Рабочие жидкости для вакуумных насосов
Л.М.Аммосова, А.Б.Цейтлин, А.Т.Ширяев
ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1969 г.
Синтетические рабочие жидкости, хотя и более дорогие, однако имеют определенный химический состав и точно воспроизводимые характеристики. Они, как правило, химически инертны, упругость пара их низка, вязкость высока.
В вакуумной технике используются кремнийорганические и полифенило-вые синтетические жидкости и перфторполиэфиры [9].
Кремнийорганические жидкости — это полисилоксановые соединения, молекулы которых состоят из чередующихся атомов кремния и кислорода с присоединенными углеводородными радикалами по свободным связям кремния. Благодаря прочной связи между кремнием и кислородом эти жидкости обладают высокой термической и термоокислительной стойкостью, стабильностью. Добавка к ним хлора или алкильных групп улучшает их смазочные свойства. В СССР выпускаются кремнийорганические жидкости: ФМ-1 и ПФМС 2/5л, а за рубежом DC-702, DC-704 и DC-705. Недостатком их является взаимодействие с эластомерными уплотнителями в насосах, приводящее к набуханию или усадке последних, а также несмешиваемость с большинством жидкостей, которые могли бы улучшить их свойства.
Полифениловые эфиры отличаются исключительно высокой термической стойкостью и низкой упругостью пара при комнатной температуре. Добавление фтор- и хлоррадикалов делает их инертными, что позволяет Им сохранить свои свойства в сильных агрессивных средах. Примерами рабочих жидкостей на основе полифениловых эфиров являются: в СССР — 5Ф4-Э, за рубежом — Fomblin.
Следует отметить, что до сих пор не потеряла своего значения и такая рабочая жидкость, как ртуть. Однородность состава, стабильность свойств в процессе работы в насосах (ртуть не разлагается при рабочих температурах насоса), стойкость к окислению воздухом, высокое давление пара при рабочей температуре в кипятильнике, сравнительно малая растворимость газов, отсутствие примесей органического происхождения делают ее незаменимой при особо ответственных аналитических экспериментах [I, 3, 5]. Однако токсичность паров, высокая химическая активность по отношению к металлам, сужающая выбор конструкционных материалов для насоса, а также высокое давление пара (0,1 Па) при нормальной температуре, обуславливающее необходимость применения охлаждаемой жидким азотом ловушки между насосом и откачиваемым объемом, ограничивают применение ртути.
Влияние откачиваемой среды на свойства рабочих жидкостей
При разработке рабочей жидкости ее качество обычно проверяют в
эксплуатационных условиях в насосах, откачивающих воздух. Как правило, свойства рабочих жидкостей остаются неизменными даже после нескольких месяцев работы [2, 3|. Откачка паров различных жидкостей (воды, растворителей типа спирта, ацетона, четырех хлор истого углерода, эфира, бензола и др.), агрессивных агентов (галогенов и их производных, токсичных газов и др.) вызывает изменение характеристик жидкости, что ведет к необходимости полной ее замены [2—4, 10|. В связи с бурным развитием производстваполупроводников за последние 5—6 лет вышло несколько обзоров, в которых подробно рассматриваются процессы плазменного травления, химического осаждения н т. д., а также влияние воздействия агрессивных откачиваемых веществ на вакуумные системы вообще и рабочие жидкости в частности |4, 10—16).
Влияние паров коды. Особенно часто приходится откачивать пары воды. Достаточно отметить, что перед откачкой практически любого сосуда в нем содержатся пары воды, сортированные на его стенках. Водяные пары легко конденсируются в насосах [2, 5]. Вода, попадая в масло, образует эмульсию, растворяет и активизирует кислоты, содержащиеся в рабочей жидкости. Взаимодействуя с конструкционными материалами насоса, вода образует гидрат окиси железа, который ведет к образованию нерастворимых веществ, являющихся довольно сильными катализаторами окисления рабочей жидкости. Все это приводит к увеличению остаточного давления, осмолению рабочей жидкости, ухудшению смазочных свойств и выходу насоса из строя [2, 3, 5]. Рабочую жидкость приходится заменять.
Влияние кислорода. Наличие кислорода в чистом виде или в смесях также затрудняет откачку [2, 4, 10], так как кислород взаимодействует и с минеральными и с синтетическими жидкостями. В результате сложных реакций образуется «низкая компонента и эмульсия в виде грязи». При более длительной работе и температурах выше 370 К возможно появление высоко-окисленных фракций, не растворимых в рабочей жидкости, которые осаждаются на металлических поверхностях и являются непосредственной причиной отказов пластинчато-роторных и плунжерных насосов.
