МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Ивановский государственный химико-технологический университет»
Факультет неорганической химии и технологии
Кафедра технологии приборов и материалов электронной техники
Утверждаю: проректор по УР
_______________
« » 20 г.
Рабочая учебная программа дисциплины
Вакуумные технологические установки
Направление подготовки 210100 Электроника и наноэлектроника
Профиль подготовки Микроэлектроника и твердотельная электроника
Квалификация (степень) Бакалавр
Форма обучения очная
Иваново, 2010
1. Цели освоения дисциплины
Целями освоения дисциплины является современных методов получения, измерения и сохранения вакуума. Основной задачей дисциплины является формирование и закрепление у студентов навыков работы с вакуумными приборами различного назначения и вакуумными установками.
2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата
Дисциплина относится к дисциплинам по выбору, базируется на результатах изучения дисциплин естественно-научного цикла, в том числе математики, физики, физической химии, информатики, а так же дисциплины «Материалы электронной техники». Для успешного усвоения дисциплины студент должен
знать:
· основные понятия и методы математического анализа, линейной алгебры, теории дифференциальных уравнений и элементов теории уравнений математической физики, теории функций комплексной переменной, теории вероятностей и математической статистики, дискретной математики, математических методов решения профессиональных задач;
· фундаментальные законы природы и основные физические законы в области механики, термодинамики, электричества и магнетизма, оптики и атомной физики;
· теоретические основы строения вещества, зависимость химических свойств веществ от их строения; основные закономерности протекания химических и физико-химических процессов;
· основные свойства материалов электронной техники.
уметь:
· применять математические методы, физические и химические законы для решения практических задач;
· применять методы и средства измерения физических величин;
· применять химические законы для решения практических задач;
владеть:
· методами решения дифференциальных и алгебраических уравнений, дифференциального и интегрального исчисления, аналитической геометрии, теории вероятностей и математической статистики, математической логики, функционального анализа;
· навыками практического применения законов физики и химии;
· методами обработки и оценки погрешности результатов измерений;
· современными информационными и информационно-коммуникационными технологиями и инструментальными средствами для решения общенаучных задач в своей профессиональной деятельности и для организации своего труда.
Освоение данной дисциплины как предшествующей необходимо при изучении следующих дисциплин:
· вакуумно-плазменные процессы и технологии;
· технология тонких плёнок и покрытий;
· технология и оборудование производства изделий твердотельной электроники;
· процессы микро и нанотехнологий;
· нанотехнологии в электронике;
· корпускулярно-фотонные процессы и технологии.
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины
· способность использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ОК-10);
· способность представлять адекватную современному уровню знаний научную картину мира на основе знания основных положений, законов и методов естественных наук и математики (ПК-1);
· способность выявлять естественно-научную сущность проблем, возникающих в ходе профессиональной деятельности, привлекать для их решения соответствующий физико-математический аппарат (ПК-2);
· способность владеть основными приемами обработки и представления экспериментальных данных (ПК-5);
· способность налаживать, испытывать, проверять работоспособность измерительного, диагностического, технологического оборудования, используемого для решения различных научно-технических, технологических и производственных задач в области электроники и наноэлектроники (ПК-27);
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
знать:
· устройство, принцип действия и возможности наиболее используемых средств откачки и измерения вакуума;
уметь:
· применять полученные знания для объяснения принципов работы приборов и устройств вакуумной техники;
· использовать методы расчета параметров и характеристик вакуумных установок и устройств при их проектировании;
· осуществлять оптимальный выбор вакуумного прибора для конкретного применения;
владеть:
· навыками работы на конкретных вакуумных установках;
· информацией об областях применения и перспективах развития приборов и устройств вакуумной техники.
4. Структура дисциплины Техника высокого вакуума
Общая трудоемкость дисциплины составляет 4 зачетных единиц, 144 часа.
Вид учебной работы | Всего часов | Семестры | |||
5 | 6 | 7 | 8 | ||
Аудиторные занятия (всего) | 60 | 60 | |||
В том числе: | |||||
Лекции | 30 | 30 | |||
Практические занятия (ПЗ) | 10 | 10 | |||
Семинары (С) | - | - | |||
Лабораторные работы (ЛР) | 20 | 20 | |||
Самостоятельная работа (всего) | 84 | 84 | |||
В том числе: | |||||
Курсовой проект (работа) | - | - | |||
Расчетно-графические работы | 15 | 15 | |||
Реферат | 10 | 10 | |||
Оформление отчетов по лабораторным работам | 31 | 31 | |||
подготовка к текущим занятиям, коллоквиумам | 28 | 28 | |||
Подготовка к экзамену | - | - | |||
Вид промежуточной аттестации (зачет, экзамен) | диф. з | диф. з | |||
Общая трудоемкость час зач. ед. | 144 | 144 | |||
4 | 4 |
5. Содержание дисциплины
5.1. Содержание разделов дисциплины
Модуль 1. Введение в вакуумную технику.
