Сравнение откачных средств

Специфической особенностью работы вакуумных напылительных установок является резкое увеличение газовыделения каждый раз, как только начинается интенсивный прогрев очередного распыляемого материала. Это газовыделение должно быть скомпенсировано за счет большой скорости откачки используемого насоса. Кроме того, при циклической работе напылительной установки неизбежно периодическое сообщение ее рабочего объема с воздухом, имеющим высокую относительную влажность, вследствие чего стенки рабочей камеры и поверхности находящихся в ней механизмов могут сорбировать влагу. Эти обстоятельства заставляют предъявлять определенные требования к откачным средствам в части минимальной длительности пускового периода, большой скорости откачки и ее постоянства в широком диапазоне давлений, а также незначительного количества загрязнений, вносимых из насоса в откачиваемый объем.

Из рассмотрения скоростных характеристик различного типа насосов (рис. 2.56) очевидно, что постоянством скорости откачки в широком диапазоне давлений обладают насосы четырех типов: паромасляный, турбомолекулярный) криогенный и азотит.

Наибольшее распространение в напылительных установках благодаря сравнительно невысокой стоимости, простоте устройства, надежности и удобству в эксплуатации и способности быстро восстанавливать в рабочем объеме требуемый вакуум при резко меняющихся газовых нагрузках получили диффузионные паромасляные насосы с быстротой действия 1 500—2 000 л/сек.

Если для этой цели использовать паромасляный насос «единой серии» Н-2Т, то при работе на вазелиновом масле ВМ-1 он обеспечивает предельный вакуум 3,99×10^-4 Па. Несколько лучший вакуум можно получить при использовании насоса «второй серии» Н-2Т-3 в том случае, если работать на масле ВМ-5.

Применение ловушек, охлаждаемых жидким азотом, улучшает предельный вакуум примерно на порядок, но при этом одновременно резко снижается эффективная скорость откачки; по сути дела указанная в паспорте насоса скорость откачки используется не более чем на 30—40%. Недостаточная скорость откачки часто бывает причиной того, что в процессе прогрева и испарения ряда материалов, обладающих значительным газовыделением, рабочий вакуум в установке ухудшается и достигает 6,65×10^-3 Па.

Одним из возможных путей частичной модернизаций существующих напылительных установок является встраивание в их рабочие объемы малогабаритных титановых испарительных насосов. При этом значительно снижается парциальное давление таких вредных компонентов, как тяжелые углеводороды, окись углерода, пары воды и гидроксильная группа, и по сути дела основной компонентой остаточных газов является водород (рис.2.57).

Разработка новых рабочих жидкостей, обладающих исключительно низким давлением пара, позволяет отказаться от использования азотных ловушек. Так, например, пентафенилметилсилоксан марки ДС-705 имеет при комнатной температуре давление пара 3,99×10^-7 Па и одновременно обладает высокой термической стойкостью.

Высокое предельное разрежение и «безмасляную» атмосферу остаточных газов, практически не содержащую тяжелых углеводородов, обеспечивают насосы, использующие распыление титана. В частности, титановые насосы магнитно-электроразрядного типа обладают целым рядом достоинств. В процессе эксплуатациионипрактически не расходуют электроэнергии и для их работы не обязательны хладагенты. Насос сам регулирует распыление титана, что позволяет экономно расходовать его запас и обеспечивает высокий срок службы насоса. В насосе нет нагретых деталей, и он не боится аварийного прорыва атмосферы.

Высокое предельное разрежение (1,33×10^-6 Па -1,33×10^-7 Па ), постоянство быстроты действия в очень широком диапазоне давлений (1,33×10^-1 Па -1,33×10^-7 Па), сравнительно небольшой пусковой период и отсутствие резко выраженной селективности при откачке газовой смеси показывают перспективность использования турбомолекулярного насоса для откачки напылительных установок. К недостаткам насоса следует отнести его высокую стоимость, большие размеры и вес, наличие быстро вращающегося ротора (около 15000 об/мин ), а также возможность выхода из строя в результате заклинивания вращающихся частей.

Сопоставление стоимости откачки при использовании различного типа насосов (рис. 2.57) показывает, что хотя по мере увеличения откачиваемого объема (диаметра впускного отверстия) затраты на откачку 1 резко снижаются, однако у рассматриваемых насосов соотношение стоимостей остается постоянным. Так, например, откачка с помощью диффузионного паромасляного насоса примерно в 2 раза дешевле, чем при использовании титанового насоса [7].

