《真空技術(shù)基礎(chǔ)》課件

真空技術(shù)基礎(chǔ)探索微觀世界的關(guān)鍵技術(shù)精確控制氣體分子行為的科學(xué)與藝術(shù)課程概述課程目標(biāo)掌握真空技術(shù)基本理論主要內(nèi)容真空原理、設(shè)備、應(yīng)用學(xué)習(xí)方法理論結(jié)合實(shí)踐第一章：真空的基本概念真空的定義氣體密度低于大氣狀態(tài)真空度的分類低真空、中真空、高真空、超高真空真空的物理特性分子運(yùn)動(dòng)論氣體分子無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)速度與溫度相關(guān)分子碰撞頻率隨密度變化平均自由程分子兩次碰撞間平均距離真空度提高，自由程增加影響氣體傳熱、擴(kuò)散速率真空中的氣體行為理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT關(guān)系分子熱運(yùn)動(dòng)速度與溫度相關(guān)氣體流動(dòng)類型分子流、過渡流、黏性流真空度單位單位名稱符號(hào)換算關(guān)系帕斯卡Pa基本單位托Torr1Torr=133.322Pa毫巴mbar1mbar=100Pa大氣壓atm1atm=101325Pa第二章：真空系統(tǒng)組成真空腔體承載工藝過程的容器真空泵抽除氣體的核心部件真空測(cè)量?jī)x器監(jiān)測(cè)真空度的裝置真空閥門控制氣體流動(dòng)路徑真空腔體設(shè)計(jì)原則密封性能防止大氣泄漏結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)承受大氣壓力材料選擇低氣體釋放率真空系統(tǒng)的泄漏泄漏類型真實(shí)泄漏與虛擬泄漏泄漏影響降低真空度，污染系統(tǒng)檢測(cè)方法氦質(zhì)譜法，壓力升降法第三章：真空泵概述真空泵分類氣體傳輸泵氣體捕獲泵動(dòng)力泵與靜力泵性能參數(shù)極限壓力抽氣速率壓縮比工作范圍機(jī)械真空泵旋片式真空泵常用粗抽泵，達(dá)10^-2Pa羅茨真空泵大抽速，需前級(jí)泵螺桿真空泵無油工作，噪音低旋片式真空泵工作原理1吸氣偏心轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，形成擴(kuò)大空間2壓縮旋片切割氣體，體積減小3排氣壓縮氣體推開排氣閥4循環(huán)連續(xù)重復(fù)上述過程羅茨真空泵工作原理結(jié)構(gòu)特點(diǎn)兩個(gè)"8"字形轉(zhuǎn)子同步反向旋轉(zhuǎn)氣體輸運(yùn)轉(zhuǎn)子與泵壁形成密封空間性能特點(diǎn)大抽速，無內(nèi)部壓縮螺桿真空泵工作原理結(jié)構(gòu)組成一對(duì)互相嚙合螺旋轉(zhuǎn)子工作過程氣體沿螺旋槽道移動(dòng)排氣機(jī)制螺旋槽容積逐漸減小分子泵和渦輪分子泵分子泵轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)給分子提供動(dòng)量實(shí)現(xiàn)定向輸運(yùn)渦輪分子泵葉片呈渦輪狀排列轉(zhuǎn)速可達(dá)幾萬轉(zhuǎn)/分可獲得超高真空應(yīng)用范圍半導(dǎo)體制造表面分析粒子加速器擴(kuò)散泵加熱油蒸氣工作油被加熱形成高速蒸氣流噴射擴(kuò)散蒸氣流噴射捕獲氣體分子冷凝回流壁面冷卻凝結(jié)油蒸氣排出氣體氣體被前級(jí)泵排出低溫泵工作原理低溫冷凝和吸附氣體液氮或液氦制冷性能特點(diǎn)無震動(dòng)，無污染高抽速，極高真空應(yīng)用領(lǐng)域空間模擬超導(dǎo)技術(shù)粒子物理實(shí)驗(yàn)離子泵和濺射離子泵離子泵原理電子電離氣體離子轟擊鈦表面氣體被鈦吸附濺射離子泵特點(diǎn)鈦材料不斷濺射形成新鮮吸附面適用超高真空系統(tǒng)真空泵的選擇工藝要求所需真空度和潔凈度技術(shù)參數(shù)抽速和極限壓力經(jīng)濟(jì)因素投資和運(yùn)行成本第四章：真空測(cè)量技術(shù)壓力測(cè)量真空壓力直接測(cè)量熱導(dǎo)測(cè)量基于氣體熱導(dǎo)率變化電離測(cè)量氣體分子電離測(cè)量分子測(cè)量基于分子運(yùn)動(dòng)特性機(jī)械式真空規(guī)熱偶真空規(guī)10?3下限壓力(Pa)低真空測(cè)量10?1上限壓力(Pa)接近大氣壓±10%測(cè)量精度一般工業(yè)應(yīng)用電離規(guī)熱陰極電離規(guī)熱絲發(fā)射電子氣體被電離測(cè)量離子電流冷陰極電離規(guī)高電壓放電自持放電電流無需加熱絲測(cè)量范圍10?2~10?1?Pa高真空和超高真空電容式真空規(guī)工作原理壓力變化引起電容變化特點(diǎn)高精度，線性度好應(yīng)用范圍適用多種氣體，防腐蝕皮拉尼真空規(guī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)熱絲位于測(cè)量腔內(nèi)測(cè)量原理氣體密度影響熱絲散熱測(cè)量范圍10?1~103Pa范圍真空規(guī)的校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)氣源準(zhǔn)備精確已知壓力氣源比對(duì)測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)儀器對(duì)比偏差計(jì)算分析測(cè)量誤差修正系數(shù)確定校準(zhǔn)曲線第五章：真空閥門隔離功能分離不同真空區(qū)域調(diào)節(jié)功能控制氣體流量安全保護(hù)防止系統(tǒng)意外泄漏流向控制確定氣體流動(dòng)方向4常用真空閥門類型真空閥門的選擇閥門類型適用壓力范圍特點(diǎn)截止閥大氣壓~超高真空密封性好，阻力大球閥大氣壓~高真空開關(guān)速度快，流通阻力小蝶閥大氣壓~高真空結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，快速大通徑閘閥高真空~超高真空全開時(shí)無阻力，體積大第六章：真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求分析明確工藝要求概念設(shè)計(jì)確定系統(tǒng)方案詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算及選型驗(yàn)證評(píng)估性能測(cè)試與優(yōu)化真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例實(shí)驗(yàn)室真空系統(tǒng)小型緊湊靈活多變注重潔凈度工業(yè)生產(chǎn)真空系統(tǒng)大規(guī)模高可靠性自動(dòng)化程度高強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)性真空管道設(shè)計(jì)管徑(mm)相對(duì)電導(dǎo)率真空系統(tǒng)的抽氣速率計(jì)算基本公式S_系統(tǒng)=1/((1/S_泵)+(1/C))管道電導(dǎo)C計(jì)算分子流:C與管徑三次方成正比實(shí)際抽速受管道長(zhǎng)度、彎頭影響真空系統(tǒng)的極限壓力估算泵極限壓力泵本身能達(dá)到的最低壓力氣體負(fù)載系統(tǒng)內(nèi)氣體釋放總量實(shí)際抽速泵在系統(tǒng)中有效抽速第七章：真空材料低氣體釋放率減少虛擬漏氣耐熱性適應(yīng)烘烤處理化學(xué)穩(wěn)定性抗腐蝕無污染機(jī)械強(qiáng)度承受大氣壓差金屬真空材料不銹鋼優(yōu)異耐腐蝕性易于焊接加工304、316L常用鋁合金輕質(zhì)高強(qiáng)度導(dǎo)熱性好易于機(jī)械加工銅及銅合金優(yōu)異導(dǎo)熱性適合冷卻部件易于加工成