eng
Содержание
Предисловие редактора перевода ...................................................12
Краткое предисловие ................................................................... 13
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
1.2.3.
Газовые законы........................................................................25
1.2.4.
Неидеальные газы........................................................................................ 26
1.3.
Молекулярные процессы и кинетическая теория газов....................... 26
1.3.1.
Основные принципы кинетической теории.................................26
1.3.2.
Молекулярное движение........................................................ 27
1.3.3.
Место газовых законов в кинетической теории................................... 28
1.3.4.
Давление....................................................................................... 30
1.3.5.
Средняя длина свободного пути молекул............................................... 31
1.3.6.
Частота столкновений молекул со стенками вакуумной камеры............. 32
1.3.7.
Время формирования мономолекулярного слоя......................................32
1.3.8.
Температурная транспирация.............................................................. 32
1.3.9.
Коэффициент теплопроводности........................................................ 34
1.3.10.
Коэффициент диффузии....................................................................... 34
1.4.
Поток газа, быстрота действия насоса и быстрота откачки сосуда, скорости
газовыделения и натекания.......................................................... 35
1.5.
Режимы течения газа........................................................................... 37
1.5.1.
Поток газа..................................................................................... 37
1.5.2.
Турбулентное течение............................................................................ 38
1.5.3.
Вязкостное, или ламинарное течение.................................................................... 39
1.5.4.
Молекулярное течение......................................................................... 40
1.5.5.
Основные зависимости............................................................................ 40
1.6.
Проводимость............................................................................................ 41
1.6.1.
Определение проводимости................................................................... 41
1.6.2.
Проводимость элементов вакуумной системы с параллельным соединением.... 42
1.6.3.
Проводимость элементов вакуумной системы с последовательным
соединением............................................................................................... 42
1.7.
Расчет параметров потока газа......................................................... 43
1.7.1.
Уравнения для расчета параметров вязкостного потока....................................... 43
1.7.2.
Уравнения для расчета параметров молекулярного потока.......................45
1.7.3.
Формула Кнудсена................................................................... 45
1.7.4.
Коэффициент Клаузинга....................................................................................... 45
1.8.
Приложение законов физики поверхности в вакуумной технике................. 46
1.8.1.
Физическая адсорбция.................................................................. 46
1.8.2.
Хемосорбция......................................................................... 48
1.8.3.
Коэффициент прилипания.................................................................................... 48
1.8.4.
Площадь поверхности.................................................................... 49
1.8.5.
Изотермы адсорбции................................................................... 50
1.8.6.
Капиллярные силы.............................................................................. 52
1.8.7.
Конденсация.......................................................................53
1.8.8.
Десорбция............................................................................... 54
1.8.9.
Тепловая десорбция.............................................................................54
1.8.10.
Фотоактивация......................................56
1.8.11.
Ультразвуковая десорбция.................................................56
1.8.12.
Десорбция с электронной и ионной стимуляцией................................................ 57
1.8.13.
Газовыделение из поверхностей.........................................................58
Глава 2. Получение вакуума................................................................... 59
2.1.
Общие сведения о вакуумных насосах............................................................................ 59
2.1.1.
Классификация вакуумных насосов...........................................59
2.1.2.
Перемещение потока газа..................................................60
2.1.3.
Т ехнические характеристики вакуумных насосов................................................ 62
2.1.4.
Быстрота откачки..................................................................... 63
2.1.5.
Время .................................................................................64
2.1.6.
Предельное остаточное давление вакуумного насоса.........................67
2.1.7.
Откачка форвакуумными и высоковакуумными насосами................... 69
2.1.8.
Вакуумные насосы и вакуумная система............................................................... 70
2.1.9.
Переход от насоса предварительного разрежения к высоковакуумному
насосу......................................................................................... 74
2.1.10.
Конструкция вакуумной системы.......................................................................... 75
2.2.
Диафрагменные насосы........................................................79
2.2.1.
Введение............................................................................... 79
2.2.2.
Конструкции современных диафрагменных насосов........................................... 81
2.2.3.
Эксплуатационные и технические характеристики.............................................. 85
2.2.4.
Модульная конструкция автономных диафрагменных насосов...................85
2.2.5.
Применение диафрагменных насосов в качестве насосов предварительного
разрежения и форвакуумных насосов...............................................................86
2.3.
Двухроторные вакуумные насосы (насосы Рутса).......................................................... 89
2.3.1.
Введение....................................89
2.3.2.
Конструкция двухроторных вакуумных насосов................................................... 90
2.3.3.
Принцип работы двухроторных вакуумных насосов............................................ 92
2.3.4.
КПД откачки двухроторных вакуумных насосов.................................................. 93
2.3.5.
Расчеты быстроты действия двухроторных вакуумных насосов насоса........... 94
2.3.6.
Требования к подводимой мощности..................................................... 96
2.3.7.
Влияние температуры..............................................................97
2.3.8.
Контроль потока газа и степени сжатия................................................................ 98
2.3.9.
Двухроторные вакуумные насосы с жидкостным уплотнением................. 101
2.3.10.
Некоторые конструкции насосных систем.......................................................... 101
2.4.
Пароструйные (диффузионные) ............. 105
.2.4.1. Базовая конструкция насоса...................................................................105
2.4.2.
Быстрота откачки........................................................................... 109
2.4.3.
Производительность пароструйного насоса........................................................ 112
2.4.4.
Допустимое выпускное давление......................................................................... 114
2.4.5.
Предельное остаточное давление......................................................................... 117
2.4.6.
Обратный поток газа............................................................................................ 121
2.4.7.
Другие аспекты работы насосов........................................................................... 126
2.5.
Крионасосы......................................................................................129
2.5.1.
Введение..................................................................................... 129
2.5.2.
Основные характеристики крионасосов............................................................. 136
2.5.3.
Современные системы контроля......................................................................... 146
2.5.4.
Применение крионасосов.................................................................................... 151
2.5.5.
Специальные крионасосы для откачки водяного пара.......................... 156
2.5.6.
Сравнительная характеристика криогенных и других вакуумных насосов....... 157
2.5.7.
Перспективные разработки.................................................................................. 158
2.6.
Турбомолекулярные насосы.......................................................................................... 159
2.6.1.
Турбомолекулярный насос................................................................................... 159
2.6.2.
Высоковакуумный молекулярный насос............................................................. 169
2.6.3.
Комбинация турбомолекулярного и высоковакуумного молекулярного
насосов....................................................................................................... 171
2.6.4.
Оценка комбинированных насосных систем...................................................... 173
2.6.5.
Эксплуатация турбомолекулярных насосов в различных условиях...........180
2.6.6.
Правила эксплуатации......................................................................................... 181
2.7.
Насосы для создания сверхвысокого вакуума.............................................................. 183
2.7.1.
Конструкция систем сверхвысокого вакуума...................................................... 183
2.7.2.
В ыбор насосов для получения сверхвысокого вакуума...................................... 185
2.7.3.
Магнитные электроразрядные насосы................................................................ 188
2.7.4.
Геттерные насосы................................................................................................. 209
Глава 3. Вакуумные измерения.................................................................................. 220
3.1.
Измерение низких давлений......................................................................................... 220
3.1.1.
Общие сведения.................................................................................................... 221
3.1.2.
Вакуумметры с прямым измерением давления................................................... 221
3.1.3.
Вакуумметры с косвенным измерением давления.............................................. 226
3.1.4.
Калибровка вакуумметров.................................................................................... 240
3.2.
Масс-анализ и измерение парциального давления...................................................... 247
3.2.1.
Общие сведения.................................................................................................... 247
3.2.2.
Системы ввода проб (впуска)............................................................................... 257
3.2.3.
Генерация ионов и ионные источники................................................................ 259
3.2.4.
Разделение ионов в масс-анализаторах............................................................... 264
3.2.5.
Регистрация ионов................................................................................................ 278
3.3.
Применение масс-спектрометров в вакуумных системах............................................ 291
3.3.1.
История создания масс-спектрометров............................................................... 291
3.3.2.
Остаточные газы в вакуумной системе................................................................ 292
3.3.3.
Процесс генерации ионов.................................................................................... 297
3.3.4.
Методы анализа.................................................................................................... 304
3.3.5.
Калибровка масс-спектрометров......................................................................... 315
3.3.6.
Некоторые виды применения масс-спектрометров............................................ 320
3.4.
И змерение и управление массовым потоком газа........................................................ 325
3.4.1.
Общие принципы измерения массового потока газа.................................. 325
3.4.2.
Тепловой контроллер массового потока.............................................................. 326
3.4.3.
Эксплуатационные характеристики контроллера массового потока................. 330
3.4.4.
Устранение неисправностей................................................................................ 333
Глава 4. Конструкция и э лементы вакуумной системы........................... 336
4.1.
