Чистые безмасляные вакуумные системы для semiconductor, plasma, coating и analytical applications

Область применения материала

Материал разделяет общую физику вакуумной техники и сведения о конкретных сериях CBVAC. Численные характеристики оборудования следует применять только к той модели и конфигурации, для которой они приведены в руководстве или опросном листе. Паспортная быстрота действия насоса не равна эффективной быстроте откачки камеры: результат зависит от проводимости патрубков, режима течения, состава газа, газовой нагрузки и состояния поверхности. Указанные расчётные зависимости требуют проверки исходных допущений для конкретной установки.

Инженерный обзор

Чистый безмасляный вакуум — базовое требование в полупроводниковом производстве (LPCVD, PECVD, ALD), плазмохимическом травлении, нанесении тонкопленочных покрытий и аналитическом приборостроении (масс-спектрометрия, электронная микроскопия). Отсутствие углеводородных загрязнений, точный контроль давления, стабильность газовых потоков и высокая надежность вакуумного тракта определяют выход годных микросхем и чувствительность анализов. Данное руководство содержит инженерные расчеты, алгоритмы интеграции и регламенты обслуживания чистых вакуумных систем на базе оборудования CBVAC.

1. Область применения безмасляных систем и специфика процессов

Выбор безмасляного оборудования привязан к физико-химическим процессам в рабочей камере:

1. Полупроводниковое производство (Semiconductor / LPCVD / PECVD / ALD): * Специфика: Использование высокоактивных газов (силан $\text{SiH}_4$, трифторид азота $\text{NF}_3$, аммиак $\text{NH}_3$). В ходе реакций образуется большое количество твердых микрочастиц (пыли) и абразивных продуктов. * Требования: Необходимы сухие вакуумные насосы с продувкой уплотнений винтовых насосов и подшипников ТМН азотом $\text{N}_2$, а также система регулирования температуры TMS для исключения конденсации продуктов реакции в тракте.
2. Плазмохимические процессы (Plasma Etching / Ashing): * Специфика: Высокие динамические газовые нагрузки при давлении $0.1 - 10$ Па, присутствие активных радикалов фтора, хлора и кислорода в плазме. * Требования: Высокая стабильная быстрота действия ТМН и форвакуумных насосов в переходной области, коррозионно-стойкое исполнение проточной части (специальные покрытия ротора/статора, никелирование).
3. Нанесение покрытий (Vacuum Coating / PVD / Magnetron Sputtering): * Специфика: Большие площади внутренних поверхностей камер, вызывающие интенсивное тепловое газовыделение, необходимость быстрого перехода от атмосферного давления к высокому вакууму ($< 10^{-4}$ Па). * Требования: Максимальная проводимость патрубков, высокая быстрота откачки водяных паров и легких газов ($\text{H}_2$).
4. Аналитическое приборостроение (Analytical Applications / RGA / Mass Spectrometry): * Специфика: Сверхвысокий и экстремальный вакуум ($10^{-6} - 10^{-10}$ Па), критичность к малейшим следам углеводородов. * Требования: ТМН на магнитном подвесе с высокими коэффициентами сжатия по водороду и гелию в комбинации с компактными сухими форвакуумными насосами (двухвинтовыми или спиральными).

2. Газодинамика вакуумных систем: расчеты и проводимость

2.1 Проводимость отверстия в молекулярном режиме

Проводимость тонкого отверстия площадью $A$ (в $\text{м}^2$) для молекулярного режима течения газа определяется максимальным потоком молекул, пересекающих плоскость отверстия в одном направлении согласно распределению Максвелла-Больцмана. Проводимость $C_{\text{hole}}$ (в $\text{м}^3/\text{с}$) выражается формулой:

$$C_{\text{hole}} = \sqrt{\frac{k_B T}{2 \pi m}} A = \sqrt{\frac{R T}{2 \pi M}} A$$

где $k_B = 1.3806 \times 10^{-23}$ Дж/К — постоянная Больцмана, $T$ — абсолютная температура газа (К), $m$ — масса молекулы газа (кг), $R = 8.3145$ Дж/(моль·К) — универсальная газовая постоянная, $M$ — молярная масса газа в кг/моль.

