KR20010023421A - 응축과 해동을 선택적으로 하는 저온 펌프 - Google Patents

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Abstract

저온 펌프의 저온 패널은 증기 상태의 두 개의 기체간의 반응을 제한하도록 제 2 기체를 남기는 한편 산성 또는 유체 기체를 제거하기 위하여 선택적으로 해동될 수 있다. 저온 패널은 제 1 기체가 저온 패널로부터 선택적으로 승화되는 선택적 해동 범위 내의 온도로 가열된다. 그 다음, 저온 패널이 저온 패널상의 응축물로서 평정상태에 있는 제 2 기체는 남긴 채 제 1 기체로부터 세정될 때까지 저온 패널의 온도는 상기 범위 내의 온도로 유지된다. 바람직한 실시예에 있어서, 저온 패널은 해동 전까지 표준 작동 동안에 약 50 내지 85 K의 온도에서 유지된다.

Description

응축과 해동을 선택적으로 하는 저온 펌프 {CRYOPUMP WITH SELECTIVE CONDENSATION AND DEFROST}
저온 펌프는 저온 냉동기에 의해 냉각되는 저온 패널 상에 기체 분자를 응축 또는 흡착시킴으로써 극저온 진공 상태를 야기한다. 일반적으로, 이러한 상황에 사용되는 저온 펌프는 기포드-맥마흔 냉각 사이클(Gifford-McMahon cooling cycle)을 수행하는 냉동기에 의해 냉각된다. 이러한 냉동기는 기체를 통제된 환경으로부터 제거시키는 하나 또는 두 단계를 일반적으로 포함한다. 2단 저온 펌프는 질소, 아르곤 및 수소와 같은 저온 응축 기체들을 제거할 필요가 있을 때 사용된다. 통상적으로, 제 2 단계는 냉동기의 제 2 단계에 열적 결합되는 저온 패널 상에 이들 기체를 응축시키도록 약 15 내지 20 K의 온도에서 일어난다.
반면에, 일단 저온 펌프(워터 펌프로도 알려져 있음)는 2단 저온 펌프의 제 2 단계보다 높은 온도에서(통상적으로 약 107 K) 작동된다. 이러한 온도에서 작동함으로써, 일단 저온 펌프는 수증기를 거의 제거하게 되며, 또한 상당한 양의 염소를 응축하게 된다.
통상적인 저온 펌프의 냉동기에 있어서, 압축 기체 냉매는 순환된다. 압축기는 입구 밸브에 연결되는 공급 라인을 통해 압축 기체를 냉동기에 공급한다. 배출 라인에 연결되는 배출 밸브는 냉동기로부터 압축기의 저압 입구로 냉매를 송환한다. 양 밸브 모두 냉동기 내부의 실린더의 제 1 단부에 위치된다. 대향 단부, 즉 실린더의 제 2 단부에는 저온 패널을 포함하는 열적 로드가 실린더에 열적 결합된다.
실린더의 제 2 단부에서 재생식 열교환 매트릭스(축열기)를 포함하는 디스플레이서(displacer)에 의하여, 그리고 배출 밸브가 폐쇄되고 입구 밸브가 개방됨으로써, 실린더는 압축 기체로 충진된다. 입구 밸브가 계속 개방됨으로써, 디스플레이서는 축열기를 통해 압축 기체를 가압하도록 제 1 단부로 이동하고, 상기 기체는 축열기를 통과하면서 냉각된다. 그 다음에는, 입구 밸브가 폐쇄되고 배출 밸브가 개방되며, 기체는 저압 배출 라인으로 팽창되어 계속 냉각된다. 제 2 단부에서 실린더 벽에 걸친 최종 온도변화에 의하여, 열은 열적 로드로부터 실린더 내의 기체로 흐르게 된다. 배출 밸브가 개방되고 입구 밸브가 폐쇄되면, 디스플레이서는 제 2 단부로 이동하여, 냉각 기체로 열을 송환하는 축열기를 통해 다시 기체를 이동시켜서, 축열기를 냉각시키고 사이클을 완료한다.
저온 펌프의 사용에 필요한 저온을 형성하기 위하여, 유입 기체는 팽창 전에 냉각되어야 한다. 전술한 방법에 있어서, 축열기는 유입 기체로부터 열을 추출하고, 이 열을 저장하고, 그리고 이 열을 배출 스트림으로 방출한다. 축열기는 어느 한쪽 방향으로 헬륨이 통과하는 역류 열교환기이다. 상기 축열기는 큰 표면적, 특정 고온, 및 낮은 열전도율을 갖는 재료로 구성된다. 따라서, 축열기는 헬륨의 온도가 높을 때 헬륨으로부터 열을 받아들이게 된다. 헬륨의 온도가 낮을 때(예컨대, 헬륨이 배출 라인으로 후속 팽창될 때), 축열기는 헬륨으로 열을 방출한다. 축열기에 의해 방출되는 열은 저온 패널로부터 추출되기 때문에, 저온 패널이 냉각된다.
