Часть 3. Технологии элементов электронной технитки.

ЛЕКЦИЯ 10. ГАЗО-ВАКУУМНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ.

1. Основные понятия вакуумной техники.

Подавляющее большинство технологий электроники реализуются в условиях вакуума или газовой среды определенного состава. Создание таких технологий стало возможным на основе развития вакуумной техники, в частности, в результате развития теоретических основ вакуумной техники, создания эффективных средств получения высокого вакуума и измерения уровня вакуума.

С точки зрения технологий основными параметрами вакуумных условий являются концентрация молекул в единице объема технологической или исследовательской установке, средняя длина свободного пробега молекул остаточного газа в объеме установки, число молекул, падающих на единицу поверхности обрабатываемого объекта в единицу времени, время образования монослоя адсорбированных молекул на поверхности обрабатываемого объекта. Данные параметры для молекул азота приведены в Таблице 1.

Таблица 1.

Кинетические постоянные азота при комнатной температуре.

Категория вакуума	Давление, тор.	Число молекул в см3	Длина свободного пробега, см	Число молекул, падающих на 1 см2 в сек.	Время образования монослоя, сек.
Атмосферное давление	760	2,5*1019	6,3*10-6	2,9*1023	2,6*10-9
Вакуум	1	3,3*1016	4,8*10-3	3,9*1020	2*10-6
Высокий вакуум	10-6	3,3*1010	4800	3,9*1014	2
Сверхвысокий вакуум	10-10	3,3*106	4,8*107	3,9*1010	2*104

При давлении остаточных газов порядка 10^-13 тор средняя длина свободного пробега примерно равна расстоянию от Земли до Луны. Только при сверхвысоком вакууме время образования монослоя адсорбированных молекул превышает обычное время проведения эксперимента или прецизионного технологического процесса.

При низком давлении остаточных газов количество газа, адсорбированного на поверхности стенок вакуумной камеры, соизмеримо с количеством молекул остаточного газа в объеме вакуумной системы. Например, если монослой молекул газа внезапно десорбируется со стенок трубки диаметром 1 см, то давление в системе возрастет до 10^-4 тор, а в сфере объемом 1 литр давление достигнет 10^-2 тор. Поэтому для получения сверхвысокого вакуума необходимо не только обеспечить эффективную откачку остаточных газов системы, но и эффективное обезгаживание стенок системы. В вакуумной технике процесс поступления газа в объем системы в результате десорбции газов со стенок называется газовыделением системы, а процесс поступления газа через микротечи – натеканием системы. Таким образом, возможность достижения определенного уровня вакуума в системе определяется балансом между скоростью откачки остаточных газов и процессами газовыделения и натекания в системе.

Поток массы и проводимость.

Если длина свободного пробега молекул в вакуумной системе много меньше ее характерных размеров, то потоки газа при откачке имеют ламинарный (вязкостный) характер. В противном случае говорят о молекулярном характере потоков газа.

Поток газа Q через некоторую поверхность равен объемной скорости течения, умноженной на давление газа P:

. (1)

Размерность потока газа – тор*л/сек.

Проводимость трубопровода, соединяющего две части вакуумной системы, определяется как отношение потока к разности давлений по сторонам трубопровода:

. (2)

Величина, обратная проводимости, называется газовым сопротивлением течению. При параллельном соединении трубопроводов проводимости компонентов складываются:

, (3)

а при последовательном соединении трубопроводов складываются газовые сопротивления компонентов:

. (4)

Проводимость отверстия (по азоту) при молекулярном течении равна:

(5)

где А выражено в см², а проводимость круглого трубопровода диаметром D и длиной L при молекулярном течении равна:

. (6)

Так как в точные уравнения для проводимостей температура и масса молекул входят в виде:

, (7)

то соотношение (7) позволяет легко пересчитать значения проводимости для различных газов и температур.

Скорость откачки системы.

Скоростью откачки насоса S, выраженной в л/сек., называют объем газа, удаляемого из системы при данном давлении в единицу времени. Тогда потока газа, проходящего через насос при откачке системы, равен:

. (8)

При откачке некоторого объема насосом через трубопровод с проводимостью С эффективная скорость откачки S^* составит:

. (9)

Отсюда следует, что проводимость трубопровода должны быть достаточно высокой, чтобы эффективно использовать производительность вакуумного насоса.

