KR20160136411A - 극저온펌프 하이브리드 정면 어레이 - Google Patents
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Abstract
극저온펌프는 냉장기, 냉장기에 의해 냉각되는 응축 어레이, 응축 어레이를 둘러싸고 냉장기에 의해 냉각되는 복사 차폐부를 포함한다. 복사 차폐부는, 냉장기에 의해 또한 냉각되는 정면 어레이에 의해 커버되는 정면 개구부를 갖는다. 정면 어레이는 정면 개구부의, 다른 방식으로는 실질적으로 개방된 중앙 영역에 걸친 루버들, 및 정면 개구부의 외측 영역에 걸친 오리피스 플레이트를 포함한다. 하이브리드 정면 어레이는, 오리피스 플레이트에 비교 가능한 유동 제어를 갖지만 루버 정면 어레이의 펌핑 속도들에 근사한 펌핑 속도들을 허용한다.
Description
본 출원은, 2014년 3월 21일에 출원된 미국 가출원 제 61/969,029 호, 및 2014년 3월 28일에 출원된 미국 가출원 제 61/971,973 호의 이익 향유를 주장한다. 상기 출원들의 전체 교시들(teachings)은 인용에 의해 본원에 통합된다.
현재 이용 가능한 극저온펌프들은, 그것이 개방 또는 폐쇄 극저온 사이클들(open or closed cryogenic cycles)에 의해 냉각되든 아니든, 일반적으로 동일한 설계 개념을 따른다. 일반적으로 4-25K의 범위에서 작동하는 저온 제 2 스테이지 극저온패널(cryopanel) 어레이는 일차(primary) 펌핑 표면이다. 이러한 표면은, 일반적으로 40-130K의 범위의 온도에서 작동하는 고온 복사 차폐부(radiation shield)에 의해 둘러싸이며, 그러한 고온 복사 차폐부는 더 낮은 온도의 어레이에게 복사 차폐(shielding)를 제공한다. 복사 차폐부는 일반적으로, 일차 펌핑 표면과 진공배기될(evacuated) 챔버 사이에 위치된 정면 극저온패널 어레이에서만 제외하고 폐쇄된 하우징(housing)을 포함한다. 이러한 더 높은 온도의, 제 1 스테이지인, 정면 어레이는 타입 I 가스들로서 알려진, 수증기(water vapor)와 같은 높은 끓는점 가스들을 위한 펌핑 사이트(site)로서 역할을 한다.
작동 시에, 수증기와 같은 높은 끓는점 가스들은 정면 어레이 상에 응축된다(condensed). 더 낮은 끓는점 가스들은 정면 어레이를 통과하여, 복사 차폐부 내의 용적 내로 들어간다. 타입 II 가스들, 예컨대, 질소는 제 2 스테이지 어레이 상에 응축된다. 타입 III 가스들, 예컨대, 수소, 헬륨, 및 네온은 4K의 상당한 증기압들을 갖는다. 타입 III 가스들을 포획하기(capure) 위해서, 제 2 스테이지 어레이의 내측 표면들은 흡착제(adsorbent), 예컨대, 활성화된(activated) 탄소, 제올라이트(zeolite), 또는 분자체(molecular sieve)로 코팅될 수 있다. 흡착은, 극저온 온도들에서 유지되는 물질에 의해 가스들이 물리적으로 포획되고 이에 의해 환경으로부터 제거되는 프로세스이다. 따라서 가스들이 펌핑 표면들 상에 응축되거나 흡착되면서, 오직 진공만이 작업 챔버에 남는다.
폐쇄 사이클 냉각기(cooler)들에 의해 냉각되는 극저온펌프 시스템들에서, 냉각기는 전형적으로, 복사 차폐부를 통해 연장하는 콜드 핑거(cold finger)를 갖는 2 스테이지 냉장기(two stage refrigerator)이다. 냉장기의 제 2의, 가장 차가운 스테이지의 냉단부(cold end)는 콜드 핑거의 첨단(tip)에 있다. 일차 펌핑 표면 또는 극저온패널은 콜드 핑거의 제 2 스테이지의 가장 차가운 단부에서 히트 싱크(heat sink)에 연결된다. 이러한 극저온패널은 단순한 금속 플레이트(plate), 컵(cup), 또는, 예컨대, 인용에 의해 본원에 통합되는 미국 특허 제 4,555,907 호 및 제 4,494,381 호에서와 같은 제 2 스테이지 히트 싱크 주변에 배열되고 그러한 히트 싱크에 연결되는 금속 배플들(baffles)의 어레이일 수 있다. 이러한 제 2 스테이지 극저온패널은 또한, 저온 응축 가스 흡착제들, 예컨대, 앞서 언급된 바와 같은 활성화된 탄소 또는 제올라이트를 지원할(support) 수 있다.
냉장기 콜드 핑거는 컵-형 복사 차폐부의 베이스를 통해 연장할 수 있고, 차폐부와 동심(concentric)일 수 있다. 다른 시스템들에서, 콜드 핑거는 복사 차폐부의 측부(side)를 통해 연장한다. 그러한 구성은 때때로, 극저온펌프의 배치를 위해 이용 가능한 공간에 더 잘 맞는다(fit).
복사 차폐부는, 냉장기의 제 1 스테이지의 가장 차가운 단부에서, 히트 싱크, 또는 히트 스테이션(station)에 연결된다. 이러한 차폐부는, 제 2 스테이지 극저온패널을 복사열로부터 보호하는 방식으로 제 2 스테이지 극저온패널을 둘러싼다. 복사 차폐부를 폐쇄하는 전방 어레이는 차폐부를 통하는, 또는, 인용에 의해 본원에 통합되는 미국 특허 제 4,356,701 호에 개시된 바와 같이, 열 스트럿들(thermal struts)을 통하는 제 1 스테이지 히트 싱크에 의해 냉각된다.
초기의 전방 어레이들은, 복사 차폐부에 커플링된 열 로드들(thermal rods) 상에 장착된 원형 루버들(louvers)을 포함했다. 특정한 루버들은, 복사(radiation)에 대해 더 비투과적(opaque)이도록, 쉐브론들(chevrons)의 형태일 수 있다.
다른 펌프 설계들, 예컨대, 인용에 의해 본원에 통합되는, 미국 특허 제 4,449,373 호, 제 4,611,467 호, 및 제 5,211,022 호에 설명된 바와 같은 펌프는 제 1 스테이지의 루버들을, 다수의 오리피스들(orifices)을 갖는 플레이트로 대체한다. 오리피스들은, 쉐브론들 또는 루버들과 비교하여, 제 2 스테이지 어레이로의 가스들의 유동을 제한한다. 스퍼터링 프로세스들과 같은 특정한 어플리케이션들에서, 내측 제 2 스테이지 펌핑 지역으로의 유동을 제한함으로써, 불활성 가스들의 부분(percentage)은, 최적의 프로세싱을 위해 불활성 가스의 적정한 압력(전형적으로 10-3 Torr 또는 그 초과)을 제공하도록 작업 공간에 남는 것이 허용된다. 그러나, 더 높은 응축 온도 가스들, 예컨대, 물은 정면 오리피스 플레이트 상에서의 응축에 의해 환경으로부터 즉시 제거된다.
정면 어레이는, 복사열이 제 2 스테이지를 타격하는(striking) 것을 감소시키기 위해, 제 2 스테이지 어레이로의 타입 II 및 III 가스 유량들을 제어하기 위해, 그리고 타입 I의, 더 높은 끓는점 온도의 가스들이, 더 차가운 표면들 및 임의의 흡착제 층 상에 응축되는 것을 방지하기 위해, 제 2 스테이지 어레이를 보호한다. 복사 및 유량들의 감소는, 제 2 스테이지 극저온패널 표면들 및 이러한 표면들뿐만 아니라 임의의 흡착제 상의 응축된 가스들의 온도를 낮춘다. 더 낮은 온도는 증가된 가스 포획 용량을 초래하고 재생(regeneration) 사이클들의 주기를 감소시킨다. 루버들은, 제 2 스테이지 극저온패널 표면들로의 복사열의 직접적인 가시선(direct line of sight)을 제공하는 오리피스들을 포함하는 오리피스 플레이트들과 비교하여, 매우 양호한 복사 차폐를 제공한다. 그러나, 오리피스 플레이트들은, 루버들과 비교하여, 제 2 스테이지 극저온패널들로의 타입 II 및 타입 III 가스들을 엄격하게 제한하며, 이는, 이러한 가스들에 대해서 더 낮은 펌핑 속도들을 초래한다. 몇몇 어플리케이션들에서, 펌핑 속도의 이러한 엄격한 제한이 바람직한데, 이는, 최적의 스퍼터링 또는 다른 프로세싱을 위해 불활성 가스의 적정한 압력을 제공하기 위해 불활성 가스들의 부분이 프로세스 챔버의 작업 공간에 남도록 허용되기 때문이다.
