Buổi thảo luận về công nghệ phòng sạch tập 1: Chân không là gì và có những loại bơm chân không nào?
Chào mừng bạn đến với bài viết đầu tiên trong loạt bài Talks về công nghệ phòng sạch của chúng tôi! Tôi là Chris McNally, và tôi sẽ hướng dẫn bạn về một số nguyên tắc cơ bản của công nghệ chân không như áp dụng cho phòng sạch và buồng chân không. Trong tập này, chúng ta sẽ bắt đầu ngay từ đầu: chân không thực sự là gì, cách chúng ta đo nó và các loại bơm và kỹ thuật khác nhau được sử dụng để tạo ra nó.
Chân không là gì?
Đơn giản nhất, chân không là một không gian mà tất cả "vật chất", như các phân tử không khí, đã được loại bỏ. Trên Trái Đất, chúng ta luôn được bao quanh bởi các phân tử trong bầu khí quyển. Khi chúng ta loại bỏ các phân tử đó khỏi một thể tích nhất định, chúng ta tạo ra chân không.
Nhưng chân không hoàn hảo, một không gian hoàn toàn không có phân tử, không tồn tại trên Trái đất. Gần nhất chúng ta có thể đạt được là khoảng 30.000 phân tử trên mỗi centimet vuông. Điều đó có vẻ như rất nhiều, nhưng so với áp suất khí quyển, nó gần như không có gì.
Trong bộ phận Giải pháp buồng bán dẫn của chúng tôi, chúng tôi hướng đến việc đạt được chân không được kiểm soát bên trong buồng. Các phân tử khí bên trong buồng đập xung quanh và va chạm với các thành buồng, tạo ra lực. Bằng cách đo lực va chạm, chúng tôi đo áp suất, tương tự như đo chân không.
Làm thế nào để đo áp suất chân không?
Áp suất chân không có thể được đo bằng các đơn vị khác nhau; đối với bài viết này, chúng tôi sẽ sử dụng Torr.
760 Torr = Áp suất khí quyển của Trái đất ở mực nước biển.
10−⁷ đến 10−⁸ Torr = Áp suất buồng bán dẫn điển hình.
Để đưa điều này vào quan điểm, áp suất bên trong buồng bán dẫn tương tự như Thermosphere, nơi Trạm Vũ trụ Quốc tế quay quanh.
Hai loại bơm chân không chính
Để tạo ra chân không, chúng tôi sử dụng bơm chân không, rơi vào hai loại chính:
Bơm chuyển - Những bơm này di chuyển các phân tử ra khỏi khoang.
Bơm động học: Thêm năng lượng động học vào các phân tử để di chuyển chúng (ví dụ: bơm phân tử tuabin, bơm khuếch tán).
Bơm dịch chuyển dương: Nắm bắt, nén và xả các phân tử.
Bơm kẹt - Các bơm này bẫy và giữ các phân tử bên trong hệ thống.
Bơm đông lạnh: Sử dụng các bề mặt cực lạnh để đóng băng và thu giữ các phân tử.
Bơm ion phún xạ: Sử dụng plasma và từ trường để bẫy các phân tử làm vật liệu.
Bẫy trong buồng: Bề mặt lạnh bên trong buồng (ví dụ: tủ lạnh CTI-Cryogenics của Edwards, bộ làm lạnh đông lạnh Polycold) bám trực tiếp các phân tử.
Những máy bơm khác nhau này đạt được các áp suất mục tiêu khác nhau trong một quy trình chân không nhất định, thay đổi theo khách hàng, phân khúc và thị trường.
Áp suất mục tiêu: Lưu lượng nhớt so với lưu lượng phân tử
Hành vi của các phân tử bên trong buồng chân không phụ thuộc vào số lượng còn lại.
Độ nhớt dòng chảy
Hãy tưởng tượng bạn đang ở ga Grand Central ở Thành phố New York vào giờ cao điểm, có hàng ngàn người đi bộ quanh. Bạn đang ở một đầu của trạm, bạn nhắm mắt lại và đi càng nhanh càng tốt qua tòa nhà để chạm vào tường ở phía bên kia. Khi làm như vậy, bạn sẽ va chạm với mọi người và nhảy ra khỏi những người đang cố gắng vượt qua.
Đó là dòng chảy nhớt: các phân tử khí va chạm với nhau thường xuyên hơn so với các thành buồng.
Luồng phân tử
Bây giờ hãy tưởng tượng đi bộ cùng lúc 3 giờ sáng. Trạm gần như trống rỗng, vì vậy bạn có thể đi ngang qua mà không va chạm với bất kỳ ai. Đó là dòng chảy phân tử: các phân tử khí có nhiều khả năng di chuyển qua buồng, va chạm với một bức tường và tiếp tục hành trình của chúng ngẫu nhiên nhảy xung quanh thể tích của buồng.
Vì không có bơm nào có thể hoạt động hiệu quả ở cả hai chế độ, chúng tôi sử dụng hệ thống bơm xếp chồng:
Đầu tiên, một bơm chính hoặc bơm phụ, còn được gọi là bơm thô, đưa hệ thống từ khí quyển xuống khoảng 10−³ Torr (lưu lượng nhớt). Sau đó, một bơm chân không cao tiếp quản, đẩy buồng vào dòng phân tử, đạt được áp suất cơ bản cần thiết cho quy trình hiện tại.
Bơm động học là gì?
Bơm động học là một loại bơm chuyển tiếp áp dụng năng lượng động học cho các phân tử để tạo ra dòng chảy định hướng. Chúng ta sẽ xem xét kỹ hơn hai loại bơm động học:
Bơm turbo phân tử hoạt động như tuabin quay với tốc độ đáng kinh ngạc, lên đến 670 dặm mỗi giờ. Khi nó quay, một phần của các phân tử bị lệch hướng xuống trong bơm. Các phân tử tiếp tục đi xuống thông qua các độ lệch ngày càng có chủ đích cho đến khi cuối cùng được thoát ra khỏi hệ thống.
Thay vào đó, bơm khuếch tán sử dụng vòi phun dầu tốc độ cao. Các phân tử được kéo xuống bể bởi dầu trước khi cạn kiệt.
Bơm kẹt là gì?
Không giống như bơm chuyển, bơm kẹt không di chuyển các phân tử ra ngoài, chúng kẹt chúng trong hệ thống.
Bơm đông lạnh sử dụng bề mặt lạnh để bẫy các phân tử và tạo ra chân không. Các phân tử này được giữ lại bởi bơm cho đến khi đầy, tại thời điểm đó các phân tử đông lạnh được rã đông và xả ra khỏi hệ thống.
Bơm ion phún xạ bẫy các phân tử bằng plasma và từ trường; plasma được kiểm soát trong từ trường tách các electron để tạo ra ion. Sau đó, các ion dương này được thu hút vào catot và tạo ra phún xạ, về cơ bản chuyển đổi thành vật liệu. Những máy bơm này bẫy các phân tử làm vật liệu để tạo ra chân không.
Bẫy trong khoang thực sự không phải là một bơm chân không mà là một kỹ thuật. Nó sử dụng một bẫy khí chuyên dụng được đặt trực tiếp bên trong buồng chân không. Ví dụ bao gồm các tủ lạnh Gifford-McMahon, chẳng hạn như tủ lạnh CTI-Cryogenics của Edwards và máy làm lạnh đông lạnh Polycold. Những hệ thống này đưa một bề mặt lạnh vào buồng, thu thập các phân tử hiệu quả hơn so với một máy bơm được kết nối bên ngoài buồng, vì chúng không bị giới hạn bởi tổn thất độ dẫn điện.
Bẫy lạnh CTI-Cryogenics của Edwards (dựa trên tủ lạnh Gifford-McMahon) cung cấp các bề mặt cực kỳ lạnh có thể bẫy hơi nước và các khí khác, như xenon.
Máy làm lạnh đông lạnh Polycold sử dụng cuộn dây Meissner để lưu thông môi chất lạnh lạnh, làm mát các cuộn dây và bẫy các phân tử nước. Mặc dù chúng không đạt đến nhiệt độ cực thấp của bẫy lạnh CTI-Cryogenics, nhưng chúng có hiệu quả cao trong các ứng dụng đòi hỏi tốc độ bơm nước rất nhanh.
Các tính năng chính
Chân không liên quan đến việc loại bỏ các phân tử để giảm áp suất bên trong buồng. Áp suất cần thiết, hay mức chân không, phụ thuộc vào quy trình thực hiện.
Các bơm khác nhau phục vụ các mục đích khác nhau, không một bơm nào có thể làm được tất cả. Chúng ta cần xếp chồng bơm chân không của mình: một bơm chính giảm áp suất xuống dòng chảy nhớt, các giải pháp bơm chân không cao chuyên dụng sau đó có thể bơm xuống chế độ dòng chảy phân tử.
Đây là phần kết thúc của tập đầu tiên của Cleanroom Tech Talks. Trong bài tiếp theo, tôi sẽ đi sâu hơn vào các công nghệ chân không khác nhau và cách mỗi loại bơm hỗ trợ các ứng dụng phòng sạch cụ thể.