CN1856652A - 真空泵吸系统 - Google Patents

Abstract

一种真空泵吸系统，包括：一种用于将第一气体如氙供应到一真空室的第一气源；一个接收从该室输出的气体的泵；一种用于供应与第一气体一起泵吸的冲洗气体如氮或氦的第二气源；一个接收由该泵排出的泵吸的气体并从该气流回收该第一气体和冲洗气体的气体分离器。该回收的第一气体通过该真空室而再循环，该回收的第二气体至少通过该泵而再循环。

Description

真空泵吸系统

发明领域

本发明涉及一种适用于泵吸低导热率气体如氩和氙的真空泵吸系统。

背景技术

极度紫外平版印刷术(EUVL)利用11～14纳米的波长拓展了当前的光学平版印刷术的技术，以便缩小集成电路制造中可印刷部件的尺寸。在这些波长处所有物质均强烈吸收，因此此类平版印刷术必须在真空中进行。

极度紫外辐射源可以以锡、锂或氙的激发为基础。使用金属材料如锡和锂会产生这些材料可以蒸发而沉积在敏感的光学部件上的困难。在使用氙的场合，或者通过用放电激发氙等离子体或者通过强激光照射而在氙等离子体中产生光。因为极度紫外辐射通过氙的透射率极低，所以需要利用一个真空泵吸系统来降低等离子体周围区域中的压力。但是，用传统的涡轮分子泵泵吸产生等离子体所需的氙量(在1×10^-2mbar下高达10slpm)是不可能的。

从第一原理得出，当气体受压缩或膨胀时就作了功。该过程可以看作是在一良好绝热系统中绝热的或其中该过程非常快因而没有足够时间产生显著的热传递。当气体受压缩时，其温度升高，因对其作了功，增加了气体的内能。对于膨胀，绝热过程逆转而温度降低。

对于一种理想气体，恒压下的比热由Cp＝Cv+R给出，式中Cv为恒体积下的克分子比热，而R为比气体常数。单分子气体的比热(或克分子热容)比由γ＝Cp-Cv＝(5R/2)(3R/2)＝5/3给出。

一台机械真空泵和被泵轴的气体可以被看作是一个封闭的热力系统。该泵吸取气体的本体并压缩它，使其膨胀，且将其排出到大气。在假设的绝热压缩的简单情况下，入口对出口的体积比由下式给出：

$\frac{V_1}{V_2}={\left(\frac{p_2}{p_1}\right)}^{1/\mathrm{\γ}}---\left(1\right)$

出口温度T₂由下式给出：

$T_2=T_1{\left(\frac{V_1}{V_2}\right)}^{\mathrm{\γ}-1}---\left(2\right)$

或

$T_2=T_1{\left(\frac{p_2}{p_1}\right)}^{\mathrm{\γ}-1/\mathrm{\γ}}---\left(3\right)$

氙是单分子气体并具有与低导热率(使其成为良绝缘体)相结合的高的克分子热容量(γ＝1.667)。气体的克分子热容量和导热率与其分子结构有关。氙的原子量(131.29amu)和半径(108pm)大于氩的(分别为39.95amu和98pm)。下面的表1给出了氙、氩、氦、氮的一些性质作为比较。

表1

	Xe	Ar	He	N2
					原子序	54	18	2	7
原子量，amu	131.29	39.948	4.003	14.01
					原子半径，pm	131	88	49	75
气体密度(液体密度)，kg/m3	5.54，(3057)	1.784，(1394)	0.1785，(122)	1.251，(806.5)
					克分子热容比(γ)	1.667	1.667	1.667	1.4
T临界，℃@原子	16.6，(8℃@50bar)	(-122℃@50bar)	-267.96	(-146.9℃@50bar)
					T沸，℃	-108	-186	-268.785	-195.8
T熔，℃	-111.7	-189.3	-272.05	-210.1
					热导率，W/mK	0.00565	0.01772	0.14	0.02583

从上面的方程式(3)可看出，即使对于中等真空(0.1mbar)，气体的出口温度也相当高。通常，对于双原子气体或具有较高导热率和较小原子量的气体，气体在从泵排出之前发生膨胀这一事实会导致相当大的温度降低。但是，氙并不愿意放弃其新获取的热能。

用一个涡轮分子泵泵吸氙的困难主要出现在泵的入口处。该第一级包括一个由用静止叶片隔开的转动叶片做成的轴向压缩机。它们在分子流动状态下操作，而转子叶片的转子被设计成包括沿轴向通过各级而向下通到泵的排出端或高压端的分子。该涡轮分子泵的快速转动叶片击中该室中的气体分子。这种碰撞将一些动量传递给微粒。如果分子的平均线速度小于叶片顶端的线速度，那么该动量传递过程更加有效。对于一个氙分子，27℃时的平均速度为318m/S。但是，泵的平均叶片直径越大，叶片顶端速度就越高。通常，设计小的涡轮分子泵(＜500l/s N₂)使其在极高速度(＞50,000rpm)下运转而较大泵(＞1000l/s N₂)在较低速度(＜30,000rpm)下运转以便泵吸轻气体，因为涡轮分子泵的效率对较重气体是最大的。氙分子与较轻气体比较是“重”的，因此较慢地移动通过该泵。因为对重的氙分子作了功，因此其内能增加而产生热量。因为金属叶轮有高的导热率，所以该热量通过叶轮迅速传导而静止的部件保持冷的状态。对于高效的分子泵轴，转子和定子之间的余隙必须是微米量级。在某些情况下，与定子不同，转子的热膨胀导致失效。

某些泵也设计成具有从排气来的在定子和转子密封上的“自冷却”返回式泄漏。这在氙的情况下对泵造成损害，因为已经热的气体现在在泵的背后再循环，使泵逐渐变热。这由于气体的绝热性质而进一步恶化，气体保持住该热能。

通常，泵吸过程的改善通过在涡轮分子泵中使用比氙轻的冲洗气体而实现。平均说来，较轻的气体分子如N₂和He和比较重的气体(如氙)行进得更快。因此，这些气体具有对室壁或涡轮分子泵的叶片的更高的撞击速度，但其动量较小。气体分子的平均速度( v)取决于分子的质量(M)和温度(T)，关系如下：

$\stackrel{\‾}{v}=\sqrt{\frac{8R_{0}T}{\mathrm{\πM}}}(m/s)---\left(4\right)$

例如，室温下He、N₂和Xe的分子平均速度分别为1245m/s、470m/s和215m/s。温度越高，平均速度就越大，对于质量最小的分子平均速度将最大。因为He(K＝0.14W/mK)具有比Xe(0.00565W/mK)要大得多的导热率，所以He分子将帮助从泵和Xe气体来的热传递。这可以使泵内温度保持在允许可靠的泵操作时间比没有轻冲洗气体时要长得多的水平上。

因为大气中氙的浓度非常低(约0.087ppm)，所以成本极高。因此，非常希望回收和重新利用氙。一种用于回收氙的方法是使用低温(涂冷)阱来冷冻氙而允许不可冷凝的轻冲洗气体通过该阱排入大气。一旦该阱已捕获足够量的氙，就可通过加热而再生氙，加热使氙汽化，从而独立地收集氙。

但是，泵吸的氙气流中存在冲洗气体使氙的净化和随后的再循环变得特别复杂和费钱。例如，假定泵吸出该室的氙的流速为0.4slpm。同时假定轻冲洗气体(比如N₂)以3.6slpm的流速加入涡轮分子泵。泵的输出现在是在10^-3bar下的4.0slpm，其中具有90％N₂和10％Xe(Pxe＝10^-4bar)。如果向其输入该气体混合物的深冷阱采用在环境压力下或比其稍大的压力下的液氮作为致冷剂来操作，那么该阱的操作温度可以低至-192℃。该温度下的氙蒸汽压为约10^-5bar。因此，在10^-3bar下离开该阱的不可冷凝的N₂气体与其一起抽取在10^-5bar下的氙(Xe含量因此为1％)。因此输出气流具有3.6364slpm的流速，带有99％的N₂(克分子流量仍为3.6slpm)和1％Xe。注意：该气流中氙的克分子流动速率为约0.0364slpm，它代表大于9％的从真空室提取的氙(0.4slpm)。如果该阱不能在这样一个低温下操作，那么氙的这种损失将大得多。如果氙的这种在连续基础上的9％或更大的损失可以接收，那么以传统方式操作的一个简单的深冷阱对氙的再循环就足够了，而其中带有未捕获的氙的轻冲洗气体作为废物而从该系统中被排除。但是，在氙对极度紫外平版印刷术的应用中，由于经济原因而不能允许对氙的这种高度浪费。

