Рассмотрев основные факторы, определяющие откачку вакуумной системы, остановимся на обсуждении вопросов конструирования таких систем в зависимости от используемого метода откачивания.

Не касаясь технических характеристик конкретных систем, рассмотрим основные принципы построения систем, определяющие эти характеристики. Для удобства будем рассматривать указанные принципы в зависимости от используемого типа насоса (системы насосов), хотя некоторые из них могут применяться в равной степени к любым откачивающим системам.

Типичный пример сверхвысоковакуумной системы, откачиваемой диффузионным и ротационным насосами, представлен на рис. Штриховой линией обозначена та часть системы, которая допускает прогрев; к этой части системы относятся клапаны V1 V2 и V3. Клапаны V2 и V3 обычно делаются цельнометаллическими. Что касается клапана V1, то его проводимость должна быть достаточной для обеспечения максимальной производительности диффузионного насоса, следовательно, его проходной диаметр должен быть большим.

 Рис.7.3 Сверхвысоковакуумная система, откачиваемая диффузионным и ротационным насосами: 1— рабочая камера; 2 — газоанализатор; 3 — ионизационный вакуумметр; 4 — ловушка. о>.лаждаемая жидким азотом; 5 — отражатель масляных паров; 6 — диффузионный насос; 7 — вакуумметр Пирани; 8—цеолитовая ловушка, охлаждаемая жидким азотом; 9 — ротационный насос; V1 — V3 — клапаны.

Цельнометаллическая конструкция такого клапана, как уже отмечалось, оказывается довольно дорогой и сложной, поэтому обычно в качестве клапана Vi используются различного типа затворы с уплотнением из витона А, которые способны выдерживать нагрев в открытом положении до 250 °С. Если же систему необходимо прогревать до более высокой температуры, то в этом случае печь устанавливают над клапаном V1 (по уровню средней штриховой линии).

8 некоторых конструкциях использование клапана Vi не предусмотрено; в такие системы нельзя напускать атмосферный воздух до полного охлаждения диффузионного насоса. Диффузионные насосы, работающие на таких жидкостях, как полифе-ниловый эфир или масло на основе нафталина, нуждаются в отражателях паров, охлаждаемых водой, для уменьшения обратного переноса рабочей жидкости.

Кроме того, в сверхвысо-ковакуумных системах между диффузионным насосом и рабочей камерой помещается заливная ловушка, охлаждаемая жидким азотом, которая одновременно является крионасосом для паров воды и двуокиси углерода. В некоторых системах вместо такой ловушки используется криопанель, помещаемая перед охлаждаемым водой отражателем. Охлаждение такой криопанели осуществляется с помощью медного теплопровода, свободный конец которого помещается в сосуд Дьюара с жидким азотом.

Для предотвращения попадания масла из форвакуумного насоса в диффузионный следует устанавливать охлаждаемую жидким азотом цеолитовую ловушку.

Откачка должна проводиться по следующей схеме. Сначала система откачивается до давления ~ 10 Па форвакуумным насосом при открытом клапане V2 (все остальные клапаны закрыты). Это делается для предотвращения откачивания больших количеств газа через диффузионный насос, с тем чтобы не происходил возможный вынос рабочей жидкости из диффузионного насоса вместе с откачиваемым газом. Затем клапан V2 закрывается, открывается клапан V1 и включается нагрев диффузионного насоса. После установления рабочего режима диффузионного насоса открывается затвор V1, и система откачивается до давления 10^-5 Па.

Затем включается печь, и вся система в течение нескольких часов выдерживается при максимально допустимой температуре. Затем печь выключается, система охлаждается, а ловушка диффузионного насоса заполняется жидким азотом. На этой стадии для улучшения вакуума возможен дальнейший отжиг той части системы, в которую не входит ловушка, причем желательно, чтобы нагрев осуществлялся до более высоких температур. Для систем, откачив аемых диффузионным и ротационным насосами, весьма важным является наличие противоаварийных устройств на случай обесточи-вания системы, прорыва атмосферного воздуха, прекращения подачи воды и др.

