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簡介


科學家Galielo是第一位利用活塞的方式在地球上產生接近真空的人士，他的發現
不到幾年Torricelli發明了水銀壓力計(1643)，緊接者在1650年von Guericke 發明了人
類第一個幫浦。至此以後人類對於如何減低壓力，並保持在低壓力的研究便停頓了將近兩
百年。這種沈寂一直到McLeod 發明了壓縮式的真空壓力計，才被打破而且整個研究發明
開始活絡起來。在 1905年Gaede設計了旋轉式的幫浦，所用了封閉液體不是油而是水銀，
至此以後熱電偶式的壓力計，擴散幫浦，離子式壓力計，以及液態氦的製造都隨著真空技
術被改進之後逐漸衍生出來，表一為真空技術演進的一個大事記，從該表我們可以大約明
白真空技術演進的過程。從愛迪生電燈泡的鎢絲在真空裡可以延長壽命以及到太空人在真
空的模擬環境模擬外太空的實驗說明了真空技術已經與人類文明的歷史有緊不分開的關係
了。


真空基本的定義是指有一空間內的氣體分子利用外力將其移走，使其氣壓小於一大氣
壓，則此時該密閉空間內之物理狀態稱之為真空。事實上我們知道想將所有氣體分子移出
空間之外是一項不可能的事，氣體移出量的多寡，決定在我們使用何種方法，而且在應用
上也隨著需求而有所不同。在一個大氣壓力下，物件的表面不斷受到氣體分子的撞擊，這
些氣體分子有些可能在撞擊後便反彈離開表面，有些則是吸附在物件表面上，更有些是與
物件表面發生化學反應。

在一個大氣的環境下，一個物件的表面，在很短的時間內，便會遭受無數多個的分
子的碰撞，因此不管多乾淨乾淨的物件表面很快的便會被污染，所以通常我們所謂認定的
乾淨表面，必須是在一個超高真空的環境之下，且在恨長的一段時間內沒有額外的分子吸
附其上，如此才能說是乾淨的表面。在大氣壓力下，氣體分子是非常的擁擠，氣體行走時
就好像在一個擠滿人潮的廣場一般，隨時與他人碰撞。倘若有一個空間其壓力是在大氣壓
的狀態之下，則其內部的氣體分子從一個內壁行走置另外一個內壁時，不可避免的將會與
其他分子做碰撞，反之若將該空間的壓力降低，則分子間碰撞的次數將會降低。這樣的一
個改變會使得一些實驗可以進行，例如我們蒸鍍金屬膜，在高真空之下，金屬的原子在行
進過程中不會與其他分子作用，因此到達目的地時，金屬原子依舊保持原特質，同時蒸鍍
速率也不會下降，另外在濺鍍實驗上，惰性氣體或是反應氣體在游離後必須行進一段距離
，藉由增加能量以致於可以用來佈植或是濺射物件表面。除此之外在分析材料的實驗上，
真空環境的存在，有利於物件表面被撞擊而出的電子或離子有足夠的時間可以達到接受器
以便做下一步的分析，這也就是為什麼一般材料分析儀器必須在真空環境下才能進行的原
因。

真空程度的分野與需求決定在應用的程面上。為了方便起見我們將真空的範圍區分
為幾個區段。表二是一般真空的區分表，在半導體常見的低壓薄膜成長，以及雷射蝕刻實
驗都是在低真空的環境下完成，而一般常見的濺射，電漿蝕刻或是沈積以及CVD等等都是
在中等真空環境下進行，至於若要有關於電子顯微鏡的分析，晶體成長，電子束微影術則
真空環境就要求更高了，倘若想進行材料表面分析或是進行高純度的薄膜成長則真空度則
是要求超高真空的環境。總之真空的要求來自於你的應用要求，若是不想因周圍外在分子
影響你的結果，真空環境變成你控制品質的一個重要參數。


一個真空系統往往結合了數項組件，它必須包含幫浦，閥門，管路等項以便可以形成低壓
的環境。將氣體分子由腔體內轉栘致腔體外的方式，通常都是利用位移式的幫浦，也就是
說該幫浦的功能是將分子由一個區域移動另一個區域。常見的的幫浦如旋轉式和活塞式的
機械幫浦，該種幫浦所抽到真空的極限在於10-1至10-3 Pa之間，當真空度要求比這個更
高時，不同種類的幫浦必須相互配合才可達到符合所求，有幾種幫浦可以搭配上面的機械
幫浦而使得系統可以達到更高的真空程度，擴散幫便是第一個常見的高真空幫浦。擴散幫
浦如同機械幫浦是一種位移式的幫浦，但是它無法工作在大氣環境之下，換句話說它的工
作範圍無法從大氣壓力一直持續至高真空範圍。第二個常見的高真空幫浦則是渦輪分子幫
浦，該種幫浦就沒有擴散幫浦的限制，它可以在低真空的條件下運作。這兩種幫浦其氣體
排放口的壓力必須在0.5至50Pa之間，也就是說該氣體排放必須進入機械式幫浦的進氣口
，所以習慣上當機械式幫浦與這高真空幫浦的組合時，我們稱這機械式幫浦為backing
pump 或是fore pump 。假如擴散幫浦或是渦輪式分子幫浦其抽氣量夠大的話，在這兩種
幫浦之間會加上一種lobe blower，藉此加快抽氣的速度，尤其當壓力降到不高不低的範
圍內時，這樣的組合會增加抽氣的效率。

