Lektsia1 (Лекции по физике вакуума)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Н.Э. БАУМАНАТитулКурс лекций:ФИЗИКА ВАКУУМАМихайлов Валерий ПавловичСтруктура курса• Лекции – 4 модуля (51 час)•Семинары (17 часов)• Тесты (4)• Домашнее задание (1) и защита“Расчёт вакуумной системы»• Лабораторные работы (6) и защита отчетов№1 «Изучение вакуумных насосов»№2 «Изучение вакуумметров»№3 «Измерение быстроты откачки вакуумной камеры»№4 «Изучение методов течеискания»№5 «Исследование газовыделения элементов вакуумноготехнологического оборудования» (определение составаостаточных газов при помощи масс-спектрометра)№6 «Изучение и построение циклограммы работывысоковакуумной системы»• ЭкзаменСтруктура курса (модули)Модуль 1 «Основные положения физикивакуума»Модуль 2 «Вакуумные насосы»Модуль 3 «Вакуумные измерения»Модуль 4 «Элементы вакуумных систем»Рекомендуемая литература1.

Розанов Л.Н. Вакуумная техника. Учебник для высшей школы, 3-еиздание, М.- “Высшая школа”, 2007, 391 с.2. Пипко А.И. и др. Конструирование и расчёт вакуумных систем. М.,Энергия, 1970, 504с.3. Вакуумная техника: справочник / под общ. ред. К.Е. Демихова, Ю.В.Панфилова. 3-е изд., перераб.

и доп. М.: Машиностроение, 2009, 590 с.ил.4.4. Деулин Е.А. Расчет вакуумных систем технологического оборудования:Методические указания для выполнения домашнего задания и курсовыхпроектов по курсу “Основы вакуумной технологии”- М: МВТУ, 1981, 32 с.5. Деулин Е.А. Методические указания к лабораторным работам по курсу“Основы вакуумной техники”.- М: МГТУ, 1989, 36 с.6. ГОСТ 2.796-95. ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах.Элементы вакуумных систем.7.

ГОСТ 2.797-81. ЕСКД. Правила выполнения вакуумных схем.Краткий исторический экскурсС 1640 по 1648 год итальянские ученые Галилео Галилей,Эванжелисто Торричелли, Блез Паскаль показали, чтоатмосферные газы создают давление. При этом атмосферноедавление составляет 10 метров водяного столба или 1 кг насм2.В честь этого открытия современная единица давленияназвана Паскалем (1 Па = 0.0075 Торр).В 1650 году Отто фон Герике, мэр города Магдебурга,сконструировал первый вакуумный насос поршневого типа сводяным уплотнением.В том же 1650 году Отто фон Герике осуществил своизнаменитые эксперименты с “Магдебургскими полушариями”.В 1648 году Блез Паскаль открыл, что “Сила боязниПустоты” была ничем иным, как атмосферным давлением.Сначала он повторил опыты Торричелли с трубкой и ртутью.В 1650 году Отто фон Герике, мэр города Магдебурга,сконструировал первый поршневой вакуумный насос с водянымуплотнением.В том же 1650 году Отто фон Герике осуществил свои знаменитыеэксперименты с “Магдебургскими полушариями”.Лекция № 1Цель и задачи курса ФВ:Цель - подготовка специалистов в области разработкивакуумных систем технологического оборудования, разработкии отладки технологических процессов, реализуемых в вакууме.Задачи:• изучение устройства, принципа работы и методов расчетапараметров насосов, манометров, клапанов, течеискателей,газоанализаторов и др.

