磁悬浮涡轮分子泵—深冷水气泵(阱)组合泵

1.清洁无振动真空环境的必要性

　　真空对人类的主要贡献为：提供了最清洁和最少受外界干扰的试验环境，对工业生产来说，则可以制造性能最优越、甚至自然界前所未有的材料。二十世纪人类的三大成就是电子计算机、核能和航天器，但实际上它们都离不开真空。例如：计算机所需的半导体集成电路就需要在真空中熔制和提纯硅单晶，以后的外延，镀膜，干法刻蚀和离子注入等，也都是真空工艺。近年来纳米技术蓬勃发展，但就应用来讲，关键问题是更高的清洁环境，例如12〞（300毫米）硅片集成电路生产线要求图形的线条宽度达到小于100纳米，这就对真空的清洁度提出了更高的要求。

　　上世纪在真空获得方面油扩散泵得到广泛使用，但由于扩散泵返油造成的渗碳影响产品质量，人们意识到油蒸汽污染的严重性。人们为消除油蒸汽污染作了不少努力，特别由于大规模集成电路的生产过程中要求严格的清洁真空，在世界范围内清洁真空设备如涡轮分子泵、低温冷凝泵和干泵等迅速发展，目标都是无油真空系统。

　　研究表明，在真空度低于10^-6托的环境下，残余气体成份中95%以上是水蒸气 (简称为水气)，抽除水气的泵称为 “水气泵” 或 “深冷水气泵(阱)”。到目前为止，在集成电路生产过程中, 干泵和磁悬浮轴承耐腐蚀分子泵的应用，似已解决了目前集成电路生产的真空问题，但随着集成电路的基片达到300毫米、图形线条宽度达几十纳米的情况下,任何极为微小的污染都会影响产品的质量。人们认识到纳米技术要求的清洁真空除无油外还须无水气。无油无水气的清洁环境是纳米技术实际应用的基本条件之一。

　　还值得提出的是：在集成电路芯片的输送过程中，振动是一个特别重要的问题，振动可导致硅片（基片）“走动”。例如GM氦制冷机的活塞运动产生的振动对硅片的輸送是有害的。

 2. 深冷水气泵(阱)—Microstar 水气泵(阱)

　　现在有一种新的超低振动型深冷水气泵(阱)，以色列 Ricor公司生产的Microstar 可适用于对振动非常灵敏的应用环境。

　　Microstar是高效司替林 (Stirling) 循环的水气泵(阱)，使用的是K535双活塞司替林制冷器,可用作涡輪分子泵的冷阱或真空系统中的冷板。司替林制冷器原为红外探测器制冷用，是Ricor公司的特色产品，由于体积小、超低振动、免维护等优点，适合与集成电路制造设备配套，适于安装在机柜内狭小空间中。Microstar除具有超低振动的特点外，与目前常用的GM氦制冷机相比，尚有下列的特点和优点：

　　在集成电路生产设备中,离子刻蝕进料室的真空配置常用 CTI-TORR8F 低温冷凝泵抽气，其抽水气抽速为4000升/秒左右；Microstar IS200的水气抽速可与此相当，但体积较小，价格比TORR8F便宜得多。

3.涡輪分子泵(Turbomolecular pump)与 Microstar组合泵—Turbostar 

　　低温冷凝泵有抽水气的能力，因此应用广泛; 而分子泵的主要优点就是不需要再生，但在抽除水气方面，还远逊于冷凝泵 (磁悬浮分子泵振动很小，但依然存在抽水气能力不强的问题)。新的设想是把它们二者组合起来, 取长补短。

　　在设计能组合分子泵工作的深冷水气泵(阱)时，关键是选择制冷温度，在118.5K的低温下，水的平衡蒸汽压是10^-12 托。 其它气体仍由分子泵抽走，于是Microstar就成为合适的选择。

　　Microstar 冷板温度可在110K-140K间调节.,如有特殊要求,可下调至80K。如果在耐腐蚀涡轮分子泵（Turbomolecular pump,机械式或磁悬浮轴承式）上安装了一个Microstar,简称Turbostar。它弥补了某些现有传统低温冷凝泵的缺陷（见下表），提高了分子泵的极限真空并大大降低了抽气时间。

　　而从集成电路生产中应用考虑,GM低温冷凝泵,很难达到超低振動，因此磁悬浮Turbostar是一种适合超大规模集成电路生产的新设备。

4. 展望应用

　　集成电路生产中使用的都是连续生产设备，不断进料。在进料室下安装水气泵可基本避免大气中的水气进入工作室，避免了工作气体和从大气中引入的水气形成腐蚀性酸气。但离子刻蚀、离子注入和溅射镀膜时，样品均受到离子轰击，因此吸附在试样和部分容器上的极为微量的水气仍会放出，还是会影响产品质量，因此在工作室安装磁悬浮涡輪分子泵和Microstar 的組合泵还是必要的。目前国外己开始了这方面的应用。

　　在薄膜尤其是高級光学薄膜制备方面 ,GM低温冷凝泵得到了广泛的应用,綜合上述的比較，組合泵的优势是明显的,由于弥补了分子泵抽水气慢的缺点,加了深冷水气泵(阱)后的分子泵抽气時间,在达到同樣真空度的条件下,縮短到的四分之一,极限真空度可提高一个数量级，大大提高了分子泵的使用效率,.組合泵在国外的应用逐漸广泛，如Leybold Varian 等大公司都巳开始在有关产品上配套使用。　　清洁真空一直得到国內外有关专家们的重视,华中一先生在去世前曾关心过組合泵的研制工作.姜燮昌总工曾在上海市真空学会20週年学术报告会上作了”21世纪真空获得技术的展望”报告,提出:”必须大力研究开发清洁,无油,耐腐蚀和高可靠的分子泵,低温泵和不仝类型的干式真空泵,逐步实现我国真空获得设备更新换代”。

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　　目前，国內磁悬浮轴承分子泵尚处于研制阶段.复合分子泵由于应用面广，生产厂商增加很快，形成热潮。脂润滑复合分子泵前景看好。大抽气量的深冷水气泵已在诸如大型连续涂膜等设备上应用。上海和北京都有大抽气量的深冷水气泵的生产厂商。但应用于与分子泵配套使用的如Ricor生产的Microstar那样的深冷水气泵(阱)，国內尚无生产单位.这就需要有关专家和领导的重视和支持，使这台取冷凝泵之长,补分子泵之短的组合泵能早日问世，既能提供清洁真空又能降低能耗，提高生产效率。