DE3635941C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Kryopumpe nach dem Oberbe
griff des Patentanspruchs 1.
Derartige Kryopumpen mit Kryogeneratoren sind für die
Erzeugung eines Hochvakuums in einem Rezipienten gut
eingeführt. Dabei arbeiten die Kryogeneratoren durch
die kontrollierte Reduzierung des Druckes eines Gases,
das allgemein durch eine geeignete Pumpe zugeliefert
wird, die unabhängig und physikalisch getrennt von dem
Kryogeneratorgehäuse vorgesehen ist. Die Gaspumpe ist
in einem geschlossenen Gaskreislauf mit dem Kryogenera
tor enthalten und so ausgelegt, daß sie Gas, allgemein
Helium mit Umgebungstemperatur und bei einem Druck von
typischerweise 20 bar dem Generator zuliefert.
Der Druck des dem Kryogenerator zugelieferten Gases
wird intern auf gesteuerte Weise durch zwei Expansions
stufen reduziert, die jeweils innerhalb des Hubvolumens
von zwei Kolben liegen, die sich innerhalb zusammenar
beitender, in Reihe verbundener Zylinder bewegen. Die
Expansion wird durch indirektes Dämpfen des Zylinderhu
bes gesteuert mittels begrenzender Mündungen, die in
Gasleitungen im Kryogenerator eingeführt sind und durch
Gas-Vorratsbehälter, die das Akkumulieren von Gasdruck
während eines Teiles jedes Gasreduktionszyklus
bewirken.
Mit jeder der beiden Gasreduktions- oder Kühlgenera
torstufen ist eine Kryofläche so in Wärmetauschbezie
hung vorgesehen, daß sie durch die gesteuerte Reduzie
rung des Gasdrucks in der entsprechenden Stufe des
Kryogenerator gekühlt wird. Typischerweise weist die
der ersten Kühlgeneratorstufe mit höherem Druck zuge
ordnete Kryofläche eine Temperatur von etwa 40 K bis
100 K auf, während die der zweiten bei niederem Druck
arbeitenden Kühlgeneratorstufe zugeordnete Kryofläche
eine Temperatur von etwa 100 K besitzt.
Die Kryoflächen wirken als eine Pumpe zur Reduzierung
des Gasdruckes in einer Kammer der Pumpe dadurch, daß
sie eine Kondensierung des Gases in der Kammer an den
gekühlten Kryoflächen ergeben. Im allgemeinen werden
Wasser und Verunreinigungen wie flüchtige Kohlenwasser
stoffe an der Kryofläche höherer Temperatur konden
siert, während kondensierbare Gase wie Stickstoff, Sau
erstoff und Argon an der Kryofläche wie Stickstoff,
Sauerstoff und Argon an der Kryofläche mit niedrigerer
Temperatur kondensiert und dort gesammelt werden.
Bei einer typischen Kryopumpe, wie sie in Fig. 1 der
Zeichnung dargestellt ist, sind an dem Gehäuse 2 eines
Kryogenerators angebrachte Kryoflächen 8, 10 innerhalb
eines Gehäusemantels 4 angeordnet, der an einem Ende
dicht mit dem Kryogeneratorgehäuse 2 verbunden ist und
der am anderen Ende eine Öffnung zur Verbindung mit ei
ner auszupumpenden Arbeitskammer oder Rezipienten be
sitzt. Ein entsprechender mit Ventil versehener nicht
dargestellter Einlaß am Kryogeneratorenende des Gehäu
semantels erlaubt die Verbindung mit einer mechanischen
oder sonstigen Vorpumpe.
Die Auslegung der Kryoflächen 8, 10 in der Anordnung
nach Fig. 1 ergibt eine Kondensation von Wasserdampf
und flüchtigen Verunreinigungen zusammen mit z. B. Koh
lenstoffdioxid an der radial außenliegenden Kryofläche
höherer Temperatur, die typischerweise bei einer Tempe
ratur im Bereich von 40 K bis 100 K arbeitet. Stick
stoff, Sauerstoff, Argon und andere kondensierbare Gase
werden an der Außenseite der Kryofläche 10 niedrigerer
Temperatur kondensiert und zurückgehalten, die ganz in
nerhalb der äußeren Kryofläche 8 sitzt und typischer
weise bei einer Temperatur von 15 K arbeitet.
