專利名稱：改進(jìn)的低溫泵的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明的目的是提供一種可快速再生(regeneration)的低溫泵，這種低溫泵用于諸如半導(dǎo)體晶片制造過程中的濺鍍。濺鍍通常大約在一分鐘內(nèi)發(fā)生在流量為100～200scc/m的氬氣流中，接著氣流停止，同時(shí)壓力降到低于2×10-7乇的基本壓力。約一分鐘內(nèi)載入一個(gè)新的晶片并重復(fù)上述過程。
低溫泵前面的節(jié)流板在濺鍍過程中保持腔體中的壓力大約在1×10-2乇，而在低溫泵進(jìn)口的壓力在1～2×10-3乇的范圍。由于低溫泵通過冷凍于第二級(冷)低溫板(cryopanel)來除去氣態(tài)氬，因此必須使泵定期變熱(再生)來融化和除去氬氣低溫沉積物，然后再冷卻到正常的操作溫度。其它的氣體，比如非常少量聚積的水和氫氣，也必須定期地去除。
兩級GM式制冷器，現(xiàn)用于冷卻低溫泵，將第一級低溫板冷卻到50～100K，將第二級低溫板冷卻到大約15K。膨脹器通常被配置成階梯式缸，其在較熱的第一級末端具有氣門組件，在從較大直徑的第一級到較小直徑的第二級的過渡處具有第一級冷卻位置(50～100K)，在末端遠(yuǎn)處具有第二級的冷卻位置(大約15K)。
低溫泵通常被制成為具有進(jìn)口，其在膨脹器缸軸線上，有時(shí)被稱為“直列式”，或者與缸的軸線垂直，有時(shí)被稱為“小輪廓型(low profile)”。用于濺鍍的低溫泵通常采用小輪廓，原因是當(dāng)它們被安裝到半導(dǎo)體加工腔的下部或側(cè)部時(shí)，它們更為緊湊。
這種應(yīng)用中最常見尺寸的低溫泵具有內(nèi)徑為200mm的進(jìn)口。用于直列型低溫泵中的低溫板通常是繞冷凝管軸線對稱。這種板的設(shè)計(jì)通常通過在低溫板中形成挖去部分以用于膨脹器缸，以適應(yīng)于小輪廓低溫泵，例如在美國專利5156007中描述的。在冷卻氣體方面，這種低溫泵在所有方向上的操作都是相同的，但是在再生時(shí)，融化的低溫沉積物沿不同方向流出，這取決于低溫泵的方向和設(shè)計(jì)。
美國專利4150549描述了一種典型的低溫泵，它使用兩級GM式制冷器冷卻兩個(gè)繞軸線對稱的低溫板。第一級冷卻進(jìn)口板(高溫板)，進(jìn)口板抽吸I族氣體，諸如水和二氧化碳，阻礙大量氣體到達(dá)第二級(冷卻)板，但是允許諸如氬氣和氮?dú)獾腎I族氣體和諸如氫氣和氦氣的III族氣體通過。II族氣體冷凍在杯型低溫板的前部，III族氣體被低溫板后側(cè)的吸附劑吸附。
美國專利4530213描述了一種低溫板設(shè)計(jì)，其由從進(jìn)口區(qū)域到外殼背部的一組直徑遞增的同心環(huán)所組成。這種設(shè)計(jì)更利于濺鍍，因?yàn)闀懈嗟目臻g來聚積氬氣，且有更大的表面積來分布?xì)鍤狻?br> 半導(dǎo)體晶片的生產(chǎn)能力依靠a)快速恢復(fù)到基本壓力的時(shí)間，b)再生之間的循環(huán)次數(shù)的最大化，c)快速的再生，包括快速加熱，快速除去低溫沉積物，以及快速冷卻。
濺鍍中有許多重要因素，從快速恢復(fù)基本壓力開始。2×10-7乇的基本壓力相應(yīng)于固態(tài)氬表面的最大溫度是29K。在氬氣流動時(shí)期，通過冷凝/冷凍，附帶的氣體固態(tài)氬的表面被加熱。通過傳導(dǎo)通過固態(tài)氬，熱量從表面移除。當(dāng)?shù)诙壍蜏匕灞砻嫒鄙僮銐虻臍鍟r(shí)，它表面的溫度永遠(yuǎn)不會被加熱到29K。在這種情況下，恢復(fù)時(shí)間是從腔體到低溫泵氣體流動模型中的一個(gè)重要參數(shù)。然而，當(dāng)固態(tài)氬層厚度增加時(shí)，表面變得更熱，把表面最熱的部分冷卻到低于29K所需要的時(shí)間是一個(gè)重要的因素。
