改进的低温泵制造技术

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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
技术介绍
本专利技术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乇的基本压力。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乇，而在低温泵进口的压力在1～2×10-3乇的范围。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乇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。缩短降温时间是本专利技术的目的之一。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。本专利技术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。
技术实现思路
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。本专利技术将应用于具有两级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。本专利技术有三个基本特征。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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：R朗斯沃思，
申请(专利权)人：住友重机械工业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]