分子泵简介及应用

分子泵起源•分子真空泵是在1911年由德国人盖德(w·Gaede)首先发明的，这种分子泵是在分子流区域内靠高速运动的刚体表面传递给气体分子以动量，使气体分子在刚体表面的运动方向上产生定向流动，从而达到抽气的目的。通常把用高速运动的刚体表面携带气体分子，并使其按一定方向运动的现象称为分子牵引现象。因此，人们将盖德发明的分子泵称为牵引分子泵。牵引分子泵的优点是起动时间短，在分子流态下有很高的压缩比，能抽除各种气体和蒸汽，特别适于抽除较重的气体。但同于它自身的弱点：抽速小，密封间隙太小，工作可靠性较差，易出机械故障等，因此除特殊需要外，实际上很少应用。分子泵抽气原理•分子泵输送气体应满足二个必要条件：1).分子泵必须在分子流状态下工作。•因为当将一定容积的容器中所含气体的压力降低时，其中气体分子的平均自由程则随之增加。在常压下空气分子的平均自由程只有0.06μm，即平均看一个气体分子只要在空间运动0.06μm，就可能与第二个气体分子相碰。而在1.3Pa时，分子间平均自由程可达4.4mm。在分子流范围内，气体分子的平均自由程长度远大于分子泵叶片之间的间距。当器壁由不动的定子叶片与运动着的转子叶片组成时，气体分子就会较多地射向转子和定子叶片，为形成气体分子的定向运动打下基础。•2).分子泵的转子叶片必须具有与气体分子速度相近的线速度。具有这样的高速度才能使气体分子与动叶片相碰撞后改变随机散射的特性而作定向运动。分子泵的转速越高，对提高分子泵的抽速越有利。实践表明，对不同分子量的气体分子其速度越大，泵抽除越困难。•例：Hsub2在空气中含量甚徽，但由于Hsub2分子具有很大的运动速度(最大速度为1557m/s)，所以分子泵对Hsub2的抽吸困难。通过对极限真空中残余气体的分析，可发现氢气比重可达85％，而分子量较大，而运动速度慢的油分子所占的比重几乎为零。这就是分子泵对油蒸气等高分子量的气体的压缩比很高，抽吸效果好的原因。涡轮分子泵•涡轮分子泵是由一系列的动、静相间的叶轮相互配合组成。每个叶轮上的叶片与叶轮水平面倾斜成一定角度。动片与定片倾角方向相反。主轴带动叶轮在静止的定叶片之问高速旋转，高速旋转的叶轮将动量传递给气体分子使其产生定向运动。从而实现抽气目的。优点：由于涡轮转子叶片大大增加了抽气面积，放宽了工作间隙，压缩比和抽速有显著的提高•1)卧式涡轮分子泵卧式涡轮分子泵特点是其转子主轴水平布置。•这种结构的分子泵是双轴流的，吸气口在两组抽气单元的中央，气体吸入后，分别被左右两侧的叶列组合抽走。轴承分别装在各抽气单元的排气侧，•特点是抽气时转子受力均匀，轴承定位、受力状态好，使用寿命长，且轴承更换过程中，转子位置不动，维修方便。•2)立式涡轮分子泵•其转子轴垂直安装，只有一组抽气组合叶列。转子叶轮高速旋转时，被抽气体沿着转子组和定子组自高真空端向低真空端压缩，被驱向前级，由前级泵抽走。泵由泵壳、涡轮叶列组件和电动机等组成。现代涡轮分子泵转子和定子之间的间隙较大，通常在lmm左右，因此泵工作时很安全。轴承润滑•有油脂润滑、油绳润滑和离心供油润滑等方式。分子泵轴承润滑油的性能必须具备以下三个条件，才能满足泵的工作要求：a.高速下具备良好的润滑性能；b.饱和蒸气压低于前级泵工作液的饱和蒸气压．c.粘度适当，使之兼有轴承冷却液的作用。复合式分子泵•复合式分子泵是涡轮分子泵与牵引分子泵的串联组合。•在很宽的压力范围内((10-6～1Pa)具有较大的抽速和较高的压缩比，大大提高了泵的出口压力。法国Alcate公司生产的一种采用气体静压轴承和动密封的复合分子泵，可以做到完全无油。