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真空技术.docx
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真空技术
1:
AtmosphereandVacuum
1-A.AtmosphereandPressure
Atmosphere:
Agaseousmassenvelopingaplanetorothercelestialbody.Also,thisisthesurroundings,environment,orambientinwhichwelive,andinwhichmachineryandequipmentrun(atmosphereairgasmolecule).Machinery,equipment,people,andotherobjectsareinconstantcontactwiththemoleculesintheatmosphere,applyingcompressingandrarifyingforcestotheatmosphereastheymove.Theseforcesproducelocalchangesinatmosphericpressure,P:
大氣(Atmosphere):
氣體包圍行星或者其他的天體。
同樣,這是我們所生存的環境,以及機器設備運轉的地方(大氣空氣氣體分子)。
機器、設備、人員和其他物體與大氣中的分子不斷接觸,當運動時對大氣施與壓縮和稀薄化的力量。
這些力量使得大氣壓力產生局部變化
P=F/A(pressure=forceperunitarea)(壓力=每單位面積的力量)
Pressureisexpressedinthefollowingunits.壓力以下列單位表示。
1atmosphere(1atm)=1,013hPa=760Torr=1,013mbar=14.7psi(1atm=100,000pascal=1Kg/cm2f)
Supposethatavacuumdevicehasa30cm2doortotheloadlockchamberandtheairinthechamberisexhaustedtoproduceavacuumof,say900kg/cm2.Withthisforceappliedtothedoor,itwon’topeneasily.
假設一個真空裝置有30平方公分的門連接於負載鎖腔體,這個腔體的空氣被排出以產生900Kg/cm2的真空。
以這樣大小的力量施於門,它將不容易被打開。
1-B.CompositionofAir
Atmosphericairconsistsofvariousgases.Thetablebelowliststheseconstituentgases.大氣空氣由各種氣體所組成。
在下表中列出這些成份。
Table2-1CompositionofAir
Gas
Symbol
Content
PartialPressure
Nitrogen
N2
78.08(%)
78080(Pa)
593(Torr)
Oxygen
O2
20.95(%)
20950(Pa)
159(Torr)
Argon
Ar
0.93(%)
930(Pa)
7.1(Torr)
Carbon
CO2
0.03(%)
33(Pa)
0.25(Torr)
Thegaseslistedintheabovetableamountto99.99%oftheelementsintheatmosphere.Otherconstituentgasesareneon(Ne),helium(He),krypton(Kr),hydrogen(H2),andxenon(Xe).Also,airisconsideredtocontain5-50Paofwatervapor(H2O).Thepressureofeachgasiscalledpartialpressure.Thesumofthepartialpressuresisthewholeatmosphericpressure.
上表所列的氣體以包含大氣中元素的99.99%。
其他成份氣體是氖(Ne)、氦(He)、氪(Kr)、氫(H2)和氙(Xe)。
同樣,空氣被認為含有5-50Pa的水蒸汽(H2O)。
每一種氣體的壓力叫作分壓。
分壓的總和即是整個大氣壓力。
1-C.DefinitionofVacuum
VacuumisdefinedbytheJIS(JapanIndustrialStandards)asthestateofaparticularspacefilledwithgashavingalowerpressurethantheatmosphere.Thisparticularspacemaybeconsideredavacuumchamber.Vacuumdoesnotonlyrefertothestatewithoutanygasatall(absolutevacuum),buttoapressureinachamberthatislower(attenuated)thanthepressureoutsidethechamber.Theatmosphereisverythinfarupinthesky.Therearealsoatmosphericdepressions.Theselow-pressureareasarenotvacuumaccordingtotheJISdefinition,buttheyareconsideredvacuuminbroadterms.由JIS(日本工業標準)把真空定義為特定空間狀態,充滿有比大氣壓力低的氣體。
可以把這個特定空間看作真空腔體。
真空不僅涉及到完全沒有任何氣體的狀態(絕對真空),更包括腔體壓力比腔體外面壓力低的概念。
大氣在天空的遠處非常稀薄,也有低氣壓。
根據JIS的定義,這些低壓區域不是真空,但是可概略地看作真空。
1-D.UnitsofVacuum
Thedegreeofvacuumisexpressedinunitsofpressure.Atthistime,severalunits,forexamplePascal(Pa)andTorr,areusedtoexpresspressure,andyoumayneedtoconvertbetweenterms.Notetheexamplebelow.真空度係利用壓力單位來表示。
幾個單位例如帕斯卡(Pa)和托耳(Torr)被用來表示壓力,所以熟悉壓力單位之間的轉變是必要的。
注意下面的例子。
1Torr=133Pa
1托耳(Torr)=133帕斯卡(Pa)。
Pawillbetheinternationalstandardinthefuture.
帕斯卡(Pa)將是未來的國際標準
Torrisusedtoexpresspressurebelow1atm(vacuum).
