Conceitos de Vácuo

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

2. 1. Conceitos de Vácuo Conceitos de Vácuo gás câmara P1 Q Tubo de condutância C bomba P2 • Sistema de vácuo simples: câmara com fluxo Q de entrada, bomba de vácuo e um tubo de condutância C.

3. 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.

4. 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.

5. Conceitos de Vácuo P Q 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) • 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.

6. Conceitos de Vácuo Q PA PB Condutância 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.  

7. 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

8. 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  

9. 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

10. 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

11. 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

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

13. 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.

14. 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.

15. Problemas: Conceitos de Vácuo • 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.

16. 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)

17. 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

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. Problemas: Conceitos de Vácuo • 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).

22. 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

23. 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.

24. 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.

25. 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.

26. 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)

27. 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. •  I = f(P).

28. 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.

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

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