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真空泵的分類與作用機(jī)理以及在半導(dǎo)體行業(yè)的應(yīng)用

日期:2025-03-05 09:49:52

真空技術(shù)是建立低于大氣壓力的物理環(huán)境,以及在此環(huán)境中進(jìn)行工藝制作、物理測(cè)量和科學(xué)試驗(yàn)等所需的技術(shù)。
真空技術(shù)主要包括真空獲得、真空測(cè)量、真空檢漏和真空應(yīng)用四個(gè)方面。
真空獲得設(shè)備,即獲得、改善和(或)維持真空環(huán)境的裝置,主要指真空泵,是真空技術(shù)中最關(guān)鍵的設(shè)備種類。



 真空相關(guān)知識(shí)


真空是指在指定空間內(nèi)低于環(huán)境大氣壓力的氣體狀態(tài),也就是該空間內(nèi)氣體分子數(shù)密度低于該地區(qū)大氣壓的氣體分子數(shù)密度。

完全沒(méi)有氣體的空間狀態(tài)稱為絕對(duì)真空,實(shí)際上是不存在的。

在真空技術(shù)中,常用真空度來(lái)衡量真空狀態(tài)下空間氣體的稀薄程度,通常真空度用氣體的壓力值來(lái)表示。壓力值越高,真空度越低;壓力值越低,真空度越高。

常用的壓力單位為Pa,1Pa壓力是在1平方米的面積上作用1N的力;此外還有標(biāo)準(zhǔn)大氣壓1atm、托Torr、巴Bar等壓力單位。

一般認(rèn)為在標(biāo)準(zhǔn)情況下760mm高的汞柱產(chǎn)生的壓力為1atm,即1atm=760mmHg=101325Pa;1Torr=1/760 atm;1Pa=10ubar(微巴)=10^-2 mbar (毫巴)。

通??梢园颜婵斩葎澐譃橐韵聟^(qū)段:低真空,10^5 Pa-10^2 Pa;中真空,10^2 Pa-10^-1 Pa;高真空,10^-1 Pa-10^-5 Pa;超高真空,<10^-5 Pa。

表1:真空度劃分范圍及應(yīng)用領(lǐng)域

圖源:中科儀招股說(shuō)明書



真空泵分類及作用機(jī)理

按照工作原理的不同,真空泵分為氣體傳輸泵和氣體捕集泵兩大類。氣體傳輸泵可以被進(jìn)一步分為變?nèi)菡婵毡?/span>和動(dòng)量真空泵兩類。
變?nèi)菡婵毡?/span>是利用泵腔容積的周期變化來(lái)完成吸氣和排氣的裝置,氣體在排出前被壓縮??煞譃橥鶑?fù)式和旋轉(zhuǎn)式兩種。
動(dòng)量真空泵是通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的葉片或射流,把動(dòng)量傳輸給氣體或者氣體分子,使氣體連續(xù)不斷的從入口傳輸?shù)匠隹诘恼婵毡谩?/span>
氣體捕集泵是使氣體分子被吸附或冷凝而保留在泵內(nèi)表面上的一種真空泵,主要包括吸附泵、吸氣劑泵、升華(蒸發(fā))泵、吸氣劑離子泵、低溫泵等類型。

表2:氣體傳輸泵的分類及應(yīng)用

圖源:中科儀招股說(shuō)明書


半導(dǎo)體真空泵應(yīng)用及市場(chǎng)

根據(jù)國(guó)際真空技術(shù)統(tǒng)計(jì)工作組(International Statisticsfor Vacuum Technology,后文簡(jiǎn)稱ISVT)的分類,將真空行業(yè)分為8個(gè)類別,包括粗真空、工藝真空、工業(yè)真空、半導(dǎo)體工藝真空、半導(dǎo)體外薄膜沉積、太陽(yáng)能、儀器制造以及科學(xué)研究。

圖1:ISVT根據(jù)真空度的不同要求和應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒄婵招袠I(yè)分為8個(gè)類別

圖源:ISVT,  廣發(fā)證券


真空泵是制造業(yè)重要的通用設(shè)備,半導(dǎo)體應(yīng)用占據(jù)最大份額,光伏高增長(zhǎng)。根據(jù) ISVT,2019 年全球真空設(shè)備的市場(chǎng)規(guī)模約 350 億元,其中半導(dǎo)體用真空設(shè)備約 135 億元,占比約 38%,是最大的應(yīng)用領(lǐng)域,此外光伏領(lǐng)域的真空泵需求正快速增長(zhǎng)。

