低温水泵和分子泵组合替代低温泵的新设备

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Vacuum-VacuumTechnologyandMaterial1999年8月

低温水泵和分子泵组合替代低温泵的新设备

汪 滨 沈志唯

(北京宝路多机电设备技术公司)

NewCombinationSupplementofWaterPumpw抛砖引玉近义词 ithTurbomolecular

PumpinSteadofCryopump

WangBinShenZhiwei

,

(Bloom-TopCorp.Ltd,Beijing)

Abstract

AnewtypeUHVsupplement-waterpumpisintroduced.Combinedwithturbopump,high

vacuumtoPacanbeobtainedInsomeproductionprocesssuchasmiconductorindustries

10.,

-8

thequalitiesareimprovedwhilethepumpdowntimereductioninsignification.Theconfiguration

anddesigningesntialarebriefed

.

摘 要 本文介绍了一种新型超高真空辅助设备——低温水泵。用之和分子泵组合,可以获

得10Pa的清洁超高真空。用在半导体集成电路生产过程中,可以使产品质量以及生产效率

-8

均得到改善和提高。抽气机理以及设计要点均在文中有所论述。

关键词:低温水泵 分子泵 超高真空

研究表明,在真空度优于1.3310的环境下,残余气体成份中95%以上是水。在此,

-4

Pa

将此残气成份称为水气,抽除水气的泵称为水泵。

到目前为止,在诸如溅射,快速加热过程,软刻蚀送样系统等要求超高真空的工作环境中,

分子泵的应用还受到限制。

低温泵有快速抽水气的能力,因此应用广泛;而分子泵的主要优点就是不需要再生,但在

抽除水气方面,还远逊于低温泵。

最近又新推出了磁浮分子泵,特点是振动极小,但依然存在制氧机排行榜十强 上述抽水分子能力不强的问

题。这个问题在引进低温技术以后终于得到解决。这就是低温水泵,一种帮助分子泵获得低温

泵效果的新型辅助设备。在这方面,已经有比较成熟的泵问世了,例如APD的记忆周期 低温水泵。

在设计能配合分子泵工作的低温水泵时,关键点是选择低温制冷温度。在118.5的低温

K

下,水的平衡蒸汽压是10。为使真空系统达到10的真空,这个温度就可以了。再低的

-10-8

PaPa

温度不需要了,否则就会有低温泵抽其他气体(如)之虞了。

CO

2

严格来说,如果水泵设计不合理,温度太低,冷板到60K时低温泵会抽氩气。因此,必须限

制工作温度,使之仅仅对水气有高抽气几率,而别的气体则让分子泵去抽除。

当用一个单级的GM闭循环氦制冷机的水泵抽气时,这一点尤其突出。需要一个加热器

收稿日期 1999-04-13 邮编 100101

第4期 汪 滨等:低温水泵和分子泵组合替代低温泵的新设备

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来把温度提高到40K以上。由于氦制冷机的活塞运动产生的振动也是一个潜在的问题,特别

