Предлагаемый справочник по вакуумной технике и технологиям является перево- дом книги, созданной американскими специалистами. В справочнике приведены фундаментальные положения технологии вакуума и физики поверхности, рассмотрены конструкции различных типов насосов и средств измерения вакуума и течеискания. Подробно описаны различные вакуумные системы и технологии. Приведены примеры применения вакуумной техники. Большое внимание в справочнике уделено описанию технологии получения и под- держания безмасляного вакуума. Справочник содержит значительный объем эксперимен тальных данных, необходимых при проектировании и эксплуатации специального вакуумного технологического оборудования. Справочник является прекрасным дополнением к отечественным изданиям и будет полезен для инженерно-технических работников и специалистов, занимающихся конструированием, изготовлением и эксплуатацией вакуумных систем, а также для студентов и аспирантов технических вузов.
памяти Дороти М. Хоффман............................................................ 14
Предисловие .....................................................................16 Список авторов ............................................................................. 19
Глава 1. Основы вакуумной техники и физики по верхности.................. 21
1.1.
Основные термины и определения вакуумной техники................. 21
1.1.1.
Определение понятия «вакуум».................................................21
Степени вакуума....................................................................... 21
1.2.
Свойства газов......................................................................................24
1.2.1.
Понятие вакуума как газа низкого давления......................................24
1.2.2.
Параметры состояния газа......................................................................... 24
Предисловие редактора перевода Современная вакуумная техника применяется во многих областях науки и промышленного производства. Создание имитаторов космоса, электрофизической аппаратуры, реализацию различных нанотехнологических процессов невозможно представить без элементов вакуумной техники. Сегодня в России издается значительное количество специализированной литературы по вакуумной науке, технике и технологии. Сотрудниками ФГУП «Научно-исследовательский институт вакуумной техники им. С.А. Векшинского» С.Б. Нестеровым, Е.В. Беляевой в изда- тельстве «НОВЕЛЛА» в 2011 г. издана «Аннотированная библиография изданий по вакуумной науке, технике и технологии за 2007–2011 гг.», включающая информацию о 45 изданиях. В 2009 г. в издательстве «Машиностроение» вышло 3-е издание справочника «Вакуумная техника» под общей редакцией К.Е. Демихова, Ю.В. Панфилова, в создании которого приня- ли участие ведущие специалисты России в области вакуумной техники. В 2010 г. в издательстве «ОМР.ПРИНТ» издана коллективная монография специалистов ФГУП «НИИВТ им. С.А. Векшинского», Казанского государственного технологического университета и ЦАГИ им. Н.Е. Жуковского «Методы расчета сложных вакуумных систем» под редакцией С.Б. Нестерова, А.В. Бурмистрова. Предлагаемый справочник по вакуумной технике и технологиям (редактор Д.М. Хоффман, Б. Сингх, Д.Томас) является переводом книги, созданной американскими специалистами. В справочнике приведены фундаментальные положения технологии вакуума и физики по- верхности, рассмотрены конструкции различных типов насосов и средств измерения вакуума и течеискания. Подробно описаны различные вакуумные системы и технологии. Приведены примеры применения вакуумной техники. Большое внимание в справочнике уделено описанию технологии получения и поддержа- ния безмасляного вакуума. Справочник содержит значительный объем экспериментальных данных, необходимых при проектировании и эксплуатации специального вакуумного техно- логического оборудования. Справочник является прекрасным дополнением к отечественным изданиям и будет поле- зен для инженерно-технических работников и специалистов, занимающихся конструирова- нием, изготовлением и эксплуатацией вакуумных систем, а также для студентов и аспирантов технических вузов. Заместитель председателя Совета Российского научно-технического вакуумного общества, профессор Нестеров С.