ทำไมสายการเคลือบฟิล์มสุญญากาศ (PVD) จึงไวต่อความผันผวนของอัตราการสูบ: รายการสภาวะการทำงาน การคำนวณอัตราการสูบ และการจัดชุดปั๊ม

กำลังการผลิตและความสม่ำเสมอของชั้นฟิล์มในสายการเคลือบ ส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับช่วงการสูบอากาศ ห้องเดียวกัน ชิ้นงานชุดเดียวกัน กะเช้าสูบจากความดันบรรยากาศถึงความดันส่งต่อใช้ 6 นาที ตอนบ่ายเตาเดียวกันใช้ 8 นาทีครึ่ง ห้องไม่ได้เปลี่ยน ปั๊มก็ไม่ได้แจ้งปัญหา แต่รอบเวลาก็ยังไม่นิ่ง อาการ “ยิ่งสูบยิ่งช้า” ส่วนใหญ่ไม่ใช่ปั๊มเสีย แต่เป็นอัตราการสูบที่มีประสิทธิผลลดลงในช่วงกลาง

ระบบสุญญากาศสำหรับการเคลือบฟิล์มสุญญากาศ (PVD) ไวต่อความผันผวนของอัตราการสูบ เพราะถูกบีบจากสามเรื่องพร้อมกัน: รอบเวลา (ถ้าการสูบเบื้องต้นช้าไปหนึ่งนาที ทุกเตาก็ช้าไปหนึ่งนาที), ความดันพื้นหลัง (ถ้าความดันก่อนเข้าสู่กระบวนการไม่ถึงเป้า การยึดเกาะและความสม่ำเสมอของชั้นฟิล์มจะคลาดเคลื่อนตาม), ความดันแก๊สในกระบวนการ (ช่วงสปัตเตอร์อาศัยวาล์วปีกผีเสื้อและอัตราการไหลของแก๊สเพื่อรักษาความดันใช้งานระดับ 10⁻³～10⁻² mbar เมื่อฝั่ง foreline อ่อนกำลังลง ต่อให้ปรับวาล์วปีกผีเสื้ออย่างไรก็ชดเชยกลับมาไม่ได้) ดังนั้นการเลือกขนาดจึงดูแค่ตัวเลขอัตราการสูบบนป้ายพิกัดไม่ได้ ต้องทำตามสี่ขั้น: รายการสภาวะการทำงาน → คำนวณการสูบเบื้องต้น → คำนวณช่วงคงสภาวะ → จัดชุดปั๊ม

1. เริ่มจากทำรายการสภาวะการทำงานก่อน อย่าเพิ่งรีบดูรุ่น

ความต้องการสุญญากาศของสายการเคลือบดูเหมือนจะเป็น “สูบให้ได้สุญญากาศสูง” เหมือนกัน แต่ความแตกต่างจริงอยู่ในตารางนี้ ก่อนคุยเรื่องการเลือกขนาด ให้กรอกแปดหัวข้อด้านล่างให้ชัดเจน หากเว้นว่างตั้งแต่สองหัวข้อขึ้นไป การจัดชุดปั๊มที่ได้ก็แทบจะเป็นการเดา