是如果发生共振将是极为有害的。在硅芯片生产过程中,不用卡具,振动会导致硅片移动,但

是,如果使用了卡具,又会使得边缘损坏。

在APD低温水泵问世之前,抽除水气的唯一方法是用氦制冷机型低温泵或者在许多工

业场合使用液氮冷却的冷阱。

现在,推出了节流循环制冷机,采用混合气体工质,情况就有改变。首先,新型制冷机

APD

没有运动机构,也就没有振动出现;结构简化使得故珍珠膏可以祛痘吗 障率很低,平均无故障时间可以延长到10

万小时以上;再者,该制冷机提供的制冷温度对于抽除大量的水气有最佳效果而对别的气体吸

附量很小,对于真空度的提高效果比较明显。专为此目的研制的混合制冷工质尽管限制了系统

能达到的最低温度,但却提供了合适的制冷功率。这样一来,细雨对什么 温度控制器也就不需要了。

为水泵配制的混合制冷工质在115K到130K温区内从无负载到满负荷环境都能获得最

佳工作效果。这样在分子泵配上水泵的时候,保证对水的分压可以达到10Pa,从而获得10

Pa

的超高真空。

-10-8

将水泵和分子泵组合抽气的第一个好处在于减小了真空系统中水气的分压。在现代真空

系统中,水气会导致一系列的问题。

在溅射过程中,太高的水气本底本身会导致薄膜污染,从而损失产量。在等离子过程中,水

分子会分裂成氢和氧,这些气体会使得真空计读值错误并影响生产质量;自由氢如果不快速抽

除的话会使得真空规读值不准确,而自由氧会和沉积膜起化学反应,使其电性质偏离。最近对

金属刻蚀过程的研究表明,送样室内高水气含量和颗粒程度加大有关,因此需要增加系统干燥

清洁的频率。从半导体生产工艺的实际情况来讲,过量的水气成份会加速机械泵油的变质,使

得泵体锈蚀和粗抽能力下降。

配用水泵的第二个好处在于,它能够在系统维修后减少预抽时间。这对于提高生产效率也

是非常重要的。在抽气过程中,真空室里总有一些水蒸汽分子从壁上脱落下来,而使用水泵就

能够快速抽除这些水分子;除此之外,从密封圈渗入的水分子的影响也能大大消除,时而使所

获得的真空本底变好。

现代半导体生产过程中的运行费用往往很高,因此若能增加数小时的人皮裤 生产时间而不是花

在等待获得真空上,对于生产效率的提高就是很重要的了。典型的是,在使用了水泵之后,抽气

时间减少了75%,而真空度提高了20%～50%。

很显然,当新的磁浮式分子泵使用越来越普遍的时候,不重新设计生产系统就能解决抽水

气的问题,是很必要的。在设计水泵时,考虑到水泵置于分子泵上方,其高度会对流导产生影

响,因此对设计者和使用者来说,水泵的高度都提出了一个挑战性的问题。

水泵设计成具有相当强的抽水能力,但是其厚度,带上真空法兰也仅为38mm,与法兰的

直径(100～250mm)无关。这样就大减少了流导的损失。光这样还不够,对抽气冷板以及简单

的环的组合也作了精心的考虑,后者如果设计不好,也会对打到分子泵叶片上的分子自由程产

生不利影响。可以根据使用者的实际需要,把低温水泵的抽气冷面装到真空室,从而使得抽水

气能力最大限度发挥出来。

在APD的水泵中,抽气阵列是垂直于分子泵叶片方向的。进一步的蒙特卡罗分析表明,

这样的安置使得水泵不仅对水气有相当的抽除能力,而且对气体分子的传输也具有最饲养羊 佳效果。

对系统的12节气 其他元件以及用户的要求也作了考虑。压缩机是风冷式的。不需要增加冷却水

系统;定期的加热再生也考虑到了,加热器就装在抽气阵列上,还带有一个二极管感温元件以

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真 空 第4期

便操作者了解操作温度,为了有助于系绿豆酥 统加温,还装了一个可充氮气的阀门可以清除再生期间

放出来的水气并冲洗掉其他的残气成分。另外,还研制了一个控制电源,可以独立控制水泵的

工作或者通过RS-232接口接受主系统的指令。图2是一个典型的系统方块图。对抽气情况的

实际测量表明,在分子泵安装水泵以后,真空度确定提高了约一个数量级。

图1 低温水泵结构示意图图2 分子泵+水泵高真空系统方框图

Fig1.TheschematicshowingthestructureofwaterpumpFig2.Theschematicofsystemofwaterpumpcombined

withturbomolecularpump

结论:水泵是一种内集式抽水气系统,便于安装,并能够使生产效率得到明显提高,

APD

为真空系统的使用者带来效益。

鸣谢:本文中引用的技术资料[1]得到IGC-APD公司的许可,在此谨致谢意!

参 考 文 献

1 R.ClaridgeandF.T.Lotz,APDCryogenics,Aldermanston,UK.