CN100579619C - 改进的低温泵 - Google Patents

Abstract

公开了一种由GM式制冷器冷却的低温泵，其中，低温(第二级)低温板被安装在一个平行于膨胀器缸轴线的平面内；第一级膨胀空间的低温端靠近膨胀器缸进入容纳低温板的真空壳体的位置处；对于低温泵的两种定向，排放系统均通过一个排放端口去除所有液态氩和水。

Description

改进的低温泵

技术领域

本发明涉及一种改进的低温泵。

背景技术

本发明的目的是提供一种可快速再生(regeneration)的低温泵，这种低温泵用于诸如半导体晶片制造过程中的溅镀。溅镀通常大约在一分钟内发生在流量为100～200scc/m的氩气流中，接着气流停止，同时压力降到低于2×10^-7托的基本压力。约一分钟内载入一个新的晶片并重复上述过程。

低温泵前面的节流板在溅镀过程中保持腔体中的压力大约在1×10^-2托，而在低温泵进口的压力在1～2×10^-3托的范围。由于低温泵通过冷冻于第二级(冷)低温板(cryopanel)来除去气态氩，因此必须使泵定期变热(再生)来融化和除去氩气低温沉积物，然后再冷却到正常的操作温度。其它的气体，比如非常少量聚积的水和氢气，也必须定期地去除。

两级GM式制冷器，现用于冷却低温泵，将第一级低温板冷却到50～100K，将第二级低温板冷却到大约15K。膨胀器通常被配置成阶梯式缸，其在较热的第一级末端具有气门组件，在从较大直径的第一级到较小直径的第二级的过渡处具有第一级冷却位置(50～100K)，在末端远处具有第二级的冷却位置(大约15K)。

低温泵通常被制成为具有进口，其在膨胀器缸轴线上，有时被称为“直列式”，或者与缸的轴线垂直，有时被称为“小轮廓型(low profile)”。用于溅镀的低温泵通常采用小轮廓，原因是当它们被安装到半导体加工腔的下部或侧部时，它们更为紧凑。

这种应用中最常见尺寸的低温泵具有内径为200mm的进口。用于直列型低温泵中的低温板通常是绕冷凝管轴线对称。这种板的设计通常通过在低温板中形成挖去部分以用于膨胀器缸，以适应于小轮廓低温泵，例如在美国专利5156007中描述的。在冷却气体方面，这种低温泵在所有方向上的操作都是相同的，但是在再生时，融化的低温沉积物沿不同方向流出，这取决于低温泵的方向和设计。

美国专利4150549描述了一种典型的低温泵，它使用两级GM式制冷器冷却两个绕轴线对称的低温板。第一级冷却进口板(高温板)，进口板抽吸I族气体，诸如水和二氧化碳，阻碍大量气体到达第二级(冷却)板，但是允许诸如氩气和氮气的II族气体和诸如氢气和氦气的III族气体通过。II族气体冷冻在杯型低温板的前部，III族气体被低温板后侧的吸附剂吸附。

美国专利4530213描述了一种低温板设计，其由从进口区域到外壳背部的一组直径递增的同心环所组成。这种设计更利于溅镀，因为会有更多的空间来聚积氩气，且有更大的表面积来分布氩气。

半导体晶片的生产能力依靠：a)快速恢复到基本压力的时间，b)再生之间的循环次数的最大化，c)快速的再生，包括快速加热，快速除去低温沉积物，以及快速冷却。

溅镀中有许多重要因素，从快速恢复基本压力开始。2×10^-7托的基本压力相应于固态氩表面的最大温度是29K。在氩气流动时期，通过冷凝/冷冻，附带的气体固态氩的表面被加热。通过传导通过固态氩，热量从表面移除。当第二级低温板表面缺少足够的氩时，它表面的温度永远不会被加热到29K。在这种情况下，恢复时间是从腔体到低温泵气体流动模型中的一个重要参数。然而，当固态氩层厚度增加时，表面变得更热，把表面最热的部分冷却到低于29K所需要的时间是一个重要的因素。

氩气均匀地散布在一个大的区域，可以使表面升高的温度最小并且缩短表面与低温板之间传导路径的长度。保持低温板的温度低于15K也很重要，因为低于20K时热传导率k增加较大，比热Cp减小。当氩气流动时，低的比热将导致表面温度升得更高，从而表面与低温板间的温差dT更大。大的温差和高的热传导率会使表面温度下降得更快。

总之，固态氩均匀分布在大的区域且板的温度低于15K，压力会快速恢复。

再生之间循环次数最大化的性能是另一个重要因素。由于固态氩热传导率高，在给定压力下抽吸速度降低前，低温沉积物达到2～3cm的厚度是可能的。对于一个标准的内径为200mm的低温泵，这相当于是大约1000～1200SL的氩。对于溅镀应用，要求在低于两分钟内恢复到基础压力，使容量受到限制，800SL的容量被认为合适。

美国专利4530213公开了在一种低温板抽吸装置上氩的低温沉积物的分布，其具有保存大量氩的良好结构。美国专利6155059是另一个设计为保存大量固态氩的结构的例子。

这些设计都为聚积低温沉积物提供大量空间。另一方面，美国专利5310511中有氩冷冻浓缩的处理，是为吸入氢气提供大量的空间。浓缩氩会使厚层建立更快且恢复时间更长。

第三个因素是快速再生。欲使低温板变热，可以使用膨胀器热站(heat station)上的加热器，设于真空壳体的外侧的加热器，或者像美国专利5361588中描述的通过膨胀器反向操作。最后一种选择可以排除对加热器的需要且能简化结构。氩在83K时融化，但表面仅需达到42K，然后就可以利用外壳与低温沉积物之间的气体热传导，这是有助于融化固态氩的一个大热源。溅镀过程中连同氩气一起被吸进的氢气的存在，非常有助于通过气体传导热量。

1000SL的氩重为1.63kg。这些数量的固态氩在20K时体积约为1L，需要约45kJ的热量来融化，约263kJ以上来气化。从泵中排干液态氩可减少其去除的必要时间。美国专利5228299，5333466，5400604，5465584，5542257描述了在不同方向上从泵的除去液态氩的方法。

低温泵可以加热到约180K，以仅除去氩气和氢气，或者加热到300K以上，以除去所有吸入的气体。在两种情况下升温相对较快，因为通过执行加热和净化气体的加热使得从加热器输入或反向操作的热量被增加。然后需要一定时间释放被吸入的残留气体，通常是在活性炭中。典型的时间是加热到320K需要25分钟，从活性碳中排出气体(水)要30分钟，接下来需要80分钟冷却回到20K以下。

美国专利5056319中提到第一级热站的延长，其典型地用于一个轴对称的第二级低温板连在小轮廓低温泵外壳中间的第二级热站时的情况。美国专利5156007描述了为了在高于低温板温度时防止有氩气冻结，必须在第二级缸上加上屏蔽体。

缩短降温时间是本发明的目的之一。这通过使待冷却的物料的量最小化来实现，最重要的是在第一级热站。

本发明的一个目的是使低温沉积物的聚积空间最大，并且通过在一个保持温度低于15K的大表面上均匀地分散低温沉积物来快速恢复压力。

发明内容

缩短降温时间是通过使待冷却的物料的量最小化来实现的，最重要的是在第一级热站。低温沉积物的聚积空间最大化。综合起来，这些因素增加了循环次数，在循环后再生是必要的。

本发明将应用于具有两级GM式制冷器的低温泵，其中真空器的进口是在平行于膨胀器缸轴线的平面内。在溅镀过程中通常设计成使半导体晶片的生产能力最大化。典型的用于该过程的低温泵的进口端口尺寸为200mm。

本发明有三个基本特征。第一，低温的(第二级)低温板定位于平行于膨胀器缸轴线的平面内，(可以在平行于膨胀器缸轴线的低温板的平面内画一条线)。第二，第一级膨胀空间的低温端靠近膨胀器缸进入到包含有低温板的真空壳体的位置，使第一级热站的重量最小化。第三，对于低温泵的两种方向，排放系统使所有液态氩和水通过排出口流出。

这种配置使得固态氩具有大的容腔，以便相当均匀地聚积在具有相对大面积的低温板上。与传统设计相比，聚积更多的氩并且仍然满足恢复时间的要求成为可能。液体在加热时直接排出。低温板的几何结构是使排放器在泵的两个方向中的任何一个上都可以工作。第二级热站不必在壳体中间，因为折叠式低温板能沿着其长度附在任何位置。板延伸跨越第二级缸且不需要单独的屏蔽体。这些特点能在需要再生之前聚积到更多的氩，使在再生中加温时间最短，且降温时间最短。

本发明涉及一种低温泵，其由两级GM式制冷器冷却，包括限定出真空腔的壳体，位于壳体内的第一级低温板和至少一个第二级低温板，以及从制冷器的膨胀器缸通向真空腔的进口端口，该进口端口定位在一个平行于膨胀器缸轴线的平面内，其中，a)至少一个第二级低温板位于一个平行于膨胀器缸轴线的平面内，b)真空腔中的第一级膨胀空间的低温端位于靠近膨胀器缸进入容纳低温板的真空腔壳体的位置处，c)设有排放系统，以使所有液态氩和水通过排放端口排出，其中，排放系统包括由具有高热传导率的材料制成的带有翅片的通气阀。

本发明涉及一种低温泵，其由GM式制冷器冷却，包括两级膨胀器和垂直于膨胀器缸轴线的真空腔进口，膨胀器包括第一级低温板组件，其与膨胀器的第一级热站连接，并且包围与第二级膨胀器连接的第二级低温板组件，其中，第二级低温板组件包括折叠于第二级膨胀器缸上的平板，第一级低温板组件和真空壳体组件设有用于排放液体的端口，所述低温泵设有排放系统，以使所述液体通过所述端口排出，其中，所述排放系统包括由具有高热传导率的材料制成的带有翅片的通气阀。

本发明涉及一种低温泵，其由两级GM式制冷器冷却，包括膨胀器组件，真空壳体，第一级低温板，平坦的第二级低温板，以及通气/放泄阀，其中，膨胀器缸包括高温法兰、第一级缸、第一级热站、第二级缸、第二级热站，其中，真空腔的进口位于一个平行于膨胀器缸组件轴线的平面内，所述低温泵还包括排放系统，其被设置为，不论低温泵是竖直还是水平定向，液态氩和水都通过排放端口流出，其中，所述排放系统包括由具有高热传导率的材料制成的带有翅片的通气阀。

附图说明

图1是低温泵剖切侧视图，显示本发明的主要特征。图1中没有显示膨胀器驱动装置，但在美国专利5361588中可以看到它。

图2是沿着图1所示低温泵外壳中心线的剖切端视图

图3是低温泵进口的俯视图，第一级百叶窗移开了，因此图1所示的第二级板可见。

具体实施方式

图1低温泵组件9在剖切侧视图中示出为主要部件包括膨胀器缸组件10，真空壳体组件20，第一级低温板组件30，第二级低温板组件40，和通气/排放阀组件50。膨胀器缸组件10包括高温法兰11，第一级缸12，第一级热站13，第二级缸14，和第二级热站15。真空壳体组件20包括进口安装法兰21，低温板外壳22，缸壳体23，膨胀器安装法兰24，和通气/排放端口25。没有示出的是缸壳体23的安装口，通常它是标准的，用来给低温泵安装压力表、温度传感器、净化气体输入器，也可能安装加热器。第一级低温板组件30包括辐射屏蔽体(radiation shield)31(常常称为高温板)，进气百叶窗32，液体拦截器33，排放端口34。第二级低温板组件40(低温板)包括低温板41、42、43等，如图2所示。泵剂可以如图示那样安装成顶部带有进口安装法兰21，也可以竖直安装，以使得第一级缸12定位于第二级低温板下方。排放阀组件50包括弹簧加载的卸压阀51，O型密封圈52，其内部加工有翅片54的阀体53，上部气道55，下部气道56。

图1所示低温泵外壳沿着中心线的剖切端视图在图2中示出。示出第二级低温板41、42、43等平坦的或折叠的状态。第二级热站15在一侧有一个平坦面，为连接第二级低温板组件40提供了一个大的表面。进气百叶窗32直穿过泵的进口端口，与第二级低温板组件40成一直线。它通常遮盖组件40的主要部分以防辐射。这种设计有助于分散氩气，使它能够均匀地冷冻在第二级低温板的表面。有很多空间可以用来聚积固态氩。第二级低温板的背侧涂覆有活性碳用来吸收氢气。通气/排放端口34也被示出。

图3示出了移开第一级百叶窗32后从第二级低温板组件40向低温泵进口看的情形。在辐射屏蔽体31和低温板41，42，43等之间留出了空隙，以至于氢气可以沿着板流动到达活性碳处。这个视图也示出了液体拦截器33，在泵竖直安装时防止液体流出进口。第一级热站13是弯曲的，以至于当泵竖直定向时液体可以围绕第二级缸14流动。辐射屏蔽体31也安装到热站13，以至于在泵竖直安装时液体不会通过缝隙流到第一级缸12和缸壳体23之间的区域。

参见图1，液体拦截器33在进气百叶窗32的前面，因此当低温泵竖直定向时防止融化的水流出低温泵进口，而是通过排放端口34流出。在再生中液态氩通过排放阀组件50流出时，将O型环52冷冻到刚硬的状态，以至于当低温泵被抽真空时，它不具有密封能力。在加热时，通常使净化气体流动以去除可能释放出的易燃及有毒气体。在液态氩排出之后所述气体继续流动，但对于一个快速再生循环而言，O型环被加热到具有充分柔性所需的时间是短的。

美国专利5542257描述了排放阀上具有加热器，以加速密封圈的升温。本发明中阀的设计描述了达到密封圈快速升温的一种被动方式。阀体53是由铝制成的，具有高的热传导率，里面加工有翅片54。自然对流促进了翅片周围气体的流动，连接至上部气道55和和下部气道56加强了对流。下部气道56中有比周围气体密集的冷空气。使空气流过翅片的驱动力与密度差成比例，且和去除下部气道相比，下部气道56的长度促使更多的气流通过翅片。这些气道的设计使无论水平定向还是竖直定向都有驱动力。

图1、2、3示出了在辐射屏蔽体31与低温板外壳22之间的一个相对小的缝隙。在加热时，小缝隙有助于从外壳到辐射屏蔽体的导热。美国专利4449373描述，在缝隙的进口端使用一个隔离体，并且在辐射屏蔽体的底部有一个或多个开口，为在溅镀时容易保持缝隙里足够低的压力，以致于从外壳22到辐射屏蔽体31的热传递非常小。在本发明的设计中，排放端口34提供了缝隙里的气体到泵的必要通路。

表1是固态氩性质的汇总，有助于解释前面讨论的在氩溅镀过程中影响低温泵恢复时间的因素。需要指出的是，当温度向10K减小时热传导率递增、比热Cp递减，还需要指出固态氩表面的饱和温度-压力关系。注意到在低温泵进口测得的压力随最高表面温度而变化。为了实现快速恢复，保持低温泵在15K以下且使固态氩均匀地分布在一个大的区域都是重要的。

表1：固体氩的性质

虽然本发明所述的低温泵主要涉及一种用于溅镀的内径为200mm的泵，但基本原理是折叠在小轮廓低温泵第二级缸的平板，在低温板真空外壳具有第一级热站末端，具有工作在水平和竖直定向的液体排放系统，这些基本原理可以应用于其它尺寸的外壳和其它应用。

Claims (12)

1.一种低温泵，由两级GM式制冷器冷却，包括限定出真空腔的壳体，位于壳体内的第一级低温板和至少一个第二级低温板，以及从制冷器的膨胀器缸通向真空腔的进口端口，该进口端口定位在一个平行于膨胀器缸轴线的平面内，其中，

a)至少一个第二级低温板位于一个平行于膨胀器缸轴线的平面内，

b)真空腔中的第一级膨胀空间的低温端位于靠近膨胀器缸进入容纳低温板的真空腔壳体的位置处，

c)设有排放系统，以使所有液态氩和水通过排放端口排出，

其中，排放系统包括由具有高热传导率的材料制成的带有翅片的通气阀。

2.按照权利要求1所述的低温泵，其特征在于，排放系统还包括进气总管和排气总管，用于引导空气流过带有翅片的通气阀。

3.按照权利要求1所述的低温泵，其特征在于，低温泵可以水平安装，其中进口向上，或者可以竖直安装，其中带有第二级热站的膨胀器向上。

4.按照权利要求3所述的低温泵，其特征在于，低温泵被竖直定向，第一级低温板组件的辐射屏蔽体安装于第一级热站，以致于液体围绕第二级缸流动，且所有液体从排放端口流出。

5.一种低温泵，由GM式制冷器冷却，包括两级膨胀器和垂直于膨胀器缸轴线的真空腔进口，膨胀器包括第一级低温板组件，其与膨胀器的第一级热站连接，并且包围与第二级膨胀器连接的第二级低温板组件，其中，第二级低温板组件包括折叠于第二级膨胀器缸上的平板，第一级低温板组件和真空壳体组件设有用于排放液体的端口，所述低温泵设有排放系统，以使所述液体通过所述端口排出，其中，所述排放系统包括由具有高热传导率的材料制成的带有翅片的通气阀。

6.按照权利要求5所述的低温泵，还包括进气百叶窗，其包括以第二级缸轴线为中心的平板。

7.按照权利要求6所述的低温泵，其特征在于，进气百叶窗与第二级低温板组件相隔至少3cm。

8.按照权利要求5所述的低温泵，其特征在于，第一级热站在真空壳体组件内靠近低温板壳体与缸壳体之间的会合部。

9.一种低温泵，由两级GM式制冷器冷却，包括膨胀器组件，真空壳体，第一级低温板，平坦的第二级低温板，以及通气/放泄阀，其中，膨胀器缸包括高温法兰、第一级缸、第一级热站、第二级缸、第二级热站，其中，真空腔的进口位于一个平行于膨胀器缸组件轴线的平面内，所述低温泵还包括排放系统，其被设置为，不论低温泵是竖直还是水平定向，液态氩和水都通过排放端口流出，其中，所述排放系统包括由具有高热传导率的材料制成的带有翅片的通气阀。

10.按照权利要求9所述的低温泵，其特征在于，真空腔的第一级膨胀空间的低温端靠近膨胀器缸进入容纳低温板的真空腔壳体的位置处。

11.按照权利要求9所述的低温泵，还包括进气百叶窗，其定位成横跨泵的进口端口，以遮住第二级低温板的中心部。

12.按照权利要求9所述的低温泵，还包括液体拦截器，其被设置成，当泵竖直安装时，阻止液体从低温泵进口流出。

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