Cleanroom Tech Talks épisode 1 : Qu’est-ce que le vide et quels types de pompes à vide existent ?
Bienvenue dans le premier article de notre série Cleanroom Tech Talks ! Je m’appelle Chris McNally et je vais vous guider à travers certains des principes fondamentaux de la technologie du vide, qui s’applique aux salles blanches et aux chambres sous vide. Dans cet épisode, nous commencerons par le tout début : ce qu’est réellement le vide, comment nous le mesurons et les différents types de pompes et techniques utilisées pour le créer.
Qu’est-ce que le vide ?
Dans sa forme la plus simple, le vide est un espace où toute la « matière », comme les molécules d’air, a été éliminée. Sur Terre, nous sommes constamment entourés de molécules dans notre atmosphère. Lorsque nous supprimons ces molécules d’un volume donné, nous créons un vide.
Mais il n’existe pas de vide parfait sur Terre, un espace sans absolument aucunes molécules. La plus proche que nous puissions obtenir est d’environ 30 000 molécules par centimètre carré. Cela peut sembler beaucoup, mais par rapport à la pression atmosphérique, c’est presque rien.
Dans notre division Semiconductor Chamber Solutions, nous visons à obtenir un vide contrôlé à l’intérieur d’une chambre. Les molécules de gaz à l’intérieur de la chambre rebondissent et heurtent les parois de la chambre, exerçant une force. En mesurant la force de ces collisions, nous mesurons la pression, ce qui équivaut à mesurer le vide.
Comment mesurons-nous la pression de vide ?
La pression de vide peut être mesurée avec différentes unités ; pour cet article, nous utiliserons Torr.
760 Torr = pression atmosphérique de la Terre au niveau de la mer.
10−⁷ à 10−⁸ Torr = pression typique de la chambre du semi-conducteur.
Pour mettre cela en perspective, la pression à l’intérieur d’une chambre à semi-conducteurs est similaire à celle de la Thermosphère,où la Station spatiale internationale orbite.
Les deux principaux types de pompes à vide
Pour créer du vide, nous utilisons des pompes à vide qui relèvent de deux catégories principales :
Pompes de transfert : elles déplacent physiquement les molécules hors de la chambre.
Pompes cinétiques : ajoutez de l’énergie cinétique aux molécules pour les déplacer (par exemple, pompes turbomoléculaires, pompes à diffusion).
Pompes volumétriques : préhension, compression et échappement de molécules.
Pompes de piégeage – Ces pompes piègent et retiennent les molécules à l’intérieur du système.
Pompes cryogéniques : utilisez des surfaces extrêmement froides pour congeler et capturer les molécules.
Pompes à ions par pulvérisation : utilisez le plasma et les champs magnétiques pour piéger les molécules en tant que matériau.
Piégeage dans la chambre : surfaces froides à l’intérieur de la chambre (par exemple, réfrigérateurs CTI-Cryogenics d’Edwards, refroidisseurs cryogéniques Polycold) qui capturent directement les molécules.
Ces différentes pompes atteignent différentes pressions cibles dans un procédé de vide donné, qui varie selon le client, le segment et le marché.
Pression cible : débit visqueux vs débit moléculaire
Le comportement des molécules à l’intérieur d’une chambre à vide dépend du nombre de molécules restantes.
Débit visqueux
Imaginez que vous soyez à la Gare Centrale de New York pendant les heures de pointe, il y a des milliers de gens qui marchent. Vous êtes à une extrémité de la gare, fermez les yeux et marchez le plus vite possible à travers le bâtiment pour toucher le mur de l’autre côté. Vous allez ainsi entrer en collision avec des personnes et rebondir sur celles qui essaient de se croiser.
Il s’agit d’un flux visqueux : les molécules de gaz entrent plus souvent en collision les unes avec les autres qu’avec les parois de la chambre.
Débit moléculaire
Imaginez maintenant la même marche à 3 heures du matin. La gare est presque vide, vous pouvez donc traverser sans heurter personne. C’est le flux moléculaire : les molécules de gaz sont plus susceptibles de se déplacer à travers la chambre, de heurter un mur et de poursuivre leur déplacement en rebondissant de manière aléatoire autour du volume de la chambre.
