Элементы вакуумных систем промышленных установок

Вакуумные системы промышленных установок для тонкопленочной технологии выбираются в зависимости от величины и конструкции рабочего объема, газовых потоков в процессе осаждения тонкопленочной структуры и состава остаточной газовой среды. Конструктивное оформление вакуумной системы определяется особенностями всей технологической установки, наличием шлюзовых систем, транспортирующих устройств, отдельно выполненных испарительных камер и т. д. На практике в качестве высоковакуумных откачных средств широко используются четыре типа насосов: диффузионные паромасляные насосы, турбомолекулярные насосы, криогенные и гегтерные насосы. Они способны создавать разряжение в вакуумной рабочей камере установок в пределах от ~ 10’ ... 10 Па.

Диффузионные паромасляные насосы относятся к высоковакуумным средствам откачки. В системах вакуумного оборудования они получили широкое применение в технологических вакуумных системах благодаря их простоте конструкции и низкой стоимости. Откачиваемый газ захватывается струей паров рабочей жидкости, истекающей из сопел насоса, затем выбрасывается через выходной патрубок к форвакуумному насосу. Форвакуумный насос необходим в технологических вакуумных установках для обеспечения предварительной откачки вакуумной системы

Диффузионные паромасляные насосы обладают способностью откачивать все виды газов и газовые смеси с постоянной скоростью откачки в течение длительного времени без необходимости регенерации рабочей масляной среды. Существенным недостатком всех диффузионных насосов - наличие обратного потока паров рабочей жидкости. Применение в качестве рабочей среды кремнийорганических масел с низким давлением насыщенных паров снижает поток паров рабочей жидкости в вакуумный технологический объем установки.

Практика эксплуатации диффузионных паромасляных насосов показывает, что в откачиваемый объем по сечению выходного отверстия насоса в среднем поступает (1...5)* 10’3 мг/ч-см2, а в механических форвакуумных насосах составляет (5... 150) 10мг/ч-см2, в зависимости от скорости откачки и давления.

Следует отметить, что масляные средства откачки практически полностью исключают проведение эпитаксиальных процессов в вакууме, приводят к увеличению удельных давлений и температур нагрева при диффузионной сварке в вакууме, значительно увеличивают величину минимальной толщины сплошного носимого покрытия и существенно ухудшают электрические характеристики этих покрытий.

Турбомолекулярные насосы широко используются в промышленных вакуумных системах установок тонкопленочной технологии. Они относятся к категории высоковакуумных насосов, используются для безмасляной откачки. В зависимости от конструкции насосов смазка отсутствует или ее присутствие практически не влияет на состав остаточной атмосферы в вакуумной системе. Турбомолекулярный насос работает в паре с форвакуумным насосом, обеспечивающим предварительную откачку и разрежение на выпускном патрубке турбомолекуляр- ного насоса в процессе его работы.

Принцип действия турбомолекулярного насоса основан на сообщении молекулам откачиваемого таза дополнительной скорости в направлении их движения ротором (с системой пластин или дисков), вращающимся с очень высокой скоростью. Скорость вращения турбины для различных конструктивных исполнений может достигать ~ 104___105 об/мин. Предельное достижимое остаточное давление в вакуумной системе, которое может быть создано современным турбомолекулярным насосом, может достигать ~ 10'6... SПа (10 s... Ю’10 лшpm. cm.) при высокой производительности (быстроты действия) откачки ~ 100... 10000л/с. Регулярные профевы всей проточной части турбомолекулярного насоса позволяют сохранять в рабочем объеме вакуум, свободный от загрязнения углеводородами.

На рис. 1.2 показан график роста концентрации а углеводородных соединений (масса 41) в рабочем объеме вакуумной камеры в зависимости от времени концентрации работы вакуумной системы. Видно, что только турбомолекулярные насосы на газодинамических и магнитных опорах вращающихся частей турбины исключают накопление углеводородов в технологическом объеме.

Для всех современных конструкций турбомолекулярных насосов характерна различная величина скорости откачки легких и тяжелых газов, что определяется коэффициентом их компрессии.

