EP1477684A1 - Pompe moléculaire, turbomoléculaire ou hybride à vanne integrée - Google Patents

Pompe moléculaire, turbomoléculaire ou hybride à vanne integrée Download PDF

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EP1477684A1
EP1477684A1 EP04291161A EP04291161A EP1477684A1 EP 1477684 A1 EP1477684 A1 EP 1477684A1 EP 04291161 A EP04291161 A EP 04291161A EP 04291161 A EP04291161 A EP 04291161A EP 1477684 A1 EP1477684 A1 EP 1477684A1
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EP
European Patent Office
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molecular
turbomolecular
shutter
pump
hybrid
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EP04291161A
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German (de)
English (en)
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EP1477684B1 (fr
Inventor
Jean-Pierre Desbiolles
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Alcatel Lucent SAS
Original Assignee
Alcatel CIT SA
Alcatel SA
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D19/00—Axial-flow pumps
    • F04D19/02—Multi-stage pumps
    • F04D19/04—Multi-stage pumps specially adapted to the production of a high vacuum, e.g. molecular pumps

Definitions

  • the present invention relates to gas pumping systems for establishing and regulating a suitable vacuum in a process chamber such as a chamber used in particular in the semiconductor industry.
  • MEMS mechanical microelectronics
  • the vacuum line of a process chamber generally includes a secondary pump, of molecular, turbomolecular or hybrid type, connected to the chamber outlet with the interposition of an isolation valve, and which pumped back into a connecting pipe connected to the inlet of a primary pump the outlet of which discharges at atmospheric pressure.
  • a isolation valve at the outlet of the secondary pump.
  • Controlling the pressure in the process chamber requires provide means for modifying the pumping conditions in the vacuum line, to adapt them to the successive stages of the processes.
  • we controlled the pressure in the process chambers by operating a control valve placed directly at the outlet of the process chamber, in upstream of the secondary pump.
  • a problem then is the risk of fouling of the regulating valve by the pumped gases, and the risk of retrograde pollution from the control valve to the process chamber during steps subsequent processes.
  • WO 99/04325 describes in particular this solution consisting in providing a regulating valve connected to the input of the primary pump not speed-controlled, while providing an injection of neutral gas upstream of the control valve.
  • the problem proposed by the present invention is both to reduce appreciably the risks of fouling of the control valve and the risks of retro pollution diffused from the control valve to the processes, without significantly degrading the pressure regulation conditions in the process room.
  • a rapid response from pressure regulation means during transitions between successive stages processes is also proposed.
  • the invention makes it possible to reduce the resulting bulk. the presence of the control valve itself.
  • the idea which is the basis of the invention is to integrate the valve regulation to the structure of the secondary pump, providing a structure particular valve whose shutter acts directly on a radial orifice of outlet in the cylindrical peripheral wall of the pump.
  • a molecular type secondary pump is provided, turbomolecular or hybrid with an output stage, and the shutter acts directly on the radial outlet orifice provided in the cylindrical peripheral wall of this stage of exit.
  • control valve is placed as close as possible to the pump secondary, which is itself closest to the process chamber, reducing thus the reaction time to upstream disturbances in the atmosphere of the process chamber.
  • the invention also benefits from the natural heating of the pump secondary, which heats the integrated valve and thus reduces the risk of deposits and condensation of the gases pumped on the parts of the control valve.
  • the invention provides a pump molecular, turbomolecular or hybrid, comprising an output stage having a cylindrical peripheral wall and a radial outlet orifice passing through the wall cylindrical device; the pump according to the invention further comprises a valve regulation and / or integrated insulation having an annular shutter coaxial with passage light which cooperates directly with the radial exit outlet of the stage outlet to achieve shutter and / or regulation.
  • the coaxial annular shutter is placed inside the cylindrical peripheral wall in an annular space of discharge, pressing on the internal face of the radial outlet orifice.
  • the coaxial annular shutter is in support on the external face of the radial outlet orifice, and housed around the wall cylindrical device of the output stage.
  • the coaxial annular shutter can advantageously be biased in axial rotation by a motor to adjust the position of the light passage relative to the radial outlet orifice.
  • the rotation of the annular shutter coaxial displaces the passage light with respect to the radial exit orifice, and thus performs the control of the gas flow passing through the control valve and / or insulation.
  • the coaxial annular shutter may include a rack engaged on a gear driven in rotation by the motor.
  • the motor can advantageously be housed in an attached box radially against the cylindrical peripheral wall of the pump, with interposition seals.
  • the valve achieves a total tight sealing in position closed.
  • the coaxial annular shutter may include means sealing devices fitted to ensure the sealing of the shutter in the closed position.
  • the coaxial annular shutter can include a total shutter mounted radially movable on the shutter coaxial annular, and biased in radial displacement by means of displacement which press it against the periphery of the radial outlet orifice when is facing said radial outlet orifice, and which separate it from the peripheral wall cylindrical in its other angular positions.
  • the nitrogen injection can be carried out inside the housing containing the drive motor for the coaxial annular valve shutter which further protects the motor itself against any risk of pollution by pumped gases.
  • the passing light of the coaxial annular obturator a shape adapted to obtain a curve of appropriate conductance for stable and efficient regulation.
  • the shape of the passing light defines the variation of the conductance as a function of the angle of rotation of the coaxial annular shutter.
  • a pumping system comprising gases from a process chamber, comprising at least one secondary pump molecular, turbomolecular or hybrid with an output stage, and comprising at minus a regulation and / or isolation valve controlling the flow of gases pumps ; according to the invention, the regulation and / or isolation valve is integrated in the output stage as defined above.
  • the regulation and / or isolation valve can advantageously be driven by a motor and control means to achieve regulation of pressure upstream of the secondary pump.
  • a pump in a line of vacuum to control the vacuum of a process chamber 1, a pump is provided primary 2 which discharges at atmospheric pressure and whose suction is connected, by a connecting pipe 3, to the discharge 4 of a pump secondary 5, the suction 6 of which is connected to the process chamber 1.
  • the discharge 4 of the secondary pump 5 comprises, integrated in the secondary pump 5 itself, a control valve 7 associated with means 8 to control the regulation valve 7.
  • the regulating valve 7 can comprise a shutter mechanically movable by a motor constituting the means 8 to control the control valve 7.
  • the motor 8 can be controlled by control means 9 such as a microprocessor or a microcontroller.
  • control means 9 such as a microprocessor or a microcontroller.
  • the means of command 9 can receive a setpoint signal produced by a setpoint 10, and measurement signals produced for example by a pressure sensor 11 in the process chamber 1.
  • the pressure in the process chamber 1 can be controlled by the more or less large opening of the regulation valve 7, obtained by actuation of the motor 8.
  • a source of neutral gas 14, for example containing nitrogen, can advantageously be connected, by a pipe 15 and a valve control 16, to a box containing the motor 8, for injecting a neutral gas which propagates towards the inside of the output stage of the secondary pump 5 through the control valve 7.
  • the invention applies to secondary pumps which may be of the type molecular, turbomolecular or hybrid type.
  • the stator comprises a cylindrical peripheral wall around a inner stator skirt from which it is separated by an annular space of discharge.
  • a radial outlet orifice crosses the cylindrical peripheral wall and thus connects the external atmosphere with the annular space of discharge.
  • a rotor with helical ribs is engaged coaxially in the interior space defined by the interior stator skirt and is rotated along the axis of the pump.
  • the rotor and the stator have stages of fins which overlap one another.
  • the output stage of such a molecular or hybrid pump 5 comprises a cylindrical peripheral wall 17, a coaxial internal skirt of stator 18 to helical inner ribs 19, and a Holweck rotor, not shown in the figures, which is engaged coaxially in the interior space 20 defined by the skirt inner stator 18 and which is rotated along the axis of the pump by a main engine not shown.
  • the secondary pump 5 is seen from its downstream face, from which the downstream sealing wall was removed to allow distinguish the internal parts of the pump.
  • the downstream face of the pump is closed by a tight disc-shaped wall, fixed to the wall cylindrical device 17 and defining a downstream chamber 21 (see in particular the figure 6).
  • the pumped gases are returned by the Holweck rotor to the downstream chamber 21 which itself communicates with an annular delivery space 22 located between the cylindrical peripheral wall 17 and the internal stator skirt 18.
  • the cylindrical peripheral wall 17 has a radial outlet orifice 23 through which the discharged gases escape from the annular discharge space 22.
  • valve According to the invention, a particular structure of the valve is provided. regulation whose closure element is directly adjacent to the radial orifice of outlet 23 in the cylindrical peripheral wall 17 of the Holweck stage of the pump Secondary 5.
  • control valve includes an annular shutter coaxial 24, cylindrical in shape, sealingly against one of the faces of the radial outlet orifice 23, comprising a passage lumen 25 (FIG. 5) on a portion of its periphery, and biased in axial rotation to position so adjustable said passage light 25 according to an angular orientation more or less aligned or offset from the radial outlet orifice 23 in order to adjust the conductance of the control valve.
  • Such a coaxial annular shutter 24 is illustrated in isolation in perspective in a particular embodiment in Figure 5.
  • the coaxial annular shutter 24 has a cylindrical shape, consisting of a continuous cylindrical wall 24a and limited by a circular edge upstream 24b and a circular downstream edge 24c.
  • a guide groove 24d is provided on the outer wall of the wall 24a, to cooperate with guide means which fix the axial position of the cylindrical annular shutter 24 in the body of pump.
  • the upstream circular edge 24b has a toothed portion 24e for cooperate with a drive pinion biased by a motor to drive in axial rotation of the coaxial annular shutter 24 in the pump body.
  • a passage light 25 can also be distinguished which, when the angular position of the coaxial annular shutter 24 places it facing the radial outlet orifice 23 (FIG. 6) of the pump, defines the open position valve, and which more or less closes the control valve when it is offset away from the radial outlet orifice 23.
  • the passage light is given 25 a suitable shape to obtain an appropriate conductance curve enabling stable and efficient regulation by position control angle of the coaxial annular shutter 24 around the axis of the pump.
  • FIG. 5 there is also a total shutter 26, radially movable on the coaxial annular shutter 24, to be stressed radially by means of radial displacement which will be described later.
  • the total shutter 26 has a front seal 26a to ensure a total tightness in closed position.
  • the coaxial annular shutter 24 is placed inside the annular delivery space 22, and is movable by axial rotation around the pump axis as illustrated by the double arrow 27 in Figure 2.
  • the coaxial annular shutter 24 is driven by the motor 8 placed in a housing 28 mounted radially on the cylindrical peripheral wall 17, as best seen in Figure 6.
  • the motor 8 drives a toothed wheel 29 which engages on the toothed part 24e of the upstream circular edge 24b of the coaxial annular shutter 24.
  • the housing 28 is mounted radially on the peripheral wall cylindrical 17 of the pump body with interposition of a seal front annular 30.
