行为，可以视为是理想气体（Ideal Gas），且可以（2-1）式来表示

pV=nRT（2-1）

其中n为气体分子数量，T为温度，R为气体常数，而P则为容器的压力。我们可以将（2-1）式进一步的写为

p=（n/V）RT（2-2）其中（n/V）项指的是容器内的气体分子浓度，或称为密度，单位为个/米3。当气体分子在容器内的浓度下降时，容器内的压力也就跟随着降低。这里所指的压力，是指容器壁表面因分子的撞击，在每个单位面积所承受的垂直力。其MKS制的单位为“牛顿/米2”。在真空工程上，我们通常以地球水平面的大气压力为参考压力来定义“1大气压（1atm）”，这相当于760毫米水银柱（mmHg）。而在半导体工业上，我们习惯以托耳（Torr）来做为压力的量测单位。1大气压相当于760托耳。

气体分子在容器内的行径是非常繁乱的，且披此互相撞击（Collision）。我们将气体分子与另一个气体分子产生撞击前所移动的距离称为“自由径（Free Path）”。因每个气体分子的自由径略有不同，我们取其平均值，因此称气体分子产生撞击前所移动的平均距离为“平均自由径（Man Free Path）”。以室温下的空气为例，空气分子间的平均自由径λ与压力p的关系可以写为，

λ=0.05/p（2-3）也就是说，当容器内的压力下降，因为气体分子的浓度降低（见（2-2）