Для этих целей обычно используют быстродействующие электромагнитные клапаны V1, V2, V4 и V3 При аварийном отключении электропитания клапаны V1, V2 и V3 закрываются, a V4 открывается. Все насосы, клапаны, печи и другие агрегаты системы должны снабжаться аварийными выключателями, которые предотвращают их автоматическое включение при возобновлении подачи электроэнергии. Противоаварийное устройство на случай прекращения подачи воды или сжатого воздуха (если он используется для охлаждения) представляет собой термореле, установленное на корпусе насоса, которое отключает нагреватель насоса и закрывает затвор V1 при превышении предельной рабочей температуры насоса.

Нити накала ионизационных вакуумметров и газоанализаторов независимо от типа вакуумной системы должны быть защищены от возможного прорыва в систему атмосферного воздуха. Поэтому серийные вакуумметры и газоанализаторы обычно снабжены предохранительными устройствами, отключающими питание нити накала при повышении давления выше предельно допустимого. На случай прорыва в систему атмосферного воздуха необходимо предусмотреть аварийное перекрытие затвора V1 для предотвращения попадания воздуха в горячий диффузионный насос.

В форвакуумную линию системы, представленной на рис. 7.3, включен вакуумметр Пирани, который используется не только для измерения форвакуума, но и для аварийного управления затвором V1 при резком повышении давления. Кроме того, этот вакуумметр полезен для определения давления, при котором можно включать ионизационный вакуумметр. Ионизационный вакуумметр и газоанализатор перед их включением должны быть также обезгажены согласно инструкции.

В заключение необходимо сказать несколько слов о ловушке, охлаждаемой жидким азотом. Попадание воздуха в систему приводит к конденсации на холодной поверхности ловушки паров воды и двуокиси углерода. Если же в систему прорвется атмосферный воздух, то в ловушке может образоваться жидкий кислород, который при попадании в насос может привести к взрыву.
Поэтому в ловушке не должно быть жидкого азота при напуске в систему атмосферного воздуха (запланированном или аварийном). Затвор V1 может устанавливаться до этой ловушки, если он вместе с механизмом привода допускает нагрев до необходимых температур. Такое расположение затвора позволяет решить проблему аварийного попадания в ловушку атмосферного воздуха.

Поскольку откачивающая система, состоящая из диффузионного и ротационного насосов, обладает высокой производительностью, она наиболее часто используется в различных вакуумных установках по напылению металлов, где обычно имеют место повышенные газовые нагрузки.

Такие вакуумные системы во многих отношениях аналогичны системам, в которых откачка осуществляется с помощью диффузионного и ротационного насосов. Существуют компактные вертикальные турбомолекулярные насосы, которые обладают аналогичными диффузионному насосу характеристиками и могут быть использованы вместо диффузионных насосов. Турбомолекулярный насос, как правило, откачивается ротационным насосом, так что вакуумная система в этом случае аналогична системе, представленной на рис.7.3.

Главным отличием системы с турбомолекулярный насосом является отсутствие маслоотражателя и ловушки, что объясняется очень высокой степенью сжатия в турбомолекулярном насосе по отношению к тяжелым молекулам и, следовательно, отсутствием их обратного потока в систему. Однако, как отмечалось ранее, в большинстве конструкций турбомолекулярных насосов используются смазываемые потоком масла подшипники, которые находятся в зоне высокого вакуума, и при остановке насоса независимо от причин, вызывающих эту остановку, пары масла из подшипников будут попадать в вакуумную систему.

Поэтому на случай аварийного прекращения подачи энергии должна быть предусмотрена защита турбомолекулярного насоса путем быстрого перекрывания электромагнитного затвора V1 и напуска в насос атмосферного воздуха. Поскольку при быст ром напуске атмосферного воздуха поток газа может вынести вместе с собой масло из подшипников, не рекомендуется устанавливать напускной клапан со стороны форвакуума. Для решения этой проблемы в некоторых конструкциях напускной клапан устанавливают между ступенями насоса, что обеспечивает равномерное распределение газового потока между всасывающей и нагнетающей полостями.

Основным недостатком турбомолекулярного насоса является относительно низкая степень сжатия по водороду, что приводит к относительно высокому парциальному содержанию водорода в остаточном газе. Парциальное давление водорода может быть снижено, во-первых, уменьшением содержания водорода в фор-вакуумной линии и, во-вторых, использованием дополнительных высоковакуумных откачивающих устройств.

Низкое давление водорода в форвакуумной линии может быть достигнуто, в основном, путем использования правильно выбранного ротационного насоса, а также соответствующего масла. Турбомолекулярный насос можно откачивать также диффузионным насосом, который в свою очередь откачивается ротационным. Но наилучшим, по-видимому, решением этой проблемы является использование турбомолекулярного насоса совместно с титановым сублимационным насосом, устанавливаемым на входе турбомолекулярного насоса.

Сублимационный насос характеризуется высокой скоростью откачивания активных газов, особенно водорода, и не требует непрерывной работы.Большинство конструкций турбомолекулярных насосов позволяет проводить их прогрев приблизительно до 100 ⁰C, что делается с помощью ленточных нагревательных элементов или встроенного в корпус специального нагревателя (см. рис. 3.7). Методика проведения откачки и прогрева вакуумной системы в основном такая же, как и в случае системы, откачиваемой диффузионным насосом.

В случае ионного насоса откачиваемый газ поглощается непосредственно в насосе и не выбрасывается в атмосферу, так что нет необходимости в использовании непрерывно работающего форвакуумного насоса для откачки ионного насоса. Однако начальное давление, при котором ионный насос может быть включен, составляет около 10 Па. Поскольку одним из основных достоинств ионного насоса является полное отсутствие любых загрязняющих органических примесей, использование масляного ротационного насоса для получения форвакуума в этом случае нецелесообразно.

Хотя и существуют механические безмасляные насосы для получения «чистого» форвакуума, достигаемое с их помощью разрежение недостаточно для работы ионного насоса. Поэтому обычно ионный насос используется совместно с сорб-ционным. На рис. 7.4 представлена типичная схема подключения этих насосов. Ионный насос не нуждается в использовании ловушки и отражателя, а также в противоаварийных устройствах при внезапном прекращении подачи энергии. Однако при повышении давления может произойти перегрев насоса.

Рис.7.4 Простейшая сверхвысоковакуумная система, откачиваемая с помощью ионного насоса.

Обычно между ионным насосом и вакуумной системой не требуется затвор. Отсутствие ловушки и затвора позволяет максимально использовать эффективность действия ионного насоса; в некоторых вакуумных системах с этой целью насос устанавливают непосредственно в рабочей камере.

При включении системы на откачку вначале необходимо активировать сорбционные насосы путем их нагревания до 250 С; при этом клапаны V1 и V2 должны быть открыты, a V3 и V4 — закрыты. В результате происходит удаление паров воды из цеолита, адсорбировавшихся в нем при контакте с атмосферным воздухом. После этого клапаны V1 и V2 закрываются, а насосы захолаживаются до температуры жидкого азота. Газ, находящийся в насосах, эффективно охлаждает цеолитовые гранулы, обладающие плохой собственной теплопроводностью. Затем первый сорбционный насос с помощью клапана V3 подключается к системе, давление в которой при этом снижается до ~ 1 Па.

На этой стадии (при открытом V5) систему целесообразно подвергнуть предварительному прогреву (до 12O ⁰C) для повышения эффективности удаления паров воды с внутренней поверхности стенок камеры. Перекрывая клапан V3 и открывая V4, продолжают откачку системы вторым, «незаполненным» сорбционным насосом. При этом температура прогрева системы может быть повышена до 250 °С, а ионный насос приведен в действие. Такой прогрев не только улучшает обезгаживание системы, но и обеспечивает «регенеративный» нагрев ионного насоса, благодаря которому достигается максимальная его производительность.

Считается, что повышение температуры увеличивает эффективность распыления металла катода и повышает скорость диффузии поверхностносвязанного газа. В это время сорбционные насосы могут быть отключены от системы. В результате такого отжига давление в системе должно снизиться, по крайней мере, до 10^-3 Па.

После перекрытия клапана V5 повышают температуру рабочей камеры до 450 С, оставляя неизменной температуру ионного насоса (~250°С); при этом в системе достигается предельное давление <10^-8 Па.

Для удаления значительных количеств активных газов, которые могут выделяться в систему, целесообразно использовать титановый сублимационный насос. Адсорбционный и ионный насосы имеют ограниченную газопоглощающую емкость, особенно в отношении инертных газов, поэтому могут возникнуть проблемы при откачивании систем с большими потоками инертных газов. Емкость адсорбционных насосов может быть увеличена путем предварительного их откачивания с помощью дополнительного безмасляного механического насоса. В этом случае адсорбционные насосы активируются путем их прогрева при более низких давлениях (обычно <10^-4 Па), и в системе достигается более низкое парциальное давление неона.

Альтернативным решением проблемы удаления больших потоков газа является использование гибридной системы откачки, особенно ионного насоса в паре с турбомолекулярный. Такая установка, представленная на рис. 7.6, удобна для длительных по времени экспериментов, когда возможно возникновение больших газовых нагрузок. Турбомолекулярный насос удаляет основную часть газа, обеспечивая необходимые начальные значения газового потока и давления для ионного насоса, который, в свою очередь, создает сверхвысокий вакуум. В системах этого типа затвор V1 и клапан V2 должны допускать прогрев.

Рис.7.5. Усовершенствованная сверхвысоковакуумная система: 1— безмасляный ротационный насос; 2 — сорбционные насосы; 3— малогабаритный вспомогательный ионный насос; 4 — прогреваемый цельнометаллический клапан; б — рабочая камера; 6 — основной ионный насос.

Рис.7.5 Гибридная схема откачки, рассчитанная на большие газовые нагрузки: 1—турбомолекулярный насос; 2 — ротационный насос; 3— цеолитовая ловушка, охлаждаемая жидким азотом; 4 — ионный насос; 5 — рабочая камера; 6 — ионизационный вакуумметр; V1 — прогреваемый затвор; V2 — прогреваемый клапан.

Вакуумные системы с крионасосами в основном аналогичны системам с ионными насосами. Криооткачка, как и ионная, характеризуется отсутствием загрязняющих примесей и возможностью размещения насоса непосредственно в рабочей камере; в дополнение к этому крионасосы обладают более высокой скоростью откачки. Как уже отмечалось, в больших вакуумных системах, например имитаторах условий космического пространства, используются специально сконструированные наливные крионасосы. В небольших же системах используются серийно изготовляемые криогенераторы, подсоединяемые к криопанели, установленной непосредственно в вакуумной системе.

Вследствие ограниченной газовой емкости таких насосов вакуумная система должна быть предварительно откачана с помощью другого насоса. Очевидно, что лучше всего для этого подходит, ввиду отсутствия загрязнений, адсорбционный насос. Однако при необходимости откачивать большие количества инертного газа, например аргона, использование адсорбционного насоса не всегда приводит к удовлетворительным результатам. Хотя криопанель эффективно откачивает аргон, она имеет ограниченную газовую емкость и требует регенерации; в этом случае возникает также проблема откачки аргона сорбционными насосами. Поэтому для этих целей обычно рекомендуют использовать ротационные насосы с хорошей защитой от попадания в систему паров масла. Кроме того, поскольку ротационный насос используется только на начальной стадии откачки, возможное загрязнение системы минимально.

Количество загрязняющих примесей может быть дополнительно уменьшено путем использования ротационного насоса в режиме вязкого течения, т. е. при давлениях не ниже 200 Па. Однако при таких давлениях, кроме повышенной газовой нагрузки на криопанель, в процессе захолаживания насоса происходит конденсация CO2 и паров H2O не только на теплозащитном экране, но и на самой криопанели , что приводит к заметному уменьшению поглощающей способности активированного угля, нанесенного на криопанель, и, как следствие, к ухудшению откачивания водорода и гелия на последующих стадиях откачки. Эта проблема может быть частично решена установкой затвора между камерой и насосом. На рис. 7.7 показана схема такой вакуумной системы.

