Для проведения технологических процессов  в вакууме, как  правило, необходимо иметь очень сложные установки, содержащие, кроме насосов и вакуумметров, камеры, трубы, краны, вентили, окошки для наблюдения за ходом процесса, люки и  шлюзы для помещения в вакуумную камеру материалов и  предметов, вводы электрического тока и многое другое. И хотя вакуумные установки бывают и низко- и высоковакуумные, и большие и маленькие, у них все же есть много общих черт.  Специфика вакуумных установок для проведения «горячих» процессов состоит в том, что вакуумную камеру приходится охлаждать. Казалось бы, что плохого в том, что она нагреется — только очистится получше; газы выделятся из  металлических стенок и откачаются насосами. Однако резина — а чаще всего уплотнения (прокладки) технологических вакуумных установок выполнены из резины — не выдерживает сильного и продолжительного нагрева. Именно резиновые, а не металлические уплотнения применяют потому, что открытие и закрытие люка с резиновым уплотнением происходит во много раз быстрее, а производительность таких установок - один из главных их параметров. Иногда для упрощения конструкции охлаждают только ту часть установки, где находится резина, или вообще заменяют резину другими упругими, но более термостойкими материалами, например, витоном. 

2.1 Вакуумное  напыление

Широко используется вакуум в таком технологическом процессе, как напыление. Процесс это важный, без него не было бы — всего лишь! — всей микроэлектроники, не говоря уже о таких мелочах, как зеркала, отражатели в автомобильных фарах, елочные игрушки и многое другое.

     Пусть имеется поверхность («подложка»), на которую надо нанести некое вещество. Сделать это можно разными способами, но в технике самым распространенным и самым универсальным является способ напыления. Напыление — по смыслу слова — это нанесение на подложку мелких частиц, «пыли». Действительно, известны способы, когда на подложку  направляют поток сильно нагретых частиц порошка напыляемого вещества и эти частицы довольно прочно сцепляются с  подложкой, как бы «примерзают» к ней. Но чаще, вопреки названию, напыляют не пыль, а отдельные молекулы. Поток молекул в вакууме можно создать двумя способами. При первом («напыление в газовом разряде») зажигают  газовый разряд между подложкой и куском напыляемого вещества («мишенью»). Ионы газа бомбардируют мишень и распыляют ее. При этом атомы вещества мишени напыляются на  подложку. При другом способе («вакуумное напыление») кусок напыляемого вещества разогревают так, чтобы он быстро испарялся, при этом испаренные атомы осаждаются на  подложке. Напыление первым способом хотя и сложнее, чем вторым, но и универсальнее — таким способом может быть напылено большее количество веществ. Поэтому сфера применения напыления в газовом разряде растет быстрее, чем вакуумного, но и последнее рано сдавать в архив. Связано это, в частности, с тем, что напылением в высоком вакууме можно получать очень чистые пленки: примесь газа в них определяется отношением скорости поступления на подложку атомов напыляемого вещества и скорости молекул газа, оставшегося после откачки. В высоком вакууме молекул такого газа поступает на подложку совсем немного. Однако напылить атомы того или иного вещества — это еще не все. Надо, чтобы напыленный слой («пленка») не оторвался от подложки. Для этого подложку чистят иногда нагревом, иногда бомбардировкой ионами — все это увеличивает силу сцепления, или «адгезию».

     Причиной  отрыва пленки от подложки являются  термические напряжения. Поскольку  напыленная пленка  обычно горячее  подложки, то при остывании в пленке  возникают растягивающие напряжения, в подложке — сжимающие, а в зоне контакта — напряжения сдвига. В зависимости от того, какие напряжения раньше превзойдут предел прочности, пленка или разорвется на островки, или совсем оторвется от подложки. С подложкой при этом,  конечно, ничего не происходит: она много толще пленки и напряжения в ней (отношение силы к площади сечения) много меньше. Один из способов борьбы с этими неприятностями — напыление атомов на нагретую подложку.

     Применяется вакуум и в пищевой промышленности, и в  медицине — для сушки  и обезвоживания пищевых продуктов и лекарств (такой процесс называют лиофильной сушкой), поскольку откачка ускоряет испарение воды из продуктов.  Сушат в вакууме и обмотки электродвигателей и  трансформаторов перед пропиткой, а пропитывают их различными смолами и трансформаторным маслом для увеличения  теплопроводности. Обмотки нагреваются протекающим по ним током по всей толщине, а охлаждаются лишь с поверхности.  И чем меньше в обмотке воздуха и больше смолы или масла, тем больше ее теплопроводность и меньше разогрев. Заметим, что в данном случае вакуумирование применено для уменьшения давления, ибо именно давление воздуха не пустит масло в щели между проводами, если между ними останется воздух.

     Эта ситуация не единственная, когда откачка  применяется именно для уменьшения давления. Например, в химии откачка используется для ускорения фильтрации жидкостей: с нижней стороны фильтра воздух откачивается и жидкость продавливается через фильтр не только собственным весом, но и атмосферным давлением. Применяется откачка и в  металлургии для литья деталей, чтобы воздух, остающийся в форме, не мешал металлу поступать в нее.

