吸附阵及具有该吸附阵的低温泵的制作方法

本发明涉及低温真空技术领域，具体涉及一种吸附阵及具有该吸附阵的低温泵。

背景技术：

低温泵是利用低温表面冷凝气体的真空泵，主要通过低温冷凝和低温吸附获得超高真空。低温冷凝主要是采用低温板冷凝第一、二类气体(如co2、n2、ar等)，以n2为例，如低温板温度小于等于20k，压力将小于10^-8pa。但超高真空的获得仅仅依靠低温冷凝是不够的，第三类气体h2、he、ne在20k的平衡蒸汽压力太高，不能被低温冷凝在低温板上。低温吸附主要是采用低温下的吸附材料捕获第三类气体，获得超高真空。

由于低温泵具有大抽速、高极限真空且清洁无油的特点，广泛应用于半导体和集成电路的制造过程中。离子注入工艺是半导体芯片制造中一项至关重要的工艺，先进电路的主要掺杂步骤都采用离子注入完成。离子注入工艺要求10^-6torr量级的工作真空，注入工艺会从晶圆中释放气体，产生的气体中90％是来自光刻胶掩蔽层产生的h2，因此要求低温泵对h2具有极高的抽速，能够将真空腔体内的h2快速抽除，也要求低温泵对h2具有大的吸附容量，延长低温泵的再生时间，提高离子注入机的生产效率，因此离子注入机需要一款对h2具有高抽速和大容量的低温泵。

现有技术中，如公开号为cn110925164a的中国发明专利申请公开了一种离子注入机用高性能低温泵，包括壳体、制冷机、辐射冷屏、障板，还包括被所述辐射冷屏和所述障板包围的吸附阵和转接板，所述吸附阵包括冷头帽、传热板和低温板，所述低温板表面设有吸附材料，所述冷头帽固定安装于所述传热板的上端且正对低温泵的吸气口，所述二级冷却台通过所述传热板的侧壁开口伸入所述传热板内腔并与所述转接板安装连接，所述转接板同时与所述冷头帽安装连接。该低温泵能够从一定程度上获得大抽速，但是受制于其整体结构，抽速有限。

现有低温泵内部是障板保护的杯状或圆筒状吸附阵，障板用于冷凝第一类气体，吸附阵外表面用于冷凝第二类气体，并在吸附阵内表面粘附吸附材料用于吸附第三类气体(诸如h2、he、ne)，这种结构保证低温泵对所有气体均具有一定的抽速。低压环境下气体沿着直线向前运动，由于吸附材料处于吸附阵内表面被吸附阵保护，氢气通过泵口后无法直接到达吸附材料，这样虽然可以防止第一、二类气体在吸附材料表面被吸附而阻塞吸附材料内部气孔，但这种结构的低温泵严重降低了h2捕集系数，该捕集系数与低温泵对h2的抽速正相关，这个结构造成对h2抽速的降低。

椰基活性炭具有高比表面积、良好的孔隙结构、平衡吸附量大、平衡压强低以及对氢、氦等小分子具有较强吸附能力等特点，普遍被认为是以氢或氦为主要气体负载的低温吸附泵的优选吸附剂。活性炭的吸附能力由孔结构(孔形状、孔径及分布)、表面功能团以及吸附质分子尺寸所决定，孔结构对活性炭的吸附性能有时甚至有决定性的影响。国际理论(化学)与应用化学联合会(iupac)将吸附孔的宽度划分为4个等级，它们依次为亚微孔w<0.8nm、微孔0.8nm<w<2.0nm、中孔2.0nm<w<50.0nm、大孔w>50.0nm。氢分子的大小为0.1nm，因此亚微孔的数量决定了活性炭对h2的吸附能力。目前市场上活性炭主要用于吸附大分子气体，因此微孔及中孔占据孔隙的大多数，但是对于低温泵使用的活性炭，主要吸附物质是h2，直径大于0.8nm的微孔及中孔，h2被吸附后由于孔径远大于h2的分子直径，部分h2会发生脱附重新回到低温泵中，造成低温泵对h2的抽速损失。只有孔径小于0.8nm的超微孔对h2具有超强的吸附能力并保证h2被吸附后进入孔内部不会重新脱附，因此市场上使用的活性炭不能完全满足低温泵对活性炭的使用要求。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于：现有技术中h2无法直接快速的到达吸附材料并被捕获，影响低温泵对h2的抽速。

本发明是通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种吸附阵，包括环形的传热板，传热板内部设置有连接板，传热板的板面垂直于连接板；

所述传热板外侧板面上设置有若干个低温板，所有低温板均垂直于连接板，低温板垂直于其所处位置的传热板的板面，低温板的内侧朝向传热板的内部，低温板的外侧轮廓为圆弧形，所有低温板的外侧轮廓位于同一个虚拟的球面上；

所述低温板上设置有吸附材料。

本发明中的吸附阵在实际应用时，将低温板的外侧轮廓设置成圆弧形的，各个低温板形成一个类似于球形的结构，吸附阵结构设计成球状，充分利用球状结构内部的空间，将其实际应用在低温泵中时，在正对泵口的投影面积有效的空间下实现更大的吸附材料有效的粘附位置，较常规低温泵增加了吸附材料的粘附面积，提升了低温泵的性能，吸附阵结构使h2进入泵口后快速被吸附材料捕获，提高h2捕集系数，提升低温泵对h2的抽速。

优化的，所述连接板包括本体，本体的第一端为圆弧形，本体的第二端设置有宽度小于本体的连接部，连接部端部设置有垂直于本体及连接部的安装板，安装板贴在传热板内部，所述本体及连接部通过安装板安装在传热板内部。

优化的，所述传热板包括两个相同且对称设置的弯曲板，两弯曲板开口相向设置；

所述弯曲板的两端平行，弯曲板的中间部分垂直于弯曲板的两端，弯曲板中间部分与弯曲板端部之间通过平板部连接。

优化的，所述弯曲板的两端对称。

优化的，平板部与弯曲板端部宽度相等。

优化的，所述弯曲板每个端部设置一个低温板，每个平板部设置一个低温板，弯曲板中间部分设置四个低温板。

优化的，弯曲板中间部分的四个低温板中，位于两侧的低温板的内侧边与弯曲板中间部分的外壁平齐；

其余低温板的内侧边上设置豁口，豁口插在弯曲板上。

优化的，所述吸附材料采用柱状椰壳活性炭，柱状椰壳活性炭的孔径小于0.8nm。

亚微孔的数量决定了活性炭对h2的吸附能力，对于低温泵使用的活性炭，主要吸附物质是h2，直径大于0.8nm的微孔及中孔，h2被吸附后由于孔径远大于h2的分子直径，部分h2会发生脱附重新回到低温泵中，造成低温泵对h2的抽速损失。只有孔径小于0.8nm的超微孔对h2具有超强的吸附能力并保证h2被吸附后进入孔内部不会重新脱附，吸附材料使用柱状椰壳活性炭，活性炭粘附前对其进行预处理以获得更高的比表面积和亚微孔占比，首先使用低浓度的hcl放在超声波中对活性炭进行清洗，超声波可以使活性炭部分大孔及中孔发生坍塌，形成更多的微孔和亚微孔，hcl可以去除活性炭形成工艺中残留的金属灰分，打开被堵塞的微孔，然后使用纯水多次清洗至溶液呈中性，最后使用烘箱对活性炭进行长时间烘烤，去除活性炭吸收的水分，最终获得的活性炭具有更高的微孔及亚微孔占比，更加适合作为低温泵的吸附材料。

