干式真空泵在半導(dǎo)體及新能源領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì) 2024

目前真空泵的發(fā)展越來(lái)越受到真空應(yīng)用環(huán)境要求的影響，很多新興產(chǎn)業(yè)及高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的制造過(guò)程中所需的真空系統(tǒng)，需要具備抽除腐蝕性氣體、粉塵顆粒物、有毒氣體、無(wú)油污染等功能，因此由油封泵組成的真空抽氣系統(tǒng)無(wú)法滿足生產(chǎn)工藝要求。而干式真空泵是一種理想的泵種，以其抽速范圍寬、抽氣腔內(nèi)無(wú)油及元件無(wú)摩擦、能耗低、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)得以廣泛推廣應(yīng)用，如今已經(jīng)成為微電子、半導(dǎo)體、精密加工、新能源裝備等行業(yè)首選的真空獲得設(shè)備。因此近年來(lái)干式真空泵市場(chǎng)需求量越來(lái)越大，真空獲得產(chǎn)品已經(jīng)出現(xiàn)更新?lián)Q代的趨勢(shì)，大量的有油真空系統(tǒng)被無(wú)油真空系統(tǒng)所替代。目前，國(guó)內(nèi)外較大的真空泵公司幾乎都在生產(chǎn)各種不同型式的干式真空泵。1.微電子行業(yè)：在芯片制造過(guò)程中，需要極高的真空環(huán)境來(lái)確保芯片的質(zhì)量和性能。干式真空泵能夠提供無(wú)油、潔凈的真空條件，避免油污染對(duì)芯片生產(chǎn)造成不良影響。例如，在集成電路的光刻、蝕刻等工藝中，干式真空泵可保證工藝的高精度和高穩(wěn)定性。2.半導(dǎo)體行業(yè)：半導(dǎo)體材料的制備和器件的加工都依賴于真空環(huán)境。干式真空泵能有效抽除腐蝕性氣體，滿足半導(dǎo)體生產(chǎn)對(duì)真空環(huán)境的嚴(yán)格要求，像在半導(dǎo)體薄膜沉積、離子注入等環(huán)節(jié)，它發(fā)揮著關(guān)鍵作用。3.精密加工行業(yè)：例如高精度機(jī)械零件的加工、光學(xué)元件的制造等，需要穩(wěn)定且潔凈的真空環(huán)境來(lái)保證加工精度和表面質(zhì)量，比如在制造高精度透鏡時(shí)，干式真空泵能防止雜質(zhì)和油霧的干擾。4.新能源裝備行業(yè)：在新能源電池的生產(chǎn)中，保證真空環(huán)境有助于提高電池的性能和安全性。以鋰離子電池為例，干式真空泵可用于電極材料的干燥、電池封裝等工序，總之，干式真空泵因其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在對(duì)真空環(huán)境要求較高的眾多高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)中都有著廣泛的應(yīng)用。1、干式真空泵在半導(dǎo)體制造中的應(yīng)用干式真空泵是半導(dǎo)體各制程中必備的通用設(shè)備，應(yīng)用于單晶拉晶、Load-Lock、刻蝕、CVD、原子層沉積（ALD）、封裝、測(cè)試等清潔或嚴(yán)苛制程。受益于近年來(lái)集成電路產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定增長(zhǎng)，干式真空泵產(chǎn)業(yè)也保持著持續(xù)穩(wěn)步的發(fā)展態(tài)勢(shì)。干式真空泵在半導(dǎo)體生產(chǎn)線上的應(yīng)用主要分為進(jìn)出樣品腔（L/L腔）和工藝處理腔抽真空兩部分。在L/L腔抽真空過(guò)程中，真空泵面臨的主要挑戰(zhàn)是耐受高頻大氣沖擊，以及要滿足大規(guī)模制造對(duì)節(jié)省水/電/氣以及安裝空間提出的要求，因多級(jí)羅茨泵在控制體積，成本和節(jié)電方面表現(xiàn)優(yōu)異，所以目前應(yīng)用多以多級(jí)羅茨泵為主，對(duì)于較大型L/L腔抽真空則以羅茨+螺桿泵機(jī)組為宜。工藝處理腔在預(yù)抽真空階段要求從高壓到低壓的大抽速，對(duì)處理工藝介質(zhì)要求一般，節(jié)能要求更高，可以靠變頻泵及泵的多級(jí)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如果單純從節(jié)能角度上看，多級(jí)羅茨泵更具優(yōu)勢(shì)，但主要不利之處為多級(jí)泵結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易獲得大抽速，所以目前在大腔體（如平板顯示行業(yè)）抽空中羅茨+螺桿泵機(jī)組或螺桿泵的應(yīng)用更具普遍性。