氬氣均勻地散布在一個(gè)大的區(qū)域，可以使表面升高的溫度最小并且縮短表面與低溫板之間傳導(dǎo)路徑的長度。保持低溫板的溫度低于15K也很重要，因?yàn)榈陀?0K時(shí)熱傳導(dǎo)率k增加較大，比熱Cp減小。當(dāng)氬氣流動時(shí)，低的比熱將導(dǎo)致表面溫度升得更高，從而表面與低溫板間的溫差dT更大。大的溫差和高的熱傳導(dǎo)率會使表面溫度下降得更快。
總之，固態(tài)氬均勻分布在大的區(qū)域且板的溫度低于15K，壓力會快速恢復(fù)。
再生之間循環(huán)次數(shù)最大化的性能是另一個(gè)重要因素。由于固態(tài)氬熱傳導(dǎo)率高，在給定壓力下抽吸速度降低前，低溫沉積物達(dá)到2～3cm的厚度是可能的。對于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)徑為200mm的低溫泵，這相當(dāng)于是大約1000～1200SL的氬。對于濺鍍應(yīng)用，要求在低于兩分鐘內(nèi)恢復(fù)到基礎(chǔ)壓力，使容量受到限制，800SL的容量被認(rèn)為合適。
美國專利4530213公開了在一種低溫板抽吸裝置上氬的低溫沉積物的分布，其具有保存大量氬的良好結(jié)構(gòu)。美國專利6155059是另一個(gè)設(shè)計(jì)為保存大量固態(tài)氬的結(jié)構(gòu)的例子。
這些設(shè)計(jì)都為聚積低溫沉積物提供大量空間。另一方面，美國專利5310511中有氬冷凍濃縮的處理，是為吸入氫氣提供大量的空間。濃縮氬會使厚層建立更快且恢復(fù)時(shí)間更長。
第三個(gè)因素是快速再生。欲使低溫板變熱，可以使用膨脹器熱站(heat station)上的加熱器，設(shè)于真空殼體的外側(cè)的加熱器，或者像美國專利5361588中描述的通過膨脹器反向操作。最后一種選擇可以排除對加熱器的需要且能簡化結(jié)構(gòu)。氬在83K時(shí)融化，但表面僅需達(dá)到42K，然后就可以利用外殼與低溫沉積物之間的氣體熱傳導(dǎo)，這是有助于融化固態(tài)氬的一個(gè)大熱源。濺鍍過程中連同氬氣一起被吸進(jìn)的氫氣的存在，非常有助于通過氣體傳導(dǎo)熱量。
1000SL的氬重為1.63kg。這些數(shù)量的固態(tài)氬在20K時(shí)體積約為1L，需要約45kJ的熱量來融化，約263kJ以上來氣化。從泵中排干液態(tài)氬可減少其去除的必要時(shí)間。美國專利5228299，5333466，5400604，5465584，5542257描述了在不同方向上從泵的除去液態(tài)氬的方法。
低溫泵可以加熱到約180K，以僅除去氬氣和氫氣，或者加熱到300K以上，以除去所有吸入的氣體。在兩種情況下升溫相對較快，因?yàn)橥ㄟ^執(zhí)行加熱和凈化氣體的加熱使得從加熱器輸入或反向操作的熱量被增加。然后需要一定時(shí)間釋放被吸入的殘留氣體，通常是在活性炭中。典型的時(shí)間是加熱到320K需要25分鐘，從活性碳中排出氣體(水)要30分鐘，接下來需要80分鐘冷卻回到20K以下。
美國專利5056319中提到第一級熱站的延長，其典型地用于一個(gè)軸對稱的第二級低溫板連在小輪廓低溫泵外殼中間的第二級熱站時(shí)的情況。美國專利5156007描述了為了在高于低溫板溫度時(shí)防止有氬氣凍結(jié)，必須在第二級缸上加上屏蔽體。
縮短降溫時(shí)間是本發(fā)明的目的之一。這通過使待冷卻的物料的量最小化來實(shí)現(xiàn)，最重要的是在第一級熱站。
