DE3232324A1

DE3232324A1 - Refrigerator-betriebene kryopumpe

Info

Publication number: DE3232324A1
Application number: DE19823232324
Authority: DE
Inventors: Werner 5034 Rösrath-Hoffnungsthal Bächler; Rolf Dr. 5354 Weilerswist Heisig
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1982-08-31
Filing date: 1982-08-31
Publication date: 1984-03-08
Also published as: US4479360A; CH661099A5; DE3232324C2

Description

3 82.022

LEYBOLD-HERAEUS GMBH KÖln-Bayental

Refrigerator-betriebene Kryopumpe

Die Erfindung bezieht sich auf eine refrigeratorbetriebene Kryopumpe mit den zu pumpenden Gasen ausgesetzten, zur Anlagerung dieser Gase bestimmten und im wesentlichen nicht bestimmten Flächenabschnitten.

Refrigerator-betriebene Kryopumpen sind aus den DE-OSen 26 20 880, 28 21 276 und 30 38 415 bekannt. Sie weisen jeweils drei Flächenbereiche auf, die zur Anlagerung der verschiedenen Gasarten bestimmt sind. Der erste Flächenbereich steht mit der ersten Stufe des Refrigerators in gut wärmeleitendem Kontakt und hat je nach Art und Leistung des Refrigerators eine im wesentlichen konstante Temperatur zwischen 60 und 100 K mit einem geringen Temperaturgradienten. Als Material ist Metall mit geeigneten Wärmeleitungseigenschaften gewählt. Diese Flächenbereiche, zu denen auch die Oberfläche eines die Pumpflächen tieferer Temperatur vor einfallender Wärmestrahlung schützenden Baffles gehören kann, dienen bevorzugt der Anlagerung von Wasserdampf und Kohlendioxid durch Kryokondensation. Kryokondensation liegt vor, wenn

Gase auf eine vorbelegte, arteigene Unterlage treffen und dabei in die flüssige bzw. feste Phase kondensieren. Die Bindungskräfte sind physikalischer Natur; die Bindungsenergie entspricht der Verdampfungswärme.

Der zweite Flächenbereich steht mit der zweiten Stufe des Refrigerators in wärmeleitendem Kontakt, ist ebenfalls eine Metalloberfläche und zur Entfernung von z. B. Wasserstoff, Argon, Kohlenmonoxid, Methan und halogenierten Kohlenwasserstoffen durch Kryokondensation und

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Kryotrapping bestimmet. Mit\Kryotrapping bezeichnet man den Vorgang, bei dem gleichzeitig tiefersiedende und dementsprechend schwerer kondensierbare Gase sowie leichter kondensierbare Gase auf eine vorbelegte Unterlage treffen, wobei das schwerer kondensierbare Gas in die stetig wachsende Kondensatschicht des leichter kondensierbaren Gases eingelagert wird.

Der dritte Flächenbereich liegt ebenfalls auf der Temperatur der zweiten Stufe des Refrigerators (bei einem Refrigerator mit drei Stufen entsprechend tiefer) und ist mit einem Adsorptionsmaterial (Aktivkohle oder dergleichen) belegt. In diesem Flächenbereich soll im wesentlichen die Kryosorption leichter Gase wie Wasserstoff, Helium und Neon / stattfinden^. Von Kryosorption spricht man, wenn Gase auf eine unbelegte artfremde Unterlage treffen und durch nicht abgesättigte Restvalenzen der Grenzflächenatome der Unterlag= gebunden werden. Diese Flächenbereiche sind so angeordnet, daß sie erst über "Umwege" von den leichten Gasen erreicht werden können. Die schwereren Gase sind kaum in der Lage, in die nur mittelbar erreichbaren Räume mit Kryosorptionsflächen hineinzudiffundieren.Sie kondensieren bereits auf den unmittelbar erreichbaren Kryokondensa-tionsflachen. Dadurch wird eine vorzeitige Verseuchung des Adsorptionsmaterials mit schweren Gasen vermieden. Die Pumpaktivität für leichte Gase bleibt länger erhalten.