托耳(Torr)用來表示1大氣壓以下的壓力(真空)。
Table2-2.PressureConversionTable
(Pa)
(Torr)
(kg/cm2f)
(atmosphere)
(mbar)
(psi)
1Pa(=1N/m2)
1
7.5x10-3
1.0127x10-5
9.869x10-6
1x10-2
1.4504x10-4
1Torr(=1mmHg)
1.332x102
1
1.3595x10-3
1.3153x10-3
1.333
1.937x10-2
1kg/cm2
9.8066x104
7.356x102
1
9.678x10-1
9.6067x102
14.223
1atmosphere(atm)
1.0132x105
760
1.0332
1
1.0133x103
14.695
1mbar
1x102
7.5x10-1
1.0197x10-3
9.869x10-4
1
1.4503x10-2
1psi(=lb/in2)
6.8946x10-3
51.715
7.0307x10-2
6.8046x10-2
68.946
1
2:
PropertiesofGas
2-A.Boyle-CharlesLaw
Asubstanceismadeupofmolecules.Thesubstancechangesitsstatewithchangesintemperatureandpressure.Therearethreestates:
solid,liquid,andgas.Boyle-Charleslawexplainstherelationshipsbetweentemperature,pressure,andvolumeofgas.Thevolumeofanidealgas(V)isinverselyproportionaltopressure(P)anddirectlyproportionaltoabsolutetemperature(T).物質由分子組成,當改變溫度和壓力時,物質的狀態會改變。
通常物質有三種物理狀態:
固體、液體和氣體。
波義耳-查理斯的定律解釋氣體溫度、壓力和體積之間的關係。
一個理想氣體的體積(V)與壓力(P)成反比,與絕對溫度(T)成正比。
Theatmosphere(inthenormalstate=0°C,1atm)contains2.68x1019particlespercubiccentimeter.ThisnumberisobtainedusingtheAvogadroconstant(L=6.023x1023particles/mol).常態大氣(0°C,1大氣壓)每立方公分含有2.68x1019個粒子,係經由使用Avogadro常數(L=6.023X1023粒子/莫耳)而獲得。
2-B.Meanfreepath
Gasmoleculesinavesselflyabout,collidingwitheachotherlikebilliardballs,atspeedsdeterminedbytheabsolutetemperatureT(themolecularspeedbythermalenergy).Speedsvarybetween0and3,000m/s.Themeanspeedis454m/s,fasterthanthespeedofsound(331.5m/s).Themoleculesflyaboutinalldirections.Thediameterofamoleculeofairis0.37nm.Thedistanceamoleculetravelsbetweencollisionsvaries.But,onaverage,itis67nm.Thisiscalledmeanfreepathandisrepresentedbytheformula在一個密閉容器中的氣體分子會以一定的速度移動,這個速度的大小取決於絕對溫度T(熱能速度),同時彼此會碰撞就像撞球一樣。
空氣分子的直徑是0.37奈米。
分子會在附近向四面八方飛躍,速度在0到3,000(公尺/秒)之間變化,平均速度是454公尺/秒,比音速更快(331.5公尺/秒)。
分子在碰撞之間移動的距離會有變化,但其平均值為67奈米,稱之為平均自由路徑,可用下列公式計算之,
where
Disthediameterofagasmolecule(m),
P:
thepressure(Pa),andP壓力(Pa)
T:
thetemperature(K).溫度(K)
Themoleculesalsocollideagainstthewallsofthevessel.Theimpactofgasmoleculesinavesselof1cm3againstthewallsamountsto1Kg/cm2or100,000Pa.
除了分子之間的碰撞,分子也會與容器內壁相碰撞。
在1立方公分的容器中,分子對容器內壁的碰撞壓力可達到1Kg/cm2或100,000Pa。
2-C.Gasflow
Tostartpumpingachamberwhichinatmosphericpressurethegasflowsasaconsequenceofamountsofgasmoleculecollision.Thisiscalledaviscousflow.Thegasflowsbyamoleculecollisionagainstinsidewallsoftubewhenlowgaspressure,asameanfreepathislongerthaninnerdiameteroftube.ThisiscalledaMolecularflow.ItiscalledIntermediateflowatthehalfwaystagebetweenmolecularandviscousflow.Itallowsalargeamountofgasflowthatalargeinternaldiameterofatubeandhighdifferentialpressure.開始抽(吸)大氣壓力中的氣體由於氣體分子碰撞的數量淹沒的腔體,這叫作黏滯流動。
當氣體壓力低時,平均自由路徑比管子的內徑更長,氣體依靠其與內牆的碰撞而流動,如此叫作分子流動。
在分子流和黏滯流之間的區域稱之為中間流動,它允許大量氣體流過大內徑和高壓差的管子。
Fig.-1:
Viscousflowandmolecularflow
Note:
Thestate-of-the-artvacuumtechnologyproducesavacuumwithapressurelessthan1x10-10Pa.Thevacuumatthispressurecontains106particlesperliter.Anextensiverangeofvacuumisused-classifiedasshowninthetablebelow.註﹕藝術境界的真空技術以不到1X10-10Pa的壓力產生真空。
這個壓力下的真空每升容納有106個粒子。
下表中將廣泛的真空範圍分類為:
Classification
PressureRange
StateofMolecules
PhysicalProperties
Pa
Torr
LowVacuum
Atmospher-100
Atmospher-0.75
ViscousFlow
Thepressureislow.
