DE4324311C2 - Kryopumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kryopumpe der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art. Eine solche Kryopumpe ist aus der US-A-4 285 710 bekannt, auf die weiter unten näher eingegangen wird.

Kryopumpen für die Vakuumtechnik weisen in der Regel zwei Stufen mit Kühlflächen auf, welche unterschiedliche Temperaturniveaus aufweisen. An diesen Kühlflächen werden mit wenigen Ausnahmen alle Gase kondensiert. In der Regel wird eine äußere als Abschirmung gegen Wärmestrahlen wirkende Kühlfläche auf einem Temperaturniveau von etwa 80 K gehalten; und eine innere Kühlfläche wird auf einem Temperaturniveau von 20 K oder weniger gehalten. Mit Ausnahme einer Öffnung für den Zutritt der Gase umgibt die Abschirmung die innere Kühlfläche. Diese Öffnung ist mit einer aus Segmenten bestehenden Blende verschlossen. Die Blende vermindert die Wärmeeinstrahlung und dadurch die Wärmebelastung der inneren Kühlfläche. Bei einer direkten Wärmeeinstrahlung würde nämlich das Temperaturniveau der inneren Kühlfläche über die üblichen 20 K angehoben. Dies würde das Absorbieren von Gasen mit niedrigem Molekulargewicht derart stören, daß die gewünschte Pumpwirkung für diese Gase nicht erreicht würde.

Die Blende besteht üblicherweise aus konzentrisch angeordneten Blechringen, auch Chevrons genannt. Es sind beispielsweise aus der US-A-3 797 264 auch Blenden bekannt, welche parallel zueinander liegende V-förmige Blechlamellen besitzen, welche die Eintrittsöffnung zur inneren Kühlfläche optisch dicht verschließen. Blenden haben den Nachteil, daß sie den Zutritt der zu kondensierenden oder zu absorbierenden Gasmoleküle erschweren.

Es ist offensichtlich, daß ein widerstandsfreier Zutritt von Gasmolekülen - man spricht in diesem Fall von einem hohen Leitwert - ein maximales Saugvermögen der Kryopumpe ergibt.

Bei der Gestaltung der Blende wurde daher bei bekannten Kryopumpen ein optimaler Kompromiß gesucht, um einerseits eine minimale Wärmeeinstrahlung zuzulassen und andererseits einen maximalen Leitwert zu erhalten, damit die Kryopumpe ein entsprechend hohes Saugvermögen besitzt. Die bekannten Kryopumpen haben jedoch den Nachteil, daß ihr Saugvermögen ganz erheblich unter dem theoretisch möglichen Wert liegt. Weiter haben die bekannten Kryopumpen den Nachteil, daß sie eine große Baulänge, bzw. eine große Bautiefe besitzen.

Bei vielen Vakuumprozessen wird mit Prozeßgasen gearbeitet. Damit die Kryopumpe nicht durch zu hohe Gasströme, z. B. beim Sputtern, überlastet wird, wird in der Regel zwischen der Kryopumpe und der Vakuumkammer ein stufenlos regulierbares Drosselventil eingebaut. Das über entsprechende Vakuumdrucksensoren gesteuerte Drosselventil verschließt während gewissen Prozeßstufen weitgehend den Gaszutritt zur Kryopumpe. Dies hat jedoch den Nachteil, daß für den Vakuumprozeß schädliche Dämpfe, z. B. Wasserdampf, nicht mehr in genügendem Ausmaß kontinuierliche von der Kryopumpe aus der Vakuumprozeßkammer abgepumpt werden. Die Drosselung erweist sich daher als großer Nachteil.