Для воздуха ($M = 29 \times 10^{-3}$ кг/моль) при комнатной температуре $T = 293$ К проводимость отверстия площадью $A$ (в $\text{см}^2$) составляет:

$$C_{\text{hole, air}} \approx 11.6 \times A \quad [\text{л/с}]$$

Ограничения применимости: Модель применима только в свободном молекулярном течении, когда число Кнудсена $Kn > 10$. Число Кнудсена — отношение средней длины свободного пробега молекул $\lambda$ к характерному геометрическому размеру канала $d$:

$$Kn = \frac{\lambda}{d}$$

Для азота при комнатной температуре длина свободного пробега оценивается как:

$$\lambda [\text{см}] \approx \frac{0.007}{P [\text{мбар}]}$$

2.2 Проводимость цилиндрического трубопровода в молекулярном режиме

Для длинного трубопровода диаметром $D$ и длиной $L$ проводимость уменьшается из-за соударений молекул со стенками канала. Формула Клаузинга для проводимости длинной круглой трубы имеет вид:

$$C_{\text{tube}} = \frac{1}{6} \sqrt{\frac{2\pi R T}{M}} \frac{D^3}{L}$$

Для воздуха при $T = 293$ К практическая формула принимает вид:

$$C_{\text{tube, air}} \approx 12.1 \times \frac{D[\text{см}]^3}{L[\text{см}]} \quad [\text{л/с}]$$

При точных расчетах коротких и средних патрубков ($L/D < 50$) используется формула Сантелера (Santeler), обеспечивающая погрешность не более 0.7%:

$$C_{\text{short}} = C_{\text{hole}} \times \tau$$

где $\tau$ — вероятность прохождения молекулы через патрубок (коэффициент Клаузинга):

$$\tau = \frac{1}{1 + \frac{3L}{8R_0} \left( 1 + \frac{1}{3 \left(1 + \frac{L}{7R_0}\right)} \right)}$$

где $R_0 = D/2$ — радиус трубы. При $L \to 0$, $\tau \to 1$, а при $L \gg R_0$, $\tau \approx \frac{8R_0}{3L} = \frac{4D}{3L}$.

2.3 Проводимость в вязкостном режиме течения газа

В низком вакууме ($Kn < 0.01$), где преобладают межмолекулярные соударения, проводимость трубопровода подчиняется уравнению Хагена-Пуазейля и прямо пропорциональна среднему давлению $\bar{P} = \frac{P_1 + P_2}{2}$:

$$C_{\text{viscous}} = \frac{\pi D^4}{128 \eta L} \bar{P}$$

где $\eta$ — динамическая вязкость газа (Па·с). Для воздуха при 20 °C $\eta \approx 1.82 \times 10^{-5}$ Па·с. $D, L$ — диаметр и длина трубы (м), $\bar{P}$ — среднее давление (Па).

Критическое ограничение: Проводимость в вязкостном режиме линейно зависит от давления. При падении давления проводимость резко падает, что требует перехода системы на молекулярный режим работы.

2.4 Расчет эффективной быстроты откачки

Эффективная быстрота действия откачного поста $S_{\text{eff}}$ в объеме рабочей камеры ниже номинальной быстроты действия насоса $S$ из-за сопротивления трубопровода проводимостью $C$:

$$S_{\text{eff}} = \frac{S \times C}{S + C}$$

Инженерные выводы: 1. Если $C = S$, то $S_{\text{eff}} = S/2$ — теряется половина производительности насоса. 2. Если $C \ll S$ (система с ограничением проводимости, conductance-limited), то $S_{\text{eff}} \approx C$. Увеличение мощности насоса не дает прироста скорости откачки, необходимо увеличивать диаметр патрубка $D$ или сокращать его длину $L$. 3. Для сохранения не менее 80% быстроты действия насоса проводимость тракта должна быть как минимум в 4 раза выше быстроты откачки насоса: $C \ge 4S$.

