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1、百度文库-让每个人平等地提升自我第十二讲第十二讲:真空工艺（真空工艺（1 1）简介简介:清洗一般定义为在真空工艺进行前，先从工件或系统材料表面清除所不期望的物质的过程。真空零部件的表面清洗处理是很必要的，因为由污染物所造成的气体、蒸气源会使真空系统不能获得所要求的真空度。此外，由于污染物的存在，还会影响真空部件连接处的强度和密封性能。第十二讲:真空工艺1 1真空材料的清洗真空材料的清洗概述概述清洗一般定义为在真空工艺进行前，先从工件或系统材料表面清除所不期望的物质的过程。真空零部件的表面清洗处理是很必要的，因为由污染物所造成的气体、蒸气源会使真空系统不能获得所要求的真空度。此外，由于污染物的存
2、在，还会影响真空部件连接处的强度和密封性能。暴露于大气中的表面普遍受到污染，表面上任何一种无用的物质或能量都是污染物。表面污染就其物理状态来看可以是气体，也可以是液体或固体，它们以膜或散粒形式存在。就其化学特征来看，它可以处于离子态或共价态，可以是无机物或有机物。污染的来源有多种，最初的污染常常是表面本身形成过程中的一部分。吸附现象、化学反应、浸析和干燥过程、机械处理以及扩散和离析过程都使各种成分的表面污染物增加。比较常见的真空材料表面上的污染物具体有以下几种类型。油脂：加工、装配、操作时沾染上的润滑剂、切削液、真空油脂等；水基类：操作时的手汗、吹气时的水汽、唾液等；表面氧化物：材料长期放置在
3、空气中或放置在潮湿空气中所形成的表面氧化物；酸、碱、盐类物质：清洗时的残余物质、手汗、水中的矿物质等；抛光残渣及环境空气中的尘埃和其它有机物等。清洗的目的是为了改进真空系统中所有器壁和其它组件表面在各工作条件下的工作稳定性。这些工作条件包括：高温、低温、以及电子、离子、光子或重粒子的发射和轰击。清洗后要求得到的表面可分为两类：原子级清洁表面和工艺技术上的清洁表面。原子级清洁表面仅能在超高真空下实现。它需要在严格控制的环境条件下进行，一般通过较长的时间过程，采用如加热、粒子轰击、溅射、气体反应等技术手段在特定的表面区域获得原子级清洁表面。通常的实际应用一般并不要求获得原子级清洁表面，仅要求工艺技
4、术上的清洁或较好的表面质量，即保证所有的表面尽可能没有微观结构物质，并且使清洗后表面的各种分子约束得更紧密，在基体相上没有明显的化学物质。1百度文库-让每个人平等地提升自我一般情况下，在一切需要使用溶剂的清洗工作都不能在真空中进行。如果在真空中进行清洗(通常采用加热、轰击等手段)，那么清洗通常是在真空工艺系统内部进行的(如镀膜室、分析室等)。表面清洗的基本方法表面清洗的基本方法1.2.1溶剂清洗用溶剂清洗是一种应用最普遍的方法。在该方法中使用各种清洗液，它们分为：软化水或含水系统：例含洗涤剂的水，稀酸或碱；无水有机溶剂：如乙醇、乙二醇、异丙醇、甲酮、丙酮等；石油分馏物、氯化或氟化碳氢化物；乳状
5、液或溶剂蒸气。金属清洗剂(市售商品)：这种清洗剂分为酸性、碱性和中性偏碱等三类。其用途分别为：酸性：多用于清洗氧化物、锈和腐蚀物；碱性：含有表面活性剂，用于清除轻质油污；中性偏碱：可避免酸碱对表面的损伤。所采用的溶剂类型取决于污染物的本质。例如：表面上的动植物类油可用碱溶液化学去油；矿物油类可用有机溶剂去除。但实际上两类油脂经常同时存在，所以在清洗时往往需要先后采用数种不同的溶剂。1.2.1.1擦洗和浸洗除去表面污物的最简单方法是用脱脂棉(或干净软纱布)浸溶剂擦拭表面。这种方法最适宜作预清洗，即清洗程序的第一步。浸泡清洗也是一种简单而常用的清洗技术。浸泡清洗的基本设备，结构简单，价格便宜。一个
6、用玻璃、塑料或不锈钢制成的开口容器，装满清洗液，将被清洗的零件放入清洗液中，搅动或不搅动均可，浸泡短时间后，从容器中取出擦干或晾干。可重复上述过程。除了水基和有机溶剂清洗液外，还可以用各种强度的酸(从弱酸到强酸)及其混合物；苛性碱溶液等。下面介绍几种常见的浸洗方法。碱液去油将零件浸入碱液时，由于碱液与油脂的化学作用可使动植物油转化为脂肪酸盐类(皂化作用)，这些盐类能溶解于水，从而能使零件除去油脂达到净化的目的。以氢氧化钠(苛性钠)为例，其反应方程如下：(C17H35COO)3C3H5+3NaOH=C3H5(OH)3+3C17H35COONa硬脂酸酯氢氧化钠甘油硬脂酸钠(肥皂)矿物油与氢氧化钠不
