DE3635941A1 - Kryopumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Kryogenerator-Pumpsysteme und ist besonders, jedoch nicht ausschließlich, auf solche Kryo­ generator-Pumpsysteme gerichtet, die zur Erzeugung von Hochvakuum bei Ionenzerstäubungsgeräten und dergl. aus­ gelegt sind. Die Erfindung befaßt sich insbesondere mit solchen Pumpsystemen, die mindestens jeweils zwei Kühl­ stufen an Kryotafeln besitzen, die zum Betrieb bei rela­ tiv höher liegenden bzw. tiefer liegenden Temperaturen wirksam sind.

Kryogenerator-Pumpen sind für die Erzeugung eines Hoch­ vakuums in einer abgedichteten Kammer gut eingeführt. Der­ artige Kryogeneratoren arbeiten durch die kontrollierte Reduzierung des Druckes eines Gases, das allgemein durch eine geeignete Pumpe zugeliefert wird, die unabhängig und physikalisch getrennt von dem Kryogeneratorgehäuse vorge­ sehen ist. Die Gaspumpe ist in einem geschlossenen Gaskreis­ lauf mit dem Kryogenerator enthalten und so ausgelegt, daß sie Gas, allgemein Helium mit Umgebungstemperatur und bei einem Druck von typischerweise 20 bar dem Generator zu­ liefert.

Der Druck des dem Kryogenerator zugelieferten Gases wird intern auf gesteuerte Weise durch zwei Expansionsstufen re­ duziert, die jeweils innerhalb des Hubvolumens von zwei Kol­ ben liegen, die sich innerhalb zusammenarbeitender, in Reihe verbundener Zylinder bewegen. Die Expansion wird durch in­ direktes Dämpfen des Zylinderhubes gesteuert mittels begren­ zender Mündungen, die in Gasleitungen im Kryogenerator ein­ geführt sind und durch Gas-Vorratsbehälter, die das Akku­ mulieren von Gasdruck während eines Teiles jedes Gasreduk­ tionszyklus bewirken.

Eine Kryotafel in Wärmeaustauschbeziehung mit je einer Gasreduk­ tionsstufe ist extern am Kryogeneratorgehäuse vorgesehen und wird durch die gesteuerte Reduzierung des Gasdruckes gekühlt. Typischerweise arbeitet die der ersten Reduktionsstufe mit höherem Druck zugeordnete Kryotafel bei einer Temperatur von etwa 40-100 K, während die der zweiten Reduktionsstufe bei niederem Druck zugeordnete Kryotafel bei einer Temperatur von etwa 10 K arbeitet.

Die Kryotafeln wirken als eine Pumpe zur Reduzierung des Gas­ druckes in einer Kammer dadurch, daß sie eine Kondensierung des Gases in der Kammer an den gekühlten Kryotafel-Oberflä­ chen ergeben. Im allgemeinen werden Wasser und Verunreini­ gungen wie flüchtige Kohlenwasserstoffe an der Tafel mit höherer Temperatur kondensiert, während kondensierbare Gase wie Stickstoff, Sauerstoff und Argon an der Tafel mit niedrigerer Tempera­ tur kondensiert und dort gesammelt werden. Bei einer typischen Pumpanordnung, wie sie in Fig. 1 der Zeichnung dargestellt ist, sind an dem Gehäuse eines Kryogenerators angebrachte Kryotafeln innerhalb eines Mantels enthalten, der an einem Ende dicht mit dem Kryogeneratorgehäuse verbunden ist und eine Öffnung an dem anderen Ende zur Verbindung mit der auszupumpenden Kammer besitzt. Ein entsprechender mit Ventil versehener Einlaß am Kryogeneratorende des Mantels erlaubt die Verbindung mit einer mechanischen oder sonstigen Grob­ oder Vorpumpe.

Die Auslegung der Kryotafeln in der Anordnung nach Fig. 1 ergibt eine Kondensation von Wasserdampf und flüchtigen Verunreinigungen zusammen mit z.B. Kohlenstoffdioxid an der radial außenliegenden Tafel mit höherer Temperatur, die typischerweise bei einer Temperatur im Bereich von 40 bis 100 K arbeitet. Stickstoff, Sauerstoff, Argon und andere kondensierbare Gase werden an der Außenseite der Tafel mit niedriger Temperatur kondensiert und zurückgehalten, die ganz innerhalb der äußeren Tafel sitzt und typischerweise bei einer Temperatur von 15 K arbeitet.

