Conoscenza di base del vuoto
Dec 12, 2018| Conoscenza di base del vuoto
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Le tecniche di deposizione fisica in fase di vapore (PVD), come evaporazione, polverizzazione e deposizione ionica, possono essere realizzate solo in condizioni di vuoto.
La preparazione di materiali moderni a film sottile, sia la tecnologia di deposizione fisica a vapore (PVD) che la tecnologia di deposizione chimica a vapore (CVD), comprende la generazione di fase gassosa, il trasporto, la reazione, la condensazione, la deposizione e altri processi in condizioni di vuoto. Pertanto, la conoscenza di base del vuoto coinvolto nella preparazione di film sottili è brevemente introdotta in questo documento.
Conoscenza di base del vuoto
Usando la forza esterna per rimuovere le molecole di gas in un certo spazio chiuso, in modo che la pressione nello spazio sia inferiore a una pressione atmosferica, lo stato fisico del gas nello spazio viene chiamato vuoto.
Nel 1643, il famoso esperimento di pressione atmosferica di Torricelli rivelò per la prima volta l'esistenza del vuoto, uno stato fisico di gas a bassa pressione, e ottenne la definizione di pressione atmosferica (la pressione generata da una colonna di mercurio di 76mm è definita come 1 atm) e la base per la misurazione del vuoto.
Il grado di vuoto è rappresentato dalla pressione del gas e l'unità iniziale del grado di vuoto è mmHg (1atm = 760mmHg).
Nel 1958, in memoria di Torricelli, le prime quattro lettere del suo nome torr furono utilizzate per sostituire mmHg come unità del grado di vuoto (1 torr = 1 mmHg).
È stato adottato anche il sistema centesimi di grammo (CGS), con barra come unità (1bar = 1 x 105Pa) e più comunemente mbar (1mbar = 100Pa).
Allo stato attuale, con il progredire della standardizzazione, il sistema internazionale di unità (sistema SI, vale a dire il sistema MKS) sta gradualmente prevalendo e il grado del vuoto assume Pa come unità (1atm = 1.013 * 105Pa).
Ricorda che il vuoto tra parentesi è solitamente convertito in unità, e la mamma non dovrà preoccuparsi che io mi confonda con le diverse unità in letteratura.
Acquisizione del vuoto
Ad esempio, quando si beve una bevanda attraverso una cannuccia, il principio è che si succhia via l'aria nella paglia e si crea un vuoto all'interno della paglia (la pressione all'interno della paglia è inferiore alla pressione atmosferica esterna). Sotto l'azione della differenza di pressione, spingiamo la bevanda dentro la lattina nella nostra bocca attraverso la cannuccia.
Allo stesso modo, quando si preparano materiali moderni a film sottile, il vuoto richiesto può anche essere "risucchiato" dall'aria depositata nella stanza da un dispositivo che chiamiamo pompa per vuoto.
Secondo il principio di funzionamento della pompa del vuoto, può essere suddivisa in due categorie: pompa di trasporto del gas (il gas viene costantemente aspirato e scaricato dalla pompa a vuoto per raggiungere lo scopo dello scarico) e pompa di cattura del gas (usando carbone attivo e altro materiali inspiratori e dispositivi a sorgente fredda da risucchiare dalle molecole di gas nello spazio di pompaggio). Secondo il range di pressione operativa della pompa per vuoto, può essere diviso nel primo stadio della pompa (alta pressione iniziale) e dopo lo stadio della pompa (bassa pressione iniziale).
L'aspetto e la struttura interna della pompa meccanica rotativa a palette sono mostrati nella figura 1. È una sorta di pompa di trasporto del gas, che può funzionare direttamente dalla pressione atmosferica. È una pompa di primo stadio comunemente usata.
Figura 1 Aspetto della pompa meccanica e diagramma della struttura interna
Il principio di funzionamento della pompa meccanica è quello di utilizzare la rotazione del rotore delle parti meccaniche in movimento sulla ruota eccentrica per raggiungere lo scopo di inspirazione-compressione-scarico, come mostrato in figura 2 (i punti grigi nella figura rappresentano l'aria ).
FIGURA. 2 schema schematico del principio di funzionamento della pompa meccanica
La pompa turbomolecolare è una sorta di pompa ad alta quota generata dalla moderna tecnologia del vuoto per i requisiti di un ambiente privo di olio e ad alto vuoto. È una specie di pompa per il trasporto di gas. Tuttavia, la sua pressione di esercizio iniziale deve essere inferiore a 1 Pa. Il suo aspetto e la sua struttura interna sono illustrati nella figura 3.
