过去, 人们在各种半导体工艺中广泛使用油式真空泵,其中又以悬片式真空泵和活塞式真空泵为主要代表。而它们在各种应用中的表现越来越不能使人们感到满意。因此,干式真空泵应运而生。在过去的十多年里,有好几种不同类型的干式真空泵被设计和生产出来,它们在机械结构设计上有明显差异。因为这种差异,我们可以将干式真空泵归纳为以下几种类型：圆裂片式,爪式,组合式（罗茨＋爪）,螺杆式。当今,这些类型被不同生产厂家所广泛应用。其中,圆裂片式,爪式和组合式（罗茨＋爪）被称为多级泵。因为它们的工作方式大致相同,都是利用多级真空腔对气体进行反复的压缩来产生真空。在多次反复压缩的过程当中,气体的温度和压力也产生比较复杂的变化,因而比较容易引起气体物理特性的变化。而螺杆式被称为单级泵,因为它只靠一个真空腔来产生真空。根据其气体压缩方式的不同,又可将其分为内部压缩型螺杆泵和外部压缩型螺杆泵。以下就将这些不同类型的泵在物理特性上作一些探讨,希望能对大家有所帮助。
干式真空泵的分类
双圆裂片式：(图1)
双圆裂片式设计和目前最流行和广泛应用的罗茨泵非常相似。事实上,一些最早期的干泵设计思想就是将罗茨泵叠加起来。这种多级设计使得气体通路相当复杂,并且每一级都需要较大流量的氮气起到稀释和隔离作用。同时,为了达到好的真空度,对各级的间隙有非常严格的要求。当然,这种设计由于增加了内部的压缩比而使得其耗电量相对较低。
图1. 双圆裂片式设计
三叶圆裂片式：(图2)
三叶圆裂片式设计和双圆裂片式设计的原理完全相同,它只是在旋转一圈中将气体分为三份而不是象双圆裂片式设计分为两份。三叶圆裂片式设计和双圆裂片式设计有着相同的优点和缺点。为了进一步降低耗电量,在传动部分有的厂家选用两个直流马达,但这也会导致扭矩减小,重新启动的能力下降。同双圆裂片式设计一样,三叶圆裂片式设计的每一级都需要较大流量的氮气起到稀释和隔离作用。
图2. 三叶圆裂片式设计
组合式（罗茨＋爪）：(图3)
组合式（罗茨＋爪）设计用罗茨来提高在较低压力下的抽气效率,用爪来提高在较高压力下的抽气效率。它的基本原理和气体通路同前面介绍的圆裂片式设计完全相同。也有些厂家将其最后一级改为星型设计,这样可以在旋转一圈中将气体分为五份,就象三圆裂片式设计可以将其分为三份。同样,在很多工艺中,组合式设计的每一级都需要较大流量的氮气起到稀释和隔离作用。
图3. 组合式设计
外部压缩型螺杆式：(图4)
在外部压缩型螺杆式设计中,使用一对等距螺杆。这使得内部压缩减到最小,同时使得气体通路最短也最简单。这样,气体在泵体内停留的时间也最短。虽然这种设计由于减少了内部的压缩比而使得其耗电量相对较高,但在很多复杂的半导体工艺中表现出极高的稳定性。这种单级设计使得其对氮气用量的要求也非常小而且简单,这样就使得其在不同工艺中有很好的互换性。在很多清洁的工艺中甚至可以不用氮气。
图4. 外部压缩型螺杆式设计
内部压缩型螺杆式：(图5)
除了使用一对非等距螺杆以外,内部压缩型螺杆式设计和外部压缩型螺杆式设计的基本原理非常相似。螺杆间容积的不断减小使得其内部产生压缩。这种设计由于产生内部压缩而使得其耗电量降低到同多级泵相当的水平。但在很多工艺中,这种内部压缩同多级泵一样,极易造成气体在泵体内的物理化学变化而产生固化或液化。
图5. 内部压缩型螺杆式设计
现在,您可以看到干式真空泵有着如此多的不同设计,它们各自有着自己的特性和优缺点。一直以来,使用成本是一个影响人们选择真空泵的重要因素。越来越多的真空泵用户意识到也应该将真空泵运行的稳定性考虑进去。因为真空泵的意外出错会引起机器的使用效率降低,影响到晶圆的生产和交货期,甚至造成所加工晶圆的报废和机器其它部件的损坏。
图6. 外部压缩型螺杆泵
图7组合式泵（罗茨＋爪）
由于螺杆式设计为单级设计,同多级泵如圆裂片式,爪式以及组合式相比,其在零件的使用数量上减少了百分之六十。这使得其在稳定性和将来的维修成本上有很大的优势。
综合考虑,如果用户认为耗电量对他来说最为重要而氮气用量对他来说最不重要,那么内部压缩型螺杆式可以一个好的选择。但普遍说来,对尾气处理越来越严格的要求使得将来对减少氮气的用量变得更重要。如果你希望用单一类型的泵不经过改变来处理各种不同的半导体工艺,而使得你的库存控制简单化,那么外部压缩型螺杆式将是你最好的选择。
图8. 圆裂片式泵
发展趋势
在以上介绍的所有类型的干式真空泵,我们都渴望能够将其物理尺寸减小。但这与真空泵的抽气速率相矛盾,因为真空泵的抽气速率与真空泵的容积成正比,物理尺寸小意味着容积也小。当然,还有一个影响真空泵的抽气速率的重要因素,那就是转速。为了让小尺寸的真空泵的抽气速率与大尺寸真空泵的抽气速率相匹配,就需要提高它的转速。而想要改变真空泵的转速有两种方法。一是改变电源的频率,即采用变频器,二是改变齿轮箱的传动比。其中,采用变频器的好处是可以提供一个闭环控制,但在大负载下容易引起扭距的损失。而改变齿轮箱的传动比是一种非常经济的方法,当然,它只能提供不可控的单一转速。
结论
根据您所处的具体情形,综合以上所有设计类型的优点一定是您最理想的选择,但目前还不太可能。因此,这就要求使用者首先要知道在干泵的设计上有着如此多的不同设计类型,进而根据自身工艺特点了解各种不同类型泵的设计对其影响。这样,他做出的选择才能够尽可能降低其使用成本,而获得一个寿命较长的稳定的真空系统。今天,我们已进入干式真空泵时代,同过去悬片和活塞油式真空泵时代相比,一个受过良好培训的消费者在真空泵的选择上起着举足轻重的作用。要知道,有如此多类型的干泵可供您选择,而选一个最能和您的半导体工艺相匹配的类型是关键所在。
参考文献
[1] David J. Hucknall, Vacuum Technology and Applications,1991
[2] www.busch-china.com
[3] Alexander Roth, Vacuum Technology, Third Edition,1989
[4] J.L.Ryans & D.L.Roper, Process Vacuum system Design and Operation,1986(end)
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