일반적인 단위초고진공
1. 밀리바(mbar)는 기압의 단위로 1000 mbar=1 bar=1 * 105 Pa입니다.
2. Torr는 토리첼리 실험의 밀리미터 수은주(mmHg)에서 나오는데 760 Torr=1 atm입니다.
3. Pa는 국제 단위계(SI)에서 유래되었으며 1 Pa는 1 N/m2와 같습니다.
참고: Pa는 국제단위계의 유도단위이지 기본단위가 아닙니다.
참고: 1 bar는 105 Pa로 엄격하게 정의되고 1 atm은 101325 Pa로 엄격하게 정의됩니다. 둘은 일반적으로 실제 사용에서 일관된 것으로 간주되지만 정의는 다릅니다.
참고: 실제 사용에서는 Torr와 mbar의 값이 비슷하기 때문에 정확도가 요구되지 않을 때는 일반적으로 두 값이 동등한 것으로 간주됩니다.
참고: 엔지니어링에서는 킬로그램(kg/cm2)이 종종 압력의 단위로 사용되며, 그 값은 105 Pa에 가깝습니다.
초고진공의 정의
1. 초고진공(UHV)은 일반적으로 10-7-10-12 mbar로 정의됩니다.
2. High vacuum (HV), generally defined as>10-7 미터바;
3. 극고진공(XHV)은 일반적으로 다음과 같이 정의됩니다.<10-12 mbar.
초고진공의 특성
높은 청정도는 표면 분석에 초고진공이 필요한 근본적인 이유입니다. 표면 물리학은 종종 표면의 여러 원자층의 물리적 현상을 연구합니다. 따라서 진공 조건에서도 샘플 표면에 가스 분자가 흡착되면 실험 결과에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 우리는 종종 '수명'이라는 용어를 사용하여 샘플 표면을 세척하고 오염으로 인해 실험 결과에 영향을 받는 데 걸리는 시간을 설명합니다. 가스 분자의 흡착 능력이 다르기 때문에 샘플마다 샘플 수명에 상당한 차이가 있습니다. 동일한 샘플이라도 실험마다 샘플 수명에 대한 정의가 완전히 다릅니다. 일반적으로 표면 상태의 수명은 신체 상태의 수명보다 훨씬 짧습니다.
표면 과학에서 L(Langmuir)은 샘플 표면의 노출을 정의하는 데 사용되며, 여기서 1 L=10-6 Torr * s입니다. 샘플의 노출은 공기 압력에 반비례한다는 것을 알 수 있습니다. 따라서 샘플의 수명을 개선하기 위해 시스템의 진공도를 최대한 높이려고 노력하는 경우가 많습니다.
실온에서 N2 분자를 기준으로 계산하면 충돌 표면의 모든 분자가 흡착된다고 가정하면, 10-6 Torr의 진공 상태에서 3초 안에 분자 층이 샘플 표면에 흡착됩니다. 대중 과학 선전에서 우리는 종종 1초의 단층 피복 시간에 해당하는 10-6 Torr를 사용하여 진공의 중요성을 설명합니다. 이 용어는 매우 생생하고 이해하기 쉽지만, 표면 연구에 종사하는 학생들은 이를 과학 연구의 기초로 사용해서는 안 됩니다.
각 가스 분자의 두 인접한 충돌 사이의 거리에 대한 통계적 평균을 분자의 평균 자유 경로라고 합니다. 분자의 평균 자유 경로의 크기는 진공에서 분자의 유형, 밀도 및 속도와 관련이 있습니다. 실온에서 N2를 고려할 때 가스 분자의 평균 자유 경로는 가스 압력에 반비례합니다. 대기압(105 Pa)에서 평균 자유 경로는 59nm이고 10-7 Pa에서 평균 자유 경로는 최대 59km입니다. 이 매개변수를 기반으로 마그네트론 스퍼터링 성장에 필요한 최소 진공을 추정할 수 있습니다.
전자의 평균 자유 경로는 전자와 가스 분자의 두 연속 충돌 사이에 이동한 거리의 통계적 평균을 말합니다(전자 간의 충돌은 무시). 이 매개변수는 주로 광전 에너지 스펙트럼 실험 시스템에 적용됩니다.
초고진공 조건에서는 열 대류는 일반적으로 무시되고, 열 복사와 전도가 주로 고려됩니다.저온 시스템(액체 헬륨, 액체 질소)는 주로 외부 열의 전달을 방지하는 것을 고려합니다. 액체 질소를 사용하는 시스템의 경우 열 전도가 열의 주요 원천입니다. 액체 헬륨을 사용하는 시스템의 경우 외부 열 복사를 무시할 수 없으며 시스템을 설계할 때 특별한 주의를 기울여야 합니다. 고온 시스템은 필라멘트를 가열하여 생성되는 열 복사로 인한 재료 온도 상승 및 가스 방출을 고려해야 합니다. 고온에서의 열 전도는 주로 열전대의 온도 측정에 영향을 미칩니다. 또한 재료 자체가 더 높은 온도로 가열된 후 생성되는 열 복사도 무시할 수 없습니다.
초고진공의 응용분야
초고진공의 응용 분야는 매우 광범위하며 여기서는 표면 물리학 연구와 가장 밀접하게 관련된 몇 가지를 나열합니다.마그네트론 스퍼터링을 포함, 레이저 펄스 증착, 분자빔 에피택시, 표면 분석, 그리고 입자 가속기.
초고진공 기술은 분자 빔 에피택시 및 표면 분석 분야에서 널리 사용되고 있으며, 다양한 유형의 분자 빔 에피택시 장비, 광전자 분광법, 주사 터널링 현미경 및 기타 준비 특성화 시스템이 이 범위 내에서 작동합니다. 진공 시스템이 종종 시스템 구축 비용의 상당 부분을 차지하기 때문에 적절한 펌프 세트를 선택하고 적절한 수단을 통해 최상의 진공도를 빠르게 얻는 방법은 관련 분야에 문제가 되는 일반적인 문제입니다.
입자가속기는 진공에 대한 요구 사항이 가장 엄격하지만 전체 시스템 비용이 높기 때문에 진공 펌프 유닛비용의 주요 구성 요소는 아닙니다. 일반적으로 더 나은 진공 펌프는 가능한 한 많이 구성됩니다. 또한 가속기 챔버에는 일반적으로 오염원이 없으며 진공도는 일반적으로 매우 높은 진공 범위에 도달합니다.
마그네트론 스퍼터링은 메커니즘 문제로 인해 증발 과정에서 상당한 오염을 발생시키며, 일반적으로 특별히 높은 진공 수준을 추구하지 않습니다.분자 펌프 유닛일반적으로 사용 조건을 충족하기에 충분합니다. 최근 몇 년 동안 기술의 지속적인 발전과 연구 요구의 추가 개발로 마그네트론 스퍼터링 시스템의 진공도는 지속적으로 향상되었으며 초고진공 관련 기술도 끊임없이 이 분야에 진입하고 있습니다.
과거에는 레이저 펄스 증착(PLD) 기술에서 진공도에 대한 수요가 분자 빔 에피택시와 마그네트론 스퍼터링 사이에 있었습니다. 최근 몇 년 동안 분자 빔 에피택시(MBE) 기술과 점진적으로 통합됨에 따라 진공도에 대한 요구도 지속적으로 증가하고 있습니다. 레이저 분자 빔 에피택시(LMBE)는 MBE를 PLD에 통합한 초고진공 기술입니다.
