DE19632123A1 - Kryopumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kryopumpe mit während ihres Betriebs auf unterschiedlichen Temperaturen gehaltenen Pumpflächen, die in einem Gehäuse mit einem Flansch zum Anschluß der Pumpe an einen Rezipienten angeordnet sind.

Kryopumpen für die Erzeugung von Hoch- und Ultrahochva­ kuum werden in der Regel mit einem zweistufigen Refrige­ rator betrieben, der einen zweistufigen Kaltkopf umfaßt. Sie weisen drei Pumpflächenbereiche auf, die zur Anlage­ rung von verschiedenen Gasarten bestimmt sind. Der erste Flächenbereich steht mit der ersten Stufe des Kaltkopfes in gut wärmeleitendem Kontakt und hat je nach Art und Leistung des Refrigerators eine Temperatur von etwa 80 K. Zu diesen Flächenbereichen gehören üblicherweise ein Strahlungsschirm und ein Baffle. Diese Bauteile schützen die Pumpflächen tieferer Temperatur vor einfallender Wärmestrahlung. Außerdem bilden sie die Pumpflächen der ersten Stufe und dienen bevorzugt der Anlagerung von re­ lativ leicht kondensierbaren Gasen, wie Wasserdampf und Kohlendioxyd, durch Kryokondensation.

Der zweite Pumpflächenbereich steht mit der zweiten Stufe des Kaltkopfes in wärmeleitendem Kontakt. Diese Stufe hat während des Betriebs der Pumpe eine Temperatur von etwa 20 K und weniger. Der zweite Flächenbereich dient bevorzugt der Entfernung von erst bei tieferen Temperaturen kondensierbaren Gasen, wie Stickstoff, Ar­ gon oder dergleichen, durch Kryokondensation sowie zum Trapping leichterer Gase, wie H₂ oder He, in einer Majo­ rität der genannten kondensierbaren Gase. Der dritte Pumpenflächenbereich liegt ebenfalls auf der Temperatur der zweiten Stufe des Refrigerator-Kaltkopfes (bei einem Kaltkopf mit drei Stufen entsprechend tiefer) und ist mit einem Adsorptionsmaterial belegt. An diesen Pumpflä­ chen findet im wesentlichen die Kryosorption leichter Gase, wie Wasserstoff, Helium oder dergleichen statt.

Beim Einsatz von Kryopumpen in der Beschichtungstechnik, bei Sputterprozessen oder bei der Ionenimplantation, reicht das durch die Größe des Hochvakuumflansches und der zugehörigen Pumpflächen vorgegebene Wasserdampfsaug­ vermögen nicht mehr aus. In solchen Fällen wird das zu­ sätzlich benötigte Wasserdampfsaugvermögen durch weitere Pumpflächen erreicht, die in der Prozeßkammer instal­ liert werden. Die Kühlung dieser Pumpflächen erfolgt mit flüssigem Stickstoff (Meißnerfalle), mit Frigen, mit Frigenersatzmaschinen oder mit einstufigen Refrigerato­ ren, zum Beispiel nach dem Gifford-McMahon-Prinzip. Die Kühlung der zusätzlich benötigten Pumpflächen mit flüs­ sigem Stickstoff ist mit relativ hohen Betriebskosten verbunden; das Handling des flüssigen Stickstoffes ist aufwendig. Die Frigen-Kühler sind groß und teuer; selbst die Frigen-Ersatzstoffe sind nicht bedenkenlos für die Umwelt. Schließlich sind auch zusätzliche Refrigeratoren aufwendig und teuer.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kryopumpe der eingangs erwähnten Art mit zusätzli­ chen Pumpflächen für Wasserdampf auszurüsten, ohne die geschilderten Nachteile in Kauf nehmen zu müssen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Kryopumpe mit weiteren für die Anlagerung von Was­ serdampf bestimmten Pumpflächen ausgerüstet ist, die sich außerhalb ihres Gehäuses befinden und mit der er­ sten Stufe des Kaltkopfes über eine Kältebrücke in Ver­ bindung stehen. Durch diese Maßnahmen wird erreicht, daß nur eine Kühlmaschine, nämlich der Refrigerator der be­ reits vorhandenen Kryopumpe, für die Pumpflächen der Kryopumpe und für das zusätzlich installierte Wasser­ dampfsaugvermögen nötig ist. Die außerhalb des Gehäuses der Kryopumpe angeordneten Wasserdampf-Pumpflächen sind zweckmäßig unmittelbar in der Prozeßkammer angeordnet und können deren Geometrie angepaßt werden. Separate Kühlmaschinen oder Kältequellen sind nicht mehr erfor­ derlich.