优化的，所述吸附材料阵列分布在低温板的两侧。

本发明还公开一种低温泵，包括上述任一种吸附阵，还包括制冷机、壳体，制冷机的一级冷却台、二级冷却台位于壳体中；

所述壳体中设置有辐射冷屏，辐射冷屏通过螺栓与一级冷却台热连接，吸附阵通过连接板安装在二级冷却台端部，且连接板垂直于二级冷却台轴线，二级冷却台及吸附阵均位于辐射冷屏内部；

辐射冷屏开口处设置有障板，壳体开口处设置有泵口法兰，辐射冷屏的开口朝向与壳体的开口朝向相同，辐射冷屏的轴线与壳体的轴线重合，且一级冷却台、二级冷却台的轴线垂直于辐射冷屏的轴线。

辐射冷屏的作用是保护吸附阵免受壳体的直接热辐射，障板以正对真空腔室的方式安装在低温泵的吸气口，作用是对真空腔体进入泵体的气体进行预冷，减小气体对吸附阵的热辐射，障板对吸附阵实现光学屏蔽。冷伞取消常规的冷头帽结构，低温板正对泵口，保证h2在进入泵口后最大几率被低温板上粘附的吸附材料捕获，实现更高的抽速。传热板呈环状，制冷机的二级冷却台通过连接板与传热板实现热连接，保证活性炭在最佳的h2捕获温度。球状结构，实现低温板有效面积最大,基于上述结构的对h2高抽气性能的低温泵，为保证对h2抽气性能的提升，吸附阵结构设计成球状，充分利用球状结构内部的空间，在正对泵口的投影面积有效的空间下实现更大的吸附材料有效的粘附位置，较常规低温泵增加了吸附材料的粘附面积，提升了低温泵的性能。

本发明的优点在于：

1.本发明中的吸附阵在实际应用时，将低温板的外侧轮廓设置成圆弧形的，各个低温板形成一个类似于球形的结构，吸附阵结构设计成球状，充分利用球状结构内部的空间，将其实际应用在低温泵中时，在正对泵口的投影面积有效的空间下实现更大的吸附材料有效的粘附位置，较常规低温泵增加了吸附材料的粘附面积，提升了低温泵的性能，吸附阵结构使h2进入泵口后快速被吸附材料捕获，提高h2捕集系数，提升低温泵对h2的抽速。

2.亚微孔的数量决定了活性炭对h2的吸附能力，对于低温泵使用的活性炭，主要吸附物质是h2，直径大于0.8nm的微孔及中孔，h2被吸附后由于孔径远大于h2的分子直径，部分h2会发生脱附重新回到低温泵中，造成低温泵对h2的抽速损失。只有孔径小于0.8nm的超微孔对h2具有超强的吸附能力并保证h2被吸附后进入孔内部不会重新脱附，吸附材料使用柱状椰壳活性炭，活性炭粘附前对其进行预处理以获得更高的比表面积和亚微孔占比，首先使用低浓度的hcl放在超声波中对活性炭进行清洗，超声波可以使活性炭部分大孔及中孔发生坍塌，形成更多的微孔和亚微孔，hcl可以去除活性炭形成工艺中残留的金属灰分，打开被堵塞的微孔，然后使用纯水多次清洗至溶液呈中性，最后使用烘箱对活性炭进行长时间烘烤，去除活性炭吸收的水分，最终获得的活性炭具有更高的微孔及亚微孔占比，更加适合作为低温泵的吸附材料。

3.辐射冷屏的作用是保护吸附阵免受壳体的直接热辐射，障板以正对真空腔室的方式安装在低温泵的吸气口，作用是对真空腔体进入泵体的气体进行预冷，减小气体对吸附阵的热辐射，障板对吸附阵实现光学屏蔽。冷伞取消常规的冷头帽结构，低温板正对泵口，保证h2在进入泵口后最大几率被低温板上粘附的吸附材料捕获，实现更高的抽速。传热板呈环状，制冷机的二级冷却台通过连接板与传热板实现热连接，保证活性炭在最佳的h2捕获温度。球状结构，实现低温板有效面积最大,基于上述结构的对h2高抽气性能的低温泵，为保证对h2抽气性能的提升，吸附阵结构设计成球状，充分利用球状结构内部的空间，在正对泵口的投影面积有效的空间下实现更大的吸附材料有效的粘附位置，较常规低温泵增加了吸附材料的粘附面积，提升了低温泵的性能。

