真空技術原理與應用真空技術是現代科學和工業(yè)的基礎，廣泛應用于半導體、航空航天、新能源等領域。本課程將系統(tǒng)介紹真空技術的基礎理論與實際應用。課程概述1基礎理論真空物理學原理2系統(tǒng)組成泵、閥門與測量儀器3工藝應用蒸鍍、濺射、熱處理4行業(yè)實踐半導體、航空航天應用案例第一章：真空基礎基本概念真空定義與分類物理原理氣體分子運動理論計量單位帕斯卡、托、毫巴設計應用真空系統(tǒng)計算方法什么是真空？理論定義壓力低于大氣壓的空間狀態(tài)微觀視角氣體分子密度低于大氣環(huán)境完全真空理想狀態(tài)，實際無法實現真空的定義和分類低真空105~102Pa中真空102~10-1Pa高真空10-1~10-5Pa超高真空10-5~10-9Pa極高真空低于10-9Pa真空度的單位帕斯卡(Pa)國際單位制基本單位托(Torr)1Torr=133.322Pa毫巴(mbar)1mbar=100Pa大氣壓(atm)1atm=101325Pa毫米汞柱(mmHg)1mmHg=133.322Pa真空物理學基礎氣體分子運動分子無規(guī)則熱運動平均自由程分子碰撞間的平均距離理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT氣體流動規(guī)律分子流、層流、過渡流氣體分子運動理論無規(guī)則運動分子做無規(guī)則熱運動速度分布麥克斯韋速度分布律分子碰撞與溫度、壓力相關能量傳遞分子間相互作用平均自由程定義分子兩次連續(xù)碰撞間所走的平均距離計算公式λ=kT/(√2πd2p)真空度關系壓力越低，平均自由程越長第二章：真空系統(tǒng)測量系統(tǒng)真空計、檢漏儀控制系統(tǒng)閥門、法蘭、密封件抽氣系統(tǒng)各類真空泵真空容器反應室、工藝室真空系統(tǒng)的組成真空泵產生和維持真空真空閥門控制氣體流動方向真空規(guī)測量真空度真空室進行工藝處理真空泵的分類氣體傳輸泵機械泵、羅茨泵動量傳輸泵分子泵、擴散泵捕獲泵離子泵、低溫泵、吸附泵機械真空泵進氣氣體進入泵腔膨脹泵腔容積增大壓縮泵腔容積減小排氣氣體排出泵外分子泵10?~10?壓縮比不同氣體有不同值1500~90000轉速(rpm)高速旋轉葉片10?1~10??極限壓力(Pa)可達高真空區(qū)域擴散泵工作原理高速油蒸氣流噴射捕獲氣體分子特點無運動部件價格便宜抽速大局限性需要預真空有油污染啟動時間長離子泵電子發(fā)射陰極發(fā)射電子氣體電離電子撞擊氣體分子產生離子離子加速離子被高壓加速吸收捕獲離子撞擊陰極材料被埋植或濺射低溫泵利用低溫表面冷凝氣體分子。工作溫度低至10K，可達10??Pa真空度。冷凝不同氣體需不同溫度，通常采用多級冷卻真空閥門閘閥大通徑，全開全關角閥90°轉向，流阻小蝶閥簡單快速，體積小真空測量儀器U型管壓力計低真空，10?~103Pa熱偶真空計低真空，103~10?1Pa電離規(guī)高真空，10?1~10??Pa冷陰極規(guī)高真空，10?2~10??Pa皮拉尼規(guī)中真空，102~10?1Pa第三章：真空獲得與維持抽速計算確定合適抽氣速度漏率評估控制系統(tǒng)泄漏系統(tǒng)設計優(yōu)化結構布局維護策略確保長期穩(wěn)定性抽氣速度和抽氣時間時間(分鐘)壓力(Pa)氣體負荷和漏率氣體負荷來源表面釋氣滲透真空泄漏工藝氣體漏率單位Pa·m3/s或mbar·L/s漏率計算Q=V·Δp/Δt真空系統(tǒng)的設計原則合理布局減小管路阻力，避免死角匹配選型泵抽速與系統(tǒng)需求匹配材料選擇低氣體釋放率，耐腐蝕密封可靠良好的密封設計和材料真空系統(tǒng)的操作與維護啟動程序按正確順序開啟各級泵運行監(jiān)控觀察壓力、溫度等參數關機程序按規(guī)定順序關閉設備定期維護清潔、更換部件、檢漏第四章：真空材料與元件材料選擇標準氣體釋放率低，易除氣，機械穩(wěn)定金屬材料不銹鋼、鋁合金、鈦合金玻璃陶瓷耐高溫，透明觀察聚合物密封件，特定應用場合真空材料的選擇選擇因素考慮內容氣體釋放率材料本身釋放氣體的能力機械性能強度、剛度、熱膨脹系數加工性能可焊接性、可加工性經濟性材料成本與使用壽命金屬材料在真空中的應用不銹鋼耐腐蝕，低氣體釋放率鋁合金輕質，良好導熱性銅優(yōu)良