тел: (495) 600-40-84

Особенности производства и тестирования вакуумных позиционеров

1. Введение

В связи с ростом технологий, которые применяются в условиях вакуума или при криогенных температурах, отмечается увеличение спроса на соответствующее оборудование. Для научно-исследовательских работ, а также в промышленности требуется обеспечение различных уровней вакуума в зависимости от специфики задачи. В ходе технологического процесса изготовления линзы нанесение покрытия осуществляется в вакуумной камере; волоконная и лазерная оптика, а также детекторы с высокой чувствительностью изготавливаются в условиях вакуума. Вакуум является обязательным условием для многих задач в области исследований и разработок, начиная с процессов эпитаксии в лаборатории и заканчивая объектами, где функционируют синхротроны. Сверхвысокий вакуум и чистое помещение являются необходимыми условиями для полупроводниковой промышленности. Во всех вышеперечисленных, а также других приложениях требуются надёжные системы позиционирования, адаптированные для вакуума. Данное оборудование используется для перемещения образцов или юстировки оптики.

Fig.1.JPG

Рис.1. Система позиционирования в вакуумной камере.

Для определённости с уровнем вакуума необходимо проанализировать техническое задание, которое зависит от особенностей приложения. Стоит отметить, что помимо общей величины давления, следует учитывать парциальное давление компонентов газа. Например, вследствие неправильного выбора смазки или использования пластмассовых компонентов для системы позиционирования, в вакуумную камеру может выделяться избыточное количество углеводородов. Углеводороды расщепляются при воздействии УФ или синхротронного излучения высокой мощности и, следовательно, их наличие особенно критично в случае приложений, где используется синхротронное излучение или лазеры УФ диапазона. Расщеплённые компоненты, осаждающиеся на поверхность оптических элементов или образцов, приводят к их загрязнению или повреждению.

Таким образом, формируется потребность в моторизованных позиционерах с низким газовыделением. Кроме того, остаточный газ должен содержать очень малое число углеводородов, а также металлов с высоким давлением пара, таких как цинк, свинец или кадмий. Для того чтобы обеспечить высокое качество выпускаемой продукции, необходимо приложить усилия для учёта всех особенностей производства. Таким образом, выбранные материалы и процесс обработки являются наиболее важными аспектами при проектировании подходящего вакуумного позиционера. Целью компании PI является разработка и производство продукции, предназначенной для обеспечения перемещения в условиях вакуума. Позиционеры, предлагаемые PI, могут работать в диапазоне от 10-9 гПа до атмосферного давления. В некоторых случаях может быть достигнута отметка в 10-10 гПа. В данной статье приводится информация об аспектах производства вакуумных позиционеров, а также рассказывается о соответствующем оборудовании для контроля качества выпускаемой продукции.

2. Определения: вакуум и газовыделение

Термин вакуум определяется как давление, которое является более низким, чем нормальное (атмосферное) давление. В этой статье, в качестве единицы измерения давления используется гектопаскаль (гПа). Другими часто используемыми единицами давления являются миллибар (мбар) и торр (торр).

Степень вакуума

Диапазон давления

Низкий вакуум

от <1 гПа до 10-3 гПа

Высокий вакуум

от <10-3 гПа до 10-7 гПа

Сверхвысокий вакуум

от <10-7 гПа до 10-12 гПа

Экстремальный вакуум

<10-12 гПа

Под газовыделением понимается отделение летучих молекул, абсорбированных или адсорбированных на поверхности или в объёме материала. Поскольку скорость газовыделения определяет давление в системе (наряду с мощностью вакуумного насоса), то этот фактор не позволяет достигать низкого давления за малый промежуток времени. Молекулы различных соединений могут осаждаться на поверхности оптических элементов или других чувствительных устройств, что приводит к изменению их свойств или повреждению. 

Fig.2.JPG

Рис.2 Четырёхосевая система позиционирования для приложений в условиях сверхвысокого вакуума.