Kryopumpen, die eine solche oder ähnliche Drosselung aufweisen, sind aus der EP 0 102 787 A1, der DE 36 35 941 C2, der US-A-4 072 025, der US-A-3 797 264 und der eingangs erwähnten US-A-4 285 710 bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kryopumpe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart zu verbessern, daß sie bei der Verwendung für Prozesse mit hohen Gasströmen, z. B. beim Sputtern und Glimmen in Beschichtungsanlagen, kein separates Drosselventil mehr benötigt, wobei das Saugvermögen für Wasserdempf aber auch bei einer Drosselung des Saugvermögens für Prozeßgase aufrechterhalten bleiben soll.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Erfindungsgemäß weist die Kryopumpe zwischen der Abschirmung und der Blende eine Durchlaßöffnung auf, um von der Eintrittsöffnung her den freien Zutritt der Gase zu gestatten. Da die Blende praktisch den gleichen oder einen größeren Querschnitt aufweisen kann wie die Eintrittsöffnung, wird die Kühlfläche der zweiten Stufe durch die Blende optisch dicht abgeschirmt. Andererseits ermöglicht aber die optisch unverschlossene Durchlaßöffnung einen direkten Zutritt von Gasen zur Kühlfläche der zweiten Stufe. Die erfindungsgemäße Kryopumpe hat daher einen hohen Leitwert und somit auch ein entsprechend hohes Saugvermögen, ohne daß dadurch der Strahlungsschutz zur 20 K Kühlfläche kompromittiert wird. Die Erfindung ermöglicht auch die Verwendung einer Blende, die aus einem einfachen Blechstück besteht. Eine solche Blende ist wesentlich billiger als eine bekannte Blende mit Chevrons oder Lamellen.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß Abschirmung und Gehäuse relativ derart zueinander beweglich sind, daß die Öffnung in der Abschirmung relativ zur Eintrittsöffnung verschoben werden kann. Dadurch ist es möglich, eine Drosselung zu bewirken, ohne daß dazu ein zusätzliches Drosselventil notwendig wäre. Im Gegensatz zur Verwendung eines Drosselventils, welches durch Verengung des Querschnitts der Saugleitung das Saugvermögen auch für prozeßschädliche Gase drosselt, wird bei der Verwendung der mit den genannten Merkmalen ausgebildete Kryopumpe nur das Saugvermögen für Prozeßgase gedrosselt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden die Gegenstände der Unteransprüche.

Zweckmäßigerweise ist die Eintrittsöffnung vorzugsweise unter einem rechten Winkel zur Pumpenachse angeordnet. Dies ergibt eine kurze Baulänge, so daß die Kryopumpe sich auch für Vakuumanlagen eignet, die sehr kompakt gebaut sind.

Eine vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, daß die Abschirmung die Form eines oben und unten abgeschlossenen Zylindermantels aufweist, der seitlich eine der Eintrittsöffnung des Gehäuses zugewandte Öffnung besitzt, und daß die Blende die Kühlfläche der zweiten Stufe gegen die Eintrittsöffnung hin abschirmt. Dies ergibt eine besonders einfache Konstruktion. Zweckmäßigerweise ist die Blende näher bei der Kühlfläche der zweiten Stufe als die Abschirmung angeordnet. Dadurch wird auf einfache Weise eine ungedrosselte Durchlaßöffnung für die Gase geschaffen. Auch ist die so gebildete Konstruktion besonders einfach und preisgünstig in der Fertigung. Wie bereits erwähnt, kann die Blende z. B. ein Blechschild sein. Dies ergibt eine besonders billige Konstruktion. Die Blende kann aber auch z. B. durch in Abstand voneinander angeordnete Lamellen gebildet werden. Dadurch wird im Gegensatz zu einer Blende in Form eines Blechschildes ein höheres Saugvolumen erzielt. Diese Konstruktion ist im Gegensatz zu den üblichen Chevrons besonders einfach und preisgünstig. Die Kühlfläche der zweiten Stufe wird vorteilhaft durch einen Zylindermantel gebildet. Die Blende kann dabei konzentrisch zur Kühlfläche der zweiten Stufe angeordnet sein, was eine besonders einfache und zweckmäßige Gestaltung der Kryopumpe ergibt.

Für die Relativverschiebung zwischen Abschirmung und Eintrittsöffnung sind verschiedene Ausführungsvarianten denkbar. So kann beispielsweise eine Stelleinrichtung vorgesehen sein, um die Abschirmung im Gehäuse zu drehen. Eine solche Konstruktion ist relativ einfach. Eine andere sieht eine Stelleinrichtung vor, um die Abschirmung im Gehäuse axial zu verschieben. Auch diese Konstruktionsvariante läßt sich mit relativ geringem Aufwand realisieren.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer Kyropumpe,

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II von Fig. 1,

Fig. 3 eine Variante zur Ausführungsform einer Blende in Fig. 2.