2. Методы получения вакуума в установках.

В настоящее время разработано большое количество типов вакуумных насосов, различающихся принципом действия, диапазоном рабочих давлений, скоростью откачки газов. Основные характеристики важнейших типов насосов приведены в Таблице 3.

Таблица 2.

Основные характеристики вакуумных насосов.

Тип насоса	Принцип действия	Рабочее давление, тор	Скорость откачки, л/сек	Основные особенности
Ротационный масляный форвакуумный насос.	Вращение пластин или ротора.	10-3-103	1 – 400	Применяют для предварительной откачки. Требует применения масляных ловушек.
Сорбционный форвакуумный насос.	Сорбция газов на охлажденном до 77 0К цеолите.	10-2-103	1-10	Предварительная откачка безмасляных систем с небольшой газовой нагрузкой.
Насос Рутса.	Движение двух роторов в противоположных направлениях.	5*10-4-100	40-6000	Применяется при высокой газовой нагрузке. Требует применения на выходе форвакуумного насоса.
Масляный или ртутный эжекторный насос.	Паровое сопло	10-4-10-1	40-20000	Применяется при высокой газовой нагрузке. Требует применения ловушки и форвакуумного насоса.
Масляный или ртутный диффузионный насос.	Паровое сопло	10-11-10-2	1 – 105	Высокая производительность. Требует применения ловушки.
Турбомолекулярный насос.	Высокосроростное вращение нескольких роторов.	10-9-10-1	5-104	Не требует применения масляных ловушек. Уменьшенная эффективность для легких газов.
Ионно-сорбционный и геттерный насосы.	Обновляемый металлический слой геттера.	10-11-10-4	2-104	Малая скорость откачки инертных газов.
Криогенный конденсационный насос.	Конденсация на поверхности, охлажденной до температуры 4 0К.	10-15-10-2	102-105	Требует применения жидкого азота и жидкого гелия.

Ротационный форвакуумный насос.

Существует несколько типов ротационных форвакуумных насосов: пластинчато-роторный, пластинчато-статорный, плунжерный насосы. Схема широко используемого пластинчато-роторного насоса приведена на Рис. 1.

Рис. 1. Схема пластинчато-роторного форвакуумного насоса: 1 – балластный воздух, 2 – выхлопной клапан, 3 – масло.

Объем газа, заключенный между ротором, статором и двумя уплотняющими лопатками, транспортируется от входа насоса к выходу. По мере сжатия газа давления в этом замкнутом объеме повышается, под действием давления открывается выходной клапан, и газ выбрасывается в атмосферу. Для предотвращения конденсации паров воды, которая приводит к порче вакуумного масла, предусмотрена подача балластного воздуха в объем высокого давления. Клапан открывается, когда степень сжатия газа несколько меньше давления конденсации паров воды.

Насос Рутса.

Для откачки технологических установок, в которых не требуется достижения высокого вакуума, но в которых имеют место большие газовые нагрузки, применяют двухроторные насосы Рутса. Схема действия такого насоса приведена на Рис. 2.

Рис. 2. Принципиальная схема насоса Рутса.

Насос состоит из двух вращающихся в противоположных направлениях фигурных роторов, имеющих поперечное сечение в виде восьмерки. Зазоры между элементами конструкции не превышают 0,25 мм. Для уменьшения противотока откачиваемого газа требуется применение на выходе насоса Рутса достаточно производительного форвакуумного насоса. Обычно между насосом Рутса и форвакуумным насосом помещают масляную ловушку, что предотвращает попадание паров масла в откачиваемый объем. Применяют как сорбционные, так и ионные масляные ловушки с холодным катодом, в которых поддерживается разряд в скрещенных электрических и магнитных полях.

Сорбционный форвакуумный насос.