Um die zusätzlichen Pumpflächen für Wasserdampf mit op­ timaler Wirkung betreiben zu können, ist es zweckmäßig, sie mit einem Sensor und mit einer Heizung auszurüsten. Dadurch ist es möglich, ihre Temperatur auf optimale Werte einstellen zu können.

Der Refrigerator der Kryopumpe muß derart ausgebildet sein, daß die Kälteleistung der ersten Stufe des Kalt­ kopfes ausreicht, um sowohl den Strahlungsschirm und das Baffle der Kryopumpe als auch die zusätzlichen Wasser­ dampfpumpflächen ausreichend zu kühlen. Refrigeratoren dieser Art sind bekannt. Diese sind nicht größer in der Abmessung sowohl des Kaltkopfes als auch des Kom­ pressors. Wegen der erhöhten Kälteleistung der ersten Stufe ist es für einen optimalen Betrieb der Kryopumpe von Vorteil, wenn die für die zusätzlichen Pumpflächen abgezweigte Kälteleistung ein- und ausschaltbar ist.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Fig. 1 bis 6 dargestellten Ausfüh­ rungsbeispielen erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 eine an eine Prozeßkammer angeschlossene Kryopumpe mit zusätzlich installiertem Wasser­ dampfsaugvermögen,

Fig. 2 eine Kryopumpe nach Fig. 1 mit einem Hochvakuumventil und

Fig. 3 bis 6 Kryopumpen mit verschiedenen Kältebrücken für zusätzliche Wasserdampf-Pumpflächen.

Bestandteile der in den Figuren dargestellten Kryopumpen 1 sind das Gehäuse 2 mit dem die Einlaßöffnung 3 umge­ benden Flansch 4 sowie der im Gehäuse 2 untergebrachte zweistufige Kaltkopf 5 mit den Stufen 6 und 7. Mit der ersten Stufe 6 des Refrigerators 5 ist der Strahlungs­ schirm 8 gekoppelt, der seinerseits das im Einlaßbereich befindliche Baffle 9 trägt. Die zweite Stufe 7 des Kalt­ kopfes 5 befindet sich innerhalb des Strahlungsschirmes 8 und trägt Blechabschnitte, die den zweiten Pumpflä­ chenbereich 12 und dritten Pumpflächenbereich 13 bilden.

Der zweistufige Kaltkopf 5 ist Bestandteil eines Gif­ ford-McMahon-Refrigerators, zu dem der Kompressor 14 für das Arbeitsgas (Helium) und der Antriebsmotor 15 für ein nicht dargestelltes Ventilsystem gehören. Mit 16 ist ei­ ne an das Gehäuse 2 angeschlossene Vorvakuumpumpe be­ zeichnet. Der Steuerung des Refrigerators dient eine Steuereinheit 17, die mit Druckmeßgeräten 21, 22 sowie im einzelnen nicht dargestellten Druck- und Temperatur­ sensoren im Gehäuse 2, an beiden Stufen 6, 7 des Kalt­ kopfes und/oder an den Pumpflächen 12, 13 in Verbindung steht. Sie dienen der Steuerung des Betriebs und der Re­ generation der Kryopumpe 1.