除了位移式的幫浦可以用來減低腔體內的氣體分子之外，另一種氣體捕捉式的幫浦
也可以達到同樣的效果。所謂捕捉式的幫浦顧名思義便是該種幫浦是將氣體捕捉，使其欲
被抽真空腔體內的氣體逐漸減少而達到真空的效果，捕捉氣體的原理不外乎是將氣體給予
凍結使其無法移動，或是與氣體分子反應形成固體，要不然便是將氣體藉由高壓的加速作
用，最後埋入金屬內部。捕捉式的幫浦通常都使用在高真空的環境，而不使用在由大氣壓
進入低真空的階段，原因很簡單因為高真空的環境下，其分子數遠比低真空下來得少，對
於捕捉式的幫浦其壽命可以增長許多，否則當捕捉式幫浦內部的捕捉量到達飽和時，該功
能將會消失。

空氣是在所有系統在抽真空時，最常碰見的氣體，事實上它是無所不在。空氣的成
分若加以分析，將發現起碼有十二種不同原子在內。每一種原子佔的比例不盡相同，表四
所顯示的資料乃是一個乾燥的空氣在海平面的高度下所測得結果。數據顯示空氣中以氮氣
的比例佔最大部分。一大氣壓力為101,323Pa時，氮氣的分壓為79117Pa。在此處我們並沒
有將水氣的分壓考慮進來，因為水氣的壓力會隨著溫度不同而有所變化，例如在室溫20C
，且溼度為50%時，水氣的分壓為1165Pa，若與表二來做比較，則發現其分壓比是佔第三
位。

大氣的壓力隨著與地球的表面高度的不同有很大的變化，圖1乃是其壓力與高度之
變化圖。當我們針對一個腔體進行真空抽取時，當壓力降至10Pa時，材料表面所溢出氣體
分子的速度可能會比腔體內原有的氣體由幫浦抽出去的速度還要快，如此一來，若幫浦的
抽氣速度無法增加，則該系統的壓力將會達到一個極限，除非我們改進幫浦，否則該腔體
的壓力將會無法更動。然而在考慮更換幫浦之前，我們也必須對於製造腔體所使用的材料
做一考量，換句話說選擇一個溢氣量不高的材料以及小心處理連接點的連結技術也可以解
決一個腔體無法將真空降的更低的問題。


真空常用之單位

由於真空是一種壓力狀態，因此其單位與壓力之單位相同，而壓力的定義為每單位
面積所承受之力，故其單位為力/面積。以下便是各種力的單位表示

一、M.K.S. 制為Newton/m2,定義為1 pascal=1 pa=1 Newton/m2

二、C.G.S. 制為Dyne/cm2，定義為1 bar=1x106 Dyne/cm2

三、F.P.S. 制為Pound/in2(PSI)

四、1 Torr=1/760 atm=1mm Hg

早期常以Torr 或mbar為真空單位,但目前各種物理量又逐漸以SI單位(即MKS)為標準單位
之趨勢，因此真空單位將慢慢改用pascal為標準單位。表參乃是一般真空常用單位之換算
表


第二章 氣體特性


由於壓力的表現出自於氣體對於物件表面撞擊後其動量的一個時間變化的表現，因
此氣體的運動速度以及氣體的質量直接會影響到壓力之大小，所以在了解真空相關技術之
前，我們必須對氣體的特性作一番了解，如此以後對於後面所談到的壓力量測或是相關真
空的技術都會比較容易明瞭。

氣體的動力論建立在幾個基本假設性之上，首先氣體是由許許多多的分子所組成。
在壓力為105Pa時，在體積為一立方公尺且溫度為22C的條件下，其所包含的分子有
2.48x1025個,當壓力降至10-7 Pa時，則其分子數則減少制2.5x1013個。第二個基本假設
是分子與分子間的相隔距離遠大於單獨分子自身的直徑。倘若在一大氣壓下，我們可以將
氣體分子暫時凍結，則分子與分子間的距離大約是3.4x10-9 m。而一般分子的直徑約在
2x10-10 至6x10-10 m之間，所以它們之間的分開的距離大約是其直徑的六到十五倍。第
三個假設是分子一直是保持等速運動，其運動方向與其運動速度幾乎涵括所有的可能性。
最後一個假設則是分子與分子在碰撞時，相互之間並沒有作用力。在這基本的假設上我們
可以認定分子是均勻分布在整個空間而且在碰撞前與碰撞後都是以直線運動，許多重要的
氣體特性便是根據這基本假設衍生而出。


分子運動速度之分佈

分子與分子的碰撞在理想氣體中，是以一種彈性碰撞的形式進行，不僅能量守恆，
動量也會守恆。分子的運動速度在先前我們曾指出可以具有任何速度，但是擁有該速度的
分子數確未必相同，換句話說分子的運動速度對應其分子的個數呈現出Maxwell and
Boltzmann的曲線分佈





