WO2005075826A1 - Vakuumpumpe und verfahren zum betrieb derselben - Google Patents

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WO2005075826A1
WO2005075826A1 PCT/EP2005/001081 EP2005001081W WO2005075826A1 WO 2005075826 A1 WO2005075826 A1 WO 2005075826A1 EP 2005001081 W EP2005001081 W EP 2005001081W WO 2005075826 A1 WO2005075826 A1 WO 2005075826A1
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WO
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pump
cooling
stage
cooling stage
container
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PCT/EP2005/001081
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Werner Wegscheider
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Universität Regensburg
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B37/00—Pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B35/00
    • F04B37/06—Pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B35/00 for evacuating by thermal means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B37/00—Pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B35/00
    • F04B37/06—Pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B35/00 for evacuating by thermal means
    • F04B37/08—Pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B35/00 for evacuating by thermal means by condensing or freezing, e.g. cryogenic pumps

Definitions

  • the invention relates to a vacuum pump for generating a high vacuum according to the preamble of claim 1 and a method for operating such a pump according to the preamble of claim 8.
  • Vacuum processes of this type are used, for example, for the manufacture of semiconductors or their test operation, in optics and in other industrial sectors.
  • One possibility for producing a high vacuum is to use a turbomolecular pump, as described, for example, in DE 694 09 555 T2.
  • cryogenic cooling systems have proven to be particularly suitable for generating very high vacuums. These are based on the use of so-called cryopumps, in which cryopanels or disks are usually cooled to temperatures of 10 K or less with liquid helium. Such cryopumps represent the vacuum pumps with the highest known pump capacity in the area of ultra-high vacuum. These ultra-high vacuum systems, which are used as standard in the semiconductor industry, for example, have to be heated to achieve an extremely high vacuum so that the gases adhering to the walls of the vacuum system are desorbed can. Cryopumps work on the principle that residual gases in the vacuum container adhere to the cold surfaces. Here, gas molecules are condensed and adsorbed on the cryopanels. The high molecular velocity of the gas is exhausted. Such a cryogenic cooling system is described in DE 693 14 390 T2.
  • the vacuum pump containers usually made of stainless steel, within which the cooling stages are arranged, have a certain outgassing rate at room temperature, which worsens the pumping effect. This outgassing rate can be reduced by heating the container. The container is heated to a temperature of about 200 ° C or more over a longer period of time. With conventional cryopumps, the pumping effect is effective during this heating phase completely lost.
  • the currently commercially available cryopumps which are operated with a closed helium circuit, cannot be baked out and must be shielded from thermal loads from the vacuum chamber in order to maintain their pumping capacity.
  • An arrangement for generating a high vacuum by means of a cryopump is known from EP 0 370 702 A1.
  • a flange ring with a cooling ring is arranged between a cryopump housed in a container and its connection to a vacuum chamber, which flange is intended to shield the vacuum pump during the heating process of the vacuum chamber.
  • this intermediate cooling ring extends the pump path.
  • the pumping capacity of the cryopump is significantly restricted by introducing the cooling ring into the otherwise open pump cross section.
  • An object of the present invention is to provide a cryopump in which the most efficient possible cooling operation can be maintained during a baking process.
  • a vacuum pump with the features of the preamble of claim 1 has additional cooling which is spatially assigned to a cooling stage of the pump and which is in thermal connection with it.
  • the container-shaped cooling stage of the pump is usually made of stainless steel, which has relatively good thermal insulation properties.
  • the additional cooling can in particular be arranged on the bottom of the cooling stage, for example in the form of an additional cooling tank which is in thermal connection with the bottom of the tank.
  • the additional cooling container can be filled, for example, with liquid nitrogen or another suitable cooling medium.
  • the container is preferably arranged in the best possible thermal contact on the bottom of the container and, on the other hand, connected to the housing of the cryopump by thin-walled, poorly heat-conducting stainless steel tubes. In normal operation, the cryopump works unimpaired due to the poor heat conduction of the stainless steel tubes and the cold surfaces of the cooling stage reach typical temperatures of approx. 40 K or approx. 10 K (second cooling stage equipped with activated carbon, for example).
  • both stages would warm up quickly, since typical cooling capacities are only approx. 60 W (50 to 80 W) for the first cooling stage and approx. 5 W (5 to 10 W) for the second cooling stage.
