3.2 Система откачки вакуумной арматуры установки.

Так как для чистоты ионно-лучевой эпитаксии необходим глубокий вакуум, то чтобы его создать использовали двухуровневую вакуумную систему. Первый уровень вакуумной системы состоит из последовательно соединённых форвакуумного насоса, диффузионного насоса и жёстко соединённого с ним гетеро-ионного насоса в совокупности позволяющих получать в рабочей камере необходимый вакуум и поддерживать его в процессе работы. В процессе работы ионного источника будет выходить нейтральный газ, влияющий на процесс эпитаксии, чтобы исключить паразитное влияние источника плазмы ввели второй уровень - диффузионный насос, жёстко скреплённый с рабочей камерой /57/,/60/.

В качестве форвакуумных насосов используются механические вакуумные насосы ВН-45-1. Откачка этим насосом начинается с атмосферного давления до 10^-1 Па. Пропускная способность насоса составляет около 4 л/с, предельное давление откачки составляет порядка 10^-1 Па. Рассчитаем проводимость вакуумной системы /65/. Для определения режима течения в цилиндрическом трубопроводе ионно-лучевого осаждения рассчитаем число Кнудсена:

(3.1)

λ – средней длины свободного пробега

D – характерный линейный размер вакуумной системы.

Рассчитаем среднюю длину пробега молекулы:

(3.2)

k – постоянная Больцмана

T – температура К

p – давление Па

σ – диаметр молекулы 2∙10^-10 м

Найдем средне арифметическую скорость молекул в системе:

(3.3)

T – температура

M – молярная масса

R₀ = 8,314 Дж/(К·моль) — универсальная газовая постоянная

Найдем число молекул, ударяющихся о единичную поверхность в единицу времени 1/(м2·с):

(3.4)

n – концентрация молекул

Соответственно «объем» молекул, ударяющихся о единичную поверхность в единицу времени, м3/(м2·с),

(3.5)

При перетекании газа из одного бесконечно большого объема с давлением p1, Па, в другой с давлением p2, Па, через малое отверстие или диафрагму с тонкими стенками молекулярный поток определяется соотношением:

(3.6)

F_отв – площадь сечения отверстия, м²

Из соотношения (1.7) вытекает зависимость для определения пропускной способности (проводимости) отверстия или диафрагмы с тонкими стенками:

(3.7)

Для расчетов коротких трубопроводов (L < 20D) используется формула, предложенная П. Клаузингом

(3.8)

µ и k_rs- табличные значение пропорциональности (зависит от соотношения L/D)

Одним из важнейших элементов системы понятий вакуумной техники, основанной на традиционном подходе к расчету и проектированию вакуумных систем, является быстрота действия насоса S_н, м3/с. Быстрота действия насоса определяет объем газа, проходящего через входное сечение в направлении откачки за единицу времени. Аналогичная характеристика, отнесенная к объекту откачки, — быстрота откачки S, м3/с, в некотором сечении — газовый поток, протекающий в этом сечении, отнесенный к давлению в том же сечении:

(3.9)

Количественная связь между потоком газа, проходящим через сечение некоторого канала вакуумной системы, в котором существует давление p, и давлениями во входном p1 и выходном p2 его сечениях выражается зависимостью:

(3.10)

Представленные характеристики являются базисными параметрами традиционной системы понятий вакуумной техники и активно используются при анализе вакуумных систем. В рассматриваемой системе понятий все статические и динамические характеристики выражаются через осредненные параметры состояния разреженного газа, поэтому, строго говоря, применимы при условиях равновесности вакуумной системы. Для эффективной откачки низкого вакуума из установки ионно-лучевого осаждения форвакуумными насосами, весь объем установки разбили на два сектора, изолированных друг от друга байпасом. Первый сектор состоит из блоков – малый гетеро-ионный насос, рабочая камера и байпас. Второй сектор из блоков – диффузионный насос и большой гетеро-ионный насос. Откачка велась одновременно из двух секторов, двумя форвакуумными насосами до 10^-1 Па. Результаты проводимости второго сектора и давления на входе в каждый блок сектора сведем в таблицу 3.1. В расчете принято во внимание шланговое соединение с форвакуумным насосом /83/.