Благодаря своей высокой скорости откачки крионасосы часто применяются в системах, нагрев которых до высоких температур по каким-либо причинам затруднен. Для уменьшения газовыделения с поверхности стенок рабочую камеру можно охлаждать

Рис. 7.7 Сверхвысоковакуумная система, откачиваемая с помощью крионасоса и ротационного форвакуумного насоса. 1— рабочая камера; 2 — ионизационный вакуумметр; 3 — крионасос; 4 — гелиевый компрессор; 5 — ротационный насос; 6 — ловушка.

жидким азотом. В этом случае интерпретировать показания ионизационного вакуумметра следует с особой осторожностью. Даже если стенки камеры не охлаждаются, расположение вакуумметра в системе относительно рабочей камеры, откачиваемой крионасосом, является существенным, поскольку ионизация зависит от положения вакуумметра относительно криопанели. Ионизационный вакуумметр измеряет плотность газа, а не давление, и, следовательно, если газ в вакуумметре находится при температуре Т1,а во всей остальной системе — при T2, то показания ионизационного вакуумметра будут соответствовать давлению p_i = р(T₂/T₁)^1/2, где р — истинное давление в системе. 

Прогрев системы, откачиваемой крионасосом, может быть связан с некоторыми трудностями. Поскольку крионасосы обычно выдерживают лишь ограниченную тепловую нагрузку, то при нагреве системы, например до 450 °С, температура криопанели может превысить ее рабочую температуру.

Использование для защиты от теплового излучения охлаждаемого водой отражателя, помещенного между насосом и рабочей камерой, приводит к значительному снижению быстроты откачки системы. Как решение использование подвижного отражателя, который перекрывает проход на время нагрева системы. В перекрытом положении эффективность откачки крионасоса уменьшается приблизительно на 75%.

Поскольку скорость откачки крионасоса по водороду относительно мала, включение в систему дополнительного сублимационного насоса становится весьма целесообразным. Кроме того, крионасос может быть использован совместно с другими высоковакуумными насосами, например ионным или турбомолекулярный. Однако следует отметить, что стоимость крионасоса высока, и, следовательно, использование его в гибридной системе откачки оправданно только в том случае, когда он существенно улучшает характеристики системы.

Вне зависимости от используемого метода откачки достижение оптимальных вакуумных условий зависит от осуществления последовательности операций по откачиванию и нагреву системы, в которую входят включение на определенное время и выключение насосов, открывание и закрывание соответствующих клапанов, включение и контроль температуры нагревателей. Последовательность выполнения этих операций, а также их продолжительность определяются состоянием вакуумной системы в текущий момент времени, которое, в свою очередь, зависит от таких факторов, как быстрота откачки, скорость газовыделения в систему, время прогрева печи и т. д.

Управление всеми этими операциями может быть автоматизировано с помощью микрокомпьютера, который к тому же может быть запрограммирован на блокирование возникающих отказов или повреждений элементов системы. Кроме того, компьютер может быть использован для автоматизации процессов, протекающих в рабочей камере.

Использование таких автоматизированных систем управления наиболее целесообразно в крупных высоковакуумных установках, агрегаты которых снабжены различного типа исполнительными механизмами. Так, большинство выпускаемых серийно крупных вакуумных установок, например для вакуумного напыления металлов (ионного травления), а также течеискатели снабжены автоматизированными системами откачки и измерения.

Автоматизация сверхвысоковакуумных установок представляет собой более сложную задачу. Цельнометаллические прогреваемые сверхвысоковакуумные клапаны, как правило, имеют ручной механизм привода. Иногда применяются гидравлический или электромеханический приводы, которые, однако, не допускают прогрева. Фирма VAT изготовляет цельнометаллические клапаны с пневматическим приводом, которые (вместе с исполнительным механизмом) могут быть прогреты до 45O ⁰C Однако этот привод довольно громоздок (120 см3 для клапана с Dy = = 16 мм), и, кроме того, стоимость такого устройства значительно превосходит стоимость клапана, открываемого вручную.

