Физические основы электронной техники Курс лекций: Основы Вакуумной Техники 2 лекция Типовые вакуумные технологии Деулин Евгений Алексеевич Титул МОСКОВСКИЙ. - презентация

1 Физические основы электронной техники Курс лекций: Основы Вакуумной Техники 2 лекция Типовые вакуумные технологии Деулин Евгений Алексеевич Титул МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Н.Э. БАУМАНА

2 Цели и структура курса ОВТ: Изучение задач и целей курса, структуры и формы изучения материала курса. Углублённое изучение молекулярно- кинетической теории газов, изучение физических процессов в вакууме, принципов работы насосов, манометров, течеискателей, газо анализаторов, типовых схем вакуумных систем. Изучение типовых технологических процессов начинается с углубленного рассмотрения методов откачки: штенгельной и бесштенгельной откачки. Вторая часть курса создаёт у студентов навыки конструирования элементной базы внутрикамерных устройств. Анализируются компоновка вакуумных установок по шлюзованию, степени непрерывности процессов, принципам межоперационной транспортировки. Изучаются элементы камер: фланцы, окна, токовводы, вводы движения, манипуляторы, шлюзы. Затем следует изучение методов термовакуумной обработки с учетом газопроницаемости, адсорбции, и десорбции газов,

3 Цели и структура курса ОВТ:. Полученные навыки закрепляются шестью тестами рубежного контроля. Лабораторные работы подкрепляющие курс включают изучение насосов и манометров, быстроты откачки, методов течеискания, масс-спектрометрии. Использование курса В 7 семестре студенты выполняют курсовой проект по «Основам вакуумной техники», целью которого является проверка инженерных навыков и уровня практических знаний в области вакуумной техники. Курс «ОВТ» будет использоваться при выполнении курсовых проектов не только по «Основам вакуумной техники» но и в курсовых проектах : «Основы электронных технологий», «РИК оборудования».

4 Разделы курса ОВТ: 1) молекулярно-кинетическая теория ; 2) физические процессы в вакууме, деление вакуума по степеням, критерии для оценки степени вакуума ; 3)принципы работы насосов, манометров, течеискателей, анализаторов остаточной газовой среды, 4) типовые схемы вакуумных систем, 5) основные зависимости для стационарной и нестационарной вакуумных систем, расчёт времени откачки 6)Элементная база вакуумной техники, основы конструирования, 7) типовые конструкции и структура построения вакуумных систем различного технологического назначения. Лабораторные работы включают: изучение насосов изучение манометров, измерение быстроты откачки, изучение методов течеискания, изучение методов масс-спектрометрии. Изучение методов вакуумной диагностики на примере ТМН

5 Рекомендуемая литература 1.Розанов Л.Н. Вакуумная техника. Учебник для высшей школы, 3-е издание, М.- Высшая школа, 2007, 391 с. 2. Пипко А.И. и др. Конструирование и расчёт вакуумных систем. М., Энергия, с. 3. Вакуумная техника: Справочник. Под редакцией Е.С. Фролова, В.Е. Минайчева. М., Машиностроение, (Примечание: Конструкции элементов вакуумных систем, представленные в справочнике не рекомендуется для использования при курсовом проектировании) 4.. Механика и физика точных вакуумных механизмов / Под редакцией проф. Е.А. Деулина, т.1.- Владимир, Владим. Гос. Университет, с. 5. Механика и физика точных вакуумных механизмов / Под редакцией проф. Е.А. Деулина, т.2.- М. «Интелвак-Вакууммаш», с. 6. Е.А. Деулин, О.А.Румянцева Конспект лекций по Основам Вакуумной Техники на английском языке, МГТУ, 1997г., 67с. 7. Ю.А.Хруничев Е.А.Деулин Э.П.Амосова Расчёт передач движения в вакуум, М., МГТУ.,. !977г. 55 с. 6. Машиностроение. Энциклопедия (в 40 томах). т , (Под ред. проф. Ю.В. Панфилова) часть М., «Машиностроение», с Руководство к выполнению расчетной части курсовых и дипломных проектов / Учебное пособие для студентов вечернего факультета. – М.:МВТУ, – 60 с. 8. Целевые механизмы вакуумного технологического оборудования / Атлас типовых конструкций/ Е.П. Аршук, А.И. Беликов, Е.А.Деулин и др. – МГТУ, – 68 с.

6 Понятие вакуум Вакуум - газовая среда с давлением ниже атмосферного (P

7 Некоторые единицы измерения давления, принятые в мировой практике.Pa N/m 2 bar Pa 11*10 -5 bar1* mbar1001*10 -3 Torr1.33* *10 -3 micron *10 -6 atm1.01* mmWS *10 -5 psi6.89* *10 -2 psf *10 -4

8 Основные единицы измерения давления, принятые в мировой практике Pa N/m 2 barmbarmbar dyn/ cm 2 Torr mmHg micr on mTo rr atmatMmWSpsi lbf/inch 2 psf lbf/ft 2 Pa11* * * * * * *10 -2 bar1* *10 3 1* * * *10 3 mbar1001* * * * mbar0.11* * * * * * * *10 -3 Torr1.33* * * * * micro n * * * * * * * *10 -3 atm1.01* * * * *10 3 at9.81* * * * *10 3 mmW S * * * * * * psi6.89* * * * * * psf * * * *

9 Использование вакуума в рутинных и модернизируемых технологиях ЭВП (расширим знания курса ФОЭТ)

10 Использование вакуума в рутинных технологиях откачки ЭВП ( P= Pa) (вспомним курс ФОЭТ)

11 Использование вакуума в рутинных и модернизируемых технологиях ЭВП (расширим знания курса ФОЭТ) Схема карусельной откачной машины (машины со средним вакуумом, Р= Па): 1- откачиваемые ЭВП; 2-кулачок управления клапанами; 3-клапан; 4-подвижный диск золотника; 6-механический насос; 7- карусель с Роликами; 8-улита поворотно-фиксирующего механизма; (ПОМ); 9-ось; 10-двигатель привода карусели; 11-манометр.

12 Условные обозначения насосов (начало таблицы) ОСТ эл. пром. Справочник по ВТ Описание Механический вращательный (объемный) насос P=10-1 Па Pp=105 – 5*10-1Па Двухроторный насос P=10-2 Па Pp=10-10 Па Турбомолекулярный насос P=10-7 Па Pp=10 – 5*10-7 Па Водокольцевой насос P=103 Па Pp=105 – 5*103 Па Пароструйный диффузионный насос P=10-4 Па Pp=10 – 5*10-4 Па

13 Условные обозначения насосов ( продолжение ) ОСТ эл. пром. Справочник по ВТ Описание Пароструйный пароэжекторный насос P=10-1 Па Pp=102 – 5*10-1 Па Адсорбционный насос P=10 Па (P=10-4 Па) Pp=105 – 10 Па (Pp=10 – 10-3 Па) Магнитный эл. разрядн. насос P=10-7 Па Pp=10-1 – 5*10-7 Па Криосорбционный насос P=10-10 Па Pp=10-1 – 5*10-10 Па Криогенный насос P=10-9 Па Pp=10-1 – 5*10-9 Па

14 Условные обозначения элементов вакуумопроводов ОСТ эл. пром. Справочник по ВТ Описание Ловушка (общее обозначение) Адсорбционная ловушка Клапан Натекатель Затвор Манометр (вакууметр)

15 Использование вакуума в современных технологиях

16 Использование вакуума (10 -3 Па) в технологии сварки. 1.7 The diagram of the electron beam welding carousel installation: 1- electron gun; 2- spindle with the detail being worked; 3- drive of the spindle vertical transference; 4- rotation motion feedthrough; 5- motor of the spindle rotation; 6- cross wheel for periodical carousel turning (rotation); 7- rotation motion feedthrough.

17 Использование вакуума (10 -5 Па) в технологии Электронной литографии Еlectron beam lithography installation based on a hydro drive: 1- work chamber; 2- sluice chamber; 3- light-emitting diodes of raster coordinate counting system; 4- cross pilot- bearing of the coordinate table; 5- hydro drive of cross transference; 6- pilot-bearing of the coordinate table; 7- hydro drive of the coordinate table transference; 8- manual drive of the samples feeder; 9- drive of the gate; 10- drive of the storage drum.

18 Использование вакуума (10 -4 Па) в технологии нанесения тонких плёнок Схема установки УВН-73П-2: 1- the arm of the manipulator for the samples loading into vacuum chamber; 2- storage drum; 3-sluice chamber; 4-working drum; 5- vacuum chamber; 6- drive of the arm; 7- gate; 8- evaporator; 9- carrousel ; 10- evaporator screen; 11- gear wheel of working drum; 12,13- the drives of the carrousel and the drum.

19 Использование вакуума (10 -4 Па) в технологии нанесения тонких плёнок 1.2a The view of the internal vacuum chamber mechanisms of the thin films coating installation manufactured by Balzers Company[1]: 1-evaporators screens; 2- working drums, 3- drums rotation drive; 4-carrousel.

20 Использование вакуума (10 -4 Па) в технологии выращивания монокристаллов Installation based on Chockhralsky method: 1- touch-string of a monocrystal; 2- harmonic drive for the monocrystal touch-string transference; 3- nut-screw drive; 4- drive of the fast touch-string transference; 5-drive of the touch-string rotation; 6- motor of the touch-string transference; 7- motor of the touch-string rotation.

21 Использование вакуума (10 -9 Па) в технологии МЛЭ Installation of molecular beam epitaxy: 1,2,3- evaporators; 4- the carrier with the sample; 5,6,7- the screens of the evaporators; 8- linear motion feedthrough for the carrier transference; 9- the samples magazine; 10-the carrier drive; 11- sluice chamber. Fig The general view of the analytical installation of Riber Co.[8]: 1- two freedom degree magnet vacuum manipulator; 2- sluice chamber; 3- inlet vacuum valve; 4- positioning vacuum manipulator; 5- work chamber.

22 Использование вакуума в современных технологиях

23 Использование вакуума в современных технологиях поверхностного и структурного анализа The general view of the analytical installation of Riber Co.: 1- two freedom degree magnet vacuum manipulator; 2- sluice chamber; 3- inlet vacuum valve; 4- positioning vacuum manipulator; 5- work chamber.

24 Использование вакуума в современных методах физико- химического анализа поверхности P= Pa 1. EMP (Electron Microprobe) - ЭМА (Электронный Микроанализатор) первичный пучок: электроны; вторичный пучок: электроны (анализ тока); 2. AES (Auger Electron Spectroscopy) - ЭОС (Электронная Оже-спектроскопия) первичный пучок: электроны ( эВ); вторичный пучок: электроны (анализ энергии); 3. ESCA (Electron Spectroscopy for Chemical Analysis) - ЭСХА (Электронная Спектроскопия для хим. анализа) первичный пучок: фотоны Х; вторичный пучок: электроны (анализ энергии); 4. SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) - ВИМС (Вторичная Ионная Масс- спектрометрия) первичный пучок: ионы; вторичный пучок: ионы (анализ массы); 5. ISS (Ion Scattering Spectrometry) - СПРИ (Спектрометрия рассеявшихся ионов) первичный пучок: ионы; вторичный пучок: ионы (анализ энергии);

25 Размещение датчиков-анализаторов в вакуумных камерах установок физико-химического анализа поверхности ( P= Pa) From down left, according clock wise rotation : 1- detector of the secondary ions; 2 -searched wafer -; 3- secondary ions mass-spectrometer; 4- electron gun for Auger analysis; 5- X-ray source; 6- energy analyzer; 7- ion gun; 8- ultra violet source; 9- micro focus electron gun; 10- electron gun; 11- Faraday cup.

26 Требования к манипуляторам при перемещени датчиков-анализаторов в вакуумных камерах установок физико-химического анализа поверхности ( P= Pa) ХарактеристикиЗначение параметра 1.Вакуум10 -9 Па 2.Количество степеней подвижности до 6 3.Диапазоны перемещений Х,Y Z ±40 мм ±20 мм 4.Точность отсчета линейных перемещений ±0.5 мкм 5.Диапазон угла поворота, угла наклона объекта, угла азимутального поворота объекта Точность отсчета угловых перемещений ±1 угл. Мин. 7.Биения вводов вращения, приведенные к объекту радиальное осевое ±10-50 мкм ±0.5-1 мкм

27 Использование вакуума в современных методах физико- химического анализа поверхности P= Pa EMP (ЭМА) AES (ЭОС) ESCA (ЭСХА) SIMS (ВИМС) ISS (СПРИ) Глубина10 4 Å15 Å50 Å монослои ~3 000 монослой ~3 Å Обнаружение: - элементовда - изотоповнет да - водороданет да Чувствительность: - монослоя

28 Использование вакуума в технологии ВИМС (SIMS) анализа поверхности P= Pa SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) - ВИМС (Вторичная Ионная Масс- спектрометрия) первичный пучок: ионы; вторичный пучок: ионы (анализ массы);

29 Вид вакуумной установки вторичной ионной масс- спектрометрии CAMECA-4m, P= Pa Внешний вид установки вторичной ионной масс-спектрометрии «Cameca-4m».

30 Использование вакуума в новейшем методе анализа поверхности с помощью времяпролётной масс- спектрометрии P= Pa При времяпролётной масс- спектрометрии (TOF SIMS) исследуемая поверхность образца бомбардируется импульсным пучком первичных ионов. В результате такого воздействия ионы в атомарном и молекулярном состояниях эмитируют с внешних слоёв поверхности. Их масса определяется временем, за которое они проходят путь от поверхности до детекторного приёмника. Этот процесс длится до тех пор, пока не будет получен полный спектр с высоким динамическим диапазоном.

31 Вид вакуумной установки времяпролётной масс- спектрометрии P= Pa

32 Использование вакуума в современных технологиях (cборка фотоэлектронных приборов ночного видения P= Pa, «НПО Геофизика», ул. Стромынка, 18 ) ЭОП поколения 2+ с параллельным переносом электронного изображения с фотокатода на МКП и с МКП на экран в электростатическом поле 1-стекловолоконная или стеклянная пластина ВОП; 2-многощелочной фотокатод; 3-МКП (входная поверхность); 4- МКП (выходная поверхность); 5- катодолюминесцентный экран; 6- стекловолоконный выходной элемент; 7-металлокерамический корпус; 8-индеевое уплотнение;

33 Результат использование вакуума в технологии cборки приборов ночного видения P= Pa, «НПО Геофизика», ул. Стромынка, 18, Вид нашлемника с закреплёнными на нём двумя ЭОП поколения 3+ с параллельным переносом электронного изображения с фотокатода на МКП и с МКП на экран

34 Использование вакуума в технологии cборка фотоэлектронных приборов ночного видения P= Pa (10 Авторских свидетельств МТ-11, МГТУ им.Н.Э.Баумана).

35 Использование вакуума P= Pa в технологии сборки ФЭП (проект МЭЛЗ) 1- work chamber for photo cathode forming; 2- the photoelectron gauge being assembled; 3- stem of the photoelectron gauge ; 4- linear motion feedthrough; 5,6- cryogenic sorption pumps; 7,8- vacion pumps; 9,10- adsorption pumps; 11- rough-vacuum pump.

36 Использование вакуума в современных технологиях(Установки термоядерного синтеза «Токамак 10», «Токамак 15 », P= Pa)

37 Пример проекта по курсу ОВТ «Использование технологии СВЧ накачки Установки термоядерного синтеза «Токамак 15 » в вакууме P= Pa

38 Использование вакуума в технологии защиты труб магистральных трубопроводов от «водородной болезни», P= – Pa, (Патент МТ-11, МГТУ им. Н.Э.Баумана и примеры фрагментов проектов по ОВТ)

39 Пример использования вакуума в технологии защиты труб магистральных трубопроводов от «водородной болезни» (на основе фрагментов проекта по ОВТ)

40 Использование вакуума в современной ВИМС (SIMS) технологии диагностики отказов труб магистральных трубопроводов, от «водородной болезни» P= Pa (Патент МТ-11, МГТУ им Н.Э.Баумана) Уважаемые студенты, убедительная просьба не распространять представленный вам материал за пределами МГТУ им Н.Э.Баумана

41 Уважаемые студенты, Спасибо за внимание !