第4章 真空.doc

第四章 真 空4.1 真空在LCD制造过程中的作用 真空技术被广泛地应用到各个领域，如表4-1，在我们身边有很多真空应用的例子，比如：电灯泡、荧光灯、电动吸尘器、CRT等。 表4-1真空应用领域和例子应用领域 应用例子电子IC、LSI、LCD（成膜、刻蚀、离子注入、电子束）、CRT、电子管冶金真空溶解、真空铸造、晶体拉升航天航空人造卫星、火箭、模拟宇宙空间、真空润滑光学透镜镀膜、激光、滤光片能源核反应堆、太阳能电池元器件原子核物理加速器分析电子显微镜、质量分析仪、元素分析仪、X线分光仪、表面分析仪食品、药品食品干燥、冷冻干燥、蒸馏、脱泡？搬送真空搬送如果对容器抽气达到真空状态，会出现以下5个特征： 产生压力差当对容器抽气时，容器内的压力减少，产生压力差。 应用设备：ODF、Autoclave（高压釜） 水分、溶剂蒸发当容器内的压力减少，空气中的水分和溶剂会蒸发。 应用设备：Photo（减压干燥） 气体分子的平均自由程变长（参考图4-1） 气体的分子数减少，分子间撞击几率变小，运行距离（自由程）变长。平均自由程变长，能长时间、稳定地维持电子和等离子。 应用设备：CVD、PVD、Dry etching 、电子束检测设备 脱气 从金属表面放出水分以外的气体成分。 长时间维持表面清洁 气体分子数变少，污染表面的物质也变少。（A）气体分子多; 气体分子之间撞击多（B）气体分子少; 气体分子之间撞击少图41 真空容器中气体分子运动的情况（箭头的长度表示自由程）4.2 真空的分类真空的压力单位采用国际单位，但是也有采用旧的单位，另外还有其他的单位mbar、atm。 表4-2 压力单位的换算PaTorrmbar1 Pa1 Torr1 mbar1 atm (大气压)11331001.011057.510-310.75760110-21.3311010当压力发生变化，气体分子的个数、平均自由程也发生大的变化（表4-3）。LCD制造中使用的真空设备，根据真空的特性在不同的范围使用，所以各不相同。一般表示真空的程度的词语有接近大气压的“低真空”、还有随着真空度的变高出现“中真空”、“高真空”、“超高真空”等称呼。LCD制造过程中使用的真空设备主要是“中真空”设备。表真空的分类4.3 真空的产生真空主要通过真空泵来产生。真空泵的工作原理有多种，有把气体排放到大气中产生真空；也有通过吸附气体分子产生真空。如表4-3所示，真空的压力范围非常宽，从近似于大气压的压力到宇宙空间的压力，其气体分子的个数有14位以上的数量级差别。目前，能够对应如此广范围的真空泵是不存在的，需要组合多种真空泵来产生。表4-4 真空泵的组合例子低真空抽气中真空抽气高真空抽气 Loading Lock ChamberDry PumpRoot PumpCVD Process ChamberDry PumpRoot PumpDry Etching Process ChamberDry PumpTurbo Molecular PumpPVD Process ChamberDry PumpRoot PumpCryo PumpLCD制造中使用的真空设备对泵的性能作如下要求： 具有排放大容量气体的能力； 能耐反应性气体和腐蚀性强的气体； 无油扩散（防止真空室的污染）。在LCD的制造初期，真空设备上的泵多使用油泵。油泵易受到反应性气体和腐蚀性气体的影响，出现油劣化和少量的油进入到排气系统等问题。因此，最近多使用干泵（Dry Pump） (无油)。为提高PVD设备成膜室的真空度（除去不纯物质），使用物理吸附的低温冷凝泵（Cryo pump）。低温冷凝泵与具有旋转结构的干泵和涡轮分子泵相比，前者没有旋转结构，而是产生超低温度20K(-253)来吸附气体分子。它是物理吸附方式的真空泵，气体分子滞留在泵内，必须定期排放出去。表-真空泵的工作原理和圧力范围 油泵 干泵 分子泵 冷凝泵4.3.1油封式机械泵油封式机械泵是从大气开始抽气，是使用得最多的泵。下面以图4-2旋片型机械泵为例进行说明。2片旋片在真空泵腔内转动，吸入的气体直接送到排气口。旋片和腔内之间的空隙用油密封，所以被称作油封式机械泵。正因为这种结构，油会从油封式泵的排气口排出，所以需要在排气口处安装过滤油的过滤器（Oil Mist Trap）。此外，如果用于腐蚀性气体，为防止油的劣化，多使用含氟成分的合成油。