Майсел Л. - Справочник - Технология тонких плёнок (1051257), страница 78
Текст из файла (страница 78)
Если проводимость промежуточной секпии системы равна С, то эффективная быстрота откачки газа из камеры 5а выражается как 1 ! ! +— 5 5 С Удаление из камеры некоторого количества газа в результате, откачки 5е р частично восполняется выделением газа из стенок Оо, проннкиове- б. Конструкцнн н рабочие характернстнкн вакуумных снстем пнем газа сквозь стенкн Яр, натеканнем газа через мелкие щелк С)г н поступлением паров из насосов ьгл. Результнрующее взмененне количества газа в системе равно Р— =-З.
Р+Ео+Е,+а,+Е.. и'р ог (20) Строго говоря, уравнение (20) должно быть уточнено для парциальных давленнй всех газов, присутствующих в системе, поскольку быстрота откачки н скорости процессов выделения газа зависят от рода газа. Однако на практике и каждой областн давлений доминирующим является обычно один из указанных выще процессов. Для простоты предположим, что За в уравнения (20) не зависят от давления, а прнтох газа определяется только двумя процессами. Тогда изменение давленая р (1) может быть получено из уравнения Г +Я Р () 1+0(0 (2!) Ыр Здесь в Г) „„включены все стационарные процессы прнтокз газа, такнв как: натекавне, газопроницаемость, выделение паров (например, масла рабочих жядкостей из насоса нлн нз другах материалов с высоким давлением паров). Все нестацнонарные процессы включены в 1;> (Г).
В втой составляющей обычно преобладают процессы обезгажнванвя, затухание которых во временн определяется величиной знергни десорбцнн [282), см. также равд. ЗБ, 1). В конечном счете давление в любой вакуумной системе достнгает стационарного значения, и вклад 1;1(г) становится пренебрежнмо малым по сравнению с Ясевзг. Следовательно, предельный вакуум определяется процессами, протекающими с постоянной скоростью (стацнонаркымн процессами) гг' 1 ггд рвгмк= — ~для — *О прн 1 оо) . сспм г 8, ~ бт Общее Рещенпе УРавнениЯ (21) длЯ начальногО Давленнн Ра < 1О В мм рт.
ст. прв 1 0 имеет внд [276) Гл. 2. Техника высокого вакуума +15э+5З) Л=1зсепм+= ~231 Это уравнение получается заменой в уравнении (2!) номпонентз, зависящего от времени, () (1) нз скорость десорбцпн Аг,!т из уравненнв (8). Произведение 5з р учитывает эффект откачиваюткего действия сорбирующей поверхности. Последний зависит от кинетики потока падающих частиц и величины коэффициента прилипания. Следовательно, 5 р является функш~ей времени откзчкк. Хобсон и Иншоу измерили временвйе константы процессов адсорбцин н десорбцин„что позволило нм подставить в уравнение (23) их численные значения.
Те же самые два процесса определяют н баланс масс адсорбпионного слоя (поверхностной фазы) Л)уа Лга — =5 р — — ' ву (24) Совместное решение уравнений (23) и (24) выряжается в анде суммы нескольких экспоненпиальных членов, относительный вклад которых меняется в зависимости от соотношения 5» и 5з. Экспериментальные зависимости давления в стекаянном колпаке от времени откачки для СО и Нз лучше согласуются с решением системы уравнений (23) и (24), чем с данными для более простого уравнения газового баланса (21) [214, 286[. Аналогичные результаты для откачки Аг при 77 К, по.видимому, указываюз на то, что справедливость теории, учитывающей роль поверхностной фазы, имеег общий характер [287). Констяяга в покаэзгеле экспоненты 5а))г обычно бывает порядка 1 с-г.
Учитывая в уравнении (22) только второй член, получаем, что давление в системе должно падать на порядок приблизительно через каждые 2 с. На практике же для достижения предельного разрежения приходится эз. трачнвать несколько часов, поскольну газовая нагрузка в течение этого пропесса откачки определяется в основном нестационарнымн процессами ()(Г), описываемыми в уравнении (22) гретьим слагаемым. Поскольку для определения скоростей обезгажнванкя вакуумных материалов широко используются измерения зависимости давления ог времени, эо были предприняты большие усилия с целью получения аналитического выражения для () (Г). Кроус(283[ рассматривал эмпирическое выражение в форме () = К1 ~.
