KR20110139267A - 게터 펌프와 이온 펌프를 포함하는 조합형 펌핑 시스템 - Google Patents

게터 펌프와 이온 펌프를 포함하는 조합형 펌핑 시스템 Download PDF

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Abstract

게터 펌프(120; 220)와 이온 펌프(130; 230)를 포함하는 조합형 펌핑 시스템이 기재되어 있다. 게터 펌프와 이온 펌프(120, 130; 220, 230)는 동일한 플랜지(111; 211) 상에 직렬로 장착되어 있고, 그 반대 측부 상에 각각 배열되어 있어서, 게터 펌프와 이온 펌프 컨덕턴스 양자 모두는 시스템의 진공 수준을 개선하기 위해 진공 챔버 내의 가스 플럭스 공급원을 향해 최대화된다.

Description

게터 펌프와 이온 펌프를 포함하는 조합형 펌핑 시스템{COMBINED PUMPING SYSTEM COMPRISING A GETTER PUMP AND AN ION PUMP}
본 발명은 게터 펌프와 이온 펌프를 포함하는 조합형 펌핑 시스템에 관한 것이다.
예를 들어, 입자 가속기 및 전자 현미경과 같은 다수의 과학용 및 산업용 기구 또는 시스템이 있는데, 그 작동에는 초고진공 상태(기술분야에서 UHV로 지시됨), 즉 10-6Pa보다 낮은 압력값이 필요하다. 예를 들어, 회전형 또는 박막 펌프인 1차 펌프와 터보분자, 게터, 이온 또는 극저온 펌프 중에서 선택되는 2차 펌프를 포함하는 펌핑 시스템이 일반적으로 이 진공 수준을 생성시키기 위해 사용된다. 1차 펌프는 대기압에서 작동 개시되고, 챔버 내의 압력을 약 10-1-10-2 Pa의 값 아래로 내릴 수 있고, 이 압력에서 UHV 펌프가 작동되어, 시스템 내의 압력을 약 10-7-10-9 Pa의 값 아래로 저하시킨다.
가장 일반적인 UHV 펌프 중에서, 이온 및 터보분자 펌프가 거의 모든 가스를 흡수할 수 있다.
터보분자 펌프는 다른 기계적인 펌프와 비교하여 진공 챔버의 감소된(비록 제로는 아니지만) 오일 오염 때문에 높이 평가되지만, 유효 최종 진공값은 가벼운 가스(수소 및 헬륨)에 대한 더 낮은 압축비와, 외부 환경으로부터 펌프 자체를 통한 소량의 가스의 가능한 도입과 관련되어 있다.
대신에, 이온 펌프는, 어떠한 가동 부분과 오일도 갖지 않아서, 매우 깨끗하고 유지관리가 저렴하며 외부 환경으로부터의 보다 양호한 격리성을 특징으로 한다. 더욱이, 이온 펌프는 배기된 챔버 내에 적절한 압력값 지표를 제공할 수 있다. 이 특징은 특히 제조업자와 진공 기구의 사용자에 의해 높게 평가되는데, 그 이유는 이것이 시스템 상태를 계측하고, 챔버 내의 압력이 임계값까지 증가할 때에 펌프 작동을 중단할 수 있게 하기 때문이다.
이온 펌프에는 서로 동일한 복수 개의 부재 세트가 포함되어 있다. 이 부재의 각각에 있어서, 높은 전기장에 의해 챔버 내에 존재하는 가스로부터 이온 및 전자가 생성되고, 각 부재 둘레에 배열된 자석이 전자에 비직선형 궤적(일반적으로, 나선형 궤적)을 제공하여 챔버 내에 존재하는 다른 분자를 이온화시키는 능력을 향상시킨다. 이렇게 생성된 이온은 부분적으로 벽 내로의 이온 주입을 통해, 그리고 부분적으로 이온 충격(ion bombardment) 후에 벽의 부식에 의해 생성된 원자(또는, 원자 "클러스터")를 통해 형성된 티타늄 층 하부의 매장 효과로 인해, 부재의 벽에 의해 포획되고 재퇴적된다. 또한, 티타늄은 고유한 게터링(gettering) 능력을 가지는데, 즉 티타늄은 화학적 합성물의 형성을 통해 그들을 고정시키는 단순한 가스 분자와 상호작용할 수 있는 금속이다.
이온 펌프의 문제점이 메탄 해리의 효과로서 수소를 발생시키는 가능성에 의해 제공되는데, 이것은 1994년에 미국 진공 학회 Vac,. Sci. Techno. A에서 K.L. Welch 등에 발행된 "스퍼터-이온 펌프에 의한 헬륨과 수소의 펌핑. Ⅱ. 수소 펌핑(Pumping of Helium and Hydrogen by Sputter-Ion Pumps. Ⅱ. Hydrogen Pumping)"이라는 과학 간행물 861 페이지에 기재된 바와 같은, 원하는 진공 상태 즉, 약 10-8 - 10-9 Pa의 값보다 낮은 시스템 압력에 도달하는 데에 어려움을 수반할 수 있는 현상이다. 수소 및 다른 원하지 않는 가스 종의 발생으로 인하여 이온 펌프로부터 진공 챔버를 향하는 일반적으로 "비임 효과(beaming effect)"로 알려져 있는 조준된 분자 플럭스가 존재하게 된다.