응축된 기체의 층들이 저온 패널 상에 축적될 때, 저온 펌프의 효율이 점차로 저하되며, 또한 유효 펌핑 공간의 체적이 없어질 수도 있다. 이러한 손실을 보상하기 위하여, 일단 및 2단 저온 펌프 둘 모두 재생 절차를 정기적으로 겪게 된다. 재생 절차 동안에, 응축된 기체의 층으로 덮여지는 저온 패널은 자체 상에 응축된 기체를 승화 또는 액화 및 증발시키도록 자체 작동 온도보다 훨씬 높게 가열된다. 유리된 기체는 러핑 펌프에 의해 주변 진공 챔버로부터 제거되고, 저온 패널은 자체 저온 작동 온도로 되돌아간다. 이로써, 재생 절차는 응축물이 축적된 저온 패널의 표면을 정화시킨다. 저온 패널의 작동이 재생 절차 동안에 중단되기 때문에, 필요한 재생 사이클의 빈도 및 기간이 중요해 진다.
본 발명은 둘 이상의 기체가 응축되어 있는 저온 패널을 선택적으로 해동시키기 위한 방법 및 이와 관련된 장치에 관한 것이다.
본 발명의 상기 등의 목적, 특징 및 이점들은 첨부된 도면에 도시된 바와 같은 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다. 도면은 정확한 비율로 도시되지 않으며, 본 발명의 원리를 설명하기 위하여 중요부분이 강조된다.
도 1은 일단 저온 펌프의 부분 측단면도이고,
도 2는 클러스터 처리 장치의 횡단면도이고,
도 3은 저온 패널로부터 염소가 선택적으로 승화되는, 부분 재생된 일단 저온 펌프의 열변화 그래프이고, 그리고
도 4는 다른 기체가 분리되기 전에 염소가 승화 및 제거되는, 완전 재생된 일단 저온 펌프의 열변화 그래프이다.
재생에 의하여, 시스템이 손상을 입을 수 있으며 마구잡이로 수행되는 경우에는 건강이 위험할 수도 있다. 예를 들면, 염소 기체(Cl2)는 저온 펌프를 통상적으로 이용하는 반도체 에칭 공정 내에 정기적으로 사용된다. 저온 펌프가 작동되는 처리 장치의 챔버 내에 염소 기체가 존재하면, 염소 기체는 응축된 물과 함께 저온 패널 상에 응축된다.
이러한 상황에 의하여 적어도 두 가지의 큰 위험이 발생한다. 첫 번째는 물과 동시에 염소를 유리시킴으로써 이들 사이에 반응이 일어날 수 있다는 것이다. 이러한 반응은 염산(HCl)을 생성한다. 염산은 부식성이 높기 때문에, 챔버와, 이 챔버 내의 작업물과, 그리고 저온 펌프를 손상시킬 수 있다. 더욱이, 염산의 산출은 처리 장치와 접촉하는 사람의 건강을 위협하는 한편 처리면에서 문제를 발생시킨다. 둘째로, 단독의 염소 기체는 건강에 해롭다는 것이다. 염소 기체가 장시간 저온 패널 상에 축적됨으로써, 염소는 최종 유리시 더욱 건강을 위협하게 된다. 만일 감소시키지 않고 축적되도록 방치한다면, 축열기가 가열된 후에 챔버가 외부로 비워지거나 갑작스런 정전의 경우에 염소 기체의 위험한 농축은 해제될 수 있다.
염소에 기인하는 위험은 저온 패널 상의 염소의 축적을 제한하고, 그리고 주기적인 간격으로 저온 패널로부터 염소를 선택적으로 분리 및 제거하여 염소와 수증기 사이의 반응을 제한함으로써 최소화시킬 수 있다. 본 발명의 일 양태에 따르면, 유독성 또는 산성 기체는 선택적인 해동 범위 내의 온도로 저온 패널을 가열함으로써 다수의 기체가 응축되는 저온 패널로부터 선택적으로 제거될 수 있다. 상기 선택적인 해동 범위 내의 온도에서, 유독성 또는 산성 기체는 증기로서 저온 패널로부터 선택적으로 분리되며, 한편 물 등과 반응하는 기체는 저온 패널 상에 응축되어 유지된다. 저온 패널의 온도는 유독성 또는 산성 기체가 저온 패널로부터 분리되고 주위 챔버로부터 제거될 때까지 상기 범위 내에서 유지된다. 바람직하게는, 챔버로부터 유리된 기체를 제거하는 공정은 챔버 내부 압력이 적어도 약 0.01 torr 이하로 떨어질 때까지 계속된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 저온 패널이 유지되는 선택적 해동 온도의 범위는 선택적으로 제거된 기체의 삼중점 이하이다. 선택적으로 제거된 기체가 염소이면, 저온 패널은 기포드-맥마흔 냉각 사이클을 수행하는 일단 냉동기에 의해 냉각되고, 그리고 선택적 해동 범위는 가급적 약 115 내지 180 K 사이이다. 응축된 기체를 선택적으로 제거한 후에, 저온 패널은 자체 작동 온도로 다시 냉각되거나, 또는 저온 패널 상에 응축된 다른 기체를 분리시키는 완전 재생을 수행하도록 가열될 수도 있다.
