Vacuum Technology Book, Volume II

2.2.3.2 터보 분자 펌프로 높은 기체 부하 펌핑

터보 펌프는 높은 기체 부하에서 높은 응력을 받을 수 있습 니다. 기체 마찰이 회전자를 데웁니다. 최대 기체 부하는 허 용 가능한 회전자 온도 120°C에 의해 제한됩니다. 이보다 높 은 온도에서는 예상치 못한 시간에 회전자의 비가역 플라스 틱 변형이 일어납니다.

로터 온도를 측정하여 최대 온도를 제한함으로써 펌프 속도 가 > 1,000 l s-1 인 HiPace 시리즈 펌프가 과열되는 것을 방지 할 수 있습니다. 공정의 특성을 정확히 파악하면 많은 펌프에 대한 회전저 온도를 측정하여 안전한 작동 및 장기 안정성을 위한 공정 창을 정의할 수 있습니다.

높은 기체 부하에 대한 터보 펌프의 적합성은 펌프의 온도 개 요에 대한 정확한 제어 뿐만 아니라 회전자 및 고정자 디자인 에 의해 영향을 받을 수 있습니다. 예를 들어 ATH-M 시리즈 펌프는 분명히 높은 기체 처리량 및 상대적으로 높은 공정 압력을 위하여 설계되었습니다. 이 터보 펌프는 특히 반도체 산업의 코팅 및 건조 에칭 공정을 위하여 개발되었습니다. 이 펌프들의 특정한 문제점은 부식성 매질의 펌핑, 공정 화학 물질 또는 2차 제품의 응축을 방지하기 위한 펌프의 가열된 사용, 그리고 특히 무거운 기체에 대한 높은 공정 기체 처리 량입니다. 이런 개발품은 태양광 및 LED 조명 산업 어플리케 이션에도 사용할 수 있습니다. 이런 터보 펌프 설계로 인해 이런 개발을 냉각수 온도가 높은 산업 작동 조건 하에서 뿐 만 아니라 배압 펌프와 터보 펌프 사이의 높은 전달 압력으로 부하 락에서 사용할 수 있습니다.

높은 압축비로 인해 가벼운 기체에 적합한 낮은 압력을 생성 하기 위하여 특히 설계된 펌프들도 높은 기체 처리량을 가진 진공 공정에 제한적으로 사용할 수 있습니다. 마찰력이 주변 속도에 비례하기 때문에 높은 기체 부하에서 작동하는 펌프 들의 RPM을 줄일 필요가 있습니다. 이는 더 높은 기체 부하 는 펌프 속도를 높임으로써 특히 압축비가 높을 때 도달된다 는 것입니다. 이 측정은 펌프의 공정 창을 연장할 수 있습니 다.

크립톤 또는 크세논과 같은 무거운 주요 기체의 펌핑은 특히 중요합니다. 높은 원자량 때문에 무거운 주요 기체들은 회전 자를 때릴 때 굉장히 많은 양의 열을 생성합니다. 특히 낮은 열 용량의 결과로 이 기체들은 고정자 또는 하우징에 무척 낮 은 열만을 전달하며, 그 결과 회전자 온도가 높아집니다. 이 기체들의 최대 기체 처리량은 따라서 기체 분자 또는 더 낮은 질량(예: 더 높은 이동성 및 충돌 빈도)의 당원자 기체에 비 해 상대적으로 더 낮습니다.

공정 기체로 작동할 때 터보 펌프는 두 가지 중요한 기능을 수행합니다.

  • 처리실을 낮은 압력으로 빠르게 비우기(표면 및 접착 기면 의 기체 제거를 통한 깨끗한 초기 조건)
  • 진공 공정(코팅, 에칭 등) 동안 일정한 수준으로 원하는 압 력 유지하기

기체 처리량 $Q$와 공정 동안 작동 압력$p_{process}$는 대체로 지 정되며, 마찬가지로 처리실의 체적 유량율도 지정됩니다.