Zusätzlich können nichtkondensierbare Gase wie Wasserstoff, Helium und Neon, die durch einen Dampfdruck bei 15 K von etwa 133,3 Pa (1 torr) gekennzeichnet sind, so nicht kondensiert werden und müssen von einer Aktiv-Kohleschicht adsorbiert werden, die in entsprechender Weise an der Innen­ fläche der Tafel mit tiefer Temperatur vorgesehen ist.

Während der Ionenzerstäubung und dergl. in einer Kammer, die durch eine Kryogenerator-Pumpe evakuiert wurde, werden beträchtliche Mengen von Wasserdampf zusammen mit Gas und anderen Molekülen erzeugt. Im allgemeinen ergeben derartige Mengen von Wasserdampf, Gas und anderen Molekülen zusätz­ lich zur Überlastung der Kryopumpe eine unannehmbare Kon­ densations- und Adsorptionsrate an den Kryogeneratortafeln, und verringern weiter die Pumpen-Kapazität und -Wirksamkeit.

Es ist daher zur Überwindung dieser Nachteile vorgeschlagen worden, ein Kryogenerator-Pumpsystem für Ionenzerstäubung und dergl. so zu betreiben, daß ein Drosselelement zwischen der Kryopumpe und der auszupumpenden Kammer eingeführt wird und daß die Ionenzerstäubung innerhalb des Gerätes entweder bei voller Drosselung oder vorzugsweise bei Teildrosselung ausgeführt wird. Auf diese Weise wird die Pumpgeschwindig­ keit während des Zerstäubens reduziert, wodurch eine Über­ lastung der Pumpe vermieden und die Kondensations- und Ad­ sorptions-Rate an den Pumpen-Kryotafeln reduziert wird, während gleichzeitig ein annehmbar niedriger Druckwert innerhalb der ausgepumpten Zerstäubungskammer aufrecht­ erhalten wird.

Es ist jedoch bekannt, daß dünne, im Hochvakuum an Substraten erzeugte Schichten oder Filme hochempfindlich für die Anwesen­ heit von Wasserdampf sind, der während des Ionenzerstäubens in beträchtlichen Mengen entsteht, und die Anwesenheit sol­ chen Wasserdampfes kann, insbesondere wenn er durch die Kryo­ pumpe nicht entfernt wird, ernsthaft und unannehmbar die Quali­ tät solcher dünner Schichten beeinträchtigen.

Es ist zur Überwindung dieser Schwierigkeit und zur Verminde­ rung der Auswirkungen von Wasserdampf auf die Herstellung von im Vakuum abgeschiedenen Schichten vorgeschlagen worden, die Drosseleinrichtung, üblicherweise durch Wärmeaustausch mit der Kryopumpe, zu kühlen, um eine Dampfkondensation an dieser Einrichtung insbesondere dann zu ergeben, wenn die Einrichtung voll gedrosselt ist und eine relativ große Ober­ fläche der Kammer zuwendet. Eine derartige gekühlte Drossel­ einrichtung ergibt jedoch eine Ablagerung an den zueinander bewegbaren Bestandteilen der Drosseleinrichtung und dadurch kann der Betrieb derselben beträchtlich verschlechtert wer­ den, und ihr Durchströmwert vermindert.

Es ist dementsprechend ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Kryogenerator-Pumpensystem zu erzeugen, das eine gute Entfernung von Wasserdampf und anderen Verunreinigungen z.B. während Ionenzerstäubungsvorgängen ermöglicht, ohne die Funktionsfähigkeit der Drosseleinrichtung zu beeinträchti­ gen.

Erfindungsgemäß wird ein Kryogenerator-Pumpensystem mit mindestens zwei Kryotafeln geschaffen, die jeweils inner­ halb eines Mantels gehalten sind mit einem offenen Ende, das zum Anbringen an der auszupumpenden Kammer ausgelegt ist, und das eine Drosseleinrichtung enthält, die die Gasströmung von der Kammer zu der Kryogenerator­ pumpe begrenzt, bei dem eine Kryotafel mit relativ höherer Temperatur innerhalb des Mantels so angeordnet ist, daß sie über die Ebene der Drosseleinrichtung hinaus vorsteht, so daß sie zur Kondensation von Wasser und anderen in der Kam­ mer erzeugten flüchtigen Dämpfen befähigt ist und dadurch die Ablagerung solcher Dämpfe an der Drosseleinrichtung ver­ hindert.

