Cleanroom Tech Talks aflevering 1: Wat is vacuüm en welke soorten vacuümpompen zijn er?
Welkom bij het eerste artikel in onze serie Cleanroom Tech Talks! Ik ben Chris McNally en ik begeleid u door enkele van de basisprincipes van vacuümtechnologie, zoals die van toepassing zijn op cleanrooms en vacuümkamers. In deze aflevering beginnen we bij het begin: wat vacuüm eigenlijk is, hoe we het meten en de verschillende soorten pompen en technieken die worden gebruikt om het te creëren.
Wat is vacuüm?
In zijn eenvoudigste vorm is een vacuüm een ruimte waar alle 'stof', zoals luchtmoleculen, is verwijderd. Op aarde zijn we voortdurend omringd door moleculen in onze atmosfeer. Wanneer we die moleculen uit een bepaald volume verwijderen, creëren we een vacuüm.
Maar een perfect vacuüm, een ruimte met absoluut geen moleculen, bestaat niet op aarde. De dichtstbijzijnde is ongeveer 30.000 moleculen per vierkante centimeter. Dat klinkt misschien veel, maar in vergelijking met de atmosferische druk is dat bijna niets.
In onze divisie Semiconductor Chamber Solutions streven we naar een gecontroleerd vacuüm in een kamer. Gasmoleculen in de kamer stuiteren rond en raken de kamerwanden, waardoor kracht wordt uitgeoefend. Door de kracht van die botsingen te meten, meten we de druk, wat hetzelfde is als het meten van vacuüm.
Hoe meten we vacuümdruk?
Vacuümdruk kan worden gemeten met verschillende eenheden; voor dit artikel gebruiken we Torr.
760 Torr = de atmosferische druk van de aarde op zeeniveau.
10−⁷ tot 10−⁸ Torr = typische druk in de halfgeleiderkamer.
Om dat in perspectief te zetten, is de druk in een halfgeleiderkamer vergelijkbaar met de Thermosfeer, waar het Internationaal Ruimtestation ronddraait.
De twee belangrijkste soorten vacuümpompen
Om vacuüm te creëren, gebruiken we vacuümpompen, die in twee hoofdcategorieën vallen:
Transferpompen – Deze verplaatsen moleculen fysiek uit de kamer.
Kinetische pompen: voeg kinetische energie toe aan moleculen om ze te verplaatsen (bv. turbomoleculaire pompen, diffusiepompen).
Verdringerpompen: grijpen, comprimeren en uitlaatmoleculen.
Opvangpompen – Deze vangen moleculen op en houden deze vast in het systeem.
Cryogene pompen: gebruik extreem koude oppervlakken om moleculen te bevriezen en op te vangen.
Sputterionenpompen: gebruik plasma en magnetische velden om moleculen als materiaal op te vangen.
Insluiting in de kamer: Koude oppervlakken in de kamer (bijv. E dwards CTI-Cryogenics-koelkasten, Polycold-cryochillers ) die moleculen rechtstreeks vasthouden.
Deze verschillende pompen bereiken verschillende doeldrukken in een bepaald vacuümproces, die variëren per klant, segment en markt.
Doeldruk: viskeuze stroom vs. moleculaire stroom
Het gedrag van moleculen in een vacuümkamer hangt af van hoeveel er overblijven.
Visceuze stroom
Stelt u zich eens voor dat u zich tijdens de spits in het Grand Central Station in New York City bevindt, waar duizenden mensen rondlopen. Je staat aan het ene uiteinde van het station, sluit je ogen en loop je zo snel mogelijk over het gebouw om de muur aan de andere kant aan te raken. Zo bots je met mensen en spring je mensen af die proberen over te komen.
Dat is een viskeuze stroom: gasmoleculen botsen vaker met elkaar dan met de kamerwanden.
Moleculaire stroom
Stel je nu dezelfde wandeling voor om 3 uur 's ochtends. Het station is bijna leeg, dus je kunt oversteken zonder tegen iemand aan te stoten. Dat is de moleculaire stroom: gasmoleculen reizen vaker door de kamer, raken een muur en gaan hun reis voort door willekeurig rond het volume van de kamer te schommelen.