수정된 오리피스 (스퍼터) 플레이트는, 인용에 의해 그 전체가 본원에 통합되는 공개된 미국 출원 제 2013/0312431 호에 개시된다. 그러한 정면 오리피스 플레이트는 복수의 오리피스들을 갖고, 각각의 오리피스는, 오리피스의 에지에서 정면 플레이트로부터 구부러져서(bent) 정면 플레이트에 부착된 플랩(flap)을 가지며, 각각의 플랩은, 정면 플레이트를 통과하는 경로에 배열된다. 오리피스들은 직사각(rectangle) 형상, 정사각(square) 형상, 사다리꼴(trapezoid) 형상, 원 형상, 삼각 형상, 또는 임의의 다른 형상일 수 있다. 플랩들은 바람직하게, 정면 배플 플레이트의 표면에 대해서 10°내지 60°의 각도로 구부러지며, 더 바람직하게는, 25°내지 35°의 각도로 구부러진다. 제 2 스테이지 어레이에 대해서 더 큰 속도지만 더 높은 열 부하의 경우에는, 35-45°의 각도들이 바람직하다. 플랩들은 배플들로서 역할을 하고, 이로써, 플레이트는 또한 배플 플레이트로 지칭된다.
정면 배플 플레이트를 갖는 극저온펌프의 장점들은 제조의 단순함, 및 극저온펌프가 부착되는 프로세스 챔버로부터의 복사의 개선된 차단(blocking)을 포함한다. 정면 배플을 갖는 극저온펌프의 다른 장점은, 극저온펌프의 제 2 스테이지 어레이에서의 타입 II 가스들 및 타입 III 가스들의 개선된 분배이다.
루버 정면 어레이와 오리피스 플레이트 정면 어레이 양자 모두의 장점들을 제공하는 하이브리드 정면 어레이가 본원에서 개시된다. 특히, 극저온펌프를 위한 정면 어레이는, 다른 방식으로는 실질적으로 개방된(otherwise substantially open) 중앙 영역에 걸친 루버들, 및 루버들을 둘러싸는 플레이트를 포함한다. 플레이트는 오리피스들 또는 다른 유동 경로들을 가질 수 있다.
극저온펌프는 냉장기, 냉장기에 의해 냉각되는 응축 어레이, 응축 어레이를 둘러싸고 냉장기에 의해 냉각되는 복사 차폐부 - 복사 차폐부는 정면 개구부를 가짐 -, 및 복사 차폐부의 정면 개구부에 걸친 정면 어레이를 포함한다. 정면 어레이는 냉장기에 의해 냉각되며, 정면 개구부의, 다른 방식으로는 실질적으로 개방된 중앙 영역에 걸친 루버들, 및 정면 개구부의 외측 영역에 걸친 플레이트를 포함한다. 하나 또는 그 초과의 루버들은 쉐브론의 형태일 수 있다. 플레이트는 오리피스들 또는 다른 유동 경로들을 가질 수 있다.
하이브리드 정면 어레이는, 오리피스 플레이트의 유동 제어를 갖지만 루버 어레이의 펌핑 속도들에 근사한 펌핑 속도들을 허용한다. 루버형 어레이들과 유사하게, 하이브리드 설계는, 정면 어레이를 통한 가스 입자 전달 대 타입 II 및 타입 III 가스들을 위한 프로세스 공간으로 돌아가는(back to) 가스 입자 편향(deflection) - 이는 프로세스 오염 물질들일 수 있음 - 의 큰 비율을 생성한다. 하이브리드 어레이는 또한, 제 2 스테이지 어레이에 대한 복사 에너지를 상대적으로 낮게 유지한다.
오리피스들은 종래의 스퍼터 플레이트에서처럼 개방될 수 있고, 그리고/또는 오리피스 플레이트는, 복수의 오리피스들 각각이, 오리피스 플레이트에 부착되는 플랩을 갖는 배플 플레이트일 수 있다. 플랩들은, 이전의 설계에서처럼, 오리피스 플레이트로부터 구부러질 수 있고 오리피스 플레이트에 직접적으로 부착될 수 있거나, 또는 오리피스들의 플러그들(plugs)을 통해 오리피스 플레이트에 부착될 수 있다. 오리피스 플레이트의 적어도 하나의 오리피스는 제거 가능한 플러그에 의해 폐쇄될 수 있다. 펌프 속도는, 플랩들에 의해 부분적으로 차단되거나(blocked) 폐쇄되도록 막힌(plugged) 홀들의 개수에 의해 조절 가능하다.
다양한 어플리케이션들에서, 결합된 루버들 및 오리피스 플레이트는 전체 정면 개구부에 실질적으로 걸쳐서, 정면 개구부의 적어도 90%의 반경에 걸쳐서 연장한다. 대안적으로, 실질적인 개방 공간은 오리피스 플레이트를 둘러쌀 수 있거나, 루버들과 오리피스 플레이트 사이에 제공될 수 있다.
복수의 오리피스 플레이트들이 루버들을 둘러쌀 수 있다. 루버들 및 복수의 플레이트들은 실질적으로 전체 정면 개구부에 걸칠(span) 수 있거나, 또는, 오리피스 플레이트들 사이의 공간을 포함하여, 공간들이 제공될 수 있다.
극저온펌프의 종래의 원통형 배열에서, 루버들은 원형이고 오리피스 플레이트는 루버들을 둘러싸며, 오리피스들의 원형 어레이를 플레이트 내에 갖는다. 상이한 크기의 오리피스들의 오리피스들의 복수의 원형 어레이들이 제공될 수 있다. 일 실시예에서, 오리피스들의 내측 원형 어레이는, 각각의 오리피스의 에지에서 오리피스 플레이트에 부착되고 오리피스 플레이트로부터 구부러진 플랩들을 포함하고, 외측 원형 어레이는 플랩들이 없는 개방 오리피스들을 포함한다.
루버들을 둘러싸는 플레이트는 솔리드(solid)일 수 있지만, 대부분의 실시예들에서 플레이트는 적어도 하나의 오리피스를 플레이트 내에 갖는다. 오리피스는 플레이트에 의해 둘러싸인 관통 홀(through hole) 또는 플레이트의 에지 상의 컷아웃(cutout)일 수 있다. 컷아웃은 플레이트의 외측 에지 또는 내측 에지 상에 있을 수 있거나 또는 양쪽 모두에 있을 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 플레이트를 지나는 유동 경로들은 파상(undulating) 에지에 의해 정의될 수 있다. 파상은 내측 에지 또는 외측 에지 상에 있을 수 있거나 또는 양쪽 모두에 있을 수 있다.
전술한 내용은, 유사한 참조 문자들이, 상이한 도면들 전체에서 동일한 부분들을 지칭하는 첨부한 도면들에서 예시된 바와 같은, 본 발명의 예시적인 실시예들의 이하의 더 구체적인 설명으로부터 자명할 것이다. 도면들은 반드시 실척은 아니며, 대신에, 본 발명의 실시예들을 예시하는 데에 주안점을 둔다.
도 1a는 종래 기술의 극저온펌프의 측단면도이고;
도 1b는 다른 종래 기술의 극저온펌프의 측단면도이며;
도 2는 정면 배플 플레이트의 실시예를 갖는 극저온펌프의 측단면도이고;
도 3a는 원형 오리피스들을 갖는 정면 배플 플레이트의 실시예의 평면도이며;
도 3b는 도 3a에 도시된 정면 배플 플레이트의 실시예의 측단면도이고;
도 3c는 직사각형 오리피스들을 갖는 정면 배플 플레이트의 실시예의 평면도이며;
도 4는, 오리피스 플레이트가 복사 차폐부로부터 이격되고 루버들을 둘러싸는 극저온펌프의 하이브리드 정면 어레이의 평면도이고;
도 5a 내지 도 5f는, 다양한 배향들로 도 4의 하이브리드 정면 어레이를 도시하며;
도 6은 도 4의 하이브리드 정면 어레이와 유사한 하이브리드 정면 어레이를 갖는 극저온펌프의 단면도이고;
도 7은, 도 6에 예시된 바와 같은, 그러나 오리피스 플레이트의 홀들이 막힌 하이브리드 정면 어레이를 갖는 극저온펌프의 단면도이며;
도 8은 하이브리드 정면 어레이를 포함하는 여러 가지 정면 어레이 설계들 간의 비교를 제공하는 표이고;
도 9는, 모든 오리피스들이 막히지 않거나(unplugged) 막힌, 도 4의 정면 어레이의 펌핑 속도의 비교를 제공하며;
도 10은, 오리피스 플레이트들이 막히지 않은 상태 및 막힌 상태 양쪽 모두의 상태일 때, 아르곤의 경우의 펌프 속도에 대한 시험 데이터를 제공하고;
도 11은 기존의 스퍼터 플레이트, 쉐브론 정면 어레이, 및 하이브리드 정면 어레이에 대한 아르곤 펌핑 속도를 비교하며;
도 12는, 루버들과 오리피스 플레이트 사이에 공간이 제공되는 대안적인 하이브리드 정면 어레이를 예시하고;
도 13은, 2개의 오리피스 플레이트들 및 오리피스 플레이트들 사이의 개방 공간을 갖는 대안적인 하이브리드 어레이를 예시하며;
도 14는, 최소한의 개방 공간을 갖는, 루버들을 둘러싸는 2개의 오리피스 플레이트들을 갖는 대안적인 실시예를 예시하고;
도 15는, 오리피스 플레이트가 배플 플레이트인 하이브리드 어레이의 실시예를 예시하며;
도 16은, 오리피스 플레이트들이, 원형 오리피스들을 갖는 배플 플레이트인 하이브리드 어레이의 실시예이고;
도 17은, 도 16의 오리피스 플레이트를 구체화하는 극저온펌프의 단면도이며;
도 18은, 원형 오리피스들의 플랩들이 플러그들에 형성된 하이브리드 어레이의 실시예이고;
도 19는, 배플들이 플러그들에 형성되는 배플형 오리피스 플레이트를 갖는 극저온펌프의 단면도이며;
도 20은, 배플형 오리피스들과 개방 오리피스들 양자 모두가 구비된 오리피스 플레이트를 갖는 하이브리드 어레이의 실시예이고;
도 21은, 도 19와 유사하지만 배플들은 플러그들에 형성되는 하이브리드 어레이의 실시예이며;
도 22는, 오리피스들이 플레이트의 에지에 컷아웃들로서 형성되는 하이브리드 어레이의 실시예를 예시하고;
도 23은, 플레이트를 지나는 유동 경로들이 플레이트의 파상 에지에 의해 제공되는 하이브리드 어레이의 실시예를 예시하며;
도 24는, 솔리드 플레이트가 루버들을 둘러싸는 하이브리드 어레이의 실시예이다.
도 1a는 종래 기술의 극저온펌프의 측단면도이고;
도 1b는 다른 종래 기술의 극저온펌프의 측단면도이며;
도 2는 정면 배플 플레이트의 실시예를 갖는 극저온펌프의 측단면도이고;
도 3a는 원형 오리피스들을 갖는 정면 배플 플레이트의 실시예의 평면도이며;
도 3b는 도 3a에 도시된 정면 배플 플레이트의 실시예의 측단면도이고;
도 3c는 직사각형 오리피스들을 갖는 정면 배플 플레이트의 실시예의 평면도이며;
도 4는, 오리피스 플레이트가 복사 차폐부로부터 이격되고 루버들을 둘러싸는 극저온펌프의 하이브리드 정면 어레이의 평면도이고;
도 5a 내지 도 5f는, 다양한 배향들로 도 4의 하이브리드 정면 어레이를 도시하며;
도 6은 도 4의 하이브리드 정면 어레이와 유사한 하이브리드 정면 어레이를 갖는 극저온펌프의 단면도이고;
도 7은, 도 6에 예시된 바와 같은, 그러나 오리피스 플레이트의 홀들이 막힌 하이브리드 정면 어레이를 갖는 극저온펌프의 단면도이며;
도 8은 하이브리드 정면 어레이를 포함하는 여러 가지 정면 어레이 설계들 간의 비교를 제공하는 표이고;
도 9는, 모든 오리피스들이 막히지 않거나(unplugged) 막힌, 도 4의 정면 어레이의 펌핑 속도의 비교를 제공하며;
도 10은, 오리피스 플레이트들이 막히지 않은 상태 및 막힌 상태 양쪽 모두의 상태일 때, 아르곤의 경우의 펌프 속도에 대한 시험 데이터를 제공하고;
도 11은 기존의 스퍼터 플레이트, 쉐브론 정면 어레이, 및 하이브리드 정면 어레이에 대한 아르곤 펌핑 속도를 비교하며;
도 12는, 루버들과 오리피스 플레이트 사이에 공간이 제공되는 대안적인 하이브리드 정면 어레이를 예시하고;
도 13은, 2개의 오리피스 플레이트들 및 오리피스 플레이트들 사이의 개방 공간을 갖는 대안적인 하이브리드 어레이를 예시하며;
도 14는, 최소한의 개방 공간을 갖는, 루버들을 둘러싸는 2개의 오리피스 플레이트들을 갖는 대안적인 실시예를 예시하고;
도 15는, 오리피스 플레이트가 배플 플레이트인 하이브리드 어레이의 실시예를 예시하며;
도 16은, 오리피스 플레이트들이, 원형 오리피스들을 갖는 배플 플레이트인 하이브리드 어레이의 실시예이고;
도 17은, 도 16의 오리피스 플레이트를 구체화하는 극저온펌프의 단면도이며;
도 18은, 원형 오리피스들의 플랩들이 플러그들에 형성된 하이브리드 어레이의 실시예이고;
도 19는, 배플들이 플러그들에 형성되는 배플형 오리피스 플레이트를 갖는 극저온펌프의 단면도이며;
도 20은, 배플형 오리피스들과 개방 오리피스들 양자 모두가 구비된 오리피스 플레이트를 갖는 하이브리드 어레이의 실시예이고;
도 21은, 도 19와 유사하지만 배플들은 플러그들에 형성되는 하이브리드 어레이의 실시예이며;
도 22는, 오리피스들이 플레이트의 에지에 컷아웃들로서 형성되는 하이브리드 어레이의 실시예를 예시하고;
도 23은, 플레이트를 지나는 유동 경로들이 플레이트의 파상 에지에 의해 제공되는 하이브리드 어레이의 실시예를 예시하며;
도 24는, 솔리드 플레이트가 루버들을 둘러싸는 하이브리드 어레이의 실시예이다.
본 발명의 예시적인 실시예들의 설명이 후속된다.
프로세스 챔버(13)에 부착된 종래 기술의 원형 극저온펌프들(6A 및 6B)의 측단면도들은, 각각, 도 1a 및 도 1b에 도시된다. 각각의 극저온펌프(6A 및 6B)는 극저온펌프 하우징(12)을 포함하고, 극저온펌프 하우징은 플랜지(flange; 14)를 따라 프로세스 챔버에 직접적으로 또는, 프로세스 챔버(13)에 연결된 프로세스 도관(15)과 극저온펌프 하우징 사이의 중간 게이트 밸브(17)에 장착될 수 있다. 도관(15)은 극저온펌프(6)를 프로세스 챔버(13)로부터 격리시키기 위해 채용될 수 있는 게이트 밸브(17)를 포함한다. 극저온펌프들(6A 및 6B)은 프로세스 챔버(13)를 펌핑할 수 있다. 극저온펌프들(6A 및 6B)은 도관(15)에 볼트 결합된(bolted) 극저온펌프 하우징(12)을 포함하며, 도관은 프로세스 챔버(13)에 커플링된다. 극저온펌프 하우징(12)의 정면 개구부(16)는 프로세스 챔버(13)의 원형 개구부와 연통한다(communicate). 냉장기의 2 스테이지 콜드 핑거(18)는 용기의 원통형 부분(20)을 통해 극저온펌프 하우징(12) 내로 돌출한다. 냉장기는, Chellis 외의 미국 특허 제 3,218,815 호에 개시된 바와 같은 Gifford-McMahon 냉장기일 수 있다. 콜드 핑거(18)의 2 스테이지 디스플레이서(displacer)는 모터(22)에 의해 구동된다. 각각의 사이클에서, 압력 하에서 콜드 핑거 내에 도입되는 헬륨 가스는 팽창되고 따라서 냉각되며 그런 다음에 라인을 통해서 배기된다. 제 1 스테이지 히트 싱크 또는 히트 스테이션(28)은 냉장기의 제 1 스테이지(29)의 냉단부에 장착된다. 유사하게, 히트 싱크(30)는 제 2 스테이지(32)의 냉단부에 장착된다.
일차 펌핑 표면은 제 2 스테이지 히트 스테이션(30)에 장착된 제 2 스테이지 어레이(34)이다. 낮은 응축 온도 가스들을 응축시키기 위해, 이러한 어레이는 바람직하게, 20K 아래의 온도에서 유지된다. 컵-형상 복사 차폐부(36)는 제 1 스테이지 히트 스테이션(28)에 결합된다. 콜드 핑거의 제 2 스테이지(32)는 복사 차폐부의 개구부를 통해서 연장한다. 이러한 차폐부는, 복사에 의한 어레이의 가열을 최소화하기 위해, 어레이의 측부들 및 후방(rear)까지 제 2 스테이지 어레이(34)를 둘러싼다. 바람직하게, 이러한 복사 차폐부의 온도는 약 130K 미만이다.
도 1a는, 제 2 스테이지 어레이(34)에 대한 복사 쉴드로서 그리고 수증기와 같은 더 높은 끓는 온도 가스들에 대한 극저온펌핑 표면으로서 둘 다의 역할을 하는 정면 극저온패널 어레이(38)를 도시한다. 이러한 어레이는, 방사상(radial) 지지 로드들(41)에 의해 결합된 루버들(39)을 포함한다.지지 로드들(41)은 복사 차폐부(36)에 장착된다. 복사 차폐부(36)는 정면 극저온패널 어레이(38)를 지지하고, 그리고 히트 싱크(28)로부터 정면 극저온패널 어레이(38)로의 열 경로로서의 역할도 한다. 루버들은, 도시된 바와 같이, 중앙에서 쉐브론들(31)일 수 있다.
도 1b는 다른 정면 극저온패널 설계를 도시하는데, 이는, 복사 차폐부(36)와 열 접촉하는 정면 배플 플레이트 또는 스퍼터 플레이트(33)를 포함하며, 제 2 스테이지 펌핑 지역에 대한 복사 차폐부로서 그리고 수증기와 같은 더 높은 끓는 온도 가스들에 대한 극저온펌핑 표면으로서 둘 다의 역할을 한다. 정면 배플 플레이트(33)는 브라켓들(37)에 의해 복사 차폐부(36)에 부착된다. 정면 배플 플레이트(33)는, 더 낮은 끓는점 온도 가스들의, 제 2 스테이지 어레이로의 유동을 제한하는 복수의 오리피스들(35)을 갖는다.
정면 배플 플레이트는 선택적 방식(selective manner)으로 작동하는데, 이는, 정면 배플 플레이트가, 제 1 스테이지 히트 싱크의 온도에 도달하는 온도(50K 내지 130K)에서 유지되기 때문이다. 더 높은 응축 온도 가스들은 배플 플레이트 그 자체 상에서 응결되는 반면, 오리피스(35)는 이러한 더 낮은 응축 온도 가스들의, 제 2 스테이지로의 통과(passage)를 제한한다. 상기 설명된 바와 같이, 내측 제 2 스테이지 펌핑 지역으로의 유동을 제한함으로써, 불활성 가스들의 부분은, 최적의 스퍼터링을 위해 불활성 가스의 적정한 압력(전형적으로 10-3 Torr 또는 그 초과)을 제공하도록 작업 공간에 남는 것이 허용된다. 요악하면, 극저온펌프 포트(16)에 도착하는 가스들의, 더 높은 끓는 온도 가스들은 응축에 의해 정면 배플 플레이트 상에서, 환경으로부터 제거되는 반면, 더 낮은 온도 가스들의, 제 2 스테이지 펌핑 표면으로의 유동은 제한된다. 유동 제한은 작업 챔버에서 더 높은 압력을 초래한다. 유동 제한의 레벨은, 미국 특허 제 4,611,467 호에 개시된 바와 같이 개별 오리피스들을 막음으로써 조절될 수 있고, 오리피스들의 크기들 및 개수의 설계에 의해 제어될 수 있다.
도 2는 정면 배플 플레이트(40)의 실시예를 갖는 원형 극저온펌프(7)를 도시하고, 도 3a 및 도 3b는 극저온펌프로부터 분리된 정면 배플 플레이트(40)를 도시한다. 정면 배플 플레이트(40)는 복수의 오리피스들(42)을 갖고, 각각의 오리피스(42)는 오리피스와 결합된 플랩(44)을 갖는다. 도 3a는 정면 배플 플레이트(40)의 평면도를 도시한다. 정면 배플 플레이트(40)는 복수의 오리피스들(35)을 갖는다. 정면 배플 플레이트(40)는 또한, 정면 배플 플레이트(40)를 브라켓들(37)에 부착하기 위해, 리벳들, 스크류들, 또는 다른 파스너들(도시되지 않음)을 수용할 수 있는 복수의 홀들(46)을 가질 수 있다. 도시된 실시예에서, 복수의 오리피스들(35)은, 오리피스들(35)을 갖지 않는 영역들(48)을 제공하는 패턴으로, 정면 배플 플레이트(40) 상에 배열된다. 이러한 영역들(48)은 정면 배플 플레이트(40)의 중앙(50)과 정면 배플 플레이트(40)의 홀들(46) 및 둘레(47) 사이의 더 높은 열 전도도(thermal conductance)를 허용한다. 일반적으로, 정면 배플 플레이트(40)는 - 홀들(46)을 통해 브라켓들(37)에서- 복사 차폐부에 열적으로(thermally) 커플링되며, 또한, 정면 배플 플레이트(40)가 복사 차폐부(36)와 접촉하는 둘레(47)에서 커플링될 수 있다. 도 2는 복사 차폐부(36) 내에 자리잡은(nestled) 정면 배플 플레이트(40)를 도시한다. 대안적으로, 정면 배플 플레이트(40)는 복사 차폐부(36)의 상부 상에 배열될 수 있다. 도 3b는 도 3a에 도시된 정면 배플 플레이트(40)의, 섹션(A-A)에서의 측단면도를 도시한다. 정면 배플 플레이트(40)의 각각의 오리피스(35)는 플랩(44)을 갖는다. 각각의 플랩(44)은, 정면 배플 플레이트의 각각의 오리피스(35)의 에지(48)에서, 정면 배플 플레이트(40)에 부착된다.
도 3c는, 직사각형 오리피스들(51)을 갖는, 원형 극저온펌프를 위한 정면 배플 플레이트(49)의 대안적인 실시예의 사시도를 도시한다. 도 3c는 프로세스 챔버(13)를 향하는(face) 측부로부터 정면 배플 플레이트(49)를 도시한다. 각각의 직사각형 오리피스(51)는, 폴드 라인(fold line; 55)에 부착된 결합된 플랩(53)을 갖는다. 각각의 오리피스(51)에 대한 각각의 폴드 라인(55)은, 프로세스 챔버(13)로부터 제 2 스테이지 어레이(34)로의, 오리피스들(51)을 통하는 차단되지 않은 경로가 정면 배플 플레이트의 중앙으로부터 방사상 외측으로 가도록, 오리피스의, 정면 배플 플레이트(49)의 중앙에 가장 가까운 에지에 있다. 이러한 방사상 외측 경로는, 프로세스 챔버로부터의 상대적으로 뜨거운(hot) 가스 유동을 제 2 스테이지 어레이(34)를 제 1 타격하는 것으로부터 멀리 지향시켜서, 배플들의 어레이에 대한 열 부하를 감소시킨다. 방사상 외측 경로는 또한, 제 2 스테이지 어레이(34)에 대한 복사 부하를 감소시키는데, 이는, 복사가 또한, 제 2 스테이지 어레이(34)로부터 멀어지게 지향되기 때문이다.
일반적으로, 정면 배플 플레이트(40) 상의 오리피스들(35)의 개수를 증가시키고 정면 배플 플레이트(40) 상에 오리피스들(35)을 균등하게 분배하는 것은, 오리피스들(35)을 통과하는 타입 II 가스들이 극저온펌프의 제 2 스테이지 어레이(34) 상에 더 균등하게 충돌하는 것을 초래한다. 그러나, 주어진 크기의 오리피스들(35)의 개수를 증가시키고 오리피스들(35)을 균등하게 이격시키는 것은 오리피스들(35)이 없는 영역들(48)의 크기를 감소시켜서, 정면 배플 플레이트(40)의 열 전도도를 감소시키며, 이는, 극저온펌프를 작동시킬 때 정면 배플 플레이트(40)의 온도를 증가시킬 수 있다. 또한, 오리피스들(35)의 개수를 증가시키는 것은 더 작은 오리피스들(35)을 필요로할 수 있으며, 더 작은 오리피스들(35)은 응축되는 가스들에 의해 막히는 것에 더 영향받기 쉽다.
