空无一物的科学：真空科技

叶国光 · 2017-08-01 · 阅读 35818

空，是一个大概念；空者，空空如也矣，这里面的道理深不可测也。宇宙，就是个大大的空者！空，才能容纳，有容乃大；空，才能运转，才有生气。佛家，讲空，空的道理让释迦摩尼研究了一生，宣传了一生，为之奋斗了一生。人类现在研究宇宙的组成，推测宇宙大部分可能是暗物质，实际就是研究空空如也的世界。今天老叶就透过浅显的文字让大家了解真空的概念与真空的技术，因为这个技术是光电与半导体科技突飞猛进的动力之一，了解真空科技，你对薄膜，蚀刻，外延，扩散与离子植入的这些技术与设备将不再陌生。

一、真空的基本概念

1.前言

真空是一个特殊的环境空间，里面有相对较低的气体分子密度，可以提供一个较纯净不受气体分子干扰的环境，如降低气体分子间碰撞、降低活性气体分子的污染等，以利研究或产品生产。自托里拆利在水银柱大气压力实验中订出毫米汞柱气压单位以来(torr托尔，一个大气压为760torr)，历经数百年的发展，真空已成为一专门的学问。但在早期受限于组件材料、抽气器械的发展迟缓而没有突破性的进展，直到40年前，高真空仍是一项十分困难的技术。现今由于材料科学、真空帮浦技术及真空应用研究与产业的蓬勃发展之赐，不但超高真空技术已被广泛使用，极高真空技术也已不再是科学殿堂中遥不可及的科技。

2.对真空的基本认知

>>真空依字面上解释应为空无一物，即在某一特定空间中不存在任何物质。事实上这种情形并不存在，即使在外层空间也还存在少许的气体分子和粒子等。目前科技所能达到之真空极限为10-12 Pa（N/m2,牛顿/平方米），在1升的容器中至少仍存在有105个气体分子，所以真的空是不存在的。

>>现实世界中没有任何包覆空间的容器是绝对不漏气、不逸气的，所以在地球表面附近的真空容器只要不持续将气体分子排出，经过一段时间，容器内之气体压力必然升高，最终与周边环境达成平衡。

>>为了维持容器内的真空程度，必须不断地排气，这个排气的工具我们一般使用真空帮浦。由于气体分子的运动行为依不同温度、不同种类、不同浓度而有极大差异，真空帮浦的排气方式即是依据不同真空程度之气体分子的运动行为来进行设计，以现代科技而言，尚无法运用单一一种排气原理所设计的帮浦来从事涵盖整个真空领域的抽气工作。

>>由于使用真空帮浦对真空容器抽气，自然必须有精确的量测仪器进行容器内真空程度的侦测，这些量测仪器称为真空计。如同真空帮浦一样，真空计是依据在不同真空环境下之气体整体行为与气体个别行为所显现的物理特性与化学特性上的差异而设计的，自然也无法使用单一一种侦测原理所设计的真空计即可测量整个真空领域。

3.真空的定义

>>绝对真空：即空无一物，也可称为理想真空。

>>相对真空：即一般所谓的真空，表示某一特定空间内气体压力小于一大气压。

>>自然真空：存在于自然界的真空，如外层空间、月球表面。

>>人造真空：以人为力量造成的真空，如利用真空帮浦对某一特定空间排气而达到之相对真空。

4.真空之等级的介绍

>>粗略真空：760 ~ 1 torr

>>中度真空：1 ~ 10-3 torr

>>高真空：10-3 ~ 10-7 torr

>>超高真空：10-7 torr以下

5.气体之压力

>>气体压力之定义：气体压力是由气体分子碰撞受压面而产生。

>>标准大气压之定义：在0℃时，大气施以760毫米汞柱的压力称之。

>>一标准大气压力＝1 atm

＝760 mmHg＝760 torr

＝1.013×105（10的5次方） Pa

＝1013 mbar

＝14.7 psi

二、真空中之气流特性

气体在真空中的运动行为(或称为气流)是随着压力不同而有极大之差异，也就是说随着气体分子稀薄程度的改变，其气流特性也会随着改变。真空帮浦和真空计是针对气体在某一真空范围内所呈现的特性而设计的，这也就是为什么会需要这么多不同类型的真空帮浦和真空计的原因。下表为气体分子在各真空压力范围内之特性：

