Обзор современных средств откачки и методов измерения

Преддипломная практика

Обзор современных средств откачки и методов измерения

1. Форвакуумные средства откачки

Основной особенностью развития средств вакуумной откачки на протяжении последних лет является стремление избавиться от вакуумных масел и других рабочих жидкостей. Эта тенденция настолько сильна, что получает развитие даже в таких областях применения вакуумной техники, где этим вопросам до последнего времени не уделяли много внимания — прежде всего, в вакуумной металлургии.

В табл. 1 показаны основные типы безмасляных механических форвакуумных насосов для промышленного использования, их типичные характеристики и производители.

Табл. 1

Многие производители устанавливают на форвакуумный насос дополнительный насос Рутса, в результате чего примерно на порядок вырастает предельный вакуум, и до нескольких раз — производительность. Так, характерная производительность таких систем обычно 600−2500 м³/ч, а предельный вакуум — 0,005−0,0001 мбар. Кроме того, существуют специальные решения для откачки камер больших объемов или для работы с высокими газовыми нагрузками с производительностью в десятки тысяч м³/ч.

Лидирующими технологиями в данной области являются когтевые, винтовые и многоступенчатые насосы Рутса. Это полностью бесконтактные насосы, откачка в которых обеспечивается вращением роторов специальной формы, зазоры между которыми очень малы — до микрометров, поэтому уровень обратного потока газа также крайне мал. Форма роторов когтевого насоса показана на рис. 1, винтового — на рис. 2, а многоступенчатого Рутса — на рис. 3.

Рис. 1. Когтевой форвакуумный насос Рис. 2. Роторы винтового насоса Рис. 3. Многоступенчатый насос Рутса Когтевой насос выполняется в виде многоступенчатой (обычно состоящей из 3 или 4 ступеней) машины, где одной из ступеней является двухроторная ступень Рутса, остальные — когтевые. Главным игроком и обладателем патента на данную конструкцию является компания Edwards.

Винтовые насосы имеют несколько вариантов конструкции — с переменным и постоянным шагом, с напуском газа в торце и в центре роторов, вертикальные и горизонтальные. Такое многообразие конструкций обусловлено тем, что данная технология развивалась наиболее бурно, так как развитие когтевой конструкции было ограничено патентом Edwards. В настоящий момент винтовые насосы обеспечивают, пожалуй, наилучшие технические и эксплуатационные характеристики среди всех безмасляных конструкций (табл. 1), поскольку Edwards начал выпуск и винтовых насосов. Наиболее заметными игроками в данной области являются японские Ebara и Ulvac, имеющие хорошие позиции в Японии и Азии, корейский LOT Vacuum, распространенный в Южной Корее и Европе (под брендом Leybold), а также тайваньский «азиатский тигр» Hanbell, стремительно занимающий лидирующие позиции в Тайване, где сконцентрировано сейчас основное производство полупроводников, кремниевых пластин и плоскопанельных дисплеев, Китае, где активно развиваются данные отрасли, а также выходит на рынки Европы и США. В вакуумной металлургии активные позиции имеют винтовые насосы SIHI.

Еще одной технологией безмасляных форвакуумных насосов для промышленного использования является конструкция, объединяющая несколько ступеней Рутса. Основными игроками здесь являются японская Kashiyama и французский Adixen (Alcatel). Данная технология не получила такого активного, как винтовая, развития в силу своей наибольшей среди других конструкций «чувствительности» к грязным и тяжелым, с эксплуатационной точки зрения, технологическим процессам. Данная конструкция предполагает достаточно сложную и длинную конструкцию вакуумных трактов между ступенями, где могут накапливаться нежелательный конденсат и чужеродные частицы, откачиваемые вместе с рабочим газом. Указанные типы насосов широко применяются в промышленных приложениях таких отраслей как металлургия, химическая промышленность, полупроводники, установки роста кристаллов, плоскопанельные дисплеи и др.

Для лабораторных и «чистых» приложений используются безмасляные форвакуумные спиральные насосы (рис. 4). Поскольку их развитие ограничивается в основном лабораторными системами, характерный диапазон быстроты действия составляет от 3 до 35 м³/ч. Предельный вакуум, обеспечиваемый такими насосами обычно составляет 0,01 мбар. Наиболее заметными игроками в данном сегменте являются компании Anest Iwata, родоначальник данной конструкции насосов, имеющая самую широкую линейку с производительностью до 60 м³/ч, Varian, Edwards, Busch, также занимающие заметную долю этого рынка. Надо сказать, что многие компании предлагают насосы Anest Iwata под собственными брендами — такие как, например, Leybold (Oerlikon) и Ulvac.