在工藝腔工藝處理抽真空過(guò)程中，工藝腔中可能會(huì)產(chǎn)生粉塵及腐蝕性氣體（如刻蝕工藝抽真空對(duì)泵的要求是耐腐蝕（取決于工藝氣體耐制程產(chǎn)物（不僅要考慮物理特性，更要考慮其化學(xué)特性工藝相對(duì)復(fù)雜，要求真空泵熱穩(wěn)定性高，處理粉塵能力強(qiáng)，能耗則為次要考慮因素，目前多通過(guò)精確控制泵體溫度方式保證泵的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。由于爪式干泵在處理粉塵、高軸扭矩以及整體泵溫運(yùn)行時(shí)相對(duì)穩(wěn)定而更適合工藝腔工藝處理時(shí)抽氣，例如在半導(dǎo)體線刻蝕處理工藝中，使用爪式干泵的適應(yīng)性更高。另外，由于工藝腔一般要求低壓下具有高抽速，所以如果采主流大多是采用羅茨+多級(jí)爪式干泵或羅茨+多級(jí)羅茨干泵的多級(jí)泵結(jié)構(gòu)。雖然在半導(dǎo)體線領(lǐng)域采用多級(jí)爪泵結(jié)構(gòu)較多，但是在大腔體粗抽空階段，也較多使用羅茨干泵機(jī)組。螺桿泵在粗低真空段抽氣效率要高于爪式泵和多級(jí)泵，對(duì)于大工藝腔體在預(yù)抽階段抽氣可采用螺桿泵或羅茨+螺桿泵機(jī)組；在半導(dǎo)體線工藝處理階段抽氣則以爪式泵、多級(jí)羅茨泵應(yīng)用為多。多級(jí)羅茨泵：通過(guò)多個(gè)羅茨轉(zhuǎn)子依次串聯(lián)工作，逐級(jí)提高真空度。羅茨轉(zhuǎn)子之間沒有直接的接觸，依靠間隙實(shí)現(xiàn)密封和抽氣。羅茨+螺桿泵機(jī)組：結(jié)合了羅茨泵的快速抽氣能力和螺桿泵在低真空度下的高效性能。羅茨泵主要用于在較高真空度下提供較大的抽速，螺桿泵則在低真空度范圍內(nèi)發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。目前在半導(dǎo)體領(lǐng)域推廣的干泵主要為：多級(jí)羅茨泵、爪式泵和螺桿泵。2、干式真空泵在光伏（太陽(yáng)能）發(fā)電產(chǎn)業(yè)鏈中的應(yīng)用在光伏（太陽(yáng)能）發(fā)電產(chǎn)業(yè)鏈中，干式真空泵主要應(yīng)用于晶體生長(zhǎng)和硅片生產(chǎn)等環(huán)節(jié)，光伏發(fā)電系統(tǒng)是指利用光伏半導(dǎo)體材料的光生伏特效應(yīng)而將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為直流電能的設(shè)施。節(jié)中，真空泵面臨的主要挑戰(zhàn)是處理抽真空時(shí)氣流中的巨量超細(xì)硅粉及氬氣。這要求真空泵可以穩(wěn)定運(yùn)行，便于維護(hù)保養(yǎng)，且維護(hù)成本可控。目前，該環(huán)節(jié)主要以螺桿泵+羅茨泵的應(yīng)用為主。例如，萊寶的Screwline系列干式螺桿泵的獨(dú)特懸臂式設(shè)計(jì)方便泵殼在現(xiàn)場(chǎng)拆卸和組裝，利于清洗，其配備的轉(zhuǎn)子吹掃和軸封吹掃設(shè)計(jì)可減少進(jìn)泵粉塵并保護(hù)軸封。該泵還采用轉(zhuǎn)子內(nèi)部冷卻方式，能控制泵腔溫度，防止過(guò)熱卡死，且配有監(jiān)控模塊，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)多種運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)。另外，像愛德華的GXS螺桿泵、Busch的NC系列螺桿泵、漢鐘的PMF、iPM、iPH系列螺桿泵等也有應(yīng)用。板。為達(dá)到最佳效果，可使用如PNKDSP系列螺桿真空泵，其抽速適合此應(yīng)用。最佳質(zhì)量。對(duì)于薄膜沉積過(guò)程，可以使用高性能的螺桿真空泵提供滿足該應(yīng)用要求的真空設(shè)備。在光伏電池生產(chǎn)的其他環(huán)節(jié)，如薄膜沉積和燒結(jié)等，干式真空泵也發(fā)揮著重要作用。它能提供清潔的真空環(huán)境，確保生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量。