7、起皂化作用，但可通过乳化作用达到部分去油的目的。其原理是因为碱溶液对金属表面的浸润力_要比矿物油强，所以当金属零件浸入碱溶液时，零件表面的油膜遭到破坏，而聚集形成很小的油滴，虽然不溶解于碱液，但呈悬浮在溶液中(即乳化作用)。当然乳化作用的去油效果不如皂化作用好。常用的碱溶液有氢氧化钠(NaOH)或氢氧化钾(KOH)(浓度为 50100 gL)、碳酸钠(Na2CO3)、碳酸钾(K2CO3)(浓度 100150 gL)。清洗时溶液的浓度不宜过高，浓度过高会使金属零件表面生成氧化膜，并且使生成的肥皂不易溶解而凝聚在零件表面上。如果将溶液加热到 7080，可提高所生成肥皂的溶解度，并能促使碱液循环，大
8、大加强去油效果。另外搅拌也能促进去油过程，搅拌可使围绕金属表面的溶液经常更新，而且由于机械力量的作用，能从金属表面搅去个别油滴。零件在碱液中停留时间取决于零件表面油污情况及金属性质。一般为 35 min，多2百度文库-让每个人平等地提升自我的可达 3040 min。有的金属成分容易在碱液中溶解(如钠)，因此清洗时不但时间宜短，而且溶液的浓度与温度亦应降低。金属零件从碱液中取出后应立即在温水中彻底清洗，洗净碱液，然后再用冷水清洗。若清洗后金属表面不全被水浸润(表面有水滴)，则表示油污尚未除净，应再次进行处理。去油后的零件不能在空气中露置时间过长，以免表面氧化。目前已普遍采用合成洗净剂去油。用合成
9、洗净剂与水以一定比例配成溶液，将待去油的零件放入溶液中加热到沸腾，煮 1015 min(或用超声波振动 2030min)，可获得良好的去油效果。有机溶剂去油有机溶剂能够溶解矿物油和动植物油，通常可与碱液去油配合使用。用有机溶剂去油法，经常用来第一次去油，然后再用碱溶液去油，这样可以缩短零件在碱液中的去油时间。也有在碱液去油后重新用有机溶剂去油的，使矿物油经乳化后更彻底地去除。常用的有机溶剂有：三氯乙烯(C2HCL3)、四氯化碳(CCL4)、丙酮(C3H6O)、乙醇(C2H5OH)、汽油、苯等。化学侵蚀一般在去油后进行化学浸蚀，浸蚀的溶液通常用酸碱，目的是去除金属表面的氧化物。浸蚀的原理为：大多
10、数金属的氧化物以及金属本身能被适当的酸碱溶液所溶解(起化学反应)。浸蚀溶液的选择需根据金属材料的性质决定。大多数的金属浸蚀处理在酸性溶液中进行，但是某些金属材料则适用碱性溶液进行浸蚀处理。氧化物与酸反应生成盐和水，金属与酸作用生成盐与氢气。在处理中为了避免金属表面吸收氢气变脆和过度腐蚀，浸蚀时溶液的浓度、温度以及浸蚀时间都需要作适当的控制。根据浸蚀的程度，浸蚀可分为两种：弱浸蚀：多数在稀溶液中进行。主要溶去的是金属表面的氧化物，而金属本身浸蚀很少。因此金属表面结构没有改变，去掉杂质后就可以显露出光洁的表面。强浸蚀：多数在浓溶液中进行。浸蚀时，除了金属表面的氧化物外，还可将金属表面层溶解掉，因此
11、浸蚀后金属表面比较粗糙而无光泽。在工件表面进行表面涂覆处理时，一般用强浸蚀处理，因为洁净的粗糙表面可以增加涂层的附着性。配制化学浸蚀溶液的几种常用的酸有：盐酸、硫酸及硝酸等，它们都具有强氧化性和强酸性。1.2.1.2喷射(淋)清洗喷射清洗过程利用运动流体施加于小粒子上的剪切力来破坏粒子与表面间的粘附力，粒子悬浮于湍流流体中，被流体从表面带走。通常用于浸泡清洗的溶剂也可用于喷射清洗。增加清洗介质的喷射压力和相应的液流速度则使清洗效率提高，所用的喷射压力约 350 kPa。高压液体喷射对清除小到 5m 的粒子是非常有效的方法。在某些情况下，高压空气或气体的喷射也很有效。1.2.1.3超声波清洗超声
12、波清洗提供了一种清除较强粘附污染的技术方法。这种清洗工艺可产生很强的物理清洗作用，因而是振松与表面强粘合污染物的非常有效的技术。在超声清洗工艺中，可以根据污染物种类的不同，选择纯水、有机溶剂清洗液或无机酸性，碱性和中性清洗液作为清洗介质。为了强化清洗效果，有时还在清洗液中加入金刚砂研磨剂。清洗液可按以下原则选取：表面张力小，对声波的衰减小，对油脂的溶解能力大，无毒、无害物质。超声波清洗设备由超声波发生器(换能器)和清洗槽组成。超声清洗是在盛有清洗液的不锈钢槽中进行的，清洗槽底部或侧壁装有换能器，这些换能器将输入3百度文库-让每个人平等地提升自我的电振荡转换成机械振动输出。清洗用超声波的工作频率