附图说明

图1、2为本发明实施例一中吸附阵的示意图；

图3为本发明实施例一中省略部分低温板时吸附阵的示意图；

图4、5为本发明实施例一中连接板、传热板的安装示意图；

图6-11为本发明实施例一中低温板的示意图；

图12为本发明实施例二中低温泵的示意图；

图13为本发明实施例二中低温泵的爆炸图；

图14、15为本发明实施例二中低温泵部分结构的示意图；

图16为本发明实施例中吸附材料预处理前后抽h2的对比图；

其中，

制冷机-1、一级冷却台-11、二级冷却台-12；

壳体-2、泵口法兰-21；

辐射冷屏-3；

障板-4；

连接板-5、本体-51、连接部-52、安装板-53；

传热板-6、弯曲板-61、平板部-611；

低温板-7、豁口-71、连接耳-72；

吸附材料-8。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

如图1、2所示，一种吸附阵，包括连接板5、传热板6、低温板7、吸附材料8。

如图5所示，传热板6为环形的，传热板6内部设置有连接板5，传热板6的板面垂直于连接板5；如图1-3所示，所述传热板6外侧板面上设置有若干个低温板7，所有低温板7均垂直于连接板5，低温板7垂直于其所处位置的传热板6的板面，低温板7的内侧朝向传热板6的内部，低温板7的外侧轮廓为圆弧形；进一步的，所有低温板7的外侧轮廓位于同一虚拟球面上，所述低温板7上设置有吸附材料8，所述吸附材料8按照矩形阵列粘附在低温板7的两侧。

如图4、5所示，所述连接板5包括本体51，本体51的第一端为圆弧形，本体51的第二端设置有宽度小于本体51的连接部52，连接部52端部设置有垂直于本体51及连接部52的安装板53，安装板53贴在传热板6内部，所述本体51及连接部52通过安装板53安装在传热板6内部。本实施例中，所述本体51、连接部52、安装板53为一体的。

如图4、5所示，所述传热板6包括两个相同且对称设置的弯曲板61，两弯曲板61开口相向设置；所述弯曲板61的两端平行，弯曲板61的中间部分垂直于弯曲板61的两端，弯曲板61中间部分与弯曲板61端部之间通过三个平板部611连接。所述弯曲板61的两端对称。平板部611与弯曲板61端部宽度相等。

如图2所示，所述弯曲板61每个端部设置一个低温板7，具体的，所述弯曲板61每个端部设置两个通孔，所述安装板53上设置四个通孔，所述安装板53、两个低温板7通过铆钉或者螺栓螺母安装在两个弯曲板61一端的两个通孔中，另有低温板7通过铆钉或者螺栓螺母安装在弯曲板61另一端的两个通孔中。

如图2所示，每个平板部611设置一个低温板7，具体的，每个平板部611上开设两个通孔，所述低温板7通过铆钉或者螺栓螺母安装在对应的平板部611上。

如图2、5所示，弯曲板61中间部分设置四个低温板7，具体的，弯曲板61中间部分设置四对通孔，每对两个，四个低温板7分别通过铆钉或者螺栓螺母安装在对应的一对通孔中。

进一步的，所述弯曲板61中间部分的宽度为平板部611宽度的四倍。

如图2、10、11所示，弯曲板61中间部分的四个低温板7中，位于两侧的低温板7的内侧边与弯曲板61中间部分的外壁平齐；所述低温板7的内侧中间设置有垂直于低温板7的连接耳72，连接耳72与低温板7可以是分体的，二者通过焊接的方式连接，或者设置成一体的，连接耳72通过折弯方式形成。