Die Kryopumpe 1 ist an einen Rezipienten 25 angeschlos­ sen, dessen Druck vom Meßgerät 21 überwacht wird und in dem ein Verfahren mit erhöhtem Wasserdampfanfall durch­ geführt wird. Um auf zusätzliche Kältemaschinen mit Was­ serdampfkondensationsflächen verzichten zu können, ist die Kryopumpe 1 selbst mit zusätzlichen Pumpflächen 26 ausgerüstet, die in der Nähe des Einlasses 3 im Rezi­ pienten 25 angeordnet sind. Zweckmäßig bildet ein kreis­ ringförmiges, den Einlaß 3 umgebendes Blech 27 aus gut wärmeleitendem Metall (z. B. Cu) die zusätzlichen Pump­ flächen 26, welches über eine oder mehrere Kältebrücken 28 mit dem Strahlungsschirm 8 oder direkt mit der ersten Stufe 6 des Kaltkopfes 5 in Verbindung steht. Zur Ein­ stellung einer optimalen Betriebstemperatur sind die Pumpflächen 26 mit einem Temperatursensor 31 und einer Heizung 32 ausgerüstet, die über nur zum Teil darge­ stellte Leitungen mit der Steuereinheit 17 in Verbindung stehen.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 bestehen die Käl­ tebrücken 28 aus Stäben oder Metallstreifen 33, die am Strahlungsschirm 8 mit gutem thermischen Kontakt lösbar befestigt sind, durch die Einlaßöffnung 3 hindurchge­ führt wird und die Pumpflächen 26 bzw. das z. B. kreis­ ringförmige Blech 27 tragen.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 befindet sich zwi­ schen der Kryopumpe 1 mit ihrem Flansch 4 und dem Rezi­ pient 25 mit seinem Flansch 30 ein separates Hochvakuum­ ventil 35. Um die Kältebrücken 28 aus dem Innenraum der Kryopumpe 1 in den Rezipienten 25 hineinführen zu kön­ nen, sind die Flansche des Ventils 35 außerhalb des Öff­ nungsquerschnittes des Ventils 35 mit thermischen Durch­ führungen 36 ausgerüstet. Der Innendurchmesser des Flan­ sches 4 der Kryopumpe 1 und des Flansches 30 des Rezi­ pienten 25 ist zweckmäßig derart groß gewählt, daß sich in Höhe dieser Flansche die Kältebrücke (u) 28 im Rezi­ pienten 25 bzw. im Gehäuse 2 der Kryopumpe 1 befinden. Ist das Ventil 35 in der Kryopumpe 1 integriert, dann ist eine Lösung dieser Art ebenfalls zweckmäßig.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 stehen stab- oder streifenförmige Kältebrücken 28 bzw. 33 unmittelbar mit der ersten Stufe 6 des Kaltkopfes 5 in wärmeleitender Verbindung. Sowohl der Flansch 4 der Kryopumpe 1 als auch der Flansch 30 des Rezipienten sind mit thermischen Durchführungen 36 ausgerüstet. Mit "thermische Durchfüh­ rungen" sollen Durchführungen gemeint sein, die die Wär­ mebrücke 28 gegenüber dem Flansch 4 bzw. 30 thermisch isoliert.