Криогенные насосы наиболее просты в эксплуатации, обеспечивают наиболее быструю откачку и при этом абсолютно не загрязняют откачиваемый объем. Они так же как и турбомо-

График роста концентрации а углеводородных соединений в рабочем объеме камеры в зависимости от времени работы г вакуумной системы

Рис. 1.2. График роста концентрации а углеводородных соединений в рабочем объеме камеры в зависимости от времени работы г вакуумной системы: а) - диффузионный + форвакуумный насосы без ловушки (кривые 1 и 2), а также диффузионный + форвакуумный насосы с ловушкой (кривая 3); б) - турбомоле- кулярный насос с ротором на подшипниках качения + форвакуумный насос без ловушки (кривая 1) и турбомолекулярный насос с ротором на воздушной подушке (кривая 2). Время предварительной наработки г„: а) - 1, 2 и 3 составляет 400, 300 и 200 часов соответственно; б) - 1 и 2 составляет 200 часов.

пекулярные, обладают избирательностью по некоторым газам. Трудно конденсирующиеся газы, как, например, водород, гелий и аргон, определяют предельные давления и состав остаточной газовой среды в камере вакуумной установки. Проблема прямой зависимости давления паров от температуры при применении крионасосов решается очень просто и элегантно. Дело в том, что крионасосы не перемещают молекулы газа, а замораживают их. В связи с этим у крионасосов отсутствуют какие-либо подвижные части или жидкие среды, контактирующие непосредственно с вакуумом из откачиваемого объема. Это обстоятельство полностыо исключает вероятность загрязнения рабочего объема в процессе откачки. Они могут откачивать, в том числе, и агрессивные газы, такие, например, как СЬ, НС1. Все части криогенных насосов, контактирующие с откачиваемым газом покрыты стойким медно-никелевым сплавом. Важным преимуществом криогенных откачных систем является более высокие по сравнению с другими типами насосов скорости откачки при гораздо меньших габаритах.

Эксплуатация криогенных насосов, как и диффузионных, требует снабжения жидким азотом цехов, в которых эксплуатируется это оборудование. Производительность современных криогенных насосов (например, насоса типа RPK 10000 фирмы "Leybold"), встраиваемых в технологические установки, достигает 10000 л/с по азоту.

Электрофизические насосы объединяют большую группу различных конструкций откачных средств, в основе действия которых лежит физико-химическое процессы связывания активных газов пленкой или слоем геттера. В них инертные газы откачиваются путем ионизации, ускорения и имплантации их атомов газов в эту пленку с последующим «замуровыванием», наносимым геттером. Избирательность действия такого типа насосов по различным газам является одним из существенных их недостатков.

Магниторазрядный насос - высоковакуумный ионный насос, принцип действия которого основан на ионизации молекул газа в сильном электрическим поле, которые затем поглощаются материалом катода (титаном) разрядной системы, распыляемом в высоковольтном разряде в магнитном поле.

Существует серийный ряд отечественных магниторазрядных насосов типа НМД, НМДО, НМДИ и НМДОИ, которые широко используются для безмасляной откачки с предварительной низковакуумной (форвакуумной) безмасляной откачкой: - магниторазрядный диодный насос НМД и охлаждаемый НМДО не предназначены для откачки инертных газов и работы при высоких давлениях, близких к стартовому; - магниторазрядный диодный испарительный насос НМДИ и охлаждаемый НМДОИ используются для откачки газов и газовых смесей, в том числе инертных газов в высоковакуумных и сверхвысоковакуумных системах в случаях повышенных давлениях запуска.

Магниторазрядные насосы обеспечивают высокую скорость откачки, достигающую нескольких тысяч литров в секунду по азоту в диапазоне давлений 10"2... 10" Па.

В промышленных установках для нанесения тонких пленок из-за больших нагрузок на вакуумную систему скорость откачки технологического объема следует выбирать с 1,5...3-х кратным запасом, который диктуется необходимостью стабилизации уровня разрежения в течение всего процесса испарения исходного вещества. Это достигается путем введения авторегу- лируемого напуска газа, например кислорода, при осаждении диссоциирующих оксидов. Запас прочности по скорости откачки позволяет системе справляться как с регулируемым напуском, так и со скачками давления, которые имеют место в течение процесса осаждения. Постоянного давления в рабочем объеме добиваются путем использования дросселя для потока, поступающего через натекатель.

Конструкция вакуумной механической части технологических установок в сильной степени определяет экономичность технологического оборудования в целом Рис. 1.3. (рис. 1.3).

На рис. 1.3 представлены графики зависимости стоимости различных систем откачки в зависимости от их производительности условного проходного диаметра Dv 1 - криогенный насос с объемом, охлаждаемым жидким азотом; 2 - диффузионный насос с ловушкой, охлаждаемой жидким азотом; 3 - турбомолекулярный насос; 4 - гетероионный насос; 5 - автономный криогенный насос.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >