Хемосорбционная откачка
Хемосорбционная откачка осуществляется путем поглощения активных газов на поверхности металлов. Показателем активности газа является его теплота адсорбции на данном металле. Наибольшее распространение для хемосорбционной откачки получили следующие металлы: Ti, Zr, Та, Ba, Mo, W, Hf, Er.
Для увеличения поверхности металла при его взаимодействии с откачиваемыми газами используется распыление металла, сопровождающееся нанесением тонких пленок на электроды или корпус насоса. Возможность непрерывного обновления напыленной пленки увеличивает срок службы насоса.
Напыление происходит при давлениях паров вещества, больших давления насыщенного пара над поверхностью напыления, когда на единице поверхности в единицу времени конденсируется большее число молекул, чем испаряется. Скорость конденсации из газовой фазы можно рассчитать по уравнениям (2.9) и (2.11).
Рассмотрим особенности процесса конденсации молекул, испаряемых из бесконечно малых источников на плоскую подложку в высоком вакууме. Скорость конденсации при этом dGK = GHdP.
Если молекула испаряется из точечного источника, то 6Р определяется согласно (2.13), а dto=dScos2 y/R2, где R — расстояние от источника до площадки dS на подложке (рис. 5.3, а). При этом выражение для скорости конденсации dGKR= = Ga cos у dSI (4л/?2).
Поток молекул, попадающих на площадку dS, расположенную на кратчайшем расстоянии I от источника,
Тогда отношение толщин пленок конденсата, нанесенных за одинаковый промежуток времени на участки поверхности, отстоящие от источника на I и /?,
Из (5.6) следует, что при р = / толщины слоев конденсата в центре и на краю подложки будут отличаться в 2,8 раза. Для допускаемой неравномерности толщины покрытия, равной 5%, минимальное расстояние между источником и подложкой должно быть 3,6р.
При конденсации молекул, вылетающих из бесконечно малого плоского источника О (рис. 5.3, б), вероятность вылета определяется из (2.14). Тогда, аналогично (5.5) и (5.6), получим dGKZ = GHdS/(nl2); dGKi = Ga cos2 ydS/(л/?2).
Отношение толщин конденсата при нанесении из плоского источника
При р=1 толщины пленки в центре и на краю подложки будут отличаться в четыре раза. При получении пленки с неравномерностью толщины 5% необходимо располагать подложку на расстоянии 6,3р от источника. Плоский источник дает большую, чем точечный, скорость нанесения покрытия (в четыре раза при у = 0), но неравномерность покрытия при этом возрастает.
Неравномерные покрытия, равнодоступные молекулам откачиваемого газа, хуже используют запас активного вещества в насосе.
Быстрота поглощения газа пленкой So зависит от ее материала, рода газа и температуры пленки. Для 1 см2 титановой периодически напыляемой пленки So для Н2 и N2 при 77 К соответственно равны 26-10~3 и 7-103, а при 293 К—15-10~3 и 1-Ю-3 м3/(с-см2).
Поглощение газов пленками может носить поверхностный или объемный характер. При поверхностном поглощении доя небольших степеней покрытия количество сорбированного газа прямо пропорционально времени сорбции. Объемное поглощение происходит за счет диффузии газов в пленку, и количество поглощенного газа на начальном участке сорбционной кривой пропорционально корню квадратному из времени сорбции.
Поверхностный характер сорбции наблюдается обычно при низких температурах, объемный — при высоких. Титановая пленка при температурах выше 150 К водород поглощает объемно. Коэффициент диффузии водорода при температуре 220 К составляет 10-15 см2/с, а при 300 К — 2-10-11 см2/с.
При поверхностном поглощении водорода на титановых пленках при Т>77 К за счет каталитических реакций со свободным углеродом, растворенным в пленке, происходит образование и выделение метана СН4.
Такие газы, как N2, Ог, СО и СОг, начинают поглощаться объемно титаном только при температурах более 1000 К. Поглощение воды сопровождается выделением водорода.
Сорбционные характеристики пленок сильно зависят от условий их образования. Пленка, осажденная при низкой температуре, имеет пористую структуру, что приводит к значительному повышению скоростей поглощения газов.