หัวข้อสภาวะการทำงาน	ต้องกรอกอะไร	ทำไมจึงส่งผลโดยตรงต่ออัตราการสูบ
ปริมาตรห้อง	ปริมาตรสุทธิของห้องว่าง รวมถึงพื้นที่จับยึดและตำแหน่งชิ้นงาน	เวลาสูบเป็นสัดส่วนตรงกับปริมาตร ถ้าคำนวณปริมาตรเล็กไปครึ่งหนึ่ง เวลาก็จะถูกคำนวณขาดไปครึ่งหนึ่ง
เวลาสูบเบื้องต้นต่อรอบ	จำนวนวินาทีที่กระบวนการอนุญาตให้ใช้จากความดันบรรยากาศถึงความดันส่งต่อ	ตัวชี้วัดตายตัวของรอบเวลา ใช้ย้อนกลับเพื่อหาอัตราการสูบที่มีประสิทธิผลขั้นต่ำที่ต้องการ
ความดันส่งต่อ	จุดความดันที่ปั๊มกลส่งต่อไปยังปั๊มสุญญากาศสูง	โดยทั่วไปอยู่ในระดับ 5～20 mbar ยิ่งจุดความดันต่ำลง อัตราการสูบก็ยิ่งถูกใช้งานหนักขึ้น
ความดันใช้งานในกระบวนการ	ความดันที่ช่วงสปัตเตอร์รักษาไว้และชนิดของแก๊ส	กำหนดภาระแก๊สของช่วงคงสภาวะ ซึ่งเป็นคนละบัญชีกับช่วงสูบเบื้องต้น
อัตราการไหลของแก๊สในกระบวนการ	ค่า sccm ของแก๊สใช้งาน เช่น อาร์กอน	แปลงเป็นภาระการไหล Q โดยตรง เพื่อตรวจสอบว่าปั๊ม foreline เพียงพอที่ความดันด้านหลังหรือไม่
สื่อที่ถูกสูบ	ฝุ่น ไอน้ำ ไอตัวทำละลาย สารระเหยจากวัสดุเป้า	กำหนดว่าต้องมีตัวกรองก่อนปั๊ม ตัวควบแน่น และแก๊สแบลลาสต์หรือไม่
ค่าสัมประสิทธิ์การใช้พร้อมกัน	จำนวนห้องที่ใช้ชุดปั๊มร่วมกันและระดับการกระจายเวลาใช้งาน	เมื่อใช้ปั๊มร่วมกัน ค่าพีคจะซ้อนกันและอัตราการสูบที่ใช้ได้จริงจะถูกแบ่งออกไป
สภาพท่อ	ระยะจากห้องปั๊มถึงห้องสุญญากาศ ขนาดผ่าน จำนวนข้อศอกและวาล์ว	ความต้านทานการไหลในท่อเป็นส่วนลดแฝงที่สำคัญของอัตราการสูบที่มีประสิทธิผล

2. ช่วงสูบเบื้องต้น: คำนวณเวลาสูบอย่างไร

ช่วงสุญญากาศหยาบใช้การประมาณแบบอุณหภูมิคงที่ เวลาสูบ:

t = (V / S) × ln(p₁ / p₂)

V คือปริมาตรห้อง, S คืออัตราการสูบที่มีประสิทธิผล, p₁ คือความดันเริ่มต้น, p₂ คือความดันเป้าหมาย ตัวอย่างการสูบจาก 1013 mbar ไปยัง 10 mbar, ln(1013/10) ≈ 4.62

ปริมาตรห้อง	ปั๊มหลัก	อัตราการสูบตามพิกัด	เวลาสูบในอุดมคติ	ปรับตามอัตราการสูบที่มีประสิทธิผล 70%
0.5 m³	DPL-V0155	150 m³/h	55 s	79 s
1.0 m³	DPL-V0202	200 m³/h	83 s	119 s
2.0 m³	DPL-V0302	300 m³/h	111 s	158 s
2.5 m³	DPL-V300B	ค่าจริง 240 m³/h	173 s	247 s
3.0 m³	DPL-V630B	ค่าจริง 640 m³/h	78 s	111 s

สองคอลัมน์ในตารางต่างกันไม่น้อย คอลัมน์ที่สองคือค่าที่นำไปใช้ประกาศรอบเวลาได้ 70% เป็นการปรับหยาบสำหรับท่อและวาล์ว: หากขนาดผ่านเล็กเกินไป ท่อยาวเกินไป หรือมีข้อศอกมากเกินไป ค่าสัมประสิทธิ์ปรับจริงจะต้องลดลงอีก นี่ไม่ใช่ความคลาดเคลื่อนจากการประมาณ แต่เป็นความสูญเสียช่วงหนึ่งในระบบสุญญากาศที่มักถูกละเลยเป็นประจำ — อัตราการสูบที่วัดได้ข้างห้องสุญญากาศกับที่วัดจากห้องปั๊มซึ่งมีท่อคั่นหลายสิบเมตรอาจต่างกันถึงครึ่งหนึ่ง