  • the container is filled with liquid nitrogen via the stainless steel tube, the temperature of the 40 K stage is fixed at 77 K and the 10 K stage warms up only minimally. In this way, a high thermal load can be applied from the outside, which is ultimately compensated for by the evaporation of the liquid nitrogen.
  • a method is preferably used which allows the copper seals to be replaced without disassembling the cryopump.
  • the present invention represents a fundamental modification of the cryopump.
  • Advantages of this invention are in particular that no extension of the pump flange is necessary and no cooling ring is introduced into the pump cross section.
  • the cooling container described in this invention can be made entirely of stainless steel, since a large-area coupling to the 40 K stage is possible. Due to the large volume of the cooling container used here, in contrast to the cooling ring previously used, the cooling does not have to be carried out by continuous flow operation that is difficult to control, but can be carried out in a lower / upper level-controlled threshold value operation.
  • Another advantage is that the liquid nitrogen feedthroughs can be easily removed without having to partially disassemble the cryopump.
  • Cryopumps of this type are increasingly being used in industrial semiconductor production, for example for the production of semiconductor multilayer structures. Ren. Molecular beam epitaxy is only one possible example of such an ultra-high vacuum technology. While in known vacuum arrangements relatively complex additional pumps or shielding devices are necessary to ensure the heating or the operation of such vacuum chambers, cryopumps according to the present invention can be used economically and the vacuums required to operate the equipment are generated in a much shorter time. There is no need for additional pumps.
  • Another application is the operation of large vacuum chambers that are equipped with several cryopumps.
  • one of these pumps can be equipped with an additional cooling device, while the other cryopumps do not separately cool the cooling surfaces during a baking process.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a vacuum pump according to the invention
  • Figure 2 is a detailed representation of a flange connection of a connecting line
  • Figure 3 is a schematic representation of an arrangement for generating a high vacuum within a vacuum chamber.
  • the schematic representation of FIG. 1 shows a two-stage cryopump 10, which is used to generate a high vacuum within a vacuum chamber (not shown).
  • the cryopump 10 comprises a pot-shaped housing 12 in which a first cooling stage 14 is arranged.
  • This first cooling stage 14 is in thermal connection with a cooling device 16, a so-called refrigerator.
  • the cooling device ensures sufficient cooling of the first cooling stage 14 to a temperature of approximately 40 K by means of the circulation of liquid helium, which is why the first cooling stage 14 can also be referred to as a 40 K stage.
  • the first cooling stage 14 is designed as a pot-shaped container that is open on one side, the inner container walls of which act as so-called pump surfaces or as first condensation surfaces 18. Due to the strong cooling of the Condensation surfaces 18 of the first cooling stage 14 adsorb gas molecules (so-called residual gas) which are to be removed from the vacuum chamber.
  • the second cooling stage 20 is also connected to the cooling device 16 and can be used to cool it to a temperature of approximately 10 K, which is why the second cooling stage 20 can also be referred to as a 10 K stage.
  • the second cooling stage 20 also has pump surfaces, referred to here as second condensation surfaces 22.
  • the second condensation surfaces 22 can be designed in different ways, for example lamellar or fan-shaped.
  • the outside pumping surfaces of the second condensation surfaces 22 serve to accumulate the gases to be pumped out by condensation and so-called trapping.
  • the pump surfaces located on the inside can be formed by a layer of sorption material.
  • the pump interior 24 opens into an inlet opening 26 with a circumferential inlet flange 28.
  • a valve is normally arranged between the inlet flange 28 and the vacuum chamber and serves to separate the cryopump 10 from the vacuum chamber.
  • An additional cooling device 32 is arranged on a base 30 of the first cooling stage 14 and serves to maintain cooling operation of the cryopump 10 during a heating process of the pump and / or the vacuum chamber.
  • the additional cooling device 32 comprises an annular additional cooling container 34 which surrounds the cooling device 16 in an annular manner and is in thermal contact with the bottom 30 of the first cooling stage 14.
  • the additional cooling container 34 is accommodated in an intermediate space between a housing base 36 of the housing 12 of the cryopump 10 and the base 30 of the container-shaped first cooling stage 14.
  • the additional cooling container 34 is connected via one or more connecting lines 38, 40 to a storage container (not shown) which is filled with liquid nitrogen or another suitable cooling fluid.
  • a storage container not shown
  • liquid nitrogen or another suitable cooling fluid.
