干式泵抽除顆粒物的措施與方法

2009-03-11 楊乃恒東北大學(xué)

在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)為主要應(yīng)用對(duì)象的干式泵會(huì)因許多工藝過程的抽氣而出現(xiàn)一些顆粒物, 以前用PFPE油的油封式機(jī)械泵, 有油封作用, 因此成了顆粒物的捕集器, 混在油里的顆粒物過濾除掉, 造成維護(hù)工作量加大, 運(yùn)行成本也提高了。

在半導(dǎo)體工業(yè)中使用的氣體和反應(yīng)生成物都要通過泵中, 這些物質(zhì)與空氣和濕氣混合,能形成氧化物, 有些能自燃引起爆炸,因此在半導(dǎo)體工藝中使用的真空泵要經(jīng)過這些惡劣環(huán)境的考驗(yàn)。一般來說, 在真空泵中出現(xiàn)顆粒物有三種情況。

① 有時(shí)泵內(nèi)壓力增高,而引起氣固變態(tài)過程的發(fā)生;

② 在泵內(nèi)氣體成分的反應(yīng)生成物。

③ 抽氣過程混入的顆粒物。

防止顆粒物在泵中形成是最好的措施: 一般物質(zhì)的升華是壓力和溫度的函數(shù),各種物質(zhì)都不相同,若簡(jiǎn)單調(diào)整泵的溫度也可避免氣固變態(tài)過程的發(fā)生。例如在Al刻蝕過程中,反應(yīng)生成物AlCl3,由蒸汽壓表明, 在溫度> 80℃時(shí)AlCl3就揮發(fā)了, 如果能控制泵溫,AlCl3的沉積就可以避免。由此可見不是泵溫越低越好。單位時(shí)間形成顆粒物的數(shù)量用反應(yīng)率來表示

式中　r ——反應(yīng)率 T ——熱力學(xué)溫度

　 K0——常數(shù) Ci——成分i的濃度

　 E ——激活能ni ——Ci的指數(shù)

　 R ——氣體常數(shù)

從公式得知, 減少濃度是降低生成顆粒物的有效的辦法。而且充入惰性氣體也是最容易實(shí)現(xiàn)的。改變公式中的E和T是有局限性的。這種反應(yīng)在高壓下容易發(fā)生, 因此在泵的壓縮開始之前就通入惰性氣體才行。

這種方法也可以防止CVD過程中出現(xiàn)爆炸的危險(xiǎn), 引入惰性氣體N2,使其濃度降低到低于著火極限,在這種條件下,反應(yīng)率很低不會(huì)有爆炸發(fā)生。直到現(xiàn)在, 還不能完全阻止顆粒物在泵腔內(nèi)生成。為了保證顆粒物處于懸浮狀態(tài), 防止沉積, 氣體的流動(dòng)速度必須大于顆粒的臨界速度(即最大的降落速度)。

顆粒的臨界速度和壓力之間的關(guān)系, 如圖17所示,顆粒尺寸對(duì)其臨界速度的影響很大,要保證小的臨界速度Vt,顆粒也要很小,才能很好的被抽走。

圖17　顆粒物的臨界速變與壓力的關(guān)系

泵內(nèi)的壓縮過程氣流的速度Vgas可由下式計(jì)算

式中　Qpv——為氣流量

　 P——壓力

　 A ——流道的斷面積

若壓力P增加會(huì)引起氣流速度下降。隨著壓力增加, 氣流速度達(dá)到或大于臨界速度,使顆粒物處于懸浮狀態(tài)。顆粒物的形成也多半在壓力增高時(shí)發(fā)生。如向泵內(nèi)及早充入氣體, 以使顆粒尺寸還小, 有盡可能小的臨界速度, 充入的氣體量要大,使氣流速度大于臨界速度,保證了顆粒物實(shí)現(xiàn)氣力輸送,這樣一來每級(jí)卻都要充入氣體, 充入的氣體量與壓力成正比,以保證有足夠的氣流速度。

充入氣體量對(duì)泵的性能是有影響的, 要滿足性能要求才行。

如泵在極限壓力下運(yùn)行, 即