KR20090101379A - 압력 이탈이 없는 고용량 극저온 펌프 - Google Patents

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알렌 제이. 바틀렛
마이클 에이. 드리스콜
마이클 제이. 주니어 이아코바치
윌리암 엘. 존슨
로버트 피. 설리반
세르게이 시소에프
마크 에이. 스티라
존 제이. 카셀로
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브룩스 오토메이션, 인크.
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Abstract

극저온 펌프는 적어도 제 1 및 제 2 스테이지를 구비하는 냉각장치를 포함한다. 복사선 차폐부는 제 2 스테이지를 둘러싸고 제 1 스테이지와 열적으로 접촉한다. 복사선 차폐부는 드레인 홀을 포함할 수 있으며, 그러한 드레인 홀은 냉각 동안에 극저온 유체가 드레인 홀을 통과할 수 있게 허용한다. 극저온 펌프는 또한 제 2 스테이지와 열적으로 접촉하는 흡착제를 지지하는 1차 펌핑 표면을 포함한다. 제 2 스테이지 어레이 조립체는, 1차 응축 표면, 흡착제를 구비하는 피보호 표면, 그리고 비-1차 응축 표면을 포함한다. 배플(baffle)이 드레인 홀에 걸쳐 배치된다. 가스가 비-1차 응축 표면 상에서 응축되는 것을 방지하기 위해서, 드레인 홀을 통해서 횡단하려는 진공 베슬과 복사선 차폐부 사이의 환형 공간으로부터의 가스를 상기 배플이 재지향시킨다. 배플은 1차 응축 표면 상에서 응축되도록 가스를 지향시킨다.

Description

압력 이탈이 없는 고용량 극저온 펌프 {PRESSURE BURST FREE HIGH CAPACITY CRYOPUMP}
관련된 특허 출원에 대한 교차 참조
본원은 2007년 1월 17일자로 출원되고 전체가 참조로서 본 명세서에 포함되는 미국 가명세서 특허출원 제 60/880,859 호를 기초로 우선권을 주장한다. 또한 본원은 2007년 1월 26일자로 출원되고 전체가 참조로서 본 명세서에 포함되는 미국 가명세서 특허출원 제 60/897,666 호를 기초로 우선권을 주장한다.
일반적으로, 현재 이용가능한 극저온펌프(cryopumps)는, 그것이 개방형 또는 폐쇄형 극저온(cryogenic) 사이클이든지 간에, 동일한 디자인 컨셉을 따른다. 일반적으로 4 °K 내지 25 °K에서 작동되는 저온의 제 2 스테이지 어레이(stage array)가 일차 펌핑 표면이 된다. 이러한 표면은, 일반적으로 50 °K 내지 130 °K의 온도에서 작동되고 저온 어레이에 대한 복사선 차폐(radiation shielding)를 제공하는 고온 실린더에 의해서 둘러싸인다. 복사선 차폐부는 일반적으로 하우징을 포함한다. 하우징은 전방 어레이에 인접한 위치를 제외하고 폐쇄된다. 복사선 차폐부는 1차 펌핑 표면과 배기(evacuated)될 챔버 사이에 위치된다. 이러한 고온의 제 1 스테이지의 전방 어레이는 수증기와 같은 높은 끓는 점 가스에 대한 펌핑 사이트(site)로서 작용한다.
작동 중에, 수증기와 같은 높은 비등점의 가스들이 전방 어레이에서 응축된다. 낮은 비등점의 가스들이 그러한 전방 어레이를 통과하고 복사선 차폐부 내의 체적부(volume)으로 전달되고 제 2 스테이지 어레이 상에서 응축된다. 제 2 스테이지 어레이의 온도에서 또는 그보다 낮은 온도에서 작동하는 흡착제(목탄(charcoal) 또는 분자체(molecular sieve))로 코팅된 표면이 이러한 체적부 내에 제공될 수 있을 것이다. 흡착제는 매우 낮은 비등점의 가스들을 제거 또는 캡쳐(capture)한다. 가스들이 펌핑 표면 상에 흡착된 또는 응축된 상태에서, 작업 챔버 내에는 진공만이 유지된다.
폐쇄 사이클 냉각기(cooler)에 의해서 냉각되는 시스템에서, 통상적으로, 냉각기는 복사선 차폐부를 통해서 연장하는 콜드 핑거(cold finger)를 가지는 2 스테이지 냉각장치(refrigerator)이다. 냉각장치의 제 2의 가장 저온의 스테이지의 저온(cold) 단부는 콜드 핑거의 선단부이다. 1차 펌핑 표면, 또는 극저온 패널(cryopanel)이 콜드 핑거의 제 2 스테이지의 최저온 단부에서 히트 싱크에 연결된다. 이러한 극저온 패널은 단순한 금속 플레이트, 제 2 스테이지 히트 싱크 주위에 정렬되고 연결되는 금속 배플들로 이루어진 원통형 어레이 또는 컵이 될 수 있을 것이다. 이러한 제 2 스테이지 극저온 패널 역시 저온 흡착제를 지지할 수 있을 것이다.
복사선 차폐부가 냉각장치의 제 1 스테이지의 최저온 단부에서 히트 스테이션, 또는 히트 싱크에 연결된다. 차폐부는 방사열로부터 보호하도록 제 1 스테이 지 극저온 패널을 둘러싼다.
응축된 잔류 가스들은 극저온 펌프의 1차 응축 표면들 또는 비-1차(non-primary) 응축 표면들을 형성할 수 있다. 1차 펌핑 표면 상에서 펌핑이 일어난다. 1차 펌핑 표면은 제 2 스테이지 어레이 세트의 외측부를 포함하며, 그러한 제 2 스테이지 어레이 세트의 외측부에서는 타입 Ⅱ 가스가 1차 개구부로부터 2차 스테이지로(즉, 복사선 차폐부의 마우스(mouth) 및 전방 어레이를 통해서) 유입됨에 따라 어레이를 먼저 타격한다. 이는, 1차 개구부로부터의 가스의 제 1 타격으로부터 차폐되는 어레이 플레이트들의 표면들을 포함하지 않는다. 또한, 이는, 어레이 플레이트들의 하부측면(undersides), 마주하는 다른 플레이트들을 구비하는 어레이 플레이트들의 상부(top), 플레이트들을 서로 부착하는데 이용되는 또는 플레이트들을 제 2 스테이지 히트 스테이션에 부착하는데 이용되는 블래킷(brackets)을 포함하지 않는다. 이들 표면들은 비-1차 표면들로 간주된다. 비-1차 표면들 역시 다이오드를 위한 와이어, 또는 제 2 스테이지, 히터 카트릿지, 및 제 2 스테이지 실린더 차폐부에 열적으로 연결된 다른 전기 부품들을 포함할 수 있을 것이나, 이러한 것으로 제한되는 것은 아니다. 가스는, 예를 들어, 드레인 홀, 전기적 와이어/공급(feed)-관통 홀, 퍼지 홀, 히터, 및 기타 소자들을 포함하는 2차 개구부를 통해서 또는 전방 어레이를 통해서 직접적으로 제 2 스테이지 펌핑 영역으로 유입될 수 있을 것이다.
2차 펌핑 표면 상의 가스 종(species)의 부착(deposition) 비율(rate)은 1차 펌핑 표면 상의 부착 비율 보다 상당히 느리다. 이는, 스트레싱된(stressed) 또는 평평한(planar) 필름이 2차 어레이 표면 상에 형성될 수 있게 허용한다. 필름의 전체적인 구조는 평면형 또는 시트-형이다. 반도체 산업계의 대부분의 반응성 스퍼터링 용도에서 널리 이용되는 펌핑된 가스의 단순한 2원 혼합물의 경우에도 결빙(frost)의 미세조직은 복잡하다. 또한, 어떠한 특정 물질이 챔버로부터 펌핑되는지에 따라서, 결빙이 몇가지 상이한 타입의 가스로부터 층 형태로 형성된다. 여러 가지 서로 상이한 가스들이 챔버로부터 펌핑될 수 있을 것이고, 그리고 본 발명은 많은 다양한 가스들을 포함할 것이며, 본 발명은 그러한 특정 가스로 제한되지 않는다.
극저온 펌프의 비-1차 응축 표면 상에서의 응축은 내부의 인장 응력 또는 압축 응력을 받을 수 있을 것이다. 이러한 응력은, 가스의 압력(가스의 도달 비율), 가스의 온도, 또는 가스가 부착되는 표면의 온도, 그리고 필름의 구조적 결함과 같은, 필름 성장 조건들로부터 유발된다. 1차 응축 표면 상에서, 결빙은 일반적으로 두꺼운 주상형(columnar) 필름(보다 많은 가스 분자)을 형성하며, 이는 극저온 어레이의 1차 펌핑 표면 상에 분포된다.
분명하게, 극저온 펌프의 비-1차 응축 표면 상에 형성된 응축물, 또는 평평한 필름은 시간 경과에 따라서 그리고 보다 많은 필름이 부착됨에 따라서 집중되는(aggregate) 내부 응력을 가진다. 응축물이 두꺼워짐에 따라, 필름 내의 응력이 커져서 평평한 필름이 파괴 또는 파단될 수 있고 그리고 응축된 가스의 고체 단편 또는 플레이크(flakes)들이 유발될 수 있을 것이다. 이러한 플레이크들은 바람직하지 못하다.
일단 파괴되면, 플레이크들은 비-1차 응축 표면으로부터 자연적으로 분리되고 제 1 스테이지 온도 표면과 같은 극저온 펌프의 상대적으로 높은 온도의 표면을 향해서 낙하한다. 플레이크들이 상대적으로 높은 온도의 표면과 접촉하면, 플레이크들이 승온되고 상 변화를 거칠 수 있으며, 또는 고체상으로부터 기체상으로 승화될 수 있을 것이다. 플레이크의 크기에 따라서, 승화된 플레이크로부터 발생되는 가스가 펌핑된 챔버내로 다시 유입될 수 있고, 그리고 압력 이탈(excursion)을 초래할 수 있다. 이러한 압력 이탈은 펌핑된 챔버 내의 진공 조건에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 압력 이탈은 제조 작업을 중단시킬 수 있고, 또는 극저온 펌프로부터 응축된 가스 전부를 제거하기 위해서 심지어는 냉각 작업 실시를 위한 툴(tool)을 중단시킬 수도 있을 것이다.
극저온 펌프는 적어도 제 1 및 제 2 스테이지를 구비하는 냉각장치 그리고 복사선 차폐부를 포함한다. 복사선 차폐부는 제 2 스테이지를 둘러싸고 제 1 스테이지와 열적으로 접촉한다. 복사선 차폐부는 드레인 홀을 포함할 수 있으며, 그러한 드레인 홀은 냉각 동안에 극저온 유체가 드레인 홀을 통과할 수 있게 허용한다. 극저온 펌프는 또한 제 2 스테이지와 열적으로 접촉하는 흡착제를 지지하는 제 2 스테이지를 포함한다. 제 2 스테이지 어레이는, 1차 응축 표면들, 흡착제를 구비하는 피보호 표면들, 그리고 펌프로 유입되는 가스의 제 1 타격을 수용하지 않는 비-1차 응축 표면을 포함한다. 배플(baffle)이 드레인 홀에 걸쳐 배치된다. 가스가 비-1차 응축 표면 상에서 응축되는 것을 방지하기 위해서, 드레인 홀을 통과하는 가스가 복사선 차폐부의 내부 체적부의 외측으로 또는 차폐부의 내측 표면을 따라서 재지향(redirected)된다. 배플은 1차 응축 표면 상에서 응축되도록 가스를 지향시킨다. 다른 실시예에서, 가스를 재지향시키고 비-1차 응축 표면 상에서 응축되는 것을 방지하기 위해서, 폐색부(occlusion)가 퍼지 홀 또는 전기적 공급 관통 홀을 차단할 수 있을 것이다.
