FR3109965A1 - Dispositif et procédé de surveillance d’un dépôt de sous-produits de réaction au refoulement d’une pompe à vide - Google Patents

Abstract

Dispositif de surveillance (200) d’un dépôt de sous-produits de réaction au refoulement (7) d’une pompe à vide (1 ; 100) caractérisé en ce qu’il comprend - un débitmètre thermique (20) comprenant une première sonde de température placée à un emplacement amont dans la direction d’écoulement des gaz au refoulement (7), une deuxième sonde de température placée à un emplacement aval, un élément chauffant interposé entre les sondes de température, un substrat isolant entre eux les sondes de température et l’élément chauffant et - une unité de traitement (22) configurée pour réaliser une mesure par le débitmètre thermique (20) afin de déterminer la présence d’un dépôt de sous-produits de réaction au refoulement (7) en fonction de l’écart entre le débit mesuré par le débitmètre thermique (20) et une valeur estimée du débit de gaz pompé par la pompe à vide (1 ; 100). Figure d’abrégé: Figure 1

Description

Dispositif et procédé de surveillance d’un dépôt de sous-produits de réaction au refoulement d’une pompe à vide

La présente invention concerne un dispositif et un procédé de surveillance d’un dépôt de sous-produits de réaction au refoulement d’une pompe à vide. L’invention concerne également une pompe à vide pourvue dudit dispositif de surveillance.

Dans les applications sous vide, en particulier dans l'industrie du semi-conducteur ou dans les procédés de dépôt de couches minces, les pompes à vide véhiculent divers types de gaz et substances évaporées qui peuvent, du fait de changements dans les conditions de pression ou de température ou de changements de nature des réactions chimiques, se déposer sur les surfaces internes de la pompe à vide.

Les dépôts de sous-produits de réaction peuvent être des solides, des polymères ou encore des poussières. Ces dépôts ont tendance à s’accumuler, en particulier dans les zones sous haute pression ou zones froides des pompes à vide. Ils réduisent la section de passage des gaz, ce qui peut réduire les performances de pompage. La réduction des dimensions de la section de passage des gaz engendre également une augmentation de la pression qui peut provoquer, par effet cascade, un dépôt encore plus important de sous-produits.

Des maintenances régulières doivent donc être programmées pour nettoyer fréquemment la pompe à vide. Ces maintenances sont cependant contraires aux impératifs de cadence de production. On cherche par conséquent à surveiller la formation de dépôts dans les pompes à vide afin d’espacer le plus possible les intervalles entre les maintenances. Une des difficultés cependant est qu’il n’est pas possible d’observer l’intérieur des pompes à vide sans devoir les arrêter pour les démonter en tout ou partie. De plus, dans certaines applications, l’exposition de l’intérieur de la pompe à vide à l’air libre peut être dangereux.

De nombreuses technologies de capteurs connues permettent de surveiller ces dépôts et leur croissance dans les pompes à vide.

Dans le cas des pompes à vide turbomoléculaires, une méthode connue consiste à mesurer le courant du moteur ou les positions du rotor à lévitation magnétique afin de déterminer la présence éventuelle de sous-produits. L'évolution du courant du moteur ou des positions du rotor à lévitation magnétique peut fournir des informations sur la présence de dépôts. Cette stratégie peut cependant ne pas être suffisamment précise notamment parce que l’augmentation du courant est généralement détectée bien trop tard, seulement quelques secondes ou fractions de secondes avant le crash, ce qui ne permet pas d’intervenir à temps.

Un des objectifs de la présente invention est donc de proposer un dispositif et un procédé de surveillance des dépôts de sous-produits, qui résolvent au moins partiellement l'un des inconvénients précités.

A cet effet, l’invention a pour objet un dispositif de surveillance d’un dépôt de sous-produits de réaction au refoulement d’une pompe à vide caractérisé en ce qu’il comprend :
- un débitmètre thermique comprenant :
- une première sonde de température placée à un emplacement amont dans la direction d’écoulement des gaz au refoulement,
- une deuxième sonde de température placée à un emplacement aval,
- un élément chauffant interposé entre les sondes de température,
- un substrat isolant entre eux les sondes de température et l’élément chauffant, et
- une unité de traitement configurée pour réaliser une mesure par le débitmètre thermique afin de déterminer la présence d’un dépôt de sous-produits de réaction au refoulement en fonction de l’écart entre le débit mesuré par le débitmètre thermique et une valeur estimée du débit de gaz pompé par la pompe à vide.