두번째 종류의 문제점은 입자 가속기 학회의 회보에서 D.R.C. Kelly에 의해 발표된 "가속기 진공 시스템 내의 더스트(Dust in Accelerator Vacuum Systems)"이라는 과학 간행물의 1997년 3판 3547 페이지에 기재된 바와 같이 소정 용례에서 더스트 입자의 비임 파이프 내로의 캐스팅에 있을 수 있다.
이온 펌프의 중요한 다른 제한은 컴팩트한 또는 이동식 시스템에의 그 적용을 어렵게 하는 비교적 대형인 그 크기와 중량이다.
이 문제점은 전자 현미경, 입자 가속기 및 표면 분석 시스템과 같은 용례에 있어서 특히 중요하다.
게터 펌프는 비증발성 게터 재료(업계에 NEG로 알려져 있음)로 제조된 요소에 의한 산소, 수소, 물 및 산화탄소와 같은 반응성 가스종의 화학적 흡수의 원리에 기초하여 작동된다. 가장 중요한 NEG 재료는 지르코늄 또는 티타늄계 합금이고, 게터 펌프는 예를 들어 미국 특허 제5,342,172호 및 제6,149,392호에 기재되어 있다. 이 펌프는 동일한 크기에서 이온 펌프의 흡수 속도보다 현저하게 더 큰 가스 흡수 속도를 가지며, 이온 펌프보다 훨씬 더 효과적으로 수소를 제거할 수 있고, 이러한 이점과 반대로, 게터 펌프의 펌핑 효율은 탄화수소(예를 들어, 상온에서의 메탄)의 경우에 불량하고, 희토류 가스의 경우에는 제로이다. 더욱이, 게터 펌프는 챔버 내부의 압력 측정을 제공할 수 없다.
UHV 챔버내의 펌핑을 개선하기 위해, 다양한 2차 펌프를 조합하여 사용하면 전술한 제한을 극복할 수 있다.
터보분자 펌프에 대해 상류에 게터 펌프를 사용하는 것이 국제 특허 공보 WO 98/58173호에 개시되어 있다. 이 공보에는 엄밀히 말하자면 제1 펌프의 기계적 구조와 관련된 상류 구성의 열적 단점과, 컨덕턴스와, 효율을 극복하기 위한 터보분자 및 특정 게터 펌프의 조합이 교시되어 있다. 개시되어 있는 해결방안의 강한 제한은 터보분자 펌프와 함께 사용되도록 적절하게 제작된 특수 게터 펌프의 요건이다. 사실상, 지그재그형 와이어가 NEG 펌프 표준 제품의 사용에서 관찰되는 기술적 문제점을 극복하기 위해 게터링 요소로서 제안된다. 따라서, 개시된 조합형 펌핑 시스템에서는 덜 고가이고 보다 효율적인 게터 펌프의 사용이 불가능하다.
WO 00/23173에는 서로 일렬인 게터 펌프와 터보분자 펌프의 사용이 기재되어 있다. 펌프는 진공 챔버에 대해 "직렬(in series)" 구성을 갖고 있고, 게터 펌프와 터보분자 펌프로부터의 열전달을 제한하기 위해 온도 반응성 모바일 실드 장치를 사용하는 것이 필요하다. 개시된 실드 부재를 사용하면 터보분자 펌프에 대한 가스 유동 컨덕턴스의 감소를 최소화할 수 있지만, 여하튼 조합형 펌핑 시스템의 전체 컨덕턴스는 진공 챔버에 시스템을 연결시키는 구멍과, 터보분자 펌프에 있어서 덕트 내의 게터 펌프에 의해 점유되는 유효 체적에 의해 제한된다.
이온 펌프와 게터 펌프를 조합하여 사용하면 UHV에 있어서 특히 효과적인 펌핑 시스템이 제공된다. 조합형 펌핑 시스템에 있어서, 이온 및 게터 펌프는 예를 들어, John Wiley & Sons의 Wiley-Interscience에서 1998년에 발행된 M. Lafferty의 "진공 과학 및 기술의 기초(Foundation of Vacuum Science and Technology)"라는 과학 간행물에 기재되어 있는 바와 같이 병렬로 또는 직렬로 배열될 수 있다.