도 4는 본 발명을 구체화하는 극저온펌프의 하이브리드 정면 어레이의 평면도이다. 극저온펌프는, 예컨대, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같을 수 있지만, 정면 어레이는 이러한 도면들의 정면 어레이들을 대체한다. 도 1 내지 도 3의 정면 어레이들에 관하여, 하이브리드 정면 어레이는 개방 공간(409) 때문에 타입 II 및 III 가스들의 증가된 펌핑 속도를 제공하지만, 오리피스들의 감소된 개수에 기인하여, 펌핑 속도에대해서는 더 적은 조절을 제공한다. 특히, 원통형 복사 차폐부(36)는 플랜지(14)를 갖는 진공 용기(12) 내에 제공된다. 종래의 정면 어레이들과 유사하게, 정면 어레이는 열 로드들(41)을 통해 복사 차폐부에 장착될 수 있다. 루버들(401)은 복사 차폐부의 정면 개구부의 중앙 영역에 제공되고, 열 로드들 상에 장착된다. 루버들의 중앙은 디스크(407)에 의해 차단된다. 이러한 경우에 12개의 오리피스들(405)을 내부에 갖는 오리피스 플레이트(403)가 루버들(401)을 둘러싼다. 오리피스들의 개수, 형상, 및 크기들은 적절한 펌프 속도를 제공하면서, 플레이트를 통과하여 제 2 스테이지 어레이로 가는 복사를 최소화하도록 설계된다. 오리피스들(405)은 임의의 형상이나 치수로 이루어질 수 있다. 오리피스들(405)은 원형, 다각형, 비정형(irregular), 대칭형, 비대칭형, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 모든 오리피스들은 동일한 형상 및/또는 치수로 이루어질 수 있거나, 오리피스들은 다양한 평상들 및/또는 치수들을 가질 수 있다. 도면들에 예시된 극저온펌프들 및 정면 어레이들은 일반적으로 형상이 원통형이지만, 원형 및 다각형(예컨대, 정사각형 또는 직사각형) 단면들을 갖는 것들을 포함하여 - 그러나 이에 제한되지는 않음 -, 임의의 형상의 극저온펌프 및 정면 어레이가, 본 발명을 실시하는 것에 사용될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 어레이들 중 하나 또는 그 초과가 프로세스 공간 내로 연장하는 것과 같이, 프로세스 공간 내로 연장하는 극저온펌프 구성들이 사용될 수 있다.
오리피스 플레이트는, 루버들과 오리피스 플레이트가 실질적으로 전체 정면 개구부를 가로지르도록, 복사 차폐부에 근접하여 연장될 수 있다. 예컨대, 오리피스 플레이트는, 정면 개구부의 가장 큰 치수(예컨대, 직경)의 적어도 약 90%인 가장 큰 치수(예컨대, 직경)를 가질 수 있다. 그러나, 도 4에 도시된 실시예에서, 오리피스 플레이트와 복사 차폐부 사이에 실질적인 개방 공간(409)이 제공된다. 예컨대, 오리피스 플레이트는 정면 개구부의 가장 큰 치수의 단지 약 70-80%만큼만 연장할 수 있다. 개방 공간은 개방 공간을 통하는 가스의 자유 유동을 허용하지만, 제 2 스테이지 어레이로 가는 복사를 실질적으로 증가시키지는 않는다. 제 2 스테이지 어레이는 루버들 및 오리피스 플레이트 뒤에 숨겨지고, 이는, 펌프의 중심축에 대해 평행한 축을 따라서 투사되는(projected) 복사의 실질적인 양을 차단할 것이다. 중심축에 대해 평행하게 개방 공간에 진입하는 복사는 제 2 스테이지를 멀리 바이패싱할 것이고 복사 차폐부의 베이스에 도달할 것이다. 중심을 향하여 어떠한 각도로(at an angle) 개방 공간에 진입하는 복사는 개방 공간의 훨씬 더 작은 투사된 지역(area)을 만날 것이다. 몇몇 실시예들에서, 실질적인 개방 공간(409)의 폭(즉, 오리피스 플레이트와 복사 차폐부 사이의 방사상 거리)은 적어도, 대략, 인접한 루버들 사이의 거리만큼 넓거나, 적어도, 인접한 루버들 사이의 거리의 약 2배만큼 넓다. 특정 실시예들에서, 실질적인 개방 공간(409)의 폭은, 정면 개구부의 가장 큰 치수(예컨대, 직경)의 적어도 5%, 10%, 15%, 또는 적어도 약 20%이다.
도 5a 내지 도 5f는, 열 로드들(41) 상에 장착된, 도 4의 정면 어레이의 다양한 도들을 도시한다. 그러나, 이러한 도들에서, 열 로드들(41)은 빔들(416)에 의해 대체되며, 오직 2개의 루버들(401)만이 제공된다.
도 5a는 어레이의 평면 사시도를 도시한다. 도 5b는 어레이의 저면 사시도를 도시한다. 도 5c는, 어레이의, 상이한 각도의 평면 사시도를 도시한다. 도 5d는, 위에서 보는 것과 같이, 중앙 디스크(407) 및 루버들(401)이 어레이의 중앙 영역을 완전히 폐쇄하는 것을 보여주는, 어레이의 평면도를 도시한다. 도 5e는 어레이의 저면 사시도를 예시한다. 도 5f는 어레이의 저면도를 도시한다.
도 6은 도 5a 내지 도 5f의 하이브리드 정면 어레이를 갖는 극저온펌프의 단면도를 도시한다. 도 1 및 도 2의 극저온펌프와 다르게, 냉장기는 복사 차폐부 및 진공 용기의 바닥부를 통과하도록 장착된다; 그러나, 냉장기의 장착 구성은 본 발명에 있어서 필수적인 것은 아니며, 도 1 및 도 2의 측부 장착된 냉장기가 (다른 공지된 구성들과 함께), 본 발명의 실시를 위해 동등하게 유용하다. 2-스테이지 냉장기 콜드핑거는, 모터(605)에 의해 구동되는, 제 1 스테이지(601) 및 제 2 스테이지(603)를 포함한다. 제 2 스테이지(603)는 제 2 스테이지 어레이(613)를 냉각시킨다. 제 2 스테이지 어레이(613)는, 제 2 스테이지 어레이가, 도 1 및 도 2의 제 2 스테이지 어레이를 포함하여 임의의 형태를 취할 수 있다는 것을 표시하기 위해, 파선으로 도시된다.제 1 스테이지(601)는 진공 용기(607)를 통해 연장하며, 복사 차폐부의 베이스(609)를 지지하고 냉각시킨다. 베이스(609)는 정면 어레이 및 복사 차폐부(36)의 원통형 측부들을 냉각시킨다. 다시, 정면 어레이는, 오리피스들(405)을 갖는 오리피스 플레이트(403), 루버들(401), 및 중앙 디스크(407)를 지지하는 지지 빔들(416)을 포함한다. 도 7은, 플러그들(701)이 오리피스 플레이트(403)의 오리피스들 중 2개를 폐쇄하는 것을 제외하고 유사한 단면도를 도시한다.
프로세스의 임의의 원하는 가스에 대하여 펌핑 속도를 조절하기 위해, 그리고 정면 어레이를 통과해 제 2 스테이지 어레이로 갈 수 있는 열 복사의 레벨을 또한 조절하기 위해, 임의의 개수의 홀들이 막힐 수 있다. 중앙 루버들의 경우, 정면 어레이를 통한 제 2 스테이지 어레이로의 가스 전달 가능성은, 모든 홀들이 개방된 상태에서, 종래의 루버형 어레이의 가스 전달 가능성과 매우 근접하고, 표준 스퍼터 플레이트의 가스 전달 가능성보다 실질적으로 더 높다. 종래의 루버형 어레이와 다르게, 프로세스 가스 펌프 속도는 홀들을 막음으로써 조절될 수 있거나, 특정 어플리케이션들을 위해 적절한 오리피스 플레이트들을 설계함으로써 제어될 수 있다. 특히, 타입 II 및 타입 III 가스들에 대한 펌프 속도는 플러그들을 이용하여 용이하게 조절될 수 있다.
