用油封机械泵抽除含腐蚀性和磨蚀性气体

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)东北大学 作者:张以忱

被抽危险气体的种类

      目前在很多工业应用领域,采用油封式机械泵(旋片泵和滑阀泵)真空系统抽除大量的含有化学活性、腐蚀性及磨蚀性的气体,其中以微电子及半导体工业较多。在半导体晶片加工工艺中需要抽除的气体可能是腐蚀性的、易燃的、磨蚀性的、有毒的、或与普通真空泵油不相容的,要求真空泵在运转中振动噪音小并具有高度的可靠性。

     表4 中所列为一些典型的被抽除的危险气体,腐蚀性气体和反应生成物,当它们达到一定浓度时是危险的,在处理和抽除时必须特别小心。

机械真空泵油的选择

       机械真空泵和真空泵油(工作介质)必须能耐得住半导体工业生产中的活性气体,这些气体一般常为氯或氟基,能生成氯化氢和氟化氢酸,这种酸能降低矿物油的性能并对泵产生腐蚀。此外,被氯化的化合物能够促进烃油的迅速聚合,这种烃油与被抽气体中的悬浮粒子和腐蚀性有机物残渣相结合可对机械真空泵造成很大的危害。

       用于半导体工业的机械真空泵(例如,旋片泵和滑阀泵),在泵的工作循环和被抽蒸汽被压缩的过程中,被抽气体中的磨蚀性粒子可能被挤进泵转子与泵体或泵体与旋片、旋片与转子之间的间隙中,并使被抽蒸汽在泵腔内冷凝与油混合。一旦蒸汽与油混合就难以清洗,将导致一定程度的化学破坏作用。

      采用普通机械真空泵油与任何腐蚀性废气发生反应,油必须不断地过滤和清洗,或是经过一定使用时间即废弃不用,这是降低真空泵腐蚀的一种慎重的方法。但是更换泵油和过滤器的成本是很高昂的。

      抽除如氧等某些有易爆危险的气体时,最好使用惰性真空泵油。常用的惰性真空泵油有过氟聚醚(Fomblin)和三氟化氯乙烯的聚合物(Halocarbon)等。

      由于惰性的泵工作液的成本高,所以希望泵的注油量要尽量地小。这与对普通机械真空泵油的要求相反,普通机械真空泵油的较大注油量意味着工作液的不常更换。如果具有从泵底部附近进行供油的方便条件,就能满足上述两种要求。

真空泵油的处理

     泵在腐蚀环境中抽除腐蚀蒸汽时必须除掉腐蚀蒸汽与惰性工作液形成的乳化酸,否则当泵空转的时候,这种酸能浮在惰性工作液的上面,从而腐蚀机械泵,造成重新起动的困难,或者可能卡住泵的旋片。要除掉乳化酸,则必须对真空泵油进行有效的过滤。当泵油能满足泵的正常运转时,必须不断地过滤以使污染降到最小。为了油封机械真空泵中得到最好的工作条件,最好过滤除去被抽气体中的磨蚀性粒子。因为在多数场合,在腐蚀性气氛下引起真空泵工作困难的是泵油裂解和污染的结果,因此在半导体工艺中除了过滤被抽气体中的粒子以外,还必须除去酸和裂解油。

      当使用普通机械真空泵油抽除腐蚀性气体时,泵应该采用大油箱,以便增加换油周期,这样也必须采用大容量的过滤器。对像二氧化硅这样的微粒,可用额定2~0.5 μ 的过滤器。当出现大量的溶剂和酸时,就要求使用活性碳过滤器。活性碳可以清除酸和由裂解油生成的油渣等微粒物质。当使用惰性真空泵油时,为了减少过滤器的频繁更换和附带的泵油损失,要求采用大容量的小型物理过滤器。实际应用表明,纤维素过滤介质在减少酸性污染方面是有效的,而且大部分工作液易于回收。还可以采用活性碳过滤器从惰性真空泵油中清除腐蚀性酸。

用惰性气体清洗

      对于HCl、HF、BF3 和SiF4 等工艺反应放出的气体,当它们与空气和水混合后,能够生成低蒸汽压的酸,或生成微粒物质。在这种抽气过程中所使用的真空泵应该经常采用氮气清洗系统,将有毒的或危险的气体稀释到较安全的浓度,就能获得较好的抽气效果。在某些过程中,由于被抽蒸汽的流量较大必须直接把氮气导入到抽气管路中,但是此时要求真空泵的抽气量足够大,能够及时处理放进去的氮气,使真空室达到一个满意的压力才可操作。当真空处理室要求高真空时,可使用以旋片泵作为前级泵的罗茨泵抽气系统,把氮充进两泵之间。在许多过程中,要求的充氮量较小,把氮导入泵的气镇装置中以处理放出的气体。然而用氮气镇泵处理蒸汽的量在很大程度上取决于泵的温度,水冷真空泵采用恒温控制水控制泵温,风冷真空泵用改变空气流量的办法来控制泵的温度。

       也可在真空泵的进气口采用冷阱或吸附阱来冷凝或过滤被抽气体,在吸附阱中常采用活性碳、氧化铝、13X型分子筛等吸附剂。活性碳的特殊优点以及它抽除大量水蒸汽时较高的吸附能力,使它成为用于这种型式冷阱的最合适的材料。

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