Neben diesen der Anlagerung der zu pumpenden Gase dienenden Flächen weisen die vorbekannten Kryopumpen noch Flächenbereiche auf, die im wesentlichen nicht für die Anlagerung der Gase bestimmt sind. Das sind bei den vorbekannten Kryopumpen die Außenseiten der zylindrischen Rohre, in denen sich die Displacer der Refrigeratoren bewegen und die sich zwischen dem Fuß der Pumpe und ihrer ersten Stufe sowie zwischen ihrer ersten und zweiten Stufe erstrecken.

Bei Versuchen mit Kryopumpen der beschriebenen Art und auch beim Einsatz derartiger Pumpen in Sputteranlagen tauchte immer wieder das Problem auf, daß die Pumpen unverhältnismäßig lange Pumpzeiten hatten, d. h., relativ lange Zeit benötigten, um die erwünschten niedrigen Drucke zu erreichen, und zwar insbesondere dann, wenn der Druck in der Pumpe während eines Sputterprozesses kurzzeitig auf einen relativ hohen Absolutdruck (z. B. 1 χ 10 mbar) gestiegen war. Darüber hinaus traten während des Betriebs Druckschwankungen auf, die zunächst nicht erklärbar waren. Der Erfindung lag deshalb die Aufgabe zugrunde, diese geschilderten Probleme zu beseitigen. Die Lösung dieser Aufgabe war erst möglich, nachdem die Erfinder hinsichtlich der Ursache der geschilderten Probleme zu den folgenden Erkenntnissen gekommen waren:

Bei Kryopumpen der vorbekannten Art läßt sich nicht vermeiden, daß sich - insbesondere nach längerer Betriebsdauer - auch an den eigentlich nicht für die Anlagerung von bestimmten Gasen bestimmten Flächen Gase niederschlagen. Infolge des Temperaturgradienten gibt es dort Flächenbereiche mit Zwischentemperaturen, an denen Gase mit bestimmten physikalischen Eigenschaften (z. B. Argon) bei höheren Drücken sich zunächst anlagern und anschließend bei abnehmendem Druck wieder desorbieren. Diese Erscheinung kann so stark auftreten, daß die langsam desorbierenden Gase für relativ lange Zeiten druckbestimmend sind, d. h., die erwünschte Abnahme des Druckes verhindern.

Darüber hinaus wurde erkannt, daß in diesen Flächenbereichen Temperaturschwankungen mit dem Bewegungszyklus des sich i darin periodisch bewegenden Displacers auftreten.. Diese Temperaturschwankungen lösen insbesondere bei durch Kryokondensation oder Kryotrapping angelagerten Gasgemischen ι lokale Desorptionen, Adsorptionen und Umlagerungen von j Gasen aus, die zu den unerwünschten Druckschwankungen im | Vakuumraum führen. I

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Ausgehend von diesen Erkenntnissen wird zur Lösung der Aufgabe vorgeschlagen, den zur Anlagerung von Gasen im wesentlichen nicht bestimmten Flächen eine' Abschirmung mit im wesentlichen konstanter Temperatur zuzuordnen. Da die geschilderten, das Vakuum im Rezipienten störenden Erscheinungen besonders stark auf der Außenseite des zylindrischen Rohres zwischen der ersten und der zweiten Stufe des Refrigerators auftreten, ist es zweckmäßig, diesen Bereich mit einer Hülse abzuschirmen, die als Rohr ausgebildet ist oder aus zwei Halbzylindern bestehen kann. Diese Hülse muß entweder an der ersten oder an der zweiten Stufe des Refrige-15 rators gut wärmeleitend befestigt sein. Das jeweils andere ι Ende muß von der dort befindlichen Stufe einen kleinen Abstand haben. Die Größe des Abstandes ist so zu wählen, daß

j zum einen ein thermischer Kontakt vermieden ist, zum

\ anderen der Durchtritt von Gasen weitestgehend behindert ist. ι 20 Diese Ziele sind erreicht, wenn der Abstand in der Größen- ^: Ordnung eines oder mehrerer Millimeter liegt. Bei einer in dieser Weise ausgebildeten Kryopumpe sind Flächenbereiche mit kritischen Übergangstemperaturen oder mit Temperatur-' Schwankungen nicht mehr vorhanden. Die dadurch bewirkten 25 negativen Einflüsse auf den Druckverlauf in der Kryopumpe j sind damit praktisch ausgeschlossen.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen '. anhand von in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden.