3. Границы применимости математических моделей времени откачки и газовые нагрузки

3.1 Традиционная экспоненциальная модель объема и ее лимиты

В учебной литературе время откачки объема $V$ от давления $P_0$ до $P(t)$ рассчитывается по формуле:

$$P(t) = P_{\text{ult}} + (P_0 - P_{\text{ult}}) e^{-\frac{S_{\text{eff}}}{V} t}$$

Эта модель имеет строгие границы применимости и неприменима в реальных расчетах по следующим причинам:

1. Зависимость быстроты откачки от давления: Быстрота откачки $S_{\text{eff}}$ не постоянна. В форвакуумном диапазоне она падает из-за снижения проводимости в переходном режиме. В высоковакуумном диапазоне быстрота откачки по легким газам у ТМН падает из-за падения коэффициента сжатия.
2. Игнорирование динамических газовых нагрузок: Формула предполагает откачку только фиксированного объема сухого газа. В реальности, начиная с давлений $10^{-1}$ Па, доминирующим фактором становится десорбция газов со стен, натекание через микротечи и диффузия через полимерные уплотнения.

3.2 Расчет реального баланса газовых нагрузок

Реальное давление в системе определяется уравнением баланса потоков:

$$V \frac{dP}{dt} = -S_{\text{eff}}(P) P + Q_{\text{tot}}(t)$$

где $Q_{\text{tot}}(t)$ — суммарный газовый поток в систему (в $\text{мбар} \cdot \text{л/с}$ или $\text{Па} \cdot \text{м}^3/\text{с}$):

$$Q_{\text{tot}}(t) = Q_{\text{outg}}(t) + Q_{\text{perm}} + Q_{\text{leak}} + Q_{\text{process}}$$

1. Тепловая десорбция газов стенками камеры ($Q_{\text{outg}}$)

В непрогретых камерах основным источником газа является десорбция адсорбированной воды $\text{H}_2\text{O}$. Поток десорбции спадает во времени по степенному закону:

$$Q_{\text{outg}}(t) = q_0 t^{-a} \times A_{\text{chamber}}$$

где $A_{\text{chamber}}$ — площадь внутренней поверхности камеры ($cm^2$), $q_0$ — удельное газовыделение через 1 час откачки, $a \approx 1$ для нержавеющей стали и металлов, $a \approx 0.5$ для полимеров.

Для непрогретой нержавеющей стали удельный поток десорбции воды составляет:

$$q_{\text{H}_2\text{O}}(t) \approx \frac{3 \times 10^{-9}}{t [\text{ч}]} \quad \left[\frac{\text{мб} \cdot \text{л}}{\text{с} \cdot \text{см}^2}\right]$$

После прогрева при температуре $> 120$ °C в течение 12-24 часов адсорбированная вода удаляется, и основным источником газа становится диффузия водорода $\text{H}2$ из объема металла, которая спадает медленнее ($q{\text{H}_2} \propto t^{-0.5}$). Для снижения водорода применяется вакуумный отжиг деталей при температуре $950$ °C при давлении $10^{-5}$ мбар, что снижает концентрацию водорода в стали на два порядка, переводя предельный вакуум в область СВВ ($< 10^{-9}$ Па).

2. Проницаемость полимерных уплотнений ($Q_{\text{perm}}$)

Эластомерные уплотнения (Viton) обладают высокой проницаемостью для газов из атмосферы (особенно для паров воды и гелия). Поток диффузионного натекания через уплотнение стабилизируется во времени и становится постоянным:

$$Q_{\text{perm}} = K_{\text{perm}} \frac{A_{\text{seal}}}{\delta} (P_{\text{atm}} - P_{\text{vac}})$$

Диффузионный поток воды из атмосферы через стандартное уплотнение Viton составляет около $10^{-7}$ мбар·л/с. Это эквивалентно газовыделению $1 \text{ м}^2$ нержавеющей стали после 100 часов откачки. Для сверхвысокого вакуума полимерные уплотнения заменяют на металлические прокладки из меди (OFS) на фланцах стандарта ConFlat (CF).

4. Интеграция форвакуумного оборудования и двухступенчатых систем

Высоковакуумные ТМН (серия CBVAC MTP) не могут работать напрямую в атмосферу. Им требуется последовательное подключение форвакуумного сухого насоса для поддержания необходимого давления на выходе ТМН.

