lecture-2 - МГТУ им. Н. Э. Баумана

Физические основы электронной техники
Титул
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Н.Э. БАУМАНА
Курс лекций:
Основы Вакуумной Техники
2 лекция
Типовые вакуумные технологии
Деулин Евгений Алексеевич
Цели и структура курса ОВТ:
Изучение задач и целей курса, структуры и формы изучения
материала курса.
Углублённое изучение молекулярнокинетической теории газов, изучение физических процессов в
вакууме,
принципов работы насосов,
манометров,
течеискателей, газо анализаторов, типовых схем вакуумных
систем . Изучение типовых технологических процессов
начинается с углубленного рассмотрения методов откачки:
штенгельной и бесштенгельной откачки.
Вторая часть курса создаёт у студентов навыки
конструирования элементной базы внутрикамерных устройств.
Анализируются компоновка вакуумных установок по
шлюзованию, степени непрерывности процессов, принципам
межоперационной транспортировки. Изучаются элементы
камер: фланцы, окна, токовводы, вводы движения,
манипуляторы, шлюзы. Затем следует изучение методов
термовакуумной обработки с учетом газопроницаемости,
адсорбции, и десорбции газов,
Цели и структура курса ОВТ:
.
Полученные навыки закрепляются шестью тестами рубежного
контроля.
Лабораторные работы подкрепляющие курс включают
изучение насосов и манометров, быстроты откачки, методов
течеискания, масс-спектрометрии.
Использование курса
В 7 семестре студенты выполняют курсовой проект по
«Основам вакуумной техники», целью которого является
проверка инженерных навыков и уровня практических знаний
в области вакуумной техники.
Курс «ОВТ» будет использоваться при выполнении курсовых
проектов не только по «Основам вакуумной техники» но и в
курсовых проектах : «Основы электронных технологий», «РИК
оборудования».
Разделы курса ОВТ:
1) молекулярно-кинетическая теория ;
2) физические процессы
в вакууме, деление вакуума по
степеням, критерии для оценки степени вакуума ;
3)принципы работы насосов, манометров,
течеискателей,
анализаторов остаточной газовой среды,
4) типовые схемы вакуумных систем,
5) основные зависимости для стационарной и нестационарной
вакуумных систем, расчёт времени откачки
6)Элементная база вакуумной техники, основы конструирования,
7) типовые конструкции и структура построения вакуумных
систем различного технологического назначения.
Лабораторные работы включают:
изучение насосов
изучение манометров,
измерение быстроты откачки,
изучение методов течеискания,
изучение методов масс-спектрометрии.
Рекомендуемая литература
1.Розанов Л.Н. Вакуумная техника. Учебник для высшей школы, 3-е издание, 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 редакцией Е.С. Фролова, В.Е. Минайчева. М.,
Машиностроение, 1992. (Примечание: Конструкции элементов вакуумных систем,
представленные в справочнике не рекомендуется для использования при курсовом
проектировании)
4.. Механика и физика точных вакуумных механизмов / Под редакцией проф. Е.А. Деулина,
т.1.- Владимир, Владим. Гос. Университет, 2001.- 176 с.
5. Механика и физика точных вакуумных механизмов / Под редакцией проф. Е.А. Деулина,
т.2.- М. «Интелвак-Вакууммаш» , 2002.- 152 с.
6. Е.А. Деулин, О.А.Румянцева Конспект лекций по Основам Вакуумной Техники на
английском языке, МГТУ, 1997г., 67с.
7. Ю.А.Хруничев Е.А.Деулин Э.П.Амосова Расчёт передач движения в вакуум, М., МГТУ.,.
!977г. 55 с.
6. Машиностроение. Энциклопедия (в 40 томах). т. 111-8, (Под ред. проф. Ю.В.
Панфилова) часть 8.1.5.- М., «Машиностроение», 2000.-с.273-292
7. Руководство к выполнению расчетной части курсовых и дипломных проектов / Учебное
пособие для студентов вечернего факультета. – М.:МВТУ, 1985. – 60 с.
8. Целевые механизмы вакуумного технологического оборудования / Атлас типовых
конструкций/ Е.П. Аршук, А.И. Беликов, Е.А.Деулин и др. – МГТУ, 1998 . – 68 с.
Понятие вакуум
Вакуум - газовая среда с давлением ниже атмосферного (P<Pатм),
которая используется в вакуумной технике:
Международная единица - 1 Па (Паскаль)
1 Па =1 Н*м –2 = 1 кг* м * с-2 * м-2
Внесистемная единица – 1 Тор
1 Тор = 1мм .рт. ст. = 0,001 м 13590 кг*м-3 *1 м 2 9,8 м * с –2 1 м-2=133,3 Н*1м-2
1Тор = 133,3 Па
1 Па = 0,0076 тор
Согласно ГОСТ 8.417-81: 1Па=1Н/м2; 1бар=105Па [Н/м2] = 750 мм
рт. ст. =750 тор; 1тор=133,3Па.