如图6-9所示，其余低温板7的内侧边上设置豁口71，豁口71插在弯曲板61上。带豁口71的低温板7上的连接耳72设置在豁口71中，连接耳72与低温板7可以是分体的，二者通过焊接的方式连接，或者设置成一体的，连接耳72通过折弯方式形成。

实际安装时，如图3所示，所述连接耳72贴在传热板6的外侧，连接耳72上设置有与传热板6对应的通孔，连接耳72的通孔与传热板6的通孔对齐，连接耳72与传热板6之间通过铆钉或者螺栓螺母安装在一起。

所述吸附材料8采用柱状椰壳活性炭，柱状椰壳活性炭的孔径小于0.8nm。本实施例中所用到的柱状椰壳活性炭通过如下方法获得：

活性炭粘附前对其进行预处理以获得更高的比表面积和亚微孔占比，首先使用质量分数为5％浓度的hcl放在超声波中对活性炭进行清洗，清洗时间30min，超声波可以使活性炭部分大孔及中孔发生坍塌，形成更多的微孔和亚微孔，hcl可以去除活性炭形成工艺中残留的金属灰分，打开被堵塞的微孔，然后使用纯水多次清洗至溶液呈中性，最后使用烘箱对活性炭进行长时间烘烤，直至烘箱内表面无凝结水汽，去除活性炭吸收的水分，最终获得的活性炭具有更高的微孔及亚微孔占比，更加适合作为低温泵的吸附材料。如图16所示的为吸附材料预处理前后抽h2的对比图，特定预处理工艺清洗吸附材料相对于未处理吸附材料，h2抽速得到提升。

实施例二：

如图12、13所示，一种低温泵，包括上述的吸附阵，还包括制冷机1、壳体2、辐射冷屏3、障板4。

如图12、13所示，制冷机1的一级冷却台11、二级冷却台12位于壳体2中。本实施例中低温冷源采用的是g-m制冷机，该款制冷机具有结构简单、频率低、低温运动部件少等特点。该制冷机采用双极制冷，其具有第一冷却温度的一级冷却台11和具有第二冷却温度的二级冷却台12。一级冷却台11冷却至65-100k，二级冷却台12冷却至10-15k。

所述壳体2圆筒形的第一壳体，第一壳体的底部为球面凸起的底，第一壳体的侧边设置横向的圆筒，横向的圆筒端部通过法兰安装在制冷机1上。

如图12、13所示，所述壳体2中设置有辐射冷屏3，辐射冷屏3通过螺栓与一级冷却台11热连接，辐射冷屏3的作用是保护吸附阵免受壳体2的直接热辐射，辐射冷屏3设置在壳体2和吸附阵之间并将吸附阵包围，辐射冷屏3为带底的圆筒形，辐射冷屏3的底为球面。

如图14、15所示，吸附阵通过连接板5安装在二级冷却台12端部，且连接板5垂直于二级冷却台12轴线，如图12所示，二级冷却台12及吸附阵均位于辐射冷屏3内部。

如图12、13所示，辐射冷屏3开口处设置有障板4，障板4为现有技术，以正对真空腔室的方式安装在低温泵的吸气口，作用是对真空腔体进入泵体的气体进行预冷，减小气体对吸附阵的热辐射，障板4通过支撑板与辐射冷屏3热连接，要求障板对吸附阵实现光学屏蔽。壳体2开口处设置有泵口法兰21，辐射冷屏3的开口朝向与壳体2的开口朝向相同，辐射冷屏3的轴线与壳体2的轴线重合，一级冷却台11、二级冷却台12的轴线垂直于辐射冷屏3的轴线。