이 펌핑 시스템은 예를 들어, 이와 같은 진공 시스템과 관련된 일본 특허 제58-117371호 또는 미국 특허 제5,221,190호와, 그 챔버가 이온 및 게터 펌프를 사용함으로써 배기 상태로 유지될 수 있는 입자 가속기와 관련된 일본 특허 출원공보 JP-A-06-140193호 또는 JP-A-07-263198호에 개시되어 있다.
이들 문헌에 기재되어 있는 조합형 펌핑 시스템은 메인 펌프로서 이온 펌프와 동일한 크기를 갖는 보조 펌프로서 게터 펌프를 사용하는 것을 기초로 하고 있다. 따라서, 이들 문헌은 이온 펌프의 사용과 관련된 주요한 문제점, 즉 무거운 중량, 크기, 에너지 소비 및 무엇보다도 전술한 디개싱 현상(degassing phenomenon)과 관련된 진공 챔버의 압력의 하한을 해결하지 못하고 있다.
또한, 이들 문헌에는 진공 챔버 체적 바로 내부의 그 구성과 비교해 보면 그 펌핑 효율 및 컨덕턴스 값이 감소되도록 진공 챔버 벽 내의 리세스 내부로의 게터 펌프의 도입이 개시되어 있다.
미국 특허출원 공개공보 제2006/0231773호에는 전자 현미경이 기재되어 있는데, 여기서 진공 시스템은 이온 펌프와 게터 펌프를 포함하고, 게터 펌프가 주 펌프로 사용되며, 비교적 작은 이온 펌프가 보조 펌프로서 사용되어 게터 펌프에 의해 흡수되지 않는 가스를 차단시킨다. 이 시스템에 의하면 진공 시스템의 중량 및 크기를 감소시킬 수 있지만, 이전의 경우와 유사하게 전체 시스템에 비해 여전히 상당한 크기를 갖는 2개의 별개의 펌프를 특징으로 하고 있다. 또한, UHV 시스템의 임계점은 챔버 벽 상에 형성된 개구의 개수인 것으로 알려져 있다. 사실상, 플랜지, 개스킷 또는 브레이징 재료의 미시적 수준의 가능한 불완전한 밀봉으로 인해(특히, 가열되고 상이한 상이한 재료로 제조되는 부분의 상이한 열적 팽창이 발생되는 시스템의 경우에), 이들 개구는 진공 상태 열화의 우선적인 포인트를 제공할 수 있다. 미국 특허출원 공개공보 제2006/0231773호에 기재되어 있는 2개의 펌프 시스템에는 이온 펌프와 게터 펌프(또는 만약, 예를 들어 시스템이 하나 초과의 이온 펌프를 포함하고 있다면 2개 초과)를 공급하기 위해 외부로부터의 2개의 상이한 접근 지점이 필요하고, 이에 따라 이것은 극 고진공 상태 하에서 작동되어야만 하는 시스템의 제작 관점에서는 최적이 아니다.
본 출원인 명의의 국제 특허출원 공개공보 제2009118398호에는 감소된 크기를 갖는 적어도 하나의 이온 펌프와 공통 플랜지의 상이한 위치에 배열된 하나의 게터 펌프를 포함하는 조합형 펌핑 시스템이 기재되어 있다. 이러한 방식으로, 챔버의 벽을 따라 단일 개구를 사용할 수 있고, 이에 따라 시스템의 구조를 단순화하고 그 기밀(tightness) 문제를 제한한다. 그러나, 이러한 펌핑 시스템은 배기되는 챔버를 향하는 이온 펌프의 작동에 의해 발생되는 디개싱 플럭스(degassing flux)에 대한 효과적인 제한을 허용하지 않는 2개의 펌프의 평행한 구성에 기초한다. 특히, 수소 플럭스와 해리 현상으로 인해 이온 펌프로부터 나오는 다른 원하지 않는 화학종은 낮은 압력값을 달성하기 위한 강한 제한 요소를 구성할 수 있다.
그 작동 동안에 이온 펌프에 의해 발생된 디개싱 플럭스는 게터 펌프와의 이온 펌프의 직렬 구성을 사용함으로써 감소될 수 있다. 독일 특허 제2164788호에는 예를 들어, 게터 펌프와 이온 펌프가 직렬로 배열되어 있는 조합형 펌핑 시스템이 기재되어 있다. 특히, 게터 펌프는 배기되는 챔버에 이온 펌프를 연결시키는 덕트 내에 배열되어 있다. 전술한 특허의 펌핑 시스템의 문제점은 펌프 중 각각의 하나가 다른 펌프의 펌핑에 영향을 주고, 이에 따라 배기되는 챔버로부터의 가스 유동의 컨덕턴스가 감소하게 된다는 것이다. 사실상, 플랜지 구멍을 이온 펌프에 연결시키는 덕트 내부의 게터 펌프의 구성으로 인해 이온 펌프를 향해 배기되는 챔버로부터의 가스 플럭스가 불가피하게 감소하게 된다. 또한, 게터 펌프를 향하는 챔버로부터의 가스 플럭스는 전술한 덕트의 구멍 크기에 의해 제한된다.