Le dispositif de surveillance permet ainsi de détecter plus précisément et au plus tôt la présence de dépôts au refoulement de la pompe à vide.

Le dispositif de surveillance peut en outre comporter une ou plusieurs des caractéristiques qui sont décrites ci-après, prises seules ou en combinaison.

Le débitmètre thermique peut être un composant MEMS.

Le dispositif de surveillance peut comporter en outre un capteur de pression configuré pour déterminer la pression au refoulement de la pompe à vide, l’unité de traitement étant configurée pour estimer le débit de gaz pompé à partir d’une information d’un paramètre de puissance du moteur et de la mesure du capteur de pression. La valeur estimée du débit de gaz pompé peut alors être obtenue à partir d’informations disponibles par la pompe à vide seule, c’est-à-dire sans avoir accès aux informations des quantités et nature des gaz introduits en amont de la pompe à vide.

Le paramètre de puissance du moteur de la pompe à vide peut être le courant électrique.

L’unité de traitement peut être configurée pour communiquer avec une chambre de procédés mise sous vide au moyen de la pompe à vide, pour estimer le débit de gaz pompé. Les informations transmises par la chambre de procédés à l’unité de traitement peuvent alors permettre d’estimer avec précision la valeur du débit de gaz pompé.

L’invention a aussi pour objet une pompe à vide comprenant :
- un stator comprenant un orifice d’entrée et un orifice de sortie,
- au moins un rotor agencé dans le stator et configuré pour entrainer un gaz à pomper entre l’orifice d’entrée et l’orifice de sortie,
caractérisée en ce que la pompe à vide comprend en outre un dispositif de surveillance tel que décrit précédemment, le débitmètre thermique étant agencé à l’intérieur de la pompe à vide.

Le dispositif de surveillance permet ainsi de détecter plus précisément et au plus tôt la présence de dépôts dans le refoulement de la pompe à vide, ce qui permet de mieux gérer la planification des interventions de maintenance. La surveillance peut être réalisée in situ, c’est-à-dire sans avoir besoin de démonter la pompe à vide. Le dispositif de mesure est non invasif. Il n’engendre pas de pertes de charges ou d'étanchéité. Il ne présente pas de pièce mobile, ce qui limite les possibilités de dysfonctionnements.

Le débitmètre thermique est par exemple agencé dans un conduit du refoulement.

La pompe à vide est par exemple une pompe à vide turbomoléculaire.

Selon un autre exemple, la pompe à vide est une pompe à vide primaire comprenant deux rotors configurés pour tourner de façon synchronisée en sens inverse dans au moins un étage de pompage pour entrainer un gaz à pomper entre l’orifice d’entrée et l’orifice de sortie.

L’invention a encore pour objet un procédé de surveillance d'un dépôt de sous-produits de réaction au refoulement d’une pompe à vide au moyen d’un dispositif de surveillance tel que décrit précédemment, dans lequel on réalise une mesure par le débitmètre thermique pour déterminer la présence d’un dépôt de sous-produits de réaction au refoulement en fonction de l’écart entre le débit mesuré par le débitmètre thermique et une valeur estimée du débit de gaz pompé par la pompe à vide.

On peut alimenter l’élément chauffant du débitmètre thermique pour réaliser une mesure à des intervalles espacés de plus de 10heures, tel qu’une mesure journalière. La durée d’une mesure par le débitmètre thermique peut être inférieure à quelques minutes, telle qu’inférieure à deux minutes, voire inférieure à une minute. Les taux de déposition observés les plus élevés dans les pompes à vide turbomoléculaires, notamment dans les procédés de fabrication de semi-conducteurs, tel que les équipements de gravure, étant généralement inférieurs à 1mm par semaine, soit environ 5μm par heure, une fréquence de mesure relativement faible peut suffire pour observer l’apparition d’un dépôt. En limitant la durée des mesures à quelques secondes par jour, on évite que la mesure réalisée par le débitmètre thermique puisse fausser les résultats, en empêchant le dépôt des espèces condensables à l’endroit du débitmètre, du fait de l’apport de chaleur de l’élément chauffant. En effet, les dépôts sont réduits, voire inexistants, à haute température.

On peut évaluer l’épaisseur d’un dépôt en fonction de la valeur de la déviation de la mesure du débitmètre thermique.

Le procédé de surveillance d’un dépôt peut comporter une étape préalable de calibration dans laquelle on enregistre au moins une mesure du débitmètre thermique obtenue pour un débit de gaz prédéterminé dans une pompe à vide. L’ensemble des données pouvant être recueillies lors de l’étape préalable de calibration peut permettre de mieux interpréter les valeurs mesurées par le débitmètre thermique, notamment en fonction des débits des gaz pompés, des espèces gazeuses pompées, de la nature du dépôt et des épaisseurs du dépôt.

