Technický rozhovor o čistých priestoroch, 1. časť: Čo je to vákuum a aké typy vákuových čerpadiel existujú?
Vitajte v prvom článku v našej sérii Tech Talks o čistých priestoroch! Volám sa Chris McNally a prevediem vás niektorými základmi vákuovej technológie, ktorá sa vzťahuje na čisté priestory a vákuové komory. V tejto epizóde začneme od samého začiatku: čo je to vlastne vákuum, ako ho meriame a rôzne typy čerpadiel a techniky používané na jeho vytvorenie.
Čo je vákuum?
Vákuum je v najjednoduchšom zmysle priestor, v ktorom sa odstránila všetka „hmota“, ako napríklad molekuly vzduchu. Na Zemi sme neustále obklopení molekulami v našej atmosfére. Keď tieto molekuly odstránime z daného objemu, vytvoríme vákuum.
Ale dokonalé vákuum, priestor s absolútne nulovými molekulami, na Zemi neexistuje. Najbližšie je približne 30 000 molekúl na centimeter štvorcový. Môže to znieť ako veľa, ale v porovnaní s atmosférickým tlakom je to takmer nič.
V našej divízii Semiconductor Chamber Solutions sa snažíme dosiahnuť regulované vákuum vnútri komory. Molekuly plynu vo vnútri komory odskakujú a narážajú na steny komory, čím vyvíjajú silu. Meraním sily týchto kolízií meriame tlak, ktorý je rovnaký ako meranie vákua.
Ako meriame vákuový tlak?
Vákuový tlak sa dá merať v rôznych jednotkách; pre tento článok použijeme torr.
760 Torr = atmosférický tlak Zeme na úrovni mora.
10−⁷ až 10−⁸ Torr = typický tlak v polovodičovej komore.
Aby sme to uviedli do perspektívy, tlak vo vnútri polovodičovej komory je podobný termosfére, kde obieha Medzinárodná vesmírna stanica.
Dva hlavné typy podtlakových čerpadiel
Na vytvorenie vákua používame vákuové čerpadlá, ktoré patria do dvoch hlavných kategórií:
Prečerpávacie čerpadlá – fyzicky presúvajú molekuly z komory.
Kinetické čerpadlá: pridávanie kinetickej energie k molekulám na ich pohyb (napr. turbomolekulárne čerpadlá, difúzne čerpadlá).
Čerpadlá s priamym posunutím: zachytávajú, stláčajú a odvádzajú molekuly.
Zachytávacie čerpadlá – zachytávajú a zadržiavajú molekuly vo vnútri systému.
Kryogénne čerpadlá: na zmrazenie a zachytenie molekúl používajte extrémne studené povrchy.
Naprašovacie iónové čerpadlá: na zachytávanie molekúl ako materiálu používajte plazmu a magnetické polia.
Zachytávanie v komore: Studené povrchy vo vnútri komory (napr. chladničky CTI-Cryogenics, kryochladiče Polycold ), ktoré priamo zachytávajú molekuly.
Tieto rôzne čerpadlá dosahujú rôzne cieľové tlaky v danom vákuovom procese, ktorý sa líši v závislosti od zákazníka, segmentu a trhu.
Cieľový tlak: viskózny prietok v porovnaní s molekulárnym prietokom
Správanie molekúl vo vákuovej komore závisí od toho, koľko ich zostáva.
Viskózny prietok
Predstavte si, že ste v čase najhustejšej premávky na hlavnej stanici v New Yorku, kde sa prechádzajú tisícky ľudí. Ste na jednom konci stanice, zatvoríte oči a prejdete čo najrýchlejšie cez budovu, aby ste sa dotkli steny na druhej strane. Tým sa dostanete do kolízie s ľuďmi a odrazíte ľudí, ktorí sa pokúšajú prejsť.
To je viskózny prietok: molekuly plynu sa navzájom zrážajú častejšie ako so stenami komory.
Molekulárny prietok
Teraz si predstavte rovnakú prechádzku o 3:00. Stanica je takmer prázdna, takže môžete prejsť bez toho, aby ste na niekoho narazili. To je molekulárny tok: molekuly plynu sa s väčšou pravdepodobnosťou pohybujú cez komoru, narážajú na stenu a pokračujú v svojej ceste náhodne odrážajúc sa okolo objemu komory.