ยังมีอีกสองเรื่องที่ทำให้เส้นโค้งแบนลง: การปล่อยแก๊สจากผนังห้องและอุปกรณ์จับยึด และอัตราการรั่วที่หน้าผนึกกับหน้าแปลน สิ่งเหล่านี้ไม่ได้แปรผันเชิงเส้นตามความดัน ยิ่งใกล้ความดันเป้าหมายก็ยิ่งชัดเจน นี่จึงเป็นเหตุผลที่ช่วงสูบเบื้องต้นมักเปิดแก๊สแบลลาสต์: แก๊สแบลลาสต์จะผสมอากาศแห้งเข้าไป ลดความดันย่อยขององค์ประกอบที่ควบแน่นได้ (โดยเฉพาะไอน้ำ) เพื่อไม่ให้ควบแน่นลงในน้ำมันปั๊มก่อนวาล์วระบายเปิด ข้อแลกเปลี่ยนคือความดันต่ำสุดลดลง ดังนั้นเมื่อใกล้ความดันส่งต่อควรปิดแก๊สแบลลาสต์แล้วดึงต่อ เปิดนานเท่าไรและปิดเมื่อใด ให้ทดลองตามปริมาณไอน้ำจริง ไม่ควรเปิดค้างไว้ตลอดเวลา

3. ช่วงคงสภาวะ: ภาระแก๊สในกระบวนการกำหนดขีดจำกัดล่างของปั๊ม foreline

การสูบเบื้องต้นคำนวณเรื่อง “ขนย้ายอากาศ” ส่วนช่วงสปัตเตอร์คำนวณเรื่อง “ขนย้ายแก๊สในกระบวนการ” ซึ่งเป็นคนละบัญชีโดยสิ้นเชิง ความสัมพันธ์ของช่วงคงสภาวะคือ:

Q = p × S

Q คือภาระแก๊ส, p คือความดันใช้งาน, S คืออัตราการสูบที่มีประสิทธิผล ณ จุดความดันนั้น 1 sccm ประมาณเท่ากับ 1.27×10⁻² mbar·L/s อัตราการไหลของอาร์กอน 200 sccm ประมาณเท่ากับ 2.54 mbar·L/s เมื่อกระจายภาระนี้ไปที่ความดันด้านหลังต่างๆ:

ความดันด้านหลังของ foreline	อัตราการสูบที่ต้องการสำหรับ 200 sccm
0.5 mbar	18.3 m³/h
0.3 mbar	30.5 m³/h
0.1 mbar	91.4 m³/h
0.05 mbar	182.9 m³/h

ข้อสรุปตรงไปตรงมา: ยิ่งกำหนดความดันด้านหลังต่ำลง ปั๊ม foreline ก็ยิ่งทำงานหนักขึ้น สำหรับแก๊สในกระบวนการ 200 sccm เท่ากัน ที่ความดันด้านหลัง 0.5 mbar ระดับ 20 m³/h ก็เพียงพอ แต่ถ้าลดไปถึง 0.05 mbar ต้องใช้มากกว่า 180 m³/h ดังนั้น “จะเลือกปั๊ม foreline ขนาดเท่าไร” แยกจาก “foreline ทำงานที่ความดันเท่าไร” ไม่ได้ — นี่คือเหตุผลที่รุ่นเดียวกันใช้ได้กับสายการผลิตนี้ แต่ใช้ไม่พอกับอีกสายการผลิตข้างๆ