Ces mesures peuvent être réalisées pour les valeurs de débit et nature des gaz définis dans les recettes qui sont à réaliser dans la chambre de procédés raccordée à la pompe à vide, notamment pour des étapes caractéristiques de ces recettes.

Par exemple, lorsque le procédé de surveillance prévoit une mesure réalisée à une échéance particulière et que l’on connait le débit de gaz et la nature du gaz pompé à ce moment-là, l’étape préalable de calibration peut enregistrer la mesure obtenue par le débitmètre thermique pour les valeurs de débit et la nature des gaz de ce point de fonctionnement spécifique.

Présentation des dessins

D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation, faite en référence aux dessins annexés dans lesquels:

La figure 1 montre une vue schématique d’une chambre de procédés d’un équipement de fabrication, raccordée à une ligne de vide.

La figure 2 montre une vue schématique d’un débitmètre thermique agencé dans une canalisation de refoulement de la ligne de vide de la figure 1 et sur lequel on a schématisé une distribution thermique en l’absence de flux de gaz et en l’absence de dépôts.

La figure 3 montre une vue du débitmètre thermique similaire à la figure 2 en présence d’un flux de gaz.

La figure 4 montre une vue du débitmètre thermique similaire à la figure 3 en présence d’un flux de gaz et d’un dépôt.

La figure 5 montre une vue schématique en coupe d’une pompe à vide turbomoléculaire.

La figure 6 montre une vue schématique partielle d’éléments d’un autre exemple de réalisation de pompe à vide.

Sur les figures, les éléments identiques portent les mêmes références. Les dessins sont simplifiés pour faciliter la compréhension.

Les modes de réalisation suivants sont des exemples. Bien que la description fasse référence à un ou plusieurs modes de réalisation, cela ne signifie pas nécessairement que chaque référence concerne le même mode de réalisation, ou que les caractéristiques ne s'appliquent qu'à un seul mode de réalisation. Des caractéristiques simples de différents modes de réalisation peuvent également être combinées ou interchangées pour fournir d'autres modes de réalisation.

On entend par « en amont », un élément qui est placé avant un autre par rapport à la direction d’écoulement du gaz. A contrario, on entend par « en aval », un élément placé après un autre par rapport au sens de circulation du gaz à pomper.

La figure 1 illustre un exemple d’équipement 101 de fabrication par exemple d’écrans plats d’affichage ou de substrats photovoltaïques ou de substrats (wafers en anglais) de semi-conducteurs.

L’équipement 101 comporte une chambre de procédés 102 raccordée à une ligne de vide comprenant une pompe à vide 1 turbomoléculaire qui est elle-même agencée en amont d’une pompe à vide primaire 100 par une canalisation de refoulement 103.

On voit également sur la figure 1, que la ligne de vide comporte un dispositif de surveillance 200 d’un dépôt de sous-produits de réaction au refoulement 7 de la pompe à vide 1.

Le dispositif de surveillance 200 comporte un débitmètre thermique 20 et une unité de traitement 22.

Le débitmètre thermique 20 peut être agencé au refoulement 7 de la pompe à vide 1 turbomoléculaire, dans la pompe à vide 1 turbomoléculaire elle-même comme on le verra plus loin ou dans la canalisation de refoulement 103 raccordée à la sortie de la pompe à vide 1 turbomoléculaire comme représenté sur la figure 1 ou peut être agencé au refoulement de la pompe à vide primaire 100, dans la pompe à vide primaire 100 ou dans une canalisation raccordée à la sortie de la pompe à vide primaire 100.

Dans le premier exemple de la figure 1, le débitmètre thermique 20 est agencé dans la canalisation de refoulement 103 raccordée à un orifice de sortie 8 de la pompe à vide 1 turbomoléculaire.

Le débitmètre thermique 20 (ou « thermal flow meter » en anglais) permet de mesurer le débit d’un gaz s’écoulant dans un conduit ou canalisation. Le principe d’un débitmètre thermique 20 est basé sur la propagation de la chaleur par convection à travers un fluide. De manière connue en soi, un débitmètre thermique 20 comprend deux sondes de températures : une première sonde de température 23 placée à un emplacement amont dans la direction d’écoulement des gaz au refoulement 7 et une deuxième sonde de température 24 placée à un emplacement aval (figure 2).