真空泵在半導(dǎo)體領(lǐng)域用途廣泛,在半導(dǎo)體大硅片生產(chǎn)環(huán)節(jié)的單晶爐,在晶圓制造環(huán)節(jié)的光刻機(jī)、刻蝕機(jī)、薄膜沉積設(shè)備、離子注入機(jī)等,在封測(cè)環(huán)節(jié)的模塑設(shè)備領(lǐng)域,真空泵均有廣泛的運(yùn)用。

真空泵應(yīng)用于單晶硅制造、晶圓加工等多個(gè)環(huán)節(jié)。在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)剛起步的時(shí)候,僅有兩種處理工藝需要用到真空腔。
一種是只有一層金屬的蒸鋁工藝,另一種是在硅 片背面蒸金以便將電路芯片固定在它的管殼上,那時(shí)的真空工藝是在類似鐘罩的腔內(nèi)進(jìn)行的。
當(dāng)前,半導(dǎo)體制造過(guò)程中的許多化學(xué)反應(yīng)都是在真空條件下進(jìn)行的,使用工藝腔來(lái)實(shí)現(xiàn)受控的真空環(huán)境。
從20世紀(jì)80年代后期,工藝腔被構(gòu)造為多腔集成設(shè)備。硅片在真空環(huán)境下從一個(gè)工藝腔傳送至另一個(gè)工藝腔,避免了硅片的原始氧化并減少了污染。
半導(dǎo)體工業(yè)是真空泵非常重要的應(yīng)用領(lǐng)域,是當(dāng)前主要的增長(zhǎng)動(dòng)力。目前真空泵已經(jīng)廣泛應(yīng)用在半導(dǎo)體制造的多個(gè)工藝環(huán)節(jié)中,包括刻蝕、鍍膜、擴(kuò)散等等。
為了將制造過(guò)程控制在更小的尺寸上,越來(lái)越需要以更高的精度和均勻性執(zhí)行更多的半導(dǎo)體制造過(guò)程步驟。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn),半導(dǎo)體工藝必須在極度受控的真空環(huán)境中運(yùn)行。
隨著功能和電路尺寸的減小,半導(dǎo)體制造中的工藝步驟數(shù)量將繼續(xù)增加,從而導(dǎo)致真空設(shè)備需求的增加。
此外,小型化還需要新的制造技術(shù),如多模和EUV光刻技術(shù), 這將進(jìn)一步推動(dòng)半導(dǎo)體制造商采用真空系統(tǒng)。
半導(dǎo)體制造中主要應(yīng)用的真空泵類型包括干式真空泵以及渦輪分子泵。較早時(shí),油式真空泵是半導(dǎo)體行業(yè)中常用的真空泵種類,目前干泵成為了半導(dǎo)體行業(yè)最主要的真空泵類型。
與基于液體的水環(huán)泵、油封泵和蒸汽噴射系統(tǒng)相比,干泵設(shè)備除了能提高速度、工藝可重復(fù)性、靈活性和生產(chǎn)率之外,還能夠顯著節(jié)省運(yùn)營(yíng)成本、維護(hù)成本和安裝空間。
干泵設(shè)備的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì),不使用水或油來(lái)進(jìn)行真空階段的密封或者潤(rùn)滑,因?yàn)樵O(shè)備的運(yùn)行成本非常經(jīng)濟(jì),可讓用戶優(yōu)化真空工藝。
另外,干泵消除了工藝過(guò)程污染油或油搭載進(jìn)入尾氣處理系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn),他們不會(huì)產(chǎn)生廢物、或者污染寶貴的溶劑、產(chǎn)品或環(huán)境。
干式泵是一種無(wú)油的泵送機(jī)構(gòu),用于創(chuàng)造真空環(huán)境。它們?cè)谡婵粘闅鈾C(jī)構(gòu)內(nèi)不使用潤(rùn)滑劑,并有一系列的監(jiān)測(cè)和控制選項(xiàng)。
干泵廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體領(lǐng)域,也應(yīng)用于冶金、涂料、干燥、太陽(yáng)能等工業(yè)過(guò)程。它們也用于科學(xué)儀器,如掃描電子顯微鏡。

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