DE69814312T2

DE69814312T2 - Getter-pumpe zur stromaufwärts-verwendung in der nähe und koaxial zu einer turbomolekularpumpe

Info

Publication number: DE69814312T2
Application number: DE69814312T
Authority: DE
Inventors: Roberto Giannantonio; Andrea Conte
Original assignee: SAES Getters SpA
Current assignee: SAES Getters SpA
Priority date: 1997-06-17
Filing date: 1998-06-11
Publication date: 2004-03-25
Anticipated expiration: 2018-06-12
Also published as: RU2199027C2; KR20000068123A; CA2263559A1; ITMI971420A0; KR100544591B1; WO1998058173A1; CN1103871C; EP0918934A1; EP0918934B1; IT1292175B1; CN1229456A; DE69814312D1; ITMI971420A1; JP2000517031A; US6074171A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Getterpumpe, die insbesondere zur Verwendung stromaufwärts in der Nähe und koaxial in Bezug auf eine Turbomolekularpumpe geeignet ist.
Die Getterpumpen sind statische Pumpen, d. h., sie besitzen keine sich bewegenden Elemente, und ihre Arbeitsweise beruht auf der Chemisorption von reaktiven Gasen wie Sauerstoff, Wasserstoff, Wasser und Kohlenoxiden durch Elemente, die aus nicht verdampfbaren Gettermaterialien (die auf diesem Gebiet als NEG-Materialien bekannt sind) hergestellt sind. Die wichtigsten Gettermaterialien sind auf Zirkonium oder Titan basierende Legierungen.
Die Getterpumpen zum Erzeugen und Halten des Hochvakuums in einer abgeschlossenen Umgebung arbeiten fast immer in Kombination mit anderen Pumpen; insbesondere erfolgt die erste Hochdruckpumpstufe durch mechanische Pumpen wie Rotations- oder Diffusionspumpen, während Getterpumpen in Kombination mit chemischen Ionen-, Kryo- oder Turbomolekularpumpen zum Erreichen eines Hochvakuums verwendet werden können.
Es ist besonders vorteilhaft, Getterpumpen mit Turbomolekularpumpen zu kombinieren. Tatsächlich nimmt die Leistungsfähigkeit von Turbomolekularpumpen mit der Abnahme des Molekulargewichts des Gases ab, und daher ist ihre Leistungsfähigkeit bei Wasserstoff, der eines der Gase ist, die hauptsächlich zum Restdruck in evakuierten Systemen im mittleren Vakuumbereich beitragen, und der das Hauptrestgas bei Drücken von weniger als 10^–9hPa ist, gering.
Andererseits sind die Getterpumpen beim Pumpen von Wasserstoff, besonders in Temperaturbereichen von Raumtemperatur bis zu etwa 300°C, besonders wirksam. Daher ist die Kombination aus einer Getterpumpe und einer Turbomolekularpumpe durch das Kombinieren unterschiedlicher Verhaltensweisen in bezug auf die Gase, die im System vorhanden sind oder jedenfalls zu entfernen sind, eine optimale Lösung für das Problem des Evakuierens einer Kammer. Diese Kombination ist insbesondere vorteilhaft, falls die zu evakuierende Kammer eine Arbeitskammer ist, die für Hochvakuumtätigkeiten verwendet wird, wie beispielsweise eine Kammer einer Prozessmaschine der Halbleiterindustrie.