Fig. 4 eine Kryopumpe wie in Fig. 1, jedoch mit einem verdrehbaren Kühlkopf, und

Fig. 5 ein Prinzipschema einer Vakuumprozeßanlage.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Kryopumpe besitzt ein Gehäuse 11, welches eine Eintrittsöffnung 22 aufweist. Im Gehäuse 11 ist ein zweistufiger Kühlkopf 13 angeordnet. Die erste Stufe 33 besitzt Kühlflächen, die auf 80 K oder weniger gehalten weren. Die zweite Stufe 37 besitzt eine oder mehrere Kühlflächen 17, die auf 20 K oder weniger gehalten werden. Die Kühlfläche 17 der zweiten Stufe 37 ist mit einem Sorptionsmittel, z. B. Aktivkohle, bewegt, welches für das Pumpen von bei 20 K nicht-kondensierbaren Gasen, wie Wasserstoff, Neon und Helium, notwendig ist.

Das Gehäuse 11 besteht aus einem zylindrischen Rohr 19, welches mit einem rechtwinklig zur Achse 20 angeordneten Anschlußflansch 23 versehen ist. Das untere Ende des Gehäuses 11 ist mit einem Flansch 27 verschlossen, an welchem der Kühlkopf 13 befestigt ist. Anschlüsse 29, 31 dienen beispielsweise zum Anbringen von Meßköpfen und Pumpstutzen.

Der Kühlkopf 13 besitzt zwei unterschiedliche Temperaturen erzeugende Kühlstufen 33, 37. An die erste Kühlstufe 33 ist eine Abschirmung 15 angeschlossen, welche die auf der zweiten Kühlstufe 37 angeordnete Kühlfläche 17 praktisch bis auf die Öffnung 18 allseitig umgibt. Gegenüber der durch den Anschlußflansch 23 gebildeten Eintrittsöffnung 22 ist eine Blende 35 angeordnet. Dies verhindert eine direkte Wärmeeinstrahlung durch die Eintrittsöffnung 22 auf die Kühlfläche 17. Bei einer direkten Wärmeeinstrahlung würde das Temperaturniveau der Kühlfläche 17 so stark angehoben, daß die Absorption von Gasen mit niedrigem Molekulargewicht nur ungenügend erfolgen könnte.

Die Blende 35 mit Lamellen 43 ist mit Haltestegen 45 (nur in Fig. 1 und 4 gezeigt) mit der Abschirmung 15 verbunden. Die Lamellen 43 bestehen beispielsweise aus Blechstreifen. Es ist auch möglich, einen Blechschild 35′ als Blende zu benutzen (Fig. 3). Dies ist besonders kostengünstig, hat aber den Nachteil, daß das Saugvermögen etwas vermindert wird. Eine zwischen der Blende 35 und der Abschirmung 15 gebildete Durchlaßöffnung 51 ermöglicht einen maximalen Zutritt der Gasmoleküle zur Kühlfläche 17, ohne daß eine direkte Wärmeeinstrahlung von der Eintrittsöffnung 22 her zur Kühlfläche 17 erfolgen kann. Dank der Durchlaßöffnung 51 weist die Kryopumpe einen hohen Leitwert auf, so daß sie gegenüber bekannten Kryopumpen ein wesentlich höheres Molekular-Saugvermögen besitzt.

Die in der Fig. 4 dargestellte Kryopumpe ist praktisch gleich gebaut wie jede der Fig. 1 und 2, besitzt aber eine Stelleinrichtung 55, mit welcher der Kühlkopf 13 mit der inneren Kühlfläche 17 und der äußeren Kühlfläche, der Abschirmung 15, um die Achse 20 gedreht werden kann.

Betrachtet man Fig. 2, so läßt sich leicht erkennen, daß mit einer Stelleinrichtung 55, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist, der Kühlkopf 13 mit der Abschirmung 15 so gegenüber der Eintrittsöffnung 22 verdreht werden kann, daß sich der Gaszutritt zu der inneren Kühlfläche 17 stufenlos regulieren läßt. Trotzdem bleibt in jeder Stellung das Saugvermögen für Wasserdampf vollumfänglich aufrechterhalten, weil keine Drossel mehr benötigt wird, welche den Querschnitt vor dem Anschlußflansch 23 verengen würde.