名词定义与解释

碰撞率：气体分子每秒钟之内与其它气体分子之平均碰撞次数。

平均自由径：气体分子与其它气体分子连续两次碰撞间所运动之平均距离。

黏滞流：在粗略真空时气流运动是呈黏滞流状态，主要是由气体分子与气体分子间频繁的碰撞来决定它的一些特性：

(a.) 分子平均自由径远小于管路直径。

(b.) 气体分子间之碰撞次数远大于碰撞管壁次数。

(c.) 气体分子间受黏滞力作用，运动时具有方向性，并且沿着抽气方向运动，所以在此气流状态中可以防止帮浦油气回溯，如图一所示:

图一黏滞流气体分子运动

过渡流：在中度真空时气流运动为过渡流状态，其运动特性介于黏滞流与分子流之间，此时分子平均自由径大约等于管路直径。

分子流：在高真空或超高真空时气流运动以分子流状态为主，此时气体分子呈自由运动状态，在真空系统中它的特性有：

(a.) 分子平均自由径大于管路直径。

(b.) 气体分子碰撞管壁机会要比彼此碰撞机会多。

(c.) 气体分子在管路中呈自由运动状态，不受抽气方向影响如图二所示:

图二分子流气体分子运动

三、真空系统

真空系统是依特定应用需求而提供一个与外界隔绝之真空环境，它主要是由负责气体分子排除的真空帮浦、真空度侦测的真空计、真空环境进出与操控的真空阀门与真空引入及一些管路、接头等配件所组合而成，真空系统性能的好坏则取决于材料的选择和系统性能的要求及次系统组件之搭配选择。

1.真空组件与材料

>>真空材料

真空材料一般可分为金属、陶瓷、玻璃、橡胶、塑料及油脂等六类，使用上主要考虑因素包括机械强度、逸气率、加工焊接、价格、抗温、抗腐蚀等。

>>真空封合

真空系统中含有可拆卸封合与连接之组件，在中、低真空主要使用弹性垫圈封合如O形环，如图三。在超高真空以上应用领域时，则使用金属垫圈封合如无氧铜垫圈刀刃封合等，如图四。

图三 O形环封合

图四无氧铜垫圈刀刃封合

>>真空阀门

真空阀门作为调节或隔绝真空系统内外之气体分子流动，其必要条件为不漏气、气导大且本身逸气率小。包括用于粗抽低真空之阀门如盘形阀、球阀，见图五、六；用于高真空之阀门如闸阀，见图七；用于进气之阀门如针阀，见图八；用于高温烘烤之阀门，如图九。

图五盘形阀

图六球阀

图七闸阀 (a)阀门关闭，(b)阀门开启

图八针阀

图九可烘烤之全金属阀门

>>真空引入

这种真空组件是用于真空系统内外讯号、电源供应及机械动作等之传输，而且不会破坏真空状态，一般可分为电力与信号传送的电引入，如高电压或电流引入、热电偶引入、射频引入等；机械引入包括转动运动引入、线性运动引入、流体引入等。如图十所示。

图十传动机械引入机构(a)O型环垫圈封合(b)人字形垫圈封合

2. 真空帮浦

2.1 定义：真空帮浦是指可将容器内的气体分子排除而造成相对真空状态之机件。

2.2 真空帮浦之分类：

2.2.1 依抽气方式划分：

(a)排气式帮浦：将气体分子直接从真空容器中抽出而且排至大气。

(b)储气式帮浦：利用物理吸附或化学吸附将气体分子从真空容器中抽出，但不直接排至大气而是暂时或永久储存在帮浦系统中。此类帮浦有储气容量之限制，需以再生等方式恢复储气功能，如图十一。