其中m為分子的質量，而Ｔ為絕對溫度。Ｎ為分子的總數，k則為波茲曼常數。圖2.1為空
氣在不同溫度下其分子數與其相對應分子速度的機率分佈圖數據圖。由該圖我們發現分子
中沒有速度為零或是無窮大的，而該曲線的峰值所對應的分子速度是溫度的函數。該曲線
的峰值所相對應的速度為，該速度表示最有可能出現的分子速度是由該氣體所在環境的溫
度所決定。此外尚有二種分子運動速度的表示法，一種為平均速度也就是乘上，另一種則
是均方根的速度，也就是，這三種分子的運動速度差異性在於如何求取的方法不同罷了，
其物理意義有所不同。在圖2.1中我們知道速度與溫度有關係，當溫度升高時，顯然速度
的分佈曲線也會跟著改變，原本的峰值位置開始往高速度的方向移動，同時曲線開始變得
較寬。假設我們在同一溫度下對於不同質量的分子作圖（圖2.2），將發現分子的平均速
度正比於，而當溫度加或是分子質量變小時，則分子的速度增加而且碰撞的頻率增高。





能量分佈




分子具有的能量可以由前者所得之速度來反求，其能量分佈圖圖2.3表明的很清楚
。特別要注意的是該能量平均圖與分子的質量毫無關係，僅與溫度有關係。

平均自由行程

氣體分子運動時是採取隨機運動，它並無任何特定的方向，，加上每一個分子其質
量都不相同，速度也不一致，因此每一個分子在與下一個分子碰撞前所走的距離都不盡相
同。為了簡單起見，我們採取平均自由行程的方式，根據動力學理論，平均自由行程可以
寫成


其中do為分子的直徑而n為氣體密度，很明顯的平均自由行程與氣體的密度大有關連。假
如現在將溫度固定，則平均自由行程則與壓力有關連。例如空氣在室溫時，其平均自由行
程可以寫成


其中單位為公釐而壓力單位為pascals


粒子通量

粒子通量觀念的了解,有助於了解氣體的流動，氣體被抽取或是氣體的蒸鍍。根據
動力學理想氣體穿越過單位面積的粒子通量可以寫成


其中n為粒子之密度,而v為平均速度，將前面的平均速度帶入上式,則得


顯然的粒子的通量正比於粒子的密度以及T/m的平方根。

單層分子厚度形成時間

若有一表面想藉由入射分子來形成單層厚度所需的時間，決定在入射粒子的通量以及粒子
黏在表面的係數。如果黏滯係數為一，則想再單位面積d2上成長厚度為一單分子厚度薄膜
的時間為


這樣的一個公式可以給我們概念，那就是在某種壓力以及溫度下，我們可以很快知道要形
成一分子厚的薄膜其時間有多長，這對於薄膜成長的參數世相當有幫助。


壓力

壓力的定義來自於單位面積受到多少動量的變化。而該動量乃是由氣體分子所攜帶而來。
一個氣體分子若與入射平面的法線夾角入射，則其動量的變化量為。若再將所有可能入射
的角度做一個積分,則壓力為


分子的總能量又與溫度有關連


最後得理想氣體方程式


該壓力的單位請見表三。


氣體定律

在氣體分子數目固定之下，影響氣體壓力的最主要的因素有二，那便是體積以及溫
度，針對這兩個變數我們可以得出下面數個氣體定律

波義耳定律(Boyle’s Law)
在1662年Robert Boyle發現了氣體，在溫度固定時，一定量氣體所產生之壓力與體積
成反比

即

查理定律(Charle’s law)
法國化學家Charles在1787年發現氣體當體積固定時,一定量氣體所產生之壓力與溫度成正
比

即

道爾吞定律(Dalton’s Law)
Dalton在1801年發現一個混合氣體的總壓力等於每個每個單獨氣體其分壓得總和

即

或是

亞弗加厥定律(Avogradro’s Law)
1811年Avogadro 觀察到氣體在固定溫度與體積的條件之下，氣體的壓力大小與氣體分子
的數量成正比，其關係式如下



在標準溫度與壓力之下（STP）數量為6.02252x1026個的氣體分子，其體積為22.4136立方
公尺，我們俗稱一莫耳。

綜合氣體定律(General gas Law)
將上面幾個氣體定律可以整合成下列關係式



氣體的基本傳輸行為

由於氣體在碰撞之後會有動量以及能量的傳遞行為，因此氣體分子的多寡間接影響
上兩者的物理特質，尤其是當氣體被局限在一空間之內，氣體分子撞擊腔體內壁，其熱量
的傳遞取決於分子的數目以及與腔體碰撞的形式。在一真空腔內，若氣體之平均自由行程
，比該真空腔之直徑（或是其最大空間d）為小的話，則此時氣體分子在位撞擊腔壁時，
會與其他氣體分子作碰撞，則氣體在流動時會受到阻力，此時真空腔內之真空情況稱之為
黏滯流狀態，反之若平均自由行程大於腔體直徑，則稱之為分子流狀態。在黏滯流狀態下
，氣體分子將較容易與其他氣體分子碰撞。而在分子流狀態下，氣體分子不易與其他氣體
分子碰撞，反而是比較容易在腔體器壁間反覆碰撞。

熱傳導

黏滯流狀態，氣體分子多，撞擊器壁之分子相對較多，器壁間之能量可藉由氣體之
間來傳送，很容易由一器壁傳至另一器壁。在此情形下，熱傳導行為與氣體壓力無直接之
關係。在分子流狀態下，器壁間能量之傳遞，純粹由單一氣體分子傳遞，因此與氣體分子
數目有絕對之關係。換句話說在分子流狀態下，能量傳遞之行為與氣體壓力成正比。氣體
壓力愈大，熱傳愈大，氣壓愈小，熱傳愈小。這便是真空隔熱原理的依據。

