干式泵抽除颗粒物的措施与方法

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)东北大学 作者:杨乃恒

         在半导体产业为主要应用对象的干式泵会因许多工艺过程的抽气而出现一些颗粒物, 以前用PFPE油的油封式机械泵, 有油封作用, 因此成了颗粒物的捕集器, 混在油里的颗粒物过滤除掉, 造成维护工作量加大, 运行成本也提高了。

        在半导体工业中使用的气体和反应生成物都要通过泵中, 这些物质与空气和湿气混合,能形成氧化物, 有些能自燃引起爆炸,因此在半导体工艺中使用的真空泵要经过这些恶劣环境的考验。一般来说, 在真空泵中出现颗粒物有三种情况。

① 有时泵内压力增高,而引起气固变态过程的发生;

② 在泵内气体成分的反应生成物。

③ 抽气过程混入的颗粒物。

         防止颗粒物在泵中形成是最好的措施: 一般物质的升华是压力和温度的函数,各种物质都不相同,若简单调整泵的温度也可避免气固变态过程的发生。例如在Al刻蚀过程中,反应生成物AlCl3,由蒸汽压表明, 在温度> 80℃时AlCl3就挥发了, 如果能控制泵温,AlCl3的沉积就可以避免。由此可见不是泵温越低越好。单位时间形成颗粒物的数量用反应率来表示

 

式中 r ——反应率 T ——热力学温度

        K0——常数 Ci——成分i的浓度

        E ——激活能ni ——Ci的指数

        R ——气体常数

        从公式得知, 减少浓度是降低生成颗粒物的有效的办法。而且充入惰性气体也是最容易实现的。改变公式中的E和T是有局限性的。这种反应在高压下容易发生, 因此在泵的压缩开始之前就通入惰性气体才行。

        这种方法也可以防止CVD过程中出现爆炸的危险, 引入惰性气体N2,使其浓度降低到低于着火极限,在这种条件下,反应率很低不会有爆炸发生。直到现在, 还不能完全阻止颗粒物在泵腔内生成。为了保证颗粒物处于悬浮状态, 防止沉积, 气体的流动速度必须大于颗粒的临界速度(即最大的降落速度)。

         颗粒的临界速度和压力之间的关系, 如图17所示,颗粒尺寸对其临界速度的影响很大,要保证小的临界速度Vt,颗粒也要很小,才能很好的被抽走。

颗粒物的临界速变与压力的关系 

图17 颗粒物的临界速变与压力的关系

        泵内的压缩过程气流的速度Vgas可由下式计算

式中 Qpv——为气流量

          P——压力

          A ——流道的断面积

        若压力P增加会引起气流速度下降。随着压力增加, 气流速度达到或大于临界速度,使颗粒物处于悬浮状态。颗粒物的形成也多半在压力增高时发生。如向泵内及早充入气体, 以使颗粒尺寸还小, 有尽可能小的临界速度, 充入的气体量要大,使气流速度大于临界速度,保证了颗粒物实现气力输送,这样一来每级却都要充入气体, 充入的气体量与压力成正比,以保证有足够的气流速度。

       充入气体量对泵的性能是有影响的, 要满足性能要求才行。

        如泵在极限压力下运行, 即

式中 S th ——泵的几何抽速

          Pc——极限压力

          qpv ——内部的返流

       若想得到一定的极限压力Pc, 就必须减少泵内部高压侧向低压侧的返流量, 为了抽除颗粒物, 充入气体增加了内部返流量, 因此要将充入的气体量, 达到对极限压力影响最小的程度为好。

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