光学镀膜真空技术教材

真空现象
1、从地球表面向外空延伸，离地面距离越远，空气越稀薄； 2、宇航员在外空间时都必须穿上太空服，一方面就是为了防止宇 航员被负压伤害。 3、气相薄膜沉积过程中的真空容器； 4、霓虹灯管或日光灯管； 5、AES，XPS，SEM，TEM等设备 …… 其中，1和2属于自然真空，3-5属于人为真空。人为真空需要通过 真空泵系统来实现。
真空的获得
常用真空泵的工作压强范围及起动压强：
低真空泵 或初抽泵 高真空泵
超高真空泵
真空泵种类 旋片式机械真空泵
罗茨真空泵 分子筛吸附泵
油扩散泵 涡轮分子泵 溅射离子泵 钛升华泵
低温泵
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工作压强范围（Pa） 1×105～6.7×10-1
1.3×103～1.3 1×105～1.3×10-1 1.3×10-2～1.3×10-7
最常见泵的工作原理
旋片式机械真空泵工作原理
旋片S2与进气门G之间空腔的区 （a）: 域I的体积逐渐增大，使被抽容
器中的气体由进气门进入此区域
同时旋片S1与排气门D之间空腔的
（b）: 体积逐步减小，其中的气体不断 地从排气门被挤出
旋片S1将区域I与进气门隔开， （c）: 此时区域I的吸气空腔的体积最
——是表示真空泵性能的两个重要参数。极限压强是该系统所能达到的最 低压强；抽气速率是在规定压强下单位时间抽出气体的体积，它决定抽真空所 需要的时间。
理论上，一个系统所能达到的真空度：
P
Pu
Q S
V S
dPi dt
Pu-真空泵的极限真空（Pa）， Q-泵内各种气源（Pa·L/s）， S-泵的抽气速 率（L/s）， V-真空室体积（L）， Pi-被抽空间气体的分压强（Pa），t-时 间（s）
真空技术
——林庆彬
前言
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成过程往往是在真空 或超高真空中进行的。目前，人们所广泛使用的薄膜制备 系统都具有真空系统，光学镀膜也是如此。不管是采用蒸 镀还是溅射方式，都必须在真空环境下进行。“真空”是 光学镀膜技术的基础。了解与镀膜相关的真空知识对于掌 握镀膜工艺和操作至关重要。
2.在环境温度540范围内，进气口压强小于1.3X103帕的条件下允许长期连续运 转，被抽气体相对湿度大于90%时，应开气镇阀。
3.进气口连续畅通大气运转不得超过一分种。 4.不适用于抽除对金属有腐蚀的，对泵油起化学反应的，含有颗粒尘埃的气体，
以及含氧过高的，有爆炸性的，有毒的气体。
旋片真空泵的使用
低温真空泵工作机理
1）低温冷凝。由于低温泵冷板表面温度很低，极容易将撞击其表面之 气体分子粘住，使其温度急速下降而被冻结，从而减低空间中的分子 数。
维护和保养
一、注意事项： 1．保证真空泵的清洁，防止杂物进入泵内。 2．保持真空泵油位。 3．存放下当水份或其它挥发性物质进入泵内而影响极限真空时，
可开气镇阀净化之，观察极限真空回升情况，数小时无效，应更 换泵油，必要时可再次更换。 换油方法：泵运转约半小时，使油变稀，停泵从放油孔放油，再敞开 进气口运转10～20秒钟，此间可从吸气口缓缓加入少量清洁泵 油，以更换泵腔内存油。如出来的油很脏，后者可重复进行。
4．真空泵不可混入柴油、汽油等其它饱和蒸汽 压较大的油类，以免降低极限真空。拆洗泵内零 件时，一般用纱布擦拭即可以。若发现有金属碎 屑、砂泥或其它有害物质必须清洗时，可用汽油 等擦洗，干燥后方可装配，切忌用汽油浸泡。
5．倘若因泵需拆开清洗或检修，必须注意拆装 步骤，以免损坏机件。
高真空泵：一般高真空获得设备包括扩散泵、分子 泵或低温泵。
5．如相对湿度较高，或被抽气体含较多可凝性蒸汽，接通被抽容器后，宜打开气 镇阀，运转20～40分钟后关闭气镇阀。停泵前，可开气镇阀空载运动30分钟，以 延长泵油寿命。
可凝气体的产生
1. 泵与容器相连，在70 mbar时空气已基本排 净，接下来将主要抽排蒸汽粒子。