Wie bereits erwähnt, ist es zweckmäßig, wenn die den zu­ sätzlichen Pumpflächen 26 zugeführte Kälteleistung schaltbar ist. Ein mechanischer Thermoschalter 41, wie er in Fig. 3, links, beispielsweise dargestellt ist, kann dazu eingesetzt werden. Die Kältebrücke 28 ist an der Stelle des Thermoschalters 41 unterbrochen und weist zwei einander überlappende Abschnitte 42 und 43 auf. Mindestens der Abschnitt 43 ist beweglich (biegsam, fle­ xibel, schwenkbar o. dgl.) ausgebildet und steht mit dem Anker 44 eines Magnetantriebes 45 in Verbindung. Der An­ ker 44 steht unter der Wirkung einer Feder 46. Anker 44 und Feder 46 befinden sich in einem rohrförmigen Gehäu­ seansatz 47. Die Spule 48 umgibt diesen Gehäuseansatz 47. Durch Betätigung des Magnetantriebes 45 kann die Kältezuführung zu den zusätzlichen Pumpflächen 26 zu- oder abgeschaltet werden. Je nachdem, ob die Feder 46 eine Zug- oder Druckfeder ist, ist der Schalter 41 im stromlosen Zustand offen oder geschlossen. Anstelle des Magnetantriebes kann auch ein pneumatischer Antrieb vor­ gesehen sein.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführung für einen Thermo­ schalter, der als Gasthermoschalter 61 ausgebildet ist. Er umfaßt einen in die Kältebrücke 28 integrierten Hohl­ raum 62 mit einem zylindrischen Gehäuse 63. Die Stirn­ seiten des Gehäuses 63 bestehen aus gut wärmeleitendem, sein zylindrischer Abschnitt aus schlecht wärmeleitendem Werkstoff. Der Hohlraum 62 steht über ein Ventil 64 mit einem Gasvorratsgefäß 65 in Verbindung. Ist der Hohlraum 62 mit Gas gefüllt, ist der Schalter 61 geschlossen. Zur Unterbrechung des thermischen Kontaktes wird das Kon­ taktgas nach dem Öffnen des Ventils 64 in das Vorratsge­ fäß 65 geleitet. Dieses kann mit Hilfe eines im Vorrats­ gefäß 65 befindlichen Adsorptionsmittel geschehen, das auf die Temperatur der ersten Stufe 6 des Kaltkopfes 5 gekühlt wird. Mit Hilfe einer nicht dargestellten Hei­ zung kann das Gas wieder aus dem Vorratsgefäß 65 heraus­ getrieben werden.

Bei den Ausführungsbeispielen nach Fig. 5 und 6 sind die zusätzlichen Pumpflächen 26 mit einem Wärmetauscher 51 ausgerüstet, der während des Betriebs von kaltem Gas durchströmt ist. Als Gas kann kaltes Arbeitsgas (Helium) aus der ersten Stufe 6 des Kaltkopfes 5 verwendet wer­ den. Die Kältebrücken 28 sind deshalb als Rohrleitungen 52, 53 ausgebildet, die den Wärmetauscher 51 mit der er­ sten Stufe 6 des Kaltkopfes 5 verbinden. Um die Kältezu­ fuhr schalten und/oder regeln zu können, sind die Rohr­ leitungen 52, 53 mit Ventilen 54, 55 ausgerüstet. Kälte­ mittelrückführungen sind im einzelnen nicht dargestellt.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist die Rohrlei­ tung 52 durch die Flansche 4, 30 hindurchgeführt. Eine schematisch dargestellte Schraubverbindung 56 ermöglicht die Trennung der im Rezipienten 25 befindlichen Pumpflä­ chen 26 von den übrigen Bestandteilen der Kryopumpe 1.

Die Ausführung nach Fig. 6 ist mit einem die Flansche 4, 30 umgehenden Bypass 57 ausgerüstet. Diese Lösung ist zweckmäßig, wenn - wie bei der Kryopumpe 1 nach Fig. 2 - ein Ventil 35 vorhanden ist. Der Bypass 57 besteht aus einem Anschlußstutzen 58 am Gehäuse 2 der Kryopumpe 1 und einem Anschlußstutzen 59 am Rezipienten 25. Diese sind mit Hilfe einer Flanschverbindung 61 lösbar mitein­ ander verbunden. Die Rohrleitung 53 mit ihrer Schraub­ verbindung 67 ist durch den Bypass 57 hindurchgeführt. Der Innenraum des Bypasses 57 steht unter Vakuum, so daß die erste Stufe 6 des Kaltkopfes 5 ohne die Gefahr von Wärmeverlusten mit dem Wärmetauscher 51 verbunden werden kann.

Alternativ zur Lösung nach Fig. 6 kann anstelle des By­ passes 57 eine Schaumstoffisolation vorgesehen sein, so daß das Ventil - durch Schaumstoff isoliert - frei zu­ gänglich ist. Bei dieser Lösung werden nur zwei dünne Durchführungen für die Helium-Leitung 52 bzw. 53 benö­ tigt.

