می دانیم که محیط اطراف ما را هوا احاطه کرده است که خود، همان گونه که در جدول 1 آمده، تركيبي از گازهاي مختلف است كه بعضي از آنها مانند اكسيژن روي اكثر عناصر تأثير تخريبي مي گذارد و بعضي از آنها مانند گازهاي بي اثر، به خودی خود واكنشي با ديگر مواد ندارند .
علیرغم اینکه بسیاری از واکنش ها در محیط حاوی هوا انجام می پذیرد ولی می بایست توجه نمود که امروزه فن‌آوري در علوم مختلف به گونه اي پيش می رود که برای انجام بسیاری از آزمايش های مهم و تاثیرگذار، لازم است كه محيط به شكل خلأ درآيد و به عبارتي ديگر محيط و يا محفظه مورد آزمايش از هوا تخليه شود. از این رو، كاربردهاي خلأ به سرعت در حال افزايش است و به جرأت مي توان گفت كه شرط لازم در بسیاری از فن‌آوري های جدید از جمله فن‌آوري ساخت نيمه هادي ها، صنايع هوا فضا، ساخت سلول هاي خورشيدي، ساخت راديوداروها و ديگر صنايع مهم كه متداول ترین آنها در جدول2 آمده، استفاده از خلأ مناسب است. در اين فصل موضوع خلأ مورد توجه قرارگرفته است تا خواننده با مطالعه آن، درك كامل تري از مفهوم خلأ، ساختار و بخش هاي کاربردی آن پيداكند.

جدول 1: فشار نسبی و حجم(درصد) گازهای تشکیل دهنده هوا

گاز	علامت	درصد(حجم)	فشار نسبی( پاسکال)
نیتروژن	N₂	78	79000
اکسیژن	O₂	21	21000
آرگن	Ar	93/0	940
دی اکسیدکربن	CO₂	03/0	33
نئون	Ne	0018/0	8/1
هلیوم	He	0005/0	1-10×3/5
کریپتون	Kr	0001/	1-10×1/1
هیدروژن	H₂	00005/0	2-10×1/5
گزنون	X	0000087/0	3-10×7/8
آب	H₂O	متغیر	6650-665

جدول2: متداول ترین صنایع خلأ

	صنایع	کاربردها
1	لایه نازک	لایه نشانی
2	مطالعه سطح	آنالیزهای AES ,XPS ,UPS ,SIMS
3	الکترونیک، میکرو الکترونیک و سلول های خورشیدی	ساخت اجزای الکتریکی، نیمه رساناها، لامپ ها و ژنراتورهای خورشیدی
4	علم هوا فضا	توسعه نانوساختارها
5	شتاب دهنده ذرات	رادیوداروها
6	متالوژی	ذوب، ریخته گری، جوشکاری، فرزکاری
7	پزشکی/بیولوژیک	STMوAFM برای مشاهده DNA,RNA
8	صنایع غذایی، داروسازی، شیمیایی	تبخیر و یا ترکیب مواد
9	بسته بندی	محصولات غذایی

کلمه خلأ عموماً به ناحیه ای از فضا که فشار آن کمتر از يك اتمسفر باشد، اطلاق مي شود. هدف اصلي فن‌آوري خلأ كاهش چگالي ذرات خارجی، شامل اتم‌ ها يا مولكول‌ ها و يا ذرات ديگر در يك حجم مشخص است. مهم ترین ذرات خارجی عبارتند از:
1- گازهای موجود در هوای داخل محفظه که به صورت عمده شامل نیتروژن، اکسیژن، بخار آب(که از راه هوا جذب می شود)، هیدروژن، مونوکسید کربن و دی اکسیدکربن می باشند.
2- گازهایی که بواسطه عدم درزبندی درست و در اثر نشتی حاصل از آن از طریق دیواره ها وارد سیستم می شوند.
3- گاز حاصل از فشار بخار مواد
4- گازهای جذب شده در داخل فلزات مانند بدنه استیل که بعد از پولیش کردن بدنه و یا پخت محفظه خارج می شوند.