Le débitmètre thermique 20 comprend également un élément chauffant 25 interposé entre les sondes de température 23 et 24 ainsi qu’un substrat 26, isolant entre eux les sondes de température 23 et 24 et l’élément chauffant 25. L’élément chauffant 25 est par exemple une résistance chauffante. Les sondes de températures 23, 24 sont par exemple des thermistances. Le substrat 26 encapsule par exemple les sondes de températures 23, 24 en les isolant entre elles électriquement et thermiquement et en les protégeant des agressions éventuelles des gaz.

Les sondes de températures 23, 24 sont par exemple disposées à égale distance de l’élément chauffant 25. Les sondes de température 23, 24 et l’élément chauffant 25 peuvent être alignés le long d’une droite parallèle à l’axe de la canalisation de refoulement 103 dans lequel le débitmètre thermique 20 est agencé.

Pour réaliser une mesure par le débitmètre thermique 20, on alimente l’élément chauffant 25 qui va s’échauffer, par exemple jusqu’à 100°C, et on mesure la différence de température entre les sondes de température 23, 24.

Lorsqu’aucun gaz ne s’écoule dans la canalisation de refoulement 103, la chaleur diffusée par l’élément chauffant 25 est uniformément répartie autour de l’élément chauffant 25 (figure 2). Les sondes de températures 23, 24 permettent de mesurer une première différence de température, qui est nulle lorsque les sondes 23, 24 sont à égale distance de l’élément chauffant 25.

Lorsqu’un flux de gaz s’écoule dans la canalisation de refoulement 103, la convection de chaleur abaisse la température mesurée par la première sonde de température 23 placée en amont et élève la température mesurée par la deuxième sonde de température 24 placée en aval (figure 3). On observe alors un écart de température entre les sondes de températures 23, 24 plus important que celui pouvant être observé en l’absence de circulation d’un flux de gaz. Cet écart permet d’en déduire une mesure du débit de gaz.

Le débitmètre thermique 20 (ou « thermal flow meter » en anglais) peut être un composant MEMS (« MicroElectroMechanical Systems en anglais) (ou microsystème électromécanique) fabriqué à partir de matériaux semi-conducteurs. Les dimensions du débitmètre thermique 20 sont alors inférieures au centimètre.

L’unité de traitement 22 comprend un contrôleur ou microcontrôleur ou ordinateur ou automate et des programmes d’ordinateurs configurés pour mettre en œuvre un procédé de surveillance d'un dépôt de sous-produits de réaction au refoulement de la pompe à vide 1. L’unité de traitement 22 est par exemple le contrôleur de la pompe à vide 1 permettant notamment de contrôler la fréquence de rotation du rotor de la pompe à vide 1.

L’unité de traitement 22 est configurée pour réaliser une mesure par le débitmètre thermique 20 afin de déterminer la présence d’un dépôt de sous-produits de réaction au refoulement 7 en fonction de l’écart entre le débit mesuré par le débitmètre thermique 20 et une valeur estimée du débit de gaz pompé par la pompe à vide 1.

La valeur estimée du débit de gaz pompé peut être obtenue à partir d’informations disponibles par la pompe à vide 1 seule, c’est-à-dire sans avoir accès aux informations des quantités et nature des gaz introduits en amont de la pompe à vide 1.

Pour cela, selon un exemple de réalisation, le dispositif de surveillance 200 comporte un capteur de pression 21 configuré pour déterminer la pression au refoulement 7 de la pompe à vide 1 (figure 1).

L’unité de traitement 22 est alors configurée pour estimer le débit de gaz pompé à partir d’une information d’un paramètre de puissance du moteur 16 de la pompe à vide 1 et de la mesure du capteur de pression 21.

Le paramètre de puissance du moteur 16 de la pompe à vide 1 est par exemple le courant électrique. Le courant consommé par le moteur 16 et la pression au refoulement 7 de la pompe à vide 1 dépendent du débit de gaz et de la nature du gaz pompé. En mesurant la pression au refoulement 7 et en connaissant le courant consommé par le moteur 16, on est capable d’estimer une valeur de débit de gaz pompé que l’on peut comparer à la valeur mesurée par le débitmètre thermique 20.

Selon un autre exemple de réalisation, l’unité de traitement 22 est configurée pour communiquer avec la chambre de procédés 102 mise sous vide au moyen de la pompe à vide 1 pour estimer le débit de gaz pompé. La chambre de procédés 102 utilise des recettes définissant les durées, la nature, les débits et les pressions des gaz introduits dans la chambre. Ces recettes, ou des éléments de ces recettes, sont des informations qui peuvent être transmises par la chambre de procédés 102 à l’unité de traitement 22 qui peut alors estimer avec précision la valeur du débit de gaz pompé. L’information transmise par la chambre 102 peut être un signal numérique ou un contact sec ou autre.

