CH686384A5

CH686384A5 - Kryopumpe.

Info

Publication number: CH686384A5
Application number: CH229992A
Authority: CH
Inventors: Marcel Kohler
Original assignee: Marcel Kohler
Priority date: 1992-07-21
Filing date: 1992-07-21
Publication date: 1996-03-15
Also published as: JP3297501B2; JPH06167275A; US5343709A; DE4324311C2; DE4324311A1

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Kryopumpe, mit einem Gehäuse, welches eine Eintrittsöffnung aufweist, einem im Gehäuse angeordneten zweistufigen Kühlkopf, mindestens einer Kühlfläche, welche an die zweite Stufe des Kohlkopfs angeschlossen ist, einer eine Öffnung aufweisenden Abschirmung und einer Blende, welche an die erste Stufe angeschlossen sind, um als Strahlungsschutz für die Kühlfläche der zweiten Stufe zu dienen.

Kryopumpen für die Vakuumtechnik weisen in der Regel zwei Stufen mit Kühlflächen auf, welche unterschiedliche Temperaturniveaus aufweisen. An diesen Kühlflächen werden mit wenigen Ausnahmen alle Gase kondensiert. In der Regel wird eine äussere als Abschirmung gegen Wärmestrahlen wirkende Kühlfläche auf einem Temperaturniveau von etwa 80 K gehalten; und eine innere Kühlfläche wird auf einem Temperaturniveau von 20 K oder weniger gehalten. Mit Ausnahme einer Öffnung für den Zutritt der Gase umgibt die Abschirmung die innere Kühlfläche. Diese Öffnung ist mit einer aus Segmenten bestehenden Blende verschlossen. Die Blende vermindert die Wärmeeinstrahlung und dadurch die Wärmebelastung der inneren Kühlfläche. Bei einer direkten Wärmeeinstrahlung würde nämlich das Temperaturniveau der inneren Kühlfläche über die üblichen 20 K angehoben. Dies würde das Absorbieren von Gasen mit niedrigem Molekulargewicht derart stören, dass die gewünschte Pumpwirkung für diese Gase nicht erreicht würde.

Die Blende besteht üblicherweise aus konzentrisch angeordneten Blechringen, auch Chevrons genannt. Es sind auch Blenden bekannt, welche parallel zueinander liegende V-förmige Blechlamellen besitzen, welche die Eintrittsöffnung zur inneren Kühlfläche optisch dicht verschliessen. Blenden haben den Nachteil, dass sie den Zutritt der zu kondensierenden oder zu absorbierenden Gasmoleküle erschweren.

Es ist offensichtlich, dass ein widerstandsfreier Zutritt von Gasmolekülen - man spricht in diesem Fall von einem hohen Leitwert - ein maximales Saugvermögen der Kryopumpe ergibt.

Bei der Gestaltung der Blende wurde daher bei bekannten Kryopumpen ein optimaler Kompromiss gesucht, um einerseits eine minimale Wärmeeinstrahlung zuzulassen und andererseits einen maximalen Leitwert zu erhalten, damit die Kryopumpe ein entsprechend hohes Saugvermögen besitzt. Die bekannten Kryopumpen haben jedoch den Nachteil, dass ihr Saugvermögen ganz erheblich unter dem theoretisch möglichen Wert liegt. Weiter haben die bekannten Kryopumpen den Nachteil, dass sie eine grosse Baulänge bzw. eine grosse Bautiefe besitzen.

Bei vielen Vakuumprozessen wird mit Prozessgasen gearbeitet. Damit die Kryopumpe nicht durch zu hohe Gasströme, z.B. beim Sputtern, überlastet wird, wird in der Regel zwischen der Kryopumpe und der Vakuumkammer ein stufenlos regulierbares Drosselventil eingebaut. Das über entsprechende Vakuumdrucksensoren gesteuerte Drosselventil ver-schliesst während gewissen Prozessstufen weitgehend den Gaszutritt zur Kryopumpe. Dies hat jedoch den Nachteil, dass für den Vakuumprozess schädliche Dämpfe, z.B. Wasserdampf, nicht mehr in genügendem Ausmass kontinuierlich von der Kryopumpe aus der Vakuumprozesskammer abgepumpt werden. Die Drosselung erweist sich daher als grosser Nachteil.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile bekannter Kryopumpen mindestens teilweise zu vermeiden. Es soll eine Kryopumpe geschaffen werden, welche einen hohen Leitwert aufweist, ohne dass dadurch der Strahlungsschutz zur 20 K Kühlfläche kompromittiert wird. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Kryopumpe zu schaffen, die eine geringe Baulänge aufweist und sich für kompakte Vakuumsysteme eignet. Schliesslich soll auch eine Kryopumpe geschaffen werden, welche bei der Verwendung für Prozesse mit hohen Gasströmen, z.B. beim Sputtern und Glimmen in Beschichtungsanla-gen, kein separates Drosselventil mehr benötigt. Das Saugvermögen für Wasserdampf soll aber auch bei einer Drosselung des Saugvermögens für Prozessgase aufrechterhalten bleiben.