4. ช่วงปั๊ม Roots: อัตราการสูบบนป้ายพิกัดใช้ได้เมื่อความดันทางเข้าสูงเพียงพอ

หากห้องมีขนาดเกิน 1.5 m³ หรือรอบเวลาแน่นมาก ปั๊มกลเดี่ยวมักรับไม่ไหว ต้องใช้ชุดปั๊ม Roots จุดที่มักคลาดเคลื่อนได้ง่ายคือการนำอัตราการสูบตามพิกัดของปั๊ม Roots ไปใช้เป็นค่าคงที่

ปั๊ม LC ซีรีส์ห้ารุ่นมีอัตราการสูบตามพิกัด 250, 500, 1200, 2600, 4200 m³/h (50Hz) กำลังมอเตอร์เรียงตามลำดับ 2.2, 2.2, 4.0, 7.5, 11 kW และทางเข้าจาก ISO63 ถึง ISO250 ค่าเหล่านี้เป็นค่าที่ความดันทางเข้าสูงเพียงพอ เมื่อความดันทางเข้าลดลง ปริมาณแก๊สที่ปั๊ม Roots ขนย้ายได้จะลดตาม และอัตราการสูบจริงจะขึ้นกับความสามารถที่เหลือของปั๊ม foreline ณ จุดความดันเดียวกันมากขึ้นเรื่อยๆ การจับคู่ทั่วไป เช่น 2V80 (74 m³/h, 3 kW) กับ LC250 และ 2V275 (255 m³/h, 7.5 kW) กับ LC2600 ใช้สำหรับสูบเบื้องต้นในห้องเคลือบฟิล์มและสูบห้องขนาดใหญ่

โรเตอร์สองตัวของปั๊ม Roots ไม่สัมผัสกันและซีลด้วยช่องว่าง หากความดันต่างมากเกินไป มอเตอร์มีโอกาสโอเวอร์โหลดได้ง่าย ตัวอย่าง WSU2000 มีความดันต่างสูงสุดที่อนุญาต 50 mbar อัตราการสูบ 2050 m³/h กำลัง 7.5 kW หน้าแปลน DN160 ISO-K ค่า 50 mbar นี้คือค่าขอบเขตสำหรับการออกแบบ interlock ด้านการควบคุมให้ทำตามลำดับ “foreline สร้างสุญญากาศพื้นฐานก่อน → ความดันทางเข้าถึงค่าที่ตั้ง → เปิดปั๊ม Roots” หากความดันต่างเกินขีดจำกัด ให้จำกัดด้วยวาล์วระบายเกินหรือ bypass อย่าให้ปั๊ม foreline รับภาระโดยตรง

5. เลือกปั๊มตามปริมาตรห้อง: ตารางจัดชุดปั๊มหนึ่งหน้า

ปริมาตรห้อง	ความดันส่งต่อเป้าหมาย	ปั๊มหลัก	กำลังมอเตอร์	ความดันต่ำสุด (ปิดแก๊สแบลลาสต์)	แนวทางเสริม
0.3～0.6 m³	10 mbar	DPL-V0155 (150 m³/h)	4.0 kW	0.3 mbar	เมื่อรอบเวลาแน่น ให้ใช้ LC250
0.6～1.2 m³	10 mbar	DPL-V0202 (200 m³/h)	5.5 kW	0.1 mbar	ใช้ LC500
1.2～2.0 m³	10 mbar	DPL-V0302 (300 m³/h)	7.5 kW	0.5 mbar	ใช้ LC500 / LC1200
2.0～3.0 m³ (พื้นที่ติดตั้งจำกัด)	10 mbar	DPL-V300B (ค่าที่ระบุ 280 / ค่าจริง 240 m³/h)	5.5 kW	≤0.08 mbar	ใช้ LC500
3.0 m³ ขึ้นไปหรือรอบเวลาแน่น	10 mbar	DPL-V630B (ค่าที่ระบุ 700 / ค่าจริง 640 m³/h)	15 kW	≤0.08 mbar	ใช้ LC1200 ขึ้นไป
ต้องการความดันพื้นหลังต่ำกว่า 10⁻² mbar	—	DPL-2V80 / 2V275 + ชุด LC	3 / 7.5 kW	4×10⁻⁴ / 5×10⁻⁴ mbar	ตรวจสอบ foreline ตามความดันด้านหลัง

