分子泵简介及应用

1、分子泵起源 分子真空泵是在 1911 年由德国人盖德(w gaede) 首先发明的，这种分子泵是在 分子流区域内靠高速运动的刚体表面传递 给气体分子以动量，使气体分子在刚体表 面的运动方向上产生定向流动，从而达到 抽气的目的。通常把用高速运动的刚体表 面携带气体分子，并使其按一定方向运动 的现象称为分子牵引现象。因此，人们将 盖德发明的分子泵称为牵引分子泵。牵引分子泵的优点是起动时间短， 在分子流态下有很高的压缩比，能 抽除各种气体和蒸汽，特别适于抽 除较重的气体。但同于它自身的弱 点：抽速小，密封间隙太小，工作 可靠性较差，易出机械故障等，因 此除特殊需要外，实际上很少应用。分子泵抽气原理

2、分子泵输送气体应满足二个必要条件： 1). 分子泵必须在分子流状态下工作。 因为当将一定容积的容器中所含气体的压力降低 时，其中气体分子的平均自由程则随之增加。在 常压下空气分子的平均自由程只有 0.06 m ，即 平均看一个气体分子只要在空间运动 0.06 m ， 就可能与第二个气体分子相碰。而在 1.3pa 时， 分子间平均自由程可达 4.4mm 。在分子流范围 内，气体分子的平均自由程长度远大于分子泵叶 片之间的间距。当器壁由不动的定子叶片与运动 着的转子叶片组成时，气体分子就会较多地射向 转子和定子叶片，为形成气体分子的定向运动打 下基础。 2). 分子泵的转子叶片必须具有与气体分子

3、速度相近的线速度。具有这样的高速度才 能使气体分子与动叶片相碰撞后改变随机 散射的特性而作定向运动。分子泵的转速 越高，对提高分子泵的抽速越有利。实践 表明，对不同分子量的气体分子其速度越 大，泵抽除越困难。 例： h2 在空气中含量甚徽，但由于 h2 分子具有很大的运动速度 ( 最大 速度为 1557m /s) ，所以分子泵对 h2 的 抽吸困难。通过对极限真空中 残余气体的分析，可发现氢气比重可达 85 ，而分子量较大，而运动速度慢的油分 子所占的比重几乎为零。这就是分子泵对 油蒸气等高分子量的气体的压缩比很高， 抽吸效果好的原因。涡轮分子泵 涡轮分子泵是由一系列的动、静相间的叶轮相互 配

4、合组成。每个叶轮上的叶片与叶轮水平面倾斜 成一定角度。动片与定片倾角方向相反。主轴带 动叶轮在静止的定叶片之问高速旋转，高速旋转 的叶轮将动量传递给气体分子使其产生定向运动。 从而实现抽气目的 。优点：由于涡轮转子叶片大大增加了抽气面积， 放宽了工作间隙，压缩比和抽速有显著的提高 1) 卧式涡轮分子泵 卧式涡轮分子泵特点是 其转子主轴水平布置。 这种结构的分子泵是双轴流的，吸气口在 两组抽气单元的中央，气体吸入后，分别 被左右两侧的叶列组合抽走。轴承分别装 在各抽气单元的排气侧， 特点是抽气时转子受力均匀，轴承定位、 受力状态好，使用寿命长，且轴承更换过 程中，转子位置不动，维修方便。 2)

5、立式涡轮分子泵 其转子轴垂直安装，只有一组抽气组合叶 列。转子叶轮高速旋转时，被抽气体沿着 转子组和定子组自高真空端向低真空端压 缩，被驱向前级，由前级泵抽走。泵由泵 壳、涡轮叶列组件和电动机等组成。现代 涡轮分子泵转子和定子之间的间隙较大， 通常在 lmm 左右，因此泵工作时很安全。轴承润滑 有油脂润滑、油绳润滑和离心供油润滑等 方式。分子泵轴承润滑油的性能必须具备 以下三个条件，才能满足泵的工作要求： a. 高速下具备良好的润滑性能； b. 饱和蒸气 压低于前级泵工作液的饱和蒸气压 c. 粘 度适当，使之兼有轴承冷却液的作用。复合式分子泵 复合式分子泵是涡轮分子泵与牵引分子泵 的串联组合