с использованием законов физикивакуума и молекулярно-кинетической теории газов принизких давлениях;• изучение методов анализа и синтеза вакуумных систем;• изучение материалов вакуумной техники.В настоящее время сформировалось несколько группвакуумного технологического оборудования.Это следующие группы оборудования:•вакуумное напылительное оборудование (10-3…10-6Па,ВВ, СВВ);•электроннолучевое оборудование для сварки, пайки,размерной обработки деталей электронных приборов (10-3Па,ВВ);•оборудование ионной обработки (ионной очистки,ионного травления, ионной имплантации (10-1…10-3Па, ВВ);•ростовое оборудование, оборудование зонной плавки,очистки (10-3Па, ВВ);•оборудование бесштенгельной откачки и сборкиэлектронных приборов (10-8Па, СВВ);•оборудование для электронной, рентгеновской, ионнойлитографии (10-5Па, СВВ), использующее сверхвысокийбезмасляный вакуум;•оборудование для молекулярно-лучевой эпитаксии(10-9Па, СВВ);•технологическоеоборудованиепромежуточногоконтроля качества поверхности, химического состава,структуры материала, элементов топологии формируемогоэлектронного прибора (установки контроля Оже-методом,методамивторичнойионноймасс-спектрометрии,дифракции медленных, быстрых электронов, установкисканирующей зондовой микроскопии и т.п.) (10-8…10-10Па,СВВ).Вакуум-газоваясредасдавлениемнижеатмосферного (P<Pатм), которая используется в технологиипроизводства практически всех ЭП (ЭВП, ПП, ИМС и др.) идругих изделий и которая необходима для работы ЭВП.Функции вакуума (с позиции его использования в ЭВПи реализации в нем технологических процессов):1.

Вакуум предохраняет нагреваемые поверхности (нитинакала, катоды и др.) от окисления, перегорания;2. Вакуум позволяет формировать потоки заряженных инейтральных частиц;3. Благодаря вакууму потоки заряженных частиц могутбеспрепятственнопреодолеватьмежэлектродныерасстояния (при этом они могут ускоряться, фокусироваться иотклоняться по заданной траектории);4. Вакуум позволяет сохранить чистоту мишени илиобрабатываемойповерхностиматериала(обеспечитьотсутствие сорбированных молекул газа, паров углеводорода иводы, оксидов и др.) для обеспечения работы ЭВП, приреализациисварки,технологическихвыращиванияпроцессовмонокристаллов(диффузионнойполупроводников,формирования элементов топологии на полупроводниковойпластине и т.

д).Степени вакуума1. Низкий вакуум НВ (105-102 Па);2. Средний вакуум СВ (102-10-1 Па);3. Высокий вакуум ВВ (10-1-10-5 Па);4. Сверхвысокий вакуум СВВ (P<10-5 Па).Единицы измерения давления вакуумной средыМеждународная единица - 1 Па (Паскаль)1 Па =1 Н м –2Внесистемная единица – 1 Торр1 Торр = 1мм рт. ст. = 0,001 м 13595,1 кг м-3 9,80665 м с –2 = 133,322 Н м –21Торр = 133,3 Па1 Па = 0,0075 ТоррСогласно ГОСТ 8.417-81: 1Па=1Н/м2; 1бар=105Па [Н/м2] = 750 ммрт.

ст. =750 Торр; 1Торр=133,3Па.Требования ЭВП к вакуумуЭВПДавление, ПаНазвание вакуумаГазонаполненые лампы накаливания104НВГазотроны, люминесцентные лампы,газовые лазеры10-1СВЭлектронно-лучевые трубки, приемноусилительные лампы10-5СВВВакуумные СВЧ-приборы: лампыбегущей волны, лампы обратной волны,магнетроны, клистроны10-7СВВ10-10СВВФотоэлектронные приборы:электронно-оптическиепреобразователи, фотоэлектронныеумножителиТребования ЭТ к вакуумуТехнологический процессДавление,ПаНазвание вакуумаЭлектронно-лучевая обработкаа) сваркаб) размерная обработка, резкав) плавка, зонная очисткаг) электронная литография10-310-310-310-5ВВ (высокий)ВВВВСВВ(сверхвысокий)Ионная обработкаа) очисткаб) травлениев) имплантацияг) ионная литография10-210-210-310-5ВВВВВВСВВВыращивание монокристаллов10-4ВВ10-310-6ВВСВВ10-9СВВНанесение тонких пленока) нанесение пассивных элементовб) нанесение оптическихэлементовв) молекулярно-лучевая эпитаксияТребования ЭТ к вакуумуТехнологический процессДавление, Название вакуумаПаКонтроль качества поверхности ввакуумеа) сканирующая СВВ туннельная10-8...