藝與半導(dǎo)體制造工藝類似，細(xì)分路線有PERC、TOPCon和HJT幾種，目前PERC、TOPCon工藝路線同時(shí)并進(jìn)，以TOPCon工藝占主流，而HJT工藝被看作今后的發(fā)展趨勢(shì)（方向）。▲圖3PERC、TOPCon制備工藝路線的比較TOPCon制備工藝所用真空泵基本與半導(dǎo)體制備類似，但相較半導(dǎo)體制備工藝來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能光伏行業(yè)所用的真空泵在滿足性能前提之下，成本更具考品，但成本較高，所以市場(chǎng)占比有限，目前以螺桿+羅茨泵為主，以LOT/Hanbell（螺桿+螺茨泵）占據(jù)市場(chǎng)主流，Ebara(多級(jí)羅茨+羅茨）也可見。其它公司泵以漢鐘PS系列泵占比較高，Leybold、沈科儀、鮑斯等公司的泵也有不同程度的進(jìn)入，均以螺桿+羅茨泵為主。?其中在PECVD鍍（p/i/n）中，其用泵與半導(dǎo)體CVD制備類似，目前各公司品牌的泵均可看見，目前L/L腔抽空以BuschCobra泵(螺桿+羅茨泵）,EdwardsGXS泵(螺桿+羅茨）,Kashiyama泵(多級(jí)羅茨+羅茨）為常見系列用泵。工藝處理腔以BuschCobra泵,EdwardsiXH泵（多級(jí)爪+羅茨）為多見系列用泵，國(guó)產(chǎn)品牌泵，如通嘉也被使用。?在PVD（鍍Tco膜）中，工藝同樣也與半導(dǎo)體類似，各品牌泵均可見應(yīng)用，目前L/L腔以LeyboldRUTA泵（螺桿+羅茨），BuschCobra泵(螺桿+羅茨），EdwardsGXS泵(螺桿+羅茨）為常見系列用泵。PVD工藝處理腔基本與L/L采用同系列的泵。時(shí)封裝太陽(yáng)能電池。為了不損失所獲得的電能，提升光伏發(fā)電的效率，接收器（或集熱器）必須抽成真空以隔熱。應(yīng)用于層壓工藝的真空泵，工藝挑戰(zhàn)為處理壓合工藝中的膠水。油式泵（旋片泵）及干式泵（螺桿泵和羅茨+螺桿機(jī)組等）均有應(yīng)用，受環(huán)保及維護(hù)成本考慮，干式真空泵趨勢(shì)明顯。LeyboldSP630（螺桿泵）因其轉(zhuǎn)子的主導(dǎo)地位。BuschCobra（螺桿泵）泵因具備成本優(yōu)勢(shì)，也占據(jù)一定的市場(chǎng)比例。3、干式真空泵在鋰電池制造中的應(yīng)用鋰電池的生產(chǎn)工藝根據(jù)制造先后順序，工藝流程可以分為前段、中段、后成封裝的包裝檢測(cè)階段(后段)。制造工藝的前段為電池正負(fù)極制造過(guò)程，包含攪拌、涂布、等工序，攪拌和涂布工序：在攪拌過(guò)程中，需要去除漿料中的氣泡，以確保電極涂層的均勻性和穩(wěn)定性。干式真空泵能夠提供穩(wěn)定的真空環(huán)境，加速氣泡的排出。在涂布環(huán)節(jié)，真空泵有助于維持干燥室的低氣壓，保證涂層的質(zhì)量和一致性。中段為電池主體制作過(guò)程，包含疊片/卷繞、入殼、焊接、干燥、注液等工序。為了除去電芯在前段生產(chǎn)工序中殘存的溶劑和濕汽，實(shí)現(xiàn)最低含水量指標(biāo)，必須對(duì)電芯進(jìn)行真空干燥處理。另外，在激光焊接完后，為了檢測(cè)電池的氣密性，也需要獲取真空，通過(guò)保壓后檢測(cè)氣壓壓降，來(lái)判斷是否漏氣。后段為電池檢測(cè)組裝環(huán)節(jié)，包含化成、分容檢測(cè)、Pack成組等工序。負(fù)壓化成時(shí)，鋰電池在化成過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量氣體，需要對(duì)電池進(jìn)行抽真空，減少析鋰的可能性。?原材料攪拌脫氣鋰電池前端工藝是制備完成鋰電池的正負(fù)極片，其第一道工序是攪拌，原材料攪拌分為正負(fù)極材料攪拌，即將正、負(fù)極固態(tài)電池材料混合均勻后加入溶劑，通過(guò)真空攪拌機(jī)攪拌成漿狀。質(zhì)處理能力；目前主要使用干式螺桿真空泵應(yīng)對(duì)此工藝，其工藝性能、能耗及運(yùn)行維護(hù)成本優(yōu)于爪型干式真空泵和多級(jí)羅茨真空泵，配合設(shè)備抽空只需要單一螺桿真空泵即可，無(wú)需配置羅茨泵來(lái)增壓增速。但正負(fù)極宜分開配置真空泵，如需合并使用同一套真空系統(tǒng)來(lái)抽空，使用時(shí)須配置真空閥門，嚴(yán)格控制單分開抽空。真空泵面臨的主要工藝挑戰(zhàn)難點(diǎn)為正負(fù)極材料的粉塵及攪拌過(guò)程中的液體（水及其他化學(xué)物質(zhì)），此部分基本采用集中抽真空方式，抽除攪拌過(guò)程中的殘余氣體，真空度在-97Kpa左右。