分子泵簡(jiǎn)介及應(yīng)用

1、分子泵起源 分子真空泵是在 1911 年由德國(guó)人蓋德(w gaede) 首先發(fā)明的，這種分子泵是在 分子流區(qū)域內(nèi)靠高速運(yùn)動(dòng)的剛體表面?zhèn)鬟f 給氣體分子以動(dòng)量，使氣體分子在剛體表 面的運(yùn)動(dòng)方向上產(chǎn)生定向流動(dòng)，從而達(dá)到 抽氣的目的。通常把用高速運(yùn)動(dòng)的剛體表 面攜帶氣體分子，并使其按一定方向運(yùn)動(dòng) 的現(xiàn)象稱為分子牽引現(xiàn)象。因此，人們將 蓋德發(fā)明的分子泵稱為牽引分子泵。牽引分子泵的優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)時(shí)間短， 在分子流態(tài)下有很高的壓縮比，能 抽除各種氣體和蒸汽，特別適于抽 除較重的氣體。但同于它自身的弱 點(diǎn)：抽速小，密封間隙太小，工作 可靠性較差，易出機(jī)械故障等，因 此除特殊需要外，實(shí)際上很少應(yīng)用。分子泵抽氣原理

2、分子泵輸送氣體應(yīng)滿足二個(gè)必要條件： 1). 分子泵必須在分子流狀態(tài)下工作。 因?yàn)楫?dāng)將一定容積的容器中所含氣體的壓力降低 時(shí)，其中氣體分子的平均自由程則隨之增加。在 常壓下空氣分子的平均自由程只有 0.06 m ，即 平均看一個(gè)氣體分子只要在空間運(yùn)動(dòng) 0.06 m ， 就可能與第二個(gè)氣體分子相碰。而在 1.3pa 時(shí)， 分子間平均自由程可達(dá) 4.4mm 。在分子流范圍 內(nèi)，氣體分子的平均自由程長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于分子泵葉 片之間的間距。當(dāng)器壁由不動(dòng)的定子葉片與運(yùn)動(dòng) 著的轉(zhuǎn)子葉片組成時(shí)，氣體分子就會(huì)較多地射向 轉(zhuǎn)子和定子葉片，為形成氣體分子的定向運(yùn)動(dòng)打 下基礎(chǔ)。 2). 分子泵的轉(zhuǎn)子葉片必須具有與氣體分子

3、速度相近的線速度。具有這樣的高速度才 能使氣體分子與動(dòng)葉片相碰撞后改變隨機(jī) 散射的特性而作定向運(yùn)動(dòng)。分子泵的轉(zhuǎn)速 越高，對(duì)提高分子泵的抽速越有利。實(shí)踐 表明，對(duì)不同分子量的氣體分子其速度越 大，泵抽除越困難。 例： h2 在空氣中含量甚徽，但由于 h2 分子具有很大的運(yùn)動(dòng)速度 ( 最大 速度為 1557m /s) ，所以分子泵對(duì) h2 的 抽吸困難。通過(guò)對(duì)極限真空中 殘余氣體的分析，可發(fā)現(xiàn)氫氣比重可達(dá) 85 ，而分子量較大，而運(yùn)動(dòng)速度慢的油分 子所占的比重幾乎為零。這就是分子泵對(duì) 油蒸氣等高分子量的氣體的壓縮比很高， 抽吸效果好的原因。渦輪分子泵 渦輪分子泵是由一系列的動(dòng)、靜相間的葉輪相互 配

4、合組成。每個(gè)葉輪上的葉片與葉輪水平面傾斜 成一定角度。動(dòng)片與定片傾角方向相反。主軸帶 動(dòng)葉輪在靜止的定葉片之問(wèn)高速旋轉(zhuǎn)，高速旋轉(zhuǎn) 的葉輪將動(dòng)量傳遞給氣體分子使其產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)。 從而實(shí)現(xiàn)抽氣目的 。優(yōu)點(diǎn)：由于渦輪轉(zhuǎn)子葉片大大增加了抽氣面積， 放寬了工作間隙，壓縮比和抽速有顯著的提高 1) 臥式渦輪分子泵 臥式渦輪分子泵特點(diǎn)是 其轉(zhuǎn)子主軸水平布置。 這種結(jié)構(gòu)的分子泵是雙軸流的，吸氣口在 兩組抽氣單元的中央，氣體吸入后，分別 被左右兩側(cè)的葉列組合抽走。軸承分別裝 在各抽氣單元的排氣側(cè)， 特點(diǎn)是抽氣時(shí)轉(zhuǎn)子受力均勻，軸承定位、 受力狀態(tài)好，使用壽命長(zhǎng)，且軸承更換過(guò) 程中，轉(zhuǎn)子位置不動(dòng)，維修方便。 2)

