Методические

Московский государственный технический университет

имени Н.Э. Баумана

В.П. Михайлов, Е.А. Деулин, Ю.Р. Степаньянц

получение вакуумной технологической среды, тлеющий разряд и термовакуумные процессы

Методические указания к лабораторным работам

по курсу "Физические основы электронной техники"

Под редакцией Ю.В. Панфилова

Москва

Издательство МГТУ имени Н.Э. Баумана

2010

содержание

Стр.

Лабораторная работа № 1

«Получение вакуумной технологической

среды» ……………………………………………………………………..... 4

Лабораторная работа № 2

«Измерение быстроты откачки двумя методами»…………16

Лабораторная работа № 3

«характеристики тлеющего разряда» …………………………..21

Лабораторная работа № 4

«Термовакуумные процессы

при обезгаживающем прогреве» ……………………………….. 25

Лабораторная работа № 1

Получение вакуумной технологической среды

Цель работы - изучение основных методов и средств получения и измерения вакуумной технологической среды для реализации электронных технологий и использования в электронных приборах.

Вакуум - газовая среда с давлением Р ниже атмосферного (P<P_атм), которая используется в технологии производства практически всех электронных приборов (электровакуумных, полупроводниковых, интегральных микросхем) и других изделий и которая необходима для работы некоторых из этих приборов.

Согласно ГОСТ 8.417-81 давление измеряется в следующих единицах: 1Па= 1Н/м²; 1бар = 10⁵Па [Н/м²] = 750 мм рт. ст. = 750 торр; 1 торр = 133,3Па; 1 Па = 7,510^-3 торр.

Свойства вакуума (с позиции реализации в нем технологических процессов):

1. Вакуум предохраняет нагреваемые поверхности (нити накала, катоды и др.) от окисления, перегорания;

2. Вакуум позволяет формировать потоки заряженных и нейтральных частиц;

3. Благодаря вакууму потоки заряженных частиц могут беспрепятственно преодолевать межэлектродные расстояния (при этом они могут ускоряться, фокусироваться и отклоняться по заданной траектории);

4. Вакуум позволяет сохранить чистоту обрабатываемой поверхности материала (обеспечить отсутствие сорбированных молекул газа, паров углеводородов и воды, окислов и др.) для технологических процессов диффузионной сварки, выращивания монокристаллов полупроводников, формирования элементов топологии на полупроводниковой пластине и т. д.

Получение вакуумной технологической среды осуществляется при помощи вакуумных насосов.

Вакуумные насосы можно классифицировать следующим образом:

а) по назначению: сверхвысоковакуумные, высоковакуумные и низковакуумные (форвакуумные);

б) по принципу действия: механические, сорбционные (для среднего и высокого вакуума), диффузионные, магнитные электроразрядные, геттерно-ионные, крионасосы (для высокого и сверхвысокого вакуума).

Основные параметры вакуумной системы

• Производительность насоса Q – поток газа, проходящий через его впускной патрубок .

• Проводимость трубопровода U – количество газа, протекающего через трубопровод в единицу времени при разности давлений на концах трубопровода, равной единице .

Для стационарного потока (Q = const) при откачке вакуумной камеры выполняется условие сплошности газовой среды:

Q = P_oS_o = P_HS_H = const. (1)

Установим взаимосвязь между основными параметрами вакуумной системы: S_o, S_H, U.

S_H = Q/P_H = U(P_О – P_H) /P_H; S_О = Q/P_О = U(P_О – P_H) /P_О;

; ;

или . (2)

Таким образом, при увеличении проводимости трубопровода до бесконечности (U –> ) величина быстроты откачки камеры стремится к величине быстроты действия насоса (S_o –> S_H); при закрытом трубопроводе (U –> 0) быстрота откачки камеры также равна нулю (S_o –> 0).

Принципиальные схемы форвакуумной и высоковакуумной системы показаны на рис. 2 и 3.

Для получения среднего вакуума используются механические вакуумные насосы с масляным уплотнением, которые относятся к насосам объемного действия. Они работают за счет периодического изменения объема рабочей камеры, в которую поступает откачиваемый газ, отсекаемый от впускного отверстия, который затем сжимается в камере и выбрасывается в атмосферу (рис.4 а, б).

Пластинчато-роторный насос (рис.4 а) содержит цилиндрический корпус 7 с впускным 4 и выпускным 3 патрубками, эксцентрично расположенный ротор 6, в пазах которого расположены пластины 5. Под действием центробежной силы и пружины 1 пластины прижимаются к корпусу, обеспечивая изменение объема рабочей камеры насоса. Такие насосы имеют малую быстроту действия (~ 1 … 5 дм³/с) и работают в масляной ванне, обеспечивающей герметизацию соединений насоса и снижение потерь на трение. Для предотвращения заполнения рабочей камеры маслом служит клапан 2. Начальное поджатие пластин к поверхности статора осуществляется пружиной 1.

Насосы с быстротой откачки до 10³ дм³/с выполняются по схеме рис.4 б с большим числом пластин. В этих насосах нет масляной ванны, а для уменьшения потерь на трение используются беговые кольца 1, которые приводятся во вращение пластинами 2. Отверстия в беговых кольцах обеспечивают прохождение откачиваемого газа. В некоторых конструкциях, имеющих пластины из антифрикционного материала, можно обойтись без беговых колец.

Предельное давление таких насосов определяется кроме газовыделения материалов насоса объемом вредного пространства В на рис. 4 в и давлением насыщенных паров масла.

Рис.4. Схемы пластинчато-роторных вакуумных насосов:

а – пластинчато-роторный насос; б – многопластинчатый роторный насос; в – вредное пространство пластинчато-роторного насоса

Параметры пластинчато-роторного насоса 2НВР-5ДМ приведены в таблице 1.

Таблица 1

Диапазон давлений, используемый в вакуумных и электронных технологиях – 10³…10^-12 Па. Полное давление измеряют вакуумметрами, состоящими из преобразователя давления (ПД) и измерительного блока (ИБ). Вакуумметры могут быть классифицированы по методу измерения и принципу действия.

По методу измерения применяются вакуумметры прямого и косвенного измерения.

По принципу действия – жидкостные, деформационные, тепловые, электронные, магнитные и др.

Для измерения среднего вакуума используются тепловые преобразователи, принцип действия которых основан на зависимости теплопередачи через разреженный газ от давления. Тепловые преобразователи делятся на термопарные и преобразователи сопротивления.

В термопарном преобразователе давления (рис.5 а) температура нити 1 измеряется термопарой 2. Электроды расположены в стеклянном или металлическом баллоне 3, имеющем патрубок для подключения к вакуумной системе. Термо – э.д.с. термопары измеряется милливольтметром, ток накала нити регулируется реостатом и измеряется миллиамперметром. Градуировочная кривая термопарного преобразователя показана на рис. 6.

В преобразователе сопротивления для измерения температуры используется зависимость сопротивления нити от температуры. Он включается в мостовую схему (рис. 5 б). Ток накала нити Iн измеряется миллиамперметром, включенным в то же плечо моста, что и преобразователь, а температура нити – по току гальванометра в измерительной диагонали моста. Ток накала регулируется реостатом R. Параметры термопарного преобразователя давления ПМТ-2 приведены в таблице 2.

Таблица 2

Для измерения высокого вакуума (Р=10^-1…10^-5 Па) используются ионизационные преобразователи давления, принцип действия которых основан на прямой пропорциональности между давлением и ионным током, образовавшимся в результате ионизации термоэлектронами остаточных газов.