TW202217143A - 低溫泵 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示一種低溫泵，其包括：一泵入口；一兩級冷凍機；一第一級陣列，其熱耦合至該兩級冷凍機之一第一級；及一低溫板結構，其耦合至該兩級冷凍機之一第二級。該低溫板結構包括至少三個平板。該第一級陣列安裝於該泵入口與該低溫板結構之間，且包括複數個板條，該複數個板條各經安裝成使得該複數個板條之各者之最靠近該低溫板結構之一側相對於該至少三個平板之一對應者實質上對準且縱向偏移。

Description

低溫泵
本發明之領域係關於低溫泵且特定言之係關於兩級低溫泵，其具有在一溫度下用於捕獲I型氣體(諸如水蒸氣)之一第一級及在一較低溫度下用於捕獲II型氣體(諸如氮氣)且在一些實施例中用於低溫吸附III型氣體(諸如氫氣)之一第二級。
一兩級低溫泵由一低溫第二級低溫板陣列形成。此在4 K至25 K之範圍內操作且可塗覆有一捕獲材料(諸如木炭)。此低溫板陣列用作主要泵送表面且由在較高溫度範圍(諸如40 K至130 K)內操作之一第一級輻射屏蔽包圍，且為較低溫度陣列提供輻射屏蔽且藉由在I型氣體(諸如水蒸氣)分子接觸該陣列之位置處捕獲其等而屏蔽其免受此等氣體之影響。
在操作中，當氣體穿過入口至泵容器中時，至少一些I型氣體(諸如水蒸氣)在前陣列冷凝，其形成第一級輻射屏蔽之部分。較低沸點氣體穿過前陣列並至輻射屏蔽內之容積中。II型氣體(諸如氮氣)在第二級陣列上冷凝，而在4K時具有明顯蒸氣壓之III型氣體(諸如氫氣、氦氣及氖氣)由覆蓋第二級低溫板之一吸附劑(諸如活性炭、沸石或一分子篩)吸附。
依此方式，自腔室進入泵之氣體經捕獲且在泵容器內產生一真空。低溫泵之一個問題係，在操作期間，其等捕獲氣體分子之能力隨著捕獲表面之氣體分子飽和而降低。因此，低溫泵經週期性再生以釋放經捕獲氣體分子。
設計低溫泵時需要考慮競爭因數，至泵之氣體之一高傳導率提高泵送速度，然而，有利提供第二級低溫板之一些屏蔽，既防止熱輻射以減少低溫板上之熱負載，又減少I型氣體。到達低溫板之I型氣體在其上冷凝，阻止III型氣體經低溫吸附。此外，一些I型氣體(諸如長鏈烴)在一再生期間不會離開陣列表面，導致在泵之剩餘使用壽命內泵送效能之一下降。然而，低溫板與氣體分子之屏蔽確實導致傳導率降低。
期望提供一種經改進兩級低溫泵。
一第一態樣提供低溫泵，其包括：一泵入口；一兩級冷凍機；一第一級陣列，其熱耦合至該兩級冷凍機之一第一級；及一低溫板結構，其耦合至該兩級冷凍機之一第二級；其中該低溫板結構包括至少三個平板；該第一級陣列安裝於該泵入口與該低溫板結構之間，且包括複數個板條，該複數個板條各經安裝成使得該複數個板條之各者之最靠近該低溫板結構之一側相對於該至少三個平板之一對應者實質上對準且縱向偏移。
在設計一低溫泵時，期望提供具有顯著表面積以捕獲氣體分子及具有一第一級或前陣列以提供一些屏蔽以使低溫板結構免受熱輻射及一些氣體分子透過該入口進入該泵之影響的一低溫板結構。該低溫泵入口習知具有一圓形橫截面且該低溫板結構通常具有一類似構形，可能由同軸圓柱體形成。儘管此一配置具有對稱性及與一真空腔室出口匹配良好之優點，但製造及建造可具挑戰性。提供由平板形成之一平坦第二級低溫板陣列及由與該等面板之至少一些對準並相對於其等縱向偏移之線性板條形成之一第一級陣列，提供一種製造簡單且易於組裝之配置。此外，具有其中該等板條實質上與該等面板對準之一配置提供該等面板之有效且有針對性屏蔽兩者。此配置亦可提供一非常高氫氣泵送速度。
在一些實施例中，該複數個面板之各者具有相對於其縱向對準及偏移之一對應板條。
在一些實施例中，該複數個板條經安裝成相對於該等平板以110°與160°之間的一角度朝向該泵入口延伸。
將該等板條傾斜成使其等朝向該泵入口及一相鄰面板傾斜提供對該低溫板結構之有效屏蔽。
在一些實施例中，該複數個板條經安裝成使得該等板條之至少一些屏蔽該低溫板結構之一相鄰平板之一個表面免受氣體分子透過該泵入口進入該泵的影響。