Zusätzlich können nichtkondensierbare Gase wie Wasser
stoff, Helium und Neon, die bei 15 K einen Dampfdruck
von etwa 133,3 Pa (1 torr) aufweisen und nicht konden
siert werden können, von einer Aktiv-Kohleschicht ad
sorbiert werden, die in entsprechender Weise an der In
nenseite der Kryofläche 10 tieferer Temperatur vor
gesehen ist.
Während der Ionenzerstäubung und dergl. in einer Ar
beitskammer, die durch eine Kryopumpe evakuiert wurde,
werden beträchtliche Mengen von Wasserdampf zusammen
mit Gas und anderen Molekülen erzeugt. Im allgemeinen
ergeben derartige Mengen von Wasserdampf, Gas und ande
ren Molekülen zusätzlich zur Überlastung der Kryopumpe
eine unannehmbare Kondensations- und Adsorptionsrate an
den Kryoflächen und verringern weiter die Pumpen-Kapa
zität und -Wirksamkeit.
Zur Vermeidung dieser Nachteile ist eine Kryopumpe für
Ionenzerstäubung und dergl. vorgeschlagen worden, bei
der ein Drosselelement zwischen dem Pumpenraum der
Kryopumpe und der auszupumpenden Arbeitskammer vorgese
hen ist. Die Ionenzerstäubung wird innerhalb des Gerä
tes entweder bei voller Drosselung oder vorzugsweise
bei Teildrosselung ausgeführt. Auf diese Weise wird die
Pumpengeschwindigkeit während des Zerstäubens
reduziert, wodurch eine Überlastung der Pumpe vermieden
und die Kondensations- und Adsorptions-Rate an den
Kryoflächen reduziert wird, während gleichzeitig ein
anehmbar niedriger Druckwert innerhalb der ausgepump
ten Zerstäubungs- oder Arbeitskammer aufrechterhalten
wird.
Aus der DE 32 16 591 A1 ist eine Kryopumpe der eingangs
genannten Art bekannt, bei der eine am offenen Ende der
Kryopumpe vorgesehene Blendenanordnung von der der er
sten Kryostufe zugeordneten Kryofläche höherer Tempera
tur abgekühlt wird. Dabei ist der Blendenanordnung eine
Drosseleinrichtung zugeordnet, die ebenfalls auf die
Temperatur der ersten Kryofläche abgekühlt wird.
Wird bei einer derartigen Kryopumpe während einer Io
nenzerstäubung oder dergl. die Drosseleinrichtung ganz
oder teilweise geschlossen, so kondensiert Wasserdampf,
Kohlenstoffdioxid und andere Verunreinigungen an der
Drossel- und Blendeneinrichtung aus, so daß sich Eis
bildet, was die anschließende Betätigung der Drossel
einrichtung behindert.
Eine andere bekannte Kryopumpe (DE-OS 16 28 440) ist an
ihrem zur Arbeitskammer bzw. zum Rezipienten hin offe
nen Ende mit einem Hauptvakuumschieber versehen, der im
wesentlichen auf Umgebungstemperatur liegt.
Wird bei dieser bekannten Vorrichtung z. B. während des
Ionenzerstäubens der Hauptvakuumschieber geschlossen,
so wird dadurch auch jede weitere Pumpleistung der
Kryopumpe verhindert.
Es ist jedoch bekannt, daß dünne, im Hochvakuum an Sub
straten erzeugte Schichten oder Filme hochempfindlich
für die Anwesenheit von Wasserdampf sind, der während
des Ionenzerstäubens in beträchtlichen Mengen entsteht,
und die Anwesenheit solchen Wasserdampfes kann, insbe
sondere wenn er durch die Kryopumpe nicht entfernt
wird, ernsthaft und unannehmbar die Qualität solcher
dünner Schichten beeinträchtigen.
Um derartige Schwierigkeiten zu vermeiden und die Aus
wirkungen von Wasserdampf bei der Herstellung von
Vakuum abgeschiedenen Schichten ist es bekannt, die
Drosseleinrichtung zu kühlen, wodurch sich insbesondere
bei voll geschlossener Drosseleinrichtung eine relativ
große gekühlte Oberfläche dem Rezipienten zuwendet, an
der sich Wasserdampf und andere Verunreinigungen nie
derschlagen können. Derartige Ablagerungen an den zu
einander bewegbaren Teilen der Drosseleinrichtung füh
ren zu einer beträchtlichen Verschlechterung des Be
triebs sowie zu einer Verminderung des Durchströmwerts
der Drosseleinrichtung.
