С появлением высокотемпературных износостойких полимерных материалов, например, на основе фторопласта-4, полинмнда, капрона стало возможным создание контактных уплотнений, не требующих смазкн. Схема механического безмасляного насоса марки 01-П-12-001 изображена на рнс. 6.1,в. Принцип работы насоса заключается в следующем: при вращении эксцентрикового вала 34 двухплечевой рычаг 33 совершает качательное движение н перемещает поршни обоих цилиндров в противоположные стороны, т. е. навстречу друг другу н друг от друга за одни оборот эксцентрика. Полости цилиндров соединены друг с другом так, что' откачиваемый газ последовательно проходит от входного отверстия 22 через левый цнлнндр в правый, а затем через выходной патрубок 27 в атмосферу.

При движении поршней в направлении друг от друга, как показано на рис. 6.1,в, через открытые пружиной 32 всасывающие клапаны 30 откачиваемый газ проникает в увеличивающиеся в объеме полости цилиндров: в левый - из откачиваемого объекта через отверстие 22, в правый - нз левого цилиндра через соединительный трубопровод 21 н выхлопной клапан 20. Этот клапан открывается прн нажатнн на него перемещающегося левого цилиндра, который сжимает газ в закрытой полости цнлнндра. Из правого цилиндра сжатый в закрытой полости газ выбрасываетси в атмосферу прн открытии движущимся поршнем 28 клапана 29. При этом торец поршня немного выходит за габариты гнльзы цилиндра н перемещает тарель клапана 29, сжимая пружину 31.

При движении поршней навстречу друг другу выхлопные клапаны 29 и 20 возвращаются посредством пружин 31 в закрытое положение, уплотннтель-ное кольцо с оправкой 26 некоторое время остается неподвижным за счет сил трения. Это позволяет переключить всасывающие клапаны 30 и 25, благодаря чему прн дальнейшем движении поршней навстречу друг другу нз отверстия 22 откачиваемый газ будет проникать в другую полость левого цилиндра, а сжимаемый газ через выходной клапан 23 будет выдавливаться в правый цилиндр, ио уже в другую его полость. Сжимаемый правым цилиндром газ через выхлопной клапан 24 выбрасывается в атмосферу.

Таким образом, за одни оборот эксцентрикового вала совершается два цикла всасывания н выхлопа откачиваемого газа. Надежная работа насоса обеспечивается хорошими уплотннтельнымн н антифрикционными свойствами полимерных материалов, используемых в насосе. Движение поршней в разных направлениях уравновешивает динамические нагрузки. Насос нашел широкое применение в технологических системах с безмасляным вакуумом.

Параметры ннзковакуммных механических насосов приведены в табл. 6.1, где SH - быстрота действия насоса, р', рВып - соответственно предельное н выпускное давление насоса.

Выбор форвакуумных насосов производится нз условия обеспечения необходимой производительности, т. е. максимального потока газа, который предполагается удалять основным насосом, а также нз условия обеспечения предварительного разрежения, достаточного для начала работы высоковакуумного насоса, т. е. до давления, меньшего илн равного впускному давлению основного насоса.

Технологическую среду практически во всех вакуумных установках для

Таблица 6.1

изготовления ИС создают высоковакуумные насосы, диапазон рабочих давлений которых составлиет Ю-1... Ю-8 Па. По принципу действия все высоковакуумные насосы можно разделить на струйные, высокоскоростные молекулярные, адсорбционные, испарительные н сублимационные, распылительные маг-ннторазрядные н криогенные. Разработано множество насосов, использующих сочетание перечисленных принципов применяются также комбинированные средства откачкн, т. е. одновременное использование двух нли более высоковакуумных насосов. К этому вынуждает такое свойство большинства насосов, как селективность откачкн, т. е. спо- ° ° °

соность удалять нз объекта не все газы.

Практически все высоковакуумные насосы требуют для своего запуска предварительного разрежения. Средства получения высокого вакуума, основанные на струйном н высокоскоростном молекулярном принципе, могут стабильно работать только прн последовательном включении форвакуумного насоса, создающего на выходе основного насоса необходимое разрежение. Быстрота действия этих насосов определяется объемом газа, попадающим в единицу времени на движущуюся с большой скоростью поверхность рабочего тела (струн жидкости нлн лопаток турбины) и переносимым в область высокого давления. Предельный вакуум зависит от величины обратного потока газа за счет диффузнн н давления насыщенных паров материала рабочего тела и

9-6281

Рнс. 6.2. Диффузионный вакуумный иа-

сос

площади деталей, обращенных в сторону вакуумнруемого объема.

Для технологических процессов, проходящих в невысоком вакууме (10... ....Ю-2 Па), таких как ионио-плазменная и плазмохимнческая обработка подложек, рабочее давление обеспечивается струйными бустерными насосами эжекторного типа. В них откачка осуществляется в основном за счет снл вязкостного трения в газе, т. е. механического переноса струей жидкости попадающих на нее молекул газа.