13、一般在 2040 kHz 之间。a超声波用于清洗的主要原理是：超声空隙作用。由于弹性介质的机械振动，超声波在清洗介质中传播时使介质质点产生相互交替的疏密的分布变化，介质中的压力也交替变化。介质液体在稀疏处受到拉力而形成大量瞬时的空隙气泡，介质液体在稠密处受到压力使气泡闭合，由于振动的频率很高，压密和拉疏过程在极快地变动，使得大量空隙气泡在瞬间破碎，产生很强的爆破冲击波，波谱为连续谱加上离散谱。这由小的内向爆裂气泡所产生的瞬时压力可大到几个大气压甚至几十个大气压。正是利用这个巨大的瞬时压力产生的强大冲击力量及气泡瞬时闭合所产生的局部高温作用，破坏工件表面的油膜等污染物，使之脱离表面被冲落到清洗溶
14、液中，从而使工件表面达到净化。由于声波本身具有能进入复杂构造异形孔道的特点，所以超声波清洗可以清除复杂有孔零件内部的污染物，这是一般清洗方法所无法实现的。b超声清洗的功率：超声空化作用在物理本质上是声场中产生的空波的非线性振动以及破灭的二次辐射冲击波。从宏观的能量转换关系来说，换能器系统将吸收的电功率，转换成清洗介质中的声功率，如图 1 所示。从图中可以看出，在一定范围内，声功率 WT随着输入电功率 Wd的增加而增加，即输入功率的增加将在清洗介质中(界面处)产生较高的气泡成穴密度，这反过来又提高了清洁效率。但是在声空化达到一定程度(WC)时，电功率再增加，声功率也不再增加，而且还有下降的趋势。
15、因此，在同样规格的清洗槽中，使用相同的清洗介质时，并非超声输入功率越大，清洗效果就越好，而是应该选择一个合适的功率。c超声波频率：在超声波清洗设备中，工作频率的选择会直接影响到清洗效果。从超声清洗机理而言，所选择的频率要有利于气泡的产生、发育和破灭，保证一定的空化效应。从声场而言，必须保证获得均匀声场。如果选择的工作频率过高，则不利于绝大多数气泡的形成发育，气泡不破灭或虽破灭但产生的冲击波太小；但是如果工作频率选的过低时，虽然低频产生的气泡及冲击波大，但是噪声也大，对工作环境有较大影响。常用的工作频率为 410 MHz。4百度文库-让每个人平等地提升自我1.2.1.4蒸气脱脂清洗蒸气脱脂主要适
16、用于清除基片表面油脂膜和类脂膜等碳氢化物，对于带有牢固附着污染物和污染的很严重的基片，当用擦洗和浸洗或超声波清洗方法清洗以后，再用蒸汽清洗会得到很好的清洗效果。这种方法经常用于玻璃的清洗工序的最后一步。蒸气脱脂设备基本上是由底部具有加热元件和顶部周围绕有水冷蛇形管的开口容器组成。清洗液可以是异丙基乙醇、三氯乙烯或某种氟化的碳水化合物。溶剂被加热蒸发，形成热的高密度蒸气，顶部的水冷管用来阻止和减少蒸气损失。蒸气脱脂清洗操作方法简单。可大批量清洗，是得到高质量清洁表面的好方法。其清洗效率可用测定摩擦系数的方法来检验。另外还有暗场检验、接触角和薄膜附着力测量等方法，这些值越高，清洁表面越好。1.2.
17、2电化学清洗处理1.2.2.1电解浸蚀采用电解浸蚀方法可以缩短浸蚀时间及减少溶液的消耗，并可以得到化学浸蚀所不易得到的浸蚀效果。如不锈钢采用化学浸蚀方法，需用强硝酸和盐酸浸蚀，所产生的气体对人体有害，而用电解浸蚀则用弱酸即可。电解浸蚀分为阳极浸蚀和阴极浸蚀两种。阳极浸蚀是将被清洗的金属零件放在某种溶液中，并将零件接在电源的正极，阴极板材料可用铅、钢或铁。电解时在阳极产生氧气，由于受氧气气泡的机械冲击作用从而将氧化物剥离。浸蚀通常在室温下进行，也可加热至 5060，浸蚀时间需根据工件表面状况而定。阴极浸蚀是把工件接至阴极，用铅、铅锑合金或硅铁作阳极。浸蚀时在阴极上产生氢气将氧化物还原并消除氧化层
18、。同时也由于氢气逸出时的机械力量使氧化层脱落。电解浸蚀常用的是阳极浸蚀法。阳极浸蚀法需注意浸蚀过度及浸蚀不均匀的问题，尤其是形状复杂的零件。阴极浸蚀不会产生过度浸蚀，但零件容易产生渗氢发脆现象。电解浸蚀的效果取决于金属表面氧化层的状态，如果氧化层厚且密集，则电解浸蚀较难去除，疏松而多孔的氧化层则容易去除。在其它条件相同的情况下，调节电解浸蚀中的电流大小，就可以调节浸蚀的强弱。得到不同光洁度的表面。电解浸蚀所用的电源电压通常为 212 V，极间距离为 50150 mm。可通过调节电压和极间距离来达到去除金属表面氧化层的目的。如果用电解浸蚀方法去油，则效率比化学去油高好几倍。可以用碱液作为电解液，
19、电源可用交流或直流。直流电解的去油速率比交流快。电解去油的原理是：电解时在作为零件的电极上剧烈地产生气泡(阳极产生氧气，阴极产生氢气)，零件上附着的油脂薄层因受气泡机械力的冲击而破坏，同时油脂亦和碱液起皂化和乳化作用，加速了去油过程。如用直流电源进行电解去油时，常把被清洗的零件接至阴极。电解去油常用的碱液配方如下(与碱液去油相同)：烧碱（NaOH）60 gL；纯碱（Na2CO3）20 gL；氰化钠（NaCH）20 gL；水玻璃（Na2SiO3）8 gL工艺参数为：温度：25；电压：610 V(零件接阴极，阳极材料用不锈钢)；电流密度：4080 mAcm2；处理时间：12 min。一般电解去油的