  • the additional cooling container 34 is charged with the cooling fluid (nitrogen) 42, so that the temperature at the container bottom 30 and thus in the first cooling stage 14 is largely maintained in the range of the evaporation temperature of the cooling fluid 42 can. In the case of liquid nitrogen this temperature is approximately 77 K. In this way, a high thermal load can be applied to the outside of the cryopump, which is compensated for by the evaporation of the liquid nitrogen.
  • the heat transfer between the additional cooling container 34 and the container base 30 is designed as cheaply as possible, so that there is only a small insulation between the two areas.
  • the thermal coupling can be improved by inserting indium metal strips.
  • the thermal insulation of the connecting lines 38, 40 must be as high as possible, so that, if possible, no additional heat is introduced from the outside into the additional cooling container 34.
  • the connecting lines 38, 40 can be made of stainless steel, for example.
  • the connecting lines 38, 40 each have a separation point 44, so that they can be separated from the storage container. This is necessary so that the first cooling stage 14 can be removed from the housing 12, which may be necessary for maintenance purposes, for example.
  • This separation point 44 are explained in more detail with reference to the sectional illustration in FIG. 2, the separation point 44 of the first connecting line 38 being shown here by way of example.
  • the connecting line 38 consists of a double-walled stainless steel tube, which has relatively favorable thermal insulation properties.
  • a flange connection structure is provided which has a number of flanges, which are each provided with sealing surfaces.
  • a sleeve 48 is connected to an outer jacket tube 50.
  • the sleeve 48 has a flange ring 52 which can be screwed to the housing base 36 by means of a flange disk 54 resting thereon.
  • the screw connections 56 are only indicated here.
  • the sleeve 48 has an external thread 58 on its outer lateral surface, onto which a clamping nut 60 can be screwed.
  • FIG. 3 illustrates the structure of an arrangement for generating a high vacuum with the aid of the cryopump 10 according to the invention.
  • the cryopump 10 is connected via the shut-off valve 70 to the vacuum chamber 72, which is used, for example, for semiconductor processing or the like. Possibly. can a pump 74 for generating a backing To be provided, which is connected to the vacuum chamber 72 via a check valve 76.
  • the cryopump 10 can be provided with an additional pump 78, which can also generate a backing vacuum.
  • the additional cooling device 32 ensures that the cryopump 10 continues to operate.
  • These heating processes of the vacuum chamber 72 and / or the cryopump 10 serve to outgas the stainless steel walls of the chamber 72 or the pump 10, so that an even better vacuum can be achieved thereby, since these gas molecules released from the walls from the condensation surfaces of the pump can be adsorbed.
  • the possibility of simultaneously heating the vacuum chamber 72 and / or the pump 10 and maintaining their cooling operation enables extremely good vacuums to be achieved which cannot be achieved by means of conventional cryogenic or high vacuum pumps.
  • the additional cooling container 34 can also have a different design than that shown in FIG. 1.
  • the first cooling stage 14 can, if necessary, be largely covered with the additional cooling container 34, so that the cooling capacity can be increased significantly during heating operation.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine kryogene Vakuumpumpe zur Erzeugung eines Hochvakuums, insbesondere innerhalb einer Vakuumkammer (72), mit mindestens einer Kühlstufe (14), die während eines Normalbetriebs der Pumpe (10) auf eine erste mittlere Betriebstemperatur kühlbar ist, die weit unterhalb einer Raumtemperatur liegt, und mit einer zuschaltbaren Zusatzkühleinrichtung (32), die mit der wenigstens einen Kühlstufe (14) der Pumpe (10) in thermischer Verbindung steht und mittels der während eines Heizbetriebs der Pumpe (10) und/oder der Vakuumkammer (72) die Kühlstufe (14) auf eine zweite mittlere Betriebstemperatur kühlbar ist, die oberhalb der ersten mittleren Betriebstemperatur liegt. Es ist vorgesehen, dass die Zusatzkühleinrichtung (32) der mindestens einen Kühlstufe (14) räumlich zugeordnet ist und in thermischer Verbindung mit dieser steht. Die Erfindung betrifft weiterhin ein entsprechendes Verfahren zum Betrieb einer derartigen Vakuumpumpe.

Description

Va ku u m pu m pe u n d Verfa h ren zum Betri eb d e rsel be n
Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe zur Erzeugung eines Hochvakuums gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Pumpe gemäß Oberbegriff des Anspruchs 8.
Für bestimmte technische Anwendungen und Fertigungsprozesse werden extrem hohe Vakua benötigt, die auf unterschiedliche technische Weise hergestellt werden können. Solche Vakuumverfahren werden beispielsweise für die Halbleiterherstel- lung oder deren Testbetrieb, in der Optik und in anderen Industriebereichen verwendet. Eine Möglichkeit zur Herstellung eines Hochvakuums besteht im Einsatz einer Turbomolekularpumpe, wie sie bspw. in der DE 694 09 555 T2 beschrieben ist.
Als besonders geeignet zur Erzeugung von sehr hohen Vakua haben sich Tieftemperatur-Kühlsysteme, sog. kryogene Kühlsysteme herausgestellt. Diese beruhen auf dem Einsatz von sog. Kryopumpen, bei denen meist Kryoplatten oder -Scheiben mit flüssigem Helium auf Temperaturen von 10 K oder weniger gekühlt werden. Derartige Kryopumpen stellen die Vakuumpumpen mit der höchsten bekannten Pumpleistung im Bereich des Ultrahochvakuums dar. Diese Ultrahochvakuumsysteme, die beispielsweise in der Halbleiterindustrie standardmäßig zur Anwendung kommen, müssen zum Erreichen eines extrem hohen Vakuums ausgeheizt werden, damit die an den Wänden des Vakuumsystems haftenden Gase desorbiert werden können. Kryopumpen arbeiten nach dem Prinzip, dass Restgase im Vakuumbehälter an den kalten Flächen haften. Hierbei werden Gasmoleküle kondensiert und auf den Kryoplatten adsorbiert. Die hohe Molekülgeschwindigkeit des Gases wird hierbei erschöpft. Ein derartiges kryogenes Kühlsystem ist in der DE 693 14 390 T2 beschrieben.
Die meist aus Edelstahl bestehenden Behälter der Vakuumpumpen, innerhalb derer die Kühlstufen angeordnet sind, weisen bei Raumtemperatur eine gewisse Ausgasrate auf, welche die Pumpwirkung verschlechtert. Diese Ausgasrate kann dadurch reduziert werden, dass der Behälter ausgeheizt wird. Hierbei wird der Behälter über einen längeren Zeitraum auf eine Temperatur von etwa 200 °C oder mehr aufgeheizt. Bei herkömmlichen Kryopumpen geht während dieser Ausheizphase die Pumpwirkung vollständig verloren. Die zur Zeit kommerziell erhältlichen Kryopumpen, die mit einem geschlossenen Helium-Kreislauf betrieben werden, sind nicht ausheizbar und müssen zur Erhaltung ihrer Pumpleistung von thermischen Lasten aus der Vakuumkammer abgeschirmt werden. Eine Anordnung zur Erzeugung eines Hochvakuums mittels einer Kryopumpe ist aus der EP 0 370 702 A1 bekannt. Hierbei ist zwischen einer in einem Behälter untergebrachten Kryopumpe und deren Verbindung zu einer Vakuumkammer ein Flanschring mit einem Kühlring angeordnet, der für eine Abschirmung der Vakuumpumpe beim Ausheizprozess der Vakuumkammer sorgen soll. Allerdings wird durch diesen zwischengeschaltetem Kühlring der Pumpweg verlängert. Zudem wird durch das Einbringen des Kühlrings in den ansonsten offenen Pumpenquerschnitt die Pumpleistung der Kryopumpe deutlich eingeschränkt.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Kryopumpe zur Verfügung zu stellen, bei der während eines Ausheizprozesses ein möglichst effizienter Kühlbetrieb aufrecht erhalten werden kann.
Dieses Ziel der Erfindung wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche erreicht. Merkmale vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Eine Vakuumpumpe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 weist gemäß der vorliegender Erfindung eine Zusatzkühlung auf, die einer Kühlstufe der Pumpe räumlich zugeordnet ist und die in thermischer Verbindung mit dieser steht. Die behälterförmige Kühlstufe der Pumpe besteht meist aus Edelstahl, der relativ gute Wärmeisolationseigenschaften aufweist. Mit Hilfe der Zusatzkühlung kann während eines Heizbetriebs bzw. bei hoher thermischer Last ein Aufwärmen der Kaltflächen bzw. der wenigstens einen Kühlstufe der Kryopumpe verhindert werden. Auch während eines Heizbetriebs einer Vakuumkammer oder des Pumpengehäuses kann somit der Betrieb der Kryopumpe weitgehend aufrecht erhalten werden, ohne dass hiermit irgendwelche Einschränkungen der Pumpleistung im Normalbetrieb verbunden sind.
