基于CTI400冷凝泵故障分析研究

2013-11-16 方雪冰深圳深爱半导体有限公司

　　本文通过介绍CTI 400 冷凝泵工作原理，常见的故障与产生这些故障可能存在的原因，为解决这些常见问题提供了理论指导。

　　随着真空技术的发展，冷凝泵在真空方面的应用越来越广泛，由于它在使用过程中比较洁净，性能稳定，在半导体、太阳能制造等方面具有明显优势，因此在这些领域里大都采用冷凝泵作为真空发生装置，但是由于我们在这方面缺少专业的知识和零备件，冷凝泵的维护维修一般只能在跨国公司的办事处或者少数专业维修公司那里进行相关的维修工作，价格非常昂贵。下面以CTI 400 冷凝泵为例将我们在日常遇到问题与大家一起讨论一下。

1、冷凝泵的结构原理

　　CTI 400 冷凝泵又叫低温泵或冷泵。一般情况下它和CTI 9600型压缩机配对使用，作为一个独立的结构单元，采用外部冷却循环水实现热交换。CTI 400 冷泵的核心部件包括80K 冷阱、15K 冷阱、15K吸附矩阵、防辐射罩及冷泵驱动组件等组成。冷泵驱动组件包括马达、传动机构、冷头、活塞环等零件。这种冷凝泵在压缩机的作用下产生两个温度制冷区，即一级制冷区和二级制冷区，它们制冷部位表面的温度是不一样的。一级制冷区通常温度范围在80K 左右，其主要作用是用来冷却辐射罩和冷阱，辐射罩的主要功能是防止热交换，冷阱主要是用来吸附真空腔体内的水气、N2、O2 等气体及杂质；二级制冷区的温度通常在10K～20K 之间，一般情况下为10K，温度超过15K时冷凝泵的抽速下降。它主要是用来冷却吸附矩阵、15K 冷阱，因为部分气体如N2、O2进入腔体内部后没有被冷阱吸附，而惰性气体Ne、H2、He 等气体不能被低温冷凝在光的表面上，所以需要采用一种吸附剂来吸附这些气体，而活性炭这种材料具有吸附能力强、较大的吸附表面积，并且活性炭在室温下很容易释放吸附的气体，达到自身清洁再生，因此被选作为冷泵的吸附材料。虽然活性炭的吸附能力强，但总会有饱和的时候，因此冷泵需要定期再生。

2、常见的故障及分析

　　冷泵在使用过程中随着时间的增加，各种问题就相继出现。常见的问题有：冷头发出“咔嚓、咔嚓”的异常声音；冷泵温度达不到正常的工作温度10K；冷泵抽真空速度慢。

　　2.1、冷头发出异常声音的处理及调试这种情况常见于冷泵使用一段时间后出现，主要原因是冷头部分受到污染，因为正常情况下冷头部位是清洁且无杂质，运行过程中声音节奏感强，人体感觉比较舒适。而出现“咔嚓”异常声音的说明冷头里面含有水气、空气等，在较低温度下结冰产生摩擦所致。当这种问题出现时，首先查看冷泵工作情况，如果冷泵是再生后运行了很长的时间，一般来说通过对冷泵进行再生可以消除这种故障，否则需要对冷头进行维护。

　　对冷头进行维护时，为了防止压缩机的氦气不受到污染和压力降低，首先需要将冷泵与压缩机连接的氦气管道拆开，然后才能对冷泵驱动组件清洁。清洁时需先对氦气进行释放，松动螺钉，取出冷头，如图1 示。从图1 中可以看出，一、二级冷头及驱动机构受到了严重的污染，这就需要用酒精对两级冷头等部位进行全面的清理，然后放在烘箱烘干，以防空气、酒精中的水气进入冷头影响维护效果。为了保证维护后的效果，还需要对冷头中的活塞环进行查看和分析，如果认为它们的状态不影响后面的使用效果则应保留，否则需要进行更换。冷头的温度零下200 多度，冷头内的任何物质都会凝聚成固态微粒进而影响冷头的工作状态，甚至发出刺耳声音，因此需要使用无尘纸和酒精对马达驱动内各零件进行清洁，不能留下任何可能存在影响冷头工作状态的物质，同时需要分析腔体内的零件状态是否可继续使用。

驱动组件中的冷头

图1 驱动组件中的冷头

　　冷头的安装需要在净化级别较高的环境下进行，否则很难保证冷头清洁后的效果。在对冷头清洁、安装等工作过程中，由于无法消除里面存在的空气、水气及杂质等，因此需要对其提纯，对它的提纯要有专用工具才能进行，否则达不到预期效果。我们常用的提纯方法有两种：①抽真空法，即先用真空泵对其抽真空，然后冲入高纯氦气，反复数次即可达到提纯的目的；②连续排气法，即让冷泵马达在工作状态下，从冷泵进气口充入高纯氦气，从排气口排放出来，连续运转数后分钟即可达到提纯目的。

　　冷泵是通过氦气管道与压缩机直接相连，里面的大部分污染物来自压缩机，为了保证进入冷泵的氦气是纯净的，从压缩机出来的氦气都经过一个吸附桶进行过滤，当冷头较脏时则说明吸附桶存在失效的可能，此时则需要查看它投入使用的日期，如果使用时间较长则要考虑更换，一般来说它的使用寿命为2～3 年。

　　2.2、冷泵达不到正常温度10K 冷泵正常工作时的温度为10K，如果达不到这个数值，则说明冷泵、压缩机存在问题，根据我们日常经验，可能出现问题的地方有：

　　2.2.1、压缩机的He 压力减少压缩机经过长期运转后，由于各接头之间的松动，导致部分氦气泄漏，同时由于在对冷泵、压缩机进行维护时拆卸管道导致的氦气损失，均会产生压力下降。我们可以查看压缩机氦气压力表，一般情况下，在静态时压缩机的氦气压力为245psi 左右，动态时范围在60～100psi 之间，如果压力表的指针在上面两个数值范围内波动则认为正常，否则需要补充氦气。为了避免氦气的泄漏对压缩机制冷能力的影响，应避免对He 管路进行频繁拆装和He 压力的检查。

　　2.2.2、压缩机冷却水的温度和流量如果冷却水的温度较高，流量较小，则不能对压缩机产生的热量有效带走。可以通过压缩机冷却水流量计查看冷却水的流量，前级监控查看冷却水的温度，冷却水的温度一般在15℃，高于此值时则需要动力提供支持。从我们工作情况来看压缩机冷水管的堵塞是导致冷泵温度达不到10K 的主要原因之一。

　　2.2.3、吸附桶状态从压缩机出来的He 均要经过吸附桶进行过滤，来阻止He 中杂质及污染物进入冷泵驱动件中，使用时间长了He 就会产生堵塞，轻微堵塞时，冷泵温度可以压到20K 左右，重度堵塞时冷泵温度只能压到100K 左右，严重者将导致压缩机开不起来，一般来说它的使用寿命2～3 年，因此要制定周期的维护计划，消除因吸附桶而引起冷泵状态差。

　　2.2.4、密封元件的状态冷泵的制冷是靠He 膨胀吸热来实现的，因此各个密封件的状态就显得尤为重要，根据日常维护的经验知道，图2 中标号为①、⑨、輥輳訛三个密封件对冷泵温度和真空抽速的影响明显，其中标号为輥輳訛的密封件直接影响冷泵最低温度，当它受到损坏时，冷泵最低温度只能到20K，①、⑨密封件一般是不会受到损坏，只是长时间运行后效果变差，因此需要定期进行维护和更换以便保证冷泵状态。

　　2.3、冷泵抽真空速度慢判定

　　冷泵工作状态主要参数有：工作温度、极限真空、冷泵抽速等。根据日常经验产生此问题的原因可能为压缩机、冷泵或者动力供给。对于动力供给是最容易确认的，只要动力提供的冷却循环水温度、流量满足要求动力方面就没有问题。关于压缩机的维护，实际上我们能够维护的也就是吸附桶更换和He 的补充及提纯，只要这两样做好了压缩机的问题基本上是正常的。

　　从冷泵本身结构来看影响抽速的问题点就较多了，我们常见的原因主要有以下几点：

　　1)15K 吸附矩阵使用时间久了，本身吸附能力变差，需要进行更换或者重新再生，一般来说吸附矩阵在蒸发等较干净环境下工作，它的使用寿命可以达到3 年，环境较差的条件下它使用寿命在1 年左右，因此对它的检查和更换需要作好记录与维护；

　　2)15K、80K 冷阱表面保护层破坏，当冷阱上面的保护层被破坏后，其吸附水气等能力变差，影响抽速效果；

　　3)冷泵驱动组件，它里面有很多元件影响冷泵抽速：如图2 中的①、⑨、輥輳訛号密封件虽然影响冷泵的温度，但是冷泵的温度直接决定了冷泵抽速，因此它们的状态好坏影响着冷泵的抽速；标号为③、⑧两级冷头影响着冷泵再生后的使用寿命，虽然它们对最低温度没有任何影响，但是如果两级冷头中的任一个状态不好都将导致抽速慢的情况发生，且每次再生后使用的时间均很短，有的只有十几炉的使用寿命就需要重新再生，因此对它们的保养和定期检查是十分必要的。

CTI 400 冷泵驱动