半导体设备用分子泵简介（中）
上接半导体设备用分子泵简介（上）。
2） 涡轮分子泵前级真空压力
对于带有额外压缩级的涡轮分子泵，其前真空压力可以上升至 30 hPa以上。对于带有纯涡轮级的分子泵，最大前真空压力为 2-3hPa，但是这取决于抽送气体的种类，如氮气为 2 hPa，氢气为 0.5 hPa。
由于泵的过热，超过生产商指定的最大压力会导致轴承受损，情况严重的甚至会导致彻底失效。气体摩擦上升过高，且额外产生的压缩热无法消散。对于轴承和转子温度未受监测的泵，这尤其重要，且在很多情况下，是不可避免的。通过使用最终压力为2-5 hPa 的隔膜泵，操作员就可以带动设备的运行。除了隔膜泵，干式泵没有任何出口阀门。如果前级泵发生故障，将从前级侧对处理室进行排气，而且，如果由此导致涡轮分子泵速度的下降并没有因前级压力的快速上升而引发自动排气过程。由于外壳中所谓的直升飞机效应，大型处理室的突然排气会导致涡轮分子泵转子受损。
为保护涡轮分子泵不受损伤，生产商还提供了一个安全阀，在前级泵或前级真空失效的情况下，安全阀就会立即关闭处理室的排气装置。
关闭时间必须相对较短。如可进行前级压力测量，可利用压力上升或前级泵故障信号来对安全阀进行控制和操作。
3） 涡轮分子泵高真空和前真空连接
如果分子泵的高真空法兰连接至接受器，则有必要让前级管道更为灵活。如果前级管道为固定连接，则泵壳受热后无法膨胀，导致不当的材料应力。在该固定连接中，转子无法自由移动，且遗留下来的细微不平衡随着时间的推移会造成轴承故障，并会导致转子受损。
保持涡轮分子泵平衡性可以确保低振动运转和最佳的轴承耐用性。在正常启动过程中，根据转子动力学，他们会通过某种特定的共振频率。如果这些共振频率够刺激真空室、框架或整个系统的固有频率，他们就可以促进频率振幅的显著提升；在这种频率下，泵开始剧烈振动并发出非常大的声音。频繁在这些共振频率区域运行会导致转子受损，且可能会导致设备或内置振动敏感元件损坏。即便是带有磁轴承的涡轮分子泵也不例外。因此，最好确定系统的固有频率，并就相关数值向制造商进行咨询。通过加固、增加额外重量或变换设计方案等可以避免振动的发生。
4） 安全连接高真空法兰/真空室
涡轮分子泵，尤其是抽速在 1000 l/s 以上、带有磁轴承和钟形转子的较大涡轮分子泵，在额定转速下具有较高的扭矩，在转子碰撞时，速度会以毫秒为单位降级。如果真空室布局不当且涡轮分子泵直接安装在其上时，则会发生真空室变形的情况，情况最严重时还会造成涡轮分子泵扭曲，甚至会与真空室法兰脱离。
近年来，主要受到半导体工业的驱动，泵制造商已经通过碰撞实验和控制分析对泵壳和入口法兰上的力矩和受力进行了确定和测试。实验发现，连接到真空室的法兰原则上应该按 ISO-F 执行。通过长圆孔及使用 ISO-CF 与固定螺钉，防止带 ISO-F 法兰的泵发生转动。
泵生产商会提供所谓的安装套件，其中包含所需材料等级足够数量的夹子和固定螺钉以及合适的定心环。只有这样才能却能确保在碰撞时连接保持完好、密封。必须严格遵守操作手册上的生产商说明。
5） 碎片保护
最后在涡轮分子泵的高真空法兰上插入防护罩，以避免坠落碎片损坏转子。根据电导损耗，抽速降低达30%，具体视气体类型而定。如可能，涡轮分子泵应该在真空室内倒置放置，因为异物会因重力而掉落下来。确保泵可用于高空作业。
6） 烘烤泵
当烘烤泵时，务必遵守生产商规定的最大高真空法兰温度为 120°C 的要求。超过允许的温度会导致泵过热，并会造成轴承或转子受损。烘烤时，需要用水对泵进行冷却。默认情况下，一些生产商为具有 ISO-CF-F 法兰的超高真空版本提供水冷却。烘烤过程至少需要 6 个小时。