Erfindungsgemäss ist eine Kryopumpe der eingangs erwähnten Gattung dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung und das Gehäuse relativ derart zueinander beweglich sind, um die Öffnung in der Abschirmung relativ zur Eintrittsöffnung zu verschieben. Dadurch ist es möglich, eine Drosselung zu bewirken, ohne dass ein zusätzliches Drosselventil notwendig wäre. Im Gegensatz zur Verwendung eines Drosselventils, welches durch Verengung des Querschnitts der Saugleitung das Saugvermögen auch für prozessschädliche Gase drosselt, wird bei der Verwendung der mit den genannten Merkmalen ausgebildeten Kryopumpe nur das Saugvermögen für Prozessgase gedrosselt.

Zweckmässigerweise ist die Eintrittsöffnung in einem vorzugsweisen rechten Winkel zur Pumpenachse angeordnet. Dies ergibt eine kurze Baulänge, so dass die Kryopumpe sich auch für Vakuumanlagen eignet, die sehr kompakt gebaut sind.

Vorteilhaft ist die Kryopumpe dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung die Form eines oben und unten abgeschlossenen Zylindermantels aufweist, der seitlich eine der Eintrittsöffnung des Gehäuses zugewandte Öffnung besitzt, und dass die Blende die Kühlfläche der zweiten Stufe gegen die Eintrittsöffnung hin abschirmt. Dies ergibt eine besonders einfache Konstruktion. Zweckmässigerweise ist die Blende näher bei der Kühlfläche der zweiten Stufe als die Abschirmung angeordnet. Dadurch wird auf einfache Weise eine ungedrosselte Durchlassöffnung für die Gase geschaffen. Auch ist die so gebildete Konstruktion besonders einfach und preisgünstig in der Fertigung. Wie bereits erwähnt, kann die Blende z.B. ein Blechschild sein. Dies ergibt eine besonders billige Konstruktion. Die Blende kann aber auch z.B. durch in Abstand voneinander angeordnete Lamellen gebildet werden. Dadurch wird im Gegensatz zu einer Blende in Form eines Blechschildes ein höheres Saugvermögen erzielt. Diese Konstruktion ist im Gegensatz zu den üblichen Chevrons besonders einfach und

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preisgünstig. Die Kühlfläche der zweiten Stufe wird vorteilhaft durch einen Zylindermantel gebildet. Die Blende kann dabei konzentrisch zur Kühlfläche der zweiten Stufe angeordnet sein, was eine besonders einfache und zweckmässige Gestaltung der Kryopumpe ergibt.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass zwischen der Abschirmung und der Blende eine Durchlassöffnung besteht, um von der Eintrittsöffnung her den freien Zutritt der Gase zu gestatten. Da die Blende praktisch den gleichen oder einen grösseren Querschnitt aufweisen kann wie die Eintrittsöffnung, wird die Kühlfläche der zweiten Stufe durch die Blende optisch dicht abgeschirmt. Andererseits ermöglicht aber die optisch unverschlossene Durchlassöffnung einen direkten Zutritt von Gasen zur Kühlfläche der zweiten Stufe. Die Kryopumpe hat daher einen hohen Leitwert und somit auch ein entsprechend hohes Saugvermögen. Im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik ermöglicht die Erfindung auch die Verwendung einer Blende, die aus einem einfachen Blechstück besteht. Eine solche Blende ist wesentlich billiger als eine bekannte Blende mit Chevrons oder Lamellen.

