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

1. Conceitos de Vácuo P1 Q P2 câmara Tubo de condutância C bomba 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 na Câmara Conceitos de Vácuo Comportamento 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.

Fluxo e Escoamento de Gases Conceitos de Vácuo Fluxo e Escoamento de Gases Fluxo e Escoamento de Gases Representação esquemática das velocidades das moléculas em um tubo estreito: (a) - fluxo viscoso e (b) - fluxo molecular.  fluxo laminar  camadas de fluxo paralelas. fluxo turbulento  camadas de fluxo não paralelas.

Velocidade de Bombeamento e Corrente Molecular do gás Conceitos de Vácuo Velocidade de Bombeamento e Corrente Molecular do gás 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) P Q 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.

Condutância do Tubo Q PA PB Conceitos de Vácuo Condutância do Tubo PA PB Q 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.  

Associação em Série de 2 Tubos Conceitos de Vácuo Associação em Série de 2 Tubos Condutância total da associação : 1/C = 1/C1 + 1/C2 Associação em Paralelo de 2 Tubos Condutância da associação : C = C1 + C2

Unidades de Pressão 1 torr = 133.3 Pa = 1.316x10-3 atm Conceitos de Vácuo Unidades de Pressão 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  

Faixas de Pressão Ambiente de vácuo - várias faixas de pressão. Conceitos de Vácuo Faixas 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

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

2. Bombas de Vácuo 2.1. Bombas para a Pressão Primária e Média Conceitos de Vácuo 2. Bombas de Vácuo 2.1. Bombas para a Pressão Primária e Média a) Bomba mecânica de pistão Bomba de piston - comprime e expele o gás. Movimento do eixo fora de centro. 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). V2 V1

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

Principio de Funcionamento e Limitações Conceitos de Vácuo Principio de Funcionamento e Limitações Principio : 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.

Obs.: - O uso do gás ballast limita a pressão final da bomba. Conceitos de Vácuo Curvas de velocidade de bombeamento vs. Pressão das bombas rotativas de um e dois estágios Obs.: - O uso do gás ballast limita a pressão final da bomba.

Conceitos de Vácuo Problemas: i). Condensação de vapor na compressão, quando Pparcial > Pvapor degrada o óleo corrosão da bomba (H2O, Cl2, clorosilanas) Solução: diluir o gás na entrada da bomba com gás inerte (N2) – gás ballast.

ii). Subida de vapor de óleo para a Câmara (backstreaming ) Conceitos de Vácuo 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)

Esquema e taxa de compressão vs. Pressão de entrada de uma bomba Roots Conceitos de Vácuo 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

Principio de Funcionamento Conceitos de Vácuo Principio de Funcionamento 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). 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.  

2.2. Bombas para Alto Vácuo Tipos de bombas: Conceitos de Vácuo 2.2. Bombas para Alto Vácuo Tipos de bombas: 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. para fluxos pequenos de gases inertes por aprisionamento de moléculas gasosas para bombeamento da câmara para pré-processamento.

a). Bomba Difusora Princípio Vista de Corte Conceitos de Vácuo a). Bomba Difusora Princípio Vista de Corte 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 Problemas: Solução: usar armadilha fria resfriada a baixa temperatura com nitrogênio líquido (muito eficiente). 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. Armadilha de Nitrogênio Líquido (trap).

b). Bomba Turbomolecular Conceitos de Vácuo b). Bomba Turbomolecular 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

Taxa de compressão e Velocidade de Bombeamento Conceitos de Vácuo Taxa de compressão e Velocidade de Bombeamento Veloc.de Bombeamento Tx. Compressão Tx.compressão: 109 para N2 e 103 para H2. 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.

Conceitos de Vácuo Características : 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.

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

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

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

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

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