【目录】
一、干泵的分类及工作原理
1.爪式干泵
2.涡轮干泵
3.螺杆干泵
4.罗茨干泵
二、分子泵的分类及工作原理
1.涡轮分子泵
2.磁悬浮分子泵
三、冷泵的工作原理
1.冷泵的结构
2.冷泵的工作原理
3.冷泵的优缺点
真空泵是为系统获取真空环境的核心零部件，在半导体集成电路薄膜沉积、刻蚀、离子注入等对真空环境要求较高的干法工艺中应用广泛。
真空泵是利用机械、物理或化学方法，用以产生、改善和维持真空环境的装置，主要包括干泵、分子泵、低温泵三大类。
一、干泵的分类及工作原理
干泵通过电机驱动转子将气体排出以实现抽气功能，包括爪式、涡旋式、罗茨式和螺杆式真空泵，应用领域广泛。
干式真空泵凭借无油污染、宽抽速范围、耐腐蚀、低能耗等优势，已成为半导体行业的首选，占据市场60%-70%的份额。
干泵是集成电路主要工艺设备中的核心附属设备，可应用在单晶硅制造、晶圆加工等多个环节。
干泵为晶圆加工前道工序的四大核心工艺设备中的三大工艺设备薄膜、刻蚀、离子注入（约占主要工艺过程的70%）提供制造工艺所必需的超洁净真空环境，完成物理和化学气相沉积、刻蚀、离子注入等超微加工。
此外，除了满足集成电路制程对真空环境的要求，作为气体传输设备，干式真空泵还能将工艺气体和反应生成的复杂气体或固体混合物从集成电路制造设备内抽离，保障工艺过程要求的动态平衡。
干泵根据结构和工作原理不同，分为爪式真空泵、涡旋式真空泵、罗茨式真空泵和螺杆式真空泵。
1.爪式干泵（Claw-type Dry Pump）
在泵腔内具有若干组相互啮合的爪型转子。转子与转子之间及转子与泵腔之间并不接触，留有微小的间隙，不用任何润滑剂，从而保证了清洁的真空环境。
泵的结构采用多级转子串连的形式，每组转子分别位于不同泵腔做同步反方向运动。泵腔被爪型转子分隔为吸气腔和排气腔两部分。
随着转子连续运转，进行循环的吸气、排气过程，实现了泵连续抽气的目的。爪式干泵的抽气速率更快，具有大流量处理能力；同时，可处理含微尘气体。
在半导体领域，爪式干泵可应用在刻蚀、离子注入设备的前级泵，真空传输腔体抽气等领域。
（爪式干泵，图源网络）
2.涡旋干泵（Scroll Dry Pump）
通过两个涡旋盘的转动，在两个涡旋盘之间不断产生周期性变化的新月形状小腔，达到压缩气体的效果。涡旋干泵能效比优于部分螺杆干泵。
涡旋干泵不适用于含粉尘或液滴的气体。在半导体领域，涡旋干泵可应用在刻蚀、CVD/PVD 工艺的前级泵（搭配分子泵）、真空传输系统等领域。
（涡旋干泵，图源网络）
（涡旋干泵产品图，图源网络）
3.螺杆干泵（Screw Dry Pump）
是利用一对螺杆，在泵壳中作同步高速反向旋转而产生的吸气和排气作用的抽气设备，两螺杆经精细动平衡校正，由轴承支撑，安装在泵壳中，螺杆与螺杆之间都有一定的间隙，因此泵工作时，相互之间无磨擦，运转平稳，噪音低，工作腔无需润滑油。
螺杆干泵能抽除含有大量水蒸汽及少量粉尘的气体场合，极限真空更高，消耗功率更低，具有节能，免维修等优点。
螺杆干泵具有连续压缩、无脉动气流，适合处理高湿度或含液滴气体的特点。在半导体领域，螺杆干泵可应用于干法刻蚀、化学气相沉积（CVD）的前级抽气；能够处理腐蚀性工艺气体（如CF₄、Cl₂）。
（螺杆干泵，图源网络）
4.罗茨干泵（Roots Dry Pump）
泵内装有两个相反方向同步旋转的叶形转子，转子间、转子与泵壳内壁间有细小间隙而互不接触的一种变容真空泵。罗茨干泵通过搭配前级泵（螺杆干泵等），可以达到更高的真空度。
同时，罗茨干泵大流量优势明显，适合快速抽气的场景。在半导体领域，罗茨干泵可应用于高密度等离子体刻蚀（HDP Etching）的前级抽气，处理大量反应气体（如SF₆、O₂）；以及化学气相沉积（CVD）设备的粗抽阶段。
罗茨干泵工作原理
不同结构形式的干泵，产生的真空度范围有所不同，如下图所示。
图源：中科科仪招股说明书
不同类型干泵的应用真空度范围
（不同类型干泵的特点，图源网络）
二、分子泵的分类及工作原理
分子泵通过高速旋转的转子将动量传递给气体分子，使其获得定向速度并被压 缩至排气口，主要类型有涡轮分子泵和磁悬浮分子泵，后者在半导体领域应用广泛。
分子泵约占半导体真空泵市场的20%-30%，适用于高真空（10⁻³~10⁻¹⁰Pa）环境，如：光刻机（EUV极紫外光刻依赖超高真空）、离子注入机、高精度镀膜设备等。分子泵构造复杂、价格昂贵，高速旋转工作时会有振动。