該等板條可經配置成屏蔽一相鄰面板之一表面免受一氣體分子進入該泵之直接撞擊的影響。該氣體分子可自另一表面反彈並撞擊該面板，但該面板經屏蔽免受經撞擊之該第一表面的影響。此允許特定類型之氣體分子(諸如I型氣體分子)在其等到達此表面之前被捕獲。可能各面板具有與其縱向對準配置之一傾斜板條。或，除了該陣列中之一個端板之外之各面板可具有與其相關聯之一對應板條。該端板位於該等面板自靠近該低溫板結構之一邊緣朝向其傾斜之方向上之一端處。該等板條為其等成角度朝向之該相鄰板提供屏蔽，因此在沒有隨後面板之情況下，可分配此一板條。
在一些實施例中，該複數個平板之表面包括塗覆有一吸附劑材料之塗覆部分及未塗覆有該吸附劑材料之其他部分。
III型氣體在該第一級或第二級冷凍機之溫度下均不冷凝且為捕獲此等分子，需要吸附劑。在低溫泵中，該第二級陣列可塗覆有吸附劑以吸附此等III型氣體以及捕獲II型氣體。本發明之發明人認識到一低溫泵中之吸附劑塗覆表面之一問題係隨著氣體分子被吸附於表面上，其等隨時間會變得不太有效。提供該吸附劑材料以捕獲III型氣體，且重要的係此等氣體接觸此等表面且被捕獲。然而，為了增加再生循環之間的時間，期望抑制任何其他氣體由可冷凝在其他表面上之該吸附劑捕獲。例如，光阻劑係一種氣體，其當該低溫泵用於抽空一半導體處理腔室時可存在且此在撞擊時由該等吸附劑表面吸附，減少其等再生之間的壽命。
本發明之發明人認識到，該等第二級低溫板之一些表面未經塗覆且氣體(諸如光阻劑)首先撞擊此等表面接著在其等到達該吸附劑塗覆表面之前其等會冷凝在該等未塗覆表面上，且因此，該吸附劑塗覆表面之壽命將增加。
因此，藉由提供未經塗覆之一些表面之一泵，非III型氣體在其等撞擊此等非吸附劑塗覆表面時可經冷凝，而該等III型氣體將從該等未塗覆表面反彈且在其等撞擊一吸附劑塗覆表面時被吸附。依此方式，該等吸附劑表面將主要吸附III型氣體且此將增加其等有效性及再生之間的壽命且更長時間地維持一實質上穩定泵送速度。實際上，藉由允許至少一些氣體撞擊一未塗覆表面，一些氣體(諸如光阻劑)將永遠不會到達一塗覆表面且該塗覆表面將免受此等氣體之影響且幾乎可專門用於泵送將從該未塗覆表面反彈之該等III型氣體，增加再生之間的時間並提供其泵送速度不隨時間過度降級之一泵。
在一些實施例中，該等面板之至少一些之一個表面塗覆有該吸附劑，而另一表面不塗覆。
僅覆蓋一個表面提供易於製造之一系統。對於一些覆蓋技術(諸如其中提供一黏著劑塗層(諸如環氧樹脂)並將該吸附劑材料黏附至其之情況下)，藉由將該塗覆環氧樹脂之表面與該吸附劑接觸來覆蓋一單一表面比將同時覆蓋兩個表面容易得多。
在一些實施例中，該塗覆表面係由該複數個板條之一相鄰者屏蔽之該表面。
配置該等板條使得該塗覆表面由該等板條屏蔽，允許該塗覆表面及其上之吸附劑經屏蔽免受將首先撞擊並由其他表面捕獲之非III型氣體(諸如光阻劑)之影響。此提高該吸附劑之壽命。該平面幾何形狀提供一有效系統用於屏蔽一個表面，同時允許另一表面捕獲III型氣體。
此外，藉由使未由該第一級陣列有效屏蔽之該表面沒有吸附劑，可避免或至少抑制其中該泵之一個表面隨時間被污染且以比另一表面更高之一速率失去吸附性質之一情況。此一情況會導致該泵之泵送速度隨時間變化，其將需要重新校準該系統且通常係不期望。
在一些實施例中，該複數個板條實質上彼此平行配置，且該複數個平板實質上彼此平行配置。
其中該等面板及板條實質上彼此平行之一平坦配置提供製造簡單且其中流動更可預測之一裝置。
在一些實施例中，該複數個板條彼此在一相同方向上傾斜。在一些實施例中，板條之數目與面板之數目相同。
在一些實施例中，該等面板及板條在該泵內彼此等距間隔開。此導致面板與板條之間的流動通道具有實質上相同大小，允許該等板條更均勻地流動及吸收。
在一些實施例中，該複數個面板配置成實質上平行於該泵之一縱向軸線延伸。
該等面板可實質上平行於該泵之一縱向軸線配置，使得各面板接收類似量之氣體分子且一個面板不會過度地屏蔽另一面板阻止氣體分子進入該泵。
