干式真空泵在半导体及新能源领域的应用及发展趋势

无油干式机械真空泵（以下简称干式真空泵）是干式指真空泵能从大气压力下开始抽气，又能将被抽气体直接排到大气中去，真空泵腔内无油或其他工作介质，泵半而且泵的导体极限压力与油封式真空泵同等量级或者接近的机械真空泵。

目前真空泵的及新发展越来越受到真空应用环境要求的影响，很多新兴产业及高新技术产业的领域制造过程中所需的真空系统，需要具备抽除腐蚀性气体、用及粉尘颗粒物、发展有毒气体、趋势无油污染等功能，干式因此由油封泵组成的真空真空抽气系统无法满足生产工艺要求。而干式真空泵是泵半一种理想的泵种，以其抽速范围宽、导体抽气腔内无油及元件无摩擦、及新能耗低、领域耐腐蚀等优点得以广泛推广应用，如今已经成为微电子、半导体、精密加工、新能源装备等行业首选的真空获得设备。因此近年来干式真空泵市场需求量越来越大，真空获得产品已经出现更新换代的趋势，大量的有油真空系统被无油真空系统所替代。目前，国内外较大的真空泵公司几乎都在生产各种不同型式的干式真空泵。

干式真空泵的应用领域越来越广，几个主要与真空技术和设备有关的重点发展方向为：（1）石墨烯材料与应用技术，（2）高性能碳纤维及其复合材料，（3）全固态激光技术，（4）高温合金及其制造技术，（5）半导体芯片及高效能量转换与存贮，（6）太阳能利用及应用技术与材料，（7）新型功能与智能材料（真空镀膜技术）。以上领域均需要大量的真空获得设备，尤其是相对清洁无油的干式真空泵。

本文简单介绍干式真空泵在半导体制备及新能源装备制造行业中的应用及发展趋势。

1干式真空泵在半导体制造中的应用

半导体产品的整个制造过程可分为：晶圆加工-氧化-光刻-刻蚀-薄膜沉积-互连-测试-封装等步骤，其中包括了上百个具体的工艺环节，大部分工艺环节需要在无油真空环境下进行，图1为半导体芯片制造的主要工艺流程图。

▲图1半导体芯片的制造工艺流程

干式真空泵在半导体生产线上的应用主要分为进出样品腔（L/L腔）和工艺处理腔抽真空两部分。在L/L腔抽真空过程中，真空泵面临的主要挑战是耐受高频大气冲击，以及要满足大规模制造对节省水/电/气以及安装空间提出的要求，因多级罗茨泵在控制体积，成本和节电方面表现优异，所以目前应用多以多级罗茨泵为主，对于较大型L/L腔抽真空则以罗茨+螺杆泵机组为宜。

工艺处理腔在预抽真空阶段要求从高压到低压的大抽速，对处理工艺介质要求一般，节能要求更高，可以靠变频泵及泵的多级结构来实现，如果单纯从节能角度上看，多级罗茨泵更具优势，但主要不利之处为多级泵结构复杂，不易获得大抽速，所以目前在大腔体（如平板显示行业）抽空中罗茨+螺杆泵机组或螺杆泵的应用更具普遍性。

在工艺腔工艺处理抽真空过程中，工艺腔中可能会产生粉尘及腐蚀性气体（如刻蚀工艺），抽真空对泵的要求是耐腐蚀（取决于工艺气体），耐制程产物（不仅要考虑物理特性，更要考虑其化学特性），工艺相对复杂，要求真空泵热稳定性高，处理粉尘能力强，能耗则为次要考虑因素，目前多通过精确控制泵体温度方式保证泵的长期稳定运行。

由于爪式干泵在处理粉尘、高轴扭矩以及整体泵温运行时相对稳定而更适合工艺腔工艺处理时抽气，例如在半导体线刻蚀处理工艺中，使用爪式干泵的适应性更高。另外，由于工艺腔一般要求低压下具有高抽速，所以如果采用罗茨+干泵机组，则机组中的罗茨泵与前级干泵的配比会很大。所以目前主流大多是采用罗茨+多级爪式干泵或罗茨+多级罗茨干泵的多级泵结构，类似于Edwards的iH600iXH4545等等（爪结构转子+多级罗茨泵）。虽然在半导体线领域采用多级爪泵结构较多，但是在大腔体粗抽空阶段，也较多使用罗茨干泵机组。

螺杆泵在粗低真空段抽气效率要高于爪式泵和多级泵，对于大工艺腔体在预抽阶段抽气可采用螺杆泵或罗茨+螺杆泵机组；在半导体线工艺处理阶段抽气则以爪式泵、多级罗茨泵应用为多。