20、时间应短一些。对铜极其合金，只能用阴极去油，如果用阳极去油，则铜的表面将形成厚而牢固的黑色氧化膜，不易清除。5百度文库-让每个人平等地提升自我电解去油后，零件应先在温水(60)中洗涤，以溶解金属表面上的所形成的肥皂，然后在冷水中冲洗。由于在去油清洗的过程中(尤其是阴极电解)，所产生的氢气可溶解在工件中，成为工作中附加的放气率。因此，在零件总装之前，需用真空高温烘烤(用于超高真空的不锈钢烘烤温度为 900)除去大部分氢气。（未完待续）第十二讲：真空工艺（第十二讲：真空工艺（2 2）简介简介:电化学抛光的原理与电解侵蚀相同,但是所用的电解液与电解侵蚀液不同.对于大部分金属来说,都可以采用电化学抛光
21、方法清洗.第十二讲：真空工艺（第十二讲：真空工艺（2 2）1.2.2.2 电化学抛光电化学抛光的原理与电解侵蚀相同,但是所用的电解液与电解侵蚀液不同.对于大部分金属来说,都可以采用电化学抛光方法清洗.该方法为电镀的逆过程,抛光时,工件接阳极被退镀,阴极通常用紫铜,铅,钢等金属制成,其面积为阳极的面积5倍以上,阴阳级距离 50-120mm.由于电场集中,在高点的金属被迅速地除掉,使金属表面变得很均匀,结果获得了理想的光洁表面.在抛光过程中零件的耗损极少,抛光后可得到光洁度很高的表面.抛光前零件的表面粗糙以为宜,并需彻底去油.其电解液配方如下:正磷酸(H3PO4)65%(重量百分数)硫酸(H2SO
22、4)15%铬酐(CrO3)6%去离子水 14%抛光工艺参数见表 1材料电流密度电压(V)时间抛光液温2（A/cm）(min)度(C)不锈钢25-50（小件）80-90不锈钢25-50（大件）25-50镍6-122-1025-50钼25-50康铜可伐电化学抛光后，零将零件放入 25氨水内中和 1520s，再用水清洗，无水乙醇脱水，烘干，I23 加热和辐照清洗将工件放置于常压或真空中加热促使其表面上的挥发杂质蒸发来达到清洗的目的，这种方法的清洗效果与工件的环境压力、在真空中保留时间的长短、加热温度、污染物的类型及工件材料有关。其原理是加热工件促使其表面吸附6百度文库-让每个人平等地提升自我的水分子
23、和各种碳氢化合物分子的解吸作用增强。解吸增强的程度与温度有关。在超高真空下，为了得到原子级清洁表面，加热温度必高于 450 度才行对在较高温度的衬底上淀积膜有关的情况(制备特殊性质的膜)加热清洗方法特别有效。但有时，这种处理方法也会产生副作用。由于加热的结果，可能发生某些碳氢化合物聚合成较大的团粒，并同时分解成碳渣然而，用高温火焰加热处理(如氢一空气火焰)方法可以很好地解决这个问题。虽然在该处理方法中，工件表面温度仅约 100 度，但是在火焰中存在着各种离子、杂质及高热能分子。通过实验，人们发现火焰的清洁作用与辉光放电作用相类似。在辉光放电中，离子化的高能粒子撞击工件表面来除去表面上的杂质；火
24、焰中的高能粒子把能量交给吸附污物使之脱离表面，另外，粒子轰击和表面上的粒子复合将释放热量也有助于解吸污物分予一种新的清洁表面的技术，是利用紫外辐照来分解表面上的碳氢化合物。例如，在空气中照射 15h 就可产生清洁的玻璃表面。如果把适当预清洗的表面放在一个产生臭氧的紫外线源中要不了 min 就可以形成清洁表面（工艺清洁)。这表明臭氧的存在增加了清洁速率。其清洗机理是：在紫外线照射下，污物分子受激并离解，而臭氧的生成和存在产生高活性的原予态氧。受激的污物分子和由污物离解产生的自由基与原子态氧作用形成较简单易挥发分子如 H203、CO2 和N2其反应速率随温度的增加而增加124 放电清洗这种 清洗
25、方法 在高 真空，趣高真空系统的清洗除气中应用的非常广泛尤其是在真空镀膜设 备中 用的最多。利用 热丝 或电 极作 为电子源在其上相 对于待 清洗的表面加负偏压可以实现电子轰击的气体解 吸及某些碳氢化合物的去除 清洗效果取决于电极材料、几何形状及其与表面的关系即取决于单位表面积上的电子数和电子能量从而取决于有效电功率。在真空室中充入适当分压力的惰性气体(典型的如 Ar 气)可以利用两个适当的电极间的低压下的辉光放电产生的离子轰击来达到清洗的目的。该方法中惰性气体被离化并轰击真空室内壁、真空室内的其它结构件及被镀基片，它可以使某些真空系 统免除被高温烘烤。如果在充入的气体中加入 lO的镀气，对某
