干式真空泵在半导体及新能源领域的应用及发展趋势 2024

目前真空泵的发展越来越受到真空应用环境要求的影响，很多新兴产业及高新技术产业的制造过程中所需的真空系统，需要具备抽除腐蚀性气体、粉尘颗粒物、有毒气体、无油污染等功能，因此由油封泵组成的真空抽气系统无法满足生产工艺要求。而干式真空泵是一种理想的泵种，以其抽速范围宽、抽气腔内无油及元件无摩擦、能耗低、耐腐蚀等优点得以广泛推广应用，如今已经成为微电子、半导体、精密加工、新能源装备等行业首选的真空获得设备。因此近年来干式真空泵市场需求量越来越大，真空获得产品已经出现更新换代的趋势，大量的有油真空系统被无油真空系统所替代。目前，国内外较大的真空泵公司几乎都在生产各种不同型式的干式真空泵。1.微电子行业：在芯片制造过程中，需要极高的真空环境来确保芯片的质量和性能。干式真空泵能够提供无油、洁净的真空条件，避免油污染对芯片生产造成不良影响。例如，在集成电路的光刻、蚀刻等工艺中，干式真空泵可保证工艺的高精度和高稳定性。2.半导体行业：半导体材料的制备和器件的加工都依赖于真空环境。干式真空泵能有效抽除腐蚀性气体，满足半导体生产对真空环境的严格要求，像在半导体薄膜沉积、离子注入等环节，它发挥着关键作用。3.精密加工行业：例如高精度机械零件的加工、光学元件的制造等，需要稳定且洁净的真空环境来保证加工精度和表面质量，比如在制造高精度透镜时，干式真空泵能防止杂质和油雾的干扰。4.新能源装备行业：在新能源电池的生产中，保证真空环境有助于提高电池的性能和安全性。以锂离子电池为例，干式真空泵可用于电极材料的干燥、电池封装等工序，总之，干式真空泵因其独特的优点，在对真空环境要求较高的众多高新技术产业中都有着广泛的应用。1、干式真空泵在半导体制造中的应用干式真空泵是半导体各制程中必备的通用设备，应用于单晶拉晶、Load-Lock、刻蚀、CVD、原子层沉积（ALD）、封装、测试等清洁或严苛制程。受益于近年来集成电路产业的稳定增长，干式真空泵产业也保持着持续稳步的发展态势。干式真空泵在半导体生产线上的应用主要分为进出样品腔（L/L腔）和工艺处理腔抽真空两部分。在L/L腔抽真空过程中，真空泵面临的主要挑战是耐受高频大气冲击，以及要满足大规模制造对节省水/电/气以及安装空间提出的要求，因多级罗茨泵在控制体积，成本和节电方面表现优异，所以目前应用多以多级罗茨泵为主，对于较大型L/L腔抽真空则以罗茨+螺杆泵机组为宜。工艺处理腔在预抽真空阶段要求从高压到低压的大抽速，对处理工艺介质要求一般，节能要求更高，可以靠变频泵及泵的多级结构来实现，如果单纯从节能角度上看，多级罗茨泵更具优势，但主要不利之处为多级泵结构复杂，不易获得大抽速，所以目前在大腔体（如平板显示行业）抽空中罗茨+螺杆泵机组或螺杆泵的应用更具普遍性。在工艺腔工艺处理抽真空过程中，工艺腔中可能会产生粉尘及腐蚀性气体（如刻蚀工艺抽真空对泵的要求是耐腐蚀（取决于工艺气体耐制程产物（不仅要考虑物理特性，更要考虑其化学特性工艺相对复杂，要求真空泵热稳定性高，处理粉尘能力强，能耗则为次要考虑因素，目前多通过精确控制泵体温度方式保证泵的长期稳定运行。由于爪式干泵在处理粉尘、高轴扭矩以及整体泵温运行时相对稳定而更适合工艺腔工艺处理时抽气，例如在半导体线刻蚀处理工艺中，使用爪式干泵的适应性更高。另外，由于工艺腔一般要求低压下具有高抽速，所以如果采主流大多是采用罗茨+多级爪式干泵或罗茨+多级罗茨干泵的多级泵结构。虽然在半导体线领域采用多级爪泵结构较多，但是在大腔体粗抽空阶段，也较多使用罗茨干泵机组。螺杆泵在粗低真空段抽气效率要高于爪式泵和多级泵，对于大工艺腔体在预抽阶段抽气可采用螺杆泵或罗茨+螺杆泵机组；在半导体线工艺处理阶段抽气则以爪式泵、多级罗茨泵应用为多。多级罗茨泵：通过多个罗茨转子依次串联工作，逐级提高真空度。