3. Проектирование и производство

Поскольку газовыделение является препятствием для создания и поддержания сверхвысокого вакуума, правильный выбор материалов и способа их обработки является очень важным условием при проектировании и производстве систем вакуумного исполнения. Для производства систем позиционирования, работающих при высоком и сверхвысоком вакууме, должны быть приняты во внимание три основных фактора.

3.1 Выбор материалов

Стандартное электрическое и электронное оборудование, например, двигатели, энкодеры, разъёмы и ограничительные выключатели содержат компоненты, которые не подходят для применения в условиях вакуума или подходят в ограниченной степени. Кабели обычно покрываются ПВХ изоляцией. Двигатели смазываются специальной смазкой или маслом с высоким давлением пара, который содержит углеводороды. Электронные компоненты имеют пластмассовый корпус с высокими показателями газовыделения. Предотвращение газовыделения из этих компонентов является большим шагом для обеспечения вакуума. Замена ПВХ кабелей на тефлоновые или полиимидные является технически простой, однако, дорогой операцией. Полиимид, в частности, достаточно чистый материал для использования в условиях вакуума, но он поглощает много молекул воды, что резко увеличивает период откачки. Таким образом, следует выбирать только некоторые типы материалов. Стоит отметить, что для вакуумных систем длина кабеля должна быть как можно короче.

Качественные вакуумные двигатели имеют ряд отверстий для вентилляции, оснащены обмотками, которые экранированы полиимидом, а также датчик температуры. Контроль температуры является важным аспектом по двум причинам. Во-первых, двигатель должен работать в режиме, при котором тепловыделение очень незначительно, следовательно, рекомендуется эксплуатация позиционера на низких скоростях. Во-вторых, для условий сверхвысокого вакуума требуется контролируемое проведение нагрева двигателя путём подачи тока. Таким образом, для сверхвысокого вакуума все компоненты должны выдерживать нагрев до определённой температуры. Обычно, для позиционеров производства PI с датчиком положения эта температура составляет 120 °С, без датчика – 150 °С. Из-за большого числа витков обмотки мотора требуется большое количество полиимида, следовательно возникает задача удалять значительное количество адсорбированных молекул воды с помощью нагрева. На изображении ниже показаны двухфазные шаговые двигатели, специально разработанные для позиционеров, предназначенных для условий сверхвысокого вакуума. Стандартные разъёмы и концевые выключатели не могут использоваться в вакууме вследствие повышенного газовыделения пластмассовых компонентов, входящих в их состав. В качестве замены используют компоненты, изготовленные из пластмасс с низким газовыделением (для высокого вакуума) или керамики, ПЭЭК и металлов (для сверхвысокого вакуума). 

Fig3.JPG

Рис.3 Внешний вид двигателей для сверхвысокого вакуума

Выбор материалов для корпуса позиционеров ограничен. Например, медно-цинковые сплавы не следует использовать для вакуумных систем. Данные сплавы заменяются бронзой, если это возможно. Другие стандартные пластмассовые материалы для условий сверхвысокого вакуума заменяются на ПЭЭК, керамику или металлические компоненты.


Fig4.JPG

Рис.4 Внешний вид линейной вакуумной платформы с концевыми выключателями для сверхвысокого вакуума.

3.2. Особенности конструкции

Замена стандартных материалов вакуумно-совместимыми аналогами, информация по которым дана выше, является строгим требованием к конструкции вакуумного позиционера. Другим требованием является уменьшение площади поверхности позиционера. Для вакуумных платформ непокрытая поверхность не подвергается пескоструйной обработке. Покрытие для защиты от загрязнений, как правило, не требуется. В защитных экранах для электроники концевых выключателей также нет необходимости в случае механических модификаций. 

Fig5.JPG

Рис.5. Линейная платформа PLS-85 для сверхвысокого вакуума.