Он полагал, что для процесса десорбции [) = 1, а пля диффузионного газовыделения [) = 0,8. То же самое пред. ложил Лейтон (284[, когорый допускал, что при десорбции й может мепятьсн в пределах 0,7-2. Во многих случаях эти выражения согласуют. ся с наблюдаемыми па опыте зависимостями давления от времени, но только в течение первых 10 ч. Лейгон н Краус [284, 288[ делалн попытки полу. чить те же сзмые соотношения из теоретических предпосылок. Первый из них предполагал, что процессы десорбции характеризуются распределенными энергиями десорбции.
Второй для скорости десорбции составил уравнение первого порядка, огновываясь на статистическом соотношении степени покрытия поверхности н давления паров, обусловленного адсорбнрованным слоем. Как уже упоминалось ранее в равд. 3 В, попытка Фаркаса учесть в газоном балансе реалсорбцню десорбированного газа привела к серьезному расхождению полученных зависимостей с результатами экспериментов [21'1[. Хобсон н Ишиоу также ввели в свое дифференциальное уравнение баланса член, учитываюш~ й адсорбцию [2!4, 288[ 5.
Конструкции и рабочие характеристики вакуумных систем Рассмотрение баланса масс в откачиваемых системах показывает, что рабочие характеристики зависят не только от производительности насосов, но и от процессов притока газов. Последние определяются ти. пом используемых при конструировании элементов, материалов и условиями их применения. Множественность вариантов выбора насосов и элементов систем из различных материалов часто делает какую-либо конкретную вакуумную систему уникальной, что затрудняет выработку общих критериев их классификации. Обычное деление по рабочим характеристикам на высоковакуумные и сверхвысоковакуумные системы приводят по существу к классифицированию по используемым методам соединения и типам применяемых прокладок, обсуждавшихся в разя.
4. При этом, однако, в каждой из этих категорий остается большая свобода в выборе насосов и материалов. Б. Разборные вькоковакуумные системы Комитет стандартов Американского вакуумного общества опредетяет эту категорию систем как «системы с разборными соединениями и уплотнениями, изготовляемые обычна из материалов, обладающих ие ачемь низкой скоростью обезгаживания, в которых может быть достигнуто предельное разрежение (5 ° )О ' — 5 ° )0-7 мм рт. ст), несмотря на большую нагрузку за счет процессов обезгаживання и даже присутст- 8 вие небольших течей» 12581. Иногда их также пазыва>от стандартными 182) динамическими вакуумными системами или системами общего назначения 12!5). Метод их конст- Рис.
87. Резаорнзн вакуумная си. стемя! 1 — яеркняя крыши«; 7 — праклел>ез из злестамере; 3 — копиек; « — »к- Г ' ан, оклежпеемый жнлкнм азатом; — сматроное окно: Ь вЂ” анаркея плите; 7 — кзпоке>р; 8 — яентн.ть; Р— отражатель; !Р— пнффузиониый несас; !! — ьрен нину«к«; !у— «рап; Ю вЂ” фарзекуунный мзнометр; Ы вЂ” Форнекуумнея лапушке; Ы вЂ” силыронпый !или резиноный> ннкуум-прокол; !б — ямклопнен тру. бе! 17 — фораекууинея линия; 18 — форнекуумный нентнлы !У— вращательный ыесляный насос; уе— вентиль.
руирования допускает большую свободу в устройстве внутренних элементов, а продолжительность вакуумного цикла невелика. Именно поэтому такие системы наиболее часто используются для осаждения топких пленок как в лабораторных, так и в производственных целях. Типичная разборная система представлена ва рис. 87. Для иее характерно использование для уплотнения камеры, вентилей и вводов прокладок из эластомеров. Вакуумная камера обычно представляет собой колпак из стекла или нержавеющей стали диаметром около 450 мм и обьемом около Гл.