도 8은, 종래의 루버 어레이(첫번째 행(row)), 개방 오리피스들을 구비한 스퍼터 플레이트(두번째 행), 및 직사각형 오리피스들 및 구부러진 플랩들을 갖는 배플 플레이트(세번째 행)에 대하여, 표의 마지막 행에 도시된 하이브리드 정면 어레이의 비교를 보여준다. 1열(column)에서 볼 수 있는 바와 같이, 종래의 루버들 및 하이브리드 어레이 양자 모두는 타입 II 및 타입 III 가스들의 높은 펌프 속도를 제공한다. 이하에서 논의될 바와 같이, 하이브리드 어레이의 펌프 속도는 루버형 어레이의 펌프 속도에 매우 근접한다.
도 8의 제 2 열에서 볼 수 있는 바와 같이, 오직 스퍼터 플레이트만이 제 2 스테이지 어레이에 대한 열 부하의 상당한 증가를 겪는다. 스퍼터 플레이트의 경우, 그러한 부하는 주로, 직접적으로 제 2 스테이지 어레이 위에 있는 개방 홀들로부터 비롯된다. 반면에, 루버형 어레이 및 하이브리드 어레이 양자 모두는, 열 부하를 흡수할 수 있는 복사 차폐부의 벽들을 향하여 복사를 반사시키는 루버들을 갖는다. 도시된 배플 플레이트는, 제 2 스테이지 어레이 위의 큰 폐쇄된 지역, 및 오리피스들에 있는 반사 배플들을 갖는다. 스퍼터 플레이트와 하이브리드 어레이 양자 모두, 복사를 통과시키는 외측 오리피스들을 갖지만, 복사는 복사 차폐부의 후면 표면을 향하여 시스템의 축에 대해 평행하게 통과할 것이거나, 또는, 각도를 이루게 되고(angled) 따라서 오리피스들의 작은 투사된 지역들을 만날 것이다.
가스 용량, 즉, 제 2 스테이지 어레이 상에 유지될 수 있는 응축되고 흡수되는 가스의 양은 제 2 스테이지 어레이의 온도에 반비례하고(inversely related), 제 2 스테이지 어레이의 온도는, 정면 어레이를 통과해 제 2 스테이지 어레이로 직접적으로 가는 복사의 양에 대해 반비례한다. 결과적으로, 배플형 오리피스 플레이트가 가장 높은 용량을 갖는다는 것을 3열에서 볼 수 있다. 이는, 어레이가 실제로, 폐쇄된 중앙 영역 및 오리피스들에서의 배플들에 기인하여, 제 2 스테이지 어레이로의 가시선을 제공하지 않기 때문이다. 그러나, 하이브리드 어레이의 용량은, 펌프 속도의 비용으로 배플 플러그들을 이용하여 또는 폐쇄(closure) 플러그들을 이용하여 오리피스들을 막음으로써 증가될 수 있다. 다시, 중앙 루버들 및 오리피스 플레이트를 구비한 하이브리드는 종래의 루버들의 열 부하에 근접하게 열 부하를 낮추는 것을 허용하지만, 열 부하 및 속도가 플러그들을 사용하여 조절되는 것을 허용한다. 이러한 조절 가능성(adjustability)은 4열에 예시된다.
극저온펌프에서, 물은, 임의의 표면 상에서 펌핑할 타입 I 가스이다. 타입 II 가스는 제 2 스테이지 어레이의 어디에서든지 펌핑하며, 산소, 질소, 및 아르곤과 같은 가스들을 포함한다. 타입 III 가스들은 오직, 제 2 스테이지 어레이의 챠콜(charcoal) 상에서만 펌핑하며, 수소, 네온, 및 헬륨과 같은 가스들을 포함한다. 전형적인 프로세스 가스들은, 예컨대, 아르곤 및 크립톤을 포함할 수 있다. 프로세스에 공급되어야만 하는 양을 최소화하기 위해, 시스템에서 이러한 가스들의 바람직한 부분 압력을 더 잘 유지하기 위해, 그리고/또는 펌프 재생(pump regeneration)이 필요하기 전의 시간을 감소시키기 위해 프로세스 가스의 펌프 속도를 제한하는 것이 바람직할 수 있다. 반면에, 프로세스 가스는, 높은 펌핑 속도가 바람직한, 산소, 질소, 및 수소와 같은 프로세스 오염 물질들과 동일한 펌핑 표면을 공유할 수 있다. 따라서, 정면 어레이의 설계 및 조절은, 오염 물질들의 높은 펌핑 속도를 획득하면서 프로세스 가스들의 용인 가능한 펌핑 속도를 획득하도록, 균형을 이룰 수 있다. 예컨대, 본원에서 설명된 바와 같이 정면 어레이를 조절하는 것을 통해, 프로세스 가스와 프로세스 오염 물질 가스(들) 양자 모두에 대한 가능한 가장 높은 펌프 속도로 시작할 수 있고 그런 다음에, 프로세스 공간에서 바람직한 프로세스 가스 부분 압력이 달성될 때까지 프로세스 가스 펌프 속도를 감소시키기 위해 정면 어레이를 조절할 수 있다.
도 9는, 모든 오리피스들이 개방된, 그리고 모든 오리피스들이 막힌 하이브리드 어레이의, 물, 질소, 및 아르곤에 대해 컴퓨터 시뮬레이팅된 펌핑 속도를 도시한다. 개방 오리피스들 경우의 각각의 가스에 대한 펌핑 속도는 종래의 루버 정면 어레이(도시되지 않음)의 펌핑 속도에 매우 근접한다. 반면에, 오리피스들을 선택적으로 폐쇄하는 것에 의한, 질소 및 아르곤의 펌핑 속도의 조절 가능성이 존재함을 확인할 수 있다. 특히, 일 실시예의 시뮬레이션에서, 오리피스들이 막히지 않은 루버 정면 어레이는 아르곤에 대해 초당 약 2700리터를 제공한다. 아르곤은 전형적인 프로세스 가스이기 때문에, 이러한 가스에 대한 조절 가능성은 유의미하다.
도 10은, 모든 오리피스들이 개방된, 그리고 모든 오리피스들이 폐쇄된 하나의 하이브리드 어레이에 대해, 상이한 압력들에서의 아르곤의 펌프 속도들을 도시한다. 속도는 크기 및 설계에 따라 다를 것이다. 낮은 압력들에서의 컴퓨터 시뮬레이션 결과들을 보여주는 도 9와의 비교에 의해, 도 9의 모델이, 도 10의 실제 데이터의 예측자(predictor)로서 사용될 수 있다는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 하이브리드 어레이는, 광범위한 시험들에 대한 필요없이, 컴퓨터 시뮬레이션에 기반한, 특정 어레이 설계의 신속한 모델링을 허용한다.
도 11은, 표준 스퍼터 플레이트의 성능을 쉐브론 루버형 어레이 및 하이브리드 어레이의 성능과 비교한다. 쉐브론 어레이가, 가장 높은 아르곤 펌핑 속도를 제공하는 것을 확인할 수 있다. 종래의 스퍼터 플레이트는, 폭넓은 범위의 조절 가능성을 제공하는 반면, 초당 2700리터와 대조적으로 초당 약 1500리터의 최대 펌핑 속도 - 이는 실질적으로, 루버형 어레이의 펌핑 속도 미만임 - 를 갖는다. 하이브리드 어레이의 아르곤 펌핑 속도는 쉐브론 어레이의 펌핑 속도보다 살짝 미만이기는 하지만, 매우 근접하다. 또한, 하이브리드 어레이는, 아래로 초당 약 2300리터까지의 조절 가능성을 갖는다. 따라서, 하이브리드는 쉐브론 어레이와 거의 동일한 최대 펌핑 속도를 가지면서 제한된 조절 가능성을 제공한다. 가장 높은 펌프 속도는 오염 물질들의 펌핑을 최대화한다. 반면에, 더 낮은 펌프 속도는, 오염 물질들을 신속하게 펌핑하지 않는 비용으로, 프로세스 가스들의 보전을 허용할 것이다. 도시되지 않았지만, 배플 어레이는 더 낮은 열 부하에 대한 대답으로, 훨씬 더 낮은 펌핑 속도를 가질 것이다.
남은 도면들은 하이브리드 어레이들의 여러 가지 대안들을 도시한다.