  • a second annular seal 31, with radial action, is also provided in the cylindrical peripheral wall 17 inside the orifice passage of the shaft carrying the toothed wheel 29.
  • the arrival of the pipe 15 can still be distinguished. injecting neutral gas into the housing 28 containing the engine 8.
  • a neutral gas injection causes a neutral gas flow through the engine 8 in direction of the secondary pump 5, avoiding circulation of gas pumped from the secondary pump 5 to motor 8 to reduce the risk of pollution of the motor 8, and simultaneously ensuring a dilution of the gases in the Holweck stage, this which further reduces the risk of deposits.
  • the unidirectional flow of neutral gas is ensured by providing at least one calibrated axial hole passing through the toothed wheel 29.
  • the coaxial annular shutter 24 takes advantage of the heating at the exit of the stage Holweck, which reduces the risk of gas deposits being pumped onto the elements of the control valve. But above all, this position of the coaxial annular shutter 24 minimizes the high-pressure gas volume upstream of the shut-off valve regulation 7, thus improving the reaction capacity of the regulation.
  • control valve is shown in the position total shutter.
  • the coaxial annular shutter 24 is placed in an angular position such that the total shutter 26 is exactly in look of the radial outlet orifice 23.
  • the total shutter 26 is pressed against the inner face of cylindrical peripheral wall 17, along the entire periphery of the radial outlet orifice 23, and its annular seal 26a is plated against the periphery of the radial outlet orifice 23 to ensure a seal perfect.
  • FIG. 7 the secondary pump 5 has been illustrated in a state in which the control valve is in the fully open position.
  • the secondary pump 5 has been illustrated in diametral section. of Figure 6 in the partially open position, also shown in view from above in FIG. 9.
  • the coaxial annular shutter 24 is pivoted angularly by the motor to place the passage light 25 partially in face of the radial outlet orifice 23, which radial outlet orifice 23 is partially closed by the total shutter 26.
  • the valve is illustrated in half-open position.
  • the total shutter 26 is radially movable, to be spaced from the wall cylindrical device 17 in all the angular positions of the shutter coaxial annular 24 except in the fully closed position illustrated in the figure 6.
  • the total shutter 26 has an inner face 26b in ramp, with a thinner portion 26c and a thicker portion 26d.
  • the inner face 26b comes in radial support on rollers 32a and 32b, clearly visible in the sectional figures diametral.
  • the rollers such as the roller 32a are supported on the thinnest part 26c of the total closure flap 26, allowing the radial retraction of the total closure flap 26 towards the pump axis, away from the cylindrical peripheral wall 17.
  • the rollers such as the roller 32a are supported on the thinnest part 26c of the total closure flap 26, allowing the radial retraction of the total closure flap 26 towards the pump axis, away from the cylindrical peripheral wall 17.
  • the rollers such as the roller 32a are supported on the thickest part 26d of the total shutter 26, pushing the total shutter 26 towards the outside to press it against the cylindrical peripheral wall 17 according to the periphery of the radial outlet orifice 23, the seal 26a then ensuring sealing perfect.
  • Figure 3 illustrates in perspective the secondary pump 5 in the position of Figure 11: the total shutter 26 is slightly off-center by relative to the radial outlet orifice 23.
  • Figure 4 illustrates the secondary pump 5 in the half-open position illustrated in FIG. 8 and in FIG. 9.
  • the total shutter 26 is offset half the width of the radial outlet orifice 23, and we can also distinguish half of the passage light 25.
  • valve regulation provided with a total shutter 26, can also ensure the isolation valve function.
  • the coaxial annular shutter 24 comprises only a passage light 25, and has no total shutter 26.
  • the valve only fulfills the function of control valve, the complete closure of the valve not being leaktight.
  • the coaxial annular shutter 24 is disposed inside the pump, and comes in bearing against the inner face of the cylindrical peripheral wall 17 around the radial outlet orifice 23.
  • the coaxial annular shutter 24 can be placed at the exterior of the cylindrical peripheral wall 17, bearing on the edges of the orifice outlet radial 23.

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Abstract

Une pompe moléculaire, turbomoléculaire ou hybride (5) selon l'invention comprend un étage de sortie ayant une paroi périphérique cylindrique (17) et un orifice radial de sortie (23) traversant la paroi périphérique cylindrique (17). Un obturateur annulaire coaxial (24) vient en appui contre la paroi périphérique cylindrique (17) autour de l'orifice radial de sortie. L'obturateur annulaire coaxial (24) comporte une lumière de passage et éventuellement un volet d'obturation totale (26). L'obturateur annulaire coaxial (24) est entraíné en rotation axiale par un moteur (8) pour placer sa lumière de passage ou son volet d'obturation totale (26) au regard de l'orifice radial de sortie (23), ou partiellement au regard de l'orifice radial de sortie (23), pour régler l'ouverture de la vanne et assurer la régulation du flux gazeux pompé par la pompe (5). On réalise ainsi une pompe ayant une vanne de régulation et/ou d'obturation intégrée.

Description

La présente invention concerne les systèmes de pompage des gaz permettant d'établir et de réguler un vide approprié dans une chambre de procédés telle qu'une chambre utilisée notamment dans l'industrie des semi-conducteurs.
Les procédés de fabrication des semi-conducteurs et des systèmes mécaniques microélectroniques (MEMS) comprennent généralement des étapes successives qui se déroulent dans une chambre de procédés sous atmosphère à faible pression. Chaque étape de procédé est caractérisée par une pression gazeuse qu'il faut réguler, par exemple pour l'entretien d'un plasma ou d'un bombardement de particules qui agit sur un substrat en semi-conducteur.
