磁懸浮渦輪分子泵—深冷水氣泵(阱)組合泵

1.清潔無(wú)振動(dòng)真空環(huán)境的必要性

　　真空對(duì)人類(lèi)的主要貢獻(xiàn)為：提供了最清潔和最少受外界干擾的試驗(yàn)環(huán)境，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，則可以制造性能最優(yōu)越、甚至自然界前所未有的材料。二十世紀(jì)人類(lèi)的三大成就是電子計(jì)算機(jī)、核能和航天器，但實(shí)際上它們都離不開(kāi)真空。例如：計(jì)算機(jī)所需的半導(dǎo)體集成電路就需要在真空中熔制和提純硅單晶，以后的外延，鍍膜，干法刻蝕和離子注入等，也都是真空工藝。近年來(lái)納米技術(shù)蓬勃發(fā)展，但就應(yīng)用來(lái)講，關(guān)鍵問(wèn)題是更高的清潔環(huán)境，例如12〞（300毫米）硅片集成電路生產(chǎn)線(xiàn)要求圖形的線(xiàn)條寬度達(dá)到小于100納米，這就對(duì)真空的清潔度提出了更高的要求。

　　上世紀(jì)在真空獲得方面油擴(kuò)散泵得到廣泛使用，但由于擴(kuò)散泵返油造成的滲碳影響產(chǎn)品質(zhì)量，人們意識(shí)到油蒸汽污染的嚴(yán)重性。人們?yōu)橄�除油蒸汽污染作了不少努力，特別由于大規(guī)模集成電路的生產(chǎn)過(guò)程中要求嚴(yán)格的清潔真空，在世界范圍內(nèi)清潔真空設(shè)備如渦輪分子泵、低溫冷凝泵和干泵等迅速發(fā)展，目標(biāo)都是無(wú)油真空系統(tǒng)。

　　研究表明，在真空度低于10^-6托的環(huán)境下，殘余氣體成份中95%以上是水蒸氣 (簡(jiǎn)稱(chēng)為水氣)，抽除水氣的泵稱(chēng)為 “水氣泵” 或 “深冷水氣泵(阱)”。到目前為止，在集成電路生產(chǎn)過(guò)程中, 干泵和磁懸浮軸承耐腐蝕分子泵的應(yīng)用，似已解決了目前集成電路生產(chǎn)的真空問(wèn)題，但隨著集成電路的基片達(dá)到300毫米、圖形線(xiàn)條寬度達(dá)幾十納米的情況下,任何極為微小的污染都會(huì)影響產(chǎn)品的質(zhì)量。人們認(rèn)識(shí)到納米技術(shù)要求的清潔真空除無(wú)油外還須無(wú)水氣。無(wú)油無(wú)水氣的清潔環(huán)境是納米技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的基本條件之一。

　　還值得提出的是：在集成電路芯片的輸送過(guò)程中，振動(dòng)是一個(gè)特別重要的問(wèn)題，振動(dòng)可導(dǎo)致硅片（基片）“走動(dòng)”。例如GM氦制冷機(jī)的活塞運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)硅片的輸送是有害的。

 2. 深冷水氣泵(阱)—Microstar 水氣泵(阱)

　　現(xiàn)在有一種新的超低振動(dòng)型深冷水氣泵(阱)，以色列 Ricor公司生產(chǎn)的Microstar 可適用于對(duì)振動(dòng)非常靈敏的應(yīng)用環(huán)境。

　　Microstar是高效司替林 (Stirling) 循環(huán)的水氣泵(阱)，使用的是K535雙活塞司替林制冷器,可用作渦輪分子泵的冷阱或真空系統(tǒng)中的冷板。司替林制冷器原為紅外探測(cè)器制冷用，是Ricor公司的特色產(chǎn)品，由于體積小、超低振動(dòng)、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，適合與集成電路制造設(shè)備配套，適于安裝在機(jī)柜內(nèi)狹小空間中。Microstar除具有超低振動(dòng)的特點(diǎn)外，與目前常用的GM氦制冷機(jī)相比，尚有下列的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)：

　　在集成電路生產(chǎn)設(shè)備中,離子刻蝕進(jìn)料室的真空配置常用 CTI-TORR8F 低溫冷凝泵抽氣，其抽水氣抽速為4000升/秒左右；Microstar IS200的水氣抽速可與此相當(dāng)，但體積較小，價(jià)格比TORR8F便宜得多。

