低温冷凝泵是依靠制冷机获取冷量,利用低温表面冷凝和吸附气体的物理过程来获得和保持真空。它具有极限真空度高(可达10-8Pa)、清洁无油、对各种气体都具有较大抽速等特点,同时它可以长期可靠运行,是分子泵、油扩散泵无法比拟的。因此,在半导体器件的生产过程中,广泛运用于蒸发、溅射、离子注入、分子束外延等工艺。
低温冷凝泵主要有压缩机和泵体两个部分组成，He气作为工作气体,通过压缩机压缩后,产生高压He气,经过高压管路及阀门,进入泵体膨胀室膨胀制冷,将冷量积蓄在由铜绒及铅丸组成的、具有较大表面积的一二级蓄冷器中,从而在一级冷头产生80 K低温,在二级冷头产生10~20 K低温。经膨胀后的He气再通过低压阀门回到压缩机循环使用。 1.内部结构
(1)80K冷凝阵列(无氧铜)。人字型,温度为80 K,主要作用是冷凝水蒸汽,同时对进入泵体的气体预冷,防止真空室热辐射进入泵体。
(2)15K低温阵列(无氧铜)。两个半圆柱型对拼而成,共九层,温度为15 K,主要作用是冷凝N2、O2、Ar、CO2等气体,其内表面粘有大量活性碳颗粒,用以吸附在15 K下不能被冷凝的气体如H2、He、Ne等气体。
(3)80K辐射罩(无氧铜)。80 K辐射罩包围着冷头,为防止泵壁热辐射外侧进行了镍镀涂处理,内侧为了防止热辐射冷头,进行了能吸收热辐射的表面黑化处理。
(4)一级冷头(无氧铜)。温度为80 K左右,主要用于冷凝水蒸汽。
(5)二级冷头(无氧铜)。温度为10~20 K左右,用于冷凝N2、O2、Ar、CO2等气体。
(6)温度传感器。常用的温度传感器有两种,一种是H2蒸汽压温度传感器,特点是简单直观,但量程窄,可读性差,一般在10~30 K可读;另一种是热敏二级管温度传感器,结构较复杂,但可读性较强,适于自动控制系统中,量程宽,从1K至室温可准确读数,现较多使用。
(7)铟片。泵体中为确保各部件接触良好以传导低温,减少热损耗,使用低温下质地柔软且导热性好的铟片作为紧固垫片。
2.冷凝泵的维护与维修
(1)压缩机部分
①充He气。当He气静态压力低于规定值时,应首先检漏,排除后从压缩机充气口充入纯度>99.999%的高纯He气;若压缩机内He气不纯,则应放空后用机械泵进行粗抽,然后充入高纯He气。充气前要对充气管道进行自冲洗处理,一般不少于5次。
②He过滤器的更换。He过滤器在使用一段时间后功能会下降,造成He气纯度下降,因此应按规定更换。新的过滤器带自密封接头,且已充入一定压力的高纯He气,更换后待压力平衡,检查系统He气压力是否在规定范围,否则应作适量补充。
③噪声。若压缩机部位发出有规律的异常噪声,应检查电源频率50~60 Hz设置开关,将其置于50 Hz位置,便可将噪音消除。
(2)泵体部分
①驱动部分。经过长期运转后会产生机械磨损,在启动和运行过程中会出现死点,此时应将它拆开用无水酒精清洗,烘干后进行装配。装配时应注意凸轮和高、低压阀的相对位置,同时应更换密封传动轴的o型圈。
②活塞及蓄冷器部分。由胶木构成的活塞及由聚四氟乙烯构成的活塞环在长期运行后会出现磨损,可用无水酒精进行简单的表面清洁处理,但不要触及内部的蓄冷器,因为一、二级蓄冷器内部为表面积极大的铜绒和铅丸,若被有机溶剂污染后不易去除。处理干净后放入66℃真空烘箱烘干备用。在泵运行过程中如果发出异常的磨擦声,则是由于He气不纯造成活塞部位凝结了固态异物所致,它会磨损气缸壁,应立即停机,对活塞及活塞环进行清洁、烘干处理,并对压缩机及泵体内的He气进行更换。
③低温阵列部分。当泵的抽气性能下降,再生过程频繁时,须对低温阵列部分进行维护。这部分由于没有运动部件,因此维护比较简单,一般可放入66℃真空烘箱烘干,以恢复活性碳的吸附功能。若使用时间过长引起活性碳失效则必须更换。
目前低温冷凝泵主要有两种比较成熟的产品，一种是以GM制冷机为主构成，其特点是可靠性高,但机械结构较复杂;另一种是循环冷冻机为主构成,它的制冷原理与GM制冷机不同,活塞以气体驱动,特点是结构简单,维护方便。
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