Криооткачка в высоковакуумных процессах
Высоковакуумные технологии применяют при производстве полупроводниковых приборов, накопительных устройств, тонких плёнок для оптического и электронного оборудования, а также в фундаментальных исследованиях. Во многих вакуумных процессах особое значение имеют пары воды: они оседают на стенках камеры и других поверхностях в относительно больших количествах.
Крионасос захватывает и накапливает газы в виде замороженной твёрдой фазы. После заполнения его размораживают, или регенерируют. Для большинства газов ёмкость насоса определяется доступным внутри него пространством для накопления льда.
Применение крионасосов
При выборе учитывают не только уровень вакуума и технологические газы, но и размеры и геометрию установки. Насосы с вертикальной ориентацией занимают меньше места, а горизонтальные исполнения подходят для компактных вакуумных систем.
Осаждение методом распыления
Осаждение металлических покрытий — одна из распространённых областей применения. Процесс может требовать напуска аргона или азота с расходом от 50 до 250 см³/мин для создания давления от 2 до 5 мТорр. При скорости откачки от 500 до 1000 л/с крионасос может непрерывно работать до двух недель до регенерации.
Ионная имплантация
В имплантаторах газовая нагрузка в основном состоит из водорода, углеводородов, CO2 и паров воды. Крионасосы используют на лучевых линиях и станциях окончательной обработки подложек для достижения давления в диапазоне 10−8–10−4 Торр.
Испарение и нанесение тонких плёнок
Тонкие плёнки из металлов и диэлектриков обычно получают при давлении от 10−5 до 10−7 Торр. Снижение концентрации водяного пара помогает улучшить качество и однородность свойств покрытий; безмасляные средства откачки также способствуют хорошей адгезии плёнок.
Загрузочные камеры и исследования
Предварительная откачка загрузочных камер в многокамерных проходных линиях требует быстрого достижения заданного уровня вакуума. В научных исследованиях криогенные насосы применяют для получения вакуума от 10−7 до 10−11 Торр; при низкой газовой нагрузке они могут работать многие месяцы без регенерации.
Устройство и принцип работы
Принцип работы криогенных насосов основан на конденсации молекул газа на охлаждённых поверхностях. В типовой конструкции можно выделить три ступени откачки.
Входная ступень
Конденсирует пары воды и тяжёлые углеводороды при температуре от 60 до 100 К.
Конденсирующая ступень
Захватывает аргон, азот, кислород и другие газы при температуре от 10 до 20 К.
Адсорбирующая ступень
Активированный уголь с внутренней стороны конденсирующей ступени адсорбирует газы, которые не переходят в твёрдую фазу при этих температурах.
Крионасос включает корпус, рефрижератор, высокотемпературную ступень для водяного пара, низкотемпературную ступень для остальных газов и средства управления регенерацией. В состав могут входить форвакуумный, продувочный и предохранительный клапаны, датчики давления и температуры, а также микропроцессорный блок управления.
Холодильник и регенерация
Внешний компрессор подводит к насосу гелий при комнатной температуре и давлении 15,5 кТорр. После прохождения через теплообменник рабочий газ охлаждается примерно до 65 К. Вторая ступень охлаждения понижает температуру до 10–20 К. Гелий используют как рабочий газ, поскольку при температурах около 10 К и ниже он остаётся газообразным.
Компрессор поддерживает непрерывную циркуляцию гелия и создаёт разность давлений на входе и выходе. Для его работы требуется воздушное или водяное охлаждение; при масляном охлаждении необходима фильтрация, чтобы примеси не ухудшали производительность холодильника.
Полная и быстрая регенерация
Полная регенерация предусматривает выключение холодильника, нагрев внутренних компонентов выше комнатной температуры и продувку скопившихся газов и паров воды. Для полного удаления паров воды внутренние компоненты могут нагреваться до 40–60 °C.