다른 실시예에서, 극저온 펌프가 적어도 제 1 및 제 2 스테이지를 구비하는 냉각장치를 포함한다. 제 2 스테이지가 실린더를 포함한다. 극저온 펌프는 또한 제 2 스테이지를 둘러싸는 복사선 차폐부를 포함하고 제 1 스테이지와 열적으로 접촉한다. 제 2 스테이지 실린더 차폐부가 제 2 스테이지의 최저온 섹션과 열적으로 접촉하고 실린더를 둘러싼다. 균일한 온도 편차(differential)를 나타내는 통로가 제 1차 스테이지와 열적으로 접촉하는 또는 복사선 차폐부와 열적으로 접촉하는 연장 피스(extension piece)와 실린더 차폐부 사이에 형성된다. 실린더 차폐부의 저온 표면과의 분자 충돌 및 그 표면 상에서의 응축은 가스 분자를 실린더 차폐부에 견고하게 결합시키고 그리고 제 2 스테이지 냉각장치 실린더 상에서의 응축을 방지한다.
실린더 차폐부가 단부를 포함한다. 이러한 단부는 연장부에 인접하여 위치되고, 상기 단부는 펼침부(flare)를 포함한다. 상기 펼침부는 연장부와 원통형 차폐부 사이에서 측정되는 간극(clearance)을 제공한다. 상기 간극은 단부에서의 결빙이 연장부와 접촉하는 것을 방지하기에 적합하고, 그리고 결빙이 집중되는 것을 방지하기에 적합하다. 집중되는 결빙이 파괴되고, 플레이크를 형성하고, 그리고 압력 이탈을 초래할 수 있다.
본원 발명의 다른 측면에 따라서, 극저온 펌프는 적어도 제 1 및 제 2 스테이지를 구비하는 냉각장치를 포함한다. 또한, 극저온 펌프는 제 2 스테이지를 둘러싸고 그리고 제 1 스테이지와 열접촉하는 복사선 차폐부를 구비한다. 극저온 펌프는 또한 제 2 스테이지와 열접촉하는 흡착제를 지지하는 제 2 스테이지 어레이를 구비한다. 제 2 스테이지 어레이는 1차 응축 표면, 흡착제를 구비하는 피보호 표면, 그리고 비-1차 응축 표면을 포함한다. 비-1차 응축 표면은 응축된 결빙이 모이는 표면 상에 형성된 표면 돌출부들을 포함한다. 상기 돌출부들은 가스가 비-1차 응축 표면 상에 부착될 때 응축된 부착물들 내에서의 균열-발생 응력을 감소시킨다.
다른 실시예에서, 표면 돌출부들은 "낮은 응력"의 부착된 필름을 초래한다. 바람직하게, 표면 돌출부들은 연속적인 부착 필름이 형성되는 것을 방지한다. 일 실시예에서, 표면 돌출부들은 비-1차 응축 표면 상의 패턴을 포함할 수 있다. 비-1차 응축 표면은 조질(rough) 표면 텍스쳐(texture)를 가지는 평평한 표면을 포함할 수 있다. 이는 제조 작업으로부터 이루어질 수 있고, 예를 들어, 평평한 표면 상에서 이루어지는 스탬핑(stamping) 작업으로부터 이루어질 수 있다. 비-1차 응축 표면으로 가스가 펌핑되는 것을 최소화하기 위한 또는 방지하기 위한 노력으로서, 수 많은 가스 유동 경로가 극저온 펌프 내에서 관리(managed)된다.
극저온 펌프는 밀봉된 다이오드 홀을 포함하는 복사선 차폐부를 포함할 수 있고, 또는 일반적으로 퍼지 홀이 복사선 차폐부 상에 위치되는 곳을 충진하기 위해서 위치되는 폐색부를 포함한다. 비-1차 응축 표면으로부터 1차 응축 표면으로 가스를 재지향시켜 가스를 캡쳐하고 압력 이탈을 방지하기 위해서, 복사선 차폐부가 드레인 홀의 위쪽에 위치된 배플을 포함할 수 있다. 극저온 펌프는, 가스가 비-1차 응축 표면 상에 부착됨에 따라서, 응축된 물질로 이루어진 비-인접(contiguous) 필름을 형성하는 표면을 포함할 수 있다. 복사선 차폐부와 접촉하는 열접촉 표면들로부터의 응축을 방지하기 위해서, 1차 응축 표면이 노치(notch)를 포함한다. 표면들은 약 100 °K가 될 수 있다. 표면은 두께가 불균일한 부착 가스 필름을 형성할 수 있다. 불균일한 필름 두께는 부착된 필름의 균열을 방지한다.
다른 실시예에 따라서, 극저온 펌프는 제 1 스테이지와 열적으로 접촉하고, 제 2 스테이지를 둘러싸는 복사선 차폐부 및 적어도 제 1 및 제 2 스테이지를 가지는 냉각장치를 포함한다. 극저온 펌프는 제 2 스테이지와 열적으로 접촉하는 흡착제를 지지하는 제 2 스테이지 어레이를 포함한다. 제 2 스테이지 어레이는 1차 응축 표면, 흡착제를 가지는 피보호 표면, 그리고 비-1차 응축 표면을 포함한다. 1차 펌핑 표면은 제 1 섹션 및 제 2 섹션으로 섹션화된 상부 플레이트를 포함한다. 제 1 섹션 및 제 2 섹션은 제 1 섹션 및 제 2 섹션으로부터 형성된 부착된 응축물의 상대적인 이동을 방지하는 강성(rigid) 연결부에 의해서 결합된다.
일 실시예에서, 제 1 섹션 및 제 2 섹션이 블래킷에 의해서 결합된다. 다른 실시예에서, 제 1 섹션 및 제 2 섹션이 연동 계면(interlocking interface)에 의해서 결합된다. 제 1 섹션 및 제 2 섹션이 또한 납땜에 의해서 결합될 수도 있다. 결빙이 상부 플레이트의 상부의 평평한 표면 상에 균일하게 분포될 수 있도록, 상부 플레이트가 구성된다.
상부 플레이트는 도한 그 상부 플레이트의 방사상 측부(side) 내에 노치를 포함할 수 있다. 온도가 약 100 °K이고, 그리고 복사선 차폐부와 열접촉하는, 연장부와 응축물이 접촉하는 것을 방지하도록 노치가 구성된다. 노치는 대체적으로 직각으로 형성될 수 있다. 또한, 상부 플레이트는 제 2 섹션과 중첩되는 제 1 섹션 또는 제 1 섹션과 중첩되는 제 2 섹션을 포함할 수 있다. 그 대신에, 상부 플레이트가 3개 또는 그 이상의 섹션으로 제조될 수 있고, 상대적인 이동을 방지하기 위해서 그러한 3개 이상의 섹션들이 서로 기계적으로 커플링된다.
다른 실시예에서, 상부 플레이트의 제 1 섹션 및 제 2 섹션으로부터 형성된 1차 펌핑 표면 상에서의 응축물 성장을 관리하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 진공 베슬(vessel)과 복사선 차폐부 사이에 형성된 환형 공간으로부터의 유동을 차단하는 단계를 포함한다. 또한, 상기 방법은 1차 펌핑 표면으로 유동을 재지향시키는 단계, 그리고 두꺼운 결빙을 형성하기 위해서 1차 펌핑 표면에서 가스를 응축시키는 단계를 포함한다. 또한, 상기 방법은 제 1 섹션 및 제 2 섹션을 강성 방식(rigid manner)로 서로 기계적으로 커플링시키는 단계를 포함한다. 그러한 강성 연결은, 펌핑 작동 중에, 제 1 섹션 상에 부착된 응축물이 이동하는 것 그리고 제 2 섹션 상에 부착된 응축물과 접촉하는 것을 방지한다.
다른 실시예에서, 극저온 펌프는 제 1 스테이지와 열적으로 접촉하고 제 2 스테이지를 둘러싸는 복사선 차폐부 및 적어도 제 1 및 제 2 스테이지를 가지는 냉각장치를 포함한다. 극저온 펌프는 제 2 스테이지와 열적으로 접촉하는 흡착제를 지지하는 1차 펌핑 표면을 포함한다. 1차 펌핑 표면은 1차 응축 표면, 흡착제를 구비하는 피보호 표면, 그리고 비-1차 응축 표면을 포함한다. 극저온 펌프는, (ⅰ) 비-1차 응축 표면 상에서의 응축을 최소화하기 위한 구조물(즉, 배플, 펼침부, 또는 폐색부) 및 (ⅱ) 가스가 비-1차 응축 표면 상에 부착될 때 응축 부착물 내의 균열-형성 응력을 최소화하기 위한 제 2 구조물(즉, 돌출부 또는 피쳐(feature)), 중 하나 이상을 포함한다.
첨부 도면에 도시된 본 발명의 예시적인 실시예들에 관한 보다 구체적인 이하의 설명으로부터 전술한 내용을 보다 잘 이해할 수 있을 것이며, 상기 도면들에서 동일한 부분들에 대해서는 유사한 도면부호를 부여하였다. 도면들은 반드시 실척으로 도시된 것이 아니며, 본 발명의 실시예들을 설명하기 위해서 강조한 부분도 있을 것이다.
도 1은 순수 응축 가스에 대한 극저온 펌프의 비-1차 응축 표면 상의 박막 필름 부착을 응축된 물질과 함께 도시한 도면으로서, 일부 필름이 플레이크로 균열되는 것을 도시한 도면이다.
도 2는 응축 가스들의 혼합물에 대한 극저온 펌프의 비-1차 응축 표면 상의 박막 필름 부착을 응축된 물질과 함께 도시한 도면으로서, 일부 필름이 플레이크로 균열되는 것을 도시한 도면이다.
도 3A 내지 도 3C는 내부 응력을 가지는 필름이 극저온 펌프 표면 상에 부착 되는 것을 도시한 도면들이다.
도 3D 내지 도 3F는 필름에서 일반적으로 관찰되는 다수의 균열 패턴을 도시한 도면이다.
도 4A는 1 x 10-7 Torr의 일정한 회복(recovery) 진공 압력으로 펌핑된 챔버를 도시한 제 1 실시예의 압력 좌표(plot)의 그래프이다.
도 4B는 1 x 10-7 Torr의 진공 압력으로 펌핑된 챔버의 압력 좌표로서, 플레이크 파괴 및 승화에 기인한 몇 곳의 압력 이탈을 함께 도시한 그래프이다.
도 5A는 드레인 홀을 통한 가스 유동을 방지하기 위한 배플을 포함하는 제 1 실시예에 따른 극저온 펌프의 측면도이다.
도 5B는 복사선 차폐부 내의 드레인 홀과 진공 베슬 사이의 환형 공간으로부터의 가스 유동에 대한 바람직하지 못한(disfavored) 경로를 도시하기 위해서 진공 베슬과 스퍼터링 플레이트가 제거된 상태로 도시한 극저온 펌프의 절개도이다.
도 5C는 도 5B의 드레인 홀의 확대도이다.
도 5D는 진공 베슬과 복사선 차폐부에 의해서 형성된 환형 공간 내의 바람직하지 못한 가스 유동 경로를 도시한 도면이다.
도 6은 극저온 펌프의 비-1차 응축 표면으로 가스가 유동하는 것을 방지하기 위해서 최적의 크기를 가지는 드레인 홀의 위쪽에 배치된 배플을 포함하는 복사선 차폐부를 도시한 사시도이다.
도 7A는 1차 응축 표면 상에서의 주상형 결빙 형성의 초기 스테이지를 도시 한 사시도이다.
도 7B는 최대 용량(full capacity)에서 1차 응축 표면 상의 주상 결빙을 도시한 사시도이다.
도 7C는 스퍼터링 차폐부를 통해서 연장하는 주상형 결빙을 도시한 도면이다.
도 8A는 제 1 및 제 2 반원형 플레이트 사이의 이격부를 가지는 상부 플레이트를 구비하는 어레이를 포함하는 종래 기술의 1차 응축 표면을 도시한 도면이다.
도 8B는 일체형 상부 플레이트 및 노치와 함께 어레이를 도시한 도면이다.
도 9는 제 2 스테이지 통로를 형성하는 종래 기술의 차폐부를 도시한 도면이다.
도 10은 도 9의 통로의 측면도이다.
도 11은 도 8A의 차폐부의 다른 실시예를 도시한 측면도이다.
도 12A는 펼쳐진 단부를 구비한 차폐부를 포함하는 어레이의 절개도이다.
도 12B는 펼쳐진 단부를 가지는 차폐부의 단면도이다.
도 13은 제 1 스테이지 연장부 및 제 2 스테이지 차폐부를 포함하는 제 2 스테이지 어레이 조립체의 절개도이다.
도 14A는 스퍼터링 차폐부를 제거한 상태로 본 발명의 일 시시예에 따른 극저온 펌프를 도시한 평면도로서, 퍼지 홀을 제거한 상태의 그리고 다이오드 와이어 홀을 밀봉 폐쇄한 상태의 복사선 차폐부를 포함하는 극저온 펌프를 도시한 평면도이다.
도 14B는 제 2 스테이지 어레이로부터 연장하는 결빙의 제 1 및 제 2 첨탑부를 포함하는 바람직하지 못한 구성을 도시한 도면이다.
도 15A는 충분하지 못한 회복 시간을 초래하는 압력 이탈 상태의 펌프 사이클에 걸친 웨이퍼 작업의 수(number)에 걸친 챔버 압력 회복을 나타낸 그래프이다.
도 15B 및 도 15C는 도 15A의 압력 이탈에서 시간 경과에 따른 압력을 도시한 도표이다.
도 16 및 도 17은 균열-형성 응력의 감소를 위한 표면의 평면도 및 측면도이다.
도 18 및 도 19는 다른 실시예에 따른 균열-형성 응력의 감소를 위한 표면의 평면도 및 측면도이다.
도 20A 내지 도 20I는 표면 상에 부착된 평평한 필름의 균열-형성 응력의 감소를 위한 다수의 표면 돌출부들의 여러 가지 구성을 도시한 도면이다.
도 20J는 측방향 엣지(lateral edge)와 돌출부 사이의 공간의 마진(margin)과 함께 표면 상에 배치된 돌출부의 구성을 도시한 도면이다.
도 21A 내지 도 21D는 진동으로부터 결빙을 보호하고 압력 이탈을 최소화하는 어레이의 상부 플레이트에 대한 몇가지 구성을 도시한 도면이다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 대한 설명은 다음과 같다.
극저온 펌프(10)의 표면들을 형성하는 2가지 타입의 응축된 결빙 필름, 즉 두꺼운 주상형 결빙 및 얇은 평평한 필름이 존재한다. 도 5B 및 도 5C를 참조하 면, 주상형 결빙(도 5B 및 도 5C에는 생략됨)이 어레이(20)의 1차 응축 표면(15) 상에 형성될 수 있는 한편, 평평한 필름은 극저온 펌프(10)의 다른 비-1차 응축 부분들 상에 형성될 수 있을 것이다(도 5B 참조). 일 실시예에서, 평평한 필름이 어레이(10)의 상부 플레이트(20)(도 5B 참조) 아래쪽에 위치된 블래킷(25) 상에 ㅎ여성될 수 있을 것이다. 이러한 블래킷(25)은 비-1차 응축 표면(25)이다(도 5B 참조). 도 5D를 참조하면, 가스가 진공 베슬(30)과 복사선 차폐부(35) 사이에 위치된 환형 공간(40)으로 들어갈 것이다. 도 5D에 도시된 바와 같이, 가스는 어레이의 상부 플레이트(15)로 유동하는 대신에 화살표(A, B 및 C) 방향을 따라 환형 공간(40)내로 진행할 것이다. 이어서, 가스는 화살표(D) 방향을 따라서 복사선 차폐부(35) 내에 위치된 드레인 홀 개구부(45)를 통과할 것이다.
진공 베슬(30)과 복사선 차폐부(35) 사이를 가스가 통과함으로써(도 5B 참조), 평평한 결빙 필름이 형성될 수 있을 것이다. 가스는 화살표(D) 방향을 따라서 베슬(30)과 공간(40) 사이에 형성된 환형 공간(40)으로 통과하게 될 것이다. 이어서, 이러한 가스가 드레인 홀(45)로부터 이동될 수 있고 그리고 블래킷(25)(도 5C 참조) 상에서 또는 도 5B에 도시된 1차 응축 표면(15) 이외의 구역 내에서 응축될 수 있을 것이다. 비록 이들 표면(예를 들어, 블래킷(25) 또는 다른 위치) 상에 성공적으로 응축되기는 하였지만, 그러한 가스는 바람직하지 못한데, 이는 응축된 물질이 고-응력의 평평한 필름을 형성하기 때문이다. 이러한 타입의 응축된 가스는 시간 경과에 따라 극저온 펌프(10)의 작동에 영향을 미칠 수 있고 그리고 진공 챔버 내의 압력 이탈을 초래할 수 있는 구조물을 형성할 수 있다.
주상형 결빙 부착물(F)(도 7B 참조)이 어레이(20)의 1차 응축 표면(15) 상에 형성되는 두꺼운 구조물로서 관찰되며, 이는 바람직하다 할 것이다(도 5B 참조). 평평한 결빙 필름이, 예를 들어, 블래킷(25) 상에 형성되는 동안(도 5C 참조), 필름에서 균열, 박리(delamination), 및 분리(ejection), 그리고 고온 표면에서의 후속하는 승화가 발생될 수 있다. 이러한 승화로 인해서, 가스가 프로세스 모듈 또는 이송 챔버와 같은 진공 챔버 내로 재진입할 수 있고, 챔버 내의 진공 조건에 영향을 미칠 수 있으며, 이는 바람직하지 못하다. 이러한 결빙 플레이크가 극저온 펌프의 고온(warm) 표면과 접촉하면 압력 이탈을 초래할 수 있으며, 그러한 압력 이탈은 이송 챔버 또는 프로세스 챔버 내에서의 제조 작업의 중단을 초래할 수 있고, 또는 후속 냉각 작업에서 펌프 가열(warming)을 위하여 제조업자가 작업을 중단하게 만들 수도 있을 것이다. 이 두가지는 모두 바람직하지 못한데, 이는 제조업자들은 압력 이탈을 완전히 회피하길 원하기 때문이다.
이러한 응력을 받는(stressed) 평평한 결빙 필름의 형성은 하나의 순수 가스 또는 가스 혼합물을 펌핑하는 동안에 발생될 수 있다. 저온 표면 상에서 가스를 응축하는 동안에, 예를 들어, 조밀육방격자(hcp), 및 면심입방격자(fcc)와 같은 다수의 서로 상이한 구조 또는 상(phases)들이 형성될 수 있을 것이다. 예를 들어, 10 °K에서 약 70 퍼센트 아르곤과 30 퍼센트 질소의 혼합물이 면심입방격자 조직을 형성할 것이고, 동일한 온도에서 60 퍼센트 질소와 40 퍼센트 아르곤은 조밀육방격자 상을 형성할 것이다. 얇은 평평한 결빙 필름이 내부 응력과 함께 형성될 것이고, 표면 상에서 응축된 필름이 부착되고 그리고 두꺼워지기 시작함에 따라, 필름은 시간 경과에 따라 균열될 수 있을 것이다. 이러한 균열 및 후속하는 파쇄(또는 접촉 지점으로부터 칩(chip)들이 발생되는 피쳐)는 층상의 평평한 필름 내에 형성되는 잔류 인장 또는 압축 응력에 기여하게 된다.
기판 온도 및 가스 압력이 금속 코팅 내에서의 미세조직 형성(development)에 영향을 미칠 것이며, 이는 극저온 펌프(10)의 비-1차 응축 표면(25) 및 1차 응축 표면(15) 상에서의 결빙 형성(도 5B 내지 도 5D 참조)과 유사하다. 결빙의 미세조직은 (ⅰ) 가스의 온도, (ⅱ) 부착된 표면의 온도(기판 온도), 및 (ⅲ) 부착된 표면에 대한 가스의 도입 비율(압력)을 포함하는 파라미터들에 따라서 달라질 것이다.
비-1차 응축 표면(25)에서의 가스의 온도 또는 가스의 압력으로 인해서, 기둥(columns)들 사이에 부분적인 본딩(bonding)이 존재하는 기둥들로 이루어진 조직 대신에 평평한 필름이 (도 5C의 블래킷(25) 상에) 형성될 것이며, 이는 1차 응축 표면(15) 상에 형성된 결빙(F)(도 5B 참조)과 유사하다. 드레인 홀(45)로부터 블래킷(25)까지 부착된 표면 상으로의 가스 도입 비율이 보다 서서히 그리고 낮은 압력으로 발생되기 때문에, 주상형 결빙(F)(바람직하다)이 블래킷(25)에서 형성되지 않을 것이다. 그 대신에, 평평한 결빙 필름이 형성될 것이고 그리고 블래킷(25) 상에 부착될 것이다. 내부 응력은 시간 경과에 따라 증대될 것이고 그리고 필름을 파괴할 것이다. 이어서, 플레이크들이 분리될 수 있고, 이어서 극저온 펌프(10)의 상대적으로 고온인 표면과 접촉할 수 있다. 이어서, 플레이크들이 승화되어 진공 챔버 내로 압력 이탈을 초래할 것이다. 그 대신에, 도 7A에 도시된 바와 같은 주 상형의 그리고 두꺼운 조직을 가지는 결빙을 도 5C에 도시된 1차 응축 표면(15) 상에 형성하는 것이 바람직하다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 2가지 상이한 조건하에서 극저온 펌프(10)의 비-1차 응축 구역에 부착된 평평한 필름이 도시되어 있다. 도 1에서, 평평한 필름은 순수한 단일 가스로부터 형성되고, 도 2에서, 평평한 필름은 가스 혼합물로부터 형성된다. 변화되는(differing) 가스들의 교호적인(alternating) 응축 필름 층들은 필름 층들 사이에서 높은 응력을 생성할 수 있다. 도 2에서, 변화되는 가스 필름 층들 사이의 차등적인 응력은 필름 구조물의 심각한 균열 및 층 박리를 초래한다. 도시된 바와 같이, 도 1 및 도 2 모두의 평평한 필름은 매우 장범위에 걸친 규칙적인 패턴(very long range ordered pattern)으로 형성되며, 이는 균열되고 플레이크를 형성할 수 있으며, 그러한 플레이크는 분리, 가열, 및 고체로부터 가스로 승화될 수 있으며, 이는 챔버 내의 진공 압력에 영향을 미칠 것이다. 또한, 이러한 분리는 미리 예상할 수 있는 방식으로 발생되는 것이 아니라, 임의적이고(spontaneous) 예측불가능한 방식으로 일어난다. 플레이크들의 무작위적인 분리가 진공 챔버의 진공 압력에 대해서 임의적이고 제어되지 않은 방식으로 영향을 미칠 수 있다.
도 3A 내지 도 3E를 참조하면, 평평한 필름에서 발생될 수 있는 여러 가지 균열이 도시되어 있다. 첫 번째로, 도 3A에 도시된 바와 같이, 가스(50)들이 도 5B 및 도 5C에 도시된 바와 같이 어레이(20)의 블래킷(25) 상에서 응축될 것이다. 블래킷(25)의 온도, 가스의 온도, 및 드레인 홀(45)로부터 유입되는 가스의 압력으 로 인해서, 결빙(55)이 내부 응력과 함께 형성될 것이다. 이러한 응력은 인장 형태(도 3B 참조) 또는 압축 형태(도 3C 참조)일 수 있으며, 시간이 경과하면 응축된 물질이 점점 두꺼워질 것이고 그리고 조성도 가변적인 될 것이며, 이는 표면 균열의 형성을 초래할 것이고(도 3D 참조), 또는 채널형성(channeling; 도 3E 참조)을 초래하거나 또는 분리(debond)를 초래할 수 있고, 또는 평평한 필름 층들의 분리(separation; 도 3F 참조)를 초래할 수 있다. 도 3D-3F에 도시뇌 결빙 구성들 모두가 바람직하지 못한 압력 이탈을 초래할 수 있을 것이다.
