[发明专利]改进的低温泵

说明书

背景技术

本发明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。