Лекции по вакуумной технике

Подождите немного. Документ загружается.

Введение

Научный этап в развитии вакуумной техники начинается еще с 1643 года,

когда в Италии Торричели измерил атмосферное давление. В 1672 г. в Германии

О.Герике изобрел механический поршневой насос с водяным уплотнением, что

дало возможность проведения исследований свойств разреженного газа.

В 1873 г. А.Лодыгин изобрел первый электровакуумный прибор - лампу

накаливания с угольным электродом. В 1883 г. Т.Эдиссон открыл

термоэлектронную эмиссию.

В начале ХХ века были изобретены широко применяемые в настоящее время

вакуумные насосы - вращательный, криосорбционный, молекулярный,

диффузионный.

Техническое применение вакуума непрерывно расширяется, но с конца

прошлого века и до сих пор наиболее важное его применение - электронная

техника. Низкий и средний вакуум применяется в осветительных приборах и

газоразрядных устройствах. Высокий вакуум - в приемно-усилительных и

генераторных лампах, в электронно-лучевых трубках и сверхвысокочастотных

приборах. Особенно широко вакуумная техника применяется в производстве

микросхем, где процессы нанесения тонких пленок, ионного травления

обеспечивают получение элементов электронных схем субмикронных размеров.

В металлургии плавка и переплав металлов в вакууме освобождает их от

растворенных газов, благодаря чему они приобретают высокую механическую

прочность, вязкость и пластичность. Сверхчистые вещества, полупроводники,

диэлектрики изготавливаются в вакуумных кристаллизационных установках.

Диффузионная сварка в вакууме позволяет получать неразъемные

герметичные соединения материалов с сильно различающимися свой-

ствами. Высококачественное соединение материалов с однородными

свойствами обеспечивает электронно-лучевая сварка в вакууме.

Применение вакуумных технологий позволяет получать упрочняющие и

защитные покрытия, обладающие уникальным набором свойств.

Вакуумное осаждение выгодно отличается от других методов прецизионностью,

практически неограниченными возможностями управлять структурой и свойствами

покрытий, возможностью получать сочетания металлических и неметаллических

материалов в покрытии практически недостижимые другими способами.

Типовая вакуумная установка включает в себя вакуумную камеру, насосы,

соединительные трубопроводы, вакуумные затворы и средства контроля вакуума.

Стандартами приняты следующие условные обозначения элементов вакуумных

систем, рис 1:

Рис. 1. Условные обозначения элементов вакуумных систем на схемах

1. Физика вакуума

1.1 Понятие о вакууме и давлении

Основой физики вакуума являются следующие постулаты:

1) Газ состоит из отдельно движущихся молекул.

2) Существует постоянное распределение молекул газа по скоростям.

3) При движении молекул газа нет преимущественного движения.

4) Температура газа - величина, пропорциональная его средней кинетической

энергии молекул.

5) При взаимодействии с поверхностью твердого тела молекулы газа

адсорбируются.

В а к у у м - состояние газа при более низком давлении, чем атмосферное. При

давлениях, близких к атмосферному, пользуются количественным определением

вакуума как разности атмосферного и абсолютного давлений. При абсолютном

давлении, отличающемся от атмосферного более чем на два порядка, эта разность

остается практически постоянной и не может служить количественной

характеристикой разреженного газа. В этих условиях вакуум определяют

абсолютным давлением газа. При очень малых давлениях, которые не могут быть

измерены приборами, состояние газа можно характеризовать количеством молекул

в единице объема - молекулярной концентрацией газа.

Согласно второму закону Ньютона, давление молекулы на поверхность

твердого тела:

tА













cos2

, (1.1)

где ΔA - площадь поверхности; Δt - время взаимодействия молекулы

с поверхностью.

Давление газа на поверхность твердого тела найдем интегрированием по

объему полусферы, из которой молекулы достигают поверхности за время Dt, с

радиусом R=vDt. С учетом выражения (1.1)

cos2









ndN







(1.2)

Вводя вместо постоянной среднеквадратичную скорость, получим

ÊÂ

nmv

Ð 

, (1.3.)

где n - молекулярная концентрация.

Учитывая, что плотность газа ρ=nm, выражение (1.3) можно привести к виду

Р = ρv

кв

/3.

