Анализ и синтез принципиальных схем вакуумного оборудования

Современное вакуумное технологическое оборудование характеризу­ется громадным разнообразием, не уступающим по номенклатуре парку металлорежущего оборудования.

Первоначально оно появилось в виде оборудования для откачки электровакуумных приборов (ЗВП). В настоящее время нельзя назвать ни одного электровакуумного или полупроводникового прибора, технологи­ческий процесс изготовления которого не включал бы операций, связан­ных с использованием вакуума.

Характер требуемого вакуума: величина суммарного остаточного давления в ЭВП или рабочей камере технологической установки, парци­альный состав остаточной среды определяются типом ЭВП или требовани­ями технологического процесса, таким образом выбор средств откачки, схемы и компоновки вакуумной системы зависят от требований техпроцесса. Характер производства- т.е. массовость выпуска изделий также определяет принцип построения вакуумной схемы установки, её быстро­действие.

В табл.1. приведены требования к рабочему давлению для неко­торых типовых технологических процессов, на основе которых произво­дится выбор насоса окончательной откачки.

При выборе типа насоса требования техпроцесса сопоставляются с предельными возможностями насосов различных типов. Предельные давле­ния , достигаемые насосами различных типов представлены в табл.2.

Необходимо помнить при этом, что выбранная вакуумная система должна обеспечивать предельное давление на порядок меньшее, чем указанные в табл.1, рабочее давление из-за неизбежного увеличения газовыделения во время технологического процесса (газовыделение из катодов при их обезгаживании, активировании, газовыделение из испарителей ионных источников, электронных пушек н т.п.), т.е.

где Q- суммарное газовыделение системы, м^З×Па×с^-1,

So- быстрота откачки, м^З×Па×с^-1,

- предельное давление насоса, Па.

Как видно, современные требования к технологическому вакууму колеблются в диапазоне 10⁴-10^-10 Па. Заметим, что вакуум в космосе на орбитах околоземных спутников составляет около 10^-5 Па, т.е. на пять порядков (!) хуже вакуума, требуемого для ряда технологических процессов, стоимость же вакуумной системы при улучшении вакуума на порядок, соответственно, на порядок возрастает.

По степени вакуума величина давления в откачиваемом объёме оборудование может быть разделено на:

1) оборудование со средним вакуумом (10² Па>Р>10^-1 Па);

2) высоковакуумное оборудование (10^-1 Па>Р>10^-4 Па);

3)сверхвысоковакуумное оборудование (Р<10^-4 Па).

Из табл.1. видно, что большинство техпроцессов требует использования высоковакуумного оборудования. Сверхвысокий вакуум используется тем, где предъявляются особые требования по чистоте поверхностей, обращённых в вакуум (например, катодов в СВЧ и фотоэлектронных приборах, подложек, при формировании активных полупроводниковых структур, соединяемых поверхностей при диффузионной сварке).

По характеру агрегатирования технологической машины, обеспечивающей заданную производительность (в нашем случае производительность определяется заданным временем откачки) вакуумные установки можно разделить на:

1. Откачные посты, представляющие простейший тип машины и ис­пользуемые в мелкосерийном производстве ЭВП. (Посты, предназна­ченные для проведения в откачиваемых объёмах различных техно­логических процессов называются установками, например, вакуумного на­пыления, ионного легирования и т. п. ).

2. Карусельные машины (обычно последовательного агрегатирования) дифференцирующие процесс откачки на ряд последовательных опе­раций. Используются в крупносерийном и массовом производствах.

3. Конвейерные машины (параллельного или смешанного, параллельно последовательного агрегатирования), в которых процесс откачки осуществляется параллельно на нескольких постам или в ряду соединенных в виде линии камер, работающих со сдвигом по фазе. Используется в массовом производстве.

Схемы вакуумных систем технологических машин рассмотрим на примерах, приведённых на рис. 1-8.

При синтезе вакуумной схемы насос окончательной откачки выбирается на основании заданных техпроцессом требований и сопоставление данных табл.1 и 2, соединяется с откачиваемым объектом, затем к нему достраивается схема системы предварительной откачки.

По такому принципу строятся откачные посты для получения среднего, рис.1, высокого, рис.3, 4 и сверхвысокого вакуума, рис.8.