密封，高導熱性非金屬材料在真空中的應用玻璃觀察窗口電氣絕緣透光性好陶瓷電氣絕緣耐高溫機械穩(wěn)定性聚合物O型圈墊片特定場合應用真空密封技術壓縮密封O型圈、橡膠墊片金屬密封銅墊圈、金屬環(huán)焊接密封永久性連接方式粘接密封環(huán)氧樹脂、專用膠粘劑真空焊接技術材料清潔去除表面污染物焊接工藝TIG/MIG/電子束焊接焊縫檢查超聲、X射線、氦檢漏熱處理去除內應力，穩(wěn)定結構第五章：真空蒸鍍技術薄膜特性厚度、均勻性、結晶度蒸發(fā)源設計蒸發(fā)材料與加熱方式真空條件基礎真空度與工作壓力基底準備清潔度、溫度控制真空蒸鍍原理1加熱蒸發(fā)材料加熱至蒸發(fā)溫度2分子傳輸蒸發(fā)分子直線傳輸3基底沉積分子在基底表面凝結4薄膜形成分子累積形成薄膜蒸發(fā)源的類型電阻加熱鎢舟、鉬舟、石英坩堝電子束高能電子轟擊材料激光蒸發(fā)激光脈沖汽化材料閃蒸粉末直接接觸高溫表面薄膜生長過程初始吸附原子/分子在基底表面吸附形成核心吸附原子凝聚形成小島小島生長小島擴大并相互連接連續(xù)薄膜形成完整覆蓋層薄膜增厚持續(xù)沉積增加厚度蒸鍍設備與工藝真空度通常10?3~10??Pa蒸發(fā)溫度材料蒸氣壓達10?2Pa蒸發(fā)距離決定薄膜均勻性沉積速率影響薄膜結晶性第六章：濺射技術定義高能粒子轟擊靶材，靶原子被擊出并沉積優(yōu)勢沉積高熔點材料良好的臺階覆蓋可控的薄膜成分應用半導體器件光學薄膜磁性存儲介質濺射原理等離子體形成工作氣體被電離離子加速離子被加速轟擊靶材靶材噴射原子從靶表面被擊出基底沉積噴射原子在基底凝結直流濺射10?2~10?1工作壓力(Pa)氬氣作為工作氣體500~5000工作電壓(V)靶材作為陰極1~100沉積速率(nm/min)與功率、壓力相關射頻濺射工作原理利用射頻電場防止絕緣體表面充電優(yōu)點可濺射絕緣材料等離子體密度高薄膜質量好應用領域氧化物薄膜氮化物薄膜介電材料磁控濺射反應濺射金屬靶材Ti,Al,Si等純金屬反應氣體O?,N?,CH?等化學反應靶原子與氣體反應化合物薄膜TiN,Al?O?,SiO?等第七章：等離子體輔助沉積氣體混合反應氣體進入腔室等離子體生成氣體電離形成活性粒子表面反應粒子在基底表面反應薄膜形成反應產物形成固態(tài)薄膜等離子體基礎電離氣體物質的第四態(tài)電荷粒子電子、離子、自由基高能量密度促進化學反應溫度類型電子溫度高于離子溫度PECVD原理傳統(tǒng)CVD高溫反應熱激活分解基底溫度高PECVD優(yōu)勢低溫沉積等離子體活化良好臺階覆蓋工藝參數射頻功率氣體流量比基底溫度PECVD設備與工藝平行板式電容耦合等離子體感應耦合式高密度等離子體電子回旋共振式微波激發(fā)等離子體第八章：真空熱處理目的防止氧化、去除表面氣體優(yōu)勢表面潔凈、精確控溫、無污染應用半導體、金屬合金、特種材料工藝種類退火、淬火、滲碳、滲氮真空熱處理原理1抽真空排除氧氣，防止氧化加熱按工藝要求升溫保溫維持設定溫度冷卻控制冷卻速率真空退火時間(小時)溫度(°C)真空淬火10?2~10?3工作壓力(Pa)高真空環(huán)境900~1200加熱溫度(°C)視材料而定50~150冷卻速率(°C/min)氣體淬火方式真空滲碳和滲氮真空滲碳碳原子擴散到表層提高表面硬度保持韌性內核真空滲氮氮原子擴散到表層形成硬質氮化物改善耐磨性工藝優(yōu)勢表面潔凈變形小節(jié)能環(huán)保第九章：真空檢漏技術高靈敏度檢測微小泄漏快速定位多種檢測方法氣體、壓力、示蹤劑3定量泄漏評估準確測量漏率大小系統(tǒng)整體檢查確保真空設備可靠性真空檢漏的重要性工藝質量防止氣體污染產品能源效率減少泵抽氣能耗生產效率縮短抽氣時間設備壽命延長真空泵使用壽命檢漏方法分類壓力變化法觀察系統(tǒng)壓力隨時間變化泡沫法加壓后涂抹肥皂水觀察氣泡鹵素檢漏氟里昂等鹵素氣體做示蹤氦質譜檢漏最靈敏的檢漏方法氦質譜檢漏噴氦可疑部位噴射氦氣泄漏滲透氦通過泄漏處進入系統(tǒng)氦離子檢測質譜儀檢測氦氣分子信號處理輸出泄漏信號和漏率值第十章：真空技術的應用領域半導體制造芯片生產核心工藝航空航天模擬空間環(huán)境新能源光伏、鋰電池生產半導體制造薄膜沉積PVD、CVD、ALD刻蝕工藝等離子體刻蝕離子注入摻雜半導體材料3檢測分析電子顯微鏡、XPS航空航天航天