KR20110004399A

KR20110004399A - 게터 펌프 및 이온 펌프를 포함하는 조합형 펌핑 시스템

Info

Publication number: KR20110004399A
Application number: KR1020107024101A
Authority: KR
Inventors: 마이클 로렌스 페리스; 안드레아 콘테
Original assignee: 사에스 게터스 에스.페.아.
Priority date: 2008-03-28
Filing date: 2009-03-26
Publication date: 2011-01-13
Also published as: EP2260502B1; CA2714274A1; JP5302386B2; RU2010144064A; IL208238A; US20110014063A1; RU2495510C2; JP2011517836A; BRPI0910238A2; CN101978463B; CN101978463A; US8342813B2; WO2009118398A1; KR101455044B1; IL208238A0; EP2260502A1

Abstract

게터 펌프(12) 및 이온 펌프(13)를 포함하는 조합형 펌핑 시스템(10)이 제공된다. 상기 게터 펌프 및 이온 펌프(12, 13)는 동일한 플랜지(11) 상에 장착되고 그리고 2개의 서로 상이한 지점에서 상기 플랜지(11)의 동일한 측면 상에 정렬된다.

Description

게터 펌프 및 이온 펌프를 포함하는 조합형 펌핑 시스템{COMBINED PUMPING SYSTEM COMPRISING A GETTER PUMP AND AN ION PUMP}

본원 발명은 게터 펌프 및 이온 펌프를 포함하는 조합형 펌핑 시스템에 관한 것이다.

많은 산업 시설 및 과학 시설들이 작업을 위해서 극히 높은 진공 조건(당업계에서 UHV라고 지칭하고, 10^-5 - 10^-6 Pa 보다 낮은 압력에 상응)을 필요로 하고 있다. 이들 설비 및 시스템들 중에는 입자 가속기 및 전자 현미경이 포함될 수 있을 것이다. 이러한 진공 레벨을 생성하기 위해서, 메인 펌프라고 규정되는 펌프, 예를 들어 로터리 또는 멤브레인(membrane) 펌프, 그리고 UHV 펌프, 예를 들어 터보-분자 펌프, 게터 펌프, 이온 펌프, 또는 크라이오(cryogenic) 펌프를 포함하는 펌핑 시스템이 일반적으로 이용된다. 메인 펌프는 대기압에서 작동을 시작할 수 있고 그리고 설비의 진공 챔버 내부의 압력을 약 10^-1 - 10^-2 Pa의 값으로 낮춘다. 이러한 압력에서 UHV 펌프를 활성화시킬 수 있으며, 그러한 UHV 펌프는 시스템의 압력을 약 10^-8 - 10^-9 Pa의 값으로 낮춘다.

오늘날, 대부분의 확산형 UHV 펌프들이 이온 펌프인데, 이는 그러한 이온 펌프들이 (비록, 수소에 대해서는 낮은 펌핑 효율을 나타내지만) 모든 가스들을 실용적으로 차단(block)할 수 있고 그리고 배기된 챔버 내부의 압력 값을 대략적으로라도 나타낼 수 있기 때문이다. 내부의 압력 값을 나타낼 수 있는 특성은 제조업자 및 진공 설비의 사용자에게 특히 유용한데, 이는 시스템 조건들을 제어할 수 있게 하고 그리고 챔버 내부의 압력이 임계치까지 높아졌을 때 그 작업을 중단할 수 있기 때문이다.

