FIZYCZNE PODSTAWY MIKROTECHNOLOGII

FIZYCZNE PODSTAWY MIKROTECHNOLOGII

Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])

POMPY PRÓŻNIOWE

BEZWYLOTOWE



POMPY PRÓŻNIOWE BEZWYLOTOWE

WLOT WLOT

WYLOT

POMPA PRÓŻNIOWA BEZWYLOTOWA

POMPA PRÓŻNIOWA



POMPY PRÓŻNIOWE BEZWYLOTOWE

1. Pompy sorpcyjne zeolitowe

2. Pompy sublimacyjne

3. Pompy jonowo-sorpcyjne z gorącymi katodami

4. Pompy jonowo-sorpcyjne z zimnymi katodami

5. Pompy kriogeniczne



POMPY SORPCYJNE ZEOLITOWE




Adsorption pump




103

10-14

10-13

10-12

10-9

10-11

10-10

10-8

10-7

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

10110

2

p [mbar]

NISKA PRÓŻNIA

ŚREDNIA PRÓŻNIA

WYSOKA PRÓŻNIA

ULTRAWYSOKA PRÓŻNIA

mbar

37 1010 mbar

110 3

mbar

3101mbar

710

Informacja zaczerpnięta z: LEYBOLD VACUUM PRODUCTS AND REFERENCE BOOK 2001/2002 LEYBOLD VACUUM

GmbH Cologne



ZEOLITY




ZEOLITY

Materiały charakteryzujące

się bardzo dobrymi

własnościami sorpcyjnymi

zeolit




ZEOLITY

Zeolity – glinokrzemiany związki chemiczne na bazie Al i Si zawierające w swym składzie

Ca, Na, K

Materiały pochodzenia wulkanicznego lub materiały otrzymywane na drodze syntetycznej




Model sieci krystalicznej

zeolitu 5A

Objętość komór

V1=775Å

V2=157Å

-3

-3




Porowatość pierwotna

Porowatość wtórna




CZĄSTECZKI GAZU




CZĄSTECZKI GAZU UWIĘZIONE W STRUKTURZE

ZEOLITU



POMPA SORPCYJNA ZEOLITOWA

-BUDOWA-



POMPA SORPCYJNA ZEOLITOWA - BUDOWA

A A

A - A

WLOT GAZUPOŁĄCZENIE

POMPY Z ATMOSFERĄ

„KOREK”

ZEOLIT

KORPUS POMPY

KANAŁ




-PRACA-



POMPA SORPCYJNA ZEOLITOWA - PRACA

PRACA

ZBIORNIK OPRÓŻNIANY

O

Z




PRACA


O

Z

ADSORPCJA CZĄSTEK

GAZU PRZEZ ZEOLIT




IZOTERMY ADSORPCJI ZEOLITU 13X DLA AZOTU

Ciśnienie p [mbar]10-710-610-510-410-310-210-1100 101 102 103

10-610-510-410-310-210-1100101102103

Iloś

ć (p

V)

adso

rbow

aneg

o ga

zu p

rzyp

adaj

ąca

na

jedn

ostk

ę ad

sorb

enta

(pV)/m [mbar·l/g]

N2(-195)°C

N2(20)°C

Informacje zaczerpnięte z LEYBOLD VACUUM, PRODUCTS AND REFERENCE BOOK 2003/2004, LEYBOLD VACUUM GMBH Cologne




IZOTERMY ADSORPCJI ZEOLITU 13X DLA AZOTU, HELU I NEONU

Cisnienie p [mbar]10-710-610-510-410-310-210-1100 101 102 103

10-610-510-410-310-210-1100101102103

Iloś

ć (p

V)

adso

rbow

aneg

o ga

zu p

rzyp

adaj

ąca

na

jedn

ostk

ę ad

sorb

enta

(pV)/m [mbar·l/g]

N2(-195)°C

N2(20)°C

g

lmbar 3102





Cisnienie p [mbar]10-710-610-510-410-310-210-1100 101 102 103

10-610-510-410-310-210-1100101102103

Iloś

ć (p

V)

adso

rbow

aneg

o ga

zu p

rzyp

adaj

ąca

na

jedn

ostk

ę ad

sorb

enta

(pV)/m [mbar·l/g]

N2(-195)°C

N2(20)°C

g

lmbar 210




Ilość azotu zaadsorbowana przez zeolit

g

lmbar

m

pVCT

31

1 10220

g

lmbar

m

pVCT

22

2 10195




Ilość azotu zaadsorbowana przez zeolit

13

12

1

2

102

10

/

/

glmbar

glmbar

mpV

mpV

43

2

1

2 105102

10

V

V




PRACA


DEWAR

CIEKŁY AZOT

T=-195°C

O

Z





Cisnienie p [mbar]10-710-610-510-410-310-210-1100 101 102 103

10-610-510-410-310-210-1100101102103

Iloś

ć (p

V)

adso

rbow

aneg

o ga

zu p

rzyp

adaj

ąca

na

jedn

ostk

ę ad

sorb

enta

(pV)/m [mbar·l/g]

N2(-195)°C

N2(20)°C

Ne(-195)°C

He(-195)°C

Informacje zaczerpnięte z LEYBOLD VACUUM, PRODUCTS AND REFERENCE BOOK 2003/2004, LEYBOLD VACUUM GMBH Cologne




REGENERACJA




REGENERACJA


O

Z

230V

Ogrzewanie zeolitów do temperatury

T=(300-350)°C




REGENERACJA


O

Z

230V

USUNIĘCIE GAZÓW ZAADSORBOWANYCH

PRZEZ ZEOLIT DO ATMOSFERY



POMPY SUBLIMACYJNE



POMPY SUBLIMACYJNE

Sublimation pump



POMPY SUBLIMACYJNE

Pompy sublimacyjne są to pompy sorpcyjne, w których rolę sorbentu spełnia aktywna

chemicznie warstwa metaliczna naniesiona przez naparowanie



POMPY SUBLIMACYJNE – ZAKRES PRACY

10-14

10-13

10-12

10-9

10-11

10-10

10-8

10-7

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

10110

2

p [mbar]

NISKA PRÓŻNIA

ŚREDNIA PRÓŻNIA

WYSOKA PRÓŻNIA


mbar

37 1010 mbar

110 3

mbar

3101mbar

710


GmbH Cologne



POMPY SUBLIMACYJNE

POMPY SUBLIMACYJNE

BUDOWA



POMPY SUBLIMACYJNE - BUDOWA

KORPUS POMPY

SUBLIMATOR GRZEJNIK POKRYTY

MATERIAŁEM SORPCYJNYM

„SORBENTEM”

STOSOWANE SORBENTY:

TYTAN, MOLIBDEN,

CYRKON, TANTAL

WLOT POMPY

230V



POMPY SUBLIMACYJNE

POMPY SUBLIMACYJNE

PRACA



POMPY SUBLIMACYJNE - PRACA

230V

Rozgrzewanie sublimatora




230V

Rozgrzewanie sublimatora

TEMPERATURA PRACY

SUBLIMATORA T=(1400÷1800)°C




230V

Parowanie sorbentu

T=(1400÷1800)°C

CZĄSTECZKI TYTANU




230V

Formowanie lustra sorpcyjnego

LUSTO SORPCYJNE Z TYTANU




230V

Adsorpcja cząsteczek gazu padających na powierzchnię lustra

sorpcyjnego

ZAADSORBOWANE NA LUSTRZE SORPCYJNYM

CZĄSTECZKI GAZU




230V

„Przykrycie” zaadsorbowanych cząsteczek gazu warstwą tytanu

KOLEJNA WARSTWA TYTANU

„PRZYKRYWAJĄCA” ZAADSORBOWANE CZĄSTECZKI GAZU




230V

Proces adsorpcji cząsteczek gazu na lustrze sorpcyjnym może być

wspomagany poprzez zastosowanie chłodzenia lustra sorpcyjnego

CHŁODZENIE LUSTRA SORPCYJNEGO DO

TEMPERATURY CIEKŁEGO AZOTU (LN2)

LN2

LN2




Zależność szybkości pompowania gazów od temperatury lustra sorpcyjnego

Temperatura warstwy lustra sorpcyjnego

H2 N2 O2 CO CO2 H2O

20°C 3.0 4.5 9.0 9.0 7.5 3.0

-195°C 10.0 10.0 10.5 10.5 9.0 14.0

Szybkość pompowania l/s·cm-2






H2 N2 O2 CO CO2 H2O

20°C 3.0 4.5 9.0 9.0 7.5 3.0

-195°C 10.0 10.0 10.5 10.5 9.0 14.0







H2 N2 O2 CO CO2 H2O

20°C 3.0 4.5 9.0 9.0 7.5 3.0

-195°C 10.0 10.0 10.5 10.5 9.0 14.0




POMPA JONOWO SORPCYJNA Z

GORĄCĄ KATODĄ



POMPA JONOWO SORPCYJNA Z GORĄCĄ KATODĄ

Jest to w zasadzie pompa sublimacyjna w której pompowanie jest wspomagane

przez proces jonizacji gazu. W tym celu pompa wyposażona jest w żarzoną

katodę i spolaryzowaną siatkę



POMPA JONOWO SORPCYJNA Z GORĄCĄ KATODĄ ZAKRES PRACY

10-14

10-13

10-12

10-9

10-11

10-10

10-8

10-7

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

10110

2

p [mbar]

NISKA PRÓŻNIA

ŚREDNIA PRÓŻNIA

WYSOKA PRÓŻNIA


mbar

37 1010 mbar

110 3

mbar

3101mbar

710


GmbH Cologne



BUDOWA





KORPUS POMPY

CHŁODNICA

LUSTRO SORPCYJNE

230V

SUBLIMATOR

KOLEKTOR (0V)

KATODA(+)

SIATKA (++)




KORPUS POMPY




KORPUS POMPY

230V

SUBLIMATOR




KORPUS POMPY

LUSTRO SORPCYJNE

230V

SUBLIMATOR




KORPUS POMPY

CHŁODNICA

LUSTRO SORPCYJNE

230V

SUBLIMATOR




KORPUS POMPY

CHŁODNICA

LUSTRO SORPCYJNE

230V

SUBLIMATOR

KATODA(+)




KORPUS POMPY

CHŁODNICA

LUSTRO SORPCYJNE

230V

SUBLIMATOR

KOLEKTOR (0V)

KATODA(+)

SIATKA (++)



ZASADA DZIAŁANIA





230V

ADSORPCJA CZĄSTECZEK

GAZU NA LUSTRZE SORPCYJNYM



WSPOMAGANIE PROCESU

POMPOWANIA





KOLEKTOR (0V)KATODA(+)SIATKA (++)




KOLEKTOR (0V)

KATODA +(100÷300)V

SIATKA +(1.5÷2)kV

ROZKŁAD POTENCJAŁU

+U




KOLEKTOR (0V)

KATODA +(100÷300)V

SIATKA +(1.5÷2)kV


+U

EMISJA TERMO ELEKTRONÓW

Z KATODY




KOLEKTOR (0V)

KATODA +(100÷300)V

SIATKA +(1.5÷2)kV


+U

WYHAMOWANIE ELEKTRONÓW




KOLEKTOR (0V)

KATODA +(100÷300)V

SIATKA +(1.5÷2)kV


+U

POWSTANIE OSCYLUJACEJ WOKÓŁ SIATKI

„CHMURY” ELEKTRONÓW




KOLEKTOR (0V)

KATODA +(100÷300)V

SIATKA +(1.5÷2)kV

OSCYLUJĄCA WOKÓŁ SIATKI „CHMURA” ELEKTRONÓW JONIZUJĄCA CZĄSTECZKI GAZU




KOLEKTOR (0V)

KATODA +(100÷300)V

SIATKA +(1.5÷2)kV


CZĄSTECZKI GAZU




KOLEKTOR (0V)

KATODA +(100÷300)V

SIATKA +(1.5÷2)kV


+

++

+

+

+

++

++

ZJONIZOWANE CZĄSTECZKI

GAZU




KOLEKTOR (0V)

KATODA +(100÷300)V

SIATKA +(1.5÷2)kV


+

++

+

+

+

++

++

UNOSZENIE CZĄSTECZEK

GAZU W STRONĘ LUSTRA

SORPCYJNEGO




230V

POMPOWANIE GAZÓW NA LUSTRZE

SORPCYJNYM WSPOMAGANE

JONIZACJĄ ATOMÓW GAZU



POMPA JONOWO SORPCYJNA Z

ZIMNĄ KATODĄ



POMPA JONOWO SORPCYJNA Z ZIMNĄ KATODĄ

Sputter-ion pump



POMPA JONOWO SORPCYJNA Z ZIMNĄ KATODĄ ZAKRES PRACY

10-14

10-13

10-12

10-9

10-11

10-10

10-8

10-7

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

10110

2

p [mbar]

NISKA PRÓŻNIA

ŚREDNIA PRÓŻNIA

WYSOKA PRÓŻNIA


mbar

37 1010 mbar

110 3

mbar

3101mbar

710


GmbH Cologne




BUDOWA

„komórka Penninga” „Penning cell”




B

UA

+3kV

KATODA

KATODA

ANODA

WEWNĘTRZNA POWIERZCHNIA

KATODY POKRYTA WARSTWĄ TYTANU

d=1mm




ZASADA DZIAŁANIA




B

UA

+3kV

KATODA

KATODA

ANODA




BUA

+3kV

KATODA

KATODA

AN

OD

A

AN

OD

A

PROMIENIOWNIE KOSMICZNE




BUA

+3kV

KATODA

KATODA

AN

OD

A

AN

OD

A

Inicjowane jonizacji gazu (zapalenie się wyładowania jarzeniowego)

PROMIENIOWNIE KOSMICZNE




BUA

+3kV

KATODA

KATODA

AN

OD

A

AN

OD

A

Inicjowane jonizacji gazu (zapalenie się wyładowania jarzeniowego)

JONIZACJA CZĄSTECZEK

GAZU




BUA

+3kV

KATODA

KATODA

AN

OD

A

AN

OD

A

Zapalenie się wyładowania jarzeniowego

Elektron w skrzyżowanym

polu elektrycznym i magnetycznym będzie poruszał

się po torze spiralnym




BUA

+3kV

KATODA

KATODA

AN

OD

A

AN

OD

A

zapalenie się wyładowania jarzeniowego

Jonizacja kolejnych

cząsteczek gazu podtrzymujących

wyładowanie jarzeniowe




BUA

+3kV

KATODA

KATODA

AN

OD

A

AN

OD

A

Bombardowanie powierzchni katod jonami gazu

Jonizacja kolejnych






BUA

+3kV

KATODA

KATODA

AN

OD

A

AN

OD

A

Bombardowanie powierzchni katod jonami gazu

Jonizacja kolejnych






BUA

+3kV

KATODA

KATODA

AN

OD

A

AN

OD

A

Rozpylanie materiału katody, który osadza się na wewnętrznej powierzchni anody

Jonizacja kolejnych






BUA

+3kV

KATODA

KATODA

AN

OD

A

AN

OD

A

Rozpylanie materiału katody, który osadza się na wewnętrznej powierzchni anody

Jonizacja kolejnych






BUA

+3kV

KATODA

KATODA

AN

OD

A

AN

OD

A

Tworzenie się lustra sorpcyjnego na wewnętrznej powierzchni anody

Jonizacja kolejnych






BUA

+3kV

KATODA

KATODA

AN

OD

A

AN

OD

A

Trwałe pompowanie gazu na wewnętrznej powierzchni anody

Jonizacja kolejnych






KATODA

AN

OD

A

AN

OD

A

WYGLĄD KATOD WE WSTĘPNYM OKRESIE POMPOWANIA

POMPOWANIE GAZU

(NIETRWAŁE) NA KATODZIE




KATODA

AN

OD

A

AN

OD

A

WYGLĄD KATOD PO DŁUGOTRWAŁYM OKRESIE POMPOWANIA

TWORZENIE SIĘ „KRATERU” NA

KATODZIE POŁĄCZONE Z UWALNIANIEM

ZAADSORBOWANYCH NIETRWALE

CZĄSTECZEK GAZUKRATER

UWOLNIONA CZĄSTECZKA

GAZU




BUDOWA POMPY




KOMÓRKI PENNINGA

KATODA




OBUDOWA ŁĄCZĄCA

ELEKTRYCZNIE ANODY




KATODA




ANODA

+3kV KATODA

POLE MAGNETYCZNE

B

Informacje zaczerpnięte z LEYBOLD VACUUM, PRODUCTS AND REFERENCE BOOK 2003/2004,

LEYBOLD VACUUM GMBH Cologne




NIESTABILNOŚĆ PRACY POMPY PRZY

POMPOWANIU GAZÓW

SZLACHETNYCH




-B+

+

Układ diodowy




B+-

++

+

Układ diodowy




B

++

+

Układ diodowy

KATODA

+-

ANODA




Prąd w układzie diodowym

lnni 0n0 – koncentracja cząstek gazun- - koncentracja elektronów - przekrój na zderzenia (zależny od rodzaju gazu)l – droga na której możliwy jest proces jonizacji

Informacje zaczerpnięte z LEYBOLD VACUUM, PRODUCTS AND REFERENCE BOOK 2003/2004,

LEYBOLD VACUUM GMBH Cologne




B+-

++

+

Układ diodowy – absorpcja cząstek gazu na katodzie




B+-

++

+

Układ diodowy – adsorpcja powierzchniowa




B+-

++

+

Układ diodowy – rozpylanie cząstek tytanu




B+-

++

+

Układ diodowy – pompowanie na lustrze sorpcyjnym




B+-

++

+

Układ diodowy – pompowanie na lustrze sorpcyjnym




B+-

++

+

Układ diodowy – pompowanie na katodzie




Układ diodowy – pompowanie na katodzie

W wyniku „rozpylania” kolejnych partii tytanu z

katody uwalniane są, zaadsorbowane uprzednio

cząsteczki gazu (istotny problem w przypadku gazów szlachetnych




Rozwiązaniem tego problemu jest

zastosowanie układu triodowego

Wyeliminowanie problemu niestabilnego pompowania gazów




Układ triodowy

B+-

KATODA ANODATARGET TARGETKATODA

KATODA POKRYTA WARSTWĄ TYTANU




Jonizacja gazu

B+

+

-





Bombardowanie katod jonami gazu

B+

+

-


+

+




Tworzenie lustra sorpcyjnego

B+

+

-


+

+




„Pompowanie” gazu na katodach i anodzie

B+

+

-


++




„Pompowanie” gazu na katodach i anodzie

B+

+

-


++




Jony docierające do targetu mają niewielkie energie

+-

KATODA ANODATARGET

+




+-

KATODA ANODATARGET

+Pole

przyspieszające Pole

hamujące

Jony docierające do targetu mają niewielkie energie



POMPY KRIOGENICZNE



POMPY KRIOGENICZNE

Criogenic pump



POMPY KRIOGENICZNE – ZAKRES PRACY

10-14

10-13

10-12

10-9

10-11

10-10

10-8

10-7

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

10110

2

p [mbar]

NISKA PRÓŻNIA

ŚREDNIA PRÓŻNIA

WYSOKA PRÓŻNIA


mbar

37 1010 mbar

110 3

mbar

3101mbar

710


GmbH Cologne



POMPY KRIOGENICZNE

BUDOWA



POMPY KRIOGENICZNE

KORPUS POMPY

WLOT POMPY



POMPY KRIOGENICZNE

LN2 LN2

78KKORPUS POMPY

DEWAR

WLOT POMPY



POMPY KRIOGENICZNE

LN2 LN2He He

78K4.5K KORPUS

POMPY

DEWAR

WLOT POMPY



POMPY KRIOGENICZNE

KORPUS POMPY

CHŁODZIARKO-ZAMRAŻARKA

POWIERZCHNIE KRIOGENICZNE



POMPY KRIOGENICZNE

ZASADA DZIAŁANIA



POMPY KRIOGENICZNE - ZASADA DZIAŁANIA

Działanie pomp kriogenicznych opiera się na adsorbowaniu i kondensowaniu

gazów i par na powierzchniach kriogenicznych, to znaczy na

powierzchniach znacznie niższych od temperatury otoczenia



POMPY KRIOGENICZNE

LN2 LN2He He

78K4.5K KORPUS

POMPY

DEWAR



POMPY KRIOGENICZNE

LN2 LN2He He

78K4.5K KORPUS

POMPY

DEWAR

KONDENSACJA CZĄSTEK GAZU



POMPY KRIOGENICZNE - ZASADA DZIAŁANIA

Pompy kriogeniczne służą do wytwarzania ultra wysokich próżni.

Celem zaoszczędzenia zużycia czynnika kriogenicznego powinno się te pompy

włączać dopiero po uzyskaniu odpowiednio niskiego ciśnienia za

pomocą innych pomp



POMPY KRIOGENICZNE

POMPOWANIE GAZÓW



POMPY KRIOGENICZNE - POMPOWANIE GAZÓW

100% 70%

Pompowanie wodoru H2

Wodór pompowany jest w około

30%

Informacje zaczerpnięte z LEYBOLD VACUUM, PRODUCTS AND REFERENCE BOOK 2003/2004, LEYBOLD VACUUM

GMBH Cologne




100% 1%

Pompowanie pary wodnej

H2O

Para wodna pompowana jest w około

99%


GMBH Cologne




100% 40%

Pompowanie azotu N2

azot pompowany jest w około

60%


GMBH Cologne



WYMRAŻARKI



WYMRAŻARKI

Ciśnienie cząstkowe par wielu substancji wchodzących w skład

atmosfery resztkowej pompowanego zbiornika w temperaturze 77K ulega

znacznemu obniżeniu



WYMRAŻARKI – PRZYKŁAD BUDOWY

DEWAR

CZYNNIK CHŁODZĄCY




DEWAR

CZYNNIK CHŁODZĄCY


LUB PAR




WLEW CZYNNIKA

CHŁODZĄCEGO

CZYNNIK CHŁODZĄCY




WLEW CZYNNIKA

CHŁODZĄCEGO

CZYNNIK CHŁODZĄCY


LUB PAR

FIZYCZNE PODSTAWY MIKROTECHNOLOGII

Documents