NO317574B1 - Fremgangsmate for paforing av belegg med getterfunksjon tilpasset for dannelse av meget hoyt vakuum. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte for påføring av et belegg med getterfunksjon tilpasset for dannelse av meget høyt vakuum (ultrahøyt vakuum) i et kammer avgrenset av en metallvegg som er i stand til å frigi gass fra dens overflate.

I et metallsystem anvendt som et oppvarmingskammer i hvilket meget høyt vakuum genereres (f.eks. et vakuum på minst 10" Torr 10" Pa), enda i størrelsesorden av 10" til 10*14 (10"n til IO"<12>Pa)), bidrar metallveggene til kammeret med en ny uttømmelig kilde av gass. Hydrogenet inneholdt i metallstrukturen (f.eks. rustfri stål, kobber, aluminiumlegering) er fritt dispergert i tykkelsen av metallet og blir frigitt fra overflaten utgjørende kammeret. Tilsvarende når veggene i vakuumkammeret bombarderes med partikler (synkrotron, elektron eller ion stråling) som i tilfellet med partikkelakseleratorer blir tyngre molekyltyper støtt ut, slik som CO, CO2, CH4, fremstilt på overflaten etter dissosiasjon av hydrokarboner, karbider eller oksider.

Vakuumnivået oppnådd i kammeret er derfor definert av den dynamiske likevekten mellom frigivningen av gass ved overflaten utgjørende kammeret og pumpehastigheten til pumpene som anvendes. Produserende høy vakuum involverer et dobbelt behov for sikring av at overflaten til kammeret er ekstrem ren for således å redusere emisjonen av gass og påføring av en høy pumpehastighet. I tilfellet med vakuumsystemer til partikkelakseleratorer, hvori kamrene generelt er lite i tverrsnitt, må pumpene enten anordnes tett til hverandre eller pumping må påføres kontinuerlig for å overkomme konduktansbegrensningen.

Under disse betingelser er en kjent måte til oppnåelse av et så høyt vakuum som mulig å supplere vakuumet produsert ved mekaniske pumper med påføring av komplimen-terende pumping, spesielt ved hjelp av en getter anordnet inne i kammeret: dette materialet er i stand til å produsere kjemisk stabile forbindelser ved en reaksjon med gasser tilstede i vakuumkammeret (spesielt H2, O2, CO, CO2, N2) og denne reaksjon forårsaker at de berørte molekylære stoffene forsvinner, hvilket er ensbetydende med en pumpeeffekt.

Imidlertid uansett den anvendte pumpefremgangsmåten og uten hensyn til distribusjons-effektiviteten som kan oppnås ved anvendelse av en ikke-fordampende getter, er vakuumet som høyst sannsynlig kan oppnås i kammeret stadig begrenset av den dynamiske likevekten mellom pumpehastighet (uansett den anvendte fremgangsmåten) og hastigheten med hvilken gass frigis fra metalloverflaten til kammeret (uten hensyn til årsaken), med andre ord vakuumnivået forblir avhengig av hastigheten av frigivning av gass inn i kammeret for en hvilken som helst gitt pumpehastighet.

For å forbedre kvaliteten av det ultrahøye vakuumet inn i kammeret er det derfor ønskelig å forsøke å signifikant redusere hastigheten med hvilken gasser frigis fra overflaten av metallveggen til kammeret og mens dette gjøres å signifikant øke effektiviteten av pumpeanordningene.

Følgelig er formålet med oppfinnelsen å foreslå en forbedret løsning som vil muliggjøre en overkommelse av disse problemene og som vil redusere hastigheten med hvilken gass frigis inne i kammeret og betydelig øke effektiviten av pumpeanordningene som anvendes, mens der oppnås meget høyt eller ultrahøye vakuumer (i størrelsesorden av IO"10 til IO"<13>Torr (IO 8 til 10"" Pa) for eksempel) mer økonomisk.

JP 3247778 beskriver vakuumutstyr med flere-sjiktsbelegg, hvor et indre lag har nedsatt gasstransmisjonskoeffesient mens et ytre lag har nedsatt absorpsjon.