Die Zusatzkühlung kann insbesondere am Behälterboden der Kühlstufe ange- ordnet sein, beispielsweise in Form eines Zusatzkühlbehälters, der in thermischer Verbindung mit dem Behälterboden steht. Der Zusatzkühlbehälter kann beispielsweise mit flüssigem Stickstoff oder einem anderen geeigneten Kühlmedium gefüllt sein. Dieser Behälter ist vorzugsweise in möglichst gutem thermischem Kontakt am Behälterboden angeordnet und zum anderen über dünnwandige, schlecht wärmeleitende Edelstahlrohre mit dem Gehäuse der Kryopumpe verbunden. Im Normalbetrieb funktioniert die Kryopumpe aufgrund der schlechten Wärmeleitung der Edelstahlrohre unbeeinträchtigt und die Kaltflächen der Kühlstufe erreichen typische Temperaturen von ca. 40 K bzw. ca. 10 K (zweite, bspw. mit Aktivkohle bestückte Kühlstufe). Im Falle des Ausheizbetriebs oder großer thermischer Last würden beide Stufen schnell aufwärmen, da typische Kühlleistungen nur ca. 60 W (50 bis 80 W) für die erste Kühlstufe und ca. 5 W (5 bis 10 W) für die zweite Kühlstufe betragen. Füllt man den Behälter über die Edelstahl- röhre mit flüssigem Stickstoff, so wird die Temperatur der 40-K-Stufe auf 77 K fixiert und die 10-K-Stufe wärmt nur minimal auf. Auf diese Weise kann von außen eine hohe thermische Last aufgebracht werden, die letztendlich durch das Verdampfen des flüssigen Stickstoffs kompensiert wird. Bei der Realisierung der Flüssigstickstoffdurchführungen wird vorzugsweise ein Verfahren angewendet, das ein Auswechseln der Kup- ferdichtungen ohne Zerlegen der Kryopumpe erlaubt.
Während in den bekannten Veröffentlichungen dargelegte Vorrichtungen im Wesentlichen einen Zusatz einer Standardkryopumpe aufweisen, stellt die vorliegende Erfindung eine grundlegende Modifikation der Kryopumpe dar. Vorteile dieser Erfindung sind insbesondere, dass keine Verlängerung des Pumpenflansches notwendig ist und kein Einbringen eines Kühlringes in den Pumpenquerschnitt. Darüber hinaus fehlt ein aufwendiger Übergang von Edelstahl auf Kupfer, der zur thermischen Ankopplung eines solchen Kühlringes an die 40-K-Stufe notwendig ist. Im Gegensatz dazu kann der in dieser Erfindung beschriebene Kühlbehälter vollständig aus Edelstahl gefertigt werden, da eine großflächige Ankoppelung an die 40-K-Stufe möglich ist. Aufgrund des großen Volumens des hier verwendeten Kühlbehälters im Gegensatz zum bisher verwendeten Kühlring muss die Kühlung nicht durch einen aufwendig zu kontrollierenden kontinuierlichen Durchflussbetrieb erfolgen, sondern kann in einem unteren/oberen Füllstand kontrollierten Schwellwertbetrieb durchgeführt werden.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Flüssigstickstoffdurchführungen problemlos abgenommen werden können, ohne das hierzu die Kryopumpe teilweise zerlegt werden muss.
Derartige Kryopumpen werden in zunehmendem Maße bei der industriellen Halbleiterfertigung eingesetzt, bspw. zur Herstellung von Halbleitervielschichtstruktu- ren. Die Molekularstrahlepitaxie stellt dabei nur ein mögliches Beispiel einer derartigen Ultrahochvakuumtechnologie dar. Während bei bekannten Vakuumanordnungen relativ aufwändige zusätzliche Pumpen oder Abschirmvorrichtungen notwendig sind, um das Ausheizen oder den Betrieb derartiger Vakuumkammern zu gewährleisten, können mit Kryopumpen entsprechend der vorliegenden Erfindung in ökonomischer Weise und in sehr viel kürzerer Zeit die zum Betrieb der Apparaturen notwendigen Vakua erzeugt werden. Auf zusätzliche Pumpen kann hierbei verzichtet werden.