Étant donné qu’aucune pompe ne peut fonctionner efficacement dans les deux régimes, nous utilisons un système de pompes empilées:
Tout d’abord, une pompe primaire ou une backing pompe, également appelée pompe à vide grossier, fait descendre le système de l’atmosphère à environ 10−³ Torr (débit visqueux). Ensuite, une pompe à vide poussé prend le relais, poussant la chambre dans le flux moléculaire, atteignant la pression de base requise pour le procédé en cours.
Qu’est-ce qu’une pompe cinétique ?
Les pompes cinétiques sont un type de pompe de transfert qui applique de l’énergie cinétique aux molécules pour créer un flux directionnel. Examinons de plus près deux types de pompes cinétiques :
Les pompes turbomoléculaires agissent comme des turbines tournant à des vitesses incroyables, jusqu’à 670 miles par heure. Au fur et à mesure qu’elle tourne, une partie des molécules est déviée vers le bas dans la pompe. Les molécules continuent à descendre à travers des déviations de plus en plus ciblées jusqu’à ce qu’elles soient finalement évacuées hors du système.
Les pompes à diffusion utilisent plutôt des jets d’huile à grande vitesse. Les molécules sont acheminées vers un bassin par l’huile avant d’être évacuées.
Qu’est-ce qu’une pompe de piégeage ?
Contrairement aux pompes de transfert, les pompes de piégeage ne déplacent pas les molécules, elles les piègent dans le système.
Les pompes cryogéniques utilisent des surfaces froides pour piéger les molécules et créer du vide. Ces molécules sont maintenues par la pompe jusqu’à ce qu’elle soit pleine ; à ce moment-là, les molécules gelées sont décongelées et évacuées du système..
Les pompes à ions par pulvérisation piègent les molécules à l’aide du plasma et des champs magnétiques ; un plasma est contrôlé dans un champ magnétique qui brise les électrons pour créer des ions. Ces ions positifs sont ensuite attirés par une cathode et créent une pulvérisation, qui se transforme essentiellement en matériaux. Ces pompes piègent les molécules sous forme de matériaux pour créer du vide.
Le piégeage dans la chambre n’est pas vraiment une pompe à vide, mais plutôt une technique. Il utilise un piège à gaz dédié placé directement à l’intérieur de la chambre de vide. Les réfrigérateurs Gifford-McMahon, tels que les réfrigérateurs CTI-Cryogenics d’Edwards, et les refroidisseurs cryogéniques Polycold en sont des exemples. Ces systèmes insèrent une surface froide dans la chambre, capturant les molécules plus efficacement qu’une pompe connectée à l’extérieur de la chambre, car elles ne sont pas limitées par les pertes de conductance.
Les pièges à froid CTI-Cryogenics d’Edwards (basés sur les réfrigérateurs Gifford-McMahon) fournissent des surfaces extrêmement froides qui peuvent piéger la vapeur d’eau et d’autres gaz, comme le xénon.
Les refroidisseurs cryogéniques Polycold utilisent des bobines Meissner pour faire circuler le réfrigérant froid, refroidir les bobines et piéger les molécules d’eau. Bien qu’ils n’atteignent pas les températures ultra-basses des pièges à froid CTI-Cryogenics, ils sont très efficaces dans les applications qui nécessitent des vitesses de pompage d’eau très élevées.
Points clés à retenir
Le vide consiste à éliminer des molécules pour réduire la pression à l’intérieur d’une chambre. La pression requise, ou le niveau de vide, dépend du procédé en cours.
Différentes pompes remplissent des fonctions différentes, aucune pompe ne peut tout faire. Nous devons empiler nos pompes à vide : une pompe primaire réduit la pression à un débit visqueux, des solutions de pompage à vide poussé dédiées peuvent ensuite pomper jusqu’au régime de débit moléculaire.
Ceci conclut le premier épisode des Cleanroom Tech Talks. Dans la prochaine, j’approfondirai les différentes technologies de vide et la manière dont chaque type de pompe prend en charge des applications spécifiques en salle blanche.