本發(fā)明的一個(gè)目的是使低溫沉積物的聚積空間最大，并且通過在一個(gè)保持溫度低于15K的大表面上均勻地分散低溫沉積物來快速恢復(fù)壓力。

發(fā)明內(nèi)容
縮短降溫時(shí)間是通過使待冷卻的物料的量最小化來實(shí)現(xiàn)的，最重要的是在第一級熱站。低溫沉積物的聚積空間最大化。綜合起來，這些因素增加了循環(huán)次數(shù)，在循環(huán)后再生是必要的。
本發(fā)明將應(yīng)用于具有兩級GM式制冷器的低溫泵，其中真空器的進(jìn)口是在平行于膨脹器缸軸線的平面內(nèi)。在濺鍍過程中通常設(shè)計(jì)成使半導(dǎo)體晶片的生產(chǎn)能力最大化。典型的用于該過程的低溫泵的進(jìn)口端口尺寸為200mm。
本發(fā)明有三個(gè)基本特征。第一，低溫的(第二級)低溫板定位于平行于膨脹器缸軸線的平面內(nèi)，(可以在平行于膨脹器缸軸線的低溫板的平面內(nèi)畫一條線)。第二，第一級膨脹空間的低溫端靠近膨脹器缸進(jìn)入到包含有低溫板的真空殼體的位置，使第一級熱站的重量最小化。第三，對于低溫泵的兩種方向，排放系統(tǒng)使所有液態(tài)氬和水通過排出口流出。
這種配置使得固態(tài)氬具有大的容腔，以便相當(dāng)均勻地聚積在具有相對大面積的低溫板上。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，聚積更多的氬并且仍然滿足恢復(fù)時(shí)間的要求成為可能。液體在加熱時(shí)直接排出。低溫板的幾何結(jié)構(gòu)是使排放器在泵的兩個(gè)方向中的任何一個(gè)上都可以工作。第二級熱站不必在殼體中間，因?yàn)檎郫B式低溫板能沿著其長度附在任何位置。板延伸跨越第二級缸且不需要單獨(dú)的屏蔽體。這些特點(diǎn)能在需要再生之前聚積到更多的氬，使在再生中加溫時(shí)間最短，且降溫時(shí)間最短。


圖1是低溫泵剖切側(cè)視圖，顯示本發(fā)明的主要特征。圖1中沒有顯示膨脹器驅(qū)動裝置，但在美國專利5361588中可以看到它。
圖2是沿著圖1所示低溫泵外殼中心線的剖切端視3是低溫泵進(jìn)口的俯視圖，第一級百葉窗移開了，因此圖1所示的第二級板可見。
具體實(shí)施例方式
圖1低溫泵組件9在剖切側(cè)視圖中示出為主要部件包括膨脹器缸組件10，真空殼體組件20，第一級低溫板組件30，第二級低溫板組件40，和通氣/排放閥組件50。膨脹器缸組件10包括高溫法蘭11，第一級缸12，第一級熱站13，第二級缸14，和第二級熱站15。真空殼體組件20包括進(jìn)口安裝法蘭21，低溫板外殼22，缸殼體23，膨脹器安裝法蘭24，和通氣/排放端口25。沒有示出的是缸殼體23的安裝口，通常它是標(biāo)準(zhǔn)的，用來給低溫泵安裝壓力表、溫度傳感器、凈化氣體輸入器，也可能安裝加熱器。第一級低溫板組件30包括輻射屏蔽體(radiation shield)31(常常稱為高溫板)，進(jìn)氣百葉窗32，液體攔截器33，排放端口34。第二級低溫板組件40(低溫板)包括低溫板41、42、43等，如圖2所示。泵劑可以如圖示那樣安裝成頂部帶有進(jìn)口安裝法蘭21，也可以豎直安裝，以使得第一級缸12定位于第二級低溫板下方。排放閥組件50包括彈簧加載的卸壓閥51，O型密封圈52，其內(nèi)部加工有翅片54的閥體53，上部氣道55，下部氣道56。
圖1所示低溫泵外殼沿著中心線的剖切端視圖在圖2中示出。示出第二級低溫板41、42、43等平坦的或折疊的狀態(tài)。第二級熱站15在一側(cè)有一個(gè)平坦面，為連接第二級低溫板組件40提供了一個(gè)大的表面。進(jìn)氣百葉窗32直穿過泵的進(jìn)口端口，與第二級低溫板組件40成一直線。它通常遮蓋組件40的主要部分以防輻射。這種設(shè)計(jì)有助于分散氬氣，使它能夠均勻地冷凍在第二級低溫板的表面。有很多空間可以用來聚積固態(tài)氬。第二級低溫板的背側(cè)涂覆有活性碳用來吸收氫氣。通氣/排放端口34也被示出。
