Conceitos de v cuo
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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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Presentation Transcript


Conceitos de v cuo

Conceitos de Vácuo

Conceitos de Vácuo

Ioshiaki Doi

FEEC/UNICAMP


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.


Conceitos de v cuo

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.


Conceitos de v cuo

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)


Conceitos de v cuo

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.


Conceitos de v cuo

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).


Conceitos de v cuo

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.


Conceitos de v cuo

Conceitos de Vácuo

  • Válvulas

Para isolação tipo fole

Tipo borboleta para controle

  • condutância variável


V lvula agulha para controle de g s na c mara

Conceitos de Vácuo

Válvula agulha para controle de gás na câmara


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