도 12의 실시예는, 도 4에서와 같이, 센터링된(centered) 루버들(401) 및 중앙 디스크(407)를 포함한다. 그러나, 이러한 실시예에서, 오리피스 플레이트(1201)는, 복사 차폐부의 직경에 근접한 외측 직경, 및 중간 개방 공간(1203)을 남겨두기 위해 루버들보다 더 큰 내측 직경을 구비하여, 더 크다. 이러한 그리고 다른 실시예들에서, 외측 오리피스 플레이트는, 도 2에 도시된 바와 같이 복사 차폐부까지 연장할 수 있거나, 도 13에 도시된 바와 같이, 복사 차폐부로부터 이격될 수 있다. 더 큰 직경의 오리피스 플레이트는 더 많은 개수의 오리피스들(1205)을 허용하고 따라서 더 큰 조절 가능성을 허용한다; 그러나, 이제, 개방 공간은 중앙에 더 근접하고, 더 많은 복사가 제 2 스테이지 어레이에 도달하는 것을 허용한다. 개방 공간은 또한 더 작아서, 타입 II 및 III 가스들에 대한 펌프 속도를 감소시킨다.
도 13의 실시예는, 개방 공간(1305)에 의해 분리된 2개의 오리피스 플레이트들(1301 및 1303)을 포함한다. 더 작은 오리피스 플레이트(1301)는 더 작은 오리피스들을 포함한다. 외측 플레이트(1303)의 더 큰 오리피스들은 플러그들을 이용하여 코스(course) 조절을 제공하는 반면; 내측 플레이트(1301)의 더 작은 오리피스들은 플러그들을 이용하여 더 세밀한(finer) 조절을 제공한다. 어레이들은 일반적으로 유사하지만, 틸팅되어 타원형으로 보인다. 그러나, 어레이들은 외관이(in face) 타원형일 수 있거나 다른 형상의 어레이일 수 있다.
도 14는 2개의 오리피스 플레이트들(1403 및 1401)을 포함하고, 각각의 오리피스 플레이트는 상이한 크기의 오리피스들을 가지며, 루버들은 복사 차폐부의 정면 개구부를 실질적으로 가로지른다.
도 15는, 루버들(401)을 둘러싸는 배플형 오리피스 플레이트(1501) 및 배플형 오리피스 플레이트를 둘러싸는 개방 공간(1507)을 도시한다. 각각의 오리피스(1503)는, 복사 차폐부를 향해 외측으로 복사를 지향시키기 위해 오리피스 플레이트로부터 구부러진 배플(플랩 또는 윙(wing))(1505)을 포함한다. 이러한 설계는 상당한 설계 유연성을 제공하지만, 막힐 수 있는 개방 홀들의 적절한(in-place) 조절 가능성은 제공하지 않는다.
도 16은, 복사 차폐부를 향해 외측으로 복사를 지향시키는 플랩들(배플들)(1605)이 구비된 원형 오리피스들(1603)을 갖는 오리피스 플레이트(1601)에 의해 루버들(401)이 둘러싸이는 실시예를 도시한다. 도 15의 실시예에서와 같이, 개방 공간(1607)은 오리피스 플레이트의 외부에 제공된다. 유사하게, 이러한 설계는 펌프 속도를 제어하도록 설계될 수 있지만, 이러한 설계의 현장(on-site) 조절 가능성 면에서 제한된다.
도 16의 극저온펌프의 단면이 도 17에 도시된다.
도 18은, 배플들을 형성하기 위한 플러그들의 사용을 통해 더 큰 현장 조절 가능성을 제공한다는 점을 제외하고 도 16과 유사한 실시예를 예시한다. 오리피스 플레이트(1801)는 개방 공간(1803)에 의해 둘러싸인다. 오리피스들(1805)은, 도시된 바와 같이, 복사 차폐부를 향해 외측으로 복사를 지향시키는 배플들을 제공하기 위해 플랩들(1807)을 갖는 부분적인 개방형 플러그들을 사용하여 막힐 수 있는, 또는 플러그들에 의해 폐쇄될 수 있는 개방 원형 홀들이다. 도 18의 극저온펌프는 도 19에서 단면이 도시된다. 볼 수 있는 바와 같이, 플러그들(1809)은 개방 오리피스들에 끼워맞춤되고(fit), 플러그들을 통해 오리피스 플레이트에 부착된 플랩들(1807)을 갖는다.
도 20은, 루버들(401)을 둘러싸는, 복사 차폐부의 전체 직경에 근접한 단일 오리피스 플레이트(2001)를 갖는 실시예를 예시한다. 그러나, 이러한 오리피스 플레이트는, 선택적으로 막힐 수 있는 오리피스들(2003)의 외측 원형 어레이를 포함한다. 더 큰 오리피스들(2005)의 내측 어레이가 또한 제공된다. 오리피스들(2005)은 배플들로서 역할을 하는 플랩들(2007)을 포함한다. 오리피스들(2003)은, 치수가, 내측 오리피스들(2005)보다 더 클 수 있거나 또는 더 작을 수 있으며 그리고/또는 오리피스들은 변하는(varying) 치수들을 가질 수 있다. 대안적으로, 모든 오리피스들은 동일한 크기로 이루어질 수 있다.
도 21의 실시예는, 오리피스들의 내측 어레이가 개방 원형 홀들로 이루어진 점을 제외하고 도 20의 실시예와 유사하다. 배플들은 플러그들(2105)에 형성된 플랩들(2103)에 의해 제공된다. 배플형 플러그들에 대한 대안으로서, 홀들은 전체 폐쇄 플러그들에 의해 선택적으로 폐쇄될 수 있다. 이전과 같이, 더 작은 오리피스들(2107)의 외측 어레이가 또한 제공된다. 이러한 오리피스들은 또한, 선택적으로 폐쇄되거나 배플형일 수 있다.
도 22는, 오리피스들이 플레이트(2203)의 에지의 컷아웃들(2201)에 의해 정의되는 실시예를 예시한다. 이러한 실시예에서, 컷아웃들은 외측 에지에 있지만, 컷아웃들은 대안적으로 또는 부가적으로, 플레이트(2203)의 내측 에지 상에 포함될 수 있다. 이전과 같이, 플레이트(2203)는 중앙 디스크(407)와 루버들(401)을 둘러싼다. 개방 공간(2205)은 루버들과 플레이트(2203) 사이에 제공될 수 있거나 제공되지 않을 수 있다.
도 23에서, 오리피스들(2301)은, 플레이트(2303)의 외측 에지를 따라서 다시 정의된다. 이러한 경우에, 오리피스들은 파상 에지에 의해 형성된다. 파상은 외측 에지에 있는 것으로 도시되지만, 또한, 플레이트의 내측 에지에 제공될 수 있다. 다시, 플레이트는 중앙 디스크(407) 및 루버들(408)을 둘러싼다. 개방 공간(2305)은 루버들과 플레이트 사이에 제공될 수 있거나 제공되지 않을 수 있다.
오리피스들은 또한, 원형 복사 차폐부 내에서 다각형 플레이트에 의해 정의될 수 있다. 에지-정의된 오리피스들을 갖는 각각의 실시예에서, 오리피스들은 또한, 플레이트들 내에 형성될 수 있다.
도 24는, 솔리드 플레이트(2401)가 중앙 디스크(407)와 루버들(401)을 둘러싸는 실시예를 예시한다. 솔리드 디스크는, 오리피스들 전체가 막힌 오리피스 플레이트와 동일한 방식으로 기능한다. 솔리드 플레이트(2401)는, 펌프 속도에 걸쳐서 제 2 스테이지 어레이에 대한 열 부하의 감소 및 증가된 프로세스 압력이 바람직한 경우에 적합하다. 그러나, 부가적인 펌프 속도가 바람직하다면, 플레이트는 오리피스 플레이트에 의해 용이하게 교체될 수 있다.
모든 특허들, 공개된 출원들, 및 본원에서 언급된 참조문헌들의 교시들은 인용에 의해 그의 전체 내용이 통합된다.
본 발명은, 본 발명의 예시적인 실시예들과 관련하여 구체적으로 도시되고 설명되었지만, 형태와 세부 사항들에서의 다양한 변화들이 본 발명 내에서, 첨부된 청구항들에 의해 포함되는 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 이루어질 수 있음이 당업자에게 이해될 것이다.