Б. Краткое предисловие Когда Дороти Хоффман предложила своим многочисленным коллегам, занимающихся науч- ными и производственными разработками в сфере вакуума, написать главы для нового «Спра- вочника по вакуумной науке и технологиям», мы не знали, что этот труд станет последним вкладом Дороти в развитие данной области. Преждевременная кончина Дороти в декабре 1996 г. стала утратой не только для мирового научного сообщества, а также для музыкального ми- ра — Дороти была концертирующей пианисткой, выступавшей в Филадельфийской Академии музыки. Голос Дороти страстно звучал как в защиту науки, так и в защиту искусства. Дороти была одним из основателей и первой женщиной-президентом Американского вакуумного об- щества, созданного в 1953 г. для укрепления связи вакуумной технологии с бурно развиваю- щими областями науки (физикой частиц и плазмы, материаловедением, космической наукой) и техники (полупроводниковой электроникой, тонкопленочной оптикой, обработкой мате- риалов), в которых используется строго контролируемая вакуумная среда. В 1990 г. Дороти ушла в отставку со своей должности руководителя лаборатории тонкопленочных технологий в Исследовательском центре Дэвида Сарноффа в Принстоне, штат Нью-Джерси, где она зани- малась разработками и становлением тонкопленочных технологий, которые были существен- ной предпосылкой развития производства микроэлектроники и высокоэффективной оптики. Тем не менее, Дороти продолжала вносить свой вклад в развитие науки и после отставки, доб- ровольно предоставляя Американскому вакуумному обществу свой талант и опыт. В рамках празднования 40-тилетней годовщины Общества в 1993 г. Дороти задумала проект, результа- том которого стал настоящий справочник. Благодаря усилиям двух коллег Дороти по работе в Лаборатории Сарноффа — Бавы Сингха и Джона Томаса, возглавивших окончательное редак- тирование книги, наше сообщество в настоящее время имеет новый справочник по основам науки, технологии, производства и управления вакуумом, а также многочисленным видам его применения в науке и производстве. Все, кому посчастливилось знать Дороти, и кто приоб- щится к ее работе, читая данный справочник, будут ей бесконечно признательны. Х.Ф. Дилла Бывший президент Американского вакуумного общества Лаборатория Джефферсона Ньюпорт Ньюс, штат Виргиния Памяти Дороти М. Хоффман Мы хотим посвятить эту книгу нашему другу и коллеге Дороти Хоффман, которая скончалась 13 декабря 1996 г. Эта книга представляет собой кульминацию ее работы в деле развития тон- копленочных технологий длиной в целую человеческую жизнь. Дороти закончила Политехнический институт в г. Ренсселаера в 1949 г. и получила сте- пень магистра по естественным наукам в Университете Бакнелл. Впоследствии она приступи- ла к работе в International Resistor Corp. в Филадельфии и занималась тонкопленочными тех- нологиями. Ее первая работа по технологии нанесения тонких пленок была представлена на Национальном симпозиуме Американского вакуумного общества (АВО) в 1954 г. и стала од- ной из первых работ на данную тему. В тот же год она вошла в состав АВО и продолжала рабо- тать в качестве активного члена Общества вплоть до своей смерти. На протяжении многих лет она была секретарем Общества, членом Комитета долгосрочного планирования, попечителем и председателем комитета по развитию тонкопленочных технологий (до существования под- разделений). В 1974 г. она стала первой женщиной-президентом АВО. В последующие годы она работала в качестве консультанта отдела по развитию тонкопленочных технологий и в со- вете директоров. В 1981 г. ее сделали почетным членом Общества. Дороти была одним из ос- нователей отдела по развитию тонкопленочных технологий и членом-основателем филиала Общества в Делавар Вэлли, где она работала в качестве секретаря, заместителя председателя и председателя. Всей ее работе на этом поприще в течение 42 лет посвящена данная книга. Проработав 10 лет в корпорации International Resistor Corp., в 1962 г. Дороти перешла в RCA Laboratories. Когда компания RCA была продана GE, и впоследствии стала дочерним предприятием SRI International, Дороти оставалась работать в лабораториях вплоть до своей отставки в 1990 г. В период работы в RCA она была руководителем лаборатории тонкопленоч- ных технологий. Ее научная деятельность включала создание и применение тонких пленок в пассивных оптических устройствах, интегральных