2. Техника высокого вакуума 2 р 'Ц Х -2 «~ -4 Ю Рос. 00. Крнеее откечкк реэборноа енеекоеакуунноя «к«тены е колле«он, еб« нен тз л, к«ее«трон 000 нн, днййузиоеннн 100-нкллннетроемм ее«окон е еедеохлаждееннн отражателем н зкркнон, оклеждеенмм лтндккн азотом !001. (У йу 2ту Ж ФОУ Дту Дзу 707 87 4Втяте пут ловушкн, криогенные насосы. Пример такой конструкции описал Касуэлл [79[, который с помощью мейснеровской ловушки снизил предельное давление с б 10 е до ! 10 е мм рт.
ст. Эффективность показанной аа Е ис. 87 ловушки, охлаждземой жидким азотом, иллюстрируется рнс. 88. я камеры заданного размера быстрота откачки 100-миллиметрового диффузионного насоса выбрана с запасом, который компенсируется большой площадью криоповерхностк экрана. Для разборных систем время откачки в среднем равно 1 ч, а для достнженкя предельного давления (около 1 10-т мм рт. ст.) в описываемом случае требуется уже не. сколько часов. Атмосфера остаточных газов в разборных системах обусловлена в основном процессами обезгажнвання н состоит главным образом нз паров воды.
В меньших количествах в ней содержатся СО,, СО, )т(т, Ны а также углеводороды. Количество последках заанснг от маркн рабочей жидкостн насоса и типа нспочьзуемого отрахтателя (см. рис. 18 и табл. 12). Иногда в составе откачнваемых газов обнаруживают и водород, однако прнсутствне его в непрогреваемых системах, по-внднмому, есть следствие диссоциация паров воды на нагретых поверхностях, например, на катодах масс-спектрометров или ионизацнонных манометров нлн же результат геттернровання кнслорода химически активными металлами. Роль эластомеров как основного поставщнка остаточных газов убеднтельяо иллюстрируется данными Холланда [215). В его системе прокладка из эластомера типа Вина М использовалась толька для уплотнения высоко- вакуумного вентиля, тогда как колпак и базовая плата уплотнялись через индий.
После того, как газозыделенне со стенок камеры было уменьшено умеренным внутренним прогревом камеры (до 150'С), давление в системе достигло 4 10-' мм рт. ст., что соответствовало полной ско- 100 я. Вращательный масляный н диффузионный насосы благодаря нх экономичности и достаточно высокой производительности являются' нан. более предпочтительными средствами откачки для таких систем. Согласно эмпирическому правилу выбора диффузионного насоса, нз каждый лнтр объема колпака необходимо планировать 5 5 л с-э[204), Последнюю величину при исцользовзнин ловушек нли отражателей йбычно уменьшают раза в два. Этим требованиям удовлетворяют диффузионные насосы днаметром !00 — 150 мм с водоохлаждаемымн отражателямн.
Более детальный аналнз методов конструирования н монтаука разборных систем, учнтывающий факторы, определяемые выбором форвакуумного н вспомогательного насосов, может быть найден в работе [289). Для улучшения рабочих характеристик рззборных систем обычно в них прнменяют отражатели сложной конструкцнн: с вьиоражнваннем 5.
Конструкции н рабочие характеристики вакуумных сметем рости обезгаживания около 2,5 ° 1О-э мм рт. ст. ° л с-' ° см-э. Сравнение с известнымн данными по скорости обезгажнвания нержавеющей стали показывает, что 95% общей газовой нагрузки [м' „„) обуслов. лено гээовыделеннем из вентильной прокладки, хотя она занимает всего только около !% общей площади внутренней поверхности. Применение вместо Вппа Н Витона Л привело к уменьшению средней скорости обеэгаживэния приблизительно до 1О-з мм рт. ст. ° л ° с ' ° см-з, в результате чего вакуум в системе улучшился до 5 ° 10-з мм рт.
ст. (при использовании дополнительной мейснеровской ловушки). О попытках уменьшить нагрузку остаточных газов в системах с колпаками из пирекса без ирогрева системы сообщили Грег и Рейд [290]. эгн анторы для очистки подложки н стенок колпака использовали бомбардировку ионами из высокочастот. ного тлеющего разряда. Такой разряд можно было поддерживать приблн. эительно до !О-а мы рт..ст. Срыв его сопровождатся резким улучшением вакуума, связанного, очевидно, с началом эдсорбции на свежеочищениых стенках камеры. Вклад этого процессе можно было увеличить за счет предварительного покрытия стенок колпака пленкой поверхностно-активного вещества, такого как Еп5.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