Eine weitere Anwendungsmöglichkeit sieht einen Betrieb von großen Vakuumkammern dar, die mit mehreren Kryopumpen ausgestattet sind. Eine dieser Pumpen kann entsprechend der vorliegenden Erfindung mit einer Zusatzkühleinrichtung ausgestattet sein, während die anderen Kryopumpen die Kühlflächen während eines Ausheizvorganges nicht separat gekühlt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt: Figur 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vakuumpumpe,
Figur 2 eine Detaildarstellung einer Flanschverbindung einer Verbindungsleitung und
Figur 3 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Erzeugung eines Hochvakuums innerhalb einer Vakuumkammer.
Die schematische Darstellung der Figur 1 zeigt eine zweistufige Kryopumpe 10, die zur Erzeugung eines Hochvakuums innerhalb einer Vakuumkammer (nicht dargestellt) dient. Die Kryopumpe 10 umfasst ein topfförmiges Gehäuse 12, in dem eine erste Kühlstufe 14 angeordnet ist. Diese erste Kühlstufe 14 steht mit einer Kühleinrichtung 16, einem sog. Refrigerator in thermischer Verbindung. Die Kühleinrichtung sorgt mittels Zirkulation von flüssigem Helium für eine ausreichende Kühlung der ersten Kühlstufe 14 auf eine Temperatur von etwa 40 K, weshalb die erste Kühlstufe 14 auch als 40 K-Stufe bezeichnet werden kann. Die erste Kühlstufe 14 ist als einseitig offener, topfförmiger Behälter ausgebildet, dessen innere Behälterwände als sog. Pumpflächen bzw. als erste Kondensationsflächen 18 fungieren. Durch die starke Abkühlung der Kondensationsflächen 18 der ersten Kühlstufe 14 werden Gasmoleküle (sog. Restgas) adsorbiert, die aus der Vakuumkammer entfernt werden sollen.
Innerhalb der behälterförmigen ersten Kühlstufe 14 ist eine weitere, zweite Kühlstufe 20 angeordnet, die für die Erzeugung des Höchstvakuums zuständig ist. Die zweite Kühlstufe 20 steht ebenfalls mit der Kühleinrichtung 16 in Verbindung und kann mit deren Hilfe auf eine Temperatur von etwa 10 K gekühlt werden, weshalb die zweite Kühlstufe 20 auch als 10 K-Stufe bezeichnet werden kann. Die zweite Kühlstufe 20 weist ebenfalls Pumpflächen auf, hier als zweite Kondensationsflächen 22 bezeichnet. Die zweiten Kondensationsflächen 22 können in unterschiedlicher Weise ausgestaltet sein, bspw. lamellenförmig oder fächerförmig. Die außen liegenden Pumpflächen der zweiten Kondensationsflächen 22 dienen der Anlagerung der abzupumpenden Gase durch Kondensation und sog. Trapping. Die innen liegenden Pumpflächen können von einer Schicht aus Sorptionsmaterial gebildet sein.
Der Pumpeninnenraum 24 mündet in eine Eintrittsöffnung 26 mit einem umlau- fenden Eintrittsflansch 28. Zwischen dem Eintrittsflansch 28 und der Vakuumkammer ist normalerweise ein Ventil angeordnet, das zur Trennung der Kryopumpe 10 von der Vakuumkammer dient.
An einem Boden 30 der ersten Kühlstufe 14 ist eine Zusatzkühleinrichtung 32 angeordnet, die zur Aufrechterhaltung eines Kühlbetriebs der Kryopumpe 10 während eines Aufheizvorgangs der Pumpe und/oder der Vakuumkammer dient. Die Zusatzkühleinrichtung 32 umfasst im gezeigten Ausführungsbeispiel einen ringförmigen Zusatzkühlbehälter 34, der die Kühleinrichtung 16 ringförmig umschließt und in thermischem Kontakt mit dem Boden 30 der ersten Kühlstufe 14 steht. Der Zusatzkühlbehälter 34 ist in einem Zwischenraum zwischen einem Gehäuseboden 36 des Gehäuses 12 der Kryopumpe 10 und dem Boden 30 der behälterförmigen ersten Kühlstufe 14 untergebracht.