2. 泵室与容器隔离，压缩开始。
3. 压缩到一定程度时，蒸汽将凝聚成液滴， 过压状态无法实现
真空的衡量
真空是一种环境，其衡量单位就是气体压力. 压力值越低，真空度就越高
常用单位有：（1）Pa,（2）mbar,（3）Torr(mTorr)
单位名称 1帕 1托 1毫巴
1大气压
压强单位换算关系表
帕/Pa 1
1.333×102 102
1.013×105
托/Torr 7.501×10-3
1 7.501×10-１
扩散泵
涡轮分子泵
低温泵
最常见泵的工作原理
油扩散泵工作原理
扩散泵油被泵外电炉加热产生油蒸气
油蒸气沿蒸气导管上升到管顶
油蒸气经伞形喷嘴向下喷出产生射流
接机械泵
气体分子与射流中油分子碰撞发生动量交换
气体分子与射流一起向下运动
油蒸汽与水冷的泵壁相遇而冷却回流 气体分子则被带到排气口附近被抽走
最常见泵的工作原理
4. 残余压强仅能顶开排空阀门, 已凝聚的液 滴将流回泵室内
那么怎样
才能除去这 些有害的可 凝气体呢， 这样就引出 了气镇。
气镇阀（Gasballast Valve）
油封机械真空泵的压缩室上开一小孔，并装上 调节阀，当打开阀并调节入气量，转子转到某 一位置，空气就通过此孔掺入压缩室以降低压 缩比，从而使大部分蒸汽不致凝结而和掺入的 气体一起被排除泵外起此作用的阀门称为气镇 阀。
操作须知
1．查看油位，以停泵时注油至油标中心为宜。过低对排气阀不能起油封作用，影 响真空度。过高，可能会引起通大气起动时喷油。运转时，油位有所升高，属正常 现象。油采用规定牌号的清洁真空泵油，从加油孔加入。加油毕后，应旋一上螺 塞。油宜经过滤，以免杂物进入，堵塞油孔。
2．可在通大气或任何真空度下一次起动。泵口如装接电磁阀，应与泵同时动作。 3．环境温度过高时，油的温度升高，粘度下降，饱和蒸汽压会增大，会引起极限
气镇法是防止蒸汽凝结从而避免油污染的有效方法。这 种方法是将室温干燥的空气经气镇孔进入泵的压缩腔 中与被抽气体相混合。当把这种混合气体压缩到排气压 力时，由于掺气作用使得其中的蒸汽分压能保持在泵温 状态的饱和蒸气压以下，因而蒸汽不会凝结而与其它气 体一起被排至泵外。被抽气体中蒸汽的含量越多，掺入 的干燥气体量就需越多。
低温真空泵
低温真空泵 (又称低温泵、冷泵、冷凝 泵)是一种利用低温冷凝和低温吸附原 理抽气的容积式真空泵，是无油高真空 环境获得设备。低温泵应用于半导体、 集成电路、光电器件的制造工艺过程， 是集成电路专用设备中的关键设备之一； 低温泵也用于各种其它镀膜设备和真空 应用设备中，如离子束溅射VEECO镀膜 机。
在实际应用中怎样合理利用气镇排除可凝气体: 众所周知，可凝气体的凝结取决于它的分压和温度。 抽排可凝气体的“黄金法则”:
§ 在做工艺以前暖泵(开气镇工作半小时) § 工艺过程保证气镇开启 § 工艺结束后在开气镇的条件下再运行一段时间 § 在泵的耐压范围内抽排可凝气体
然而，针对我们的机器来讲，由于工作环境相当好，真空系统中的可 凝气体很少，而且要求真空度较高(开气镇会降低泵的抽真空能力)， 所以在实际中没有必要每次都进行这样的操作，只需要在真空泵性能 降低的时候开气镇放气就可以了。
760.00
毫巴/mbar 10-2
1.333×10-１ 1
1.013×103
大气压/atm 9.869×10-6 1.315×10-3 9.869×10-4
1
真空的划分
根据GB3163－82，真空区域大致划分如下：
真空等级 低真空 中真空
高真空
超高真空
真空度范围
备注
105~102Pa 102~10-1Pa 10-1~10-5Pa
1、使用前，应仔细阅读产品使用说明书，按要求安装，接线，试转 向。
2、为防止因返油与反转而喷油，应先开启泵口，按规定转向把泵 内存油盘到油箱中。同时查看油位，应在油标中心以上，但不要满 油标，多了要放出。
3、判断转向的辅助方法。把护套倒放在泵口上，如开泵后被吸住， 是正向，被吹落，是反向。声音正常是正向，声音异常是反向。