當兩個腔體具有不同的溫度，其間利用管路將其串接，倘若其氣體的平均自由行程
遠小於管路的直徑則這腔體的氣壓會保持一樣而其氣體密度如下


不過當平均自由行程遠大於管路的直徑時，則氣體通過管路的通量必須遵守下面之式子，
當達到平衡後則兩邊的壓力比乃是


這兩個關係式通常被用來計算腔體的壓力，例如有真空爐其內部的壓力，當量測時其其壓
力計所置放的位置並非在爐子內部而是在遠離爐子外，如此一來所得之壓力讀數就必須經
由這樣的修正，同樣的對於Cyropump的壓力讀數也是要經由這樣的修正。


氣體與材料表面的作用

氣體分子抵達材質表面後，由於氣體分子所具有之能量，入射角鍍，以及材質表面
溫度，粗糙度等諸多因素之影響，會產生很多不同之結果，大致可分為下面幾種情形，第
一種情形是分子到達材質表面，馬上由材質表面反射而出，沒有能量交換，而且入射角等
於反射角，該情形稱之為完全彈性碰撞。第二種情形為有部份能量交換，該情形稱之為部
份彈性碰撞。第三種情形則是氣體分子到達材質表面後便停留在其表面上未有任何動作。
第四種方式為氣體分子撞擊表面後，不停留在接觸點上，而在表面上漂移或是跳躍，接下
來就有可能下列情形發生

移動一段距離後，離開材質表面。此種情形由於氣體分子與材質凹凸不平的表面相互碰撞
，以及兩者間之能量交換，都是非常複雜的情形，因此氣體分子離開材質平面之角度與入
射角度，沒有任何關係‧此情形稱為非彈性碰撞。
移動一段距離後，陷入材質表面之缺陷(defect) 中，而不再移動。
移動一段距離後，停留在一適當位置上，而不移動。此適當位置，一般稱為衍生位置，，
陷入缺陷中之單一氣子，會因其他氣體分子之抵達而逐漸形成分子堆，直至堆滿整個缺陷
後，最外層分子才有可能因後到之氣體分子碰撞而離開。但停留在衍生位置之氣體分子，
卻可能受另一個氣體分子碰撞而離開，也可能兩者皆停留在該處，而逐漸產生分子堆。分
子堆逐漸變大則形成島狀結構，再逐漸擴大，島狀結構將逐漸互相連結，而形成連續結構
，也就是薄膜之形成。
移動一段距離後，將已形成或形成中之島狀結構撞碎，也可能加入島狀結構使之擴大。
第五種可能性是與材質表面分子起化學作用（如：氧化作用等），而成為材質之一部份。
最後一種情形則是能量大之氣體分子，可能擴散入材質表層，或暫時存在那兒，或與材質
分子起化學作用，而變成材質的一部份。暫存者會因真空腔之真空度提高或以高溫而重新
逸出。

滯留係數

當氣體撞擊到材料表面，除了有動量傳遞也有可能發生能量轉移，式子，定義為滯
留係數，其中Ti為分子入射前的溫度，Tr為分子反射後的溫度，而Ts為材料表面的溫度。
該係數顯示氣體分子與材料能量轉移的關係，若分子入射前與反射後的溫度不變，則表示
氣體分子並沒有與材質表面作任何熱交換的行為，此情形我們稱之為彈性反射，反之若氣
體分子在反射後期溫度與材質表面的溫度相同，則代表氣體在入射材質表面後,在很短的
時間內便已經與材料表面達成熱平衡，一般而言滯留係數的值介於0與1之間。


如何使附著氣體逸出

無論是存在於缺陷中之氣體，或氣體薄膜，或擴散入材質而暫存者，當真空度逐漸
提高時，會慢慢逸出而影響真空度，因此欲達理想真空度，需將該些氣體儘早趕出。一般
可加高溫，促使附著氣體能量增加而脫離‧亦可用離子或光子撞擊之方式，將之驅離。




氣體的流動
在真空技術中，我們所面臨的第一問題便是將氣體區離真空腔，因此氣體的流動特
性，勢必要有所了解，尤其是真空系統會附加許多管件以便接連幫浦，管件的口徑大小，
以及真空腔的幾何形狀都會影響到抽真空的速率。在此章節我們將介紹氣體流動的特質，
以及一般如何計量氣體的流動速度或是幫浦的抽氣速度等等。

氣體在一管內流動時，很自然的會與管壁有所碰撞而產生阻力，而描述氣體流動的
特質我們常常用Knudsen number 以及Reynold’s number來標註。Knudsen number乃是氣
體的平均自由行程與管件直徑大小的比值（如），而Reynold’s number 則是氣體在管件
內流動，其流速與管件直徑和氣體的密度乘積與氣體黏滯係數的比值而來（如），該值用
來標明氣體相對的流量。當Reynold’s number 大於2200時該氣體是以亂流方式流動。在
高壓力的情形下，氣體的流動乃是以亂流的方式出現，也就是前面章節所說的滯留流。氣
體流動的速度愈接近管壁附近其速度愈慢，甚至管壁的粗糙給予氣體分子莫大的阻力而造
成區域性的回流，倘若當壓力逐漸降低後，分子的平均自由行程增大，大到大於管件的口
徑，其Knudsen’s number >1而且若Reynold’s number<1200此時氣體分子的流動就屬於
分子流。對於滯留流而言氣體流動的阻力絕大部分來自乃分子間的碰撞，而分子流則是分
子與管壁碰撞為整個氣體流動最大的阻力，在分子流與滯留流中間有個過渡區，其阻力則
是兩者均有存在。


