fizyczne podstawy mikrotechnologii

FIZYCZNE PODSTAWY MIKROTECHNOLOGII

Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl)

POMPY PRÓŻNIOWE

BEZWYLOTOWE

POMPY PRÓŻNIOWE BEZWYLOTOWE

WLOT WLOT

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

p [mbar]

NISKA PRÓŻNIA

ŚREDNIA PRÓŻNIA

WYSOKA PRÓŻNIA

ULTRAWYSOKA PRÓŻNIA

37 1010 mbar

3101mbar

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

GmbH Cologne

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

Porowatość pierwotna

Porowatość wtórna

CZĄSTECZKI GAZU

CZĄSTECZKI GAZU UWIĘZIONE W STRUKTURZE

ZEOLITU

POMPA SORPCYJNA ZEOLITOWA

-BUDOWA-

POMPA SORPCYJNA ZEOLITOWA - BUDOWA

WLOT GAZUPOŁĄCZENIE

POMPY Z ATMOSFERĄ

„KOREK”

ZEOLIT

KORPUS POMPY

KANAŁ

-PRACA-

POMPA SORPCYJNA ZEOLITOWA - PRACA

ZBIORNIK OPRÓŻNIANY

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

(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

(pV)/m [mbar·l/g]

N2(-195)°C

N2(20)°C

lmbar 3102

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

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

(pV)/m [mbar·l/g]

N2(-195)°C

N2(20)°C

lmbar 210

Ilość azotu zaadsorbowana przez zeolit

1 10220

2 10195

Ilość azotu zaadsorbowana przez zeolit

glmbar

2 105102

CIEKŁY AZOT

T=-195°C

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

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

(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

Ogrzewanie zeolitów do temperatury

T=(300-350)°C

REGENERACJA

USUNIĘCIE GAZÓW ZAADSORBOWANYCH

PRZEZ ZEOLIT DO ATMOSFERY

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

p [mbar]

NISKA PRÓŻNIA

ŚREDNIA PRÓŻNIA

WYSOKA PRÓŻNIA

37 1010 mbar

3101mbar

GmbH Cologne

POMPY SUBLIMACYJNE

BUDOWA

POMPY SUBLIMACYJNE - BUDOWA

KORPUS POMPY

SUBLIMATOR GRZEJNIK POKRYTY

MATERIAŁEM SORPCYJNYM

„SORBENTEM”

STOSOWANE SORBENTY:

TYTAN, MOLIBDEN,

CYRKON, TANTAL

WLOT POMPY

POMPY SUBLIMACYJNE

POMPY SUBLIMACYJNE - PRACA

Rozgrzewanie sublimatora

TEMPERATURA PRACY

SUBLIMATORA T=(1400÷1800)°C

Parowanie sorbentu

T=(1400÷1800)°C

CZĄSTECZKI TYTANU

Formowanie lustra sorpcyjnego

LUSTO SORPCYJNE Z TYTANU

Adsorpcja cząsteczek gazu padających na powierzchnię lustra

sorpcyjnego

ZAADSORBOWANE NA LUSTRZE SORPCYJNYM

CZĄSTECZKI GAZU

„Przykrycie” zaadsorbowanych cząsteczek gazu warstwą tytanu

KOLEJNA WARSTWA TYTANU

„PRZYKRYWAJĄCA” ZAADSORBOWANE CZĄSTECZKI GAZU

Proces adsorpcji cząsteczek gazu na lustrze sorpcyjnym może być

wspomagany poprzez zastosowanie chłodzenia lustra sorpcyjnego

CHŁODZENIE LUSTRA SORPCYJNEGO DO

TEMPERATURY CIEKŁEGO AZOTU (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

p [mbar]

NISKA PRÓŻNIA

ŚREDNIA PRÓŻNIA

WYSOKA PRÓŻNIA

37 1010 mbar

3101mbar

GmbH Cologne

BUDOWA

KORPUS POMPY

CHŁODNICA

LUSTRO SORPCYJNE

SUBLIMATOR

KOLEKTOR (0V)

