这是 http://www.mse.nsysu.edu.tw/~kyhsieh/vacuum/chapter1-3.doc 的 HTML 档。 简介 科学家Galielo是第一位利用活塞的方式在地球上产生接近真空的人士，他的发现 不到几年Torricelli发明了水银压力计(1643)，紧接者在1650年von Guericke 发明了人 类第一个帮浦。至此以後人类对於如何减低压力，并保持在低压力的研究便停顿了将近两 百年。这种沈寂一直到McLeod 发明了压缩式的真空压力计，才被打破而且整个研究发明 开始活络起来。在 1905年Gaede设计了旋转式的帮浦，所用了封闭液体不是油而是水银， 至此以後热电偶式的压力计，扩散帮浦，离子式压力计，以及液态氦的制造都随着真空技 术被改进之後逐渐衍生出来，表一为真空技术演进的一个大事记，从该表我们可以大约明 白真空技术演进的过程。从爱迪生电灯泡的钨丝在真空里可以延长寿命以及到太空人在真 空的模拟环境模拟外太空的实验说明了真空技术已经与人类文明的历史有紧不分开的关系 了。 真空基本的定义是指有一空间内的气体分子利用外力将其移走，使其气压小於一大气 压，则此时该密闭空间内之物理状态称之为真空。事实上我们知道想将所有气体分子移出 空间之外是一项不可能的事，气体移出量的多寡，决定在我们使用何种方法，而且在应用 上也随着需求而有所不同。在一个大气压力下，物件的表面不断受到气体分子的撞击，这 些气体分子有些可能在撞击後便反弹离开表面，有些则是吸附在物件表面上，更有些是与 物件表面发生化学反应。 在一个大气的环境下，一个物件的表面，在很短的时间内，便会遭受无数多个的分 子的碰撞，因此不管多乾净乾净的物件表面很快的便会被污染，所以通常我们所谓认定的 乾净表面，必须是在一个超高真空的环境之下，且在恨长的一段时间内没有额外的分子吸 附其上，如此才能说是乾净的表面。在大气压力下，气体分子是非常的拥挤，气体行走时 就好像在一个挤满人潮的广场一般，随时与他人碰撞。倘若有一个空间其压力是在大气压 的状态之下，则其内部的气体分子从一个内壁行走置另外一个内壁时，不可避免的将会与 其他分子做碰撞，反之若将该空间的压力降低，则分子间碰撞的次数将会降低。这样的一 个改变会使得一些实验可以进行，例如我们蒸镀金属膜，在高真空之下，金属的原子在行 进过程中不会与其他分子作用，因此到达目的地时，金属原子依旧保持原特质，同时蒸镀 速率也不会下降，另外在溅镀实验上，惰性气体或是反应气体在游离後必须行进一段距离 ，藉由增加能量以致於可以用来布植或是溅射物件表面。除此之外在分析材料的实验上， 真空环境的存在，有利於物件表面被撞击而出的电子或离子有足够的时间可以达到接受器 以便做下一步的分析，这也就是为什麽一般材料分析仪器必须在真空环境下才能进行的原 因。 真空程度的分野与需求决定在应用的程面上。为了方便起见我们将真空的范围区分 为几个区段。表二是一般真空的区分表，在半导体常见的低压薄膜成长，以及雷射蚀刻实 验都是在低真空的环境下完成，而一般常见的溅射，电浆蚀刻或是沈积以及CVD等等都是 在中等真空环境下进行，至於若要有关於电子显微镜的分析，晶体成长，电子束微影术则 真空环境就要求更高了，倘若想进行材料表面分析或是进行高纯度的薄膜成长则真空度则 是要求超高真空的环境。总之真空的要求来自於你的应用要求，若是不想因周围外在分子 影响你的结果，真空环境变成你控制品质的一个重要参数。 一个真空系统往往结合了数项组件，它必须包含帮浦，阀门，管路等项以便可以形成低压 的环境。将气体分子由腔体内转栘致腔体外的方式，通常都是利用位移式的帮浦，也就是 说该帮浦的功能是将分子由一个区域移动另一个区域。常见的的帮浦如旋转式和活塞式的 机械帮浦，该种帮浦所抽到真空的极限在於10-1至10-3 Pa之间，当真空度要求比这个更 高时，不同种类的帮浦必须相互配合才可达到符合所求，有几种帮浦可以搭配上面的机械 帮浦而使得系统可以达到更高的真空程度，扩散帮便是第一个常见的高真空帮浦。扩散帮 浦如同机械帮浦是一种位移式的帮浦，但是它无法工作在大气环境之下，换句话说它的工 作范围无法从大气压力一直持续至高真空范围。第二个常见的高真空帮浦则是涡轮分子帮 浦，该种帮浦就没有扩散帮浦的限制，它可以在低真空的条件下运作。这两种帮浦其气体 排放口的压力必须在0.5至50Pa之间，也就是说该气体排放必须进入机械式帮浦的进气口 ，所以习惯上当机械式帮浦与这高真空帮浦的组合时，我们称这机械式帮浦为backing pump 或是fore pump 。假如扩散帮浦或是涡轮式分子帮浦其抽气量够大的话，在这两种 帮浦之间会加上一种lobe blower，藉此加快抽气的速度，尤其当压力降到不高不低的范 围内时，这样的组合会增加抽气的效率。 