第4章-真空

《第4章-真空》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第4章-真空（16页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、 真真 空空 4.1 真空在真空在 LCD 制造制造过过程中的作用程中的作用 真空技术被广泛地应用到各个领域，如表 4-1，在我们身边有很多真空应用的例子， 比如：电灯泡、荧光灯、电动吸尘器、CRT 等。 表 4-1 真空应用领域和例子 应用领域 应用例子 电子IC、LSI、LCD（成膜、刻蚀、离子注入、电子束）、CRT、电子管 冶金 真空溶解、真空铸造、晶体拉升 航天航空 人造卫星、火箭、模拟宇宙空间、真空润滑 光学 透镜镀膜、激光、滤光片 能源 核反应堆、太阳能电池元器件 原子核物理加速器 分析 电子显微镜、质量分析仪、元素分析仪、X 线分光仪、表面分析仪 食品、药品食品干燥、冷冻干燥、蒸

2、馏、脱泡？ 搬送真空搬送 如果对容器抽气达到真空状态，会出现以下 5 个特征： 产生压力差 当对容器抽气时，容器内的压力减少，产生压力差。 应用设备：ODF、Autoclave（高压釜） 水分、溶剂蒸发 当容器内的压力减少，空气中的水分和溶剂会蒸发。 应用设备：Photo（减压干燥） 气体分子的平均自由程变长（参考图 4-1） 气体的分子数减少，分子间撞击几率变小，运行距离（自由程）变长。平均自由程变长， 能长时间、稳定地维持电子和等离子。 应用设备：CVD、PVD、Dry etching 、电子束检测设备 脱气 从金属表面放出水分以外的气体成分。 长时间维持表面清洁 气体分子数变少，污染表面

3、的物质也变少。 （A）气体分子多; 气体分子之间撞击多（B）气体分子少; 气体分子之间撞击少 图 41 真空容器中气体分子运动的情况（箭头的长度表示自由程） 4.2 真空的分类 真空的压力单位采用国际单位，但是也有采用旧的单位，另外还有其他的单 位 mbar、atm。 表 4-2 压力单位的换算 PaTorrmbar 1 Pa 1 Torr 1 mbar 1 atm (大气压) 1 133 100 1.01105 7.510-3 1 0.75 760 110-2 1.33 1 1010 当压力发生变化，气体分子的个数、平均自由程也发生大的变化（表 4-3）。LCD 制 造中使用的真空设备，根据

4、真空的特性在不同的范围使用，所以各不相同。 一般表示真空的程度的词语有接近大气压的“低真空”、还有随着真空度的变高出现 “中真空”、 “高真空”、 “超高真空”等称呼。 LCD 制造过程中使用的真空设备主要是“中真空”设备。 表表 真空的分真空的分类类 卫星 760 10 2 10 1 10 -1 10 -2 10 -3 10 -4 10 -5 10 -6 10-7 10 -8 10 -9 10 -10 10 -11 10 -12 Torr 105104103102 101 10-110-210-310-410-510-610-710-810-910-10 P Pa a 压压的的压压差差00.

5、90.990.9990.9999 kgw/cm2 2.7*10 19 2.7*10 16 2.7*10 13 2.7*10 10 2.7*10 7 2.7*10 4 /cm3 7*10 -6 7*10 -3 7 7*10 3 7*10 6 7*10 9 cmN2 4.3 真空的产生 真空主要通过真空泵来产生。真空泵的工作原理有多种，有把气体排放到大 气中产生真空；也有通过吸附气体分子产生真空。 如表 4-3 所示，真空的压力范围非常宽，从近似于大气压的压力到宇宙空间 的压力，其气体分子的个数有 14 位以上的数量级差别。目前，能够对应如此广范 围的真空泵是不存在的，需要组合多种真空泵来产生。

6、表 4-4 真空泵的组合例子 低真空抽气低真空抽气中真空抽气中真空抽气高真空抽气高真空抽气 Loading Lock ChamberDry PumpRoot Pump CVD Process ChamberDry PumpRoot Pump Dry Etching Process ChamberDry Pump Turbo Molecular Pump PVD Process ChamberDry PumpRoot PumpCryo Pump LCD 制造中使用的真空设备对泵的性能作如下要求： 具有排放大容量气体的能力； 能耐反应性气体和腐蚀性强的气体； 无油扩散（防止真空室的污染）。 在 L

7、CD 的制造初期，真空设备上的泵多使用油泵。油泵易受到反应性气体 和腐蚀性气体的影响，出现油劣化和少量的油进入到排气系统等问题。因此，最 近多使用干泵（Dry Pump） (无油)。 为提高 PVD 设备成膜室的真空度（除去不纯物质），使用物理吸附的低温冷 凝泵（Cryo pump）。低温冷凝泵与具有旋转结构的干泵和涡轮分子泵相比，前者 没有旋转结构，而是产生超低温度 20K(-253)来吸附气体分子。它是物理吸附 方式的真空泵，气体分子滞留在泵内，必须定期排放出去。 表表- 真空真空泵泵的工作原理和的工作原理和圧圧力范力范围围 油泵 干泵 分子泵 冷凝泵 105104103102 101 1

8、0-110-210-310-410-510-610-710-8 泵 type Root type Turbo molecular 扩 Cryo Getter 4.3.1 油封式油封式机械机械泵泵 油封式机械泵是从大气开始抽气，是使用得最多的泵。下面以图 4-2 旋片型机械泵为 例进行说明。2 片旋片在真空泵腔内转动，吸入的气体直接送到排气口。旋片和腔内之间 的空隙用油密封，所以被称作油封式机械泵。正因为这种结构，油会从油封式泵的排气口 排出，所以需要在排气口处安装过滤油的过滤器（Oil Mist Trap）。此外，如果用于腐蚀性 气体，为防止油的劣化，多使用含氟成分的合成油。油封式机械泵耗油量