Der Zusatzkühlbehälter 34 ist über eine oder mehrere Verbindungsleitungen 38, 40 mit einem Vorratsbehälter (nicht dargestellt) verbunden, der mit flüssigem Stickstoff oder einem anderen geeigneten Kühlfluid gefüllt ist. Bei einem Heizbetrieb der Vaku- umkammer und/oder der Kryopumpe 10 wird der Zusatzkühlbehälter 34 mit dem Kühlfluid (Stickstoff) 42 beaufschlagt, so dass die Temperatur am Behälterboden 30 und damit in der ersten Kühlstufe 14 weitgehend im Bereich der Verdampfungstemperatur des Kühlfluids 42 erhalten werden kann. Im Falle von flüssigem Stickstoff beträgt diese Temperatur ungefähr 77 K. Auf diese Weise kann von außen auf die Kryopumpe eine hohe thermische Last aufgebracht werden, die durch das Verdampfen des flüssigen Stickstoffs kompensiert wird.
Der Wärmeübergang zwischen Zusatzkühlbehälter 34 und Behälterboden 30 ist möglichst günstig ausgestaltet, so dass nur eine geringe Isolation zwischen beiden Bereichen vorliegt. Die thermische Koppelung kann durch eingelegte Metallstreifen aus Indium verbessert werden. Andererseits muss die thermische Isolierung der Verbindungsleitungen 38, 40 möglichst hoch sein, so dass möglichst kein zusätzlicher Wärmeeintrag von außen in den Zusatzkühlbehälter 34 erfolgt. Aus diesem Grund können die Verbindungsleitungen 38, 40 beispielsweise aus Edelstahl gefertigt sein.
Die Verbindungsleitungen 38, 40 weisen jeweils eine Trennstelle 44 auf, so dass sie vom Vorratsbehälter getrennt werden können. Dies ist notwendig, damit die erste Kühlstufe 14 aus dem Gehäuse 12 entnommen werden kann, was bspw. zu Wartungszwecken erforderlich sein kann. Der Aufbau und die Funktionsweise dieser Trennstelle 44 wird anhand der Schnittdarstellung Figur 2 näher erläutert, wobei hier beispielhaft die Trennstelle 44 der ersten Verbindungsleitung 38 dargestellt ist.
Die Verbindungsleitung 38 besteht aus einem doppelwandigen Edelstahlrohr, das relativ günstige Wärmeisolationseigenschaften aufweist. Um das innere Rohr 46 vom Zusatzkühlbehälter 34 bzw. vom Gehäuse 12 der Kryopumpe 10 trennen zu kön- nen, ist ein Flanschverbindungsaufbau vorgesehen, der eine Anzahl von Flanschen aufweist, die jeweils mit Dichtflächen versehen sind. Eine Hülse 48 steht mit einem äußeren Mantelrohr 50 in Verbindung. Die Hülse 48 weist einen Flanschring 52 auf, der über eine daran anliegende Flanschscheibe 54 mit dem Gehäuseboden 36 verschraubt werden kann. Die Schraubverbindungen 56 sind hier lediglich angedeutet. Die Hülse 48 weist an ihrer Außenmantelfläche ein Außengewinde 58 auf, auf das eine Spannmutter 60 geschraubt werden kann. Die Spannmutter 60 weist eine Reihe von Gewindebohrungen 62 auf, in die Spannschrauben 64 einsetzbar sind. Diese sind in Figur 2 lediglich angedeutet. Mittels der Spannschrauben 64 können die Dichtflächen 64 des Flanschrings 52 und der Flanschscheibe 54 gegeneinander verspannt werden. Figur 3 verdeutlicht den Aufbau einer Anordnung zur Erzeugung eines Hochvakuums mit Hilfe der erfindungsgemäßen Kryopumpe 10. Die Kryopumpe 10 steht über das Sperrventil 70 mit der Vakuumkammer 72 in Verbindung, die bspw. zur Halbleiter- prozessierung o. dgl. dient. Ggf. kann eine Pumpe 74 zur Erzeugung eines Vorvaku- ums vorgesehen sein, die über ein Sperrventil 76 mit der Vakuumkammer 72 in Verbindung steht. Zusätzlich kann die Kryopumpe 10 mit einer Zusatzpumpe 78 versehen, die ebenfalls ein Vorvakuum erzeugen kann.
