《真空技术原理与应用》课件

真空技术原理与应用真空技术是现代科学和工业的基础，广泛应用于半导体、航空航天、新能源等领域本课程将系统介绍真空技术的基础理论与实际应用课程概述基础理论1真空物理学原理系统组成2泵、阀门与测量仪器工艺应用3蒸镀、溅射、热处理行业实践4半导体、航空航天应用案例第一章真空基础基本概念真空定义与分类物理原理气体分子运动理论计量单位帕斯卡、托、毫巴设计应用真空系统计算方法什么是真空？理论定义微观视角完全真空压力低于大气压的空间状态气体分子密度低于大气环境理想状态，实际无法实现真空的定义和分类低真空105~102Pa中真空102~10-1Pa高真空10-1~10-5Pa超高真空10-5~10-9Pa极高真空低于10-9Pa真空度的单位帕斯卡国际单位制基本单位Pa托Torr1Torr=

133.322Pa毫巴mbar1mbar=100Pa大气压atm1atm=101325Pa毫米汞柱mmHg1mmHg=

133.322Pa真空物理学基础气体分子运动平均自由程分子无规则热运动分子碰撞间的平均距离气体流动规律理想气体状态方程分子流、层流、过渡流PV=nRT气体分子运动理论无规则运动速度分布分子碰撞能量传递分子做无规则热运动麦克斯韦速度分布律与温度、压力相关分子间相互作用平均自由程定义计算公式真空度关系分子两次连续碰撞间所走的平均距离压力越低，平均自由程越长λ=kT/√2πd²p第二章真空系统测量系统真空计、检漏仪控制系统阀门、法兰、密封件抽气系统各类真空泵真空容器反应室、工艺室真空系统的组成真空泵产生和维持真空真空阀门控制气体流动方向真空规测量真空度真空室进行工艺处理真空泵的分类气体传输泵机械泵、罗茨泵动量传输泵分子泵、扩散泵捕获泵离子泵、低温泵、吸附泵机械真空泵进气膨胀气体进入泵腔泵腔容积增大排气压缩气体排出泵外泵腔容积减小分子泵⁴⁹10~101500~90000压缩比转速rpm不同气体有不同值高速旋转叶片⁻⁻10¹~10⁸极限压力Pa可达高真空区域扩散泵工作原理特点局限性高速油蒸气流喷射捕获气体分子无运动部件需要预真空••价格便宜有油污染••抽速大启动时间长••离子泵电子发射阴极发射电子气体电离电子撞击气体分子产生离子离子加速离子被高压加速吸收捕获离子撞击阴极材料被埋植或溅射低温泵真空阀门闸阀角阀蝶阀大通径，全开全关转向，流阻小简单快速，体积小90°真空测量仪器型管压力计低真空，U10⁵~10³Pa热偶真空计低真空，10³~10⁻¹Pa电离规高真空，10⁻¹~10⁻⁸Pa冷阴极规高真空，10⁻²~10⁻⁹Pa皮拉尼规中真空，10²~10⁻¹Pa第三章真空获得与维持抽速计算确定合适抽气速度漏率评估控制系统泄漏系统设计优化结构布局维护策略确保长期稳定性抽气速度和抽气时间气体负荷和漏率气体负荷来源漏率单位漏率计算表面释气或•Pa·m³/s mbar·L/s Q=V·Δp/Δt渗透•真空泄漏•工艺气体•真空系统的设计原则合理布局减小管路阻力，避免死角匹配选型泵抽速与系统需求匹配材料选择低气体释放率，耐腐蚀密封可靠良好的密封设计和材料真空系统的操作与维护启动程序按正确顺序开启各级泵运行监控观察压力、温度等参数关机程序按规定顺序关闭设备定期维护清洁、更换部件、检漏第四章真空材料与元件材料选择标准气体释放率低，易除气，机械稳定金属材料不锈钢、铝合金、钛合金玻璃陶瓷耐高温，透明观察聚合物密封件，特定应用场合真空材料的选择选择因素考虑内容气体释放率材料本身释放气体的能力机械性能强度、刚度、热膨胀系数加工性能可焊接性、可加工性经济性材料成本与使用寿命金属材料在真空中的应用不锈钢铝合金铜耐腐蚀，低气体释放率轻质，良好导热性优良密封，高导热性非金属材料在真空中的应用玻璃陶瓷聚合物观察窗口电气绝缘型圈•••O电气绝缘耐高温垫片•••透光性好机械稳定性特定场合应用•••真空密封技术压缩密封金属密封型圈、橡胶垫片铜垫圈、金属环O粘接密封焊接密封环氧树脂、专用胶粘剂永久性连接方式真空焊接技术材料清洁去除表面污染物焊接工艺电子束焊接TIG/MIG/焊缝检查超声