本发明的目的是提供一种用于泵吸低导热率气体如氩和氙的成本效益更好的设备或方法。

按照第一方面，本发明提供一种真空泵吸系统，包括：一个有一用于从一真空室接收至少一种待泵吸的第一气体的入口的泵；用于供应一种与第一气体一起待泵吸的第二冲洗气体的机构；该泵有一用于排出包括第一气体和冲洗气体的气流的出口；以及用于接收该气流和从该气流回收该冲洗气体的气体分离机构，而该供应机构设置成从该气体分离机构接收该回收的冲洗气体。

由于不因排出大气而浪费冲洗气体，相反地使冲洗气体再循环而再次利用，因此并不损失从分离机构输出的冲洗气体中残存的任何第一气体，而是将其保留在该系统中。其次，因为不浪费冲洗气体，所以可以利用相当昂贵但相对于其它气体(如氮)具有卓越的传热特性的气体如氦作为冲洗气体。

在一种配置中，该供应机构设置成将冲洗气体直接供应给泵。在另一种配置中，该供应机构设置成将冲洗气体供应到真空室。

如果，例如，使用一个涡轮分子泵作为第一泵，泵吸的气体通常以约10^-3bar的压力从这样的泵中排出。如果该泵能够处理以这样的压力返回的冲洗气体，那么从该泵输出的增压气流能够被供应到分离器，而仍然增压的回收的冲洗气体返回该泵。如果不是，那么将需要一个旋转油泵来升高冲洗气体的压力，例如升高到稍高于周围环境，以便返回该泵。这样，在一种配置中，该系统包括一个有一用于接收从上述第一泵来的气流的入口和一用于将该气流排出到气体分离机构的出口的第二泵，而在另一配置中，该系统包括一个有一用于接收从气体分离机构来的回收的冲洗气体的入口和一用于将该冲洗气体排出到该输送机构的出口的第二泵。前者可以更好地分离从排出的气流来的第一气体如氙，从而减少从分离器输出而返回该泵的冲洗气体中的氙量。

如果发现该旋转油泵将任何重杂质引入冲洗气体，那么可以利用一个不会影响第一气体和冲洗气体的净化器，如环境温度筒式气体净化器。

最好是，该系统包括用于使第一气体从分离机构再循环到该真空室的机构。最好是，该再循环机构包括用于在其返回该室之前增压和/或净化该第一气体的机构。这可以使昂贵的气体如氙被再循环而返回真空室以备再用，由此显著地节省费用。本发明的该方面特别适用于需要在极度紫外光源中使用贵重气体如氙的工艺用途和半导体芯片制造中的介电蚀刻用途以及如用于平板显示器制造中的氙/氖混合物。

该输送机构可以包括用于控制冲洗气体对泵的供应速度的机构。例如，该控制机构可以设置成按照返回该泵的冲洗气体的成分例如按照冲洗气体内第一气体的量和/或按照泵的速度来调整供应速率。动态地调整通到该泵的冲洗气体的供应速率能够保证在泵吸期间不会不需要地加热泵的部件。

该分离机构最好包括深冷分离机构，如一个或多个深冷阱，用于从气流中分离第一气体，例如通过冷凝第一气体而不冷凝第二气体，来回收第一气体和第二气体。或者是，该分离机构可以包括一个温度或压力摆动吸收系统、一个膜分离系统或任何其它用于从气流中分离第一气体的合适机构。该第一泵最好包括一个涡轮分子泵，使得在真空室中可保持约10^-9bar的压力。该第一气体可包括一种低导热率气体，例如一种贵重气体如氙或氩。该第二气体可以比第一气体轻，可包括氦和氮之一。

这样一种冲洗气体在涡轮分子泵中与(例如)氙的组合可以在泵吸氙期间减少泵的加热。这可使该系统能利用一个在其正常的操作包壳内操作的标准的真空泵，因此与一在其正常的操作包壳的限度下操作的非标准泵相比风险最小。通过冷冻一个大百分率的接收的氙和产生一个主要由冲洗气体组成但也包括其浓度与深冷阱操作温度下的其蒸汽压有关的氙的输出气流，深冷阱可以提供一种相当简单的用于实现泵吸气体中氙和冲洗气体成分之间的分离的机构。虽然离开该分离器的气流中的氙浓度相对于泵吸的气体中的氙浓度已显著降低，但是，如果冲洗气体被浪费而不是返回到该泵以备重复地再使用，那么替换从系统中损失的氙的费用将很大。

按照第二方面，本发明提供一种真空泵吸系统，包括：用于向一真空室供应一种第一气体的第一气体供应机构；一个设置成接收从该室来的至少该第一气体的泵；用于供应一种与第一气体一起泵吸的第二气体的第二气体供应机构；以及气体分离机构，用于接收从泵输出的气流，从该气流回收第一气体和第二气体，将回收的第一气体输出到第一气体供应机构以备至少通过该室而再循环，以及将回收的第二气体输出到第二气体供应机构以备至少通过该泵而再循环。

本发明延伸到一种包括如上所述的真空泵吸系统的极度紫外平版印刷设备，延伸到一种包括如上所述的真空泵吸系统的半导体工艺系统，还延伸到一种包括如上所述的真空泵吸系统的平板显示器制造设备。

按照第三方面，本发明提供一种真空泵吸方法，包括：在一泵处接受从真空室来的至少一种第一气体和一种用于与第一气体一起泵吸的第二冲洗气体；从该泵排出包括该第一气体和第二气体的气流；从该气流中回收该第二气体并使该第二气体至少通过该泵而再循环。

按照第四方面，本发明提供一种真空泵吸方法，包括：在一泵处接收从真空室来的至少一种第一气体和一种用于与第一气体一起泵吸的第二气体；从由该泵排出的气流中回收第一气体和第二气体；使该回收的第一气体至少通过该室而再循环，并使该回收的第二气体至少通过该泵而再循环。

现在仅作为例子参照附图描述本发明的优选特点，附图中：

图1示意例示一种真空泵吸系统的第一实施例；

图2示意例示一种真空泵吸系统的第二实施例；以及

图3示意例示一种真空泵吸系统的第三实施例。

参照图1，用于室102的真空泵吸的系统100包括一个用于对室102进行泵吸的涡轮分子轮104。泵104有一个连接到导管108的入口106，用于将气体从室102的出口110输送到泵104。室102可以是用于完成半导体工业中各种工艺的许多不同类型的室中的任何一种室。在该例子中，室102是一个其中产生用于极度紫外平版印刷术的极度紫外(EUV)辐射的真空室。为此目的，室102有一个用于接收气态或液态形式的氙流的入口102，从其或者利用静电放电激发或者利用室102内的强激光照射而在氙等离子体中产生极度紫外辐射。或者是，该室102可以是一个其中进行制造半导体芯片用的介电蚀刻工艺的室，或者是一个其中制造平板显示器的室。对于这些其它用途，入口112将接收一股气态氙流或氙与另一种贵重气体如氖的混合物。

回到图1，为了能够采用一个标准的涡轮分子泵104来从该室泵吸氙而不会由于泵吸的氙加热泵而损伤泵，通过导管114向泵104供应一种比氙轻的冲洗气体如氦或氮，用于与氙一起泵吸。因此，从泵104经出口106排出的通常其压力为约10^-3bar的气流包含从室102接收的氙、冲洗气体和污染物如室102中存在的任何常有气体如氩以及该室内产生极度紫外辐射期间产生的任何碎片。

由于氙的成本很高，从室102输出的氙再循环而回到室102供重新利用。在该例子中，为了从由泵104排出的气流中回收氙，系统100包括一个深冷的气体分离器或阱118，后者有一个用于接收从泵104排出的气流的入口120。阱118的操作用等于或稍高于环境压力的液氮为致冷剂，产生低至-192℃的阱的操作温度。因为进入阱118的氙通常其压力为约10^-3bar，所以深冷阱118内的深冷温度使气流内含的氙冷冻，而轻的冲洗气体通过阱118。一旦阱118已捕获足够量的氙，由于加热重新产生氙，这使氙汽化。这样回收的气态氙从阱118的第一出口122输出并经导管124供应到氙再循环系统126，该系统使氙净化和增压，然后氙以气态或液态形式经导管128返回到室的入口112。