氣流通量

在單位時間內，通過管路特定潔面之氣體數量，稱之為氣體之氣體通量。其單位為
torr.l/sec,std.cc/sec,pascal.m3/min......等。此量又稱之為gas flux rate。因為氣
體的數量，我們是用壓力乘體積來表示，因此氣體通量Q，又可以定義為


而V/t即為氣體的容積流率，亦可將之視為幫浦之抽氣速率，故Q=PxS。因此又有人將幫浦
的抽氣速率定義為氣體通量Q與壓力P之比值。氣流的通量對於一個真空系統的設計是一個
重要參數，尤其是用來決定何種幫浦可以在多少時間內完成所指定之真空度。

真空幫浦的抽氣能量

幫浦的抽氣速率是指真空幫浦每單位時間所能排出之氣體體積，但並非真正之氣體
數量。在幫浦的近氣口處，每單位時間所排出之氣體數量，我們稱之為該幫浦之抽氣能量
Pc


亦即幫浦之抽泣能量為幫浦之抽氣速率乘以壓力。此才是真空幫浦於單位時間內，
自真空腔體內抽至外界之氣體數量。換句話說倘若有一真空腔體剛開始是處於大氣壓狀態
，當有一幫浦進行抽氣時，起初的排氣量非常大，因為壓力大的緣故，一旦腔體壓力減小
了，雖然幫浦的抽氣速率不變，但是其其排氣量開始降低，因此腔體的壓力從大氣壓力下
降至低真空是很快，但是接下來則若是想進入下一階段的真空環境，則需要花更多的時間
才能到達。


氣導與氣阻

若一真空管路中，其連接的各個真空元件，及管路與各真空元件之焊接處，皆無逸
氣、漏氣等氣體產生之情形，則在管路中之任一截面，其氣流通量應處處相等。假設管路
中之兩點1及2，其氣流通量、壓力及排氣速率分別為Q1,Q2,P1,P2,及S1,S2,則我們可得


但在任一管路中，由於真空元件之不同，管路表面粗糙度之不同………等因素，在管路中
任兩點之壓力P1及P2，並不會相同。若P1>P2，我們定義氣導Ｃ，


亦即我們可以想像氣導的定義為：在理想之情形下，每單位壓力差下之氣流通量‧其單位
元為體積／時間，與抽氣速率相同，在同樣長度之管路，若氣導較大，因氣流通真相同，
代表兩端點之壓力差較小，管路較理想化，氣體的流動情形較一致‧相反地，若氣導較小
，代表氣體的流動情形較不理想，對氣體的阻抗較大‧我們定義氣阻Ｗ，



其單位元為時間／體積。

由於氣導與抽氣速率有根同之單位，我們可以想像，在一管路中氣導愈大，接於其
一端點之幫浦，可擁有較大之排氣速率‧相反地，若氣阻較大，則相對地排氣速率會較小
。

真空腔體在組裝時一定會牽連到管路的組合，若相連的管路口徑不一致時，則氣體
的流通，一定會受到影響，此外真空系統所使用的幫浦大部份都會有兩種形態以上的組合
，因此管路的連接方式都會影響到抽氣的速度。當不同的腔體相串結時，若共用一組幫浦
或是不同幫浦但抽氣位置不同，我們如何去估量該真空系統的抽氣速率為何？尤其是幫浦
的抽氣速率已經知道的話，需要多少時間才能達到當初設計的真空需求？若要解決這個問
題，我們必須了解氣體管路在連接時其氣阻的計算方式。

氣體管路之種種現象，也許因平常較少接觸，我們較不易理解。但對電路，電流Ｉ
、電阻Ｒ以及電壓Ｖ之間的關係，我們是很容易接受的，即

I=V/R

事實上，電壓即電位差。我們將氣體管路之各項因素與電路之各項因素相比較，我們可以
發現，氣體管路中之Ｑ相當於電路中之I，P1-P2相當於V,W相當於R，因此，我們可得或是
（見圖3.1）。當管路串連時其氣導及氣阻就如電路串聯時其電阻為


同理，串聯氣體管路之總氣導及總氣阻(見圖3.2)，分別為



同樣的當電路並聯時其總電阻為


因此並聯的管路其氣導和氣阻（見圖3.3）就可以寫成





圖3.1 真空管路與電路之比較圖










圖3.2 管路串聯與電路串聯之比較圖












圖3.3 管路並聯與電路之比較圖





第四章 真空元件



真空技術所討論的項目，包括真空幫浦、真空計、真空元件、真空材料等等，其項
目包羅萬象。在了解氣體的特質之後，往後的章節我們將針對比較實物的專題做介紹。我
們介紹的流程將先以真空幫浦為出發點，隨後講解壓力計，然後將提到真空的附屬零件，
例如管件零件，管件接頭，電力及偵測器的Feedthrough，接下來將會提到一般利用真空
技術進行薄膜成長時對於薄膜測厚度的量測儀器，最後將會提到一般真空腔體的測漏技術
，其流程以下圖表示