Aangezien geen enkele pomp efficiënt kan werken in beide regimes, gebruiken we een gestapeld pompsysteem:
Eerst brengt een primaire pomp of een hulppomp, ook wel een ruwe pomp genoemd, het systeem vanuit de atmosfeer omlaag tot ongeveer 10−³ Torr (viskeuze stroom). Vervolgens neemt een hoogvacuümpomp het over en duwt de kamer in moleculaire stroom, waardoor de basisdruk wordt bereikt die nodig is voor het betreffende proces.
Wat zijn kinetische pompen?
Kinetische pompen zijn een type transferpomp die kinetische energie toepassen op moleculen om een richtingsstroom te creëren. We gaan dieper in op twee soorten kinetische pompen:
Turbomoleculaire pompen werken als turbines die met ongelooflijke snelheden draaien, tot 670 mijl per uur. Tijdens het draaien wordt een deel van de moleculen omlaag in de pomp geleid. De moleculen gaan verder naar beneden door steeds meer doelgerichte doorbuigingen totdat ze uiteindelijk uit het systeem worden uitgeput.
Diffusiepompen gebruiken in plaats daarvan oliestralen met hoge snelheid. De moleculen worden door de olie naar een zwembad gesleept voordat ze worden uitgeput.
Wat zijn opvangpompen?
In tegenstelling tot transferpompen verplaatsen opvangpompen geen moleculen naar buiten, maar vangen ze ze in het systeem op.
Cryogene pompen gebruiken koude oppervlakken om moleculen op te vangen en vacuüm te creëren. Deze moleculen worden door de pomp vastgehouden totdat deze vol is, waarna de bevroren moleculen worden ontdooid en uit het systeem worden gespoeld.
Sputterionenpompen vangen moleculen op met behulp van plasma en magnetische velden; een plasma wordt gecontroleerd in een magnetisch veld dat elektronen afstoot om ionen te creëren. Deze positieve ionen worden vervolgens aangetrokken door een kathode en creëren sputtering, die in feite verandert in materialen. Deze pompen vangen moleculen op als materialen om vacuüm te creëren.
Opvangen in de kamer is niet echt een vacuümpomp, maar eerder een techniek. Het maakt gebruik van een speciale gasafscheider die direct in de vacuümkamer wordt geplaatst. Voorbeelden zijn Gifford-McMahon-koelkasten, zoals Edwards CTI-Cryogenics-koelkasten, en Polycold-cryochillers. Deze systemen voegen een koud oppervlak in de kamer in en vangen moleculen effectiever op dan een pomp die buiten de kamer is aangesloten, omdat ze niet worden beperkt door geleidbaarheidsverliezen.
Edwards CTI-Cryogenics koudevangers (gebaseerd op Gifford-McMahon-koelkasten) bieden extreem koude oppervlakken die waterdamp en andere gassen, zoals xenon, kunnen vasthouden.
Polycold cryochillers gebruiken Meissner-spoelen om koud koelmiddel te circuleren, de spoelen te koelen en watermoleculen op te vangen. Hoewel ze de ultralage temperaturen van CTI-Cryogenics koudevangers niet bereiken, zijn ze zeer effectief in toepassingen die zeer hoge waterpompsnelheden vereisen.
Belangrijkste punten
Vacuüm gaat over het verwijderen van moleculen om de druk in een kamer te verlagen. De vereiste druk of het vacuümniveau hangt af van het betreffende proces.
Verschillende pompen dienen verschillende doeleinden, geen enkele pomp kan het allemaal. We moeten onze vacuümpompen stapelen: een primaire pomp brengt de druk omlaag naar een viskeuze stroom, speciale hoogvacuümpompoplossingen kunnen vervolgens omlaag pompen naar een moleculair stroomregime.
Dit is het einde van de eerste aflevering van Cleanroom Tech Talks. In de volgende zal ik dieper ingaan op verschillende vacuümtechnologieën en hoe elk type pomp specifieke cleanroomtoepassingen ondersteunt.