26、些碳氢化合物可以获得更好的清 洗效果。因为氧气可以使某些碳氢化合物氧化生成 易挥 发性气体而容易被真空系统排除。不锈钢高真空和超高真空容器表面上杂质的主要成分是碳和碳氢化合物。一般情况下，其中的碳不能单独挥发经化学清洗后，需要引入Ar 或 Ar+O：混合气体进行辉光放电清洗，使表面上的杂质和由于化学作用被束缚在表面上的气体得到清除在辉光放电清洗中聚重要的参数是外加电压的类型(交流或直流），放电电压大小、电流密度、充入气体种类和压力 轰击的持续时间 电极的形状和律列以及待清洗的部件的材料和位置等放电电极可用纯铝(一般纯度在 999以上)棒，放电电压在 5005000 V 之间放电时的气体压力可在
27、llOPa 之间。辉光放电法清洗时真空系统中的残余气体主要为氢和充入的惰性放电气体125 剥去覆盖涂层清洗7百度文库-让每个人平等地提升自我利用可剥去粘附层或喷漆层以清除表面尘埃粒子的方法，是一种非常特殊的清洗方法。利用这种方法清洁小片玻璃(如激光镜衬底)更为可取.从文献中可知，甚至非常小的，已嵌入粘附涂层的尘埃，也能用这种方法从表面巾清除。在目前所应用的各种剥离涂堪巾，醋酸戊脂最适合于剥离尘埃，而不留下任何残渣。126气体冲洗氮气冲洗氮气在材料表面吸附时，由于吸附热小，因而吸留表面时间极短.即便吸附在器壁上，也很容易被抽走。利用氮气的这种性质冲洗真空系统，可以大大缩短系统的抽气时间。如真空镀
28、膜机在放入大气之前，先用干燥氮气充入真空室冲刷一下再充入大气，则下一抽气循环的抽气时间可缩短近一半，其原因为氮分予的吸附能远比水气分予小，在真空下充入氮气后，氮分子先被真空室壁吸附了。由于吸附位是一定的，先被氮分子占满了，其吸附的水分子就很少了，因而使抽气时间缩短了。如果系统被扩散泵油喷溅污染了，还可以利用氮气冲洗法来清洗被污染的系统.一般是一边对系统进行烘烤加热，一边用氮气冲洗系统，可将油污染消除。反应气体冲洗这种方法特别适用于大型超高不锈钢真空系统的内部洗(去除碳氢化合物污染)。通常对于某些大型超高真空系统(如粒子加速器等)的真空室和真空元件，为了获得原子态的清洁表面，消除其表面污染的标准
29、方法是化学清洗，真空炉焙烧、辉光放电清洗及原能烘烤真空系统等方法。以上的清洗和除气方法常用于真空系统安装前及装配期间。在真空系统安装后(或系统运行后)，由于真空系统内的各种零部件已经被同定，这时对它们进行除气处理就很困难，一旦系统受到(偶然)污染(主要是大原子数的分子如碳氢化合物的污染)，通常要拆卸后重新处理再安装而用反应气体滑洗(RGC)工艺，可以进行原位在线除气处理有效地除去不锈钢真空室内的碳氢化合物的污染.其清洗机理：在系统中引述氧化性气体(O2、N0)和还原性气体(H2、N H3)对金属表面进行化学反应清洗，消除污染，以便获得原子态的消洁金属表面。表面氧化还原的速率取决于污染的情况及金
30、属表丽的材质，表面反应速率的大小通过调整反应气体的压力和温度来控制。对于每一种基材而言，精确的参数要通过实验来确定.对于不同的结晶取向，这些参数是不同的对反应清洗来说，可以用O2 或 No 作为反应清洗气体，但实践表明，对不锈钢(或镍基钢)系统，N O 对污染物的分离作用要大于O2 分子。此外，对某些材料来说(例铬)，在较高温度下，反应气体用氧气容易导致被滑洗材料表面形成很稳定的不易去除的表面氧化物。因此，对不锈钢真空系统，最好选用NO怍为反应气体，因为它能够 在相对低的温度(2 00 度)下产生化学反应，而这对大型真空系统来说是容易做到的。用 NO 反应气体清洗不锈钢真空系统，所产生的化学反
31、应如下：No+CO l 2H2+Co22No+C N2+C02N 0 十 C12 N2十 CoN0+2H 12 N2+H2O清洗处理前后真空容器的清洁度可以通过测量热脱附(T D)和光子诱导脱附(PSD)的产额来评估。8百度文库-让每个人平等地提升自我用 NO 反应气体清洗的真空装置见图2。气体清洗系统包括NO 气体引入真空室的充气系统;测量压力的 BA 裸规，用来监控分压力和清洗过程的残余气体分析器；另外最好还要有 NO 气体检测器，其灵敏度应达到 ppm 级，作用是监控任何微量 NO 气体向真空系统周围环境的泄漏并报警，冲洗前真空室在200C 下烘烤 2 4 h，本底压力一般达到 67l
