Лабораторная работа № 1 получение и измерение низкого вакуума

Цель работы: изучение техники получения и измерения низкого вакуума, приобретение практических навыков работы с системами получения и измерения низкого вакуума.

Вакуум в переводе с лат. – пустота. Практически это понятие означает разряжённый газ, в котором концентрация молекул мала по сравнению с концентрацией их в атмосфере Земли. Благодаря малой концентрации любая частица (электрон, атом, молекула) может достаточно долго перемещаться в пространстве, не сталкиваясь с другими частицами. Путь, пройденный частицей без столкновения, называется длиной свободного пробега и обозначается λ.

Вакуум в каком-либо замкнутом объёме характеризуется давлением газа. Давление – это отношение средней нормальной силы к площади поверхности, на которую эта сила действует. Сама сила возникает в результате столкновения молекул со стенками вакуумной камеры. Единицей силы в системе СИ является 1 ньютон, а единицей давления является 1 паскаль (1 Па = 1 Н/1 м²). В технике давление часто измеряется также в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.): 1мм рт. ст.= 133,32 Па.

В общем случае физические процессы в вакууме зависят от соотношения между средней длиной свободного пробега частиц газа λ и размером D, характерным для каждого конкретного прибора или процесса: расстояния между стенками вакуумной камеры, диаметра вакуумного трубопровода, расстояния между электродами вакуумного электронного прибора и т. д. В зависимости от этого соотношения различают низкий (λ D), средний (λ ~ D) и высокий (λ D) вакуум. В обычных вакуумных установках и приборах низкому ва­кууму соответствует давление p > 10² Па, среднему соответствует давление 10² > р ≥ 10^–1 Па и высокому вакууму соответствует р < 10^–3 Па.

В низком вакууме свойства газов определяются частыми столкновениями между частицами, сопровождающимися обменом энергией. Явления переноса при этом (теплопроводность, диффузия, внутреннее трение) характеризуются плавным изменением (или постоянством) градиента переносимой величины, а также тем, что количество переносимого тепла или вещества не зависит от давления. При прохождении электрического тока в низком вакууме определяющую роль играет ионизация газа.

Вакуумные системы. Основные сведения

Основными элементами вакуумных систем являются насосы, которые предназначены для создания требуемого вакуума в камерах установок, а также для поддержания рабочего давления при проведении технологических процессов. В установках для изготовления различных вакуумных электронных приборов, а также тонкоплёночных структур различного назначения, в том числе для интегральных микросхем (ИМС), применяются ме­ханические форвакуумные насосы и высоковакуумные насосы.

При производстве ИМС в технологии нанесения тонких пленок требуется создавать давления в пределах от 10⁵ Па (атмосферное) до 10^–5 Па и ниже.

Ни один из указанных насосов не может самостоятельно обеспечить откачку от атмосферного давления до высокого вакуума по следующим причинам. Во-первых, при столь широ­ком диапазоне давлений существенно отличаются условия от­качки и, во-вторых, каждый насос обладает избирательностью по отношению к газам, входящим в состав воздуха.

Для создания технологического вакуума 10^–5 Па включают последовательно несколько насосов различных типов. Кроме того, для каждого интервала давлений и для разных газов существу­ют свои методы получения вакуума, отличные друг от друга.

Основными параметрами вакуумных насосов являются: предельное остаточное давление, быстрота действия, наибольшие давления запуска, выпускное давление (обычно приводятся в паспорт­ных данных).

Предельное остаточное давление – это наименьшее давле­ние, которое может быть создано данным насосом при закрытом входном патрубке. При этом подразумевается, что отсутствует натекание в насос извне, со стороны его входного патрубка. Этот параметр обусловливает невозможность построения насо­са, который сам не был бы даже очень слабым поставщиком газов в вакуумную систему.

Быстрота действия – это объем газа, откачиваемый насосом в единицу времени при данном давлении на входе в насос (в сечении входного патрубка). Наиболее распространенными единицами измерения быстроты действия являются м³/ч и л/с. По постоянству быстроты действия при изменении давления можно судить о качестве насоса, которое тем выше, чем меньше изменяется быстрота действия при уменьшении давления во входном патрубке.

Наибольшее давление запуска – это наибольшее давление во входном патрубке, при котором насос начинает нормально работать, т. е. откачивать подсоединенную вакуумную камеру.

Вакуумные насосы по этому параметру можно разделить на две группы. К первой относятся насосы, наибольшее дав­ление запуска которых равно атмосферному (механические форвакуумные). Во вторую входят насосы, требующие для работы предварительного разрежения (высоковакуумные: паромасляные, турбомолекулярные, криогенные). Высоковакуумные насосы работают с дополнительным насосом, называемым насосом предвари­тельного разрежения, или предварительного вакуума (механи­ческим форвакуумным). Форвакуумные насосы присоединяют впускным патрубком к выпускному патрубку высоковакуумного насоса, нуждающегося в предварительном разрежении.

Наибольшее выпускное давление – это наибольшее дав­ление в выходном патрубке, при котором насос еще может выполнять откачку, т. е. при превышении которого откачка прекращается. Для механических форвакуумных насосов оно превышает атмосферное, а для насосов, требующих предвари­тельного разрежения, приблизительно равно наибольшему дав­лению запуска.