DE19933332A1 - Reibungsvakuumpumpe für den Einsatz in einem System zur Druckregelung sowie Druckregelungssystem mit einer Reibungsvakuumpumpe dieser Art - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Reibungsvakuumpumpe für den Einsatz in einem System zur Regelung des Druckes in einer Vakuumkammer mit einem mehrstufigen Turbomolekularvakuumpumpenabschnitt (6), dessen Stufen jeweils aus einer Stator- und einer Rotorschaufelreihe (14 bzw. 13) bestehen; um eine Pumpe dieser Art auch bei schweren Gasen oder bei einem schwere Gase enthaltenden Gasgemisch zu Druckregelzwecken einsetzen zu können, wird vorgeschlagen, dass die Reibungsvakuumpumpe (1) mit einem vorvakuumseitigen Molekularpumpenabschnitt (11) ausgerüstet ist und dass im Übergangsbereich vom Turbomolekularvakuumpumpenabschnitt (6) zum Molekularvakuumpumpenabschnitt (11) bzw. im Übergangsbereich von molekularer Strömung zu viskoser Strömung ein Raum (21, 22, 23) vorhanden ist, in dem die Pumpwirkung unterbrochen ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine für den Einsatz in einem System zur Regelung des Druckes in einer Vakuum­ kammer geeignete Reibungsvakuumpumpe mit einem mehrstu­ figen Turbomolekularvakuumpumpenabschnitt, dessen Stu­ fen jeweils aus einer Stator- und einer Rotorschaufel­ reihe bestehen.

Bei dem in der internationalen Patentanmeldung WO 99/04325 beschriebenen Druckregelsystem wird eine Rei­ bungspumpe dieser Art eingesetzt. Die in dieser Anmel­ dung beschriebene Druckregelung beruht darauf, dass der Druck in der Vakuumkammer, also auf der Hochvakuumseite der Reibungsvakuumpumpe, in einem bestimmten Druckbe­ reich abhängig ist vom Druck auf der Vorvakuumseite der Reibungsvakuumpumpe. Die Druckregelung erfolgt in der Weise, dass bei einem Abweichen des Druckes in der Va­ kuumkammer von einem Solldruck der Vorvakuumdruck der Reibungsvakuumpumpe derart verändert wird, dass der Druck in der Vakuumkammer wieder seinen Solldruck ein­ nimmt.

Nachteilig an dem vorbekannten Druckregelverfahren ist, dass der von einer Reibungsvakuumpumpe erzeugte Druck gasartabhängig ist, das heißt, dass auch die damit aus­ geführte Druckregelung gasartabhängig ist. Dieses soll an Hand der Fig. 1 und 2 erläutert werden. Fig. 1 zeigt einen Teilschnitt durch eine Reibungsvakuumpumpe 1, wie sie bei dem in der internationalen Patentanmel­ dung WO 99/04325 beschriebenen Druckregelverfahren ein­ gesetzt wird. Die Pumpe 1 umfasst ein Gehäuse 2, in dem ein Rotor 3 und ein Stator 4 untergebracht sind. Zur Erzeugung der Gasförderung sind hochvakuumseitig (Einlass 5) ein Turbomolekularpumpenabschnitt 6 mit Ro­ torschaufeln 7 und Statorschaufeln 8 als pumpaktive Elemente sowie vorvakuumseitig (Auslass 9) ein Moleku­ larpumpenabschnitt 11, ausgebildet als Holweckpumpe, vorgesehen. Die pumpaktiven Elemente einer Holweckpumpe 11 bestehen aus einem ein- oder mehrgängigen Gewinde 12, das stator- oder rotorseitig angeordnet ist. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist das schematisch dargestellte Gewinde 12 am Rotor 5 ausgebildet. Die pumpaktiven Elemente (Schaufeln 7, 8, Gewinde 12) be­ stimmen den zwischen Rotor 3 und Stator 4 gelegenen Schöpfraum 16, der sich von der ersten Rotorschaufel­ reihe 13 bis zum vorvakuumseitigen Ende des Gewindes 12 erstreckt.

Reibungspumpen der beschriebenen und in Fig. 1 darge­ stellten Art setzen sich wegen ihrer Vorvakuumbestän­ digkeit immer mehr auf dem Markt durch. Mit dem Über­ gang vom Turbomolekularpumpenabschnitt 6 zum Molekular­ pumpenabschnitt 11 ändern sich die Strömungseigenschaf­ ten der geförderten Gase. Die zunächst molekulare Strö­ mung geht in eine viskose Strömung über.

Der Turbomolekularpumpenabschnitt 6 ist mehrstufig aus­ gebildet. Jede Stufe besteht aus jeweils einer Rotor­ schaufelreihe 13 und einer Statorschaufelreihe 14. Der Rotor 3 trägt die Rotorschaufelreihen 13. Der Stator 4 besteht aus abwechselnd übereinander angeordneten Sta­ torschaufelreihen 14 und Distanzringen 15, welche vom Gehäuse 2 zentriert werden.

Der Rotor 3 ist glockenförmig ausgebildet. Einzelheiten über die Lagerung und den Antrieb sind bekannt und im einzelnen nicht dargestellt.

Beim in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel nimmt der Querschnitt des Förderbereichs der Pumpe 1 von der Hochvakuumseite zur Vorvakuumseite ab. Dieses wird im Turbomolekularpumpenabschnitt 6 durch radiale Verkür­ zung der Schaufeln 7, 8 und im Molekularpumpenabschnitt 11 durch abnehmende Steghöhe des Gewindes 12 erreicht.

Das Diagramm nach Fig. 2 lässt die Regeleigenschaften der Pumpe 1 nach Fig. 1 erkennen. Auf der Abszisse ist der Vorvakuumdruck, auf der Ordinate der Hochvakuum­ druck der Reibungsvakuumpumpe jeweils logarithmisch aufgetragen. Die ausgezogen dargestellte Kurve gilt für den Fall, dass sich in der Vakuumkammer nur Stickstoff befindet. Im Bereich des Vorvakuumdruckes von etwa 2 bis 4 mbar besteht eine starke Abhängigkeit des Hochva­ kuumdruckes vom Vorvakuumdruck. Die gewünschte Hochva­ kuum-Druckregelung ist in diesem Bereich in einfacher Weise möglich.

Die in Fig. 2 gestrichelt dargestellte Linie betrifft den Fall, dass sich in der Vakuumkammer nur das schwe­ res Gas SF₆ befindet. Eine Abhängigkeit des Hochvakuum­ druckes vom Vorvakuumdruck besteht kaum. Die in Fig. 1 dargestellte Reibungspumpe 1 könnte in diesem Fall nicht als Druckregler verwendet werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Reibungsvakuumpumpe der eingangs erwähnten Art so zu gestalten, dass sie auch beim Vorhandensein von schweren Gasen bei der Regelung des Druckes in einer Vakuumkammer eingesetzt werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeich­ nenden Merkmale der Patentansprüche gelöst.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass durch die Maßnahmen nach der Erfindung Einfluss auf die Gasartab­ hängigkeit genommen werden kann. Die Maßnahmen bewir­ ken, dass auch beim Vorhandensein von schweren Gasen in der Vakuumkammer eine Druckabhängigkeit zwischen dem Hochvakuumdruck und dem Vorvakuumdruck besteht, die zu Druckregelzwecken herangezogen werden kann.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen an Hand der Fig. 3 bis 6 erläutert werden. Es zeigen

Fig. 3 eine im Bezug auf die Holweckpumpenstufe modifizierte Reibungsvakuumpumpe nach der Er­ findung;

Fig. 4 ein Diagramm, das die Druckregeleigen­ schaften einer nach Fig. 3 modifizierten Rei­ bungsvakuumpumpe erkennen lässt;