5、立式渦輪分子泵 其轉(zhuǎn)子軸垂直安裝，只有一組抽氣組合葉 列。轉(zhuǎn)子葉輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，被抽氣體沿著 轉(zhuǎn)子組和定子組自高真空端向低真空端壓 縮，被驅(qū)向前級(jí)，由前級(jí)泵抽走。泵由泵 殼、渦輪葉列組件和電動(dòng)機(jī)等組成。現(xiàn)代 渦輪分子泵轉(zhuǎn)子和定子之間的間隙較大， 通常在 lmm 左右，因此泵工作時(shí)很安全。軸承潤(rùn)滑 有油脂潤(rùn)滑、油繩潤(rùn)滑和離心供油潤(rùn)滑等 方式。分子泵軸承潤(rùn)滑油的性能必須具備 以下三個(gè)條件，才能滿足泵的工作要求： a. 高速下具備良好的潤(rùn)滑性能； b. 飽和蒸氣 壓低于前級(jí)泵工作液的飽和蒸氣壓 c. 粘 度適當(dāng)，使之兼有軸承冷卻液的作用。復(fù)合式分子泵 復(fù)合式分子泵是渦輪分子泵與牽引分子泵 的串聯(lián)組合

6、。 在很寬的壓力范圍內(nèi) (10-6 1pa) 具有較 大的抽速和較高的壓縮比，大大提高了泵 的出口壓力。法國(guó) alcate 公司生產(chǎn)的一種 采用氣體靜壓軸承和動(dòng)密封的復(fù)合分子 泵，可以做到完全無(wú)油。 縮短了系統(tǒng)的抽氣時(shí)間，并可獲得無(wú)油污 染的清潔真空環(huán)境。分子泵在系統(tǒng)中的應(yīng)用 隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)真空系統(tǒng)也提出了 新的要求，特別是對(duì)超高真空和無(wú)油真空環(huán)境的 需求，使得過(guò)去大量使用的擴(kuò)散泵抽氣系統(tǒng)已不 能適應(yīng)無(wú)油清潔超高真空的要求。 分子泵適用于在要求清潔的高真空和超高真空的 儀器及設(shè)備上使用。也可用來(lái)作為離子泵、升華 泵、低溫泵等氣體捕集超高真空泵的前級(jí)預(yù)抽真 空泵使用，這將獲得更低的極

7、限壓力或更清潔的 無(wú)碳?xì)浠衔锏恼婵窄h(huán)境。 以上結(jié)構(gòu)圖是分子泵常用情況，實(shí)際的應(yīng) 用需視具體設(shè)備而定； gate valve：位于分子泵前端，閥體較大，屬閘板閥，開(kāi)關(guān)速度有的可調(diào)節(jié)，真空異 常時(shí)，閥的關(guān)閉速度是保護(hù)分子泵的關(guān)鍵。 生成物較多，會(huì)造成關(guān)閉不嚴(yán)，而無(wú)法起 到保護(hù)作用。需定期清潔保養(yǎng)測(cè)試。 vac test point1：位于被抽單元或 gatevalve 口附近，與 gate valve 構(gòu)成 interlok，分子泵端口極限真空為 500mtorr，設(shè)定值 建議為 300mtorr 以下。 rough valve：粗抽閥，當(dāng) chb 真空較低時(shí)，絕對(duì)不能打開(kāi) gate valve

8、 用分子泵抽真 空。在確認(rèn) gate valve 和 foreline valve 關(guān) 閉的情況下，開(kāi)啟 rough valve，抽 chb 真 空到 300mtorr 以下。一般 rough valve & foreline valve & gate valve 相互有 interlok，需測(cè)試確 認(rèn)功能是否正常，也需防止誤操作（解除 interlok 情況下，開(kāi)關(guān)不 受影響，而不致分子泵損壞）。 soft valve：細(xì)（慢）抽閥，防止壓差過(guò)大而起塵。chb 大氣時(shí)，一般先用此閥抽。 purge n2：有些制程會(huì)產(chǎn)生大量粉塵，因分子泵底部有用于冷卻分子泵的冷卻盤， 會(huì)致大量積塵于冷卻部分，

9、用 n2 吹掃可減 少這方面的影響，另外也作冷卻軸承等用 途。此 n2 在分子泵運(yùn)行時(shí)開(kāi)啟，停止時(shí)延 時(shí)關(guān)閉。 protect n2：此 n2 通常情況下是關(guān)閉的。分子泵高速運(yùn)轉(zhuǎn)中，突然出現(xiàn)真空或其他 方面的異常時(shí)，分子泵必須盡快停止運(yùn) 轉(zhuǎn)，充入此 n2 可盡快讓分子泵減速，盡 量避免分子泵的損失。 foreline valve：位于分子泵出氣口，真空異常時(shí)，開(kāi)閉速度及是否關(guān)嚴(yán)是保護(hù)分子 泵的關(guān)鍵。同時(shí)管徑小，易積塵，需定期 清洗保養(yǎng)測(cè)試。 vac test point2：位于 foreline valve 與粗抽泵之間，一般使用的是真空開(kāi)關(guān)（一般 真空 sensor 因振動(dòng)或熱源易損壞）。與

10、 foreline valve 構(gòu)成 interlok，分子泵排氣口極限真空為 3torr，這樣壓差會(huì)較大，設(shè)定 值建議為 500mtorr 以下 分子泵葉片損壞致報(bào)廢主要原因：1. 進(jìn)排氣口壓差瞬間過(guò)大；a 進(jìn)氣口壓力過(guò)大；b 排氣口壓力過(guò)大；c 單邊部分壓力過(guò)大（如閥關(guān)閉不嚴(yán) 或部分關(guān)閉等）2. 異物落入；3. 動(dòng)靜片間隙異常；4. 轉(zhuǎn)子部軸承異常損壞等。使用時(shí)應(yīng)注意事項(xiàng) 1. 定期檢查/保養(yǎng)：gate valve & forelinevalve，建議做定期清洗并作漏率測(cè)試； 2. inter lock 測(cè)試； 3. 進(jìn)氣口壓力極限壓力為 500mtorr，排氣口極 力最大為 3torr建

11、議 inter lock 使用:(300mtorr/500mtorr) ；限壓 4.偶爾檢查泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的聲音； 5. n2 purge 流量一般為10sccm30sccm/1kg/cm2 6. 7.冷卻水流量正常油位是否正常，油色是否正常。油的粘稠度、化學(xué)穩(wěn) 定性、冷卻效果很重要，只可使用廠商推薦品牌。磁懸浮式分子泵特點(diǎn)：?jiǎn)?dòng)快，抽速大，高壓縮比，高氣體運(yùn)送比，磨擦系數(shù)小，無(wú)油污染等優(yōu)點(diǎn)。使用的是磁軸承又稱主動(dòng)磁懸浮軸承，是一種轉(zhuǎn)子與定子之間沒(méi)有機(jī)械接觸的新型高性能軸承。它由機(jī)械部件、電控系統(tǒng)、傳感器和輔助軸承等構(gòu)成。利用電磁力作用將轉(zhuǎn)子懸浮于空間，具有無(wú)機(jī)械磨損、能耗低、允許轉(zhuǎn)速高、噪聲少、壽

12、命長(zhǎng)、無(wú)潤(rùn)滑介質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)。選擇磁軸承作為分子泵轉(zhuǎn)子的支承，可以從根本上解決傳統(tǒng)軸承潤(rùn)滑帶來(lái)的潤(rùn)滑油脂的油蒸汽返流對(duì)真空室的污染等問(wèn)題，使磁軸承真空分子泵成為集成電路制造設(shè)備首選的超 高真空獲得設(shè)備 磁懸浮分子泵動(dòng)靜片結(jié)構(gòu)示意圖：靜片動(dòng)片 正常使用時(shí)，動(dòng)片一般位于中線略上方。磁懸浮式分子泵的使用注意事項(xiàng) 1. 分子泵經(jīng)廠家維修返回后，需做動(dòng)靜片間隙調(diào) 整、確認(rèn)。目前我們使用的分子泵為國(guó)外品牌，在國(guó)內(nèi)大部 分的分子泵，暫時(shí)只能做簡(jiǎn)單維護(hù)，一般需送到 國(guó)外維修。由于各國(guó)使用的電壓、頻率、使用環(huán) 境、控制器、甚至電纜長(zhǎng)度不一樣，而出現(xiàn)在廠 家調(diào)整正常后，返回時(shí)仍不能正常使用的情況。 這是因?yàn)榉肿颖玫膭?dòng)片