Eine Getterpumpe, die in Kombination mit einer Turbomolekularpumpe verwendet wird, ist beispielsweise in der japanischen Patentveröffentlichung JP-A-02-215977 beschrieben; die Getterpumpe gemäß Dokument umfasst einen Metallträger, der ziehharmonikaartig gefaltet ist und an zumindest einer Oberfläche davon mit einem Gettermaterial beschichtet ist. Diese Getterpumpe ist direkt im Durchgang zwischen der zu evakuierenden Kammer und der Turbomolekularpumpe angebracht. Diese Anordnung weist jedoch einige Probleme und Nachteile auf:

– die Getterelemente, die die Pumpe bilden, werden im Allgemeinen durch Verdichten von NEG-Materialpulvern hergestellt; die Getterpumpe kann daher leicht Partikel verlieren, die möglicherweise die Schaufeln der Turbomolekularpumpe treffen und sie beschädigen oder ein Festklemmen, dass sie zwischen den Rotor und den Stator gelangen der Pumpe dadurch verursachen;
– das Einfügen einer Getterpumpe zwischen die zu evakuierende Kammer und die Turbomolekularpumpe führt im Allgemeinen zu einer Abnahme der Gasdurchlässigkeit zu letzterer;
– wenn die Getterpumpe arbeitet, muss das nicht verdampfbare Gettermaterial auf Temperaturen von etwa 200 bis 300°C gehalten werden; zu diesem Zweck wurde es bisher durch Bestrahlung von innerhalb der Pumpe her durch Lampen oder Filamentwiderstände, die auf einen im Allgemeinen keramischen Träger gewickelt waren, oder von außerhalb der Pumpe her durch geeignete Heizelemente, die auf dem Pumpenkörper angeordnet waren, erhitzt; es könnte also auch zu einem Anstieg der Temperatur der Turbomolekularpumpe kommen, der zu einer Ausdehnung der Schaufeln über die (darüber hinaus äußerst geringen) zulässigen Abweichungen, die für eine gute Pumpenarbeitsweise annehmbar sind, hinaus führt. Andererseits würde das Erhöhen des Abstands zwischen den Pumpen oder die Aufnahme von Wärmeabschirmungen zwischen den Pumpen, um die Wirkung des Anstiegs der Temperatur der Turbomolekularpumpe zu verringern, zu einer unannehmbaren Verringerung der Gasdurchlässigkeit führen.

Aus diesen Gründen wurden die beiden Pumpen bisher niemals in Reihe angeordnet, sondern wurden stets durch Flansche an zwei verschiedenen Öffnungen der zu evakuierenden Kammer angebracht.
Ein anderer Nachteil, der jedoch weniger bedeutend als die oben Angegebenen ist, war der Umstand, dass durch die Verwendung der erwähnten Heizsysteme notwendigerweise Thermoelemente an der Getterpumpe bereitgestellt werden mussten, um die Temperatur des aktiven Materials zu messen, wodurch komplexe Dichtigkeitsprobleme in Bezug auf die Drähte, die aus einer Vakuumumgebung herausführen müssen, zu lösen waren.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die angeführten Nachteile durch eine Getterpumpe zu lösen, die in einem Aufbau, der die zu evakuierende Kammer und eine Turbomolekularpumpe verbindet, stromaufwärts, in der Nähe und koaxial in Bezug auf die Turbomolekularpumpe angeordnet ist, wie auch den Verlust von Partikeln zu verringern, die Leitfähigkeitsverringerung auf ein Mindestmaß zu verringern und den indirekten Anstieg der Temperatur der Turbomolekularpumpe auf ein Mindestmaß zu verringern, und dadurch eine verbesserte Pumpleistung der Anordnung zu gewährleisten.
Darüber hinaus kann die Temperatur der Getterpumpe gemäß der Erfindung mit hoher Reproduzierbarkeit durch direkte Widerstandsmessungen von der Außenseite der Pumpe her gemessen werden, ohne dass Thermoelemente oder Drähte, die durch den Pumpenkörper verlaufen, verwendet werden müssen.
Diese und andere Aufgaben, Vorteile und Merkmale der Getterpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung, wie sie in Anspruch 1 definiert ist, werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform davon klarer werden, über die durch nicht beschränkende Beispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen berichtet wird, in denen:
1a eine Schnittansicht des Stahlgehäuses oder Stutzens zeigt, in den die Getterpumpe gemäß der Erfindung eingesetzt werden soll, die in 1b ebenfalls in einer Schnittansicht in der Nähe des Aufbaus von 1a dargestellt ist;
2 eine Schnittansicht der zusammengesetzten Getterpumpe zeigt, die dem Zusammensetzen der 1a und 1b entspricht;
3 eine Ansicht der Anordnung von 2 von der linken Seite her zeigt; und
4 eine Ansicht dieser Anordnung von der rechten Seite her zeigt.
Unter Bezugnahme auf die Figuren ist die Getterpumpe gemäß der Erfindung aus einer im Wesentlichen zylinderförmigen Kassette 10 gebildet, die zwei Metallringe 12, 12a aufweist, die zueinander parallel und an den gegenüberliegenden Seiten des Zylinders angeordnet sind, in Bezug auf die Pumpe koaxial sind und in Bezug auf ihren Körper außenliegend sind, und an der Innenwand der Kassette 10 befestigt sind. An den Ringen 12 sind die gegenüberliegenden Enden der eigentlichen Gettereinrichtung befestigt, die aus einem länglichen Metallelement gebildet ist, das mit Gettermaterial beschichtet ist, vorzugsweise zickzack- oder spulenförmig ist, und Biegungen 18 oder Wendebereiche aufweist, die Befestigungs- und Wärmeisolierungspunkten 16 und 16a an den Ringen 12 und 12a entsprechen. Somit liegt die Gettereinrichtung 20 in einem Randbereich der Kassette 10, die einen im Wesentlichen ringförmigen Aufbau aufweist, wobei alle Getterelemente in der Nähe der Innenwand der Kassette 10 angeordnet sind, um die Verringerung der Leitfähigkeit oder des Durchgangsbereichs des Gasflusses durch sie hindurch auf ein Mindestmaß zu verringern. Es sollte beachtet werden, dass die Gettereinrichtung 20 anstelle aus einem zickzack- oder spulenförmigen einstückigen Element aus einem Satz von Getterelementen gebildet sein kann, die hintereinander an Befestigungspunkten 16, 16a mit den Ringen 12, 12a miteinander verbunden sind. Für beide Fälle gilt, dass das einstückige fortlaufende Getterelement 20 oder die verschiedenen Elemente, die in Serie miteinander verbunden sind, um die Gettereinrichtung bereitzustellen, aus einem schraubenartigen Metallkern gebildet sind, der vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise als eine Spiralfeder geformt ist, deren Achse mit der Richtung übereinstimmt, die sich aus den Zeichnungen ergibt. Das Gettermaterial kann durch Einsetzen des schraubenartigen Metallkerns in eine passende Form, Eingießen von Pulvern des gewünschten Gettermaterials in die Form und Sintern der Pulver in der Form, beispielsweise durch Einbringen in einen Ofen, auf diesen Metallkern aufgebracht werden. Es können viele verschiedene Gettermaterialien verwendet werden, die im Allgemeinen Titan und Zirkonium, ihre Legierungen mit einem oder mehreren Elementen, die aus den Übergangsmetallen und Aluminium gewählt werden, und Gemische aus einer oder mehreren dieser Legierungen und Titan und/oder Zirkonium umfassen, wobei die Verwendung von Titan und Titan-Vanadium-Legierungen bevorzugt ist. Diese Materialien sind bevorzugt, da ihre Pulver leicht gesintert werden und da Getterelemente, die unter Verwendung dieser Materialien hergestellt sind, gute mechanische Eigenschaften und praktisch keinen Verlust an Partikeln aufweisen, während sie ihre porösen Eigenschaften beibehalten, um eine hervorragende Sorptionskapazität zu gewährleisten.