Уравнение (1.3) применимо при условиях равновесия, т.е. равенства потоков

падающих и вылетающих молекул газа. Равенство может нарушаться, например,

при адсорбции молекул на поверхности.

Атмосферный воздух - основная газовая смесь, с которой приходится иметь

дело в вакуумной технике. Он состоит в основном из азота, кислорода, паров воды

и др. При 25ºС и 50% влажности парциальное давление паров воды - 12 гПа (табл.

1.1).

В качестве нормальных условий приняты давление 10

Па и температура 273

К. При этом объем, занимаемый 1 кмоль, равен 22,4 м

Таблица 1.1

Состав сухого атмосферного воздуха.

Газы Содержание,

Парциальное

давление, гПа

Газы Содержание,

Парциальное

давление, гПа

78,1

0,9

0,03

0,0018

0,00052

781

210

0,3

0,018

0,0052

0,0002

0,0001

0,00005

0,000009

0,002

0,001

0,0005

0,00009

Газовые законы

Парциальное давление газа - давление, оказываемое химически

индивидуальным газом, содержащимся в газовой смеси, равное давлению, какое бы

оказывал этот газ, если бы он был без других примесей при тех же условиях.

Если в объеме находится смесь из К химически не взаимодействующих газов,

то для определения давления смеси Рсм необходимо подсчитать сумму





КВiiiСМ

vnтР

(1.4)

Сравнивая (1.3) и (1.4), можно записать





iСМ

РР

(1.5.)

Последнее выражение - закон Дальтона: общее давление смеси химически не

взаимодействующих газов равно сумме парциальных давлений смеси.

Учитывая, что температура пропорциональна средней кинетической энергии

молекул газа, можно записать mV

кв

/2=сТ, где с - постоянная. Тогда уравнение (1.3)

для расчета давления газа можно представить в виде P=2ncT/3. Если обозначить

k=2c/3, то

Р = nkT, (1.6)

а средняя кинетическая энергия молекул

кв

/2 = 3kT/2.

Уравнение (1.6) - уравнение газового состояния, связывающее между собой

три основных параметра состояния газа: давление, молекулярную концентрацию и

температуру. Постоянная k - постоянная Больцмана, ее экспериментальное

значение 1,38·10

-23

Дж/К.

Уравнение (1.6) можно записать

Р 

(1.7)

где М - молекулярная масса газа; V - объем газа; R - универсальная

газовая постоянная: R=kN =8,31·10

Дж/(К·моль); N - число Авогадро: N

=М/m=6,02·10

кмоль

-1

Следствия из (1.7):

1. Закон Гей-Люссака - при постоянной массе и неизменном давлении объем газа

пропорционален его абсолютной температуре.

2. Закон Шарля - при постоянной массе газа и его объеме давление газа

пропорционально его абсолютной температуре.

3. Закон Бойля-Мариотта - при постоянных массе и температуре газа произведение

его давления на объем неизменно.

4. Закон Авогадро - при постоянном давлении и температуре газа молекулярная

концентрация не зависит от рода газа.

Частота соударений газа с поверхностью

Число молекул, ударяющихся о единицу поверхности в единицу времени, или

частота соударений,

=nV

ар

/4, (1.8)

где Vар - среднеарифметическая скорость молекул газа.

Объем газа, ударяющийся о единицу поверхности в единицу времени, можно

выразить через частоту соударений и молекулярную концентрацию:

/n=V

ар

/4. (1.9)

Полученное выражение не зависит от давления и определяет максимальную

быстроту действия идеального вакуумного насоса, откачивающего все молекулы

газа, которые попадают в него через входное отверстие.

Давление атмосферного воздуха зависит от высоты над уровнем моря и

определяется по формуле Больцмана



 

(1.10)

где Р

- давление газа у поверхности земли, z - высота.

Согласно формуле Больцмана, при подъеме на каждые 15 км давление воздуха

уменьшается примерно на один порядок.

Распределение молекул по скоростям

При соударениях друг с другом или стенками вакуумной камеры молекулы

газа изменяют свои скорости как по величине, так и по направлению. Скорость, при

которой наблюдается максимум функции распределения, называется наиболее

вероятной скоростью:

âåð



(1.11)

Обозначив с=v/v

вер

, можно записать функцию распределения молекул по

скоростям так:

dcC



 



(1.12)

Безразмерные функции распределения

ndc

)(

dccfcF )()( 

показаны на графике, рис. 1.1.

