低溫冷凝泵是依靠制冷機(jī)獲取冷量,利用低溫表面冷凝和吸附氣體的物理過程來獲得和保持真空。它具有極限真空度高(可達(dá)10-8Pa)、清潔無油、對各種氣體都具有較大抽速等特點,同時它可以長期可靠運行,是分子泵、油擴(kuò)散泵無法比擬的。因此,在半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)過程中,廣泛運用于蒸發(fā)、濺射、離子注入、分子束外延等工藝。

　　低溫冷凝泵主要有壓縮機(jī)和泵體兩個部分組成，He氣作為工作氣體,通過壓縮機(jī)壓縮后,產(chǎn)生高壓He氣,經(jīng)過高壓管路及閥門,進(jìn)入泵體膨脹室膨脹制冷,將冷量積蓄在由銅絨及鉛丸組成的、具有較大表面積的一二級蓄冷器中,從而在一級冷頭產(chǎn)生80 K低溫,在二級冷頭產(chǎn)生10~20 K低溫。經(jīng)膨脹后的He氣再通過低壓閥門回到壓縮機(jī)循環(huán)使用。

　　1.內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　(1)80K冷凝陣列(無氧銅)。人字型,溫度為80 K,主要作用是冷凝水蒸汽,同時對進(jìn)入泵體的氣體預(yù)冷,防止真空室熱輻射進(jìn)入泵體。

　　(2)15K低溫陣列(無氧銅)。兩個半圓柱型對拼而成,共九層,溫度為15 K,主要作用是冷凝N2、O2、Ar、CO2等氣體,其內(nèi)表面粘有大量活性碳顆粒,用以吸附在15 K下不能被冷凝的氣體如H2、He、Ne等氣體。

　　(3)80K輻射罩(無氧銅)。80 K輻射罩包圍著冷頭,為防止泵壁熱輻射外側(cè)進(jìn)行了鎳鍍涂處理,內(nèi)側(cè)為了防止熱輻射冷頭,進(jìn)行了能吸收熱輻射的表面黑化處理。

　　(4)一級冷頭(無氧銅)。溫度為80 K左右,主要用于冷凝水蒸汽。

　　(5)二級冷頭(無氧銅)。溫度為10~20 K左右,用于冷凝N2、O2、Ar、CO2等氣體。

　　(6)溫度傳感器。常用的溫度傳感器有兩種,一種是H2蒸汽壓溫度傳感器,特點是簡單直觀,但量程窄,可讀性差,一般在10~30 K可讀;另一種是熱敏二級管溫度傳感器,結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,但可讀性較強,適于自動控制系統(tǒng)中,量程寬,從1K至室溫可準(zhǔn)確讀數(shù),現(xiàn)較多使用。

　　(7)銦片。泵體中為確保各部件接觸良好以傳導(dǎo)低溫,減少熱損耗,使用低溫下質(zhì)地柔軟且導(dǎo)熱性好的銦片作為緊固墊片。

　　2.冷凝泵的維護(hù)與維修

　　(1)壓縮機(jī)部分

　?、俪銱e氣。當(dāng)He氣靜態(tài)壓力低于規(guī)定值時,應(yīng)首先檢漏,排除后從壓縮機(jī)充氣口充入純度>99.999%的高純He氣;若壓縮機(jī)內(nèi)He氣不純,則應(yīng)放空后用機(jī)械泵進(jìn)行粗抽,然后充入高純He氣。充氣前要對充氣管道進(jìn)行自沖洗處理,一般不少于5次。

　　②He過濾器的更換。He過濾器在使用一段時間后功能會下降,造成He氣純度下降,因此應(yīng)按規(guī)定更換。新的過濾器帶自密封接頭,且已充入一定壓力的高純He氣,更換后待壓力平衡,檢查系統(tǒng)He氣壓力是否在規(guī)定范圍,否則應(yīng)作適量補充。

　?、墼肼暋Ｈ魤嚎s機(jī)部位發(fā)出有規(guī)律的異常噪聲,應(yīng)檢查電源頻率50~60 Hz設(shè)置開關(guān),將其置于50 Hz位置,便可將噪音消除。

　　(2)泵體部分

　?、衮?qū)動部分。經(jīng)過長期運轉(zhuǎn)后會產(chǎn)生機(jī)械磨損,在啟動和運行過程中會出現(xiàn)死點,此時應(yīng)將它拆開用無水酒精清洗,烘干后進(jìn)行裝配。裝配時應(yīng)注意凸輪和高、低壓閥的相對位置,同時應(yīng)更換密封傳動軸的o型圈。

　　②活塞及蓄冷器部分。由膠木構(gòu)成的活塞及由聚四氟乙烯構(gòu)成的活塞環(huán)在長期運行后會出現(xiàn)磨損,可用無水酒精進(jìn)行簡單的表面清潔處理,但不要觸及內(nèi)部的蓄冷器,因為一、二級蓄冷器內(nèi)部為表面積極大的銅絨和鉛丸,若被有機(jī)溶劑污染后不易去除。處理干凈后放入66℃真空烘箱烘干備用。在泵運行過程中如果發(fā)出異常的磨擦聲,則是由于He氣不純造成活塞部位凝結(jié)了固態(tài)異物所致,它會磨損氣缸壁,應(yīng)立即停機(jī),對活塞及活塞環(huán)進(jìn)行清潔、烘干處理,并對壓縮機(jī)及泵體內(nèi)的He氣進(jìn)行更換。

　?、鄣蜏仃嚵胁糠?。當(dāng)泵的抽氣性能下降,再生過程頻繁時,須對低溫陣列部分進(jìn)行維護(hù)。這部分由于沒有運動部件,因此維護(hù)比較簡單,一般可放入66℃真空烘箱烘干,以恢復(fù)活性碳的吸附功能。若使用時間過長引起活性碳失效則必須更換。

　　目前低溫冷凝泵主要有兩種比較成熟的產(chǎn)品，一種是以GM制冷機(jī)為主構(gòu)成，其特點是可靠性高,但機(jī)械結(jié)構(gòu)較復(fù)雜;另一種是循環(huán)冷凍機(jī)為主構(gòu)成,它的制冷原理與GM制冷機(jī)不同,活塞以氣體驅(qū)動,特點是結(jié)構(gòu)簡單,維護(hù)方便。