바람직한 실시예에 있어서, 펌핑 동안에 저온 패널이 유지된 온도는 약 50 내지 85 K 이다. 상기 온도 범위 내에서, 챔버 내에 있는 거의 모든 염소 증기가 응축된다. 다른 위험 가스(예컨대, 수소 브롬화물)가 챔버 내에 존재하면, 챔버로부터의 모든 위험 기체를 저온 패널 상에 응축시키도록 저온 패널의 작동 온도는 더 낮게 (예컨대, 약 35 내지 75 K의 온도로) 떨어질 수 있다. 응축 동안에 이러한 범위 내에 있는 온도에서 저온 패널을 작동하는 것은 전술한 선택적 해동 방법과 관련하여 이용될 수 있다.
다른 바람직한 실시예에 있어서, 전자 모듈이 소정 범위의 온도로 저온 패널을 가열시키도록 프로그래밍되며, 상기 범위에서 제 1 응축 기체(예컨대, 염소 또는 불소)는 저온 패널로부터 선택적으로 승화되는 한편, 제 2 응축 기체(예컨대, 물)는 응축 유지된다. 또한, 전자 모듈은 제 1 응축 기체가 저온 패널로부터 분리될 때까지 상기 범위의 온도를 유지하도록 프로그래밍된다.
저온 펌프는 주위 기체가 본래 위험하거나 또는 위험한 생성물을 형성하도록 다른 응축 기체와 반응하는 기체를 포함하는 분야에 종종 사용된다. 예를 들면, 저온 펌프는 전자 장치, 미소 전자부, 평판 디스플레이, 및 자기 매체 등의 제조에 일상적으로 사용된다. 이들 공정 각각은 50 내지 200 mtorr의 진공 압력 체제에서 수행되는 건조 에칭 공정을 필요로 한다. 종종, 염소, 붕소 3염화물(BCl3) 및 수소 브롬화물(HBr)이 처리 물체를 에칭하는데 이용된다.
잔류 및 탈기 염소 및 염소 유도체와 구조물의 다양한 재료와의 반응은 건조 에칭 장치의 로드 록(load lock) 및 이송 챔버 내에 상당한 부식을 일으킨다. 또한, 이러한 부식 반응은 처리되어질 기판을 손상시킬 수 있는 미립자를 발생시킨다. 일부 경우에는, 기판 표면상에서의 제어 불가능한 염소 반응에 의해 야기되는 과도한 부식에 의하여 또한 기판이 손상된다. 염소는 증기 상태에서 가장 위험하다. 따라서, 이러한 위험은 일단 저온 펌프를 사용하여 염소를 증기 상태에서 고체 상태로 응축시킴으로써 감소될 수 있다.
반도체 제조공정에 적합한 일단 저온 펌프가 도 1에 도시되어 있다. 저온 펌프는 플랜지(26)를 통해 연결관의 벽(50)에 장착된다. 저온 펌프는 냉각 핑거(22) 또는 저온 펌프의 전열 포스트(30)에서 진공 챔버(로드 록 또는 이송 챔버일 수도 있음) 내로 돌출된다. 전열 포스트(30)는 가급적 구리 또는 알루미늄으로 구성된다. 전열 포스트(30)는 냉각 핑거(22)와 전열 포스트(30) 사이에 경계면을 형성하도록 볼트(56) 및 인듐 시트(42)에 의하여 냉각 핑거(22)에 장착된다. 저온 패널(28)이 유사하게 전열 포스트(30)에 장착되며, 제 2 인듐 시트(58)가 장착 표면들 사이에 마찬가지로 위치된다. 히터(41)가 희망 온도를 달성하거나 유지하도록 저온 패널(28)을 가열하기 위하여 전자 모듈(24)에 의해 제어된다.
진공 챔버의 벽(18), 연결관의 벽(50) 및 저온 펌프의 경계면에 걸친 챔버의 기밀은 이들 부품 각각의 접합부에 위치되는 시일에 의해 유지된다. 제 1 시일은 연결관 벽(50)과 진공 챔버 벽(18) 사이에 위치되는 O-링(52)에 의해 제공된다. 연결관 벽(50)의 타단부에는 연결관 벽(50)과 플랜지(26) 사이에 다른 시일(54)이 위치된다.
염소와 같은 위험한 증기를 제거 및 격리시키기 위한 한 가지 방법은 위험한 기체의 농도를 증가시키는 한편 저온 펌프 작동 효율을 증가시키도록 특별하게 선택된 온도에서 작동되는 저온 패널 상에 상기 위험한 증기를 응축시키는 단계를 포함한다. 예를 들면, 저온 패널의 온도를 80 K 아래로 떨어뜨림으로써, 107 K의 통상적인 작동 온도에서보다 많은 이점을 얻게 된다. 첫 번째로, 온도가 107 K로부터 80 K로 떨어지면, 염소의 증기압이 거의 10-4torr로부터 10-9torr로 떨어진다. 거의 105의 인수만큼 표준 작동 동안에 염소 증기의 양을 감소시킴으로써, 염소의 부식 효력이 크게 감소된다.
두 번째로, 80 K 이하로 설정된 온도는 건조 에칭 장치의 이송 챔버 내에 필요한 저압을 유지하기 위한 충분한 양의 기체를 응축시킬 수 있도록 충분히 낮다. 건조 에칭 장치가 도 2에 도시되어 있으며, 이의 효율은 각각의 입구 로드 록(102), 이송 챔버(108), 다수의 처리 챔버(112), 및 출구 로드 록(104) 내에 저온 패널(114)을 사용함으로써 증가된다. 반도체 제조에 있어서, 이송 챔버(108)는 10-7torr 내지 400 mtorr의 압력 범위 내에서 통상적으로 작동된다. 압력을 상기 범위 내에서 또는 그 이하로 유지하기 위하여, 이송 챔버(108) 내의 염소는 저온 패널(114) 상에 응축되어야 한다. 모든 기체와 마찬가지로, 염소의 증기압은 온도의 감소에 의해 감소된다. 80 K에서 염소의 증기압은 약 10-9torr 이다.
다른 위험한 처리 기체인 수소 브롬화물이 클러스터 처리 장치 내에 사용되면, 저온 펌프의 작동 온도는 전술한 염소를 위하여 도달되는 수준만큼 낮은 수준(약 10-9torr)으로 수소 브롬화물의 증기압을 감소시키도록 35 내지 65 K로 떨어질 수 있다.
클러스터 처리 장치의 각각의 로드 록(102 및 104) 내부의 저온 펌프는 통상적으로 80 내지 150 K에서 작동되며, 그리고 로드 록(102 및 104) 내의 압력은 1 torr 만큼 높아질 수 있다. 로드 록(102 및 104) 내의 압력이 비교적 고압이기 때문에, 로드 록(102 및 104)은 이송 챔버(108)에 비해 염소 및 다른 기체의 보다 높은 증기압을 수용할 수 있다. 그 결과, 로드 록(102 및 104) 내의 저온 패널(114)은 이송 챔버(108) 내의 저온 패널(114)의 온도보다 높은 온도에서 작동할 수 있다. 충분한 양의 염소를 공기로부터 제거하는 것에 더하여, 80 내지 150 K에서 작동하는 저온 패널(114)은 로드 록 내의 낮은 주변 수증기압을 유지하도록 충분히 저온으로 유지된다.
염소 또는 수소 브롬화물이 응축될 때 저온 패널의 부식을 방지하기 위하여, 저온 패널은 내부식성 중합체로 코팅된다. 알루미늄이 저온 펌프의 기초 물질로서 이용된다. 바람직하게는, 알루미늄에 부착되는 중합체 코팅은 공중합체를 포함하는 C1내지 C4반복 유니트의 할로겐화 또는 과할로겐화 알키닐 또는 알콕시 중합체이고, 상기 반복 유니트는 불소, 염소 또는 이들의 화합물에 의해 할로겐화된다.
전술한 개선된 응축 방법에 더하여 또는 그 대신에, 염소 증기의 존재 및 제거를 선택적으로 관리하기 위한 대안적인 방법은 화학 물질간의 위험한 반응의 위험은 물론 위험 증기의 집중 분리의 위험을 감소시키는 선택적 해동 절차를 이용한다. 저온 펌핑 작동에 있어서, 다량의 응축 염소가 갑자기 승화되어 농축된 염소 기체의 구름을 형성하는 경우에 특히 위험한 상태가 발생한다. 전력의 부족 및 기계적 결함을 포함하는 다수의 사건에 의하여, 염소 기체가 저온 패널로부터 갑자기 승화될 수도 있다. 저온 패널이 따뜻하기 때문에, 염소는 상당한 양으로 승화하는 제 1 기체들 중의 하나가 될 수 있다. 그러한 일이 발생한 후 챔버가 비워지면, 로딩이나 보수가 허용될 수 있기 때문에, 증발된 염소에 의하여 비워진 챔버의 보수나 로딩 또는 언로딩을 개인이 수작업으로 실행하는데에는 상당한 위험이 따른다. 또한, 위험한 상태에 대한 경고를 받지 못한 단지 챔버의 근처에 있는 사람들에게도 상당한 위험이 가해진다.