4.1 真空幫浦

真空幫浦是所有真空技術中最重要的一環技術，因為真空幫浦擔任將真空腔體內之
氣體排除至腔體之外的責任，由於不同的真空幫浦因其作用原理不同，所以其排氣的極限
都有所不同，通常一個真空腔體其真空程度的要求會因應用的層面不同,所以往往需要多
重不同幫浦的組合。雖然幫浦有多種形態，但是他們之間有一些共同常用的術語，我們先
了解這些術語之後再來一一對不同的幫浦做仔細的介紹

4.1.1 幫浦的重要特性

抽氣速率(pumping speed)

單一幫浦的抽氣速率，是指該幫浦於正常運轉下，單位時間內，通過進口截面的氣
體體積。因此幫浦抽氣速率之單位應為：體積／時間。經由理論推導，亦可得知：

抽氣速率(pumping speed,s)=氣體通量(throughput,Q)/壓力(pressure,P)

於抽氣過程中，逢到幫浦之終極壓力時，抽氣速率會急速下降。幫浦出廠時，製造廠商所
給之抽氣速率是指於進氣口截面所量得之抽氣速率，稱為量測抽氣速率9measured
pumped speed) 但由於幫浦與真空腔間，通常有一管路存在，因而幫浦對真空腔之真正抽
氣速率必不同於量測抽氣速率，此真正之抽氣速率稱為淨抽氣速率（net pumping speed
）。量測抽氣速率與淨柚氣速率閒之關係如下：

或

Sn 為淨抽氣速率

Sm 為量測抽氣速率

W 為管路氣阻（impedance）

C 為管路氣導(conductance)


終極壓力(Ultimate pressure 或Lowest pressure)

所謂幫浦的終極壓力，是指該幫浦所能抽到的最低壓力（或最佳真空度）。影響幫
浦此項特性的因素有三：

幫浦本身之密閉性。

幫浦所使用液體之蒸氣壓。

幫浦結構（包括設計理念及材料本質）之差異性。



抽氣能量

幫浦的抽氣速率是指真空幫浦每單位時間所能排出之氣體積‧但並非真正之氣體數
量。在幫浦的進氣口處，每單位時間，所排出之氣體數量，我們稱為幫浦的抽氣能量Pc


亦即幫浦之抽氣能量是幫浦的抽氣速率乘以壓力，此才是真空幫浦於單位時間內，自真空
腔內抽出之氣體量。


有效壓力範圍(Effective pressure range)

到目前為止，還沒有任何一種幫浦，可以直接將真空腔內之壓力，從一大氣壓力抽
至超高真空或是極高真空，每一種幫浦只有在特定的壓力範圍，其抽氣速率和抽氣能量才
被認為是有足夠效益的，此特定的壓力範圍，稱為該幫浦的有效壓力範圍。

排氣壓力(Exhaust pressure)

使用壓縮或動量轉移方式抽氣的幫浦，必須將所抽氣體排至幫浦外，但有些幫浦能
將氣體排至大氣壓力，有些則否。每種幫浦排氣口所需面對的壓力，稱為該幫浦之排氣壓
力。吸附性幫浦則不需考慮其排氣壓力。

4.1.2 真空幫浦之分類

幫浦的分類原則上以幫浦對於欲將排除的氣體或液體做何種方式的處理來區野，倘
若是將該氣體或液體由一處轉移至另一處，我們稱之為轉移式的幫浦，倘若是將氣體或液
體讓幫浦本身給予消耗掉則稱之為吸附性的幫浦。前者是用來針對大量的氣體或液體，通
常用在由大氣壓至高真空使用，而後者則是針對超高真空，當然也有吸附式的幫浦可用來
處理大氣，不過這在後面將會提到。

4.1.3 轉移式幫浦（Transfer pump）

這類的幫浦有多種形態，計有Water ejector pump, piston pump ,Ventri pump,
Rotary pump, Turbomolecular pump,diffusion pump等等，其中water pump 與piston
pump用於抽水居多，其原理不外乎是利用一個壓力將水由一端趕到另一端，圖4.1與圖4.2
為其簡圖，water pump 其終極壓力約在10 Torr，而活塞幫浦其終極壓力視活塞在經過幾
次抽動之後其活塞兩個閥門之間的體積來決定，其公式如下


其中P為起始的壓力,Pn為活塞經過n次上下運動後的壓力，VＡ為腔體的體積,VB為活塞兩
閥門之間的體積，其終極壓力為




圖4.1抽水幫浦簡圖


其中Vd乃是指活塞在兩閥門之間當活塞達到最低點時所擁有的體積（請見圖4.2）






圖4.2、活塞幫浦之簡圖




圖4.4Ventrui pump之實際工作圖







圖4.3Venturi pump之組件

至於Venturi pump乃是利用百努力定律運作的幫浦，也就是當流速高的地方其壓力
比較小，圖4.3及圖4.4便是該pump之示意圖。Ventrui pump 用在做粗抽時是很不錯的幫
浦，它可以節省許多時間及經費，只要用一高壓氣體流過，在腔體將可以達到粗真空的需
求，速度可以很快，然而其真空程度有限，在圖4.4中，腔體的大氣可以先由Ventrui
pump 先抽，乃後再由吸附式的幫浦將真空抽的更低，這種組合可減少吸附式幫浦的液態
氮使用量，同時也降低抽氣成本。在日常生活中我們也可以看到這樣的幫浦，那就是若家
中購置水床，當水床充滿水之後，你想將水床的水從水床內移走，你可用類似Venturi
pump的結構，接上水龍頭讓水一直流，間接將水床的水帶走，這也是Venturi pump的另一
種表現。