Понятие о степенях вакуума. Основные понятия кинетической теории разреженных газов. Закон Дальтона. Единицы давления. Процессы переноса в газах. Виды процессов переноса. Разность давлений между различно нагретыми частями газа. Течение разреженных газов. Основное уравнение вакуумной техники Виды течения газов. Проводимость элементов вакуумных систем. Расчет времени откачки из замкнутого объема с учетом внутренних газовыделений, натеканий и сопротивления соединительных коммуникаций.
Модуль 2. Средства откачки.
Вакуумные насосы и их классификация. Основные характеристики вакуумных насосов. Вращательные насосы. Принцип газового балласта. Рабочие жидкости вакуумных насосов. Сервисное оборудование вакуумных насосов. Диффузионные и бустерные насосы. Рабочие жидкости для пароструйных насосов. Сервисное оборудование пароструйных насосов. Турбомолекулярные насосы. Адсорбционные насосы. Основные характеристики сорбентов, их сравнительный анализ. Криоконденсационные вакуумные насосы. Процессы конденсации на криопанели. Криозахват и криосорбция. Магнитно-разрядные вакуум-насосы. Виды ионной откачки газов. Ионно-геттерные насосы. Виды испарителей.
Модуль 3. Измерение вакуума и течеискание.
Классификация вакуумных манометров для измерения давления газа. Принцип их действия. Влияние рода газа. Методы автоматического регулирования откачных параметров вакуумных систем с помощью манометрических датчиков. Оценка точности измерения давлений. Практические рекомендации по выбору метода измерения и расположения датчиков в вакуумной системе.
Измерение парциальных давлений. Классификация приборов, принцип их действия. Диапазон применимости различных методов измерения парциальных давлений, их сравнительная характеристика.
Течеискание. Требования к герметичности вакуумных систем. Вакуум-метрический, галоидный, масс-спектральный методы течеискания. Испытание откачных устройств и элементов вакуумных систем.
Модуль 4. Откачные вакуумные системы и принципы их конструирования.
Основные параметры вакуумных систем. Особенности конструкций систем низкого, среднего, высокого и сверхвысокого вакуума. Методы расчета многоступенчатых вакуумных установок. Определение эффективной быстроты откачки и давления газа в установке и выбор откачной системы.
Конструктивные элементы вакуумных систем, общие сведения. Разъемные и неразъемные соединения, вентили, клапаны, вспомогательное оборудование. Шлюзовые системы в вакуумном оборудовании, виды шлюзовых систем: закрытые, открытые, полуоткрытые и комбинированные системы.
Особенности вакуумных систем для электронной технологии. Конструкции вакуумных напылительных установок. Влияние вида вакуумной откачной системы на процесс напыления, практические рекомендации.
5.2 Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами
№ п/п | Наименование обеспечиваемых (последующих) дисциплин | № разделов данной дисциплины, необходимых для изучения обеспечиваемых (последующих) дисциплин | |||
1 | 2 | 3 | 4 | ||
1. | Вакуумно-плазменные процессы и технологии | + | + | + | + |
2. | Процессы микро и нанотехнологий | + | + | + | |
3. | Нанотехнологии в электронике | + | + | + | |
4. | Корпускулярно-фотонные процессы и технологии | + | + | + | |
5. | Технология тонких пленок и покрытий | + | + | + | + |
6. | Технология и оборудование производства изделий твердотельной электроники | + | + | + |
5.3. Разделы дисциплин и виды занятий
№ п/п | Наименование раздела дисциплины | Лекц. | Практ. зан. | Лаб. зан. | Семин | СРС | Все-го час. |
1. | Введение в вакуумную технику | 8 | 4 | 6 | - | 20 | 38 |
2. | Средства откачки | 8 | 2 | 8 | - | 20 | 38 |
3. | Измерение вакуума и течеискание | 8 | 2 | 6 | - | 20 | 36 |
4. | Откачные вакуумные системы и принципы их конструирования | 6 | 2 | - | - | 24 | 32 |
6. Лабораторный практикум
Модуль 1. Лабораторные занятия: 6 час.
· ознакомление с методикой работы на высоковакуумной установке с байпасной линией,
· ознакомление с методикой и приемами работы с основными типами вакуумметров.