除了位移式的帮浦可以用来减低腔体内的气体分子之外，另一种气体捕捉式的帮浦 也可以达到同样的效果。所谓捕捉式的帮浦顾名思义便是该种帮浦是将气体捕捉，使其欲 被抽真空腔体内的气体逐渐减少而达到真空的效果，捕捉气体的原理不外乎是将气体给予 冻结使其无法移动，或是与气体分子反应形成固体，要不然便是将气体藉由高压的加速作 用，最後埋入金属内部。捕捉式的帮浦通常都使用在高真空的环境，而不使用在由大气压 进入低真空的阶段，原因很简单因为高真空的环境下，其分子数远比低真空下来得少，对 於捕捉式的帮浦其寿命可以增长许多，否则当捕捉式帮浦内部的捕捉量到达饱和时，该功 能将会消失。 空气是在所有系统在抽真空时，最常碰见的气体，事实上它是无所不在。空气的成 分若加以分析，将发现起码有十二种不同原子在内。每一种原子占的比例不尽相同，表四 所显示的资料乃是一个乾燥的空气在海平面的高度下所测得结果。数据显示空气中以氮气 的比例占最大部分。一大气压力为101,323Pa时，氮气的分压为79117Pa。在此处我们并没 有将水气的分压考虑进来，因为水气的压力会随着温度不同而有所变化，例如在室温20C ，且湿度为50%时，水气的分压为1165Pa，若与表二来做比较，则发现其分压比是占第三 位。 大气的压力随着与地球的表面高度的不同有很大的变化，图1乃是其压力与高度之 变化图。当我们针对一个腔体进行真空抽取时，当压力降至10Pa时，材料表面所溢出气体 分子的速度可能会比腔体内原有的气体由帮浦抽出去的速度还要快，如此一来，若帮浦的 抽气速度无法增加，则该系统的压力将会达到一个极限，除非我们改进帮浦，否则该腔体 的压力将会无法更动。然而在考虑更换帮浦之前，我们也必须对於制造腔体所使用的材料 做一考量，换句话说选择一个溢气量不高的材料以及小心处理连接点的连结技术也可以解 决一个腔体无法将真空降的更低的问题。 真空常用之单位 由於真空是一种压力状态，因此其单位与压力之单位相同，而压力的定义为每单位 面积所承受之力，故其单位为力/面积。以下便是各种力的单位表示 一、M.K.S. 制为Newton/m2,定义为1 pascal=1 pa=1 Newton/m2 二、C.G.S. 制为Dyne/cm2，定义为1 bar=1x106 Dyne/cm2 三、F.P.S. 制为Pound/in2(PSI) 四、1 Torr=1/760 atm=1mm Hg 早期常以Torr 或mbar为真空单位,但目前各种物理量又逐渐以SI单位(即MKS)为标准单位 之趋势，因此真空单位将慢慢改用pascal为标准单位。表参乃是一般真空常用单位之换算 表 第二章 气体特性 由於压力的表现出自於气体对於物件表面撞击後其动量的一个时间变化的表现，因 此气体的运动速度以及气体的质量直接会影响到压力之大小，所以在了解真空相关技术之 前，我们必须对气体的特性作一番了解，如此以後对於後面所谈到的压力量测或是相关真 空的技术都会比较容易明了。 气体的动力论建立在几个基本假设性之上，首先气体是由许许多多的分子所组成。 在压力为105Pa时，在体积为一立方公尺且温度为22C的条件下，其所包含的分子有 2.48x1025个,当压力降至10-7 Pa时，则其分子数则减少制2.5x1013个。第二个基本假设 是分子与分子间的相隔距离远大於单独分子自身的直径。倘若在一大气压下，我们可以将 气体分子暂时冻结，则分子与分子间的距离大约是3.4x10-9 m。而一般分子的直径约在 2x10-10 至6x10-10 m之间，所以它们之间的分开的距离大约是其直径的六到十五倍。第 三个假设是分子一直是保持等速运动，其运动方向与其运动速度几乎涵括所有的可能性。 最後一个假设则是分子与分子在碰撞时，相互之间并没有作用力。在这基本的假设上我们 可以认定分子是均匀分布在整个空间而且在碰撞前与碰撞後都是以直线运动，许多重要的 气体特性便是根据这基本假设衍生而出。 分子运动速度之分布 分子与分子的碰撞在理想气体中，是以一种弹性碰撞的形式进行，不仅能量守恒， 动量也会守恒。分子的运动速度在先前我们曾指出可以具有任何速度，但是拥有该速度的 分子数确未必相同，换句话说分子的运动速度对应其分子的个数呈现出Maxwell and Boltzmann的曲线分布 其中m为分子的质量，而Ｔ为绝对温度。Ｎ为分子的总数，k则为波兹曼常数。图2.1为空 气在不同温度下其分子数与其相对应分子速度的机率分布图数据图。由该图我们发现分子 中没有速度为零或是无穷大的，而该曲线的峰值所对应的分子速度是温度的函数。该曲线 的峰值所相对应的速度为，该速度表示最有可能出现的分子速度是由该气体所在环境的温 度所决定。