過去, 人們在各種半導體工藝中廣泛使用油式真空泵,其中又以懸片式真空泵和活塞式真空泵為主要代表。而它們在各種應用中的表現越來越不能使人們感到滿意。因此,干式真空泵應運而生。在過去的十多年里,有好幾種不同類型的干式真空泵被設計和生產出來,它們在機械結構設計上有明顯差異。因為這種差異,我們可以將干式真空泵歸納為以下幾種類型：圓裂片式,爪式,組合式（羅茨＋爪）,螺桿式。當今,這些類型被不同生產廠家所廣泛應用。其中,圓裂片式,爪式和組合式（羅茨＋爪）被稱為多級泵。因為它們的工作方式大致相同,都是利用多級真空腔對氣體進行反復的壓縮來產生真空。在多次反復壓縮的過程當中,氣體的溫度和壓力也產生比較復雜的變化,因而比較容易引起氣體物理特性的變化。而螺桿式被稱為單級泵,因為它只靠一個真空腔來產生真空。根據其氣體壓縮方式的不同,又可將其分為內部壓縮型螺桿泵和外部壓縮型螺桿泵。以下就將這些不同類型的泵在物理特性上作一些探討,希望能對大家有所幫助。

干式真空泵的分類

雙圓裂片式：(圖1)

雙圓裂片式設計和目前最流行和廣泛應用的羅茨泵非常相似。事實上,一些最早期的干泵設計思想就是將羅茨泵疊加起來。這種多級設計使得氣體通路相當復雜,并且每一級都需要較大流量的氮氣起到稀釋和隔離作用。同時,為了達到好的真空度,對各級的間隙有非常嚴格的要求。當然,這種設計由于增加了內部的壓縮比而使得其耗電量相對較低。

圖1. 雙圓裂片式設計

三葉圓裂片式：(圖2)

三葉圓裂片式設計和雙圓裂片式設計的原理完全相同,它只是在旋轉一圈中將氣體分為三份而不是象雙圓裂片式設計分為兩份。三葉圓裂片式設計和雙圓裂片式設計有著相同的優點和缺點。為了進一步降低耗電量,在傳動部分有的廠家選用兩個直流馬達,但這也會導致扭矩減小,重新啟動的能力下降。同雙圓裂片式設計一樣,三葉圓裂片式設計的每一級都需要較大流量的氮氣起到稀釋和隔離作用。

圖2. 三葉圓裂片式設計

組合式（羅茨＋爪）：(圖3)

組合式（羅茨＋爪）設計用羅茨來提高在較低壓力下的抽氣效率,用爪來提高在較高壓力下的抽氣效率。它的基本原理和氣體通路同前面介紹的圓裂片式設計完全相同。也有些廠家將其最后一級改為星型設計,這樣可以在旋轉一圈中將氣體分為五份,就象三圓裂片式設計可以將其分為三份。同樣,在很多工藝中,組合式設計的每一級都需要較大流量的氮氣起到稀釋和隔離作用。

圖3. 組合式設計

外部壓縮型螺桿式：(圖4)

在外部壓縮型螺桿式設計中,使用一對等距螺桿。這使得內部壓縮減到最小,同時使得氣體通路最短也最簡單。這樣,氣體在泵體內停留的時間也最短。雖然這種設計由于減少了內部的壓縮比而使得其耗電量相對較高,但在很多復雜的半導體工藝中表現出極高的穩定性。這種單級設計使得其對氮氣用量的要求也非常小而且簡單,這樣就使得其在不同工藝中有很好的互換性。在很多清潔的工藝中甚至可以不用氮氣。

圖4. 外部壓縮型螺桿式設計

內部壓縮型螺桿式：(圖5)

除了使用一對非等距螺桿以外,內部壓縮型螺桿式設計和外部壓縮型螺桿式設計的基本原理非常相似。螺桿間容積的不斷減小使得其內部產生壓縮。這種設計由于產生內部壓縮而使得其耗電量降低到同多級泵相當的水平。但在很多工藝中,這種內部壓縮同多級泵一樣,極易造成氣體在泵體內的物理化學變化而產生固化或液化。

圖5. 內部壓縮型螺桿式設計

現在,您可以看到干式真空泵有著如此多的不同設計,它們各自有著自己的特性和優缺點。一直以來,使用成本是一個影響人們選擇真空泵的重要因素。越來越多的真空泵用戶意識到也應該將真空泵運行的穩定性考慮進去。因為真空泵的意外出錯會引起機器的使用效率降低,影響到晶圓的生產和交貨期,甚至造成所加工晶圓的報廢和機器其它部件的損壞。

圖6. 外部壓縮型螺桿泵

圖7組合式泵（羅茨＋爪）

由于螺桿式設計為單級設計,同多級泵如圓裂片式,爪式以及組合式相比,其在零件的使用數量上減少了百分之六十。這使得其在穩定性和將來的維修成本上有很大的優勢。

綜合考慮,如果用戶認為耗電量對他來說最為重要而氮氣用量對他來說最不重要,那么內部壓縮型螺桿式可以一個好的選擇。但普遍說來,對尾氣處理越來越嚴格的要求使得將來對減少氮氣的用量變得更重要。如果你希望用單一類型的泵不經過改變來處理各種不同的半導體工藝,而使得你的庫存控制簡單化,那么外部壓縮型螺桿式將是你最好的選擇。

圖8. 圓裂片式泵

發展趨勢

在以上介紹的所有類型的干式真空泵,我們都渴望能夠將其物理尺寸減小。但這與真空泵的抽氣速率相矛盾,因為真空泵的抽氣速率與真空泵的容積成正比,物理尺寸小意味著容積也小。當然,還有一個影響真空泵的抽氣速率的重要因素,那就是轉速。為了讓小尺寸的真空泵的抽氣速率與大尺寸真空泵的抽氣速率相匹配,就需要提高它的轉速。而想要改變真空泵的轉速有兩種方法。一是改變電源的頻率,即采用變頻器,二是改變齒輪箱的傳動比。其中,采用變頻器的好處是可以提供一個閉環控制,但在大負載下容易引起扭距的損失。而改變齒輪箱的傳動比是一種非常經濟的方法,當然,它只能提供不可控的單一轉速。

結論

根據您所處的具體情形,綜合以上所有設計類型的優點一定是您最理想的選擇,但目前還不太可能。因此,這就要求使用者首先要知道在干泵的設計上有著如此多的不同設計類型,進而根據自身工藝特點了解各種不同類型泵的設計對其影響。這樣,他做出的選擇才能夠盡可能降低其使用成本,而獲得一個壽命較長的穩定的真空系統。今天,我們已進入干式真空泵時代,同過去懸片和活塞油式真空泵時代相比,一個受過良好培訓的消費者在真空泵的選擇上起著舉足輕重的作用。要知道,有如此多類型的干泵可供您選擇,而選一個最能和您的半導體工藝相匹配的類型是關鍵所在。

參考文獻
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[2] www.busch-china.com
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