j Die Figuren zeigen jeweils eine Hälfte einer im wesentlichen j rotationssymmetrisch aufgebauten Kryopumpe 1, welche mit j einem zweistufigen Refrigerator 2 betrieben wird. Im einzelj 35 _nen umfaßt dieser Refrigerator 2 den zylindrischen Abschnitt 3 zwischen dem nicht dargestellten Fuß der Pumpe und der ersten Stufe 4, die während des Betriebs des Refrigerators eine Temperatur zwischen 60 und 100 K hat. An dem Flansch 5 der ersten Stufe 4 ist ein Abschirmgehäuse

aus Metall in gut wärmeleitendem Kontakt gehaltert, so daß dieses Gehäuse die Temperatur der ersten Stufe 4 annimmt. Innerhalb des Gehäuses 6 liegt die zweite Stufe 7 des Refrigerators 2. Zwischen der ersten Stufe 4 und der zweiten Stufe 7 des Refrigerators 2 erstreckt sich das zylindrische Rohr 8. Innerhalb der Rohrabschnitte 3 und 8 befinden sich die im einzelnen nicht dargestellten Displacer der beiden Stufen, die während des Betriebs des Refrigerators periodische Bewegungen ausführen.

Am Flansch 9 der zweiten Stufe 7, die eine konstante Temperatur zwischen 10 und 20 K annimmt, sind zwei ebene Pumpflächen 11 und 12 gut wärmeleitend befestigt. Diese sind jeweils auf ihrer Innenseite mit einem Absorptionsmittel (Aktivkohle, Zeolith oder dergleichen) 13 belegt.

Durch das Gehäuse 6 sind die darin befindlichen Bauteile der zweiten Stufe gegen Wärmestrahlung abgeschirmt. Diesen I Zweck hat auch das Baffle 14, das in der Eintrittsöffnung 15-des Gehäuses 6 angeordnet und über wärmeleitende Brücken j derart darin gehaltert ist, daß es im wesentlichen die j

Temperatur des Gehäuses 6 annimmt. |

ι Das Pumpengehäuse und ein Anschlußflansch sind mit 16 und 17, bezeichnet. Bei anderen Ausführungsformen erstreckt sich j

das Gehäuse 16 bis in die Höhe der Eintrittsöffnung 15 des Gehäuses 6, so daß der Anschlußflansch 17 ebenfalls in dieser Höhe liegt.

Das Baffle 14 und das Innere des Gehäuses 6 bilden die Pumpflächen, an denen sich bevorzugt Wasserdampf und Kohlendioxid anlagern. Die äußeren Flächenbereiche der Pumpflächen 11 sind dazu bestimmt, vorzugsweise Gasgemische durch Kryokondensation und Kryotrapping zu binden. An den inneren, mit Aktivkohle oder dergleichen belegten Pumpflächen findet im wesentlichen die Kryosorption leichter Gase statt.

Da nach und nach auch schwerere Gase in den Raum zwischen 5 dem Rohrabschnitt 8 und den Pumpflächen 11, 12 gelangen können, und zwar z. B. insbesondere dann, wenn einzelne Gasarten mit hoher Konzentration auftreten, können dort j die eingangs geschilderten Erscheinungen - Adsorption bei

höherer Temperatur, Desorption bei niedriger Temperatur i ig oder unerwünschte Umlagerungen - auftreten, da an dem Rohr-J abschnitt 8 nicht nur die beschriebenen Temperaturj Schwankungen, sondern auch noch jede beliebige Temperatur zwischen den Temperaturen der ersten Stufe 4 und der zweiten Stufe 7 des Refrigerators 2 auftreten. Durch I ig Abschirmhülsen 18 und 19 können diese Erscheinungen verj mieden werden. Die Abschirmhülse 18 nach Fig. 1 ist gut I wärmeleitend mit dem Flansch 9 der zweiten Stufe 7 ver-

I bunden und erstreckt sich bis unmittelbar vor die erste Stufe 4 des Refrigerators 2. Der Abstand 21 zu dieser

