Cleanroom Tech Talks -jakso 1: Mitä tyhjiö on ja millaisia tyhjiöpumppuja on olemassa?
Tervetuloa Cleanroom Tech Talks -sarjan ensimmäiseen artikkeliin! Olen Chris McNally, ja opastan sinua tyhjiötekniikan perusteissa, joita sovelletaan puhdastiloihin ja tyhjiökammioihin. Tässä jaksossa aloitamme alusta: mitä alipaine oikeastaan on, miten sitä mitataan ja millaisia pumppuja ja tekniikoita sen luomiseen käytetään.
Mitä tyhjiö on?
Yksinkertaisimmillaan tyhjiö on tila, josta on poistettu kaikki ”aine”, kuten ilmamolekyylit. Maapallolla ilmakehässämme on jatkuvasti molekyylejä. Kun poistamme nämä molekyylit tietystä tilavuudesta, luomme tyhjiön.
Maapallolla ei kuitenkaan ole täydellistä tyhjiötä, tilaa, jossa ei ole lainkaan molekyylejä. Lähin mahdollinen on noin 30 000 molekyyliä neliösenttimetriä kohden. Se voi kuulostaa paljon, mutta ilmanpaineeseen verrattuna se ei ole juuri mitään.
Semiconductor Chamber Solutions -osastollamme pyrimme hallittuun tyhjiöön kammion sisällä. Kammion sisällä olevat kaasumolekyylit pomppaavat ympäriinsä ja osuvat kammion seiniin, mikä aiheuttaa voimaa. Mittaamalla törmäysten voimakkuutta mittaamme painetta, joka on sama kuin alipaineen mittaaminen.
Miten alipaine mitataan?
Tyhjiöpaine voidaan mitata eri yksiköillä; tässä artikkelissa käytämme torria.
760 Torr = Maan ilmakehän paine merenpinnan tasolla.
10−⁷...10−⁸ Torr = Tyypillinen puolijohdekammion paine.
Puolijohdekammion sisällä vallitseva paine on samanlainen kuin kansainvälisen avaruusaseman kiertoradalla olevassa termosfäärissä.
Tyhjiöpumppujen kaksi päätyyppiä
Käytämme tyhjiön luomiseen tyhjiöpumppuja, jotka jakautuvat kahteen pääluokkaan:
Siirtopumput – Nämä siirtävät molekyylejä fyysisesti pois kammiosta.
Kineettiset pumput: Lisää molekyylien kineettistä energiaa niiden siirtämiseksi (esim. turbomolekyylipumput, diffuusiopumput).
Positiiviset syrjäytyspumput: tarttuvat, puristavat ja poistavat molekyylejä.
Loukkupumput – Ne lukitsevat ja pitävät molekyylejä järjestelmässä.
Kryopumput: Käytä äärimmäisen kylmiä pintoja molekyylien jäädyttämiseen ja talteenottoon.
Sputteri-ionipumput: Käytä plasmaa ja magneettikenttiä molekyylien vangitsemiseen materiaalina.
Kammion sisäinen loukku: Kylmät pinnat kammion sisällä (esim. E dwards CTI-Cryogenics -jääkaapit, Polycold-kryojäähdyttimet), jotka vangitsevat molekyylejä suoraan.
Nämä eri pumput saavuttavat eri tavoitepaineet tietyssä tyhjiöprosessissa, mikä vaihtelee asiakkaan, segmentin ja markkinoiden mukaan.
Tavoitepaine: viskoosinen virtaus vs. molekyylivirtaus
Molekyylien käyttäytyminen tyhjiökammiossa riippuu siitä, kuinka monta molekyyliä on jäljellä.
Viskoosisuus
Kuvittele, että olet New Yorkin Grand Central Stationilla ruuhka-aikana, ja siellä kävelee tuhansia ihmisiä. Olet aseman toisessa päässä, suljet silmäsi ja kävelet mahdollisimman nopeasti rakennuksen yli koskettaaksesi seinää toisella puolella. Näin törmäät ihmisiin ja hyppäät poispäin ihmisistä, jotka yrittävät kulkea läpi.
Se on viskoosinen virtaus: kaasumolekyylit törmäävät toisiinsa useammin kuin kammion seinämiin.
Molekyylivirtaus
Kuvittele nyt sama kävely kello 3.00. Asema on lähes tyhjä, joten voit ylittää ilman törmäyksiä keneenkään. Se on molekyylivirtaus: kaasumolekyylit liikkuvat todennäköisemmin kammion poikki, osuvat seinäänja jatkavat matkaansa satunnaisesti kammion tilavuuden ympärillä.