此外尚有二种分子运动速度的表示法，一种为平均速度也就是乘上，另一种则 是均方根的速度，也就是，这三种分子的运动速度差异性在於如何求取的方法不同罢了， 其物理意义有所不同。在图2.1中我们知道速度与温度有关系，当温度升高时，显然速度 的分布曲线也会跟着改变，原本的峰值位置开始往高速度的方向移动，同时曲线开始变得 较宽。假设我们在同一温度下对於不同质量的分子作图（图2.2），将发现分子的平均速 度正比於，而当温度加或是分子质量变小时，则分子的速度增加而且碰撞的频率增高。 能量分布 分子具有的能量可以由前者所得之速度来反求，其能量分布图图2.3表明的很清楚 。特别要注意的是该能量平均图与分子的质量毫无关系，仅与温度有关系。 平均自由行程 气体分子运动时是采取随机运动，它并无任何特定的方向，，加上每一个分子其质 量都不相同，速度也不一致，因此每一个分子在与下一个分子碰撞前所走的距离都不尽相 同。为了简单起见，我们采取平均自由行程的方式，根据动力学理论，平均自由行程可以 写成 其中do为分子的直径而n为气体密度，很明显的平均自由行程与气体的密度大有关连。假 如现在将温度固定，则平均自由行程则与压力有关连。例如空气在室温时，其平均自由行 程可以写成 其中单位为公厘而压力单位为pascals 粒子通量 粒子通量观念的了解,有助於了解气体的流动，气体被抽取或是气体的蒸镀。根据 动力学理想气体穿越过单位面积的粒子通量可以写成 其中n为粒子之密度,而v为平均速度，将前面的平均速度带入上式,则得 显然的粒子的通量正比於粒子的密度以及T/m的平方根。 单层分子厚度形成时间 若有一表面想藉由入射分子来形成单层厚度所需的时间，决定在入射粒子的通量以及粒子 黏在表面的系数。如果黏滞系数为一，则想再单位面积d2上成长厚度为一单分子厚度薄膜 的时间为 这样的一个公式可以给我们概念，那就是在某种压力以及温度下，我们可以很快知道要形 成一分子厚的薄膜其时间有多长，这对於薄膜成长的参数世相当有帮助。 压力 压力的定义来自於单位面积受到多少动量的变化。而该动量乃是由气体分子所携带而来。 一个气体分子若与入射平面的法线夹角入射，则其动量的变化量为。若再将所有可能入射 的角度做一个积分,则压力为 分子的总能量又与温度有关连 最後得理想气体方程式 该压力的单位请见表三。 气体定律 在气体分子数目固定之下，影响气体压力的最主要的因素有二，那便是体积以及温 度，针对这两个变数我们可以得出下面数个气体定律 波义耳定律(Boyle’s Law) 在1662年Robert Boyle发现了气体，在温度固定时，一定量气体所产生之压力与体积 成反比 即 查理定律(Charle’s law) 法国化学家Charles在1787年发现气体当体积固定时,一定量气体所产生之压力与温度成正 比 即 道尔吞定律(Dalton’s Law) Dalton在1801年发现一个混合气体的总压力等於每个每个单独气体其分压得总和 即 或是 亚弗加厥定律(Avogradro’s Law) 1811年Avogadro 观察到气体在固定温度与体积的条件之下，气体的压力大小与气体分子 的数量成正比，其关系式如下 在标准温度与压力之下（STP）数量为6.02252x1026个的气体分子，其体积为22.4136立方 公尺，我们俗称一莫耳。 综合气体定律(General gas Law) 将上面几个气体定律可以整合成下列关系式 气体的基本传输行为 由於气体在碰撞之後会有动量以及能量的传递行为，因此气体分子的多寡间接影响 上两者的物理特质，尤其是当气体被局限在一空间之内，气体分子撞击腔体内壁，其热量 的传递取决於分子的数目以及与腔体碰撞的形式。在一真空腔内，若气体之平均自由行程 ，比该真空腔之直径（或是其最大空间d）为小的话，则此时气体分子在位撞击腔壁时， 会与其他气体分子作碰撞，则气体在流动时会受到阻力，此时真空腔内之真空情况称之为 黏滞流状态，反之若平均自由行程大於腔体直径，则称之为分子流状态。在黏滞流状态下 ，气体分子将较容易与其他气体分子碰撞。而在分子流状态下，气体分子不易与其他气体 分子碰撞，反而是比较容易在腔体器壁间反覆碰撞。 热传导 黏滞流状态，气体分子多，撞击器壁之分子相对较多，器壁间之能量可藉由气体之 间来传送，很容易由一器壁传至另一器壁。在此情形下，热传导行为与气体压力无直接之 关系。在分子流状态下，器壁间能量之传递，纯粹由单一气体分子传递，因此与气体分子 数目有绝对之关系。换句话说在分子流状态下，能量传递之行为与气体压力成正比。气体 压力愈大，热传愈大，气压愈小，热传愈小。这便是真空隔热原理的依据。 