لازم به ذکر است که دفع گاز با دمای داخل محفظه خلأ متناسب است و با بالابردن دمای محفظه، دفع گاز با سرعت بیشتری انجام شده و پس از گذشت زمان مشخص به یک مقدار بيشينه رسیده و در ادامه به آهستگی کاهش می یابد. فرآیند پخت جهت دفع هر چه بیشتر و زودتر گازها از بدنه تجهیزات انجام می شود و متناسب با خواص آن در دماهای مختلفی صورت می گیرد.
جهت گاز زدایی هر چه سریع تر از سطوح تجهیزات، می توان فرآیند پخت را در دماهای بالاتر و فشارهای پایین تر انجام داد.
در شرایط خلأ می توان قانون گازکامل(ایده آل) که بیانگر ارتباط بین فشار (P) ، دما (T) و حجم محفظه (V) است را مورد استفاده قرار داد:
PV=nRT
که در آن n تعداد مول ها در حجم V و R ثابت جهانی گازهاست که برابر (Torr-liter/mole°K ) 4/62 می باشد.
مولكول‌هاي تشکیل دهنده گاز در مسيرهاي مستقيم و به صورت کاتوره‌ای حركت كرده و با مولکول های دیگر و یا ديواره‌هاي ظرفي كه در آن قرار دارند، برخورد مي‌كنند. برای بیان مقدار فشار خلأ، واحدهای متفاوتی استفاده می شوند. در سامانه SI ، فشار به صورت نيوتن بر متر مربع(2N/m ) يا پاسكال[1] (Pa) بيان مي‌شود.
اما در حوزه خلأ، متناسب با کاربردهای مختلف، مطابق جدول 3، واحد های دیگری مورد استفاده قرار می گیرند. متداول ترين آنها پاسكال، تور[2]و ميلي ‌بار[3] مي باشند که در بخش مربوط به فشارسنج ها بیشتر به آنها خواهیم پرداخت. با توجه به تنوع كاربردها، تقسیم بندی های مختلفي در مورد محدوده خلأ پيشنهاد مي شود كه به موجب آن، مقدار خلأ ممکن است به سه تا شش محدوده مختلف تقسيم شود. در متداول ترين تقسيم بندي، مطابق جدول4، خلأ به سه محدوده خلأ پايين، خلأ زياد و خلأ فرازياد تقسيم مي شود:

جدول3 : عمومی ترین واحدهای فشار

Pa	Bar	Atm	Torr	Psi
≡ 1 N/m²	^5-10	^6-10×8692/9	^3-10×5006/7	^6-10×04/145	1 Pa
100000	≡ 106 dyn/cm²	98692/0	06/750	5037744/14	1 Bar
101325	01325/1	≡ 1 atm	760	696/14	1 Atm
322/133	^3-10×3332/1	^3-10×3158/1	≈ 1 mmHg	^3-10×337/19	1 Torr
76/6894	^3-10×948/68	^3-10×046/68	715/51	≡ 1 lbf/in²	1 Psi

جدول4: تقسیم بندی خلأ به نواحی پایین، زیاد و فرازیاد

	خلأ پایین(زبر)	1
(pa) ^6-10×1- ^3-10×1	خلأ زیاد	2
(pa) ^6-10×1 >	خلأ فرازیاد	3

براي تشريح خلأ، علاوه بر کمیت فشار، از كميت هاي ديگر نیز استفاده مي شود. يكي از مهم ترين آنها كميت مسیر پویش آزاد میانگین (MFP ) است كه بوسيله آن مي توان ارزيابي بهتري در خصوص تعداد ذرات در واحد حجم مورد نظر ارائه داد .این کمیت كه با حرف λ نشان داده مي شود و به صورت زير تعريف مي شود:
مسیر پویش آزاد میانگین مولکولی، میانگین فاصله‌ای است که یک مولکول در بین دو برخورد متوالی با مولکول های دیگر طی می کند. در جدول5 تعداد مول در واحد حجم و مسير پويش آزاد براي سه فشار مختلف آمده است. همان گونه که مشاهده می شود با بالا رفتن میزان خلأ، مسیر پویش آزاد میانگین به صورت محسوسی افزایش و تعداد ذرات در واحد حجم به سرعت كاهش مي يابد.