При больших концентрациях кислорода в смеси с другими газами и при температуре выше 370 К появляется опасность воспламенения рабочей жидкости. Диапазон опасных концентраций кислорода зависит от температуры насоса, типа жидкости. Так, например, при концентрации кислорода в смеси откачиваемых газов больше 30% использование минеральных рабочих жидкостей не допускается.
Влияние агрессивных веществ. Новые технологические процессы в производстве микроэлектроники: химическое осаждение из паровой фазы при низком давлении, из плазмы, низкотемпературное окисление, плазмохнми-ческое травление, реактивное ионное травление и другие процессы используют ряд сильно агрессивных химических веществ.
В табл. 1 приведены основые агрессивные вещества, применяемые в производстве полупроводниковых приборов, и источники загрязнений, которые ими создаются
Как видно из табл. 1, каждый из процессов может влиять ив качество и работоспособность рабочих жидкостей В широкой гамме применяемых агрессивных веществ трудно выделить какое-либо менее опасное.
В табл. 2 показано влияние веществ, применяемых в процессах плазменного отжига и химического осаждения из паровой фазы, на рабочие жидкости и конструкционные материалы установок.
По мнению специалистов [4, 10—14], наибольшую опасность представляют хлорсодержащие газы, при которых происходит полимеризация минеральных масел, что приводит к необходимости их частой замены.
Фторсодержащие продукты менее реакционноспособны вследствие большей прочности связи F—С в сравнении с С1 -С, ио также приводят к полимеризации рабочих жидкостей. Силан, аммиак и бромсодержащне, в конечном итоге, оказывают аналогичное действие на рабочие жидкости всех типов.
Для бустерных механических двухроторных насосов фирма «Dura-vac» производит минеральное масло N° 29 [25]. Фирма предлагает также кремнийорганическую жидкость DB-200 [25] с высокой термоокислительной стойкстью, что делает возможным ее применение в средах с пирофорными газами (например, SiHO и высокой концентрацией кислорода, когда могут возникнуть пожароопасные смеси газов.
Физико-химические характеристики рабочих жидкостей приведены в табл. 8.
Рабочие жидкости для бустерных насосов, выпускаемые в СССР
Отечественной промышленностью для бустерных пароструйных насосов выпускаются минеральные рабочие жидкости: масло для вспомогательных пароструйных насосов и масло ВМ-3 [1, 2], синтетические жидкости РЖ.Б и Алкарен-11 |32].
Масло для вспомогательных пароструйных насосов — продукт дистилляции медицинского вазелинового масла. Оно сравнительно дешевое, однако обладает низкой термической и окислительной стойкостью. При окислении его характеристики изменяются (масло темнеет и дает смолистые осадки на внутренних деталя"х насосов), поэтому невелик срок службы его в насосах большой производительности [3].
Масло ВМ-3 — продукт дистилляции недоочищенных от природных при месей веретенных масел, в результате чего его окислительная стойкость в ~ 50 раз выше, чем у масла для вспомогательных насосов. Однако оно имеет более высокую температуру кипения, поэтому потери масла ВМ-3 из насоса больше, чем потери масла для вспомогательных насосов при одинаковых рабочих условиях.
Жидкость РЖ.Б — перфторполиэфирное соединение, обладающее высокой стойкостью к воздействию кислорода, хлор- и фторсодержащих соединений. Предназначена для применения в бустерных насосах, откачивающих агрессивные среды.
Алкарен-11 — синтетическая углеводородная жидкость на основе алкил-иафталинов, также применяется при откачке агрессивных сред.
В двухроторных бустерных насосах в качестве смазывающей рабочей жидкости используют высоковакуумные минеральные масла ВМ-1 и ВМ-5.
Физико-химические характеристики рабочих жидкостей приведены в табл. 9.
РАБОЧИЕ ЖИДКОСТИ ДЛЯ ДИФФУЗИОННЫХ ПАРОМАСЛЯНЫХ НАСОСОВ
Требования к рабочим жидкостям для диффузионных паромасляных насосов
Основные требования, предъявляемые к рабочим жидкостям для диффузионных насосов [3]:
низкое давление пара при комнатной температуре и высокое давление пара при рабочей температуре в кипятильнике насоса;
узкий фракционный состав;
термическая и термоокислительиая стойкость;
малая теплота парообразования.
В высоковакуумных паромасляиых насосах в основном применяют еле дующие типы рабочих жидкостей: минеральные масла, кремнийорганичес кие соединения, сложные эфиры органических спиртов и кислот, синтетические углеводородные жидкости.
Сравнительные характеристики рабочих жидкостей разного химического состава даны в табл. 10.
