放氣|真空室內的放氣是什么？

放氣 | 真空室內的放氣是什么？

真空沉積中的放氣
放氣被定義為釋放之前被捕獲、溶解、吸收或凍結在材料中的氣體，這對高真空沉積來說是一個挑戰。在熱力學中，氣體分子總是傾向于從壓力較高的地方移動到壓力較低的地方，因此降低腔室中的壓力水平會面臨諸如進入腔室的氣體負載等障礙。

在高真空系統中，真空過程中最重要的氣體負載源是從真空室中物體表面排出的氣體，稱為放氣。
為了減少表面原子的不完全結合，表面是吸附在真空中時從表面釋放的氣體和蒸汽的活性位點。這意味著，無論材料類型如何，所有表面都會放氣。

真空沉積是制備高質量薄膜的關鍵因素，其中沉積室的壓力遠低于大氣壓。因此，顆粒離開靶向基底的平均自由程增加，這使得薄膜——一個幾納米到幾微米厚度的層——的形成成為可能。
薄膜的獨特性能出現在光學、電學、介電應用等領域，并且對雜質的存在高度敏感，這可能會使其性能惡化。在高真空系統中，不希望的顆粒在腔室內減少，從而產生更均勻、更純凈的薄膜；然而，進入腔室的氣體負載量會影響泵送速度、泵送時間和最低可達壓力[1，2]。

放氣源
放氣現象的四個主要來源是：
蒸發：物質分子從其表面釋放出來
解吸：已經吸附在物質表面的氣體分子的釋放。這個過程可能是由于熱、電或光刺激而發生的。

擴散：氣體分子從大量材料中釋放出來。這些分子在制造過程中或當材料暴露于空氣中時溶解在材料的主體中，當材料處于低壓環境（如真空室）中時到達材料的表面并從表面釋放。
滲透：空氣原子從真空室進入真空室。當真空室周圍的氣體原子穿透真空室的實心壁進入真空室時，就會出現這種現象。此過程包括三個步驟。首先，原子被室的外壁吸收。在第二步驟中，它們擴散穿過本體材料并到達真空室內壁的表面，并且最終從內壁釋放到真空室中。這四個過程如圖1所示。

 

排氣材料
排氣率是指在單位時間內每單位面積釋放的氣體量，不同材料的排氣率可能相差9個數量級。因此，只有材料的放氣速率不超過允許的極限時，才允許在高真空環境中存在。一些不應在真空環境中使用的材料包括：液體、塑料、彈性體、粘合劑、多孔陶瓷以及與活體有關的效果，如頭發、指甲、皮膚細胞、指紋等。排氣流速的近似值由方程（1）給出：

Q ?= ∑?a1h?A?/ (t?1h)^α? ? ? ? ? Equation (1)

其中A是幾何表面項，a1h是1小時后的放氣速率，α是衰變常數，總和是所有表面的貢獻。衰變常數在0.2-1.2的范圍內，包含有關材料類型和脫氣機制的信息。幾種材料的衰變常數如表1所示。不同材料的排氣速率如圖2所示。

MaterialDecay constant (α)
Clean metal surfaces1.1-1.2
Desorption from surfaces1
Metals, glasses, and ceramics1
Polymers0.4-0.8
Highly porous surfaces0.5-0.7
Diffusion controlled outgassing from the bulk0.5

Table 1. Decay constant of some type of materials [3].

 

減少放氣的方法：
有幾種方法可以降低真空室中的放氣量，包括適當選擇材料、處理和清潔表面、表面處理和烘焙。這些方法通常基于兩種方法：
1.在使用前盡可能多地暫時刺激分子從表面解吸，
2.在整個操作過程中，在表面上形成阻擋層以阻擋吸附的分子解吸。

Several methods to reduce outgassing are presented in Table 2.