Koska yksikään pumppu ei voi toimia tehokkaasti molemmissa järjestelmissä, käytämme pinottua pumppujärjestelmää:
Ensin ensiöpumppu tai esipumppu, jota kutsutaan myös karkeapumpuksi, laskee järjestelmän ilmakehästä noin 10−³ Torriin (viskoosinen virtaus). Sitten korkean alipaineen pumppu ottaa tehtävän haltuunsa ja työntää kammion molekyylivirtaukseen, jolloin saavutetaan käsillä olevan prosessin edellyttämä pohjapaine.
Mitä kineettiset pumput ovat?
Kineettiset pumput ovat siirtopumppuja, jotka kohdistavat kineettistä energiaa molekyyleihin suuntavirtauksen luomiseksi. Tarkastelemme lähemmin kahdentyyppisiä kineettisiä pumppuja:
Turbomolekyylipumput toimivat kuin turbiinit, jotka pyörivät uskomattomilla nopeuksilla, jopa 670 mailia tunnissa. Pyöriessään osa molekyyleistä ohjautuu alas pumppuun. Molekyylit jatkavat alaspäin yhä tarkoituksellisempien poikkeamien kautta, kunnes ne lopulta tyhjenevät järjestelmästä.
Diffuusiopumpuissa käytetään sen sijaan nopeita öljysuihkuja. Öljy vetää molekyylit altaaseen ennen niiden loppumista.
Mitä loukkupumput ovat?
Toisin kuin siirtopumput, loukkupumput eivät siirrä molekyylejä ulos, vaan lukitsevat ne järjestelmään.
Kryogeenisissä pumpuissa käytetään kylmiä pintoja molekyylien vangitsemiseen ja tyhjiön luomiseen. Pumppu säilyttää nämä molekyylit, kunnes se on täynnä, jolloin jäätyneet molekyylit sulatetaan ja huuhdellaan pois järjestelmästä.
Sputteri-ionipumput vangitsevat molekyylejä plasman ja magneettikenttien avulla. Plasmaa ohjataan magneettikentässä, joka lyö elektroneja ionien luomiseksi. Nämä positiiviset ionit vetävät sitten puoleensa katodia ja aiheuttavat sumutusta, joka periaatteessa muuttuu materiaaleiksi. Nämä pumput keräävät molekyylejä materiaaleina alipaineen luomiseksi.
Kammion sisällä oleva loukku ei ole oikeastaan tyhjiöpumppu, vaan tekniikka. Siinä käytetään erillistä kaasuloukkua, joka on sijoitettu suoraan tyhjiökammioon. Esimerkkejä ovat Gifford-McMahon-jääkaapit, kuten Edwardsin CTI-Cryogenics-jääkaapit ja Polycold-kryojäähdyttimet. Nämä järjestelmät lisäävät kammioon kylmän pinnan, joka vangitsee molekyylit tehokkaammin kuin kammion ulkopuolelle kytketty pumppu, koska johtavuushäviöt eivät rajoita niitä.
Edwardsin CTI-Cryogenics-kylmäloukut (jotka perustuvat Gifford-McMahon-jääkaappeihin) tarjoavat erittäin kylmiä pintoja, jotka voivat sitoa vesihöyryä ja muita kaasuja, kuten ksenonia.
Polykylmät kryojäähdyttimet käyttävät Meissner-käämejä kylmän kylmäaineen kierrättämiseen, käämien jäähdyttämiseen ja vesimolekyylien keräämiseen. Vaikka ne eivät saavuta CTI-Cryogenicsin kylmäloukkujen äärimmäisen alhaisia lämpötiloja, ne ovat erittäin tehokkaita sovelluksissa, joissa tarvitaan erittäin nopeita veden pumppausnopeuksia.
Tärkeimmät seikat
Tyhjiössä on kyse molekyylien poistamisesta kammion sisällä olevan paineen alentamiseksi. Tarvittava paine tai tyhjiötaso riippuu käsiteltävästä prosessista.
Eri pumput palvelevat eri tarkoituksia, yksikään pumppu ei pysty kaikkeen. Meidän on pinottava tyhjiöpumppumme: ensiöpumppu laskee paineen viskoosiseen virtaukseen, erityiset korkean tyhjiön pumppausratkaisut voivat sitten pumpata molekyylivirtaukseen.
Tämä on Cleanroom Tech Talks -puheenvuoron ensimmäinen jakso. Seuraavassa perehdyn syvällisemmin eri tyhjiöteknologioihin ja siihen, miten kukin pumpputyyppi tukee tiettyjä puhdastilasovelluksia.