Idealerweise kondensiert der Anteil der bei höherer Tempera­ tur liegenden Kryotafel, der über die Drosseleinrichtung hin­ aus vorsteht, ausgewählt und vorwiegend Wasser oder andere flüchtige Dämpfe.

Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung besteht die Drosseleinrichtung aus einer Vielzahl von mit Abstand von­ einander angebrachten länglichen Rechteckstreifen, die sich parallel über die Öffnung der auszupumpenden Kammer und des Kryogenerator-Pumpenmantels erstrecken. Die Streifen sind so angeordnet, daß sie sich zwischen einer ersten Stellung, in der die Streifen in einer gemeinsamen Ebene miteinander ver­ bunden sind, um eine Drosselstellung zu erzeugen, und einer zweiten Stellung, in der die Streifen mit Abständen in zu­ einander parallelen Ebenen liegen, um ein hohes Durchfluß­ vermögen zu erzeugen, drehen können. Die Streifen können auch in Zwischenstellungen gedreht werden, um jede erfor­ derliche Drosselwirkung zu erzeugen.

Vorzugsweise ist die Drosseleinrichtung thermisch gegenüber den Kryotafeln isoliert, um sicherzustellen, daß sie bei ei­ ner über der Temperatur der vorstehenden Kryotafel mit rela­ tiv höherer Temperatur liegenden Temperatur arbeitet, wodurch die selektive Ablagerung von Wasserdampf verhindert wird. Vor­ teilhafterweise ist die Drosseleinrichtung so angeordnet, daß sie im wesentlichen bei Umgebungstemperatur arbeitet, indem sie an dem Kryopumpen-Außenmantel mit Stützmitteln hoher ther­ mischer Leitfähigkeit befestigt ist, die der Einrichtung zum Ausgleich des Wärmeverlustes zu den Kryotafeln Wärme zuleiten.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun besonders mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigt:

Fig. 1 eine Seiten-Schnittansicht eines bekannten Kryogen- Pumpsystems mit Kryotafeln zum Auspumpen einer Ionen­ zerstäubungskammer, und

Fig. 2 eine Seiten-Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Kryogen-Pumpsystems mit einer benachbart zur Drossel­ einrichtung liegenden verlängerten Kryotafel zum selektiven Verringern der Kondensierung von Wasser und anderen Dämpfen an der Drosseleinrichtung.

Wie bereits kurz angeführt, zeigt die Fig. 1 einen üblichen Kryogenerator zur Erzeugung eines niedrigen Druckes in einer Kammer, z.B. einer Kammer mit einer Ionenzerstäubungsaus­ rüstung oder dergleichen.

Der Kryogenerator enthält einen Gehäuseabschnitt 2 mit Ein­ lässen bzw. Auslässen zum Einführen bzw. Ablassen von Hoch­ druckhelium von einem separaten (nicht dargestellten) Kompres­ sor, der unabhängig vom Kryogenerator aufgestellt ist.

An dem Gehäuse 2 ist ein Mantel 4 befestigt, der einen Teil des Pumpenmantels bildet und ein oberes, mit Flanschen ver­ sehenes Ende 6 aufweist, das zur abgedichteten Befestigung, beispielslweise mit O-Ringen, an der auszupumpenden Kammer ausgelegt ist. Innerhalb des Mantels 4 befindet sich, in Wärmetauschbeziehung mit der Hochtemperaturstufe des Kryo­ generators angebracht eine Kryotafel 8 für höhere Temperatur in Form eines Zylinders mit einem der mit Flansch versehenen Öffnung im Gehäuse 4 benachbarten offenen Ende. Ganz inner­ halb der Hochtemperaturtafel befindet sich in Wärmetausch­ beziehung mit der Niedrigtemperaturstufe des Kryogenerators eine Kryotafel 10 für niedrige Temperatur, die über einen Weg mit der auszupumpenden Kammer verbunden ist, der durch die Drosselklappenblenden 12 führt, die am offenen Ende der Kryotafel 8 vorgesehen sind.