9、很大，需要重点 管理油的消耗量。 4.3.2 罗罗茨茨泵泵 罗茨泵与油封式机械泵或干泵串联起来，能提高排气速度和压力。 （别名是 Mechanical Booster Pump） 罗茨泵的茧型转子快速转动进行排气，泵腔内不需要油来密封，所以排气过程没有 油的污染。 图 42 油封式泵原理图图 43 罗茨泵原理图 4.3.3干干式真空式真空泵泵 干式真空泵的腔体内不需要油。近几年，干式真空泵逐渐替代油封式机械泵，作为 从大气压开始粗排气的真空泵被广泛使用。干泵的转子形状因不同的厂家各不相同， 有叶型、螺杆型等。 （图 4-4） 图 4-4 螺杆型干式真空泵图 4-5 涡轮分子泵 4.3.4 涡轮

10、涡轮分子分子泵泵 在分子领域内排放气体而获得高真空的机械泵称作涡轮分子泵。如图 4-5 所示，涡轮 分子泵的叶片带着一定的角度高速转动，给气体分子传递动能。多个叶片，再组合 2 到 3 种叶片的角度，就能获得高真空排气。一般来说，分子泵和干式真空泵组合使用的情况比 较多。 4.3.5 低温低温吸附吸附泵泵 前面介绍的真空泵是带有旋转结构的机械泵，下面介绍物理吸附的冷凝泵。 低温冷凝泵是由产生超低温的氦循环制冷机和泵体构成的。如图 4-6 所示，泵体有 1520K 和 7780K 的冷却面，冷却面起冷却、凝固气体的作用，从而实现抽气。冷却面 是由多孔物质组成，拥有大面积的吸附面。 图 4-6 低

11、温冷凝泵的主体 20K 冷却面能吸附的物质：N2、Ar、CO 、CO2、O2 77K 冷却面能吸附的物质：H2O、Cl2 机械泵的口径变大时，在加工和驱动上都很难，但是低温冷凝泵的大口径却很容易 转叶片 获得，所以有助于提高 LCD 制造中使用的真空设备的性能。 4.4 真空真空设备设备的的结结构和构和规规格格 真空设备由以下 3 大要素构成： 抽气设备（Pump） 真空计（Vacuum Gauge） 真空部件（Vacuum Parts） 在前面已经介绍了真空泵，下面介绍真空计和真空部件。 4.4.1 真空真空计计 测量真空度被称为压力测量。压力测量的方法有以下 4 种，请参考表 4-6。 利

12、用气体分子挤压容器壁的力 利用气体分子热传导 利用在真空中运动的物体受到来自气体分子的阻力 测量气体分子的密度 这四种方式中，和可以测大气压中真空；可以测中真空；可以测高真 空超高真空。但是，真空计和真空泵一样，没有一种真空计可以连续地从大气压测到超 高真空，所以一般组合几种真空计，或选择符合目标压力范围的真空计。 这里介绍 LCD 制造过程中所使用的有代表性的真空计。 4.4.2 皮拉尼真空皮拉尼真空计计 在真空中放置发热体，由于气体分子的热传导作用，会带走热量。皮拉尼真空计就是利 用这种现象，发热体的温度因热传导而变低，电阻也变低，然后通过桥式电路来检测。 图 4-7 皮拉尼真空计和桥式电

13、路 这种热传导真空计，灵敏度因不同比热的气体而不同，并且不能用于腐蚀性气体环 境进行测量。在 LCD 制造设备中，主要使用在 Loading Lock 上。 表表 圧圧力力测量测量方式和方式和范围范围 105104103102 101 10-110-210-310-410-510-610-710-810-9 测量气体分子挤压容器壁的力 测量气体分子带走热量的能力 测量在真空中运动的物体受到来自气体分子的电阻 测量气体分子的密度 计 热阴极电离计Schultz 极 计计 计 计 阴极电离计 宁计 银压差计 McLeod Pirani 热偶 Spiningrortar 计 Diaphragm 热传

14、导 4.4.3 Diaphragm 真空真空计计 图 4-8 Diaphragm 真空计的结构 Diaphragm 真空计的结构如图 4-8 所示，在测量口直接测量真空压力。用薄金属 膜隔离的右边是高真空。当测量口的压力发生变化时，金属膜变形，那么金属膜与电 极的间隔会发生变化，检测金属膜与电极之间的静电容的变化就可以得到测量的真空 度。静电容的变化一般采用前面提到的桥式电路来测量。 Diaphragm 真空计使用耐腐蚀的金属膜，膜的劣化比较少，也不会随时间而发生 变化，所以多用于测量真空设备的工艺腔的压力。 4.4.4 B-A Gauge 通过计数气体分子的个数来测量真空压力的真空计是电离真空计。这里介绍被广 泛使用的 B-A Gauge（参考图 4-9）。B-A Gauge 是热阴极电离真空计的一种，利用灯丝 产生的热电子电离气体。离子被收集到收集器里，测离子电流，然后把离子电流换算 成压力。与许多真空计一样，收集器上附有不纯物，就不能正确测量真空度。所以 B-A Gauge 自身带有排气功能。 图 4-9 B-A Gauge 的结构 4.4.5 其他真空其他真空计计 冷阴极电离真空计与热阴极电离真空计不同，不是利用