Частичная, или быстрая, регенерация удаляет газ со второй ступени, но оставляет воду на первой. Она занимает не более одного часа и при правильном выполнении восстанавливает ёмкость и скорость откачки по аргону, азоту и водороду.
Откачка водяного пара
Для селективной откачки паров воды используют отдельный крионасос с рабочей температурой от 100 до 130 К. Его можно присоединить непосредственно к вакуумной камере или к турбомолекулярному насосу для увеличения скорости откачки паров воды.
Параметры криогенных насосов
Скорость откачки
Скорость откачки — это объём газа, удаляемый за единицу времени; её обычно выражают в л/с. Для разных газов она зависит от конфигурации входной ступени и геометрии насоса. При давлении ниже 10−3 Торр скорость становится постоянной, а в смешанном режиме течения газа при 2–5 мТорр может возрастать на 20–40 %.
Параметр включения
При открытии высоковакуумного клапана между насосом и камерой, предварительно откачанной до 0,1–1 Торр, на конденсирующие ступени поступает значительная тепловая нагрузка. Параметр включения, или crossover, равен произведению объёма камеры на максимальное давление, с которым может справиться крионасос. Для восьмидюймовых насосов в источнике указан типичный параметр 150 Торр·л, для насосов с большим диаметром входного фланца — 300 Торр·л.
Ёмкость и газовая нагрузка
Ёмкость определяют количеством газа, которое насос способен захватить без изменения рабочих параметров. Для конденсируемых газов, таких как кислород и аргон, объём при переходе в твёрдую фазу уменьшается примерно в 700–900 раз. Возможный диапазон газовой нагрузки, в зависимости от конфигурации и размера крионасоса, составляет от 300 до 1000 см³/мин.
Водород и восстановление давления
Скорость откачки водорода зависит от насыщения адсорбента. По мере заполнения активированного угля скорость адсорбции снижается, а давление возрастает. Для восьмидюймового насоса в источнике приведена ориентировочная ёмкость: 1000 л аргона и 10–20 л водорода. Из-за воспламеняемости водорода его допустимое накопление ограничивают.
В процессах с циклическим изменением давления быстрое восстановление зависит от удаления паров воды, отсутствия натекания газа и минимизации теплового влияния конденсируемого вещества. Вакуумную систему необходимо испытывать в динамическом режиме, соответствующем технологическому процессу.
Управление, теплонагрузка и безопасность
Встроенная система управления
Измерение температуры на обеих ступенях позволяет определить выход насоса на рабочий режим. Электрические нагреватели используют для задания температуры и прогрева откачных ступеней при регенерации. Микропроцессор контролирует температуру и основные параметры, управляет холодильником, датчиками, форвакуумным и продувочным клапанами.
Система может передавать внешнему устройству данные о состоянии насоса, показаниях датчиков и нештатных ситуациях. Несколько насосов можно объединить в сеть для управления с одного внешнего устройства.
Повышенная теплонагрузка
Холодильник имеет ограничение по отводу теплопотока. Входная ступень насоса размером от 4 до 20 дюймов может принимать при комнатной температуре от 5 до 100 Вт. В процессах, повышающих температуру в рабочей камере, необходимо рассчитывать и контролировать теплонагрузку; при необходимости внутри камеры устанавливают радиационную защиту.
Особенности безопасной эксплуатации
Крионасос является газопоглощающим оборудованием, поэтому его не используют для откачки легковоспламеняющихся газов. Следует ограничивать откачку токсичных и едких газов, в том числе применяемых при травлении, и соблюдать осторожность при работе с кислородсодержащими газами.
Что учитывать при подборе
Подбор крионасоса начинается с параметров процесса: требуемого давления, состава и расхода газов, объёма камеры, геометрии и доступного пространства, тепловой нагрузки, режима регенерации и требований к управлению. Насос рассматривают как часть вакуумной системы вместе с форвакуумной ступенью, арматурой, датчиками и системой защиты.