В случае дифференцирования процесса откачки, т.е. использования последовательного агрегатирования на карусельных откачных машинах, рис. 2, 5 или тех­нологических линиях, рис. 7 насос окончательной откачки (с соответствующей системой предварительной откачки) ставится только на послед­ней позиции машины.

Рис.1. Схемы откачных постов (машины со средним вакуумом, Р=100-10^-1 Па): а) откачка ЭВП (масляный вакуум): 1-ЭВП; 2,4-клапа­ны; 3-механический насос; б) откачка ЭВП (безмасляный вакуум): 1-ЗВП; 2,3-клапаны; 4,6-адсорбционные насосы; 5-термопарный манометр; в)по­лучение технологического безмасляного вакуума: 1-колпак; 2,4,6,9-клапаны; 3-трубопровод; 5-ловушка; 7-механический насос; 8-баллон с рабочим газом (Ar, Не, O₂); 9- натекатель; 10-адсорбционный насос; 11-манометр.

Рис.2. 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; 7-карусель с Роликами; 8-улита поворотно-фиксирующего механизма; (ПОМ); 9-ось; 10-двигатель привода карусели; 11-манометр.

Рис.3. Схемы откачных постов для откачки ЭВП (машины с высоким ва­куумом, Р=10^-1-10^-5 Па) : а) масляный вакуум: 1-откачиваемый ЭВП; 2-высоковакаумный клапан; 3-байпасный клапан; 4 - манометр; 6-ловушка; 7,8-клапаны; 9-механическиЙ насос; 10-диффузионный насос; б) безмасляный вакуум; 1-ЭВП; 2,14-высоковакаумные клапаны; 3-клапаны форвакуумной откачки; 4,13-клапаны для регенерации; 5,11-манометры; 8-напускной клапан; 9-механический насос; 6-ловушка; 10,12-адсорбционные насо­сы.

Рис.4. Схемы откачных систем для получения технологического вакуу­ма (машины с высоким вакуумом, Р=10^-1-10^-5 Па для напыления, сварки, обезгаживания); а) масляный вакуум; б) вакуум с пониженным содержани­ем углеводородов; 1-колпак (рабочая камера); 2-натекатель; 3-эатвор; 4,10-манометры; 5-ловушка; 6-диффузионный насос; 7-механический насос; 8,9-клапаны; 12-турбомолекулярный насос; 13-клапан; 14-ловушка; 15-баллон с рабочим газом.

Рис.5. Схемы карусельных откачных машин, масляный вакуум (машины с высоким вакуумом, Р=10^-1-10^-4 Па): а) машина с золотником в области высокого вакуума; б) машина с золотником в области низкого вакуума; 1-откачиваемый ЭВП; 2-высоковакуумный манометр; 3-высоковакуумный клапан; 4-подвижный (поворачивающийся) диск золотника; 5-неподвижный диск золотника; 6-блокировлчный (низковакуумный) манометр; 7-механический насос; 8-улита поворотно-фиксирующего механизма; 9-электродвигатель; 10-пароструйный насос; 11-ось; 12-двигатель с роликами; 13-форвакуумный клапан; 14-байпасный клапан.

Рис.6. Схема конвейерной откачной машины (машины с высоким вакуумом, Р=10^-1-10^--4 Па): 1-откаиваемый ЭВП; 2-высоковакуумный клапан; 3-ловушка; 4-диффузионный насос; 5-форвакуумный клапан; 6-тележка; 7-кулачки путевого управления клапанами; 8-рычаги клапанов; 9-механический насос; 10-клапан для напуска воздуха; 11-байпасный клапан; 12-манометр.

Рис.7. Схема конвейерной напылительной установки (машины с высоким вакуумом; Р=10^-1-10^-4 Па): 1,18-откачиваемые камеры; 2,4,8,10,14,16-клапаны; 3,13-двухроторные насосы; 5,9,15-механические насосы; 6-высоковакуумный затвор; 7-диффузионный насос, 11-балон с рабочим газом; 12-натекатель для подачи рабочего газа; 17-манометр; 19-транспортер с напыляемыми изделиями.

