Conceitos de VácuoConceitos de VácuoIoshiaki Doi

FEEC/UNICAMP

Conceitos de Vácuo

1. Conceitos de Vácuo1. 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 P1

P2

câmara

bomba

• Comportamento dos Gases Comportamento dos Gases na Câmarana 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.

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•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.

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•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 Velocidade de Bombeamento e Corrente Molecular do gásCorrente Molecular do gás

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P Q

•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:

CAB = Q/(PA - PB) (l/s)  • A diferença de pressão P = PA - PB é análoga a

diferença de potencial elétrico.  

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PA PB

Q

•Condutância total da associação :

1/C = 1/C1 + 1/C2

•Associação em Série de 2 TubosAssociação em Série de 2 Tubos

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•Associação em Paralelo de 2 TubosAssociação em Paralelo de 2 Tubos

•Condutância da associação :

C = C1 + C2

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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  

• Unidades de PressãoUnidades de Pressão

• Faixas de PressãoFaixas 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

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• Aplicações de Vácuo em Aplicações de Vácuo em MicroeletrônicaMicroeletrônica

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vácuo primário e médio : CVD, sputtering, plasma etching

alto vácuo : limpeza da câmara, evaporação, i/i

ultra alto vácuo : MBE

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).

2.1. Bombas para a Pressão Primária e Média

• Bomba de piston - comprime e expele o gás. Movimento do eixo fora de centro.

2. Bombas de Vácuo2. Bombas de Vácuo

a) Bomba mecânica de pistão

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V1V2

• Bombas mais comuns utilizadas nas regiões de baixo e médio vácuo.

Bombas Rotativas de Palheta

b). Bomba Mecânica Rotativab). Bomba Mecânica Rotativa

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• Principio de Funcionamento e Principio de Funcionamento e LimitaçõesLimitações

• 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 :

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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

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i). Condensação de vapor na compressão, quando Pparcial > Pvapor

• degrada o óleo

• corrosão da bomba (H2O, Cl2, clorosilanas)

•Problemas:Problemas:

• Solução: diluir o gás na entrada da bomba com gás inerte (N2) – gás ballast.

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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)

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• 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

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• 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 (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.  

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• 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.

2.2. Bombas para Alto Vácuo2.2. 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.

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.

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a). Bomba Difusoraa). Bomba Difusora

Vista de Corte

• 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:

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• Solução: usar armadilha fria resfriada a baixa

temperatura com nitrogênio líquido (muito eficiente).

Armadilha de Nitrogênio Líquido (trap).

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• 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

b). Bomba Turbomolecularb). Bomba Turbomolecular

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•Taxa de compressão e Velocidade de BombeamentoTaxa de compressão e Velocidade de Bombeamento

Veloc.de Bombeamento Tx. 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 109.

Tx.compressão:

109 para N2 e

103 para H2.

• 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.

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•Características :

•Medidores de PressãoMedidores de Pressão

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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 b) Pirani

a) circuito para o medidor Pirani; b) cabeça do medidor; (1) filamento; (2) suporte do

filamento; (3) capa (envelope)

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• Princípio de funcionamento: condutividade térmica dos gases.

• filamento é aquecido dissipa calor por condução T P R.

• Ponte de Wheatstone mede R = f(P).

•De IonizaçãoDe Ionização

Para pressões << 1mtorr e alto e UHV.

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a) Penning: ionização por descarga DC

I = f(P).

b) Catodo quente: uma válvula com filamento ioniza o gás.

I = f(P).

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•Tipos de Selagem:

• O’ring para vácuo médio.

• Flange conflat com anel de Cu ou CuAg para alto vácuo.

Acessórios diversos de vácuo.

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•VálvulasVálvulas

Para isolação tipo fole

•condutância variável

Tipo borboleta para controle

• Válvula agulha para controle de gás Válvula agulha para controle de gás na câmarana câmara

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