Verdict結論
兩者並非競爭關係,而是分工合作。乾式幫浦是負責從大氣壓抽到數Pa左右的粗抽一次側幫浦,渦輪分子幫浦(TMP)則是在其之後建立10⁻¹~10⁻⁸Pa高真空的二次側幫浦。TMP只能在分子流區域運作,排氣側也有背壓限制,因此無法單獨使用,一定要與乾式幫浦串聯運作。
主要差異
| 比較項目 | 乾式真空幫浦 | 渦輪分子幫浦(TMP) |
|---|---|---|
| 負責的壓力範圍 | 大氣壓(10⁵Pa)~數Pa(粗抽、低真空) | 10⁻¹~10⁻⁸Pa(高真空~超高真空) |
| 抽氣原理 | 以多段魯式/螺桿機械式壓縮、排出氣體 | 高速旋轉葉片賦予氣體分子動量,將其撞向排氣方向 |
| 單獨運作 | 可(能從大氣壓開始抽) | 不可(以分子流區域為前提,必須搭配前級幫浦) |
| 轉速 | 數千rpm等級 | 數萬rpm等級(以磁浮軸承非接觸支撐) |
| 沉積性氣體對策 | 本體加熱+N₂吹淨以防止析出 | 附著於葉片會造成不平衡,以吹淨、鍍膜因應 |
| 不擅長的氣體 | 無特別不擅長(以機械方式推出) | H₂、He等輕分子(以複合型補強背壓耐受性) |
| 主要用途 | 所有製程設備的一次排氣、TMP的前級幫浦 | 蝕刻、PVD、離子佈植、分析設備的高真空 |
| 主要廠商 | Edwards、荏原製作所(EBARA)、樫山工業、Pfeiffer、愛發科(ULVAC) | Pfeiffer、Edwards、荏原製作所(EBARA)、島津製作所、愛發科(ULVAC) |
為何要將2種幫浦串聯
TMP運作的前提是「分子流區域」,也就是氣體分子與器壁的碰撞多於分子之間的碰撞。在大氣壓下,分子的平均自由徑太短,葉片無法把分子撞開。因此要先以乾式幫浦抽到數Pa左右、形成分子流區域,再從該處啟動TMP。此外,TMP的排氣側壓力(背壓)必須低於一定值才能運作,所以運轉中乾式幫浦也要在下游持續抽氣。
半導體製程特有的課題:沉積與腐蝕
CVD未反應的前驅物與蝕刻生成物,會在排氣路徑中溫度下降處以固體形式析出。乾式幫浦以加熱器加熱本體,避開析出溫度區間,並以N₂吹淨進行稀釋與輸送,防止固著。TMP的葉片附著物會破壞旋轉平衡,因此以導入吹淨氣體、葉片鍍膜與溫度管理作為對策。異物捲入造成高速旋轉體損壞,會對設備帶來重大傷害,因此保護設計也很重要。
運轉成本的觀點:電力與稼動率
乾式幫浦在晶圓廠內持續運轉的台數非常多,總耗電量相當可觀。以變頻控制進行變速運轉、降低待機耗電的節能機種已成主流。另一方面,TMP會透過設備的真空建立時間(抽氣時間)影響產能。兩者包含大修在內的維護服務都是供應端的重要營收來源,從晶圓廠的角度來看,計畫性的PM會左右稼動率。
常見問題
為何單靠渦輪分子幫浦無法抽成真空?
因為TMP只能在氣體分子一邊撞擊器壁、一邊獨立飛行的分子流區域發揮抽氣作用。在大氣壓下,分子之間的碰撞占主導,葉片無法發揮作用。此外,TMP在排氣側背壓過高時無法運作,因此運轉中也需要乾式幫浦在下游持續抽氣。
低溫幫浦可以取代哪一種?
低溫幫浦與TMP同屬高真空側的選項。它不將氣體往外推出,而是讓氣體在內部低溫面凝結、吸附;水氣抽氣速度大且振動小,因此用於PVD與離子佈植設備。不過需要定期再生(釋放累積的氣體)。
乾式幫浦為何不使用油?
因為油旋轉幫浦的油蒸氣可能逆流至腔體側,有污染晶圓的風險。乾式幫浦的排氣室採用不使用潤滑油的結構,從原理上切斷了這條污染途徑,因而成為半導體製造設備的標準。