Une variation de l’écart entre la valeur mesurée par le débitmètre thermique 20 et la valeur estimée du débit de gaz pompé permet de déterminer la présence d’un dépôt 27 de sous-produits de réaction dans la canalisation 103 (figure 4).

En effet, en l’absence de dépôts, pour un même flux et une même nature de gaz, identifiés par exemple par la mesure de pression et le courant moteur consommé, la différence entre les températures mesurées par les sondes de température 23, 24 est la même.

Mais lorsqu’un dépôt 27 apparait sur les parois internes de la canalisation de refoulement 103, et en particulier sur le débitmètre thermique 20, alors on observe une variation de la différence des températures mesurées. La couche de dépôt 27 déposée sur les sondes de température 23, 24 réduit le transfert de chaleur vers la deuxième sonde de température 24 placée en aval (figure 4). La température mesurée par la deuxième sonde de température 24 diminue relativement à la situation sans dépôt pour un même flux d’un même gaz (figure 3). Le débit mesuré par le débitmètre thermique 20 est donc différent en présence de dépôt pour un même débit d’un même gaz.

L’écart observé entre le débit mesuré par le débitmètre thermique 20 et la valeur estimée du débit de gaz pompé, au moyen de la mesure de pression et de la valeur du courant consommé par exemple, permet de conclure à la présence d’un dépôt 27 de sous-produits de réaction.

La durée d’une mesure par le débitmètre thermique 20 peut être inférieure à deux minutes, telle qu’inférieure à une minute. Une mesure est par exemple réalisée par le débitmètre thermique 20 à des intervalles espacés de plus de 10heures, tel qu’une mesure journalière.

Les taux de déposition observés les plus élevés dans les pompes à vide 1 turbomoléculaires, notamment dans les procédés de fabrication de semi-conducteurs, tel que les équipements de gravure, étant généralement inférieurs à 1mm par semaine, soit environ 5μm par heure, une fréquence de mesure relativement faible peut suffire pour observer l’apparition d’un dépôt. En limitant la durée des mesures à quelques secondes par jour, on évite que la mesure réalisée par le débitmètre thermique 20 puisse fausser les résultats, en empêchant le dépôt des espèces condensables à l’endroit du débitmètre 20, du fait de l’apport de chaleur de l’élément chauffant 25. En effet, les dépôts sont réduits, voire inexistants, à haute température.

Il est en outre possible d’évaluer l’épaisseur du dépôt 27 en fonction de la valeur de la déviation de la mesure donnée par le débitmètre thermique 20. Plus la déviation de la différence de température mesurée par le débitmètre thermique 20 est importante par rapport à la valeur attendue et plus l’épaisseur du dépôt 27 est importante.

Le procédé de surveillance peut également comporter une étape préalable de calibration dans laquelle on enregistre dans l’unité de traitement 22 au moins une mesure du débitmètre thermique 20 obtenue pour un débit de gaz prédéterminé, pompé par la pompe à vide 1.

On enregistre par exemple plusieurs mesures du débitmètre thermique 20 pour différents débits de gaz et/ou différentes espèces gazeuses pompés par la pompe à vide 1.

Ces mesures peuvent être réalisées pour les valeurs de débit et nature des gaz définis dans les recettes qui sont à réaliser dans la chambre de procédés 102 raccordée à la pompe à vide 1.

Ces mesures peuvent être réalisées pour des étapes caractéristiques de ces recettes.

Par exemple, lorsque le procédé de surveillance prévoit une mesure réalisée à une échéance particulière et que l’on connait le débit de gaz et la nature du gaz pompé à ce moment-là, l’étape préalable de calibration peut enregistrer la mesure obtenue par le débitmètre thermique 20 pour les valeurs de débit et la nature des gaz de ce point de fonctionnement spécifique.

Ces mesures peuvent être réalisées en présence d’un dépôt 27 sur les parois internes de la canalisation de refoulement 103, par exemple pour plusieurs épaisseurs de dépôt 27, pour permettre l’évaluation de l’épaisseur du dépôt 27 en fonction de la valeur de la déviation de la mesure du débitmètre thermique 20.

