DE3635941C2 - - Google Patents

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.