Третьим и очень важным требованием к конструкции вакуумного позиционера является предотвращение виртуальных утечек. Виртуальной утечкой является захваченный объём газа с вакуумной стороны камеры. Молекулы газа в этом захваченном объёме не могут быть легко откачаны из-за узких путей, соединяющих захваченный объём и внутренню часть вакуумной камеры. Это приводит к медленному натеканию газа в камеру. Непродуманная конструкция является главной причиной виртуальных утечек, не только для позиционеров, но и для вакуумных камер и вакуумного оборудования в целом. Локализация объёма газа обычно вызвана невентиллируемыми глухими резьбовыми отверстиями. Другими источниками виртуальных утечек являются отверстия опорной плиты, над которыми фиксируется позиционер.

Рекомендуется использование вентиллируемых винтов в случае виртуальных утечек, вызванных винтами. Вентиллируемые винты имеют сквозное отверстие для лёгкой откачки захваченного объёма воздуха (см. изображение ниже). Кроме того, головка винта имеет канавку, чтобы обеспечить удаление воздуха из полости под головкой винта. Если над отверстием располагается позиционер, то он также должен иметь канавки для удаления воздуха.

Fig6.JPG

 Рис.6 Изображение посеребренных вакуумных винтов.

3.3. Очистка, сборка и упаковка

Перед сборкой позиционера, все металлические компоненты проходят очистку в ультразвуковой ванне. Электронные компоненты протираются. Стандартные компоненты, такие как подшипники и направляющие, освобождаются от смазки, очищаются и смазываются специальной вакуумной смазкой. После очистки в ультразвуковой ванне компоненты просушиваются в климатической камере. Сборка позиционера осуществляется в чистом помещении или в системе с ламинарным потоком воздуха. После сборки, платформа должна пройти тестирование производительности в чистом помещении. Тестирование в условиях вакуума проходит каждый позиционер и при необходимости его конструкция дорабатывается. Тестирование производительности в условиях вакуума могут быть проведены по запросу заказчика. Особенности данных процедур будут обсуждаться в следующих пунктах. После сборки, позиционер упаковывается в герметичный пакет, который не пропускает пыль, воздух и влагу. После упаковки и герметизации во внутреннем вакуумном пакете, позиционер помещают во внешний вакуумный пакет, который затем полностью герметично запечатывается.

4. Оборудование для контроля качества

Компания Physik Instrumente имеет несколько вакуумных камер с различным объёмом и оснащением для обезгаживания методом нагрева и возможностью масс-спектрометрии.

4.1. Малая вакуумная камера

С целью тестирования отдельных компонентов или небольших позиционеров используется камера с объёмом примерно 10 л. Камера оснащена турбомолекулярным насосом со скоростью откачки 400 л/сек, а также датчиком для непрерывного измерения давления с чувствительностью ниже 10-10 гПа. Дополнительная аппаратура позволяет проводить обезгаживание при температурах до 200 °С. 

Fig7.JPG

Рис. 7 Малая вакуумная камера, установленная на заводе Physik Instrumente.

4.2. Большая вакуумная камера

Большая камера с объёмом 260 л предназначена для тестирования больших позиционеров с длиной до 800 мм, а также для многоосевых систем. Камера оснащена турбомолекулярным насосом со скоростью откачки 700 л/сек и датчиком давления, который позволяет проводить тестирование при давлениях ниже 10-9 гПа. Существует возможность обезгаживания при температурах до 150 °С. 

Fig8.JPG

Рис.8. Большая вакуумная камера, установленная на заводе Physik Instrumente.

В камере можно проводить тестирование производительности вакуумных платформ с различными двигателями, энкодерами, ограничительными выключателями, температурными датчиками и т.п. Если требуются интерферометрические измерения или необходимо визуальное наблюдение некоторых процессов, обе камеры могут быть оборудованы смотровыми окнами (как показано на изображении большой вакуумной камеры). Квадрупольный масс спектрометр (см. изображение малой вакуумной камеры) для анализа остаточного газа в реальном времени (от 0 а.е.м. до 200 а.е.м.) может быть встроен в обе камеры.