이온 펌프들은 일반적으로 다수의 동일한 부재들의 조립에 의해서 제조된다. 이들 부재들 각각에서, 이온들 및 전자들은 높은 전기장 인가의 효과로서 챔버 내에 존재하는 기체 종(species)의 이온화에 의해서 생성된다. 각 부재 주위에 정렬된 자석이 전자들에게 비-선형(일반적으로 나선형) 궤적을 제공하며, 그에 따라 전자들이 챔버 내에 존재하는 다른 분자들을 이온화하는 능력을 높이게 된다. 그렇게 생성된 이온 세트들은, 부분적으로 부재 벽 내로의 이온 주입에 의해서 그리고 부분적으로 이온 충돌(ion bombardment) 시에 벽의 침식에 의해서 생성된 원자(또는 원자의 집단)의 부착에 의해서 형성된 티타늄 층 하부의 "버리얼 효과(burial effect; 매장 효과)"로 인해서, 부재 벽 내에 매립(embedded)된다. 티타늄은 또한 고유의 게팅(getting; 흡수) 능력을 가지며, 즉 티타늄은 화학적 화합물질의 형성 또는 물리적 수착(sorption)을 통해서 티타늄을 고정하는 단순한 기체 분자와 상호작용할 수 있다.

일반적으로, 이온 펌프가 다수의 동일한 부재들의 조립으로 구성되기 때문에, 그러한 이온 펌프의 가스 흡수 특성(특히 흡수 속도)은 본질적으로 그 크기 및 중량에 따라서 선형적으로 변화된다(즉, 선형적 함수이다). 일반적으로, 전술한 시스템들이 진공 챔버의 여러 구역(zones)들에 연결된 다수의 펌핑 유닛들을 필요로 하기 때문에, 이들 시스템의 작업에 필요한 이온 펌프들의 세트는 그들의 전체 중량 및 크기를 결코 무시할 수 없을 정도로 증대시킨다.

게터 펌프는 비-증발성 게터 물질(이른바 당업계에서는 NEG로 알려져 있다)로 이루어진 부재들에 의해서 산소, 수소, 물 및 탄소 산화물들과 같은 반응성 기체 종들을 화학적으로 흡수하는 원리에 따라서 작동된다. 가장 중요한 NEG 물질은 지르코늄계 또는 티타늄계 합금이다. 게터 펌프가 예를 들어 US 5,324,172 및 US 6,149,392에 기재되어 있다. 이들 펌프는 유사한 크기를 가지는 이온 펌프의 흡수 속도 보다 상당히 빠른 가스 흡수 속도를 가지고 그리고 수소를 훨씬 더 효율적으로 제거할 수 있는 반면, 탄화수소에 대한 그들의 펌핑 효율이 낮고 그리고 희가스에 대해서는 효과가 없으며(null) 챔버 내부의 압력 측정을 제공할 수 없다.

이온 펌프 및 게터 펌프의 조합은 특히 효율적인 UHV를 위한 펌핑 시스템을 제공한다. 유사한 펌핑 시스템이 예를 들어 진공 시스템과 관련한 공개된 특허 출원 JP 58-117371 및 GB 2,164,788 그리고 US 5,221,190으로부터, 그리고 진공 챔버가 독립된 이온 펌프 및 게터 펌프를 이용함으로써 배기된 상태로 유지되는 입자 가속장치와 관련된 JP-A-06-140193 및 JP-A-07-263198로부터 공지되어 있다.

전술한 인용 서류들에 기재된 펌핑 시스템은 메인 펌프로서 이온 펌프를 이용하고 그리고 메인 펌프 보다 작은 크기의 보조 펌프로서 게터 펌프를 이용하는 것을 제시한다. 이들 인용 서류들은 이온 펌프의 이용과 관련한 주요 문제점 즉, 큰 중량, 큰 크기 및 높은 에너지 소비와 관련한 문제점을 해결하지 못하고 있다.

