Física

Bomba de Vacío

Publicado por Monica González

Muchos procesos de microelectrónica, como la deposición de films finos por CVD, así como, plasma etching, sputtering y evaporización, son realizadas en cámaras de vacío en regímenes de presión reducida y o en ambiente con flujo de gases.

Es importante por tanto, para la mejor comprensión de estos procesos el conocimiento de la terminología de vacío.

Comportamiento de los gases en el vacío

Las moléculas del gas en una cámara se movilizan de forma aleatoria sin ninguna dirección preferencial (tal como lo vemos en la figura a continuación), pues en estado gaseoso, las moléculas son más independientes una de la otra. El estado del gas es descrito por las siguientes características: especie y masa del gas, el volumen de la cámara que contiene el gas, la presión y la temperatura del gas.

La presión ejercida por el gas sobre las paredes de la cámara es causada por las colisiones de las moléculas del gas con las respectivas paredes.

Figura : Gas en equilibrio en una cámara

El comportamiento del gas en vacío puede ser descrito utilizando el concepto de “gas ideal”.

Un gas ideal es un gas cuyo estado es tal que el volumen total de todas las moléculas es despreciable comparado con el volumen de la cámara en que están contenidas y la energía de atracción entre las moléculas es despreciable comparada con la energía térmica promedio del gas.

En un gas ideal el volumen, la presión y la temperatura están relacionadas por:

 

p.V = cte , si T = cte ; ley de Boyle y Mariott

p/T = cte , si V = cte ; ley de Gay-Lussac

V/T = cte, si p = cte ; ley de Gay-Lussac

y

 

pV = nRT ; ley de Boyle / Gay-Lussac

 

donde

 

R = 8.314 J/K.mol

 

(constante molar de los gases)

 

En un gas ideal las moléculas gaseosas son tratadas como si fueran minúsculas esferas de masa m moviéndose en direcciones aleatorias. La figura anterior ilustra el movimiento molecular del gas en una cámara de volumen V, conteniendo N moléculas.

 

La densidad n de moléculas en el gas es n  = N/V.

 

Debido al gran número de colisiones entre las moléculas y de estas con las paredes internas de la cámara, las velocidades están continuamente cambiando de dirección y valor.

 

Bombas de vacío para refrigeración

 

En la mayor parte de los equipamiento de refrigeración salvo la refrigeración electrónica o refrigeración por absorción, circula un gas refrigerante en alta presión. Este gas, que muchos conocen como Freon, debe ser lo más puro posible.

 

La actual forma como se logra insertarlo en un aparato de refrigeración, de forma de mantener la pureza, es evacuando antes el aire y la humedad que existen en las tubulaciones para solo entonces colocar el gas refrigerante. Para ello se utiliza una bomba de vacío.

 

La bomba de vacío tiene un funcionamiento bastante parecido con una bomba de agua, solo que en vez de agua extrae agua y humedad que se contiene. Cuanto más potente sea una bomba de vacío más rápido esta logrará alcanzar un nivel adecuado para la colocación de gas refrigerante en el aparato.

 

La elección de una bomba de vacío es realizada en términos de su flujo en CFM (pies cúbicos por minuto). Las más comúnmente encontradas son las de las siguientes capacidades:

 

  • 1,5 CFM, bomba de vacío para sistemas domésticos
  • 3 a 5 CFM bomba de vacío para sistemas comerciales
  • 10 a 15 CFM bomba de vacío para sistemas de gran porte

 

 

Bombas de Vacío

 

* Ambiente de vacío: dividido en varias franjas

* No existe bomba capaz de bombear una cámara en toda su extensión, o sea, de la presión atmosférica para el alto vacío o ultra alto vacío

* Existen muchas bombas pero cada cual opera efectivamente entre los niveles de presión específicos

* La figura debajo muestra las franjas de presión operativa de una variedad de bombas de vacío.

 

 

Región de Presión de las Bombas de Vacío

 

Para bombear desde la presión atmosférica hacia el alto vacío, se utiliza inicialmente una bomba de vacío primario para la evacuación de la cámara hasta la región del medio vacío y entonces, con la bomba de alto vacío se hace el bombeo hasta la presión de alto vacío.

 

Básicamente las bombas de vacío pueden ser clasificadas en dos diferentes categorías:

 

  • Bombas de transferencia
  • Bombas de captura

 

En el primer caso, la bomba simplemente transfiere el gas bombeado desde una región del sistema de vacío hacia la otra. Por ejemplo de una cámara para un tubo de escape que canaliza el gas hacia afuera del ambiente. En las bombas de captura las moléculas del gas por ellas bombeado quedan atrapadas en las propias bombas

Dos factores de gran importancia en las bombas de vacío:

 

a)      la presión más baja que una bomba puede alcanzar generalmente se llama presión final

b)      la calidad del vacío producido.

 

Con relación a este último aspecto, algunas bombas de vacío, como las bombas de difusión, pueden emitir vapores de aceite hacia el interior del sistema de vacío, lo cual para algunas de sus aplicaciones no es tolerado.

 

La selección de la bomba de vacío debe ser definida por parámetros como: presión deseada, intervalo de presión, la velocidad de bombeo y la presión de escape.

 

a)      Presión deseada: Presión mínima en la boca de la bomba

b)      Intervalo de presión: es aquel en el cual la bomba puede bombear

c)      Velocidad de bombeo: no es constante, sin embargo es función de la presión.

d)      Presión de escape: es la presión a través de la cual la bomba puede ser operada, que se presenta de tres formas diferentes:

  1. Bombeo a partir de la presión atmosférica, como por ejemplo las bombas rotativas de paleta.
  2. Bombeo a partir de presiones bien por debajo de la presión atmosférica, como por ejemplo la bomba difusora, roots y la turbomolecular
  3. Inmovilización del gas, por ejemplo, la bomba de absorción y la de ionización, que solo pueden ser encendidas cuando la presión de la cámara esté lo suficientemente baja.

 

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