KATODA(+)

SIATKA (++)

KORPUS POMPY

SUBLIMATOR

KORPUS POMPY

LUSTRO SORPCYJNE

SUBLIMATOR

KORPUS POMPY

CHŁODNICA

LUSTRO SORPCYJNE

SUBLIMATOR

KORPUS POMPY

CHŁODNICA

LUSTRO SORPCYJNE

SUBLIMATOR

KATODA(+)

KORPUS POMPY

CHŁODNICA

LUSTRO SORPCYJNE

SUBLIMATOR

KOLEKTOR (0V)

KATODA(+)

SIATKA (++)

ZASADA DZIAŁANIA

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

KOLEKTOR (0V)

KATODA +(100÷300)V

SIATKA +(1.5÷2)kV

EMISJA TERMO ELEKTRONÓW

Z KATODY

KOLEKTOR (0V)

KATODA +(100÷300)V

SIATKA +(1.5÷2)kV

WYHAMOWANIE ELEKTRONÓW

KOLEKTOR (0V)

KATODA +(100÷300)V

SIATKA +(1.5÷2)kV

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

KOLEKTOR (0V)

KATODA +(100÷300)V

SIATKA +(1.5÷2)kV

UNOSZENIE CZĄSTECZEK

GAZU W STRONĘ LUSTRA

SORPCYJNEGO

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

p [mbar]

NISKA PRÓŻNIA

ŚREDNIA PRÓŻNIA

WYSOKA PRÓŻNIA

37 1010 mbar

3101mbar

GmbH Cologne

BUDOWA

„komórka Penninga” „Penning cell”

KATODA

WEWNĘTRZNA POWIERZCHNIA

KATODY POKRYTA WARSTWĄ TYTANU

ZASADA DZIAŁANIA

KATODA

PROMIENIOWNIE KOSMICZNE

KATODA

Inicjowane jonizacji gazu (zapalenie się wyładowania jarzeniowego)

PROMIENIOWNIE KOSMICZNE

KATODA

Inicjowane jonizacji gazu (zapalenie się wyładowania jarzeniowego)