Таблица 3.1

		Vгибк.соед.		V г-и насоса		Vсоед.
U, м^3/с		0,036		1,302		0,329
p, Па		0,184		0,184		0,185

Быстрота откачки ограниченного объема первого сектора: S=1∙10^-3 м³/с. Конечный вакуум в данном секторе p=0.186 Па.

Результаты проводимости первого сектора и давления на входе в каждый блок сектора сведем в таблицу 3.2.

Таблица 3.2

	Vгибк.соед.	V байп.	Vсоед.	Vраб.кам.	Vпер.
U, м3/с	0,036	0,867	0,619	0,72	0,0745
p, Па	0,184	0,185	0,1854	0,186	0,1864

Быстрота откачки ограниченного объема второго сектора: S=1.08∙10^-3 м³/с. Конечный вакуум в данном секторе p=0.187 Па. Для получения среднего вакуума в установке ионно-лучевого осаждения диффузионным насосом, откачиваемый объем установки объединили в один сектор. Сектор состоит из блоков – рабочая камера, байпас, переходы между блоками и гетеро-ионного насоса. Откачка велась диффузионными насосом до 10^-3 Па. Результаты расчета проводимости сектора и давления на входе в каждый блок сектора сведем в таблицу 3.3.

Таблица 3.3

	Vперех.г-и. н.	Vг-и. н.	Vб.	Vперех. раб.кам.	Vраб.кам.	Vперех.мал. г-и. н.
U, м^3/с	0,167	0,75	1,13	0,79	1,33	1,634
p, Па∙10^-3	1	2,7	3,7	4,5	5,7	7

Быстрота откачки ограниченного объема сектора диффузионным насосом:

S=1.7∙10^-2 м³/с. Конечный вакуум в данном секторе p=7∙10^-3 Па.

Для откачки высокого вакуума из установки ионно-лучевого осаждения большим гетеро-ионным насосом, откачный объем установки изолировали байпасами. Сектор глубокого вакуума состоит из блоков – рабочая камера и байпас. Откачка вакуума велась до 10^-4 Па. Результаты проводимости первого сектора и давления на входе в каждый блок сектора сведем в таблицу 3.4.

Таблица 3.4

		Vбайп.		Vраб.кам.
U, м3/с		1,108		0,21
p, Па∙10^-4		1		1,02

Быстрота откачки ограниченного объема сектора: S=0,144 м³/с. Конечный вакуум в данном секторе p=1,04∙10^-4 Па. Малый гетеро-ионный насос служит для поддержания необходимого давления в ионном источнике и используется непосредственно при проведении процесса ионного осаждения.

В установке ионно-лучевого осаждения применяется трехступенчатый диффузионный насос стандартного типа, ранее использовавшийся в вакуумных установках, схема представлена на рисунке 3.3 . Диффузионный (пароструйный) насос основан на увлечении удаляемого газа струёй пара. В установке ионно-лучевого осаждения используется один диффузионный насос. Диффузионный насос расположен во втором секторе вакуумной системы, и жёстко скреплён с гетероионным насосом, поддерживает его работу и обеспечивает поддержку глубокого вакуума /83/. Скорость откачки диффузионного насоса 1.2∙10^-2 м³/с, рабочий вакуум порядка 10^-3 Па. Последовательно с диффузионным насосом установлен форвакуумный насос. Он принимает поток откачиваемого газа на выходе из диффузионного насоса, и обеспечивает вакуум, необходимый для его нормальной работы. Основной характеристикой пароструйных насосов является зависимость быстроты действия от давления на входе в насос в нашем случае порядка 10^-3 Па, зависимость представлена рисунке 3.4а.

Весь диапазон рабочих выпускных давлений можно условно разделить на три области. Область предельно остаточного давления -1, область постоянной быстроты действия-2, область наибольших рабочих давлений -3.

Во второй области рабочих давлений для данного насоса – порядка 10-3 Па, быстрота действия постоянна и равна максимальному значению (Smax). Это основная рабочая область насоса и характеризуется наибольшей стабильностью. Работа насоса в области наибольших рабочих давлений нестабильна и сопровождается поступлением в откачиваемую камеру большого количества пара рабочей жидкости насоса. В области предельного остаточного давления газ, проникающий сквозь струю, пара со стороны форвакуума, снижает эффективную быстроту действия насоса. Точка пересечения кривой быстроты

действия с осью абсцисс соответствует предельному остаточному давлению.