건조 에칭이 수행되는 클러스터 처리 장치 내의 로드 록의 로딩 또는 언로딩 시에 특히 위험한 염소의 분리가 있게 된다. 건조 에칭 등의 반도체 제조 공정에 적합한 클러스터 처리 장치가 도 2에 도시되어 있다. 통상적으로, 처리 장치(100)는 입구 로드 록(102), 출구 로드 록(104), 및 처리 챔버(112)로 구성된 상호 연결된 다수의 챔버를 포함한다. 각각의 진공 격리 로드 록(102 및 104)은 저온 펌프(114) 및 한 쌍의 미끄럼 도어(106 및 107)를 포함한다. 외측 도어(106)는 외부 환경으로 개방되고, 그리고 내측 도어(107)는 처리 장치(100)의 허브로서 역할을 하는 처리 챔버(112)로 개방된다. 에칭과 같은 제조 공정이 수행되는 처리 챔버(112)는 자체 주변을 따라 이송 챔버(108)로 개방된다. 이송 챔버(108) 내에서 로봇식 아암(110)이 챔버들 중의 하나로 소자를 이송시키도록 회전한다. 이송 챔버(108) 및 처리 챔버(112) 내의 필요 진공은 챔버들 각각의 내부에 위치되는 저온 펌프(114)에 의해 유지된다.
처리 장치(100)의 전형적인 작동에 있어서, 입구 로드 록(102)의 외측 도어(106)가 개방된다. 외측 도어(106)가 개방되는 동시에, 반도체 웨이퍼가 외측 도어(106)를 통해 로드 록(102) 내로 수동으로 삽입된다. 외측 도어(106)가 폐쇄된 후에, 러핑 펌프가 약 10-3torr로 로드 록 내의 압력을 감소시키는 한편, 상당히 낮은 압력을 형성하도록 저온 펌프(114)가 물, Cl2, HBr 및 HCl을 포함하는 기체를 응축시킨다. 따라서, 이들 펌프의 이중 작용은 로드 록(102) 내에 진공 상태를 재설정한다.
일단 입구 로드 록(102) 내의 압력이 상당히 낮은 수준으로 복귀되면, 내측 도어(107)가 개방되고, 그리고 로봇식 회전 아암(110)이 로드 록(102)으로부터 웨이퍼를 제거하고 이 웨이퍼를 각각의 처리 챔버(112)로 이송하고 처리 챔버(112)로부터 회수한다. 이들 챔버 중 적어도 한 챔버 내에서 염소 기체가 웨이퍼를 에칭하기 위해 사용된다. 이송 챔버(108) 내의 저온 펌프(114)의 작동에도 불구하고, 일부 기체는 증기 상태로 남아서 챔버를 통해 이동한다. 따라서, 입구 로드 록(102)에 연결된 내측 도어(107)가 개방될 때, 낮은 수준의 염소 등의 기체 증기가 로드 록(102)으로 이동하고, 여기서 이들은 응축되어 저온 패널(114)상에 점차로 축적된다. 언제든 펌프가 작동을 멈추거나 고장이 나게되면, 응축된 염소는 저온 패널(114)로부터 승화된다. 외측 도어(106)가 공정의 다음 사이클을 위하여 재개방될 때, 분리된 염소가 로드 록으로부터 탈출하여, 다음 적재 웨이퍼를 삽입시키기 위하여 로드 록(102)에 접근하는 사람에게 중대한 위험을 주게 된다.
이러한 공정이 사이클의 종료시 역전될 때에도 마찬가지의 위험이 발생한다. 공정이 완료될 때, 웨이퍼는 출구 로드 록(104)으로 운반된다. 입구 로드 록(102)과 마찬가지로, 내측 도어(107)가 개방될 때 이송 챔버(108)로부터 염소 등의 기체가 출구 로드 록(104)으로도 이동하게 된다. 이들 기체(특히, 염소)의 집중 분리는 외측 도어(106)가 외부 환경을 개방될 때 웨이퍼를 회수하기 위하여 출구 로드 록(104)에 접근하는 작업자에게 위험을 끼치게 된다.
염소가 Cl2증기 형태로 놓여지는 위험 외에도, 염소 기체는 자유 또는 분자 결합 수소와 반응하여 건강과 환경에 상당히 해로운 높은 부식성 화학물질인 염산(HCl)을 형성할 수 있기 때문에 또한 위험하다. 만일 주변 챔버 내에서 염산이 형성되면, 이러한 염산은 관리가 어려우며 챔버 내부는 물론 배출 장치를 부식시키게 된다. 또한, 염산은 챔버 내로 들어가는 사람이나 이로부터 방출된 증기를 흡입하는 챔버에 충분히 가까이 있는 사람의 신체 건강에 심각한 위험을 발생시킨다. 따라서, 염산이 형성되는 것을 방지함으로써 상당한 이점을 얻게 된다.
전술한 바와 같이 저온 펌프가 재생될 때 또는 전력이 끊어지거나 저온 펌프가 고장일 때, 분리된 기체들은 혼합되어 서로 반응한다. 염소는 염산을 생성하도록 물과 쉽게 반응한다. 수증기는 주변 대기 중의 상당한 구성요소이다. 따라서, 물 응축물(즉, 얼음)이 저온 패널의 표면상에 통상적으로 발생한다. 통상적으로 기체들의 증기압은 온도의 상승에 따라 증가하기 때문에, 저온 패널의 온도가 증가함에 따라 점진적으로 저온 패널로부터 기체들이 승화된다. 하기의 표는 증기압(P)의 범위가 염소와 물 양자에 대해 설정되는 온도를 비교한 것이다.
P(torr) TCl(K) TH20(K)
10-9 80.0 137.0
10-8 84.4 144.5
10-7 89.4 153.0
10-6 95.1 162.0
10-5 101.5 173.0
10-4 109.0 185.0
10-3 117.5 198.5
10-2 127.5 215.0
10-1 140.0 233.0
1 155.0 256.0
10 173.0* 284.0*
TCl은 염소가 정해진 증기압을 나타내는 온도이고, 그리고 TH20은 물이 정해진 증기압을 나타내는 온도이다. 별표가 표시된 온도는 상기 기체의 삼중점 이상의 온도이다. 만일 증기압이 충분하면, 염소는 자체 삼중점 이상의 온도에서 액체를 형성하도록 응축된다. 그러나, 기체가 세정기에 의해 예컨대, 증기 상태에 있을 때, 보다 효과적으로 분리 및 처리될 수 있기 때문에 액상의 형성은 피해야 된다.
소정의 온도에서 염소와 물에 대한 증기압의 차이는 기체가 저온 패널 상에 응축되고 이로부터 승화되는 비율의 차이와 관련된다. 러핑 펌프가 10-3torr의 수준으로 챔버 내의 대기압을 유지하는데 사용될 때, 평형 상태에 있는 기체는 만일 기체가 저온 패널의 온도에서 10-3torr 이하의 증기압을 갖는다면 저온 패널 상에 고체 응축물로서 주로 존재하게 된다. 만일 기체의 증기압이 저온 패널의 온도에서 10-3torr 보다 크다면, 기체는 평형상태에 있을 때 증기 상태에 주로 있게 된다. 도시된 바와 같이, 염소는 140 K에서 0.1 torr의 증기압에 도달한다. 염소의 증기압이 대기압 이상이기 때문에, 염소는 140 K에서 증기로서 존재하게 된다. 반면에, 상기 온도에서 물의 증기압은 10-8torr 이하이다. 물의 증기압이 대기압 이하이기 때문에, 물은 140 K에서 거의 응축 고체로서 존재한다. 따라서, 저온 패널을 140 K로 가열시키고 충분한 기간동안 상기 온도를 유지함으로써, 염소는 저온 패널로부터 승화되고 챔버로부터 제거될 수 있는 한편, 140 K에서 매우 낮은 증기압을 갖는 물은 응축 상태를 유지한다.
물이 150 K 이하의 온도에서 저온 패널로부터 극소량이 승화되기 때문에, 분리된 염소와 물간의 상호작용은 최소화되고, 이에 따라 증기가 반응하는 기회가 제한된다. 잔여 염소 증기의 농도를 더욱 감소시키고 염소 증기와 분리된 수증기간의 상호작용의 기회를 없애기 위하여, 증기압을 약 10-6torr로 감소시킬 수 있는 터보 펌프가 사용될 수 있다. 러핑 또는 터보 펌프가 챔버로부터 승화된 염소를 제거한 후에, 완전 재생이 필요한 경우, 저온 패널의 온도는 물 응축물을 승화시키도록 증가될 수 있다. 대안적으로, 선택 해동 절차는 완전 재생을 수행하지 않고서 염소의 위험한 축적을 방지하도록 시스템으로부터 염소를 주기적으로 세정하는데 이용될 수 있다. 염소는 물이 충분한 양으로 분리되는 온도보다 훨씬 낮은 온도에서 선택적으로 승화될 수 있다. 그러므로, 염소는 완전 재생에 필요한 것보다 적은 가열과 냉각으로 저온 패널로부터 세정될 수 있다. 그 결과, 염소의 형성이 감소될 뿐만 아니라, 보다 효과적인 방법으로 시간과 에너지가 절약된다.
도 3 및 도 4는 각각의 상기 선택적 해동 절차의 열변화 그래프이다. 도 3은 부분 재생되는 단일 저온 펌프의 온도 변화를 도시하고 있다. 상기 고정의 기간은 통상적으로 약 한시간이다. 단계(A)에서, 저온 패널은 작동 온도(예컨대, 75 K)에서 주위 기체를 응축시킨다. 부분 재생은 저온 패널이 자체 작동 온도로부터 125 K로 히터에 의해 가열됨으로써 단계(B)에서 시작된다. 단계(C) 동안에, 고체와 증기 상태간의 염소의 변형이 평형을 이룰 때까지 저온 패널은 약 125 K에서 유지된다. 액상 염소의 형성은 염소 삼중점 이하로 저온 패널의 온도를 유지함으로써 방지된다. 분리된 염소는 러핑 펌프에 의해 주변 처리 챔버로부터 증기 상태로 제거된다. 염소가 저온 패널로부터 분리되고 챔버로부터 제거된 후에, 저온 패널은 75 K의 자체 작동 온도로 단계(D) 동안 재냉각된다. 단계(E)에서, 저온 패널은 작동 온도에서 자체 정규 펌핑 작업을 다시 시작한다.
도 4는 염소의 선택적 세정을 포함하는 완전 재생 과정에 걸친 저온 패널의 온도 변화를 도시하고 있다. 전술한 바와 같이, 단계(B)에서 저온 패널은 자체 작동 온도로부터 125 K로 가열되고, 염소가 단계(C) 동안에 선택적으로 분리되는 동안에 이 온도를 유지한다. 염소가 챔버로부터 제거된 후에, 히터는 단계(F)에서 반응하고, 그리고 저온 패널은 250 K와 실내온도 사이의 온도로 가열된다. 이로써 거의 모든 나머지 기체들이 저온 패널로부터 승화되어, 깨끗한 저온 패널 표면이 형성된다.
전술한 바와 같은 완전 및 부분 재생은 처리 장치의 작동 과정에 걸쳐 순서대로 수행될 수 있다. 부분 재생은 염소 응축물의 축적을 최소화시키도록 규칙적인 간격으로 수행될 수 있다. 완전 재생은 저온 패널이 다른 기체의 응축물에 의해 과부하되기 시작하는 때 저온 패널을 세정하도록 덜 빈번한 간격으로 수행될 수 있다. 따라서, 재생 스케쥴은 일련의 부분 재생이 예컨대, 다섯 번의 간격당 완전 재생을 수반하는 연속 간격에 걸쳐 수행될 수 있다.
또한, 염소의 제거를 관리하는 것에 더하여, 본 발명의 방법은 거의 55 K의 온도에서 2단 저온 펌프의 제 2 단계 저온 패널로부터 선택적으로 불소를 승화시키는데 사용될 수 있다. 염소와 마찬가지로, 불소는 호흡기에 질환을 일으키며, 또한 본 발명의 방법에 의해 제공되는 제어를 결여한, 불화수소산과 같은 부식성 산을 형성하도록 물과 반응할 수 있다.
비록 본 발명이 바람직한 실시예와 관련하여 특정하게 도시되고 설명되었지만, 첨부된 청구범위에 의해 한정되는 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 다양하게 변형될 수 있음은 당업자에게 명백하다.

Claims (24)

  1. 둘 이상의 기체가 응축되어 있는 저온 패널을 선택적으로 해동시키기 위한 방법으로서,
    산을 생성하도록 물과 반응하는 제 1 응축 기체를 상기 저온 패널로부터 상기 저온 패널을 둘러싸는 챔버 내로 선택적으로 승화시키는 한편, 물을 상기 저온 패널 상에 응축 유지시키는 선택적 해동 범위 내의 온도로 상기 저온 패널을 가열시키는 단계와, 그리고
    상기 제 1 응축 기체가 상기 저온 패널로부터 분리되어 상기 챔버로부터 제거될 때까지 상기 선택적 해동 범위 내에서 상기 저온 패널의 온도를 유지시키는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 응축 기체가 할로겐을 포함하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 선택적 해동 온도 범위가 상기 제 1 응축 기체의 삼중점 온도 이하인 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 응축 기체가 염소인 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 저온 패널이 기포드-맥마흔 냉각 사이클을 수행하는 냉동기를 포함하는 저온 펌프의 구성요소인 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 냉동기가 일단 냉동기인 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 응축 기체가 상기 챔버로부터 제거된 후에 그리고 상기 제 1 응축 기체의 제거와 완전 재생 사이에 상기 제 1 응축 기체의 다른 응축을 방지하도록 상기 저온 패널이 재냉각되기 전에 완전 재생을 수행하도록 상기 저온 패널을 다시 가열시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  8. 제 4 항에 있어서, 상기 저온 패널을 상기 선택적 해동 범위로 가열하기 전에 약 50 K 내지 약 85 K로 상기 저온 패널의 작동 온도를 유지시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 저온 패널이 기포드-맥마흔 냉각 사이클을 수행하는 일단 냉동기를 포함하는 저온 펌프의 구성요소인 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 제 1 응축 기체가 상기 챔버로부터 제거된 후에 그리고 상기 제 1 응축 기체의 제거와 완전 재생 사이에 상기 제 1 응축 기체의 다른 응축을 방지하도록 상기 저온 패널이 재냉각되기 전에 완전 재생을 수행하도록 상기 저온 패널을 다시 가열시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 응축 기체가 상기 챔버로부터 제거된 후에 그리고 상기 제 1 응축 기체의 제거와 완전 재생 사이에 상기 제 1 응축 기체의 다른 응축을 방지하도록 상기 저온 패널이 재냉각되기 전에 완전 재생을 수행하도록 상기 저온 패널을 다시 가열시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  12. 물과 염소가 응축되어 있는 저온 패널을 챔버 내에서 선택적으로 해동시키기 위한 방법으로서,
    상기 염소를 증발시키도록 약 115 K 내지 약 180 K의 온도로 상기 저온 패널을 가열시키는 단계와,
    상기 챔버로부터 염소 증기를 제거하는 단계와, 그리고
    상기 챔버 내부의 염소 증기압이 약 0.01 torr 밑으로 강하될 때까지 상기 저온 패널의 온도를 약 115 K 내지 180 K로 유지시키는 단계를 포함하는 방법.
  13. 둘 이상의 기체가 응축되어 있는 저온 패널을 선택적으로 해동시키기 위한 방법으로서,
    흡입시 인체에 해로운 제 1 응축 기체를 상기 저온 패널로부터 선택적으로 승화시키는 한편, 제 2 응축 기체를 상기 저온 패널 상에 응축 유지시키는 선택적 해동 범위 내의 온도로 상기 저온 패널을 가열시키는 단계와, 그리고
    상기 제 1 응축 기체가 상기 저온 패널로부터 분리될 때까지 상기 선택적 해동 범위 내에서 상기 저온 패널의 온도를 유지시키는 단계를 포함하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 저온 패널이 기포드-맥마흔 냉각 사이클을 수행하는 냉동기를 포함하는 저온 펌프의 구성요소인 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 냉동기가 일단 냉동기인 방법.
  16. 저온 펌프로서,
    냉동기,
    상기 냉동기와 열접촉하는 저온 패널, 및
    산을 생성하도록 물과 반응하는 제 1 응축 기체를 상기 저온 패널로부터 선택적으로 승화시키는 한편, 물을 상기 저온 패널 상에 응축 유지시키는 선택적 해동 범위 내의 온도로 상기 저온 패널을 가열시키고, 그리고 상기 제 1 응축 기체가 상기 저온 패널로부터 분리될 때까지 상기 선택적 해동 범위 내에서 상기 저온 패널의 온도를 유지시키도록 프로그래밍된 전자 모듈을 포함하는 저온 펌프.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 냉동기가 일단 냉동기이고, 그리고 상기 선택적 해동 범위가 약 115 K 내지 약 180 K의 온도로 구성되는 저온 펌프.
  18. 저온 패널을 갖춘 저온 펌프를 제어하기 위한 전자 모듈로서,
    산을 생성하도록 물과 반응하는 제 1 응축 기체를 상기 저온 패널로부터 선택적으로 승화시키는 한편, 물을 상기 저온 패널 상에 응축 유지시키는 선택적 해동 범위 내의 온도로 상기 저온 패널을 가열시키고, 그리고 상기 제 1 응축 기체가 상기 저온 패널로부터 분리될 때까지 상기 선택적 해동 범위 내에서 상기 저온 패널의 온도를 유지시키도록 프로그래밍된 일렉트로닉스를 포함하는 전자 모듈.
  19. 클러스터 처리 장치를 진공 펌핑하기 위한 방법으로서,
    클러스터 처리 장치의 이송 챔버 내부에 일단 저온 펌프를 장착시키는 단계와, 그리고
    상기 저온 펌프의 연속 재생 사이에 약 50 K 내지 약 85 K의 작동 온도 범위 내에서 상기 저온 펌프의 온도를 유지시키는 단계를 포함하는 방법.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 저온 펌프가 기포드-맥마흔 냉각 사이클을 수행하는 냉동기를 포함하는 방법.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 냉동기가 일단 냉동기인 방법.
  22. 제 19 항에 있어서, 상기 저온 펌프의 온도가 약 50 K 내지 약 85 K의 작동 범위 내에서 유지되는 방법.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 저온 펌프가 기포드-맥마흔 냉각 사이클을 수행하는 냉동기를 포함하는 방법.
  24. 제 23 항에 있어서, 상기 냉동기가 일단 냉동기인 방법.
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