•缩短了系统的抽气时间，并可获得无油污染的清洁真空环境。分子泵在系统中的应用•随着科学技术的迅速发展，对真空系统也提出了新的要求，特别是对超高真空和无油真空环境的需求，使得过去大量使用的扩散泵抽气系统已不能适应无油清洁超高真空的要求。•分子泵适用于在要求清洁的高真空和超高真空的仪器及设备上使用。也可用来作为离子泵、升华泵、低温泵等气体捕集超高真空泵的前级预抽真空泵使用，这将获得更低的极限压力或更清洁的无碳氢化合物的真空环境。分子泵在应用系统中常用结构•以上结构图是分子泵常用情况，实际的应用需视具体设备而定；•GateValve：位于分子泵前端，阀体较大，属闸板阀，开关速度有的可调节，真空异常时，阀的关闭速度是保护分子泵的关键。生成物较多，会造成关闭不严，而无法起到保护作用。需定期清洁保养测试。•Vactestpoint1：位于被抽单元或GateValve口附近，与GateValve构成interlok，分子泵端口极限真空为500mTorr，设定值建议为300mTorr以下。•RoughValve：粗抽阀，当CHB真空较低时，绝对不能打开GateValve用分子泵抽真空。在确认GateValve和ForelineValve关闭的情况下，开启RoughValve，抽CHB真空到300mTorr以下。一般RoughValve&ForelineValve&GateValve相互有interlok，需测试确认功能是否正常，也需防止误操作（解除interlok情况下，开关不受影响，而不致分子泵损坏）。•SoftValve：细（慢）抽阀，防止压差过大而起尘。CHB大气时，一般先用此阀抽。•PurgeN2：有些制程会产生大量粉尘，因分子泵底部有用于冷却分子泵的冷却盘，会致大量积尘于冷却部分，用N2吹扫可减少这方面的影响，另外也作冷却轴承等用途。此N2在分子泵运行时开启，停止时延时关闭。•ProtectN2：此N2通常情况下是关闭的。分子泵高速运转中，突然出现真空或其他方面的异常时，分子泵必须尽快停止运转，充入此N2可尽快让分子泵减速，尽量避免分子泵的损失。•ForelineValve：位于分子泵出气口，真空异常时，开闭速度及是否关严是保护分子泵的关键。同时管径小，易积尘，需定期清洗保养测试。•Vactestpoint2：位于ForelineValve与粗抽泵之间，一般使用的是真空开关（一般真空sensor因振动或热源易损坏）。与ForelineValve构成interlok，分子泵排气口极限真空为3Torr，这样压差会较大，设定值建议为500mTorr以下•分子泵叶片损坏致报废主要原因：1.进排气口压差瞬间过大；a进气口压力过大；b排气口压力过大；c单边部分压力过大（如阀关闭不严或部分关闭等）2.异物落入；3.动静片间隙异常；4.转子部轴承异常损坏等。使用时应注意事项•1.定期检查/保养：GATEVALVE&FORELINEVALVE，建议做定期清洗并作漏率测试；•2.Interlock测试；•3.进气口压力极限压力为500mTorr，排气口极限压力最大为3Torr建议Interlock使用:(300mTorr/500mTorr)；•4.偶尔检查泵运转时的声音；•5.N2Purge流量一般为10sccm~30sccm/1Kg/cm2•6.冷却水流量正常•7.油位是否正常，油色是否正常。油的粘稠度、化学稳定性、冷却效果很重要，只可使用厂商推荐品牌。磁悬浮式分子泵特点：启动快，抽速大，高压缩比，高气体运送比，磨擦系数小，无油污染等优点。使用的是磁轴承又称主动磁悬浮轴承，是一种转子与定子之间没有机械接触的新型高性能轴承。