Claims (20)

1. Kryopumpe (1) mit während ihres Betriebs auf unter­ schiedlichen Temperaturen gehaltenen Pumpflächen (8, 9, 12, 13), die in einem Gehäuse (2) mit einem Flansch (4) zum Anschluß der Pumpe (1) an einem Re­ zipienten (25) angeordnet sind, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie mit weiteren für die Anlagerung von leicht kondensierbaren Gasen bestimmten Pump­ flächen (26) ausgerüstet ist, die sich außerhalb ihres Gehäuses (2) befinden und mit der ersten Stufe des Kaltkopfes (6) eines mindestens zweistu­ figen Refrigerators (5)) über mindestens eine Käl­ tebrücke (28) in Verbindung stehen.

2. Kryopumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Pumpflächen (26) innerhalb des Re­ zipienten (25) angeordnet sind.

3. Kryopumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpflächen (26) von einem Blech (27) ge­ bildet werden, das die Einlaßöffnung (3) der Kryo­ pumpe (1) umgibt.

4. Kryopumpe nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Pumpflächen (26) mit einem Temperatursensor (31) und/oder mit einer Heizung (32) ausgerüstet sind.

5. Kryopumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kältebrücke (28) durch das Innere der Flansche (4, 30) von Kryopumpe (1) und Rezipient (25) hindurchgeführt ist.

6. Kryopumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kältebrücke (28) durch in den Flanschrändern befindliche thermische Durchfüh­ rungen (36) hindurchgeführt ist.

7. Kryopumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit ei­ nem Hochvakuumventil (35), dadurch gekennzeichnet, daß die Kältebrücke durch die Ränder der Flansche eines Hochvakuumventils (35) hindurchgeführt ist.

8. Kryopumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kältebrücke durch einen die Flansche (4, 30) umgehenden Bypass (57) hindurchge­ führt ist.

9. Kryopumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Bypass (57) von zwei Anschlußstutzen (58, 59) gebildet wird, die an der Kryopumpe (1) bzw. am Rezipienten (25) angeordnet und über eine Flansch­ verbindung (61) miteinander verbindbar sind.

10. Kryopumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kältebrücke (28) aus Stäben oder Streifen (33) aus gut wärmeleiten­ dem Material bestehen, die die zusätzlichen Pum­ pflächen (26) mit einer Pumpfläche (8) der ersten Stufe (6) des Kaltkopfes (5) oder unmittelbar mit der Stufe (6) des Kaltkopfes (5) verbinden.

11. Kryopumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kältebrücke (28, 33) mit einem mechanischen Thermoschalter (41) ausgerüstet ist.

12. Kryopumpe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kältebrücke (33) zwei einander überlappende Abschnitte (42, 43) aufweist, von denen mindestens einer beweglich ausgebildet ist.

13. Kryopumpe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche Abschnitt (43) mit einem Magnet­ antrieb oder pneumatischem Antrieb (45) in Verbin­ dung steht.

14. Kryopumpe nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetantrieb (45) einen Anker (44) und ei­ ne Spule (48) umfaßt und daß sich der Anker (44) innerhalb eines rohrförmigen Gehäuseansatzes (47) befindet.

15. Kryopumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kältebrücke (28, 33) mit einem Gasthermo­ schalter (61) ausgerüstet ist.

16. Kryopumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Pumpflächen mit einem Wärmetauscher (51) ausgerüstet sind und daß die Kältebrücke (28) als Rohrleitung (52, 53) für ein Kältemittel ausgebildet ist.

17. Kryopumpe nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Stufe (6) des Refrigerators (5) über die Rohrleitung (52, 53) in Verbindung stehen, und daß als Kühlmittel das kalte Arbeitsgas der ersten Stufe (6) des Kaltkopfes (5) verwendet wird.

18. Kryopumpe nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Rohrleitung (52, 53) mit einem Ventil (54, 55) ausgerüstet ist.

19. Kryopumpe nach Anspruch 16, 17 oder 18, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Teilabschnitt der Rohrleitung (52, 53) außerhalb der Flansche (4, 30) geführt ist.

20. Kryopumpe nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der außerhalb der Flansche (4, 30) geführte Ab­ schnitt mit Hilfe eines evakuierbaren Bypasses (57) oder mit Hilfe von Schaumstoff thermisch isoliert ist.