图十一真空帮浦之分类

2.2.2 依工作原理划分：

(a)气体压缩原理：利用一次或多次压缩作用，将真空容器内气体分子排至大气，如活塞帮浦、旋片帮浦、鲁式帮浦等。

(b)动量移转原理：利用动量传递方式将气体分子从低压区送至高压区。可分为黏滞牵曳，如蒸汽帮浦；扩散牵曳，如扩散帮浦；分子牵曳，如涡轮分子帮浦。

2.2.3 依工作压力的范围划分：

帮浦依使用压力范围可区分为粗略真空用的抽吸帮浦、活塞帮浦；用于粗略真空至中度真空的滑片帮浦、鲁式帮浦、吸附帮浦等；高真空帮浦如涡轮分子帮浦、油扩散帮浦及冷冻帮浦；超高真空帮浦有涡轮分子帮浦、冷冻帮浦、离子帮浦、钛升华帮浦，如图十二所示。

2.3 真空帮浦的性能要素

由于真空帮浦的工作原理、抽气方式与适用工作压力范围有极大的差异，因此在选择真空帮浦时必须注意以下几个要素，并考虑其间搭配串联抽气之合宜性。

2.3.1 终极压力：指帮浦抽气所能达到最低气压之极限。终极压力之大小由帮浦本身气体逆流之大小或所用抽气媒介(帮浦油)之蒸汽压来决定。

2.3.2 工作压力范围：指帮浦在此段压力范围内具有足够之抽气速率，适合作抽气工作。如图十二所示。

2.3.3 抽气速率：帮浦的抽气速率是随压力不同而变化，一般是指最大抽气速率。

2.3.4 排气口压力：指排气真空帮浦的排气口压力，一般初级帮浦是直接排入大气，排气口压力即为大气压，但如为高真空帮浦则可能要提高至0.5 ~10-2 torr不等。

2.3.5 帮浦之组合：要达到高真空及超高真空领域的需求，目前尚无法以单一一种帮浦便可以胜任，一般皆以初级帮浦搭配高真空帮浦，或是以初级帮浦、中继帮浦再搭配高真空帮浦组合而成。如图十三所示。

图十三高真空帮浦系统之组合及优缺点

3. 真空计

真空计是依据在不同真空程度下气体分子的行为差异，运用各种物理原理直接或间接量测气体的压力或分子数目。真空计和真空帮浦相同的一点是，两者都是利用气体在不同压力下所呈现的物理特性来加以运用，同样的，真空计在不同的压力范围下也需使用不同种类的真空计，到目前为止尚无一种真空计可以量测从一大气压至极高的真空领域。

四、真空系统的应用

1. 运用真空技术的目的

真空是一个特殊的环境，它可提供纯净不受气体分子干扰的空间，以进行科学研究或产品生产，这些工作主要是利用在真空条件下呈现的某些物理上或化学上的特性：

1.1 物理特性：

>>真空与大气压力间的压力差所造成之吸附效果。

>>真空中气体分子平均自由径加长，分子间碰撞减少，，有利于电子、离子长距离运动。

>>真空中气体稀薄可降低热传导、提高电绝缘。

1.2 化学特性：

>>真空中气体分子数目少，有助于防止水汽、氧气对物件的破坏、污染。

>>真空中可形成持续之电离效应，有助于使用等离子反应以进行镀膜、蚀刻、材料化合等工作。

2. 真空技术的应用范围

真空技术的应用可以将之区分为学术研究与工业生产两大部分，在学术研究方面包括有质谱仪、分子束装置、粒子加速器、电子显微镜、薄膜成长、等离子研究、表面物理研究、太空模拟研究等。在工业生产方面涵盖了机械工业之金属退火、除气、金属熔接、表面硬化处理、精密铸造等；化学工业之药品制造贮存、蒸馏分馏、干燥成型等；食品工业之真空包装、干燥、真空填充、脱水贮存等；电子工业之离子布植、真空镀膜、真空蚀刻、真空管、激光等。

真空是一门很特别的学问，它好像跟所有科学与技术都沾得上边，但是实际上相关性又是这么的薄弱，我认为真空技术之于科学技术就像拼音之于文字，它是基础，也是捷径，了解真空技术，从事高科技行业研发与制造的你将会顺风顺水。

希望这篇文章对从事光电与半导体行业的你有所帮助！

图十二各类真空帮浦之工作压力范围

*注：本文由行家说APP与行家专栏作者叶国光联合出品。谢绝任何未经许可的转载。授权或者加入芯片封装群，请联系微信号：hangjia199

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