它由机械部件、电控系统、传感器和辅助轴承等构成。利用电磁力作用将转子悬浮于空间，具有无机械磨损、能耗低、允许转速高、噪声少、寿命长、无润滑介质等优点。选择磁轴承作为分子泵转子的支承，可以从根本上解决传统轴承润滑带来的润滑油脂的油蒸汽返流对真空室的污染等问题，使磁轴承真空分子泵成为集成电路制造设备首选的超高真空获得设备•磁悬浮分子泵动静片结构示意图：•正常使用时，动片一般位于中线略上方。静片动片•1.分子泵经厂家维修返回后，需做动静片间隙调整、确认。目前我们使用的分子泵为国外品牌，在国内大部分的分子泵，暂时只能做简单维护，一般需送到国外维修。由于各国使用的电压、频率、使用环境、控制器、甚至电缆长度不一样，而出现在厂家调整正常后，返回时仍不能正常使用的情况。这是因为分子泵的动片是靠电磁力来支撑的，当以上因素改变时会使分子泵动静片间间距发生变化，而工作在临界或不正常状态。磁悬浮式分子泵的使用注意事项•2.定期检查后备电池是否满足要求，有更换记录并每年至少更换一次。-以上情况，看电池使用时间和停机时间而定，并贴标签记录更换时间；-当然定期测量电池电压是一种好的点检方法。•建议长时间停用的分子泵，控制器开启一段时间，电池充满电后再启动分子泵•3.分子泵故障或损坏后，建议先判断故障原因，分析并作出最有可能的结论后才重新开启或更换。-分子泵异常保护，肯定是有原因的，再没确认原因前，任何再开启试用都是危险的，可能造成更大损失（报废）-分子泵已经损坏，不必急于换下，一般需确认原因，做真空方面的检查，找到问题点后再拆下不迟。盲目换上新的分子泵，可能造成再次故障，风险极大，望三思而后行。•4.分子泵的送修–原则上需要将分子泵，控制器，电缆线一同送修，同时需注明所使用的气体，如有可能也将使用的电压及频率注明清楚。–由于将电缆线取下不方便，至少要将分子泵和控制器一同送修。•5.作日常点检和定期（周/月/季)检查-正如前面所述，分子泵使用注意事项一样，对于出现的种种可能需所定期检查，写入SOP，不因人而变，持之以恒；-日常点检：Gatevalve前真空，Forelinevalve后真空，冷却水流量，N2流量，油位油色（非磁悬浮）等；--记录的目的是为了观察变化，如记录值有较大变化时，应查找原因并解决。-周点检：Gatevalve,Forelinevalve,Roughvalve漏率测试，泵运转声音等监听。--当发现漏率有明显变化或较大时，应停止分子泵的运转并对相关阀体作清洗保养。安装后仍要再次做漏率测试。--泵运转的声音。可用一金属杆接触分子泵外壳，听到的应是持续的“嗡嗡”声，有一定的规律，无断续杂音或异响等（这种判断需要一定的经验积累）。-月保养或季保养：相关阀体如长时间不保养，会有生成物累积于阀体、管道等部位，影响阀的关断速度，也会影响分子泵的使用寿命，需定期清洗，可视生成物的状况制定相应的保养周期。--Gatevalve和Forelinevalve是二项重点检查项，着重关注。分子泵的开启和停止-对于准备长时间停用的分子泵（12小时以上），特别是抽腐蚀性气体的分子泵，在停止前，用N2或Ar或He或O250sccm左右对分子泵吹扫30分钟以上为宜，在停止期间尽可能保持真空；-开启分子泵时，除需注意前面所讲的外，启动初期，听声音很重要，可作为判断分子泵工作状态的一点依据。结束语•分子泵的日常点检、定期保养很重要，是对分子泵使用寿命的一项保证，需认真执行。•分子泵比较昂贵，任何意外都会造成较大损失，需我们重点关注。减少误判，三思而后行。•相互学习，共同摸索，相互借鉴