ในตาราง V300B กับ V630B ให้ทั้งค่าที่ระบุและค่าจริงพร้อมกัน การเลือกขนาดให้คำนวณรอบเวลาตามค่าจริง: อัตราการสูบตามชื่อคือปริมาตรการแทนที่ทางเรขาคณิต ส่วนอัตราการสูบจริงคือค่าที่วัดได้ ทั้งสองต่างกัน 8%～9% ซึ่งกำหนดจำนวนวินาทีที่คำนวณได้ในคอลัมน์ของตารางที่ 2 โดยตรง

6. ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

1. เปรียบเทียบแค่อัตราการสูบบนป้ายพิกัด โดยไม่ดูจุดความดันใช้งาน ปั๊มสองตัวมีค่าบนป้ายพิกัดต่างกัน 20% แต่อัตราการสูบจริงที่ความดันด้านหลัง 0.05 mbar อาจต่างกันเท่าตัว เพราะเส้นโค้งอัตราการสูบลดลงในช่วงความดันนี้

2. ต่อท่อตามขนาดปากปั๊ม โดยไม่ตรวจสอบตามอัตราการไหล ทางเข้า G2″ ไม่ได้หมายความว่าท่อควรใช้ G2″ ต้องตรวจสอบขนาดผ่านของข้อศอก ท่อลูกฟูก และวาล์วไปพร้อมกัน ความสูญเสียในท่อจัดเป็นปัญหาประเภทที่ทำให้รอบเวลาช้าลงได้โดยไม่ต้องเปลี่ยนปั๊ม

3. หลายห้องใช้ชุดปั๊มร่วมกัน แต่เลือกตามความต้องการของห้องเดียว การใช้ปั๊มร่วมกันต้องรวมค่าพีคแล้วคูณด้วยค่าสัมประสิทธิ์การใช้พร้อมกัน การใช้ปั๊มร่วมกันประหยัดอุปกรณ์ แต่ความผันผวนของความดันในช่วงพีคจะส่งตรงไปยังทุกห้อง

4. เปิดแก๊สแบลลาสต์ค้างไว้ตลอดเวลา แก๊สแบลลาสต์ช่วยกดองค์ประกอบที่ควบแน่นได้ แต่มีข้อแลกเปลี่ยนคือความดันต่ำสุดลดลงและอุณหภูมิปั๊มสูงขึ้น หลังสูบเตาที่มีแก๊สควบแน่นได้เสร็จ ก่อนเปลี่ยนไปเตาถัดไปให้ปิดแล้วดึงความดันต่อ อย่าเปิดค้างไว้เพียงเพื่อความสะดวก

5. ไม่ตรวจอุณหภูมิและสภาพน้ำมัน อัตราการสูบของปั๊มซีลน้ำมันสัมพันธ์โดยตรงกับสภาพน้ำมัน น้ำมันเป็นอิมัลชัน ระดับน้ำมันต่ำ หรืออุณหภูมิน้ำมันสูงเกินไป ล้วนทำให้อัตราการสูบลดลงในช่วงครึ่งหลังของวัน — นี่คือสาเหตุทางกายภาพที่พบบ่อยประการหนึ่งของอาการ “กะเช้าเร็ว ช่วงบ่ายช้า”

6. นำค่าพารามิเตอร์ของ 50/60Hz ไปใช้ตรงๆ รุ่นเดียวกันที่ 60Hz มีความเร็วรอบและอัตราการสูบต่างกัน มอเตอร์และการต่อสายก็ต้องเปลี่ยนตาม บางรุ่นไม่เหมาะกับพื้นที่ที่ใช้ 60Hz ก่อนสั่งซื้อสำหรับการส่งออกหรือโครงการต่างประเทศต้องตรวจสอบให้ชัดเจน