下面介绍在几个主要制造工艺环节中干泵的应用。

❶硅片制造

见图硅片制造环节主要包括：拉单晶（单晶硅炉）、硅片精加工（研磨机）。

在硅片制造环节，真空泵遇到的工艺挑战主要是抽真空时气流中的巨量超细硅粉及氩气处理。工艺流程及产品（单晶硅棒价值很高）真空泵的要求是可以稳定运行，便于维护保养，且维护成本可控。目前以螺杆泵+罗茨泵应用为主，例如，Leybold主要是SP+WS（螺杆泵+罗茨泵）型式干泵，Edwards为GXS螺杆泵，Busch的NC系列螺杆泵，汉钟的PMF、iPM、iPH三个系列螺杆泵（分别适用于清洁、半严苛和严苛制程工艺）也有应用。

▲图2LeyboldSP型（SP630）螺杆泵

LeyboldScrewline系列干式螺杆泵的设计可满足泵在苛刻工艺负荷下长期可靠运行，其独特的悬臂式设计可允许泵壳在现场进行拆卸和组装，使泵壳、转子清洗非常方便，拆卸和清洗可在1小时内完成，可清洗吸气介质接触到的所有表面，同时SP泵配备了转子吹扫和轴封吹扫设计，可将进泵粉尘尽可能的吹出泵腔以及保证轴封处免受粉尘磨损，这种设计特点特别适合在单晶硅拉晶炉这种大粉尘的应用场合。SP泵具有独特的空心转子设计，采用转子内部冷却方式，转子内部有循环油冷却，使泵腔温度控制在约100℃，不会因过热卡死，尤其是需要长期抽氩气的单晶长晶工艺。SP泵配有SP-Guard监控模块，实时监测泵的运行状态，可监测震动、油温、油位、排气压强等多种参数，保证泵的安全高效运行。SP泵的这些特点，使其成为进口半导体拉晶炉上的优先选择。

EdwardsGXS变螺距螺杆真空泵实现了先进的温度控制和超长的维修间隔以及同类产品中最佳的抽气性能，确保用户长期享有低廉的运行成本。其特点为：真空度高：其极限真空度可达到5×4mbar；智能化：泵自带控制系统，拥有强大的通讯能力和自动控制能力，支持工艺流程的自动控制；经济运行：运行稳定安全、降低运行成本；具有较低的安装成本和系统集成成本。

▲图3EdwardsGXS螺杆真空泵

❷刻蚀工艺

半导体刻蚀工艺基本工况与CVD工艺类似，但工艺反应相较CVD略轻，对泵的要求以粉尘为主要考量因素，工艺气体为次要因素（因工艺气体比较单一，无剧烈化学反应）。真空泵同样被应用于L/L腔及工艺腔。L/L段抽真空泵的考量因素与CVD工艺一致，目前以多级罗茨泵为主，采用Edwards的iXL泵较多。工艺腔真空泵应用以爪式或多级罗茨泵为主，目前主流大多是采用罗茨+多级爪式干泵这种多级结构，以EdwardsiXH泵（爪式+罗茨多级泵）为比较典型的应用模式，但是因多级罗茨泵相对爪式+罗茨转子多级泵制造和维护成本更简单，目前市场应用有逐渐向多级罗茨泵（如iXM泵）转型的趋势。

螺杆泵与多级罗茨泵各有应用特点，多级罗茨泵的真空度高一些，螺杆泵在粗低真空段抽气效率高，适合大工艺腔体粗抽真空，还可以与罗茨泵配合抽低真空大腔体。

目前，干式真空泵的防腐防尘主要靠抽气工艺来调整和解决；如采用尽量控制泵腔内温度和降低粉尘浓度（吹扫工艺）来防腐及防尘泵腔内沉积，比较典型的泵有：EdwardsiXH/iXM系列，另外，在泵抽含粉尘气体时，用干燥气体吹轴封处（使轴封与轴之间产生间隙减少摩擦），使其形成气体密封保护。

▲图4EdwardsiXH、iXL、和pXH系列干泵系统

目前在半导体领域推广的干泵主要为：多级罗茨泵、爪式泵和螺杆泵。

2干式真空泵在平板显示(LCD)行业中的应用

图5所示为平板显示器制造工艺流程。

▲图5平板显示器制造工艺流程图

平板显示器制造工艺与半导体类似，分为PVD与CVD制造工艺。两者不同点在于应用于平板显示行业的设备比较大，供应商也不一定完全一样，且采用的技术路线也不一样。比如平板显示制造行业中的PVD工艺多采用In-Line形式。