4.1 Коэффициент сжатия ТМН и требования к форвакууму

Работа ТМН в молекулярном режиме характеризуется коэффициентом сжатия $K_0$, определяемым как отношение парциального давления газа на выходе к парциальному давлению на входе:

$$K_0 = \frac{P_{\text{outlet}}}{P_{\text{inlet}}}$$

Коэффициент сжатия экспоненциально зависит от скорости лопаток ротора и квадратного корня из молярной массы газа $M$:

$$K_0 \propto e^{g v \sqrt{M}}$$

Отсюда следуют физические ограничения: * Тяжелые газы ($\text{N}_2, \text{Ar}$): Обладают огромным коэффициентом сжатия ($K_0 \ge 10^8$ для азота). Это исключает возможность обратной диффузии углеводородов от форвакуумной стороны к камере. * Легкие газы (Водород $\text{H}_2$, Гелий $\text{He}$): Обладают высокой тепловой скоростью молекул. Коэффициент сжатия по водороду резко падает (у насосов MTP-2201 $K_{0, \text{H}2} \approx 1.0 \times 10^4$, у MTP-4301 $K{0, \text{H}_2} \approx 1.0 \times 10^3$).

Предельное остаточное давление по водороду в рабочей камере жестко лимитировано парциальным давлением водорода на выходе ТМН, обеспечиваемым форвакуумным насосом:

$$P_{\text{inlet}, \text{H}2} = \frac{P{\text{outlet}, \text{H}2}}{K{0, \text{H}_2}}$$

4.2 Характеристики сухого винтового насоса CBVAC SSH20

Сухой форвакуумный насос CBVAC SSH20 представляет собой компактный двухвинтовой безмасляный насос со следующими техническими параметрами: * Пиковая быстрота откачки: $6$ л/с ($21.6 \text{ м}^3/\text{ч}$) при атмосферном давлении; * Предельное остаточное давление: $\le 1.0$ Па; * Максимально допустимое входное давление: Атмосферное; * Натекание корпуса: $< 1.0 \times 10^{-8}$ Па·$\text{м}^3/\text{с}$ (высокая герметичность для чистых процессов); * Тип охлаждения: Принудительное воздушное; * Объем масла в картере синхронизирующего редуктора: Контролируется по смотровому окну (нормальное состояние — $1/3$ высоты смотрового стекла). Замена масла производится через каждые 20 000 часов работы или при потемнении масла (первая замена через 12 000 часов).

4.3 Патентный анализ схем энергосбережения и автоматического управления

1. Двухступенчатая схема откачки с перепускным клапаном (US20080145238A1)

В патентной литературе для оборудования данного класса рассматривается концепция энергосбережения при последовательном подключении главного вакуумного насоса большого объема и вспомогательного насоса меньшей производительности (составляющей $10-20\%$ от производительности главного). * Физический принцип: При откачке камеры большого объема от атмосферного давления выхлопной поток главного насоса велик. В этот момент открывается механический перепускной шаровый клапан с резиновым покрытием (массой около 50 грамм, открывающийся при превышении атмосферного давления на 700 Па), и газ сбрасывается напрямую в атмосферный выхлоп. * Энергетический эффект: По мере снижения давления в камере поток газа уменьшается. При падении давления на выхлопе главного насоса ниже атмосферного перепускной клапан герметично закрывается под собственным весом. Газ начинает откачиваться вспомогательным насосом, который глубоко вакуумирует выхлопной патрубок главного насоса. Потребляемая электрическая мощность главного насоса на предельном вакууме падает на $76\%$ (с $1.35$ кВт до $0.32$ кВт), обеспечивая энергосбережение в масштабах полупроводниковой фабрики.

2. Обратная связь по давлению для контроля технологического процесса (US4835114A)

В патентной литературе для систем химического осаждения из газовой фазы (LPCVD) рассматривается метод управления безмасляным откачным постом на основе динамического регулирования скорости вращения роторов насоса: * Принцип реализации: Датчик давления в реакционной камере передает сигнал на контроллер, который через инвертор изменяет частоту питания электродвигателя сухого насоса. В процессе напуска рабочего газа (моносилана $\text{SiH}_4$) давление возрастает. Чтобы поддерживать строго заданное технологическое давление (например, $0.3$ Торр / $40$ Па), контроллер снижает обороты насоса, уменьшая его эффективную быстроту действия, но сохраняя режим безопасного молекулярного сжатия (режим Зигбана). При падении давления обороты форсируются. Это исключает необходимость использования дросселирующих заслонок.

