7冷凍邦浦介紹

CELLO Technology 崇文科技股份有限公司 - - 7-1 7 冷凍邦浦之介紹 7.1 前言 冷凍真空邦浦（Cryo－pump，簡稱 CP）係利用一極低溫的環境，來吸附容器被排 放的氣體分子，以達到抽氣的效果。這是一種超高真空邦浦，其工作壓力約在 10-4～10-11 torr 之間。冷凍邦浦因抽氣速率大，無油氣污染，不使用氟氯碳化物（CFC）、液態氮， 其電力消耗低，可安裝在任意位置，而不影響其導通與抽氣速率，故半導體相關業界均 以冷凍真空邦浦取代有油氣之擴散邦浦。 7.2 冷凍邦浦之構造 簡而言之，壓縮機式冷凍邦浦主要包括膨脹室（Expander）和壓縮機（Compressor） 兩部分，下圖所示為廠內常用之 CTI 冷凍邦浦。 ▲CTI 冷凍真空邦浦系統 高壓管 馬達控制線 工具盒操作說明書 壓縮機 CP 本體 CELLO Technology 崇文科技股份有限公司 - - 7-2 連接法蘭 80K 冷凝器 15K 冷凝器 80K 輻射屏蔽 真空外套缸 Cold-head cylinder 冷頭柱 Gas return connection 氣體接頭 Purge tube 再生清潔閥 Drive motor 驅動馬達 Accessory port connection 真空接頭 Regeneration purge fitting 再生清淨組件Cross head 固定座 Valve body 閥本體 Standpipe filter 過濾器管 Silicon diode 二極體 ▲CTI-TORR8 冷凍真空邦浦結構剖面圖 噴油管徑 溫控器(TS1) 洩氣閥 濾油器 Adsorber 檢測閥 過繼閥安全開關 溫控器(TS3) 超載保護開關 (TS2) 回濾油嘴 ▲COMPERSSOR 壓縮機結構剖面圖 ▲ CTI 壓縮機實體圖 (背面) ▲ CTI-TORR8 冷凍邦浦實體圖 CP 電路輸出端 壓縮機遙控點 系統斷電裝置電源輸入端 電源指示燈 使用時數 控制無熔絲開關 GAS 回流端 GAS 提供端冷卻水 IN 冷卻水 OUT CELLO Technology 崇文科技股份有限公司 - - 7-3 7.3 冷凍邦浦之抽氣原理 冷凍邦浦之抽氣機構包括低溫冷凝、低溫捕獲以及低溫吸附等三種作用機制，以提 高它的抽氣效果。 1. 低溫冷凝（Cryo condensation） 冷凝抽氣主要係利用超低溫之冷凝面來凍結接觸到之氣體分子，使其在冷凝面上凝結 為固體，由此達到降低腔體內氣壓的效果。對於一個真空系統而言，真空度的好壞決 定於內部物質之蒸氣壓的大小，而此一蒸氣壓則與溫度有絕大的關聯，溫度越低時物 質的蒸氣壓越低。由於各種物質其熔點與沸點不同，因此在不同冷凝面溫度下有些氣 體可被凝固，有些則不會，而熔點較低之氣體，在相同溫度下即使皆已被凝結成固體， 其蒸氣壓相對地仍然相當可觀，各類常見氣體在不同溫度下之蒸氣壓關如下圖所示。 2. 低溫捕獲（Cryotrapping） 假使冷凍邦浦只靠冷凝作用，其效果是有限的，所以必須在低溫時捕捉不易冷凝的氣 體分子，此即為低溫捕獲。它是利用容易冷凝且會形成多孔性結構的氣體凝固層作為 陷阱，當一些較不易被冷凝的氣體分子進入這些多孔網格，將陷於其中而被捕捉，常 被用來作為捕獲的凝固材料有氫、二氧化碳、氨及甲烷等。下圖為氣體分子在連續與 多孔性材料內壁一系列的碰撞後，終於失去動能而留於多孔性材料內。 溫度(℃) 溫度(oK) 沸點 蒸 氣 壓 (to rr ) 氣體分子進入 低溫捕獲 CELLO Technology 崇文科技股份有限公司 - - 7-4 3. 低溫吸附（Cryosorption） 抽氣中一些不易被凝結之氣體如 He、Ne、H2 等，再次因冷凍喪失動能後，進入第二 級冷凝之內部而被低溫的活性碳吸附住（如圖 a），這種抽氣現象我們稱之為吸附作 用。冷凍真空邦浦就是靠這低溫冷凝及吸附兩種作用來達到抽氣的目的。一般 CP 吸 附材料，使用活性碳（Activated charcoal）的原因，係因它是多孔性的材料表面積大， 在低溫時進入其中，將逐漸喪失動能，以致深陷其中而被吸附（如圖 b），另一方面亦 因此種材料在加熱或恢復室溫之再生時，其所吸附之氣體易於排放出，以利再生。 7.4 冷凍邦浦之壓縮原理 壓縮機在冷凍邦浦中所擔負的任務為將在膨脹室已完成膨脹吸熱之高純度氦氣再 壓縮冷卻，而壓縮過程自然會產生壓縮熱，這些熱先經潤滑油冷卻，再由機體外圍纏繞 之冷卻水管的冷卻水帶走。這些經過壓縮冷卻程序的高壓低溫氦氣再傳輸導入冷凍邦浦 的膨脹室，形成一個完整的氦氣循環體系。 (a)冷頭吸附情形 (b)冷凍擠壓氣體分子 ◣冷凍邦浦之壓縮機內氦氣循環管路 1. 壓縮機過負荷保護裝置 2. 氦氣高溫保護裝置 3. 溢流閥 4. 管線安全漏氣閥門 5. 6.高低壓力安全保護開關 7.充氣閥 8.放氣閥 9.油分離器 10.吸附器 11.回油管 Cold head 冷頭 Activated charcoal 活性碳 高壓氦氣進入膨脹室來自膨脹室之低壓氦氣 冷卻水循環 出 水 進水 CELLO Technology 崇文科技股份有限公司 - - 7-5 7.5 冷凍邦浦系統操作流程及注意事項 1. 自動再生： 1-1 使冷凍邦浦（CP）執行自動再生，相關操作於下文中敍述。 1-2 待 CP 溫度到達 15oK（1℃=273 oK）以下。 2. 起動： 2-1 確認空壓、製程氣體及冷卻水供應是否充足。 2-2 腔門關閉，MP(DP)啟動，V2 開啟，V1、V3、V4 為關閉狀態。 3.抽氣 3-1 初抽腔體至 8.0×10-2 torr，V2、MP(DP)關閉。 3-2 V3 開啟，CP 細抽腔體。 4.關機 4-1 V4 開啟，V1、V2、V3 關閉。 4-2 腔體達到正壓（760 torr），洩氣完成，腔門可開啟。 CELLO Technology 崇文科技股份有限公司 - - 7-6 5.注意事項 5-1 V1 及 V2 或 V2 及 V3 不能同時開啟，因 V2 端之壓力大於 V3 端或 V1 端時，會 產生壓力差造成 MP 之油氣回流而污染 CP。 5-2 為了避免因 MP 的油氣污染 CP，影響抽氣作用，有些 CP 系統會使用過濾器以保 護真空腔體及 CP。而在廠內並未連接過濾器，是在粗抽真空腔體時，將壓力以 真空計控制在 8.0×10-2 torr。因在這壓力範圍內，氣體運動仍呈黏滯流現象，氣體 分子運動都是朝單一方向進行，所以不會有油氣回流發生。 5-3 真空計的安裝須遠離 CP 的低溫面，否則再生時釋出的氣體有爆炸的危險。 5-4 須例行換裝壓縮機系統之油吸附器。 5-5 應使用熱擋板，以防熱負荷過量，CP 會因溫度過高而回溫，影響抽氣效率不佳。 5-6 邦浦吸附之有毒或易燃氣體，必須安全排放。 5-7 壓縮機高壓管之銜接，應先接 Return 再接 Supply，先接壓縮機或 CP 均可。拆裝 時需注意速度,太慢會導致氦氣的洩漏。 5-8 不可使危險性氣體濃度太高。 