JONIZACJA CZĄSTECZEK

KATODA

Zapalenie się wyładowania jarzeniowego

Elektron w skrzyżowanym

polu elektrycznym i magnetycznym będzie poruszał

się po torze spiralnym

KATODA

zapalenie się wyładowania jarzeniowego

Jonizacja kolejnych

cząsteczek gazu podtrzymujących

wyładowanie jarzeniowe

KATODA

Bombardowanie powierzchni katod jonami gazu

Jonizacja kolejnych

KATODA

Bombardowanie powierzchni katod jonami gazu

Jonizacja kolejnych

KATODA

Rozpylanie materiału katody, który osadza się na wewnętrznej powierzchni anody

Jonizacja kolejnych

KATODA

Rozpylanie materiału katody, który osadza się na wewnętrznej powierzchni anody

Jonizacja kolejnych

KATODA

Tworzenie się lustra sorpcyjnego na wewnętrznej powierzchni anody

Jonizacja kolejnych

KATODA

Trwałe pompowanie gazu na wewnętrznej powierzchni anody

Jonizacja kolejnych

KATODA

WYGLĄD KATOD WE WSTĘPNYM OKRESIE POMPOWANIA

POMPOWANIE GAZU

(NIETRWAŁE) NA KATODZIE

KATODA

WYGLĄD KATOD PO DŁUGOTRWAŁYM OKRESIE POMPOWANIA

TWORZENIE SIĘ „KRATERU” NA

KATODZIE POŁĄCZONE Z UWALNIANIEM

ZAADSORBOWANYCH NIETRWALE

CZĄSTECZEK GAZUKRATER

UWOLNIONA CZĄSTECZKA

BUDOWA POMPY

KOMÓRKI PENNINGA

KATODA

OBUDOWA ŁĄCZĄCA

ELEKTRYCZNIE ANODY

KATODA

+3kV KATODA

POLE MAGNETYCZNE

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

LEYBOLD VACUUM GMBH Cologne

NIESTABILNOŚĆ PRACY POMPY PRZY

POMPOWANIU GAZÓW

SZLACHETNYCH

Układ diodowy

KATODA

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

Układ diodowy – absorpcja cząstek gazu na katodzie

Układ diodowy – adsorpcja powierzchniowa

Układ diodowy – rozpylanie cząstek tytanu

Układ diodowy – pompowanie na lustrze sorpcyjnym

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

KATODA ANODATARGET TARGETKATODA

KATODA POKRYTA WARSTWĄ TYTANU

Jonizacja gazu

Bombardowanie katod jonami gazu

Tworzenie lustra sorpcyjnego

„Pompowanie” gazu na katodach i anodzie

Jony docierające do targetu mają niewielkie energie

KATODA ANODATARGET

przyspieszające Pole

hamujące

Jony docierające do targetu mają niewielkie energie

POMPY KRIOGENICZNE

Criogenic pump

POMPY KRIOGENICZNE – ZAKRES PRACY

p [mbar]

NISKA PRÓŻNIA

ŚREDNIA PRÓŻNIA

WYSOKA PRÓŻNIA

37 1010 mbar

3101mbar

GmbH Cologne

POMPY KRIOGENICZNE

BUDOWA

POMPY KRIOGENICZNE

KORPUS POMPY

WLOT POMPY

POMPY KRIOGENICZNE

LN2 LN2

78KKORPUS POMPY

WLOT POMPY

POMPY KRIOGENICZNE

LN2 LN2He He

78K4.5K KORPUS

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 KRIOGENICZNE

LN2 LN2He He

78K4.5K KORPUS

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

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

GMBH Cologne

100% 1%

Pompowanie pary wodnej

Para wodna pompowana jest w około

GMBH Cologne

100% 40%

Pompowanie azotu N2

azot pompowany jest w około

GMBH Cologne

WYMRAŻARKI

Ciśnienie cząstkowe par wielu substancji wchodzących w skład

atmosfery resztkowej pompowanego zbiornika w temperaturze 77K ulega

znacznemu obniżeniu

WYMRAŻARKI – PRZYKŁAD BUDOWY

CZYNNIK CHŁODZĄCY

LUB PAR

WLEW CZYNNIKA

CHŁODZĄCEGO

CZYNNIK CHŁODZĄCY

WLEW CZYNNIKA

CHŁODZĄCEGO

CZYNNIK CHŁODZĄCY

LUB PAR

fizyczne podstawy mikrotechnologii

Documents

fizyczne podstawy dzia ania telefonii komórkowej ·...

spp.ogólna.t1 rozdz. 14 - osoby fizyczne

podstawy konstrukcji maszyn · 2020. 3. 18. · podstawy...

hydrobiologia właściwości fizyczne wody

wychowanie fizyczne komentarz do podstawy programowej

wychowanie fizyczne

optymalizacja przygotowania do leczenia nerkozastępczego...

efekty modułowe - phavi.umcs.pl · moduł m1:...

fizyczne podstawy elektrotechniki · pola wprowadził do...

Środowisko fizyczne i społeczne · podstawy teoretyczne...

fizyczne podstawy komunikacji franciszek gołek (golek@ifd...

fizyczne podstawy teledetekcji wykład 5

fizyczne podstawy mikrotechnologii

wychowanie fizyczne · wychowanie fizyczne po ukończeniu...

podstawy chemii...

jednostki fizyczne cechy fizyczne wody i powietrza prawa...

wychowanie fizyczne

właściwości fizyczne gleb

podstawy fizyczne absorpcji rentgenowskiej

fizyczne podstawy mikrotechnologii