Renrum Tech Talks avsnitt 1: Vad är vakuum och vilka typer av vakuumpumpar finns det?
Välkommen till den första artikeln i vår Cleanroom Tech Talks-serie! Jag heter Chris McNally och jag ska guida dig genom några av grunderna inom vakuumteknik när det gäller renrum och vakuumkammare. I det här avsnittet börjar vi från början: vad vakuum egentligen är, hur vi mäter det och vilka olika pumptyper och tekniker som används för att skapa det.
Vad är vakuum?
I sin enklaste form är ett vakuum ett utrymme där allt ”material”, som luftmolekyler, har avlägsnats. På jorden är vi ständigt omgivna av molekyler i vår atmosfär. När vi tar bort dessa molekyler från en viss volym skapar vi ett vakuum.
Men ett perfekt vakuum, ett utrymme med absolut noll molekyler, finns inte på jorden. Det närmaste vi kan få är cirka 30 000 molekyler per kvadratcentimeter. Det låter kanske som mycket, men jämfört med atmosfäriskt tryck är det nästan ingenting.
Inom vår division Semiconductor Chamber Solutions strävar vi efter att uppnå kontrollerat vakuum inuti en kammare. Gasmolekyler i kammaren studsar runt och träffar kammarens väggar och utövar kraft. Genom att mäta kraften i dessa kollisioner mäter vi tryck, vilket är samma sak som att mäta vakuum.
Hur mäter vi vakuumtryck?
Vakuumtrycket kan mätas med olika enheter. I den här artikeln använder vi Torr.
760 Torr = Jordens atmosfärstryck vid havsnivå.
10−⁷ till 10−⁸ Torr = Typiskt halvledarkammartryck.
För att sätta det i perspektiv liknar trycket inuti en halvledarkammare Thermosphere, där den internationella rymdstationen kretsar.
De två huvudtyperna av vakuumpumpar
För att skapa vakuum använder vi vakuumpumpar, som faller i två huvudkategorier:
Överföringspumpar – Dessa flyttar fysiskt ut molekyler ur kammaren.
Kinetiska pumpar: Lägg till kinetisk energi till molekyler för att flytta dem (t.ex. turbomolekylära pumpar, diffusionspumpar).
Positiva deplacementpumpar: fångar, komprimerar och tömmer molekyler.
Fångstpumpar – Dessa fångar upp och håller kvar molekyler i systemet.
Kryogena pumpar: Använd extremt kalla ytor för att frysa och fånga upp molekyler.
Sputterjonpumpar: Använd plasma och magnetfält för att fånga upp molekyler som material.
Inneslutning i kammaren: Kalla ytor inuti kammaren (t.ex. E dwards CTI-Cryogenics-kylskåp, Polycold-kryokylare ) som direkt fångar upp molekyler.
Dessa olika pumpar uppnår olika måltryck i en given vakuumprocess, vilket varierar beroende på kund, segment och marknad.
Måltryck: Visköst flöde jämfört med molekylärt flöde
Molekylernas beteende i en vakuumkammare beror på hur många som finns kvar.
Viskositetsflöde
Tänk dig att du befinner dig på Grand Central Station i New York City under rusningstid, det är tusentals människor som går runt. Du befinner dig i ena änden av stationen, blundar och går så fort du kan över byggnaden för att vidröra väggen på andra sidan. Om du gör det kommer du att kollidera med människor och studsa bort från dem som försöker komma över.
Det är ett visköst flöde: gasmolekyler kolliderar oftare med varandra än med kammarväggarna.
Molekylflöde
Föreställ dig nu samma promenad klockan 3:00. Stationen är nästan tom, så du kan korsa utan att stöta på någon. Det är det molekylära flödet: gasmolekyler är mer benägna att resa över kammaren, träffa en vägg och fortsätta sin resa slumpmässigt runt kammarens volym.
Eftersom ingen enskild pump kan arbeta effektivt i båda systemen använder vi ett staplat pumpsystem:
Först tar en primärpump eller en förpump, även kallad grovpump, ner systemet från atmosfären till cirka 10−³ Torr (visköst flöde). Därefter tar en högvakuumpump över och trycker kammaren i molekylärt flöde, vilket uppnår det bastryck som krävs för den aktuella processen.
Vad är kinetiska pumpar?
Kinetiska pumpar är en typ av överföringspump som applicerar kinetisk energi på molekyler för att skapa ett riktningsflöde. Vi ska titta närmare på två typer av kinetiska pumpar:
Turbomolekylära pumpar fungerar som turbiner som roterar med otroliga hastigheter, upp till 670 miles per timme. När den roterar avleds en del av molekylerna ner i pumpen. Molekylerna fortsätter nedåt genom mer och mer avsiktliga avböjningar tills de slutligen töms ut ur systemet.
Diffusionspumpar använder istället oljestrålar med hög hastighet. Molekylerna dras ner i en pool av oljan innan de förbrukas.
Vad är infångningspumpar?
Till skillnad från överföringspumpar flyttar infångningspumpar inte ut molekyler, de fångar dem i systemet.
Kryogena pumpar använder kalla ytor för att fånga upp molekyler och skapa vakuum. Dessa molekyler hålls kvar av pumpen tills den är full, varvid de frysta molekylerna tinas och spolas ut ur systemet.
Sputterjonpumpar fångar upp molekyler med hjälp av plasma och magnetfält. En plasma styrs i ett magnetfält som slår av elektroner för att skapa joner. Dessa positiva joner dras sedan till en katod och skapar sputtering, som i princip omvandlas till material. Dessa pumpar fångar upp molekyler som material för att skapa vakuum.
Inneslutning i kammaren är egentligen inte en vakuumpump utan snarare en teknik. Den använder en särskild gasfälla som är placerad direkt inuti vakuumkammaren. Exempel är Gifford-McMahon-kylskåp, som Edwards CTI-Cryogenics-kylskåp, och Polycold-kryokylare. Dessa system för in en kall yta i kammaren och fångar upp molekyler mer effektivt än en pump som är ansluten utanför kammaren, eftersom de inte begränsas av konduktansförluster.
Edwards CTI-Cryogenics kylfällor (baserade på Gifford-McMahon-kylskåp) ger extremt kalla ytor som kan fånga upp vattenånga och andra gaser, som xenon.
Polycold-kryokylare använder Meissner-spolar för att cirkulera kallt köldmedium, kyla spolarna och fånga upp vattenmolekyler. Även om de inte når de ultralåga temperaturerna hos CTI-Cryogenics kylfällor är de mycket effektiva i tillämpningar som kräver mycket snabba vattenpumpningshastigheter.
Viktiga punkter
Vakuum handlar om att avlägsna molekyler för att minska trycket inuti en kammare. Det tryck eller den vakuumnivå som krävs beror på den aktuella processen.
Olika pumpar tjänar olika syften, ingen pump kan göra allt. Vi behöver stapla våra vakuumpumpar: en primärpump sänker trycket till visköst flöde, dedikerade högvakuumpumplösningar kan sedan pumpa ned till molekylärt flöde.
Detta är avslutningen på det första avsnittet av Cleanroom Tech Talks. I nästa kommer jag att fördjupa mig i olika vakuumtekniker och hur varje pumptyper stödjer specifika renrumstillämpningar.