3.渦輪分子泵(Turbomolecular pump)與 Microstar組合泵—Turbostar 

　　低溫冷凝泵有抽水氣的能力，因此應(yīng)用廣泛; 而分子泵的主要優(yōu)點(diǎn)就是不需要再生，但在抽除水氣方面，還遠(yuǎn)遜于冷凝泵 (磁懸浮分子泵振動(dòng)很小，但依然存在抽水氣能力不強(qiáng)的問(wèn)題)。新的設(shè)想是把它們二者組合起來(lái), 取長(zhǎng)補(bǔ)短。

　　在設(shè)計(jì)能組合分子泵工作的深冷水氣泵(阱)時(shí)，關(guān)鍵是選擇制冷溫度，在118.5K的低溫下，水的平衡蒸汽壓是10^-12 托。 其它氣體仍由分子泵抽走，于是Microstar就成為合適的選擇。

　　Microstar 冷板溫度可在110K-140K間調(diào)節(jié).,如有特殊要求,可下調(diào)至80K。如果在耐腐蝕渦輪分子泵（Turbomolecular pump,機(jī)械式或磁懸浮軸承式）上安裝了一個(gè)Microstar,簡(jiǎn)稱(chēng)Turbostar。它彌補(bǔ)了某些現(xiàn)有傳統(tǒng)低溫冷凝泵的缺陷（見(jiàn)下表），提高了分子泵的極限真空并大大降低了抽氣時(shí)間。

　　而從集成電路生產(chǎn)中應(yīng)用考慮,GM低溫冷凝泵,很難達(dá)到超低振動(dòng)，因此磁懸浮Turbostar是一種適合超大規(guī)模集成電路生產(chǎn)的新設(shè)備。

4. 展望應(yīng)用

　　集成電路生產(chǎn)中使用的都是連續(xù)生產(chǎn)設(shè)備，不斷進(jìn)料。在進(jìn)料室下安裝水氣泵可基本避免大氣中的水氣進(jìn)入工作室，避免了工作氣體和從大氣中引入的水氣形成腐蝕性酸氣。但離子刻蝕、離子注入和濺射鍍膜時(shí)，樣品均受到離子轟擊，因此吸附在試樣和部分容器上的極為微量的水氣仍會(huì)放出，還是會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量，因此在工作室安裝磁懸浮渦輪分子泵和Microstar 的組合泵還是必要的。目前國(guó)外己開(kāi)始了這方面的應(yīng)用。

　　在薄膜尤其是高級(jí)光學(xué)薄膜制備方面 ,GM低溫冷凝泵得到了廣泛的應(yīng)用,綜合上述的比較，組合泵的優(yōu)勢(shì)是明顯的,由于彌補(bǔ)了分子泵抽水氣慢的缺點(diǎn),加了深冷水氣泵(阱)后的分子泵抽氣時(shí)間,在達(dá)到同樣真空度的條件下,縮短到的四分之一,極限真空度可提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，大大提高了分子泵的使用效率,.組合泵在國(guó)外的應(yīng)用逐漸廣泛，如Leybold Varian 等大公司都巳開(kāi)始在有關(guān)產(chǎn)品上配套使用。　　清潔真空一直得到國(guó)內(nèi)外有關(guān)專(zhuān)家們的重視,華中一先生在去世前曾關(guān)心過(guò)組合泵的研制工作.姜燮昌總工曾在上海市真空學(xué)會(huì)20週年學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)上作了”21世紀(jì)真空獲得技術(shù)的展望”報(bào)告,提出:”必須大力研究開(kāi)發(fā)清潔,無(wú)油,耐腐蝕和高可靠的分子泵,低溫泵和不仝類(lèi)型的干式真空泵,逐步實(shí)現(xiàn)我國(guó)真空獲得設(shè)備更新?lián)Q代”。

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　　目前，國(guó)內(nèi)磁懸浮軸承分子泵尚處于研制階段.復(fù)合分子泵由于應(yīng)用面廣，生產(chǎn)廠(chǎng)商增加很快，形成熱潮。脂潤(rùn)滑復(fù)合分子泵前景看好。大抽氣量的深冷水氣泵已在諸如大型連續(xù)涂膜等設(shè)備上應(yīng)用。上海和北京都有大抽氣量的深冷水氣泵的生產(chǎn)廠(chǎng)商。但應(yīng)用于與分子泵配套使用的如Ricor生產(chǎn)的Microstar那樣的深冷水氣泵(阱)，國(guó)內(nèi)尚無(wú)生產(chǎn)單位.這就需要有關(guān)專(zhuān)家和領(lǐng)導(dǎo)的重視和支持，使這臺(tái)取冷凝泵之長(zhǎng),補(bǔ)分子泵之短的組合泵能早日問(wèn)世，既能提供清潔真空又能降低能耗，提高生產(chǎn)效率。