특허 출원 US 2006/0231773에는 전자 현미경이 개시되어 있으며, 여기에서 진공 시스템은 이온 펌프 및 게터 펌프를 포함한다. 이러한 인용 서류에는 통상적인 상황과 반대의 상황을 기재하고 그리고 크기 감소를 위해서 게터 펌프를 메인 펌프로 이용하는 것과 게터 펌프에 의해서 흡수되지 않은 가스들을 차단하기 위해서 상대적으로 작은 이온 펌프를 이용하는 것을 제시하고 있다. 이러한 시스템은 진공 시스템의 중량 및 크기를 개선할 수 있게 허용하나, 전체 시스템에 대한 무시할 수 없는 부담이 되는 2개의 분리된 펌프들을 여전히 구비한다. 또한, UHV 시스템에서 챔버 벽에서의 모든 개구 및 연결부들이 중요한 사항이라는 것이 공지되어 있다. 이는, 플랜지, 가스켓 또는 브레이징 물질의 미세현미경적 레벨에서 발생할 수 있는 결함성 밀봉 때문이고(특히 시스템들이 가열되는 경우에 그리고 여러 가지 물질로 제조된 부분들이 서로 상이하게 열 팽창하는 경우), 이들 개구들은 진공 조건에 대한 대표적인 저하(degradation) 지점이 될 수 있을 것이다. US 2006/0231773에 기재된 2개의 독립된 펌프들을 구비하는 시스템은 둘 이상의 서로 상이한 외부로부터의 접근 지점들을 필요로 하며, 그 중 하나는 이온 펌프로의 공급을 위한 것(또는 만약 시스템이 하나 이상의 이온 펌프를 구비한다면 하나 이상의 것) 그리고 다른 하나는 게터 펌프를 위한 것이 될 것이다. 이는 매우 고진공에서 작동되어야 하는 시스템의 제조의 관점에서 볼 때 바람직한 특징으로 간주될 수 없을 것이다. 그에 따라, 본원 발명의 목적은 종래 기술의 단점을 극복한 조합형 게터-이온 펌프를 제공하는 것이다.

본원 발명에 따라서, 상기한 바와 같은 본원 발명의 목적은 게터 펌프 및 이온 펌프를 포함하는 조합형 펌핑 시스템에 의해서 달성되며, 상기 게터 펌프 및 이온 펌프는 동일한 플랜지 상에 장착되고 그리고 2가지 다른 지점에서 플랜지의 동일한 측면상에 정렬된다.

이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본원 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

도 1은 본원 발명의 펌핑 시스템을 도시한 단면도이다.
도 2는 본원 발명의 펌핑 시스템의 제 1 시스템을 단순화하여 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2의 시스템의 Ⅲ-Ⅲ' 라인을 따라서 도시한 단면도이다.
도 4는 본원 발명의 다른 실시예를 단순화하여 도시한 사시도이다.
도 5는 도 4의 실시예를 Ⅴ-Ⅴ' 라인을 따라서 도시한 단면도이다.

도 1은 본원 발명의 펌핑 시스템을 개략적으로 도시한 단면도이다. 시스템(10)은 플랜지(11)를 포함하고, 상기 플랜지 상에는 게터 펌프(12) 및 이온 펌프(13)가 장착된다. 게터 펌프(12) 및 이온 펌프(13)는 2개의 상이한 지점에서 플랜지(11)의 동일한 측면 상에 정렬된다.

도 2 및 도 3은 본원 발명의 펌핑 시스템의 제 1 실시예를 도시한다. 이러한 도면들은 가장 단순한 구성으로 이온 펌프를 도시하고 있다는 것을 주지하여야 하며, 다시 말해서 하나의 원통형 양극(anode) 만이 제시되어 있으나, 양극 요소들은 둘 이상이 될 수 있을 것이다.