영국 특허 제2164788호에는 또한 가능한 변형 구성으로서 진공 챔버와 이온 펌프의 구멍 사이의 덕트의 측벽을 따른 시트(seat) 내에 배치된 게터 펌프가 개시되어 있다. 이 구성은 이온 펌프의 컨덕턴스 감소의 부정적인 효과를 제한하지만, 이로 인하여 게터 펌프를 향하는 가스 플럭스가 감소하게 되고, 이에 따라 컨덕턴스에 있어서 효율이 더 낮아진다.
따라서, 본 발명의 목적은 종래 기술의 문제점을 극복할 수 있는 조합형 펌핑 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면 상기 목적이 달성된다. 조합형 펌핑 시스템을 진공 챔버에 장착하기에 적절한 플랜지의 대향 측부 상에 직렬로 장착된 게터 펌프와 이온 펌프를 포함하는 조합형 펌핑 시스템에 있어서, 이온 펌프는 덕트에 의해 플랜지에 연결되고, 상기 게터 펌프는 상기 덕트 외부에 있는 것을 특징으로 한다.
발명자는 본 발명에 따른 이온 펌프와 게터 펌프를 조합하면 "병렬" 펌프 구성과 "직렬" 펌프 구성의 이점 모두를 제공하면서 챔버 내부의 극 고진공 상태를 얻고 유지시킬 수 있다는 것을 발견하였다. "직렬" 구성과 유사하게, 사실상, 본 발명은 게터 펌프가 이온 펌프에 의해 발생된 조준된 분자 플럭스를 효과적으로 흡수하는 것을 가능하게 하는 한편, "병렬" 구성과 유사하게 플랜지 대향 측부 상의 구성은 그 컨덕턴스의 감소 없이 2개의 펌프 모두에 의해 진공 챔버로부터의 가스 펌핑을 가능하게 한다.
본 발명을 이하의 도면을 참조하여 더 자세히 설명하겠다.
도 1에는 본 발명에 따른 펌핑 시스템의 제1 실시예에 대한 개략적인 사시도가 도시되어 있다.
도 2 및 도 2a는 도 1에 도시되어 있는 시스템의 Ⅱ-Ⅱ 선에 의해 구획되는 평면을 따른 종방향 단면도로서, 각각 게터 펌프와 플랜지 구멍 사이에 연결 덕트를 구비하지 않거나 구비하고 있다.
도 3에는 본 발명에 따른 펌핑 시스템의 변형예에 대한 측면도가 개략적으로 도시되어 있다.
도 4는 본 발명에 따른 조합형 시스템에 사용되는 게터 펌프 내부의 게터 부재의 다양한 구조체의 가능한 구성을 보여주는 상면도이다.
모든 도면은 보다 양호한 이해를 가능하게 하기 위해 개략적이고 단순화된 형태로 도시되고, 이에 따라 전기 접속부와 같은 상세부는 도시하지 않으며, 시스템 및 그 물리적 결합을 형성하는 다양한 부재들의 실제 기하학적 비율에 대해서도 도시하지 않는다. 이러한 상세 및 그 가능한 변형은 당업자에 의해 용이하게 결정될 수 있다.
도 1 및 도 2에는 가장 간단한 구성의 본 발명에 따른 펌핑 시스템에 대한 제1 실시예가 개략적으로 도시되어 있다. 펌핑 시스템은 진공 챔버 벽 상에 직접 장착하기에 적합한 플랜지(111)를 포함하고, 상기 플랜지 상에 게터 펌프(120)와 이온 펌프(130)가 이 플랜지의 대향측에 각각 연결되어 있으며, 게터 펌프는 플랜지의 구멍의 대칭축을 물리적으로 차단한다. 이들을 단순화하기 위해, 모든 도면은 그 바람직한 실시예의, 즉 플랜지의 대칭축에 대해 동축적으로 장착된 발명을 도시하고 있다.
따라서, 플랜지는 양 펌프 모두에 연결되고, 조합형 시스템을 진공 챔버 벽에 연결하기 위해 사용되어, 이온 펌프를 챔버 체적 외부에 배치하는 한편, 게터 펌프는 이 챔버 내부에 할당되며 덕트 내에 또는 그 벽 중 하나 상의 라징(lodging) 내에는 할당되어 있지 않는 것을 특징으로 하는 구성이 된다. 또한, 게터 펌프 구성은 그것에 의해 점유된 체적이 플랜지 구멍 자체의 회전 대칭축으로서 형성된 플랜지 구멍의 축을 차단한다면 바람직하다.
