现代真空获得设备的最新进展

【作者】 刘坤； 巴德纯； 张振厚； 王光玉； 岳向吉； 杨乃恒；

【机构】 东北大学机械工程与自动化学院真空与流体工程研究所； 中国科学院沈阳科学仪器研制中心有限公司；

【摘要】 近年来,受半导体制造、液晶注入、太阳能光伏、电子器件、薄膜等新兴行业和化工、制药等传统行业的带动,真空应用的领域在不断地扩大,抽气工艺也越来越复杂,对真空泵的要求也越来越高。作为核心装备之一,真空泵的研制和生产越来越受到重视。以IC生产线的几种典型工艺为例,比如CVD和外延工艺、化合物半导体CVD工艺、刻蚀工艺、.离子注入,要求真空泵工作温度高、长期运转稳定、噪声低、维护简单、清洁无油等;另一方面,应用于传统工艺的干泵,以石化行业为例,通常对真空泵在环保节能、耐腐蚀、全封闭防泄漏等方面,有较高的要求。其他场合如Load-lock,要求真空泵在十秒量级内达到中高真空,且反复充气、具备极高的可靠性。目前国内在真空泵的研发方面,除了加工及装配要求精度高、加工难度大、一次性投入昂贵等制约因素外,其设计理论和制造工艺亟待提高,尤其包括罗茨型线的改善、加工成本的降低、间隙的确定、泄漏量的计算、泵内的热力学分析、转子表面涂层、噪声振动等难点问题,制约了多级罗茨干泵研制和生产。近年来,由于国外加工中心的大量引进和国内机床厂家的产品提升,使得零件加工不再是限制真空泵发展的瓶颈问题,随之而来的必然给真空泵尤其是干式真空泵带来一个高速发展阶段。然而,面对众多新兴行业的高速发展,如何保证真空泵能够应对各种苛刻的工艺流程?如何将平均故障间隔时间(MTBF)最大化?这些有时互相矛盾的要求都是真空获得设备满足行业发展所面临的挑战。在干式真空泵的研制方面,由于产业技术门槛高,集成了真空技术、精密机械加工技术、自动控制技术等多个学科的前沿高新技术和特种加工工艺,长期以来一直为国外企业所垄断。近年来,在国家重视IC装备等新兴行业的强烈需求下,在干式真空泵的研发过程中,大量新技术和新手段的应用,已经大幅度地提高真空泵的水平。比如在设计方面,基于温度场的热分析、基于流固耦合的流场分析和基于强度计算的结构优化设计,已经使国产干式真空泵的质量有了质的飞跃。我们可以欣慰的看到,国内企业研制的一些干泵产品在性能上不低于国外同类产品,也正在逐步占领和扩大市场。在高真空泵方面,分子泵已经无疑成为主流。在结构方面,涡轮分子泵是较为成熟的产品,目前最大的分子泵吸气口径为400mm,抽速可达3500 l/s。复合分子泵则在排气侧串联牵引级以提高排气压力,较为成熟的是盘式牵引级。近年来,不少设计也采用筒式牵引级的复合分子泵。研发实践中,也有采用"涡轮级+牵引级+再生级(或称漩涡级)"的串联分子泵结构,可以使得分子泵直排大气。各种不同结构的分子泵的级联,产生了许多性能优异而又适合不同发展场合需要的新型分子泵,这是近几年来分子泵发展的显著特点。就真空泵的理论研究和产品设计实践来看,目前主要有以下几个发展方向:(1)完善设计理论,提高产品可靠性。干泵设计理论亟待提高,尤其包括型线的改善、加工成本的降低、间隙的确定、泄漏量的计算、泵内的热力学分析等。(2)提高加工精度,降低运转和维护成本。工艺和技术的创新对真空设备提出了更高的要求,真空泵生产厂家所面临的最主要的挑战是如何平衡客户对低成本的要求和适用于苛刻工艺要求的真空泵。(3)提高于泵的自动化和智能化程度。今日的干泵已非单纯的机械产品,而是技术含量高的机电一体化的高科技产品。(4)研究各种真空泵的使用环境、开发适合于特定工艺的真空泵。同种原理和结构的真空泵,在适用不同抽气工艺时,在冷却方式、间隙设置、表面处理、控制方式等各方面各有不同,应进一步研究各种抽气工艺的特点和要求,进而对真空泵提出不同的设计要求。更多还原