     Применяется откачка и в машиностроении, и в полиграфии, например вакуумные присоски, с помощью которых можно брать по одному листы металла или бумаги из стопки.  Вакуумные присоски применяются также и в быту — вспомните мыльницу с двумя резиновыми присосками для крепления к стене. Конечно, этот «вакуум» можно назвать и скромнее — «некоторым разрежением». Разрежение есть и в медицинских банках, которые ставят на спину при простудных заболеваниях.

     Газ растворен в металле? Разумеется, такого не может быть... Разве что в твердом теле имеются поры, а в них — газ?.. Но отдельные молекулы какого-либо газа, вкрапленные в твердое тело, вряд ли можно называть газом ведь газ — это не просто некоторое количество определенных молекул, это определенное агрегатное состояние того или иного вещества, которое должно подчиняться «газовым законам». А молекулы веществ, являющихся при нормальных условиях газами, попав в твердое тело, этим законам 

     подчиняться перестают. Тем не менее, их называют «газ, растворенный в металле», и  если эти молекулы выделяются обратно из твердого тела, то они снова представляют собой газ. Таким образом, при определенных условиях из твердых веществ могут выделяться молекулы различных газов. Это обстоятельство крайне нежелательно при работе вакуумной техники. Мало приятного, когда в откачиваемый объем из стенок камеры выделяются все новые и новые порции молекул газа. А без твердого тела при получении вакуума не обойтись, поскольку, чтобы получить вакуум, надо отделить откачиваемый газ от атмосферы. И лучше всего это можно сделать именно  твердыми стенками. Единственный случай, когда в таких стенках нет необходимости, — это при откачке всей атмосферы сразу.  Рассмотрим  проблему твердых (например, металлических) стенок, отделяющих вакуум от атмосферы. Из этих стенок выделяются и попадают в вакуум молекулы газов, и, как мы уже знаем, этот процесс мешает получать высокий вакуум.  От чего зависит его скорость? Сначала — от скорости отрыва молекул газа от поверхности металла (этот процесс называется десорбцией). По мере того как все больше и больше молекул газа из поверхностного слоя металла уходит в вакуум, поток газа уменьшается, так как молекулам приходится «пробираться» к поверхности через все более толстый слой металла.  Наконец, поток газа начинает ограничиваться (лимитироваться) скоростью диффузии.

     Понятие лимитирования многостадийного  процесса какой- то одной стадией  очень важно для физики вообще, так как практически любой  процесс многостадиен. Общая скорость протекания процесса или количество объектов  «проследовавших» по всему процессу, определяется обычно какой-то одной стадией. Пока молекул газа в металле много,  лимитирующей стадией является десорбция. Когда молекул газа становится мало, диффундирующий поток уменьшается, и тогда уже определяющей стадией становится диффузия.  Из чего делают «стенки» для вакуума? В вакуумной  технике в основном применяют металлы, керамику, стекло, реже пластмассы. Еще реже — слюду и некоторые лаки.  Вакуумные требования к материалам просты и понятны: они не должны портить вакуум, т. е. должны слабо испаряться сами и содержать мало выделяющихся в вакуум примесей.

     Основные  «неприятные» примеси — это находящиеся  в твердых материалах газы. Правда, легко испаряться могут не только газы, но и сами металлы. Например, быстро испаряются цинк и кадмий. При температуре всего лишь 200 °С цинк испаряется со скоростью 1 мкм/ч, а кадмий — 30 мкм/ч. При нагреве до 300 °С скорости испарения цинка и кадмия  увеличиваются в 300 раз. Поэтому латунь, кадмированное или оцинкованное железо применять для деталей, работающих в вакууме, нельзя. При относительно слабом нагреве на всех соседних поверхностях образуется серый налет цинка или кадмия. Однако летучие металлические примеси — явление редкое, и его можно избежать, всего лишь навсего используя металл, не  содержащий этих примесей. А вот от газовых примесей избавиться много труднее. Они попадают в металл и из исходной руды, и на некоторых стадиях изготовления.

     Чем определяется концентрация газа, растворенного в  металле? На этот вопрос существуют два ответа —  термодинамический и микроскопический. Первый краток, второй интересен. Ситуация похожа на ту, которая имеется в механике — законы сохранения дают простое решение задачи, но узнать, как именно протекает процесс, можно только с помощью законов динамики.

     Термодинамический ответ: газы растворяются в металле, потому что это энергетически  выгодно. Микроскопический ответ: вокруг металла имеются  молекулы газа и  существует, следовательно, поток этих молекул, попадающий на поверхность  металла. Молекула, оказавшаяся на поверхности металла, с некоторой вероятностью попадает внутрь металла. Поток в металл зависит от концентрации газа над поверхностью металла, от температуры газа (растет с увеличением температуры) и от химических свойств газа и металла, участвующих в процессе.

     Если  в металле есть примесь газа, то будет существовать и поток газа из металла наружу, зависящий от температуры металла, от того, какой  металл и какой газ, и от концентрации газа в металле. При некоторой  концентрации газа в металле потоки из металла и в металл станут равными.

