Cleanroom Tech Talks episódio 1: O que é vácuo e quais tipos de bombas de vácuo existem?
Bem-vindo ao primeiro artigo da nossa série Cleanroom Tech Talks! Eu sou Chris McNally e vou guiá-lo através de alguns dos fundamentos da tecnologia de vácuo, como ela se aplica a salas limpas e câmaras de vácuo. Neste episódio, vamos começar pelo início: o que é realmente o vácuo, como o medimos e os diferentes tipos de bombas e técnicas usadas para criá-lo.
O que é vácuo?
Na sua forma mais simples, o vácuo é um espaço onde toda a "matéria", como as moléculas de ar, foi removida. Na Terra, estamos constantemente rodeados por moléculas em nossa atmosfera. Quando removemos essas moléculas de um determinado volume, criamos um vácuo.
Mas um vácuo perfeito, um espaço com moléculas absolutamente nulas, não existe na Terra. A mais próxima que podemos obter é de cerca de 30.000 moléculas por centímetro quadrado. Isso pode parecer muito, mas comparado à pressão atmosférica, é quase nada.
Em nossa divisão Semiconductor Chamber Solutions, nosso objetivo é alcançar vácuo controlado dentro de uma câmara. As moléculas de gás dentro da câmara ressaltam e batem nas paredes da câmara, exercendo força. Ao medir a força dessas colisões, medimos a pressão, o que é o mesmo que medir o vácuo.
Como medimos a pressão de vácuo?
A pressão de vácuo pode ser medida com diferentes unidades; para este artigo, usaremos Torr.
760 Torr = Pressão atmosférica da Terra ao nível do mar.
10−⁷ a 10−⁸ Torr = Pressão típica da câmara do semicondutor.
Para colocar isso em perspectiva, a pressão dentro de uma câmara semicondutora é semelhante à Thermosphere, onde a Estação Espacial Internacional orbita.
Os dois principais tipos de bombas de vácuo
Para criar vácuo, usamos bombas de vácuo, que se enquadram em duas categorias principais:
Bombas de transferência — Estas movem fisicamente as moléculas para fora da câmara.
Bombas cinéticas: Adicione energia cinética às moléculas para movê-las (por exemplo, bombas turbomoleculares, bombas de difusão).
Bombas de deslocamento positivo: agarram, comprimem e escapam moléculas.
Bombas de retenção — Estas prendem e retêm moléculas dentro do sistema.
Bombas criogênicas: use superfícies extremamente frias para congelar e capturar moléculas.
Bombas de íons de pulverização: Use plasma e campos magnéticos para capturar moléculas como material.
Retenção dentro da câmara: superfícies frias dentro da câmara (por exemplo, refrigeradores Edwards CTI-Cryogenics, criorefrigeradores Polycold) que capturam moléculas diretamente.
Essas diferentes bombas alcançam diferentes pressões alvo em um determinado processo de vácuo, que varia por cliente, segmento e mercado.
Pressão alvo: Fluxo viscoso vs. Fluxo molecular
O comportamento das moléculas dentro de uma câmara de vácuo depende de quantas são deixadas.
Fluxo viscoso
Imagine que você está na Grand Central Station, na cidade de Nova York, durante a hora de ponta, há milhares de pessoas andando. Você está em uma extremidade da estação, fecha os olhos e anda o mais rápido possível pelo edifício para tocar na parede do outro lado. Ao fazê-lo, você vai colidir com pessoas e ressaltar pessoas tentando se cruzar.
Isso é fluxo viscoso: as moléculas de gás colidem umas com as outras com mais frequência do que com as paredes da câmara.
Fluxo molecular
Agora imagine a mesma caminhada às 3 da manhã. A estação está quase vazia, para que você possa atravessar sem bater em ninguém. Isso é o fluxo molecular: as moléculas de gás têm mais probabilidade de viajar através da câmara, bater em uma parede e continuar sua viagem saltando aleatoriamente em torno do volume da câmara.
Como nenhuma bomba pode funcionar eficientemente em ambos os regimes, usamos um sistema de bombas empilhadas:
Primeiro, uma bomba primária ou uma bomba de apoio, também chamada de bomba primária, leva o sistema da atmosfera para cerca de 10−³ Torr (fluxo viscoso). Em seguida, uma bomba de alto vácuo assume o controle, empurrando a câmara para o fluxo molecular, alcançando a pressão base necessária para o processo em questão.
O que são bombas cinéticas?
As bombas cinéticas são um tipo de bomba de transferência que aplica energia cinética às moléculas para criar fluxo direcional. Vamos olhar mais de perto para dois tipos de bombas cinéticas:
As bombas turbomoleculares agem como turbinas girando a velocidades incríveis, até 670 milhas por hora. À medida que gira, uma porção das moléculas é desviada para baixo para a bomba. As moléculas continuam para baixo através de deflexões cada vez mais intencionais até que, finalmente, sejam esgotadas do sistema.
Em vez disso, as bombas de difusão usam jatos de óleo de alta velocidade. As moléculas são arrastadas para baixo para uma piscina pelo óleo antes de serem esgotadas.
O que são bombas de retenção?
Ao contrário das bombas de transferência, as bombas de retenção não movem as moléculas para fora, elas as prendem dentro do sistema.
As bombas criogênicas usam superfícies frias para prender moléculas e criar vácuo. Essas moléculas são mantidas pela bomba até estar cheia, momento em que as moléculas congeladas são descongeladas e limpas do sistema.
As bombas de íons de pulverização capturam moléculas usando plasma e campos magnéticos; um plasma é controlado em um campo magnético que elimina os elétrons para criar íons. Esses íons positivos são então atraídos para um cátodo e criam pulverização catódica, basicamente transformando-se em materiais. Essas bombas capturam moléculas como materiais para criar vácuo.
A captura dentro da câmara não é realmente uma bomba de vácuo, mas sim uma técnica. Ele usa um coletor de gás dedicado que é colocado diretamente dentro da câmara de vácuo. Exemplos incluem refrigeradores Gifford-McMahon, como refrigeradores Edwards CTI-Cryogenics e criorefrigeradores Polycold. Esses sistemas inserem uma superfície fria na câmara, capturando as moléculas mais eficazmente do que uma bomba conectada fora da câmara, uma vez que não são limitadas por perdas de condutância.
As armadilhas frias CTI-Cryogenics da Edwards (baseadas em refrigeradores Gifford-McMahon) fornecem superfícies extremamente frias que podem reter vapor de água e outros gases, como o xenônio.
Os criorefrigeradores polifrios usam bobinas Meissner para circular refrigerante frio, resfriando as bobinas e prendendo as moléculas de água. Embora não atinjam as temperaturas ultrabaixas das armadilhas frias da CTI-Cryogenics, elas são altamente eficazes em aplicações que exigem velocidades de bombeamento de água muito rápidas.
Pontos-chave
O vácuo consiste em remover moléculas para reduzir a pressão dentro de uma câmara. A pressão necessária, ou nível de vácuo, depende do processo em curso.
Diferentes bombas servem diferentes finalidades, nenhuma bomba pode fazer tudo. Precisamos empilhar nossas bombas de vácuo: uma bomba primária reduz a pressão para fluxo viscoso, soluções de bombeamento de alto vácuo dedicadas podem então bombear para o regime de fluxo molecular.
Isso conclui o primeiro episódio de Cleanroom Tech Talks. No próximo, mergulharei mais profundamente em diferentes tecnologias de vácuo e como cada tipo de bomba suporta aplicações específicas de sala limpa.