Некоторые единицы измерения давления, принятые в мировой практике
Pa N/m2
.
bar
1*10-5
Pa
1
bar
1*105
1
mbar
100
1*10-3
Torr
1.33*102
1.33*10-3
micron
0.133
1.33*10-6
atm
1.01*105
1.013
mmWS
9.81
9.81*10-5
psi
6.89*103
6.89*10-2
psf
47.8
4.78*10-4
Основные единицы измерения давления, принятые в мировой практике
Pa
Pa
N/m2
bar
mbar
mbar
dyn/
cm2
Torr
mmHg
1
1*10-5
1*10-2
10
7.5*10-
micr
on
mTo
rr
7.5
atm
at
MmWS
psi
lbf/inch2
psf
lbf/ft2
9.87*10-6
1.02*10
0.102
1.45*10-4
2.09*10
3
bar
mbar
1*105
100
1
1*10-3
1*103
1
1*106
1000
750
0.75
-5
7.5*1
05
0.987
750
9.87*10-4
1.02
-2
1.02*104
14.5
2.09*10
3
1.02*10
10.2
1.45*10-2
2.09
1.02*10-2
1.45*10-5
2.09*10
-3
mbar
0.1
1*10-6
1*10-3
1
7.5*10-
0.75
9.87*10-7
4
Torr
1.33*
102
1.33*1
0-3
1.33
micro
n
0.13
3
1.33*1
0-6
1.33*1
0-3
1.33
atm
1.01*
105
1.013
1013
1.01*
106
760
9.81*
104
0.981
9.81*
105
735.6
mmW
S
9.81
9.81*1
0-5
9.81*1
0-2
98.1
psi
6.89*
103
6.89*1
0-2
68.9
47.8
4.78*1
0-4
0.478
at
psf
1330
1
1.02*10
-6
1000
1.32*10-3
1.36*10
-3
13.6
1.93*10-2
2.78
1.36*10-2
1.93*10-5
1.78*10
-3
981
1*10-3
1
1.32*10-6
1.36*10
-6
1.03
-3
1.03*104
7.6*1
05
1
14.7
2.12*10
7.36*
105
0.968
7.36*1
0-2
73.6
9.68*10-5
1*10-4
1
1.42*10-3
0.204
6.89*
104
51.71
5.17*
104
6.8*10-2
7.02*10
702
1
144
478
0.359
359
4.72*10-4
4.87
6.94*10-3
1
3
1
1*104
14.2
2.04*10
3
-2
4.87*10
-4
Использование вакуума в рутинных и модернизируемых
технологиях ЭВП
(расширим знания курса ФОЭТ)
ЭВП
Давление, Па
Название вакуума
Газонаполненые лампы накаливания
104
НВ
Газотроны, люминесцентные лампы,
газовые лазеры
10-1
СВ
Электронно-лучевые трубки, приемноусилительные лампы
10-5
СВВ
Лампы бегущей волны, магнетроны,
клистроны
10-7
СВВ
Фотоэлектронные приборы
10-10
СВВ
Использование вакуума в рутинных технологиях
откачки ЭВП ( P= 10-0 - 10-4 Pa) (вспомним курс ФОЭТ)
ЭВП
Давление, Па
Название вакуума
Газонаполненые лампы накаливания
104
НВ
Газотроны, люминесцентные лампы,
газовые лазеры
10-1
СВ
Электронно-лучевые трубки, приемноусилительные лампы
10-5
СВВ
Лампы бегущей волны, магнетроны,
клистроны
10-7
СВВ
Фотоэлектронные приборы
10-10
СВВ
Использование вакуума в рутинных и модернизируемых
технологиях ЭВП
(расширим знания курса ФОЭТ)
Схема карусельной откачной машины (машины со средним вакуумом,
Р=100-10-1 Па): 1- откачиваемые ЭВП; 2-кулачок управления клапанами;
3-клапан; 4-подвижный диск золотника; 6-механический насос; 7карусель с Роликами; 8-улита поворотно-фиксирующего механизма;
(ПОМ); 9-ось; 10-двигатель привода карусели; 11-манометр.
Условные обозначения насосов (начало таблицы)
ОСТ
эл. пром.