在一些實施例中，該複數個板條及該複數個面板實質上係矩形。
儘管該等板條及面板可為多種不同形狀，但在一些情況下其等係矩形。矩形面板易於製造、安裝及覆蓋並提供有效表面。
在一些實施例中，當透過該泵入口在平行於該等平板之一方向上觀察時，該複數個板條經構形為重疊。
該複數個板條可經構形以當透過該泵入口沿該縱向軸線觀察時重疊且依此方式在該泵入口與該等面板之間沒有視線，使得氣體分子在撞擊該低溫板結構之一表面之前通常撞擊另一表面。就此而言，實質上平行於該等板條之角度行進之氣體分子可直接撞擊該等板之一個表面，且在一些實施例中，其係未塗覆有一吸收劑之該等板之此表面。依此方式，該面板之該吸收劑塗覆側被保護免受氣體分子之直接撞擊。
在一些實施例中，該複數個板條全部實質上具相同大小。
在其他實施例中，在該陣列之任一端處之該等板條及面板可小於朝向中間之該等板條及面板。就此而言，該泵入口具有一圓形橫截面且朝向該泵之中間(其中具有一更大直徑)增大該等面板之大小可為有利的。然而，具有不同大小之面板及板條導致更複雜製程且在一些情況下可期望將其等全部製成相同大小。
在一些實施例中，該吸附劑材料經構形以吸附III型氣體，諸如氫氣、氦氣及氖氣。
在一些實施例中，該吸附劑材料包括覆蓋該塗覆表面之一分子篩。
在一些實施例中，該吸附劑材料包括以下之一者：木炭、活性炭、沸石或一多孔金屬表面。
在所附之獨立及附屬請求項中闡述了進一步之特定及較佳態樣。可視情況且組合除請求項中明確闡述以外之該等特徵而將附屬請求項之特徵與獨立請求項之特徵組合。
在裝置特徵被描述為可操作以提供功能之情況下，將理解這包括提供該功能或被適配或配置為提供該功能之裝置特徵。
在更詳細論述實施例之前，首先將提供一概述。
具有包括平行傾斜面板或板條之一平坦前陣列之一低溫泵允許該第二級結構當其亦係一平坦結構時與該前陣列對準。此可提供一非常高氫氣泵送速度。缺點係入口之整個區域可能無法如一圓形配置般有效地使用。
第二級陣列面板穿過泵且與泵之縱向軸線垂直對準。第一級陣列包括位於第二級陣列與泵入口之間的傾斜面板或板條，其配置成使得最靠近第二級陣列之一邊緣與第二級面板之一對應者對準。板條係傾斜的，因此表面朝向泵入口傾斜。在一些實施例中，第二級面板之一側塗覆有木炭且此側由較高溫度(大約為80 K)前陣列完全阻擋以受進入泵之氣體分子之直接撞擊。在前陣列之溫度下冷凝之氣體將撞擊該陣列且再次不會進一步行進，一些可撞擊第二級陣列之非木炭塗覆表面且不會進一步行進。III型氣體(諸如氫氣)將從此等表面反彈且在其等撞擊木炭塗覆表面時被吸附。依此方式，吸附劑塗覆之表面將幾乎僅泵送III型氣體，而其他表面則收集其他氣體。
在一些實施例中，當沿垂直於泵入口之橫截面之縱向軸線觀察時，前陣列之板條重疊。重疊量將判定泵送速度且亦判定第二級陣列之面板經屏蔽免受進入泵入口之氣體分子之第一次撞擊之影響程度。此泵之實施例對於抽空半導體加工真空腔室(諸如用於植入應用及PVD(物理氣相沈積)程序)係有效的。
圖1及圖2展示具有由平坦元件形成之平坦陣列之一低溫泵之一實施例。圖1展示具有一入口5之一泵內之第二級低溫板結構之平行平坦元件25。未展示第一級前陣列。第二級之低溫板結構具有配置成彼此等距間隔成一列之平行面板25。存在具有一組傾斜板條之一前陣列(未展示)，板條之下表面與一對應面板對準。前陣列自第二級陣列縱向偏移以在一定程度上將兩個陣列隔熱並位於第二級陣列與泵入口5之間。
在一些實施例中，面板25之一側塗覆有一吸附劑而另一側未塗覆。前陣列之傾斜元件保護塗覆表面免受透過泵入口進入之分子之初始撞擊。
圖2示意性地展示相對於第二級陣列元件25及泵入口5之前陣列元件12。如可見，板條12安裝於泵入口5與第二級陣列之低溫板結構之間。其等係傾斜的，使得當自泵入口5觀察時其等重疊。板條12與面板25之間的角度ϴ在110º與160º之間，使得板條朝向一相鄰面板傾斜並屏蔽面板免受氣體分子進入泵入口之影響。在面板12之間存在允許氣體分子進入泵之間隙。