Рис.8. Схемы сверхвысоковакуумных откачных систем (машины со сверхвысоким вакуумом, Р=10^-5-10^-8 Па): откачка ЭВП (масляный вакуум): 1-ЭВП; 2,6,8,11-клапаны; 7-механический насос; 10,12-манометры; б) откачка ЭВП (безмасляный вакуум): 1,2,4,5,6,8,13,14-клапаны; 3-откачиваемый ЭВП; 7-манометр; 9-механический насос; 12,16-адсорбционные черновые насосы; 15-адсорбционный черновой насос; в) камерная откачка ЭВП с разнесением частей (безмасляный вакуум): 1-механизм соединения и сварки частей ЭВП; 2-рабочая камера; 3-пуансон механизма; 4-разнесенные части ЭВП; 5-магниторазрядный насос; 6,8, 11-клапаны; 7-механический насос; 9-манометр; 10-ловушка; 13-затвор; г) получение технологического вакуума; 1-рабочая камера; 2,3,4,7,9-клапаны; 5-манометр; 6-ловушка; 8-механический насос; 10,13-адсорбционные насосы; 12-магниторазрядый насос.

Таблица 1.

Технологический процесс	Требования к вакууму
Способ обработки	Изделие, процесс	по предельному давлению РС’, Па	по парциаль- ному составу
1.Откачка ЭВП	1. Газонаполненные лампы накаливания 2. Газотроны, люминесцентные лампы, газовые лазеры, нормальные осветительные лампы накаливания. 3. Приёмно-усилительные лампы, электронно-лучевые трубки. 4. Приборы СВЧ диапазона (лампы бегущей волны, клистроны, магнетроны) 5. Фотоэлектронные приборы	104   10-1   10-5     10-7     10-7	безмаслян     безмаслян
2.Осажде-ние плёнок	1. Напыление пассивных элементов микросхем (резисторов, конденсаторов, и т.п.). 2. Напыление оптических покрытий 3. Напыление активных элементов микросхем - молекулярно-лучевая эпитаксия	10-3   10-6   10-8	безмаслян
3.Электронно-лучевая обработка	1. Сварка 2. Резка, размерная обработка 3. Плавка, зонная очистка, выращивание кристаллов 4. Электронная литография	10-3 10-3 10-3   10-5	безмаслян
4.Ионная обработка	1. Ионная очистка 2. Травление 3. Ионное фрезерование 4. Ионная имплантация 5. Ионная литография	10-3 10-3 10-3 10-3 10-5	безмаслян
5.Диффу-зионные процессы	1. Обезгаживание деталей ЭВП 2. Сварка 3. Откачка ЭВП в высоком вакууме (см. Способ обработки 1, №№ 2,3,4,5)	10-6 10-6 10-1-10-9

Таблица 2.

№ п/п	Тип насоса	Предельное давление насоса , Па	Характер вакуума	Примечание
	Механический	10-1	Масляный
	Двухроторный	10-2	Условно безмасляный	Незначительная миграция масла из подшипникового узла
	Адсорбционный	10-1	Безмасляный	С регенерацией в атмосферу
	Адсорбционный, двухступенчатый	10-4	Безмасляный	С регенерацией в форнасос
	Диффузионный, паромасляный	10-4	Масляный
	Диффузионный, паромасляный с ловушкой	10-5	Масляный
	Диффузионный улучшенный с ловушкой	10-7	Масляный	На кремний- органических жидкостях
	Диффузионный, парортутный с ловушкой	10-10	Безмасляный	Применение ограничено из-за токсичности
	Магниторазряд-ный, геттерно-ионный	10-7	Безмасляный
	Турбомолеку-лярный	10-7	Условно безмасляный	Незначительная миграция масла из форзоны
	Криосорбционый	10-11	Безмасляный

Каждый из типов насосов требует определенной схемы соединения с откачиваемым объектом и насосами предварительного разряжения (если ни требуются).

Для предыдущих позиций последовательно выбираются насосы со все большим предельным давлением (с худшими вакуумными параметрами). Для первой позиции выбирается тип насоса, способный качать от атмосферного давления (с начальным давлением Р_НАЧ=10⁵ Па). Количество пози­ций и параметры насосов (т.е. конкретные типоразмеры) выбираются в процессе расчета. При использовании параллельного агрегатирования (как это делается, например, при откачке цветных электронно-лучевых трубок на конвейерных линиях типа «железная дорога») каждый элемент конвейера представляет самостоятельный откачной пост, рис. 6, способный, в отличие от неподвижных откачных постов, перемещаться между инструментом, осуществляющим различные технологические операции (например, между печью отжига и механизмом съема откачного и установки нового кинескопа и т.п.)