Keďže žiadne samostatné čerpadlo nemôže efektívne pracovať v oboch režimoch, používame systém s viacerými čerpadlami:
Najskôr primárne čerpadlo alebo predčerpávacie čerpadlo, tiež nazývané hrubé čerpadlo, privedie systém z atmosféry na hodnotu približne 10−³ torr (viskózny prietok). Potom preberá funkciu vysokovákuové čerpadlo, ktoré tlačí komoru do molekulárneho toku a dosahuje základný tlak potrebný pre príslušný proces.
Čo sú to kinetické čerpadlá?
Kinetické čerpadlá sú typ prečerpávacieho čerpadla, ktoré aplikujú kinetickú energiu na molekuly na vytvorenie smerového prietoku. Pozrime sa bližšie na dva typy kinetických čerpadiel:
Turbomolekulárne čerpadlá fungujú ako turbíny, ktoré sa otáčajú neuveriteľnou rýchlosťou až 670 míľ za hodinu. Pri otáčaní sa časť molekúl odkloní nadol do čerpadla. Molekuly pokračujú nadol cez viac a viac zámerných odchýlok, až kým sa nakoniec nevyčerpajú zo systému.
Difúzne čerpadlá namiesto toho používajú vysokorýchlostné olejové dýzy. Molekuly sa pred vyčerpaním prenášajú olejom do bazéna.
Čo sú zachytávacie pumpy?
Na rozdiel od prečerpávacích čerpadiel zachytávacie čerpadlá nevytláčajú molekuly von, ale ich zachytávajú v systéme.
Kryogénne čerpadlá používajú studené povrchy na zachytávanie molekúl a vytváranie vákua. Tieto molekuly sú udržiavané v čerpadle, kým nie je plné, v ktorom bode sa zamrznuté molekuly rozmrazia a vypláchnu zo systému.
Rozprašovacie iónové čerpadlá zachytávajú molekuly pomocou plazmy a magnetických polí; plazma je riadená v magnetickom poli, ktoré odráža elektróny a vytvára ióny. Tieto kladné ióny sa potom priťahujú ku katóde a vytvárajú naprašovanie, ktoré sa v podstate mení na materiály. Tieto čerpadlá zachytávajú molekuly ako materiály na vytvorenie vákua.
Zachytávanie v komore nie je vlastne vákuová pumpa, ale skôr technika. Používa vyhradený odlučovač plynu, ktorý je umiestnený priamo vo vákuovej komore. Medzi príklady patria chladničky Gifford-McMahon, ako sú chladničky Edwards CTI-Cryogenics a kryochladiče Polycold. Tieto systémy vkladajú studený povrch do komory a zachytávajú molekuly účinnejšie ako čerpadlo pripojené mimo komory, pretože nie sú obmedzené stratami vodivosti.
Odlučovače chladu Edwards CTI-Cryogenics (na báze chladničiek Gifford-McMahon) poskytujú extrémne studené povrchy, ktoré môžu zachytávať vodnú paru a iné plyny, ako je xenón.
Kryochladiče Polycold používajú Meissnerove cievky na cirkuláciu studeného chladiva, chladenie cievok a zachytávanie molekúl vody. Hoci nedosahujú ultranízke teploty studených odlučovačov CTI-Cryogenics, sú vysoko účinné v aplikáciách, ktoré vyžadujú veľmi vysoké rýchlosti čerpania vody.
Hlavné myšlienky
Vákuum je o odstraňovaní molekúl na zníženie tlaku vo vnútri komory. Požadovaný tlak alebo úroveň vákua závisí od príslušného procesu.
Rôzne pumpy slúžia na rôzne účely, žiadna pumpa nedokáže všetko. Naše vákuové čerpadlá musíme ukladať na seba: primárne čerpadlo znižuje tlak na viskózny prietok, špecializované riešenia vysokovákuového čerpania môžu potom čerpať na režim molekulárneho prietoku.
Toto je záver prvej epizódy Technických rozhovorov o čistých priestoroch. V ďalšom sa ponorím hlbšie do rôznych vákuových technológií a do toho, ako každý typ čerpadla podporuje špecifické aplikácie čistých priestorov.