Til de ovennevnte formål foreslår oppfinnelsen en fremgangsmåte for påføring av et belegg med en getterfunksjon tilpasset til generering, på grunn av en gettereffekt, et meget høyt (ultrahøyt) vakuum i et kammer avgrenset av en metallvegg som kan frigi gass fra dens overflate, nevnte belegg med en getterfunksjon er avleiret på minst nesten hele overflaten av kammerveggen, kjennetegnet ved de følgende trinn i rekkefølge: minst et tynt metallsjikt av ikke-fordampbar getter avleires ved katodeforstøvning på minst nesten hele overflaten av kammerveggen, nevnte getter er tilpasset til å absorbere hydrogen og isotoper derav og er valgt blant titan og/eller zirkonium og/eller hafnium og/eller vanadium og/eller scandium og/eller en legering eller metallkompositt omfattende minst en av disse,

deretter avleires minst et tynt sjikt av minste en katalysator ved katodeforstøvning på nevnte ikke-fordampbare gettersjikt, katalysatoren er valgt blant ruthenium og/eller rhodium og/eller palladium og/eller osmium og/eller iridium og/eller platina og/eller en legering omfattende minst en av disse,

elektrode som anvendes for katodeforstøvning fjernes etter avslutning av sjiktavleiringen,

vakuumkammeret samles, og

vakuum genereres med et pumpesystem,

hvor nevnte belegg stopper gassfrigivning fra kammerveggen, og på den annen side pumper hydrogen og isotoper derav som er til stede i kammeret når vakuum genereres.

Anvendelse av en fremgangsmåte av denne type gir en stor fordel i forbindelse med oppfinnelsen fordi katalysatoremnene som kan anvendes og dette kan tilskrives til deres lave oksidasjon: når disse katalysatorer utsettes for luft, reagerer de kun litt med oksygenen ved deres overflate og der er ikke lengre noe behov for å utføre et aktiveringstrinn ved oppvarming for å eliminere passiviseringssjiktet.

Der er en ytterligere fordel, som kan tilskrives til levetiden av katalysatorsjiktet, som er prinsipielt ubegrenset, siden gassabsorpsjonen er termisk reversibel.

Dette sjikt av katalysator utgjør en skjerm som inhiberer frigivningen av gass fra metallet i kammerveggen, uten å fremstille noe selv. Videre, i kamrene til partikkelakseleratorer er det dette sjikt som utsettes for sammenstøtet med partiklene eller synkrotronstrålingen og som danner en skjerm som hindre frigivningen av molekyltyper som sannsynligvis ville forurense vakuumet i kammeret. Følgelig med denne fremgangsmåten blir i det minte i stor grad frigivningen av gass på grunn av en hvilken som helst årsak hindret i kammeret.

Endelig har en katalysator av typen nevnt ovenfor sannsynlighet for å fremstille en overflate pumpeeffekt med hensyn til molekyltypene tilstede i kammeret.

De mest interessante resultatene er blitt oppnådd anvendende legeringer av palladium og mer spesifikt en palladium-sølvlegering.

Det bør imidlertid bemerkes at katalysatoren har en ufordelaktig egenskap, som ligger i det faktumet at, motsatt en ikke-fordampbar getter vil katalysatoren kun frembringe en selektiv pumpeeffekt: med andre ord, den er i stand til å pumpe bestemte molekyltyper: H2og CO, men ikke alltid andre molekyltyper: N2og CO2. Imidlertid i noen av de mer spesifikke anvendelsene overveid her (vakuumkammer til partikkelakseleratorer), bør denne selektivitet ikke nødvendigvis være skadelig på grunn av det faktum at største delen av molekyltypene tilstede er H2og CO.

Imidlertid bør det også poengteres at katalysatorer utvisende en pumpeeffekt med hensyn til H2typene, og der er noen av disse, er begrenset ved lavtrykk. Imidlertid kvantiteten av H2pumpet kan forbedres ved redusering av temperaturen: med kun en fraksjon av molekylsjikt ved omgivelsenes temperatur på omkring 20°C, blir denne mengde øket idet temperaturen senkes. Med f.eks. palladium, hvilket nu er en foretrukket katalysator på grunn av resultatene oppnådd, er likevekttrykket for et enkelt sjikt av overflate-absorbert hydrogen IO"<7>Torr (IO"<5>Pa) ved omgivelsenes temperatur, men blir fullstendig neglisjerbar ved koketemperaturen til flytende nitrogen (77°K).