Es kann beispielsweise eine Stelleinrichtung vorgesehen sein, um die Abschirmung im Gehäuse zu drehen. Eine solche Konstruktion ist relativ einfach. Eine andere Variante sieht eine Stelleinrichtung vor, um die Abschirmung im Gehäuse axial zu verschieben. Auch diese Konstruktionsvariante lässt sich mit relativ geringem Aufwand realisieren.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Kryopumpe,

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II von Fig. 1,

Fig. 3 eine Variante zur Ausführungsform der Blende in Fig. 2,

Fig. 4 eine Kryopumpe wie in Fig. 1, jedoch mit einem verdrehbaren Kühlkopf und

Fig. 5 ein Prinzipschema einer Vakuumprozessanlage.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Kryopumpe besitzt ein Gehäuse 11, welches eine Eintrittsöffnung 22 aufweist. Im Gehäuse 11 ist ein zweistufiger Kühlkopf 13 angeordnet. Die erste Stufe besitzt Kühlflächen, die auf 80 K oder weniger gehalten werden. Die zweite Stufe besitzt eine oder mehrere Kühlflächen, die auf 20 K oder weniger gehalten werden. Die Kühlfläche 17 der zweiten Stufe ist mit einem Sorptionsmittel, z.B. Aktivkohle, belegt, welches für das Pumpen der bei 20 K nicht-konden-sierbare Gase, wie Wasserstoff, Neon und Helium, notwendig ist.

Das Gehäuse 11 besteht aus einem zylindrischen Rohr 19, welches mit einem rechtwinklig zur Achse 20 angeordneten Anschlussflansch 23 versehen ist. Das untere Ende des Gehäuses 11 ist mit einem Flansch 27 verschlossen, an welchem der Kühlkopf 13 befestigt ist. Die Anschlüsse 29, 31

dienen beispielsweise zum Anbringen von Messköpfen und Pumpstutzen.

Der Kühlkopf 13 besitzt zwei unterschiedliche Temperaturen erzeugende Kühlstufen. An die erste Kühlstufe 33 ist die Abschirmung 15 angeschlossen, welche die auf der zweiten Kühlstufe 37 angeordnete Kühlfläche 17 praktisch bis auf die Öffnung 18 allseitig umgibt. Gegenüber der durch den Anschlussflansch 23 gebildeten Eintrittsöffnung 22 ist die Blende 35 angeordnet. Dies verhindert eine direkte Wärmeeinstrahlung durch die Eintrittsöffnung 22 auf die Kühlfläche 17. Bei einer direkten Wärmeeinstrahlung würde das Temperaturniveau der Kühlfläche 17 so stark angehoben, dass die Absorption von Gasen mit niedrigem Molekulargewicht nur ungenügend erfolgen könnte.

Die Blende 35 mit den Lamellen 43 ist mit Haltestegen 45 (nur in Fig. 1 und 4 gezeigt) mit der Abschirmung 15 verbunden. Die Lamellen 43 bestehen beispielsweise aus Blechstreifen. Es ist auch möglich, einen Blechschild 35' als Blende zu benutzen (Fig. 3). Dies ist besonders kostengünstig, hat aber den Nachteil, dass das Saugvermögen etwas vermindert wird. Die zwischen Blende 35 und Abschirmung 15 gebildete Durchlassöffnung 51 ermöglicht einen maximalen Zutritt der Gasmoleküle zur Kühlfläche 17, ohne dass eine direkte Wärmeeinstrahlung von der Eintrittsöffnung 22 her zur Kühlfläche 17 erfolgen kann. Dank der Durchlassöffnung 51 weist die Kryopumpe einen hohen Leitwert auf, so dass sie gegenüber bekannten Kryopumpen ein wesentlich höheres Molekular-Saugver-mögen besitzt.

Die in der Fig. 4 dargestellte Kryopumpe ist praktisch gleich gebaut wie jene der Fig. 1 und 2, besitzt aber eine Stelleinrichtung 55, mit welcher der Kühlkopf 13 mit der inneren Kühlfläche 17 und der äusseren Kühlfläche 15 um die Achse 20 gedreht werden kann.

Betrachtet man Fig. 2, so lässt sich leicht erkennen, dass sich mit einer Stelleinrichtung 55, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist, der Kühlkopf 13 mit der Abschirmung 15 so gegenüber der Eintrittsöffnung 22 verdreht werden kann, dass sich der Gaszutritt zu der inneren Kühlfläche 17 stufenlos regulieren lässt. Trotzdem bleibt in jeder Stellung das Saugvermögen für Wasserdampf vollumfänglich aufrechterhalten, weil keine Drossel mehr benötigt wird, welche den Querschnitt vor dem Anschlussflansch 23 verengen würde.

Die Stelleinrichtung 55 besteht im wesentlichen aus dem Stellmotor 56, dem vom Stellmotor 56 antreibbaren Zahnrad 57, und dem mit dem Zahnrad 57 in Eingriff stehenden Zahnrad 58, das mit dem Kühlkopf 13 verbunden ist. Das Zahnrad 58 besitzt eine Nabe 59, welche mittels der Gleitlager 60 im Stutzen 62 des Flansches 27 drehbar gelagert ist. Eine Dichtung 64 ist mittels des Ringes 66 und Schrauben (nicht eingezeichnet) am Flansch 27 befestigt.

In Fig. 4 ist auch die zwischen dem Gehäuse 19 und dem Flansch 27 angeordnete Dichtung 67 ersichtlich.

Fig. 5 zeigt schematisch den Aufbau einer Prozessanlage, z.B. einer Load Lock Sputteranlage,

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mit einer Kryopumpe 10, deren Saugvermögen der Prozessgase mittels der Stelleinrichtung 55 gedrosselt werden kann, ohne dass aber das Saugvermögen für den prozessschädlichen Wasserdampf reduziert wird. Mittels einer Prozesssteuerung 59 kann über einen Druckmesskopf 61 oder ein oder mehrere Gaseinlassventile 63, bzw. über die Stelleinrichtung 55 der Kryopumpe 10 der Prozess so gesteuert werden, dass ohne zusätzliches Drosselventil zwischen der Kryopumpe 10 und der Prozesskammer 65 die Prozessparameter optimal eingehalten werden können. Auf diese Weise kann die Kryopumpe 10 vor Überlastung geschützt umd der Prozessgasverbrauch erheblich reduziert werden.

Claims

Patentansprüche

1. Kryopumpe, mit einem Gehäuse (11), welches eine Eintrittsöffnung (22) aufweist, einem im Gehäuse (11) angeordneten zweistufigen Kühlkopf (13), mindestens einer Kühlfläche (17), welche an die zweite Stufe (37) des Kühlkopfs (13) angeschlossen ist, einer eine Öffnung (18) aufweisenden Abschirmung (15) und einer Blende (35), welche an die erste Stufe (33) angeschlossen sind, um als Strahlungsschutz für die Kühlfläche (17) der zweiten Stufe (37) zu dienen, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung (15) und das Gehäuse (11) relativ derart zueinander beweglich sind, um die Öffnung (18) in der Abschirmung (15) relativ zur Eintrittsöffnung (22) zu verschieben.

2. Kryopumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsöffnung (22) in einem vorzugsweise rechten Winkel zur Pumpenachse (20) angeordnet ist.

3. Kryopumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung (15) die Form eines oben und unten abgeschlossenen Zylindermantels aufweist, der seitlich eine der Eintrittsöffnung (22) des Gehäuses (11) zugewandte Öffnung (18) besitzt, und dass die Blende (35) die Kühlfläche (17) der zweiten Stufe (37) gegen die Eintrittsöffnung (22) hin abschirmt.

4. Kryopumpe nach einem der Ansprüche 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (35) näher bei der Kühlfläche (17) der zweiten Stufe (37) als die Abschirmung (15) angeordnet ist.

5. Kryopumpe nach einem der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende durch einen Blechschild (35) gebildet ist.

6. Kryopumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (35) durch in Abstand voneinander angeordnete Lamellen (43) gebildet ist.

7. Kryopumpe nach einem der Ansprüche 1 bis

6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlfläche (17) der zweiten Stufe (37) durch einen Zylindermantel gebildet ist, der mit einem Absorptionsmaterial belegt ist.

8. Kryopumpe nach einem der Ansprüche 1 bis

7, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (35) konzentrisch zur Kühlfläche (17) der zweiten Stufe (37) angeordnet ist.

9. Kryopumpe nach einem der Ansprüche 1 bis

8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stelleinrichtung (55) vorgesehen ist, um die Abschirmung (15) im Gehäuse zu drehen.

10. Kryopumpe nach einem der Ansprüche 1 bis

9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stelleinrichtung vorgesehen ist, um die Abschirmung im Gehäuse axial zu verschieben.

11. Kryopumpe nach einem der Ansprüche 1 bis

10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Abschirmung (15) und der Blende (35) eine Durchlassöffnung (51) besteht, um von der Eintrittsöffnung (22) her den freien Zutritt der Gase zu gestatten.

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