Успехи криогенной техники позволяют в настоящее время реально обсуждать возможности применения криогенных конденсационных насосов для откачки напылительных установок. Достоинством насосов этого типа является то, что они обеспечивают возможность получения значительных скоростей откачки при сравнительно небольших размерах откачивающей части насоса (конденсатора). Одним из существенных отличий криогенных насосов от обычных средств откачки является то, что конденсатор может непосредственно устанавливаться в самом откачиваемом объеме, в результате чего эффективная скорость откачки установки фактически приближается к быстрое действия насоса. Скорость откачки насоса практически постоянна в широком диапазоне давления, и насос способен обеспечить предельный вакуум 1,33×10^-7 Па при полном отсутствии паров рабочей жидкости в откачиваемом объеме. По существу криогенный насос является единственным откачным средством, которое при своей работе не вносит загрязнений в откачиваемый объем.

Большим достоинством криогенных насосов является то, что для получения с их помощью сверхвысокого вакуума нет необходимости длительного прогрева рабочего объема установки. Конструкции насосов достаточно просты, и основной проблемой их эксплуатации является получение, использование и утилизация низкотемпературных хладагентов. При этом энергетические затраты, необходимые для получения хладагентов, сопоставимы с затратами при работе паромасляных агрегатов, обеспечивающих ту же самую скорость откачки. Недостатком криогенных насосов является то, что они не откачивают те газы, которые не конденсируются или не адсорбируются охлажденными поверхностями. Так, например, если в качестве хладагента использовать жидкой водород, то насос будет откачивать гелий и водород. Если необходима откачка этих газов, то, помимо криогенного насоса, к рабочему объему установки может быть подсоединен насос другого типа (например, паромасляный или титановый насос с небольшой быстротой действия). Для удаления водорода во многих случаях достаточно эпизодическое напыление титана на поверхность, охлаждаемую жидким азотом.

В последние годы все чаще начинают встречаться описания комбинаций различных; откачных средств, целью которых является увеличение скорости откачки, расширение диапазона рабочих давлений и снижение времени, необходимого для получения сверхвысокого вакуума. Так, например, установлено, что быстрота действия геттерно-ионного насоса значительно возрастает, если параллельно к нему подсоединить небольшой магнитно-электроразрядный насос. Интерес представляет также комбинация магнитно-электроразрядного насоса с криогенным насосом, охлаждаемым жидким азотом. При этом в результате интенсивного вымораживания паров воды и углекислого газа время, необходимое для получения давления 1,33×10^-6 Па, сокращается в несколько раз.

Фирма «Varian» (США) в своих напылительных сверхвысоковакуумных установках использует комбинацию магнитно-электроразрядного, титаново-испарительного и криогенного насосов, что позволяет после 5-часового прогрева и 50 ч непрерывной откачки получить в рабочем объеме установки предельный вакуум 1,33×10^-8 Па.

Фирма «Balzers» (Лихтенштейн) для откачки сверхвысоковакуумных напылительных установок использует комбинацию паромасляного насоса с криогенным насосом, на поверхность которого, охлаждаемую жидким азотом, непрерывно напыляется титановая пленка. Это позволяет после предварительного прогрева установки и нескольких часов непрерывной откачки получить в ее рабочем объеме предельный вакуум 1,33×10^-8 Па.

При выборе откачных средств для напылительных установок первостепенное значение имеет количество загрязнений, вносимых из насоса в откачиваемый объем. Поскольку рабочий объем установки периодически сообщается с атмосферой, то находящиеся в нем стеклянные и металлические поверхности, ранее очищенные различными химическими способами, неизбежно покрываются молекулами воды и гидроксильных групп. Этот слой в значительной мере защищает поверхность от интенсивного поглощения молекул органических и кремнийорганических жидкостей и молекул углеводородов, выделяемых из резиновых прокладок. Однако если предварительно химически очищенная поверхность затем подвергаются электронной бомбардировке, то в результате термического распада и хемосорбции насыщенные связи органических и кремнийорганических молекул разрушаются и на стекле образуются полимерные пленки органических загрязнений.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: