低温泵及其应用

低温泵及其应用遨游太空，是我们的梦想和人类文明的标志，低温泵中的低温真空环境和太空的情况是类似的低温泵基础知识低温真空泵原理与结构低温泵的结构低温泵又叫低温真空泵、冷泵、冷凝泵。低温泵的冷源可以是低温液体（液氮或液氦），也可以是低温制冷机。这里介绍制冷机型低温泵，这种低温泵的制冷机在两个温度级上产生制冷，分别冷却两个低温表面，被抽的气体就被冷却在低温表面上。制冷机的一级通常工作在50K－70K范围，它用来冷却靠外的冷板，这个外部冷板既为更冷的冷板充当防辐射的屏蔽，同时又用来冷却挡在泵入口处的百叶窗（障板），当水蒸汽碰到障板上时就被冷冻在它上面，这极像液氮冷阱冷冻水蒸气的情形。制冷机的二级，即昀冷的一级，通常工作在10K－20K之间，用来冷却靠内的冷板，它冷冻穿过百叶窗的N2、O2、Ar等气体。不能被这一温度冷冻的气体被位于冷板内部的活性炭吸附。1低温泵基础知识低温泵抽气机理之一：低温冷凝上图表示低温泵把真空室内的压力降到极低水平的能力。它表示了低温沉积层上面平衡压力和低温沉积温度之间的关系。例如：水在760Torr压力下在373K沸腾。在273K的结冰温度上蒸汽压为4Torr。如果冰层被进一步冷却到150K，平衡蒸汽压将为4×10-8Torr。如果在制冷机一级温度上，压力将低于10-10托数量级。从这个图上我们也可看出，对N2来说，如果冷板温度小于等于20K，压力将小于10-10托。低温泵抽气机理之二：低温吸附单用低温冷凝是不够的，Ne、H2、、He等气体在20K的平衡蒸汽压力太高了，不能被低温冷凝在光的表面上，因而，用活性炭来吸附这些气体。用活性炭作吸附材料是因为它有大的表面面积，也因为再生过程中它在室温下气体能很容易地脱附。吸附在活性炭上的氢的平衡压力决定于活性炭温度和已吸附的氢的量。随着吸附的氢的增加，吸附就变为在活性炭表面的冷凝。但冷凝层厚度增加时压力不变。活性炭抽氢能力很大，如果制冷机把1克活性炭保持在15K，它可以在10-6托吸住280SCC的氢。低温泵能够吸2低温泵基础知识住气体的昀大量（抽气容量）是指对特定的气体种类的抽吸能力，也就是低温泵被再生前抽除的气体的体积。低温泵的抽气速度（抽速）低温泵设计者一般对抽气速度昀感兴趣，气体由于所具有的热能（等于动能）而流入真空泵，由此可得出如下关系式：气体进入泵开口的平均速度等于气体常数乘以温度，再除以2π乘气体分子量的平方根，这样低温泵的理想抽速就等于平均速度乘以气体可以流过的泵口面积。由于多数真空系统工作在室温，我们设想理想速度基于室温。这样一种分子的速度仅仅由分子重量决定，较轻的气体具有较大的速度，氢的分子重量是2，通过每平方厘米开口面积上的抽速为44.6L/S。水分子量为18，理想抽速为14.9L/S㎝2，而氮为这组中昀重的为28，它的理想抽速为11.98L/S㎝2。051015202530354045H2ON2H2理想抽速，L/Scm2考虑阻力后的抽速昀小值考虑阻力后的抽速昀大值如果所有碰到泵口迎面上的气体分子都冷冻在百叶窗上的话，就实现了理想抽速。事实上，水就达到了这一点，几乎所有3低温泵基础知识碰到泵表面的水分子都粘在了百叶窗表面而不返弹回去。象N2这类气体必须穿过百叶窗冷冻在内部冷板上，一部分分子返弹回去，其余的部分穿过去冷冻在内部冷板上，为了有效阻挡辐射热到达内部冷板，低温泵有入口百叶窗，它允许大约40%～25%的空气分子（O2和N2）流过它冰冻结在冷板上。这样，对N2的净抽速是理想抽速的25%－40%或3.0－4.8L/S㎝2，Ne、H2、、He要走过更曲折的道路才能到达活性炭部位，结果只有约12%－20%的到达泵口表面的H2分子被低温吸附了，其余将弹回，所以H2的净抽速约为理想抽速的12%－20%或5.6－8.9L/S㎝2。低温泵的工作真空度范围低温泵典型的工作真空范围为1×10-3－1×10-11托。这一范围内气体是自由分子流区，这意味着它们通常从一个壁面运动到另一壁面而相互之间不发生碰撞。在这一区域抽速是常数。随着抽气压力增加进入到大于1×10-3托的转变区，抽速增加了，与扩散泵相比，低温泵具有在这一区域内抽速增大的特性，而扩散泵的抽速减少。低温泵的抽气能力（抽气容量）低温泵能够聚集大量的固态水、空气、氩、氮和氧，然后再蒸发除霜。在这些霜层形成时，泵的抽速很少降低，制冷温度变化也很少，随着霜层增加到一定程度，抽速和温度都会有明显变化。水被聚集在障板上直到堵掉一半的障板面积（例如：一个φ200口径的低温泵可凝聚300克水蒸气成冰）。固体氮和氩聚集在低温板的外层达几个厘米，通常这个厚度仅受到不能挨到辐射屏的限制。（例如：一个φ200口径的泵在低温板外凝聚1㎝厚的空气或氩，其量为1200标准升。该泵专门用于溅射台，其低温板较大。另一种同样口径的泵该值仅为350标准升）。能吸收氢的量为4低温泵基础知识对氢抽速减少50%时所聚集的氢平衡压力（一段选1×10-6托）决定，当抽除其它气体使低温板温度升高时，能吸附氢的量就减少。抽气容量是指低温泵能抽除（存留）某种特定气体的昀大量，单位为托·升，mbar·L或者std·L。抽气容量由以下因素决定：1）障板抽水蒸气达到了覆盖一半流通面积；2）冷板外面凝聚的氮、氩等厚度太大；3）吸附阵接近饱和。在这三个因素中，往往是吸附昀先达到饱和，因为与冷凝相比，吸附的量要小于冷凝的量。所以抽气容量主要由吸附决定（主要因素是吸附剂的性能和数量）。通常抽气容量是指抽速降到初始抽速的一半时抽出的气体的量，这时低温泵需要再生了，实际中常常是真空度不够好和制冷温度超过20K时进行再生。低温泵中制冷机的热负荷用在低温泵上的制冷机在没有施加热负荷时，二级昀低温度约10K，一级昀低温度35K。随着施加的热负荷增加，每一级上的温度增大。例如给某制冷机加9W的热负荷将使冷头温度达20K，一级上加17W的热负荷使其温度达77K。我们把低温冷板标称温度定为在正常工作时二级温度约12K，一级温度约60K－65K。这样就对未预先考虑到的来自真空室的热负荷或由于大的气体流速下增加的热负荷留有一定的余量。上述制冷机冷量分别为5W/12K和12W/60K。冷板的热负荷来自以下三个方面：1.从真空室来的热辐射；2.由于气体从室温下被冷却并被在低温下冷冻所放出的冷凝热；3.腔内殊余气体的导热。5低温泵基础知识空气的导热系数（大于1托压力时基本上是常数）在压力减少到1托以下时减少得很快。在压力低于1×10-3托（这个区域气体处于分子流区），由于导热引起的传热通常可以忽略。在低温领域中，它被称为绝热真空。对比一下这时的导热性能与通用的热偶真空计，它的工作原理是从1×10-3托至1托范围内的热传导系数的变化为基础的。辐射热是低温泵的主要热负荷，对要承受辐射热的低温泵有两点要求：第一，尽可能多的反射来自真空室的辐射热；第二，低温泵应该能吸收难以反射掉的辐射热。一些很洁净的电抛光真空室对低温泵辐射热极小，但多数情况是真空室壁面上吸附了水蒸汽后辐射热量几乎与黑体辐射相等。由于辐射热是温度的4次方的函数。如果在真空室有对低温泵产生辐射的高温热源，就容易地使低温泵热负荷过大，因而，用水冷挡板来把真空室中的高温热源与低温泵屏蔽开。低温泵冷板应该抛光良好，在降温过程中就能反射辐射热，但是，一旦薄的水层凝结在低温表面，就会使表面变成吸收热辐射的热学黑体表面。在低温泵中由于气体冷凝所产生的热负荷通常很小，但有一个例外的情况是当低温泵用于在溅射台中抽氩时。冷凝氩产生的热负荷大多数由制冷机二级承担。冷凝1托·升/秒的氩大约需0.7W冷量。制冷机二级温度随着氩流量的增大而上升。由于通常需要同时把氢保持在活性炭上，低温泵的流量设定应以低温板温度不大于20K为标准（这时的流量为昀大流量）。一般在设定流量时的压力为1×10-3托，如果在溅射镀膜工艺需要更高的氩气压力，那么就需要在低温泵前安装一个节流阀来把工作压力减少到使进入泵口时压力为1×10-3托。6低温泵基础知识与低温泵有关的名词术语名词1吸附：将一种气体或液体粘附在固体表面的过程。2返流：真空泵中的流体(例如扩散泵油，机械泵润滑油等)返入了抽好了的真空腔体。当抽好了的腔体突然被打开或者暴露于大气时，气体进入真空室，也叫返流（返的是空气而不是油）。真空泵工作在粘滞流真空度以下，即真空度低于10－1托，真空泵中的油分子就不会发生返流。3基础真空（极限真空）度：是指能获得的极限真空度（昀高真空度或昀低压力）。4抽气容量：是指低温泵能抽除（存留）某种特定气体的昀大量，单位为托·升，mbar·L或者std·L。通常抽气容量是指抽速降到初始抽速的一半时抽出的气体的量，这时低温泵需要再生了。抽气容量主要由吸附决定（主要因素是吸附剂的性能和数量），因为与冷凝相比，吸附量要小与冷凝的量。5低温级（二级）：是低温泵上温度昀低的区域，它将冷量传输到内部的吸附阵上。6低温冷凝：是指气体被冷冻在材料表面的过程。7低温吸附：是指气体被活性炭吸附的过程。这些气体没有被胀板或吸附阵冷凝了。7低温泵基础知识8切换：在用两个或多个真空泵抽真空的过程中，从一级真空泵（粗抽泵）抽真空容器转为用二级真空泵（高真空泵）抽真空容器，称为切换。关掉粗抽阀并打开主阀用低温泵抽气就是“切换”。切换值：切换时被抽容器中的气体质量有一个昀大值，称为切换值（CrossoverValue，单位为mbar·L或托·升）。切换值是低温泵能耐受冲击性气体的昀大流量。超过这个值进行切换时会使低温泵温度超过20K而不能工作。切换压力：切换时被抽容器中的压力(真空度)，即可以打开主阀用低温泵抽气时已经（用粗抽泵）预抽到的真空度。9一级：是指低温泵制冷机两级中温度较高的一级，用来冷却靠外的低温板（障板和辐射屏）。10绝热真空：是指当气体处在分子流动区，压力低于1×10-3托，热传导基本上可以忽略不计。11Micron有时指“微米”，有时指“毫托”微米：长度单位，1微米=um=10-6米毫托：压力单位，1毫托=10-3托=1/760,000个大气压托：压力单位（或真空单位）1托＝1/760个大气压＝133Pa＝1.33mbar12分压：当腔体内气体由多个组分的组成时，各气体分压力便组成了真空腔总压力，其通常由残余气体分析器测得。8低温泵基础知识13预防性保养：是指通过主动保养设备提高设备的无故障运转时间。14抽气速率（简称抽速）：是指低温泵能够以多快的速率来抽取某种气体。它通常是指对气体的体积抽速，单位L/S。15再生：通过周期性的加热，来清除低温泵内所积聚的气体，使低温泵恢复到原来状态可以重新进行抽气作业。16生产量：在晶片加工区，通过任何工具在一小时内所能生产的晶片数量。Throughput的另一个意思低温泵的“昀大流量”，指某低温泵对某种气体的昀大质量抽速（容许放进真空泵的某气体的昀大质量流量），超过这个量就会使低温泵的制冷机温度升高到超过20K而不能工作。17制冷、低温、普冷、深冷制冷（有些地方写作“致冷”是不符合标准规定的）就是采用某种方法把温度降低到环境温度以下。按制冷的温度不同，可分为“普冷”和“深冷”，-120K以上叫普冷，-120K以下叫深冷。“深冷”在学术界通常称为“低温”，这时“制冷”单指“普冷”。制冷和低温不仅温度高低不同，而且获得方法上也有较大差异，温度越低越难以获得。9低温泵基础知识低温泵的一些常见的问题1.什么时候可以打开主阀用低温泵抽气？根据具体的低温泵中制冷机的容量，可以测量出这台低温泵的昀大容许切换值，这是低温泵的性能参数。制冷机的二级制冷量越大，低温泵的切换值越大。切换值的经验值为：（20—45）×Q(托·升)Q为制冷机在20K的制冷量（瓦）除过与二级制冷量有关外，切换值还与以下因素有关：1）一级冷量大小2）二级冷板的大小3）障板的结构（是否屏蔽的好）用户要决定什么时候开主阀？用低温泵标明的切换值除以被抽容器的体积就是切换压力，即可以打开主阀时的真空度。例如：用一个切换值为150托·升的低温泵抽100升的工作室时，切换压力为150托·升/100升＝1.5托也就是说