В насосах такого типа в качестве рабочего тела применяют цеолиты на основе высокопористых алюмосиликатов. Перед применением насоса его предварительно обезгаживают путем прогрева при температуре 200 ⁰С в течение 20 часов. Затем насос соединяют с вакуумной системой и охлаждают жидким азотом до температуры 77 ⁰С. Насосы такого типа обеспечивают предварительную безмасляную откачку исследовательских или небольших технологических установок. Насос такого типа эффективно откачивает воздух, пары воды и аргон. Скорость откачки других инертных газов и водорода мала.

Диффузионные насосы.

Насосы такого типа широко применяют в различных исследовательских и технологических установках, так как они характеризуются простотой эксплуатации и высокой скоростью откачки. В качестве рабочих жидкостей применяют минеральные или синтетические масла, полиэфиры, ртуть. Обычно на входе насоса размещена охлаждаемая жидким азотом сорбционная ловушка и отражательная ловушка паров масла. Схема наоса приведена на Рис. 3.

Рис. 3. Схема диффузионного насоса. 1 – змеевик водяного охлаждения, 2 – фракционирующий испаритель, 3 – охлаждаемая ловушка, 4 – маслоотражатель, 5 – форвакуумная линия, 6 – отражатель, 7 - электронагреватель.

В диффузионных насосах плотный пар рабочей жидкости вытекает из сопла в откачиваемую систему со сверхзвуковой скоростью. Он сталкивается с молекулами газа, увлекает молекулы и сообщает им импульс в направлении форвакуума. В нижней части насоса размещен испаритель рабочей жидкости. Пар поднимается вверх по концентрическим паропроводам, включающим систему трех концентрических сопел. Над верхним соплом находится водоохлаждаемый маслоотражатель, а выше – охлаждаемая ловушка паров масла. Пар отражается соплами в сторону охлаждаемой водой стенки насоса, конденсируется и стекает в испаритель.

Турбомолекулярный насос.

В последние годы широкое распространение получили турбомолекулярные насосы, которые позволяют получать практически безмасляный вакуум и имеют высокую скорость откачки. Схема такого насоса приведена на Рис. 4.

Рис. 4. Схема турбомолекулярного насоса: 1 – корпус, 2 – неподвижные платины, 3 – пластины ротора.

В турбомолекулярных насосах молекулы откачиваемого газа увлекаются быстро вращающимся ротором, линейная скорость поверхности которого сравнима со скоростью теплового движения молекул. Перепад давления между входом в насос и выходом из него пропорционален скорости и длине движущейся поверхности, соприкасающейся с потоком газа, и молекулярной массе газа. Такой насос может быть выполнен в горизонтальном или вертикальном исполнении и напоминает собой горизонтальный или вертикальный осевой многоступенчатый компрессор. Роторные и статорные диски насоса имеют радиальные косые прорези, боковые стенки которых наклонены относительно плоскости диска под углом 15—90°, причём прорези роторных дисков зеркальны относительно прорезей статорных дисков. При быстроте вращения ротора 6000— 90000 об/мин молекулы газа получают дополнительную скорость и увлекаются в каналы, образуемые прорезями в дисках, в направлении откачки. Насосы такого типа эффективно откачивают все газы, за исключением водорода. Противоток паров масла от форвакуумного насоса практически отсутствует.

Геттеро-ионный насос.

В сорбционных вакуумных насосах газ обычно остаётся внутри насоса в связанном виде на сорбирующих поверхностях, формирующихся путем распыления геттера, обычно титана. Для увеличения скорости откачки водорода и предотвращения синтеза метана на поверхности пленки геттера обычно остаточный газ дополнительно ионизируют, ионы ускоряют в электрическом поле по направлению пленки геттера. В результате ионы остаточных газов «замуровываются» в непрерывно обновляемой пленке геттера. Схема такого насоса, называемого гетеро-ионным, показана на Рис. 5.

Рис. 5. Схема гетеро-ионного насоса: 1 — центральный анод; 2 — прогреваемый анод; 3 — катоды; 4 — прямонакальные испарители.

В насосах типа «Орбитрон» электрическое поле несимметрично относительно корпуса насоса и катода, и эмиттируемые катодом электроныны движутся по спиральным орбитам, что увеличивает вероятность ионизации. Часть электронов попадает на титановый испаритель, дополнительно его разогревая.

