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1、1厂务制程真空系统大纲： 一、前言 二、真空的含义 三、大气压力与表压力； 四、标准状态与基准状态 五、理想气体及理想气体方程式 六、真空泵浦 七、厂务制程真空系统 八、真空系统流程图 九、真空系统配管2一、前言：在半导体厂或光电厂中，厂务制程真空系统应用于提供制程设备之真空吸盘或吸笔来搬运传送晶片或玻璃，为厂务系统中相当重要之支援系统。在介绍厂务制程真空系统之前先对真空系统做些简单介绍。3二、真空的定义：真空的一般定义：在真空系统中，真空系针对大气而言，表示一特定空间或系统内部分气体被排出，其内部空间的压力小于大气压力，则称此空间为真空或为真空状态，简单言之，空间内压力低于一大气压力即为真空
2、。由于在海平面标准状态下，一大气压力为760mmHg（或Torr），故空间压力小于760mmHg即为真空状态。根据以上定义，造成真空技术可以很简单也可能很困难，例如家庭用的吸尘器即为利用真空原理，但是在高科技制程中所要求之高真空或超高真空，就必须要有足够之真空技术及设备才能达成及完成。 4真空度：真空度代表一个真空系统中剩余气体之程度，通常以剩余气体之气压来作度量，而真空度的一般区分如下： 真空度区分单位（Torr ）单位（mbar ）1粗略真空（Rough Vacuum）7601 torr10001 mbar2中度真空（Medium Vacuum）110-3 torr110-3 mbar3高
3、度真空（High Vacuum）10-310-7 torr10-310-7 mbar4超高度真空（Ultra-High Vacuum）10-710-10 torr10-710-10 mbar5极超高度真空（Extremely-High Vacuum）10-10以下 torr10-10以下mbar5厂务制程真空系统真空度要求一般为700500mmHg之间，仅落在粗略真空范围内，而制程设备真空度要求则视其应用范围而定，而落在中真空度与超高真空度或以上之范围内。6真空压力或单位：真空压力就是单位面积上所承受的力，其单位就是：力/单位面积。因为真空中气体的压力均很低而且常常不能直接用测量力的方法测定，
4、所以过去真空压力常使用之单位是便于测量的单位mmHg，而与一般的压力单位不同。但现在国际间采用的国际标准单位（SI）之压力单位已取代过去的真空单位，所以真空压力与任何其他种压力的单位就完全相同，但目前国内旧真空单位与国际通用之实用真空单位都在使用，故简介如下： 7）国际真空压力单位（SI）：国际真空压力单位即为一般压力所用的国际压力单位pascal，简称Pa（帕），其定义为： 1 Pa=N/m2）旧真空压力单位（习惯用单位）：习惯用真空压力单位为Torr，其定义为：1 Torr=1 mmHg而1标准大气压 1 atm= 760mmHg= 760 Torr）实用真空压力单位：现行真空压力单位多采
5、用毫巴（milibar，mbar），其定义为1 mbar=10-3bar，而1bar=105Pa，其与习惯用单位及实用单位之关系为：1 mba=0.75 Torr=0.1Kpa8下表为详细之真空压力换算表： 9一般言之，国内真空单位仍大多使用Torr，欧洲国家使用mbar，而美国仍大都采英制，多以in-Hg表示。 10三、大气压力与表压力： 大气压力：大气（Atmosphere）即为围绕地球的空气，我们以在海平面高度，温度为0时的空气作标准大气，而标准大气对物体上所施的压力我们定为一个大气压力间称为1 atm。一标准大气压值随应用场合之不同而使用不同之单位，常见者如下：1 atm=760mmH
6、g=760torr=1.013105=1013mbar=14.7psi 11绝对压力=大气压力+表压力 真空度大气压力低真空高真空表压力（Torr）0-260-560-660-760绝对压力7605002001000表压力与绝对压力表压力（Gage Pressure）是以布登管压力计，以大气压力为0时所测量得之压力，间而言之表压力即为压力计上之读数。当布登管压力计之内部无压力时，曲管内部和外部之压力（大气压）相等是平衡状态，曲管不变形时之读数为0，当压力P作用于布登试管时，由于与大气压力之差值使曲管变形而使指针转动，表示出与大气压相差之压力值，此测出之压力称表压力，绝对压力和表压力之关系如下：
7、 12有以下之情况需特别注意，在规划设计时，必须将对方所提供之真空压力到底是为表压或绝对压力弄清楚，否则有可能产生错误，兹举下列说明：例：真空压力=650mbar若为绝对压力时求表压力？ 表压力=绝对压力-大气压力=650-1013=-363mbar=-272.3mmHg由上例可知若是将真空压力=650mbar视为表压力，则会出现甚大之差距。 一般言之，型录上之真空压力大部分为绝对压力，单位为Kpa,mmHg,inHg等，我们在表示真空压力为表压力时，其应以负值表示，或是以mmHg.之方式表示之，以免造成误解。13状态名称温度（ ）大气压力（ mmHg）相对湿度 (%)比重量（ Kg/m3）标
8、准状态（ Standard）20760651.2基准状态（ Nominal）076001.293四、标准状态与基准状态：气体的性质因温度、压力之不同而大有不同，故在计算气体流量时必须有一些共同之基准，通常采用之基准如下表： 于实际应用时应辨明该流量之基准为何以免发生错误。14五、理想气体与理想气体方程式：当气体（尤其是低分子量之气体）若存在于低的压力与相当高的温度状态下，而于问题之分析中并无相的改变，则此气体称为理想气体。亦凡是能够满足理想气体状态方程式（即压力、体积、温度间之关系式）之气体均称为理想气体。理想气体方程式：PV=NRT 其中n为莫耳数，T为绝对温度（K），R为气体常数对于空气之
9、气体常数 R=0.0287KJ/kg-mole.K=0.082Lit.atm/mole.K=1.987Pa.m3/mole.K15在气体分子数目固定之下，影响气体压力的最主要的因素有二，那便是体积以及温度，针对这两个变数我们可以得出下面数个气体定律： 波意耳定律（Boyles Law）温度固定时，一定量气体所产生之压力与体积成反比：即P1V1= P2V2 查理定律（Charles Law）体积固定时，一定量气体所产生之压力与温度成正比：即P1/T1= P2/T2 道尔顿定律（Daltons Law）一个混合气体的总压力等于每个单独气体其分压得的总和：即Pt=ntkT= n1kT+ n2kT+
10、n3kT+ nikT或是 Pt=P1+P2+P3+Pi16亚弗加厥定律（Avogradros Law）气体在固定温度与体积的条件下，气体的压力大小与气体分子的数量成正比，其关系式如下：P1/N1= P2/N2在标准温度与压力下（STP）数量为6.022521026个的气体分子，其体积为22.4136立方公尺，我们俗称一莫耳。综合气体定律（General gas Law）将上面几个气体定律可以整合成下列关系式（亦称为波查定律）：P1V1/ T1= P2V2/ T217六、真空泵浦： 凡能将特定空间内之气体去除以减低气体分子数目，造成某种程度之真空状态之设备称之为真空泵浦。由于不同的真空泵浦因其作
11、用原理不同，所以其排气的极限都有所不同，故依系统或制程设备之真空度要求而有不同型式之真空泵浦。虽然泵浦有多种形态，但是他们之间有一些共同常用的术语，我们先了解这些术语。 18抽气速率（Pumping Speed）:单一泵浦的抽气速率，是指该泵浦于正常运转下，单位时间内，通过进口截面的气体体积流率。因此泵浦抽气速率之单位应为：体积/时间。经由理论推导，亦可得知：抽气速率（Pumping Speed，S）=气流通量（Throughput，Q）/压力（Pressure,P）于抽气过程中，逢到泵浦之终极压力时抽气速率会急速下降。泵浦出厂时，制造厂商所给之抽气速率是指于进气口截面所量得之抽气速率，称为量