圖3示出了移開第一級百葉窗32后從第二級低溫板組件40向低溫泵進(jìn)口看的情形。在輻射屏蔽體31和低溫板41，42，43等之間留出了空隙，以至于氫氣可以沿著板流動到達(dá)活性碳處。這個(gè)視圖也示出了液體攔截器33，在泵豎直安裝時(shí)防止液體流出進(jìn)口。第一級熱站13是彎曲的，以至于當(dāng)泵豎直定向時(shí)液體可以圍繞第二級缸14流動。輻射屏蔽體31也安裝到熱站13，以至于在泵豎直安裝時(shí)液體不會通過縫隙流到第一級缸12和缸殼體23之間的區(qū)域。
參見圖1，液體攔截器33在進(jìn)氣百葉窗32的前面，因此當(dāng)?shù)蜏乇秘Q直定向時(shí)防止融化的水流出低溫泵進(jìn)口，而是通過排放端口34流出。在再生中液態(tài)氬通過排放閥組件50流出時(shí)，將O型環(huán)52冷凍到剛硬的狀態(tài)，以至于當(dāng)?shù)蜏乇帽怀檎婵諘r(shí)，它不具有密封能力。在加熱時(shí)，通常使凈化氣體流動以去除可能釋放出的易燃及有毒氣體。在液態(tài)氬排出之后所述氣體繼續(xù)流動，但對于一個(gè)快速再生循環(huán)而言，O型環(huán)被加熱到具有充分柔性所需的時(shí)間是短的。
美國專利5542257描述了排放閥上具有加熱器，以加速密封圈的升溫。本發(fā)明中閥的設(shè)計(jì)描述了達(dá)到密封圈快速升溫的一種被動方式。閥體53是由鋁制成的，具有高的熱傳導(dǎo)率，里面加工有翅片54。自然對流促進(jìn)了翅片周圍氣體的流動，連接至上部氣道55和和下部氣道56加強(qiáng)了對流。下部氣道56中有比周圍氣體密集的冷空氣。使空氣流過翅片的驅(qū)動力與密度差成比例，且和去除下部氣道相比，下部氣道56的長度促使更多的氣流通過翅片。這些氣道的設(shè)計(jì)使無論水平定向還是豎直定向都有驅(qū)動力。
圖1、2、3示出了在輻射屏蔽體31與低溫板外殼22之間的一個(gè)相對小的縫隙。在加熱時(shí)，小縫隙有助于從外殼到輻射屏蔽體的導(dǎo)熱。美國專利4449373描述，在縫隙的進(jìn)口端使用一個(gè)隔離體，并且在輻射屏蔽體的底部有一個(gè)或多個(gè)開口，為在濺鍍時(shí)容易保持縫隙里足夠低的壓力，以致于從外殼22到輻射屏蔽體31的熱傳遞非常小。在本發(fā)明的設(shè)計(jì)中，排放端口34提供了縫隙里的氣體到泵的必要通路。
表1是固態(tài)氬性質(zhì)的匯總，有助于解釋前面討論的在氬濺鍍過程中影響低溫泵恢復(fù)時(shí)間的因素。需要指出的是，當(dāng)溫度向10K減小時(shí)熱傳導(dǎo)率遞增、比熱Cp遞減，還需要指出固態(tài)氬表面的飽和溫度-壓力關(guān)系。注意到在低溫泵進(jìn)口測得的壓力隨最高表面溫度而變化。為了實(shí)現(xiàn)快速恢復(fù)，保持低溫泵在15K以下且使固態(tài)氬均勻地分布在一個(gè)大的區(qū)域都是重要的。
表1固體氬的性質(zhì)


雖然本發(fā)明所述的低溫泵主要涉及一種用于濺鍍的內(nèi)徑為200mm的泵，但基本原理是折疊在小輪廓低溫泵第二級缸的平板，在低溫板真空外殼具有第一級熱站末端，具有工作在水平和豎直定向的液體排放系統(tǒng)，這些基本原理可以應(yīng)用于其它尺寸的外殼和其它應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種低溫泵，由兩級GM式制冷器冷卻，包括限定出真空腔的殼體，位于殼體內(nèi)的第一級低溫板和至少一個(gè)第二級低溫板，以及從制冷器的膨脹器缸通向真空腔的進(jìn)口端口，該進(jìn)口端口定位在一個(gè)平行于膨脹器缸軸線的平面內(nèi)，其中，a)至少一個(gè)第二級低溫板位于一個(gè)平行于膨脹器缸軸線的平面內(nèi)，b)真空腔中的第一級膨脹空間的低溫端位于靠近膨脹器缸進(jìn)入容納低溫板的真空腔殼體的位置處，c)設(shè)有排放系統(tǒng)，以使所有液態(tài)氬和水通過排放端口排出。