5. Контроль качества позиционеров для эксплуатации в вакууме

Компания Physik Instrumente проводит классификацию и проверку вакуумных позиционеров посредством измерения давления и анализа остаточного газа в вакуумной камере. В зависимости от требуемого уровня вакуума, при необходимости проводится процедура обезгаживания.

Параллельно с измерением давления, в ходе тестирования выполняется анализ остаточного газа через определённые временные промежутки. Остаточные ионизированные молекулы, находящиеся в камере, разделяются по массе в спектрометре. Коллектор Фарадея вместе с вторичным электронным умножителем позволяют проводить измерения при условии очень низкой концентрации молекул газа в объёме вакуумной камеры. В ходе анализа могут быть обнаружены молекулы воды, углеводородов и других примесей. В том числе существует возможность отследить процессы десорбции и обнаружить виртуальные утечки.

6. Измерения в условиях высокого вакуума

Fig9.JPG

Рис.9 Гексапод HP-140. Модификация для высокого вакуума.

В качестве образца для проведения испытаний в вакуумной камере был использован гексапод HP-140, представляющий собой шестикоординатную систему позиционирования с параллельной кинематикой. Результаты исследований приведены на графиках ниже. Была построена кривая падения давления в малой вакуумой камере (ёмкость 10 л, скорость откачки 400 л/сек), в которой находился гексапод HP-140. После откачки длительностью 48 ч, было достигнуто давление порядка 10-7 гПа.

Fig10.JPG

 Рис.10. Кривая падения давления для гексапода HP-140 (модификация для высокого вакуума). Длительность откачки 48 ч. Достигнуто давление в 10-7 гПа.

Анализ остаточного газа был проведён после 48 часов откачки. Ниже показан спектр, где видно, что содержание воды является наибольшим (от 16 до 18 а.е.м.), далее следует пик, соответствующий водороду (от 1 до 2 а.е.м.). После чего можно видеть пик для азота (28 а.е.м.), который составляет 2 % от интенсивности пика для воды. Все остальные пики составляют менее 2 % от интенсивности пика воды. Тем не менее, вклады углеводородов наблюдаются во всём диапазоне измеряемых масс. Их суммирование приводит к значительному парциальному давлению углеводородов.

Fig11.JPG

Рис. 11. Парциальный анализ давления остаточных газов в случае с гексаподом HP-140 (модификация для высокого вакуума). 

7. Измерения в условиях сверхвысокого вакуума

Для тестирования позиционеров, модифицированных для сверхвысокого вакуума, процедура откачки воздуха из вакуумной камеры следует за операцией обезгаживания методом нагрева, которая по длительности составляет несколько часов или дней, в зависимости от размера позиционера. Позиционер помещается в вакуумную камеру, внутри которой происходит нагрев. Температура обезгаживания находится в диапазоне от 80 °С до 150 °С. Её величина зависит от особенностей компонентов, входящих в состав позиционера. Кроме того, поскольку все вакуумные двигатели выделяют газы во время включения и работы, они принудительно прогреваются путём подачи на обмотки тока с целью усиления выделения летучих соединений. Температура двигателя, контролируемая соответствующим встроенным датчиком, должна быть на 40-50 °С выше общей температуры обезгаживания. Стоит отметить, что двигатель должен медленно перемещаться в течение всего процесса обезгаживания. В этом случае, происходит однородный нагрев двигателя и, следовательно, обеспечивается непрерывное выделение летучих соединений. В качестве примера, ниже приведена информация о результатах измерений для линейной платформы PLS-85, адаптированной для сверхвысокого вакуума. Эксперимент был проведён в малой вакуумной камере, о которой упоминалось выше. После откачки воздуха в течение 15 часов, платформа подвергалась нагреву вплоть до 150 °С в течение 8 часов. 