Рис. 4. Безмасляный форвакуумный спиральный насос Табл. 2. Основные технические характеристики винтовых насосов Screwstar

Табл. 3. Технические характеристики спиральных безмасляных насосов

Серия насосов RVB отличается тем, что рассчитана на меньший диапазон производительности, и также обладает всеми конструктивными достоинствами, как и у «старшей» линейки насосов RNVB.

Табл. 5. Основные технические характеристики насосов Рутса RVB

Табл. 6. Основные характеристики двухступенчатых пластинчато-роторные вакуумных насосов

2. Высоковакуумные средства откачки

форвакуумный откачка масло В данной области также прослеживается четкое стремление избавиться от масел и рабочих жидкостей. Например, несмотря на дешевизну диффузионных насосов, их использование пытаются максимально сократить во многих областях, до последнего времени считавшихся нечувствительными к остаточным парам рабочих жидкостей в вакуумной камере — электротермическое оборудование, вакуумные печи и т. п. Там, где полный отказ невозможен или слишком дорог используются различные ловушки, снижающие количество масляных паров в рабочей области.

Наиболее активно развивающимися высоковакуумными безмасляными откачными средствами являются турбомолекулярные и криовакуумные насосы. Магниторазрядные насосы в последние годы развивались не столь сильно, в силу специфичности приложений их использования и ограниченности их производительности в 1000—1200 л/с. Однако, нужно отметить, что данный тип насосов активно используется в приложениях, где необходимо получать высокий и сверхвысокий вакуум (до 10−10 торр) и удерживать его длительное время (например, несколько месяцев) — ускорительно-накопительные системы, физика элементарных частиц и т. п.

В области турбомолекулярных насосов можно отметить сразу несколько тенденций:

· активное распространение гибридных конструкций, объединяющих турбомолекулярную и молекулярную ступени. Это позволяет лучше откачивать легкие газы, такие как гелий и водород, и увеличивать максимально допустимое давление в форвакуумной линии. В настоящий момент доступны модели насосов, имеющие штатное постоянное давление в форвакуумной линии до 10−12 мбар;

· доминирование насосов на магнитном подвесе ротора (рис. 5). Данная технология позволяет существенно увеличить наработку на отказ подшипников ротора, поскольку он вращается, левитируя в вакууме в магнитном поле, и трение полностью отсутствует. Эти насосы полностью гарантируют технологический процесс от попадания даже единичных молекул смазки, поскольку она совершенно отсутствует, в отличие от насосов с жидкой или консистентной смазкой, которая хоть и находится внутри закрытых керамических подшипников и обладает крайне малым давлением насыщенных паров — обычно уровня 10−14 мбар, все же допускает теоретическое попадание одиночных молекул в откачиваемый объем. Хотя и данные турбомолекулярные насосы обычно называют безмасляными, поскольку при их работе крайне низка вероятность попадания даже одиночных молекул смазки в откачиваемый объем. Насосы с магнитным подвесом ротора более чувствительны к резкому росту давления в вакуумной камере («прорыву атмосферы»), поскольку их роторы испытывают в том числе и ударную нагрузку при посадке на полной скорости на резервные подшипники. Обычно производители оговаривают характерное количество таких аварийных посадок до необходимости технического обслуживания — оно может составлять от нескольких десятков до нескольких сотен.

В данном сегменте свою долю имеют все ведущие производители вакуумного оборудования — Alcatel, Busch, Edwards, Leybold, Pfeiffer, Osaka Vacuum, Shimadzu, Ulvac, Varian.

Рис. 5. Турбомолекулярный насос на магнитном подвесе В сегменте криовакуумных насосов развитие сказывается, прежде всего на увеличении надежности работы криоголовки и компрессора, а также, к созданию «ударных» моделей и, соответственно, завоевание того или иного сектора рынка. Например, компания Suzuki Shokan разработала и производит крионасос с Ду 320 мм, производительность которого в 1,5 раза выше, чем у конкурентов. Это позволило в относительно короткий срок занять доминирующее положение на полупроводниковом рынке Японии и Юго-восточной Азии в области обработки 300 мм подложек, а наличие одних из лучших по производительности и надежности компрессоров и криоголовок и для насосов других размеров дает возможность компании на равных соперничать с таким признанным грандом японской вакуумной техники как Ulvac, которой подобный подход в свое время позволил завоевать лидирующие позиции в области 200 мм подложек. На рынках США и Европы лидером является компания CTI Cryogenics, заметные позиции также имеют Austin Scientific и SHI Cryogenics.

В области крионасосов большой производительности с Ду более 500 мм (рис. 6) свои решения предлагают такие компании, как HSR, Leybold, PHPK, Suzuki Shokan, Ulvac.

Рис. 6. Крионасос Ду 600 мм

Гибридные турбомолекулярные насосы с подшипниками качения (EBARA)

Серия EBT-F (TG-F). Гибридные турбомолекулярные насосы с интегрированными молекулярными ступенями и металлокерамическими подшипниками с консистентной смазкой

Турбомолекулярные насосы с интегрированным контроллером и на магнитном подвесе Edwards (Англия)

Турбомолекулярные насосы на магнитном подвесе Shimadzu (Япония)

Турбомолекулярные насосы на магнитном подвесе Pfeiffer (Германия)

Турбомолекулярные насосы с подшипниками KYKY (Китай)

Криосорбционные вакуумные насосы SICERA™ Cryopump

При мощности всего 0,9кВт, благодаря запатентованной инверторной технологии, насосы серии SICERA меняют определение «низкое потребление энергии», уменьшая Ваши затраты на электроэнергию на 20−30%. Качественно новая система позволяет одновременно использовать до шести насосов (200 мм) на одном компрессоре без уменьшения производительности.

Насосы серии SICERA доступны с размерами фланцев 200 и 300 мм, обе модели имеют полностью автоматический цикл регенерации, что позволяет максимизировать время продуктивной работы. В результате, экономия электроэнергии и увеличенная производственная эффективность делают насосы данной серии идеальными для таких применений как массовое производство полупроводниковых пластин, плоскопанельных дисплеев и прочих схожих производств.

Технические характеристики

Криогенные вакуумные насосы CTI Cryogenics (США)

Криогенные вакуумные насосы Oxford Instrument (Англия)

Проницаемость

Проникновение газа сквозь стенки сосуда является следствием растворения и диффузии газа, описываемых уравнениями:

(Коэффициент диффузии газа экспоненциально зависит от температуры материала)

(где u = 1, ½, 1/3,… в зависимости от количества атомов в молекуле.)

Количество газа, протекающего через 1 см² поверхности стенки единичной толщины в течение 1 с, т. е. удельный поток I1, зависит от коэффициента диффузии D, коэффициента растворимости r и от давлений по обе стороны стенки. Зависимость потока от давления более сложна, чем в случае течения свободного газа.

При растворении происходит диссоциация газа, зависящая от количества атомов в молекуле. В связи с этим поток газа сквозь стенку пропорционален разности давлений в степени u, т. е. рu₂-pu₁ — причем здесь верны те же критерии, что и при растворении.

Если внутри вакуумной системы давление низкое, а снаружи атмосферное, то диффузия со стороны атмосферы растворяющегося в стенках газа может привести к проникновению некоторых атмосферных газов внутрь вакуумной системы. Это натекание газа может быть количественно определено некоторым потоком натекания.

Установившееся течение. Предположим, что по одну сторону стенки площадью 1 см² и толщиной L имеется давление р1 а по другую — давление p2. Согласно уравнению (3.54), объемные концентрации газа на обеих поверхностях будут соответственно Показатель степени и может иметь значение 1, ½ и т. д. в зависимости от свойств газа и характеристик материала стенки. При p2> p1 диффузия происходит от поверхности 2 к поверхности 1. Поток, соответствующий этой диффузии, находится из закона Фика:

Уравнение (3 59) можно проинтегрировать в соответствующих пределах, принимая D = const, а также I1= const в установившемся потоке:

Подставляя выражения (3.58) для nr1 и nr2 получим Таким образом, удельный поток I1 возрастает вместе с увеличением перепада давлений по обе стороны стенки и уменьшается при увеличении ее толщины; он пропорционален произведению коэффициентов диффузии и растворимости газа в материале стенки.

Произведение коэффициентов растворимости r и диффузии D называется коэффициентом проникания:

Кривые, представленные на фиг. 3.21, показывают зависимость коэффициента проникания от температуры для некоторых двухатомных газов в металлах (u= ½), а также для некоторых однои двухатомных газов в стеклах и керамиках (u = 1).