Рис. 1.1.

Функция F(c) численно равна доле общего числа молекул, скорости которых не

превышают с.

В вакуумных расчетах часто используют скорости: среднеарифметическую







vdn

vàð



; (1.13)

среднеквадратичную

dnv

vêâ









(1.14)

Соотношение между скоростями v

вер

, v

ар

, v

кв

равно 1:1,128: 1,225. Так, для

азота при 0ºС v

вер

=402 м/с, v

ар

=453 м/с, v

кв

=492 м/с.

Средняя длина свободного пути

Направленный молекулярный поток, содержащий в начальный момент N

молекул газа, за счет столкновений с хаотически движущимися молекулами с

частотой К за время dt уменьшается на величину

dN=-KNdt. После интегрирования получим

N = N

-Kt

= N

-l/L

. (1.15)

Средняя длина свободного пути молекул газа определяется отношением

скорости молекул к числу столкновений в единицу времени: L=v/K.

Столкновение молекул произойдет, если расстояние между центрами молекул

не более диаметра молекулы d

. Примем, что одна молекула имеет радиус d

, а

остальные - математические точки с нулевым радиусом. При движении со

скоростью v в газе с молекулярной концентрацией n такая молекула опишет объем

vdV





и испытает

vndK



cоударений. Средняя длина пути в этом случае





(1.16)

С учетом относительных скоростей движения молекул газа, которые не

учитывались, получим более точное выражение:





(1.17)

Опытные данные показывают, что при постоянной молекулярной

концентрации с увеличением температуры длина свободного пути увеличивается.

Это можно учесть введением дополнительного множителя, определяемого

экспериментально:

)1(2







(1.18)

где С - постоянная Сазерленда, равная температуре, при которой в случае

постоянной молекулярной концентрации газа средняя длина свободного пути

молекул уменьшается вдвое по сравнению со значением, соответствующим

бесконечно большой температуре (табл.1.2).

С учетом взаимодействия молекул газа между собой (взаимного притяжения)

и учетом (1.6) формулу (1.18) можно записать:

)(2

CTdP







(1.19)

Для воздуха при Т=293 К и давлении 1 Па из (1.19) следует, что L

6,7·10

-3

м·Па. При любом другом давлении

/P=6,7·10

-3

/P, (1.20)

где Р - в Па; L - в м.

Таблица 1.2

Средняя длина свободного пути молекул различных газов при давлении 1 Па

Газы

·10

, м·Па при t,К

Газы

·10

, м·Па при t, K

600 293 77 4,2

20,8

16,9

16,7

11,6

30,7

14,1

8,67

7,02

6,79

4,32

13,9

5,52

1,26

1,00

0,933

0,492

2,50

0,691

0,0061

0,0047

0,0042

0,0019

0,0165

0,0029

Воздух

28,2

10,5

13,9

16,0

43,6

12,2

3,93

4,38

6,72

19,1

0,197

0,448

0,391

0,995

3,13

0,0108

0,0017

0,0013

0,0048

0,0174

Понятие о степенях вакуума

Многие физические процессы в вакууме существенно зависят от соотношения

между числом взаимных столкновений молекул и числом столкновений молекул со

стенками вакуумной камеры. Частота столкновений между молекулами Кm

обратно пропорциональна средней длине свободного пути: К

/L. Среднее число

соударений со стенкой камеры

ýô

àðàð

K 

, где F - площадь поверхности

стенок, соприкасающихся с разреженным газом; V - объем камеры; d

эф

=4V/F - эф-

фективный размер вакуумной камеры.

Для молекул газа внутри сферического сосуда диаметром D d

эф

=2D/3, для

трубы бесконечной длины с диаметром D d

эф

=D, а для двух бесконечных

параллельных поверхностей, расположенных на расстоянии D друг от друга,

эф

=2D.

Отношение К

/К

- критерий Кнудсена

Kn = K

= L/d

эф

(1.21)

В зависимости от значения этого критерия различают вакуум низкий, средний

и высокий.

Низкий вакуум - состояние газа, при котором взаимные столкновения между

молекулами преобладают над столкновениями молекул газа со стенками вакуумной

камеры, Kn<<1. При этом длина свободного пути молекул газа значительно меньше

размеров вакуумной камеры. При напылении в низком вакууме столкновения

молекул газа с молекулами распыленного вещества не дают возможности получить

на стенках камеры изображение экрана, поставленного на пути молекулярного

пучка. Из условия изменения режима течения газа принимают Kn<0,005.

Средний вакуум - состояние газа, когда частоты соударений молекул друг с

другом и со стенками камеры одинаковы: L=d

эф

, Kn=1.

Высокий вакуум - состояние газа, при котором столкновения молекул газа со

стенками камеры преобладают над взаимными: Kn>1. В этом случае, при

напылении, изображение экрана на пути молекулярного пучка получается

отчетливым. Из условия изменения режима течения газа принимают Kn>1,5. Тогда

условие существования среднего вакуума можно записать в виде 0,005<Kn<1,5.

1.2 Сорбционные явления в вакууме

Процесс поглощения газов или паров твердыми телами независимо от того,

происходит он на поверхности или в объеме твердого тела, называется сорбцией, а

процесс поглощения газов на поверхности твердых тел - адсорбцией. Различают

физическую адсорбцию и хемосорбцию. Абсорбция - это поглощение газов в

объеме твердых тел. В процессе абсорбции газ растворяется в объеме твердого

тела.

Вещество, поглощающее газ, называется сорбентом (адсорбентом,

абсорбентом), а поглощаемое вещество - сорбатом (адсорбатом, абсорбатом).

Выделение газов из твердого тела - десорбция.

Сорбция - процесс экзотермический. При поглощении молекул газа

выделяется энергия сорбционного взаимодействия, имеющая физическую Q

химическую Q

природу.

Физическая составляющая энергии взаимодействия определяется

следующими эффектами, обеспечивающими притяжение и отталкивание молекул:

индукционный эффект притяжения при взаимодействии постоянного и

индуцированного диполей имеет место, если хотя бы одна из

взаимодействующих молекул обладает постоянным дипольным моментом;

ориентационный эффект притяжения наблюдается для двух молекул с

постоянными дипольными моментами; дисперсионный эффект притяжения

имеет место при взаимодействии флуктуирующих диполей, создаваемых

электронами, вращающимися вокруг ядра.

Отталкивание объясняется взаимодействием положительно заряженных ядер

сближающихся молекул. Энергия отталкивания Q

обратно пропорциональна

двенадцатой степени расстояния между молекулами: Qo=B/r

С учетом всех эффектов энергию взаимодействия между двумя молекулами

можно записать Q=Q

-Q

. При Q=0 наблюдается равно-

весие, при котором энергии отталкивания и притяжения равны.

Энергия взаимодействия молекулы с твердым телом





dVQn



(1.22)

где n и V - концентрация и объем атомов адсорбента. После интегрирования

составляющая энергии притяжения пропорциональна третьей, а отталкивания

девятой степени расстояния между молекулой и поверхностью. Уравнение (1.22)

можно представить в графической форме в виде потенциальных кривых, рис .1.2.

Рис. 1.2.

С приближением к поверхности молекула сначала оказывается в первой

потенциальной яме. При этом наблюдается физическая адсорбция. Молекула с

энергией поступательного движения kT/2 будет колебаться внутри потенциальной

ямы между r

Ф1

и r

Ф2

. Если энергия молекулы превышает φ

+φ

акт

то она

диссоциирует на атомы, которые химически взаимодействуют с поверхностью.

При этом атомы попадают во вторую потенциальную яму и колеблются в ней

между r

Х1

и r

Х2

Следующий этап процесса поглощения - абсорбция, которая характеризуется

переходом хемосорбированных молекул газа в кристаллическую решетку твердого

тела.

Десорбция газа наблюдается в обратном порядке. Молекулы из твердого тела

переходят в хемосорбированное состояние, откуда при достаточно высокой

энергии молекул kT/2>f

акт

они могут покинуть поверхность. Для удаления

молекул из первой потенциальной ямы должно соблюдаться условие kT/2>f

На практике для удаления хемосорбированного газа адсорбент нагревают до

температур 300-400ºС.

Конденсация и испарение

Вещества в зависимости от температуры и давления могут находиться в

различных агрегатных состояниях. При низких давлениях возможны переходы из

парообразного состояния в жидкое (конденсация) и обратный процесс

(испарение), из парообразного состояния в твердое (десублимация) и обратный

процесс (сублимация).