Вакуумные клапаны....................................................................................................... 336
4.1.1.
Введение..................................................................................................... 336
4.1.2.
Вакуумные тарельчатые клапаны и затворы........................................................ 336
4.1.3.
Контрольные клапаны.......................................................................................... 341
4.1.4.
Конструкция вакуумных клапанов...................................................................... 342
4.1.5.
Специальные клапаны......................................................................................... 347
4.1.6.
Правила установки клапанов............................................................................... 350
4.2.
Фланцы и вакуумная арматура...................................................................................... 351
4.2.1.
В ведение........................................................................................................351
4.2.2.
Выбор системы фланцев....................................................................................... 352
4.2.3.
Распространенные системы фланцев.................................................................. 352
4.2.4.
Элементы вакуумных систем с присоединенными фланцами..................365
4.3.
Вакуумный ввод вращения с магнитно-жидкостным уплотнением............................ 370
4.3.1.
Основной принцип герметизации....................................................................... 370
4.3.2.
Применение вакуумного ввода вращения........................................................... 370
4.3.3.
Влияние вакуумного ввода вращения на процесс откачки..................... 373
4.3.4.
Влияние процесса откачки на работу вакуумного ввода вращения..........374
4.3.5.
Критерии выбора материалов.............................................................................. 374
4.3.6.
Примеры эксплуатации........................................................................................ 376
4.3.7.
Сравнение вакуумных вводов вращения с другими типами вакуумных
вводов........................................................................................................ 376
4.4.
Вакуумные смотровые окна........................................................................................... 379
4.4.1.
Материалы................................................................................... 379
4.4.2.
Системы монтажа и меры предосторожности..................................................... 380
4.5.
Конструкционные материалы вакуумных систем........................................................ 380
4.5.1.
Свойства материалов для вакуумных систем....................................................... 380
4.5.2.
Материалы вакуумной камеры............................................................................. 385
4.5.3.
Специальные материалы для вакуумных камер.................................................. 389
4.6.
Демонтируемые уплотнения для вакуумных фланцев и клапанов.............................. 396
4.6.1.
Общие сведения о полимерных и металлических уплотнениях.............. 396
4.6.2.
Эластомерные и неэластомерные полимеры, используемые в вакуумных
уплотнениях............................................................................................. 397
4.6.3.
Металлические уплотнения................................................................................. 406
4.7.
Газовыделение материалов............................................................................................ 413
4.7.1.
Зависимости между давлением системы, быстротой откачки
игазовыделением..........................................................................................413
4.7.2.
Предварительное разрежение от атмосферного давления...................... 422
4.7.3.
Зависимость давления от времени при газовыделении...................................... 423
4.7.4.
Скорость газовыделения эластомеров и пластмасс...........................425
4.7.5.
Скорость газовыделения металлов и керамики................................................... 429
4.7.6.
Скорость газовыделения предварительно подготовленной вакуумной
системы после кратковременного воздействия атмосферы............................... 432
4.7.7.
Методы снижения скорости газовыделения....................................................... 434
4.7.8.
Измерения скорости газовыделения материалов................................................ 434
4.8.
Конструкции вакуумных систем на основе алюминия................................................ 436
4.8.1.
Газовыделение алюминия.................................................................................... 436
4.8.2.
Демонтируемые уплотнения................................................................................ 439
4.8.3.
Очистка и чистовая обработка поверхности........................................................ 442
4.8.4.
Физико-механические свойства алюминия и его сплавов.................... 445
4.8.5.
Тепловые характеристики алюминия.................................................................. 475
4.8.6.
Коррозионные свойства алюминия..................................................................... 477
4.8.7.
Сварка алюминия при изготовлении вакуумных камер....................... 479
4.9.
Подготовка и очистка вакуумных поверхностей.......................................................... 490
4.9.1.
Обработка поверхностей...................................................................................... 491
4.9.2.
Внешняя очистка.................................................................................................. 503
4.9.3.
Сборка, транспортировка и хранение.................................................................. 521
4.9.4.
Очистка in situ........................................................................................................ 525
4.9.5.
Документация процессов очистки и подготовки................................................ 532
4.9.6.
Заключение.......................................................................................... 534
Глава 5. Виды применения вакуума......................................................... 541
5.1.
Т ехнологические процессы в условиях высокого вакуума. Осаждение
распылением.............................................................................................. 541
5.1.1.
Осаждение (металлизация) распылением........................................................... 542
5.1.2.