คำถามที่พบบ่อย

ถาม: ห้องขนาด 1 m³ สูบจากความดันบรรยากาศถึง 10 mbar DPL-V0202 เพียงพอหรือไม่? ตอบ: คำนวณตาม t=(V/S)ln(p₁/p₂) เวลาอุดมคติที่ 200 m³/h คือ 83 วินาที และเมื่อปรับตามอัตราการสูบที่มีประสิทธิผล 70% จะเป็น 119 วินาที หากกระบวนการอนุญาตให้ใช้เวลาเกิน 2 นาที ปั๊มเดี่ยวใช้ได้ หากรอบเวลาต้องการภายใน 90 วินาที ต้องใช้ชุดปั๊ม Roots LC500 และตรวจสอบขนาดผ่านของท่ออีกครั้ง
ถาม: ทำไมปั๊มตัวเดียวกันจึงเร็วในช่วงเช้าและช้าช่วงบ่าย? ตอบ: ตรวจสามจุดก่อน: อุณหภูมิและสภาพน้ำมัน (หลังจากทำงานต่อเนื่อง อุณหภูมิน้ำมันสูงขึ้นและน้ำมันเป็นอิมัลชันจะดึงอัตราการสูบลง), ความดันต่างของตัวกรองก่อนปั๊ม (ฝุ่นหรือของเหลวควบแน่นอุดตันไส้กรอง), ท่อและวาล์ว (ท่อลูกฟูกเสื่อมสภาพ หน้าผนึกรั่ว) เมื่อทั้งสามจุดปกติแล้วจึงสงสัยตัวปั๊มเอง
ถาม: สายการเคลือบฟิล์มจำเป็นต้องใช้ปั๊ม Roots หรือไม่? ตอบ: ขึ้นกับปริมาตรและรอบเวลา สำหรับขนาดต่ำกว่า 0.6 m³ และรอบเวลาไม่เร่งรีบ ปั๊มเดี่ยว DPL-V0155 หรือ DPL-V0202 สามารถทำการสูบเบื้องต้นได้; สำหรับขนาดเกิน 1.2 m³ หรือต้องการให้ถึงจุดภายใน 90 วินาที โดยทั่วไปจะใช้ LC250 / LC500 ประกอบเป็นชุด แล้วนำอัตราการสูบมาบวกกันก่อนตรวจสอบซ้ำด้วยความสามารถของ foreline ที่จุดความดันด้านหลัง
ถาม: แก๊สในกระบวนการ 200 sccm กำหนดปั๊ม foreline อย่างไร? ตอบ: กำหนดก่อนว่า foreline ทำงานที่ความดันด้านหลังเท่าไร 200 sccm ประมาณเท่ากับ 2.54 mbar·L/s ที่ความดันด้านหลัง 0.3 mbar ต้องใช้ 30.5 m³/h ที่ 0.1 mbar ต้องใช้ 91.4 m³/h ที่ 0.05 mbar ต้องใช้ 182.9 m³/h หากกำหนดความดันด้านหลังไม่ได้ ก็ไม่มีคำตอบที่ชัดเจนสำหรับปั๊ม foreline
ถาม: เปิดและปิดแก๊สแบลลาสต์เมื่อใด? ตอบ: เปิดในช่วงสูบเบื้องต้นเมื่อมีองค์ประกอบที่ควบแน่นได้ (ไอน้ำ ไอตัวทำละลาย) เพื่อให้สารที่ควบแน่นได้ออกไปพร้อมแก๊สผสมโดยไม่ควบแน่นในน้ำมัน; ปิดเมื่อใกล้ความดันส่งต่อและต้องดึงถึงความดันต่ำสุด การเปิดค้างไว้ตลอดเวลาจะทำให้ความดันต่ำสุดลดลง อุณหภูมิปั๊มสูงขึ้น และอัตราการสูบเปลี่ยนตาม