Sowohl im Falle einer Gettereinrichtung 20, die aus einem einstückigen fortlaufenden Element mit U-förmigen Biegungen gebildet ist, als auch bei mehreren unterschiedlichen Elementen, die in Reihe, beispielsweise in einer Zickzackanordnung angeordnet sind, weist die Gettereinrichtung 20 jedoch zwei Enden 22 auf, die einander benachbart sind und an der gleichen Seite der Kassette 10 liegen, wodurch die ununterbrochene Folge des Elements 20 unterbrochen ist. Die Enden 20 ragen zueinander parallel von einer Seite der Kassette 10 vor, um in eine Zuführungsbox 24 im Gehäuse 30 oder in einen Verbindungs"stutzen" zwischen der zu evakuierenden Kammer und der (nicht gezeigten) Turbomolekularpumpe eingesetzt zu werden, was nachstehend unter Bezugnahme auf 1a beschrieben werden wird. Der Verbindungsstutzen ist aus einem Zylinder gebildet, der aus Edelstahl hergestellt ist, einen Durchmesser aufweist, der geringfügig größer als der Außendurchmesser der Kassette 10 ist, und an seinen Enden mit zwei Flanschen 32 und 34 versehen ist, die Durchgangslöcher aufweisen, die für Befestigungselemente wie Schrauben und Bolzen vorgesehen sind. Die Box 24 ist so weit vom Flansch 32, durch den die Kassette 10 eingesetzt wird, entfernt angeordnet, dass die Enden 22 nach der Durchführung des Zusammensetzens darin wie Stecker in einer Fassung eingesetzt sind. An der gegenüberliegenden Seite weist die Box 24 dicht am Flansch 34 ein Paar von Klemmen 26 auf, die nach außen gerichtet sind, und an denen äußere Versorgungsleiter 28 angeschlossen sind, wie in 4 besser sichtbar ist.
Die Getterpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung, die insbesondere zur Verwendung stromaufwärts und in der Nähe von Turbomolekularpumpen geeignet ist, ist sowohl mit stromaufwärts als auch stromabwärts gelegenen Ventilen (nicht dargestellt) versehen, um ein Absperren der Pumpe von der zu evakuierenden Kammer, von der Turbomolekularpumpe oder von beiden zu gestatten, wie es manchmal zum Bewegen, Ersetzen oder Warten der Getterpumpe erforderlich ist.
Beispielsweise sind sowohl die stromaufwärts als auch die stromabwärts von der Getterpumpe gelegenen Ventile geschlossen, während die Pumpe bewegt wird oder an ihrer Arbeitsposition angebracht wird. Im Fall von Wartungsarbeiten an der Turbomolekularpumpe oder wenn in bestimmten Verfahrensschritten die Verwendung der Getterpumpe ausreicht, obwohl das System normalerweise auch die Turbomolekularpumpe benötigt, könnte es nützlich sein, wenn das stromaufwärts (zur zu evakuierenden Kammer hin) gelegene Ventil geöffnet und das zur Turbomolekularpumpe hin gelegene Ventil geschlossen ist.
Im Gegensatz dazu kann ein Absperren der Getterpumpe von der Arbeitskammer mit offenem Ventil zur Turbomolekularpumpe hin zur Regeneration der Getterpumpe nützlich sein. Tatsächlich ist dies Letztere besonders für die Wasserstoffsorption nützlich, die eine Gleichgewichtserscheinung ist; die durch ein Gettermaterial sorbierte Wasserstoffmenge nimmt mit dem Abnehmen der Temperatur und mit dem Ansteigen des Wasserstoffpartikeldrucks im umgebenden System zu. Somit ist es durch Erhöhen der Temperatur eines Getters, der eine große Wasserstoffmenge sorbiert hat, und durch Betreiben unter Pumpbedingungen, in diesem Fall beispielsweise durch Verwenden einer Turbomolekularpumpe, möglich, das Gas aus dem Getter entweichen zu lassen und diesen dadurch zu regenerieren.
Die Turbomolekularpumpe kann jedoch durch ein Überhitzen beschädigt werden, wenn sie bei einem zu hohen Gasdruck arbeitet, was während der Regeneration der Getterpumpe vorkommen kann. Um einen solchen Nachteil zu verhindern, ist es möglich, das Getterelement (oder die Elemente) langsam zu erhitzen, so dass auch der Wasserstoffdruck langsam zunimmt und, unter Berücksichtigung der Pumprate, keine kritischen Drücke erreicht. Stattdessen kann die Leitfähigkeit zwischen der Getterpumpe und der Turbomolekularpumpe durch Betätigen des dazwischen angeordneten Ventils verringert werden.
Es sollte beachtet werden, dass der Verlust von Partikeln vom Gettermaterial, mit dem das Element 20 beschichtet ist, wie oben erwähnt sehr gering ist, da das Produkt in einem Hochtemperaturofen gesintert wurde. Daher ist es anders als bei den Getterpumpen des Stands der Technik möglich, die Getterpumpe und die Turbomolekularpumpe in Reihe anzuordnen.