Fig12.JPG

Рис.12. Кривая падения давления в случае с линейной платформой PLS-85, модифицированной для сверхвысокого вакуума

При включении нагревателя, давление в вакуумной камере увеличилось почти на два порядка, после чего медленно начало снижаться. После выключения нагревателя, давление в системе уменьшилось более чем на три порядка и достигло значений менее 10-9 гПа при комнатной температуре. После остывания была проведена процедура анализа остаточных газов. Наибольший пик в спектре принадлежит водороду (от 1 а.е.м. до 2 а.е.м.), который довольно трудно откачивается из камеры с помощью турбомолекулярного насоса. Все остальные сигналы имеют примерно в 10 раз меньшую величину. Водород является исключением, и вода составляет большую часть остаточного газа. Стоит отметить, что интенсивность сигнала для воды в данном эксперименте была в 2 раза больше, чем для остальных веществ, в то время как для случая с высоким вакуумом – в 50 раз. Уровень углеводородов сильно снижен. Вещества с а.е.м. более 91 в спектре практически не дифференцируются.

Fig13.JPG

Рис. 13 Парциальный анализ давления остаточных газов в случае с линейной платформой PLS-85, модифицированной для сверхвысокого вакуума.

8. Особенности позиционеров в зависимости от степени вакуума

Большинство стандартных позиционеров PI используются при атмосферных условиях и давлениях до 10-3 гПа, а в некоторых случаях ниже этой отметки. Для диапазона между 10-3 гПа и 10-6 гПа доступны стандартные позиционеры для высокого вакуума. Для более высоких требований к количеству примесей и давлениям до 10-7 гПа используются модифицированные позиционеры для высокого вакуума. Для диапазона давлений от 10-7 гПа до 10-9 гПа или ниже используются позиционеры для сверхвысокого вакуума.

Ниже перечислены компоненты, которые используются при сборке позиционеров в зависимости от степени вакуума.

Позиционеры для высокого вакуума (до 10-6 гПа) имеют следующие особенности:


    • Двигатель, модифицированный для работы в вакууме
    • Стандартный энкодер (по требованию)
    • Стандартные кабели
    • Стандартные разъёмы
    • Стандартные ограничительные датчики
    • Кабели имеют ПТФЭ оплётку
    • Корпус из анодированного алюминия
    • Вентиллируемые вакуумные винты
    • Подвижные элементы смазываются вакуумной смазкой
    • Максимальная температура обезгаживания составляет 80 °С

Позиционеры для высокого вакуума (до 10-7 гПа) имеют следующие особенности:


    • Специальный двигатель для высокого вакуума
    • Энкодер для высокого вакуума (по требованию)
    • Кабель с длиной 2 м, оплётка из ПТФЭ или полиимида, Sub-D разъём для высокого вакуума
    • Ограничительные датчики, модифицированные для вакуума
    • Алюминиевые компоненты корпуса без анодирования
    • Винты из нержавеющей стали покрыты серебром, с вентилляционным отверстием
    • Подшипники и подвижные элементы изготовлены из закалённой нержавеющей стали и покрыты вакуумной смазкой
    • Специальные пластмассовые элементы
    • Вентиллируемые отверстия

Позиционеры для сверхвысокого вакума (до 10-9 гПа) имеют следующие особенности:

    • Специальный двигатель для сверхвысокого вакуума с температурным датчиком
    • Энкодер для сверхвысокого вакуума (по требованию)
    • Кабель с длиной 2 м, с оплёткой из полиимида, Sub-D разъём для сверхвысокого вакуума
    • Специальные ограничительные датчики для сверхвысокого вакуума
    • Алюминиевые части корпуса не анодированы
    • Винты из нержавеющей стали покрыты серебром, с вентилляционным отверстием
    • Подшипники и подвижные элементы изготовлены из закалённой нержавеющей стали и покрыты вакуумной смазкой
    • Нет пластмассовых элементов, кроме ПЭЭК
    • Вентиллируемые отверстия

Электронные устройства, такие как контроллеры, усилители, поставляемые компанией PI не предназначены для использования в условиях вакуума, Таким образом, данное оборудование должно быть расположено за пределами вакуумной камеры. Соответствующие гермопроходники и адаптеры для кабелей могут быть также поставлены PI.