5. Вакуумметрия и газовый анализ в чистых процессах

Для контроля давления во всем диапазоне от атмосферного до сверхвысокого вакуума применяется комбинация различных типов датчиков, установленных в оптимальных точках системы.

5.1 Сравнительный анализ вакуумных датчиков

Ограничение ионизационных датчиков (X-ray Limit): При бомбардировке сетки электронами возникает рентгеновское излучение, которое выбивает фотоэлектроны из коллектора ионов. Электроника воспринимает уход электронов как приход положительных ионов, что имитирует ложный фоновый ток, соответствующий давлению около $2 \times 10^{-10}$ мбар ($2 \times 10^{-8}$ Па). Для измерения давлений ниже этого предела применяются экстракторные датчики или датчики Хелмера, где коллектор скрыт от сетки.

5.2 Масс-спектрометрический анализ остаточных газов (RGA)

Квадрупольный анализатор остаточных газов (масс-спектрометр) является ключевым диагностическим инструментом в чистых технологиях: * Непрогретая система: Масс-спектр полностью доминирует пиком с массой $18 \text{ а.е.м.}$ (ион $\text{H}_2\text{O}^+$) и ассоциированными пиками $17 \ (\text{OH}^+)$ и $2 \ (\text{H}_2^+)$. Это указывает на лимитирование вакуума адсорбированной водой. * Прогретая безмасляная система: Вода удалена. Масс-спектр характеризуется доминированием пика $2 \text{ а.е.м.}$ (ион $\text{H}_2^+$), который диффундирует из объема стальных стен. Присутствуют небольшие пики $28 \ (\text{CO})$ и $44 \ (\text{CO}_2)$. Низкий фон тяжёлых углеводородных групп ($> 45$ а.е.м.) служит одним из признаков чистоты системы, но оценивается вместе с чувствительностью и фоном масс-спектрометра. * Различение азота и угарного газа: Азот $\text{N}_2$ и угарный газ $\text{CO}$ имеют одинаковую номинальную массу $28$ а.е.м. Для их идентификации масс-спектрометр анализирует дочерние пики фрагментации: азот дает четкий полумассовый пик ионизации на массе $14 \text{ а.е.м.}$ (ион $\text{N}^+$), в то время как угарный газ дает углеродный фрагмент на массе $12 \text{ а.е.м.}$ (ион $\text{C}^+$).

6. Автоматика, блокировки и безопасные состояния

Безопасность прецизионной вакуумной системы обеспечивается программируемым логическим контроллером (ПЛК), непрерывно опрашивающим датчики и формирующим управляющие сигналы.

6.1 Безопасные состояния и защитные блокировки ТМН MTP

Турбомолекулярный насос на магнитном подвесе серии CBVAC MTP чувствителен к механическим и тепловым перегрузкам. Защитные блокировки включают:

1. Контроль охлаждения: Температура статора измеряется встроенным терморезистором Pt100. При превышении порога $60$ °C выдается предупреждение, при $75$ °C — аварийный останов.
2. Продувочный азот: Для защиты чувствительных электромагнитных подшипников и датчиков положения ротора от попадания пыли и агрессивных газов активируется постоянная продувка азотом через порт стандарта KF10. Расход азота должен поддерживаться на уровне $50 \pm 10$ sccm. Отсутствие или падение расхода продувочного азота блокирует запуск ТМН или вызывает его контролируемый останов.
3. Защита от прорыва атмосферы: При резком росте давления на входе сила вязкостного трения воздуха о лопатки ТМН, вращающиеся со скоростью до $27 000$ об/мин, возрастает. Это вызывает скачок тока в обмотках статора. Блокировка: при росте давления на входе выше $10$ Па контроллер ТМН немедленно отключает питание двигателя и активирует экстренное торможение.
4. Аварийный генераторный режим при отключении электроэнергии: При внезапном пропадании сетевого питания магнитная подвеска ротора не может быть обесточена мгновенно, иначе ротор соприкоснется со статором. * Алгоритм работы: Контроллер ТМН переводит двигатель насоса в генераторный режим. За счет кинетической энергии вращающегося ротора двигатель вырабатывает электроэнергию, которая направляется на питание электромагнитных подшипников. Магнитный подвес остается активным и удерживает ротор. * Аварийная посадка: По мере падения оборотов ротора вырабатываемая мощность снижается. При достижении критической скорости вращения $\approx 5000$ об/мин ротор мягко опускается на резервные механические радиально-упорные шарикоподшипники сухого трения (аварийные подшипники приземления из керамики).