Fig. 5 eine in Bezug auf die Turbomolekularpum­ penstufen modifizierte Reibungsvakuumpumpe; und

Fig. 6 ein Diagramm, das die Regeleigenschaften einer nach Fig. 5 modifizierten Reibungsvaku­ umpumpe erkennen lässt.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 unterscheidet sich von der Ausführung nach Fig. 1 durch eine Modifikation der pumpaktiven Elemente der Holweckpumpe 11. Das Ge­ winde 12 erstreckt sich nicht mehr unmittelbar bis zur letzten (in Förderrichtung der Gase gesehen) Stator­ schaufelreihe 14. Zwischen der letzten Statorschaufel­ reihe 14 und dem Beginn des Gewindes 12 befindet sich ein Teilraum 21 des Schöpfraumes 16 ohne pumpaktive Elemente. Das Saugvermögen der Holweckpumpe 11 wird nicht mehr zu 100% genutzt. Je nach Gasart ist der Ab­ stand zwischen der letzten Statorschaufelreihe 14 und dem Beginn des Gewindes 12 so groß, dass nur 20 bis 60 % des Saugvermögens der Holweckpumpe 11 im Vergleich zur Ausführung nach Fig. 1 wirksam wird.

Das Diagramm nach Fig. 4 zeigt die Wirkung der Maß­ nahme nach Fig. 3 für die Gase Stickstoff und SF₆ so­ wie der Ausnutzung von 40% der Wirkung der Holweckpum­ pe 11. Der Regelbereich für Stickstoff hat sich ge­ genüber Fig. 2 nach links verschoben. Für SF₆ ist im Bereich von 1 bis 5 mbar die Abhängigkeit des Druckes auf der Hochvakuumseite der Reibungspumpe 1 vom Druck auf der Vorvakuumseite bereits so hoch, dass die Pumpe nach Fig. 3 in diesem Bereich auch bei schweren Gasen zu Regelungszwecken eingesetzt werden kann.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 unterscheidet sich von der Ausführung nach Fig. 1 dadurch, dass die bei­ den vorvakuumseitigen Statorschaufelreihen 14 des Tur­ bomolekularpumpenabschnittes 6 weggelassen wurden. Ver­ suche haben gezeigt, dass die gewünschte Wirkung be­ reits eintritt, wenn nur die letzte Statorschaufelreihe 14 fehlt. Der gewünschte Effekt wird jedoch besonders gut erreicht, wenn zwei Statorschaufelreihen 14 fehlen. Das Ergebnis dieser Maßnahme zeigt das Diagramm nach Fig. 6. Bei beiden Gasarten besteht im Bereich von 1 bis 4 mbar eine maßgebliche Abhängigkeit zwischen dem Druck auf der Vorvakuumseite und dem Druck auf der Hochvakuumseite der Reibungspumpe 1, welche es erlaubt, die Pumpe 1 nach Fig. 5 bei beiden Gasen zu Druckre­ gelzwecken einzusetzen.

Die vorstehenden Ausführungen betreffen die Fälle, dass sich in der Vakuumkammer, deren Innendruck geregelt werden soll, nur eine Gasart befindet. Dieses ist in der Praxis nur selten der Fall. Solange jedoch der An­ teil schwerer Gase im Gasgemisch klein ist, lässt sich das in der internationalen Patentanmeldung WO 99/04325 beschriebene Druckregelverfahren erfolgreich anwenden. Es versagt allerdings immer mehr, je höher der Anteil der schweren Gase in der Vakuumkammer ansteigt. Dieser Mangel konnte durch die Erfindung behoben werden.

