Средства откачки и методы контроля вакуума

Международный  университет  природы,  общества и  человека

“Дубна”

Кафедра Персональной Электроники

Доклад

по дисциплине

«Процессы микро- и нанотехнологии»

«Средства откачки и методы контроля вакуума»

Дубна, 2012

Средства откачки

Диффузионные насосы, были одними из первых типов насосов использовавшихся для создания вакуума, который был недостижим для механических насосов. Изначально рабочей жидкостью была ртуть(до создания синтетических, термически стабильных, обладающих низким давлением насыщенных паров масел), что вызывало значительные трудности, поскольку ртуть достаточно активно взаимодействует с металлами, особенно в области высоких температур, кроме того, ртуть токсична, создавало опасность для персонала как при работе насоса, так и при чрезвычайных ситуациях, например его разрушении. После создания синтетических масел от ртути отказались, однако при этом возникли проблемы с термическим разложением масла и загрязнения вакуумных систем маслом. Серийные модели диффузионных насосов позволяют получать вакуум 10^-4 возможно 10^-5 мм.рт.ст. В случае, если применяется вымораживающая ловушка, может быть достигнуто давление где-то на порядок лучше. К преимуществам диффузионных насосов относится высокая скорость откачки, возможность использования без охлаждения жидким азотом, достаточно высокое давление запуска, возможность экспонирования на атмосферу(если насос остановлен). Стоит отметить отсутствие у диффузионных насосов эффекта памяти и селективности откачки. Однако поскольку вакуумная система загрязняется маслом, использование диффузионных насосов как средств предварительной откачки используется редко, кроме того в процессе остановки необходима откачка форвакуумным насосом, что требует наблюдения за системой при остановке, ещё одним важным недостатком, связанным с загрязнением системы маслом является быстрый выход из строя ионизационных манометрических ламп.

Гетерионные насосы. Насосы типа НОРД — позволяют получить давление 10^-7 мм.рт.ст. причём, вакуум не загрязняется маслом(если попадание паров масла из форвакуумного насоса сведено к минимуму, использованием различных, в том числе и вымораживающих, ловушек.) Однако насосы данного типа плохо откачивают масло, которое может попасть в систему при её откачке форвакуумным насосом, имеют меньшую по сравнению с диффузионными быстроту откачки, в их конструкции присутствует много дефицитного титана, необходимо наличие очень мощных, дорогих магнитов, работа с которыми требует осторожности. Однако если попадание масла из форвакуумнго насоса сведено к минимуму, для откачки не очень больших объёмов гетерионные насосы позволяют получить высокий вакуум, не загрязнённый маслом, стоит отметить, что ионизационные манометрические лампы, используемые для контроля вакуума создаваемого насосами этого типа работают намного дольше, по сравнению с системами откачиваемыми диффузионными насосами.

Насосы типа ОРБИТРОН. Данные насосы можно назвать неполноценными НОРДами, они позволяют получать более высокий вакуум, по сравнению с НОРДами, в прогреваемых системах можно получать вакуум 10^-9 мм.рт.ст. Название «неполноценные НОРДы» обусловлено тем, что в ОРБИТРОНах используется лишь один механизм связывания остаточных газов, основанный на гетерных свойствах свеженапыленной плёнки титана. Стоит отметить, что ОРБИТРОНы, как ни странно, лучше откачивают масло (хотя поскольку обычно для создания форвакуума для ОРБИТРОнах используются криосорбционные насосы – загрязнение системы маслом меньше, чем при использовании механических форфакуумных насосов.) ОРБИТРОНы имеют более высокую скорость откачки (по сравнению с НОРДами). К недостаткам можно отнести - низкое давление запуска, что обуславливает необходимость использования криосорбционных насосов, требующих жидкий азот, высокий расход титана.