Модуль 2. Лабораторные занятия: 8 час.
· исследование быстроты действия механического форвакуумного насоса,
· получение высокого вакуума методом безмасляной откачки, исследование магниторазрядного насоса.
Модуль 3. Лабораторные занятия 6 часов.
· градуировка термопарного вакуумметра методом изотермического расширения,
· ознакомление с методами течеискания и приемами работы на искровом, галоидном и масс-спектрометрическом течеискателях.
·
Модуль 4. Лабораторные занятия в рамках данного модуля не планируются
Примечание: в течение семестра выполняется три работы из приведенного выше списка.
7. Практические занятия
Модуль 1. Тематика практических занятий. Трудоемкость 4 час.
· решение задач по физическим основам вакуумной техники,
· расчеты проводимости элементов вакуумных систем при различных давлениях,
· расчет времени откачки объема до заданного давления.
Модуль 2. Тематика практических занятий. Трудоемкость 2 час.
· сравнение характеристик вакуумных насосов с точки зрения использования в технологических вакуумных установках различного назначения,
· выбор насосов для совместной работы в вакуумных установках.
Модуль 3. Тематика практических занятий. Трудоемкость 2 час.
· анализ и сравнительная характеристика манометрических преобразователей,
· организация вакуумметрических измерений на технологических установках.
Модуль 4. Тематика практических занятий. Трудоемкость 2 час.
· выбор конструкционных материалов для вакуумных установок,
· расчет типовой вакуумной системы.
8. Примерная тематика курсовых проектов (работ)
Курсовые проекты или работы данной дисциплине не планируются
9. Образовательные технологии и методические рекомендации по организации изучения дисциплины
Чтение лекций по данной дисциплине проводится как в классической форме, так и с использованием мультимедийных презентаций. Слайд-конспект курса лекций предназначен для более глубокого усвоения материала при изучении разделов, связанных с технической частью курса. Презентация позволяет преподавателю очень хорошо иллюстрировать лекцию не только схемами и рисунками которые есть в учебном пособии, но и полноцветными фотографиями, рисунками и т. д. Электронная презентация позволяет отобразить физические и химические процессы и работу приборов в динамике, что позволяет улучшить восприятие материала. Студентам предоставляется возможность копирования презентаций для самоподготовки и подготовки к экзамену.
При проведении практических занятий преподавателю рекомендуется не менее 1 часа из двух (50% времени) отводить на самостоятельное решение задач. Практические занятия целесообразно строить следующим образом:
· вводная преподавателя (цели занятия, основные вопросы, которые должны быть рассмотрены);
· беглый опрос;
· решение 1-2 типовых задач у доски;
· самостоятельное решение задач;
· разбор типовых ошибок при решении (в конце текущего занятия или в начале следующего).
Для проведения занятий необходимо иметь большой банк заданий и задач для самостоятельного решения, причем эти задания могут быть дифференцированы по степени сложности. В зависимости от дисциплины или от ее раздела можно использовать два пути:
1. Давать определенное количество задач для самостоятельного решения, равных по трудности, а оценку ставить за количество решенных за определенное время задач.
2. Выдавать задания с задачами разной трудности и оценку ставить за трудность решенной задачи.
По результатам самостоятельного решения задач следует выставлять по каждому занятию оценку. Оценка предварительной подготовки студента к практическому занятию может быть сделана путем экспресс-тестирования (тестовые задания закрытой формы) в течение 5, максимум – 10 минут. Таким образом, при интенсивной работе можно на каждом занятии каждому студенту можно поставить по крайней мере две оценки.
По материалам модуля или раздела целесообразно выдавать студенту домашнее задание и на последнем практическом занятии по разделу или модулю подвести итоги его изучения (например, провести контрольную работу в целом по модулю), обсудить оценки каждого студента, выдать дополнительные задания тем студентам, которые хотят повысить оценку за текущую работу.
При проведении лабораторного практикума необходимо создать условия для максимально самостоятельного выполнения лабораторных работ. Поэтому при проведении лабораторного занятия преподавателю рекомендуется:
· провести экспресс-опрос (устно или в тестовой форме) по теоретическому материалу, необходимому для выполнения работы (с оценкой);
· проверить план выполнения лабораторных работ, подготовленный студентом дома (с оценкой);
· оценить работу студента в лаборатории и полученные им данные (оценка);
· проверить и выставить оценку за отчет.