总体而言，目前在PVD或CVD工艺线上中，Edwards的iXL/iXH泵的应用较多。针对L/L真空腔，因KashiyamaSDL泵（多级罗茨+罗茨）具有成本优势，目前也为行业的重要供应商。目前在CVD中的Process腔抽气中，Edwards的iXH(爪式干泵+罗茨）占据了平板显示市场的优势份额。在PVD工艺中，Leybold的Dryvac系列泵作为行业应用的标配产品，也占据一定份额。

图5所示的刻蚀工艺用泵与半导体及CVD比较类似，所用的真空泵也类似。最后的Array工艺对真空泵来说主要面对的是溶剂的回收，目前用泵以EdwardsGXS泵（螺杆+罗茨泵）、BuschCobra泵（螺杆+罗茨泵）为主流应用的干泵。

总体来讲，平板显示行业的工艺状况与半导体芯片行业十分接近，只是所用基底不同，平板显示为玻璃，半导体为硅片，而且平板显示行业所用的设备相较半导体行业要大出来很多，因此用泵的型号也要相较半导体行业大很多。

3干式真空泵在光伏（太阳能）发电产业链中的应用

如图6所示，光伏发电系统是指利用光伏半导体材料的光生伏特效应而将太阳能转化为直流电能的设施。

▲图6分布式光伏发电系统

太阳能光伏行业的生产工艺链条较长，其中很多工艺需要应用到真空技术。图7所示为晶硅光伏发电组件及系统的制造工艺流程。

▲图7晶硅光伏发电组件及系统的制造工艺流程

太阳能光伏电池片制备按工艺路线来讲分晶硅及薄膜两种，晶硅电池片以单晶硅为基底，薄膜电池片是以为玻璃为基底，其制备工艺基本为CVD、PVD工艺或两种工艺结合。

在光伏晶体硅片的制备与半导体单晶制备类似，但纯度要求略低。制备工艺与真空技术密不可分，单晶硅多晶硅烧结炉过程中，真空环境可防止杂质污染，和其他气体的反应，提高拉晶纯度。在晶硅片制备中，真空泵面临的工艺挑战为大量硅粉及氩气。

因晶硅片的光电转化率和投资性价比较高，目前占据市场主导，其制造工艺与半导体制造工艺类似，细分路线有PERC、TOPCon和HJT几种，目前PERC、TOPCon工艺路线同时并进，以TOPCon工艺占主流，而HJT工艺被看作今后的发展趋势（方向）。

▲图8PERC、TOPCon制备工艺路线的比较

TOPCon制备工艺所用真空泵基本与半导体制备类似，但相较半导体制备工艺来说，太阳能光伏行业所用的真空泵在满足性能前提之下，成本更具考量因素。EdwardsiXH泵（多级爪+罗茨泵）被行业认为是性能最佳产品，但成本较高，所以市场占比有限，目前以螺杆+罗茨泵为主，以LOT/Hanbell（螺杆+螺茨泵）占据市场主流，Ebara(多级罗茨+罗茨）也可见。其它公司泵以汉钟PS系列泵占比较高，Leybold、沈科仪、鲍斯等公司的泵也有不同程度的进入，均以螺杆+罗茨泵为主。

HJT制备工艺简单，被看作为今后的发展趋势，其工艺特点如图9所示。

▲图9N-HJT制备工艺流程与其他工艺流程对比

在HJT制备工艺中，主要为光伏薄膜沉积。

❶其中在PECVD镀（p/i/n）中，其用泵与半导体CVD制备类似，目前各公司品牌的泵均可看见，目前L/L腔抽空以BuschCobra泵(螺杆+罗茨泵）,EdwardsGXS泵(螺杆+罗茨）,Kashiyama泵(多级罗茨+罗茨）为常见系列用泵。工艺处理腔以BuschCobra泵,EdwardsiXH泵（多级爪+罗茨）为多见系列用泵，国产品牌泵，如通嘉也被使用。

❷在PVD（镀Tco膜）中，工艺同样也与半导体类似，各品牌泵均可见应用，目前L/L腔以LeyboldRUTA泵（螺杆+罗茨），BuschCobra泵(螺杆+罗茨），EdwardsGXS泵(螺杆+罗茨）为常见系列用泵。PVD工艺处理腔基本与L/L采用同系列的泵。

❸在光伏电池层压工艺中需要在真空环境中连接前保护板和后保护板的同时封装太阳能电池。为了不损失所获得的电能，提升光伏发电的效率，接收器（或集热器）必须抽成真空以隔热。

