Conocimientos básicos de vacío.

- Dec 12, 2018-

Conocimientos básicos de vacío.


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Las técnicas de deposición física de vapor (PVD), como la evaporación, la pulverización y la deposición de iones, solo se pueden realizar en condiciones de vacío.

 

La preparación de materiales modernos de película delgada, ya sea tecnología de deposición física de vapor (PVD) o tecnología de deposición química de vapor (CVD), implica la generación de fase gaseosa, transporte, reacción, condensación, deposición y otros procesos en condiciones de vacío. Por lo tanto, el conocimiento básico del vacío involucrado en la preparación de películas delgadas se presenta brevemente en este documento.

 

Conocimientos básicos de vacío.

 

El uso de la fuerza externa para eliminar las moléculas de gas en un cierto espacio cerrado, de modo que la presión en el espacio sea menor que la presión de una atmósfera, el estado físico del gas en el espacio se llama vacío.

En 1643, el famoso experimento de presión atmosférica de Torricelli reveló por primera vez la existencia de vacío, un estado físico de gas delgado y baja presión, y obtuvo la definición de presión atmosférica (la presión generada por una columna de mercurio de 76 mm se define como 1atm) y La base para la medición de vacío.

El grado de vacío está representado por la presión del gas, y la unidad inicial de grado de vacío es mmHg (1atm = 760mmHg).

En 1958, en memoria de Torricelli, las primeras cuatro letras de su nombre torr se utilizaron para reemplazar mmHg como la unidad de grado de vacío (1 torr = 1 mmHg).

También se adoptó el sistema de centímetro-gramo segundo (CGS), con barra como unidad (1 barra = 1 x 105 Pa) y, más comúnmente, mbar (1mbar = 100 Pa).

En la actualidad, con el progreso de la estandarización, el sistema internacional de unidades (sistema SI, a saber, sistema MKS) prevalece gradualmente, y el grado de vacío toma Pa como unidad (1atm = 1.013 * 105Pa).

Recuerde que el vacío entre paréntesis generalmente se convierte en unidades, y mamá no tendrá que preocuparse por que las diferentes unidades en la literatura me confundan.

 

Adquisición de vacío

Por ejemplo, al beber una bebida con una pajilla, el principio es que aspiramos el aire de la pajita y creamos un vacío dentro de la pajilla (la presión dentro de la pajilla es menor que la presión atmosférica externa). Bajo la acción de la diferencia de presión, presionamos la bebida dentro de la lata en nuestra boca a través de la pajilla.

De manera similar, cuando se preparan materiales modernos de película delgada, el vacío requerido también puede ser "aspirado" lejos del aire depositado en la habitación por un dispositivo que llamamos bomba de vacío.

De acuerdo con el principio de funcionamiento de la bomba de vacío, se puede dividir en dos categorías: bomba de transporte de gas (el gas se inhala y descarga constantemente de la bomba de vacío para lograr el propósito del escape) y la bomba de captura de gas (utilizando carbón activado y otros). Los materiales inspiratorios y el dispositivo de fuente de frío deben ser absorbidos por las moléculas de gas en el espacio de bombeo. De acuerdo con el rango de presión de operación de la bomba de vacío, se puede dividir en la primera etapa de la bomba (presión de arranque alta) y después de la etapa de la bomba (presión de arranque baja).

La apariencia y la estructura interna de la bomba mecánica de paletas rotativas se muestra en la figura 1. Es un tipo de bomba de transporte de gas, que puede funcionar directamente desde la presión atmosférica. Es una bomba de etapa frontal de uso común.

 

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Figura 1 Figura de la bomba mecánica y diagrama de estructura interna.

 

El principio de funcionamiento de la bomba mecánica es utilizar la rotación del rotor de las partes mecánicas móviles en la rueda excéntrica para lograr el propósito de inspiración-compresión-escape, como se muestra en la figura 2 (los puntos grises en la figura representan el aire ).

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HIGO. Diagrama esquemático 2 del principio de funcionamiento de la bomba mecánica.

 

La bomba turbomolecular es un tipo de bomba de gran altitud generada por la moderna tecnología de vacío para los requisitos de un entorno sin aceite y de alto vacío. Es un tipo de bomba de transporte de gas. Sin embargo, se requiere que su presión de trabajo inicial sea inferior a 1Pa. Su aspecto y estructura interna se ilustran en la figura 3.

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HIGO. 3 apariencia y estructura interna de la bomba molecular de turbina.

 

En la bomba molecular de la turbina, se entrelazan los rotores de varias etapas y los estatores con diferentes rotores y estatores, y la velocidad de la pala del rotor es de hasta 20000 ~ 60000k r / min. Las moléculas de gas transportadas desde la cuchilla superior se comprimirán aún más a la inferior bajo la acción de la cuchilla inferior, es decir, la energía cinética se transfiere continuamente a las moléculas de gas a través de la colisión, y las moléculas de gas se comprimirán y descargarán paso a paso. paso después de estar dotado de energía cinética, como se muestra en la FIG. 4.

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HIGO. 4 principio de funcionamiento de la bomba molecular de turbina

 

Vale la pena mencionar que, en el proceso de preparación de la película, no ejecute directamente la bomba molecular, ya que en las condiciones de bajo vacío (más moléculas atmosféricas) las hojas de la bomba molecular son fáciles de dañar, según el jefe criticado. En caso de que la bomba molecular explote, el daño a su propia cuenta no puede ser rentable. Por lo tanto, es importante recordar abrir la bomba mecánica y otra bomba de etapa previa, para obtener un cierto grado de vacío antes de la operación de la bomba molecular.

 

Medición de vacío

 

Para comprender el grado de vacío (presión del aire) en la cámara de deposición en tiempo real, se necesita un medidor de vacío (medidor de vacío) en la preparación de la película.

 

De acuerdo con el principio de medición del grado de vacío, se puede dividir en medidor de vacío absoluto (determinar directamente el valor de presión en un espacio determinado) y medidor de vacío relativo (medir primero otras cantidades físicas relacionadas con la presión, después de la conversión para obtener el valor de presión). ). Debido a que el medidor de vacío es fácil de medir, a menudo se usa para medir el grado de vacío de deposición de la película.

 

Como se mencionó anteriormente, la bomba de vacío tiene requisitos estrictos del rango de operación de vacío, de manera similar, diferentes grados de vacío, necesitan usar diferentes medidores de vacío para medir.

 

El indicador de vacío Pirani se usa a menudo para la medición de bajo vacío, que es una forma mejorada de indicador de vacío de termopar. HIGO. 5 es un diagrama esquemático del principio de funcionamiento. Hay dos conjuntos de filamentos en el tubo. Cuando los dos grupos de filamentos se activan y se calientan, la velocidad de disipación de calor en el filamento también es diferente debido a la diferencia en la delgadez del aire ambiente. Por lo tanto, la resistencia de los dos grupos de filamentos será diferente debido a la diferencia de temperatura, y la corriente que fluye a través del filamento también cambiará en consecuencia. Debido a la presión de aire fija en el extremo de referencia, la temperatura del filamento, la resistencia y la corriente en la sección de referencia no cambian, por lo que el grado de vacío en la cavidad que se va a medir se puede obtener por comparación.

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HIGO. 5 diagrama esquemático del principio de funcionamiento del medidor de vacío pirani

 

El campo de medición de alto vacío adopta el medidor de vacío de ionización, que se debe utilizar junto con pirani y otros medidores de bajo vacío. El medidor de vacío de ionización está compuesto principalmente por tres electrodos: cátodo (filamento), ánodo y colector de iones. Su principio de funcionamiento se muestra en la figura 6. Los electrones emitidos desde el cátodo caliente se aceleran a la red, chocan con las moléculas del gas y las ionizan en su camino. Cuando los electrones se alternan para acelerar y desacelerar, eventualmente quedarán atrapados por la eliminación del polo. En el proceso de oscilación recíproca de electrones, las moléculas de gas se ionizarán continuamente y los iones de gas volarán a los polos de recolección de iones para formar una corriente de bucle. En el caso de la corriente de emisión de cátodo fijo y el tipo de gas fijo, la intensidad de la corriente de iones solo dependerá de la presión del gas ionizado, y el grado de vacío en la sala de deposición se puede convertir por la intensidad de la corriente de iones.

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HIGO. 6 diagrama esquemático del principio de funcionamiento del medidor de vacío de ionización

 

A través de la introducción de este artículo, creemos que tenemos la comprensión más básica de la definición de vacío, la conversión de diferentes unidades, y la adquisición y medición de vacío.