게터 펌프(120)는 NEG 재료로 제조된 요소에 의해 제조될 수 있고, 다양한 형상을 가질 수 있으며, 상이한 기하학적 형상에 따라 조립될 수 있고, 또한 NEG 재료 부재 세트 둘레에 배열된 금속 실드(예를 들어, 메쉬 또는 적어도 부분적으로 천공되거나 개방된 박판 형태이다)를 포함하여, NEG 재료를 보호하고 펌프가 사용되어야 하는 진공 시스템 내부에서의 미숙한 조립 조작에서 있을 수 있는 금속 입자의 부수적인 손실을 피할 수 있다.
도 1 및 도 2에 있어서, 게터 펌프(120)는 중앙 지지체(122)에 의해 적층되고, 예를 들어 금속 링(도 1에는 도시되어 있지 않음)에 의해 이격 상태로 유지되는 일련의 NEG 재료 디스크(121, 121', ...)로 이루어져 있다. 예를 들어 세라믹 재료(알루미나가 바람직하다)로 제조되는 중앙 지지체(122)는 중공형이고 그 내부에 가열 요소가 내장되어 있으며, 가열 요소는 또한 세라믹 재료로 제조되는 지지체의 구멍을 관통하는 예를 들어, 금속 와이어 레지스터에 의해 제조될 수 있다. 구멍은 중앙 지지체의 축에 평행하고, 그것에 대한 관통 구멍이다. 지지체(122)는 일반적으로 전기적 피드쓰루(feedthroughs)에 제공되는 커넥터(124)에 고정되고, 커넥터는 통상적으로 세라믹으로 제조되며 브레이징에 의해 이온 펌프의 벽 중 하나에 고정된다. 디스크(121, 121', ...)는 NEG 재료 소결 분말로 형성될 수 있고, 이에 따라 비교적 컴팩트하지만, 노출 표면 면적과 이에 따라 펌프의 가스 흡수 특성을 증가시키도록 다공성인 것이 바람직하다. NEG 재료의 다공성 부재는 예를 들어 본 출원인 명의의 유럽 특허 제719609호에 기재된 공정에 따라, 예를 들어 본 출원인 명의의 미국 특허 제5,324,172호에 기재된 바와 같이 다양한 형상을 갖는 다공성 소결체 형태로, 또는 상이하게 성형될 수 있는 금속판 상의 적층체 형태로 제조될 수 있다.
이온 펌프(130)는 개방 단부를 갖고 전도성 재료 일반적으로 금속 재료로 제조되는 원통형 본체로 성형되는 애노드 부재(131)를 포함하고, 애노드 부재는 커넥터(124)와 유사한 커넥터(133)에 의해 이온 펌프의 벽 중 하나에 고정된 지지체(132)에 의해 적소에 유지되고, 플랜지로부터 격리된 하나 이상의 전기적 피드쓰루가 제공된다. 애노드 부재(131)의 축은 플랜지의 평탄면에 평행하다. 티타늄, 탄탈(tantalum) 또는 몰리브덴으로 제조되는 2개의 전극(134, 134')은 애노드 부재(131)의 개방 단부를 향하고, 애노드 전극으로부터 짧은 거리(약 1mm)에 배열되어 있다. 애노드 부재(131)와 전극(134, 134')에 의해 형성된 조립체는 벽(136)에 의해 포위된다. 영구 자석의 극(135, 135')은 전극(134, 134')이 배열되는 측부를 향한다. 자석은 예를 들어 네오디뮴-철-붕소(neodymium-iron-boron) 또는 사마륨-코발트(samarium-cobalt) 타입의 고 자기장을 발생시키기에 적합한 임의의 공지된 영구 자석일 수 있다. 전극(134, 134')에 가장 인접하고 평행한 벽(136)은 극(135, 135')에 의해 형성된 자석에 의해 발생되는 자기장을 차단하지 않도록 바람직하게는 감소된 두께, 예를 들어 약 0.5 내지 1.5mm 사이의 값을 갖는다. 애노드 부재(131)의 지지체(132)는 애노드 부재로의 전기 공급 통로를 허용하기 위한 전형적인 고진공 피드쓰루이다. 애노드 부재(131)에 전력을 공급하도록 단일 전기 케이블이 존재할 수 있고, 또는 진공 챔버 내에서 압력을 판독하는 것을 가능하게 하는 전기 접점이 있을 수 있다. 2개의 전극은 플랜지의 전위로 유지될 수 있고, 대안으로서 전극은 전기적으로 공급되어 애노드 부재(131)의 전위에 대해 네거티브인 동일한 전위로 유지될 수 있다. 대안으로서, 접점(도면에는 도시되어 있지 않음)에 의해 2개의 전극을 서로 전기적으로 연결시킬 수 있고, 상기 접점은 전극을 동일한 전위로 유지시킨다.
바람직하게는, 이온 펌프(120)와 게터 펌프(130)는 서로에 대해 동축적으로 배열되고, 이에 따라 조합형 시스템의 펌핑 효율과 흡수율을 최대화시킨다.
