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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Turbomolekularpumpen, die
in Verbindung mit Primärpumpen
ein Feinvakuum in einem Rezipienten erzeugen und aufrechterhalten
können.
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Im
Regelfall umfassen die Turbomolekularpumpen einen Rotor und einen
Stator mit mehreren Stufen, wobei der Rotor von Lagern gehalten
wird. Der Gasdruck steigt im Rezipient von Innen nach Außen und
von einer Stufe zur nächsten
progressiv an, die Stufen im Innenbereich des Rezipienten sind Niederdruckstufen,
wohingegen die Stufen in der Nähe des
Rezipientenausgangs Hochdruckstufen sind.
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Wenn
diese Turbomolekularpumpen Magnet- oder Gaslager zum Halten des
Rotors besitzen, besteht ein charakteristisches Kennzeichen dieser Pumpen
darin, dass der Rotor faktisch isoliert ist und demzufolge besteht
eine elektrische Isolierung gegenüber dem Stator und dem Pumpenkörper, der
unter der Bezugsspannung steht, d.h. die Erdung der Ausrüstung gewährleistet.
Eine mehrstufige Turbomolekularpumpe mit Rotor und Stator auf Magnetlagern
ist aus dem Dokument
EP
0 695 873 A bekannt.
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Turbomolekularpumpen
werden häufig
in Geräten
zur Plasmaätzung
oder zum Plasmaüberzug in
der Halbleiterfertigung eingesetzt.
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Wenn
diese Turbomolekularpumpen in Verfahren der Plasmaätzung oder
des Plasmaüberzugs eingesetzt
werden, ist festzustellen, dass sich unter Umständen Ablagerungen aus Folgeprodukten
bilden können.
wenn z.B. eine Turbomolekularpumpe in einer Anlage zur Plasmaätzung von
Halbleitern eingesetzt wird, können
sich durch die Ätzung
der Harzmasken entstehende Rückstände auf
der Innenfläche
des Rotors oder des Stators, besonders auf den Hochdruckstufen der
Turbomolekularpumpe absetzen.
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Außerdem stehen
die Turbomolekularpumpe und insbesondere der Rotor während der
Verfahren der Plasmaätzung
oder des Plasmaüberzugs
in direktem Kontakt zum Plasma. Deshalb hat der elektrisch isolierte
Rotor einen anderen Spannungswert als die Erdungsspannung.
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Die
Druckbedingungen im Hochdruckbereich der Turbomolekularpumpe, kombiniert
mit dem geringen Abstand zwischen Rotor und Stator und deren Spannungsunterschied,
führen
zu elektrischen Entladungen zwischen dem Rotor und dem Stator. Sofern keine
Ablagerungen vorhanden sind, verteilen sich diese Entladungen gleichmäßig auf
den Oberflächen des
Rotors und des Stators und wirken sich nicht nachteilig aus.
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Wenn
sich jedoch Ablagerungen bilden, stören sie aufgrund ihrer Spurenbildung
die Entladungen, und es entstehen Bereiche, wo sich Lichtbogen aufbauen,
in denen eine hohe Stromdichte herrscht, die eine rasche Abnutzung
des Rotors verursacht.
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Es
wurden bereits verschiedene Versuche unternommen, um dieses Problem
zu lösen.
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In
einer ersten Lösung
wurde zwischen der Turbomolekularpumpe und dem Plasma im Rezipienten
ein geerdetes Gitter eingefügt.
Die hohe Dichte der verwendeten Plasmen erforderte jedoch die Verwendung
von Gittern mit einer sehr geringen Ganghöhe, möglichst unter 100 μm. Unter
diesen Bedingungen führt
der Einbau eines Gitters jedoch zum Rückgang der Leitfähigkeit
der Pumpe und zur merklichen Veränderung
der Pumpgeschwindigkeit. Außerdem
ist ein Gitter mit sehr geringer Ganghöhe der ideale Sitz für Ablagerungen,
aus denen Partikel entstehen können,
die sich nachteilig auf die im Rezipienten durchzuführenden
Fertigungsverfahren auswirken.
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In
einem weiteren Lösungsversuch
sollte die Bildung von Ablagerungen vermieden werden, indem die
Temperatur der Turbomolekularpumpe erhöht wird, um damit Ablagerungen
durch Kondensation zu verhindern. Aufgrund der verwendeten Materialien und
der hohen Drehzahl des Rotors werden jedoch schnell Temperaturen
erreicht, die bei den Materialien Kriecheffekte verursachen, die
zur Zerstörung der
Pumpe führen,
ohne die Ablagerungen wirksam zu verhindern.