Предельное давление насоса p_пр при низких давлениях на выходном патрубке p_вых, зависимость представлена на рисунке 3.4б слабо зависит от его изменения. Срыв характеристики насоса наступает при равенстве выпускного давления и давления паровой струи, соответствующего давлению p_в.

При увеличении мощности N подогрева насоса за счет увеличения скорости паровой струи быстрота действия вначале возрастает зависимость представлена на рисунке 3.4в, достигает максимального значения при N_опт, а затем уменьшается из-за увеличения плотности паровой струи. Максимальное выпускное давление насоса p_в при увеличении мощности подогрева непрерывно возрастает. Уровень и соотношение температур различных частей насоса зависят не только от состояния рабочих поверхностей, но и от мощности, потребляемой нагревателем, температуры и количества воды подаваемой на охлаждение корпуса насоса. Так, например уже при температуре корпуса более 40°С нарушается нормальная работа диффузионных насосов, так как нарушается условия конденсации пара на внутренней поверхности корпуса насоса /85/. Можно отметить, что температура внутренней поверхности корпуса насоса выше температуры воды в данном месте системы охлаждения на 0,3-0,5°С в случае охлаждения системы "рубашкой" и на 0,7-1°С в случае охлаждении

1-Вход газового потока в насос, 2-Входящий поток воды в систему охлаждения, 4 – Система охлаждения («рубашка»), 5-Первая ступень, 6-Вторая ступень, 7- Третья ступень, 8-Выход откаченного газа, 9-Слой масла, 10-Нагреватель.

Рисунок 3.3 Трехступенчатый диффузионный насос.

а)

б)

в)

а) Зависимость быстроты действия от давления на входе в насос

б) Зависимость предельного давления насоса p_пр при низких давлениях на выходном патрубке p_вых,

в) Зависимость быстроты откачки насоса от мощности нагревателя

Рисунок 3.4 Зависимости характеристик диффузионного (пароструйного) насоса

змеевиком. В нашем случае характеристика диффузионного насоса сохраняется при температуре 30-35°С. Это накладывает ограничения на температуру воды на входе в систему и на расход воды. При номинальном расходе и температуре воды на входе в систему охлаждении около 20°С температура воды на выходе на 2-3°С выше температуры на входе. Система охлаждения диффузионного насоса замкнутая, охлаждение диффузионного насоса происходит рубашкой, для нормального охлаждения насоса достаточно 35 л воды. Вода циркулирует в системе охлаждения с помощью электро компрессора мощностью 100 В.

В качестве рабочей жидкости диффузионного насоса применяли минеральное масло, ВМ-2, которое по техническим характеристикам обладает достаточной упругостью паров при комнатной температуре, что важно для получения наименьшего предельного давления насоса и уменьшает требуемую мощность подогрева. Обладает достаточной стойкостью к разложению рабочей жидкости при нагревании, что очень важно для соблюдения чистоты процесса ионного-осаждения. Также это влияет на срок службы рабочей жидкости и максимальное выпускное давление. Данный тип масла может применяться для достижения вакуума в паромасляных насосах без охлаждаемых ловушек до 4,7  10^-4 Па. /41. /Диффузионный насос прост по конструкции и при правильной эксплуатации надёжен в работе. С точки зрения обслуживания и энергетических затрат он лучшим образом подходит для достижения среднего вакуума порядка 10^-3 Па.

Так как процесс ионно-лучевого осаждения проходит в глубоком вакууме не менее 10^-4 Па, а диффузионный насос по своим характеристикам не может обеспечить безмасляный вакуум. Поэтому чтобы добиться необходимого вакуума и поддерживать его в процессе работы были сконструированы гетеро-ионные насосы, позволяющие выйти на рабочий вакуум процесса ионного осаждения и поддерживать процесс. Схематическое изображение гетеро-ионного насоса представлено на рисунке 3.5. Насос предназначен для откачки газов в диапазоне давлений 10^-2-10^-6 Па. Насос начинает эффективно работать при начальном давлении 10^-2 Па. Это разряжение достигается последовательно соединёнными форвакуумным и диффузионным насосами.