Любая лабораторная работа должна включать глубокую самостоятельную проработку теоретического материала, изучение методик проведения и планирование эксперимента, освоение измерительных средств, обработку и интерпретацию экспериментальных данных. При этом часть работ может не носить обязательный характер, а выполняться в рамках самостоятельной работы по курсу. В ряд работ целесообразно включить разделы с дополнительными элементами научных исследований, которые потребуют углубленной самостоятельной проработки теоретического материала.
При организации внеаудиторной самостоятельной работы по данной дисциплине преподавателю рекомендуется использовать следующие ее формы:
· подготовка и написание рефератов, докладов, очерков и других письменных работ на заданные темы;
· выполнение домашних заданий разнообразного характера. Это – решение задач; подбор и изучение литературных источников; подбор иллюстративного и описательного материала по отдельным разделам курса в сети Интернет;
· выполнение индивидуальных заданий, направленных на развитие у студентов самостоятельности и инициативы. Индивидуальное задание может получать как каждый студент, так и часть студентов группы.
10. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов
Всего по текущей работе студент может набрать 50 баллов, в том числе:
· лабораторные работы – 21 балл;
· домашние задания и практические занятия – 5 баллов;
· контрольные работы по каждому модулю – всего 15 баллов;
· самостоятельна расчетная работа – 9 баллов.
Зачет проставляется автоматически, если студент набрал по текущей работе не менее 26 баллов. Минимальное количество баллов по каждому из видов текущей работы составляет половину от максимального. Студент может получить дополнительные баллы (до 5 баллов) за счет написания рефератов по одной из приведенных ниже тем или выполнения творческого индивидуального задания, предложенного им самим преподавателю.
Для самостоятельной работы используются задания и задачи, приведенные в учебном пособии:
Холодкова вопросов и задач по курсу «Техника высокого вакуума». – ГОУВПО "Ивановский государственный химико-технологический университет", 2008. – 63 с.
Примерные темы рефератов:
· современные безмасляные форвакуумные насосы,
· уплотнительные материалы для сверхвысокого вакуума,
· современные турбомолекулярные насосы,
· измерение сверхвысокого вакуума,
· использование вакуумных установок в технологии приборов электронной техники,
· разъемные соединения в технике высокого вакуума.
Комплект контрольно-измерительных материалов для текущего, промежуточного и итогового контроля
Контроль текущих знаний студентов на всех этапах осуществляется путем компьютерного тестирования. Комплект тестовых заданий по дисциплине состоит из 200 заданий – в основном закрытого типа. Выдаваемый каждому студенту индивидуальный тест при текущем тестировании в течение семестра включает 10 заданий по каждому модулю и генерируется с помощью специальной программы. Время проведения тестирования рассчитывается исходя из двух минут на одно задание. Пример контрольного теста приведен ниже.
Вариант тестовых заданий для контроля учебных достижений студентов
Модуль 2. Средства откачки
Быстротой действия насоса называется первая производная:
1. объема газа, проходящего через насос, по времени при постоянном давлении
2. давления газа на выходе в насос по времени при постоянной температуре
3. количества газа, проходящего через насос в единицах PV, по времени
4. давления газа на входе в насос по времени при постоянном объеме
5. нет правильного ответа
Коэффициент использования насоса
1. больше единицы
2. меньше единицы
3. меньше нуля
4. может принимать любые значения
5. зависит от давления запуска
Основное уравнение вакуумной техники связывает эффективную быстроту действия с
1. быстротой действия и предельным давлением
2. быстротой действия насоса и проводимостью
3. проводимостью и давлением в насосе
4. давлением запуска насоса и проводимостью
5. нет правильного ответа
Основная рабочая характеристика насоса связывает
1. быстроту действия с давлением на выходе из насоса
2. быстроту действия с давлением на входе в насос
3. предельное давление с давлением запуска
4. давление запуска с быстротой действия
5. коэффициент использования с давлением на выходе из насоса
Для определения производительности насоса надо знать
1. зависимость быстроты действия от давления
2. предельное давление и номинальную быстроту действия
3. коэффициент использования насоса
4. предельное давление и давление запуска
5. все ответы верные
В качестве насосов предварительного разрежения используются насосы:
1. масляные пароструйные
2. масляные механические
3. титановые ионно-сорбционные
4. магнитные электроразрядные
5. все ответы верные
Принцип действия эжекторного насоса основан на
1. откачке газа за счет диффузии молекул газа в струю пара
2. конденсации газов на металлических поверхностях при низких температурах
3. откачке газа за счет вязкостного взаимодействия потока газа и паровой струи
4. поглощении газов пленками геттера
5. нет правильного ответа
В насосах адсорбционного типа откачка обусловлена
1. физической адсорбцией
2. химической адсорбцией
3. внедрением ионов в объем твердого тела
4. конденсацией откачиваемого газа
5. нет правильного ответа
Условие совместимости форвакуумного и диффузионного насосов выглядит следующим образом:
(Pвх – давление на входе в насос, Pвых – давление на выходе из насоса,
Sф – скорость откачки форвакуумного насоса,
Sдиф – скорость откачки диффузионного насоса)
1. Sф ³ Sдиф
2. Pвх × Sф ³ Рвх × Sдиф
3. Pвых × Sф ³ Рвх × Sдиф
4. Pвых × Sф ³ Pвых × Sдиф
5. нет правильного ответа
Реальная скорость откачки форвакуумного насоса
1. больше геометрической скорости откачки
2. равна геометрической скорости откачки
3. меньше геометрической скорости откачки
4. больше или меньше в зависимости от рода газа
5. нет правильного ответа
Итоговое зачетное занятие по дисциплине проводится в две ступени:
· зачетный тест (30 закрытых задания, каждое задание оценивается в 1 балл);
· проверка навыков работы на вакуумном оборудовании с помощью тренажеров, моделирующих работу на вакуумной установке с байпасной линией и с вакуумметром ВИТ-3. Работа на каждом тренажере оценивается из 10 баллов.