I 20 Stufe muß so gewählt sein, daß einerseits ein Wärmekontakt

' nicht vorhanden ist, andererseits der Eintritt von Gas-

'. teilchen nahezu ausgeschlossen ist. Dadurch nimmt die

Hülse 18 auf ihrer gesamten Länge die Temperatur der

j zweiten Stufe 7 an, so daß unerwünschte Temperatur-

^! 25 Zwischenbereiche oder Temperaturschwankungen nicht mehr

j auftreten. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist die

ι Hülse 19 gut wärmeleitend mit der ersten Stufe 4 des Refri-

'< gerators 2 verbunden und nimmt, da sie zur zweiten

< Stufe 7 den Abstand 22 hat, deren Temperatur an. Auch bei

j 30 diesem Ausführungsbeispiel "sehen" die zu pumpenden Gase

ι keine Flächen mehr, die unerwünschte Zwischen-Temperatur-

j bereiche haben.

i Die Erfindung wurde anhand einer mit einem zweistufigen i 35 Refrigerator betriebenen Kryopumpe 1 beschrieben. In diesem Fall kann auch der zylindrische Rohrabschnitt 3 mit einer Abschirmhülse 23 (gestrichelt dargestellt) ausgerüstet sein. Auch bei einer Kryopumpe, die mit einem einstufigen Refrigerator betrieben wird, kann eine solche Abschirmung

zweckmäßig sein. Schließlich sind Kryopumpen bekannt, die mit dreistufigen Refrigeratoren betrieben werden. In einem solchen Fall ist es zweckmäßig, zumindest die sich zwischen der ersten und der·zweiten bzw. zwischen der zweiten und der dritten Stufe erstreckenden Abschnitte des Refrigerators mit den erfindungsgemäßen Abschirmungen zu versehen.

i Der Aufbau der Abschirmungen ist in vielen Variationen :

möglich. Die Abschirmungen können Hülsenform haben oder aus zwei Halbzylindern bestehen. Ein runder Querschnitt ist

dabei nicht zwingend. Das Material muß so gewählt sein, daß i

es bei den eintretenden Temperaturen noch gut wärmeleitend ι

ist, damit unerwünschte Temperaturgradienten nicht auf- I

treten. i

Leerseite

Claims

82.022 . j

LEYBOLD-HERAEUS GMBH

Köln-Bayental

Refrigerator-betriebene Kryopumpe
ANSPRÜCHE

Refrigerator-betriebene Kryopumpe mit den zu pumpenden Gasen ausgesetzten, zur Anlagerung dieser Gase bestimmten und nicht bestimmten Flächenabschnxtten, dadurch gekennzeichnet, daß den zur Anlagerung von Gasen nicht bestimmten Flächen (3, 8) eine Abschirmung (18, 19, 23) mit im wesentlichen konstanter Temperatur zugeordnet ist.

2, Kryopumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß ein zweistufiger Refrigerator vorgesehen ist und daß der sich zwischen der ersten und zweiten Stufe des Refrigerators erstrekkende Zylinderabschnitt (8) mit der Abschirmung (18, 19) ausgerüstet ist.

3. Kryopumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmung (19) an der ersten Stufe (4) des Refrigerators (2) gut wärmeleitend befestigt ist.

4. Kryopumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Abschirmung (18) gut wärmeleitend an der zweiten Stufe (7) des Refrige-

rators (2) befestigt ist.

5. Kryopumpe nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Abschirmung (18, 19) als an einer der beiden Stufen gut wärmeleitend

befestigte Hülse ausgebildet ist, die sich bis unmittelbar vor die jeweils andere Stufe erstreckt.

6. Kryopumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auch der ersten Stufe (4) eine Abschirmung (23) zugeordnet ist.

7. Kryopumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß ein dreistufiger Refrigerator vorgesehen ist und daß mindestens die sich zwischen der ersten und der zweiten sowie zwischen der zweiten und der dritten Stufe erstreckenden Abschnitte eine Abschirmung mit im wesentlichen konstanter Temperatur aufweisen.

8. Kryopumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmung (18, 19, 23) aus mehreren Teilen besteht.

9. Kryopumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Abschirmung (18, 19, 23) aus zwei Halbzylindern besteht.