檢視開啟-崑山科技大學電機工程系熱脫附機台真空性能診斷指導

1崑山科技大學電機工程系熱脫附機台真空性能診斷指導老師:張慎周副教授製作學生:李政鴻C930J009邱永龍C930J041洪翊捷C931J003中華民國九十四年十二月2摘要本文最主要的目的是做系統的真空性能診斷，對真空系統做實際之真空性能的量測，如紀錄壓力對時間的變化，總抽氣時間，並藉由對真空系統加熱時間的不同改變真空系統抽氣速率，再經過真空模擬軟體「Vactran」模擬，藉著軟體內建應用較為普遍的氣體模型，去模擬出一些理論值，如：壓力對時間的曲線，將模擬出的壓力對時間曲線，與實際紀錄的抽空時間做一個比對，會產生一個誤差值，此時使用軟體的氣體負荷予以修正，氣體負荷的修正釋氣率、滲透率與漏氣率，軟體修正後的理論值再與實際紀錄的抽空時間做比對，再藉由修正後所加入的氣體負荷之結果予以探討，藉著探討形成氣體負荷的原因，以達到對真空系統的診斷。3目錄摘要2目錄3圖目錄6表目錄7第一章緒論8第二章真空系統理論基礎92.1真空原理92.2真空的區分92.3壓力102.4氣體分子平均自由徑102.5氣流通量122.6氣導132.7抽氣速率142.8抽真空時間152.9氣體負荷152.10漏氣的定義162.11漏氣的途徑172.12漏氣率1842.13漏氣率測定法202.14測漏方法242.14-1系統漏氣之研判242.14-2漏氣點之研判262.15測漏儀器282.15-1氦氣測漏儀282.15-2測漏儀原理282.16真空系統簡介292.16-1真空系統實體圖322.16-2粗抽幫浦342.16-3高真空幫浦352.16-4熱陰極式離子真空計362.16-5熱電偶真空計372.17軟體模擬38第三章實驗步驟483.1抽真空時間483.1-1腔體抽粗略真空至中度真空483.1-2腔體抽高真空483.2腔體漏氣率4853.3氦氣測漏法493.4軟體模擬50第四章結果與討論514.1腔體漏氣率514.2軟體模擬554.2-1真空幫浦的設定554.2-2兩種不同腔體不鏽鋼係數的釋氣現象之設定574.3抽真空時間594.3-1腔體抽粗略真空至中度真空594.3-2腔體抽高真空63第五章結論66參考文獻686圖目錄圖一氣導示意圖13圖二漏氣率特性曲線20圖三靜態測漏法測試系統21圖四動態測漏法測試系統(A)22圖五動態測漏法測試系統(B)23圖六待測物充以示漏氣體之總漏氣量測定裝置25圖七待測物抽真空之總漏氣量量測裝置25圖八真空法漏氣位置測定裝置27圖九充氣法漏氣位置測定裝置27圖十真空系統示意圖30圖十一真空系統實體圖32圖十二熱電偶真空計示意圖37圖十三軟體模擬幫浦抽真空時間流程圖38圖十四氦氣測漏法示意圖48圖十五氦氣測漏法實驗圖49圖十六漏氣率實驗中壓力與時間曲線圖52圖十七壓力上升法-漏氣率曲線圖53圖十八氦氣測漏法-漏氣率與時間曲線圖547圖十九低真空至中度真空實驗值與軟體模擬(體積氣體)特性曲線圖62圖二十低真空至中度真空實驗值與軟體模擬(體積氣體加釋氣)特性曲線圖63圖二十一高真空實驗值與軟體模擬(體積氣體)特性曲線圖64圖二十二高真空實驗值與軟體模擬(體積氣體加釋氣)特性曲線圖65表目錄表一氣壓增建法實驗壓力與時間數據51表二漏氣率數值52表三兩種不同腔體不鏽鋼係數608第一章緒論半導體工業的進步，帶動了科技的發展，真空系統在科技產業發展中幾乎沒有缺過，凡舉材料科技，資訊、半導體、微機電工程、離子植入、蝕刻、表面分析(SEM.TEM)、食品真空包裝、醫藥工業、光電工業、鍍膜工業甚而到太空環境下真空環境模擬等。皆可得知真空技術於科技產業與學術界中的重要地位，甚至已經是人類日常生活的必須技術，本組針系統做一個真空診斷的工作，國內對於真空設備目前大都是由經驗法則來判斷真空系統是否故障?