и тонкопленочных схемах, видеодисках и во многих других стандартных и нестандартных видах применения. Уйдя в отставку, Дороти Памяти Дороти М. Хоффман 15 не могла сидеть без дела. Она открыла собственную консультативную фирму, где продолжала работать в сфере тонкопленочных технологий. В этот период она много времени посвящала редактированию и написанию «Справочника по вакуумной науке и технологиям». Она хотела закончить этот проект до своего семидесятилетия, но этому, к несчастью, не суждено было сбыться. Кроме своей деятельности на научном поприще, Дороти была активным членом Клуба инженеров Филадельфии, директором и представителем Инженерного и Технического об- ществ. Она была бессменным членом и экс-президентом Общества женщин-инженеров и ак- тивным членом местного филиала. Кроме своей профессиональной деятельности, она была талантливой пианисткой, выступавшей в Академии музыки в Филадельфии. Она занималась садоводством, любила животных, словом, была всесторонне развитым человеком. Она была замужем за Эрлом Хоффманом, умершим в октябре 1996 г. и жила в Титусвилле, штат Нью- Джерси. Дороти всех заражала страстной преданностью всему, чем она занималась. Для всех друзей и коллег ее потеря еще долго будет острым и болезненным переживанием. Джон Х. Томас, III Предисловие Создание «Справочника по вакуумной науке и технологиям» было задумано в 1994 г. как до- полнение к т. 14 «Вакуумная физика и технология» (под редакцией Г.Л. Увайсслера и Р.У. Кар- лсона (1979)) серии «Методы экспериментальной физики». Однако потом было принято ре- шение издать справочник в виде отдельной книги. Данный справочник охватывает области вакуумной технологии, которые подробно не рас- сматриваются в т. 14, а также те области, где технология значительно изменилась. Большое число авторов с мировой известностью написали главы для данного справочника, которые в некоторой степени перекликаются с первоначальным изданием т. 14 серии «Методы экспери- ментальной физики», и тем самым обеспечивают преемственность. Читателям рекомендуется обращаться к т. 14 серии, где содержатся главы с изложением таких понятий, как основные вакуумные уравнения, молекулярный транспорт, подробные сведения о сварке и пайке в ва- кууме, стеклянных вакуумных системах (как правило, не используемых в современной ваку- умной технологии), защитные устройства и др. Мы особо подчеркиваем важность т. 14 серии «Методы экспериментальной физики», поскольку он является основой для данного введения в вакуумную технологию. «Справочник по вакуумной технике и технологиям» состоит из пяти частей: 1) введение; 2) получение вакуума (насосы и технологии, используемые в настоящее время в эксплуатации и конструкции); 3) вакуумные измерения (давление, парциальное давление, поток газа, обна- ружение течей, калибровка и технологии, связанные с вакуумметрией); 4) элементы и конс- трукции вакуумных систем, включая материалы, клапаны, фланцы, эксплуатацию и техни- ческое обслуживание, а также очистку и поддержание чистоты системы; 5) применение высо- ковакуумной и сверхвысоковакуумной технологии. Информация, включенная в настоящий справочник, предназначена для тех, кто практически использует вакуумную технологию. Справочник содержит множество ссылок для получения подробных сведений в конкретных представляющих интерес областях. Часть 1 представляет собой краткий обзор сведений, подробно представленных в т. 14 се- рии «Методы экспериментальной физики». Читателям следует обращаться к этому руководс- тву и другим литературным источникам, в которых содержится основополагающая информа- ция об основных законах, используемых в вакуумной технологии. С момента своего появления вакуумная технология продвинулась далеко вперед. Сегодня основные разработки в вакуумной технологии направлены на автоматизацию оборудования и работы насосов. Проектирование вакуумных систем автоматизируется посредством мощных программ САПР. Будучи очень важным по своей природе, программное обеспечение, как правило, быстро теряет новизну. Следовательно, использование этих программ и их примене- ние находятся за пределами настоящего текста. Информацию по данной теме читатели с лег- костью найдут у поставщиков программного обеспечения и в сети Интернет. В части 2 содержится обзор и глубокое рассмотрение современных насосов, используемых в вакуумной технике. Подразделы написаны экспертами в области технологии применения конкретных типов вакуумных насосов. В эту часть включено рассмотрение следующих вопро- Предисловие 17 сов: механические насосы, диафрагменные насосы, двухроторные насосы (насосы Рутса), диффузионные насосы, криогенные насосы, турбомолекулярные насосы, высоковакуумные насосы (геттерные, магнитные электроразрядные и сорбционные насосы). Кроме описания принципа работы насосов, мы уделили внимание техническому обслуживанию и сферам при- менения. Также излагаются перспективные направления разработки новых насосов. На протяжении последнего десятилетия развивались методы мониторинга вакуумных про- цессов. В части 3 эта тема рассматривается подробно. Новые концепции изменили аппаратуру измерения вакуумного давления. Кроме рассмотрения первых устройств измерения давления, в настоящем справочнике подробно обсуждается использование и техническое обслуживание роторных и емкостных вакуумметров. Высоко автоматизированным стало «искусство» обнару- жения течей и анализ парциального давления. Производители оборудования для обнаружения течей включили в его конструкцию онлайновую регистрацию данных, улучшили чувствитель- ность и автоматическую калибровку скоростей течи на уровне 10–11 мм рт. ст.‑л/с. В настоящее время в анализе парциального давления используется ставшие стандартными квадрупольные масс-спектрометры. Автоматизированные инструменты имеют интерфейсы, которые являют- ся, как правило, совместимыми с высокоскоростными компьютерами. Мы представляем слу- чаи применения анализа парциального давления и обнаружения течей, чтобы читатель озна- комился с полезной методикой применения этих методов в современных вакуумных систе- мах. Аналогичные характеристики рассматриваются для измерений массового потока (потока газа). С появлением высокоскоростных компьютеров локальный контроль и мониторинг раз- личных параметров, встречающихся в вакуумной технологии, стал неотъемлемой частью сов- ременных вакуумных систем. Благодаря использованию различных мониторов обеспечивает- ся динамический контроль процесса в реальном времени и автоматическая регистрация эф- фективности процесса. Эти новые атрибуты делают вакуумное производство и обработку обычным процессом и обеспечивают регистрацию параметров процесса для последующего изучения. В части 4 рассматриваются элементы, используемые в современных конструкциях вакуум- ных систем. С появлением мощной высокоскоростной компьютерной обработки было разра- ботано множество новых расчетных программ. Эти технологии обеспечивают быстрое проек- тирование системы, изменение конструкции и понимание реальной работы и методов авто- матизации. В производстве вакуумных элементов и систем регулярно используются методы САПР и автоматизированного производства. Многие элементы, использовавшиеся в более ранних вакуумных системах, были доработа- ны благодаря применению более качественных материалов. Производство этих элементов, как правило, автоматизировано благодаря использованию электрических/пневматических контрольных устройств. В справочнике подробно рассматриваются новые материалы конс- трукции вакуумных систем, включая алюминий. Читателю дается описание эксплуатации ва- куумной системы, технического обслуживания и решения проблем чистоты и загрязнения. Часть 5 посвящена видам применения высокого и сверхвысокого вакуума в производстве. Основные виды применения вакуума – это осаждение и травление тонких пленок материалов, используемых во многих областях современной техники, включая производство полупровод- ников (кремниевых полупроводниковых пластин, интегральных схем с высокой плотностью 18 Предисловие межсосединений и т.д.), осаждение материалов на большой площади и нанесение покрытий на рулонные материалы. Для того чтобы оставаться в рамках темы вакуумных технологий, мы ограничили число рассматриваемых видов применения. Они включают распыление, плазмен- ное травление, лазерную абляцию, химическое осаждение из паровой фазы и химическое па- ровое осаждение с плазменным усилением, а также виды применения сверхвысоковакуумной аппаратуры для анализа поверхности. Сверхвысоковакуумные системы используются как в сверхчистом осаждении пленки, так и в анализе поверхности. Использование сверхвысокого вакуума в аналитической аппаратуре вытекает из требований поддержания чистоты поверхности во время измерений. Это справед- ливо для большинства аналитических подходов, поскольку они ориентированы на исследова- ние поверхности или структуры, химического состава и состава слоев материала, находящих- ся рядом с поверхностью. Высокий вакуум требуется в тех случаях применения, когда необхо- димы достаточно большие величины среднего свободного пути частицы (и фотона) для их обнаружения детекторами in situ. Эти методы включают рентгеновское оборудование или обо- рудование на основе электронных зондов (например, рентгеновская фотоэлектронная спект- роскопия и оже-электронная спектроскопия). Эти методы рассматриваются с определенной детализацией в том виде, в котором они практикуются в настоящее время, и включают много- численные ссылки для дополнительного чтения. Уникальные виды применения включают раздел о процессах, основывающихся на крупномасштабном применении вакуума. Настоящий справочник представляет собой полное и современное руководство по получе- нию вакуума, вакуумным системам и измерениям, техническому обслуживанию и эксплуата- ции вакуумных систем и оборудования, а также видам применения вакуума. Основной акцент в нашей книге сделан на практическое использование вакуумной технологии. Мы уверены, что вы, как практический пользователь вакуумной технологии, найдете в этом справочнике много полезной информации. Список авторов Номера в скобках соответствуют номерам страниц, на которых начинаются статьи авторов. Гэри С. Эш (129), Подразделение «СиТиАй-Криодженикс», «Хеликс Текнолоджи Корпо- рейшн», Мансфильд, Массачусетс 02048 Уильям Х.Бейлес, Мл. (220), Подразделение «Телевак», «Фредерикс Компани, Инк.», Хан- тигдон Вэлли, Пенсильвания 19006 Говард М. Брэди (220), Подразделение «Электрон Текнолоджи», «Фредерикс Компани Инк.», Хантигдон Вэлли, Пенсильвания 19006 Джеффри Т.Чеунг (616), Научный центр Роквелл, Таузанд Оукс, Калифорния 91360 Бенджамин Б.Дейтон (413), Консультант, Ист Флэт Рок, Северная Каролина 28726 Эмиль Друбецкий (220), Подразделение «Телевак», «Фредерикс Компани Инк.», Хантигдон Вэлли, Пенсильвания 19006 Х.Ф. Дилла (697), Лаборатория Джефферсона, Ньюпорт Ньюз, Виргиния 23606 и Факультет физики, Колледж Уильяма и Мэри, Уилльямсбруг, Виргиния 23185 Ф.Й. Экле (79). ВАКУУБРАНД ГМБХ + КО, Д-97877, Вертайм, Германия Джеймс Л. Гарнер (436), ЭсЭмСи Корпорейнш, Туртин, Калифорния 92780 Рон Гехнер (220), Подразделение «Электрон Текнолоджи». «Фредекрикс Компани Инк.», Хантигдон Вэлли, Пенсильвания 19006 Марсбед Хабланиан (59, 105), (в отставке) «Вариан Эссоушиейтс», Уэллесли, Массачусетс 02181 Уолтер Хельгеланд (370), «Ригаку/США, Инк.», Данверс, Массачусетс 01923 Хинрих Хеннинг (159), Лейбольд Вакуум ГмбХ, D-50968, Кёльн, Германия Л.Д. Хинкль (325), «ЭмКейЭс Инструментс Инк.», Андовер, Массачусетс 01810 Дороти Хоффман Фрэнк Янсен (630), «БиОуСи Коутинг Текнолоджи», 4020 Пайк Лейн, Конкорд. Калифорния 94524 Чак Крафт (379), «Ларсон Электроник Гласс», Редвуд Сити, Калифорния 94064 Ласло В.Лижковский (247), «ДжИ Лайтинг», Кливленд, Огайо, 44112 Дональд М.Мэттокс (490), «Мэнеджмент Плюс Инк.», Албуквек, Нью- Мексико 87122 Р.А. Аутло (291), «Теледайн Браун Инжиниринг: Гастингс Инструментс», Хэмптон, Виргиния 23669 Джанда К.Паниц (380), «Сандия Нэшенел Лабораториз», Албуквек, Нью-Мексико 87185 В.Патель, доктор наук (557). «Сарнофф Корпорейшн», Принстон, Нью-Джерси 08543 Нил Т.Пикок (336, 351), Подразделение «ЭйчПиЭс», «ЭмКейЭс Инструментс, Инк.», Боул- дер, Колорадо 80301 Р.Н.Пикок (396), Вице-президент по развитию (в отставке), Подразделение «ЭйчПиЭс», Эм- КейЭс Инструментс Инк.», Боулдер, Колорадо 80301 Майкл Дж.Пауэрс (596). «Коммонвелс Сайентифик Корпорейшн», Александрия, Виргиния 22314 20 Список авторов Джей Ричман (89), Консультатнт, «Стоукс Вакуум Инк.», Кинг оф Пруссия, Пенсильвания 19406 Уильям Б.Роббинс (672), «3М Корпорит рисёч лабораториз», «Тин Фильм Текнолоджи Рисор- сиз». Ст.Поль, Миннесота 55144 Стефен М.Росснагель (541), ИБМ, Т.Дж.Уотсон Рисёрч Центр, Йорктаун Хайтс, Нью-Йорк 10598 Бава Сингх (21). Исследовательский центр Дейвида Сарноффа, принстон, Нью-Джерси 08543 Джэк Х.Синглтон (183). Консультант, Монроувилль. Пенсильвания 15146 Джон Х.Томас III (21, 648), «3М Рисёрч Лабораториз», Ст.Поль, Миннесота 55144