Det er for å avhjelpe den utilstrekkelige pumpekapasitet til katalysatoren med hensyn til bestemte molekyltyper, slik som H2og dens isotroper, at oppfinnelsen omfatter påføring av et ikke-fordampbart gettermateriale direkte på kammerveggen. Alle av de ovenfor nevnte molekyltypene, slik som hydrogen og dets isotoper, blir derfor overført fra overflaten utsatt for vakuumet, gjennom sjiktet av katalysatoren, så langt som til det ikke-fordampbare gettersjikt enten over en lengre periode ved omgivelsenes temperatur eller på en mer akselerert måte over en kortere periode, i noen tilfeller meget kort, ved oppvarming til en temperatur på omkring 50 til 70°C. Følgelig mens sjikt av palladium mettet med H2muliggjør fremstilling av et vakuum på kun IO"<7>Torr (10"<5>Pa) å bli fremstilt ved omgivelsenes temperatur på omkring 20°C vil den samme katalysatoren produsere et vakuum på IO"<13>Torr (10"" Pa) hvis oppvarmet til 70°C.

Med hensyn til sjiktet av ikke-fordampbar getter er valget av bestanddelmaterialet eller materialer og hvordan det fremstilles basert på en hvilken som helst løsning kjent for fagmenn på området og som vil imøtekomme kravene til denne oppfinnelsen. Imidlertid foretrukket og spesielt fordelaktig er fremgangsmåtene beskrevet i dokument FR-A-2 750 248 inngitt av søkeren til denne søker, til hvilken referanse gjøres for mer detaljert informasjon.

Det vil kun bli gjentatt at det ikke-fordampbare gettermaterialet (NEG) spesifikt må ha en høy absorpsjonskapasitet og en høy diffusjonskapasitet med hensyn til hydrogen og hvis mulig evnen til å danne en hydrid fase, videre må det utvise et dissosiasjonstrykk fra hydridfasen på mindre enn 10" It Torr (10" II Pa) ved omkring 20°C. Materialet må også en å lav aktiveringstemperatur som mulig, sammenlignet med oppvarmings-betingelsene til vakuumsystemer (omkring 400°C i tilfelle med rustfrie kamre, 200-250°C i tilfellet med kopper og aluminiumlegeringskamre) og kompatibilitet med stabiliteten til materialet ved utsettelse for luft ved omkring 20°C, under disse betingelser, mer generelt uttrykt må aktiveringstemperaturen være minst lik med 400°C og ikke mindre enn 150°C.

Titan, zirkonium, hafnium, vanadium og scandium, som utviser en oppløselighetsgrense for oksygen på mer enn 2% ved omgivelsenes temperatur, anvendelse som ikke-fordampbar getterer som en anordning til dannelse av en tynn sjiktbelegning for formålene ifølge oppfinnelsen. Det vil klart være mulig å anvende en hvilken som helst legering eller forbindelse av disse stoffer med andre, for å kombinere de produserte effektene, eller enda for å produsere nye effekter som ikke direkte er et resultat av summen av de individuelle effektene.

I det foretrukne tilfellet for avleiring ved dobbelt katode forstøvning, oppnås en NEG sjikt referert til fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen ved hjelp av minst en første elektrode egnet til deponering av getteren ved katodeforstøvning som beskrevet i dokument FR-A-2 750 248. Deretter, når deponeringen er fullført, blir den første elektroden fjernet fra kammeret og før påbegynnelse av det andre av trinnene i fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, erstattet med minst en annen elektrode egnet til deponering av katalysatoren ved katodeforstøvning. Siden sjiktet av getter utsettes for omgivelsenes luft sluppet inn mens skiftning av elektrode, vil det være nødvendig å pumpe og deretter termisk aktivere sjiktet av getter før påbegynnelse av deponeringen av katalysatorsjiktet ved katodeforstøvning.

Som et eksempel kan denne fremgangsmåte praktisk implementeres ved utføring av de følgende trinnene: kammeret renses, en anordning for deponering av et tynnsjikt av getter anbringes inn i kammeret, et relativt vakuum dannes inne i kammeret, kammeret oppvarmes for å evakuere så mye av vanndampen som mulig, getteren blir deretter deponert i et tynnsjikt over i det minste størstedelen av overflaten av veggen avgrensende kammeret, kammeret bringes tilbake til atmosfærisk trykk, og anordningen anvendt til å deponere getteren fjernes fra kammeret og en anordning til deponering av katalysatoren anbringes i kammeret,

et relativt vakuum dannes i kammeret, installasjonen oppvarmes til den ønskede temperaturen mens kammeret opprettholdes ved en temperatur lavere enn aktiveringstemperaturen til getteren,

oppvarming av installasjonen stoppes og temperaturen til kammeret økes simultant til aktiveringstemperaturen til getteren ved hvilken den opprettholdes for en forutbestemt tidsperiode (f.eks. 1 til 2 timer), og endelig blir temperaturen til kammeret brakt ned på omgivelsenes temperatur, ved avslutningen av denne fremgangsmåten er overflaten til det tynne sjiktet ren og dens termiske frigivning av gass kraftig redusert,

endelig blir minst et sjikt av katalysator deponert på NEG sjiktet.

For å hindre restriksjonene forårsaket av ombyttingen av elektroder (utsettelse av gettersjiktet for omgivelsesluften), vil det være mulig å installere fra begynnelsen en dobbelt elektrode inkorporerende samtidig både den ikke-fordampbare getteren og katalysatormaterialene som deretter vil kunne bli eksitert i sekvens slik at getteren og deretter katalysatoren kan deponeres i rekkefølge uten noen som helst intermediære bearbeidninger av getteren, for å produsere homogene belegninger over hele veggen til kammeret, kunne en elektrode av denne type bli rotert.

Når det ferdige vakuumsystemet først er installert, er overflaten til katalysatorsjiktet belagt med prinsipielt atskillige vinkelsjikter av vanndamp, som må fjernes ved pumping. Fjernelsesfremgangsmåten vil være hurtigere hvis pumpingen kombineres med oppvarming av vakuumsystemet, bringende det opp på en temperatur på minst 120°C og opptil 300°C hvis mulig.

En katalysator anvendt på formen av et sjikt som beskrevet ovenfor strekker seg ut over hele lengden av kammeret og opprettholder derfor fordelen ved en distribuert pumpevirkning på en ensartet måte. Videre et sjikt av katalysator som fremstilt ifølge oppfinnelsen opptar ikke en betydelig mengde volumen og bringer med seg fordelen av å produsere en pumpeeffekt uten noen som helst ytterligere plasskrav, hvilket betyr at den kan anvendes selv i situasjoner hvor geometriske begrensninger normalt ikke ville tillate anvendelsen av et pumpemateriale på båndform.

Claims (6)

1. Fremgangsmåte for påføring av et belegg med en getterfunksjon tilpasset til generering, på grunn av en gettereffekt, et meget høyt (ultrahøyt) vakuum i et kammer avgrenset av en metallvegg som kan frigi gass fra dens overflate, nevnte belegg med en getterfunksjon er avleiret på minst nesten hele overflaten av kammerveggen,karakterisert vedde følgende trinn i rekkefølge: minst et tynt metallsjikt av ikke-fordampbar getter avleires ved katodeforstøvning på minst nesten hele overflaten av kammerveggen, nevnte getter er tilpasset til å absorbere hydrogen og isotoper derav og er valgt blant titan og/eller zirkonium og/eller hafnium og/eller vanadium og/eller scandium og/eller en legering eller metallkompositt omfattende minst en av disse, deretter avleires minst et tynt sjikt av minste en katalysator ved katodeforstøvning på nevnte ikke-fordampbare gettersjikt, katalysatoren er valgt blant ruthenium og/eller rhodium og/eller palladium og/eller osmium og/eller iridium og/eller platina og/eller en legering omfattende minst en av disse, elektrode som anvendes for katodeforstøvning fjernes etter avslutning av sjiktavleiringen, vakuumkammeret samles, og vakuum genereres med et pumpesystem, hvor nevnte belegg stopper gassfrigivning fra kammerveggen, og på den annen side pumper hydrogen og isotoper derav som er til stede i kammeret når vakuum genereres.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat katalysatoren blir deponert på sjiktet av ikke-fordampbar getter, som er blitt deponert på forhånd uten noen som helst utsettelse av sistnevnte for omgivelsenes luft mellom de to deponeringstrinn.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat sjiktet av ikke-fordampbar getter, som er blitt utsatt for omgivelsesluften etter å ha blitt deponert, deretter pumpes og termisk aktiveres før deponeringen av sjiktet av katalysator derpå.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat samtidig som vakuumet dannes ved hjelp av pumpesystemet blir vakuumsystemet tørket ved å bli oppvarmet til en temperatur på minst 120°C.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1 til 4,karakterisert vedat katalysatoren er en legering av palladium.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 5,karakterisert vedat katalysatoren er en palladium-sølv legering.