Darüber hinaus sollte hinsichtlich der indirekten Messung der Temperatur durch die direkte Widerstandsmessung des inneren Filaments des Elements 20 beachtet werden, daß eine geeignete Kurve von Widerstand und Temperatur erhalten wird, die eine besonders gute zulässige Abweichung aufweist, da das innere Filament, das das Gettermaterial trägt, und das darauf aufgebrachte Getterpulver durch gesteuerte Verfahren hergestellt werden, die eine hohe Reproduzierbarkeit aufweisen. Es ist daher möglich, für den Erhalt der Temperaturwerte der Gettereinrichtung ohne Thermoelemente auszukommen.
Da die Getterpumpe durch einen direkten Durchgang von Strom in Serie erhitzt wird, ist schließlich die Hitzeabsorption durch die Turbomolekularpumpe sehr gering, da sie nur durch die Bestrahlung durch die Getterelemente in einer Vakuumumgebung verursacht wird, die viel geringer als die Bestrahlung durch eine Lampe ist.

Claims

Getterpumpe, umfassend eine nicht verdampfbare Gettereinrichtung (20), die ein längliches Metallelement beinhaltet, das mit einem porösen nicht verdampfbaren Gettermaterial beschichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Gettereinrichtung (20) in einem ringförmigen Randbereich einer zylinderförmigen Kassette (10) liegt, die koaxial innerhalb eines zylinderförmigen Aufbaus oder Stutzens (30) aus Stahl angebracht ist, welcher zwischen einer zu evakuierenden Arbeitskammer und einer Turbomolekularpumpe angeordnet werden kann, wobei das Metallelement eine spulen-, zickzack- oder schraubenartige Form aufweist, auf die das nicht verdampfbare Gettermaterial gesintert ist, und die Gettervorrichtung (20) durch direkte Zuführung von elektrischem Strom zum schraubenartigen Metallelement erhitzt wird.
Getterpumpe nach Anspruch 1, wobei die Gettervorrichtung (20) aus einem einstückigen fortlaufenden Element gebildet ist, das sich zwischen zwei benachbarten Enden (22) erstreckt und mit Biegungen (18, 18a) oder Zickzack-Wendungen eine im Wesentlichen zylinderförmige Oberfläche nahe und koaxial in Bezug auf die innere Oberfläche der Kassette (10) bildet.
Getterpumpe nach Anspruch 1, wobei die Gettervorrichtung (20) aus einer Folge von Elementen in einer Zickzack-Anordnung gebildet ist, die an zwei benachbarten Punkten (22) beginnt und endet, wodurch eine im Wesentlichen zylinderförmige Oberfläche nahe der inneren Oberfläche der Kassette (10) gebildet wird, die in den Wendungsbereichen (18, 18a) miteinander verbunden sind.
Getterpumpe nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei die Biegungen oder Wendepunkte (18, 18a) abwechselnd durch Befestigungsmittel (16, 16a) an gegenüberliegenden Seiten an jeweiligen Flanschen oder Ringen (12, 12a) befestigt sind, die zueinander parallel nahe den gegenüberliegenden Sockeln der Kassette (10) angebracht sind.
Getterpumpe nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Endpunkte (22) gesondert und räumlich um einen geringen Abstand voneinander getrennt an der gleichen Seite der Kassette (10) liegen und aus zwei parallelen Steckern gebildet sind.
Getterpumpe nach Anspruch 5, wobei sich im zylinderförmigen Stutzen (30) eine Zuführungsbox (24) mit einer Fassung zum hindurchgehenden Einsetzen der Stecker (22) befindet, sobald die Kassette (10) innerhalb des Stutzens angebracht ist, welche mit Klemmen (26) zur Befestigung von mit einer externen Versorgung verbundenen elektrischen Leitern versehen ist.
Getterpumpe nach Anspruch 1, umfassend Absperrventile stromaufwärts zur zu evakuierenden Arbeitskammer hin und stromabwärts zur Turbomolekularpumpe hin.