7） 涡轮分子泵排气
如果旋片泵用作前级泵，当前真空至高真空之间压力已经平衡时，没有经过排气的涡轮分子泵在停止转动后会受到碳氢化合物的污染。如果高真空侧尚未安装阀门，那么污染物将会扩散到接收器或设备中。对于大型腔室来说，气体吸入非常迅速，这可能会导致转子受损。使用干燥的气体，如氮气或无油空气，对泵进行排气，既可以防止污染，还可以恰当地对前级泵进行充气。
以一定的速度使用排气阀、利用涡轮分子泵控制器，可对泵进行安全的排气。由于涡轮分子泵的压缩比还取决于速度，因此最优初始排气速度应该为额定速度的 50%，且应该以最近速度的 20% 开始。除了出厂设置以外，现代电子技术允许排气速度具有一定的灵活性。在适当的排气后，使用球轴承涡轮分子泵还能够保护接收器免受污染。
存在这样一些过程，在其中，与泵无关的排气要优先于控制系统。这将导致与泵速有关的重要连接受损。当对泵的控制器进行排气时，无需对泵速进行额外监控。在排气时，泵的内表面被干燥的氮气覆盖，这将显著缩短排放时间，因为不存在难以去除的气体或水聚集在表面。排气气体不可从前级侧进入，因为凝结物、颗粒甚至是油可能会被带入到高真空侧。
在频繁出现停电现象的不稳定电网中，特别是在夏天因使用空调而出现超负荷时，最好使用所谓的断电排气阀，它在停电时可自动对泵进行排气，并恰当地将其关闭。频繁的排气，尤其是在高真空侧，将会导致泵过热，造成机械压力，且由于大量气体摩擦还会缩短轴承的使用寿命。
8） 磁场与辐射
磁场会对运行中的涡轮分子泵的转子上产生涡电流，这会加热转子并使其迅速过热。所需能量来自电子设备，并导致电机中电流的显著上升，这代表了转子的直接加热值。
mT（毫特斯拉）中规定的最大允许磁场值，在泵生厂商操作说明书中进行 了说明。如果这些值过高，则必须对泵进行屏蔽。如果已知磁场的分布情况，则必须对其进行重新部署。
在粒子加速器附近存在着不同强度和持续时间的中子和伽马辐射。这种辐射破坏安装在泵上的电子驱动器和变频器，两者都具有非常敏感的功率晶体管和二极管。在这种情况下，必须使用连接电缆将电子驱动器安装在远离辐射的安全距离上。这同样适用于测量设备。必须避免有源传感器，因为传感器电子元件同样会受到射线的破坏。
9） 工艺适应性
确保涡轮分子泵适合于工艺过程，这很重要。泵制造商的详细建议和有关工艺过程与其特点的准确信息是操作员所必需的。目前这两方面都有待改进。对于腐蚀过程，特别是在半导体行业中，有必要使用密封气体操作泵，针对滚珠球轴承分子泵使用合成的 PFPE 油，以及使用抗腐蚀材料（如镍或陶瓷涂料）制作转子。
密封的气体，如干氮，能够在这些与迷宫密封相连接的滚珠轴承外部形成一层非常好的防腐蚀和防尘保护膜。在估量前级泵大小时，该额外的气体负载必须考虑在内。提供的密封气阀能够调节最优密封气流。必须遵守操作说明书中规定的密封气体压力。
当泵内的氧气浓度高于大气中的氧气含量时，务必要确保矿物油不被氧气氧化，从而失去其润滑性能。这可通过使用氮气作为密封气体和/或 PFPE 油来避免。
对于有形成沉积物趋向的工艺，如在 CVD（化学气相沉积）中，涂层工艺将在转子和面向处理室的外壳部件上持续进行。这将会引发不平衡和震动，致使转子破碎。在此类工艺中，甚至在设计处理室时就要将这些预防措施和附加的监控方案考虑在内，这一点很重要。