또한, 본 발명에 따른 조합형 펌핑 시스템은 바람직하게는 배기된 챔버 상에 장착되어, 게터 펌프가 챔버의 체적 내부에 물리적으로 배열되고, 이온 펌프는 그것에 대해 외부적으로 배열된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 그 벽을 따라 형성된 복수 개의 측방향 개구를 포함하는 중공형 요소(170)가 도 2a에 도시되어 있는 바와 같이 플랜지 구멍에 대응하도록 사용된다. 이 중공형 요소는 플랜지 구멍으로부터 게터 펌프 베이스로의 덕트(측방향으로는 개방되어 있음)로서 작용하고, 영역의 적어도 일부가 개방되어 있는 측벽을 갖고 있다. 상이한 덕트 형상 및 측방향 개구부가 본 발명의 개선을 달성하기 위해 구별없이 사용될 수 있다. 예를 들어, 덕트는 원형, 사각형, 육각형 또는 다른 기하학적 단면을 가질 수 있다. 또한, 개구부는 구멍, 평행한 슬롯 또는 임의의 다른 적절한 변형예일 수 있다. 바람직하게는, 덕트의 전체 영역과 빈 영역 사이의 비율은 0.2보다 크고, 보다 바람직하게는 0.4보다 크다. 이 해결방안은 배기되는 챔버와 이온 펌프 사이의 충분한 컨덕턴스를 보장할 수 있게 한다. 전술한 유형의 덕트에 대한 대안으로서, 본 발명에 따른 시스템은 게터 펌프의 부재를 지지하기에 적합하고 측방향으로 개방되어 있는 임의의 종류의 금속 구조체를 포함할 수 있고, 예를 들어 케이지 구조체가 적절하게 사용될 수 있다. 비록, 도 1, 도 2 및 도 2a에는 이온 펌프가 가장 간단한 구성으로 도시되어 있는데, 즉 여기서 원통형 애노드가 존재하고, 애노드 부재는 하나 이상의 복수 개일 수 있다. 본 발명의 조합형 펌핑 시스템 내의 이온 펌프는 종래 기술의 조합형 펌핑 시스템에 사용되는 이온 펌프의 크기에 비해 매우 감소된 크기를 가질 수 있다. 사실상, 본 발명의 구성에 의해 허용되는 게터 펌프의 작동으로 인해, 이온 펌프는 예를 들어 2 내지 20ℓ/sec 사이에 포함되는 공칭 펌핑 속도를 가질 수 있다.
본 발명의 변형예에 있어서, 소위 "알니코("Alnico")" 타입의 자석을 사용할 수 있다. 알니코는 알루미늄(8-12 중량%), 니켈(15-26%), 코발트(5-24%)에 기초하고, 소량 %의 구리 및 티타늄이 첨가될 수 있으며, 잔여 부분은 철인 합성물을 지시하는 약자이다. 고 자기장을 발생시키는 능력에 추가하여, 알니코 자석은 800℃ 부근에서 모든 자석 재료 중에서 가장 높은 퀴리점(Curie point) 중 하나를 갖고, 이에 의해 이온 펌프가 경험할 수 있는 임의의 열처리를 견딜 수 있으며, 이에 따라 시스템을 가열할 때에 자석을 제거할 필요가 없게 된다.
도 3에는 본 발명의 변형예가 도시되어 있는데, 여기서 게터 펌프(220)는 서로 적층되어 있고, 예를 들어 본 출원인 명의의 미국 특허 제6,149,392호에 기재되어 있는 것과 유사하게 배열된 복수 개의 게터 부재를 포함하고 있다. 배기되는 챔버의 벽(240) 내에 배열된 게터 펌프(220)는 게터 펌프와 플랜지(211)의 구멍(260) 사이에 삽입되는 덕트(270)를 통해 결합되는 천공 금속 구조체(250)에 의해 밀폐되고, 이것은 조합형 펌핑 시스템이 사용될 때 배기되는 챔버의 벽(240)을 따라 적절한 구멍 상에 장착된다. 이 연통 덕트(270)는 그 벽을 따라 형성된 복수 개의 측방향 개구(도면에는 도시되어 있지 않음)를 포함하고, 상기 개구는 연통 덕트를 배기되는 챔버와 연결시킨다. 이 해결방안에 의하면 배기될 챔버와 이온 펌프 사이에 충분한 컨덕턴스가 보장될 수 있다. 전술한 유형의 덕트에 대한 대안으로서, 본 발명에 따른 시스템은 측방향으로 개방되어 있고 게터 펌프의 부재를 지지하기에 적절한 금속 구조체를 포함할 수 있다.
게터 펌프가 배열되어 있는 측부 반대측의 플랜지의 측부에는, 이온 펌프(230)가 구멍(260)에서 플랜지(211)에 배열 및 결합되어 있다. 전술한 바와 같이, 이온 펌프(230)에는 그 내부에 하나 또는 그 이상의 애노드 부재가 제공될 수 있다.