6、。 在很宽的压力范围内 (10-6 1pa) 具有较 大的抽速和较高的压缩比，大大提高了泵 的出口压力。法国 alcate 公司生产的一种 采用气体静压轴承和动密封的复合分子 泵，可以做到完全无油。 缩短了系统的抽气时间，并可获得无油污 染的清洁真空环境。分子泵在系统中的应用 随着科学技术的迅速发展，对真空系统也提出了 新的要求，特别是对超高真空和无油真空环境的 需求，使得过去大量使用的扩散泵抽气系统已不 能适应无油清洁超高真空的要求。 分子泵适用于在要求清洁的高真空和超高真空的 仪器及设备上使用。也可用来作为离子泵、升华 泵、低温泵等气体捕集超高真空泵的前级预抽真 空泵使用，这将获得更低的极

7、限压力或更清洁的 无碳氢化合物的真空环境。 以上结构图是分子泵常用情况，实际的应 用需视具体设备而定； gate valve：位于分子泵前端，阀体较大，属闸板阀，开关速度有的可调节，真空异 常时，阀的关闭速度是保护分子泵的关键。 生成物较多，会造成关闭不严，而无法起 到保护作用。需定期清洁保养测试。 vac test point1：位于被抽单元或 gatevalve 口附近，与 gate valve 构成 interlok，分子泵端口极限真空为 500mtorr，设定值 建议为 300mtorr 以下。 rough valve：粗抽阀，当 chb 真空较低时，绝对不能打开 gate valve

8、 用分子泵抽真 空。在确认 gate valve 和 foreline valve 关 闭的情况下，开启 rough valve，抽 chb 真 空到 300mtorr 以下。一般 rough valve & foreline valve & gate valve 相互有 interlok，需测试确 认功能是否正常，也需防止误操作（解除 interlok 情况下，开关不 受影响，而不致分子泵损坏）。 soft valve：细（慢）抽阀，防止压差过大而起尘。chb 大气时，一般先用此阀抽。 purge n2：有些制程会产生大量粉尘，因分子泵底部有用于冷却分子泵的冷却盘， 会致大量积尘于冷却部分，

9、用 n2 吹扫可减 少这方面的影响，另外也作冷却轴承等用 途。此 n2 在分子泵运行时开启，停止时延 时关闭。 protect n2：此 n2 通常情况下是关闭的。分子泵高速运转中，突然出现真空或其他 方面的异常时，分子泵必须尽快停止运 转，充入此 n2 可尽快让分子泵减速，尽 量避免分子泵的损失。 foreline valve：位于分子泵出气口，真空异常时，开闭速度及是否关严是保护分子 泵的关键。同时管径小，易积尘，需定期 清洗保养测试。 vac test point2：位于 foreline valve 与粗抽泵之间，一般使用的是真空开关（一般 真空 sensor 因振动或热源易损坏）。与

10、 foreline valve 构成 interlok，分子泵排气口极限真空为 3torr，这样压差会较大，设定 值建议为 500mtorr 以下 分子泵叶片损坏致报废主要原因：1. 进排气口压差瞬间过大；a 进气口压力过大；b 排气口压力过大；c 单边部分压力过大（如阀关闭不严 或部分关闭等）2. 异物落入；3. 动静片间隙异常；4. 转子部轴承异常损坏等。使用时应注意事项 1. 定期检查/保养：gate valve & forelinevalve，建议做定期清洗并作漏率测试； 2. inter lock 测试； 3. 进气口压力极限压力为 500mtorr，排气口极 力最大为 3torr建