Rotary Vane Pumps


圖4.5 Rotary pump工作原理之示意圖

這種幫浦可以說是目前最常見的幫浦，同時也是一般真空系統中用最多的幫浦。這種幫浦
式式屬於一種利用幫浦由來作機械潤滑以及真空密合的幫浦，其抽氣真空的範圍從一大氣
壓到10-3 Torr，其抽氣速度超過200 m3/hr以上，至於其旋轉速度可高達2000rpm以上。
Rotary pump 的工作原理請見圖4.5。軸心帶動轉子，氣體從右端口進入，轉子具有有兩
個vane靠著中間的彈簧往外頂，緊緊靠住幫浦的主體，藉此區分兩個不同的空間，由於轉
子未在幫浦主體的正中間，因此配合兩個vane的阻隔會形成一特殊類似彎月的空間，隨著
轉子的旋轉，vane也跟著旋轉因此由右端口進入的氣體會不斷被擠壓然後從左端送出。這
中間的密合以及轉子和vane的潤滑全靠幫浦油,同樣的其所產生的熱也一併由幫浦油所負
責帶走。




圖4.6及4.7 顯示一般常見Rotary pump的外貌以及其內部構造













圖4.6 Rotary pump 的外貌圖







圖4.7 Rotary pump 之剖面圖


Rotary pump在動力的傳輸上可區分直接動力（如圖4.6）與間接動力兩種，前者是馬達的
轉心與Rorary pump的轉心直接相連，這樣的組合轉速較高，抽氣的效率也高。後者則是
馬達藉由皮帶帶動pump，早期的Rotary pump都是採用此式，因此皮帶的鬆緊對於抽氣的
速度大有影響。





圖4.8二次排氣之Rotary pump




Rotary pump在排氣的程序上可區分第一階段排氣與第二階段排氣，一般常見的
pump都只有一次的排氣，也就是說氣體進入pump之內，隨即就被送到大氣，但是若是若將
第一次的排氣再送入另一個pump的入氣口，這樣的過程稱之為第二階段的排氣（見圖4.8
）。這樣的組合其最大的好處在於能夠提升Roatry pump的終極壓力，同時也會加快排氣
速度，圖4.9為一階段排氣與二階段排氣之Rotary pump其抽氣速度之比較圖，很顯然的二
次階段排氣的pump效果較好。


圖4.9一次排氣與二次排氣Rotary pump 其抽氣速度之比較

當大量的水氣,或是一些溶劑的分子被抽氣至幫浦之內，由於其體積被急速壓縮，因此很
容易凝結，這些凝結物很容易留在幫浦之內，尤其是當排氣閥門打開時，這些凝結物不易
被排出，一旦該凝結物增多便會與幫浦油混合，幫浦油受到污染，其潤滑性以及密合性隨
之降低，久而久之，整個幫浦的終極壓力也隨之下降。為了解決這個問題,一般的Rotary
pump 會額外增加一個gas ballast 閥門，這個閥門的作用乃是讓操作者故意將氣體引入
（見圖4.10），企圖加劇幫浦的排氣動作，藉此運作將凝結物排除，這個閥門打開時，幫
浦的抽氣速率會下降，因此它不是永遠打開的，而是當發覺幫浦抽氣效果不佳時，或是週
期性的打開，如此改進幫浦的運作效率，同時也延長幫浦油的使用時間。另外gas
ballast閥門也可用來判斷幫浦油是否受到污染，當我們將gas ballast閥門打開之後，幫
浦進口處的壓力下降，隨後再將gas ballast閥門關閉，若經過一段時間發現幫浦進口處
的壓力回升，則代表該幫浦由已經受到高蒸汽壓的雜質污染了。


圖4.10 gas ballast 閥門之示意圖








Rotary Piston pumps




該種幫浦用來處理大系統的真空腔體，其體積可以相當龐大，而且非常牢固，它的
抽氣動作純粹靠活塞的滾動(見圖4.11中之標明為2之處)將氣體壓縮然後排出。由於該種
幫浦其活塞並沒有vane，其活塞與腔壁有某程度的間隙，因此該幫浦可以忍受較大的顆粒
，這是前著Rotary vane pump所不行的地方。此外該幫浦也如同前者一般可以有多種組合
，通常它與lobe pump結合，可以加快抽氣速度，同時它也可以有多次階段排氣的裝置。
圖4.11以及4.12為該幫浦的示意圖及抽氣速度之數據圖。