جدول5: مسير پويش آزاد براي سه فشار مختلف

(mbar) فشار	10¹³×1	^3-10×1	^9-10×1
Mol/cm³	10¹⁹×3	1013×4	10⁷×4
MFP(cm)	^6-10×4/6	1/5	10⁶×5

به صورت كلي، وجود خلأ به دو علت مهم است:
1- ذرات خارجی موجود در محفظه(با استفاده از پمپ های خلأ ) به بیرون رانده شده و در نتیجه سطح مورد نظر، تقريباً عاري از ناخالصي مي شود. شکل1، به صورت شماتيك، وضعيت سطح يك لايه را در دو حالت نشان مي دهد. مشاهده مي شود كه در فشار اتمسفر، ذرات ناخالص(كه بيشتر آنها را بخارآب تشكيل مي دهد) سطح لايه را پوشانده اند در صورتي كه در خلأ بالا، ناخالصي روي سطح بسيار كاهش يافته است.

شکل1: سطح يك لايه در فشار مختلف خلأ، الف) فشار اتمسفر ب ) فشار خلأ بالا

2- در شرایط خلأ، پراکندگی مواد هدف به وسیله ذرات خارجی به شدت کاهش یافته و در نتیجه مطابق شکل2، یک ذره می تواند در یک مسیر مستقیم، مسافت بیشتری را پيموده و در نتیجه لایه نازک راحتتر و با سرعت بیشتری تشکیل می گردد.

شکل2: در خلأ های بالاتر اتم های برخاسته از چشمه با پراکندگی کمتری به سمت زیرلایه حرکت می کنند.

متناسب با نوع كاربرد وکیفیت موردنظر، سیستم های خلأ متفاوتي مورد استفاده قرار می گیرند. به عنوان مثال ممکن است که در بسياري از كارهاي تجاري، مقدار خلأ تا حدود 1-10 پاسكال کافی باشد. در صورتی که در بعضی از کارهای حساس تر كه عمدتاً پژوهشي مي باشند، خلأ کمتر از 9-10 پاسكال نياز مي باشد. شکل3، بطور شماتیک، یک سیستم خلأ را كه به طور معمول براي لایه نشانی استفاده مي شود، نشان مي دهد. مطابق اين شكل قسمت هاي مهم اين سامانه خلأ عبارتند از: الف- محفظه خلأ ب- پمپ ها: شامل پمپ خلأ بالا و پمپ خلأ پایین ج- فشارسنج ها: شامل فشارسنج پمپ خلأ پایین، فشارسنج خلأ بالا و فشارسنج فرلاین

شکل3: شکل شماتیک یک سیستم خلأ و بخش هاي مختلف آن شامل محفظه خلأ(1)، پمپ ها (2و3)و فشارسنج ها(4،5،6)
[1] Pascal [2] Torr [3] Mbar

فیلم آموزشی در مورد خلاء

آنالیزهای سطح و لایه   نازک

برهم کنش بین ذرات باردار با لایه نازک

برهم کنش بین پرتو ایکس با لایه نازک

برهم کنش بین پرتو نور با    لایه نازک

میکروسکوپ الکترونی روبشی SEM

میکروسکوپ الکترونی عبوری    TEM

میکروسکوپ پروبی روبشی    SPM

میکروسکوپ پروبی روبشی    AFM

میکروسکوپ روبشی تونلینگ    STM

آنالیز سطح و لایه به روش SIMS

آنالیز سطح و لایه به روش    RBS

آنالیز سطح و لایه به روش    XRD

آنالیز سطح و لایه به روش    XPS

آنالیزطیفی به روش بیضی سنجی

آنالیزطیفی به روش اسپکتروفتومتر

لایه نشانی و پارامترهای آن

ساختار    تشکیل       لایه

روش تفنگ الکترونی E_Beam Gun

روش تبخیر مقاومتی    Resistant Ev

روش کندوپاش       Sputtering

لایه نشانی به روش لیرزی    PLD

لایه نشانی به روش       MBE

لایه نشانی شیمیایی       CVD

لایه نشانی شیمیایی        PECVD

لایه نشانی شیمیایی     MOCVD

درباره                            خلاء

پمپ روتاری    Rotary Pump

پمپ توربومولکولارTurbomolecular

پمپ کرایوجنیک Cryojenic Pump

پمپ دیفیوژن    Diffusion Pump

تاریخچه فشارسنج های نخستین

فشارسنجهای محدوده خلاء پایین

فشارسنج یونی کاتد سرد و گرم

کنترل ضخامت

ضخامت سنجی اپتیکی

ضخامت سنجی کریستالیQCM