1大气压下气体分子密度约为2.687×1025/m3； 气压1×10-4Pa的高真空中，气体分子密度约为2.65×1016/m3；
…… 宇宙中，气体分子密度﹤109/km3，甚至每km3只有几个气体分子。
气体分子密度可以接近于零，却不是零。
按照工业标准的规定，真空绝不是“完全空”，而是一种“低于一个标准大 气压的气体充满空间的状态”。由此可知，工业领域所说的真空，与我们平时想 象中的“完全空”的真空相差十万八千里。空无一物的理想真空，实际上是不存 在的。
气镇阀工作原理
由于大气中都含有一定量的水蒸气，所以泵工作时所抽除的气 体多是某些可凝性气体和永久性气体的混合物。这种混合气体 在泵内被压缩排气的过程中，如果可凝性气体的分压力超过了 泵温下的饱和蒸气压，那么它们就会凝结并与泵油混合，随油 一起循环。当它们返回到高真空端时又重新蒸发变成蒸汽。随 着泵的运转，凝结物不断增加，使泵的极限真空和抽速降低。 当抽除的气体中湿度较大时，泵油的污染更加严重，使泵的密 封、润滑和冷却性能变差，以至于经常更换新油。
真空的获得
抽真空即利用各种真空泵将被抽容器中的气体抽出，使 该空间的压强低于一个大气压。
目前常用获得真空的设备有：
➢ 旋转式机械真空泵 ➢ 油扩散泵 ➢ 复合分子泵 ➢ 分子筛吸附泵 ➢ 钛升华泵 ➢ 溅射离子泵 ➢ 低温泵
属于气体传输泵，即通过气体吸入并排出真空泵 从而达到排气的目的
属于气体捕获泵，即通过各种吸气材料特有的吸 气作用将被抽气体吸除，以达到所需真空。不需 要油作为介质，又称为无油泵
1.3～1.3×10-5 1.3×10-3～1.3×10-9 1.3×10-2～1.3×10-9
1.3～1.3×10-11
起动压强（Pa） 1×105 1.3×103 1×105 1.3×10 1.3
6.7×10-1 1.3×10-2 1.3～1.3×10-1
真空的获得
极限真空（极限压强Pu）和抽气速率
真空有所下降，特别是用热偶计测得的全压强。如加强通风散热，或改善泵油性 能，极限真空可得到改善。
4．检查旋片式真空泵的极限真空以压缩式水银真空计为准，如计经充分预抽校 验，泵温达到稳定，泵口与计直接接通，运转30分钟内，将达到极限真空。总压强 计测得之值与泵油和真空计、规管误差有关，有时误差甚至可很大，只能作参考。
4、如在泵口配装带充气电磁阀，一般应横装，并与泵同时动作。
5、相对湿度较高或被抽气体中含水汽等可凝性蒸汽时，应使用气镇 阀。
6、按说明书推荐选用真空泵油。注意酯类真空泵油不可与矿物油型 真空泵油和其他油类混用，必须严格清洗后才能换入酯类真空泵油。
7、检查泵的极限压力以压缩式水银真空计为准。全压力计应注意做 好计与规管的配对校准和备用比对规管。建议在规管与被测泵之间 装一球阀。不测时关阀，可延长规管使用时间。
＜10-5Pa
气态空间近似为大气状态，分子以热运 动为主，分子间碰撞十分频繁
气体分子的流动逐渐从黏流状态向分子 状态过渡，此时气体分子之间和分子与 器壁之间的碰撞次数差不多
气体分子的流动已为分子流，气体分子 与容器壁之间的碰撞为主，而且碰撞次 数大大减少，粒子沿直线飞行
气体分子数目很少，几乎不存在分子间 的碰撞，分子与器壁的碰撞机会也很少 此时气体分子在固体表面上是以吸附停 留为主。
一、真空基础
内容提要：
★什么是真空？（工业标准的真空） ★真空的衡量（单位及换算关系） ★真空的划分（低、中、高和超高真空） ★真空的获得（泵的类型，泵的原理及真空系统）
★真空的测量（各种常见真空测量装置）
★真空的应用（真空在各个领域的应用）
★镀膜领域中的真控技术
真空的定义
真空真的是“什么都没有”吗?
大
（d）:
旋片S1开始将区域I内的气体压缩 并从排气门排出
旋片泵的用途及使用范围
1. 旋片泵是用来对密封容器抽除气体的基本设备之一。它可单独作用，也可作为 增压泵、扩散泵、分子泵等的前级泵，维持泵，钛泵的预抽泵用。可用于电真空器 件制造、保温瓶制造、真空焊接、印刷、吸塑、制冷设备修理以及仪器仪表配套等。 因为它具有体积小、质量轻、操声低等优点，所以更适宜于实验室里使用。