Bual Teknologi Bilik Bersih episod 1: Apakah Vakum dan Apakah Jenis Pam Vakum yang Terdapat?
Selamat datang ke artikel pertama dalam siri Perbincangan Teknologi Bilik Bersih kami! Saya Chris McNally, dan saya akan membimbing anda melalui beberapa asas teknologi vakum yang berkaitan dengan bilik bersih dan ruang vakum. Dalam episod ini, kita akan bermula dari awal: apa itu vakum sebenarnya, bagaimana kita mengukurnya, dan pelbagai jenis pam serta teknik yang digunakan untuk menciptanya.
Apakah itu Vakum?
Pada asasnya, vakum adalah ruang di mana semua "materi", seperti molekul udara, telah dikeluarkan. Di Bumi, kita sentiasa dikelilingi oleh molekul dalam atmosfera kita. Apabila kita mengeluarkan molekul-molekul tersebut dari suatu isipadu, kita mencipta vakum.
Tetapi vakum sempurna, ruang dengan tiada molekul langsung, tidak wujud di Bumi. Kedekatan yang dapat kita capai adalah sekitar 30,000 molekul per sentimeter persegi. Itu mungkin terdengar banyak, tetapi dibandingkan dengan tekanan atmosfera, ia hampir tidak ada.
Dalam bahagian Penyelesaian Ruang Semikonduktor kami, kami bertujuan untuk mencapai vakum terkawal di dalam sebuah ruang. Molekul gas di dalam ruang bergetar dan melanggar dinding ruang, memberikan daya. Dengan mengukur daya perlanggaran tersebut, kita mengukur tekanan, yang sama dengan mengukur vakum.
Bagaimana Kita Mengukur Tekanan Vakum?
Tekanan vakum boleh diukur dengan unit yang berbeza; untuk artikel ini, kami akan menggunakan Torr.
760 Torr = Tekanan atmosfera Bumi pada paras laut.
10⁻⁷ hingga 10⁻⁸ Torr= Tekanan ruang semikonduktor yang biasa.
Untuk memberikan perspektif, tekanan di dalam ruang semikonduktor adalah serupa dengan Thermosfera, di mana Stesen Angkasa Antarabangsa mengorbit.
Dua Jenis Utama Pam Vakum
Untuk mencipta vakum, kami menggunakan pam vakum, yang terbahagi kepada dua kategori utama:
Pam pemindahan – Ini secara fizikal menggerakkan molekul keluar dari ruang.
Pam kinetik: Tambahkan tenaga kinetik kepada molekul untuk menggerakkannya (contohnya, pam turbomolekul, pam difusi).
Pam pemindahan positif: Mengambil, memampatkan, dan mengeluarkan molekul.
Pam penjeratan – Ini menjebak dan menahan molekul di dalam sistem.
Pam kriogenik: Menggunakan permukaan yang sangat sejuk untuk membekukan dan menangkap molekul.
Pam ion sputter: Menggunakan plasma dan medan magnet untuk menangkap molekul sebagai bahan.
Perangkap dalam bilik: Permukaan sejuk di dalam bilik (contohnya, Edwards CTI-Cryogenics peti sejuk, Polycold cryochillers) yang secara langsung menangkap molekul.
Pam-pam yang berbeza ini mencapai tekanan sasaran yang berbeza dalam proses vakum tertentu, yang berbeza mengikut pelanggan, segmen, dan pasaran.
Tekanan Sasaran: Aliran Viskus vs. Aliran Molekul
Tingkah laku molekul di dalam ruang vakum bergantung kepada berapa banyak yang tinggal.
Aliran Viskus
Bayangkan anda berada di Stesen Grand Central di New York City semasa waktu puncak, terdapat ribuan orang berjalan di sekitar. Anda berada di satu hujung stesen, anda menutup mata dan berjalan secepat mungkin melintasi bangunan untuk menyentuh dinding di sebelah sana. Dengan berbuat demikian, anda akan bertembung dengan orang dan melantun dari orang yang cuba untuk melintas.
Itu adalah aliran viskos: molekul gas bertembung lebih kerap antara satu sama lain daripada dengan dinding ruang.
Aliran Molekul
Sekarang bayangkan berjalan yang sama pada pukul 3 pagi. Stesen hampir kosong, jadi anda boleh melintas tanpa terlanggar sesiapa. Itulah aliran molekul: molekul gas lebih berkemungkinan untuk bergerak melintasi ruang, mengenai dinding, dan meneruskan perjalanan mereka dengan melantun secara rawak di dalam volume ruang.