当两个腔体具有不同的温度，其间利用管路将其串接，倘若其气体的平均自由行程 远小於管路的直径则这腔体的气压会保持一样而其气体密度如下 不过当平均自由行程远大於管路的直径时，则气体通过管路的通量必须遵守下面之式子， 当达到平衡後则两边的压力比乃是 这两个关系式通常被用来计算腔体的压力，例如有真空炉其内部的压力，当量测时其其压 力计所置放的位置并非在炉子内部而是在远离炉子外，如此一来所得之压力读数就必须经 由这样的修正，同样的对於Cyropump的压力读数也是要经由这样的修正。 气体与材料表面的作用 气体分子抵达材质表面後，由於气体分子所具有之能量，入射角镀，以及材质表面 温度，粗糙度等诸多因素之影响，会产生很多不同之结果，大致可分为下面几种情形，第 一种情形是分子到达材质表面，马上由材质表面反射而出，没有能量交换，而且入射角等 於反射角，该情形称之为完全弹性碰撞。第二种情形为有部份能量交换，该情形称之为部 份弹性碰撞。第三种情形则是气体分子到达材质表面後便停留在其表面上未有任何动作。 第四种方式为气体分子撞击表面後，不停留在接触点上，而在表面上漂移或是跳跃，接下 来就有可能下列情形发生 移动一段距离後，离开材质表面。此种情形由於气体分子与材质凹凸不平的表面相互碰撞 ，以及两者间之能量交换，都是非常复杂的情形，因此气体分子离开材质平面之角度与入 射角度，没有任何关系‧此情形称为非弹性碰撞。 移动一段距离後，陷入材质表面之缺陷(defect) 中，而不再移动。 移动一段距离後，停留在一适当位置上，而不移动。此适当位置，一般称为衍生位置，， 陷入缺陷中之单一气子，会因其他气体分子之抵达而逐渐形成分子堆，直至堆满整个缺陷 後，最外层分子才有可能因後到之气体分子碰撞而离开。但停留在衍生位置之气体分子， 却可能受另一个气体分子碰撞而离开，也可能两者皆停留在该处，而逐渐产生分子堆。分 子堆逐渐变大则形成岛状结构，再逐渐扩大，岛状结构将逐渐互相连结，而形成连续结构 ，也就是薄膜之形成。 移动一段距离後，将已形成或形成中之岛状结构撞碎，也可能加入岛状结构使之扩大。 第五种可能性是与材质表面分子起化学作用（如：氧化作用等），而成为材质之一部份。 最後一种情形则是能量大之气体分子，可能扩散入材质表层，或暂时存在那儿，或与材质 分子起化学作用，而变成材质的一部份。暂存者会因真空腔之真空度提高或以高温而重新 逸出。 滞留系数 当气体撞击到材料表面，除了有动量传递也有可能发生能量转移，式子，定义为滞 留系数，其中Ti为分子入射前的温度，Tr为分子反射後的温度，而Ts为材料表面的温度。 该系数显示气体分子与材料能量转移的关系，若分子入射前与反射後的温度不变，则表示 气体分子并没有与材质表面作任何热交换的行为，此情形我们称之为弹性反射，反之若气 体分子在反射後期温度与材质表面的温度相同，则代表气体在入射材质表面後,在很短的 时间内便已经与材料表面达成热平衡，一般而言滞留系数的值介於0与1之间。 如何使附着气体逸出 无论是存在於缺陷中之气体，或气体薄膜，或扩散入材质而暂存者，当真空度逐渐 提高时，会慢慢逸出而影响真空度，因此欲达理想真空度，需将该些气体尽早赶出。一般 可加高温，促使附着气体能量增加而脱离‧亦可用离子或光子撞击之方式，将之驱离。 气体的流动 在真空技术中，我们所面临的第一问题便是将气体区离真空腔，因此气体的流动特 性，势必要有所了解，尤其是真空系统会附加许多管件以便接连帮浦，管件的口径大小， 以及真空腔的几何形状都会影响到抽真空的速率。在此章节我们将介绍气体流动的特质， 以及一般如何计量气体的流动速度或是帮浦的抽气速度等等。 气体在一管内流动时，很自然的会与管壁有所碰撞而产生阻力，而描述气体流动的 特质我们常常用Knudsen number 以及Reynold’s number来标注。Knudsen number乃是气 体的平均自由行程与管件直径大小的比值（如），而Reynold’s number 则是气体在管件 内流动，其流速与管件直径和气体的密度乘积与气体黏滞系数的比值而来（如），该值用 来标明气体相对的流量。当Reynold’s number 大於2200时该气体是以乱流方式流动。在 高压力的情形下，气体的流动乃是以乱流的方式出现，也就是前面章节所说的滞留流。气 体流动的速度愈接近管壁附近其速度愈慢，甚至管壁的粗糙给予气体分子莫大的阻力而造 成区域性的回流，倘若当压力逐渐降低後，分子的平均自由行程增大，大到大於管件的口 径，其Knudsen’s number >1而且若Reynold’s number<1200此时气体分子的流动就属於 分子流。对於滞留流而言气体流动的阻力绝大部分来自乃分子间的碰撞，而分子流则是分 子与管壁碰撞为整个气体流动最大的阻力，在分子流与滞留流中间有个过渡区，其阻力则 是两者均有存在。 