形非金屬真空材料玻璃陶瓷橡膠聚四氟乙烯環(huán)氧樹脂真空密封材料第八章：真空清潔與表面處理機(jī)械清潔去除可見污染物化學(xué)清潔溶解油脂污染真空烘烤脫附吸附氣體放電清潔去除表面污染機(jī)械清潔擦拭無塵布蘸溶劑去除表面污染噴砂氧化皮去除增加表面粗糙度超聲波清洗聲波產(chǎn)生氣泡沖擊去除污染化學(xué)清潔清洗方法適用材料去除污染物溶劑清洗大多數(shù)材料油脂、有機(jī)物酸洗不銹鋼、銅氧化物、無機(jī)污染堿洗鋁、鋼鐵油脂、蛋白質(zhì)電解清洗金屬材料頑固污染、氧化層真空烘烤150°C典型烘烤溫度不銹鋼系統(tǒng)24h平均烘烤時(shí)間高真空系統(tǒng)100×氣體釋放率降低烘烤前后對(duì)比第九章：真空鍍膜技術(shù)蒸發(fā)熱能氣化材料傳輸粒子直線運(yùn)動(dòng)沉積基材表面凝結(jié)生長(zhǎng)形成連續(xù)薄膜蒸發(fā)鍍膜1加熱源電阻加熱、電子束、激光2材料蒸發(fā)達(dá)到蒸汽壓，氣化擴(kuò)散3基片沉積蒸氣冷凝形成薄膜4膜厚監(jiān)控石英晶體微天平實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)濺射鍍膜靶材轟擊高能離子撞擊靶材原子濺出動(dòng)量轉(zhuǎn)移釋放靶原子薄膜生長(zhǎng)原子在基片表面沉積離子鍍工藝特點(diǎn)蒸發(fā)與濺射結(jié)合基片處于等離子體中離子轟擊促進(jìn)成膜優(yōu)勢(shì)薄膜附著力強(qiáng)薄膜致密性好成膜溫度低應(yīng)用工具涂層裝飾鍍膜光學(xué)薄膜化學(xué)氣相沉積（CVD）氣體前驅(qū)體含有目標(biāo)元素的氣態(tài)化合物熱分解反應(yīng)高溫下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)表面沉積反應(yīng)產(chǎn)物在基材表面生長(zhǎng)第十章：真空檢漏技術(shù)精確定位準(zhǔn)確找出泄漏源泄漏率測(cè)量量化漏氣程度3密封性驗(yàn)證確保系統(tǒng)完整性氦質(zhì)譜檢漏系統(tǒng)準(zhǔn)備預(yù)抽至合適真空度氦氣噴灑可疑區(qū)域施加氦氣信號(hào)檢測(cè)質(zhì)譜儀檢測(cè)氦氣泄漏判定信號(hào)增強(qiáng)指示泄漏點(diǎn)鹵素檢漏檢漏原理鹵素氣體電離特性改變發(fā)射電流產(chǎn)生聲光報(bào)警適用場(chǎng)景制冷系統(tǒng)低真空系統(tǒng)大型容器檢漏特點(diǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單便攜成本低廉操作方便壓力升降法時(shí)間(小時(shí))壓力(Pa)第十一章：真空安全物理危險(xiǎn)爆炸風(fēng)險(xiǎn)破片飛射擠壓傷害化學(xué)危險(xiǎn)有毒氣體腐蝕性物質(zhì)易燃易爆物電氣危險(xiǎn)高壓電擊漏電事故電弧傷害真空設(shè)備操作安全1啟動(dòng)前檢查確認(rèn)各部件狀態(tài)正確啟動(dòng)按操作規(guī)程順序啟動(dòng)運(yùn)行監(jiān)控觀察參數(shù)是否正常4安全關(guān)閉按程序依次關(guān)閉真空系統(tǒng)事故預(yù)防人員培訓(xùn)提升安全意識(shí)設(shè)備維護(hù)定期檢查保養(yǎng)規(guī)程制定建立操作標(biāo)準(zhǔn)防護(hù)裝置安裝保護(hù)設(shè)施4第十二章：真空技術(shù)應(yīng)用半導(dǎo)體制造晶圓加工、芯片封裝表面處理鍍膜、涂層、表面改性食品加工凍干、真空包裝真空技術(shù)在半導(dǎo)體行業(yè)的應(yīng)用表面清潔去除硅片表面雜質(zhì)2薄膜沉積氧化、金屬化、介質(zhì)層刻蝕工藝圖形轉(zhuǎn)移、選擇性去除真空技術(shù)在顯示面板制造中的應(yīng)用LCD制造薄膜晶體管制備光刻工藝