Cleanroom Tech Talks episodio 1: ¿Qué es el vacío y qué tipos de bombas de vacío existen?
¡Bienvenido al primer artículo de nuestra serie Cleanroom Tech Talks! Me llamo Chris McNally y le guiaré a través de algunos de los fundamentos de la tecnología de vacío, ya que se aplica a las salas blancas y las cámaras de vacío. En este episodio, empezaremos desde el principio: qué es realmente el vacío, cómo lo medimos y los diferentes tipos de bombas y técnicas utilizadas para crearlo.
¿Qué es el vacío?
En su forma más sencilla, el vacío es un espacio en el que se ha eliminado toda la “materia”, como las moléculas de aire. En la Tierra, estamos constantemente rodeados de moléculas en nuestra atmósfera. Cuando eliminamos esas moléculas de un volumen determinado, creamos un vacío.
Pero un vacío perfecto, un espacio con moléculas absolutamente cero, no existe en la Tierra. La más cercana que podemos obtener es de alrededor de 30.000 moléculas por centímetro cuadrado. Puede sonar como mucho, pero en comparación con la presión atmosférica, es casi nada.
En nuestra división Semiconductor Chamber Solutions, nuestro objetivo es lograr un vacío controlado dentro de una cámara. Las moléculas de gas dentro de la cámara rebotan y golpean las paredes de la cámara, ejerciendo fuerza. Al medir la fuerza de esas colisiones, medimos la presión, lo que es lo mismo que medir el vacío.
¿Cómo se mide la presión de vacío?
La presión de vacío se puede medir con diferentes unidades; para este artículo utilizaremos Torr.
760 Torr = Presión atmosférica de la Tierra a nivel del mar.
10−⁷ a 10−⁸ Torr = Presión típica de la cámara del semiconductor.
Para ponerlo en perspectiva, la presión dentro de una cámara semiconductora es similar a la de la Thermosphere, donde orbita la Estación Espacial Internacional.
Los dos tipos principales de bombas de vacío
Para crear vacío, utilizamos bombas de vacío, que se dividen en dos categorías principales:
Bombas de transferencia: estas mueven físicamente las moléculas fuera de la cámara.
Bombas cinéticas: añada energía cinética a las moléculas para moverlas (por ejemplo, bombas turbomoleculares, bombas de difusión).
Bombas de desplazamiento positivo: agarre, compresión y escape de moléculas.
Bombas de atrapamiento: atrapan y retienen las moléculas dentro del sistema.
Bombas criogénicas: utilice superficies extremadamente frías para congelar y capturar moléculas.
Bombas de iones de pulverización: utilice plasma y campos magnéticos para atrapar moléculas como material.
Atrapamiento en la cámara: superficies frías dentro de la cámara (por ejemplo, refrigeradores CTI-Cryogenics de Edwards, enfriadores criogénicos Polycold) que capturan directamente las moléculas.
Estas diferentes bombas alcanzan diferentes presiones objetivo en un proceso de vacío dado, que varía según el cliente, el segmento y el mercado.
Presión objetivo: flujo viscoso frente a flujo molecular
El comportamiento de las moléculas dentro de una cámara de vacío depende de cuántas queden.
Flujo viscoso
Imagínese que está en la estación Grand Central de la ciudad de Nueva York durante la hora punta, hay miles de personas caminando. Estás en un extremo de la estación, cierras los ojos y caminas lo más rápido posible por el edificio para tocar la pared del otro lado. De este modo, colisionarás con personas y rebotarás a las personas que intentan cruzarse.
Eso es el flujo viscoso: las moléculas de gas colisionan entre sí con más frecuencia que con las paredes de la cámara.
Flujo molecular
Ahora imagínese el mismo paseo a las 3 de la mañana. La estación está casi vacía, por lo que puede cruzar sin chocar con nadie. Eso es el flujo molecular: es más probable que las moléculas de gas viajen a través de la cámara, golpeen una pared y continúen su viaje rebotando aleatoriamente alrededor del volumen de la cámara.
Dado que ninguna bomba puede funcionar de forma eficiente en ambos regímenes, utilizamos un sistema de bombeo apilado:
En primer lugar, una bomba primaria o una bomba previa, también llamada bomba de vacío preliminar, reduce el sistema de la atmósfera a aproximadamente 10−³ Torr (flujo viscoso). A continuación, una bomba de alto vacío se hace cargo, empujando la cámara hacia el flujo molecular, lo que permite alcanzar la presión base necesaria para el proceso en cuestión.
¿Qué son las bombas cinéticas?
Las bombas cinéticas son un tipo de bomba de transferencia que aplica energía cinética a las moléculas para crear un flujo direccional. Analizaremos más de cerca dos tipos de bombas cinéticas:
Las bombas turbomoleculares actúan como turbinas que giran a velocidades increíbles, de hasta 670 millas por hora. A medida que gira, una parte de las moléculas se desvía hacia la bomba. Las moléculas continúan hacia abajo a través de desviaciones cada vez más específicas hasta que finalmente se agotan del sistema.
En su lugar, las bombas de difusión utilizan chorros de aceite de alta velocidad. El aceite arrastra las moléculas hacia abajo hasta una piscina antes de que se agoten.
¿Qué son las bombas de atrapamiento?
A diferencia de las bombas de transferencia, las bombas de atrapamiento no mueven las moléculas hacia afuera, sino que las atrapan dentro del sistema.
Las bombas criogénicas utilizan superficies frías para atrapar moléculas y crear vacío. La bomba retiene estas moléculas hasta que están llenas, momento en el que las moléculas congeladas se descongelan y se eliminan del sistema.
Las bombas de iones de pulverización catódica capturan moléculas utilizando plasma y campos magnéticos; un plasma se controla en un campo magnético que golpea los electrones para crear iones. A continuación, estos iones positivos se atraen a un cátodo y crean la pulverización catódica, que básicamente se convierte en materiales. Estas bombas capturan moléculas como materiales para crear vacío.
La trampa en la cámara no es realmente una bomba de vacío, sino más bien una técnica. Utiliza una trampa de gas específica que se coloca directamente dentro de la cámara de vacío. Entre los ejemplos se incluyen los refrigeradores Gifford-McMahon, como los refrigeradores CTI-Cryogenics de Edwards, y los enfriadores criogénicos Polycold. Estos sistemas insertan una superficie fría en la cámara, capturando las moléculas de forma más eficaz que una bomba conectada fuera de la cámara, ya que no están limitados por las pérdidas de conductividad.
Las trampas frías CTI-Cryogenics de Edwards (basadas en refrigeradores Gifford-McMahon) proporcionan superficies extremadamente frías que pueden atrapar vapor de agua y otros gases, como el xenón.
Los enfriadores criogénicos Polycold utilizan bobinas Meissner para hacer circular el refrigerante frío, enfriando las bobinas y atrapando las moléculas de agua. Aunque no alcanzan las temperaturas ultrabajas de las trampas frías de CTI-Cryogenics, son muy eficaces en aplicaciones que requieren velocidades de bombeo de agua muy rápidas.
Puntos clave
El vacío consiste en eliminar moléculas para reducir la presión dentro de una cámara. La presión necesaria, o el nivel de vacío, depende del proceso en curso.
Las diferentes bombas sirven para diferentes fines, ninguna bomba puede hacerlo todo. Necesitamos apilar nuestras bombas de vacío: una bomba primaria reduce la presión hasta el flujo viscoso, y las soluciones de bombeo de alto vacío específicas pueden bombear hasta el régimen de flujo molecular.
Con esto concluye el primer episodio de Cleanroom Tech Talks. En el siguiente, profundizaré en las diferentes tecnologías de vacío y en cómo cada tipo de bomba es compatible con aplicaciones específicas de salas blancas.