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Die
Aufgabe, die mit der vorliegenden Erfindung gelöst werden soll, besteht darin,
die Bildung von Ablagerungen zu verhindern, die die elektrischen Entladungen
stören,
die im Inneren einer Turbomolekularpumpe auftreten, die Magnet-
oder Gaslager enthält
und an einen Plasma-Rezipienten angeschlossen ist, ohne die Geschwindigkeit
der Pumpe oder das Fertigungsverfahren im Inneren des Rezipienten
merklich zu verändern.
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Deshalb
hat die vorliegende Erfindung das Ziel, andere Einrichtungen zu
entwickeln, die, ohne Einbau eines Zwischengitters und ohne merkliche Temperaturerhöhung, die
Bildung von störenden
Ablagerungen in einer Turbomolekularpumpe mit Magnet- oder Gaslagern,
die an einen Plasma-Rezipienten angeschlossen ist, verhindern.
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Um
dieses und weitere Ziele zu erreichen, umfasst die vorliegende Erfindung
ein Verfahren, das die Bildung von Ablagerungen verhindert, die
die elektrischen Entladungen zwischen dem Rotor und dem Stator im
Inneren einer mehrstufigen Turbomolekularpumpe mit Magnet- oder
Gaslagern stören könnten; gemäß diesem
Verfahren wird an zumindest einer dafür geeigneten Stelle ein aktives
Gas in die Turbomolekularpumpe geleitet, das mit den Molekülen, die
Ablagerungen bilden, reagiert und Gasverbindungen eingeht, die von
der Turbomolekularpumpe abgepumpt werden.
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Wenn
ein aktives Gas gewählt
wird, das unter der Einwirkung der elektrischen Entladungen zwischen
Rotor und Stator abgesondert und/oder aktiviert wird, um mit den
Molekülen,
die Ablagerungen bilden, zu reagieren, wird ein besonders hoher
Wirkungsgrad erzielt.
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Gemäß dem Verfahren
wird das aktive Gas nur in die Stufen gepumpt, in denen sich Ablagerungen
bilden könnten.
Im Regelfall sind dies die Hochdruckstufen der Turbomolekularpumpe.
In der Praxis kann das aktive Gas den letzten Turbomolekularstufen
und/oder, sofern vorhanden, der Holweck-Stufe zugeführt werden.
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In
zahlreichen Anwendungen kann das verwendete aktive Gas vorzugsweise
Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gas sein. Tatsächlich ist
es so, dass der Sauerstoff unter der Einwirkung der elektrischen
Entladungen abgesondert wird und hoch reaktive Sauerstoffatome bildet,
die sich vorwiegend mit den organischen Rückständen aus dem Fertigungsverfahren
verbinden, um leicht flüchtige
Moleküle
wie Kohlenmonoxid, Kohlendioxid oder Wasser zu bilden, die gleichzeitig
mit den anderen, aus dem Plasma-Rezipienten stammenden Gasverbindungen
abgeleitet werden.
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Gemäß der Erfindung
wird für
die Umsetzung dieses Verfahrens eine mehrstufige Turbomolekularpumpe
mit Rotor und Stator auf Magnet- oder Gaslagern verwendet; die Turbomolekularpumpe umfasst
Pumpvorrichtungen, die an zumindest einer dafür geeigneten Stelle installiert
sind und die ein aktives Gas zuleiten, das mit den Molekülen, die
Ablagerungen bilden, reagiert und Gasverbindungen eingeht, die von
der Turbomolekularpumpe abgepumpt werden.
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Von
Vorteil ist es, wenn die Turbomolekularpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung
zumindest eine Gaszuführung
besitzt, um das aktive Gas in den Gasdurchfluss zwischen dem Rotor
und dem Stator in die letzten Turbomolekularstufen und/oder, sofern vorhanden,
in die Holweck-Stufe zu leiten.
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Von
Vorteil ist es, wenn die Turbomolekularpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung
an eine externe Gasversorgung und an Steuereinrichtungen angeschlossen
werden kann, über
die eine zur Verhinderung von Ablagerungen ausreichende Menge aktiven
Gases zugeführt
wird.
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Aus
der nachfolgenden Beschreibung besonderer Ausführungsvarianten gehen weitere
Ziele, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung hervor.
Diese Beschreibung erfolgt in Zusammenhang mit der beiliegenden,
als Längsschnitt durch
die Rotationsachse angefertigten Schemazeichnung des Aufbaus einer
Hybrid-Turbomolekularpumpe, die einer Anwendung der vorliegenden
Erfindung entspricht.
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In
der Ausführungsvariante
gemäß 1 umfasst
die Turbomolekularpumpe gemäß der vorliegenden
Erfindung eine herkömmliche,
mehrstufige Hybrid-Struktur mit einem Stator 1 und einem
Rotor 2. Der Stator 1 weist oben eine Öffnung mit
Ansaugstutzen 3 auf, innen eine Aussparung, die der Aufnahme
des Rotors 2 dient, und unten einen ringförmigen Raum 4 zum
Sammeln des abgepumpten Gases, der mit einer unteren, seitlichen
Auslassöffnung 5 verbunden
ist.
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In
der Ausführungsvariante
gemäß 1 umfasst
der Stator 1 nach dem Ansaugstutzen 3 mehrere
Stufen mit statischen Schaufelblättern,
wie die Stufen 6 und 7, gefolgt von einer Holweck-Statorstufe 8 mit
einem externen röhrenförmigen Teilstück 9 sowie
einem internen röhrenförmigen Teilstück 10 des
Holweck-Stators, die koaxial verlaufen und in dem Boden 11 zusammengeführt werden,
um einen ringförmigen
Abzug zu bilden, der mit dem ringförmigen Raum 4 verbunden
ist.
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Der
Rotor 2 und die Welle 12 sind aus einem Stück gefertigt,
das von Magnet- oder Gaslagern 13 und 14 getragen
wird, die axiale Drehbewegung wird auf bekannte Weise durch Spulen
ausgelöst,
die die Wicklungen des Stators und des Rotors eines Elektromotors 15 darstellen.
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Der
Rotor 2 umfasst mehrere Stufen, davon einige mit rotierenden
Schaufelblättern 16, 17 und 18,
gefolgt von einem röhrenförmigen Holweck-Rotor 19,
der in dem ringförmigen
Abzug zwischen dem externen röhrenförmigen Teilstück 9 und
dem internen röhrenförmigen Teilstück 10 des
Holweck-Stators 8 verläuft.
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Die
verschiedenen Stufen der Turbomolekularpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung
können wie
die Stufen herkömmlicher
Turbomolekularpumpen aufgebaut sein.
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Bei
dem Aufbau einer Turbomolekularpumpe gemäß der 1 ist davon
auszugehen, dass die ersten Turbomolekularstufen, die von den Schaufelblättern des
Stators 6 und 7 sowie von den Schaufelblättern des
Rotors 16 und 17 gebildet werden, die Niederdruckstufen
sind, und dass die Turbomolekularstufe mit den Schaufelblättern des
Stators 7 und des Rotors 18 sowie der Holweck-Stufe 8–10 und 19 die
Hochdruckstufen sind. Bei den Hochdruckstufen sind die Abstände zwischen
den Oberflächen
des Stators 1 und des Rotors 2 gering, und die
Höhe des Gasdrucks
ist so ausgelegt, dass die Voraussetzungen für die Bildung elektrischer
Entladungen zwischen dem elektrisch isolierten Rotor 2 mit
pendelnder Spannung und dem geerdeten Stator 1 gegeben sind.
Gleichzeitig können
sich Ablagerungen von Feststoffen jeweils gegenüber dem Stator 1 und
dem Rotor 2 bilden, und dies besonders auf den Oberflächen der
Hochdruckstufe mit den Schaufelblättern 7 und 8 sowie
auf der Holweck-Stufe 8–10 und 19.
Die Verbindungsstelle zwischen dem externen röhrenförmigen Teilstück 9 des
Holweck-Stators 8 und der Stufe des röhrenförmigen Holweck-Rotors 19 kann
besonders stark von der Bildung von Ablagerungen betroffen sein.
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Die
Turbomolekularpumpe gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst außerdem
Pumpvorrichtungen, die an zumindest einer dafür geeigneten Stelle installiert
sind und ein aktives Gas zuleiten, das mit den Molekülen, die
Ablagerungen bilden, reagiert und Gasverbindungen eingeht, die von
der Turbomolekularpumpe abgepumpt werden. Das aktive Gas muss in
die Bereiche der Verbindungen zwischen dem Stator 1 und
dem Rotor 2 gelangen, weil dort am ehesten Ablagerungen
entstehen können.
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Gemäß der Darstellung
in 1 umfasst die Turbomolekularpumpe außerdem zumindest
eine Gaszuführung 20,
die so positioniert ist, dass das aktive Gas zwischen den Rotor 2 und
den Stator 1 in die Hochdruckstufen der Turbomolekularpumpe
geleitet wird.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsvariante
wird das aktive Gas über
eine Gaszuführung 20 in
die Hochdruck-Turbomolekularstufe geleitet, damit es sich von dort
aus in die nachfolgende Holweck-Stufe
ausbreitet.
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Gemäß der Ausführungsvariante,
die in der Abbildung mit durchgezogenen Linien dargestellt ist, wird
das aktive Gas über
eine Gaszuführung 20 an den
Einlass 21 der Holweck-Stufe und über eine Abzweigung 20a der
Gaszuführung
in einen oben gelegenen, ringförmigen
Raum geleitet.
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Die
in 1 dargestellte Turbomolekularpumpe ist an eine
externe Gasversorgung 22 und an Steuereinrichtungen 23 angeschlossen,
um zu gewährleisten,
dass exakt die Menge aktiven Gases zugeführt wird, die zur Verhinderung
von Ablagerungen erforderlich ist, die auf die elektrischen Entladungen zwischen
dem Stator 1 und dem Rotor 2 störend wirken
können.
Diese Steuerung umfasst ein geeichtes Ventil oder ein Mikroventil,
anhand dessen die Durchflussmenge des aktiven Gases permanent oder
temporär
einzustellen ist.
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Alternativ
kann das aktive Gas über
eine Abzweigung 20b der Gaszuführung in eine Zwischenposition
der Holweck-Stufe oder über
eine Abzweigung 20c der Gaszuführung in den unteren ringförmigen Raum 4 geleitet
werden.
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Je
nach Art der Anwendung und des Typs der Turbomolekularpumpe kann
es vorteilhaft sein, das/die aktive/n Gas/e in mehrere Bereiche
an den Verbindungsstellen zwischen dem Rotor 2 und dem Stator 1 entlang
des Gasdurchflusses zu leiten. Sofern das aktive Gas an mehreren
Verbindungsstellen eingeleitet wird, ist vorzugsweise eine spezielle
Gaszuführung
einzusetzen, die an der gleichen externen Gasversorgung 22 ansetzt
und mit speziellen Steuervorrichtungen für jede Verbindungsstelle ausgestattet
ist.
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Beim
Betrieb der vorliegenden Erfindung wird demzufolge die Bildung von
Ablagerungen verhindert, die die elektrischen Entladungen zwischen dem
Rotor 2 und dem Stator 1 im Inneren einer mehrstufigen
Turbomolekularpumpe mit Magnet- oder Gaslagern 13 und 14 stören könnten, in
dem zumindest an einer dafür
geeigneten Stelle 21 ein aktives Gas in die Turbomolekularpumpe
geleitet wird, das mit den Molekülen,
die Ablagerungen bilden, reagiert und Gasverbindungen eingeht, die
von der Pumpe abgepumpt werden.
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Beispielsweise
wäre es
optimal, einer Turbomolekularpumpe, die in einer Anlage zur Plasmaätzung bei
der Halbleiterfertigung eingesetzt wird, Sauerstoff zuzuführen. In
der Praxis wird man sich für ein
aktives Gas oder eine aktive Gasverbindung entscheiden, das/die
speziell auf die Moleküle
ausgerichtet ist/sind, die bei dem entsprechenden Fertigungsprozess
im Rezipienten entstehen.
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Die
Einleitung eines Gases in die Hochdruckstufen verursacht keinerlei
Störungen
der Atmosphäre
im Inneren des Plasma-Rezipienten,
sie gewährleistet
jedoch eine effektive Verhinderung der Bildung von Ablagerungen,
die die elektrischen Entladungen zwischen dem Stator 1 und
dem Rotor 2 stören
könnten.
Die Pumpgeschwindigkeit und die Temperatur der Pumpe werden nicht
beeinträchtigt.
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Die
vorliegende Erfindung beschränkt
sich nicht auf die explizit genannten Ausführungsvarianten, sondern beinhaltet
die verschiedenen Varianten und allgemeinen Anwendungen, die für den Fachmann
verständlich
sind, sofern sie durch die nachfolgenden Ansprüche definiert werden.