게터 펌프(12)는 다양한 형상을 가지는 NEG 물질로 제조될 수 있고 그리고 여러 가지 기하학적 형태에 따라 조립될 수 있을 것이다. 게터 펌프(12)는 중앙 지지부(122) 상에 적층되고 그리고 예를 들어 금속 링(123)(도 1에는 미도시)에 의해서 서로 이격되어 유지되는 NEG 물질로 제조된 일련의 디스크들(121, 121', ...)로 구성되고; 예를 들어 세라믹(알루미나가 바람직하다)으로 제조된 상기 중앙 지지부(122)는 중공형이고 그리고 내부에 가열 요소(도면들에 도시되지 않음)를 수용하며, 상기 가열 요소는 예를 들어 마찬가지로 세라믹 물질로 제조된 지지부의 홀(상기 홀들은 지지부의 축선과 평행하고 그리고 상기 지지부에 대한 관통-홀이다)을 통과하도록 제조된 금속 와이어 저항으로 형성될 수 있을 것이다. 통상적으로, 지지부(122)는 전기 공급부(feedthrough)를 구비하는 연결부(124)에 고정되고, 일반적으로 세라믹으로 제조되고 그리고 브레이징에 의해서 플랜지(11)에 고정된다. 도면들에 도시된 게터 펌프는 NEG 요소 주위의 차폐부를 구비하지 않으며, 그에 따라 가스 흡수 속도를 최대화할 수 있다. 그러나, 예를 들어 진공 챔버 내로 도입하는 동안의 게터 펌프의 취급 시에, NEG 요소에 의해서 손실될 수 있는 금속 입자들을 유보(retain)하기 위해서, 게터 펌프가 NEG 물질로 제조된 요소들의 조립체 주위로 정렬된 금속 차폐부(예를 들어, 천공형 플레이트 또는 그리드 형태)를 포함할 수 있다. 디스크들(121, 121', ...)은 NEG 물질의 소결 분말로 제조될 수 있고 그에 따라 비교적 콤팩트(compact)할 수 있으나, 물질의 노출 표면적의 크기를 증대시키고 그에 따라 펌프의 가스 흡수 성능을 높이기 위해서 바람직하게 다공성을 가진다. NEG 물질로 제조되는 다공성 요소가, 예를 들어, 본 출원인 명의의 EP 719609 B1 특허에 기재된 프로세스에 따라서 제조될 수 있을 것이다. 본원 발명에 유용한 NEG 게터 펌프 또는 NEG 물질에 대한 다른 실시예들이 다양한 간행물에 기재되어 있으며, 예를 들어, 본 출원인 명의의 특허 EP 719609 및 US 5324172에 기재되어 있다.

이온 펌프(13)는 통상적인 이온 펌프에서 반복되는 것과 같은 타입의 하나의 부재로 형성된다. 이러한 펌프는 개방 단부를 구비하고 그리고 전도성 물질로, 일반적으로는 금속으로 제조되는 중공형 원통형 본체 형태의 단일 양극 요소(131)를 포함하고; 상기 원통형 본체는 연결부(124)와 유사한 연결부(133)에 의해서 플랜지(11)에 고정되는 장착부(132)에 의해서 정위치에서 유지되고 그리고 다시 플랜지로부터 절연된 하나 또는 둘 이상의 전기 공급부를 구비한다. 양극 요소(131)는 플랜지의 내측 표면에 평행하다. 티타늄, 탄탈륨 또는 몰리브덴으로 제조된 2개의 전극(134, 134')은 양극 요소(131)의 개방 단부와 마주하고 그리고 그로부터 약간의 거리(약 1 mm)에 정렬된다. 양극 요소(131) 및 전극(134, 134')으로 형성된 조립체가 2개의 프리즘-형상의 중공 요소(135 및 135') 사이에 정렬된다. 이들 요소의 공동은 외측으로 개방되고, 즉 양극 요소(131)가 정렬되는 측면의 반대쪽에서 플랜지(11)의 측면으로부터 개방되며, 두 공동이 조립되어 영구 자석(136)을 위한 안착부를 형성한다. 그에 따라, 펌핑 시스템이 진공 챔버에 연결되었을 때, 영구 자석(136)이 챔버 외부의 플랜지(11) 측면 상에 정렬된다.