Ces mesures peuvent aussi être réalisées en l’absence de dépôt, par exemple après chaque maintenance, au démarrage, lorsque la canalisation de refoulement 103 est exempte de dépôts. Les mesures réalisées au cours du procédé de surveillance peuvent alors être comparées à ces valeurs de référence.

L’ensemble des données pouvant être recueillies lors de l’étape préalable de calibration peut permettre de mieux interpréter les valeurs mesurées par le débitmètre thermique 20, notamment en fonction des débits des gaz pompés, des espèces gazeuses pompées, de la nature du dépôt et des épaisseurs du dépôt.

On comprend de ce qui vient d’être décrit que le procédé et le dispositif de surveillance permettent de détecter plus précisément et au plus tôt la présence de dépôts au refoulement 7 de la pompe à vide 1.

La figure 5 illustre un deuxième exemple de réalisation dans lequel le débitmètre thermique 20 est agencé à l’intérieur de la pompe à vide 1 turbomoléculaire.

Comme on peut le voir plus précisément sur cette figure, la pompe à vide 1 turbomoléculaire comporte un stator 2 et un rotor 3 agencé dans le stator 2 et configuré pour entrainer un gaz à pomper entre un orifice d’entrée 6 et un orifice de sortie 8 du stator 2 dans une direction d’écoulement des gaz représentée par les flèches sur la figure 5.

La pompe à vide 1 comporte un étage turbomoléculaire 4 et un étage moléculaire 5 situé en aval de l’étage turbomoléculaire 4 dans la direction d’écoulement des gaz. Les gaz pompés entrent par l’orifice d’entrée 6, traversent d’abord l’étage turbomoléculaire 4, puis l’étage moléculaire 5, puis le refoulement 7, pour être ensuite évacués par l’orifice de sortie 8 de la pompe à vide 1. L’orifice de sortie 8 est raccordé à une pompe à vide primaire.

Dans l’étage turbomoléculaire 4, le rotor 3 comporte au moins deux étages de pales 9 et le stator 2 comporte au moins un étage d’ailettes 10. Les étages de pales 9 et d’ailettes 10 se succèdent axialement le long de l’axe de rotation I-I du rotor 3 dans l’étage turbomoléculaire 4. Le rotor 3 comporte par exemple plus de quatre étages de pales 9, comme par exemple entre quatre et huit étages de pales 9 (six dans l’exemple illustré sur la figure 1).

Chaque étage de pales 9 du rotor 3 comporte des pales inclinées qui partent en direction sensiblement radiale d’un moyeu 11 du rotor 3 fixé à un arbre 12 de la pompe à vide 1 turbomoléculaire. Les pales 9 sont réparties régulièrement en périphérie du moyeu 11.

Chaque étage d’ailettes 10 du stator 2 comporte une couronne de laquelle partent, en direction sensiblement radiale, des ailettes inclinées, réparties régulièrement sur le pourtour intérieur de la couronne. Les ailettes d’un étage d’ailettes 10 du stator 2 viennent s’engager entre les pales de deux étages de pales 9 du rotor 3 successifs. Les pales du rotor 3 et les ailettes du stator 2 sont inclinées pour guider les molécules de gaz pompés vers l’étage moléculaire 5.

Selon un exemple de réalisation, le rotor 3 comporte une jupe Holweck 13 dans l’étage moléculaire 5, formée par un cylindre lisse, qui tourne en regard de rainures hélicoïdales du stator 2. Les rainures hélicoïdales permettent de comprimer et guider les gaz pompés vers le refoulement 7.

Le rotor 3 est fixé à l’arbre 12 entraîné en rotation à grande vitesse en rotation axiale dans le stator 2, par exemple une rotation à plus de vingt mille tours par minute, au moyen d’un moteur 16 de la pompe à vide 1 turbomoléculaire. Le moteur 16 est par exemple agencé sous une cloche du stator 2, elle-même agencée sous la jupe Holweck 13 du rotor 3. Le rotor 3 est guidé latéralement et axialement par des paliers 18 magnétiques ou mécaniques. La pompe à vide 1 peut également comporter des roulements de secours 19.

Le débitmètre thermique 20 est placé au refoulement 7 à l’intérieur de la pompe à vide 1, ce qui correspond au volume compris entre la sortie du rotor 3, c’est à dire ici l’extrémité de la jupe Holweck 13, et l’orifice de sortie 8, là où il n’y a plus de compression des gaz mais où les pressions sont les plus élevées et le risque de dépôt le plus important dans la pompe à vide 1.

Le débitmètre thermique 20 est par exemple agencé dans un conduit 14 du refoulement 7, c’est-à-dire une canalisation généralement au diamètre standard des raccords sous vide et qui débouche par l’orifice de sortie 8.

Comme dans l’exemple précédent, l’unité de traitement 22 est configurée pour réaliser une mesure par le débitmètre thermique 20 afin de déterminer la présence d’un dépôt de sous-produits de réaction au refoulement 7 de la pompe à vide 1 en fonction de l’écart entre le débit mesuré par le débitmètre thermique 20 et une valeur estimée du débit de gaz pompé par la pompe à vide 1.

Comme précédemment, la valeur estimée du débit de gaz pompé peut être obtenue à partir d’informations disponibles par la pompe à vide 1 seule, c’est-à-dire sans avoir accès aux informations des quantités et nature des gaz introduits en amont de la pompe à vide 1.

Pour cela, selon un exemple de réalisation, le dispositif de surveillance 200 comporte un capteur de pression 21 configuré pour déterminer la pression au refoulement 7 de la pompe à vide 1. Le capteur de pression 21 est par exemple également agencé dans le conduit 14 du stator 2.

L’écart observé entre le débit mesuré par le débitmètre thermique 20 et la valeur estimée du débit de gaz pompé, au moyen de la mesure de pression et de la valeur du courant consommé par exemple, permet de conclure à la présence d’un dépôt 27 de sous-produits de réaction.

Le dispositif de surveillance 200 permet ainsi de détecter plus précisément et au plus tôt la présence de dépôts dans le refoulement 7 de la pompe à vide 1, ce qui permet de mieux gérer la planification des interventions de maintenance.

La surveillance peut être réalisée in situ, c’est-à-dire sans avoir besoin de démonter la pompe à vide 1. Le dispositif de mesure est non invasif. Il n’engendre pas de pertes de charges ou d'étanchéité. Il ne présente pas de pièce mobile, ce qui limite les possibilités de dysfonctionnements.

La figure 6 illustre un troisième exemple de réalisation dans lequel le débitmètre thermique 20 étant agencé à l’intérieur de la pompe à vide 100 primaire.

Comme représenté sur cette figure, la pompe à vide 100 primaire comporte un stator 2 formant au moins un étage de pompage, tel qu’entre deux et dix étages de pompage, ici cinq, montés en série entre un orifice d’entrée 6 et un orifice de sortie 8 du stator 2 et dans lesquels un gaz à pomper peut circuler.

L’étage de pompage communiquant avec l’orifice d’entrée 6 de la pompe à vide 100 est le premier étage de pompage ou étage de plus basse pression et l’étage de pompage communiquant avec l’orifice de sortie 8 est le dernier étage de pompage ou l’étage de plus haute pression.

La pompe à vide 1 comporte en outre deux rotors 300 agencés dans le stator 2 et configurés pour tourner de façon synchronisée en sens inverse dans les étages de pompage pour entrainer un gaz à pomper entre l’orifice d’entrée 6 et l’orifice de sortie 8. Les rotors 300 présentent par exemple des lobes de profils identiques, par exemple de type « Roots » à deux lobes, trois lobes ou plus ou de type « Claw » ou d’un autre principe similaire de pompe à vide volumétrique.

En fonctionnement, les rotors 300 sont entraînés en rotation par un moteur, par exemple agencé à une extrémité de la pompe à vide 1, tel que du côté de l’orifice de sortie 8.

Lors de la rotation, le gaz aspiré depuis l’orifice d’entrée 6 est emprisonné dans le volume engendré par les rotors 300 et le stator 2 de l’étage de pompage, puis est comprimé et entraîné vers la sortie et vers l’étage suivant. La pompe à vide 100 est dite « sèche » car en fonctionnement, les rotors 300 tournent à l’intérieur du stator 2 sans aucun contact mécanique entre eux ou avec le stator 2 mais via de très faibles jeux, ce qui permet l’absence d’huile dans les chambres de compression.

Dans ce mode de réalisation, le refoulement 7 est défini par le volume compris entre la sortie des rotors 300 du dernier étage de pompage et l’orifice de sortie 8, là où il n’y a plus de compression des gaz mais où les pressions sont les plus élevées et le risque de dépôt le plus important.

Le débitmètre thermique 20 est par exemple agencé dans un conduit du refoulement 7, c’est-à-dire dans une canalisation généralement au diamètre standard des raccords sous vide reliant la sortie des rotors 300 du dernier étage de pompage à l’orifice de sortie 8.

Claims (14)

1. Dispositif de surveillance (200) d’un dépôt de sous-produits de réaction au refoulement (7) d’une pompe à vide (1 ; 100) caractérisé en ce qu’il comprend :
   - un débitmètre thermique (20) comprenant :
   - une première sonde de température (23) placée à un emplacement amont dans la direction d’écoulement des gaz au refoulement (7),
   - une deuxième sonde de température (24) placée à un emplacement aval,
   - un élément chauffant (25) interposé entre les sondes de température (23, 24),
   - un substrat (26) isolant entre eux les sondes de température (23, 24) et l’élément chauffant (25), et
   - une unité de traitement (22) configurée pour réaliser une mesure par le débitmètre thermique (20) afin de déterminer la présence d’un dépôt de sous-produits de réaction au refoulement (7) en fonction de l’écart entre le débit mesuré par le débitmètre thermique (20) et une valeur estimée du débit de gaz pompé par la pompe à vide (1 ; 100).
2. Dispositif de surveillance (200) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le débitmètre thermique (20) est un composant MEMS.
3. Dispositif de surveillance (200) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte en outre un capteur de pression (21) configuré pour déterminer la pression au refoulement (7) de la pompe à vide (1 ; 100), l’unité de traitement (22) étant configurée pour estimer le débit de gaz pompé à partir d’une information d’un paramètre de puissance du moteur (16) et de la mesure du capteur de pression (21).
4. Dispositif de surveillance (200) selon la revendication 3, caractérisé en ce que le paramètre de puissance du moteur (16) de la pompe à vide (1 ; 100) est le courant électrique.
5. Dispositif de surveillance (200) selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l’unité de traitement (22) est configurée pour communiquer avec une chambre de procédés (102) mise sous vide au moyen de la pompe à vide (1), pour estimer le débit de gaz pompé.
6. Pompe à vide (1 ; 100) comprenant :
   - un stator (2) comprenant un orifice d’entrée (6) et un orifice de sortie (8),
   - au moins un rotor (3 ; 300) agencé dans le stator (2) et configuré pour entrainer un gaz à pomper entre l’orifice d’entrée (6) et l’orifice de sortie (8),
   caractérisée en ce que la pompe à vide (1 ; 100) comprend en outre un dispositif de surveillance (200) selon l’une des revendications précédentes, le débitmètre thermique (20) étant agencé à l’intérieur de la pompe à vide (1).
7. Pompe à vide (1 ; 100) selon la revendication 6, caractérisée en ce que le débitmètre thermique (20) est agencé dans un conduit (14) du refoulement (7).
8. Pompe à vide (1) selon l’une des revendications 6 ou 7, caractérisée en ce que la pompe à vide (1) est une pompe à vide turbomoléculaire.
9. Pompe à vide (100) selon l’une des revendications 6 ou 7, caractérisée en ce que la pompe à vide (100) est une pompe à vide primaire comprenant deux rotors (300) configurés pour tourner de façon synchronisée en sens inverse dans au moins un étage de pompage pour entrainer un gaz à pomper entre l’orifice d’entrée (6) et l’orifice de sortie (8).
10. Procédé de surveillance d'un dépôt de sous-produits de réaction au refoulement (7) d’une pompe à vide (1 ; 100) au moyen d’un dispositif de surveillance (200) selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel on réalise une mesure par le débitmètre thermique (20) pour déterminer la présence d’un dépôt de sous-produits de réaction au refoulement (7) en fonction de l’écart entre le débit mesuré par le débitmètre thermique (20) et une valeur estimée du débit de gaz pompé par la pompe à vide (1 ; 100).
11. Procédé de surveillance d’un dépôt selon la revendication 10, caractérisé en ce qu’on alimente l’élément chauffant (25) du débitmètre thermique (20) pour réaliser une mesure à des intervalles espacés de plus de 10heures, tel qu’une mesure journalière.
12. Procédé de surveillance d’un dépôt selon l’une des revendications 10 ou 11, caractérisé en ce que la durée d’une mesure par le débitmètre thermique (20) est inférieure à deux minutes, telle qu’inférieure à une minute.
13. Procédé de surveillance d’un dépôt selon l’une des revendications 10 à 12, caractérisé en ce qu’on évalue l’épaisseur d’un dépôt en fonction de la valeur de la déviation de la mesure du débitmètre thermique (20).
14. Procédé de surveillance d’un dépôt selon l’une des revendications 10 à 13, caractérisé en ce qu’il comporte une étape préalable de calibration dans laquelle on enregistre au moins une mesure du débitmètre thermique (20) obtenue pour un débit de gaz prédéterminé dans une pompe à vide (1 ; 100).