1、真空的基本概念,1. 前言,真空是一個特殊的環境空間，裏面有相對較低的氣體分子密度，可以提供一個較純淨不受氣體分子干擾的環境，如降低氣體分子間碰撞、降低活性氣體分子的污染等，以利研究或產品生產。自托里切利在水銀柱大氣壓力實驗中訂出毫米汞柱(托爾)氣壓單位以來，歷經數百年的發展，真空已成為一專門的學問。但在早期受限於元件材料、抽氣器械的發展遲緩而沒有突破性的進展，直到40年前，高真空仍是一項十分困難的技術。現今由於材料科學、真空幫浦技術及真空應用研究與產業的蓬勃發展之賜，不但超高真空技術已被廣泛使用，極高真空技術也已不再是科學殿堂中遙不可及的科技。,2018/8/20,何 謂 真 空,所謂真空係
2、針對大氣而言,表示一特定空間內的部份氣體被排出,其壓力小於一大氣壓;在真空技術中,一密閉容器雖保持真空,但並非真正的空,事實上以目前技術所及的超高真空狀態,其中仍有為數可觀的氣體分子存在 (每立方公分約有 3*109個分子),真空的定義,絕對真空：即空無一物，也可稱為理想真空。相對真空：即一般所謂的真空，表示某一特定空間內氣體壓力小於一大氣壓。自然真空：存在於自然界的真空，如外太空、月球表面。人造真空：以人為力量造成的真空，如利用真空幫浦對某一特定空間排氣而達到之相對真空。,2018/8/20,大 氣 與 大 氣 壓,地球表面上由於氣體分子以高速作隨意方向的運動,而產生 760 torr 的大
3、氣壓力;在此一大氣壓的情況下,氮氣與氧氣佔了99%以上,但如使用真空幫浦對原本一大氣壓的容器抽氣,則其成份將隨壓力的大小而改變,當壓力在 10-3 torr 時,水氣可能佔了 75% - 95%,2018/8/20,真 空 之 分 類,一般將真空依壓力大小區分為四個區域 1.粗略真空 : 760 - 1 torr 2.中度真空 : 1-10-3 torr 3.高 真 空 : 10-3 - 10-7 torr 4.超高真空 : 10-7 torr 以下,2018/8/20,氣 流 之 區 分,黏滯流 : ( /d /d 0.01) 1. 0.2-3*10-3 torr 分子流 : (/d 1)
4、1. 3*10-3 torr 以下,黏滯流：在粗略真空時氣流運動是呈黏滯流狀態，主要是由氣體分子與氣體分子間頻繁的碰撞來決定它的一些特性： (a.) 分子平均自由徑遠小於管路直徑。 (b.) 氣體分子間之碰撞次數遠大於碰撞管壁次數。 (c.) 氣體分子間受黏滯力作用，運動時具有方向性，並且沿著抽氣方向運動，所以在此氣流狀態中可以防止幫浦油氣回溯，如圖一所示:,過渡流：在中度真空時氣流運動為過渡流狀態，其運動特性介於黏滯流與分子流之間，此時分子平均自由徑大約等於管路直徑,分子流：在高真空或超高真空時氣流運動以分子流狀態為主，此時氣體分子呈自由運動狀態，在真空系統中它的特性有： (a.) 分子平均
5、自由徑大於管路直徑。 (b.) 氣體分子碰撞管壁機會要比彼此碰撞機會多。 (c.) 氣體分子在管路中呈自由運動狀態，不受抽氣方向影響,2018/8/20,氣 體 性 質,真空技術中,主要是處理小於一大氣壓的狀態,氣體或蒸氣在低壓時,其特性可由氣體動力論的結果加以描述 P = n K T 氣體密度 , n (每立方公分下氣體分子數) 一大氣壓0度C時,氣體分子密度為 9.656*1018 ( 760/273.16 ) = 2.687*1019 真空 : 分子密度小於上述者,2018/8/20,氣 體 定 律,氣體方程式 : PV = NRT 真空中氣體所造成之壓力大小在一定溫度時,只與氣體分子數
