半导体设备用分子泵简介（上）
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编者按
该篇文章的内容完全来自于网络。半导体设备用分子泵与传统意义上的离心泵完全不同，也不是《泵沙龙》的专业。之所以会推出该专题，是因为它是芯片制造工艺中的关键设备（属于卡脖子技术），广泛应用于光刻机、薄膜沉积设备、刻蚀设备、离子注入机等。《泵沙龙》在此仅抛砖引玉，一方面希望能引起更多方面的关注，另一方面期盼有更多的有志者投身到该行业之中（这其中，就有我的一位好朋友）。同时，借此向那些为中国光刻机技术的发展努力奉献的人们致敬！
另外，如果有专门从事分子泵技术工作的朋友，欢迎投稿 - 从专业角度来谈一谈国内外技术差距及发展方向。
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前言
芯片是未来众多高技术产业的食粮，芯片设计制造技术成为世界主要大国竞争的最重要领域之一。而芯片生产设备又为芯片大规模制造提供制造基础，因此更是整个半导体芯片产业金字塔顶端的尖尖。
光刻机是芯片制造的核心设备之一，按照用途可以分为好几种：用于生产芯片的光刻机；用于封装的光刻机；还有用于LED制造领域的投影光刻机。用于生产芯片的光刻机是中国在半导体设备制造上最大的短板，国内晶圆厂所需的高端光刻机完全依赖进口[1]。
在高端光刻机上，除了龙头老大ASML，尼康和佳能也曾做过光刻机，而且尼康还曾经得到过Intel的订单。但是近些年，尼康在ASML面前被打的毫无还手之力，高端光刻机市场基本被ASML占据。在这方面，我国……似乎还有一段很长的路要走。
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在芯片制造设备中会用到哪些泵呢？
分子泵是利用高速旋转的转子把动量传输给气体分子，使之获得定向速度，从而被压缩、被驱向排气口后为前级抽走的一种真空泵。半导体的各种生产工艺都需要在分子泵维持的高真空环境下进行，因此对真空系统和真空设备的洁净度也有着很高的要求。在半导体生产制造工艺中，分子泵广泛应用于光刻机、薄膜沉积设备、刻蚀设备、离子注入机等关键设备…
按照不同工作原因，大致可分为以下三类：
涡轮式分子泵：利用高速旋转的动叶片和静止的定叶片相互配合来实现抽气的分子泵。
牵引式分子泵：气体分子与高速旋转的转子相碰撞而获得动能，被驱送到泵的出口的分子泵。
复合式分子泵：能在高压区域保持较高的抽气性能，在原有的涡轮分子泵的高压侧配置了螺旋式的牵引分子泵，将两种泵的抽气单元串联的分子泵。
按照不同产品类型，包括如下几个类别：
油润滑分子泵
脂润滑分子泵
磁悬浮分子泵
按照不同应用，主要包括如下几个方面：
光刻机
薄膜沉积设备
刻蚀设备
离子注入设备
其它
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分子泵的发展[2]
1912年，德国人W.Gaede发明了世界上第一台分子泵，它的转子直径为50 mm，转子上切有8个尺寸不同的槽，转速为12,000 r/min，抽速约为1.5 L/s。这种泵的工作原理与现代分子泵的工作原理一致，但由于故障多，很快就被淘汰，未能普及。
1926年，M.siegbahn在瑞典的大学实验室中开发了一种盘型分子泵，其结构与现代牵引式分子泵相似，泵体上开有螺旋槽，转子为一圆盘。1939年，LEYBOLD公司生产制造过两台，直径540 mm，槽的尺寸：内侧为22 mm×22 mm，外侧为22 mm×1 mm，转速3,700 r/min，抽速可达73 L/s。
早期的分子泵均为牵引式分子泵，这种泵的体积大，抽速小，间隙小，故障多，应用时受到很多限制，所以只能在一些特殊领域使用，未能普及。
1957年，德国PFEIFFER公司的W.Becker发明了一种新型的分子泵，命名为涡轮分子泵。其结构为卧式，泵腔内装有动、静叶列，气体由位于泵中央的吸气口进入，经抽气通道流至泵体两侧，被叶列压缩最终由排气口排出。此涡轮分子泵转子由19级叶列组成，直径170 mm，转速为16,000 r/min，抽速为140 L/s。
1966年，法国SENCMA公司开发了一种14级叶列的立式涡轮分子泵，其转子直径为286 mm，转速为12,000 r/min，抽速为650 L/s，开创了立式涡轮分子泵的先河。
我国的涡轮分子泵行业起步比较早，1964年，上海真空泵厂成功地研制了FW-140型卧式涡轮分子泵，填补了我国在这一领域的空白。但由于在设计、加工及磁悬浮技术应用等方面的不足，涡轮分子泵在我国仍处于较为落后的境况。
当前，现代分子泵的基本结构基本定型为为卧式和立式两种。卧式分子泵具有抽气时转子受力均匀，轴承定位受力状态好，使用寿命长，轴承更换过程中转子位置不动，维修方便等特点。立式分子泵的装配工艺要比卧式分子泵简单，所以近些年立式分子泵的发展速度很快。
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分子泵简介
从分子泵诞生至今，已有近百年的历史，随着各项科学技术的不断进步，分子泵技术也取得了许多创新与突破，现代分子泵（见图1）更是朝着智能、灵活、高效的方向发展。
图1 - 现代分子泵结构图（参考）
近些年随着控制理论与计算机技术的飞速发展并应用于分子泵上，使分子泵实现了电脑控制，从而实现了远距离控制泵的起动、停车及调速，同时基于信息技术可建立完善的安全及监控系统，使分子泵朝向智能化方向发展。
抽速是分子泵的核心参数，提高转速是加大抽速最为直接的方法之一，随着动平衡技术的发展，分子泵转子可顺利地在超高转速下稳定运转。随着材料科学的发展，分子泵转子材料也发生了变化，可用硬铝合金、碳纤维、钛合金等高硬度材料制成，这使转子的转速得到进一步提高。
涡轮分子泵
涡轮分子泵是通过高速旋转的动叶片和静止的定叶片相互配合实现气体的抽取，获得超高真空的一种机械真空泵。该泵通常在分子流状态下工作，工作压力范围为10-1 Pa ～ 10-8 Pa，使用范围很宽10,000 r/min ～ 60,000 r/min。
涡轮分子泵是在分子流动状态下，利用机械动能气体使分子直接压缩并流动的真空泵。分子泵是获得清洁真空环境的理想选择。由于涡轮分子泵在某些情况下优于低温泵、离子泵和扩散泵，因此，一般情况下选择涡轮分子泵。
1） 涡轮分子泵结构原理[3]
涡轮分子泵是高或超高真空泵（见图2），主要由转子和定子两个部分组成。一个旋转的转子盘和一个静止的定子盘组成了一个泵级，泵级产生一个特定的压缩比。通过连续开启增加压缩效果的多个泵级，可以获得高达 1013的压缩比。例如，现代真空泵在后侧使用霍尔维克级（Holweck），减少了涡轮级的数量而不影响压缩效果。与此同时，一些生产商可能将允许的前级管道压力增加至 30 hPa 以上，极大减小了前级泵的尺寸，并可首次使用隔膜泵。
图2 – 涡轮分子泵结构图
参考文献
[1] 制造一枚合格的芯片都需要哪些设备？搜狐网
[2] 涡轮分子泵特性及磁悬浮技术的应用，真空技术网
[3] 涡轮分子泵使用常见问题及维护保养方法，知乎
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