並未有一個有系統的方法與流程，去進行真空真空診斷的分析步驟，因為設備在抽真空過程中產生的種種現象，如:釋氣(outgassing)、漏氣(leaks)、滲透(permeation)或抽氣速率變低等現象，導致真空系統無法達到所需的背景壓力，降低抽氣效能，而且由於真空系統背景壓力抽的不夠低，會導致真空腔體內的還會殘存較多其他的氣體分子如:氧分子、氮分子，所以我們欲建立一套完善的真空系統診斷方法，才能使真空設備工作在較佳的狀態下，產生較好的抽真空效率。9第二章真空系統理論基礎2.1真空原理廣義真空定義為，一個容器內空間的壓力小於一大氣壓力即是真空。比較精細的解釋也可以說容器內氣體分子密度小於2.5x1019mlecules/cm3(一大氣壓的分子密度)，則該容器(腔體)內為真空。簡單表示為：腔體壓力一大氣壓力。2.2真空的區分粗略真空(RoughVacuum，簡稱RV)壓力範圍：1000~1毫巴；氣流型態：黏滯流中度真空(MediumVacuum，簡稱MV)壓力範圍：1~10-3毫巴；氣流型態：過渡流高真空(HighVacuum，簡稱HV)壓力範圍：10-3~10-7毫巴；氣流型態：分子流高度真空(UltraHighVacuum，簡稱UHV)壓力範圍：10-7毫巴以下；氣流型態：分子流102.3壓力(pressure)氣體在容器內與容器壁的作用力，稱之為壓力；它的單位為：力/單位面積。標準的大氣壓力相當於760mm水銀柱高。此方式為義大利人托里切力所發現。溫度在20。C，海平面高度。乾燥空氣所施的壓力，其值為1013mbar。簡單表示為：1atm=760mmHg=1013mbar。2.4氣體分子平均自由徑(meanfreepath)氣體分子在運動時各個分子在碰撞其他分子前所走的距離的平均值稱為氣體分子的平均自由徑。簡單估算氣體分子的平均自由動徑的公式如下：(cm)[1]*[1]式中壓力P的單位為毫巴，平均自由動徑λ的單位為厘米。此式係假定真空系統的溫度為20。C，而其中的氣體為空氣。不同氣流型態的條件，可用氣體分子的平均自由動徑的大小來界定。1.黏滯性氣流A.黏滯性氣流的特徵：(1)氣體分子之間有互相碰撞的作用(2)每一氣體分子的運動受其周圍氣體分子的限制(3)氣體分子之間有摩擦力(即黏滯性)11(4)氣流的方向與氣體分子運動的方向一致，故此氣流為連續流B.黏滯性氣流的條件為：氣體的平均自由動徑(λ)儀器的主要尺寸(d)。真空系統打開時其中的壓力即為一大氣壓力。除非特別的操作方式，抽真空必經過從大氣壓力開始逐漸壓力下降的抽氣階段。此最初階段的氣流型態稱為黏滯性氣流。2過度氣流的條件為：氣體的平均自由徑與儀器的主要尺寸相當，平均自由動徑(λ)=儀器的主要尺寸(d)。真空系統維持連續被抽氣，氣體的壓力下降至氣流型態改變一部份氣流以轉變成下述的分子氣流而剩下的部份能維持在黏滯型氣流。此氣流範圍稱之為過渡氣流，簡稱為過渡流。3.分子氣流A.分子氣流的特徵(1)氣體分子完全自由向各方向任意運動(2)氣體分子之間無互相作用(3)氣體分子相遇時為彈性碰撞，碰撞作用遵循動能守恆與動量守恆定律(4)氣體分子與容器器壁碰撞的機會較互相之間碰撞的機會為大(5)氣體分子漫步到真空幫浦而被抽入其中為抽氣的機制12B.分子氣流的條件為：氣體的平均自由動徑儀器的主要尺寸，平均自由動徑(λ)儀器的主要尺寸(d)。一但真空系統中的氣流型態進入分子流範圍，因為此時氣體分子已經為個別自由運動事實上已非氣流故不論壓力降至多低真空系統中的氣流型態均為分子流。2.5氣流通量氣流通量的單位，代表符號為Q，其定義為在特定的溫度下，每單位時間內通過真空系統的某一部份(如管路等)斷面上的氣體的數量。所謂氣體的數量，通常以該氣體分子數表示之，根據波義耳氣體定律在溫度一定時，氣體的分子數以壓力乘體積決定。氣流通量，可用[2]式表示之。[2]*Q：氣流通量p：壓力V：體積s：抽氣速率t：時間單位時間(t)中所量測壓力(P)乘上腔體容積(V)等於氣流通量(Q)，然而氣流通量亦也等於有效抽氣速率乘上腔體壓力值。13常用的氣流通量的單位為：毫巴‧公升∕秒(mbarl⁄sec)‧托耳‧公升∕秒(torrl⁄sec)‧2.6氣導氣導的定義為單位壓力差下的氣流通量。