6、目有關 波義耳定律 : P1V1 = P2V2 真空系統中小量逸氣,因容器的局限,只有壓力跳升一途 查理氏定律 : V1/T1 = V2/T2,2018/8/20,蒸 氣 壓,真空系統中除永久性氣體外,尚包括基材.容器以及液體之清洗劑等,均會產生或大或小之蒸氣壓,對系統造成負荷;例如水,在0度C下仍有4.5torr左右的蒸氣壓力,若系統中含水,則在水被抽除之前系統壓力將難以下降 溫度高時,飽和蒸氣壓提高,此時即使是金屬其蒸氣壓亦不可忽略,2018/8/20,氣 體 負 荷,氣體負荷 : 真空系統內所有氣體來源所造成之氣體總合;主要有體積氣體,系統漏氣,逸氣,蒸氣回流,滲透等,在粗略真空時,體積
7、氣體為主要氣體負荷,在高真空以上時逸氣為主要負荷來源,超高真空時必須考慮滲透因素,2018/8/20,氣 體 負 荷,漏氣 : 容器製造瑕疵或組裝不確實所造成,可分為實漏與虛漏油氣回流 : 幫浦在運轉中,油蒸氣回流至真空室,2018/8/20,氣 體 負 荷,逸氣 : 真空系統壓力達 0.2 torr 以下時,真空室器璧表面或真空室中各物件表面吸附氣體開始逸出,其程度隨壓力的下降愈趨嚴重,在10-3 torr 以下成為最主要負荷,在超高真空範圍,逸氣因素決定終極壓力,因此系統物件必須有潔淨.光滑之表面,機械幫浦,幫浦的分類,圖一 真空幫浦之分類,機械幫浦基本概念,機械真空幫浦通常用於抽中低真空
8、，或是做為高真空系統之前級幫浦。一般可依據是否使用潤滑油來區分為乾式和油封式幫浦，乾式真空幫浦一般用在半導體產業需要高潔淨度或是需要抽取有毒氣體及氣體化學反應產生的微粒，而油封式幫浦須使用油脂來潤滑、排熱及密封，故有油氣污染的問題。真空幫浦油必須滿足低蒸氣壓、大分子量、適當的黏滯性、優良的抗乳化性及安定性。真空幫浦與真空系統之匹配需考慮到幫浦之適用壓力範圍、抽氣壓縮比、終極壓力、抽氣速率及其相關附件的功能。以下介紹常見之油封式及乾式真空幫浦,旋片幫浦,壓力範圍：76010-3 torr 抽氣速率：503000 L/min 結 構：如圖二所示，幫浦缸體為靜子，轉子附有葉片及彈簧，真空幫浦油填充在
9、葉片與靜子之間的縫隙形成油封。 原 理：利用氣體壓縮時其體積與壓力之關係來抽氣，如圖三所示，當轉子旋轉時進行（a）吸入（b）壓縮（c）過壓（d）排氣等四行程而達到抽氣的效果。若採二級(Two stage，即兩個轉子)的設計如圖四所示，可抽至10-4 torr,圖二,圖三,圖四,乾式機械幫浦,在半導體製程中，真空系統或真空幫浦所要處理的問題不再只是達到真空度即可，各製程中產生之具有毒性、腐蝕性、反應性、凝結性、可燃性、磨耗性、沈澱物等，甚至固體顆粒，都會對幫浦及系統造成損害或困擾，這些問題並不是傳統油封式幫浦所能完全克服，而且油封式幫浦油氣回流會造成污染，在要求高潔度的半導體業中是無法使用這類幫
10、浦的。在半導體製程中使用之幫浦需考慮到安全性、潔淨度、低運轉成本、可靠性、優良之真空性能、維修週期長等要求，乾式真空幫浦正好符合這些要求而被運用。,魯式幫浦(Roots pump),壓力範圍：5010-4 torr 抽氣速率：200100000 m3/hr 結 構：如圖十所示，兩個轉子為兩葉或三葉之形式，轉子間及轉子與機體間之間隙約0.10.15 mm，不用油封 原 理：如圖十一所示，經由（a）進氣（b）隔絕（c）壓縮（d）排氣而達到抽氣的效果 特 性：魯式幫浦的特性是在中度真空有很好的抽氣速率，但在接近大氣壓的低真空領域抽氣速率不佳，因此魯式幫浦常串聯油封式機械幫浦或其它乾式幫浦，以加大真空系統的抽氣速率。多級魯式幫浦是將數對同軸的魯式轉子串聯或將不同葉數的轉子串聯，優點是工作壓力可延伸至大氣壓力。魯式幫浦最大的缺點是轉子容易附著雜物而造成磨損甚至卡死,圖十,圖十一,濺射過程,