Магниторазрядный насос.

Дальнейшим развитием методов ионной откачки явился магниторазрядный насос, схема которого приведена на Рис. 6.

Рис. 6. Схема магниторазрядного насоса.

В магниторазрядных насосах рабочим элементом является газоразрядная ячейка — ячейка Пеннинга, состоящая из «ячеистого» анода, расположенного между катодными пластинами, покрытыми титаном. Ячейка помещена в магнитное поле напряженностью 900—3000 Гс, перпендикулярное плоскости катодов. При подаче на электроды высокого напряжения (от 3 до 7 кВ) между ними зажигается разряд, электроны движутся по сложным спиралям, что увеличивает вероятность ионизации в высоком вакууме. Ускоренные электрическим полем ионы бомбардируют катоды, вызывая катодное распыление, при этом часть ионов внедряется в катоды, а часть — нейтрализуется и, обладая достаточной энергией, отражается от поверхности катода, попадает на анод и «замуровывается» распыляемым материалом катодов. Активные газы откачиваются сорбционным и ионным способами, инертные — ионным, причём часть их «замуровывается» на аноде. Величина разрядного тока в этих насосах пропорциональна давлению газа, скорость откачки зависит от числа ячеек, при этом каждую ячейку можно рас сматривать как самостоятельный насос со скоростью откачки от 0,25 до 1 л/с.

3. Методы измерения давления и газовых потоков.

В настоящее время разработаны и широко применяется множество типов датчиков давления, причем каждый тип используется в определенной области давлений. В Таблице 3 приведены основные характеристики важнейших типов датчиков давления, используемых в вакуумной технике.

Таблица 3.

Основные характеристики важнейших типов датчиков давления.

Тип датчика	Диапазон давлений, тор	Принцип действия	Преимущества	Недостатки
Мембранный	10-4-50	Перемещение мембраны.	Абсолютные измерения.	Невозможен высокотемпературный прогрев.
Термопарный	10-3-30	Измерение температуры нагреваемой проволоки.	Допускает напуск воздуха. Низкая стоимость.	Недостаточно высокая воспроизводимость показаний.
Датчик сопротивления	10-3-30	Измерение электросопротивления платиновой проволоки.	Допускает напуск воздуха. Низкая стоимость	-
Ионизационный	10-7-10-3	Ионизация газа электронами с горячего катода.	Измерение низких давлений.	Взаимодействие газа с горячей нитью.
Манометр Байярда-Альперта	10-10-10-3	Ионизация газа электронами с горячего катода.	Измерение низких давлений.	Взаимодействие газа с горячей нитью.
Магнетронный с холодным катодом	10-13-10-3	Газовый разряд в скрещенных электрических и магнитных полях.	Расширение диапазона в сторону низких давлений.	Откачивающее действие. Долгий запуска при низких давлениях.
Магнетронный с горячим катодом	10-16-10-3	Газовый разряд в скрещенных электрических и магнитных полях.	Расширение диапазона в сторону низких давлений.	Откачивающее действие.

Мембранный вакуумметр.

Вакууметры такого типа позволяют измерять абсолютное давление остаточного газа в вакуумной системе и широко применяются в технологическим и исследовательском оборудовании. Схема такого датчика приведена на Рис. 7.

Рис. 7. Схема мембранного датчика абсолютного давления.

Измеряемое давление воздействует на упругий элемент (мембрану, сильфон, спиральную трубку), деформация которого пропорциональна давлению и определяется оптическим или электрическим методом, либо непосредственно превращаются с помощью механические передачи в показания стрелки прибора. Упругий элемент может также принудительно возвращаться в исходное положение посредством электрического или пневматического источника силы. В этом случае критерием давления служит компенсирующая сила или какая-либо величина, связанная с этой силой, например, напряжение, ток и т.д. В мембранных вакуумметрах разрежение определяют по изменению емкости конденсатора, образованного мембраной и неподвижной пластиной. Достоинства деформационных вакуумметров - простота и надежность конструкции, недостаток - небольшой диапазон измерений. Погрешность измерений составляет 0,4%.