10-10микроскопияб) атомно-силовая СВВ микроскопия 10-8... 10-10СВВСборка фотоэлектронныхприборов (приборы ночноговидения)10-10СВВВакуумная сушка101СВ (средний)Вакуумная упаковка продуктов103НВ (низкий)СВВГОСТ 2.796-95МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТЕдиная система конструкторской документацииОБОЗНАЧЕНИЯ УСЛОВНЫЕ ГРАФИЧЕСКИЕ В СХЕМАХ.ЭЛЕМЕНТЫ ВАКУУМНЫХ СИСТЕМОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯНастоящий стандарт устанавливает условные графическиеобозначения элементов вакуумных систем всех отраслей промышленности.ГОСТ 2.796-95ОБОЗНАЧЕНИЯ ВАКУУМНЫХ НАСОСОВГОСТ 2.796-95ОБОЗНАЧЕНИЯ ВАКУУМНЫХ НАСОСОВб) двухступенчатыйв) газобалластный1.2.2.

Турбомолекулярный1.2.3. Двухроторный (насос Рутса)1.2.4. ВодокольцевойГОСТ 2.796-95ГОСТ 2.796-95ГОСТ 2.797-81 ЕСКД Правила выполнения вакуумных схемБУКВЕННЫЕ КОДЫ НАИБОЛЕЕ РАСПРОСТРАНЕННЫХ ВИДОВ ЭЛЕМЕНТОВПерваябуква кода(обязательная)NГруппа видовэлементовНасос вакуумныйПримеры видов элементовДвухбуквенный кодМеханическийNIВращательный объемный безгазобалластаNVВращательный объемныйгазобалластныйNLДвухроторный (насос Рутса)NZТурбомолекулярныйNRВодокольцевойNWСтруйныйNBЭжекторныйNHДиффузионныйNDСорбционныйNSАдсорбционныйNAИспарительный геттерныйNGКриосорбционныйNCИспарительный ионныйNEМагнитный электроразрядныйNMГОСТ 2.797-81 ЕСКД Правила выполнения вакуумных схемБУКВЕННЫЕ КОДЫ НАИБОЛЕЕ РАСПРОСТРАНЕННЫХ ВИДОВ ЭЛЕМЕНТОВ (УСТРОЙСТВ)ВРЛовушка (отражатель)ВакуумметрОхлаждаемая циркуляцией жидкостиBWОхлаждаемая воздухомВАОхлаждаемая жидкостью, заливаемой врезервуарBLТермоэлектрическаяВТСорбционнаяBSИоннаяBEДеформационныйPDЖидкостныйPLИонизационныйPAМагнитный электроразрядныйРМТепловойРТGТечеискатель--SМасс-спектрометр--СКамераVКлапан (затвор)Камера вакуумнаяCVКолпак вакуумныйCNПрогреваемая часть вакуумной системыСТТарельчатый (дисковый)VTРегулировочный, дозирующийVFС ручным приводомVПС дистанционным управлениемVAС пневмоприводом или гидроприводомVPС электромагнитным приводомVEС электроприводомVMПримеры принципиальных вакуумных схем дляполучения среднего вакуума и высокого вакуумаОсновные параметрывакуумной системы: Быстротаоткачкиобъекта So – объём газа,поступающийвединицувремени из откачиваемогообъекта в трубопровод придавлении РО [м3/с]. Быстротадействиянасоса Sн – объем газа,удаляемый насосом в единицувременичерезвпускнойпатрубок при давлении РН[м3/с].Основные параметры вакуумной системы: Производительность насоса Q – поток газа, проходящийчерез его впускной патрубок [м3 · Па / с]. Проводимость трубопровода U – количество газа,протекающего через трубопровод в единицу времени приразности давлений на концах трубопровода, равной единице[м3/с]:U = Q /(PО – PH).Основные параметры вакуумной системы взаимосвязаныследующим образом (основное уравнение вакуумнойтехники):1 / SО = 1 / SH + 1 / U.Таким образом,если (U –> ), то (So –> SH);если (U –> 0), то (So –> 0).Расчет времени откачки полностью герметичной,идеально обезгаженной системыДано: V – объем камеры;So – быстрота откачки(принимается So = const);Po, PK – начальное и конечноедавления.Найти: время откачки to от Ро до РК.Время откачки to:PoVto lnS o PK- для идеальной системы (при t–>, PK –> 0)PoV- для реальной системы (при t –>, PК–>P’) lnto SoPK  P гдеР' – предельное давление системыQост.P SoQост.

– остаточное газовыделение в системе.Уравнение кривых откачки для идеальной и реальнойсистем:P  Po eSotVP  P   Po e- для идеальной системыSo tV- для реальной системыПерейдем к десятичным логарифмам:Тогда:ln x  2,3 lg xPoVt o  2,3 lgS o PK  P .