도 4에는 게터 펌프(220) 내부에 적층되어 있는 다수의 게터 부재의 가능한 공간적 구성이 도시되어 있다. 각 게터 펌프는 본 발명의 통합 펌프 대상의 가장 간단한 구성을 위해 이미 설명한 것과 유사한 방식으로 지지체(222)를 따라 적층된 게터 재료로 제조되는 일련의 디스크(221)에 의해 제공된다. 게터 펌프를 구성하는 상이한 게터 부재는 통합 시스템의 플랜지(211) 상에 존재하는 구멍(260)의 중앙과 일치하는 축을 중심으로 대칭되게 배열되어 있다. 또한, 본 발명의 가능한 변형예 중 하나에 있어서, 플랜지의 구멍은 플랜지의 실제 구멍에 대해 감소된 크기의 하나 또는 그 이상의 구멍을 갖는 평탄한 금속 표면의 존재를 특징으로 할 수 있지만, 본 발명에 의해 규정된 것에 따른 통합 시스템으로부터의 펌핑을 보장한다. 대안으로서, 이 평탄한 천공된 표면은 하나 또는 그 이상의 게터 부재로 형성된 게터 펌프의 지지 평면에 상응할 수 있고, 이에 의해 플랜지의 구멍에 의해 점유된 표면과 일치하지 않는다.
본 발명에 따른 그들의 상호 위치설정으로부터 유도되는 통합 펌핑 시스템의 펌핑에 있어서의 기술적 이점은 이하의 예를 참조하여 더 자세히 설명하겠다.
예 1
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 조합형 펌핑 시스템을 준비하였고, 이 시스템은 출원인에 의해 제작된 게터 펌프 모델 CapaciTorr D-100과 2ℓ/sec의 공칭 펌핑 속도를 갖는 이온 펌프를 포함하고 있다. 펌프는 서로에 대해 동축적으로 장착되어 있고, 2.12 10-8 kg m2 s-3의 일정한 메탄 플럭스의 조건 하에서 ASTM F798-97에 따라 테스팅되었다. 게터 펌프와 플랜지의 구멍 사이의 거리는 24mm로 고정되었다. 표 1에는 각각 메탄과 수소의 화학적 종류에 대해 측정된 부분 압력이 기재되어 있다.
예 2(비교예)
이전의 예와 것과 유사한 실험 조건 하에서, 본 발명에 따르지 않는 조합형 펌핑 시스템을 준비하였고, 이 시스템에서는 게터 펌프와 이온 펌프가 서로에 대해 수직하게 배열되어 있다. 게터 펌프에 의해 점유되는 체적은 플랜지 구멍 축을 차단하지 않는다. 이온 펌프가 연결되는 플랜지의 구멍과, 가장 가까운 게터 펌프 요소 사이의 거리는 38mm로 고정되었다.
예 3(비교예)
이전 예의 것과 유사한 실험 조건 하에서, 본 발명에 따르지 않는 조합형 펌핑 시스템을 준비하였고, 이 시스템에서 게터 펌프와 이온 펌프는 평행하고 서로로부터 약 130mm의 거리를 갖는 축을 구비하고 있다.
예 4(비교예)
이전의 예의 것과 유사한 실험 조건 하에서, 본 발명에 따른 조합형 펌핑 시스템을 준비하였지만, 이 시스템에서는 오직 이온 펌프만이 스위칭온 되었다.
표 1은, 본 발명에 따른 통합 펌프가 동일한 게터 및 이온 펌프의 상이한 구성으로 얻을 수 있는 펌핑 속도보다 높은 메탄의 펌핑 속도를 갖는다. 비교를 위해, 표는 또한 이온 펌프만이 사용되는 경우의 펌핑 속도도 포함하고 있다.
압력 CH4(Pa) 압력 H2(Pa) 펌핑 속도/통합 솔루션의 펌핑 속도
예 1 1.72*10-6 1.73*10-7 1.00
예 2 2.24*10-6 2.12*10-7 0.77
예 3 2.49*10-6 4.52*10-7 0.64
예 4 2.20*10-6 7.80*10-6 0.19
예 5
본 발명에 따른 조합형 펌핑 시스템을 준비하였고, 시스템은 본 출원인에 의해 제작된 게터 펌프 모델 CapaciTorr D-100과 2ℓ/sec의 공칭 플럭스율을 갖는 이온 펌프를 포함하고 있다. 펌프는 서로에 대해 동축적으로 장착되었고, 2.7*10-9 kg m2 s-3의 일정한 아르곤 플럭스의 조건 하에서 ASTM F798-97에 따라 테스팅되었다. 게터 펌프와 플랜지의 구멍 사이의 가장 짧은 거리는 24mm로 고정되었다. 표 2에는 측정실에서 동적 압력 평형이 달성되었을 때에 각각 아르곤 및 수소의 화학적 종에 대해 측정된 부분 압력이 기재되어 있다.
