放氣|真空室內(nèi)的放氣是什么？

放氣 | 真空室內(nèi)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(jié)在材料中的氣體，這對高真空沉積來說是一個挑戰(zhàn)。在熱力學(xué)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(jìn)入腔室的氣體負(fù)載等障礙。

在高真空系統(tǒng)中，真空過程中最重要的氣體負(fù)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(jié)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(zhì)量薄膜的關(guān)鍵因素，其中沉積室的壓力遠(yuǎn)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(xiàn)在光學(xué)、電學(xué)、介電應(yīng)用等領(lǐng)域，并且對雜質(zhì)的存在高度敏感，這可能會使其性能惡化。在高真空系統(tǒng)中，不希望的顆粒在腔室內(nèi)減少，從而產(chǎn)生更均勻、更純凈的薄膜；然而，進(jìn)入腔室的氣體負(fù)載量會影響泵送速度、泵送時間和最低可達(dá)壓力[1，2]。

放氣源
放氣現(xiàn)象的四個主要來源是：
蒸發(fā)：物質(zhì)分子從其表面釋放出來
解吸：已經(jīng)吸附在物質(zhì)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(fā)生的。

擴(kuò)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(dāng)材料暴露于空氣中時溶解在材料的主體中，當(dāng)材料處于低壓環(huán)境（如真空室）中時到達(dá)材料的表面并從表面釋放。
滲透：空氣原子從真空室進(jìn)入真空室。當(dāng)真空室周圍的氣體原子穿透真空室的實心壁進(jìn)入真空室時，就會出現(xiàn)這種現(xiàn)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(kuò)散穿過本體材料并到達(dá)真空室內(nèi)壁的表面，并且最終從內(nèi)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(nèi)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(shù)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(huán)境中存在。一些不應(yīng)在真空環(huán)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(guān)的效果，如頭發(fā)、指甲、皮膚細(xì)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(shù)，總和是所有表面的貢獻(xiàn)。衰變常數(shù)在0.2-1.2的范圍內(nèi)，包含有關(guān)材料類型和脫氣機(jī)制的信息。幾種材料的衰變常數(shù)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(dāng)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(tǒng)的用戶可能會將放氣現(xiàn)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(xiàn)象在旋轉(zhuǎn)泵達(dá)到的壓力下通常不明顯。因此，發(fā)現(xiàn)阻止系統(tǒng)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(dāng)?shù)慕鉀Q方案。
許多在超高真空范圍（UHV）下工作的設(shè)備都使用所謂的電熱毯。在這些系統(tǒng)中，通過加熱或所謂的烘焙系統(tǒng)，熱能被傳遞到被捕獲在真空室的內(nèi)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(tǒng)的構(gòu)造中使用的材料在減少脫氣現(xiàn)象方面具有顯著效果。這一點在Vac Coat產(chǎn)品的生產(chǎn)中沒有被忽視。該公司產(chǎn)品中的真空室及其組件都是真空涂層系統(tǒng)，其設(shè)計和建造方式是將這些系統(tǒng)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

Related posts