Наибольшее распространение в вакуумном технологическом оборудовании получили иасосы струнного типа - диффузионные паромасляные (рнс. 6.2). Они были одними из первых высоковакуумных насосов и в настоящее время занимают ведущее место в вакуумном оборудовании производства ИС. Откачка производится за счет диффузии молекул газа откачиваемого потока 10 в струю пара 9 вакуумного масла и перенос в ней этих молекул в область более высокого давления, где они подхватываются потоком 6 форвакуумного насоса. Диффузионные паромасляные насосы выполняются многоступенчатыми.

Корпус первой со стороны высокого давления ступени откачки 2 образует резервуар, заполняемый рабочей жидкостью - специальным вакуумным маслом 3, наиболее часто применяемые марки и свойства которого приведены в табл. 6.2. Нагрев масла до температуры кипения осуществляется обычным спиральным нагревателем 1. Образовавшийся масляный пар поднимается к четырем соплам. Быстрота действия и предельное давление насоса определяются геометрическими и физическими параметрами струи пара 9 четвертой, входной ступени. Площадь поверхности струи, обращенная к откачиваемому объекту, и скорость ее движения определяются геометрическими размерами верхнего сопла и корпуса насоса 7. Сопла первой (верхней), второй 8 и последующих ступеней имеют сходную форму. Использование многоступенчатой откачки, осуществляемой четырьмя соплами, а также разделение испаряемого вакуумного масла по фракциям прн помощи лабиринта на дне насоса позволяет получать большую степень сжатия газа и иметь струю пара 9 на входной ступене насоса с наименьшим иасышающим давлением.

Таблица 6.2

Охлаждение корпуса иасоса, выполненное в виде змеевика, улучшает эксплуатационные характеристики насоса. Откачиваемый выходной ступенью газ 6 удаляется нз насоса в форвакуумную магистраль. Сконденсированное на охлажденном корпусе вакуумное масло 5 стекает на дно насоса по зазору 4 в резервуар, где вновь нагревается.

Диффузионные паромасляные иасосы являются универсальными с точки зрения селективности откачки, так как имеют близкие величины быстроты действия по всем компонентам откачиваемого газа. Созданные конструкции насосов обладают большим диапазонов быстроты действия - от 5-10-3 до 50 м3/с, они просты в изготовлении и эксплуатации. Недостатками диффузионных насосов являются загрязнение парами рабочей жидкости - тяжелыми углеводородами - остаточной атмосферы откачиваемых объектов н сложность автоматизации процесса откачки.

Упоминавшиеся уже требования по безмасляности технологической среды заставили параллельно с совершенствованием струйных паромасляиых насосов разрабатывать такие типы средств получения вакуума, которые обеспечивали бы высокий безмасляный вакуум. Так появился принцип получения вакуума быстровращающимнся дисками с прорезямл нли лопатками - турбинами. Этот принцип откачки получил название молекулярный, а насосы - тур-бомолекуляриые. Существует два исполнения таких насосов: горизонтальное и вертикальное.

Турбомолекуляриые иасосы вертикального исполнения (рнс. 6.3) состоят из ротора 2 с лопатками 5, расположенными между лопатками 7 статора 9. Принцип откачки заключается в том, что откачиваемый поток газа поступает через входной патрубок, снабженный осколкоуловителем во избежание поломки лопаток турбины; молекулы газа получают тангенциальную составляющую скорости от лопаток ротора, а лопатками статора откачиваемый газ направляется в сторону выходного, форвакуумного патрубка и удаляется из насоса. В такого типа насосах задается высокая частота вращения ротора - до 36 000 (йнн-1, что позволяет добиваться быстроты откачки до 1,5 м3/с.

Высокая частота вращения обеспечивается охлаждаемым водой с помощью змеевика 3 электродвигателем 8, с ротором 2 иа его выходном валу 4. Смазка и охлаждение подшипников 1, 6 и 11 осуществляется через вал двигателя, на котором смонтирован масляный иасос. Циркуляция смазки происходит через резервуар для сбора масла. Подача воды в змеевик ведется через трубопровод 10. Отдельные элементы статора собираются (между собой с уплотннтелыш-мн прокладками, которые препятствуют проникновению в откачиваемый объем. Конструкция лопаток турбины также практически исключает проникновение в откачиваемый объект высокомолекулярных соединений, паров воды, кислорода, углекислого газа и метана. Насосы вертикального исполнения компактней и дешевле насосов горизонтального типа.