5-9 若氦氣壓力過高或過低，會造成保護裝置作用，而使壓縮機停止運轉。 5-10 若氦氣純度不夠，會造成壓縮管路的污染，不純物在膨脹室內固化之後會有敲擊 現象，當聽到這種敲擊聲時，要馬上停機，否則膨脹室會損壞。而壓縮機受到污 染後，必需送回原廠修理。 5-11 冷卻水溫通常約 20℃～25℃，出水量約 800 l/min，水溫在運轉時可降到 15℃， 但關機時若溫度太低，將使油流動性變差，造成再起動時的障礙。 5-12 冷凍邦浦若有氦氣漏氣現象，輕微漏氣會造成壓力不足，影響冷凍效果；嚴重漏 氣時會引入空氣，造成致命的損壞。當有漏氣時，需注意不可使氦氣漏光，否則 即使再充氦氣進去，也無法將所受的污染消除，必須送回原廠做徹底的清潔。 5-13 漏氣造成壓力過高，氣體負荷加大，影響第二級冷凝的溫度。以氦氣測漏儀測漏 時，注意勿使測漏儀真空邦浦的油氣，造成 CP 的污染。同時由於 CP 對氦氣有 抽氣作用，必須關機才能測漏，否則影響測漏儀靈敏度。 5-14 氣動控制用的空氣壓力不足會造成氣動閥動作不良或閉合不確實影響系統的操 作。 5-15 CP 由中度真空(8×10-2 torr)開始抽氣的效果為佳。因在大氣壓力下使用 CP 抽氣， 氫氣、氦氣及氖氣不易被有效抽除。此三種氣體的蒸氣壓在 20OK 時與系統內其 他氣體的壓力約有 0.1 torr，而 CP 無法直接將系統壓力抽到 0.1 torr 以下。若由中 度真空才開始抽氣，上述氣體的壓力總合約為 10-5 torr，冷凍幫浦可將系統壓力 抽至 10-8 torr 以下。 7.6 冷凍邦浦系統再生流程及注意事項 1. 冷凍幫浦再生時機： 由於冷凍幫浦為儲氣式幫浦，故在使用一段時間後，即需要進行再生程序，使膨脹室 內儲存氣體之空間釋放出來。如果沒有進行再生程序，則冷凍幫浦在抽真空的效率上 會大大降低，而一旦膨脹室溫度升高，則有爆炸之可能。 當作業人員發現真空抽氣速率變慢、冷凍幫浦在正常的工作下溫度超過 30oK 以上 時、保養時機或是系統開機，就可進行再生的動作。 CELLO Technology 崇文科技股份有限公司 - - 7-7 2. 冷凍幫浦再生步驟：（附錄圖為廠內之 CP 自動再生流程） 2-1 關閉 V3 閥、壓縮機。 2-2 將乾燥氮氣（約 60℃之熱氮氣）通入 CP 內部之膨脹室，氮氣及內部放出的氣體 由 CP 之正壓閥排出，充氣時間約 Torr8/10 約 60 分鐘（有毒性危險氣體時，漏氣 管要接到室外）。 2-3 充氣完成後，開啟 V1，將 CP 粗抽到 1×10-2～2×10-2 torr。 2-4 關閉 V1，開啟壓縮機，使 CP 開始降溫到 15oK 以下，降溫過程需 3～5 小時。 2-5 再生完成。 3. 注意事項 3-1 熱氮氣注入膨脹室後，當膨脹室內之壓力回復為正壓力時，冷凍幫浦之正壓閥會 開始進行排氣動作。必須注意的是，注入熱氮氣的流速不可過高，以免因流速過 快，而使膨脹室內產生氣旋，而將沈積在底部的異物吹起，並流向正壓閥，造成 正壓閥在抽真空時無法絕漏。 3-2 冷凍邦浦再生時，先關壓縮機，此時低溫面溫度逐漸上升，先是第一級冷凝面的 水氣會轉而移到第二級冷凝面，甚至進入活性碳。因此必須通入 99.995％的氮氣， 將水氣帶出邦浦，一旦水氣進入活性碳，再抽氣就非常困難。 3-3 啟動壓縮機時，須特別注意壓縮機內的氦氣量是否充足，一般要求示氦氣量 250psi，最少不得低於 150psi，否則壓縮機之冷卻效率將大為降低。 