气流通量 在单位时间内，通过管路特定洁面之气体数量，称之为气体之气体通量。其单位为 torr.l/sec,std.cc/sec,pascal.m3/min......等。此量又称之为gas flux rate。因为气 体的数量，我们是用压力乘体积来表示，因此气体通量Q，又可以定义为 而V/t即为气体的容积流率，亦可将之视为帮浦之抽气速率，故Q=PxS。因此又有人将帮浦 的抽气速率定义为气体通量Q与压力P之比值。气流的通量对於一个真空系统的设计是一个 重要参数，尤其是用来决定何种帮浦可以在多少时间内完成所指定之真空度。 真空帮浦的抽气能量 帮浦的抽气速率是指真空帮浦每单位时间所能排出之气体体积，但并非真正之气体 数量。在帮浦的近气口处，每单位时间所排出之气体数量，我们称之为该帮浦之抽气能量 Pc 亦即帮浦之抽泣能量为帮浦之抽气速率乘以压力。此才是真空帮浦於单位时间内， 自真空腔体内抽至外界之气体数量。换句话说倘若有一真空腔体刚开始是处於大气压状态 ，当有一帮浦进行抽气时，起初的排气量非常大，因为压力大的缘故，一旦腔体压力减小 了，虽然帮浦的抽气速率不变，但是其其排气量开始降低，因此腔体的压力从大气压力下 降至低真空是很快，但是接下来则若是想进入下一阶段的真空环境，则需要花更多的时间 才能到达。 气导与气阻 若一真空管路中，其连接的各个真空元件，及管路与各真空元件之焊接处，皆无逸 气、漏气等气体产生之情形，则在管路中之任一截面，其气流通量应处处相等。假设管路 中之两点1及2，其气流通量、压力及排气速率分别为Q1,Q2,P1,P2,及S1,S2,则我们可得 但在任一管路中，由於真空元件之不同，管路表面粗糙度之不同………等因素，在管路中 任两点之压力P1及P2，并不会相同。若P1>P2，我们定义气导Ｃ， 亦即我们可以想像气导的定义为：在理想之情形下，每单位压力差下之气流通量‧其单位 元为体积／时间，与抽气速率相同，在同样长度之管路，若气导较大，因气流通真相同， 代表两端点之压力差较小，管路较理想化，气体的流动情形较一致‧相反地，若气导较小 ，代表气体的流动情形较不理想，对气体的阻抗较大‧我们定义气阻Ｗ， 其单位元为时间／体积。 由於气导与抽气速率有根同之单位，我们可以想像，在一管路中气导愈大，接於其 一端点之帮浦，可拥有较大之排气速率‧相反地，若气阻较大，则相对地排气速率会较小 。 真空腔体在组装时一定会牵连到管路的组合，若相连的管路口径不一致时，则气体 的流通，一定会受到影响，此外真空系统所使用的帮浦大部份都会有两种形态以上的组合 ，因此管路的连接方式都会影响到抽气的速度。当不同的腔体相串结时，若共用一组帮浦 或是不同帮浦但抽气位置不同，我们如何去估量该真空系统的抽气速率为何？尤其是帮浦 的抽气速率已经知道的话，需要多少时间才能达到当初设计的真空需求？若要解决这个问 题，我们必须了解气体管路在连接时其气阻的计算方式。 气体管路之种种现象，也许因平常较少接触，我们较不易理解。但对电路，电流Ｉ 、电阻Ｒ以及电压Ｖ之间的关系，我们是很容易接受的，即 I=V/R 事实上，电压即电位差。我们将气体管路之各项因素与电路之各项因素相比较，我们可以 发现，气体管路中之Ｑ相当於电路中之I，P1-P2相当於V,W相当於R，因此，我们可得或是 （见图3.1）。当管路串连时其气导及气阻就如电路串联时其电阻为 同理，串联气体管路之总气导及总气阻(见图3.2)，分别为 同样的当电路并联时其总电阻为 因此并联的管路其气导和气阻（见图3.3）就可以写成 图3.1 真空管路与电路之比较图 图3.2 管路串联与电路串联之比较图 图3.3 管路并联与电路之比较图 第四章 真空元件 真空技术所讨论的项目，包括真空帮浦、真空计、真空元件、真空材料等等，其项 目包罗万象。在了解气体的特质之後，往後的章节我们将针对比较实物的专题做介绍。我 们介绍的流程将先以真空帮浦为出发点，随後讲解压力计，然後将提到真空的附属零件， 例如管件零件，管件接头，电力及侦测器的Feedthrough，接下来将会提到一般利用真空 技术进行薄膜成长时对於薄膜测厚度的量测仪器，最後将会提到一般真空腔体的测漏技术 ，其流程以下图表示 4.1 真空帮浦 真空帮浦是所有真空技术中最重要的一环技术，因为真空帮浦担任将真空腔体内之 气体排除至腔体之外的责任，由於不同的真空帮浦因其作用原理不同，所以其排气的极限 都有所不同，通常一个真空腔体其真空程度的要求会因应用的层面不同,所以往往需要多 重不同帮浦的组合。