Могут возникать трудности и при необходимости автоматизировать операции заливки и (или) слива из сосуда Дьюара жидкого азота, например, когда в системе используются сорбционные насосы или охлаждаемые ловушки. Конструкция соответствующих устройств достаточно сложна и обычно базируется на применении криогенератора. Следует, однако, отметить, что для сверхвысоковакуумных систем, в котор ых использование таких устройств необходимо, значительные затраты на автоматизацию полностью оправданы. В отношении автоматизации интерес представляют системы, предназначенные для работы в условиях верхней границы диапазона сверхвысокого вакуума, т. е. при давлениях около 10^-6 Па. В таких установках применяются, как правило, уплотняющие прокладки, изготовленные из витона-А, а уровень жидкого азота (если он используется) поддерживается постоянным.

Автоматизация таких систем в настоящее время значительно упрощена благодаря разработанным специальным программируемым устройствам задания последовательности операций. Хотя эти устройства первоначально были сконструированы для промышленных целей, они могут быть легко приспособлены для управления вакуумной системой. Программируемые контроллеры такого рода снабжены системой входов, к которым подсоединяются различные датчики. Поступающие сигналы обрабатываются микрокомпьютером, в который закладываются программы для выполнения различных совокупностей операций. Управляющие сигналы на выходе приводят в действие (включают и выключают) соответствующие реле и электронные преобразователи.

В качестве примера такого контроллера можно привести устройство ISCOS 20, выпускаемое фирмой Philips и предназначенное для управления машинами и механизмами, рассчитанными на пооперационное управление. Это устройство представляет собой многомодульную систему, построенную на печатных платах стандарта Eurocard. Соответствующая программа хранится в энергозависимом СППЗУ (стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство), которое отделено от центрального процессора. Поскольку программирование СППЗУ должно осуществляться в несколько этапов, его содержимое не может измениться из-за каких-либо случайностей.

Центральный процессор способен обслуживать максимально 256 линий ввода — вывода (BB) и выполнять 2045 команд. Однако на каждой плате BB содержится только 16 входных — выходных контактов, и поэтому для полной реализации возможностей системы потребуется несколько плат ВВ. Для большинства вакуумных систем, по всей вероятности, достаточно одной такой платы. В качестве входных датчиков могут быть использованы вакуумметры, спектрометры и, возможно, расходомеры. Выходные линии могут подключаться к блокам питания насосов, блокам управления вакуумметров, приводам клапанов и регуляторам нагревательных элементов.

Типичная программа состоит из следующих операций. Вначале клапаны приводятся в соответствующее «стартовое» положение и включается форвакуумный насос. После достижения определенного уровня давления включается основной насос и клапаны приводятся в нужные положения. Если в качестве основного используется диффузионный насос, то сначала должно быть удостоверено наличие в нем охлаждающей воды. Затем после достижения соответствующего давления может быть приведена в действие печь и осуществлен прогрев системы. Последующей операцией может быть прогрев вакуумметров. Время

нагрева системы может задаваться заранее или определяться в зависимости от величины давления в системе. После прогрева печь должна быть отключена, охлаждена и удалена. Если расчетное разрежение не достигнуто, то в соответствии с программой могут быть проведены операции по проверке системы на герметичность путем измерения давления в отсоединенной рабочей камере в течение некоторого промежутка времени.

При достижении расчетного давления блок управления может быть в дальнейшем использован для контроля рабочих процессов,, например процесса напыления или ионной имплантации, либо переведен в режим непрерывного контроля системы, например путем накопления информации о всех процессах и условиях, а также слежения за ситуацией и блокирования нежелательных отклонений. 

Основное преимущество автоматизированной вакуумной системы состоит в исключении необходимости постоянного дежурства оператора у установки, а также в возможности осуществления управления оператором без специальной подготовки. Даже если контроль ведет опытный специалист, использование автоматики позволяет снизить вероятность возникновения случайных ошибок, связанных с человеческим фактором. Особый интерес представляет использование автоматизированных вакуумных установок в технологических процессах, что позволяет лучше контролировать технологические параметры и существенно повысить производительность.