예 6
이전의 예와 것과 유사한 실험 조건 하에서, 본 발명에 따른 조합형 펌핑 시스템을 준비하였고, 이 시스템에서 이온 펌프가 연결된 플랜지의 구멍과 게터 펌프 사이의 최소 거리는 60mm로 고정되었다.
압력 Ar (Pa) 압력 H2 (Pa)
예 5 2.40*10-6 4.16*10-8
예 6 2.40*10-6 5.33*10-8
표 2는 본 발명에 따른 통합 펌프가 아르곤이 존재하는 이온 펌프에 의해 발생되는 수소에 대한 펌핑 효율을 갖는 것을 보여주고 있다.
그 2차 양태에 있어서, 본 발명의 조합 시스템은 종래 기술에 의해 설명된 것에 대하여 감소된 체적 크기의 추가의 기술적 이점을 갖는다. 예로서, 배기될 챔버가 전자 현미경에 일반적으로 사용되는 챔버의 크기와 유사한 크기를 가져야만 하는 용례에 있어서, 감소된 크기의 2개의 펌프로 인하여, 본 발명의 시스템은 예를 들어, 70mm의 직경을 갖는 단일의 원형 플랜지(당해 기술분야에서 CF 40으로 알려져 있음) 상에, 또는 상이한 형상을 갖지만 실질적으로 동일한 표면 면적을 갖는 플랜지 상에 고정될 수 있다. 플랜지는 예를 들어 AISI 316 L 또는 AISI 304 L 스틸로 업계에 알려져 있는 재료로 제조된다. 바람직하게는, 이온 펌프를 배기 챔버와 통합 시스템의 게터 펌프와 연결시키는 플랜지의 중앙 구멍은 10 내지 40mm 사이에 포함되는 직경을 갖고 있다.
마지막으로, 본 발명의 조합형 시스템은 게터 펌프 요소가 이온 펌프에 의해 그 작동 중에 발생될 수 있는 스퍼터링된 티타늄 입자를 물리적으로 차단할 수 있는 이점을 갖고 있다. 따라서, 조합형 시스템은 예를 들어 가속기 진공 시스템에서와 같이 다수의 용례에 있어서 입자 먼지를 최소화하기 위해 유용한 시스템이다.

Claims (11)

  1. 직렬로 장착되고 동일한 플랜지(111; 211)의 대향 측부 상에 각각 배열된 게터 펌프(120; 220)와 이온 펌프(130; 230)를 포함하고, 이온 펌프는 덕트(136; 236)에 의해 플랜지 구멍(260)에 연결되는 조합형 펌핑 시스템에 있어서,
    플랜지는 조합형 펌핑 시스템을 진공 챔버 벽(240)에 직접 장착하기에 적합하고, 게터 펌프는 이온 펌프를 플랜지 구멍에 연결시키는 덕트 외부에 있는 것을 특징으로 하는
    조합형 펌핑 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    게터 펌프(120; 220)는 그 체적으로 플랜지 구멍(260)의 축을 차단하는
    조합형 펌핑 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 펌프(120, 130; 220, 230)는 그 축이 서로 평행하고 플랜지 구멍(260)의 회전 대칭축에 평행하게 장착되는
    조합형 펌핑 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 펌프(120, 130; 220, 230)는 서로에 대해 동축적으로 장착되는
    조합형 펌핑 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    게터 펌프(120; 220)는 하나 또는 그 이상의 지지체(122; 222) 상에 적층된 비증발성 게터 재료로 제조되는 복수 개의 디스크(121, 121'; 221)를 포함하는
    조합형 펌핑 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 게터 재료 디스크(221)는 게터 펌프(220)를 이온 펌프(230)와 연결시키기에 적합한 제2 덕트(270)를 통해 플랜지(211)의 구멍(260)에 결합된 금속 구조체(250) 내부에 배열되는
    조합형 펌핑 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 덕트(270)에는 진공 챔버를 이온 펌프(230)에 직접 연결시키기에 적합한 그 벽 내의 복수 개의 측부 개구가 제공되는
    조합형 펌핑 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    제2 덕트(270)에서 복수 개의 측부 개구는 빈 영역과 전체 측부 영역 사이의 비율이 0.2보다 크게 되는
    조합형 펌핑 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    제2 덕트(270)에서 복수 개의 측부 개구는 빈 영역과 전체 측부 영역 사이의 비율이 0.4보다 크게 되는
    조합형 펌핑 시스템.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 제2 덕트(270)는 케이지 구조를 갖는
    조합형 펌핑 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 게터 재료 디스크(221)는 게터 펌프(120, 220)의 부재를 지지하기에 적합하게 측방으로 개방된 금속 구조체를 통해 플랜지(211)의 구멍(260)에 결합된 금속 구조체(250) 내부에 배열되는
    조합형 펌핑 시스템.
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