13、是靠電磁力來(lái)支撐的，當(dāng) 以上因素改變時(shí)會(huì)使分子泵動(dòng)靜片間間距發(fā)生變 化，而工作在臨界或不正常狀態(tài)。 2. 定期檢查后備電池是否滿足要求，有更 換記錄 并每年至少更換一次。- 以上情況，看電池使用時(shí)間和停機(jī)時(shí)間 而定，并貼標(biāo)簽記錄更換時(shí)間；- 當(dāng)然定期測(cè)量電池電壓是一種好的點(diǎn)檢 方法。 建議長(zhǎng)時(shí)間停用的分子泵，控制器開(kāi)啟一段時(shí)間， 電池充滿電后再啟動(dòng)分子泵 3. 分子泵故障或損壞后，建議先判斷故障原因， 分析并作出最有可能的結(jié)論后才重新開(kāi)啟或更換。 - 分子泵異常保護(hù)，肯定是有原因的，再?zèng)]確認(rèn) 原因前，任何再開(kāi)啟試用都是危險(xiǎn)的，可能造成 更大損失（報(bào)廢）- 分子泵已經(jīng)損壞，不必急于換下，一般需確

14、認(rèn) 原因，做真空方面的檢查，找到問(wèn)題點(diǎn)后再拆下 不遲。盲目換上新的分子泵，可能造成再次故 障，風(fēng)險(xiǎn)極大，望三思而后行。 4. 分子泵的送修原則上需要將分子泵，控制器，電纜線一同送 修，同時(shí)需注明所使用的氣體，如有可能也將 使用的電壓及頻率注明清楚。由于將電纜線取下不方便，至少要將分子泵和 控制器一同送修。 5. 作日常點(diǎn)檢和定期（周/月/季)檢查- 正如前面所述，分子泵使用注意事項(xiàng)一 樣，對(duì)于出現(xiàn)的種種可能需所定期檢查， 寫(xiě)入 sop，不因人而變，持之以恒； - 日常點(diǎn)檢：gate valve 前真空，foreline valve 后真空，冷卻水流量，n2 流量，油位 油色（非磁懸浮）等；-記

15、錄的目的是為了觀察變化，如記錄值有 較大變化時(shí)，應(yīng)查找原因并解決。- 周點(diǎn)檢：gate valve, foreline valve, rough valve 漏率 測(cè)試，泵運(yùn)轉(zhuǎn)聲音等監(jiān)聽(tīng)。- 當(dāng)發(fā)現(xiàn)漏率有明顯變化或較大時(shí)，應(yīng)停 止分子泵的運(yùn)轉(zhuǎn)并對(duì)相關(guān)閥體作清洗保養(yǎng)。 安裝后仍要再次做漏率測(cè)試。- 泵運(yùn)轉(zhuǎn)的聲音?？捎靡唤饘贄U接觸分子 泵外殼，聽(tīng)到的應(yīng)是持續(xù)的“嗡嗡”聲，有一 定的規(guī)律，無(wú)斷續(xù)雜音或異響等（這種判 斷需要一定的經(jīng)驗(yàn)積累）。- 月保養(yǎng)或季保養(yǎng)：相關(guān)閥體如長(zhǎng)時(shí)間不 保養(yǎng)，會(huì)有生成物累積于閥體、管道等 部 位，影響閥的關(guān)斷速度，也會(huì)影響分子泵 的使用壽命，需定期清洗，可視生成物的 狀況制定相應(yīng)的保養(yǎng)周期。- gate valve 和 foreline valve 是二項(xiàng)重點(diǎn) 檢查 項(xiàng)，著重關(guān)注。22分子泵的開(kāi)啟和停止- 對(duì)于準(zhǔn)備長(zhǎng)時(shí)間停用的分子泵（12