ULVAC爱发科CRYO-U8H-U标准型低温真空泵技术解析

一、引言

在FPD（平板显示）、半导体、电子器件及光学镀膜等高制造领域，超高真空环境是实现高质量工艺的关键前提。ULVAC爱发科CRYO-U8H-U标准型低温真空泵是CRYO-U系列中的8英寸口径代表型号。该泵采用两级GM（Gifford-McMahon）制冷机，能够在不使用油或其它密封液体的情况下实现从高真空到超高真空的清洁排气。CRYO-U8H-U以其轻量紧凑、高抽速、与CTI CT-8兼容等优势，已成为实验设备和小型生产设备中低温泵的标准选择。

二、工作原理

2.1 低温泵的基本原理

低温泵是一种通过将气体冷凝并吸附在极低温表面上来捕获气体分子，从而实现真空排气的真空泵。其核心原理基于气体在极低温度下的饱和蒸气压会急剧下降这一物理特性。当低温面板被冷却至20K以下时，除氢、氦、氖等少数轻气体外，大多数气体的蒸气压将降至10⁻⁸ Pa以下，从而实现高效捕获。

对于氢、氦、氖等无法在20K温度下冷凝的轻气体，低温泵在低温面板上设置了由特殊多孔材料制成的吸附剂。这些吸附剂在20K以下的低温环境中能够有效吸附上述轻气体，从而使低温泵能够达到10⁻⁷ Pa甚至更低的超高真空。

2.2 CRYO-U8H-U的制冷系统

CRYO-U8H-U采用闭式循环氦GM制冷机作为冷源。与传统依赖液氮或液氦等冷却介质的制冷方式不同，闭式循环氦制冷机无需频繁补充冷却液，可实现长期稳定运行。

该制冷机为两级式结构：

• 第一级（1st Stage） ：冷冻能力较大，可将温度冷却至80K以下。第一级为整个泵体提供热辐射屏蔽，保护第二级的超低温区域免受外界热辐射的干扰。

• 第二级（2nd Stage） ：冷冻能力相对较小，但可将温度进一步冷却至10～12K。第二级上安装有15K低温面板，负责气体的冷凝与吸附。

2.3 气体捕获机制

CRYO-U8H-U通过以下三种方式捕获不同种类的气体：

1. 冷凝（Condensation） ：对于氮气、氧气、氩气等气体，当它们接触到温度低于其冷凝点的低温面板时，会直接冷凝为固态并被捕获。

2. 吸附（Adsorption） ：对于氢气等不易冷凝的轻气体，通过低温面板上安装的吸附剂（如活性炭）进行物理吸附。

3. 低温捕集（Cryotrapping） ：在冷凝和吸附的共同作用下，实现对混合气体的高效捕获。

三、核心技术特点

3.1 轻量紧凑的标准设计

CRYO-U8H-U重量仅约20.8 kg，在同级别8英寸低温泵中属于轻量级产品。其紧凑的结构设计使其非常适合安装在空间有限的实验设备和小型生产设备中。该型号已在全球范围内大量出货，是ULVAC低温泵产品线中的标准型号。

3.2 抽气性能

CRYO-U8H-U在20℃条件下对各主要气体的抽速如下：

其中，对水蒸气的抽速高达4,000 L/s，这一特性对于需要快速排除腔体内水汽的真空工艺尤为重要——水汽通常是真空系统中最大的释气成分。

3.3 超高真空能力

CRYO-U8H-U的极限压力可达10⁻⁷ Pa（10⁻⁹ Torr） 甚至更低，能够满足从高真空到超高真空的广泛真空需求。其有效工作压力范围覆盖10⁻¹ Pa至10⁻⁷ Pa。

3.4 与CTI CT-8兼容

CRYO-U8H-U可与CTI（现为Brooks Automation）的CT-8低温泵互换。这一兼容性设计使得用户在进行设备升级或替换时，无需修改现有的安装接口和管路布局，大幅降低了设备改造的复杂性和成本。

3.5 优异的氢气抽气特性

与CT-8相比，CRYO-U8H-U具有更优异的氢气排放（抽气）特性。在半导体离子注入、PVD等涉及氢气排放的工艺中，这一优势尤为突出。

3.6 多台联机运行

CRYO-U8H-U支持多台联机运行，根据压缩机组的不同，最多可连接3台。使用C40R压缩机组时，最多可连接4台U8H-U。这一特性显著降低了多腔体系统的设备成本和占地面积。

3.7 超长维护周期

CRYO-U8H-U的维护周期长达16,000小时，远超许多同类产品。超长的维护间隔有效降低了设备的全生命周期运行成本，减少了因停机维护造成的产能损失。

四、技术规格

CRYO-U8H-U的核心技术参数汇总如下：

五、主要应用领域

基于上述技术特点，CRYO-U8H-U主要应用于以下场景：

1. 半导体制造：溅射工艺（Sputtering）、离子注入等需要清洁超高真空的工艺环节。

2. FPD（平板显示）制造：OLED屏幕等显示器件制造过程中的真空镀膜和排气工艺。

3. 电子器件与光学镀膜：电子设备制造、光学镀膜等对真空洁净度要求高的应用。

4. 研究开发：大学及科研院所的超高真空实验系统。

5. 小型生产设备：适用于空间有限、对设备尺寸和重量有严格限制的生产场景。

六、总结

ULVAC爱发科CRYO-U8H-U标准型低温真空泵通过两级GM制冷机实现了10～12K的超低温环境，利用气体在极低温表面的冷凝与吸附原理，获得了10⁻⁷ Pa的超高真空。其轻量紧凑的设计（20.8 kg）、抽气性能（水蒸气4,000 L/s）、与CTI CT-8的互换性以及16,000小时的超长维护周期，使其成为实验设备和小型生产设备中低温泵的标准选择。在半导体、FPD、光学镀膜及科研开发等领域，CRYO-U8H-U无疑是追求清洁、超高真空环境的理想解决方案。