Пар отличается от газа тем, что выше некоторого давления он переходит в

жидкое состояние. Газ невозможно сконденсировать при увеличении давления.

Для расчета скорости свободного испарения в вакуум применимо уравнение

Герца-Кнудсена, гр/(см

·с):

,0583,0

ÐG

ÒÈ



(1.23)

где Рт - давление насыщенного пара при температуре Т в ммрт.ст,

М - молекулярная масса. Данное выражение характеризует максимальную

расчетную скорость, для достижения которой общее давление остаточного газа и

паровой фазы над поверхностью испарения должно быть равно нулю. Реальные

скорости испарения в технологических процессах обработки отличаются от

расчетных. Влияние давления газа и пара над поверхностью учитывается

разностью (Р

-Р).

Скорость массообмена на поверхности тела определяется выражением

,)(00438,0

)(

ÐÐ

ÐÐGGG

ÒÒÈR









(1.24)

где G

и G

- соответственно скорость конденсации и испарения выражается в

кг/(м

єс), если М - в кг/моль, а R=8310 Дж/(кмоль·К); , γ - вероятность

конденсации молекулы газа на поверхности - доля молекул, энергия которых

меньше теплоты адсорбции φ

На диаграмме агрегатного состояния вещества Т

кр

- критическая температура, выше

которой вещество остается в газообразном состоянии при любых давлениях, рис.

1.3.

Рис. 1.3.

Кривая abc определяет давление насыщенного пара. При давлении, равном

давлению насыщенного пара, на поверхности тел существует динамическое

равновесие процессов конденсации и испарения: при (Р>Р

) происходит осаждение,

а при (Р<Р

) - удаление вещества с поверхности тела.

Процессы сублимации - десублимации описываются аналогичными

выражениями.

Растворимость газов в твердых телах

Концентрация газов, растворенных в твердом теле, зависит от его

температуры, давления и типа кристаллической решетки. Газы в металлах

растворяются в атомарном состоянии, и перед растворением происходит

диссоциация молекул на атомы. Зависимость растворимости от давления и

температуры имеет следующий вид:

nRT

PSS



 

, (1.25)

где n - число атомов в молекуле газа; Q

- энергия активации при растворении; S

постоянный коэффициент. Знак "+" в формуле применяют для газов, образующих с

металлом химическое соединение, а знак "-" для газов, образующих истинные

растворы. Растворимость газов, образующих растворы (Н

в Cu, Fe, Ni), с

повышением температуры возрастает, образующих химические соединения (H

Ti) - уменьшается. Кроме того, растворимость водорода в титане больше, чем в

никеле, железе и меди.

В неметаллах газы растворяются в молекулярном состоянии и зависимость

растворимости имеет вид

PSS



 

(1.26)

Абсорбционный процесс растворения газов в твердых телах осуществляется

за счет диффузии молекул газа в кристаллическую решетку или по границам зерен.

Диффузионный поток пропорционален градиенту концентрации. Для

стационарного газового потока через стенку толщиной 2h градиент концентрации

ds/dx=(s

- s

)/(2h), тогда





(1.27)

где q - число молекул, проходящих в единицу времени через единицу площади

поперечного сечения в направлении оси х; D - коэффициент диффузии; s

и s

концентрации газа на границах стенки.

1.3 Физические процессы в вакууме

Вязкость газов

При перемещении твердого тела со скоростью vп за счет передачи количества

движения молекулам газа возникает сила внутреннего трения.

В области низкого вакуума газ между подвижной 2 и неподвижной 1

пластинами можно разделить на слои толщиной L, где L – средняя длина

свободного пути, рис. 1.4.

Рис. 1.4.

Скорость движения каждого слоя различна и линейно зависит от расстояния

между поверхностями переноса. В плоскости х

происходят столкновения молекул,

вылетевших из плоскостей х

и х

Причиной возникновения силы вязкостного трения является то, что движущиеся

как единое целое отдельные слои газа имеют различную скорость, вследствие чего

происходит перенос количества движения из одного слоя в другой. Изменение

количества движения в результате одного столкновения равно 2mLdv

/dx. В

среднем в отрицательном и положительном направлениях оси х в единицу времени

единицу площади в плоскости х

пересекают согласно (1.8) nv

/4 молекул, тогда

общее изменение количества движения в единицу времени для плоскости х

2dx

dvmnLv

Ïàð

(1.28)