Справочник
по ВТ
Описание
Механический вращательный (объемный) насос
P’=10-1 Па
Pp=105 – 5*10-1Па
Двухроторный насос
P’=10-2 Па
Pp=10-10 Па
Турбомолекулярный насос
P’=10-7 Па
Pp=10 – 5*10-7 Па
Водокольцевой насос
P’=103 Па
Pp=105 – 5*103 Па
Пароструйный диффузионный насос
P’=10-4 Па
Pp=10 – 5*10-4 Па
Условные обозначения насосов (продолжение)
ОСТ
эл. пром.
Справочник
по ВТ
Описание
Пароструйный пароэжекторный насос
P’=10-1 Па
Pp=102 – 5*10-1 Па
Адсорбционный насос
P’=10 Па (P’=10-4 Па)
Pp=105 – 10 Па (Pp=10 – 10-3 Па)
Магнитный эл. разрядн. насос
P’=10-7 Па
Pp=10-1 – 5*10-7 Па
Криосорбционный насос
P’=10-10 Па
Pp=10-1 – 5*10-10 Па
Криогенный насос
P’=10-9 Па
Pp=10-1 – 5*10-9 Па
Условные обозначения элементов вакуумопроводов
ОСТ
эл. пром.
Справочник
по ВТ
Описание
Ловушка
(общее обозначение)
Адсорбционная ловушка
Клапан
Натекатель
Затвор
Манометр
(вакууметр)
Использование вакуума в современных технологиях
Технологический процесс
Давление,
Па
Название вакуума
Электронно-лучевая обработка
а) сварка
б) размерная обработка, резка
в) плавка, зонная очистка
г) электронная литография
10-3
10-3
10-3
10-5
ВВ (высокий)
ВВ
ВВ
СВВ
(сверхвысокий)
Ионная обработка
а) очистка
б) травление
в) имплантация
г) ионная литография
10-2
10-2
10-3
10-5
ВВ
ВВ
ВВ
СВВ
Выращивание монокристаллов
10-4
ВВ
10-3
10-6
ВВ
СВВ
10-9
СВВ
Нанесение тонких пленок
а) нанесение пассивных элементов
б) нанесение оптических
элементов
в) молекулярно-лучевая эпитаксия
Использование вакуума (10-3 Па) в технологии сварки
10
9
8
7
1
2
M
3
4
M
5
6
M
1.7 The diagram of the electron beam welding carousel installation: 1- electron gun; 2spindle with the detail being worked; 3- drive of the spindle vertical transference; 4rotation motion feedthrough; 5- motor of the spindle rotation; 6- cross wheel for
periodical carousel turning (rotation); 7- rotation motion feedthrough.
.
Использование вакуума (10-5 Па) в технологии Электронной
литографии
7
5
1
3
4
6
2
Еlectron beam lithography installation based on a hydro drive: 1- work chamber; 2- sluice
chamber; 3- light-emitting diodes of raster coordinate counting system; 4- cross pilotbearing of the coordinate table; 5- hydro drive of cross transference; 6- pilot-bearing of the
coordinate table; 7- hydro drive of the coordinate table transference; 8- manual drive of the
samples feeder; 9- drive of the gate; 10- drive of the storage drum.
Использование вакуума (10-4 Па) в технологии нанесения тонких
плёнок
Схема установки УВН-73П-2: 1- the arm of the manipulator for the samples loading into vacuum
chamber; 2- storage drum; 3-sluice chamber; 4-working drum; 5- vacuum chamber; 6- drive of the
arm; 7- gate; 8- evaporator; 9- carrousel ; 10- evaporator screen; 11- gear wheel of working drum;
12,13- the drives of the carrousel and the drum.
Использование вакуума (10-4 Па) в технологии нанесения тонких
плёнок
The view of the internal vacuum chamber mechanisms of the thin films coating installation
manufactured by Balzers Company[1]: 1-evaporators screens; 2- working drums, 3- drums rotation
drive; 4-carrousel.
1.2a
Использование вакуума (10-4 Па) в технологии выращивания
монокристаллов
3
1
2
4
M
5
M
M
6
7
Installation based on Chockhralsky method: 1- touch-string of a monocrystal; 2- harmonic drive for
the monocrystal touch-string transference; 3- nut-screw drive; 4- drive of the fast touch-string
transference; 5-drive of the touch-string rotation; 6- motor of the touch-string transference; 7- motor
of the touch-string rotation.
Использование вакуума (10-9 Па) в технологии МЛЭ
5
1
2
3
6
7
8
11
10
M
12
4
9
Installation of molecular beam epitaxy: 1,2,3- evaporators; 4- the carrier with the sample; 5,6,7- the
screens of the evaporators; 8- linear motion feedthrough for the carrier transference; 9- the samples
magazine; 10-the carrier drive; 11- sluice chamber.