본원 발명의 극저온 펌프는 높은 응력의 평평한 필름이 균열 플레이크의 분리를 유발하는 정도의 양으로 형성되는 것, 그리고 압력 이탈(관련 챔버 내의 진공 압력에 영향을 미칠 수 있을 것이다)을 초래하는 것을 방지하는 구성을 포함한다. 또한, 본 발명의 극저온 펌프(10)는 플레이크들이 형성되는 것을 방지하고 그리고 극저온 펌프(10)의 상대적으로 고온인 부분과 열적으로 접촉하는 것을 방지하는 구성을 가진다.
도 5A를 참조하면, 본원 발명과 관련하여 사용될 수 있는 극저온 펌프(100)가 도시되어 있다. 극저온 펌프(100)는 Bartlett 등에게 허여되고 본 명세서에서 전체가 참조되는 미국 특허 제 5,782,096 호에 보다 구체적으로 설명되어 있다. 극저온 펌프(100)는 웨이퍼 핸들링을 위한 챔버 내에서 진공 베슬(105)을 지지하기 위해서 플랜지(110)에 연결된 진공 베슬(105)을 포함한다.
극저온 펌프(100)는 이송 챔버 또는 프로세스 챔버와 같은 챔버와 소통하는 전방 개구부(115)를 포함한다. 극저온 펌프(100)는 2 스테이지 냉각장치에 연결된 다. 2 스테이지 냉각장치는 원통형 부분(125)을 통해서 진공 베슬(105) 내로 돌출한 핑거(120)를 포함한다. 일 실시예에서, 냉각 장치는 GIFFORD-MACMAHON 냉각장치일 수 있으나; 다른 냉각장치도 본 발명의 극저온 펌프(100)와 관련하여 이용될 수 있을 것이다. 극저온 펌프(100)는 또한 모터(130)에 연결된다. 모터(130)는 상기 저온 핑거(120) 내에서 2-스테이지 변위장치(displacer)를 구동시킨다. 각 사이클에서, 헬륨 가스가 가압되어 저온 핑거(120) 내로 도입되고, 그리고 팽창되고, 냉각되며, 이어서 배출된다. 제 1 스테이지 히트 싱크(135)가 제 1 스테이지의 저온 단부에 장착된다. 제 2 히트 싱크(140)가 또한 제 2 스테이지의 저온 단부에 장착된다.
극저온 펌프(100)의 일차 펌핑 표면(150)은 제 2 스테이지 히트 스테이션(140)에 장착된 배플(155)들의 어레이를 포함한다. 이러한 배플(155)들의 어레이는 20 °K에서 또는 그 미만에서 유지된다. 이는 가스 응축을 위한 것이고, 그리고 바람직하게 이러한 1차 펌핑 표면(150)(제 2 스테이지 히트 스테이션(140)에 장착된 배플(155))은 낮은 응축 온도 가스를 응축하기 위한 것이고 그리고 1차 응축 표면(150) 상에서 바람직한 두꺼운 주상형 패턴으로 결빙을 형성하기 위한 것이다. 극저온 펌프(100)는 컵 형상의 복사선 차폐부(160)를 더 포함한다. 복사선 차폐부(160)는 제 1 스테이지 히트 스테이션(135)에 장착된다. 저온 핑거(120)를 포함하는 제 2 스테이지(140)가 복사선 차폐부(160)의 개구부(165)를 통해서 연장한다. 복사선에 의한 어레이(155)의 가열을 최소화하기 위해서, 복사선 차폐부(160)가 제 2 스테이지 어레이(155)를 둘러싼다. 바람직하게, 복사선 차폐 부(160)의 온도는 약 130 °K 보다 낮다.
도 6을 참조하면, 배플(155)들의 어레이 및 제 2 스테이지 히트 스테이션(140)을 제거한 상태로, 복사선 차폐부(160)를 도시한다. 복사선 차폐부(160)의 바닥 표면(170)에는 드레인 홀(175)이 배치된다. 드레인 홀(175)은 극저온 펌프(100)의 냉각 중에 이용되며, 이때 극저온 펌프(100)는 작동 상태로부터 벗어나고 어레이(155)로부터 응축된 물질을 제거하기 위해서 가열된다. 일반적으로, 드레인 홀(175)은 원형 형상이고 그리고 바닥 표면(170)을 통해서 배치되어, 냉각 프로세스 동안에 액체 물질이 빠져나갈 수 있게 허용한다.
그러나, 극저온 펌프의 작동 중에, 종래 기술의 드레인 홀은 챔버 내의 진공 압력에 영향을 미치는 악영향을 제공한다. 드레인 홀은 가스가 극저온 펌프의 비-1차 응축 표면(25)에 접근할 수 있게 허용한다. 작동 중에, 종래 기술의 드레인 홀은 진공 베슬(105)과 복사선 차폐부(160) 사이로부터 드레인 홀(175)을 통해서 어레이(155)까지 위쪽으로 가로지르는 방식으로 가스가 이동할 수 있게 허용한다. 이는, 가스가 어레이(155)의 비-1차 응축 구역(25) 상에서 응축되게 한다. 이러한 실시예에서, 복사선 차폐부(160)는 드레인 홀(175)에 연결된 "U"자형 배플(200)을 포함한다. 또한, 드레인 홀(175)은 최적의 개구 크기를 갖는다. "U"자형 배플(200)은 드레인 홀(175)의 위쪽에 배치되는 탄성을 가지는 얇은 금속 부재이다. 바람직하게, "U"자형 배플(200)은 극저온 펌프(100)의 작동 중에 드레인 홀(175)을 차단하고, 동시에, 냉각 중에 드레인 홀(175)로부터 유체가 배출될 수 있게 허용한다. "U"자 형상으로 제한되지 않으며, 다른 폐색 부재도 드레인 홀(175)의 위쪽에 배치될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
수소를 포획(trap)하기 위한 목탄을 포함하는 배플(155)을 포함하는 극저온 부품의 가열 및 냉각으로 인해서, 목탄이 시간 경과에 따라 분리되고(dislodge) 분쇄될 수 있을 것이다. 목탄이 드레인 홀(175)을 막을 수 있다. 여기에서, 배플(200)은, 배플(155)이 목탄의 차단(blocking)에 의해서 드레인 홀(175)을 막는 것을 방지하는 것과 같은, 추가적인 이점을 제공한다. 이러한 측면에서, "U"자형 배플(200)은 목탄의 조각들이 드레인 홀(175)을 막는 것을 방지할 수 있는 적절한 높이를 갖는다.
극저온 펌프(100)의 작동 중에, 배플(200)은 드레인 홀(175)을 통해서 상당한 양의 가스가 진공 베슬 내로 유입되는 것을 방지하고, 그리고 복사선 차폐부(160) 주위에서 이동하는 가스들이 1차 응축 표면(150) 상에서 캡쳐링되고 응축될 수 있게 한다. 배플(200)은 "U"자형 부분(200c)을 구비하고, 그러한 부분은 드레인 홀(175)의 위쪽으로 약 0.090 인치의 간극을 제공한다. 배플(200)은 또한 바닥 표면(170)에 용접되는 제 1 및 제 2 아암(200a, 200b)을 포함한다. 일 실시예에서, 배플(200)은 아암(200a, 200b)의 선단부(tip)로부터 선단부까지 약 1.5 인치의 길이를 가지고, 그리고 약 0.02 인치의 금속 두께를 갖는다. 바람직하게, 드레인 홀(175) 또한 드레인되는 유체에 맞춰 최적화되고 좁혀지며(narrow), 또한, 가스가 섹션(200c)에 접촉할 때 그리고 도 5A에 도시된 1차 응축 표면(150)으로 재지향될 때, 가스가 복사선 차폐부(160) 내로 유입되는 것을 방지하도록 최적화되고 좁혀진다. 다른 실시예에서, 배플(200)은 도시된 바와 같은 복사선 차폐부(160)의 내부가 아니라 드레인 홀(175) 위쪽에서 복사선 차폐부(160)의 외부에 배치될 수 있을 것이다.
작동 중에, 대부분의 가스가 드레인 홀(175)로 유입되는 것이 방지되며(도 5A 참조), 그 대신에 1차 응축 표면(150)에서 캡쳐링된다. 또한, 홀(175)을 통과하려고 하는 가스가 배플(200)에 의해서 차단되고, 이어서 비-1차 펌핑 표면(25)이 아니라 복사선 차폐부(160)의 내측 표면으로 재지향된다. 또한, 도 4A에 도시된 바와 같이, 챔버의 진공 압력이 안정상태에서 그리고 1 x 10-7 Torr의 희망 진공 압력으로 펌핑된 리터에 대한 압력으로 도시되어 있다. 도 4A에서 볼 때, 약 596 리터가 펌핑되었다.
"U"자형 배플(200)이 없는 극저온 펌프의 작동과 대비하면 다음과 같다. 도 4B는 드레인 홀(175)을 덮는 도 4A의 배플(200)이 없는 상태에서 펌핑된 리터에 대한 압력을 표시한 그래프를 도시한다. 여기에서, 288 리터만이 펌핑되었다. 분명하게, 이러한 구성에서 펌핑된 리터들에 대한 압력이 도 4B에 도시되어 있다. 배플(200)을 구비하는 도 4A에 비교할 때, 도 4B에는 몇개의 압력 스파이크(300a, 300b, 300c, 및 300d)가 있다는 것을 알 수 있따. 이러한 스파이크들은 1 x 10-7 Torr의 희망 진공 압력으로부터 약 1 x 10-6 Torr 또는 그 이상의 압력까지 압력이 증대한 지점들을 나타내며, 이는 진공 챔버 및 그 내부에서의 반도체 제조 프로세싱 작업에 영향을 미칠 수 있을 것이다. 이해할 수 있는 바와 같이, "U"자형 배플(200)은 가스가 드레인 홀(175)을 통해서 극저온 펌프(100) 내로 부적절하게 유 입되는 것을 방지하고 그 대신에 가스를 1차 응축 표면(150)으로 재향시키며, 이는 도 4B에 도시된 바와 같은 압력 스파이크들을 예방하면서, 동시에, 냉각 기능을 허용하고 또는 가열된 응축 액체가 복사선 차폐부(160)로부터 배수(draining)되는 것을 허용한다. 또한, 배플(200)은 어레이(155)로부터 낙하될 수 있는 목탄 조각들로 인해서 드레인 홀(175)이 막히는 것을 방지한다.
도 8A 및 도 8B를 참조하면, 종래의 극저온 펌프(400')와 비교하여, 본 발명의 다른 극저온 실시예(400)가 도시되어 있다. 도 8A를 참조하면, 종래 기술 실시예의 극저온 펌프(400')는 다수의 배플(410')을 포함하는 제 2 스테이지(405')를 포함한다. 이러한 종래 기술의 실시예에서, 배플(410')의 상부 플레이트(415')가 반-원형 배플 섹션 또는 제 1 배플 섹션(415a') 그리고 제 2 배플 섹션(415b')으로 섹션화된다. 각각의 배플 섹션(415a', 415b')이 블래킷(420)에 연결된다(도 11 참조). 블래킷(420)은 도 11에 도시된 바와 같이 길이방향으로 연장하고 히트 스테이션(도시 하지 않음)에 연결되며, 이는 본 명세서에서 전체가 참조되고 Bartlett에게 허여된 미국 특허 제 4,555,907 호에 설명되어 있다.