     Заметим, что при примитивном анализе  эти два подхода отвечают на разные вопросы. Например, зависимость  предельной растворимости от давления легче  получить из второго подхода (микроскопического). Конечно, законы природы  неизменны, и любой правильный подход должен давать  правильный ответ. Но усилия, затраченные на получение правильного ответа, различны при использовании разных подходов.  Итак, газ растворился в горячем металле. Что дальше?

     Металл  охлаждается, и если растворимость газа при охлаждении убывает, то газу надо куда-то деваться. Продиффундировать до поверхности и вернуться в атмосферу он не успеет, и поэтому газ собирается в виде пузырьков около дефектов кристаллической решетки или границ зерен. Выделяясь в зоне границы, газ образует химические соединения с основным металлом — окислы, нитриды и т. д. При нагреве атомы газа растворяются в металле. Например, если титан нагреть на воздухе, он окислится и станет цветным. Цвет появляется из-за интерференции света в тонкой пленке окисла. В зависимости от толщины пленки ее цвета могут быть разными . Если потом нагреть металл в вакууме примерно до 1000 К, он очистится, хотя эта температура для испарения окиси титана будет недостаточна. Тогда куда же девается пленка? Распадется на титан и кислород, а кислород растворится в металле.

     Насосы  и вакуумметры, которые применяются  в технологических установках, использующих невысокий вакуум, не имеют качественных отличий от рассмотренных выше. Основное отличие количественное — насосы должны обеспечивать удаление больших потоков газа, поступающих от нагретых материалов, т. е. иметь высокую скорость откачки. Достигается это, как правило, увеличением  габаритов и потребляемой мощности. Если насосы для откачки электровакуумных приборов имеют размеры, грубо говоря, от посылочного ящика до стола, то насосы для откачки технологических установок бывают размерами и со шкаф, и с комнату.

     Однако  недостаточно иметь вакуумный насос  и вакуумметр, чтобы получить работающую вакуумную установку.

     Действительно, водопроводная сеть состоит не только из скважины в земле и манометра, измеряющего давление. С трубами  и кранами связано в нашей  жизни множество проблем. И в  вакуумной технике, кроме насосов  и вакуумметров, есть то, что называется «вакуумная арматура». Это камеры, трубы - соединяющие насосы и камеры, краны и вентили (трубы эти надо открывать и закрывать), разъемные и неразъемные соединения (элементы вакуумных систем надо соединять и разъединять), шлюзы и люки (в камеры надо что-то класть и что-то оттуда вынимать), вводы движения (в камерах часто надо что-то передвигать), вводы электроэнергии и окошки. Вакуумная арматура — составная часть всех вакуумных установок, больших и маленьких, низковакуумных и высоковакуумных.  Конечно, в установках разных классов вакуумная арматура имеет свои особенности. Вся вакуумная арматура (как, впрочем, и вакуумные насосы) делается из большого количества разных материалов. Поэтому возникает проблема вакуумно-плотного (не пропускающего газы) соединения разных материалов. Например, вакуумную камеру надо сварить из металлических листов. Это и есть первый пример неразъемного соединения. Вакуумная сварка отличается от прочей тем, что шов не должен выделять газы и не должен пропускать газы из атмосферы. Собственно говоря, при любой сварке имеется в виду, что сваренный материал без дефектов, но для вакуумной аппаратуры  требования более жесткие. Поэтому обычно применяется сварка электрической дугой, горящей в струе аргона, и сварка электронным лучом в вакууме. При таких видах сварки в  металле растворяется меньше газов.

     2.2 Вакуумная пайка

     Применяется также и пайка.  Конечно, вакуумно-плотная  пайка сложнее, но основная проблема пайки — как сделать, чтобы  припой смачивал материал, — остается прежней. Иногда для улучшения смачиваемости  приходится применять гальванические покрытия — например, стали, содержащие хром и предварительно покрывают никелем, чтобы окись хрома не мешала припою смачивать металл.  Пайкой удается соединять металлы, которые не свариваются, и понятно, почему — пайка ведь не соединяет металл А и  металл В — она соединяет металл А с металлом С (припоем) и металл В с металлом С. Важно правильно выбрать припой.  Но пайка сложнее и дороже. Реальная ситуация такова: при изготовлении вакуумной аппаратуры, когда есть возможность выбирать материал, сварка применяется шире, в частности, потому, что при возможности выбираются те материалы, которые хорошо свариваются. Основной материал  вакуумных систем — стали, содержащие хром и никель, — хорошо свариваются и плохо паяются. Пайка шире применяется при производстве электронных приборов, ибо позволяет соединять большее количество разных металлов, детали сложной формы, с толстыми и тонкими стенками, массивные металлические детали с тонкими фольгами и даже с металлическими пленками, нанесенными на диэлектрики, — все то, что сваривать трудно или невозможно. Вакуумно-плотная пайка чаще всего  производится при нагреве деталей в печах, а большую деталь вакуумной аппаратуры в печь не засунешь, зато маленькие детали электронного прибора можно помещать в печь по многу сразу, что удешевляет процесс и увеличивает его производительность.