Die in der Vakuumkammer befindlichen Gasgemische sind vielfältig und hängen maßgeblich von dem Verfahren (z. B. Ätzprozesse, Aufdampfprozesse in der Halbleiter­ technik) ab, dass in der Kammer ausgeführt wird. Die durchgeführten Versuche haben ergeben, dass es nicht möglich ist, die erfindungsgemäße Lösung (Schaffen ei­ nes Raumes ohne pumpaktive Elemente im Übergangsbereich vom Turbomolekularpumpenabschnitt zum Molekurpumpenab­ schnitt bzw. von molekularer zu viskoser Strömung) für jedes der Vielzahl der in der Praxis vorkommenden Gas­ artgemische konkret zu definieren. Der Anwender muss die Ausbildung der Räume 21, 22, 23 ohne pumpaktive Elemente dem jeweiligen Gasartgemisch empirisch anpas­ sen. Er muss vorab Versuche durchführen und bei diesen Versuchen die Größe des aktiven Teils der Holweckpumpe 11 und/oder die Anzahl der wegzulassenden Stator- und auch Rotorschaufelreihen variieren, bis er einen opti­ male Regelbereich feststellt.

Die Anzahl der aktiven Turbostufen ist ebenfalls abhän­ gig von dem gewünschten maximalen Saugvermögen der Tur­ bomolekularpumpe. Die Ausführungsbeispiele nach den Fig. 1, 3 und 5 haben keinen signifikanten Einfluss auf das maximale Saugvermögen. Eine Reduzierung der ak­ tiven Turbostufen um mehr als zwei, erhöht den Regelbe­ reich von schweren Gasen, reduziert aber gleichzeitig das maximale Saugvermögen für "leichtere" Gase. Bei sehr schweren Gasen können sogar alle Statorschaufel­ reihen weggelassen werden.

Claims (9)

1. Reibungsvakuumpumpe für den Einsatz in einem Sy­ stem zur Regelung des Druckes in einer Vakuumkam­ mer mit einem mehrstufigen Turbomolekularvakuum­ pumpenabschnitt (6), dessen Stufen jeweils aus ei­ ner Stator- und einer Rotorschaufelreihe (14 bzw. 13) bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibungsvakuumpumpe (1) mit einem vorvakuumseiti­ gen Molekularpumpenabschnitt (11) ausgerüstet ist und dass im Übergangsbereich vom Turbomolekularva­ kuumpumpenabschnitt (6) zum Molekularvakuumpumpen­ abschnitt (11) bzw. im Übergangsbereich von mole­ kularer Strömung zu viskoser Strömung ein Raum (21, 22, 23) vorhanden ist, in dem die Pumpwirkung unterbrochen ist.

2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der von einer Pumpwirkung freie Raum (21, 22, 23) dadurch geschaffen wird, dass pumpaktive Ele­ mente (7, 8, 12) weggelassen werden.

3. Pumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Molekularvakuumpumpenabschnitt (11) als Holweckpumpe ausgebildet ist und dass im genannten Übergangsbereich ein Gewindeabschnitt fehlt.

4. Pumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Holweckpumpe (11) auf Grund des verkürz­ ten Gewindes eine um 40 bis 80% reduzierte Saug­ wirkung hat.

5. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass eine vorvakuumseitige Statorschaufelreihe (14) fehlt.

6. Pumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr vorvakuumseitig gelegene Sta­ torschaufelreihen (14) fehlen.

7. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass eine vorvakuumseitige Rotorschaufelreihe (13) fehlt.

8. System zur Regelung des Druckes in einer Vakuum­ kammer mit Hilfe einer Reibungsvakuumpumpe (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Reibungsvakuum­ pumpe (1) die Merkmale eines oder mehrerer der vorhergehenden Patentansprüche hat.

9. Verfahren zur Regelung des Druckes in einer Vaku­ umkammer, in der sich ein Gasgemisch befindet, mit Hilfe einer Reibungsvakuumpumpe (1) mit den Merk­ malen eines oder mehrerer der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbildung des Raumes (21, 22, 23) ohne pumpaktive Elemente durch Versuche dem in der Vakuumkammer befindli­ chen Gasartgemisch angepasst wird.