Es ist dementsprechend Aufgabe der vorliegenden Erfin
dung eine Kryopumpe zu schaffen, die eine gute Entfer
nung von Wasserdampf und anderen Verunreinigungen bei
geschlossener Drosseleinrichtung z. B. während Ionen
zerstäubungsvorgängen ermöglicht, ohne die Funktionsfä
higkeit der Drosseleinrichtung zu beeinträchtigen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale
des Patentanspruchs 1 gelöst.
Durch die erfindunsgemäß vorgesehene Anordnung der
Drosseleinrichtung wird diese gegenüber den Kryoflächen
thermisch isoliert, so daß sichergestellt wird, daß die
Ablagerung von Wasserdampf an der Drosseleinrichtung
verhindert ist. Gleichzeitig steht jedoch die erste
Kryofläche höherer Temperatur über die Ebene der Dros
seleinrichtung auf die Arbeitskammer hin vor, so daß
diese Bereiche der Kryofläche, die die auf Umgebungs
temperatur befindliche Drosseleinrichtung umgeben, in
folge ihrer Kondensationswirkung Wasserdampf und andere
Verunreinigungen aus dem Arbeitsraum oder Rezipienten
entfernen, selbst wenn die Drosseleinrichtung geschlos
sen ist.
Es wird also auch bei geschlossener Drossel eine an
nehmbar hohe Wasserdampf-Kondensationsrate bei der
Kryopumpe aufrechterhalten, so daß während eines Ionen
zerstäubungsvorgangs erzeugter Wasserdampf und dergl.
aus der Arbeitskammer in genügendem Maße abgepumpt
wird, so daß er das Abscheiden dünner Oberflächen nicht
stört.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen beschrieben.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun besonders
mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigt
Fig. 1 eine Seiten-Schnittansicht eines bekannten Kryogenerator-
Pumpsystems mit Kryoflächen zum Auspumpen einer Ionen
zerstäubungskammer, und
Fig. 2 eine Seiten-Schnittansicht eines erfindungsgemäßen
Kryogenerator-Pumpensystems mit einer benachbart zu einer Drossel
einrichtung liegenden verlängerten Kryofläche.
Wie bereits kurz angeführt, zeigt die Fig. 1 eine übliche
Kryopumpe zur Erzeugung eines niedrigen Druckes in einer Arbeits
kammer, z. B. einer Kammer mit einer Ionenzerstäubungsaus
rüstung oder dergleichen.
Der Kryogenerator 2 der Kryopumpe enthält ein Gehäuse 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 Gehäusemantel 4 befestigt, der einen Teil
des Pumpengehäuses bildet und ein oberes, mit einem Flansch 6 ver
sehenes Ende aufweist, das zur abgedichteten Befestigung,
beispielsweise mit O-Ringen an einer auszupumpenden Arbeitskammer
ausgelegt ist. Innerhalb des Gehäusemantels 4 befindet sich, in
Wärmetauschbeziehung mit der Hochtemperaturstufe des Kryo
generators angebracht eine zylindrische Kryofläche 8 für höhere Temperatur
mit einem der mit dem Flansch 6 versehenen
Öffnung im Gehäusemantel 4 benachbarten offenen Ende. Ganz inner
halb der Kryofläche 8 mit relativ höherer Temperatur befindet sich in Wärmetausch
beziehung mit der Niedrigtemperaturstufe des Kryogenerators
eine Kryofläche 10 für niedrige Temperatur, die über einen
Weg mit der auszupumpenden Kammer verbunden ist, der durch
Drosselklappen-Blenden 12 führt, die am offenen Ende der
Kryofläche 8 vorgesehen sind.
Im Gehäusemantel 4 ist benachbart zum Kryogenerator-Gehäuse 2
eine (nicht dargestellte) Öffnung vorgesehen, die es er
laubt, den Raum innerhalb des Gehäusemantels 4 mit einer mechanischen
oder sonstigen Pumpe zum Vakuum-Vorpumpen zu verbinden.
Bei der Verwendung des Kryogenerator-Pumpsystems arbeitet die Kryo
fläche 8 bei einer Temperatur von 40 K bis 100 K und bewirkt
eine Kondensation von Wasserdampf zusammen mit flüchtigen
Kohlenwasserstoffen und ähnlichen kondensierbaren Verunrei
nigungen und gegebenenfalls vorhandenem Kohlenstoffdioxid.
Die Kryofläche 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
der radial außenliegenden Fläche. Die Kryotafel 10 adsorbiert
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 Gehäusemantel 4 und der auszupumpenden Kammer eine
variable Drosseleinrichtung 18 eingesetzt ist. Wie in Fig. 1
ist die auszupumpende Kammer so angeordnet, daß sie an einem
Flansch 6 am offenen Ende des Gehäusemantels 4 anschließt.
Die Drosseleinrichtung 18 bewirkt eine Erhöhung der Gasstrom
behinderung zwischen der Kammer und den Kryoflächen 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 20 können zwischen einer ersten Horizontallage,
in der sie eine einzige Ebene bilden, die die Kryoflächen 8 und
12 im wesentlichen von der Kammer abschließt, und einer zweiten
vertikalen Stellung, in der sie minimale Behinderung der Gas
strömung und damit des Pumpens bieten, gedreht werden. Die
Streifen 20 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 Gehäusemantel 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 bzw. die Drosseleinrichtung 18 über ein
Stützwerk mit hoher thermischer Leitfähigkeit am Gehäusemantel 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 Gehäusemantel 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 Drosseleinrichtung 18 im
wesentlichen geschlossen ist, wird die Kryofläche 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 Gehäusemantel 4 bündig
ist. In der Kammer während des Zerstäubungsvorganges erzeug
ter Wasserdampf und dergl. kondensiert dementsprechend an der
vorgezogenen Fläche der Kryofläche 8. Bei dieser Anordnung
bleibt dementsprechend die Drosseleinrichtung 18 relativ frei
von kondensiertem Wasserdampf und anderen Ablagerungen, wo
durch die Pumpwirksamkeit der Drosselblenden und der Kryo
pumpe 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 Gehäusemantel der Kryopumpe,
auch andere Verfahren Verwendung finden können, um die Drosselein
richtung im wesentlichen auf Umgebungstemperatur zu halten,
so z. B. durch eine Stütze niedriger thermischer Leitfähig
keit, die zu den Kryoflächen führt.
Claims (6)
1. Kryopumpe
- - mit einem Gehäusemantel, der an seinem offenen Ende zum Anbringen an eine auszupumpende Arbeits kammer ausgelegt ist,
- - mit einem zweistufigen Kryogenerator, dessen Stu fen jeweils mit einer im Gehäusemantel angeordne ten Kryofläche verbunden sind,
- - von denen die eine eine höhere Temperatur als die andere aufweist,
- - mit einer am offenen Ende der Kryopumpe vorgese henen Blendenanordnung, die mit der Kryofläche hö herer Temperatur in wärmeleitender Verbindung steht, und
- - mit einer Drosseleinrichtung zur Begrenzung der Gasströmung von der Arbeitskammer zur Kryopumpe,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kryofläche (8) mit der höheren Temperatur
über die Ebene der Drosseleinrichtung (18) vorsteht,
und
- - daß die Drosseleinrichtung (18) über Stützen (24) mit hoher thermischer Leitfähigkeit mit Abstand zum Gehäusemantel (4) an diesem befestigt ist.
2. Pumpsystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Drosseleinrichtung (18) durch einen am Ge
häusemantel (4) befestigten Kreuzträger gehalten
ist.
3. Pumpsystem nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Drosseleinrichtung (18) mit Abstand vonein
ander angebrachte parallele längliche Streifen (20)
enthält, die miteinander gleichmäßig um parallele
Achsen drehbar sind.
4. Pumpsystem nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Streifen (20) im wesentlichen rechtwinklig
sind.
5. Pumpsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die zwischen der mit der auszupumpenden Arbeits
kammer in Verbindung stehenden Öffnung des Gehäuse
mantels (4) und der Blendenanordnung (12) vorgesehene
Drosseleinrichtung (18) einen die Streifen (20) tra
genden Rahmen (22) aufweist, der einen Ringraum zwi
schen der Drosseleinrichtung (18), der Kryofläche
(8) und der Blendenanordnung (12) begrenzt.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
D2 | Grant after examination | ||
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