半導體設備真空泵常見故障分析及維修

劉 豪，張 強，趙志昊，丁文杰

（重慶聲光電有限公司，重慶 400060）

0 引言

隨著經濟快速增長，半導體工業也隨之不斷發展，真空設備在半導體行業中的應用也更加廣泛，如干法類設備、真空鍍膜類設備、材料生長類設備和摻雜類設備，等等。這些真空設備中用來獲取真空的泵組，也成為影響設備性能的核心組件之一。為保障設備正常運行，對真空泵組的常見故障進行分析和處理也變得越加重要。

1 常見真空泵的分類和性能指標

真空泵是用以產生、改善和維持真空的裝置。按其工作原理，基本上分為氣體傳輸泵和氣體捕集泵[1]。區別是對氣體的處理方式不同，氣體傳輸泵是以不停吸入和排出氣體來達到抽氣目的的真空泵，而氣體捕集泵則是將被抽氣體吸附或凝結在泵內表面上來獲取真空。氣體傳輸泵又分為容積泵和動量傳輸泵，氣體捕集泵分為吸附泵和低溫泵。

半導體設備中常見的真空泵為油封式機械泵，干式真空泵，羅茨真空泵，分子真空泵，擴散泵和冷凝泵等。

各種不同的真空泵，均有方法來檢測其性能，其主要性能指標有極限壓力、抽氣速率和流量[1]。極限壓力是指真空泵與檢測容器相連后，長時間抽氣后容器壓力能達到的極限值，單位為Pa。在真空泵的吸氣口處，單位時間內流過的氣體量稱為泵的流量，單位為Pam3/s。抽氣速率則是指在真空泵吸口處，單位時間內流過的氣體體積，抽氣速率一般與氣體種類有關，泵給定的抽氣速率，如無特殊說明，多指的抽空氣。通過上述3 個指標，可以判斷真空泵的工作性能，為真空泵的檢修與維護提供判斷基準。

2 常見真空泵故障分析及維修辦法

2.1 旋片式油封式機械泵

對于中小型真空設備，旋片式油封式機械泵是最基本的真空獲取設備之一，屬于低真空泵，工作壓力范圍為101 325～1×10-2Pa。它可單獨使用，也可以作為其他高真空泵的前級泵使用。旋片式油封式機械泵（圖1）可用于抽取干燥氣體和一定量的可凝氣體。

2.2 旋片式油封式機械泵的常見故障現象分類

2.2.1 真空性能較差

圖1 旋片泵

（1）泵體內油有問題，機械泵性能表現和油的質量及純度有著非常密切的關系。泵在使用過程中，所抽設備里的雜質和水容易通過抽氣進入真空泵油中，這種情況會嚴重影響機械泵的性能。因此，需要經常對真空泵油進行取樣觀察。如泵油有顆粒沉淀物、有水沉積、色彩較暗，則需要更換泵油并檢查進氣口過濾器濾芯是否有損壞。注意不同種類或牌號的真空泵油不可混合使用。

（2）真空系統泄漏，檢查設備真空系統并檢漏。

（3）泵內部元件損壞，拆開機械泵，檢查泵體旋片磨損情況，觀察泵體表面是否有劃痕，如泵體內較臟或有粘糊狀物質，則需清洗泵體和旋片后重新安裝。根據經驗，如泵體和旋片磨損較輕微，清洗后泵的真空度會有所下降，需測試是否可滿足設備真空性能需求。如磨損嚴重，則需更換旋片或泵體，由于機械泵旋片和泵體之間間隙直接影響機械泵抽氣性能，一般需配合加工。如只更換其中之一，往往難以修復，需配合研磨。

2.2.2 機械泵無法正常旋轉

檢查機械泵的電氣連接，如是三相機械泵則確定其是否缺相，單相機械泵則檢查其電容。如機械泵供電正常，則需從聯軸器處將機械泵拆分為電機和泵體兩個部分，斷電后分別手試旋轉電機軸和泵體聯軸器，看是否有較大阻力，如電機無法旋轉則需拆開檢查其內部轉子和軸承是否損壞；如泵體部分卡死則需拆下泵體內旋片部分進行檢查，如有必要，可清洗泵體內部。

2.2.3 機械泵聲音異常

（1）輸入電壓問題。檢查輸入電壓是否異常，檢查電源，開關，線路連接情況。

（2）泵內油位太低，檢查油窗，補充真空泵油。

（3）彈性聯軸器損壞。檢查聯軸器是否損壞，更換元件。

2.3 渦輪分子泵

在半導體真空設備中，渦輪分子泵同樣也應用十分廣泛。其是利用分子牽引（高速剛體表面攜帶氣體分子按一定方向運動的現象）以高速旋轉的動葉片和靜止的定葉片相互配合實現抽氣。渦輪分子泵為高真空泵，需配合前級泵使用，將其泵出口的氣體抽走，其使用真空范圍為1×10-1～＜1×10-5Pa。渦輪分子泵內部結構比較復雜，主要故障有葉片或泵體損壞，異常振動和噪聲，真空度問題，泵過熱，分子泵轉速波動超標或停機等[2]。其中葉片或泵體損壞一般較為嚴重，需返廠維修。單純泵的真空度問題原因較多，且出現概率較低，限于篇幅，不再贅述，其余故障簡要分析見表1。

表1 渦輪分子泵故障

2.4 低溫泵

低溫泵是利用低溫（低于100 K 即-173.15 ℃）表面冷凝和吸附氣體的物理過程來獲得和保持真空的裝置（圖2）。其抽速大（理論比抽速可達11.6 L/（S×cm2），極限真空度高（1×10-13Pa），清潔無油且可以長期有效運行，在半導體真空設備中應用廣泛。

低溫泵系統主要組成部分包括制冷單元、壓縮單元和輔助元件。制冷單元包括膨脹機，一、二級冷頭，低溫抽氣冷陣和泵體。壓縮單元由氦壓縮機、換熱器和油氣分離器等構成。輔助單元則主要包括吸附器和閥門等輔助元件。低溫泵常見故障見表2。

表2 低溫泵故障

3 結束語

真空泵是半導體真空設備的一個重要部分。真空泵運行情況的優劣直接影響設備的經濟性和安全性。對常見泵的故障現象和維修手段進行總結，可有效節約維修時間，及時發現故障和處理，保證設備安全經濟運行。

圖2 低溫泵