La plupart des étapes de procédés se réalisent en présence d'un vide approprié, généré et maintenu par une ligne de vide comprenant des pompes à vide raccordées à la chambre de procédés.
La ligne de vide d'une chambre de procédés comprend généralement une pompe secondaire, de type moléculaire, turbomoléculaire ou hybride, raccordée en sortie de chambre avec interposition d'une vanne d'isolation, et qui refoule dans une canalisation de liaison raccordée à l'entrée d'une pompe primaire dont la sortie refoule à la pression atmosphérique. On prévoit généralement une vanne d'isolation à la sortie de la pompe secondaire.
Le contrôle de la pression dans la chambre de procédés nécessite de prévoir des moyens pour modifier les conditions de pompage dans la ligne de vide, pour les adapter aux étapes successives des procédés. De façon traditionnelle, on a contrôlé la pression dans les chambres de procédés par la manoeuvre d'une vanne de régulation placée directement en sortie de la chambre de procédés, en amont de la pompe secondaire. Un problème est alors le risque d'encrassement de la vanne de régulation par les gaz pompés, et le risque de pollution rétrograde depuis la vanne de régulation vers la chambre de procédés au cours d'étapes ultérieures des procédés.
Une solution qui a été envisagée jusqu'à présent est de placer la vanne de régulation dans la canalisation de liaison, c'est-à-dire entre le refoulement de la pompe secondaire et l'aspiration de la pompe primaire. Le document WO 99/04325 décrit notamment cette solution consistant à prévoir une vanne de régulation connectée à l'entrée de la pompe primaire non pilotée en vitesse, tout en prévoyant une injection de gaz neutre en amont de la vanne de régulation.
On constate alors une dégradation de la régulation, vraisemblablement due à un temps de réponse allongé qui résulte de la présence d'un plus grand volume gazeux à haute pression entre le refoulement de la pompe secondaire et la vanne de régulation.
Le problème proposé par la présente invention est à la fois de réduire de façon sensible les risques d'encrassement de la vanne de régulation et les risques de pollution rétro diffusée depuis la vanne de régulation vers la chambre de procédés, sans dégrader de façon sensible les conditions de régulation de pression dans la chambre de procédés. Il faut en particulier garantir une réaction rapide des moyens de régulation de pression lors des transitions entre les étapes successives des procédés.
Simultanément, l'invention permet de réduire l'encombrement résultant de la présence de la vanne de régulation elle-même.
L'idée qui est à la base de l'invention est d'intégrer la vanne de régulation à la structure même de la pompe secondaire, en prévoyant une structure particulière de vanne dont l'obturateur agit directement sur un orifice radial de sortie dans la paroi périphérique cylindrique de la pompe.
En pratique, on prévoit une pompe secondaire de type moléculaire, turbomoléculaire ou hybride à étage de sortie, et l'obturateur agit directement sur l'orifice radial de sortie prévu dans la paroi périphérique cylindrique de cet étage de sortie.
De la sorte, la vanne de régulation est placée au plus près de la pompe secondaire, qui est elle-même au plus près de la chambre de procédés, réduisant ainsi le temps de réaction aux perturbations amont dans l'atmosphère de la chambre de procédés.
L'invention profite en outre de l'échauffement naturel de la pompe secondaire, qui échauffe la vanne intégrée et réduit ainsi les risques de dépôt et de condensation des gaz pompés sur les parties de la vanne de régulation.
On peut également chercher à conférer à cette structure de vanne de régulation des qualités d'étanchéité suffisantes pour remplir des fonctions de vanne d'isolation aval. On élimine ainsi le besoin d'une vanne d'isolation aval supplémentaire.
Pour atteindre ces buts ainsi que d'autres, l'invention prévoit une pompe moléculaire, turbomoléculaire ou hybride, comprenant un étage de sortie ayant une paroi périphérique cylindrique et un orifice radial de sortie traversant la paroi périphérique cylindrique ; la pompe selon l'invention comprend en outre une vanne de régulation et/ou d'isolation intégrée ayant un obturateur annulaire coaxial à lumière de passage qui coopère directement avec l'orifice radial de sortie de l'étage de sortie pour réaliser l'obturation et/ou la régulation.
Selon un premier mode de réalisation, l'obturateur annulaire coaxial est placé à l'intérieur de la paroi périphérique cylindrique dans un espace annulaire de refoulement, en appui sur la face interne de l'orifice radial de sortie.
Selon un autre mode de réalisation, l'obturateur annulaire coaxial est en appui sur la face externe de l'orifice radial de sortie, et logé autour de la paroi périphérique cylindrique de l'étage de sortie.
L'obturateur annulaire coaxial peut avantageusement être sollicité en rotation axiale par un moteur pour positionner de façon réglable la lumière de passage par rapport à l'orifice radial de sortie. La rotation de l'obturateur annulaire coaxial déplace la lumière de passage vis-à-vis de l'orifice radial de sortie, et réalise ainsi le contrôle du flux gazeux traversant la vanne de régulation et/ou d'isolation.
En pratique, l'obturateur annulaire coaxial peut comporter une crémaillère en prise sur une roue dentée entraínée en rotation par le moteur.
Le moteur peut avantageusement être logé dans un boítier rapporté radialement contre la paroi périphérique cylindrique de la pompe, avec interposition de joints d'étanchéité.
De préférence, la vanne réalise une obturation totale étanche en position fermée.