罗茨转子之间没有直接的接触，依靠间隙实现密封和抽气。罗茨+螺杆泵机组：结合了罗茨泵的快速抽气能力和螺杆泵在低真空度下的高效性能。罗茨泵主要用于在较高真空度下提供较大的抽速，螺杆泵则在低真空度范围内发挥优势。目前在半导体领域推广的干泵主要为：多级罗茨泵、爪式泵和螺杆泵。2、干式真空泵在光伏（太阳能）发电产业链中的应用在光伏（太阳能）发电产业链中，干式真空泵主要应用于晶体生长和硅片生产等环节，光伏发电系统是指利用光伏半导体材料的光生伏特效应而将太阳能转化为直流电能的设施。节中，真空泵面临的主要挑战是处理抽真空时气流中的巨量超细硅粉及氩气。这要求真空泵可以稳定运行，便于维护保养，且维护成本可控。目前，该环节主要以螺杆泵+罗茨泵的应用为主。例如，莱宝的Screwline系列干式螺杆泵的独特悬臂式设计方便泵壳在现场拆卸和组装，利于清洗，其配备的转子吹扫和轴封吹扫设计可减少进泵粉尘并保护轴封。该泵还采用转子内部冷却方式，能控制泵腔温度，防止过热卡死，且配有监控模块，可实时监测多种运行状态参数。另外，像爱德华的GXS螺杆泵、Busch的NC系列螺杆泵、汉钟的PMF、iPM、iPH系列螺杆泵等也有应用。板。为达到最佳效果，可使用如PNKDSP系列螺杆真空泵，其抽速适合此应用。最佳质量。对于薄膜沉积过程，可以使用高性能的螺杆真空泵提供满足该应用要求的真空设备。在光伏电池生产的其他环节，如薄膜沉积和烧结等，干式真空泵也发挥着重要作用。它能提供清洁的真空环境，确保生产工艺的稳定性和产品质量。艺与半导体制造工艺类似，细分路线有PERC、TOPCon和HJT几种，目前PERC、TOPCon工艺路线同时并进，以TOPCon工艺占主流，而HJT工艺被看作今后的发展趋势（方向）。▲图3PERC、TOPCon制备工艺路线的比较TOPCon制备工艺所用真空泵基本与半导体制备类似，但相较半导体制备工艺来说，太阳能光伏行业所用的真空泵在满足性能前提之下，成本更具考品，但成本较高，所以市场占比有限，目前以螺杆+罗茨泵为主，以LOT/Hanbell（螺杆+螺茨泵）占据市场主流，Ebara(多级罗茨+罗茨）也可见。其它公司泵以汉钟PS系列泵占比较高，Leybold、沈科仪、鲍斯等公司的泵也有不同程度的进入，均以螺杆+罗茨泵为主。❶其中在PECVD镀（p/i/n）中，其用泵与半导体CVD制备类似，目前各公司品牌的泵均可看见，目前L/L腔抽空以BuschCobra泵(螺杆+罗茨泵）,EdwardsGXS泵(螺杆+罗茨）,Kashiyama泵(多级罗茨+罗茨）为常见系列用泵。工艺处理腔以BuschCobra泵,EdwardsiXH泵（多级爪+罗茨）为多见系列用泵，国产品牌泵，如通嘉也被使用。❷在PVD（镀Tco膜）中，工艺同样也与半导体类似，各品牌泵均可见应用，目前L/L腔以LeyboldRUTA泵（螺杆+罗茨），BuschCobra泵(螺杆+罗茨），EdwardsGXS泵(螺杆+罗茨）为常见系列用泵。PVD工艺处理腔基本与L/L采用同系列的泵。时封装太阳能电池。为了不损失所获得的电能，提升光伏发电的效率，接收器（或集热器）必须抽成真空以隔热。应用于层压工艺的真空泵，工艺挑战为处理压合工艺中的胶水。油式泵（旋片泵）及干式泵（螺杆泵和罗茨+螺杆机组等）均有应用，受环保及维护成本考虑，干式真空泵趋势明显。LeyboldSP630（螺杆泵）因其转子的主导地位。BuschCobra（螺杆泵）泵因具备成本优势，也占据一定的市场比例。3、干式真空泵在锂电池制造中的应用锂电池的生产工艺根据制造先后顺序，工艺流程可以分为前段、中段、后成封装的包装检测阶段(后段)。制造工艺的前段为电池正负极制造过程，包含搅拌、涂布、等工序，搅拌和涂布工序：在搅拌过程中，需要去除浆料中的气泡，以确保电极涂层的均匀性和稳定性。干式真空泵能够提供稳定的真空环境，加速气泡的排出。