一般使用一套電控系統(tǒng)通過(guò)控制泵的啟停來(lái)控制真空度，以達(dá)到節(jié)能的目的。干式螺桿泵因其處理粉塵及液體能力比較好，目前已成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)用泵。常用的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)泵有EdwardsGXS系列，LeyboldDV系列。?電芯干燥因鋰電池的使用安全性與電芯的水含量息息相關(guān)，含水量為檢驗(yàn)電池質(zhì)量的重要參數(shù)。理論上講，組成電池（電芯）的部件均需要干燥，目前的行業(yè)趨勢(shì)是將單純的電池部件干燥轉(zhuǎn)變成控制生產(chǎn)環(huán)境水份+電芯干燥的方式來(lái)提高效率及降低成本。爪式真空泵：優(yōu)點(diǎn)：爪式真空泵具有較強(qiáng)的耐粉塵能力，能夠處理一定量的材料粉塵。其在較寬的壓力范圍內(nèi)能保持相對(duì)穩(wěn)定的抽速，對(duì)于高低真空區(qū)間的頻繁切換操作有較好的適應(yīng)性。局限性：對(duì)于水汽和腐蝕性氣體的處理能力可能相對(duì)較弱。螺桿真空泵：速。螺桿的設(shè)計(jì)使其對(duì)腐蝕性物質(zhì)有一定的耐受性。局限性：對(duì)于處理大量粉塵可能不如爪式泵。羅茨真空泵：使用時(shí)，可有效提高整個(gè)系統(tǒng)的性能。局限性：?jiǎn)为?dú)使用時(shí)對(duì)水汽和粉塵的處理能力有限。為了滿足電池干燥的復(fù)雜需求，通常會(huì)采用多種真空泵的組合，例如“羅茨+螺桿”或“爪式+螺桿”的組合形式?？傊阡囯姵馗稍镌O(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)所烘烤材料放氣特征，干燥的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)（加熱干燥時(shí)間，產(chǎn)能要求，產(chǎn)品合格率，產(chǎn)品一致性，能耗等要求）配置真空泵組。一般有兩種配置方案：1）采用小型螺桿+羅茨泵機(jī)組，適用于小型電池全自動(dòng)干燥線，適合一套機(jī)組帶動(dòng)三至四臺(tái)干燥箱（總本稍高；2）采用大型螺桿+羅茨泵機(jī)組，適用于較大型全自動(dòng)干燥線，適合一套機(jī)組拖八至十臺(tái)干燥箱，在滿足實(shí)際工作真空度要求的同時(shí)，實(shí)際有效抽速較高，提高了相對(duì)干燥效率，從而使設(shè)備購(gòu)置成本更經(jīng)濟(jì)，運(yùn)行成本會(huì)更低（機(jī)組配置功率相當(dāng)，但實(shí)際維持功耗會(huì)更低維護(hù)保養(yǎng)成本也會(huì)更低。4、國(guó)內(nèi)行業(yè)發(fā)展空間及面臨的挑戰(zhàn)近年來(lái)國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體集成電路、新能源等產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)作為信息產(chǎn)業(yè)的基石，集成電路產(chǎn)業(yè)已成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)中基礎(chǔ)性、關(guān)鍵性和戰(zhàn)略性的產(chǎn)業(yè)。近年來(lái)，國(guó)家出臺(tái)了多項(xiàng)政策支持集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展，這為干式真空泵等集成電路裝備制造企業(yè)創(chuàng)造了良好的市場(chǎng)與政策環(huán)境。我國(guó)本土集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，已成為全球最大的集成電路市場(chǎng)。物聯(lián)來(lái)了巨大的芯片增量需求，為干式真空泵產(chǎn)品提供了廣闊的市場(chǎng)空間。同也有廣泛應(yīng)用，這些行業(yè)的發(fā)展也將帶動(dòng)對(duì)干式真空泵的需求。這有利于國(guó)內(nèi)裝備制造企業(yè)積累經(jīng)驗(yàn)、降低成本和加快人才培養(yǎng)，促進(jìn)干式真空泵等裝備制造企業(yè)的發(fā)展。干式真空泵需要具備抽除腐蝕性氣體、粉塵顆粒物、有毒氣體等功能，并且要滿足在高低真空區(qū)間頻繁切換操作、處理水汽/NMP/材料粉塵、耐腐蝕以及全程壓力范圍