자석(136)은 고자기장을 생성할 수 있는 임의의 공지된 자석, 예를 들어, 네오디뮴-철-보론 또는 사마륨-코발트 타입일 수 있을 것이다. 자석(136)은 안착부내로 간단히 삽입되고, 그리고 본원 발명의 시스템이 연결되는 챔버의 또는 게터 펌프의 가열의 경우에 탈자화되는 것을 방지하기 위해서 용이하게 제거될 수 있을 것이다. 바람직하게, 두 요소(135, 135')의 벽들 그리고 특히 전극(134 및 134')에 대해서 근접하고 평행한 벽들(일반적으로 장방형이다)은 얇은(감소된) 두께, 예를 들어 약 0.5-1.5 mm의 두께를 가지는데, 이는 자석(136)에 의해서 생성된 자기장을 차폐하지 않도록 하기 위한 것이다. 양극 요소 자체로의 전력 공급 통로를 허용하기 위해서, 양극 요소(131)의 장착부(132)는 중공형이 될 것이다. 전기 와이어가 연결부(133)에 연결될 수 있도록, 자석(136)이 천공된다. 하나의 단일 와이어가 양극 요소(131)로의 공급을 위해서 제공될 수 있을 것이며; 진공 챔버 내의 압력을 측정하는데 필요한 전기 접속부(contacts) 역시 존재할 수 있을 것이다. 전극(134 및 134')들이 장착부(137 및 137')에 의해서 지지되는 것으로 도시되어 있으며, 그러한 장착부는 전극들을 정위치에서 유지하는 단순한 기계적 기능을 제공한다. 이는, 두 전극들이 플랜지의 전위(potential)에서 유지될 때 가능할 것이다. 그 대신에, 두 전극들이 차례로 전기적으로 공급될 수 있을 것이다(그리고 서로에 대해서 동일한 전위에서 그리고 양극 요소(131)의 전위에 대해서 음의 전위에서 유지된다). 이러한 경우에, 장착부(137 및 137')가 다시 공급 와이어들을 통해서 연결부(133)에 제공된 추가적인 공급부에 연결될 수 있다. 그 대신에, 접속부(도면에 미도시)를 통해서 2개의 전극들을 서로 전기적으로 연결할 수 있으며, 그에 따라 그 두 전극들을 서로 동일한 전위로 유지하고 그리고 상기 접속부를 연결부(133)의 단일 공급부에 연결할 수 있으며, 따라서 장착부(137 및 137')가 기계적 기능만을 하게 할 수 있다.

바람직하게, 자석은 영구적인 타입의 자석이고, 예를 들어 사마륨-코발트 또는 철-보론-네오디뮴 타입의 주지의 자석들 중에서 선택될 수 있을 것이다. 본원 발명의 펌프의 구성이라고 가정하면, (펌핑 시스템이 연결된 진공 챔버의 탈가스를 위한 또는 게터 물질의 활성화나 재활성화를 위한) 가열 단계 동안에, 자석의 탈자화를 방지하기 위해서 자석이 안착부로부터 용이하게 제거될 수 있을 것이다.

도 4 및 도 5는 본원 발명의 다른 실시예를 도시하며, 여기에서 이온 펌프(13)가 영구 자석(236)을 구비하며, 그러한 자석은 큐리점이 350 ℃ 보다 높고 즉, 진공 챔버 내에 정렬된 게터 펌프의 게터 물질의 가장 일반적인 활성화 온도 보다 높다.

도면들에 도시된 바와 같이, 자석(236)은 U-자 형상이고 양극 요소(231) 및 한 쌍의 전극(234 및 234')이 그 내부로 삽입된다. 높은 큐리점으로 인해서, 자석(236)은 게터 펌프(12)의 게터 물질의 활성화 온도에 견딜 수 있고, 그에 따라 펌핑 시스템이 연결되었을 때 진공 챔버 내부의 플랜지(11) 측면 상에 정렬될 수 있다. 이러한 구성은 특히 바람직한데, 이는 플랜지 상에 자석을 정렬시키기 위한 안착부를 필요로 하지 않기 때문이다. 자석(236)은 몇 가지 이용 가능한 방식, 예를 들어, 나사 또는 스프링 등에 의해서 플랜지(11)에 고정될 수 있다.