32、0-5 左右。NO 气体(纯度 99)通过微调阀进入真空室内。真空室的温度保持在气体的压力被控制在10-3Pa范围(一般大于本底压力的 1 O1 00 倍)为了维持真空度，在清洗处理期间用涡轮分子泵与钛升华泵和离子泵联合抽气，用四搬质谱仪分析真空室内的残余气体成份.一般当四假质谱仪检测不到碳氢化合物的谱峰时或者 N O 的谱峰高度是CO 峰高的 3 倍或更大时，可以结束滑洗过程。通常，这个过程至少需要几个小时_实验表明，用 NO 气体从不锈钢真空容器表面除去碳氢化合物污染的效果与用辉光放电处理方法得到的效果相近(用热脱附和光诱导脱附判断)，但气体清洗所用的装置要比辉光放电滑洗的装置简单，而且不
33、需要把被清洗的容器从系统上拆下。但是用 N0 作为反应气体的缺点是 NO 气体对入体有害，因此在滑洗工艺进行之前，必须对清洗装置做安全检查，以确定无微量泄漏.1.气体微调阀 2.烘烤炉 3.真空容器 4.圆极质谱仪规 6.抽气系统气体检测器I3 清洗的基本程序131污染物的确定清洗时了解和确定被清洗基体表面污染物的性质是清洗工艺中的第一步。根据污染物和基体的性质，确定采用哪种清洗方法，或采用多种方法进行多级清洗，以达到最佳清洗效果.清洗方法的确定材料表面清洗可以用各种方法完成，如用溶剂清洗，加热、剥离和放电清洗等前述方法。每一种方法都有其适用范围，其中溶剂清洗的适用范围较大，但是在许多情况下，
34、特别是对某种真空工艺来说，当溶剂本身就是污染物时，它就不适用了.另外，多数有机溶剂都不适于用在超高真空系统中，在超高真空系统中，最后的冲冼的合理选择以高纯水为佳。因为，水可以从系统的器壁上迅速地放气，并且很容易被泵抽走。加热清洗在待清洗材料表面所能承受的温度极限内是有效的.辉光放电清洗(等离子体)方法则在污染物的粘合强度超过系统温度极限的情况下适用。从微观上，等离子体(放电)的能量可远超过系筑加热得到的能量，但因其热通量低，所以并不破坏清洗表面。9百度文库-让每个人平等地提升自我然而，没有一种方法具有人们所希望的全部特点(简单、成本、有效等)，经常为了达到材料表面的最佳清洗效果，必须联合使用多
35、种清洗方法。例如：有些材料常在喷射清洗之前进行蒸气脱脂，蒸气脱脂可清除油膜但对颗粒状物质无效，而喷射清洗对清除这些颗粒状物质却十分有效，但如果表面留有残余油膜刚效果不佳，只有在清除表面的油膜之后喷射清洗才能获得最好效果.(未完待续)第十二讲：真空工艺（第十二讲：真空工艺（3 3）第十二讲：真空工艺第十二讲：真空工艺133 清洗溶剂的选择(上接 2003 年第 3 期第 65 页)在溶剂清洗方法中，可根据被清洗材料及污染物的性质来选择合适、有效的清洗剂和溶剂是溶剂清洗方法中的一个关键。清洗溶剂常常是彼此不相容的，所以在使用另一种清洗液前，必须先从表面上完全清除这一种清洗液。在清洗过程中，清洗液的
36、顺序必须是化学上相容的和可溶混的，而且在各阶段都没有沉淀。134 清洗程序及注意事项不管用何种清洗方法，清洗时必须按一定的顺序进行操作。但是同一种清洗方法的清洗程序也并不一定相同。要根据达到的清洁等级程度来确定具体的清洗程序。对批量处理，可建立流程图。必须注意一些特殊步骤的处理。例如：当清洗中，由酸性溶液改为碱性溶液，其间需要用纯水冲洗，有含水溶液换成有机液，总是需要用一种溶混的助溶剂(如无水乙醇、丙酮等脱水剂)进行中间处理。清洗过程中的化学腐蚀剂以及腐蚀性清洁剂只允许在表面上停留很短时间。清洗程序的最后一步必须小心完成。当用湿法清洗时，最后所用的冲洗液必须尽可能的纯，通常它应该是易挥发的。最
37、后需注意的是，已清洁的表面不要放置在无保护处，如果清洗后的零件再次受到污染，清洗就失去了意义。14 非金属材料的清洗141 玻璃陶瓷的清洗玻璃及陶瓷件最常用的清洗方法是溶剂清洗法。玻璃陶瓷部件的预清洗，通常由在清洗液中浸泡清洗开始，并辅以刷洗、擦拭或超声波搅动，然后用去离子水(软化纯净水)或无水乙醇(酒精)冲洗。重要的是，当清洗后的部件干燥时，不允许溶液沉淀物留在部件表面上，因为去除沉淀物常常是困难的。对于表面清洁度要求很高的玻璃陶瓷部件，最后要在真空环境中进行烘烤加热处理、等离子辉光放电处理等方法。142 塑料与橡胶的清洗1421 有机玻璃及塑料的清洗有机玻璃和塑料的清洁需要特殊的技术处理，