Магнитные электроразрядные насосы относятся к системам распыления материалов с холодным катодом. В магииторазрядном насосе под действием высокого напряжения и магнитного поля в разреженном газе возникает и поддерживается тлеющий разряд. Образовавшиеся ионы бомбардируют титановый катод н распыляют его. Осаждаемая на стенки насоса пленка титана поглощает газы: активные (О2, N2 др.) за счет образования химических соеднне-

9* 131

Рис 6 3 Турбомолекулярный вакуумный Рис. 6.4. Магниторазрядный ва-

насос с вертикальной осью куумиый иасос НОРД-25

иий - окислов, нитридов и других, многоатомные (НгО, COs, СН4) путем их диссоциации в разряде и откачки как простых газов, неактивные (Аг, Хе и др.) за счет внедрения в катод или замуровывания пленкой титана, легкие газы (Н2, Не, дейтерий, тритий и др.) после соударения с катодом диффундируют в глубь титана.

Рабочим элементом насоса (рнс. 6.4) является электронный блок, состоящий из охлаждаемого медного анода 4 и двух титановых катодов 2, установленных на высоковольтных изоляторах 5, и конденсатора 6. На корпусе насоса 1 располагаются магниты 8 и магнитопровод 9. Охлаждающая жидкость к заземленному аноду подводится через трубопровод 3. Напряжение на катоды подается через герметичный токоввод 7. Обезгаживание насоса проводится нагревом снаружи до температуры 400 .. 450°С (673 ... 723 К) при снятых магнитах.

Охлажденные насосы легко запускаются с давления 5... 10 Па и длительное время могут работать при максимальном рабочем давлении 8-10-2 Па. Для повышения быстроты откачки анод имеет ячеистую структуру. Наличие отверстий в катодах обеспечивает повышенную быстроту откачки инертных газов, что особенно важно в связи с присущим насосам данного типа эффектом аргоиной нестабильности . В результате выбивания из катода адсорбированного аргона резко повышается давление в иасосе, через некоторое время давление вновь стабилизируется, но выплески аргона периодически повторяются.

В магииторазрядных насосах осуществляется принцип авторегулировки скорости распыления титана. При малом давлении откачиваемого газа количество ионов уменьшается, а следовательно, уменьшается ионный ток и скорость распыления титана. Это увеличивает ресурс работы насосов. При повышении давления ионный ток и скорость испареняя автоматически увеличиваются. Это свойство насосов позволяет широко использовать их в технологическом оборудовании.

Когда в производстве ИС требуется особо высокая чистота технологической среды, наиболее перспективно использование криогенных насосов. Они применяются прежде всего для создания сверхвысокого вакуума, для этого их включают в работу обычно только после того, как с помощью других насосов (диффузионных, сорбционных) получено достаточно низкое давление. Однако крионасосы как безмасляные средства получения вакуума могут быть применены в оборудовании со средним вакуумом, например в технологическом процессе нанесения тонких пленок методом ионного распыления, который осуществляется в диапазоне давлений 10... Ю-2 Па н сопровождается длительным интенсивным напуском рабочих газов Аг и N2. При этом очень важно обеспечить в рабочей камере отсутствие тяжелых углеводородов н предельно низкие парциальные давления химически активных составляющих, таких как 02, СО, пары Н20 н др.

Действие криогенных насосов заключается в адсорбироваиин и конденсации газов н паров на поверхности с температурой ниже -243°С (30 К), т. е. с температурой, соответствующей жидкому гелню н водороду. При этом эффективно откачиваются как пары, так и большинство газов, находящихся -в вакуумном объеме, за исключением водорода и гелия.

Скорость откачки криогенным насосом определяется площадью поверхности конденсации и зависит от разности Между количеством молекул адсорбированных и десорбированных единицей площади в единицу времени. Величины скоростей откачки криогенными иасосамн могут достигать нескольких десятков кубических метров в секунду. Предельное давление, создаваемое криогенным насосом, зависит главным образом от давления паров прн температуре криогенной поверхности. Для более эффетивного поглощения неконденсирующихся газов (Н2, Не) криопанели и экраны покрывают слоем сорбента.

Конструкции иасосов могут быть двух, типов: заливные и с криогеиера-тором. Заливные криогенные насосы имеют существенный недостаток, связанный с необходимостью периодической заливкн н контроля уровня жидкого гелия и азота. Это снижает возможности автоматизации процесса откачкн.

В насосах с газовыми холодильными машинами сводятся к минимуму непроизводительные потерн холода, так как место получения холода максимально приближено к месту его потребления. На рис. 6.5 показана конструкция конденсационного насоса с использованием двухступенчатой холодильной машины, работающей по обращенному циклу Стирлинга.

В корпусе насоса 14.размещена крнопанель 10, изготовленная из медн и являющаяся откачивающим элементом насоса. Крнопанель 10 имеет хорошие тепловой контакт со второй ступенью машины. Для снижения теплопритока криопанели 10 со стороны теплых стенок насоса и откачиваемого объема предусмотрен жалюзийный экран 8, который имеет хороший тепловой контакт с