MethodMaterialEffective forNot Effective forVacuum LevelTime
Wash
Hot water/solvent, detergent
Gross/fine contaminantsGreasePressures >10-3mbar< 30 min
Vapor DegreaseHeated solventGross/fine contaminants, loosely bound heavy moleculesInaccessible areas, large partsOrder of magnitude reduction in outgassing< 1 hour
BlowingAir, nitrogen or other dry inert gasGross/fine contaminants, loosely bound heavy moleculesGrease< 30 min
Chemical TreatmentH2O, HCl, HNO3or HFRough surfaces (O2, C, P or Cladsorption)Order of magnitude reduction in outgassing rate< 30 min
Reactive GasO2?or NO for oxidation, H2?or NH3?for reductionHydrocarbons, surface reconditioning after atmospheric exposureCan form unwanted oxidesReduction in outgassing rate by 50% up to 5 orders of magnitude30 min- 2 hours
Glow DischargeAr/5-10%O2, Ar, O2, N2, H2,…C or O based molecules, large surface areas, reconditioning after atmospheric exposureLarge components13 x reduction in outgassing rate~ 2 hours
Passive CoatingSi, TiN, BN, Al2O3,ZrO3H2?from metals, CO, CO2, H2O0.1-100 x reduction in H2outgassingDepends on size
Active CoatingHf, Zr, Ti, Pd, V and combinationH2, H2O, CO, O2, N2, small spacesHydrocarbons,
inert gas, continual
operation (needs
re-activation and
replacement)		Outgassing reduced to <10?13?with no bakeDepends on size
Vacuum BakeMetals, UHV, H2OTemperature sensitive componentsReduces outgassing of H2to<10?142-400 hours
Air BakeAirStainless steel,
aluminum,
H2, CO, CO2, CH4		Plastic, cadmium plating, temperature sensitive componentsReduces outgassing of H2to<10?142-400 hours

Table 2.?Methods of reducing outgassing [3].

 

真空排氣與泄漏
高真空系統的用戶可能會將放氣現象與實際泄漏混淆，因為實際泄漏是釋放到真空室的氣體源，阻礙了抽空過程。在排氣的情況下，壓力會隨著時間的推移而降低，但在泄漏的情況下壓力不會下降到某個水平以下。

壓力越低，放氣就越多。這種現象在旋轉泵達到的壓力下通常不明顯。因此，發現阻止系統排空的問題來源是找到正確解決方案的第一步。另一篇文章討論了真空泄漏源的檢測方法和適當的解決方案。
許多在超高真空范圍（UHV）下工作的設備都使用所謂的電熱毯。在這些系統中，通過加熱或所謂的烘焙系統，熱能被傳遞到被捕獲在真空室的內表面上的分子，并且它們更快地與表面分離并傳遞到真空室的外部

如前所述，在真空系統的構造中使用的材料在減少脫氣現象方面具有顯著效果。這一點在Vac Coat產品的生產中沒有被忽視。該公司產品中的真空室及其組件都是真空涂層系統，其設計和建造方式是將這些系統中的放氣量降至最低。

 

References

Read the following article for more on outgassing topic:

  • [1] A. Jilani, M. S. Abdel-wahab, and A. HosnyHammad, “Advance Deposition Techniques for Thin Film and Coating”, in Modern Technologies for Creating the Thin-film Systems and Coatings. London, United Kingdom: IntechOpen, 2017 [Online]. Available:?https://www.intechopen.com/chapters/52684?doi: 10.5772/65702
  • [2] A. Roth, Vacuum Technology, Third Edition, Elsevier, North Holland (2012)
  • [3] A Review of Outgassing and Methods for its Reduction, Appl. Sci. Converg. Technol. 26(5): 95-109 (2017)?http://dx.doi.org/10.5757/ASCT.2017.26.5.95
  • Outgassing rate of different materials and its measurement methods, International Journal of Scientific & Engineering Research, Volume 8, Issue 4, April-2017, ISSN 2229-5518
  • https://www.shinmaywa.co.jp/vac/english/vacuum/vacuum_2.html

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