应用于层压工艺的真空泵，工艺挑战为处理压合工艺中的胶水。油式泵（旋片泵）及干式泵（螺杆泵和罗茨+螺杆机组等）均有应用，受环保及维护成本考虑，干式真空泵趋势明显。LeyboldSP630（螺杆泵）因其转子温度更低，更加适合工艺处理，从而具有更长的维保周期，目前占据了市场的主导地位。BuschCobra（螺杆泵）泵因具备成本优势，也占据一定的市场比例。

4干式真空泵在锂电池制造中的应用

图10所示为锂电池制造的主要工艺流程。

▲图10锂电池制造的主要工艺流程

锂电池的生产工艺根据制造先后顺序，工艺流程可以分为前段、中段、后段三个环节。主要涵盖电极制作阶段(前段)、电芯合成阶段(中段)，以及化成封装的包装检测阶段(后段)。

制造工艺的前段为电池正负极制造过程，包含搅拌、涂布、辊压、分切、制片、模切等工序，其中核心环节是用涂布机将搅拌后的浆料均匀涂覆在金属箔片上，并烘干制成正、负极片。在搅拌及合浆工艺中需要抽真空，消除浆料中的空气，保证浆料均匀，避免涂覆时产生气泡，影响涂布效果。

中段为电池主体制作过程，包含叠片/卷绕、入壳、焊接、干燥、注液等工序。为了除去电芯在前段生产工序中残存的溶剂和湿汽，实现最低含水量指标，必须对电芯进行真空干燥处理。另外，在激光焊接完后，为了检测电池的气密性，也需要获取真空，通过保压后检测气压压降，来判断是否漏气。

后段为电池检测组装环节，包含化成、分容检测、Pack成组等工序。负压化成时，锂电池在化成过程中会产生大量气体，需要对电池进行抽真空，减少析锂的可能性。

在锂电池制造领域，离不开真空技术，真空系统及真空泵的性能好坏对锂电池的寿命和性能产生重要影响。下面介绍主要生产工艺环节的真空泵应用情况。

❶原材料搅拌脱气

锂电池前端工艺是制备完成锂电池的正负极片，其第一道工序是搅拌，原材料搅拌分为正负极材料搅拌，即将正、负极固态电池材料混合均匀后加入溶剂，通过真空搅拌机搅拌成浆状。

由于该工艺中的被抽气体为含有一定量的水汽及有机溶剂NMP挥发物(对铜有腐蚀)和残留材料粉尘等混合类气体，因此，要求真空泵具备较强的特殊介质处理能力；目前主要使用干式螺杆真空泵应对此工艺，其工艺性能、能耗及运行维护成本优于爪型干式真空泵和多级罗茨真空泵，配合设备抽空只需要单一螺杆真空泵即可，无需配置罗茨泵来增压增速。但正负极宜分开配置真空泵，如需合并使用同一套真空系统来抽空，使用时须配置真空阀门，严格控制单分开抽空。

真空泵面临的主要工艺挑战难点为正负极材料的粉尘及搅拌过程中的液体（水及其他化学物质），此部分基本采用集中抽真空方式，抽除搅拌过程中的残余气体，真空度在-97Kpa左右。一般使用一套电控系统通过控制泵的启停来控制真空度，以达到节能的目的。干式螺杆泵因其处理粉尘及液体能力比较好，目前已成为行业标准用泵。常用的行业标准泵有EdwardsGXS系列，LeyboldDV系列。

❷电芯干燥

锂电池电芯（极片/极卷）真空加热干燥的目的是通过高真空，均匀温控加热、低露点控制，降低水份在锂电池正/负极材料中的最低含量，同时减少锂离子电池生产工艺中杂质、浮游颗粒（含金属颗粒）等粉尘对锂电池性能的影响，可以大幅度提高动力电池的一致性，并且改善电池功率密度、内阻、高频特性，使用寿命等技术指标。

因锂电池的使用安全性与电芯的水含量息息相关，含水量为检验电池质量的重要参数。理论上讲，组成电池（电芯）的部件均需要干燥，目前的行业趋势是将单纯的电池部件干燥转变成控制生产环境水份+电芯干燥的方式来提高效率及降低成本。为实现电芯的干燥指标，要求电池干燥设备所采用的真空泵须具备水汽/NMP/材料粉尘处理能力和耐腐蚀能力，以及全程压力范围内的高抽速，真空泵还要具备在高低真空区间频繁切换操作特性。因为Edwards螺杆泵是最早进入电池干燥线上的干式泵，所以目前在电池干燥工艺中EdwardsGXS泵应用较多。