Удаление газа из откачиваемого сосуда осуществляется хемосорбцией газа постоянно возобновляемой плёнкой титана. Газ под действием сильных электрических разрядов ионизируется. Испарившейся титан конденсируется на охлаждаемом корпусе насоса. Молекулы газа, ударяются о поверхность плёнки титана, сорбируется ею, образуя плёнку геттера. Поглощающая поверхность обновляется осаждением на стенках нового слоя титана. На рисунке 3.6 показаны экспериментальные зависимости от энергетических параметров насоса. Корпус первого гетеро-ионного насоса изготовлен из цилиндра внутренний диаметр 190 мм и высотой 400 мм. Корпус оснащён водохлаждающей "рубашкой". Второй гетеро-ионный насос имеет размеры 100 мм в диаметре и 300 мм. Корпус оснащен охлаждающим змеевиком. В качестве высоковольтного блока используется высоковольтный трансформатор с введёнными в корпуса насосов высоковольтными контактам изолированными и уплотненными фторопластом. Высоковольтные контакты соединены с титановыми пластинами испарителя.

Большой гетеро-ионный насос соединен с байпасом, открывающим вход непосредственно в рабочую камеру, с другой стороны насос жёстко связан с диффузионным насосом, обеспечивающим необходимый вакуум запуска. Малый гетеро-ионный насос соединен с рабочей камерой и служит для поддержания необходимого вакуума в ионном источнике.

Исходя из экспериментов – скорость откачки большого гетеро-ионного насоса при начальном вакууме запуска 10^-3 Па, предварительно созданным диффузионным насосом, порядка 7 ∙10^-3 м^-3/с. Скорость откачки малого насоса при том же начальном вакууме 2 ∙10^-3 м^-3/с. Система охлаждения гетеро-ионных насосов – циклическая. Для нормального охлаждения двух насосов достаточно 50 л воды, циркуляция воды происходит с помощью электро компрессора мощностью 100 В. Опытные данные по скорости откачки различных газов гетеро-ионного насоса переставлены в таблице 3.5.

Таблица 3.5

Газ	Скорость откачки, %
Воздух	100
Кислород	50
Двуокись углерода	80
Азот	100
Аргон	4

1-Откачка газа из объёма насоса, 2-Изоляция электродов, 3-Высоковольтный вывод, 4-Электрод, 5-Корпус насоса, 6-Водоохлождающая рубашка, 7-Пластины из распыляемого материала (в данном случае титан), 8-Откачка из рабочей камеры

Рисунок 3.5 Схема гетеро-ионного насоса

а)

б)

в)

а) Зависимость ток разряда от впускного давления в насосе

б) Зависимость разность потенциалов на электродах от впускного давления в насосе

в) Зависимость потребляемой мощности насосом от впускного давления в насосе

Рисунок 3.6 Экспериментальные зависимости от энергетических параметров

Запланированное изменение в мощности насоса, позволяют задействовать около 90% титана с постоянной скоростью 0,12 мг/мин в течении 500 ч работы. Однако в реальных условиях эксплуатации использование испарителя при количестве титана в нём меньше 30% первоначального его содержания нецелесообразно, так как это сопряжено с большим газовыделением и понижением быстроты действия. Использование гетеро-ионных насосов в установке, весьма, выгодно так как нет ограничения по времени откачки—расход титана минимальный: 1 г титана хватит на несколько часов, при аккуратной работе на несколько суток. На пластины подаётся минимальное напряжение: меньше 600В, при этом время откачки не увеличивается. Происходит минимальный нагрев насоса /57/. Сквозная цилиндрическая конструкция основного (большого) насоса позволяет максимально использовать возможности насоса: через большое сечение проходит больший объём газа, скорость откачки увеличивается. Последовательное жёсткое соединение с диффузионным насосом позволяет в полной мере поддерживать необходимый вакуум в системе. Удобное конструктивное исполнение насосов снижает вероятность выхода его из строя и делает его весьма простым в эксплуатации и обслуживании.