6.2 Безопасные состояния (Safe States) системы

При возникновении аварии автоматика переводит систему в предопределенное безопасное состояние: 1. Высоковакуумный затвор (шибер) над ТМН закрывается, изолируя рабочую камеру. 2. ТМН MTP отключается от питания и тормозится электродинамически. 3. Вход продувочного азота в ТМН остается открытым для защиты и охлаждения подшипников до полной остановки ротора. 4. Форвакуумный насос SSH20 отключается, а на его входе закрывается обратный клапан.

7. Контроль герметичности и методы испытаний гелиевым масс-спектрометром

Поиск течей гелиевым течеискателем базируется на характерных свойствах гелия.

7.1 Сравнение методов течеискания

1. Вакуумный метод (метод обдува): * Процедура: Камера откачивается до давления $< 10^{-1}$ Па, подключается гелиевый течеискатель. Внешние швы обдуваются струей гелия из пистолета-распылителя. * Чувствительность: Максимальная, вплоть до $< 10^{-11}$ Па·$\text{м}^3/\text{с}$ ($10^{-12}$ мбар·л/с).
2. Метод избыточного давления (щуп-избиратель / "нюхач" / Sniffer): * Процедура: Внутрь камеры нагнетается гелиево-азотная смесь под избыточным давлением ($0.1 - 0.2$ МПа). Снаружи оператор медленно перемещает зонд-щуп вдоль контролируемых соединений со скоростью около 5-10 мм/с на расстоянии не более 1 мм от поверхности. * Чувствительность: Ограничена величиной около $10^{-6}$ Па·$\text{м}^3/\text{с}$ из-за всасывания атмосферного воздуха.

7.2 Спектральные признаки воздушной течи на RGA

При возникновении атмосферной течи на масс-спектрометре возникают характерные признаки: 1. Появление мощного пика $28 \text{ а.е.м.}$ (ион азота $\text{N}_2^+$) и ассоциированного пика $14 \text{ а.е.м.}$ 2. Появление пика $40 \text{ а.е.м.}$ (ион аргона $\text{Ar}^+$). Отношение высоты пиков $I_{40} / I_{28}$ должно строго соответствовать атмосферному отношению (примерно $1:84$). 3. Аномалия кислорода ($32 \text{ а.е.м.}$): Хотя кислород составляет $21\%$ воздуха, его пик на массе $32$ а.е.м. часто оказывается ниже теоретического соотношения $1:4$ к азоту. Это связано с тем, что кислород интенсивно окисляет горячие вольфрамовые филаменты датчика RGA и вступает в реакции со стенками вакуумной камеры.

8. Приемочные технические испытания, диагностика и обслуживание

8.1 Программа приемочных испытаний откачного поста

После монтажа или проведения обслуживания безмасляного поста проводится процедура его технической приемки:

1. Измерение предельного остаточного давления: * Камера изолируется. Система откачивается в течение 48 часов с прогревом стенок до $120$ °C. Предельное давление должно составлять для ТМН серии MTP не более $10^{-7}$ Па ($10^{-9}$ мбар). Для винтового насоса SSH20, работающего отдельно на закрытый входной фланец, предельный вакуум должен быть $\le 1.0$ Па.
2. Измерение интегрированной скорости натекания (Leak Rate): * Используется метод накопления давления (Pressure Rise Method). Насос изолируется от камеры закрытием шибера. Фиксируется рост давления в камере со временем $t$ (не менее 1 часа). Скорость натекания рассчитывается как: $$Q_{\text{leak}} = V \frac{\Delta P}{\Delta t}$$ Для СВВ-систем величина $Q_{\text{leak}}$ должна быть строго ниже $10^{-9}$ мбар·л/с.
3. Проверка стабильности быстроты откачки при технологической газовой нагрузке: * В камеру подается рабочий газ (азот) с расходом до $500$ sccm. Давление в камере должно стабильно удерживаться в заданных пределах без ухода ТМН в тепловую перегрузку.