A cet effet, l'obturateur annulaire coaxial peut comprendre des moyens d'étanchéité montés pour assurer l'étanchéité d'obturation en position fermée.
Selon une réalisation pratique, l'obturateur annulaire coaxial peut comprendre un volet d'obturation totale monté mobile radialement sur l'obturateur annulaire coaxial, et sollicité en déplacement radial par des moyens de déplacement qui le plaquent contre le pourtour de l'orifice radial de sortie lorsqu'il est au regard dudit orifice radial de sortie, et qui l'écartent de la paroi périphérique cylindrique dans ses autres positions angulaires.
Pour réduire encore les risques d'encrassement de la vanne de régulation, on peut avantageusement prévoir une injection d'azote dans un espace annulaire de refoulement de l'étage de sortie.
De préférence, l'injection d'azote peut être réalisée à l'intérieur du boítier contenant le moteur d'entraínement de l'obturateur annulaire coaxial de la vanne de régulation, ce qui protège en outre le moteur lui-même contre tout risque de pollution par les gaz pompés.
On peut avantageusement donner à la lumière de passage de l'obturateur annulaire coaxial une forme adaptée pour obtenir une courbe de conductance appropriée pour une régulation stable et efficace. La forme de la lumière de passage définit la variation de la conductance en fonction de l'angle de rotation de l'obturateur annulaire coaxial.
Selon un autre aspect de l'invention, on prévoit un système de pompage des gaz d'une chambre de procédés, comprenant au moins une pompe secondaire moléculaire, turbomoléculaire ou hybride à étage de sortie, et comprenant au moins une vanne de régulation et/ou d'isolation commandant le flux des gaz pompés ; selon l'invention, la vanne de régulation et/ou d'isolation est intégrée dans l'étage de sortie comme défini ci-dessus.
La vanne de régulation et/ou d'isolation peut avantageusement être pilotée par un moteur et des moyens de commande pour réaliser une régulation de pression en amont de la pompe secondaire.
D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation particuliers, faite en relation avec les figures jointes, parmi lesquelles:
  • la figure 1 est une vue schématique d'un système de pompage des gaz d'une chambre de procédés selon un mode de réalisation de la présente invention ;
  • la figure 2 est une vue en perspective d'un étage Holweck de pompe moléculaire ou hybride selon un mode de réalisation de l'invention ;
  • les figures 3 et 4 sont deux autres vues, à plus petite échelle, de l'étage Holweck de la figure 2, respectivement dans un état d'obturation presque totale et dans un état d'ouverture partielle ;
  • la figure 5 est une vue en perspective d'un obturateur annulaire coaxial de la pompe de la figure 2 ;
  • la figure 6 est une coupe diamétrale de l'étage Holweck de la figure 2, à l'état d'obturation totale ;
  • la figure 7 est une coupe diamétrale de l'étage Holweck de la figure 2, dans l'état d'ouverture totale ;
  • la figure 8 est une coupe diamétrale de l'étage Holweck de la figure 2, à l'état d'ouverture partielle ;
  • la figure 9 est une vue de dessus de l'étage Holweck de la figure 2, dans l'état d'ouverture partielle illustré sur la figure 8 ;
  • la figure 10 est une vue partielle de dessus montrant le détail du volet d'obturation totale en position d'obturation totale ; et
  • la figure 11 est une vue de détail de dessus montrant le volet d'obturation totale en position de recul pour l'ouverture.
Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 1, dans une ligne de vide pour commander le vide d'une chambre de procédés 1, on prévoit une pompe primaire 2 qui refoule à la pression atmosphérique et dont l'aspiration est raccordée, par une canalisation de liaison 3, au refoulement 4 d'une pompe secondaire 5 dont l'aspiration 6 est connectée à la chambre de procédés 1.
Le refoulement 4 de la pompe secondaire 5 comporte, intégrée dans la pompe secondaire 5 elle-même, une vanne de régulation 7 associée à des moyens 8 pour piloter la vanne de régulation 7.
Comme on le verra plus loin, la vanne de régulation 7 peut comprendre un obturateur mécaniquement déplaçable par un moteur constituant les moyens 8 pour piloter la vanne de régulation 7. Le moteur 8 peut être commandé par des moyens de commande 9 tels qu'un microprocesseur ou un microcontrôleur. Pour réaliser la régulation de pression dans la chambre de procédés 1, les moyens de commande 9 peuvent recevoir un signal de consigne produit par une consigne 10, et des signaux de mesure produits par exemple par un capteur de pression 11 dans la chambre de procédés 1.
La pression dans la chambre de procédés 1 peut être pilotée par l'ouverture plus ou moins grande de la vanne de régulation 7, obtenue par actionnement du moteur 8. En outre, on peut prévoir si nécessaire que les moyens de commande 9 commandent une alimentation 12 qui pilote la vitesse de la pompe primaire 2, et/ou une alimentation 13 qui pilote la vitesse de la pompe secondaire 5.
Une source de gaz neutre 14, par exemple contenant de l'azote, peut avantageusement être raccordée, par une canalisation 15 et une vanne de commande 16, à un boítier contenant le moteur 8, pour injecter un gaz neutre qui se propage vers l'intérieur de l'étage de sortie de la pompe secondaire 5 à travers la vanne de régulation 7.
On considérera maintenant les figures 2 à 11, qui illustrent un mode de réalisation avantageux d'une pompe secondaire 5 selon la présente invention.
L'invention s'applique à des pompes secondaires pouvant être de type moléculaire, de type turbomoléculaire ou de type hybride.