圖4.11 Rotary piston pump 之外貌圖





圖4.12 Rotary piston pump 之抽氣速率數據圖


由於Rotary pump都是使用幫浦油當作密合作用，所以整個幫浦內部充滿幫浦油。幫浦排
氣時，氣體會與油氣結合送到大氣，所以可能造成油氣污染。一般的Rotary pump的廢氣
口都會加上一個過濾器將油氣降低，倘若沒有加上過濾器,則是將廢氣口接上管路，將廢
氣排往安全的地方。一般在加上廢氣管時要特別注意，該管路不能垂直外接，必須有所轉
折，其原因是排出的油氣會因溫度下降後凝結回幫浦油囤積在管路內，倘若管路時垂直連
接,則這些廢油可以回回流至幫浦之內,造成污染，這樣的常識對於使用Rotary pump的使
用者是不可不知的。


Dry pump

一般的Rotary pump 需要有幫浦油來協助密合以防止被抽出去的氣體再度回流腔體
，然而當腔體的壓力很低時，而且幫浦的終極壓力已經到達，則此時幫浦油本身的蒸汽壓
有可能會回流到腔體，造成腔體的油污染，為了避免這種污染，一種不需要利用幫浦油來
密封的幫浦便應運而生，這便是俗稱的dry pump。Dry pump包括lobe pump, sorption
pump,claw pump，下面便是針對這些幫浦做介紹

Lobe pump

該種幫浦其特點乃是具有極高的抽氣速度，它可以結合rotary vane pump 或是
rotary piston pump。該幫浦在IC的製造線上用的最多，因為在IC產業上常常需要工作環
境在0.1 到10 Torr的環境，而且是大空間的環境，唯有該幫浦才能辦法在短時間完成此
要求。圖4.13為該幫浦的示意圖




圖4.13Lobe pump之示意圖















圖4.14 Lobe pump抽氣過程示意圖

其內部構造由兩個類似8形狀的轉子組合，其抽氣過程見圖4.14。該幫浦的氣體壓縮比不
大，因此該幫浦必須要有其他幫浦來支援，要不然便是做多種組合，例如多個lobe pump
排列在一起，這樣的組合可以讓該幫浦從一大氣壓工作到10-2 mbar的壓力範圍，換句話
說其壓縮比達到105:1。圖4.15乃是上述所提多重Lobe pump組合的示意圖。






圖4.15 多重lobe pump 的組合示意圖

該種幫浦的最大致命傷在於氣體被壓縮時所產生的熱傳到pump的主體，而當熱無法有效的
被散熱時，轉子與pump主體將會因熱膨脹係數不同而產生嚴重的磨差，為了解決該問題額
外的熱交換系統必須加入，圖4.16為熱交換系統加在lobe pump的示意圖，熱交換系統會
刻意將冷空氣輸入lobe pump之內，降低其內部溫度，藉此延長pump 壽命









圖4.16 熱交換機與lobe pump 組合示意圖

Claw pump

該幫浦的最大特點是，它是一種完全壓縮氣體的幫浦，它不需要冷卻系統，作一次
抽氣動作須經過四個過程，其外貌與其工作原理見圖4.17，圖4.18及圖4.19。




圖4.17 Claw pump之單一組件





圖4.18 四個Claw pump組合而成,氣體由上端進入，由下端排出







圖4.19 Claw pump抽氣之過程流程，每一個階段指允許單一進氣口或是出氣口開關。

Lobe pump 在較低的壓力狀態下其工作效率高，反之Claw pump 在壓力高的環境下工作效
率高，倘若將這兩種幫浦組合各取其優點將會是最好的結果。圖4.20便是這種組合式幫浦
的示意圖。該幫浦由一個lobe pump 配合三個claw pump組合而成，在工作環境10-1
mbar 下其效率比起單獨claw pump 多增加60%。主要原因是lobe pump 在前縮短了氣體至
留在幫浦的時間。這樣的組合不僅增加抽氣速度，同時也使得工作環境的壓力可以下降，
此外也不須額外的冷卻系統，因此目前這樣的結構可以說是dry pump的典型之作。








圖4.20 Lobe pump 與Claw pump 的組合示意圖

Sorption pump

該種幫浦不屬於轉移式的幫浦，它是屬於一種吸附式的幫浦，然而會在這邊介紹，
乃是它屬於一種dry pump，所以在此先說明。Sorption pump 的原理很簡單那就是利用低
溫的環境將氣體分子給與凍結，使其無法運動。為了達到該效果，sorption pump 通常都
會用液態氮先將其冷卻然後再進行抽氣的動作。圖4.20為sorption pump 的示意圖
,sorption pump 內部裝有多孔隙的材料稱之為molecular sieve(Na2O,Al2O3nSiO2,xH2O)
，其目的在於增加吸附氣體分子的表面積，當整個sorption pump的溫度降低到液態氮得
溫度之後，便打開與腔體相連的閥門，於是氣體進入sorption pump 便被吸附,於是開始
形成壓力差，氣體持續不斷進入然後又被吸附直到sorption pump 飽和為止。若要使
sorption pump 恢復正常工作，必須將氣體趕出，因此必須將sorption pump加溫回到室
溫或是更高的溫度，如此內部所吸附之氣體便會膨脹然後由洩氣閥漏出，等到氣體被趕出
殆盡之後，sorption pump 回到室溫然後再用液態氮將低溫度，如此一來sorption pump
便又恢復pump 的功能了。Sorption pump 可以反覆的使用,不會受損，除非所吸入之氣體
有嚴重的污染，倘若是如此只要換掉molecular sieve 又可以恢復正常。

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孤獨是卓越心靈的命運

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