$S=\frac{Q}{p_{process}}$

터보 펌프는 요구되는 기체 처리량을 기초로 선택합니다. 다 양한 기체에 대한 최대 허용 가능 기체 처리량은 카탈로그의 각 펌프에 지정되어 있습니다.

높은 공정 압력에서 서로 다른 터보 펌프의 기체 처리량

그림 2.7: 높은 공정 압력에서 서로 다른 터보 펌프의 기체 처리량

그림 2.7에 NW 250 플랜지가 있는 서로 다른 터보 펌프에 대 한 기체 처리량 그래프가 나와 있습니다. ATH 2303용 배압 펌프는 반도체 산업에서 사용되는 일반 공정-가능 루츠 펌핑 스테이션에서 온 것입니다. 처리량은 두 펌프가 같습니다. 왜 냐하면 동일한 기체 흐름이 두 펌프를 계속 통과하기 때문입 니다.

$S_{fore-vacuum}=\frac{Q}{p_{fore-vacuum}}$

배압 펌프의 선택은 터보 펌프의 온도 균형에 영향을 줍니다. 배압 펌프의 펌프 속도가 정확히 자체 기체 처리량을 갖춘 터 보 펌프의 최대 전진공 호환성에 도달하기 위하여 설계된다 면, 터보 펌프 회전자는 열 부하됩니다. 터보 펌프에서 기체 마찰과 열 부하를 줄이려면 펌프 속도가 더 높은 배압 펌프를 선택해야 합니다.

처리실의 펌프 속도는 RPM 또는 조절 밸브를 통해서 요구되 는 수준으로 제한됩니다. 터보 펌프의 회전 속도를 사용한 압 력 조절은 회전 속도의 더 빠른 변형을 방지하는 회전자의 높 은 관성에 의하여 제한됩니다. 일부 공정 창에서 배압 펌프 의 회전 속도를 조절함으로써 압력을 제어하는 것이 가능합 니다.

압력 및 처리량 조절이 가능한 진공 시스템

그림 2.8: 압력 및 처리량 조절이 가능한 진공 시스템

그림 2.8에 나와 있는 진공 공정 시스템을 예로 들어 봅시다. 매개변수

$Q$ = 3.0 Pa m3s-1, 공정 기체 아르곤
$p_{process}$ = 5 Pa

$S=\frac{Q}{p_{process}}$

터보 펌프의 공칭 펌프 속도는 600 l s-1 입니다. 이 높은 공정 압력에서는 터보 펌프의 최대 펌프 속도에 도달하는 것이 불 가능합니다. 그러므로 이 압력에서 스플린터 쉴드를 갖추고 800 l/s 이상의 펌프 속도에 도달할 수 있는 ATH 2303 M 유 형의 터보 펌프(2)와 A 603 P 유형의 배압 펌프를 선택합니 다. 이 공정 펌프로 0.24 hPa m3 s-1 의 기체 처리량을 갖춘 3.0 Pa의 전진공 압력에 도달합니다. 터보 펌프의 최대 전진 공 압력이 3.3 hPa이면, 이 구성은 열을 요구하는 공정 기체 아르곤이 있음에도 불구하고 보수적입니다

공정 기체는 질량 흐름 제어기(5)를 경유하여 챔버(1)로 유 입됩니다. 압력 $p_{process}$ 에 의해 제어되는 버터플라이 밸브(4) 는 터보 펌프(2)의 펌프 속도를 조절합니다 공정 단계가 끝 난 후엔 기체 공급이 닫히고 제어 밸브가 완전히 열려 최종 압력에 도달할 때까지 챔버를 비웁니다. 이 과정에서 새 공작 물이 처리실로 로드됩니다. 부식성 및 연마성 물질 뿐만 아니 라 높은 기체 부하 펌핑과 관련된 더 자세한 정보는 4.8.3장 을 참조하십시오.

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