Как видно из кривых, в целом проникновение газов через металлы больше, чем через стекло Проницаемость органических веществ (пластмасс, эластомеров и т. п.) относительно велика. Для большинства этих материалов коэффициенты проникания различных газов (особенно легко ожижаемых газов типа СО2, NН3) имеют большие значения.

В табл. 3.15 приведены значения коэффициента проникания некоторых газов в различных металлах при комнатной температуре.

Предположим, что масса материала стенки равномерно насыщена газом при давлении р₀, а начальная объемная концентрация этого газа равна nr0. Когда давление над поверхностью стенки снизится до уровня р (р<<�р₀), начнется десорбция с поверхности и переход газа в объем сосуда; его место будет занимать газ, диффундирующий из глубины материала к поверхности. Очевидно, что тут же у поверхности (при х = 0) возникнет градиент концентрации. При этом интенсивность газовыделения с поверхности можно описать формулой:

По мере газовыделения с поверхности стенки изменяется пространственное и временное распределения его концентрации в глубине материала. Такое состояние описывается вторым законом Фика:

При условии D = const это уравнение может быть записано в виде Решение уравнения (3.676) дает поток газовыделения с единицы поверхности очень толстой стенки в момент т (отсчитываемый с момента начала понижения давления):

Таким образом, I1т имеет максимальное значение в момент т = 0 и уменьшается со временем. Теоретически при х = 0 I1т = ?, что означает мгновенную десорбцию поверхностного слоя газа. Общее количество газа, истекающего с единицы поверхности за время т, определяется интегралом Уравнения (3.68) и (3.69) справедливы также для случая, когда диффузия газа происходит из окружающей среды внутрь тела, в котором имеется газ с начальной концентрацией nr0, много меньшей концентрации окружающего воздуха. Тогда удельный поток I1 направлен внутрь твердого тела.

3. Газовыделение с поверхности

Предположим, что масса материала стенки равномерно насыщена газом при давлении р₀, а начальная объемная концентрация этого газа равна nr0. Когда давление над поверхностью стенки снизится до уровня р (р<<�р₀), начнется десорбция с поверхности и переход газа в объем сосуда; его место будет занимать газ, диффундирующий из глубины материала к поверхности. Очевидно, что тут же у поверхности (при х = 0) возникнет градиент концентрации. При этом интенсивность газовыделения с поверхности можно описать формулой:

По мере газовыделения с поверхности стенки изменяется пространственное и временное распределения его концентрации в глубине материала. Такое состояние описывается вторым законом Фика:

При условии D = const это уравнение может быть записано в виде Решение уравнения (3.676) дает поток газовыделения с единицы поверхности очень толстой стенки в момент т (отсчитываемый с момента начала понижения давления):

Таким образом, I1т имеет максимальное значение в момент т = 0 и уменьшается со временем. Теоретически при х = 0 I1т = ?, что означает мгновенную десорбцию поверхностного слоя газа. Общее количество газа, истекающего с единицы поверхности за время т, определяется интегралом Уравнения (3.68) и (3.69) справедливы также для случая, когда диффузия газа происходит из окружающей среды внутрь тела, в котором имеется газ с начальной концентрацией nr0, много меньшей концентрации окружающего воздуха. Тогда удельный поток I1 направлен внутрь твердого тела.

Вывод

Причиной диффузии газа в материале стенки становится наличие градиента концентрации растворенного в стенке газа. Однако градиент концентрации газа может быть вызван и разностью давлений на стенках вакуумного сосуда.

Установившийся поток газа сквозь, стенку камеры при наличии перепада давления, согласно первому закону Фика, определяется соотношением Интегрируя это выражение методом разделения переменных:

где d — толщина стенки камеры, a с1 и с2 — концентрации газа на поверхностях, граничащих с вакуумом и атмосферой соответственно. Выражая концентрации с помощью закона Генри (1.58), определим Q:

(1.61)

где DS — так называемый коэффициент проникания. Поскольку и D, и S экспоненциально зависят от температуры, коэффициент проникания очень быстро возрастает с повышением температуры.

Для большинства сочетаний газ — стенка при комнатной температуре этот эффект незначителен, за исключением случая проникания, гелия сквозь различные стекла. Тем не менее следует учитывать, что нагрев вакуумной камеры, используемый для поверхностного и объемного обезгаживания стенок, может приводить к натеканию газа в вакуумную систему вследствие его проникновения сквозь стенки.