FIGURA. 3 aspetto e struttura interna della pompa molecolare della turbina
Nella pompa molecolare della turbina, i rotori multistadio e gli statori con diversi rotori e statori sono interlacciati e la velocità della pala del rotore arriva a 20000 ~ 60000k giri / min. Le molecole di gas trasportate dalla lama superiore saranno ulteriormente compresse a quella inferiore sotto l'azione della lama inferiore, cioè l'energia cinetica viene continuamente trasferita alle molecole di gas attraverso la collisione e le molecole di gas saranno compresse e scaricate passo dopo passo dopo essere dotato di energia cinetica, come mostrato in FIG. 4.
FIGURA. 4 principio di funzionamento della pompa molecolare della turbina
Vale la pena ricordare che, nel processo di preparazione del film, non eseguire direttamente la pompa molecolare, perché nel basso vuoto (più molecole atmosferiche) condizioni pompa della pompa molecolare è facile da danneggiare, è stato trovato dal capo criticato piccolo, nel caso in cui la pompa molecolare causi un danno da solo non può essere conveniente. Quindi è importante ricordare di aprire la pompa meccanica e l'altra pompa pre-stadio, per ottenere un certo grado di vuoto prima del funzionamento della pompa molecolare.
Misurazione del vuoto
Per comprendere il grado di vuoto (pressione dell'aria) nella camera di deposizione in tempo reale, è necessario un vacuometro (vacuometro) nella preparazione del film.
Secondo il principio della misurazione del grado di vuoto, può essere diviso in un misuratore di vuoto assoluto (determinare direttamente il valore di pressione in un determinato spazio) e un misuratore di vuoto relativo (misurare prima le altre grandezze fisiche relative alla pressione, dopo la conversione per ottenere il valore di pressione ). Poiché il vacuometro è facile da misurare, viene spesso utilizzato per misurare il grado di vuoto della deposizione del film.
Come accennato in precedenza, la pompa del vuoto ha requisiti rigorosi del campo di funzionamento del vuoto, allo stesso modo, diversi gradi di vuoto, è necessario utilizzare diversi misuratori di vuoto da misurare.
Il vacuometro Pirani viene spesso utilizzato per la misurazione del vuoto ridotto, che è una forma migliorata del vacuometro per termocoppie. FIGURA. 5 è un diagramma schematico del principio di funzionamento. Ci sono due serie di filamenti nel tubo. Quando i due gruppi di filamenti sono eccitati e riscaldati, anche la velocità di dissipazione del calore sul filamento è diversa a causa della differenza nella sottigliezza dell'aria circostante. Pertanto, la resistenza dei due gruppi di filamenti sarà diversa a causa della differenza di temperatura e anche la corrente che scorre attraverso il filamento cambierà di conseguenza. A causa della pressione dell'aria fissa all'estremità di riferimento, la temperatura del filamento, la resistenza e la corrente sulla sezione di riferimento rimangono invariate, pertanto il grado di vuoto nella cavità da misurare può essere ottenuto al confronto.
FIGURA. 5 schema schematico del principio di funzionamento del vacuometro pirani
Il campo di misura dell'aspirapolvere adotta il vacuometro a ionizzazione, che deve essere usato insieme a pirani e altri misuratori di vuoto basso. Il vacuometro per la ionizzazione è composto principalmente da tre elettrodi: catodo (filamento), anodo e collettore di ioni. Il suo principio di funzionamento è mostrato nella figura 6. Gli elettroni emessi dal catodo caldo accelera alla griglia, si scontrano e ionizzano le molecole del gas nel loro percorso. Quando gli elettroni si muovono reciprocamente per accelerare e decelerare, alla fine verranno intrappolati dalla cancellazione del polo. Nel processo di oscillazione del movimento elettronico, le molecole di gas saranno ionizzate in modo continuo e gli ioni di gas voleranno verso i poli di raccolta ionica per formare la corrente del loop. Nel caso di corrente di emissione catodica fissa e tipo di gas fisso, l'intensità della corrente ionica dipenderà solo dalla pressione del gas ionizzato e il grado di vuoto nella stanza di deposizione può essere convertito dall'intensità della corrente ionica.
FIGURA. 6 schema schematico del principio di funzionamento del vacuometro a ionizzazione
Attraverso l'introduzione di questo articolo, riteniamo di avere la più basilare comprensione della definizione di vuoto, conversione di diverse unità e acquisizione e misurazione del vuoto.