Fig. 1.11 The general view of the analytical installation of Riber Co.[8]: 1- two freedom degree
magnet vacuum manipulator; 2- sluice chamber; 3- inlet vacuum valve; 4- positioning vacuum
manipulator; 5- work chamber.
Использование вакуума в современных технологиях
Технологический процесс
Давление, Название вакуума
Па
Контроль качества поверхности в
вакууме
а) сканирующая СВВ туннельная
10-8... 10-10
микроскопия
б) атомно-силовая СВВ микроскопия 10-8... 10-10
СВВ
Сборка фотоэлектронных
приборов (приборы ночного
видения)
10-10
СВВ
Вакуумная сушка
101
СВ (средний)
Вакуумная упаковка продуктов
103
НВ (низкий)
СВВ
Использование вакуума в современных технологиях
поверхностного и структурного анализа
The general view of the analytical installation of Riber Co.: 1- two freedom degree magnet vacuum
manipulator; 2- sluice chamber; 3- inlet vacuum valve; 4- positioning vacuum manipulator; 5- work
chamber.
Использование вакуума в современных методах физикохимического анализа поверхности P= 10-8 - 10-10 Pa
ЭМА (Электронный Микроанализатор)
1. EMP (Electron Microprobe) -
первичный пучок: электроны;
вторичный пучок: электроны (анализ тока);
2. AES (Auger Electron Spectroscopy) -
ЭОС (Электронная Оже-спектроскопия)
первичный пучок: электроны (20-5000 эВ);
энергии);
вторичный пучок: электроны (анализ
3. ESCA (Electron Spectroscopy for Chemical Analysis) Спектроскопия для хим. анализа)
первичный пучок: фотоны Х;
вторичный пучок: электроны (анализ энергии);
4. SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) спектрометрия)
первичный пучок: ионы;
ВИМС (Вторичная Ионная Масс-
вторичный пучок: ионы (анализ массы);
5. ISS (Ion Scattering Spectrometry) первичный пучок: ионы;
ЭСХА (Электронная
СПРИ (Спектрометрия рассеявшихся ионов)
вторичный пучок: ионы (анализ энергии);
Размещение датчиков-анализаторов в вакуумных камерах установок
физико-химического анализа поверхности ( P= 10-8 - 10-10 Pa)
From down left, according clock wise rotation : 1- detector of the secondary ions; 2 -searched
wafer -; 3- secondary ions mass-spectrometer; 4- electron gun for Auger analysis; 5- X-ray source;
6- energy analyzer; 7- ion gun; 8- ultra violet source; 9- micro focus electron gun; 10- electron
gun; 11- Faraday cup.
Требования к манипуляторам при перемещени датчиков-анализаторов
в вакуумных камерах установок физико-химического анализа
поверхности ( P= 10-8 - 10-9 Pa)
Характеристики
Значение параметра
1.Вакуум
10-9 Па
2.Количество степеней
подвижности
до 6
3.Диапазоны перемещений Х,Y
Z
±40 мм
±20 мм
4.Точность отсчета линейных
перемещений
±0.5 мкм
5.Диапазон угла поворота ,
угла наклона объекта,
угла азимутального поворота
объекта
3600
1000
3600
6.Точность отсчета угловых
перемещений
±1 угл. Мин.
7.Биения вводов вращения,
приведенные к
объекту
радиальное
осевое
±10-50 мкм
±0.5-1 мкм
Использование вакуума в современных методах физикохимического анализа поверхности P= 10-8 - 10-10 Pa
Глубина
EMP
(ЭМА)
AES
(ЭОС)
ESCA
(ЭСХА)
SIMS
(ВИМС)
ISS
(СПРИ)
104 Å
15 Å
50 Å
монослои
~3 000
монослой
~3 Å
Обнаружение:
- элементов
да
да
да
да
да
- изотопов
нет
нет
нет
да
да
- водорода
нет
нет
нет
да
да
Чувствительность:
- монослоя
1
10-3
10-2
10-6
10-3
-
10-7
10-10
10-9
10-13
10-10
Использование вакуума в технологии ВИМС
(SIMS) анализа поверхности P= 10-9 - 10-10 Pa
SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) - ВИМС (Вторичная Ионная Массспектрометрия) первичный пучок: ионы; вторичный пучок: ионы (анализ
массы);
Вид вакуумной установки вторичной ионной массспектрометрии CAMECA-4m, P= 10-9 - 10-10 Pa
Внешний вид установки вторичной ионной масс-спектрометрии
«Cameca-4m».
