Conceitos de VácuoConceitos de VácuoIoshiaki Doi
FEEC/UNICAMP
Conceitos de Vácuo
1. Conceitos de Vácuo1. Conceitos de Vácuo
Conceitos de Vácuo
• Sistema de vácuo simples: câmara com fluxo Q de entrada, bomba de vácuo e um tubo de condutância C.
Tubo de condutância C
gás
Q P1
P2
câmara
bomba
• Comportamento dos Gases Comportamento dos Gases na Câmarana 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.
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•Fluxo e Escoamento de GasesFluxo e Escoamento de Gases
• fluxo laminar camadas de fluxo paralelas. • fluxo turbulento camadas de fluxo não paralelas.
Fluxo e Escoamento de Gases
Representação esquemática das velocidades das moléculas em um tubo estreito: (a) - fluxo viscoso e (b) - fluxo molecular.
Conceitos de Vácuo
•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.
• Velocidade de Bombeamento e Velocidade de Bombeamento e Corrente Molecular do gásCorrente Molecular do gás
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P Q
•Condutância do TuboCondutância 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.
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PA PB
Q
•Condutância total da associação :
1/C = 1/C1 + 1/C2
•Associação em Série de 2 TubosAssociação em Série de 2 Tubos
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•Associação em Paralelo de 2 TubosAssociação em Paralelo de 2 Tubos
•Condutância da associação :
C = C1 + C2
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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
• Unidades de PressãoUnidades de Pressão
• Faixas de PressãoFaixas 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
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• Aplicações de Vácuo em Aplicações de Vácuo em MicroeletrônicaMicroeletrônica
Conceitos de Vácuo
vácuo primário e médio : CVD, sputtering, plasma etching
alto vácuo : limpeza da câmara, evaporação, i/i
ultra alto vácuo : MBE
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).
2.1. Bombas para a Pressão Primária e Média
• Bomba de piston - comprime e expele o gás. Movimento do eixo fora de centro.
2. Bombas de Vácuo2. Bombas de Vácuo
a) Bomba mecânica de pistão
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V1V2
• Bombas mais comuns utilizadas nas regiões de baixo e médio vácuo.
Bombas Rotativas de Palheta
b). Bomba Mecânica Rotativab). Bomba Mecânica Rotativa
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• Principio de Funcionamento e Principio de Funcionamento e LimitaçõesLimitações
• 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.
•Principio :
Conceitos de Vácuo
Obs.: - O uso do gás ballast limita a pressão final da bomba.
Curvas de velocidade de bombeamento vs. Pressão das bombas rotativas de um e dois estágios
Conceitos de Vácuo
i). Condensação de vapor na compressão, quando Pparcial > Pvapor
• degrada o óleo
• corrosão da bomba (H2O, Cl2, clorosilanas)
•Problemas:Problemas:
• Solução: diluir o gás na entrada da bomba com gás inerte (N2) – gás ballast.
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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)
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• 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
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• 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).
•Principio de FuncionamentoPrincipio de Funcionamento
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• 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.
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• 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.
2.2. Bombas para Alto Vácuo2.2. Bombas para Alto Vácuo
•Tipos de bombas:
• para fluxos pequenos de gases inertes
• por aprisionamento de moléculas gasosas• para bombeamento da câmara para pré-
processamento.
Princípio
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.
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a). Bomba Difusoraa). Bomba Difusora
Vista de Corte
• 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.
•Problemas:Problemas:
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• Solução: usar armadilha fria resfriada a baixa
temperatura com nitrogênio líquido (muito eficiente).
Armadilha de Nitrogênio Líquido (trap).
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• 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
b). Bomba Turbomolecularb). Bomba Turbomolecular
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•Taxa de compressão e Velocidade de BombeamentoTaxa de compressão e Velocidade de Bombeamento
Veloc.de Bombeamento Tx. Compressão
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.
Tx.compressão:
109 para N2 e 103 para H2.
• 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.
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•Características :
•Medidores de PressãoMedidores de Pressão
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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 b) Pirani
a) circuito para o medidor Pirani; b) cabeça do medidor; (1) filamento; (2) suporte do
filamento; (3) capa (envelope)
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• Princípio de funcionamento: condutividade térmica dos gases.
• filamento é aquecido dissipa calor por condução T P R.
• Ponte de Wheatstone mede R = f(P).
•De IonizaçãoDe Ionização
Para pressões << 1mtorr e alto e UHV.
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a) Penning: ionização por descarga DC
I = f(P).
b) Catodo quente: uma válvula com filamento ioniza o gás.
I = f(P).
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•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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•VálvulasVálvulas
Para isolação tipo fole
•condutância variável
Tipo borboleta para controle
• Válvula agulha para controle de gás Válvula agulha para controle de gás na câmarana câmara
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