真空泵与阀门

1、 真空泵：一、 概要：真空泵是获得真空的设备，根据自身极限真空的能力将真空泵分为低真空泵和高真空泵。表1.对常用真空泵进行了分类归纳。表1.常用真空泵的分类：分类极限真空应用真 空 泵气 体 移 动 式位 移 式卷泵（Scroll pump）7.5×10-3TorrCD-SEM油回转泵（Oil sealed rotary pump）<7.5×10-5TorrII/SP罗茨泵（roots blower, roots pump）<5×10-5TorrII/SP/Dry/CVD水环泵 (water ring pump)<5×10-3Torr活

2、塞泵 (piston pump)<5×10-3Torr隔膜泵 (diaphragn pump)<5×10-3TorrII/Anneal动 力 式扩散泵 (diffusion pump)<1×10-8TorrII喷射泵 (ejection pump)分子泵 (turbo molecular pump)<5×10-9TorrII/SP/Dry/分子拖曳泵 (molecular drag pump)气 体 凝 聚 式吸气泵 (sorption pump)冷冻陷阱 (cold trap)冷凝泵 (cryo pump)<5×

3、10-9TorrII/SP/Dry/溅射离子泵 (spuutter ion pump,SIP)<5×10-10TorrCDSEM钛升华泵 (titanium sublimation pump)非蒸发吸气泵 (non evaporable getter)二、各类真空泵的特性表2.各类真空泵的特性：真空泵类型是否需要支援泵是否有油形成问题的气体或蒸气备注入口出口干式转动泵否否是可压缩的粗抽泵油密封转动泵否是是需要气镇通常用做粗抽/支援罗茨泵 是否是压缩比低有油污染，除非先除油扩散泵是是是对H2和He低压缩比油污染最严重分子泵是否是高真空泵分子拖曳泵是否是吸收泵否否无出口可燃气体有爆

4、炸的危险做干式粗抽冷泵否否否对H2、He容量低溅射离子泵否否无出口对惰性气体不佳（六）、分子泵（turbo molecular pump）分子泵是使用高速旋转的叶片，使气体分子有一定方向的动量，藉以获得排气能力的机械泵。抽真空的范围为10-4-10-10Torr。图（10）是分子泵的工作原理示意图，这种泵之所以称为分子泵，因为它必须在进气端的气体处于分子流的情况下，才能有效的操作，此时的压力约在10-3Torr以下，所以需要一个回转泵做辅抽泵。高级的分子泵有磁浮式（magnatically levitated）无油。转子以锻造铸模一体成型式，抽气速度可达800l/s或以上。本体连接电缆线和电源

5、供应器均可以定期交换，任何零件更换后，不需再做调整，电源供应器有自行诊断功能。停电时磁浮会藉由再生刹车而自动维持。触地轴承可承受250次停电事件。一个分子泵的构造如图（11）所示。其各组成部分之作用为：1、入气口，2、定子，3、转子，4、轴承，5、马达，6、马达轴，7、冷却水，8、背压口。 图（10）分子泵的工作原理示意图 图（11）分子泵的构造图（七）、冷泵(cryogenic pump)冷泵系统由压缩机（compressor）和冷泵（cryopump）二部分组成。内部有一耐用的闭回路冷冻（refrigeration）单元，如图（12）所示。1、前置真空接口 2、电源连接 3、进气口 4、挡

6、板 5、二级冷头 6、防辐射层 7、低温板 8、泄放阀 9、一级冷头 10、真空计图（12）冷泵的结构及配置先利用压缩机将氦气（He）压缩，以热交换方式除去其所产生的热量。再使氦气急速膨胀，并导入到冷泵内，它吸收大量的热，使泵内调节板（baffle温度降为80K（K:绝对温度），而将水蒸气凝聚。另一冷冻面板（Cryopanel）更降为15K。当气体分子和此面板接触，即被陷住而凝聚。除氩、氦、氖外，所有气体均液化为液体，蒸气压降至10-10Torr以下。至于氩氦氖与低温表面以范德瓦尔力（Van der Wals force）吸收。冷泵上吸附冷聚的气体，可以利用加热一带状加热器（band heat

7、er）使附著气体蒸发掉，当泵内的压力回到一大气压，再通以干燥氮气，直到原来80K调节板的挡墙温度升到常温。这个过程即称为再生（regeneration）。工艺腔内最不容易除去的气体是氦（He），其次是氢气（H2），因为氦和氢气的平衡蒸气压，即使到极低的温度仍然存在。（八）、溅射离子泵溅射离子泵（sputter ion pump, SIP）的作用和溅射工艺类似。利用惰性气体氩（Ar）电离为Ar+,以Ar+轰击阴极钛（Ti）（或铝合金的阴极）飞溅出钛以捕捉气体分子。二极之间电压约为3-7500伏。磁场用来提高离子浓度。泵室壁也可以形成第三个电极，也可提高真空度。溅射离子泵可产生极高的真空度，它的设

8、计简单，没有移动的零件。无磨损，无震动。最适合作加速器和分析机器抽真空之用。阀门一、概要1 阀门指用来改变气流方向或大小或隔断和接通管路的真空系统、气体输送系统的元件，普遍应用于半导体设备的各个方面，其作用包括：1、开关气路。2、控制气流大小，调节真空度。3、定量充气。二、真空阀门的分类真空阀门种类繁多，有许多分类方法，下面仅举几种常用的分类方法。（1） 根据阀门的驱动方式，分为手动，电动，气动和液压。（2） 按阀门的职能，分为超高真空阀.高真空阀.低真空阀和放气阀；（3） 按阀门的结构形式，分为挡板阀. 翻板阀. 插板阀（即闸阀）和蝶阀；（4） 按阀门的结构材料，分为金属阀和非金属阀，非金属

9、阀又有玻璃和塑料的两种。三、常用阀门原理1开关式开关式的阀可以依照所使用的目的而分为气动式与手动式两种。所谓的气动式阀，就是阀本身的开关，是由气体的供输来控制的一种阀，图（2.1）为气动阀的结构及原理示意图。而手动式阀，就是可以由我们人工加以控制的，显示一种广泛应用在半导体制程设备上的一种气动阀；我们有时习惯以其制造商的名称Nupro,来称它为Nupro阀。它主要是由一组连接活塞的阀门及一个可以提供活塞上下移动的气室所组成。气室的上端有一个进气孔。当气体从气孔进入气室而将活塞往下堆挤时，原本关闭的阀门将向上开启，使流入阀内的气体可以流往阀的另一端。当进入气室内的气体被排出之后，活塞将随着弹簧的

10、恢复动作而回到原来的位置，而将阀门关闭。这便是气动阀基本的操作原理。而这种需要有气体进入阀的气室内使阀开启的气动阀，则称为“正常关”气动阀，通常简称为NC式的气动阀。反之，假如气动阀本身在没有供气时处于“开”的状态，而气体输入后则是“关闭”的，则称为“正常开”气动阀，或简称NO式的气动阀。 图（2.1）气动阀的基本结构 图（2.2）领气阀与气动阀的配置气动阀因为需要气体的输出入来控制其开关的状态，所以无法单独的使用，而必须要有另一种用来控制气体是否输入气动阀里的开关，这种开关则称为“领气阀”，或是以其制造厂商的名字来称呼它，如Clipper阀，或是Humphery阀等。领气阀将接往一个气体来源

11、，通常使用经加压的干燥空气，或简称CDA,压力约在60到110psi之间。当领气阀接受24伏特的支流电电压之后，领气阀将允许CDA流经其本身到专属的气动阀气室里面，而将气动阀的活塞往下压。假如所接的气动阀属于NC式的，此时的气动阀门将开启，使工艺气体开始流往反应器。也就是说，我们是籍著直接对领气阀的控制，来间接地控制气动阀的开或关。所以气动阀与领气阀是一体的，无法个别使用。如图（2.2）。NC式的气动阀，是半导体设备里最被常使用的一种气动阀。它的好处是，当供给设备的电源突然中断时，所有的NC式气动阀都将处于“关闭”状态，因为丧失CDA的供给。即使在反应进行当中发生，所有的工艺气体都会全部被隔离

12、在管件里而不会在流通，以免系统因为丧失电力及抽气的能力而发生气体外泄的现象，而危及工艺的安全。2、闸阀闸阀是另一种广泛应用在真空系统里的气动阀，因为它的构造就像是一个将水流加以绝的闸门一样，所以称之。它的操作原理与前面所提到Nupro阀完全一样。只不过闸阀通常以NC式来设计。Nupro阀主要是用在气体的传输上。与Nupro阀相接的管件，其管径大小主要有3/8”及1/4”两种；而闸阀因与真空系统相接，为了增加传道度，其管径则比较大。通常使用40CM. 50CM,甚至大到12”的管件，所以它的体积也就比Nupro阀大的多了。3、手动阀手动阀的价格与功能均较气动阀来得便宜且简单，所以半导体设备里不需

13、要自动控制的阀，均使用手动阀来做流体流动的控制。如图（2.3）标示了手动阀的结构. 图（2.3）手动阀的结构图 （2.4）可调节阀的结构4可调整式可调整式阀的作用主要是用来调节管件里的流体流量，譬如说，设备里需要4种不同流量的 氮气供应来源，利用几个可调整式阀，我们便可以将原来供给机器的一种流量加以改变，以满足我们的需要。手动式的可调整式阀的阀门开启的程度可以由标示有刻度的转动把柄来调节，所以流经可调整式阀的流体流量便可以被控制。假如有需要，我们可以在可调整式阀的后面加装一个流量计，这么一来，流体流量的控制与调整便会更加的精确。其结构参见图（2.4）。5、节流阀节流阀是现在普遍使用在真空系统里

14、的一种可调整式闸，它的构造与前面所介绍的阀不太相同，它的阀门不是采用上下运动的方式来设计的，而是像旋转门一般，有如蝴蝶翅膀的振动来调节阀门的位置，所以又称为“蝴蝶阀”。节流阀主要是由一个旋转式阀门及一个用来调整阀门位置的伺服马达所构成。因此只要输入适当的电流，伺服马达便会自动调节阀门的位置来改变节流阀的传导度，以控制真空系统的整体有效抽气速率。其结构参见图（2.5）。 图（2.5）节流阀的结构 图（2.6）整流阀与泄漏阀6整流阀，泄漏阀：还有其他较为特殊但用途也广在半导体制程设备最常见的两种阀，一个是“整流阀（check）,另一种为“泄漏阀（pressure relief valve）”(1)

15、 为一整流阀的横切面图，它的功能就像电路里的整流器（rectificer）,主要防止流体在管件里的流动产生回流的现象，特别是一些主要的工艺气体如SiH4,PH3,CF4及O2等，以免造成气体间的相互污染（Cross Contamination）。通常我们使用开启压力（Crack Pressure）为1/3 psi 的整流阀来整流。其结构参见图（2.6）（a）。（2）泄漏阀的结构与整流阀相似，主要是用来调整管内的流体的压力，当管内的压力超过舒压阀所设计的临界点（Critical Value）时，管内的气体将压缩舒压阀内的弹簧使泄漏阀开启，而多余的气体通过泄漏阀排出，当压力恢复到临界压力以下以后，

16、泄漏阀将因管内的压力不足以支撑弹簧的压缩而关闭。使管内的气体输送恢复平常的状态，且不必担心管内的气体压力太大所可能造成的事故。其结构参见图（2.6）（b）。真空的定义真空常用名词术语返回首页-> 新闻中心 1、真空的定义 真空系统指低于该地区大气压的稀簿气体状态。 2、真空度 处于真空状态下的气体稀簿程度，通常用“真空度高”和“真空度低”来表示。真空度高表示真空度“好”的意思，真空度低表示真空度“差”的意思。3、真空度单位 通常用托（Torr）为单位，近年国际上取用帕（Pa）作为单位。1托1/760大气压1毫米汞柱4、托与帕的转换 1托133.322帕或1帕7.5×10-3托5

17、、平均自由程 作无规则热运动的气体粒子，相继两次碰撞所飞越的平均距离，用符号“”表示。6、流量 单位时间流过任意截面的气体量，符号用“Q”表示，单位为帕·升/秒（Pa·L/s）或托·升/秒（Torr·L/s）。7、流导 表示真空管道通过气体的能力。单位为升/秒（L/s），在稳定状态下，管道流导等于管道流量除以管道两端压强差。符号记作“U”。 UQ/(P2- P1)8、压力或压强 气体分子作用于容器壁的单位面积上的力，用“P”表示。9、标准大气压 压强为每平方厘米101325达因的气压，符号：（Atm）。10、极限真空 真空容器经充分抽气后，稳定在某一真空

18、度，此真空度称为极限真空。通常真空容器须经12小时炼气，再经12小时抽真空，最后一个小时每隔10分钟测量一次，取其10次的平均值为极限真空值。11、抽气速率 在一定的压强和温度下，单位时间内由泵进气口处抽走的气体称为抽气速率，简称抽速。即SpQ/（PP0）12、热偶真空计 利用热电偶的电势与加热元件的温度有关，元件的温度又与气体的热传导有关的原理来测量真空度的真空计。13、电离真空计（又收热阴极电离计） 由筒状收集极，栅网和位于栅网中心的灯丝构成，筒状收集极在栅网外面。热阴极发射电子电离气体分子，离子被收集极收集，根据收集的离子流大小来测量气体压强的真空计。14、复合真空计 由热偶真空计与热阴

19、极电离真空计组成，测量范围从大气10-5Pa。15、冷阴极电离计 阳极筒的两端有一对阴极板，在外加磁场作用，阳极筒内形成潘宁放电产生离子，根据阴极板收集的离子流的大小来测定气体压强的真空计。16、电阻真空计 利用加热元件的电阻与温度有关，元件的温度又与气体传导有关的原理，通过电桥电路来测量真空度的真空计。17、麦克劳真空计（压缩式真空计） 将待测的气体用汞（或油）压缩到一极小体积，然后比较开管和闭管的液柱差，利用玻义尔定律直接算出气体压强的一种绝对真空计。18、BA规 这是一种阴极与收集极倒置的热阴极电离规。收集极是一根细丝，放在栅网中心，灯丝放在栅网外面，因而减少软X射线影响，延伸测量下限，

20、可测超高真空。19、水环真空泵 泵的叶轮转子旋转而产生水环。由于转子偏心旋转而使水环与叶片间容积发生周期性改变而进行抽气的机械真空泵。20、往复真空泵 利用活塞的往复运动而进行抽气的机械真空泵。21、油封机械真空泵 用油来保持密封的机械真空泵，可分为定片式、旋片式、滑阀式、余摆线式等。22、罗茨真空泵 具有一对同步高速旋转的鞋底形转子的机械真空泵，此泵不可以单独抽气，前级需配油封、水环等可直排大气的真空泵。23、涡轮分子真空泵 有一高速旋转的叶轮，当气体分子与高速旋转的涡轮叶片相碰撞时就被驱向出气口再由前级泵抽除。24、油扩散真空泵 扩散泵喷口中喷出高速蒸汽流。在分子流条件下，气体分子不断地向

21、蒸流中扩散，并被蒸汽带向泵出口处逐级被压缩后再由前级泵排除。25、低温真空泵 利用20K以下的低温表面凝聚吸附气体的真空泵。26、冷阱（水冷挡板） 置于真空容器和泵之间，用于吸附气体或捕集油蒸汽的装置。27、气镇阀 油封机械真空泵的压缩室上开一小孔，并装上调节阀，当打开阀并调节入气量，转子转到某一位置，空气就通过此孔掺入压缩室以降低压缩比，从而使大部分蒸汽不致凝结而和掺入的气体一起被排除泵外起此作用的阀门称为气镇阀。28、真空冷冻干燥 真空冷冻干燥，也称升华干燥。其原理是将材料冷冻，使其含有的水份变成冰块，然后在真空下使冰升华而达到干燥目的。29、真空蒸镀 在真空环境中，将材料加热并镀到基片上

22、称为真空蒸镀，或叫真空镀膜。30、真空干燥 利用真空环境下沸点低的特点来干燥物品的方法。31、真空系统常用名称 (1)主泵：在真空系统中，用于获得所需要真空度来满足特定工艺要求的真空泵，如真空镀膜机中的油扩散泵就是主泵。(2)前级泵：用于维持某一真空泵前级压强低于其临界前级压强的真空泵。如罗茨泵前配置的旋片或滑阀泵就是前级泵。(3)粗抽泵：从大气压下开始抽气，并将系统压力抽到另一真空泵开始工作的真空泵。如真空镀膜机中的滑阀泵，就是粗油泵。(4)维持泵：在真空系统中，气量很小时，不能有效地利用前级泵。为此配置一种容量较小的辅助泵来维持主泵工作，此泵叫维持泵。如扩散泵出口处配一台小型旋片泵，就是维

23、持泵。版主金币2325 枚贡献844 点4.气体分子的某一次自由程取值完全是随机的,但大量自由程的长度分布却服从一定的统计规律.气体分子自由程大于一给定长度的几率为(16)类似地可得出,电子或离子在气体中运动的自由程大于一给定长度的几率为(17)(18)利用这种分布规律,结合平均自由程计算公式(12)(15),可以计算出做定向运动的粒子束流穿过空间气体时的散失率,或根据所限定的散失率确定空间气体所必须达到的真空度.例如:一台离子束真空设备中,高能离子流由离子源射向25cm处的靶,若要求离子流与真空室内残余气体分子碰撞的散失率小于5%,那么温度为27oC的残余气体压力应为多少?根据题意,可知当=

24、O.25m时,要求 Pi(i&gt;)1%5%,由(18)式,解出 exp(-0.25/i)0.95,则i0.25/(-ln0.95),即i4.87m.再将此结果代入(15)式得 kT/2p4.87m;取空气的分子有效直径 =3.72 * 10-10m,则要求残余气体压力 p1.38 * 10-23 * 300/(*3.722*10-20*4.87),即p1.95 * 10-3Pa.5.关于气体分子对所接触固体表面(如容器壁)的碰撞问题,可以从入射方向和入射数量二方面加以讨论.若一立体角dw与面积元ds的法线间的夹角为,则单位时间内由dw方向飞来碰撞到ds上的气体分子数目dN与cos成正比,这就是通常所说的余弦定律:(19)单位时间内碰撞在固体表面单位面积上的气体分子数目称为气体分子对表面的入射率(m-2s-1),其计算式为:(20)根据平衡状态的假设,气体分子飞离固体表面时的方向分布及数量应与入射相一致,因此仍可按式(19)、(20)计算.克努曾余弦反射定律还说明,不论气体分子的入射方向怎样其反射都服从(19)式的余弦规律.6.如果两个相连通的真空容器温度不同,那么内部气体达到状态平衡时的参数也会有差异.在低真空条件下,即粘滞流态时,二容器的平衡条件是