Технологии осаждения распылением.................................................................. 544
5.1.3.
Применение магнетрона для осаждения распылением............................. 554
5.1.4.
Перспективные направления в нанесении покрытий распылением................. 556
5.2.
Плазменное травление................................................................................................... 557
5.2.1.
Введение........................................................................................... 557
5.2.2.
Рассмотрение концепций плазмы применительно к реакторам
плазменного травления............................................................................ 557
5.2.3.
Основные требования к плазменному травлению.................................. 562
5.2.4.
Диагностика плазмы............................................................................................. 569
5.2.5.
Основные виды реакторов плазменного травления................................... 570
5.2.6.
У совершенствованные реакторы плазменного травления........................576
5.2.7.
Новые тенденции в разработках реакторов плазменного травления............ 589
5.3.
Ионно-лучевая технология............................................................................................ 596
5.3.1
Введение........................................................................................596
5.3.2.
Ионно-лучевое травление.................................................................................... 602
5.3.3.
Осаждение с ионно-лучевым распылением........................................................ 606
5.3.4.
Осаждение с ассистированием ионным лучом.................................................... 609
5.3.5.
Прямое ионно-лучевое осаждение...................................................................... 612
5.3.6.
Закючение............................................................................................ 613
5.4.
Импульсное лазерное осаждение.................................................................................. 616
5.4.1.
Введение.................................................................................... 616
5.4.2.
Импульсная лазерная система осаждения........................................................... 617
5.4.3.
Механизм абляции............................................................................................... 619
5.4.4.
Преимущества и ограничения импульсного лазерного распыления................. 621
5.4.5.
Используемые материалы.................................................................................... 626
5.4.6.
Будущие перспективы.......................................................................................... 628
5.5.
У силенное плазмой химическое осаждение из паровой фазы..................................... 630
5.5.1.
Введение...........................................................................................630
5.5.2.
Оборудование и практические рекомендации.................................................... 635
5.5.3.
Промышленное применение............................................................................... 641
5.5.4.
З аключение................................................................................................. 645
5.6.
Аналитические методы оценки поверхностей и тонких пленок.................................. 648
5.6.1.
Введение............................................................................................... 648
5.6.2.
Методы электронной спектроскопии.................................................................. 649
5.6.3.
Методы, основанные на бомбардировке ионами................................................ 660
5.6.4.
Получение сверхвысокого вакуума и системные критерии анализа
поверхности................................................................................................... 668
Глава 6. Производс твенные процесс ы в условиях вакуума..................... 672
6.1.
Рулонная технология нанесения вакуумных покрытий............................................... 672
6.1.1.
Общие сведения о рулонной технологии нанесения вакуумных покрытий...... 672
6.1.2.
Типичные виды продукции.................................................................................. 674
6.1.3.
Материалы и технологические процессы, используемые для нанесения
вакуумных покрытий..................................................................................... 675
6.1.4
В акуумные системы для нанесения покрытий на рулонные материалы........... 685
6.1.5.
Подложки (рулоны).............................................................................................. 688
6.1.6.
Управление процессом......................................................................................... 693
6.2.
Разработка технологии сверхвысокого вакуума для ускорителей частиц
и устройств ядерного синтеза с магнитным удержанием плазмы.................. 697
6.2.1.
Введение............................................................................................. 697
6.2.2.
Н акопители и потребность в технологии сверхвысокого вакуума............698
6.2.3.
Создание сверхвысокого вакуума для первых накопителей...................700
6.2.4.
Разработка вакуумного резервуара накопителя и системы откачки.......703
6.2.5.
Холодные вакуумные камеры............................................................................... 705
6.2.6.
Сверхпроводящие высокочастотные ускорители............................................... 707
6.2.7.
Большой ускоритель следующего поколения........................................... 708
6.2.8.
«Дорожная карта» ядерного синтеза с магнитным удержанием плазмы............ 708
6.2.9.
И стория ядерного синтеза с магнитным удержанием плазмы............... 709
6.2.10.
Модель С: первое устройство ядерного синтеза в условиях сверхвысокого
вакуума................................................................................................... 710
6.2.11.
Р усская революция в ядерном синтезе: токамаки............................................... 711
6.2.12.
Примеси плазмы и вакуумная технология.......................................................... 712
6.2.13.
На пути к безубыточным экспериментам............................................................ 713
6.2.14.
Следующий шаг в ядерном синтезе..................................................................... 716
Предметный указатель .......................................................................................722
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
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