В результате студент может набрать максимум 50 баллов.
11. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины:
а) основная литература:
1. Шешин, технологии: учеб. пособие / . - Долгопрудный: Изд. Дом "Интеллект", 20с.
2. Основы вакуумной техники: Учебник. – М.: Энергоиздат, 1981. – 432 с.
3. Розанов техника:Учеб. для вузов. – М.: Высшая школа, 1989. – 208 с.
4. , Милованова лаборатория вакуумной техники: Учеб. для вузов. – М.: Атомиздат, 1971. – 274 с.
5. Техника высокого вакуума /Пер. с польск. и с прилож. , – М.: Мир, 1975. – 622 с.
6. , Холодкова высокого вакуума: лабораторный практикум. – ГОУВПО "Ивановский государственный химико-технологический университет", 2007. – 87 с.
7. Холодкова вопросов и задач по курсу «Техника высокого вакуума». – ГОУВПО "Ивановский государственный химико-технологический университет", 2008. – 63 с.
б) дополнительная литература:
1. ,, Конструирование и расчет вакуумных систем. – М, Энергия,1979. – 504 с.
2. , , Шемякин вакуумного оборудования. – М.: Энергия, 1973. – 208 с.
3. Дж. Уэстон Техника сверхвысокого вакуума. – М.: Мир,1988.
· СИСТЕМНЫЕ ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА: Microsoft Windows XP, Microsoft Vista
· ПРИКЛАДНЫЕ ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА: Microsoft Office 2007 Pro
· СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОЕ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ: СДО Moodle, SunRAV BookOffice Pro, SunRAV TestOfficePro.
Электронные учебные ресурсы:
· контрольные тесты по каждому модулю;
· моделирующие обучающие программы
г) базы данных, информационно-справочные и поисковые системы:
12. Материально-техническое обеспечение дисциплины (модуля)
Лекции по дисциплине проводятся в аудитории, оснащенной видеопроектором. Практические занятия проводятся в дисплейном классе кафедры (10 ПЭВМ типа Pentium 4).
При проведении лабораторного практикума используется дисплейный класс кафедры (10 ПЭВМ типа Pentium 4), а так же лаборатория технологии приборов и материалов электронной техники (80 кв. м.) оснащенная стендами и установками для изучения:
· механического вакуумного насоса,
· магниторазрядного вакуумного насоса,
· методов течеискания в стеклянных вакуумных системах,
· масс-спектрометрического течеискателя,
· галоидного течеискателя,
· термопарного манометрического преобразователя,
· ионизационного манометрического преобразователя,
· приемов работы на высоковакуумной установке с байпасной линией.
Перечень оборудования и порядок работы на каждой установке приводится в учебном пособии: , Холодкова высокого вакуума: лабораторный практикум. – ГОУВПО "Ивановский государственный химико-технологи-ческий университет", 2007. – 87 с.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению и профилю подготовки.
Автор _________________________ ()
Заведующий кафедрой___________ ()
Рецензент (ы)___________________
(подпись, ФИО)
Программа одобрена на заседании научно-методического совета факультета неорганической химии и технологии ИГХТУ от «_____» ________ 201__ года, протокол № ____.
Председатель НМС _______________ (ФИО)
