1.3.1 污染

当对真空室进行抽空时，为尽快达到所需压力，真空室必须 清洁。真空系统典型的污染物包括

· 真空系统生产过程产生的残留物 表面、螺丝钉和密封件上的油脂和润滑剂

· 与应用相关的污染物 过程反应产物、灰尘和颗粒

· 环境相关的污染物 冷凝蒸汽，特别是吸附在容器壁上的水分。

因此，在组装真空设备时必需确保部件尽可能清洁干净。真 空室中安装的所有部件必须干净、无油脂。安装的所有密封 也必须无油。如果不能避免使用真空润滑脂，则必须非常小 心地使用真空润滑脂，总而言之，是作为润滑剂用以辅助安 装，而不是用作密封剂。如果涉及到高真空或超高真空系 统，在装配过程中必须佩带清洁、不掉毛、无粉尘手套。

1.3.2 冷凝和蒸发

所有物质都有液体、固体或气体三种状态。他们的聚集状态 由压力和温度决定的。液体通过蒸发转化为气态，固体通过 升华转化为气态。将液体或固体从气相分离出来称为冷凝。 由于正常的环境空气中每立方米大约含有 10 g 水蒸气， 所以 冷凝的水蒸气存在于所有物体表面。

由于水分子的强极性，表面的吸附特别明显。天然纤维，特 别是纸张，在真空条件下的干燥过程中，会有大量水分逸 出。冷凝器用于分离水蒸气。甚至某些金属(镉、锌、镁) 在几百摄氏度高温下也可大量蒸发。因此，应避免在设备制 造中使用这些金属。

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图 1.9: 各种物质的蒸气压曲线 [14]

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1.3.3 解吸、扩散、渗透和泄漏

除水之外，其它物质，如真空泵工作液也可吸附在表面。 物质也可从金属壁中扩散出来，这在残余气体中可检验出来。 在特别严格要求的情况下，不锈钢容器可在真空条件下烘烤， 从而促使大多数挥发性成分从金属壁中释放出来。

解吸

气体分子(特别是水)通过吸附和吸收粘着在真空室的内表 面上， 并在真空下再次逐渐解吸。在真空系统中，金属和玻 璃表面因解吸所产生的放气量随覆盖率的下降和时间的推移 而下降。一般假设在给定时间点 t>>t₀ 后， 下降将以线性规律 随时间变化，就能得到很好的近似值。t₀ 通常假定为一小时。

气体量因此可描述为:

公式 1-32: 解吸率

· ��_des 解吸率 [Pa m³ s⁻¹]

· ��_des 解吸流密度 （特定面积） [Pa m³ s⁻¹ m⁻²]

· �� 面积 [m²]

· �� 时间 [s]

带解吸的扩散

在低于 10^-6 hPa 的作业中，塑料， 特别是密封件的表面解吸 影响更大。塑料释放的主要是溶解于这些塑料内部的气体， 这 些气体首先必须扩散到表面。因此，随着泵停机时间的延长， 从塑料中解吸出的气体相比于从金属表面而言占主导地 位。 虽然密封件的表面积相对较小;其解吸率随时间的下降却 远远慢于金属表面解吸率的下降。作为近似值，可假定解析下 降过程随时间的平方根变化。

塑料表面产生的气体因此可描述为:

公式 1-33: 塑料的解吸率

· ��_diff 扩散率 [Pa m³ s⁻¹]

· ��_diff 扩散流密度 （特定面积） [Pa m³ s⁻¹ m⁻²]

· ��_�� 容器中的塑料材料表面积 [m²]

· �� 时间 [s]

类似的情况也发生在压力更低的金属中，其中， 氢和碳以 CO 和 CO₂ 的形式逸出，并可在残余气体谱中看到。在这方 面， 公式 1-33 也适用。

渗透和泄漏

密封件，甚至金属壁，通过扩散都可被小的气体分子渗透， 比如氦。 由于该过程不是时间的函数，因此导致极限压力持续增加。 渗透气体量与横跨壁厚的压力梯度和材料相关的渗透常数成 正比。

公式 1-34: 渗透量

· �� _perm 扩散率 [Pa m³ s⁻¹]

· ��_�� 容器外的压力 [Pa]

· �� 壁厚 [m]

· �� 容器表面积 [m²]

· ��_perm 渗透常数 [m² s⁻¹]

渗透首先在压力低于 10^-8 hPa 时表现出来。

用 Q_L 描述漏孔漏率，即通过漏孔进入真空系统的气体流 量。泄漏率可定义为压力在一定容积内随时间的上升:

公式 1-35: 泄漏率

· ���� 泄漏率 [Pa m³ s^-1]

· Δ�� 测量期间的压力变化量[Pa]