Während eines Ausheizvorgangs, bei dem die Vakuumkammer 72 über mehre- re Stunden auf Temperaturen von typischerweise etwa 250 °C aufgeheizt werden kann, sorgt die Zusatzkühleinrichtung 32 dafür, dass die Kryopumpe 10 weiterhin arbeitet. Diese Ausheizvorgänge der Vakuumkammer 72 und/oder der Kryopumpe 10 dienen dazu, dass die Edelstahlwände der Kammer 72 bzw. der Pumpe 10 ausgasen, so dass hierdurch ein noch besseres Vakuum erreicht werden kann, da diese aus den Wänden gelösten Gasmoleküle von der Kondensationsflächen der Pumpe adsorbiert werden können. Durch die Möglichkeit des gleichzeitigen Heizens der Vakuumkammer 72 und/oder der Pumpe 10 und der Aufrechterhaltung deren Kühlbetriebs können extrem gute Vakua erreicht werden, die mittels herkömmlicher Kryo- oder Hochvakuumpumpen nicht erreichbar sind. Selbstverständlich kann der Zusatzkühlbehälter 34 auch eine andere Gestaltung als die in Figur 1 gezeigte aufweisen. So kann er bspw. ringförmig an der zylindrischen äußeren Mantelfläche der ersten Kühlstufe 14 angeordnet sein. Auch sind Kombinationen denkbar, bei denen mehrere Verbindungsstellen zur ersten Kühlstufe 14 vorgesehen sind. Bei einer entsprechenden Modifikation des Gehäuses 12 kann die erste Kühlstufe 14 bei Bedarf weitgehend mit dem Zusatzkühlbehälter 34 verkleidet sein, so dass die Kühlleistung während des Heizbetriebs deutlich gesteigert werden kann.

Claims

Pate nta ns p rü c h e
1. Kryogene Vakuumpumpe zur Erzeugung eines Hochvakuums, insbesondere innerhalb einer Vakuumkammer (72), mit mindestens einer Kühlstufe (14), die während eines Normalbetriebs der Pumpe (10) auf eine erste mittlere Betriebstemperatur kühlbar ist, die weit unterhalb einer Raumtemperatur liegt, und mit einer zuschaltbaren Zusatzkühleinrichtung (32), die mit der wenigstens einen Kühlstufe (14) der Pumpe (10) in thermischer Verbindung steht und mittels der während eines Heizbetriebs der Pumpe (10) und/oder der Vakuumkammer (72) die Kühlstufe (14) auf eine zweite mittlere Betriebstemperatur kühlbar ist, die oberhalb der ersten mittleren Betriebstemperatur liegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzkühleinrichtung (32) der mindestens einen Kühlstufe (14) räumlich zugeordnet ist und in thermischer Verbindung mit dieser steht.
2. Pumpe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzkühlein- richtung (32) einen mit Kühlfluid (42) füllbaren Zusatzkühlbehälter (34) aufweist.
3. Pumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzkühlbehälter (34) an einem Boden (30) der wenigstens einen Kühlstufe (14) der Pumpe (10) angeordnet ist.
4. Pumpe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatz- kühlbehälter (34) eine ringförmige Kontur aufweist.
5. Pumpe nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzkühleinrichtung zumindest den Zusatzkühlbehälter (34), wenigstens eine Verbindungsleitung (38, 40), ein im Zusatzkühlbehälter (34) zirkulierendes Kühlfluid (42) und einen externen Kühlflüssigkeitsvorratsbehälter aufweist.
6. Pumpe nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitungen (38, 40) vom Zusatzkühlbehälter (34) trennbar sind.
7. Pumpe nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitungen (38, 40) zumindest eine trennbare Flanschverbindung aufweisen.
8. Verfahren zum Betrieb einer Pumpe (10), insbesondere gemäß einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, bei dem in einem Normalbetrieb die Pumpe (10) auf eine Betriebstemperatur kühlbar ist, die weit unterhalb einer Raumtemperatur liegt, und bei dem eine Zusatzkühleinrichtung (32) zuschaltbar ist, die mit der wenigstens einem Kühlstufe (14) der Pumpe (10) in thermischer Verbindung steht und mittels der während eines Heizbetriebs der Pumpe (10) und/oder der Vakuumkammer (72) die Kühlstufe (14) auf eine zweite mittlere Betriebstemperatur kühlbar ist, die oberhalb der ersten mittleren Betriebstemperatur liegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzkühleinrichtung (32) während des Heizbetriebs die erste Kühlstufe (14) kühlt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kühlstu- fe (14) eine Kühlleistung von ca. 50 bis 80 Watt aufweist und dass die zweite Kühlstufe (20) eine Kühlleistung von ca. 5 bis 10 W aufweist.
10. Anordnung zur Erzeugung eines Hochvakuums innerhalb einer Vakuumkammer (72), mit einer Pumpe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, die eine Zusatzkühleinrichtung (32) aufweist.
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