实际应用时，低温泵通过泵口法兰21与离子注入机台连接。制冷机1降至低温后通过低温吸附将真空腔室抽至所需的真空度。

本实施例中，冷伞取消常规的冷头帽结构，低温板7正对泵口，保证h2在进入泵口后最大几率被低温板7上粘附的吸附材料8捕获，实现更高的抽速。

基于上述结构的对h2高抽气性能的低温泵，为保证对h2抽气性能的提升，吸附阵结构设计成球状，充分利用球状结构内部的空间，在正对泵口的投影面积有效的空间下实现更大的吸附材料有效的粘附位置，较常规低温泵增加了吸附材料的粘附面积，提升了低温泵的性能，此外，针对h2小分子的特点，对吸附材料进行特定的预处理清洗工艺，改变吸附材料内部的孔隙结构，减小吸附材料的平均孔径，增加微孔及亚微孔的占比，实现更高的比表面积。如图16所示，相同结构的低温泵采用不同处理工艺的吸附材料的抽h2性能，特定处理工艺清洗后的吸附材料对h2的捕获能力更强，且吸附材料内部的孔隙更加发达，使得该低温泵对h2的抽速和容量均有一定程度的提升。

工作原理：

如图1、12所示，本发明中的吸附阵在实际应用时，将低温板7的外侧轮廓设置成圆弧形的，各个低温板7形成一个类似于球形的结构，吸附阵结构设计成球状，充分利用球状结构内部的空间，将其实际应用在低温泵中时，在正对泵口的投影面积有效的空间下实现更大的吸附材料有效的粘附位置，较常规低温泵增加了吸附材料的粘附面积，提升了低温泵的性能，吸附阵结构使h2进入泵口后快速被吸附材料捕获，提高h2捕集系数，提升低温泵对h2的抽速。

亚微孔的数量决定了活性炭对h2的吸附能力，对于低温泵使用的活性炭，主要吸附物质是h2，直径大于0.8nm的微孔及中孔，h2被吸附后由于孔径远大于h2的分子直径，部分h2会发生脱附重新回到低温泵中，造成低温泵对h2的抽速损失。只有孔径小于0.8nm的超微孔对h2具有超强的吸附能力并保证h2被吸附后进入孔内部不会重新脱附，吸附材料8使用柱状椰壳活性炭，活性炭粘附前对其进行预处理以获得更高的比表面积和亚微孔占比，首先使用低浓度的hcl放在超声波中对活性炭进行清洗，超声波可以使活性炭部分大孔及中孔发生坍塌，形成更多的微孔和亚微孔，hcl可以去除活性炭形成工艺中残留的金属灰分，打开被堵塞的微孔，然后使用纯水多次清洗至溶液呈中性，最后使用烘箱对活性炭进行长时间烘烤，去除活性炭吸收的水分，最终获得的活性炭具有更高的微孔及亚微孔占比，更加适合作为低温泵的吸附材料。

辐射冷屏3的作用是保护吸附阵免受壳体2的直接热辐射，障板4以正对真空腔室的方式安装在低温泵的吸气口，作用是对真空腔体进入泵体的气体进行预冷，减小气体对吸附阵的热辐射，障板4对吸附阵实现光学屏蔽。冷伞取消常规的冷头帽结构，低温板7正对泵口，保证h2在进入泵口后最大几率被低温板7上粘附的吸附材料8捕获，实现更高的抽速。传热板6呈环状，制冷机1的二级冷却台12通过连接板5与传热板6实现热连接，保证活性炭在最佳的h2捕获温度。球状结构，实现低温板7有效面积最大,基于上述结构的对h2高抽气性能的低温泵，为保证对h2抽气性能的提升，吸附阵结构设计成球状，充分利用球状结构内部的空间，在正对泵口的投影面积有效的空间下实现更大的吸附材料有效的粘附位置，较常规低温泵增加了吸附材料的粘附面积，提升了低温泵的性能。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。