氣導的公式如下[3]式：C=Q/(P1-P2)[3]*C：氣導Q：氣流通量P1–P2：管路兩端的壓力氣導的單位為：公升∕秒(l⁄sec)圖一氣導示意圖由圖一可解釋假設固定氣流通量(Q)，若壓力差(P1–P2)越大，則氣導(C)越小。因為壓力差越大，壓力處於黏滯流的氣流型態，而黏滯流型態的特徵為，氣體分子之間有互相碰撞的作用，所以壓力差越大造成氣體分子彼此碰撞，而不易移動使氣導越小。而壓力差越小時則氣導越大。因為壓力低至約10-3mbar時，壓力處於分子流的氣14流形態，而分子流型態的特徵為氣體分子間無互相作用，且向任意方向運動，氣體分子平均自由徑很大，氣體分子間不易碰撞而易通過導管使得氣導很大。而氣導可看成相當於電阻電路的電導，因此串聯真空管路的總氣導為各氣導的倒數和，再取倒數；在並聯真空管路的總氣導為各分支氣導的和。氣導的並聯狀態：C=C1+C2+C3[4]*氣導為串聯狀態：[5]*2.7抽氣速率抽氣速率的定義：在真空系統中某一斷面每一單位時間通過幫浦中氣體的體積。真空幫浦抽氣速率(SO)，真空系統抽氣口處的抽氣速率稱為有效抽氣速率(effectivepumpingspeed)Seff，以及真空幫浦至真空系統間的總氣導關係如公式[6]所示：[6]*Seff：真空系統有效抽氣速率C：氣導SO：幫浦進氣口抽氣速率影響有效抽氣速率的原因有氣導(C)與幫浦抽氣速率(SO)。在氣流通量與氣導實驗中。SO為固定值，當氣導增加後腔體有效抽氣速15率也將會增加，如公式[6]所示。2.8抽真空時間真空系統從初值壓力(PO)抽真空到終值壓力(Pf)所經過的時間被定義為抽真空時間。抽真空時間公式：假定S為常數，當t=0時，P=PO(最初壓力)，t=tf時，P=Pf(預定到達的壓力)，則可以[7]式表示：[7]*當真空系統的漏氣率與放氣率均甚小時，即PSQO，則可簡化為：tf=(V/S)ln(PO/Pf)[8]*因此抽真空時間受到腔體大小、漏氣率與放氣率等因素影響。2.9氣體負荷真空系統除製程所需之氣體，其餘氣體來源應避免，因所有之氣體藉由真空幫浦抽除，造成幫浦之負擔，也就是系統之氣體負荷。(1)空間氣體：在真空腔體之設計中，空間氣體是無可避免，故需慎選抽氣幫浦。(2)漏氣：可分為實漏及假漏氣。實漏是由於製造瑕疵或組裝不正確，造成外界一大氣壓之氣體漏入真空系統中。假漏氣乃存在於16真空系統本身中，陷於螺絲與螺紋之空氣。(3)油蒸氣之回流：此蒸氣源來自機械幫浦或擴散幫浦，油蒸氣分子在低氣壓時，會與其餘被抽之氣體分子相碰撞，或自冷凝阱器壁再蒸發而回流至真空腔體，進而造成污染。(4)釋氣：釋氣是高真空系統最主要之氣體負荷，當真空系統抽至壓力0.2Torr以後，真空壁面或各物件表面所吸附之氣體開始釋出。其程度隨壓力的下降而愈來愈嚴重，因此在10-3Torr以下，主要之氣體負荷來自表面釋氣。2.10漏氣的定義漏氣的定義為氣體由真空系統的外部經由漏氣的途徑進入真空系統的內部即為漏氣。根據此定義則任何真空系統均有漏氣。實際應用時並不以此定義來決定真空系統有無漏氣，而係根據一下兩條件來確定真空系統為不漏氣。1.真空系統不漏氣的條件真空系統既然不可能絕對不漏氣，但是在符合以下條件的情況可視為不漏氣：(1)真空系統最終壓力(ultimatepressure)可以達到。(2)真空系統的操作壓力範圍(operationalpressure17range)再合理的時間內可以達到並維持。2.密封系統與緊密系統不漏氣一般的真空系統或真空裝置，習慣上有用密封系統(hermeticseal)或緊密系統(tightseal)兩種不同的名詞來表達，其區別為：(1)密封系統用最靈敏的測漏儀也不能測出漏氣的系統。(2)緊密系統所測到的漏氣率不會超過所要求的規格範圍的系統。2.11漏氣的途徑所述漏氣的定義所稱的氣體由真空系統外部進入真空系統內部的途徑應與組成真空系統各部份的材料及製造加工有關。主要包括