도 8A를 참조하면, 정크션이 제 1 배플 섹션(415a')과 제 2 배플 섹션(415b') 사이에 위치되어 그 사이에 공간 또는 채널(430')을 형성한다. 이러한 채널(430')은 제 1 배플 섹션(415a')과 제 2 배플 섹션(415b') 사이의 정크션에 위치한다는 것을 확인할 수 있을 것이다. 극저온 펌프(400')의 작동 중에, 채널(430')은 극저온 펌프(400')의 섹션(415a', 415b') 상에 놓이는 전체 응축 물질 용량을 감소시킨다. 또한, 이러한 채널(430')은 제 1 및 제 2의 반원형 배플 섹 션(415a', 415b')의 상부 표면 상에서 응축되는 결빙의 형상에 영향을 미친다. 전술한 바와 같이, 채널(430')은 결빙 응축이 제 1 및 제 2 반원형 배플 섹션(415a', 415b') 위쪽에서 연장하고 응집하는 응축된 물질의 2개의 반원형 원통형 블록으로 형성되게 한다. 분명하게, 이러한 블록들은 축적됨에 따라서 서로 혼합되지 않는다. 섹션(415a', 415b')들 사이의 공간이 줄어듬에 따라서, 이러한 채널(430')은 극저온 펌프(400')의 전체적인 성능을 감소시킨다.
도 8B를 참조하면, 이러한 실시예의 극저온 펌프(400)는 도 8A에 도시된 제 1 및 제 2의 반원형 배플(415a', 415b') 대신에 전체적으로 평평한 하나의 원형의 배플(415)을 포함한다. 도 8B에 도시된 실시예에서, 평평한 단일 원형 배플(415)은 채널(430')을 포함하지 않고 그 대신에 도 8A에서 채널(430')이 위치되어 있던 곳의 평평한 표면(430)을 포함한다. 이러한 여분(extra) 표면(430)은 평평한 원형 배플(415) 상에서 응축될 수 있는 결빙 용량을 증대시킨다. 또한, 이는 극저온 펌프(400)의 용량을 증대시키면서도, 도 8A의 실시예와 비교할 때 동일한 크기를 유지하고 그리고 적은 점유면적(footprint)을 유지한다.
또한, 평평한 형상의 배플(415) 상에 응축되는 결빙은, 도 8A에서 채널(430')이 위치되었던 위치에서, 주상 결빙으로 이루어진 비교적 큰 원통형의 블록을 형성할 수 있다. 전술한 다른 인자들 중에서도, 응축된 결빙의 이러한 원통형 섹션이 평평한 원형 배플(415)의 표면(430) 상에서 응축되는 결빙의 균일한 분포에 일반적으로 기여한다.
도 7A 내지 도 7C를 참조하면, 도 8B의 원형상 배플(415)을 포함하는 1차 응 축 표면(150)의 사시도가 도시되어 있다. 도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 결빙(F)은 조밀하고 속이 채워진(tightly packed and solid) 원통 형상으로 형성된다. 또한, 이러한 형상은 도 8A에 도시된 채널(430')을 가지는 유사한 크기의 1차 응축 표면에 비해서 응축 결빙(F)의 용량을 증대시킬 수 있다. 평평한 원형 배플(415)(도 8B 참조)을 이용하여 1차 응축 표면(150)을 형성함으로써, 테스트 극저온 펌프가 다른 인자들을 이용하는 것 보다 50 퍼센트 이상 만큼 극저온 펌프의 전체 용량을 증대시킬 수 있다는 것을 관찰하였다. 일 실시예에서, 펌핑된 가스의 양은 약 650 리터로부터 1,000 리터로 증대될 수 있다. 여러 가지 펌핑 구성이 가능하고, 그리고 본 발명의 범위 내에서 그러한 증가는 단지 예시적인 것으로서 본 발명의 범위를 제한하는 것이 아니다.
도 8B를 다시 참조하면, 바람직하게, 대체적으로 평평한 단일 원형 형상의 배플(415) 또한 노치(450)를 포함한다. 노치(450)는 직교형으로(orthogonally) 성형된 배플(415)의 컷아웃(cutout)일 수 있다. 바람직하게, 노치(450)는 온도가 약 50 내지 120 °K인 복사선 차폐부(도시 하지 않음)에 연결된 차폐부(455)와 같은 극저온 펌프(400)의 고온 표면과 배플(415) 사이의 간극 거리를 제공한다. 배플(415')은 1차 펌핑 표면(150)을 형성한다. 차폐부(455)는 극저온 펌프(400)의 1차 펌핑 표면(150) 보다 상당히 온도가 높다. 노치(450)에 의해서, 차폐부(455)의 고온 섹션과 접촉하지 않고 극저온 펌프(400)의 사이클 및 정상 작동 중에 배플(415) 상에 결빙이 형성될 수 있게 한다. 바람직하게, 노치(450)는 약 0.25 인치의 차폐부(455)로부터의 간극을 제공한다. 본 발명의 범위 내에서 여러 가지 노 치 크기 구성이 가능하다.
다른 실시예에서, 도 9를 참조하면, 극저온 펌프(900)는 연장부(910)를 포함한다. 연장부(910) 및 상기 연장부(910)에 연결된 차폐부(920)가 도시된 바와 같이 차폐부(920)를 둘러싸는 또는 상부 표면 상의 연장부(910)와 함께 통로(915)를 형성한다. 연장부(910)는 복사선 차폐부(930)와 열적으로 접촉하고 그리고 약 100 °K의 온도를 갖는다. 차폐부(920)는 히트 싱크(925)의 저온 실린더(922)를 덮는다. 도 10에 도시된 통로의 측면도를 참조하면, 통로(915)의 폭 대 통로(915)의 길이의 비율이 5 이상이 되도록, 통로(915)가 형성된다. 냉각장치의 제 1 스테이지의 실린더(922) 및 차폐부(920)(히트 싱크(925)를 둘러싼다(도 9 참조))는 Bartlett 등에거 허여되고 본원 명세서에서 전체가 참조되는 미국 특허 제 5,156,007 호에 기재된 것과 동일하다.
도 10에 도시된 바와 같이, 통로(915)는 길고 좁은 피쳐를 포함하며, 그러한 피쳐는 가스 분자가 통로(915)를 가로지르지 못하게 한다(도 9 참조). 가스 분자는 연장부(910)의 높은 온도(warm)의 표면을 따라서 바운싱(bounce)될 것이다. 가스 분자는 또한 히트 스테이션(925)을 둘러싸는 차폐부(920)를 따라서 바운싱되고 그리고 응축이 발생될 것이다. 길이 대 폭의 비율이 5 보다 클 것이고, 이는 가스 분자가 제 2 스테이지 냉각 실린더(922)의 구역으로 들어가지 못하게 보장할 것이다. 실린더(922) 상에서의 응축이 방지되고, 그리고 실린더(922)로부터의 가스 방출로 인한 압력 변동이 제거된다.
도 13을 참조하면, 제 1 스테이지와 열적으로 접촉하는 도 9에 도시된 연장 부(910)가 반드시 원통형일 필요가 없고, 그 대신에 도 13의 연장부(950)로 도시된 바와 같이 박스형으로 성형될 수 있을 것이다. 또한, 연장부(950)는 필요에 따라서 다른 형상을 가질 수 있다. 이러한 실시예에서, 연장부가 전체적으로 직교형으로 성형된다.
연장부(950)는 복사선 차폐부(도시 하지 않음)와 접촉하고, 다시 말해서 블래킷(960)에 의해서 제 1 스테이지와 열적으로 접촉하며, 그에 따라 연장부(950)는 제 1 스테이지 히트 스테이션과 대략적으로 동일한 온도를 가지게 된다. 또한, 이러한 실시예에서, 도 9에 도시된 연장부(910)는 도 9에 도시된 바와 같이 차폐부(920)의 외부에 반드시 배치될 필요가 없다. 도 13은 이러한 성분들의 방향을 반대로 도시하였고, 연장부(950)가 도 9의 차폐부(920)의 내부에 배치될 수 있다는 것을 도시하였다.
도 12A를 참조하면, 이러한 실시예에서, 차폐부(920)는 또한 전체적으로 장방형으로 성형된다. 도 13의 연장부(950)가 차폐부(920)로 장착되며, 여기에서는 명료한 도시를 위해서 생략하였다. 연장부(950) 및 차폐부(920)를 측면 도시한 도 12B를 참조하면, 연장부(950)가 복사선 차폐부(930)를 통해서 제 1 스테이지와 열적으로 접촉한다(도 9 참조).
이러한 실시예에서, 차폐부(920)의 외측 극단부는 펼쳐진 단부(955)를 포함한다. 펼쳐진 단부(955)는 상부 배플(415)의 노치(450)에 인접한다(도 8B 참조). 바람직하게, 펼쳐진 단부(955)는 배플(415) 및 차폐부(920) 상에서 응축이 발생될 수 있게 허용한다. 또한, 펼쳐진 단부(955)는 증대된 간극 거리를 제공하며, 그러 한 간극 거리는 차폐부(920)의 펼쳐진 단부(955)로부터 연장부(950)까지 측정된 것이다.
간극은, 연장부(950)에 대한 응축물의 접근, 또는 터치, 또는 열적 접촉(분리된 플레이크를 형성할 수 있다)이 없이 배플(415) 및 차폐부(920) 상에 형성될 수 있는 결빙의 양을 증대시킨다. 연장부(950)는 블래킷(460) 및 복사선 차폐부(930)에 의해서 제 1 스테이지와 열적으로 접촉하여(도 12B 참조) 가열되며, 그리고 압력 이탈을 초래하기 쉽다. 도 12A에는 경사진(angled) 표면과 함께 펼쳐진 단부(955)가 도시되어 있다; 그러나, 펼쳐진 단부(955)가 반드시 경사질 필요는 없으나, 그 대신에 상대적으로 높은 온도의 연장부(950)로부터 부착된 결빙을 분리시킬 수 있는 간극 거리를 두고 형성되어야 할 것이다. 부품들의 제조 공차 및 이동으로 인해서, 각각의 극저온 펌프의 설치 중에 간극들이 보장될 수 있도록 설치시에 주의를 기울여야 할 것이다.
도 12A를 참조하면, 연장부(950)와 함께 펼쳐진 단부(955)를 가지는 차폐부(920)가 도시되어 있으며, 그러한 차폐부는 복사선 차폐부(930)에 의해서 제 1 스테이지와 접촉하며, 상기 도면에서는 설명을 위해서 제거된 상태이다. 펼쳐진 단부(955)는 연장부(950)(도 12B 참조)로부터 각도(A) 만큼 경사져서 펼쳐진다. 이는, 결빙이 복사선 차폐부(930)에 의해서 제 1 스테이지와 열적으로 접촉하는 연장부(950)(도 12B 참조)와 접촉하는 것을 방지하기 위한 분리부를 제공한다. 여러 가지 경사형 구성이 가능하며, 이는 본 발명의 범위에 포함될 것이다.
도 14A를 참조하면, 다른 실시예에 따른 극저온 펌프(500)의 평면도가 도시 된다. 이러한 실시예에서, 스퍼터링 차폐부가 제거되고 어레이의 1차 펌핑 표면(550)의 절개도가 도시된다. 이러한 실시예에서, 복사선 차폐부(560)가 퍼지 홀이 없는 폐쇄 표면(565)과 함께 형성된다. 이러한 복사선 차폐부(560)의 폐쇄 표면(565)은 복사선 차폐부(560)와 진공 베슬(570) 사이의 위치로부터 극저온 펌프(500)로 가스가 유입되는 것을 방지한다. 또한, 승온을 유발할 수 있고 그리고 보다 높은 온도의 표면(도 14B 참조)에 접촉하였을 때 승화를 일으킬 수 있는 정도의 펌프(500) 용량에 도달하였을 때에도, 결빙은 집중되지 않고 그리고 퍼지 홀을 향해서 또는 그 외부로 연장되지 않는다. 도 14B에 도시된 바와 같이, 응축된 물질의 첨탑부(spire; 1410)가 그와 같은 퍼지 홀로부터 연장될 수 있다. 복사선 차폐부(560)와 베슬(570) 사이로 가스를 직접적으로 도입함으로써 퍼지가 이루어질 것이다. 챔버로의 1차 개구부 이외의 복사선 차폐부 내부 체적부(volume)로의 다른 침투(penetrations)의 제어가 퍼지 홀과 동일한 방식으로 제어될 필요성이 있다는 것을 주지하여야 한다. 이는, 응축된 물질의 첨탑부(1410)가 개구의 외부로 연장하는 것을 방지하여 압력 이탈을 방지하기 위한 적절한 폐색부에 의해서 달성될 수 있을 것이다.
도 14A에 도시된 실시예에서, 복사선 차폐부(560)는 또한 제 3 홀(580)이 밀봉제로 충진되는 곳에서 폐쇄 표면(575)을 구비한다. 제 3 홀(580)은 다이오드 홀이다. 제 3 홀(580)은 복사선 차폐부(560)를 통한 전기적 커플링을 위한 통로가 될 수 있다. 통로(580)는 센서 등과 같이 극저온 펌프의 전자 부품들에 커플링하기 위한 것일 수도 있다. 설치 중에, 작동 중에 가스가 원치않는 방향으로부터 극 저온 펌프내로 유입하는 것을 방지하고 그리고 결빙이 관통하여 집중되는 것을 방지하여 압력 이탈을 예방하는 폐쇄 표면 또는 폐색부(575)를 제공하기 위해서, 제 3 홀(580)이 적절한 물질로 충진된다. 도 14B를 참조하면, 제 2 스테이지 어레이(1400)로부터 연장하는 응축물의 제 1 및 제 2 첨탑부(1405, 1410)가 도시되어 있다. 이러한 결빙은 가스 유동 경로가 관리되지 않을 때, 또는 이들 다른 유동 경로들이 페색되지 않았을 때, 집중되거나 성장될 것이다.
도 15A를 참조하면, 종래 기술의 극저온 펌프의 펌핑된 리터들에 대한 회복 압력을 그래프로 도시한다. 도시된 바와 같이, 바람직하게, 챔버의 회복 압력은 약 1 x 10-7 Torr 의 희망 압력이 된다. 종래 극저온 펌프에서의 작동 결과로부터, 대략적으로 매 50,000 반도체 웨이퍼 프로세싱 사이클 마다 한번씩 발생하는 주기로 압력 이탈이 일어난다는 것을 관찰하였다. 그러나, 이들 압력 이탈(희망 압력으로부터 약 1 x 10-5 Torr 까지 증가)은 부정적인 결과를 초래할 것이다. 시간 경과에 따른 압력을 확대하여 도시한 도 15B 및 도 15C에 도시된 바와 같이, 챔버 압력이 1 x 10-7 Torr 의 희망 진공 압력까지 회복되는데는 시간이 소요될 것임을 관찰할 수 있을 것이다. 도시된 바와 같이, 회복하는데 필요한 시간은 약 10분 내지 약 6분이 될 것이고, 그러한 시간은 챔버의 작업을 중단시킬 수 있다. 본 발명의 극저온 펌프는 치명적인 압력 이탈을 발생시키지 않으며 극저온 펌프의 전체적인 용량을 증대시킨다.
도 16 내지 도 19를 참조하면, 압력 이탈을 제거하기 위한 본 발명의 극저온 펌프(10)의 다른 특징들을 나타내는 본 발명의 다른 실시예가 도시된다. 이러한 실시예에서, 극저온 펌프(10)는 비-1차 응축 표면 상에서 응축되는 부착물의 "균열-형성" 응력을 감소시키기 위한 피쳐(feature)를 구비하는 표면을 포함한다. 극저온 펌프(10)의 비-1차 응축 표면(25)은, 2차 스테이지 어레이 상에 또는 다른 표면 상에 형성된 블래킷(25)(도 5C 참조)과 같은 전술한 것들을 포함한다. 이러한 측면에서, 평평한 필름은 균열-형성 응력이 파괴를 일으키기에 충분한 임계 두께로 응집되지 못한다. 이러한 높은 응력은 평평한 필름을 파괴하여 플레이크를 형성할 수 있다. 이러한 측면에서, 도 16 및 도 17을 참조하면, 표면(1600)은 다수의 상승된 돌출부(1605)을 포함할 수 있으며, 상기 각각의 돌출부들은 표면(1600)으로부터 연장하는 높이(1615)를 가진다. 돌출부(1605)들은 중앙에 위치된 개구(1610)를 포함하며, 도시된 바와 같이, 서로로부터 편향되는 다수의 열(rows) 또는 미리 정해진 패턴으로 배치될 수 있을 것이다. 돌출부(1605)들은 각각 평평한 베이스를 가지는 대체적으로 원통인 형상을 가진다.
다른 실시예에서, 표면(1600)은 벌집형 패턴으로 형성되고, 또는 중간이 채워져 있는(solid) 그리고 개구를 포함하지 않는 돌출부들로 형성될 수 있다. 비-1차 응축 표면(1600) 상에 형성되는 부착된 가스들은 불연속적인 표면 및/또는 감소된 두께로 응집 또는 부착될 것이다. 이러한 다수의 중고형 돌출부(1605)들이 상기 표면 상에 부착되고, 그리고 패턴화된 구조를 포함한다. 패턴이 도 16에 도시되어 있으며, 그러한 패턴은 결빙이 돌출부(1605) 상에 그리고 표면(1600) 상에 부착될 때 평평한 필름의 두께를 제어한다. 패턴은 평평한 필름이 형성되는 또는 균 열-형성 응력을 초래하는 곳에서 충분한 두께로 결빙이 응집되지 않게 한다. 다른 실시예에서, 표면(1600)은 균열-형성 응력을 감소시키는 표면을 포함할 것이다. 도 18 및 도 19를 참조하면, 부착된 평평한 필름 상의 균열-형성 응력을 감소시키고 그리고 표면(1600) 상에서 응집되는 다른 표면 피쳐들을 도시한다.
이러한 실시예에서, 다수의 "L-자" 형상의 블래킷(1800)이 표면(1600) 상에 위치될 수 있다. 블래킷(1800)은 제조 중에 표면(1600) 상에서의 스탬핑 작업에 의해서 또는 용접 작업에 의해서 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 블래킷(1800)은 현존하는 극저온 펌프에 맞춰 개장(retrofit)될 수 있다. 균열-형성 응력을 최소화하는 여러 가지 구성이 본 발명의 범위 내에서 가능할 것이다. 블래킷(1800)들은 수 많은 패턴으로 또는 열의 형태로 표면(1600) 상에 배치될 수 있을 것이고, 또는 그 대신에 도 16에 도시된 바와 같이 지그재그 형태가 될 수 있을 것이다.
도 19를 참조하면, 블래킷(1800)의 단면도로부터, 헤드(1805)가 표면(1600) 위쪽으로 연장하도록 본체(1810)에 연결된 장방형 헤드(1805)를 각 블래킷(1800)이 포함한다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 헤드(1805)는 전체적으로 장방형 형상이고 그리고 대체적으로 본체(1810)의 단면 보다 두껍다. 이러한 피쳐는 응축된 결빙이 표면(1600) 상에 응집될 때 평평한 필름의 두께를 제어한다. 다른 실시예에서, 헤드(1805) 및 본체(1810)는 표면(1600)에 연결된 하나의 일체형 단일 부재로서 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 헤드(1805), 본체(1810), 및 표면(1600)이 하나의 일체형 부재로서 제조될 수도 있을 것이다.
다른 실시예에서, 비-1차 응축 표면들이 표면(1600)에 연결된 와이어 격자 형태로 형성될 수 있을 것이다. 다른 실시예에서, 비-1차 응축 표면(1600)이 비-1차 응축 표면(1600) 상에 형성된 패턴으로 스탬핑될 수 있을 것이다. 다른 실시예에서, 비-1차 응축 표면(1600)이 표면(1600) 상에 형성된 벌집형 패턴으로 스탬핑될 수 있을 것이다. 그 대신에, 상기 패턴이 불규칙적인 형상의 패턴, 다수의 삼각형, 또는 조질화(rough) 표면 패턴을 포함할 수 있을 것이다. 응축된 물질이 축적될 때 부착된 평평한 필름의 두께를 감소시킴으로써 평평한 필름 내의 균열-형성 응력을 감소시키는 어떠한 패턴도 본 발명과 관련하여 이용될 수 있을 것이다. 여러 가지 표면 구성이 본원 발명의 범위 내에서 가능할 것이다. 다른 실시예에서, 추가적으로 평평한 필름의 응집을 방지하기 위해서, 도 18 및 도 19의 실시예의 블래킷(1800)이 표면(1600)을 향해서 벤딩, 곡선화, 또는 굽혀질 수 있을 것이다.
도 20A 내지 도 20I를 참조하면, 균열-형성 응력을 감소시키기 위한 여러 가지 다수의 표면 패턴들이 도시되어 있다. 도 20A 및 20B에서, 패턴은 대체적으로 원통형 형상이고 내부가 채워지고 표면(1600)에 연결된 돌출부(2000)를 포함할 수 있고 그리고 직선형 열로서(도 20B 참조) 또는 지그재그형으로(도 20A 참조) 구성될 수 있을 것이다. 그 대신에, 돌출부(2000)들이 전체적으로 평방체 형으로(도 20C 참조) 또는 다수의 장방형 돌출부(2000)들로 형성될 수 있을 것이며, 상기 다수의 장방형 돌출부들은 직선형 열로(도 20E 참조) 또는 지그재그형 열로(도 20D 참조) 배치될 수 있을 것이다. 또 다른 대안적인 실시예에서, 돌출부(2000)가 다수의 6면형 다각형 돌출부(2000)(육각형 형상)로 형성될 수 있을 것이다. 돌출부(2000)들 정체가 도 20F에 도시된 바와 같이 벌집형 패턴을 형성할 수 있다.
도 20G 및 도 20H를 참조하면, 둘 이상의 서로 다른 크기 및 형상의 돌출부들 또는 제 1 돌출부(2000a) 및 제 2 돌출부(2000b)가 표면(1600) 상에 배치될 수 있다. 도시된 바와 같이, 제 1 돌출부(2000a)는 8각형 형상의 돌출부일 수 있고, 반면 제 2 돌출부(2000b)는 원형일 수 있다. 이들은 단지 설명을 위한 것이고, 균열-형성 응력을 감소시킬 수 있는 어떠한 크기나 형성도 이용될 수 있을 것이며, 이 역시 본 발명의 범위에 포함될 것이다. 다른 실시예에서, 제 1 돌출부(2000a) 및 제 2 돌출부(2000b)가 동일한 형상의 돌출부이면서 크기가 다를 수 있을 것이다. 도 20I를 참조하면, 돌출부(2000c)가 타원형 형상, 또는 소위 당업계에 공지된 다른 다각형 형상, 또는 불규칙적인 형상과 같은 여러 가지 형상을 포함할 수 있을 것이다. 도 20J를 참조하면, 표면(1600) 상에 위치된 돌출부(2000)들의 구성이 도시되어 있따. 이러한 실시예에서, 돌출부들은 각각 전체적으로 원통형 형상으로 도시되어 있다. 그러나, 각 돌출부(2000)가 다른 돌출부로부터 일정한 거리(b) 만큼 수직방향으로 분리될 수 있고 그리고 인접한 열로부터 다른 거리(c) 만큼 분리될 수 있다. 또한, 돌출부(2000)들이 표면(1600) 상에서 미리 정해진 양 만큼 측방향 엣지(2010)로부터 이격되도록 구성될 수 있을 것이다.
도 21A 내지 도 21D를 참조하면, 결빙 플레이크들이 분리되고 승화되는 것을 방지하여 압력 이탈을 방지하기 위한 극저온 펌프의 추가적인 실시예가 도시되어 있다. 이러한 실시예에서, 극저온 펌프는 설명을 위해서 도 12의 어레이의 나머지로부터 분리되어 도시된 상부 플레이트(2100)를 가지는 어레이를 포함한다. 이러한 실시예에서, 상부 플레이트(2100)가 전술한 바와 같이 중실형(solid) 방식으로 형성된다. 결빙이 정크션이 없는 상부 측면(2105) 상에서 응집되도록 허용되기 때문에 바람직하며, 이는 상부 플레이트(2100)의 용량을 증대시키고, 또는 그 상부에 응축될 수 있는 결빙의 양을 증대시킬 것이다.
도 21B를 참조하면, 상부 플레이트(2100)가 제 1 반원형 섹션(2110) 및 제 2 반원형 섹션(2115)으로 형성된다. 결빙이 (제 1 반원형 섹션(2110) 및 제 2 반원형 섹션(2115)에 의해서 형성된) 상부 플레이트(2100) 상에 부착됨에 따라서, 결빙은 대체적으로 제 1 주상형 결빙 구성 및 제 2의 분리된 주상형 결빙 구성을 형성할 것이며, 그러한 결빙 구성은 시간 경과에 따라서 뒤섞이지(commingle) 않을 것이다. 극저온 펌프가 작동될 때, 챔버 내의 로봇, 또는 2 스테이지 냉각장치와 같은 몇개의 부품들로 인해서, 극저온 펌프가 약간의 또는 일정한 진동에 노출될 수 있을 것이다. 이러한 측면에서, 제 1 주상형 결빙 구성 및 제 2 주상형 결빙 구성이 간헐적으로 터치될 수 있을 것이다. 이러한 접촉은 제 1 및 제 2 주상형 결빙 구성으로부터 플레이크를 분리시킬 수 있으며, 그러한 플레이크는 승화될 수 있고 그리고 전술한 바와 같이 압력 이탈을 초래할 수 있을 것이다.
도 21B 내지 도 21D를 참조하면, 본 발명의 극저온 펌프는 이러한 문제를 해결하는데, 이는 상부 플레이트(2100)가 제 1 반원형 섹션(2110)을 제 2 반원형 섹션(2115)에 연결하는 연결 부재(2120)를 포함하기 때문이다. 연결 부재(2120)는 제 1 반원형 섹션(2110) 및 제 2 반원형 섹션(2115)을 기계적으로 커플링시켜 그러한 제 1 반원형 섹션(2110)과 제 2 반원형 섹션(2115) 사이의 상대적인 운동을 방지함으로써, 제 1 결빙 구성 및 제 2 결빙 구성이 진동 중에 서로 접촉하여 플레이 크를 형성하는 것을 방지한다. 도 21B에 도시된 실시예에서, 연결 부재(2120)는 제 2 반원형 섹션(2115) 위쪽의 제 1 반원형 섹션(2110)의 중첩부를 포함한다. 그 대신에 연결 부재(2120)가 제 1 반원형 섹션(2110) 위쪽의 제 2 반원형 섹션(2115)의 중첩부를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 연결 부재(2120)가 블래킷(2125)(도 21C 참조)일 수 있다. 블래킷(2125)은 제 1 반원형 섹션(2110) 및 제 2 반원형 섹션(2115) 사이의 정크션에 배치된다. 바람직하게, 블래킷(2125)은 극저온 펌프 또는 다른 기계장치의 다른 부품들의 진동 중에 제 1 반원형 섹션(2110)과 제 2 반원형 섹션(2115)의 상대적인 운동을 방지한다. 도 21D에 도시된 본 발명의 다른 실시예에서, 제 2 반원형 섹션(2115)이 제 1 반원형 섹션(2110)의 아래쪽에 배치되도록, 제 1 반원형 섹션(2110) 및 제 2 반원형 섹션(2115)이 서로 연결될 수 있다. 그 대신에, 제 1 반원형 섹션(2110)이 제 2 반원형 섹션(2115)의 아래쪽에 배치될 수 있다(도시 하지 않음). 본 발명의 범위 내에서도 여러 가지 구성이 가능할 것이다.
또 다른 실시예에서, 1차 펌핑 표면이 안정한(stable) 표면에 견고하게 연결된 지지 구조물(도시 하지 않음)로 제조될 수 있을 것이다. 1차 펌핑 표면 상에 부착된 결빙이 극저온 펌프의 다른 표면들에 의해서 진동하거나 또는 접촉하는 것을 방지하기 위해서, 또는 다른 결빙과 접촉하는 것을 방지하기 위해서, 상기 지지 구조물에 의해서 결빙이 다른 부품들로부터의 진동이나 운동에 민감하지 않게 되고 그리고 댐핑 장치(도시 하지 않음) 또는 유사한 부품을 이용하여 절연(insulated)될 수 있을 것이다. 또 다른 실시예에서, 제 1 반원형 섹션(2110) 및 제 2 반원형 섹션(2115)이 부착된 결빙의 상대적인 운동을 방지하기 위한 다른 방식으로 연결될 수 있을 것이다. 제 1 반원형 섹션(2110)이 납땜, 또는 도 21C에 도시된 바ㅗ아 같은 다른 연동 계면에 의해서 제 2 반원형 섹션(2115)에 연결될 수 있을 것이다. 다른 실시예에서, 상부 플레이트(2100)가 2 이상이 섹션으로 제조될 수 있을 것이고, 그 대신에 제 3 섹션에 연결된 제 2 섹션에 연결된 제 1 섹션을 포함할 수 있을 것이다. 제 1 내지 제 3 섹션들(도시 하지 않음) 상에 형성된 주상형 결빙의 상대적인 운동을 방지 또는 금지하도록, 각 섹션들이 서로 연결될 수 있다. 여러 가지 구성들이 본 발명의 범위 내에서도 가능할 것이다.
예시적인 실시예를 참조하여 본 발명을 특정하여 도시하고 설명하였지만, 소위 당업자는 특허청구범위에 포함되는 본 발명의 범위 내에서도 여러 가지 형태나 상세사항의 변화를 가할 수 있다는 것을 이해할 것이다.

Claims (58)

  1. 응축물 필름 성장 위치를 제어하기 위해서 진공 베슬과 복사선 차폐부 사이로부터 유동을 지향시키는(directing) 방법으로서:
    상기 진공 베슬과 상기 복사선 차폐부 사이에 형성된 환형 공간으로부터의 유동을 차단하는 단계;
    상기 유동을 1차 펌핑 표면으로 재지향시키는 단계; 그리고
    상기 1차 펌핑 표면에서 가스를 응축시켜 결빙을 형성하는 가스 응축 단계를 포함하는
    유동 지향 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    복사선 차폐부 아래쪽으로부터 유동을 차단하는 단계를 더 포함하는
    유동 지향 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    복사선 차폐부의 측부로부터의 유동을 차단하는 단계를 더 포함하는
    유동 지향 방법.
  4. 극저온 펌프로서:
    적어도 제 1 스테이지 및 제 2 스테이지를 가지는 냉각장치;
    복사선 차폐부로서, 상기 복사선 차폐부는 제 2 스테이지를 둘러싸고 제 1 스테이지와 열적으로 접촉하며, 상기 복사선 차폐부는 냉각 동안에 유체가 드레인 홀을 통해서 횡단할 수 있도록 허용하는 드레인 홀을 포함하는, 복사선 차폐부;
    제 2 스테이지와 열적으로 접촉하는 흡착제를 지지하고, 1차 응축 표면, 흡착제를 구비하는 피보호 표면, 그리고 비-1차 응축 표면을 포함하는 제 2 스테이지 어레이를 구비하는 1차 펌핑 표면; 그리고
    상기 드레인 홀의 위쪽에 걸쳐 배치된 배플로서, 상기 배플은 가스가 비-1차 응축 표면 상에서 응축되는 것을 방지하기 위해서 상기 드레인 홀을 통해서 횡단하는 것으로부터 가스를 재지향시키며, 상기 배플은 상기 1차 응축 표면 상에서 응축되도록 가스를 지향시키는, 배플을 포함하는
    극저온 펌프.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 배플이 실질적으로 "U"자 형상인
    극저온 펌프.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 배플이 상기 복사선 차폐부의 바닥 표면에 연결된 제 1 아암, 및 상기 바닥 표면에 연결된 제 2 아암을 포함하고, 상기 제 1 아암 및 제 2 아암에 중간 섹션이 연결되는
    극저온 펌프.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 극저온 펌프의 냉각 중에 극저온 액체가 상기 드레인 홀을 통해서 횡단하는 것을 허용하기 위해서 상기 배플이 곡선화되는(curved)
    극저온 펌프.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 복사선 차폐부의 측방향 측벽 내의 홀을 더 포함하며,
    상기 홀을 통한 전기적 연결을 허용하도록 상기 홀이 구성되며, 상기 홀이 폐색되는
    극저온 펌프.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 드레인 홀은 전체적으로 원형이고 그리고 가스가 통과하여 비-1차 응축 표면 상에서 응축되는 것을 방지하기에 최적인 크기를 가지는
    극저온 펌프.
  10. 제 4 항에 있어서,
    상기 복사선 차폐부가 상기 1차 펌핑 표면을 향하는 내측 표면 및 외측 표면을 포함하고, 상기 배플이 상기 내측 표면 또는 외측 표면에 연결되는
    극저온 펌프.
  11. 제 4 항에 있어서,
    상기 배플이 본딩에 의해서 연결되는
    극저온 펌프.
  12. 제 4 항에 있어서,
    상기 복사선 차폐부가 상기 1차 펌핑 표면과 마주하는 원통형 표면을 포함하고, 상기 원통형 표면이 가스 유동에 대해서 불침투성인
    극저온 펌프.
  13. 제 4 항에 있어서,
    상기 복사선 차폐부가 개구부(opening), 그리고 펌핑을 위한 상기 개구부 이외의 방향으로 상기 복사선 차폐부 내로 가스가 유입되는 것을 방지하기 위해서 개구(aperture)를 가지지 않은 중실형 측벽을 포함하는
    극저온 펌프.
  14. 극저온 펌프와 함께 이용하도록 구성된 복사선 차폐부로서:
    바닥, 및 상기 바닥에 연결된 측방향 측벽을 포함하는 하우징으로서, 상기 하우징은 극저온 펌프의 1차 펌핑 표면을 수용(hold)하기에 충분한 체적을 가지는, 하우징;
    냉각 작동 중에 극저온 액체 및 가스가 통과하여 횡단할 수 있도록 허용하기 위해서 상기 바닥에 위치되는 드레인 홀;
    상기 드레인 홀을 덮고, 그리고 상기 드레인 홀을 통해서 복사선 차폐부로 유입되지 않도록 그리고 가스를 극저온 펌프의 1차 펌핑 표면으로 재지향시킴으로 써 비-1차 표면 상에서 펌핑되지 않도록 가스를 전환(divert)시키게끔 구성된 배플을 포함하는
    복사선 차폐부.
  15. 극저온 펌프로서:
    적어도 제 1 스테이지, 및 실린더를 포함하는 제 2 스테이지를 구비하는 냉각장치;
    상기 2 스테이지를 둘러싸고 상기 제 1 스테이지와 열적으로 접촉하는 복사선 차폐부;
    상기 제 2 스테이지의 최저온 섹션과 열적으로 접촉하고 상기 실린더를 둘러싸는 제 2 스테이지 실린더 차폐부; 그리고
    실린더 차폐부의 저온 표면과의 분자 충돌 및 그 표면 상에서의 응축이 가스 분자를 실린더 차폐부에 견고하게 결합시키도록 그리고 제 2 스테이지 냉각장치 실린더 상에서의 응축이 방지되도록, 복사선 차폐부에 의해서 상기 제 1차 스테이지와 열적으로 접촉하는 연장부와 실린더 차폐부 사이에 형성되고 균일한 온도 편차(differential)를 나타내는 통로를 포함하며,
    상기 실린더 차폐부가 단부를 포함하고, 상기 단부는 상기 연장부에 인접하여 위치되고, 상기 단부는 펼침부를 포함하며, 상기 펼침부는 상기 연장부와 상기 원통형 차폐부 사이에서 간극을 제공하고, 상기 간극은 상기 단부에서의 결빙이 상 기 연장부와 접촉하는 것을 방지하기에 적합한,
    극저온 펌프.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 간극이 약 0.25 인치인
    극저온 펌프.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 실린더 차폐부가 상기 연장부를 둘러싸는
    극저온 펌프.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 연장부가 둘 이상의 표면을 포함하고, 상기 두 표면이 서로에 대해서 대체적으로 수직이 되는
    극저온 펌프.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 2 스테이지와 열적으로 접촉하는 1차 펌핑 표면을 더 포함하고, 상기 1차 펌핑 표면은 배플들의 어레이를 포함하고, 이때 상부(top) 배플은 단일형 부재이며, 상기 일체형 부재는 결빙을 균일하게 분포시키도록 구성되는
    극저온 펌프.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 상부 배플은 주변 표면과의 접촉 없이 결빙이 응집될 수 있게 하는 간극을 제공하도록 구성된 노치를 포함하는
    극저온 펌프.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 노치가 전체적으로 직교형이고 그리고 상기 연장부에 인접하여 위치되는
    극저온 펌프.
  22. 제 20 항에 있어서,
    상기 노치가 상기 연장부와 상기 상부 배플 사이에 약 0.25 인치의 간극 거리를 제공하는
    극저온 펌프.
  23. 제 15 항에 있어서,
    상기 통로의 폭에 대비한 상기 통로의 길이의 비율이 약 5 또는 그보다 큰
    극저온 펌프.
  24. 제 15 항에 있어서,
    상기 연장부가 블래킷을 포함하고, 상기 블래킷이 상기 연장부를 상기 복사선 차폐부에 연결하고 그리고 상기 제 1 스테이지와 열적으로 접촉하는
    극저온 펌프.
  25. 제 19 항에 있어서,
    상기 배플들 중 하나 이상에서 지지되는 흡착제를 더 포함하는
    극저온 펌프.
  26. 극저온 펌프로서:
    적어도 제 1 및 제 2 스테이지를 구비하는 냉각장치;
    제 2 스테이지를 둘러싸고 그리고 제 1 스테이지와 열적으로 접촉하는 복사선 차폐부; 그리고
    상기 제 2 스테이지와 열적으로 접촉하는 흡착제를 지지하는 1차 펌핑 표면으로서, 상기 1차 펌핑 표면은 1차 응축 표면, 흡착제를 구비하는 피보호 표면, 그리고 비-1차 응축 표면을 포함하는, 1차 펌핑 표면을 포함하며,
    상기 비-1차 응축 표면은 가스가 상기 비-1차 응축 표면 상에 부착될 때 응축된 부착물 내의 균열-발생 응력을 감소시키도록 구성된 표면을 포함하는
    극저온 펌프.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 표면이 낮은 응력의 부착 필름을 초래하는
    극저온 펌프.
  28. 제 26 항에 있어서,
    상기 표면이 연속적인 부착 필름의 형성을 방지하는
    극저온 펌프.
  29. 제 26 항에 있어서,
    상기 표면이 비-1차 응축 표면 상의 패턴을 포함하는
    극저온 펌프.
  30. 제 26 항에 있어서,
    상기 표면이 피쳐를 가지는 다수의 돌출부를 포함하며, 상기 피쳐가 홀 또는 벤드로 이루어진 그룹으로부터 선택되는
    극저온 펌프.
  31. 제 26 항에 있어서,
    상기 극저온 펌프의 비-1차 응축 표면이 돌출부를 가지는 평평한 표면을 포함하는
    극저온 펌프.
  32. 제 26 항에 있어서,
    상기 복사선 차폐부가 밀봉된 전기 공급 관통 홀을 포함하는
    극저온 펌프.
  33. 제 26 항에 있어서,
    상기 복사선 차폐부는 퍼지 홀이 상기 복사선 차폐부에 위치되는 곳에서 폐색부를 포함하는
    극저온 펌프.
  34. 제 26 항에 있어서,
    상기 비-1차 응축 표면으로부터 상기 1차 응축 표면으로 가스를 재지향시키기 위해서, 상기 복사선 차폐부가 상기 드레인 홀의 위쪽에 위치된 배플을 포함하는
    극저온 펌프.
  35. 제 26 항에 있어서,
    상기 표면은 가스가 상기 비-1차 응축 표면 상에 부착될 때 불연속적인 필름 을 형성하는
    극저온 펌프.
  36. 제 26 항에 있어서,
    상기 1차 응축 표면은 응축물이 상기 복사선 차폐부와의 접촉하는 표면과 열적으로 접촉하는 것을 방지하기 위한 노치를 포함하는
    극저온 펌프.
  37. 제 24 항에 있어서,
    상기 표면이 불균일한 두께의 부착 필름을 형성하고, 상기 불균일한 필름 두께가 필름의 균열을 방지하는
    극저온 펌프.
  38. 극저온 펌프로서:
    적어도 제 1 및 제 2 스테이지를 가지는 냉각장치;
    상기 제 2 스테이지를 둘러싸고 그리고 상기 제 1 스테이지와 열적으로 접촉하는 복사선 차폐부; 그리고
    상기 제 2 스테이지와 열적으로 접촉하는 흡착제를 지지하는 제 2 스테이지 어레이를 포함하며,
    1차 펌핑 표면은 제 1 섹션 및 제 2 섹션으로 섹션화된 상부 플레이트를 포함하고, 상기 제 1 섹션 및 제 2 섹션은 상기 제 1 섹션과 제 2 섹션 상에 형성된 부착 응축물의 상대적인 이동을 방지하는 강성 연결부에 의해서 결합되는
    극저온 펌프.
  39. 제 38 항에 있어서,
    상기 제 1 섹션 및 제 2 섹션이 블래킷 및 연동 계면 중 하나 이상에 의해서 결합되고, 또는 납땜에 의해서 결합되는
    극저온 펌프.
  40. 제 38 항에 있어서,
    결빙이 상부 플레이트의 상부의 평평한 표면 상에서 균일하게 분포될 수 있도록 상기 상부 플레이트가 구성되는
    극저온 펌프.
  41. 제 38 항에 있어서,
    상기 상부 플레이트가 상기 상부 플레이트의 방사상 측부 내의 노치를 포함하고, 상기 노치는 응축물이 상기 복사선 차폐부와 열적으로 접촉하는 연장부와 접촉하는 것을 방지하도록 구성되는
    극저온 펌프.
  42. 제 41 항에 있어서,
    상기 노치가 전체적으로 직교형으로 성형되는
    극저온 펌프.
  43. 제 38 항에 있어서,
    상기 상부 플레이트는 상기 제 2 섹션과 중첩(overlap)되는 상기 제 1 섹션을 포함하는
    극저온 펌프.
  44. 제 38 항에 있어서,
    상기 제 2 섹션이 상기 제 1 섹션과 중첩되는
    극저온 펌프.
  45. 제 38 항에 있어서,
    상기 상부 플레이트가 3 또는 그 이상의 섹션들로부터 제조되고, 상기 3 또는 그 이상의 섹션들이 상대적인 운동을 방지하도록 서로 기계적으로 커플링되는
    극저온 펌프.
  46. 제 38 항에 있어서,
    상기 상부 플레이트는 그 상부에 형성된 부착 응축물의 운동을 방지하도록 연결된 둘 이상의 피스를 포함하는
    극저온 펌프.
  47. 제 1 섹션 및 제 2 섹션으로부터 형성되는 1차 펌핑 표면 상에서의 응축물 성장을 관리하는 방법으로서:
    진공 베슬과 복사선 차폐부 사이에 형성된 환형 공간으로부터의 유동을 차단하는 단계;
    상기 제 1 섹션과 상기 제 2 섹션으로부터 형성된 1차 펌핑 표면으로 유동을 재지향시키는 단계;
    두꺼운 결빙을 형성하기 위해서 상기 1차 펌핑 표면에서 가스를 응축시키는 단계; 그리고
    펌핑 작동 중에, 상기 제 1 섹션 상에 부착된 응축물이 이동하는 것 그리고 상기 제 2 섹션 상에 부착된 응축물과 접촉하는 것을 방지하기 위해서, 상기 제 1 섹션 및 제 2 섹션을 강성 방식으로 서로 기계적으로 커플링시키는 단계를 포함하는
    응축물 성장 관리 방법.
  48. 극저온 펌프로서:
    적어도 제 1 및 제 2 스테이지를 가지는 냉각장치;
    상기 제 2 스테이지를 둘러싸고 상기 제 1 스테이지와 열적으로 접촉하는 복사선 차폐부;
    상기 제 2 스테이지와 열적으로 접촉하는 흡착제를 지지하는 제 2 스테이지 어레이로서, 상기 제 2 스테이지 어레이가 1차 응축 표면, 흡착제를 구비하는 피보호 표면, 그리고 비-1차 응축 표면을 포함하는, 제 2 스테이지 어레이; 그리고
    적어도 비-1차 응축 표면 상에서의 응축을 최소화하기 위한 제 1 구조물, 또는 가스가 비-1차 응축 표면 상에 부착될 때 응축 부착물 내의 균열-형성 응력을 최소화하기 위한 제 2 구조물을 포함하는
    극저온 펌프.
  49. 제 48 항에 있어서,
    상기 제 2 구조물이 피쳐를 구비하는 표면이며, 상기 피쳐가 돌출부, 중공형 돌출부, 벤딩된 돌출부, 또는 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는
    극저온 펌프.
  50. 제 48 항에 있어서,
    상기 제 1 구조물이 복사선 차폐부를 통해서 형성된 홀과 연관된 하나 이상의 폐색부를 포함하며, 상기 폐색부는 작동 중에 가스를 재지향시키고 그리고 냉각 중에 유체가 폐색부를 통해서 횡단할 수 있게 허용하는
    극저온 펌프.
  51. 제 48 항에 있어서,
    상기 1차 펌핑 표면이 단일형 부재인 상부 플레이트를 포함하는
    극저온 펌프.
  52. 제 48 항에 있어서,
    상기 1차 펌핑 표면이 제 1 섹션 및 제 2 섹션을 구비하는 상부 플레이트를 포함하고, 상기 제 1 섹션 상에 부착된 응축물이 이동하는 것 그리고 상기 제 2 섹션 상에 부착된 응축물과 접촉하는 것을 방지하기 위해서 상기 제 1 섹션 및 제 2 섹션이 강성 방식으로 연결되는
    극저온 펌프.
  53. 제 48 항에 있어서,
    상기 제 1 스테이지 표면과 접촉하는 표면 및 상기 응축 부착물 사이의 접촉이 최소화되는
    극저온 펌프.
  54. 극저온 펌프로서:
    적어도 제 1 및 제 2 스테이지를 가지는 냉각장치;
    상기 제 2 스테이지를 둘러싸고 상기 제 1 스테이지와 열적으로 접촉하는 복사선 차폐부; 및
    1차 응축 표면, 흡착제를 구비하는 피보호 표면, 그리고 비-1차 응축 표면을 포함하는 제 2 스테이지 어레이를 포함하며,
    상기 1차 응축 표면이 응축 물질을 전체적으로 균일하게 분포시키도록 구성된 평평한 표면을 포함하는
    극저온 펌프.
  55. 제 54 항에 있어서,
    상기 표면은 전체적으로 높이가 일정한(generally level) 평평한 상부 플레이트인
    극저온 펌프.
  56. 제 55 항에 있어서,
    상기 상부 플레이트가 상기 상부 플레이트의 방사상 측부 내의 노치를 포함하는
    극저온 펌프.
  57. 제 54 항에 있어서,
    상기 상부 플레이트가 전체적으로 원통형 방식으로 결빙을 분포시키는
    극저온 펌프.
  58. 챔버 내에서 압력 이탈을 방지하기 위한 방법으로서:
    응축 가스를 형성하기 위해서 챔버로부터 가스를 펌핑하는 단계; 그리고
    응축 가스가 내부 응력을 가진 상태로 형성되는 것을 방지하는 단계를 포함하며,
    상기 내부 응력이 플레이크를 생성하고 그리고 분리된 플레이크의 임의적인 승온이 압력 이탈을 초래하는
    챔버 내의 압력 이탈 방지 방법.
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