干式真空泵的優(yōu)化選擇

過去, 人們在各種半導(dǎo)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(yīng)用中的表現(xiàn)越來越不能使人們感到滿意。因此,干式真空泵應(yīng)運(yùn)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(shè)計(jì)和生產(chǎn)出來,它們在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上有明顯差異。因?yàn)檫@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(dāng)今,這些類型被不同生產(chǎn)廠家所廣泛應(yīng)用。其中,圓裂片式,爪式和組合式（羅茨＋爪）被稱為多級泵。因?yàn)樗鼈兊墓ぷ鞣绞酱笾孪嗤?都是利用多級真空腔對氣體進(jìn)行反復(fù)的壓縮來產(chǎn)生真空。在多次反復(fù)壓縮的過程當(dāng)中,氣體的溫度和壓力也產(chǎn)生比較復(fù)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?yàn)樗豢恳粋€(gè)真空腔來產(chǎn)生真空。根據(jù)其氣體壓縮方式的不同,又可將其分為內(nèi)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(shè)計(jì)和目前最流行和廣泛應(yīng)用的羅茨泵非常相似。事實(shí)上,一些最早期的干泵設(shè)計(jì)思想就是將羅茨泵疊加起來。這種多級設(shè)計(jì)使得氣體通路相當(dāng)復(fù)雜,并且每一級都需要較大流量的氮?dú)馄鸬较♂尯透綦x作用。同時(shí),為了達(dá)到好的真空度,對各級的間隙有非常嚴(yán)格的要求。當(dāng)然,這種設(shè)計(jì)由于增加了內(nèi)部的壓縮比而使得其耗電量相對較低。

圖1. 雙圓裂片式設(shè)計(jì)

三葉圓裂片式：(圖2)

三葉圓裂片式設(shè)計(jì)和雙圓裂片式設(shè)計(jì)的原理完全相同,它只是在旋轉(zhuǎn)一圈中將氣體分為三份而不是象雙圓裂片式設(shè)計(jì)分為兩份。三葉圓裂片式設(shè)計(jì)和雙圓裂片式設(shè)計(jì)有著相同的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。為了進(jìn)一步降低耗電量,在傳動部分有的廠家選用兩個(gè)直流馬達(dá),但這也會導(dǎo)致扭矩減小,重新啟動的能力下降。同雙圓裂片式設(shè)計(jì)一樣,三葉圓裂片式設(shè)計(jì)的每一級都需要較大流量的氮?dú)馄鸬较♂尯透綦x作用。

圖2. 三葉圓裂片式設(shè)計(jì)

組合式（羅茨＋爪）：(圖3)

組合式（羅茨＋爪）設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)完全相同。也有些廠家將其最后一級改為星型設(shè)計(jì),這樣可以在旋轉(zhuǎn)一圈中將氣體分為五份,就象三圓裂片式設(shè)計(jì)可以將其分為三份。同樣,在很多工藝中,組合式設(shè)計(jì)的每一級都需要較大流量的氮?dú)馄鸬较♂尯透綦x作用。

圖3. 組合式設(shè)計(jì)

外部壓縮型螺桿式：(圖4)

在外部壓縮型螺桿式設(shè)計(jì)中,使用一對等距螺桿。這使得內(nèi)部壓縮減到最小,同時(shí)使得氣體通路最短也最簡單。這樣,氣體在泵體內(nèi)停留的時(shí)間也最短。雖然這種設(shè)計(jì)由于減少了內(nèi)部的壓縮比而使得其耗電量相對較高,但在很多復(fù)雜的半導(dǎo)體工藝中表現(xiàn)出極高的穩(wěn)定性。這種單級設(shè)計(jì)使得其對氮?dú)庥昧康囊笠卜浅Ｐ《液唵?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?dú)狻?/p>

圖4. 外部壓縮型螺桿式設(shè)計(jì)

內(nèi)部壓縮型螺桿式：(圖5)

除了使用一對非等距螺桿以外,內(nèi)部壓縮型螺桿式設(shè)計(jì)和外部壓縮型螺桿式設(shè)計(jì)的基本原理非常相似。螺桿間容積的不斷減小使得其內(nèi)部產(chǎn)生壓縮。這種設(shè)計(jì)由于產(chǎn)生內(nèi)部壓縮而使得其耗電量降低到同多級泵相當(dāng)?shù)乃?。但在很多工藝?這種內(nèi)部壓縮同多級泵一樣,極易造成氣體在泵體內(nèi)的物理化學(xué)變化而產(chǎn)生固化或液化。

圖5. 內(nèi)部壓縮型螺桿式設(shè)計(jì)

現(xiàn)在,您可以看到干式真空泵有著如此多的不同設(shè)計(jì),它們各自有著自己的特性和優(yōu)缺點(diǎn)。一直以來,使用成本是一個(gè)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(yīng)該將真空泵運(yùn)行的穩(wěn)定性考慮進(jìn)去。因?yàn)檎婵毡玫囊馔獬鲥e(cuò)會引起機(jī)器的使用效率降低,影響到晶圓的生產(chǎn)和交貨期,甚至造成所加工晶圓的報(bào)廢和機(jī)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(shè)計(jì)為單級設(shè)計(jì),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(shù)量上減少了百分之六十。這使得其在穩(wěn)定性和將來的維修成本上有很大的優(yōu)勢。

綜合考慮,如果用戶認(rèn)為耗電量對他來說最為重要而氮?dú)庥昧繉λ麃碚f最不重要,那么內(nèi)部壓縮型螺桿式可以一個(gè)好的選擇。但普遍說來,對尾氣處理越來越嚴(yán)格的要求使得將來對減少氮?dú)獾挠昧孔兊酶匾?。如果你希望用單一類型的泵不?jīng)過改變來處理各種不同的半導(dǎo)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(fā)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?qū)⑵湮锢沓叽鐪p小。但這與真空泵的抽氣速率相矛盾,因?yàn)檎婵毡玫某闅馑俾逝c真空泵的容積成正比,物理尺寸小意味著容積也小。當(dāng)然,還有一個(gè)影響真空泵的抽氣速率的重要因素,那就是轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速。而想要改變真空泵的轉(zhuǎn)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(gè)閉環(huán)控制,但在大負(fù)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(jīng)濟(jì)的方法,當(dāng)然,它只能提供不可控的單一轉(zhuǎn)速。

結(jié)論

根據(jù)您所處的具體情形,綜合以上所有設(shè)計(jì)類型的優(yōu)點(diǎn)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(shè)計(jì)上有著如此多的不同設(shè)計(jì)類型,進(jìn)而根據(jù)自身工藝特點(diǎn)了解各種不同類型泵的設(shè)計(jì)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(gè)壽命較長的穩(wěn)定的真空系統(tǒng)。今天,我們已進(jìn)入干式真空泵時(shí)代,同過去懸片和活塞油式真空泵時(shí)代相比,一個(gè)受過良好培訓(xùn)的消費(fèi)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(gè)最能和您的半導(dǎo)體工藝相匹配的類型是關(guān)鍵所在。

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