3-4 CP 主體上有一個安全漏氣閥（正壓閥），它設定的壓力大約 1.03×102 torr，當內外 壓差超過此值時，內部氣體就會溢出，故此安全漏氣閥不可隨意更動。 3-5 為了提升 CP 的再生能力及速率，廠內舊款自製 熱氮加熱器，安裝於 CP 之末端，如右圖所示。 3-6 為了再提升 CP 的再生能力及速率,cello 改善加熱方式,用加熱體包覆整個 cryo Body,讓熱能更均勻及直接加熱,提升效率及縮短再生時間。 熱氮加熱器 CP 加熱體 CELLO Technology 崇文科技股份有限公司 - - 7-8 附錄：CP 自動再生流程 CP 自動再生:CP 為吸附式的 Pump，因此會有飽和的現象，造成抽氣效率降低，此時就 要執行自動再生，將吸附的氣體排出。 泠卻模式:完成自動再生後，啟動 CP 的壓縮機。 停機模式:完成自動再生後，不啟動 CP 的壓縮機。 壓力設定點: 抽氣:抽氣時，在設定時間內，必須將 CP 管路壓力低此壓力設定，否則會執行 N2 再清 潔的程序。 回壓:當抽氣完成後，CP 管路壓力低於 5.0E-02Torr 時，進入回壓測試程序，在設定時間 內，壓力不能高於此壓力設定。 自動再生流程如下: 1．回溫至設定溫度。 2．通入 N2 及 CP 加熱。 3．抽氣，若在設定時間內壓力低 5.0E-02Torr 時，進入回壓測試程序，否則執行 N2 再 清潔程序。 4．回壓測試。 5．若回壓測試通過，再抽氣至 5.0E-02Torr。 6．依模式設定，判斷是否要啟動 CP 的壓縮機。 CELLO Technology 崇文科技股份有限公司 - - 7-9 7.7 冷凍邦浦除污介紹 一、 除污目的及原因 當冷凍邦浦異常進入之氦氣不純（未達 5 個 N）時，運轉時其本體內部會發生敲擊 異聲。而造成氦氣不純之可能原因為：安裝高壓管之疏失使其它氣體進入；或壓縮 機壓力不足時，充填之氦氣非純氦氣。此時若不即時除污，將造成邦浦本體之驅動 軸損壞，致無法使用。 二、 除污步驟及注意事項 步驟 1：將冷凍邦浦降溫到 10oK，讓不乾淨的氣體被 Refregerator 吸附。 步驟 2：在壓縮機運轉之狀態下，將其 Supply 端拆下，接至 Manifold 上之一端， 再將 Return 端拆下，將高壓管接至 Manifold 另一端(如下圖所示)。 步驟 3：使壓縮機中止運轉，並瞬間 Purge 冷凍邦浦，使其回壓至 300 oK。 步驟 4：將氦氣瓶(氦氣純度為 5 個 N)上的管子接到 Manifold 並暫不鎖緊，打開氣 瓶將管內的空氣排空約 30 秒後再鎖緊，並調整氣瓶壓力至 250 psi。 步驟 5：利用 Manifold 上的閥門，將冷凍邦浦內的壓力排放至 50 psi 後關閉，(※注 意勿使壓力低於 50 psi，以避免大氣回灌。)再將壓力灌回至 250 psi。 步驟 6：重覆”步驟 5”三次後，打開壓縮機使其運轉，同時並帶動 CP 本體及馬達， 約 10 秒後壓縮機將自動中止運轉(Power off)。 步驟 7：須重覆”步驟 6”五次。 步驟 8：完成上述所有步驟後，以無油邦浦將高壓管抽真空至 50 mtorr，持續抽 30 分鐘。由氣瓶灌入 250 psi 之氦氣後，將高壓管拆下，裝回壓縮機並執行再 生程序即完成除污動作。 步驟 9：將 Manifold 充 5 個 N 的氦氣，壓力保持 250 psi，避免污染。 日期：2002.07.02 日，版本 0 2009.08.05 第 2 版 jerry