、射线、氦检漏X热处理去除内应力，稳定结构第五章真空蒸镀技术薄膜特性厚度、均匀性、结晶度蒸发源设计蒸发材料与加热方式真空条件基础真空度与工作压力基底准备清洁度、温度控制真空蒸镀原理加热蒸发1材料加热至蒸发温度分子传输2蒸发分子直线传输基底沉积3分子在基底表面凝结薄膜形成4分子累积形成薄膜蒸发源的类型电阻加热钨舟、钼舟、石英坩埚电子束高能电子轰击材料激光蒸发激光脉冲汽化材料闪蒸粉末直接接触高温表面薄膜生长过程初始吸附原子分子在基底表面吸附/形成核心吸附原子凝聚形成小岛小岛生长小岛扩大并相互连接连续薄膜形成完整覆盖层薄膜增厚持续沉积增加厚度蒸镀设备与工艺真空度蒸发温度蒸发距离通常材料蒸气压达决定薄膜均匀性10⁻³~10⁻⁶Pa10⁻²Pa沉积速率影响薄膜结晶性第六章溅射技术定义优势应用高能粒子轰击靶材，靶原子被击出并沉沉积高熔点材料半导体器件••积良好的台阶覆盖光学薄膜••可控的薄膜成分磁性存储介质••溅射原理等离子体形成工作气体被电离离子加速离子被加速轰击靶材靶材喷射原子从靶表面被击出基底沉积喷射原子在基底凝结直流溅射⁻⁻10²~105¹00~5000工作压力工作电压Pa V氩气作为工作气体靶材作为阴极1~100沉积速率nm/min与功率、压力相关射频溅射工作原理优点应用领域利用射频电场防止绝缘体表面充电可溅射绝缘材料氧化物薄膜••等离子体密度高氮化物薄膜••薄膜质量好介电材料••磁控溅射反应溅射金属靶材反应气体等纯金属等Ti,Al,Si O₂,N₂,CH₄化合物薄膜化学反应等靶原子与气体反应TiN,Al₂O₃,SiO₂第七章等离子体辅助沉积气体混合反应气体进入腔室等离子体生成气体电离形成活性粒子表面反应粒子在基底表面反应薄膜形成反应产物形成固态薄膜等离子体基础电离气体物质的第四态电荷粒子电子、离子、自由基高能量密度促进化学反应温度类型电子温度高于离子温度原理PECVD传统优势工艺参数CVD PECVD高温反应低温沉积射频功率•••热激活分解等离子体活化气体流量比•••基底温度高良好台阶覆盖基底温度•••设备与工艺PECVD平行板式感应耦合式电子回旋共振式电容耦合等离子体高密度等离子体微波激发等离子体第八章真空热处理目的优势防止氧化、去除表面气体表面洁净、精确控温、无污染应用工艺种类半导体、金属合金、特种材料退火、淬火、渗碳、渗氮真空热处理原理抽真空1排除氧气，防止氧化加热按工艺要求升温保温维持设定温度冷却控制冷却速率真空退火真空淬火⁻⁻10²~109³00~1200工作压力加热温度°PaC高真空环境视材料而定50~150冷却速率°C/min气体淬火方式真空渗碳和渗氮真空渗碳真空渗氮工艺优势碳原子扩散到表层氮原子扩散到表层表面洁净•••提高表面硬度形成硬质氮化物变形小•••保持韧性内核改善耐磨性节能环保•••第九章真空检漏技术高灵敏度检测微小泄漏快速定位多种检测方法气体、压力、示踪剂定量泄漏评估3准确测量漏率大小系统整体检查确保真空设备可靠性真空检漏的重要性工艺质量能源效率生产效率防止气体污染产品减少泵抽气能耗缩短抽气时间设备寿命延长真空泵使用寿命检漏方法分类压力变化法观察系统压力随时间变化泡沫法加压后涂抹肥皂水观察气泡卤素检漏氟里昂等卤素气体做示踪氦质谱检漏最灵敏的检漏方法氦质谱检漏喷氦可疑部位喷射氦气泄漏渗透氦通过泄漏处进入系统氦离子检测质谱仪检测氦气分子信号处理输出泄漏信号和漏率值第十章真空技术的应用领域半导体制造航空航天新能源芯片生产核心工艺模拟空间环境光伏、锂电池生产半导体制造薄膜沉积刻蚀工艺、、等离子体刻蚀PVD CVDALD检测分析离子注入电子显微镜、3掺杂半导体材料XPS航空航天航天器测试热真空环境模拟特种涂层防热、抗辐射涂层材料研发轻质高强材料制备关键部件传感器、光学元件新能源技术太阳能电池锂离子电池燃料电池透明导电层电极材料制备催化剂制备•••吸收层沉积电池组装膜电极组件•••背电极制备密封技术性能测试•••科学研究总结与展望基础理论真空物理学夯实基础设备进步高效、智能、节能应用拓展新材料、新能源、新工艺未来展望纳米尺度真空技术。