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Conceitos de Vácuo

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Conceitos de Vácuo. Conceitos de Vácuo. Ioshiaki Doi FEEC/UNICAMP. 1. Conceitos de Vácuo. Conceitos de Vácuo. gás. câmara. P 1. Q. Tubo de condutância C. bomba. P 2. Sistema de vácuo simples: câmara com fluxo Q de entrada, bomba de vácuo e um tubo de condutância C. Conceitos de Vácuo.

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1 conceitos de v cuo
1. Conceitos de Vácuo

Conceitos de Vácuo

gás

câmara

P1

Q

Tubo de condutância C

bomba

P2

  • Sistema de vácuo simples: câmara com fluxo Q de entrada, bomba de vácuo e um tubo de condutância C.
comportamento dos gases na c mara

Conceitos de Vácuo

Comportamento dos Gases na Câmara
  • As moléculas do gás numa câmara se movimentam de forma aleatória sem nenhuma direção preferencial.
  • A pressão P, exercida pelo gás sobre as paredes da câmara é causada pelas colisões das moléculas do gás com as respectivas paredes.
fluxo e escoamento de gases

Conceitos de Vácuo

Fluxo e Escoamento de Gases
  • Fluxo e Escoamento de Gases

Representação esquemática das velocidades das moléculas em um tubo estreito: (a) - fluxo viscoso e (b) - fluxo molecular.

  •  fluxo laminar  camadas de fluxo paralelas.
  • fluxo turbulento  camadas de fluxo não paralelas.
velocidade de bombeamento e corrente molecular do g s

Conceitos de Vácuo

P

Q

Velocidade de Bombeamento e Corrente Molecular do gás
  • Velocidade de bombeamento S:
  • S = V/t (l/s)
  • A corrente molecular do gás:
  • Q = P.S (torr.l/s)
    • Ou seja,
  • Q = P.V/t (torr.l/s)
  • Onde: P é a pressão numa seção transversal da tubulação e V o volume do gás que escoa por essa secção num intervalo de tempo t.
condut ncia do tubo

Conceitos de Vácuo

Q

PA

PB

Condutância do Tubo
  • A condutância do tubo limitado pelos dois planos A e B - análogo ao fluxo de corrente elétrica num condutor e é dado por:
  • CAB = Q/(PA - PB) (l/s)
  • A diferença de pressão P = PA - PB é análoga a diferença de potencial elétrico.  
associa o em s rie de 2 tubos

Conceitos de Vácuo

Associação em Série de 2 Tubos
  • Condutância total da associação :
  • 1/C = 1/C1 + 1/C2
  • Associação em Paralelo de 2 Tubos
  • Condutância da associação :
  • C = C1 + C2
unidades de press o

Conceitos de Vácuo

Unidades de Pressão

1 pascal (Nm-2) = 7.5x10-3 torr

1 torr = 133.3 Pa = 1.316x10-3 atm

1 bar = 1x105 Pa = 750 torr

1 atm = 1.013x105 Pa = 760 torr  

1.013x105 Pa = 760 torr  

faixas de press o

Conceitos de Vácuo

Faixas de Pressão
  • Ambiente de vácuo - várias faixas de pressão.
    • vácuo primário : 0.1 a 760 torr ou 10 a 105 Pa
    • vácuo médio : 10-4 a 10-1 torr ou 10-2 a 10 Pa
    • alto vácuo : 10-8 a 10-4 torr ou 10-7 a 10-2 Pa
    • ultra alto vácuo : < 10-8 torr ou < 10-7 Pa
aplica es de v cuo em microeletr nica

Conceitos de Vácuo

Aplicações de Vácuo em Microeletrônica
  • vácuo primário e médio : CVD, sputtering, plasma etching
  • alto vácuo : limpeza da câmara, evaporação, i/i
  • ultra alto vácuo : MBE
2 bombas de v cuo

Conceitos de Vácuo

2. Bombas de Vácuo

2.1. Bombas para a Pressão Primária e Média

a) Bomba mecânica de pistão

  • Bomba de piston - comprime e expele o gás. Movimento do eixo fora de centro.
  • Principio de funcionamento:
  • deslocamento positivo do gás através de movimento mecânico do piston.
  • i). Sucção (válvula V1 aberta - o movimento do piston arrasta o gás para dentro do cilintro).
  • ii). Compressão (válvulas V1 e V2 fechadas).
  • iii). Exaustão (válvula V2 aberta).

V2

V1

b bomba mec nica rotativa

Conceitos de Vácuo

b). Bomba Mecânica Rotativa
  • Bombas mais comuns utilizadas nas regiões de baixo e médio vácuo.

Bombas Rotativas de Palheta

principio de funcionamento e limita es

Conceitos de Vácuo

Principio de Funcionamento e Limitações
  • Principio :
  • Mesmo princípio da bomba de pistão
  • Com 1 estágio  P  20 mTorr
  • Com 2 estágios  P < 1 mTorr
  • usa óleo para lubrificação, proteção e para selar.
slide14

Conceitos de Vácuo

  • Curvas de velocidade de bombeamento vs. Pressão das bombas rotativas de um e dois estágios

Obs.: - O uso do gás ballast limita a pressão final da bomba.

problemas
Problemas:

Conceitos de Vácuo

  • i). Condensação de vapor na compressão, quando Pparcial > Pvapor
    • degrada o óleo
    • corrosão da bomba (H2O, Cl2, clorosilanas)
  • Solução: diluir o gás na entrada da bomba com gás inerte (N2) – gás ballast.
slide16

Conceitos de Vácuo

  • ii). Subida de vapor de óleo para a Câmara (backstreaming )
    • suja a câmara,
    • contamina o processo
  • Solução:
  • - usar gás ballast
  • - usar armadilha ( baixa temperatura ou química)
slide17

Conceitos de Vácuo

  • Aumento da velocidade de bombeamento.
    • bomba de capacidade maior ou
    • uma bomba Roots (Roots Blower) entre a câmara e a bomba rotativa.
  • Em muitos casos, a segunda opção é mais econômica.

