8. Уровни вакуума. Способы получения вакуума.

Уровни вакуума

Вакуум — это состояние среды, где давление газа ниже атмосферного. Уровни вакуума классифицируются в зависимости от остаточного давления, измеряемого в торрах (Торр), паскалях (Па) или других единицах давления.

Классификация уровней вакуума:

Уровни вакуума:

• средний вакуум: от 133,3 Па до 0,1333 Па;

• высокий вакуум: от 0,1 Па до 10^-5 Па;

• сверхвысокий вакуум: от 10^-5 Па.

1. Низкий вакуум (грубый вакуум):

   • Диапазон давления: 10^5 – 10^2 Па.

   • Характеристики:

     • Достигается простыми насосами.

     • Используется в упаковке, холодильных установках, вакуумной формовке.

   • Пример: вакуум в пылесосах.

2. Средний вакуум:

   • Диапазон давления: 10^2 – 10^{-1} Па.

   • Характеристики:

     • Требует более сложных насосов.

     • Используется в металлургии, при пайке и сварке.

   • Пример: вакуум в лампах накаливания.

3. Высокий вакуум:

   • Диапазон давления: 10^{-1} – 10^{-5} Па.

   • Характеристики:

     • Потребность в сложных насосах и чистых условиях.

     • Используется в микроэлектронике, вакуумных печах.

   • Пример: вакуум в электронных микроскопах.

4. Ультравысокий вакуум:

   • Диапазон давления: 10^{-5} – 10^{-10} Па.

   • Характеристики:

     • Требует сложных методов откачки и специальных материалов для предотвращения дегазации.

     • Применяется в ускорителях частиц, физике плазмы.

   • Пример: вакуум в установках для исследования поверхности материалов.

5. Экстремально высокий вакуум:

   • Диапазон давления: < 10^{-10} Па.

   • Характеристики:

     • Требует самых современных технологий.

     • Используется для научных экспериментов, например, в исследованиях гравитации.

Способы получения вакуума

Для достижения различных уровней вакуума применяются разнообразные методы и насосы.

Создание вакуума:

В основу получения вакуума могут быть положены два принципа первый — удаление газа из откачиваемого сосуда за пределы вакуумной системы, второй — связы­вание газа в вакуумной системе.

Первый принцип реализуется в вакуумных насосах, где происходит перемещение газа за счёт приложения к нему механических сил в некотором месте вакуумной системы, откуда газ выталкивается. При этом перемещение массы газа можно производить перио­дически, отдельными порциями, и непрерывно.

На втором принципе основан способ связывания газа путём сорбции, химических реакций или конденсации обычно в замкнутой вакуумной системе.

Создание высокого вакуума:

• откачка вакуумными насосами;

• адсорбция газов;

• вымораживание газов

Механические методы

1. Вихревые и ротационные насосы:

   • Используются для получения низкого вакуума.

   • Принцип работы: перекачивание газа через механические элементы.

   • Пример: пластинчато-роторные насосы.

2. Форвакуумные насосы:

   • Используются для достижения среднего вакуума.

   • Часто применяются в комбинации с другими насосами.

   • Пример: мембранные или поршневые насосы.

Физико-химические методы

1. Диффузионные насосы:

   • Применяются для получения высокого вакуума.

   • Принцип работы: использование потока горячего пара масла для захвата молекул газа.

   • Требуют системы охлаждения.

2. Турбомолекулярные насосы:

   • Используются для достижения высокого и ультравысокого вакуума.

   • Принцип работы: ротор с высокой скоростью сталкивается с молекулами газа, перемещая их к выходу.

3. Криогенные насосы:

   • Применяются для ультравысокого вакуума.

   • Принцип работы: замораживание молекул газа на холодных поверхностях.

4. Ионные насосы:

   • Достигают ультравысокого вакуума.

   • Принцип работы: использование электрического поля для захвата и ионизации молекул газа.

5. Сорбционные насосы:

   • Используются для откачки газа через адсорбцию на поверхности специальных материалов (например, углеродных адсорбентов).

Комбинированные системы

Для достижения высокого и ультравысокого вакуума часто используют комбинацию насосов, например:

• Форвакуумный насос + диффузионный насос.

• Турбомолекулярный насос + криогенный насос.

Факторы, влияющие на создание вакуума

1. Герметичность системы:

   • Утечки ухудшают качество вакуума.

2. Дегазация:

   • Выделение молекул газа из материалов внутри вакуумной камеры.

3. Скорость откачки:

   • Зависит от характеристик используемых насосов.

Применение вакуума

• Микроэлектроника и нанотехнологии.

• Сварка, пайка, и металлургические процессы.

• Исследования космоса и физики.

• Производство вакуумной упаковки.

Во-первых, если вакуум не достаточно высокий, заметная часть частиц, летящих из источника потока, встречает молекулы остаточного газа и в результате столкновения с ними рассеивается, т.е. теряет первоначальное направление своего движения и не попадает на подложку. Это существенно снижает скорость нанесения плёнки на подложку.

Во-вторых, остаточные газы в рабочей камере, поглощаемые растущей на подложке плёнке в процессе ее роста, вступают в химические реакции с наносимым веществом, что ухудшает электрофизические параметры плёнки (повышается ее сопротивление, уменьшается адгезия, возникают внутренние напряжения и др.).

Таким образом, чем ниже вакуум и чем больше в остаточной атмосфере вакуумной камеры примеси активных газов, тем сильнее их отрицательное влияние на качество наносимых плёнок, а также на производительность процесса. Технология полупроводниковых приборов и изделий микроэлектроники.