2.按照權(quán)利要求1所述的制冷器，其特征在于，排放系統(tǒng)包括由具有高熱傳導(dǎo)率的材料制成的帶有翅片的通氣閥。
3.按照權(quán)利要求2所述的制冷器，其特征在于，排放系統(tǒng)還包括進(jìn)氣總管和排氣總管，用于引導(dǎo)空氣流過帶有翅片的通氣閥。
4.一種低溫泵，由GM式制冷器冷卻，包括兩級膨脹器和垂直于膨脹器缸軸線的真空腔進(jìn)口，膨脹器包括第一級低溫板組件，其與膨脹器的第一熱站連接，并且包圍與第二級膨脹器連接的第二級低溫板組件，其中，第二級低溫板組件包括折疊于第二級膨脹器缸上的平板。
5.按照權(quán)利要求4所述的低溫泵，還包括進(jìn)氣百葉窗，其包括以第二級缸軸線為中心的平板。
6.按照權(quán)利要求5所述的低溫泵，其特征在于，進(jìn)氣百葉窗與第二級低溫板組件相隔至少3cm。
7.按照權(quán)利要求4所述的低溫泵，其特征在于，第一級熱站在真空殼體組件內(nèi)靠近低溫板殼體與缸殼體之間的會合部。
8.按照權(quán)利要求4所述的低溫泵，其特征在于，第一級低溫板組件和真空殼體組件設(shè)有用于排放液體的端口。
9.按照權(quán)利要求1所述的低溫泵，其特征在于，低溫泵可以水平安裝，其中進(jìn)口向上，或者可以豎直安裝，其中帶有第二級熱站的膨脹器向上。
10.按照權(quán)利要求9所述的按照豎直方向上的低溫泵，其特征在于，第一級低溫板組件的輻射屏蔽體安裝于第一級熱站，以致于液體圍繞第二級缸流動，且所有液體從排放端口流出。
11.一種低溫泵，由兩級GM式制冷器冷卻，包括膨脹器組件，真空殼體，第一級低溫板，平坦的第二級低溫板，以及通氣/放泄閥，其中，膨脹器缸包括高溫法蘭、第一級缸、第一級熱站、第二級缸、第二級熱站，其特征在于，真空腔的進(jìn)口位于一個(gè)平行于膨脹器缸組件軸線的平面內(nèi)。
12.按照權(quán)利要求11所述的低溫泵，其特征在于，真空腔的第一級膨脹空間的低溫端靠近膨脹器缸進(jìn)入容納低溫板的真空腔殼體的位置處。
13.按照權(quán)利要求12所述的低溫泵，還包括排放系統(tǒng)，其被設(shè)置為，不論泵是豎直還是水平定向，液態(tài)氬和水都通過排放端口流出。
14.按照權(quán)利要求13所述的低溫泵，還包括進(jìn)氣百葉窗，其定位成橫跨泵的進(jìn)口端口，以遮住第二級低溫板的中心部。
15.按照權(quán)利要求13所述的低溫泵，還包括液體攔截器，其被設(shè)置成，當(dāng)泵豎直安裝時(shí)，阻止液體從低溫泵進(jìn)口流出。
全文摘要
公開了一種由GM式制冷器冷卻的低溫泵，其中，低溫(第二級)低溫板被安裝在一個(gè)平行于膨脹器缸軸線的平面內(nèi)；第一級膨脹空間的低溫端靠近膨脹器缸進(jìn)入容納低溫板的真空殼體的位置處；對于低溫泵的兩種定向，排放系統(tǒng)均通過一個(gè)排放端口去除所有液態(tài)氬和水。
文檔編號B01D8/00GK101094710SQ200580045480
公開日2007年12月26日 申請日期2005年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月8日
發(fā)明者R·朗斯沃思 申請人:住友重機(jī)械工業(yè)株式會社