8.2 Диагностика типичных неисправностей сухого насоса CBVAC SSH20

9. Систематизированный инженерный чек-лист выбора оборудования

Для проектирования оптимальной безмасляной вакуумной системы рекомендуется руководствоваться чек-листом:

• [ ] Шаг 1: Определение целевого давления процесса ($P_{\text{target}}$)
• Если $P_{\text{target}} = 10^5 - 10$ Па $\implies$ достаточно одного форвакуумного насоса CBVAC SSH20.
• Если целевое давление выходит за устойчивый диапазон одного форвакуумного насоса, рассматривают двухступенчатую систему с ТМН и совместимым форвакуумным насосом; границы запуска определяют по руководствам выбранных моделей.
• [ ] Шаг 2: Расчет суммарного газового потока ($Q_{\text{tot}}$)
• Рассчитать площадь внутренних поверхностей $A_{\text{chamber}}$.
• Найти поток тепловой десорбции $Q_{\text{outg}}$ через требуемое время откачки.
• Учесть поток напуска технологических газов $Q_{\text{process}}$.
• [ ] Шаг 3: Расчет минимально необходимой эффективной быстроты откачки ($S_{\text{eff, min}}$)
• $$S_{\text{eff, min}} = \frac{Q_{\text{tot}}}{P_{\text{target}}}$$
• [ ] Шаг 4: Расчет геометрических размеров и проводимости соединительного патрубка ($C$)
• Патрубок должен быть максимально широким и коротким.
• Рассчитать проводимость $C$ по формуле Сантелера для молекулярного режима.
• Убедиться, что проводимость патрубка существенно превышает требуемую быстроту действия: $C \ge 2 \times S_{\text{eff, min}}$.
• [ ] Шаг 5: Выбор номинальной быстроты откачки высоковакуумного насоса ($S$)
• $$S = \frac{S_{\text{eff, min}} \times C}{C - S_{\text{eff, min}}}$$
• Выбрать ближайший ТМН из стандартного ряда MTP (например, MTP-2201 с быстротой $2200$ л/с по азоту или MTP-3201 на $3200$ л/с).
• [ ] Шаг 6: Проверка химической совместимости и безопасности
• При наличии коррозионных газов выбрать модификацию ТМН с индексом C (Corrosion-resistant) и порт продувки азотом S (KF10 интерфейс).
• Настроить на контроллере расход продувочного азота в диапазоне $50 \pm 10$ sccm.
• [ ] Шаг 7: Выбор форвакуумного насоса по производительности
• Производительность форвакуумного насоса $S_{\text{fore}}$ должна обеспечивать непрерывную эвакуацию выхлопного потока ТМН при максимальной нагрузке без превышения максимально допустимого форвакуумного давления ($266$ Па для ТМН серии MTP): $$S_{\text{fore}} \ge \frac{Q_{\text{tot}}}{P_{\text{fore, max}}}$$
• Для большинства технологических задач производительность насоса CBVAC SSH20 ($21.6 \text{ м}^3/\text{ч}$) обеспечивает надежную форвакуумную подпору для ТМН с быстротой откачки до $3000$ л/с.

Использованные материалы

• https://www.cbvac.cn/index.html
• https://www.cbvac.cn/index/product/index.html?lm=6
• https://www.nist.gov/system/files/documents/2022/04/05/Hiden_DSMS_Mass_Spectrometer_Factory_Manual.pdf
• https://www.semiconductors.org/wp-content/uploads/2023/05/FINAL-PFAS-Containing-Lubricants-Used-in-Semiconductor-Manufacturing.pdf
• https://www.nist.gov/blogs/taking-measure/how-low-can-temperature-go-lord-kelvin-and-science-absolute-zero
• https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36278425/
• https://cds.cern.ch/record/1974068
• https://patents.google.com/patent/US4835114A/en
• https://patents.google.com/patent/US20080145238A1/en