在涂布环节，真空泵有助于维持干燥室的低气压，保证涂层的质量和一致性。中段为电池主体制作过程，包含叠片/卷绕、入壳、焊接、干燥、注液等工序。为了除去电芯在前段生产工序中残存的溶剂和湿汽，实现最低含水量指标，必须对电芯进行真空干燥处理。另外，在激光焊接完后，为了检测电池的气密性，也需要获取真空，通过保压后检测气压压降，来判断是否漏气。后段为电池检测组装环节，包含化成、分容检测、Pack成组等工序。负压化成时，锂电池在化成过程中会产生大量气体，需要对电池进行抽真空，减少析锂的可能性。❶原材料搅拌脱气锂电池前端工艺是制备完成锂电池的正负极片，其第一道工序是搅拌，原材料搅拌分为正负极材料搅拌，即将正、负极固态电池材料混合均匀后加入溶剂，通过真空搅拌机搅拌成浆状。质处理能力；目前主要使用干式螺杆真空泵应对此工艺，其工艺性能、能耗及运行维护成本优于爪型干式真空泵和多级罗茨真空泵，配合设备抽空只需要单一螺杆真空泵即可，无需配置罗茨泵来增压增速。但正负极宜分开配置真空泵，如需合并使用同一套真空系统来抽空，使用时须配置真空阀门，严格控制单分开抽空。真空泵面临的主要工艺挑战难点为正负极材料的粉尘及搅拌过程中的液体（水及其他化学物质），此部分基本采用集中抽真空方式，抽除搅拌过程中的残余气体，真空度在-97Kpa左右。一般使用一套电控系统通过控制泵的启停来控制真空度，以达到节能的目的。干式螺杆泵因其处理粉尘及液体能力比较好，目前已成为行业标准用泵。常用的行业标准泵有EdwardsGXS系列，LeyboldDV系列。❷电芯干燥因锂电池的使用安全性与电芯的水含量息息相关，含水量为检验电池质量的重要参数。理论上讲，组成电池（电芯）的部件均需要干燥，目前的行业趋势是将单纯的电池部件干燥转变成控制生产环境水份+电芯干燥的方式来提高效率及降低成本。爪式真空泵：优点：爪式真空泵具有较强的耐粉尘能力，能够处理一定量的材料粉尘。其在较宽的压力范围内能保持相对稳定的抽速，对于高低真空区间的频繁切换操作有较好的适应性。局限性：对于水汽和腐蚀性气体的处理能力可能相对较弱。螺杆真空泵：速。螺杆的设计使其对腐蚀性物质有一定的耐受性。局限性：对于处理大量粉尘可能不如爪式泵。罗茨真空泵：使用时，可有效提高整个系统的性能。局限性：单独使用时对水汽和粉尘的处理能力有限。为了满足电池干燥的复杂需求，通常会采用多种真空泵的组合，例如“罗茨+螺杆”或“爪式+螺杆”的组合形式。总之，在锂电池干燥设备设计时，应根据所烘烤材料放气特征，干燥的各项技术指标（加热干燥时间，产能要求，产品合格率，产品一致性，能耗等要求）配置真空泵组。一般有两种配置方案：1）采用小型螺杆+罗茨泵机组，适用于小型电池全自动干燥线，适合一套机组带动三至四台干燥箱（总本稍高；2）采用大型螺杆+罗茨泵机组，适用于较大型全自动干燥线，适合一套机组拖八至十台干燥箱，在满足实际工作真空度要求的同时，实际有效抽速较高，提高了相对干燥效率，从而使设备购置成本更经济，运行成本会更低（机组配置功率相当，但实际维持功耗会更低维护保养成本也会更低。4、国内行业发展空间及面临的挑战近年来国内半导体集成电路、新能源等产业发展迅速，半导体产业作为信息产业的基石，集成电路产业已成为国民经济中基础性、关键性和战略性的产业。近年来，国家出台了多项政策支持集成电路产业发展，这为干式真空泵等集成电路装备制造企业创造了良好的市场与政策环境。我国本土集成电路产业发展迅速，已成为全球最大的集成电路市场。物联来了巨大的芯片增量需求，为干式真空泵产品提供了广阔的市场空间。同也有广泛应用，这些行业的发展也将带动对干式真空泵的需求。这有利于国内装备制造企业积累经验、降低成本和加快人才培养，促进干式真空泵等装备制造企业的发展。干式真空泵需要具备抽除腐蚀性气体、粉尘颗粒物、有毒气体等功能，并且要满足在高低真空区间频繁切换操作、处理水汽/NMP/材料粉尘、耐腐蚀以及全程压力范围