Рабочие жидкости для диффузионных паромасляиых насосов, выпускаемые за рубежом
Ассортимент рабочих жидкостей для диффузионных насосов разнообразен. Выпускаются жидкости на основе минерального сырья и синтетические.
Основные поставщики жидкостей — фирмы «CIT Alcatel:», cDuravac», «Edwards», «Leybold-Heraeus», «Balzers», «Varian». Фирмы «CVC Products, Inc.» (США), совместное итало-американское объединение «Montef-lous/Montedison» успешно конкурируют с перечисленными фирмами, особенно в производстве жидкостей на основе перфторполиэфиров. В последние годы активизировала свою деятельность Япония (фирмы cUlvac» и «Matsumura Oil Research Corp.», «Daikin Industries») [21].
Наибольшее применение находят рабочие жидкости фирмы «CIT Alcatel». Масло Alcatel 200 (см. табл. 6) — хорошо очищенное минеральное, Alcatel 214 и Alcatel 215 — жидкости на основе кремиийоргаиики (тетраметил-тетрафенил-трисилоксаи). Они обладают высокой термической и термоокислительной стойкостью. Область применения очень широкая. Alcatel 220 — сиитетическая жидкость иа основе углеводородов нафталинового ряда, не токсична, не оказывает воздействия на обычные материалы оборудования и эластомеры, отличается очень низким давлением насыщенного пара. Alcatel 211 — перфторполиэфир типа жидкости Fomblin, запатентованный фирмой «Montedison». Santovac 5 — на основе полифениловых эфиров разработана фирмой «Monsanto Chemical». Жидкость Santovac 5, выпускаемая фирмой, в 35 раз дороже Alcatel 200 и в 1,2—3 раза дороже остальных жидкостей этой фирмы.
Рабочие жидкости для механических насосов, выпускаемые в СССР
Для механических насосов промышленностью выпускаются минеральные вакуумные масла ВМ-4 и ВМ-6 [1. 32]. Масло ВМ-6 обладает_более узким фракционным составом по сравнению с маслом ВМ-4, более высокой окислительной стабильностью и влагостойкостью, меньшей зависимостью вязкости от температуры. Однако эти маслаНяеодноридны по составу и при значительном увеличении температуры могут разлагаться на фракции, в результате чего ухудшаются их характеристики.
Разработаны и освоены в опытном производстве также синтетические жидкости РЖМ и Алкарен-35 J33j.
РЖА1! — перфторполиэфирная р'абочая жидкость с высокой стойкостью к воздействию кислорода, хлор- и фторсодержащим соединениям. Предназначена для применения в насосах, откачивающих плазмохимическое, ионно-химическое и другое вакуумное оборудование, в котором выделяются агрессивные газы и пары. По химической структуре близка к рабочей жидкости типа Foniblin фирмы «Montedison» (Италия). Алкарен-35 — синтетическая углеводородная жидкость на основе алкилнафталинов.
Физико-химические свойства указанных рабочих жидкостей приведены в табл. 7
РАБОЧИЕ ЖИДКОСТИ ДЛЯ ПАРОСТРУЙНЫХ БУСТЕРНЫХ ПАРОМАСЛЯНЫХ НАСОСОВ
Требования к рабочим жидкостям для бустерных паримлсляных насосов
Бустерные насосы предназначены для откачки больших количеств газа при относительно высоких впускных давлениях (10—10"2 Па) и значительных величинах наибольшего выпускного давления. Поэтому основными требованиями, предъявляемыми к рабочим жидкостям для бустерных насосов, являются |1, 2|
высокая термическая и термоокислительная стойкость;
высокое давление пара при рабочей температуре'в кипятильнике;
малая теплота парообразования;
узкий фракционный состав, исключающий заметное изменение характеристик рабочей жидкости вследствие ухода из нес легких фракций при работе насоса.
Промышленностью освоены рабочие жидкости как на основе минеральных масел, так и синтетических.
Рабочие жидкости для бустерных насосов, выпускаемые за рубежом
Основные поставщики рабочих жидкостей для бустерных пароструйных насосов — фирмы «Edwards» и «Duravac» (Великобритания). Обычно это жидкости с небольшой молекулярной массой (300—450 а.ем ), стоимость их невысока [4]
Фирма «Edwards» выпускает минеральное масло Apiezon AP201 |20]. Оно имеет низкую вязкость, химически стойко, так как защищено от окисления термостабильными добавками. Кроме того, защита от окисления делает возможным напуск атмосферного воздуха в насос при рабочей температуре. А\асло не действует на синтетическую резину, используемую для уплотнений в вакуумных системах, не токсично и не загрязняет окружающую атмосферу. Разработана и новая жидкость Grade 200, состав которой фирмой не указывается.