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Conceitos de Vácuo Ioshiaki Doi FEEC/UNICAMP Conceitos de Vácuo.

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Apresentação em tema: "Conceitos de Vácuo Ioshiaki Doi FEEC/UNICAMP Conceitos de Vácuo."— Transcrição da apresentação:

1 Conceitos de Vácuo Ioshiaki Doi FEEC/UNICAMP Conceitos de Vácuo

2 1. 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 P1P1 P2P2 câmara bomba

3 Comportamento dos Gases na CâmaraComportamento 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. Conceitos de Vácuo

4 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

5 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 Corrente Molecular do gásVelocidade de Bombeamento e Corrente Molecular do gás Conceitos de Vácuo P Q

6 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: C AB = Q/(P A - P B ) (l/s) A diferença de pressão P = P A - P B é análoga a diferença de potencial elétrico. Conceitos de Vácuo PAPA PBPB Q

7 Condutância total da associação : 1/C = 1/C 1 + 1/C 2 Associação em Série de 2 TubosAssociação em Série de 2 Tubos Conceitos de Vácuo Associação em Paralelo de 2 TubosAssociação em Paralelo de 2 Tubos Condutância da associação : C = C 1 + C 2

8 Conceitos de Vácuo 1 pascal (Nm -2 ) = 7.5x10 -3 torr 1 torr = Pa = 1.316x10 -3 atm 1 bar = 1x10 5 Pa = 750 torr 1 atm = 1.013x10 5 Pa = 760 torr 1.013x10 5 Pa= 760 torr Unidades de PressãoUnidades de Pressão

9 Faixas de PressãoFaixas de Pressão Ambiente de vácuo - várias faixas de pressão. vácuo primário : 0.1 a 760 torr ou 10 a 10 5 Pa vácuo médio : a torr ou a 10 Pa alto vácuo : a torr ou a Pa ultra alto vácuo : < torr ou < Pa Conceitos de Vácuo

10 Aplicações de Vácuo em MicroeletrônicaAplicações de Vácuo em Microeletrônica Conceitos de Vácuo vácuo primário e médio : CVD, sputtering, plasma etching alto vácuo : limpeza da câmara, evaporação, i/i ultra alto vácuo : MBE

11 Principio de funcionamento: deslocamento positivo do gás através de movimento mecânico do piston. i). Sucção (válvula V 1 aberta - o movimento do piston arrasta o gás para dentro do cilintro). ii). Compressão (válvulas V 1 e V 2 fechadas). iii). Exaustão (válvula V 2 aberta) Bombas para a Pressão Primária e Média Bomba de piston - comprime e expele o gás. Movimento do eixo fora de centro. 2. Bombas de Vácuo a) Bomba mecânica de pistão Conceitos de Vácuo V1V1 V2V2

12 Bombas mais comuns utilizadas nas regiões de baixo e médio vácuo. Bombas Rotativas de Palheta b). Bomba Mecânica Rotativa Conceitos de Vácuo

13 Principio de Funcionamento e LimitaçõesPrincipio de Funcionamento e Limitações 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

14 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

15 i). Condensação de vapor na compressão, quando P parcial > P vapor degrada o óleo corrosão da bomba (H 2 O, Cl 2, clorosilanas) Problemas:Problemas: Solução: diluir o gás na entrada da bomba com gás inerte (N 2 ) – gás ballast. Conceitos de Vácuo

16 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 Vácuo

17 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 Conceitos de Vácuo

18 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 Conceitos de Vácuo não há contato (selagem mecânica entre as superfícies), os rotores podem girar em altas velocidades ( 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.

19 Conceitos de Vácuo 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 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.

20 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. Conceitos de Vácuo a). Bomba Difusora Vista de Corte

21 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: Conceitos de Vácuo Solução: usar armadilha fria resfriada a baixa temperatura com nitrogênio líquido (muito eficiente). Armadilha de Nitrogênio Líquido (trap).

22 Conceitos de Vácuo 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 (> 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 Turbomolecular

23 Conceitos de Vácuo Taxa de compressão e Velocidade de BombeamentoTaxa de compressão e Velocidade de Bombeamento Veloc.de BombeamentoTx. 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 Tx.compressão: 10 9 para N 2 e 10 3 para H 2.

24 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. Conceitos de Vácuo Características :

25 Medidores de PressãoMedidores de Pressão Conceitos de Vácuo 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 mbar, com a precisão de %. Vantagens: robustez, vida útil longa, maior sensibilidade, maior faixa de operação, e pode ser utilizado em temperaturas elevadas e em ambientes altamente corrosivos.

26 b) Pirani a) circuito para o medidor Pirani; b) cabeça do medidor; (1) filamento; (2) suporte do filamento; (3) capa (envelope) Conceitos de Vácuo Princípio de funcionamento: condutividade térmica dos gases. filamento é aquecido dissipa calor por condução T P R. Ponte de Wheatstone mede R = f(P).

27 De IonizaçãoDe Ionização Para pressões << 1mtorr e alto e UHV. Conceitos de Vácuo a)Penning: ionização por descarga DC I = f(P). b) Catodo quente: uma válvula com filamento ioniza o gás. I = f(P).

28 Conceitos de Vácuo Tipos de Selagem: Oring para vácuo médio. Flange conflat com anel de Cu ou CuAg para alto vácuo. Acessórios diversos de vácuo.

29 Conceitos de Vácuo VálvulasVálvulas Para isolação tipo fole condutância variável Tipo borboleta para controle

30 Válvula agulha para controle de gás na câmaraVálvula agulha para controle de gás na câmara Conceitos de Vácuo


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