38、因为它们的热稳定和机械稳定性都低。低分子量碎粒、表面油脂、手汉指纹等，都可覆盖有机玻璃表面。大多数污染物可以用含水的洗涤剂洗掉，或者用其它的溶剂清除。应注意的是，用洗涤剂或溶剂清洗的时间不能过长，以免它们被吸附到聚合物结构中，促10百度文库-让每个人平等地提升自我使其膨胀，并可能在干燥时开裂。因此，在清洗中应尽可能伴以软性液体浸泡和冲洗。另外，恰当的辉光放电轰击及辐射处理对塑料和有机玻璃的表面有好处，这种处理除了使表面产生微观粗糙外，还可以引起表面的化学活化作用和交联。特别是交联作用对表面有利，它增加了聚合物的表面强度，减少有害的低分子量成份的量。因此，选择适当的清洗液，较短的清洗时间，以及在
39、粒子轰击或辐射中仔细地确定能量限度和恰当的剂量，对取得最佳清洁结果都是重要的。1422 橡胶材料的清洗真空橡胶一般不受稀酸溶液、碱溶液和酒精的腐蚀，但会受到硝酸、盐酸、丙酮以及电子轰击的严重损害。所以真空橡胶件一般可用无水乙醇清洗，然后放在干净处自然干燥。如果油污较重或部件体积较大，则可在 20的氢氧化钠溶液中煮 3060 min，取出后用自来水冲洗，然后再用去离子水(或蒸馏水)冲洗，最后用洁净的空气吹干或烘干。2 真空材料的除气21 材料除气的基本方法211 烘烤除气真空中的“烘烤”系指在抽气循环的某一阶段中，将真空系统升温，随后又使之降到环境温度的过程。烘烤的注意目的是使吸附的气体从被加热
40、的表面上解吸，而且其解吸速率要远远大于在环境温度下的解吸速率，对解吸出的气体，用真空泵从系统中排除。烘烤的好处是：能在规定的抽气时间内达到较低的压力；或为达到规定的压力，所用的总抽气时间较短。在很多情况下，只需烘烤真空系统的某些局部部位即可达到目的。常见的例子有：电离计(规管)在烘烤去气后，能更精确地进行真空测量；超高真空系统大部分需要进行烘烤除气，以减少抽空时间；表面研究(分析)中的试件及其固定装置也要烘烤去气。在整个系统中，由烘烤而引起的系统最终的总压力的下降一般是很微小的(甚至可能略有上升)，但就烘烤的实质来看，是使结合能较低的吸附气体被有选择地从研究的表面上除去，使得在真空气氛中的被去
41、气的部位成为比较“干净新鲜”的。212 电子轰击除气2121电子轰击除气特点利用热丝或电极作为电子发射源，在其上相对于待除气的表面加负偏压，电子在位差为 U 的电场作用下，获得动能打到被除气的器件或表面上，电子可进入固体表面较深处，电子具有的大部分能量以热能形式传给固体，使吸附在表面上的原子从表面上释放出来，同时电子轰击将表面加热，促使内部原子向表面扩散并从表面解吸。表面电子轰击除气的电子能量一般在 10 keV 以上。电子轰击除气与烘烤加热除气的机理并没有本质的区别，二者的出气速率最终都受材料体内杂质原子向表面扩散速率的限制。二者不同的是，加热除气对材料表面氧化膜的破坏很小，因为大多数金属氧
42、化物的化学稳定性较好，一般不易热离解。当加热除气时氧化膜主要依靠从金属体内扩散出来的碳原子的还原作用来清除。由于碳原子的扩散系数很小，因而这种还原过程很慢。许多金属在真空中经过 1000的长时间加热后，表面仍留有氧化膜。只有一些活性金属(如 Zr、Ti、Ba 等)在加热过程中，其表面的氧化膜通过氧向体内扩散而逐渐消失。11百度文库-让每个人平等地提升自我与加热不同，电子轰击对氧化膜的破坏非常迅速。材料表面的氧化膜在电子轰击下很快离解并清除，体内的氧随之向表面扩散补充。与加热除气相比，电子轰击除气的起始出气速率很高，一般要比热除气大几到十几倍。除气开始阶段放出的含氧气体占大多数，约占总出气量的
43、9095。当被轰击金属的温度超过400时，放出的气体中 H2的量增大到 2030。2122电子轰击固体表面时的基本过程电子轰击固体表面时会产生许多复杂的现象(参见图 3)。图 3电子轰击固体表面产生的物理现象表面化合物离解固体表面化合物，主要是氧化物，在电子轰击下容易离解，因为它们的分解能阈较低，表 1 给出一些化合物的分解能阈值。化合物在离解时要放出大量的气体离子或分子，例如，氧化的 Cu、Ni、Mo、Ti、Ta 和 W 阳极(厚度为 O13 mm)受到能量为 90 eV、密度为 10 mAcm2的电子流轰击时，放出大量的 0+，产额高达 10-5离子电子。表 l 电子轰击时一些化合物的分解
44、能阈化合物BaOSrOMgONaCiKClNiOM003BaCl2分解能414O5O阈(eV)形成能(eV)12百度文库-让每个人平等地提升自我分子的聚合电子轰击表面时，被激活和电离的分子及其“碎片有可能来不及蒸发(特别是当它们在表面的覆盖度较大时)，而彼此作用形成较大的聚合分子并牢固附着在固体表面上。这种聚合膜对电真空器件非常有害，但是可以利用该现象机理制成无油高真空(或超高真空)系统中应用的“离子阱。真空系统中的离子阱利用磁控放电作用使来自机械泵的油分子变为固态聚合膜，以阻止它们进入无油高真空侧。当轰击的电子能量在 250300 eV 时，聚合物的形成速度最高。在此能量下，很小的电流密度(