虽然帮浦有多种形态，但是他们之间有一些共同常用的术语，我们先 了解这些术语之後再来一一对不同的帮浦做仔细的介绍 4.1.1 帮浦的重要特性 抽气速率(pumping speed) 单一帮浦的抽气速率，是指该帮浦於正常运转下，单位时间内，通过进口截面的气 体体积。因此帮浦抽气速率之单位应为：体积／时间。经由理论推导，亦可得知： 抽气速率(pumping speed,s)=气体通量(throughput,Q)/压力(pressure,P) 於抽气过程中，逢到帮浦之终极压力时，抽气速率会急速下降。帮浦出厂时，制造厂商所 给之抽气速率是指於进气口截面所量得之抽气速率，称为量测抽气速率9measured pumped speed) 但由於帮浦与真空腔间，通常有一管路存在，因而帮浦对真空腔之真正抽 气速率必不同於量测抽气速率，此真正之抽气速率称为净抽气速率（net pumping speed ）。量测抽气速率与净柚气速率闲之关系如下： 或 Sn 为净抽气速率 Sm 为量测抽气速率 W 为管路气阻（impedance） C 为管路气导(conductance) 终极压力(Ultimate pressure 或Lowest pressure) 所谓帮浦的终极压力，是指该帮浦所能抽到的最低压力（或最佳真空度）。影响帮 浦此项特性的因素有三： 帮浦本身之密闭性。 帮浦所使用液体之蒸气压。 帮浦结构（包括设计理念及材料本质）之差异性。 抽气能量 帮浦的抽气速率是指真空帮浦每单位时间所能排出之气体积‧但并非真正之气体数 量。在帮浦的进气口处，每单位时间，所排出之气体数量，我们称为帮浦的抽气能量Pc 亦即帮浦之抽气能量是帮浦的抽气速率乘以压力，此才是真空帮浦於单位时间内，自真空 腔内抽出之气体量。 有效压力范围(Effective pressure range) 到目前为止，还没有任何一种帮浦，可以直接将真空腔内之压力，从一大气压力抽 至超高真空或是极高真空，每一种帮浦只有在特定的压力范围，其抽气速率和抽气能量才 被认为是有足够效益的，此特定的压力范围，称为该帮浦的有效压力范围。 排气压力(Exhaust pressure) 使用压缩或动量转移方式抽气的帮浦，必须将所抽气体排至帮浦外，但有些帮浦能 将气体排至大气压力，有些则否。每种帮浦排气口所需面对的压力，称为该帮浦之排气压 力。吸附性帮浦则不需考虑其排气压力。 4.1.2 真空帮浦之分类 帮浦的分类原则上以帮浦对於欲将排除的气体或液体做何种方式的处理来区野，倘 若是将该气体或液体由一处转移至另一处，我们称之为转移式的帮浦，倘若是将气体或液 体让帮浦本身给予消耗掉则称之为吸附性的帮浦。前者是用来针对大量的气体或液体，通 常用在由大气压至高真空使用，而後者则是针对超高真空，当然也有吸附式的帮浦可用来 处理大气，不过这在後面将会提到。 4.1.3 转移式帮浦（Transfer pump） 这类的帮浦有多种形态，计有Water ejector pump, piston pump ,Ventri pump, Rotary pump, Turbomolecular pump,diffusion pump等等，其中water pump 与piston pump用於抽水居多，其原理不外乎是利用一个压力将水由一端赶到另一端，图4.1与图4.2 为其简图，water pump 其终极压力约在10 Torr，而活塞帮浦其终极压力视活塞在经过几 次抽动之後其活塞两个阀门之间的体积来决定，其公式如下 其中P为起始的压力,Pn为活塞经过n次上下运动後的压力，VＡ为腔体的体积,VB为活塞两 阀门之间的体积，其终极压力为 图4.1抽水帮浦简图 其中Vd乃是指活塞在两阀门之间当活塞达到最低点时所拥有的体积（请见图4.2） 图4.2、活塞帮浦之简图 图4.4Ventrui pump之实际工作图 图4.3Venturi pump之组件 至於Venturi pump乃是利用百努力定律运作的帮浦，也就是当流速高的地方其压力 比较小，图4.3及图4.4便是该pump之示意图。Ventrui pump 用在做粗抽时是很不错的帮 浦，它可以节省许多时间及经费，只要用一高压气体流过，在腔体将可以达到粗真空的需 求，速度可以很快，然而其真空程度有限，在图4.4中，腔体的大气可以先由Ventrui pump 先抽，乃後再由吸附式的帮浦将真空抽的更低，这种组合可减少吸附式帮浦的液态 氮使用量，同时也降低抽气成本。在日常生活中我们也可以看到这样的帮浦，那就是若家 中购置水床，当水床充满水之後，你想将水床的水从水床内移走，你可用类似Venturi pump的结构，接上水龙头让水一直流，间接将水床的水带走，这也是Venturi pump的另一 种表现。 Rotary Vane Pumps 图4.5 Rotary pump工作原理之示意图 这种帮浦可以说是目前最常见的帮浦，同时也是一般真空系统中用最多的帮浦。