Conceitos de Vácuo
Conceitos de Vácuo
Ioshiaki Doi
FEEC/UNICAMP
Conceitos de Vácuo
1. Conceitos de Vácuo
• Sistema de vácuo simples: câmara com
fluxo Q de entrada, bomba de vácuo e
um tubo de condutância C.
gás
Q
câmara
P1
Tubo de condutância C
bomba
P2
Conceitos de Vácuo
• Comportamento dos Gases
na Câmara
• As moléculas do gás numa câmara se movimentam de
forma aleatória sem nenhuma direção preferencial.
• A pressão P, exercida pelo gás sobre as paredes da
câmara é causada pelas colisões das moléculas do gás
com as respectivas paredes.
Conceitos de Vácuo
• Fluxo e Escoamento de Gases

Fluxo e Escoamento de Gases
Representação esquemática das velocidades das moléculas em
um tubo estreito: (a) - fluxo viscoso e (b) - fluxo molecular.
• fluxo laminar  camadas de fluxo paralelas.
• fluxo turbulento  camadas de fluxo não paralelas.
Conceitos de Vácuo
• Velocidade de Bombeamento e
Corrente Molecular do gás
• Velocidade de bombeamento S:
S = V/t
P
Q
(l/s)
• A corrente molecular do gás:
Q = P.S
(torr.l/s)
Ou seja,
Q = P.V/t
(torr.l/s)
Onde: P é a pressão numa seção transversal da
tubulação e V o volume do gás que escoa por
essa secção num intervalo de tempo t.
Conceitos de Vácuo
• Condutância do Tubo
Q
PA
PB
• A condutância do tubo limitado pelos dois planos A e B
- análogo ao fluxo de corrente elétrica num condutor e
é dado por:
CAB = Q/(PA - PB)
(l/s)
• A diferença de pressão P = PA - PB é análoga a
diferença de potencial elétrico.
Conceitos de Vácuo
• Associação em Série de 2 Tubos
• Condutância total da associação :
1/C = 1/C1 + 1/C2
• Associação em Paralelo de 2 Tubos
• Condutância da associação :
C = C 1 + C2
Conceitos de Vácuo
• Unidades de Pressão
1 pascal (Nm-2) = 7.5x10-3 torr
1 torr
= 133.3 Pa = 1.316x10-3 atm
1 bar
= 1x105 Pa = 750 torr
1 atm
= 1.013x105 Pa = 760 torr
1.013x105 Pa
= 760 torr
Conceitos de Vácuo
• Faixas de Pressão
• Ambiente de vácuo - várias faixas de pressão.
• vácuo primário : 0.1 a 760 torr ou 10 a 105 Pa
• vácuo médio : 10-4 a 10-1 torr ou 10-2 a 10 Pa
• alto vácuo :
10-8 a 10-4 torr ou 10-7 a 10-2 Pa
• ultra alto vácuo :
< 10-8 torr ou
< 10-7 Pa
Conceitos de Vácuo
• Aplicações de Vácuo em
Microeletrônica
 vácuo
 alto
primário e médio : CVD,
sputtering, plasma etching
vácuo : limpeza da câmara,
evaporação, i/i
 ultra
alto vácuo : MBE
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2. Bombas de Vácuo
2.1. Bombas para a Pressão Primária e Média
a) Bomba mecânica de pistão
• Bomba de piston - comprime
e expele o gás. Movimento do
eixo fora de centro.
Principio de funcionamento:
V2
V1
• deslocamento positivo do gás através de
movimento mecânico do piston.
i). Sucção (válvula V1 aberta - o movimento
do piston arrasta o gás para dentro do
cilintro).
ii). Compressão (válvulas V1 e V2 fechadas).
iii). Exaustão (válvula V2 aberta).
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b). Bomba Mecânica Rotativa
• Bombas mais comuns utilizadas nas regiões de
baixo e médio vácuo.
Bombas Rotativas de Palheta
Conceitos de Vácuo
• Principio de Funcionamento e
Limitações
• Principio :
• Mesmo
princípio da bomba de pistão
• Com 1 estágio  P  20 mTorr
• Com 2 estágios  P < 1 mTorr
• usa óleo para lubrificação, proteção e para selar.
Conceitos de Vácuo