Dans une pompe moléculaire, en particulier une pompe moléculaire de type Holweck, le stator comprend une paroi périphérique cylindrique autour d'une jupe intérieure de stator de laquelle elle est séparée par un espace annulaire de refoulement. Un orifice radial de sortie traverse la paroi périphérique cylindrique et met ainsi en communication l'atmosphère extérieure avec l'espace annulaire de refoulement. Un rotor à nervures hélicoïdales est engagé coaxialement dans l'espace intérieur défini par la jupe intérieure de stator et est entraíné en rotation selon l'axe de la pompe.
Dans une pompe secondaire de type turbomoléculaire, le rotor et le stator comportent des étages d'ailettes qui s'imbriquent les uns dans les autres.
Dans une pompe secondaire de type hybride, on trouve, en partant de l'aspiration de la pompe, des étages de compression de type turbomoléculaire à ailettes suivis d'au moins un étage de sortie de type Holweck.
Dans le mode de réalisation des figures 2 à 11, on a représenté seulement l'étage de sortie d'une telle pompe secondaire 5 de type moléculaire ou hybride, étage qui peut être associé à d'autres étages tels que des étages turbo.
L'étage de sortie d'une telle pompe moléculaire ou hybride 5 comprend une paroi périphérique cylindrique 17, une jupe intérieure coaxiale de stator 18 à nervures intérieures hélicoïdales 19, et un rotor Holweck, non représenté sur les figures, qui est engagé coaxialement dans l'espace intérieur 20 défini par la jupe intérieure de stator 18 et qui est entraíné en rotation selon l'axe de la pompe par un moteur principal non représenté.
On notera que, sur la figure 2, la pompe secondaire 5 est vue depuis sa face aval, de laquelle on a oté la paroi d'obturation aval pour permettre de distinguer les organes intérieurs de la pompe. En fonctionnement, la face aval de la pompe est obturée par une paroi étanche en forme de disque, fixée à la paroi périphérique cylindrique 17 et définissant une chambre aval 21 (voir notamment la figure 6). Les gaz pompés sont refoulés par le rotor Holweck vers la chambre aval 21 qui elle-même communique avec un espace annulaire de refoulement 22 situé entre la paroi périphérique cylindrique 17 et la jupe intérieure de stator 18.
La paroi périphérique cylindrique 17 comporte un orifice radial de sortie 23 par lequel s'échappent les gaz refoulés de l'espace annulaire de refoulement 22.
Selon l'invention, on prévoit une structure particulière de vanne de régulation dont l'élément d'obturation est directement adjacent à l'orifice radial de sortie 23 dans la paroi périphérique cylindrique 17 de l'étage Holweck de la pompe secondaire 5.
A cet effet, la vanne de régulation comprend un obturateur annulaire coaxial 24, de forme cylindrique, en appui étanche contre l'une des faces de l'orifice radial de sortie 23, comportant une lumière de passage 25 (figure 5) sur une portion de sa périphérie, et sollicité en rotation axiale pour positionner de façon réglable ladite lumière de passage 25 selon une orientation angulaire plus ou moins alignée ou décalée par rapport à l'orifice radial de sortie 23 afin de régler la conductance de la vanne de régulation.
Un tel obturateur annulaire coaxial 24 est illustré de façon isolée en perspective dans un mode de réalisation particulier sur la figure 5. On distingue sur cette figure que l'obturateur annulaire coaxial 24 a une forme cylindrique, constituée d'une paroi cylindrique continue 24a et limitée par un bord circulaire amont 24b et un bord circulaire aval 24c. Une rainure de guidage 24d est prévue sur la paroi externe de la paroi 24a, pour coopérer avec des moyens de guidage qui fixent la position axiale de l'obturateur annulaire cylindrique 24 dans le corps de pompe.
Le bord circulaire amont 24b comporte une portion 24e dentée pour coopérer avec un pignon d'entraínement sollicité par un moteur pour entraíner en rotation axiale l'obturateur annulaire coaxial 24 dans le corps de pompe.
Sur la figure 5, on distingue également la lumière de passage 25 qui, lorsque la position angulaire de l'obturateur annulaire coaxial 24 la place face à l'orifice radial de sortie 23 (figure 6) de la pompe, définit la position d'ouverture totale de la vanne, et qui ferme plus ou moins la vanne de régulation lorsqu'elle est décalée à l'écart de l'orifice radial de sortie 23. On donne à la lumière de passage 25 une forme adaptée pour obtenir une courbe de conductance appropriée permettant de réaliser une régulation stable et efficace par commande de position angulaire de l'obturateur annulaire coaxial 24 autour de l'axe de la pompe.
Sur la figure 5, on distingue également un volet d'obturation totale 26, mobile radialement sur l'obturateur annulaire coaxial 24, pour être sollicité radialement par des moyens de déplacement radial qui seront décrits plus loin. Le volet d'obturation totale 26 comporte un joint frontal 26a pour assurer une étanchéité totale en position fermée.
Dans la réalisation illustrée sur les figures, l'obturateur annulaire coaxial 24 est placé à l'intérieur de l'espace annulaire de refoulement 22, et est déplaçable par rotation axiale autour de l'axe de la pompe comme illustré par la double flèche 27 sur la figure 2.
Pour ce mouvement de rotation axiale 27, l'obturateur annulaire coaxial 24 est entraíné par le moteur 8 placé dans un boítier 28 rapporté radialement sur la paroi périphérique cylindrique 17, comme on le voit mieux sur la figure 6. Le moteur 8 entraíne une roue dentée 29 qui vient en prise sur la partie dentée 24e du bord circulaire amont 24b de l'obturateur annulaire coaxial 24.