12、测抽气速率（measured pumped speed）。19但由于泵浦与真空腔间，通常有一管路存在，因而泵浦对真空腔之真正抽气速率必不同于量测抽气速率，此真正之抽气速率称为净抽气速率（net pumping speed） 。20终极压力（Ultimate pressure或Lowest pressure）所谓泵浦的终极压力，是指该泵浦所能够抽到的最低压力（或最佳真空度）。影响泵浦此项特性的因素有三：泵浦本身之密闭性；泵浦所使用液体之蒸汽压（真空油）；泵浦结构（包括设计理念及材料本质）之差异性。 当我们选择真空泵浦时，需特别注意真空泵浦之设计终极压力，譬如说若某真空泵浦之终极压力为510-4T
13、orr时，并不表示此台真空泵浦最低可抽达此真空度，须注意可达此终极压力之条件，运行环境可能与制造商型录上之条件不同而无法达到，例如温度、湿度、气体种类、真空计之选择等。 21抽气能力 泵浦的抽气速率是指真空泵浦每单位时间所能排出之气体积，但并非真正之气体数量。在泵浦的进气口处，每单位时间，所排出之气体数量，我们称为泵浦的抽气能量Q，亦即泵浦之抽气能量是泵浦的抽气速率乘以压力，此才是真空泵浦于单位时间内，自真空腔内抽出之气体量。 22有效压力范围（Effective pressure range）到目前为止，还没有任何一种泵浦，可以直接将真空腔内之压力，从一大气压力抽至超高真空或是极高真空，每一
14、种泵浦只有在特定的压力范围，其抽气速率和抽气能量才被认为是有足够效益的，此特定的压力范围，称为该泵浦的有效压力范围。排气压力（Exhaust pressure）使用压缩或动量转移方式抽气的泵浦，必须将所抽气体排至泵浦外，但有些泵浦能将气体排至大气压力，有些则否。每种泵浦排气口所需要棉队的压力，称为该泵浦之排气压力。23抽气时间泵浦抽气速率（S）大小的要求完全决定于所需之工作压力（P）真空室体积（V）以及抽气时间（t），若工作压力远大于终极压力则压力之降与时间之关系为 若S之大小与P无关而为一常数，则泵浦在时间t=0时由760torr开始抽气，抽气速率S与时间t及压力P之关系可求之如下 24真空
15、泵浦之种类及应用范围：泵浦的分类原则上以泵浦对于将排除的气体或液体做何种方式的处理来区分，倘若是将该气体或液体由一处转移至另一处，我们称之为转移式的泵浦，倘若是将气体或液体让泵浦本身给予消耗掉则称之为吸附性泵浦。前者是用来针对大量的气体或液体，通常用在由大气压至高真空使用，而后者则是针对超高真空。泵浦的分类：真空泵浦的分类大致如下： 2526各种真空泵浦之应用范围： 各种真空泵的工作压力范围27七、厂务制程真空系统：厂务制程真空系统由真空泵浦、真空桶槽及管路组成，用来提供制程设备之吸盘或吸笔来传诵晶片或玻璃，一般系统设计时真空泵浦台数为100%2或50%3，以防止万一泵浦故障或跳脱时另一台可立
16、即启动支援，避免系统当机。由于厂务制程真空度之要求为50200Torr Abs之间，故其泵浦型式大都为正位移排气式真空泵浦，例如油叶片回转式，水封式等。 28抽气量（抽气速率）在设计规划厂务制程真空系统时，首先要知道系统之抽气量，原则上抽气量需依制程设备之公用系统需求统计表（Utility Matrix）之统计资料得来，但由于制程设备之规格确认需考量整体制程产量、制程条件、生产线布置（Layout）等因素综合考量，故在规划或设计厂务制程真空系统之初时可能无法得到正确统计量，故可依下列资料数字概算抽气量之值： Qs=LA 注：1.上述面积是以生产区全部面积计算（含生产区走道部分）2彩色滤光片厂约1.4LPM/m2L：每m2之流量（LPM/m2）半导厂23光电厂1.5329一般在决定抽气量时，因管路实际配置上之压损，如大小头、弯头等会产生压损，故在决定抽气量时，如为依据公用系统要求统计表时应再加上安全系数1020%之流