Esquema e taxa de compressão vs. Pressão de entrada de uma bomba Roots

principio de funcionamento

Conceitos de Vácuo

Principio de Funcionamento
  • Principio:- por transferência. Dois rotores em forma de 8, paralelos, giram sincronamente em sentidos opostos dentro de um estator (espaçamento < 0.1 mm, entre os rotores e em relação ao estator).
  • não há contato (selagem mecânica entre as superfícies),
  • os rotores podem girar em altas velocidades (3000 - 3500 rpm) sem produção de calor devido ao atrito,
  • favorece a produção de rápidos deslocamentos de gás, ou seja, altas velocidades de bombeamento para bombas de dimensões relativamente compactas.
2 2 bombas para alto v cuo

Conceitos de Vácuo

2.2. Bombas para Alto Vácuo
  • Tipos de bombas:
  • por transferência de momentum para as moléculas gasosas
  • a) - bomba difusora e b) - turbomolecular
  • preferidos para bombeamento de gases corrosivos e/ou tóxicos e para elevados fluxos.
  • para fluxos pequenos de gases inertes
  • por aprisionamento de moléculas gasosas
  • para bombeamento da câmara para pré-processamento.
a bomba difusora

Conceitos de Vácuo

a). Bomba Difusora

Princípio

Vista de Corte

Princípio: evaporação de óleo. O vapor de óleo formado é ejetado com alta velocidade através de aberturas apropriadas, choca com o gás e condensa nas paredes refrigeradas.

problemas1
Problemas:

Conceitos de Vácuo

  • Solução: usar armadilha fria resfriada a baixa temperatura com nitrogênio líquido (muito eficiente).
  • se exposto ao ar  reação do óleo quente com o ar.
  • subida de vapor de óleo para a câmara  contamina a câmara e o processo de fabricação.

Armadilha de Nitrogênio Líquido (trap).

b bomba turbomolecular

Conceitos de Vácuo

b). Bomba Turbomolecular
  • Principio: transferência de momentum por impacto de moléculas com as palhetas que giram em alta velocidade.
  • Vários sistemas de palhetas são presos a um mesmo eixo impulsionado por um motor de alta rotação (rotor).
  • O sistema movimenta a uma velocidade extremamente alta (> 20 000 rpm).
  • Um outro sistema de palhetas está preso à carcaça da bomba (estator).
  • O espaçamento entre o estator (palhetas fixas) e o rotor (palhetas móveis) é da ordem de 1 mm.

Vista de corte de uma bomba turbomolecular

taxa de compress o e velocidade de bombeamento

Conceitos de Vácuo

Taxa de compressão e Velocidade de Bombeamento

Veloc.de Bombeamento

Tx. Compressão

Tx.compressão:

109 para N2 e

103 para H2.

Comportamento da velocidade de bombeamento e da taxa de compressão de uma bomba turbomolecular típica, em função da pressão de entrada, para vários gases. A compressão podem chegar a 109.

slide24

Conceitos de Vácuo

  • Características :
  • As bombas turbomoleculares sempre necessitam de uma bomba de apoio.
  • geralmente uma bomba rotativa de palhetas, conectado no lado da alta pressão, visto que a pressão de saída deve ser mantida a baixa pressão.
  • Como a transferência de momentum depende da massa da molécula gasosa, a taxa de compressão também depende do gás a ser bombeado.
medidores de press o

Conceitos de Vácuo

Medidores de Pressão

a) Barocel - Membrana Capacitiva

  • Princípio: variação da capacitância de uma placa sensora.
  • Placa sensora, um capacitor plano, isolada por um membrana sensível.
  • A pressão sobre a membrana sensibiliza a placa sensora.
  • Mede desde P atmosférica a 10-6 mbar, com a precisão de 0.05 - 3 %.
  • Vantagens: robustez, vida útil longa, maior sensibilidade, maior faixa de operação, e pode ser utilizado em temperaturas elevadas e em ambientes altamente corrosivos.
b pirani

Conceitos de Vácuo

b) Pirani
  • Princípio de funcionamento: condutividade térmica dos gases.
  • filamento é aquecido  dissipa calor por condução  T  P  R.
  • Ponte de Wheatstone mede R = f(P).

a) circuito para o medidor Pirani; b) cabeça do medidor; (1) filamento; (2) suporte do filamento; (3) capa (envelope)

de ioniza o

Conceitos de Vácuo

De Ionização
  • Para pressões << 1mtorr e alto e UHV.
  • Penning: ionização por descarga DC
  •  I = f(P).
  • b) Catodo quente: uma válvula com filamento ioniza o gás.
  •  I = f(P).
slide28

Conceitos de Vácuo

  • Tipos de Selagem:
  • O’ring para vácuo médio.
  • Flange conflat com anel de Cu ou CuAg para alto vácuo.

Acessórios diversos de vácuo.

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Conceitos de Vácuo

  • Válvulas

Para isolação tipo fole

Tipo borboleta para controle

  • condutância variável
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