Le boítier 28 est rapporté radialement sur la paroi périphérique cylindrique 17 du corps de pompe avec interposition d'un joint d'étanchéité annulaire frontal 30. Un second joint d'étanchéité annulaire 31, à action radiale, est également prévu dans la paroi périphérique cylindrique 17 à l'intérieur de l'orifice de passage de l'arbre portant la roue dentée 29.
Sur la figure 6, on distingue encore l'arrivée de la canalisation 15 d'injection de gaz neutre dans le boítier 28 contenant le moteur 8. Une telle injection de gaz neutre provoque un flux de gaz neutre à travers le moteur 8 en direction de la pompe secondaire 5, évitant une circulation de gaz pompé depuis la pompe secondaire 5 vers le moteur 8 pour réduire les risques de pollution du moteur 8, et assurant simultanément une dilution des gaz dans l'étage Holweck, ce qui réduit encore les risques de dépôt. Le flux unidirectionnel de gaz neutre est assuré en prévoyant au moins un trou axial calibré traversant dans la roue dentée 29.
Grâce à sa position à l'intérieur de l'espace annulaire de refoulement 22, l'obturateur annulaire coaxial 24 profite de l'échauffement en sortie de l'étage Holweck, ce qui réduit les risques de dépôts de gaz pompés sur les éléments de la vanne de régulation. Mais surtout, cette position de l'obturateur annulaire coaxial 24 réduit au maximum le volume gazeux à haute pression en amont de la vanne de régulation 7, améliorant ainsi la capacité de réaction de la régulation.
Sur la figure 6, la vanne de régulation est illustrée dans la position d'obturation totale. Dans ce cas, l'obturateur annulaire coaxial 24 est placé dans une position angulaire telle que le volet d'obturation totale 26 est exactement en regard de l'orifice radial de sortie 23. Le volet d'obturation totale 26 est plaqué contre la face intérieure de paroi périphérique cylindrique 17, selon tout le pourtour de l'orifice radial de sortie 23, et son joint annulaire d'étanchéité 26a est plaqué contre le pourtour de l'orifice radial de sortie 23 pour assurer une étanchéité parfaite.
Sur la figure 7, on a illustré la pompe secondaire 5 dans un état dans lequel la vanne de régulation est en position d'ouverture totale. On retrouve sur cette figure les éléments de la figure 6, qui sont repérés par les mêmes références numériques.
Dans cette position d'ouverture totale, l'obturateur annulaire coaxial 24 a été pivoté par actionnement du moteur 8 pour placer la lumière de passage 25 en correspondance de l'orifice radial de sortie 23, afin d'autoriser le passage maximum des gaz refoulés par la pompe. Le volet d'obturation totale 26 est alors escamoté latéralement, et n'est pas représenté sur la figure.
Sur la figure 8, on a illustré en coupe diamétrale la pompe secondaire 5 de la figure 6 en position d'ouverture partielle, position également illustrée en vue de dessus sur la figure 9. Dans ce cas, l'obturateur annulaire coaxial 24 est pivoté angulairement par le moteur pour placer la lumière de passage 25 partiellement en face de l'orifice radial de sortie 23, lequel orifice radial de sortie 23 est partiellement obturé par le volet d'obturation totale 26. La vanne est illustrée en position de demi-ouverture.
Pour permettre la rotation libre de l'obturateur annulaire coaxial 24, le volet d'obturation totale 26 est déplaçable radialement, pour être écarté de la paroi périphérique cylindrique 17 dans toutes les positions angulaires de l'obturateur annulaire coaxial 24 sauf dans la position de fermeture totale illustrée sur la figure 6.
Pour cela, comme on le voit plus en détail sur les figures 10 et 11, le volet d'obturation totale 26 comporte une face intérieure 26b en rampe, avec une portion 26c plus mince et une portion 26d plus épaisse. La face intérieure 26b vient en appui radial sur des rouleaux 32a et 32b, bien visibles sur les figures en coupe diamétrale. En position d'ouverture totale ou partielle, illustrées sur la figure 11, les rouleaux tels que le rouleau 32a sont en appui sur la partie la plus mince 26c du volet d'obturation totale 26, autorisant le recul radial du volet d'obturation totale 26 en direction de l'axe de la pompe, à l'écart de la paroi périphérique cylindrique 17. Par contre, au voisinage de la position d'obturation totale, illustrée sur la figure 10, les rouleaux tels que le rouleau 32a sont en appui sur la partie la plus épaisse 26d du volet d'obturation totale 26, repoussant le volet d'obturation totale 26 vers l'extérieur pour le plaquer contre la paroi périphérique cylindrique 17 selon le pourtour de l'orifice radial de sortie 23, le joint 26a assurant alors l'étanchéité parfaite.
La figure 3 illustre en perspective la pompe secondaire 5 dans la position de la figure 11 : le volet d'obturation totale 26 est légèrement décentré par rapport à l'orifice radial de sortie 23.
La figure 4 illustre la pompe secondaire 5 en position de demi-ouverture illustrée sur la figure 8 et sur la figure 9. Le volet d'obturation totale 26 est décalé de la moitié de la largeur de l'orifice radial de sortie 23, et l'on distingue également la moitié de la lumière de passage 25.
Dans le mode de réalisation illustré sur les figures, la vanne de régulation, munie d'un volet d'obturation totale 26, peut assurer également la fonction de vanne d'isolation.
On comprend que, selon l'invention, on peut prévoir un mode de réalisation simplifié dans lequel l'obturateur annulaire coaxial 24 comporte seulement une lumière de passage 25, et est dépourvu de volet d'obturation totale 26. Dans ce cas, la vanne remplit seulement la fonction de vanne de régulation, l'obturation complète de la vanne n'étant pas étanche.
Egalement, dans le mode de réalisation illustré sur les figures, l'obturateur annulaire coaxial 24 est disposé à l'intérieur de la pompe, et vient en appui contre la face intérieure de la paroi périphérique cylindrique 17 autour de l'orifice radial de sortie 23.
En alternative, on peut placer l'obturateur annulaire coaxial 24 à l'extérieur de la paroi périphérique cylindrique 17, en appui sur les bords de l'orifice radial de sortie 23.
La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui ont été explicitement décrits, mais elle en inclut les diverses variantes et généralisations qui sont à la portée de l'homme du métier.

Claims (14)

  1. Pompe moléculaire, turbomoléculaire ou hybride (5), comprenant un étage de sortie ayant une paroi périphérique cylindrique (17) et un orifice radial de sortie (23) traversant la paroi périphérique cylindrique (17), caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une vanne de régulation et/ou d'isolation intégrée ayant un obturateur annulaire coaxial (24) à lumière de passage (25) qui coopère directement avec l'orifice radial de sortie (23) de l'étage de sortie pour réaliser l'obturation et/ou la régulation.
  2. Pompe moléculaire, turbomoléculaire ou hybride selon la revendication 1, dans laquelle l'obturateur annulaire coaxial (24) est placé à l'intérieur de la paroi périphérique cylindrique (17) dans un espace annulaire de refoulement (22), en appui sur la face interne de l'orifice radial de sortie (23).
  3. Pompe moléculaire, turbomoléculaire ou hybride selon la revendication 1, dans laquelle l'obturateur annulaire coaxial (24) est en appui sur la face externe de l'orifice radial de sortie (23), et logé autour de la paroi périphérique cylindrique (17) de l'étage de sortie.
  4. Pompe moléculaire, turbomoléculaire ou hybride selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle l'obturateur annulaire coaxial (24) est sollicité en rotation axiale par un moteur (8) pour positionner de façon réglable la lumière de passage (25) par rapport à l'orifice radial de sortie (23).
  5. Pompe moléculaire, turbomoléculaire ou hybride selon la revendication 4, dans laquelle l'obturateur annulaire coaxial (24) comporte une crémaillère (24e) en prise sur une roue dentée (29) entraínée en rotation par le moteur (8).
  6. Pompe moléculaire, turbomoléculaire ou hybride selon l'une des revendications 4 ou 5, dans laquelle le moteur (8) est logé dans un boítier (28) rapporté radialement contre la paroi périphérique cylindrique (17) de la pompe, avec interposition de joints d'étanchéité (30, 31).
  7. Pompe moléculaire, turbomoléculaire ou hybride selon l'une des revendications 1 à 6, dans laquelle la vanne réalise une obturation totale étanche en position fermée.
  8. Pompe moléculaire, turbomoléculaire ou hybride selon la revendication 7, dans laquelle l'obturateur annulaire coaxial (24) comprend des moyens d'étanchéité (26, 26a) montés pour assurer l'étanchéité d'obturation en position fermée.
  9. Pompe moléculaire, turbomoléculaire ou hybride selon la revendication 8, dans laquelle l'obturateur annulaire coaxial (24) comprend un volet d'obturation totale (26) monté mobile radialement sur l'obturateur annulaire coaxial (24), et sollicité en déplacement radial par des moyens de déplacement (26b, 32a, 32b) qui le plaquent contre le pourtour de l'orifice radial de sortie (23) lorsqu'il est au regard dudit orifice radial de sortie (23), et qui l'écartent de la paroi périphérique cylindrique (17) dans ses autres positions angulaires.
  10. Pompe moléculaire, turbomoléculaire ou hybride selon l'une des revendications 1 à 9, dans laquelle on prévoit en outre une injection d'azote dans un espace annulaire de refoulement (22) de l'étage de sortie.
  11. Pompe moléculaire, turbomoléculaire ou hybride selon la revendication 10, dans laquelle l'injection d'azote est réalisée à l'intérieur d'un boítier (28) contenant un moteur (8) d'entraínement de l'obturateur annulaire coaxial (24).
  12. Pompe moléculaire, turbomoléculaire ou hybride selon l'une des revendications 1 à 11, dans laquelle la lumière de passage (25) de l'obturateur annulaire coaxial (24) a une forme adaptée pour obtenir une courbe de conductance appropriée pour une régulation stable et efficace.
  13. Système de pompage des gaz d'une chambre de procédés (1), comprenant au moins une pompe secondaire (5) moléculaire, turbomoléculaire ou hybride à étage de sortie, et comprenant au moins une vanne de régulation et/ou d'isolation commandant le flux des gaz pompés, dans lequel la vanne de régulation et/ou d'isolation est intégrée dans l'étage de sortie de la pompe moléculaire, turbomoléculairecomme ou hybride comme définie dans l'une quelconque des revendications 1 à 12.
  14. Système de pompage des gaz selon la revendication 13, dans lequel la vanne de régulation et/ou d'isolation est pilotée par un moteur (8) et des moyens de commande (9) pour réaliser une régulation de pression en amont de la pompe secondaire (5).
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