真空是進行離子束刻蝕的必要條件,它的性能好壞直接影響著整機性能。良好的真空系統取決于合理的真空系統理論設計和計算。通過計算主要解決兩個基本問題:一是根據該設備產生的氣體量、極限真空、工作壓力及抽氣時間,選擇主泵的類型、確定管道及選擇真空元件;二是計算該設備抽氣時間。
①確定設備的氣體量,氣體量Q主要有三個來源:一是工作過程中放出的氣體量Q1;二是系統的漏氣量Q2;三是真空室表面出氣量Q3。其中Q1是主要的,它來自離子源,如保證陽極直徑為150mm,離了源在z*大束流密度時,正常工作的氣體流量大約為8Pa·L/s(約等效于300mA束流)。如LSK-3型離子束刻蝕機,經計算總的氣體量為8.077Pa·L/s。
②然后確定本設備真空室中保持1.5×10-2
但為了可靠起見,常將S適當增大,根據具體情況,按增大25%計算,故實際要求的有效抽速S為518.75L/s。
③根據要求的工作壓力及使用要求,選擇主泵的型號。一般選擇油擴散泵作為主泵。
為防止返油進入真空室,擴散泵和真空室之間安裝單百葉窗水冷障板。查有關資料,該障板比流導為4. 8L/s·cm²,并配有一個200高真空手電兩用插板閥,擴散泵前級泵選2XZ-8型直聯機械泵組成真空機組。
a.根據要求,所需的有效抽速S= 518.75L/s。考慮到加上障板、插板閥后的泵的抽速損失(一般泵的有效抽速是泵抽速的1/3左右),暫選抽速為1200L/s~1600L/s的油擴散泵來進行試算。查有關K型擴散泵產品樣本,K-200T型油擴散泵可以滿足要求。泵的進口直徑為200mm,排氣口直徑為65mm。
b.計算擴散泵與真空室排氣口管道的流導,驗證選K-200T型擴散泵是否合適。
這段高真空管道總的流導C由高真空管道流導C1、障板流導C2、插板閥流導(因該閥工作時全部打開,故忽略它的流導不計)串聯組成。
先確氣體沿管道定的流動狀態。真空室工作壓力Pw=1.5×10-2Pa,擴散泵入口壓力很低,故管道出口壓力可以忽略,管道的平均壓力p=½Pw=0.75×10-2Pa,Pd=0.75×10-2×20×10-2= 1.5×10-3(pa·m)<0.02(Pa·m),可見為分子流。
a.前級泵有效抽速的計算。主泵為K-200T型擴散泵,它的z*大反壓力為40Pa,由抽速曲線可知,在2.7×10-2Pa壓力下擴散泵的z*大排氣量為2.7×10-2×1200=32Pa·L/s。在擴散泵出口管道斷面處,要求前級泵的有效抽速不小于0.8L/s。
b。前級管道的流導。擴散泵排氣口的直徑為65mm,經過儲氣罐三通真空閥與前級管道相連,前級管道的直徑為32mm,長度為1m。由于管道長暫不考慮彎角的影響。
確定氣體流動狀態:擴散泵出口臨界前級壓力為40Pa,而機械泵進氣口的壓力要比40Pa低得多,在計算管道中平均壓力時可以忽略。故管道平均壓力為20Pa。此時管道的氣體流動狀態為粘滯流。
由于前級泵為機械泵,它的抽速是在大氣壓力下測得的,但正常使用的泵都是在低于大氣壓的條件下運轉,泵的抽速下降了,故必須根據抽速曲線來選擇泵。
c.抽氣時間的計算。總的抽氣時間t包括粗抽時間tl和高真空抽氣時間t2兩部分。
粗抽氣時間tl按公式10-12計算。高真空抽氣t2由總的出氣量和機組有效抽速的比值決定,一般可用材料出氣率曲線和繪圖方法計算。
一般粗抽時間不大于10min—30min,而計算時間為3.27min,實際上,開機械泵4min,真空度可達4Pa,故從抽氣時間角度來著,選擇2XZ-8型泵做為前級泵是合理的。
此外,本真空系統中,在擴散泵出口與三通閥之間設有儲氣罐,主要作用是縮短工作周期,儲存擴散泵排出的氣體。因為本機在工作過程中,更換樣品要求在不關閉擴散泵加熱器的情況下,真空室放進大氣換取工作,裝好工作后,用機械泵通過三通閥預抽真空室。這段時間內將利用儲氣罐來維持擴散泵工作。儲氣罐體積應
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