如有可能，应将涡轮分子泵倒置安装，受重力影响，这些灰尘会自然掉落且不易在泵内沉积。建议安装一个挡板，防止灰尘直接落到正在运转的泵上。
如果架空安装无法实现，可以将其以 90 度角安装在T型架的侧面。前级端口应该朝下。
大多数涡轮分子泵转子采用油润滑轴承。由于该轴承位于转子的排气侧，油蒸汽不会到达涡轮分子泵的进口。在高压结束时，流经轴承的油可用于散发气体摩擦热。在低压下，油本身的摩擦会导致转子温度升高。
脂润滑轴承通常有效粘度低，蒸汽压极低，可防止涡轮分子泵误操作，特别是转子高速运转时，防止高速油进入进口。
油和脂润滑的分子泵也称为机械轴承分子泵。其油或脂的性能必须满足以下三个条件：
- 高速时具有良好的润滑性能；
- 饱和蒸汽压低于前级泵的；
- 合适的粘度以及轴承冷却功能。
机械轴承分子泵特点如下：
- 清洁，无油蒸汽回流。机械轴承分子泵可以在没有任何恶劣环境下按照操作规程工作。它可以为拉制容器提供非常干净的真空环境，并且不含任何碳氢化合物。
- 使用方便。在许多应用中，机械轴承分子泵不需要高真空阀或粗真空阀。按下按钮，泵开始工作。并且机械轴承分子泵安装方向不受限制，可以任意方向安装。
- 强大的气体输送能力。大多数机械轴承分子泵能够输送氢气和氦气等轻质气体，所以非常适合超高真空流程应用。
- 适用于超高真空应用。一台密封脱气良好的机械轴承分子泵，再加上性能良好的双级旋片泵（或同等性能的干式泵），极限真空一般可以达到10-9 ~ 10-10 Torr （133.3 ~ 13.33 nPa）。如果一台分子泵与另一台密封脱气良好的金属泵连接，一般极限压力在10-10 ~ 10-11 Torr （13.33 ~ 1.333 nPa）。
- 高压下性能良好。一些分子泵在10-1 ~1 0-3 Torr（13.3 Pa ~ 133.3 MPa）的入口压力范围内工作。
- 启动时间快。大多数分子泵，尤其是较小的分子泵，需要大约1~3分钟才能达到正常运行速度。
- 正常工作时使用时间长。在某些应用中，分子泵的正常使用优于其它泵。
磁悬浮分子泵利用磁力使转子悬浮在空气中，使转子和定子在工作时不接触[4]。
磁悬浮分子泵见图3。
图3 - 磁悬浮分子泵结构图
磁悬浮分子泵特点如下：
- 无需任何润滑油，可完全无油
- 由于转子和定子之间没有机械接触，轴承的寿命很长。
- 与传统轴承相比，转子可以高速工作。
- 低振动和噪音。
- 泵的安装不受限制，可任意角度安装。
- 转子采用高强度铝合金和高速铣削成型。
- 自平衡技术振动极小。
与普通分子泵相比，其轴承无需润滑，不存在油污染问题。
磁悬浮分子泵轴承是最关键的部件，见图4。
图4 – 磁悬浮分子泵轴承
牵引式分子泵
气体分子与高速转子碰撞获得动量，并被驱动至泵的出口中。牵引分子泵（见图5）的泵腔内有可旋转的转子，转子的四周带有沟槽并用挡板隔开。每一个沟槽就相当于一个单级分子泵，后一级的入口与前一级的出口相连。转子与泵壳之间有0.01 mm的间隙。气体分子由入口进入泵腔，被转子携带到出口侧，经排气管道由前级泵抽走。
图5 – 牵引分子泵
牵引分子泵的优点是起动时间短，在分子流态下有很高的压缩比，能抽除各种气体和蒸汽，特别适用于抽除较重的气体。
牵引分子泵的缺点是抽速小，密封间隙太小，工作可靠性较差，易出机械故障等，因此除特殊需要外，实际上很少应用。曾一度被制造简单、抽速大的扩散泵所代替。
参考文献
[4] Magnetic Levitation Molecular Pump Characteristic, EVP
- 欢迎持续关注 -