Использование вакуума в новейшем методе анализа
поверхности с помощью времяпролётной массспектрометрии P= 10-9 - 10-10 Pa
При времяпролётной массспектрометрии (TOF SIMS)
исследуемая поверхность образца
бомбардируется импульсным пучком
первичных ионов. В результате
такого воздействия ионы в
атомарном и молекулярном
состояниях эмитируют с внешних
слоёв поверхности. Их масса
определяется временем, за которое
они проходят путь от поверхности до
детекторного приёмника. Этот
процесс длится до тех пор, пока не
будет получен полный спектр с
высоким динамическим диапазоном.
Вид вакуумной установки времяпролётной массспектрометрии P= 10-9 - 10-10 Pa
Использование вакуума в современных технологиях (cборка фотоэлектронных
приборов ночного видения P=10-10 Pa, «НПО Геофизика», ул. Стромынка, 18 )
ЭОП поколения 2+ с параллельным
переносом электронного изображения с фотокатода
на МКП и с МКП на экран в электростатическом
поле
1-стекловолоконная или стеклянная пластина
ВОП; 2-многощелочной фотокатод; 3-МКП (входная
поверхность); 4- МКП (выходная поверхность); 5катодолюминесцентный экран; 6стекловолоконный выходной элемент;
7-металлокерамический корпус; 8-индеевое
уплотнение;
Результат использование вакуума в технологии cборки
приборов ночного видения P=10-10 Pa, «НПО Геофизика», ул.
Стромынка, 18,
Вид нашлемника с закреплёнными на нём двумя ЭОП поколения 3+ с
параллельным переносом электронного изображения с фотокатода на МКП и
с МКП на экран
Использование вакуума в технологии cборка фотоэлектронных приборов
ночного видения P=10-10 Pa (10 Авторских свидетельств МТ-11, МГТУ
им.Н.Э.Баумана).
Использование вакуума P=10-10 Pa в технологии сборки ФЭП
(проект МЭЛЗ)
3
13
12
1
2
4
M
M
5
1- work
7
M
M
6
8
9
11
10
chamber for photo cathode forming; 2- the photoelectron gauge being assembled; 3- stem
of the photoelectron gauge ; 4- linear motion feedthrough; 5,6- cryogenic sorption pumps; 7,8vacion pumps; 9,10- adsorption pumps; 11- rough-vacuum pump.
Использование вакуума в современных технологиях(Установки
термоядерного синтеза «Токамак 10», «Токамак 15 », P= 10-5 -10-8 Pa)
Пример проекта по курсу ОВТ «Использование технологии СВЧ
накачки Установки термоядерного синтеза «Токамак 15 » в вакууме
P= 10-5 -10-6 Pa
Пост откачки.
Вакуумная схема.
Диаграмма откачки гиротрона
Нагреватели
Механизм отпая
Технические характеристики:
1. Генерируемая мощность
1..1,2 МВт
2. Частота генерации
110; 140; 170ГГц
3. Электронный КПД
35..45%
4. Технический КПД
(с учетом рекуперации)
45..60%
5. Длительность импульса
Непрерывно
Технические требования:
1. Ускоряющее напряжение
2. Ток пучка
3. Напряжение рекуперации
4. Магнитное поле в резонаторе
70..90 кВ
40..60 А
25..35 кВ
4..7 Тл
Использование вакуума в технологии защиты труб магистральных
трубопроводов от «водородной болезни», P= 10-2 – 10-4 Pa, (Патент МТ-11,
МГТУ им. Н.Э.Баумана и примеры фрагментов проектов по ОВТ)
Âàðèàí ò 3
PD2
VF3
VF2
VT1
VH
PT2
NZ
PT1
VF1
VT2
NI
Пример использования вакуума в технологии
защиты труб магистральных трубопроводов от «водородной болезни» (на
основе фрагментов проекта по ОВТ)
Âàðèàí ò 3
Âàðèàí ò 1
PD2
VF3
VT1
VF2
PT1
VH
VF2
VF1
PT2
NR
VT1
VH
PT2
NZ
VT2
NI
PT1
VF1
VT2
NI
Использование вакуума в современной ВИМС (SIMS) технологии
диагностики отказов труб магистральных трубопроводов, от
«водородной болезни» P= 10-10 Pa (Патент МТ-11, МГТУ им
Н.Э.Баумана) Уважаемые студенты, убедительная просьба не распространять представленный вам материал за пределами
МГТУ им Н.Э.Баумана
СH , ат/см
3
21
14.2 10
20
12.1
10
19
10
14.1
13.2
11.1
18
10
13.1
17
10
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10
X, мкм
Уважаемые студенты,
Спасибо за внимание !