真空技术书籍,第二版

2.2.3.2 使用涡轮分子泵抽吸高气体负荷

涡轮分子泵在高气体 负荷下受到高应力的影响。 气体摩擦加 热转子。最大气体负荷受到许可的转子温度 120°C 的限制。 当温度高于此水平时, 在不可预测的时间内会发生不可逆的 转子塑性形变。

通过测量转子温度和限制最高温度,可防止抽速 > 1,000 l s-1 的 HiPace 系列泵出现过热。 过程的精确描述允许对大量泵 的转子温度进行预估, 并针对安全操作和长期稳定性对操作 窗口进行限定。

用于抽吸大气体负荷的涡轮分子泵的适用性可受到转子和定 子设计以及精确控制泵中温度分布曲线的影响。例 如, ATH-M 系列泵明确是为大气体流量和比较高的工艺压力 而设计的。这些涡轮分子泵是专为半导体行业中的镀膜和干 式蚀刻工艺开发的。它们在此所面临的具体挑战是抽吸腐蚀 性介质、加热使用泵以防止工艺化学品或副产品的冷凝,以 及高分子气体特别大的工艺气体流量。这些开发也可用在太 阳能和 LED 照明行业的应用中。这些涡轮分子泵的设计 也 让它们可用在前级泵和涡轮分子泵之间具有高输送压力的装 载气锁中以及具有高冷却水温度的工艺操作条件下。

专为实现低压而设计的真空泵因其具有较高压缩比而更适用 于小分子气体的抽气,还可在限制范围内用于具有大气流量 的真空过程。由于摩擦功率与圆周速度的平方成正比,所以 有必要降低在高气体负荷下操作的泵的 RPM。这意味着,较 高气体负荷的获得是以转速为代价,特别是以压缩比为代 价。 这一措施可延长泵的操作窗口。

抽吸大分子稀有气体,如氪或氙时,要特别注意。由于原子 量较高,这些重型惰性气体在撞击转子时会产生大量的热。 又由于其热容量特别低,它们只能传输很少的热量到定子或 外壳上,这将导致 转子温度很高。因此,与具有较低质量, 即较高的流动性和碰撞频率的气体分子或单原子气体相比, 这些气体的最大气体抽吸量相对较低。

当与过程气体一起作业时,涡轮分子泵执行两个重要功能:

  • 将操作室快速排空至本底压力(通过表面和基底脱气实现清洁的初始条件)
  • 在真空过程(涂料、蚀刻等)中将所需压力保持在恒定水 平

操作过程中的气体流量 $Q$ 和工作压力 $p_{process}$ 通常是指定 的,因此操作室的体积流量也是指定的。

$S=\frac{Q}{p_{process}}$

将在所需气体流量的基础上选择涡轮分子泵。在目录中, 为各个泵指定了各种气体的最大允许气体流量。

不同涡轮分子泵在高工艺压力下的气体吞吐量

图 2.7: 不同涡轮分子泵在高工艺压力下的气体吞吐量

在图 2.7 中,给出了带有 NW 250 法兰的不同涡轮分子泵的 气体流量曲线图。ATH 2303 前级泵是来自半导体行业中常 用的罗茨泵组。两个泵的流量必须相同,因为同一气流将连 续通过两个泵:

$S_{fore-vacuum}=\frac{Q}{p_{fore-vacuum}}$

前级泵的选择会影响涡轮分子泵的温度平衡。如果前级泵的 抽速设计刚刚能达到涡轮分子泵与其最大前级真空相对应的 气体流量,则涡轮分子泵转子将会热过载。这时就应该选择 具有较高抽速的前级泵,以减少气体摩擦和涡轮分子泵上的 热负载。

通过 RPM 或调节阀,可将工艺室的抽速限制为所需的水平。 通过改变涡轮分子泵的转速进行压力调节是有害的,转子高 惯性会阻碍转子转速变化过快。在某些操作窗口中,可通过 调节前级泵的转速来控制压力。

具有压力和吞吐量调节功能的真空系统

图 2.8: 具有压力和流量调节功能的真空系统

让我们以真空工艺系统为例,如图 2.8 所示,并具有以下参 数

$Q$ = 3.0 Pa m3s-1, 操作气体氩
$p_{process}$ = 5 Pa

其中 $S=\frac{Q}{p_{process}}$

我们获得涡轮分子泵的公称抽速 为 600 l s-1。在这样高的操 作压力下,不可能达到涡轮分子泵的最大抽速。因此,我们 选择 ATH 2303 M 类型的涡轮分子泵 (2),该泵带有一个防 弹护板, 在该压力下仍然能达到超过 800 l/s的抽速,另外选 择 A 603 P 类型的前级泵。使用这样的操作泵,我们能够达 到3.0 Pa 的前级压力 和0.24 hPa m3 s-1 的气体流量。涡轮泵 的最大前级压力为 3.3 hPa,尽管使用的是热要求较高的操作 气体氩,这一配置仍是可行的 。

通过质量流量调节器 (5) 允许工艺气体进入工艺室 (1)。 受压 力$p_{process}$ 控制的蝶阀 (4) 调节涡轮分子泵 (2) 的抽速。在操 作步骤执行完后,关闭气体供应且控制阀打开, 彻底排空操 作室,直到达到最终压力。与此同时,将新的工件装载到操 作室。了解更多有关抽吸高气体负荷以及腐蚀性和磨蚀性物 质的信息,请参看第 4.10.2 节。