低温泵在超高真空炉中的应用实例

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京真空电子技术总公司 作者:卢少波

  十多年前开始在真空电子技术相关工艺设备中应用低温泵干泵无油系统来获得超高真空,效果满意。这次尝试将低温泵快速、洁净和可靠的独特优势应用到真空炉中。将低温泵并入真空系统中,达到清洁的超高真空环境。本文以实例介绍了低温泵在超高真空炉中的应用; 重点介绍了低温泵真空系统的设计思路,真空系统的主要配置和注意事项,低温泵的选型计算,并用图示方法详细介绍了低温泵系统的安装、使用和维护等环节。对同类真空炉的研发和低温泵的应用都有参考价值。通过严格把关各研发环节,按照超高真空规范进行清洗,除气和烘烤,最后真空炉的极限压力达到了2 × 10-7 Pa,将常规的真空炉极限压力延伸了近一个数量级。近年来无油真空泵在半导体行业为代表的领域被引进并广泛应用。从而低温泵+ 干泵为代表的无油超高真空获得系统在半导体电子技术、光学镀膜系统和航空航天领域得到了广泛推广。

  通过低温介质将抽气面温度降低到20 K 以下,抽气面就可以冷凝沸点温度较低的气体,从而抽出大量的气体。这种利用低温抽气面将气体冷凝的抽气泵叫低温泵,或冷凝泵。是利用低温介质降低表面温度后将气体冷凝、吸附或是冷凝+ 吸附,将被抽空间的压力降低,而获得真空或维持真空状态的装置。

  作为完整的抽气系统,低温泵由两部分组成,主体为真空泵体,第二部分为压缩机。现在得到广泛应用的都是制冷机式低温泵,其核心是低温制冷机。工作基本流程为:氦气首先被压缩到高温高压状态;再通过热交换器被冷却为常温氦气;经纯化后的高纯氦气最后经汽缸完成绝热膨胀,变成低温氦气。如此不断循环,氦气被不断降温,成为制冷介质—低温氦气。

  选择低温泵的优势有:

  ①洁净,纯无油,抽气范围宽,可快速获得理想的超高真空环境;

  ②与口径相同的其它真空泵相比,低温泵有更大的抽速,尤其抽出水蒸汽的能力;

  ③对被抽气体无选择,杂质颗粒而不影响系统工作;

  ④可以任意角度安装,没有运动部件,不需要前级泵,运行和维护成本低;

  ⑤暴露大气对系统影响小,压缩机断水后可以自保护,所以可以实现无人值守。

真空系统的设计

  真空炉选用低温泵系统,最大的问题就是解决热负载。真空炉中的热负载主要来自于三方面:

  ①来自炉体侧的热辐射;

  ②粘滞流状态下,气体分子携带走热量;

  ③来自泵口管道的热传导和辐射热量。

  低温泵工作在分子流状态下,热源②可忽略。热源③可以通过增加水冷结构消除。设计时主要考虑来自炉体的热负载对低温泵的影响。真空炉内选择多层金属反射屏。真空炉最高加热温度为1300℃,共设计6 层反射屏,内3 层选钼屏,其余各层选不锈钢反射屏。理论上加热器通过辐射到达容器壁的温度约200℃,温度随着时间会慢慢升高。多数情形,低温泵可装个90°弯头,以避免与真空室直通,这就进一步减少了传给泵的热负载,这也是减少热辐射最简单有效的方法。在分子流状态下,弯头对流导的影响可忽略,对超高真空系统而言比挡板更有效。为了进一步减少泵口管道热传导热和辐射对低温泵的影响,在弯头管道上设计了水冷结构。真空系统结构图如图1。

低温泵在超高真空炉中的应用实例

图1 真空系统结构图

  为了获得理想的超高真空,同时运用冗余技术,我们设计了分子泵机组和低温泵并联的真空系统。分子泵机组可以作为系统的预抽,这样当低温泵降温后可以直接在分子流状态下工作。

  另外当真空室放气量比较大时,可以及时切换到分子泵抽气,这样既可以延长低温泵的抽气饱和时间,也可以节约再生时间。分子泵、低温泵都通过气动超高真空闸板阀和真空室连接。为保证系统洁净无油,同时最大程度发挥低温泵的抽气优势,选择了纯无油磁悬浮分子泵,前级泵选择了涡旋式干泵,低温泵再生时也用干泵抽气。真空系统原理图如图2 真空系统主要配置。

低温泵在超高真空炉中的应用实例

图2 真空系统原理图

  当分子泵机组和压缩机同时启动,大约120 min后低温泵二级冷头从室温降到15 K 以下(可以开启低温泵阀门),此时真空炉系统的真空度可以达到10-5Pa,这样低温泵可以直接从高真空开始抽气。

表1 真空系统主要配置

低温泵在超高真空炉中的应用实例

结论

  本套设备是一套典型的中型真空炉,应用于超高真空条件下的扩散焊工艺,热容量和表面积都大于同规格的热处理炉,自动化程度较高,配置低温泵更能发挥其显著优势。真空炉最终测试的极限压力为2 × 10-7 Pa( 冷态、空炉) ,压升率为0.002 Pa /h。指标优于常用高真空炉。目前国内低温泵的应用大多还依赖进口,和相同口径的其它泵相比,价格也比较昂贵。但在高洁净工艺环境、纯无油真空和超高真空领域仍然有很大的优势,并且从使用成本和寿命上比较,低温泵并不比其它泵差。国内低温泵的研发目前还待成熟,尤其是压缩机技术,期待国内洁净真空泵行业的兴起。

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