在一些實施例中，面板25之兩個表面塗覆有一吸附劑，而在其他實施例中，面板之一個表面24塗覆有一吸附劑而另一表面22沒有。一分子在前陣列板條12之間行進之唯一直接路徑通向低溫板結構之未塗覆表面22，使得透過泵入口進入之分子首先撞擊一板條12，或撞擊第二級陣列之未塗覆表面22。因此，任何分子之初始撞擊不與塗覆表面24有關且在第一級或第二級冷凍機之溫度下冷凝之分子經捕獲於此等表面上。其他III型分子從此等表面朝向塗覆表面24彈回，其中其等在撞擊時由吸附劑塗層捕獲。依此方式，第二級元件之塗覆表面由傾斜第一級陣列板條12屏蔽免受分子進入泵之初始撞擊的影響。未冷凝在第一級陣列或第二級陣列上之分子將撞擊塗覆表面22並由吸附劑捕獲。
儘管本文中已參考附圖而詳細揭示本發明之繪示性實施例，然應瞭解：本發明不限於精確實施例；且熟悉此項技術者可在不背離如由隨附申請專利範圍及其等效物所界定之本發明之範疇之情況下於本文中實現各種變化及修改。
5:泵入口 12:板條 22:面板之未塗覆表面 24:面板之塗覆表面 25:第二級陣列面板
現將結合附圖對本發明之實施例作進一步說明，其中：
圖1展示根據一實施例之一平坦低溫板結構；及
圖2展示圖1之低溫板結構及前陣列。
5:泵入口
12:板條
22:面板之未塗覆表面
24:面板之塗覆表面
25:第二級陣列面板

Claims (16)

  1. 一種低溫泵，其包括： 一泵入口； 一兩級冷凍機； 一第一級陣列，其熱耦合至該兩級冷凍機之一第一級；及 一低溫板結構，其耦合至該兩級冷凍機之一第二級；其中 該低溫板結構包括至少三個平板； 該第一級陣列安裝於該泵入口與該低溫板結構之間，且包括複數個板條，該複數個板條各經安裝成使得該複數個板條之各者之最靠近該低溫板結構之一側相對於該至少三個平板之一對應者實質上對準且縱向偏移。
  2. 如請求項1之低溫泵，其中該複數個板條經安裝成相對於該等平板以110°與160°之間的一角度朝向該泵入口延伸。
  3. 如請求項1或2之低溫泵，其中該複數個板條經安裝成使得該等板條之至少一些屏蔽該低溫板結構之一相鄰平板之一個表面免受氣體分子透過該泵入口進入該泵的影響。
  4. 如前述請求項中任一項之低溫泵，其中該複數個平板之表面包括塗覆有一吸附劑材料之塗覆部分及未塗覆有該吸附劑材料之其他部分。
  5. 如請求項4之低溫泵，其中該等面板之至少一些之一個表面塗覆有該吸附劑，而另一表面不塗覆。
  6. 如當附屬於請求項3時之請求項5之低溫泵，該塗覆表面係由該複數個板條之一相鄰者屏蔽之該表面。
  7. 如前述請求項中任一項之低溫泵，其中該複數個板條實質上彼此平行配置，且該複數個平板實質上彼此平行配置。
  8. 如前述請求項中任一項之低溫泵，其中該複數個面板配置成實質上平行於該泵之一縱向軸線延伸。
  9. 如前述請求項中任一項之低溫泵，其中該複數個板條及該複數個面板實質上係矩形。
  10. 如前述請求項中任一項之低溫泵，其中當透過該泵入口在平行於該等平板之一方向上觀察時，該複數個板條經構形為重疊。
  11. 如前述請求項中任一項之低溫泵，其中該複數個面板全部實質上具相同大小。
  12. 如前述請求項中任一項之低溫泵，其中該複數個板條全部實質上具相同大小。
  13. 如請求項1至10中任一項之低溫泵，其中在該面板或板條陣列之任一邊緣處之該等面板及該等板條小於朝向一中間之板條。
  14. 如請求項4至6或當附屬於請求項4時之請求項7至13中任一項之低溫泵，其中該吸附劑材料經構形以吸附III型氣體，諸如氫氣、氦氣及氖氣。
  15. 如請求項4至6、14或當附屬於請求項4時之請求項7至13中任一項之低溫泵，其中該吸附劑材料包括覆蓋該塗覆表面之一分子篩。
  16. 如請求項4至6、14或當附屬於請求項4時之請求項7至13中任一項之低溫泵，其中該吸附劑材料包括以下之一者：木炭、活性炭、沸石或一多孔金屬表面。
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