由于电芯干燥的工艺压力（真空度）在100pa左右，并需要长期维持该真空度，为此，罗茨+螺杆泵机组成为电池干燥工艺的首选真空泵型，以提高在100Pa压力下抽速及降低电耗，目前采用EdwardsGXS泵较多。为了降低成本，提高抽气和干燥速率，干燥行业有逐渐向采用大型干式泵组转变的趋势，例如，由Leybold真空主导推荐应用的Dryvac螺杆泵（DV）+WH罗茨泵真空泵组被较多应用。

总之，在锂电池干燥设备设计时，应根据所烘烤材料放气特征，干燥的各项技术指标（加热干燥时间，产能要求，产品合格率，产品一致性，能耗等要求）配置真空泵组。一般有两种配置方案：1）采用小型螺杆+罗茨泵机组，适用于小型电池全自动干燥线，适合一套机组带动三至四台干燥箱（总容积2~3m3以内），能同时兼顾抽速要求，实际工作真空度等要求，但成本稍高；2）采用大型螺杆+罗茨泵机组，适用于较大型全自动干燥线，适合一套机组拖八至十台干燥箱，在满足实际工作真空度要求的同时，实际有效抽速较高，提高了相对干燥效率，从而使设备购置成本更经济，运行成本会更低（机组配置功率相当，但实际维持功耗会更低），维护保养成本也会更低。

❸电池真空注液

在注入电解液之前，电池内需抽真空。一般压力要求为-95Kpa或更高。电解液充注中含有大量的六氟磷酸锂，遇水反应生成HF气体或氢氟酸，有较强的腐蚀性（会攻击油式泵的真空油，导致油封式真空泵频繁换油及维修。而使用液环式真空泵，系统达不到注液真空度需求），要求真空泵能耐受溶剂气氛的影响。目前多采用干式螺杆真空泵，可满足注液工艺的的要求。

行业采用较多的主要为：Leybold的DryvacDV螺杆泵、EdwardsGXS螺杆泵。

❹电池组装合成

1）负压化成

锂电池在化成过程中会产生大量气体，需要对电池进行抽真空，减少析锂的可能性。真空泵的主要作用是抽除电芯中的残余气体，在抽气过程中，少量电解液会进入到真空泵当中，具有一定的腐蚀性，考虑耐腐蚀、抽气效率，工艺节拍较快等因素，目前以LeyboldDV系列泵（螺杆或螺杆+罗茨）、EdwardsGXS系列泵（螺杆或螺杆+罗茨）为主导应用，HanbellPS(螺杆或螺杆+罗茨)也被经常采用。

2）电池组件检漏

该工艺为抽除检漏腔的气体以达到检漏仪正常工作的工艺压力，考虑的工作环境为洁净厂房。该工艺抽真空以LeyboldVD泵(螺杆）+SC泵（涡旋）为主导，EdwardsGV泵（多级爪）+nXDS泵(涡旋）为常见用泵。

5国内行业发展空间及面临的挑战

近年来国内半导体集成电路、新能源等产业发展迅速，有关统计数据显示，受益于中国庞大的消费市场以及国家产业政策的大力支持，目前中国已超过美国、欧洲和日本，成为全球最大的集成电路市场。与此同时，物联网、大数据、人工智能、5G通信、智能驾驶等新型基础设施和新型应用领域将带来巨大的芯片增量需求。而集成电路生产能力的不断提升，有利于国内相关装备制造企业积累研发及管理经验、降低生产成本以及加快人才培养，促进国内装备制造企业的快速发展，同时为干式真空泵产品提供了广阔的市场空间。

目前虽然国内干泵相关生产制造企业在干泵的研发和制造方面已经取得了长足的进步，但是与国外知名厂商比，在综合竞争力上仍存在一定差距，主要体现在技术与相关人才储备上相对不足。真空技术装备及仪器的研发制造对科研人才的要求较高，一方面，产品的研发、设计、制造需要真空、机械、材料、电磁、自动控制、软件等多学科领域的复合型人才；另一方面，由于产品应用领域广泛，可用于集成电路、太阳能光伏、LED、平板显示、锂电池、工模具、装饰、制药、化工等行业，因而要求研发、设计人员对产品下游应用领域及应用场景有较为深刻的理解和认识。由于我国相关产业起步较晚，发展历程较短，产业基础相对薄弱，国内企业在产品性能、产品种类、研发投入、业务规模、技术积累等多方面仍存在一定的差距。且人才的培养不仅需要扎实的理论学习更要求大量的实践经验，现有的人才难以满足行业快速发展的需要，需要各有关方面共同努力来补足短板。