In dem Mantel 4 ist benachbart zum Kryogeneratorgehäuse 2 eine (nicht dargestellte) Öffnung vorgesehen, die es er­ laubt, den Raum innerhalb des Mantels mit einer mechanischen oder sonstigen Pumpe zum Vakuum-Vorpumpen zu verbinden.

Bei der Verwendung des Kryogenerators arbeitet die Kryo­ tafel 8 bei einer Temperatur von 40 bis 100 K und bewirkt eine Kondensation von Wasserdampf zusammen mit flüchtigen Kohlenwasserstoffen und ähnlichen kondensierbaren Verunrei­ nigungen und gegebenenfalls vorhandenem Kohlenstoffdioxid. Die Kryotafel 10 arbeitet bei einer Temperatur von etwa 12 K und bewirkt eine Kondensierung von Stickstoff und Sauerstoff zusammen mit anderen kondensierbaren Gasen. Das geschieht an auch nichtkondensierbare Gase an einer Aktivkohleschicht, die an ihrer radial innenliegenden Fläche vorgesehen ist, und so wird innerhalb der Pumpenkammer ein Druck in der Größenord­ nung von 1,33×10^-6 Pa (10^-8 torr) bei geöffneten Blenden 12 erzeugt.

In Fig. 2 der Zeichnung sind zu den Teilen in Fig. 1 gleich­ artige Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es ist hier zu sehen, daß zwischen die feststehenden, bei einer niedrigen Temperatur befindlichen Blenden 12 benachbart zur Öffnung im Mantel 4 und der auszupumpenden Kammer eine variable Drosseleinrichtung 18 eingesetzt ist. Wie in Fig. 1 ist die auszupumpende Kammer so angeordnet, daß sie an dem Flansch am offenen Ende des Mantels 4 anschließt.

Die Drosseleinrichtung 18 bewirkt eine Erhöhung der Gasstrom­ behinderung zwischen der Kammer und den Kryotafeln 8 und 10 der Kryopumpe und damit eine Reduzierung der Belastung der Pumpe, wenn Ionenzerstäuben oder ähnliches innerhalb der Kammer geschieht.

Bei dieser Ausführungsform der Erfindung besteht die Drossel­ einrichtung 18 aus parallelen, rechteckig-länglichen Streifen 20, die um parallele Achsen gleichförmig gedreht werden kön­ nen. Die Streifen können zwischen einer ersten Horizontallage, in der sie eine einzige Ebene bilden, die die Kryotafeln 8 und 12 im wesentlichen von der Kammer abschließt, und einer zweiten vertikalen Stellung, in der sie minimale Behinderung der Gas­ strömung und damit dem Pumpen bieten, gedreht werden. Die Streifen können natürlich auch in irgendeine Zwischenstel­ lung gedreht werden, um eine ausgewählte Behinderung für die Gasströmung einzustellen.

Die Streifen 20 sind an einem Rahmen 22 angebracht, der einen Ringraum zwischen der Drosseleinrichtung und dem Mantel 4 übrig läßt, und es ist so eine relativ geringere Pumprate zu er­ reichen, wenn die Drosseleinrichtung 18 sich in der geschlos­ senen Stellung befindet und gerade ein Ionenzerstäuben statt­ findet.

Um zu verhindern, daß Wasserdampf zusammen mit Gas und ande­ ren Stoffen sich an den Streifen 20 der Drosseleinrichtung 18 kondensiert und so ihre Schwenkbefestigungen und die zugeord­ neten Betätigungshebel behindert, ist das Ventil über ein Stützwerk mit hoher thermischer Leitfähigkeit am Mantel 4 selbst befestigt. Das Stützwerk, das aus einer Vielzahl von radialen Metallstützen 24 gebildet ist, hält die Streifen 20 so nahe wie möglich bei der Umgebungstemperatur, indem es Wärme von dem Mantel 4 zum Ausgleich von Wärmeverlusten zu den bei niedriger Temperatur befindlichen Blenden 12 und den Streifen 20 zuführt.