Curvas de velocidade de bombeamento vs. Pressão das
bombas rotativas de um e dois estágios
Obs.: - O uso do gás ballast limita a pressão final da bomba.
Conceitos de Vácuo
• Problemas:
i). Condensação de vapor na compressão,
quando Pparcial > Pvapor
• degrada o óleo
• corrosão da bomba (H2O, Cl2, clorosilanas)
• Solução: diluir o gás na entrada da
bomba com gás inerte (N2) – gás
ballast.
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ii). Subida de vapor de óleo para a Câmara
(backstreaming )
• suja a câmara,
• contamina o processo
• Solução:
- usar gás ballast
- usar armadilha ( baixa temperatura
ou química)
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• Aumento da velocidade de bombeamento.
• bomba de capacidade maior ou
• uma bomba Roots (Roots Blower) entre a câmara e a bomba
rotativa.
• Em muitos casos, a segunda opção é mais econômica.
Esquema e taxa de compressão vs. Pressão de entrada de
uma bomba Roots
Conceitos de Vácuo
• Principio de Funcionamento
• Principio: - por transferência. Dois rotores em forma
de 8, paralelos, giram sincronamente em sentidos
opostos dentro de um estator (espaçamento < 0.1
mm, entre os rotores e em relação ao estator).
• não há contato (selagem mecânica entre as superfícies),
• os rotores podem girar em altas velocidades (3000 3500 rpm) sem produção de calor devido ao atrito,
• favorece a produção de rápidos deslocamentos de gás,
ou seja, altas velocidades de bombeamento para
bombas de dimensões relativamente compactas.
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2.2. Bombas para Alto Vácuo
• Tipos de bombas:
• por transferência de momentum para as moléculas
gasosas
a) - bomba difusora e b) - turbomolecular
preferidos para bombeamento de gases corrosivos
e/ou tóxicos e para elevados fluxos.
•
para fluxos pequenos de gases inertes
•
por aprisionamento de moléculas gasosas
• para bombeamento da câmara para préprocessamento.
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a). Bomba Difusora
Princípio
Vista de Corte
Princípio: evaporação de óleo. O vapor de óleo formado é
ejetado com alta velocidade através de aberturas apropriadas,
choca com o gás e condensa nas paredes refrigeradas.
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• Problemas:
• se exposto ao ar  reação
do óleo quente com o ar.
•
subida de vapor de óleo
para a câmara  contamina
a câmara e o processo de
fabricação.
Armadilha de Nitrogênio
Líquido (trap).
• Solução: usar armadilha
fria resfriada a baixa
temperatura com
nitrogênio líquido
(muito eficiente).
Conceitos de Vácuo
b). Bomba Turbomolecular
• Principio: transferência de
momentum por impacto de
moléculas com as palhetas
que
giram
em
alta
velocidade.
Vista de corte de uma bomba
turbomolecular
• Vários sistemas de palhetas
são presos a um mesmo eixo
impulsionado por um motor
de alta rotação (rotor).
• O sistema movimenta a uma
velocidade extremamente alta
(> 20 000 rpm).
• Um outro sistema de palhetas
está preso à carcaça da
bomba (estator).
• O espaçamento entre o
estator (palhetas fixas) e o
rotor (palhetas móveis) é da
ordem de 1 mm.
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•Taxa de compressão e Velocidade de Bombeamento
Veloc.de Bombeamento
Tx. Compressão
Tx.compressão:
109 para N2 e
103 para H2.
Comportamento da velocidade de bombeamento e da taxa de
compressão de uma bomba turbomolecular típica, em função da pressão
de entrada, para vários gases. A compressão podem chegar a 109.
Conceitos de Vácuo
• Características :
• As bombas turbomoleculares sempre necessitam
de uma bomba de apoio.
• geralmente uma bomba rotativa de palhetas,
conectado no lado da alta pressão, visto que a
pressão de saída deve ser mantida a baixa
pressão.
• Como a transferência de momentum depende da
massa da molécula gasosa, a taxa de compressão
também depende do gás a ser bombeado.
Conceitos de Vácuo
• Medidores de Pressão
a) Barocel - Membrana Capacitiva
• Princípio: variação da capacitância
de uma placa sensora.
• Placa sensora, um capacitor plano,
isolada por um membrana sensível.
• A pressão sobre a membrana
sensibiliza a placa sensora.
• Mede desde P atmosférica a 10-6
mbar, com a precisão de 0.05 - 3 %.
• Vantagens: robustez, vida útil longa,
maior sensibilidade, maior faixa de
operação, e pode ser utilizado em
temperaturas elevadas e em ambientes
altamente corrosivos.
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b) Pirani
• Princípio de funcionamento: condutividade térmica
dos gases.
• filamento é aquecido  dissipa calor por condução
 T  P  R.
• Ponte de Wheatstone mede R = f(P).
a) circuito para o medidor Pirani;
b) cabeça do medidor; (1)
filamento; (2) suporte do
filamento; (3) capa (envelope)
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• De Ionização

Para pressões << 1mtorr e alto e UHV.
a) Penning: ionização por descarga DC
 I = f(P).
b) Catodo quente: uma válvula com filamento
ioniza o gás.
 I = f(P).
Conceitos de Vácuo
• Tipos de Selagem:
• O’ring para vácuo médio.
• Flange conflat com anel de Cu
ou CuAg para alto vácuo.
Acessórios diversos de vácuo.
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• Válvulas
Para isolação tipo fole
Tipo borboleta para controle
• condutância variável
Conceitos de Vácuo
• Válvula agulha para controle de gás
na câmara