Тепловые вакуумметры.

Тепловые вакуумметры представляют собой герметичные баллоны, внутри которых расположен нагреваемый электрическим током элемент. При изменении давления газа в баллоне изменяется теплоотвод от нагревательного элемента, что приводит к изменению его температуры. Нагревательным элементом может служить тонкая металлическая проволока, температуру которой измеряют с помощью термопары или по величине ее электрического сопротивления Тепловые вакуумметры позволяют определять низкие абсолютные давления различных газов. Их недостатки - зависимость показаний от состава газа и температуры окружающей среды, большая инерционность. Погрешность измерений составляет 10-40%.

Ионизационные вакуумметры.

Действие ионизационных вакуумметров основано на ионизации молекул газа и измерении ионного тока, который является функцией давления. Ионизация газа в таких вакуумметрах осуществляется потоком электронов, испускаемых накаленным катодом. Вакуумметр снабжен еще двумя электродами - анодом и коллектором. Схема двух типов датчиков показана на Рис. 8.

Рис. 8. Ионизационные манометры: слева – типовая конструкция, справа - манометр Байярда-Альперта.

В типовой конструкции датчика ионизационного типа анод - сетка, создающая электрическое поле, которое ускоряет электроны. Коллектор имеет отрицательный потенциал относительно катода и собирает образующиеся в газе положительные ионы. Ионный ток в цепи коллектора служит мерой давления газа. Диапазон измерений датчика ограничен: при высоких давлениях - малым сроком службы и нарушением линейности характеристики из-за возрастающей вероятности объемной рекомбинации ионов и увеличения тока вторичных ионов, также участвующих в ионизации, при низких давлениях - остаточным фоновым током коллектора.

Для измерения сверхвысокого вакуума применяют вакуумметры, где фоновый ток коллектора значительно снижен. С помощью конструкции, называемой лампой Байярда-Альперта, можно определять давление до 10^-10 тор. В этом вакуумметре катод расположен вне анодной сетки, а коллектор (тонкая проволока) -внутри нее. Модулируя ионный ток в лампе посредством дополнительной электрода (тонкий стержень между анодом и коллектором), диапазон измерений удается расширить до 10^-11 тор.

Магниторазрядные вакуумметры.

Принцип действия магниторазрядных вакуумметров основан на зависимости тока самостоятельного разряда от давления газа, который возникает в разреженном газе в скрещенных магнитном и электрическом полях. С использованием таких вакуумметров можно измерять сверхвысокий вакуум (до 10^-14 тор). Электродная система прибора состоит из катода и анода, как показано на Рис. 9.

Рис. 9. Схема магниторазрядных манометров: а-манометр Пеннинга; б-магнетронный; 1-катод; 2-анод.

Торцы системы закрыты дисками, соединенными с катодом для предотвращения выхода заряженных частиц в осевом направлении. На анод подается напряжение, равное нескольким киловольтам, катод соединяется с усилителями постоянного тока и находится под нулевым потенциалом. Электроды помещаются в осевое магнитное поле. В результате действия электрических и магнитных сил образующиеся свободные электроны движутся по замкнутым траекториям в пространстве между катодом и анодом, попадая на анод только вследствие столкновения с молекулами газа. Образовавшиеся при столкновениях ионы, траектории которых слабо искривляются магнитным полем, движутся к аноду, а электроны в свою очередь начинают вращаться в пространстве катод - анод, вызывая ионизацию; возникает газовый разряд. По величине разрядного тока можно судить о разрежении.

Магниторазрядные вакуумметры, в отличие от ионизационных, не имеют накаливаемого катода и обладают большей чувствительностью. Недостатки: медленное возникновение самостоятельного газового разряда при низких давлениях, необходимость очистки электродов при работе прибора в вакуумных установках, которые содержат пары масел. Ионизационные и магниторазрядные вакуумметры часто подключают к одной вакуумной системе, что позволяет последовательно включать в работу тот или иной прибор и управлять процессом откачки системы. Погрешность магниторазрядных вакуумметров составляет 60% и более.