Episode 1 af Cleanroom Tech Talks: Hvad er vakuum, og hvilke typer vakuumpumper findes der?
Velkommen til den første artikel i vores Cleanroom Tech Talks-serie! Jeg hedder Chris McNally, og jeg vil guide dig gennem nogle af de grundlæggende elementer i vakuumteknologi, når det gælder renrum og vakuumkamre. I denne episode starter vi helt fra begyndelsen: Hvad vakuum egentlig er, hvordan vi måler det, og de forskellige typer pumper og teknikker, der bruges til at skabe det.
Hvad er vakuum?
I sin enkleste form er et vakuum et rum, hvor alt "materiale", som f.eks. luftmolekyler, er fjernet. På Jorden er vi konstant omgivet af molekyler i vores atmosfære. Når vi fjerner disse molekyler fra en given volumen, skaber vi et vakuum.
Men et perfekt vakuum, et rum med absolut nul molekyler, findes ikke på Jorden. Det tætteste, vi kan komme på, er omkring 30.000 molekyler pr. kvadratcentimeter. Det lyder måske som meget, men sammenlignet med atmosfærisk tryk er det næsten ingenting.
I vores Semiconductor Chamber Solutions-division stræber vi efter at opnå kontrolleret vakuum inde i et kammer. Gasmolekyler inde i kammeret hopper rundt og rammer kammervæggene og udøver kraft. Ved at måle kraften af disse kollisioner måler vi tryk, hvilket er det samme som at måle vakuum.
Hvordan måler vi vakuumtryk?
Vakuumtrykket kan måles med forskellige enheder. Til denne artikel bruger vi Torr.
760 Torr = Jordens atmosfæriske tryk ved havoverfladen.
10−⁷ til 10−⁸ Torr = Typisk halvlederkammertryk.
For at sætte det i perspektiv ligner trykket inde i et halvlederkammer Thermosphere, hvor den internationale rumstation kredser.
De to hovedtyper af vakuumpumper
Til at skabe vakuum bruger vi vakuumpumper, som falder i to hovedkategorier:
Overførselspumper – Disse flytter fysisk molekyler ud af kammeret.
Kinetiske pumper: Tilfør kinetisk energi til molekyler for at flytte dem (f.eks. turbomolekylære pumper, diffusionspumper).
Positive fortrængningspumper: Griber, komprimerer og udstøder molekyler.
Fældepumper – Disse indfanger og fastholder molekyler i systemet.
Kryogene pumper: Brug ekstremt kolde overflader til at fryse og opfange molekyler.
Sputterionpumper: Brug plasma og magnetfelter til at indfange molekyler som materiale.
Indfangning i kammeret: Kolde overflader inde i kammeret (f.eks. E dwards CTI-Cryogenics-køleskabe, Polycold-kryokølere), der direkte indfanger molekyler.
Disse forskellige pumper opnår forskellige måltryk i en given vakuumproces, som varierer efter kunde, segment og marked.
Måltryk: Viskos flow kontra molekylært flow
Molekylernes adfærd inde i et vakuumkammer afhænger af, hvor mange der er tilbage.
Viskositetsflow
Forestil dig, at du befinder dig på Grand Central Station i New York City i myldretiden, hvor der er tusindvis af mennesker, der går rundt. Du er i den ene ende af stationen, lukker øjnene og går så hurtigt du kan hen over bygningen for at røre ved væggen på den anden side. Hvis du gør det, vil du kollidere med mennesker og hoppe af personer, der forsøger at komme over.
Det er en viskøs strøm: Gasmolekyler kolliderer oftere med hinanden end med kammervæggene.
Molekylært flow
Forestil dig nu den samme gåtur kl. 3.00. Stationen er næsten tom, så du kan krydse uden at støde ind i nogen. Det er molekylært flow: Det er mere sandsynligt, at gasmolekyler bevæger sig hen over kammeret, rammer en væg og fortsætter deres rejse tilfældigt rundt i kammerets volumen.
Da ingen enkelt pumpe kan fungere effektivt i begge regimer, bruger vi et stablet pumpesystem:
Først bringer en primær pumpe eller en forpumpe, også kaldet en grovpumpe, systemet fra atmosfæren ned til ca. 10−³ Torr (viskøst flow). Derefter overtager en højvakuumpumpe, der skubber kammeret ind i molekylært flow og opnår det basistryk, der kræves til den pågældende proces.
Hvad er kinetiske pumper?
Kinetiske pumper er en type overførselspumpe, der påfører molekyler kinetisk energi for at skabe retningsbestemt flow. Vi ser nærmere på to typer kinetiske pumper:
Turbomolekylære pumper fungerer som turbiner, der roterer med utrolige hastigheder på op til 670 miles i timen. Når den roterer, afledes en del af molekylerne ned i pumpen. Molekylerne fortsætter nedad gennem flere og flere målrettede afbøjninger, indtil de i sidste ende udtømmes af systemet.
Diffusionspumper bruger i stedet oliestråler med høj hastighed. Molekylerne trækkes ned i en pool af olien, før de udtømmes.
Hvad er indfangningspumper?
I modsætning til overførselspumper flytter indfangningspumper ikke molekyler ud, de indfanger dem i systemet.
Kryogene pumper bruger kolde overflader til at indfange molekyler og skabe vakuum. Disse molekyler holdes af pumpen, indtil den er fuld, hvorefter de frosne molekyler optøs og skylles ud af systemet.
Sputterionpumper opfanger molekyler ved hjælp af plasma og magnetfelter. Et plasma styres i et magnetfelt, der slår elektroner af for at skabe ioner. Disse positive ioner tiltrækkes derefter af en katode og skaber sputtering, der grundlæggende omdannes til materialer. Disse pumper opfanger molekyler som materialer for at skabe vakuum.
Indfangning i kammeret er ikke egentlig en vakuumpumpe, men snarere en teknik. Den bruger en dedikeret gasfælde, der er placeret direkte inde i vakuumkammeret. Eksempler omfatter Gifford-McMahon-køleskabe, såsom Edwards CTI-Cryogenics-køleskabe og Polycold-kryokølere. Disse systemer indsætter en kold overflade i kammeret og opfanger molekyler mere effektivt end en pumpe, der er tilsluttet uden for kammeret, da de ikke begrænses af ledningsevnetab.
Edwards CTI-Cryogenics-kølefælder (baseret på Gifford-McMahon-køleskabe) giver ekstremt kolde overflader, der kan opfange vanddamp og andre gasser, såsom xenon.
Polycold-kryokølere bruger Meissner-spoler til at cirkulere koldt kølemiddel, køle spolerne og opfange vandmolekyler. Selvom de ikke når de ultralave temperaturer i CTI-Cryogenics’ kuldefælder, er de meget effektive i applikationer, der kræver meget hurtige vandpumpehastigheder.
Nøglepunkter
Vakuum handler om at fjerne molekyler for at reducere trykket inde i et kammer. Det påkrævede tryk eller vakuumniveau afhænger af den aktuelle proces.
Forskellige pumper tjener forskellige formål, ingen pumpe kan klare det hele. Vi er nødt til at stable vores vakuumpumper: En primær pumpe tager trykket ned til viskøst flow, dedikerede højvakuumpumpeløsninger kan derefter pumpe ned til molekylært flow.
Dette er afslutningen på første afsnit af Cleanroom Tech Talks. I den næste vil jeg dykke dybere ned i forskellige vakuumteknologier, og hvordan hver type pumpe understøtter specifikke renrumsapplikationer.