这种帮浦 式式属於一种利用帮浦由来作机械润滑以及真空密合的帮浦，其抽气真空的范围从一大气 压到10-3 Torr，其抽气速度超过200 m3/hr以上，至於其旋转速度可高达2000rpm以上。 Rotary pump 的工作原理请见图4.5。轴心带动转子，气体从右端口进入，转子具有有两 个vane靠着中间的弹簧往外顶，紧紧靠住帮浦的主体，藉此区分两个不同的空间，由於转 子未在帮浦主体的正中间，因此配合两个vane的阻隔会形成一特殊类似弯月的空间，随着 转子的旋转，vane也跟着旋转因此由右端口进入的气体会不断被挤压然後从左端送出。这 中间的密合以及转子和vane的润滑全靠帮浦油,同样的其所产生的热也一并由帮浦油所负 责带走。 图4.6及4.7 显示一般常见Rotary pump的外貌以及其内部构造 图4.6 Rotary pump 的外貌图 图4.7 Rotary pump 之剖面图 Rotary pump在动力的传输上可区分直接动力（如图4.6）与间接动力两种，前者是马达的 转心与Rorary pump的转心直接相连，这样的组合转速较高，抽气的效率也高。後者则是 马达藉由皮带带动pump，早期的Rotary pump都是采用此式，因此皮带的松紧对於抽气的 速度大有影响。 图4.8二次排气之Rotary pump Rotary pump在排气的程序上可区分第一阶段排气与第二阶段排气，一般常见的 pump都只有一次的排气，也就是说气体进入pump之内，随即就被送到大气，但是若是若将 第一次的排气再送入另一个pump的入气口，这样的过程称之为第二阶段的排气（见图4.8 ）。这样的组合其最大的好处在於能够提升Roatry pump的终极压力，同时也会加快排气 速度，图4.9为一阶段排气与二阶段排气之Rotary pump其抽气速度之比较图，很显然的二 次阶段排气的pump效果较好。 图4.9一次排气与二次排气Rotary pump 其抽气速度之比较 当大量的水气,或是一些溶剂的分子被抽气至帮浦之内，由於其体积被急速压缩，因此很 容易凝结，这些凝结物很容易留在帮浦之内，尤其是当排气阀门打开时，这些凝结物不易 被排出，一旦该凝结物增多便会与帮浦油混合，帮浦油受到污染，其润滑性以及密合性随 之降低，久而久之，整个帮浦的终极压力也随之下降。为了解决这个问题,一般的Rotary pump 会额外增加一个gas ballast 阀门，这个阀门的作用乃是让操作者故意将气体引入 （见图4.10），企图加剧帮浦的排气动作，藉此运作将凝结物排除，这个阀门打开时，帮 浦的抽气速率会下降，因此它不是永远打开的，而是当发觉帮浦抽气效果不佳时，或是周 期性的打开，如此改进帮浦的运作效率，同时也延长帮浦油的使用时间。另外gas ballast阀门也可用来判断帮浦油是否受到污染，当我们将gas ballast阀门打开之後，帮 浦进口处的压力下降，随後再将gas ballast阀门关闭，若经过一段时间发现帮浦进口处 的压力回升，则代表该帮浦由已经受到高蒸汽压的杂质污染了。 图4.10 gas ballast 阀门之示意图 Rotary Piston pumps 该种帮浦用来处理大系统的真空腔体，其体积可以相当庞大，而且非常牢固，它的 抽气动作纯粹靠活塞的滚动(见图4.11中之标明为2之处)将气体压缩然後排出。由於该种 帮浦其活塞并没有vane，其活塞与腔壁有某程度的间隙，因此该帮浦可以忍受较大的颗粒 ，这是前着Rotary vane pump所不行的地方。此外该帮浦也如同前者一般可以有多种组合 ，通常它与lobe pump结合，可以加快抽气速度，同时它也可以有多次阶段排气的装置。 图4.11以及4.12为该帮浦的示意图及抽气速度之数据图。 图4.11 Rotary piston pump 之外貌图 图4.12 Rotary piston pump 之抽气速率数据图 由於Rotary pump都是使用帮浦油当作密合作用，所以整个帮浦内部充满帮浦油。帮浦排 气时，气体会与油气结合送到大气，所以可能造成油气污染。一般的Rotary pump的废气 口都会加上一个过滤器将油气降低，倘若没有加上过滤器,则是将废气口接上管路，将废 气排往安全的地方。一般在加上废气管时要特别注意，该管路不能垂直外接，必须有所转 折，其原因是排出的油气会因温度下降後凝结回帮浦油囤积在管路内，倘若管路时垂直连 接,则这些废油可以回回流至帮浦之内,造成污染，这样的常识对於使用Rotary pump的使 用者是不可不知的。 