分子泵根据结构和工作原理不同，分为涡轮分子泵（工业领域主流）和磁悬浮分子泵（半导体、光伏、面板领域占比更高）。
1. 涡轮分子泵（turbo molecular pump）
其主动或抽气部分由转子和定子组成。涡轮叶片位于定子和转子的外周，在分子泵工作过程中，如果压强突然恶化，则有可能叶片损坏。
被抽气体通过高真空进气法兰上的孔到达转子和定子顶部叶片的抽气区域，气体被压缩至前级压力或粗真空压力。近年来，性能得到改善并且被广泛使用。
（涡轮分子泵原理图，图源华福证券研究所）
（涡轮分子泵，图源公众号：真空聚焦）
涡轮分子泵应用领域：
半导体制造设备，蒸发设备，溅射设备，分析设备，蚀刻设备，加速器，FPD制造设备等。
2.磁悬浮分子泵（Magnetic levitation molecular pump）
磁悬浮分子泵是一种利用磁悬浮技术的分子泵，它结合了磁悬浮和分子泵两种技术。
分子泵是一种用于创建高真空环境的设备，通过排除气体分子来减少气体压力。而磁悬浮技术则是一种通过磁场来悬浮和控制物体运动的技术。
在磁悬浮分子泵中，磁悬浮技术被应用于支撑和驱动泵内的旋转部件，通常是一个叶轮。这与传统的分子泵使用机械轴承或其它支持结构的方式有很大不同。通过磁场的作用，叶轮可以在没有实际物理接触的情况下旋转，从而减少了摩擦和磨损。
（磁悬浮分子泵，图源公众号：独木资本）
磁悬浮分子泵使用磁悬浮技术，使得叶轮在旋转时与支撑结构无物理接触。这种无接触设计消除了摩擦和磨损，提高了泵的寿命。
由于没有机械接触，磁悬浮分子泵是无油的，不需要润滑油。这对于需要无油环境的应用非常重要，如在一些实验室和半导体制造工业中。
三、冷泵的工作原理
冷泵利用低温表面冷凝和吸附气体来抽气，可达到10⁻¹⁰Pa级超高真空，但因其需要定期释放和再生，市场相对较小，约10%。
广泛应用于半导体集成电路制造工艺中的蒸发、溅射、 离子注入、分子束外廷等工艺，同时也广泛应用于真空镀膜设备、电真空器件、高能粒子加速器、受控热核反应、表面分析仪器和材料科学等领城。
1.冷泵的结构
冷泵系统基本由低温泵单元(含冷冻机单元)、压缩机单元、软管构成。冷泵的启动（低温泵不能在大气压下启动）和再生需要粗抽泵。
（低温泵构成，图源公众号：真空系统解决方案）
2.冷泵的工作原理
冷泵是储存式真空泵，泵内设有极低温面，可以通过冷凝和吸附来捕捉气体，以实现超高真空的状态。
另外，由于可以获得没有油污染的清洁真空，并且具有比其他真空泵更高的排气速度而备受瞩目。冷泵是通过在极低温面上冷凝吸附气体分子，并将所有气体分子储存在泵内的泵。
该泵的主要特点是在真空容器中没有任何动作，不使用油，能获得干净的真空，尽管是吸附方式的泵，但排气速度大。
通过2段式实现高真空。
冷头有2段、１段冷头有较大的冷冻能力，可冷却至80K(卡尔文） 以下。
至此，主要是水分的排出，接下来2段冷头进一步冷却，排出N2，O2，Ar，H2等分子，以获得更高的真空。
真容器内设有极低温面，通过冷凝和吸附来捕捉容器里的气体并排气的泵。由于机械运动部件很少且不使用油，因此可以实现清洁的高真空。为了使低温泵有效的进行排气，冷凝时的蒸气压力，吸附时的吸附平衡压力必须在10-8Pa以下。
下图是各气体的蒸气压力，比氮气的蒸汽压力低的气体，在极低温面(低温面或低温挡板)冷却到20K以下时，其蒸汽压力为10-8Pa以下。
氢气、氦气、氖气等蒸汽压较高的气体在20K时不能通过冷凝排气，所以通过却到20K以下的吸附剂排气。以这种方式，低温泵可以排出所有气体以获得超高真空。
形成冷冻表面的方式，通常使用封闭循环的小型氦冷冻机。低温泵使用小型氦冷冻机，不需要像贮液型低温泵那样定期补给冷冻剂，通过简单的操作即可得到清洁的超高真空，可长时间、稳定的连续运转。
3.冷泵的优缺点
优点：可将所有气体排出，获得超高真空。
缺点：由于是储存型泵，必须定期释放和再生。
四、半导体真空泵市场规模
半导体真空泵市场规模持续增长，根据华经情报网提供的数据，2020年的真空泵市场规模为117.8亿元，2021年为134.8亿元，2022年达147.3亿元，整体呈上升趋势。
（全球半导体真空泵市场规模，图源华经情报网）