MediumVacuum
100-0.1
0.75-7.5x10-4
IntermediateFlow
Themoleculardensityislow.
HighVacuum
0.1-1x10-5
7.5x10-4-7.5x10-8
MolecularFlow
Themeanfreepathislong.
Ultra-HighVacuum
1x10-5-1x10-8
7.5x10-8-7.5x10-11
MolecularFlow
Theincidentfrequencyislow.
3:
ApplicationofVacuum
Vacuumhasthefollowingeffects.Itisusedinalmostallindustrialfields.Vacuumdevicesuseoneofthefourcategoriesoracombinationofdifferentcategories.真空有下列效應,幾乎應用在所有工業的領域。
真空裝置使用下列四個範疇之一或不同範疇的結合。
3-A.MechanicalEffect-PressureDifference(LowVacuum)
Releasingairtomakeadifferenceinpressureproducesavacuum,andthepressuredifferenceisusedasamechanicalforce.Equipmentmakinguseofthiseffectincludesthecommonvacuumcleaner,thevacuumchuck-orvacuumtweezers-forholdingsiliconewafers,andthepressuredifferentialsensor.ThemechanicaleffectofvacuumisalsousedforthewaferproberandthevacuumchuckofaCleanTrack.釋放空氣(以)在壓力中加以區別產生真空,並且把壓力差用作一種機械力量。
利用這個影響的設備包括吸塵器,真空吸盤-或真空鑷子-為握住矽晶片和壓差感應器。
真空的機械效應也用作晶片探測器和CleanTrack的真空吸盤。
3-B.PhysicalandChemicalEffects-Evaporation,Radiation,Convection,Oxidization(Medium-orHigh-Vacuum)
Avacuumreducesthechemicalreactionofoxygen,nitrogen,orwatervapor,oracceleratesevaporationofaliquid.Avacuumalsohasaheatinsulationeffect.Thethermosbottlemakesuseoftheheatinsulationeffect.Theincandescentlamp,awell-knowninventionofEdison’s,usesvacuum,too.Oxygenisremovedfromthebulb,andthispreventsthefilamentfromburningup.VacuumsareusedasthebackgroundpressurefortheCVD,theetcher,andthePVD.真空減少氧氣、氮或水蒸汽的化學反應,或者加速液體的蒸發。
真空也有熱絕緣的效應,保溫瓶就是利用熱絕緣效應來達到保溫效果。
愛迪生的著名發明,白熾燈泡也使用真空把氧氣從燈泡移走,以防止燈絲氧化燒毀。
真空用作CVD,Etcher和PVD的背景壓力。
3-C.DischargeEffect-(MediumVacuum)
Amediumvacuumproducedbyreplacingairwithothergasorvaporaidsinglowdischarge.Thistypeofdischargeisrelativelystableandeasytocontrol.Examplesofdevicesthatmakeuseofthiseffectarethedischargetubeandthefluorescentlamp.Itisalsomadeuseofinthin-filmgrowthsystemssuchasthesputtersystemandchemicalvaporgrowthequipment.用其他氣體或蒸氣代替空氣產生的中度真空會幫助光輝放電。
這種類型的放電是相對地穩定和控制起來容易。
利用這種效應的例子有放電管和螢光燈,它也被利用在例如濺鍍系統和化學氣相沉積系統中。
3-D.Free-SpaceEffect-(HighorUltra-HighVacuum)
Toproduceavacuummeanstoreducepressure.Whenapressureisreduced,thenumberofgasmoleculesisreduced,andthatenablestheparticles(atoms,molecules,electrons,andions)tomovefreelywithoutcollisionwitheachother.Thedevicesusingthiseffectincludetheelectronicvacuumtube,thecathode-raytube,theparticleaccelerator,andthevacuumplatingsystem.ItisalsousedfortheFIBsystemandtheionimplanter.產生真空意味著降低壓力。
當減少壓力時,氣體分子的數目減少,並且允許粒子(原子、分子、電子和離子)彼此間沒有碰撞地自由運動。
使用這個效應的裝置包括有電子真空管、陰極光線管、粒子加速器和真空電鍍系統。
也用作FIB和離子植入機。
3-E.Clean-SurfaceEffect-(HighorUlt
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