Oleh kerana tiada pam tunggal yang dapat berfungsi dengan cekap dalam kedua-dua rejim, kami menggunakan sistem pam bertingkat:
Pertama, pam utama atau pam sokongan, yang juga dipanggil pam kasar, membawa sistem dari atmosfera turun ke sekitar 10⁻³ Torr (aliran likat). Kemudian, sebuah pam vakum tinggi mengambil alih, mendorong ruang ke dalam aliran molekul, mencapai tekanan asas yang diperlukan untuk proses yang sedang dijalankan.
Apakah Pam Kinetik?
Pam kinetik adalah sejenis pam pemindahan yang menggunakan tenaga kinetik kepada molekul untuk menghasilkan aliran yang terarah. Kita akan melihat dengan lebih dekat dua jenis pam kinetik:
Pam turbomolekul berfungsi seperti turbin yang berputar pada kelajuan yang luar biasa, sehingga 670 batu sejam. Semasa ia berputar, sebahagian daripada molekul-molekul tersebut terpesong ke bawah ke dalam pam. Molekul-molekul terus bergerak ke bawah melalui lebih banyak defleksi yang bertujuan sehingga akhirnya dikeluarkan dari sistem.
Pam difusi menggunakan jet minyak berkelajuan tinggi sebagai ganti. Molekul-molekul ditarik ke dalam kolam oleh minyak sebelum dikeluarkan.
Apakah Pam Perangkap?
Tidak seperti pam pemindahan, pam penjerapan tidak mengeluarkan molekul, tetapi menjebak mereka dalam sistem.
Pam kriogenik menggunakan permukaan sejuk untuk menangkap molekul dan mencipta vakum. Molekul-molekul ini dipegang oleh pam sehingga ia penuh, pada ketika itu molekul beku dicairkan dan dibuang dari sistem.
Pam ion sputter menangkap molekul menggunakan plasma dan medan magnet; plasma dikawal dalam medan magnet yang mengeluarkan elektron untuk menghasilkan ion. Ion positif ini kemudian tertarik kepada katod dan mencipta sputtering, pada dasarnya bertukar menjadi bahan. Pam-pam ini menangkap molekul sebagai bahan untuk mencipta vakum.
Perangkap dalam bilik bukanlah pam vakum tetapi sebaliknya adalah satu teknik. Ia menggunakan perangkap gas khusus yang diletakkan terus di dalam ruang vakum. Contoh termasuk peti sejuk Gifford-McMahon, seperti peti sejuk Edwards CTI-Cryogenics, dan penyejuk kriogenik Polycold. Sistem-sistem ini memasukkan permukaan sejuk ke dalam ruang, menangkap molekul dengan lebih berkesan berbanding pam yang disambungkan di luar ruang, kerana ia tidak terhad oleh kehilangan konduktansi.
Edwards CTI-Cryogenics perangkap sejuk (berdasarkan peti sejuk Gifford-McMahon) menyediakan permukaan yang sangat sejuk yang dapat menangkap wap air dan gas-gas lain, seperti xenon.
Polycold cryochillers menggunakan gegelung Meissner untuk mengedarkan pendingin sejuk, menyejukkan gegelung dan menjebak molekul air. Walaupun mereka tidak mencapai suhu ultra-rendah seperti perangkap sejuk CTI-Cryogenics, mereka sangat berkesan dalam aplikasi yang memerlukan kelajuan pam air yang sangat pantas.
Inti Utama
Vakuum adalah tentang mengeluarkan molekul untuk mengurangkan tekanan di dalam ruang. Tekanan yang diperlukan, atau tahap vakum, bergantung kepada proses yang sedang dijalankan.
Pam yang berbeza mempunyai tujuan yang berbeza, tiada satu pam pun yang boleh melakukan semuanya. Kita perlu menyusun pam vakum kita: pam utama menurunkan tekanan ke aliran kental, penyelesaian pam vakum tinggi yang khusus kemudian boleh mengepam ke rejim aliran molekul.
Ini mengakhiri episod pertama Cleanroom Tech Talks. Dalam yang seterusnya, saya akan menyelami lebih dalam mengenai pelbagai teknologi vakum dan bagaimana setiap jenis pam menyokong aplikasi bilik bersih yang tertentu.