· �� 容积[m³]

· Δ�� 测量时间 [s]

如果以体积流率 S 对容器进行连续抽空，在气体流量（公式1-16）等于泄漏率 QL = S · peq. 时，将会产生平衡压力peq。

如果平衡压力 peq 大约是工作压力的 10 %，则认为系统具有足够好的气密性。举例而言，如果要获得的工作压力为 10-6 hPa 且正在使用的真空泵抽速为 100 l s-1，泄漏率应该不超过 10-6 Pa m3 s-1

在清洁的不锈钢容器中，能够轻松地获得 QL< 10-9 Pa m3 s-1 泄漏率。

要在给定时间段 t内达到极限压力主要取决于上述的所有影响因素，以及真空泵的抽速。前提当然是取决于真空泵的极限压力。

公式 1-36: 作为时间函数的极限压力

通过使用 公式 1-36 以及求解与时间有关的方程， 可计算在 给定抽吸时间t下的各种气体流量和产生的压力。极限压力是 这些压力之和。

1.3.4 烘烤

为获得超高真空范围 (<10^-8 hPa) 内的压力，必须满足以下条件：

· 真空泵的本底压力应该低于所需极限压力的 10 倍。

· 真空室和部件所使用的材料必须针对最小出气量进行优 化，并且具有适当等级的表面处理。

· 应该使用金属密封件(例如，CF 法兰连接或 ISO 法兰标 准的螺旋挠性密封件)。

· 清洁处理是获取超高真空的必要条件，即:所有部件必须 在安装前彻底清洗并必须佩带无油脂手套进行安装。

· 设备和高真空泵必须进行烘烤。

· 在启动加热器之前，必须进行真空检漏。为此，必须使用 氦检漏仪或四极杆质谱仪。

烘烤显著增加解吸率和扩散率，而且这会导致抽吸时间大大 缩短。 作为制造工艺的最后一个步骤，UHV 用途的腔室可在 温度高达 900 °C 时进行退火。后续烘烤温度可能达到 300 °C。 泵制造商有关高真空泵法兰最高烘烤温度的说明通 常将最高温度限制为 120 °C。如果在真空设备中使用热源 (例如，辐射加热)，则不得超过允许的辐射功率。

设备在安装完毕后投入运行。在达到 10^-5 hPa 的压力后，开 启加热器。在加热过程中，每间隔 10 小时就要开启真空计并 对其脱气。 如果使用的是经过适当表面处理的不锈钢腔体和 金属密封件，经过120°C 的烘烤温度和约 48 小时的加热过 程，就足以达到 10^-10 hPa 的压力范围。

烘烤应该持续进行，直至达到预期极限压力的 100 倍。然后 关闭泵和真空室的加热器。在冷却后，很可能会达到所预期 的极限压力。在压力低于 5 · 10^-10 hPa 且内表面积较大时， 将优先使用气体捕集泵(钛升华泵)， 这种泵能以大体积流 率抽出从金属中逸出的氢气。

1.3.5 残余气体组成

在超高真空中工作时，重要的是，在开始真空工艺之前或为 了监控工艺过程，需要了解残余气体的组成。如果水的百分 比 (m/e = 18) 及碎片 OH (m/e = 17) 含量很大，那么多是在真 空室不清洁或烘烤不彻底的原因。如果氮 (m/e = 28) 和氧 (m/e = 32) 的-峰值之比 N2/O2大约为4:1，那么可以判定存 在氮泄漏。

可在充分烘烤的腔室中，可以发现氢 (m/e = 2), 水 (m/e = 17 and 18), 一氧化碳 (m/e= 28) 和二氧化碳 (m/e = 44)。 在使用涡轮分子泵时，不会发现碳氢化合物。因为分子泵对 大分子量气体具有大压缩比, 它们有效地抽除在腔室之外。通过涡轮分子泵抽空的清洁容器的典型残余气体谱所图 1.10 所示。

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图 1.10: 通过涡轮分子泵抽空容器的典型残余气体谱

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有关使用质谱仪的更多信息见第 6 章“质谱仪和残余气体分 析”。

1.3.6 充气保护

为避免不必要的污染，应该使用干燥的氮气代替空气对真空 室进行充气保护。以防止水蒸气和环境空气中的其它可凝物 (如溶剂蒸汽)沉积(吸附)在容器壁上。与真空腔室抽空 作业相比，解吸过程都是十分缓慢的，所以每种可凝物都会 延长后续的抽空时间。如果已经使用惰性气体对容器进行充 气保护，那么只有在需要在容器内部进行必要作业时才打开 容器。由于维修人员动作造成的对流或由于扩散，长时间打 开容器将会导致环境空气中的水蒸气进入其中。