油封式机械泵耗油量很大，需要重点管理油的消耗量。 4.3.2 罗茨泵罗茨泵与油封式机械泵或干泵串联起来，能提高排气速度和压力。（别名是Mechanical Booster Pump）罗茨泵的茧型转子快速转动进行排气，泵腔内不需要油来密封，所以排气过程没有油的污染。图42 油封式泵原理图图43 罗茨泵原理图4.3.3 干式真空泵 干式真空泵的腔体内不需要油。近几年，干式真空泵逐渐替代油封式机械泵，作为从大气压开始粗排气的真空泵被广泛使用。干泵的转子形状因不同的厂家各不相同，有叶型、螺杆型等。（图4-4）图4-4 螺杆型干式真空泵图4-5 涡轮分子泵4.3.4涡轮分子泵 在分子领域内排放气体而获得高真空的机械泵称作涡轮分子泵。如图4-5所示，涡轮分子泵的叶片带着一定的角度高速转动，给气体分子传递动能。多个叶片，再组合2到3种叶片的角度，就能获得高真空排气。一般来说，分子泵和干式真空泵组合使用的情况比较多。4.3.5低温吸附泵前面介绍的真空泵是带有旋转结构的机械泵，下面介绍物理吸附的冷凝泵。低温冷凝泵是由产生超低温的氦循环制冷机和泵体构成的。如图4-6所示，泵体有1520K和7780K的冷却面，冷却面起冷却、凝固气体的作用，从而实现抽气。冷却面是由多孔物质组成，拥有大面积的吸附面。图4-6 低温冷凝泵的主体20K 冷却面能吸附的物质：N2、Ar、CO 、CO2、O277K 冷却面能吸附的物质：H2O、Cl2 机械泵的口径变大时，在加工和驱动上都很难，但是低温冷凝泵的大口径却很容易获得，所以有助于提高LCD制造中使用的真空设备的性能。 4.4 真空设备的结构和规格 真空设备由以下3大要素构成： 抽气设备（Pump） 真空计（Vacuum Gauge） 真空部件（Vacuum Parts） 在前面已经介绍了真空泵，下面介绍真空计和真空部件。4.4.1真空计 测量真空度被称为压力测量。压力测量的方法有以下4种，请参考表4-6。 利用气体分子挤压容器壁的力 利用气体分子热传导 利用在真空中运动的物体受到来自气体分子的阻力 测量气体分子的密度这四种方式中，和可以测大气压中真空；可以测中真空；可以测高真空超高真空。但是，真空计和真空泵一样，没有一种真空计可以连续地从大气压测到超高真空，所以一般组合几种真空计，或选择符合目标压力范围的真空计。 这里介绍LCD制造过程中所使用的有代表性的真空计。4.4.2皮拉尼真空计 在真空中放置发热体，由于气体分子的热传导作用，会带走热量。皮拉尼真空计就是利用这种现象，发热体的温度因热传导而变低，电阻也变低，然后通过桥式电路来检测。 图4-7 皮拉尼真空计和桥式电路这种热传导真空计，灵敏度因不同比热的气体而不同，并且不能用于腐蚀性气体环境进行测量。在LCD制造设备中，主要使用在Loading Lock上。表圧力测量方式和范围4.4.3 Diaphragm真空计图4-8 Diaphragm 真空计的结构Diaphragm真空计的结构如图4-8所示，在测量口直接测量真空压力。用薄金属膜隔离的右边是高真空。当测量口的压力发生变化时，金属膜变形，那么金属膜与电极的间隔会发生变化，检测金属膜与电极之间的静电容的变化就可以得到测量的真空度。静电容的变化一般采用前面提到的桥式电路来测量。Diaphragm真空计使用耐腐蚀的金属膜，膜的劣化比较少，也不会随时间而发生变化，所以多用于测量真空设备的工艺腔的压力。4.4.4 B-A Gauge通过计数气体分子的个数来测量真空压力的真空计是电离真空计。这里介绍被广泛使用的B-A Gauge（参考图4-9）。B-A Gauge是热阴极电离真空计的一种，利用灯丝产生的热电子电离气体。离子被收集到收集器里，测离子电流，然后把离子电流换算成压力。与许多真空计一样，收集器上附有不纯物，就不能正确测量真空度。所以B-A Gauge自身带有排气功能。图4-9 B-A Gauge的结构4.4.5 其他真空计冷阴极电离真空计与热阴极电离真空计不同，不是利用热电子产生离子，所以，它的结构简单而且坚固，比B-A Gauge的感应度灵敏。但是它需要加2KV的电压，而且测量管内的排气速度会影响检测，需要把测量管做粗，由于这些限制条件，冷阴极电离真空计很少应用在LCD制造中的真空设备上。4.4.6 真空部件（材料）真空设备里使用的各种部件，必须尽量减少从部件中释放出的气体。图4-7是真空设备中使用的有代表性的材料。 表4-7 真空部件的材料真空度允许的渗透率烘烤温度材料金属非金属中高真空10Pa10Pa*m/sec70左右低碳钢、电解钢、铝、难熔金属(Ti,Ta,W)氯丁橡胶、聚四氟乙烯、高密度玻璃、陶瓷、真空封脂超高真空10Pa10Pa*m/sec200250长时间烘烤SUS304,316、铝、无氧钢、难熔金属(Ti,Ta,W)Viton、Polyimide、高密度玻璃、陶瓷 另外，在更换真空设备的部件时，为除去部件表面的水分和不纯物，需要清洗，然后用高温烘烤。如果不进行清洗和烘烤而直接使用，真空部件会持续不断地释放出气体，真空度将降低，并且成为微粒的来源。 4.4.7 真空密封为保持真空设备的气密性，某些部件需要采用真空密封。真空密封有固定密封连接和动密封连接。固定密封连接又分永久性的密封和可拆卸的密封连接。 表4-8 真空密封真空密封固定密封连接永久性的密封焊接SUS, Al, 钢溶解热电偶密封玻璃密封观察窗、真空规管陶瓷密封可拆卸的密封O形圈密封法兰、阀金属密封耐高温密封动密封连接威尔逊密封运动轴（直线旋转）O形圈密封波纹管密封运动轴（直线or旋转）磁力耦合连接运动轴（直线or旋转）磁流体密封旋转轴4.4.7.1 永久性的密封 焊接钢材、SUS、铝时，采用电焊接和氩弧焊（TIG）。焊接钢材时，熔解银后进行连接。 液晶显示器的制造设备上需要的大尺寸真空室，一般通过焊接真空室和闸门阀（GateValve）等大尺寸部件来实现。用于观测真空室的观察窗（View Port） 使用的是玻璃，需要定期更换，所以多使用O形圈（O-ring）来固定。4.4.7.2 可拆卸的密封 安装法兰（Flange）和阀（Valve）时，使用可拆卸的密封连接，一般多使用Viton材料。但是对需要高真空和高气密性的设备及部件而言，多使用金属密封。 O形圈有各种各样的尺寸。使用后的O形圈大多会变形，在更换时需要确认型号。Viton材料的耐热温度是150左右，当超过这个温度时，一般使用聚酰亚胺材料。 金属密封圈原则上只使用一次，不循环使用。图4-10 威尔逊（Wilson）密封 图4-11 O形橡胶圈密封4.4.7.3 动密封连接为传递大气和真空之间的运动，使用多种动密封连接。 （1）威尔逊密封（Wilson Seal）如图4-10所示，在部件之间填充真空润滑油来维持气密性。但是真空润滑油不能用在高温的状态下。真空设备上使用的有代表性的真空润滑油如表4-8所示。 表-8真空油脂油脂软化温度（）使用极限温度（）蒸汽压（）阿皮松（Apiezon）密封蜡硅润滑油（2）O形橡胶圈密封结构简单，价格便宜，是最普遍使用的一种真空密封方式，见图4-11。O形橡胶圈一般是Viton材料，再涂上真空润滑油，能提高气密性。威尔逊密封和O形橡胶圈密封被广泛地用于真空设备的部件上。（3）波纹管密封（Bellows seal） 直线运动型的波纹管密封被广泛地使用，见图4-12，大气层和真空层是完全隔离的，适合使用在超高真空的密封上。但是波纹管密封存在其材料使用的是SUS薄板，价格非常高的问题。在LCD制作中使用的真空设备，波纹管密封多使用在真空室内的玻璃上下搬送的结构上。图4-12 波纹管密封 图4-13 磁力耦合密封（4）磁力耦合密封从图4-13 可以看出，磁力耦合密封是通过大气中的磁铁来驱动真空内部的轴，它与波纹管密封不同的是，直线运动和旋转运动能同时进行。另外，还有一个特征是能够进行长距离的直线运动。（5）磁流体密封磁流体密封专用在旋转运动的结构上。如图4-14所示，轴连通大气和真空，磁性流体是使用含Fe3O4 的溶剂。这种结构，轴与轴导轨发生驱动时的摩擦少，所以能够作快速旋转运动和达到精密控制，一般使用在需要精密对位的搬送基板的设备上。图4-14 磁流体密封 4.4.8 真空设备的性能和规格作为判断真空设备性能的一个指标是是否发生漏气（Leak）。在真空设备和真空部件的制作上，漏气是经常遇到的问题。如何解决漏气是一项重要的技术。4.4.8.1 漏率表示漏率的单位是Pam3/sec,也有用其他单位来表示。表4-9是表示漏率的换算。表-9漏率的换算表Pam/secTorr/secMicron/sec (lusec)atm cc/sec11.33*101.33*101.01*107.52*107.6*107.52*10*107.6*109.901.3161.316*10判断是否发生漏气的方法有静态升压法、残留气体分析法、氦