11、议 inter lock 使用:(300mtorr/500mtorr) ；限压 4.偶尔检查泵运转时的声音； 5. n2 purge 流量一般为10sccm30sccm/1kg/cm2 6. 7.冷却水流量正常油位是否正常，油色是否正常。油的粘稠度、化学稳 定性、冷却效果很重要，只可使用厂商推荐品牌。磁悬浮式分子泵特点：启动快，抽速大，高压缩比，高气体运送比，磨擦系数小，无油污染等优点。使用的是磁轴承又称主动磁悬浮轴承，是一种转子与定子之间没有机械接触的新型高性能轴承。它由机械部件、电控系统、传感器和辅助轴承等构成。利用电磁力作用将转子悬浮于空间，具有无机械磨损、能耗低、允许转速高、噪声少、寿

12、命长、无润滑介质等优点。选择磁轴承作为分子泵转子的支承，可以从根本上解决传统轴承润滑带来的润滑油脂的油蒸汽返流对真空室的污染等问题，使磁轴承真空分子泵成为集成电路制造设备首选的超 高真空获得设备 磁悬浮分子泵动静片结构示意图：静片动片 正常使用时，动片一般位于中线略上方。磁悬浮式分子泵的使用注意事项 1. 分子泵经厂家维修返回后，需做动静片间隙调 整、确认。目前我们使用的分子泵为国外品牌，在国内大部 分的分子泵，暂时只能做简单维护，一般需送到 国外维修。由于各国使用的电压、频率、使用环 境、控制器、甚至电缆长度不一样，而出现在厂 家调整正常后，返回时仍不能正常使用的情况。 这是因为分子泵的动片

13、是靠电磁力来支撑的，当 以上因素改变时会使分子泵动静片间间距发生变 化，而工作在临界或不正常状态。 2. 定期检查后备电池是否满足要求，有更 换记录 并每年至少更换一次。- 以上情况，看电池使用时间和停机时间 而定，并贴标签记录更换时间；- 当然定期测量电池电压是一种好的点检 方法。 建议长时间停用的分子泵，控制器开启一段时间， 电池充满电后再启动分子泵 3. 分子泵故障或损坏后，建议先判断故障原因， 分析并作出最有可能的结论后才重新开启或更换。 - 分子泵异常保护，肯定是有原因的，再没确认 原因前，任何再开启试用都是危险的，可能造成 更大损失（报废）- 分子泵已经损坏，不必急于换下，一般需确

14、认 原因，做真空方面的检查，找到问题点后再拆下 不迟。盲目换上新的分子泵，可能造成再次故 障，风险极大，望三思而后行。 4. 分子泵的送修原则上需要将分子泵，控制器，电缆线一同送 修，同时需注明所使用的气体，如有可能也将 使用的电压及频率注明清楚。由于将电缆线取下不方便，至少要将分子泵和 控制器一同送修。 5. 作日常点检和定期（周/月/季)检查- 正如前面所述，分子泵使用注意事项一 样，对于出现的种种可能需所定期检查， 写入 sop，不因人而变，持之以恒； - 日常点检：gate valve 前真空，foreline valve 后真空，冷却水流量，n2 流量，油位 油色（非磁悬浮）等；-记

15、录的目的是为了观察变化，如记录值有 较大变化时，应查找原因并解决。- 周点检：gate valve, foreline valve, rough valve 漏率 测试，泵运转声音等监听。- 当发现漏率有明显变化或较大时，应停 止分子泵的运转并对相关阀体作清洗保养。 安装后仍要再次做漏率测试。- 泵运转的声音。可用一金属杆接触分子 泵外壳，听到的应是持续的“嗡嗡”声，有一 定的规律，无断续杂音或异响等（这种判 断需要一定的经验积累）。- 月保养或季保养：相关阀体如长时间不 保养，会有生成物累积于阀体、管道等 部 位，影响阀的关断速度，也会影响分子泵 的使用寿命，需定期清洗，可视生成物的 状况制定相应的保养周期。- gate valve 和 foreline valve 是二项重点 检查 项，着重关注。22分子泵的开启和停止- 对于准备长时间停用的分子泵（12