Claims (44)
- 극저온펌프(cryopump)로서,
냉장기(refrigerator);
상기 냉장기에 의해 냉각되는 응축 어레이(condensing array);
상기 응축 어레이를 둘러싸고, 상기 냉장기에 의해 냉각되는 복사 차폐부(radiation shield) - 상기 복사 차폐부는 정면 개구부를 가짐 -; 및
상기 복사 차폐부의 상기 정면 개구부에 걸친 정면 어레이를 포함하고,
상기 정면 어레이는 상기 냉장기에 의해 냉각되며,
상기 정면 개구부의, 다른 방식으로는 실질적으로 개방된(otherwise substantially open) 중앙 영역에 걸친 루버들(louvers); 및
상기 정면 개구부의 외측 영역에 걸친 오리피스 플레이트(orifice plate) - 상기 오리피스 플레이트는 오리피스 플레이트 내에 오리피스들을 가짐 - 를 포함하는,
극저온펌프. - 제 1 항에 있어서,
상기 오리피스 플레이트의 복수의 오리피스들 각각은, 상기 오리피스 플레이트에 부착된 플랩(flap)을 갖는,
극저온펌프. - 제 2 항에 있어서,
상기 플랩들은 상기 오리피스들 내에 삽입되는 플러그들(plugs)을 통해 부착되는,
극저온펌프. - 제 1 항에 있어서,
상기 오리피스 플레이트의 적어도 하나의 오리피스는 제거 가능한 플러그에 의해 폐쇄되는,
극저온펌프. - 제 1 항에 있어서,
상기 루버들 및 상기 오리피스 플레이트는 상기 정면 개구부의 적어도 90%에 걸쳐서 연장하는,
극저온펌프. - 제 1 항에 있어서,
실질적인 개방 공간이 상기 오리피스 플레이트를 둘러싸는,
극저온펌프. - 제 1 항에 있어서,
실질적인 개방 공간이 상기 루버들과 상기 오리피스 플레이트 사이에 제공되는,
극저온펌프. - 제 1 항에 있어서,
상기 루버들을 둘러싸는 복수의 오리피스 플레이트들을 포함하는,
극저온펌프. - 제 8 항에 있어서,
실질적인 공간이 상기 복수의 오리피스 플레이트들 사이에 제공되는,
극저온펌프. - 제 1 항에 있어서,
상기 루버들은 원형이며, 상기 오리피스 플레이트는 상기 루버들을 둘러싸고, 오리피스들의 원형 어레이를 플레이트 내에 갖는,
극저온펌프. - 제 1 항에 있어서,
상이한 크기의 오리피스들의 오리피스들의 복수의 어레이들을 더 포함하는,
극저온펌프. - 제 1 항에 있어서,
각각의 오리피스의 에지에서 상기 오리피스 플레이트에 부착된 플랩들을 포함하는 오리피스들의 내측 어레이, 및 플랩들이 없는 개방 오리피스들의 외측 어레이를 포함하는,
극저온펌프. - 제 1 항에 있어서,
상기 루버들은 쉐브론(chevron)을 포함하는,
극저온펌프. - 극저온펌프를 위한 정면 어레이로서,
다른 방식으로는 실질적으로 개방된 중앙 영역에 걸친 루버들; 및
상기 루버들을 둘러싸는 오리피스 플레이트 - 상기 오리피스 플레이트는 플레이트 내에 오리피스들을 가짐 - 를 포함하는,
극저온펌프를 위한 정면 어레이. - 제 14 항에 있어서,
상기 오리피스 플레이트의 복수의 오리피스들 각각은, 상기 오리피스 플레이트에 부착된 플랩(flap)을 갖는,
극저온펌프를 위한 정면 어레이. - 제 15 항에 있어서,
상기 플랩들은 상기 오리피스들 내에 삽입되는 플러그들(plugs)을 통해 부착되는,
극저온펌프를 위한 정면 어레이. - 제 14 항에 있어서,
상기 오리피스 플레이트의 적어도 하나의 오리피스는 제거 가능한 플러그에 의해 폐쇄되는,
극저온펌프를 위한 정면 어레이. - 제 14 항에 있어서,
상기 루버들 및 오리피스 플레이트는 상기 정면 개구부의 적어도 90%에 걸쳐서 연장하는,
극저온펌프를 위한 정면 어레이. - 제 14 항에 있어서,
실질적인 개방 공간이 상기 오리피스 플레이트를 둘러싸는,
극저온펌프를 위한 정면 어레이. - 제 14 항에 있어서,
실질적인 개방 공간이 상기 루버들과 상기 오리피스 플레이트 사이에 제공되는,
극저온펌프를 위한 정면 어레이. - 제 14 항에 있어서,
상기 루버들을 둘러싸는 복수의 오리피스 플레이트들을 포함하는,
극저온펌프를 위한 정면 어레이. - 제 21 항에 있어서,
실질적인 공간이 상기 복수의 오리피스 플레이트들 사이에 제공되는,
극저온펌프를 위한 정면 어레이. - 제 14 항에 있어서,
상기 루버들은 원형이며, 상기 오리피스 플레이트는 상기 루버들을 둘러싸고, 오리피스들의 원형 어레이를 플레이트 내에 갖는,
극저온펌프를 위한 정면 어레이. - 제 14 항에 있어서,
상이한 크기의 오리피스들의 오리피스들의 복수의 어레이들을 더 포함하는,
극저온펌프를 위한 정면 어레이. - 제 14 항에 있어서,
각각의 오리피스의 에지에서 상기 오리피스 플레이트에 부착된 플랩들을 포함하는 오리피스들의 내측 어레이, 및 플랩들이 없는 개방 오리피스들의 외측 어레이를 포함하는,
극저온펌프를 위한 정면 어레이. - 제 14 항에 있어서,
상기 루버들은 쉐브론을 포함하는,
극저온펌프를 위한 정면 어레이. - 극저온펌프로서,
냉장기;
상기 냉장기에 의해 냉각되는 응축 어레이;
상기 응축 어레이를 둘러싸고 상기 냉장기에 의해 냉각되는 복사 차폐부 - 상기 복사 차폐부는 정면 개구부를 가짐 -; 및
상기 복사 차폐부의 상기 정면 개구부에 걸친 정면 어레이를 포함하고,
상기 정면 어레이는 상기 냉장기에 의해 냉각되며,
상기 정면 개구부의 중앙 영역에 걸친 루버들; 및
상기 정면 개구부의 외측 영역에 걸친 플레이트를 포함하는,
극저온펌프. - 제 27 항에 있어서,
상기 플레이트는 편평한 플레이트인,
극저온펌프. - 제 27 항에 있어서,
상기 플레이트는 솔리드(solid)인,
극저온펌프. - 제 27 항에 있어서,
상기 플레이트는 적어도 하나의 오리피스를 정의하는,
극저온펌프. - 제 30 항에 있어서,
적어도 하나의 오리피스는 상기 플레이트에 의해 둘러싸인 관통 홀(through hole)인,
극저온펌프. - 제 30 항에 있어서,
적어도 하나의 오리피스는 상기 플레이트의 에지 상의 컷아웃(cutout)인,
극저온펌프. - 제 27 항에 있어서,
상기 플레이트는 파상(undulating) 에지를 포함하는,
극저온펌프. - 제 27 항에 있어서,
상기 플레이트의 적어도 하나의 오리피스는 제거 가능한 플러그에 의해 폐쇄되는,
극저온펌프. - 제 27 항에 있어서,
상기 플레이트는 링-형상인,
극저온펌프. - 극저온펌프를 위한 정면 어레이로서,
적어도 하나의 중앙화된(centralized) 루버; 및
상기 적어도 하나의 루버를 둘러싸는 플레이트를 포함하는,
극저온펌프를 위한 정면 어레이. - 제 36 항에 있어서,
상기 플레이트는 편평한 플레이트인,
극저온펌프를 위한 정면 어레이. - 제 36 항에 있어서,
상기 플레이트는 솔리드인,
극저온펌프를 위한 정면 어레이. - 제 36 항에 있어서,
상기 플레이트는 적어도 하나의 오리피스를 정의하는,
극저온펌프를 위한 정면 어레이. - 제 39 항에 있어서,
적어도 하나의 오리피스는 상기 플레이트에 의해 둘러싸인 관통 홀인,
극저온펌프를 위한 정면 어레이. - 제 39 항에 있어서,
적어도 하나의 오리피스는 상기 플레이트의 에지 상의 컷아웃인,
극저온펌프를 위한 정면 어레이. - 제 36 항에 있어서,
상기 플레이트는 파상 에지를 포함하는,
극저온펌프를 위한 정면 어레이. - 제 36 항에 있어서,
상기 플레이트의 적어도 하나의 오리피스는 제거 가능한 플러그에 의해 폐쇄되는,
극저온펌프를 위한 정면 어레이. - 제 36 항에 있어서,
상기 플레이트는 링-형상인,
극저온펌프를 위한 정면 어레이.
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