Криоадсорбционные насосы (в отличие от вымораживающих панелей) используются как средство предварительной откачки, для запуска орбиронов. Один из их главных недостатков, особенно заметный после развала СССР — это необходимость использовать для их работы жидкий азот. Кроме того, после откачки, требуется их восстановление достаточно длительным вакуумным прогревом. Однако они обладают и рядом преимуществ - низкое(для форвакуумного насоса) остаточное давление, достаточное для запуска насосов типа ОРБИТРОН и, что также существенно, криоадсорбционные насосы являются средствами полностью безмасляной откачки.

Стоит отметить, что указанные значения давлений нужно рассматривать как ориентировочные (условно можно предполагать наличие коэффициента около 5), известно, что вакуум определяется с точностью до порядка.

Методы контроля

Для контроля высокого вакуума по ряду причин не применимы методы измерения давления применяемые в области обычных и умеренно высоких давлений. Одной из причин является то, обычные методы контроля давления основаны на измерении силы, а в случае даже низкого вакуума придётся иметь дело с измерением малых сил, либо малой разности сил, и хотя для давлений до 10^-3 мм.рт.ст. ещё возможно с применением специальных конструкций ртутных манометров, однако для более высокого вакуума они не применимы. Кроме того следует учитывать, что жидкостные манометры не могут измерить давление меньше давления насыщенных паров рабочей жидкости, кроме этого они могут быть источником загрязнений. Вследствие этого для контроля вакуума применяют другие методы, которые не позволяют получить такую же точность, как обычные манометры, но обладают приемлемой точностью для вопросов контроля вакуума.

Для контроля форвакуума используются термопарные манометрические лампы. Принцип их работы основан на зависимости теплоотдачи от давления. Принципиальная конструкция их достаточно проста имеется проволока, нагреваемая от источника постоянного тока, ток должен поддерживаться по возможности постоянным, к которой приварена термопара. Проволока нагревается от источника постоянного тока(сила тока — подбирается индивидуально обычно она меньше 150 мА), температура нагреваемой проволоки контролируется с помощью термопары. Поскольку подвод тепла постоянен(проволока нагревается Джоулевым теплом, тепло выделяющиеся в нагревателе полностью определяется током через проволоку и её сопротивлением), температура проволоки определяется теплоотдачей, которая, как писалось выше зависит от давления. Лампы этого типа позволяют контролировать давление соответствующие давлению форвакуума и позволяет определить давление, при котором можно запускать высоковакуумные насосы. Преимущества данных ламп- возможность их экспонирования на атмосферу, даже во включённом состоянии. Загрязнение вакуума маслом также незначительно портит лампы этого типа, однако их использование невозможно для контроля высокого вакуума.

Для контроля высокого вакуума, в котором и производится напыление, используются ионизационные типы манометрических ламп. Принцип их работы основан на зависимости ионизационного тока от степени вакуума. Лампа представляет катод, из которого, за счёт его разогрева, эмитируются электроны, между катодом и анодом прикладывается ускоряющее напряжение, благодаря которому электроны ускоряются, ионизируют молекулы остаточных газов, по развиваемому току можно судить о вакууме. К недостаткам данных ламп можно отнести выход их из строя не только при экспонировании работающей лампы на атмосферу, но и включение её в форвакууме. Кроме того загрязнение системы маслом, приводит к её быстрому выходу из строя.

Стоит отметить, что показания обоих типов ламп зависят от большого числа трудно учитываемых и трудно воспроизводимых условий и выбранных значений токов нагрева, однако эти лампы обеспечивают достаточную точность для проведения многих экспериментов.

Стоит отметить, что для контроля вакуума в случае использования НОРДов либо других типов гетерионных насосов можно использовать их ионный ток, который связан с вакуумом, причём с допустимой точностью в области их работы(не учитывая область запуска) можно считать ток обратно пропорциональным давлению в насосе, присутствующая в уравнении I(p) константа, определяется например с использованием показания например ионизационных манометрических ламп. Недостатком такого метода контроля является то, что измеряется давление в насосе, которое может значительно отличаться от давления в откачиваемой системе. Однако используя такой способ контроля можно значительно уменьшить износ ионизационных ламп.