45、3040Acm2)下便可观察到聚合现象。二次电子发射电子轰击固体时会产生一定数量的二次电子，其产额决定于一次电子能量和固体的二次发射系数。二次电子产额开始随一次电子在固体中穿透深度的增加而增大，并在某一深度处达到最大值。但电子穿透深度更大时，激发的二次电子难以脱出，产额又逐步减少。二次电子发射现象对电真空器件(特别是高电压器件)中的绝缘材料有害。热效应电子穿入固体后，通过与固体中的电子多次碰撞释放出自身能量，使固体温度上升。这种能量交换的效率随轰击电子速度的增加而增大，但是电子速度过大时，由于互作用时间短，交换效率反而下降。固体受电子轰击时，最大发热部位不在表面，而在体内某一深度处。另外，电子
46、能量转换成热的效率随固体元素原子序数的增大而减小。对Fe、Mo、W、Ta 等金属约为 6090 96。固体原子的蒸发轰击入射的电子能够传递给固体原子的动能 AE 可近似表达为AE4E me|m式中 E电子能量me、m电子和原子的质量例如，能量为 500 eV 的电子轰击 Cu 原子时，可传递的能量E1 710-2eV。理论计算表明，要移出原子量为 10 和 200 的金属品格原子，电子轰击能量应不低于 1105和 11106 eV。所以除非高压电场下，一般器件电子轰击除气可以不考虑固体原子的蒸发问题。X 射线辐射被外来电子激发的电子或电子群在返回其原始正常能态时，常以光量子形式辐射出多余的能量
47、。其振荡频率一般位于 X 光谱区。光量子频率越高，能量越大。由电子流能量转变为 X 射线辐射能的效率约为百分之几。这种 X 射线辐射仅在高电压的真空器件中产生除气作用。在高压器件中，光量子能量较高，被周围电极吸收后会造成表面气体迅速脱附及某些化合物分解。2123电子轰击除气的运用电子轰击除气方法在纯金属阴极真空器件(X 光管、振荡管等)中应用较多。它能除掉表面氧化膜和微突起，对改善器件尤其是高压电真空器件的特性好处很大。但是，对活性气体作用比较敏感的氧化物阴极器件，采用电子轰击要谨慎。因为电子轰击时放出的 0+、O 和 O2 活性很强，极易与其它不被轰击的金属形成氧化物和溶入金属体内，导致表面
48、特性改变，阴极发射下降。因此，对此类器件进行电子轰击除气时，应注意控制除气时器件内的真空度，使放出的气体及时抽走。电子轰击能够获得具有高吸附活性的清洁表面。但当轰击一停止，它即迅速吸附空间的气体，造成真空度上升的假象。当器件再工作时，这部分气体又很快13百度文库-让每个人平等地提升自我放出使真空度下降。这种现象在大功率电真空器件中最为明显，因此应在除气终了时使器件保持较高的本底真空度。电子轰击除气有两种放电方式：低压直流电子轰击和高压脉冲电子轰击。常用的是低能恒定直流轰击方式。低压直流电子轰击的缺点是电子能量与穿透深度4小(110 eV)，除气效率较低。高能电子脉冲轰击中，高能电子可以沿着曲折
49、的路径穿过氧化膜，从而增大氧化物分子的离解几率。因此，在电极耗散的平均功率相同时，高能电子脉冲轰击的除气效率可显著提高。另外，其最大特点是轰击时产生的热量进入金属的深度小，当脉冲宽度达到毫秒级时，深度才能增加到1mm。一般在开始轰击时，为提高效率，可常用较高的电压，随着氧化膜的去除，放气率逐渐减小，电压也要相应降低。(未完待续)第十二讲：真空工艺第十二讲：真空工艺(4)(4)第十二讲：真空工艺第十二讲：真空工艺2 21 13 3 离子轰击除气离子轰击除气(上接 2003 年第 4 期第 66 页)利用离子源或空间辉光放电而产生的气体离子轰击被除气的表面，使吸附在材料表面层的污染物(吸附气体、氧
50、化物等)发生溅射作用而分解解吸出来。由于重离子的溅射作用比较强烈，因此常将惰性气体离化作为轰击离子。用于离子轰击除气的离子能量一般为 2001000 eV。一般离子与金属组合的溅射阈能约为 1530eV，这个阈能随轰击离子质量的增加而降低，同时阈能与被溅射金属的升华热并无严的对应关系。表 2 给出了某些真空常用金属材料的溅射阈能与升华热。表 2在离子轰击下某些金属材料的溅射阈能及华热金属金属Ar+轰击溅射阈能(eV)He+轰Ne+轰击Xe+轰升华热(eV)14百度文库-让每个人平等地提升自我NiCuAlFeCoCrTiWMoTaAgAuZr211713202522203024251520222