Dry pump 一般的Rotary pump 需要有帮浦油来协助密合以防止被抽出去的气体再度回流腔体 ，然而当腔体的压力很低时，而且帮浦的终极压力已经到达，则此时帮浦油本身的蒸汽压 有可能会回流到腔体，造成腔体的油污染，为了避免这种污染，一种不需要利用帮浦油来 密封的帮浦便应运而生，这便是俗称的dry pump。Dry pump包括lobe pump, sorption pump,claw pump，下面便是针对这些帮浦做介绍 Lobe pump 该种帮浦其特点乃是具有极高的抽气速度，它可以结合rotary vane pump 或是 rotary piston pump。该帮浦在IC的制造线上用的最多，因为在IC产业上常常需要工作环 境在0.1 到10 Torr的环境，而且是大空间的环境，唯有该帮浦才能办法在短时间完成此 要求。图4.13为该帮浦的示意图 图4.13Lobe pump之示意图 图4.14 Lobe pump抽气过程示意图 其内部构造由两个类似8形状的转子组合，其抽气过程见图4.14。该帮浦的气体压缩比不 大，因此该帮浦必须要有其他帮浦来支援，要不然便是做多种组合，例如多个lobe pump 排列在一起，这样的组合可以让该帮浦从一大气压工作到10-2 mbar的压力范围，换句话 说其压缩比达到105:1。图4.15乃是上述所提多重Lobe pump组合的示意图。 图4.15 多重lobe pump 的组合示意图 该种帮浦的最大致命伤在於气体被压缩时所产生的热传到pump的主体，而当热无法有效的 被散热时，转子与pump主体将会因热膨胀系数不同而产生严重的磨差，为了解决该问题额 外的热交换系统必须加入，图4.16为热交换系统加在lobe pump的示意图，热交换系统会 刻意将冷空气输入lobe pump之内，降低其内部温度，藉此延长pump 寿命 图4.16 热交换机与lobe pump 组合示意图 Claw pump 该帮浦的最大特点是，它是一种完全压缩气体的帮浦，它不需要冷却系统，作一次 抽气动作须经过四个过程，其外貌与其工作原理见图4.17，图4.18及图4.19。 图4.17 Claw pump之单一组件 图4.18 四个Claw pump组合而成,气体由上端进入，由下端排出 图4.19 Claw pump抽气之过程流程，每一个阶段指允许单一进气口或是出气口开关。 Lobe pump 在较低的压力状态下其工作效率高，反之Claw pump 在压力高的环境下工作效 率高，倘若将这两种帮浦组合各取其优点将会是最好的结果。图4.20便是这种组合式帮浦 的示意图。该帮浦由一个lobe pump 配合三个claw pump组合而成，在工作环境10-1 mbar 下其效率比起单独claw pump 多增加60%。主要原因是lobe pump 在前缩短了气体至 留在帮浦的时间。这样的组合不仅增加抽气速度，同时也使得工作环境的压力可以下降， 此外也不须额外的冷却系统，因此目前这样的结构可以说是dry pump的典型之作。 图4.20 Lobe pump 与Claw pump 的组合示意图 Sorption pump 该种帮浦不属於转移式的帮浦，它是属於一种吸附式的帮浦，然而会在这边介绍， 乃是它属於一种dry pump，所以在此先说明。Sorption pump 的原理很简单那就是利用低 温的环境将气体分子给与冻结，使其无法运动。为了达到该效果，sorption pump 通常都 会用液态氮先将其冷却然後再进行抽气的动作。图4.20为sorption pump 的示意图 ,sorption pump 内部装有多孔隙的材料称之为molecular sieve(Na2O,Al2O3nSiO2,xH2O) ，其目的在於增加吸附气体分子的表面积，当整个sorption pump的温度降低到液态氮得 温度之後，便打开与腔体相连的阀门，於是气体进入sorption pump 便被吸附,於是开始 形成压力差，气体持续不断进入然後又被吸附直到sorption pump 饱和为止。若要使 sorption pump 恢复正常工作，必须将气体赶出，因此必须将sorption pump加温回到室 温或是更高的温度，如此内部所吸附之气体便会膨胀然後由泄气阀漏出，等到气体被赶出 殆尽之後，sorption pump 回到室温然後再用液态氮将低温度，如此一来sorption pump 便又恢复pump 的功能了。Sorption pump 可以反覆的使用,不会受损，除非所吸入之气体 有严重的污染，倘若是如此只要换掉molecular sieve 又可以恢复正常。 -- 孤独是卓越心灵的命运 --

※ 发信站: 批踢踢实业坊(ptt.cc) ◆ From: 124.8.137.194