阱118有一第二出口130，未冷凝的冲洗气体通过该出口离开阱118。因为从进入阱118的气流中这样回收的冲洗气体多半仍含有痕量(约1％)的氙，所以不是简单地将冲洗气体排入大气，而是用泵吸系统100使冲洗气体再循环而通过泵104，以供再次使用。如图1中所示，将冲洗气体供应到泵104的导管114连接于阱118的出口130上。因为离开阱118的冲洗气体也处于约10^-3bar的压力下，所以可在阱出口130和泵104之间任选地设置一旋转油泵132，以提高冲洗气体的压力，例如提高到稍大于环境压力，从而使其返回泵104。在旋转油泵132的下游可以设置一个净化器134，以便在冲洗气体返回泵104之前净化从旋转油泵132排出的冲洗气体。也保证了留在从阱118输出的冲洗气体中的氙不会损失，而是留在系统100中，该系统能使相当昂贵但相对于其它气体(如氮)具有优越的传热特性的气体种类如氦能用作冲洗气体。

虽然在上述例子中使用了深冷气体分离器或阱118来从进入阱118的气流中分离氙，但也可以利用任何其它合适形式的气体分离系统，如温度或压力摆动吸附系统，或膜分离反应器。

图2例示真空泵吸系统的第二实施例200。该第二实施例与第一实施例相似，不同之处是旋转油泵132和净化器134设置在涡轮分子泵104的下游而不是如第一实施例中那样在阱118的下游。结果，从净化器134排出的气流的压力等于或稍大于环境压力。这可以允许从气流中更大程度地回收氙而再循环到室100中，因此再循环到泵104中的冲洗气体包含较低水平的氙。

图3例示真空泵吸系统的第三实施例300。该第三实施例也与第一实施例相似，不同之处是导管114将冲洗气体供给真空室102而不是直接供给泵104，使得泵104从室102接收供泵吸用的氙和冲洗气体两者。结果，泵吸系统300通过真空泵102和泵104两者使氙和冲洗气体两者再循环。

总起来说，一个真空泵吸系统包括一个第一气源，用于将第一气体如氙供给到一真空室。一个泵接收从该室输出的气体。一个第二气源供应一种冲洗气体如氮或氦，以备与第一气体一起泵吸。一个气体分离器接收由泵吸出的泵吸的气体，并从该气流回收第一气体和冲洗气体。该回收的第一气体通过该真空室而再循环，该回收的第二气体至少通过该泵而再循环。

Claims (34)

1.一种真空泵吸系统，包括：一个有一用于从一真空室接收至少一种有待泵吸的第一气体的入口的泵；用于供应一种与该第一气体一起待泵吸的第二冲洗气体的机构；该泵有一用于排出包括该第一气体和该冲洗气体的气流的出口；以及用于接收该气流和从该气流回收该冲洗气体的气体分离机构，该供应机构被设置成从该气体分离机构接收该回收的冲洗气体。

2.一种按照权利要求1的系统，其特征在于，该供应机构被设置成将该冲洗气体直接供应给该泵。

3.一种按照权利要求1的系统，其特征在于，该供应机构被设置成将该冲洗气体供应给该真空室。

4.一种按照权利要求1～3中任何一项的系统，其特征在于，包括一个第二泵，该第二泵有一个用于接收来自最初提到的泵的气流的入口和一个用于将该气流排到该气体分离机构的出口。

5.一种按照权利要求1～3中任何一项的系统，其特征在于，包括一个第二泵，该第二泵有一个用于接收该回收的冲洗气体的入口和一个用于将该回收的冲洗气体排到该输送机构的出口。

6.一种按照权利要求4或5的系统，其特征在于，包括用于净化从该第二泵排出的气体的机构。

7.一种按照上述任何权利要求的系统，其特征在于，包括第一气体再循环机构，用于使来自该分离机构的第一气体再循环到该真空室。

8.一种按照权利要求7的系统，其特征在于，该再循环机构包括用于净化该被接收的第一气体的机构。

9.一种按照权利要求7或8的系统，其特征在于，该再循环机构包括用于对该被接收的第一气体增压的机构。

10.一种按照上述任何权利要求的系统，其特征在于，该分离机构包括深冷分离机构，用于从该气流中分离该第一气体，从而回收该第一气体和第二气体两者。

11.一种按照权利要求10的系统，其特征在于，该深冷分离机构被设置成冷凝该第一气体而不冷凝该第二气体。

12.一种按照上述任何权利要求的系统，其特征在于，该第一泵包括一个涡轮分子泵。

13.一种按照上述任何权利要求的系统，其特征在于，该第一气体包括一种低导热率气体，如氙或氩。

14.一种按照上述任何权利要求的系统，其特征在于，该冲洗气体比该第一气体轻。

15.一种按照上述任何权利要求的系统，其特征在于，该冲洗气体包括氦和氮之一。

16.一种真空泵吸系统，包括：用于对一真空室供应一第一气体的第一气体供应机构；一个被设置成至少接收来自该室的第一气体的泵；用于供应一种与该第一气体一起泵吸的第二气体供应机构；以及气体分离机构，用于接收一个从该泵输出的气流、从该气流中回收第一气体和第二气体、对该第一气体供应机构输出该被回收的第一气体以便至少通过该室而再循环、并对该第二气体供应机构输出该被回收的第二气体以便至少通过该泵而再循环。

17.一种极度紫外平版印刷设备，其特征在于，包括一个按照上述任一权利要求的真空泵吸系统。

18.一种半导体工艺设备，包括一个按照权利要求1～16中任何一项的真空泵吸系统。

19.一种平板显示器制造设备，包括一个按照权利要求1～16中任何一项的真空泵吸系统。

20.一种真空泵吸方法，包括：在一泵处接收至少一种来自一真空室的第一气体和一种用于与该第一气体一起泵吸的第二冲洗气体；从该泵排出一股包括该第一气体和第二气体的气流；从该气流回收该第二气体、并使该第二气体至少通过该泵而再循环。

21.一种按照权利要求20的方法，其特征在于，该第二气体通过该真空室和该泵两者被再循环。

22.一种按照权利要求20或21的方法，其特征在于，从该泵排出的气流的压力在从其回收该第二气体之前是增加的。

23.一种按照权利要求22的方法，其特征在于，该增压的气流在从其回收该第二气体之前被净化。

24.一种按照权利要求20或21的方法，其特征在于，该被回收的第二气体的压力在其再循环之前是增加的。

25.一种按照权利要求24的方法，其特征在于，该增压的被回收的第二气体在其再循环之前被净化。

26.一种按照权利要求20～25中任何一项的方法，其特征在于，该第一气体是从气流中回收的并被再循环到该真空室。

27.一种按照权利要求26的方法，其特征在于，该被回收的第一气体在其返回该真空室之前被净化。

28.一种按照权利要求26或27的方法，其特征在于，该被回收的第一气体在其返回该真空室之前被增压。

29.一种按照权利要求20～28中任何一项的方法，其特征在于，该第一气体是从该气流中被深冷地分离的，以回收该第一和第二气体。

30.一种按照权利要求29的方法，其特征在于，该第一气体被冷冷而该第二气体不被冷凝，以分离该第一气体和第二气体。

31.一种按照权利要求20～30中任何一项的方法，其特征在于，该第一气体包括一种低导热率的气体，如氙或氩。

32.一种按照权利要求20～31中任何一项的方法，其特征在于，该第二气体比该第一气体轻。

33.一种按照权利要求20～32中任何一项的方法，其特征在于，该第二气体包括氦和氮之一。

34.一种真空泵吸方法，包括在一泵处至少接收来自一真空室的第一气体和一种用于与该第一气体一起泵吸的第二气体；从由该泵排出的气流中回收该第一气体和第二气体；使该被回收的第一气体至少通过该室而再循环，并使该被回收的第二气体至少通过该泵而再循环。

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