涡轮分子泵——深冷水气阱组合泵的考核和应用(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)上海三井真空设备有限公司 作者:郭盘林

  在发达国家,由于清洁真空能提高、保证高新技术产品的质量、创造更大的经济效益,磁悬浮涡轮分子泵、低温冷凝泵和它们的前级干泵早已产业化生产,巳在大规模集成电路芯片制造、高级光学镀膜、电子束、离子束工艺设备等方面广泛使用,但磁悬分子泵在国內至今还是空白。事实上,并不是所有应用中都需要像集成电路芯片生产那样严格的清洁真空。

  而且上述 三种泵价格不菲,对一般的清洁真空要求,可用机械轴承涡轮分子泵-深冷水气阱组合泵,它是一款适用于超高、高真空段的组合泵。另一款由深圳摩尔真空公司的分子增圧泵-深冷水气泵組合抽气机組, 该分子增压泵经中科院近代物理研究所测试和应用证明能提供十分清洁的中真空和高真空。今年五月,該抽气机組在上海三井生产的真空炉上作了取代油扩散泵-罗茨泵抽气机組的试验。取得了抽气时间更快和能耗大大降低的結果。随后,又在深圳振恒昌公司的大型镀膜机上作了镀膜试驗,取得了抽气能耗每炉节约80%,年节电30-40 万度/台,並消除了产品膜层色澤泛黄現象,事实证明了清洁的真空。该分子增圧泵在0.1--10Pa 時能保持相当高的抽速,很适合濺射镀膜机使用,它是一款适用于大型高、中真空段的组合抽气机組。现将上述的两款組合抽气设备分别介绍如下:

(一)清洁真空环境的必要性和涡轮分子组合泵

  真空对人类的主要贡献为:提供了最清洁和最少受外界干扰的试验环境,对工业生产来说,则可以制造性能最优越、甚至自然界前所未有的材料。二十世纪人类的三大成就是电子计算机、核能和航天器,但实际上它们都离不开真空。例如:计算机所需的半导体集成电路。就需要在真空中熔制和提纯硅晶体,以后的溅射镀膜,干法刻蚀和离子注入等,也都是真空工艺。由于集成电路的生产过程中要求严格的清洁真空,其他高新技术产品对真空清洁度的要求也愈来愈高。在世界范围内清洁真空抽气设备如磁悬浮涡轮分子泵、低温冷凝泵和干泵等迅速发展,目标都着眼于无油清洁真空。目前磁悬浮涡轮分子泵在国內尚属空白,上海三井研制的磁悬浮涡轮分子泵尚处于樣机调试、考核階段,离开应用尚有一段距离。机械轴承分子泵在集成电路以外的应用还是十分广宽的。

  研究表明,在真空度低于10-6乇的环境下,残余气体成分中95%以上是水蒸气(简称为水气),因此清洁真空除无油外还须无水气。低温冷凝泵有抽水气的能力强,能提供无油无水的清洁真空,保证产品质量,因此应用广泛。但它是一台吸附泵,需要再生而且不适用于抽走有毒、腐蚀性气体,抽惰性气体的能力也差。 涡轮分子泵,运行稳定、可靠,不需要再生,能抽走有毒、腐蚀性气体,惰性气体抽速也好,但尚有抽水气能力不强的问题,因此考虑把它们二者组合起来取长补短试制涡轮分子泵—深冷水气阱組合泵。在没计深冷水气阱时,关键是选择制冷温度,在118.5°K的低溫下,水的平衡蒸气压是10-12 mb, 水气冷凝在阱上,其它气体仍由分子泵抽走。在水气量不是很大的情况下,由于冰的昇华很少需要再生。

  这样的设计能充分发挥分子泵和深冷水气阱各自的优越性能,不但能获得无油无水的清洁真空,而且能达到抽气时间大大缩短,极限真空度提高的要求。在连续生产过程中,快速达到进料室要求的真空度,去除由大气导入进料室的水气,避免工作气体(其中有CF4,BCl3,HBr 等有毒、腐蝕性气体)与大气导入水气的化学反应,对提高生产效率和产品质量都是极为有利的。深冷水气阱由三井公司设计,用真空钎焊工艺制成,具有气阻小、深冷效果好的特色,深冷水气阱的照片见图1。

图 1. 118°K 深冷水气阱

  利用现有的真空仪表和低温泵测试台中的F160 机械轴承涡轮分子泵加上深冷水气阱,配置测试时使用的注水系统,改裝成抽水气能力测试台。测试台的照片见图 2。台的左后方是制冷温度达-155°C 的试验用冷冻机,由上海协元低温真空设备有限公司提供。目前,国内机械轴承分子泵的使用很广泛,大量的分子泵在运行中,上述深冷阱也可为现有使用分子泵的生产设备提高生产效率和产品质量服务。

图 2 .抽水气能力测试台照片。左后方为试验用-155°C 深冷机組

  深冷水汽阱抽水汽能力测试台的布置示意图见图3。从图3 可知,深冷水气阱和分子泵处于插板阀之下,真空容器暴露大气时,深冷水气阱仍在真空中,这样的布置适用于连续生产綫的进、岀料室(装料锁)。在組合泵右上方设置了注水装置,通过一块厚橡皮,由針筒注入定量的水。

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