Die Stelleinrichtung 55 besteht im wesentlichen aus einem Stellmotor 56, einem vom Stellmotor 56 antreibbaren Zahnrad 57, und einem mit dem Zahnrad 57 in Eingriff stehenden Zahnrad 58, das mit dem Kühlkopf 13 verbunden ist. Das Zahnrad 58 besitzt eine Nabe 59, welche mittels Gleitlager 60 in einem Stutzen 62 des Flansches 27 drehbar gelagert ist. Eine Dichtung 64 ist mittels eines Ringes 66 und Schrauben (nicht eingezeichnet) am Flansch 27 befestigt.

In Fig. 4 ist auch eine zwischen dem Gehäuse 19 und dem Flansch 27 angeordnete Dichtung 67 ersichtlich.

Fig. 5 zeigt schematisch den Aufbau einer Prozeßanlage, z. B. einer Load Lock Sputteranlage, mit einer Kyropumpe 10, deren Saugvermögen der Prozeßgase mittels der Stelleinrichtung 55 gedrosselt werden kann, ohne daß aber das Saugvermögen für den prozeßschädlichen Wasserdampf reduziert wird. Mittels einer Prozeßsteuerung 59 kann über einen Druckmeßkopf 61 oder ein oder mehrere Gaseinlaßventile 63, oder über die Stelleinrichtung 55 der Kyropumpe 10 der Prozeß so gesteuert werden, daß ohne zusätzliches Drosselventil zwischen der Kryopumpe 10 und der Prozeßkammer 65 die Prozeßparameter optimal eingehalten werden können. Auf diese Weise kann die Kryopumpe 10 vor Überlastung geschützt und der Prozeßgasverbrauch erheblich reduziert werden.

Claims (10)

1. Kryopumpe mit einem Gehäuse (11), welches eine Eintrittsöffnung (22) aufweist, einem im Gehäuse (11) angeordneten zweistufigen Kühlkopf (13), mindestens einer Kühlfläche (17), welche an die zweite Stufe (37) des Kühlkopfs (13) angeschlossen ist, einer eine Öffnung (18) aufweisenden Abschirmung (15) und einer Blende (35, 35′, 43), welche an die erste Stufe (33) angeschlossen sind, um als Strahlungsschutz für die Kühlfläche (17) der zweiten Stufe (37) zu dienen, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmung (15) und das Gehäuse (11) relativ zueinander beweglich sind, um die Öffnung (18) in der Abschirmung (15) relativ zur Eintrittsöffnung (22) zu verschieben.

2. Kryopumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsöffnung (22) in einem rechten Winkel zur Pumpenachse (20) angeordnet ist.

3. Kryopumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmung (15) die Form eines oben und unten abgeschlossenen Zylindermantels aufweist, der seitlich eine der Eintrittsöffnung (22) des Gehäuses (11) zugewandte Öffnung (18) besitzt, und daß die Blende (35, 35′, 43) die Kühlfläche (17) der zweiten Stufe (37) gegen die Eintrittsöffnung (22) hin abschirmt.

4. Kryopumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (35, 35′, 43) näher bei der Kühlfläche (17) der zweiten Stufe (37) als die Abschirmung (15) angeordnet ist.

5. Kryopumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende durch einen Blechschild (35′) gebildet ist.

6. Kryopumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (35) durch in Abstand voneinander angeordnete Lamellen (43) gebildet ist.

7. Kryopumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlfläche (17) der zweiten Stufe (37) durch einen Zylindermantel gebildet ist, der mit einem Absorptionsmaterial belegt ist.

8. Kryopumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (35′) konzentrisch zur Kühlfläche (17) der zweiten Stufe (37) angeordnet ist.

9. Kryopumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stelleinrichtung (55) vorgesehen ist, um die Abschirmung (15) im Gehäuse (11) zu drehen.

10. Kryopumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stelleinrichtung vorgesehen ist, um die Abschirmung (15) im Gehäuse (11) axial zu verschieben.