바람직하게, 소위 "Alnico" 타입의 영구자석이 사용된다. Alnico는 알루미늄(8-12 중량%), 니켈(15-26%), 코발트(5-24%)를 기초로 하고 그리고 적은 백분율의 구리 및 티타늄이 첨가될 수 있고, 나머지는 철로 구성되는 조성물의 머리글자를 합성한 것이다. 매우 높은 자기장을 생성하는 것 외에도, Alnico는 모든 자석 물질들 중에서 가장 큐리점이 높은 것들 중 하나이고, 즉 약 800 ℃의 큐리점을 가지며, 그에 따라 게터 펌프에 인가될 수 있는 어떠한 열처리도 견딜 수 있다.

두 펌프들의 크기가 매우 작은 경우에, 그리고 이온 펌프의 크기가 매우 작은 경우에, 본원 발명의 시스템은 플랜지(11) 상에서 100 x 50 mm 미만의 장방형 면적을 점유할 수 있을 것이며, 그에 따라 125 mm 미만의 직경을 가지는 하나의 원형 플랜지(CF 100으로서 당업계에 공지된 타입의 플랜지에 상응함) 상에 또는 100 x 150 mm 보다 작은 크기의 장방형 플랜지 상에 고정될 수 있을 것이다. 플랜지는 당업계에 공지된 물질, 예를 들어, AISI 316 L 또는 AISI 304 L 스틸로 제조될 수 있다.

Claims

게터 펌프(12) 및 이온 펌프(13)를 포함하는 조합형 펌핑 시스템(10)에 있어서:
상기 게터 펌프 및 이온 펌프(12, 13)가 동일한 플랜지(11) 상에 장착되고 그리고 2개의 서로 상이한 지점에서 상기 플랜지(11)의 동일한 측면 상에 정렬되는
것을 특징으로 하는 조합형 펌핑 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 이온 펌프(13)의 작동에 필요한 자석(136)은 상기 플랜지(11) 내에 형성된 안착부 내에 그리고 상기 펌핑 시스템(10)이 진공 챔버에 연결되었을 때 상기 진공 챔버의 외부에 위치하는 플랜지(11)의 측면 상에 정렬되는
것을 특징으로 하는 조합형 펌핑 시스템.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 자석(136)이 영구자석 타입이고 그리고 사마륨-코발트 또는 철-보론-네오디뮴 조성을 가지는
것을 특징으로 하는 조합형 펌핑 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 이온 펌프(13)의 작동에 필요한 자석(236)은 상기 펌핑 시스템(10)이 진공 챔버에 연결되었을 때 상기 진공 챔버의 내부에 위치하는 플랜지(11)의 측면 상에 정렬되는
것을 특징으로 하는 조합형 펌핑 시스템.
제 4 항에 있어서,
상기 자석(236)이 영구자석 타입이고 그리고 350 ℃ 보다 높은 큐리점을 가지는
것을 특징으로 하는 조합형 펌핑 시스템.
제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
상기 자석(236)은 영구자석 타입이고, 그리고 알루미늄 8-12 중량%, 니켈 15-26 중량%, 코발트 5-24 중량% 그리고 적은 백분율의 구리 및 티타늄이 첨가될 수 있고 나머지가 철로 구성되는 조성을 가지는
것을 특징으로 하는 조합형 펌핑 시스템.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 게터 펌프(12)는 중앙 지지부(122) 상에 적층된 비-증발성 게터 물질로 제조된 일련의 디스크들(121, 121', ...)로 형성되는
것을 특징으로 하는 조합형 펌핑 시스템.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 이온 펌프(13)가 티타늄, 탄탈륨 또는 몰리브덴으로 제조되고 서로 평행한 2개의 전극(134, 134'; 234, 234')으로 이루어지고, 상기 2개의 전극들 사이에는 티타늄으로 제조되고 중공의 원통형 본체 형상을 가지는 하나 이상의 양극 요소(131; 231)가 정렬되며, 상기 양극 요소(131; 231)의 축선이 상기 전극(134, 134'; 234, 234')의 표면에 대해서 수직한
것을 특징으로 하는 조합형 펌핑 시스템.