Um eine annehmbar hohe Wasserdampf-Kondensationsrate bei der Kryopumpe aufrechtzuerhalten, während die Drossel 18 im wesentlichen geschlossen ist, wird die Kryotafel 8 über die Blende 12 hinaus vorgeführt, so daß sie axial über die Drosseleinrichtung 18 bis zu einer Stelle vorsteht, die im wesentlichen mit der Ebene der Öffnung im Mantel 4 bündig ist. In der Kammer während des Zerstäubungsvorganges erzeug­ ter Wasserdampf und dergl. kondensiert dementsprechend an der vorgezogenen Fläche der Kryotafel 8. Bei dieser Anordnung bleibt dementsprechend die Drosselblende 18 relativ frei von kondensiertem Wasserdampf und anderen Ablagerungen, wo­ durch die Pumpwirksamkeit der Drosselblenden und der Kryo­ generatorpumpe aufrechterhalten bleibt.

Es ist zu erkennen, daß, obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf eine Streifenblenden-Drosseleinrichtung be­ schrieben wurde, ebenso gut Drosseleinrichtungen anderer bekannter Arten Verwendung finden können. Gleichfalls ist zu sehen, daß statt der beschriebenen Weise, die Drossel­ einrichtung auf Umgebungstemperatur zu halten, d.h. mit einer Stütze hoher Wärmeleitfähigkeit zum Kryopumpenmantel, auch andere Verfahren Verwendung finden können, um die Ein­ richtung im wesentlichen auf Umgebungstemperatur zu halten, so z.B. durch eine Stütze niedriger thermischer Leitfähig­ keit, die zu den Kryotafeln führt.

Claims (14)

1. Kryogenerator-Pumpsystem mit mindestens zwei Kryotafeln, die in einem Mantel enthalten sind mit einem offenen Ende, das zum Anbringen an die auszupumpende Kammer ausgelegt ist und eine Drosseleinrichtung zur Begrenzung der Gasströ­ mung von der Kammer zur Kryogeneratorpumpe enthält, dadurch gekennzeichnet, daß eine bei relativ höherer Temperatur liegende Kryotafel (8) innerhalb des Mantels (4) über die Ebene der Drosseleinrichtung (18) vorsteht, so daß Wasser und andere flüchtige Dämpfe, die in der Kammer erzeugt werden, kondensiert werden können und dadurch die Ablage­ rung solcher Dämpfe an der Drosseleinrichtung (18, 20) verhindert ist.

2. Pumpsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kryotafel (10) bei relativ niedrigerer Temperatur innerhalb der Kryotafel (8) mit höherer Temperatur mit Abstand vom Mantel (4) gehalten ist.

3. Pumpsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kryotafel (8) mit relativ höherer Tempera­ tur sich unmittelbar dem Mantel (4) benachbart über die Drosseleinrichtung (18) hinaus erstreckt.

4. Pumpsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Kryotafel (8) mit relativ höherer Temperatur sich im wesentlichen bis zu der mit der auszupumpenden Kammer in Verbindung stehenden Öffnung im Mantel (4) erstreckt.

5. Pumpsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Kryotafel (8) mit relativ höherer Temperatur und der Mantel (4) im wesentlichen Zylinderform besitzen.

6. Pumpsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Drosseleinrichtung (18) mit dem Mantel (4) über einen Weg mit hoher thermischer Leitfähigkeit verbunden ist.

7. Pumpsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosseleinrichtung (18) über eine Stütze (24) hoher thermischer Leitfähigkeit an dem Mantel (4) befestigt ist.

8. Pumpsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosseleinrichtung (18) durch einen an dem Mantel (4) befestigten Kreuzträger gehalten ist.

9. Pumpsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosseleinrichtung (18) mit Abstand voneinander angebrachte parallele längliche Streifen (20) enthält, die miteinander gleichmäßig um parallele Achsen drehbar sind.

10. Pumpsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifen (20) im wesentlichen rechtwinklig sind.

11. Pumpsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Drosseleinrichtung (18) zwischen der mit der auszupumpenden Kammer in Verbindung stehenden Öffnung in der Kammer (4) und einer Vielzahl von Drosselblenden (12) angeordnet ist.

12. Pumpsystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselblenden (12) durch eine Kryotafel (8) mit höherer Temperatur gekühlt sind.

13. Pumpsystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselblenden (12) mit der Kryotafel (8) auf höherer Temperatur in direktem thermischen Kontakt stehen.

14. Vakuumsystem mit einem Kryogenerator-Pumpsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche.