DE3516780A1

DE3516780A1 - Oelfreies vakuumsystem

Info

Publication number: DE3516780A1
Application number: DE19853516780
Authority: DE
Inventors: Michael J. Randolph Mass. Eacobacci; Donald A. Millis Mass. Olsen
Original assignee: Helix Technology Corp
Current assignee: Azenta Inc
Priority date: 1984-05-11
Filing date: 1985-05-09
Publication date: 1985-11-14
Also published as: US4577465A; JPS6119987A; GB2158520A; GB8511294D0; GB2158520B

Description

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BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft Kryopumpen, und zwar im einzelnen Kryopumpen, die in Anwendungsfällen benutzt werden, in denen eine Arbeitskammer unter hohem Vakuum in extremer Sauberkeit bzw. Reinheit betrieben werden muß". 5

Kryopumpen werden oft dazu verwendet, Gase aus Arbeitsumgebungen zu entfernen und sie unter hohem Vakuum zu halten. Viele Prozesse erfordern ein nahezu perfektes Vakuum, damit gute Ergebnisse erzielt werden. Weiter werden beste Prozeßergebnisse und Herstellungsleistungsfähigkeit bzw. -Wirkungsgrade oft dort erzielt, wo ein Vakuum im Arbeitsraum kontinuierlich aufrechterhalten wird. Auf diese Weise können gleichförmige und wiederholbare Prozesse ohne Unterbrechung ausgeführt werden. Die zunehmende Miniaturisierung der elektronischen Komponenten, die im Vakuum hergestellt werden, hat kürzlich dazu geführt, daß sich die Empfindlichkeit derartiger Komponenten gegenüber geringen Mengen an Verunreinigungsmitteln erhöht hat.

Arbeitsumgebungsdrücke bei Fabrikation unter Vakuum werden typischerweise unter 5x10 Torr gehalten. Bei den meisten Herstellungsvorgängen ist es jedoch notwendig, Materialien in den und aus dem Hochvakuumarbeitsraum zu befördern. Konventionellerweise kann das in zwei Arten geschehen. Das" einfachste Verfahren besteht darin, das Arbeitsmaterial in der Vakuumkammer unter atmosphärischen Bedingungen anzuordnen. Die Vakuumkammer wird dann vor dem Herstellungsprozeß evakuiert. Diese Periode des Evakuierens ist oft lang und führt nicht immer dazu, daß optimale Bedingungen in dem Arbeitsraum erzielt werden. Eine Alternative zu diesem Vorgehen besteht darin, eine Vakuumbeladeschleuse benachbart der Vakuumarbeitskammer zu verwenden. Diese Beladeschleuse wird dazu benutzt, Material in den und aus

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dem Arbeitsraum zu bewegen bzw. befördern, während man den Arbeitsraum unter Hochvakuum hält. In einer solchen Anordnung wird Rohmaterial in der Beladeschleuse unter Umgebung sbedingungen angeordnet, wonach die Beladeschleuse mittels einer Grobpumpe auf einen zwischenliegenden übergangsdruck evakuiert wird. Die Beladeschleuse*wird dann weiter mittels einer kleinen Hilfskryopumpe auf einen Hochvakuumzustand evakuiert. Nachdem der Beladeschleusenraum vollständig evakuiert worden ist, wird er nach dem Arbeitsraum hin geöffnet, und das Rohmaterial wird in den Arbeitsraum befördert.

Die Rohpumpen, die zum Evakuieren von Beladeschleusen auf zwischenliegende Drücke erforderlich sind, sind typischerweise ölgeschmierte Kolbenpumpen. Jedesmal, wenn Material in die Beladeschleuse gebracht wird, wird die Kolbenpumpe dazu benutzt, ein Grobvakuum oder einen übergangsdruck zu erzeugen, das bzw. der zur Aktivierung der Hilfskryopumpe erforderlich ist. Um es einer konventionellen Kryopumpe zu ermöglichen,eine typisch bemessene Beladeschleuse von 10 bis 15 Litern wiederholt zu evakuieren, ist ein übergangsdruck von etwa 3 bis 12 Torr erforderlich.

Bei niedrigen Drücken wird öldampf von der Grobpumpe freigesetzt und kann durch Rückwanderung in die Beladeschleuse eintreten. Daher kann eine gewisse kleine Menge an Verunreinigung auftreten, und es kann öldampf, der mit restlichen Atmösphärengasen gemischt ist, in der Beladeschleuse nach deren vollständigen Evakuieren in Mengen bestehen bleiben, die für eine Halbleiterherstellung nicht akzeptabel sind.

Diese Restgase werden in den Arbeitsraum freigesetzt, wenn Herstellungsmaterial von der Beladeschleuse in den Arbeitsraum befördert wird. Infolgedessen kann der Arbeitsraum

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kontinuierlich kleine Mengen an Verunreinigungsmitteln aufnehmen, welche die Sauberkeit des Arbeitsraum verschlechtern und die Produktqualität des Arbeitsraums vermindern.
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Typischerweise halten Pumpendrücke oberhalb von 200 Millitorr das Öl in der Grobpumpe im Übergangsbereich und im viskosen Bereich, wodurch die Verunreinigung minimalisiert wird. Unglücklicherweise ist es jedoch schwierig, den Grobdruck genau zu beschränken, und niedrigere Drücke können zu einer molekularen Rückströmung des Grobpumpenöls führen, was eine erhöhte Arbeitsraumkontamination zur Folge hat.

Mit der vorliegenden Erfindung soll daher ein im wesentlichen ölfreies kryogenes Vakuumsystem zur Verfügung gestellt werden. Ein solches System, das auch als Anordnung bezeichnet werden kann, schaltet eine ölkontamination von der Arbeitskammer aus.

Geschmierte Kolbenpumpen sind außerdem für die anfängliche Anlaufperiode von warmen Kryopumpen erforderlich. Um eine Kryopumpe in Gang zu setzen, muß ein Grobvakuumdruck von weniger als 50 Millitorr hergestellt sein. Da Grobpumpen gewöhnlich auf Minimaldrücke von etwa 200 Millitorr beschränkt sind, um die Effekte der ülrückströmung zu minimalisieren, führt dieser niedrigere Anlaufperiodendruck dazu, daß einiger kontaminierenden öldampf in das Kryopumpensystem eingeführt wird.

Mit der Erfindung soll daher weiterhin ein Verfahren zum Erzeugen einer ölfreien Kryopumpenanlaufperiode zur Verfügung gestellt werden.

Kurz zusammengefaßt werden mit der Erfindung ein Vakuumsystem und ein Betriebsverfahren zur Verfügung gestellt, die eine ölfreie Anlaufperiode einer Arbeitskammerkryopumpe und einen ölfreien fortgesetzten Betrieb des Systems bzw. der Anordnung ermöglichen. Das Vakuumsystem bzw. die Vakuumanordnung umfaßt eine Arbeitskammer und"eine Beladeschleuse zum Befördern von Material in die und aus der Arbeitskammer. Die Arbeitskammer ist so positioniert, daß sie in Strömungsmittelverbindung mit einer Arbeitskammerkryopumpe steht oder bringbar ist, während die Beladeschleuse so positioniert ist, daß sie in Strömungsmittelverbindung mit einer zweiten Kryopumpe und einem Gasejektor bzw. einer Gassaugstrahlpumpe steht oder bringbar ist.

In der bevorzugten Ausführungsform des Vakuumsystems ist die zweite Kryopumpe oder die Beladeschleusenkryopumpe eine Kryopumpe hoher thermischer Kapazität. Die hohe thermische Kapazität ermöglicht es, sehr schnell eine hohe thermische Belastung bzw. Beladung von etwa 100 Torr-Liter oder größer aufzunehmen, und eine hohe thermische Konduktanz bzw. ein hoher thermischer Wirkleitwert ermöglicht eine sehr schnelle Erholung. Eine thermische Kapazität von etwa 6 Joule/°Kelvin oder größer im Temperaturbereich von 8 bis 20⁰K. kann ohne eine wesentliche Erhöhung des Volumens der Pumpe dadurch erreicht werden, daß man die kälteste Kryoplattenanordnung wenigstens teilweise aus einem Material von hoher spezifischer Wärme in diesem Temperaturbereich ausbildet. Die beste Leistungsfähigkeit wird mit einem Material erzielt, das durch eine Kapazität pro VoIumeneinheit von etwa 0,2 Joule/Kubikzentimeter-°Kelvin charakterisiert ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Kryopumpe hoher thermischer Kapazität eine Niedrigtemperaturadsorptivanordnung, die sowohl aus einem in hohem Maße leitfähi-

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gen Material als auch aus Blei

aufgebaut ist. Das Blei kann zur Erhöhung der Härte mit Antimon legiert sein, und es kann entweder an eine einzige Schicht aus leitfähigem Material gebunden oder zwischen zwei Schichten des leitfähigen Materials angeordnet bzw. sandwichartig bzw. als Zwischenschicht vorgesehen sein. Wenn das Blei irgendeinen freiliegenden Oberflächenbereich hat, dann kann es mit Nickel plattiert sein, um sein Emissions^rmögen zu vermindern.

Das Verfahren mit der Verwirklichung einer Ölfreien Arbeitskammerkryopumpenanlaufzeit umfaßt den Verfahrensschritt des anfänglichen Verwendens des Luftejektors bzw. der Luftsaugstrahlpumpe zum Evakuieren der Arbeitskammerkryopumpen auf einen Zwischendruck. Die vorher in Gang gesetzte Beladeschleusenkryopumpe wird dann dazu verwendet, die Arbeitskammerkryopumpe weiter auf ein Vakuum zu evakuieren, das für die Kryopumpenanlaufperiode ausreichend ist.

Das Verfahren des ölfreien Vakuumsystembetriebs umfaßt einen ersten Verfahrensschritt des Anordnens von zu verarbeitendem Rohmaterial in der Beladeschleuse. Der Beladeschleusenluftdruck wird dann auf einen Übergangsdruck reduziert, und zwar mittels des Luftejektors bzw. der Luftsaugstrahlpumpe, wonach die Kryopumpe hoher thermischer Kapazität die Kammer auf einen Vakuumsystembetriebsdruck evakuiert. Die Beladeschleuse und die Arbeitskammer werden dann gekoppelt bzw. miteinander verbunden, und das Rohmaterial wird in die Arbeitskammer übergeführt.

Die vorstehenden sowie weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung seien nachstehend anhand der folgenden, spezielleren Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, wie sie in den Figuren der Zeichnung

dargestellt sind, in denen sich in den verschiedenen Ansichten gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder entsprechende Teile beziehen, näher erläutert, wobei zu beachten ist, daß die Figuren der Zeichnung nicht notwendigerweise maßstabgerecht sondern vielmehr so ausgeführt sind, daß die Prinzipien der vorliegenden Erfindung gut veranschaulicht werden; es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Kryopumpensystems mit einer Beladeschleuse, worin die Prin

zipien der Erfindung verwirklicht sind;

Figur 2 einen Querschnitt durch eine Kryopumpe mit einer hohen thermischen Kapazität, die zur Verwendung bei der Beladeschleuse der Figur 1 geeignet ist;

Figur 3 einen Querschnitt durch eine Luftsaugstrahlpumpe, die zur Verwendung als eine Grobpumpe in dem Kryopumpensystem der Figur 1 geeignet ist; und 20

Figur 4 eine perspektivische Ansicht eines Zweitstufenwinkels bzw. -chevrons der in Figur 2 gezeigten Kryopumpe hoher thermischer Kapazität.

In der nun folgenden, ins einzelne gehende Beschreibung der Erfindung sei zunächst darauf hingewiesen/ daß die kälteste Stufe einer Kryopumpe, wie sie hier beschrieben ist, bevor sie einer Arbeitskammer oder Beladeschleuse ausgesetzt wird, aus etwa ιο°κ abgekühlt wird, was einen Druck von etwa 10 Torr (10 mTorr) in der Kryopumpenkammer ergibt. Beim Übergang in einem konventionellen Kryopumpensystem wird die Kryopumpe zur Arbeitskammer oder Beladeschleuse geöffnet und den Übergangsgasen ausgesetzt. Um den Druck der Arbeitskammer oder der Beladeschleuse auf 5 10 Torr zu vermindern, müssen die Gase durch Entziehung

der Wärmeenergie auf der Kryopumpe kondensiert werden. Diese thermische Belastung erhöht die Temperatur der kältesten Stufe auf etwa 20⁰K. Die Temperatur wird dann für einen Enddruck von etwa 10 Torr auf etwa 10⁰K herab 5. zurückgebracht. Die thermische Belastung der Kryopumpe während des Übergangs kann in Torr-Litern spezifiziert werden, also in dem Produkt des Übergangsdrucks und des Arbeitskammer- oder Beladeschleusenvolumens. Die Torr-Liter-Belastung kann durch die folgende Beziehung direkt mit der durch die Kryopumpe zu absorbierenden Energie in Joule gleichgesetzt werden:

Joule = 0,7 Torr-Liter Stickstoff.

Wenn eine große Menge an Gas und daher wesentliche thermische Energie in einer teilweise evakuierten Beladeschleusenkammer verbleibt, kann eine übermäßige Temperaturexkursion bzw. ein übermäßiger Temperaturanstieg in einer Kryopumpe, die einer solchen Kammer ausgesetzt ist, auftreten. Solche Temperaturexkursionen bzw. -anstiege können Kryopumpen dadurch unbetreibbar machen, daß kondensierbare und nichtkondensierbare Gase von der kältesten Stufe der Kryopumpe freigesetzt werden. Diese freigesetzten Gase zerstören das isolierende Vakuum der Kryopumpe, wodurch die Kryopumpe weiter erwärmt wird. Um einen erfolgreichen Übergang zu erzielen, muß die restliche thermische Energie der Vakuumbeladeschleuse minimalisiert sein, damit verhindert wird, daß die Anordnung kältester Temperatur der Kryopumpe 20⁰K übersteigt. Oberhalb von 20⁰K werden nichtkondensierbare Gase, wie beispielsweise Wasserstoff, durch das Aktivkohleabsorptionsmittel der Kryopumpe freigesetzt. Diese Freisetzung von Gas kann einen kaskadierenden Anstieg der Kryopumpentemperatur zur Folge haben, wodurch die Kryopumpe schließlich praktisch auf Umgebungsdrücke zurückgebracht wird.

In einem konventionellen Beladeschleusenvakuumsystem hat man geschmierte Pumpen als Rohpumpen gewählt, weil sie die Fähigkeit haben, relativ niedrige Drücke zu erreichen, wodurch die thermische Belastung beim Übergang minimalisiert wird. Andere Pumpen haben sich als unfähig erwiesen, die niedrigen Zwischendrücke von etwa 200 mTojrr zu erreichen, die konventionelle Beladeschleusenkryopumpen erfordern, wenn sie wiederholt den Zwischendrücken ausgesetzt werden sollen.

Die Figur 1 veranschaulicht ein ölfreies Vakuumsystem 10, in dem eine Kryopumpe 12 hoher thermischer Kapazität und eine Luftsaugstrahlpumpe 38 vorgesehen sind. Diese beiden Elemente ersetzen die konventionelle ölgeschmierte Grobpumpe in normalen Vakuumsystembetrieben.

Das Vakuumsystem 10 ist so ausgebildet, daß es für Herstellungsprozesse verwendet werden kann, in denen Material wiederholt in die und aus der Vakuumprozeßkammer 14 bewegt bzw. transportiert wird. Das System ist besonders geeignet für Herstellungsvorgänge, die extrem saubere Hochvakuumbedingungen erfordern.

Die Vakuumsystemanlage 10 weist eine Arbeitskammer 14 und eine Beladeschleuse 16 auf. Die Arbeits- oder Prozeßkammer 14 wird mittels einer konventionellen Kryopumpe 20 auf einem Hochvakuum gehalten. Der Durchgang zwischen der Kryopumpe 20 und der Prozeßkammer 14 kann durch die Verwendung eines Drosselventils 18 geschlossen oder ausgesteuert bzw. teilweise geschlossen werden. Die Prozeßkammer 1 4 wird durch das Ventil 22 wahlweise mit der Beladeschleuse 16 verbunden.

Im normalen Betrieb wird Herstellungs- bzw. Verarbeitungsmaterial in der Beladeschleusenkammer 16 bei Umgebungsdruck angeordnet. Die Beladeschleuse wird mittels der Luft-

saugstrahlpumpe 38 auf einen zwischenliegenden Übergangsdruck evakuiert und dann mittels der Kryopumpe 12 hoher thermischer Kapazität auf ein Hochvakuum. Die Ventile 36 und 26 isolieren die Luftsaugstrahlpumpe 38 und die Kryopumpe 12 von der Beladeschleusenkammer 16, wenn sie nicht . in Gebrauch sind. Erst nachdem die BeladeschLeuse 16 einen Vakuumzustand erreicht hat, welcher sich demjenigen der vorher evakuierten Prozeßkammer 14 annähert, wird das Ventil 22 geöffnet, so daß dadurch der Durchgang von Rohmaterial von der Beladeschleuse zur Prozeßkammer ermöglicht wird.

Dieses Verfahren des Betriebs gestattet ein Bewegen bzw. Transportieren von Rohmaterial in die Arbeitskammer ohne die Verwendung einer ölgeschmierten Pumpe. In konventionellen Vakuumsystemen wird die Beladeschleuse mittels einer ölgeschmierten Grobpumpe auf einen zwischenliegenden Ubergangsdruck evakuiert. Im vorliegenden System wird die Luftsaugstrahlpumpe 38 anstelle einer solchen Pumpe verwendet.

Jedoch ist die Saugstrahlpumpe nicht in der Lage, das hohe Vakuum zu erzielen, welches mit einer ölpumpe erzielt wird. Um den relativ hohen Übergangsdruck (8 Torr) zu kompensieren, auf den die Luftsaugstrahlpumpe beschränkt ist, wird die Kryopumpe 12 hoher thermischer Kapazität verwendet.

Diese Kryopumpe 12, die weiter unten beschrieben ist, hält relativ hohe Übergangsdrücke aus.

Nachdem die Verarbeitung vollendet ist, wird das Ventil 22 wieder geöffnet, und das ver- bzw. bearbeitete Material wird durch die Beladeschleuse 16 aus der Prozeßkammer 14 entfernt. Wenn die Ventile 22 und 26 geschlossen sind, kann die Kammer 16 zum Entfernen von Material nach der Atmosphäre hin geöffnet werden. Da keine ölgeschmierte Pumpe bei der Bewegung bzw. beim Transport des Materials verwendet wird, können die Herstellungsmaterialien konti—

nuierlich in die und aus der Prozeßkammer gebracht werden, ohne daß die Gefahr einer Ölkontamination besteht.

Obwohl in dem dargestellten System das Material durch die Beladeschleuse 16 in die und aus der Arbeitskammer 14 gebracht wird, ist es in gewissen kontinuierlic-ken Betriebsweisen vorteilhaft, eine Ausgangsbelade- bzw. -entladeschleuse auf der rechten Seite der Kammer 14 anzuordnen, so daß auf diese Weise eine sehr schnelle Materialbewegung erleichtert bzw. ermöglicht wird.

Eine ölgeschmierte Ingangsetzungspumpe 32 wird nur beim anfänglichen Ingangsetzen der Beladeschleusenkryopumpe verwendet. Der Startdruck für eine Kryopumpe ist etwa 50 mTorr. Konventionelle Kryopumpen starten generell nicht bei höheren Drücken, obwohl sie, wenn sie einmal gestartet und herabgekühlt worden sind, in der Lage sind, etwas höhere Drücke zu tolerieren. Während der Anlaufperiode muß die Temperatur der Kryopumpe von der Umgebungstemperatur aus vermindert werden. Um diesen Temperaturabfall zu erreichen, muß die Wärme, welche durch die Kältemaschine entzogen wird, im wesentlichen die Wärmeübertragung von der Umgebung her übersteigen. Eine Evakuierung des Kanals 47 (Figur 2) auf 50 mTorr isoliert die Tieftemperaturkältemaschine 64 genügend von der Außenweltumgebung. Andererseits ist der Druck der Kryopumpe, wenn diese einmal angelaufen und stabilisiert ist, etwa 10 Torr, und ihre Temperatur beträgt etwa 10⁰K. Wenn das Ventil zur Beladeschleuse geöffnet ist, wird ein wesentliches Vakuum im Kanal 47 aufrecht-0 erhalten. Bevor der Druck im Kanal 47 auf ein Niveau zunehmen kann, bei dem eine Wärmeübertragung von der Umgebung her ein Problem darstellt, ist die Kryopumpe in der Lage, sehr schnell die thermische Belastung von der Beladeschleuse bei einer Zunahme der Temperatur von nur TO⁰K absorbieren. Selbst bei dieser erhöhten Temperatur ist die

Kryopumpe in der Lage, ein ausreichendes Vakuum aufrechtzuerhalten.

Die Kryopumpe ist in der Lage, die Wärmebelastung aufgrund einer ausreichenden thermischen Kapazität sehr schnell zu absorbieren. Die thermische Kapazität bemißt .die Fähigkeit von Material, innere Energie bei einer Temperaturänderung zu speichern, wenn das Material eine Nettoströmung an Wärme aufnimmt. Die thermische Kapazität ist analog der Trägheit einer Masse. Sie ermöglicht es der arbeitenden Kryopumpe, zeitweise mehr Energie aufzunehmen, als die Kryopumpenkältemaschine sofort absorbieren kann, und noch weiter bei niedrigen Temperaturen zu arbeiten.

Um die Beladeschleusenkryopumpe 12 anlaufen zu lassen, wird die Anlaufpumpe 32 dazu benutzt, den Druck in der Beladeschleuse und der Kryopumpe 12, welche durch die Ventile 22 und 34 isoliert sind, auf etwa 50 mTorr zu bringen. Nachdem die Beladeschleusenkryopumpe 12 erfolgreich in Gang gesetzt worden ist, wird das Ventil 30 geschlossen, und die ölgeschmierte Anlaufpumpe 32 wird von dem System abgetrennt, in einem Vakuumsystem gemäß der Erfindung wird kein weiterer Gebrauch von einer ölgeschmierten Pumpe gemacht. Die hohe thermische Kapazität der nun arbeitenden Kryopumpe 12 hoher thermischer Kapazität ermöglicht es, sich darauf zu verlassen, daß diese relativ große thermische Eingänge bzw. Eingangsgrößen aufnehmen kann. Wenn man eine Luftsaugstrahlpumpe zur Verfügung hätte, die ein genügendes Vakuum ziehen könnte, dann könnte die Kolbenpumpe 32 selbst beim Anlaufperiodenbetrieb weggelassen werden.

Um die Hauptkryopumpe 20 in Gang zu setzen, wird die Kryopumpe 12 hoher thermischer Kapazität durch das Ventil 26 von der Beladeschleuse isoliert. Jedoch wird die Beladeschleuse durch die Leitung 40, das Ventil 42 und den sekun-

dären Kryopumpenkanal 41 zur Kryopumpe 20 hin geöffnet. Das Ventil 18 wird während des Anlaufens geschlossen, so daß die Arbeitskammerkryopumpe 20 von der Arbeitskammer 14 isoliert ist. Die Luftsaugstrahlpumpe 38 wird dazu benutzt, die Beladeschleuse 16 und die Kryopumpe 20 herab auf ein Vakuum von 8 Torr (8000 Mikron) zu bringen. Das Ventil 36 wird dann geschlossen, um die Saugstrahlpumpe von dem System abzutrennen. Die Kryopumpe 12 hoher thermischer Kapazität, die man vorher schon anlaufen gelassen hat, wird dann dazu benutzt, die Kammer 16 und die Hauptkryopumpe 20 auf einen Vakuumdruck von weniger als 50 Mikron (weniger als 0,05 Torr) zu evakuieren, an welchem Punkt die Kryopumpe 20 in Gang gesetzt wird. Die hohe thermische Kapazität der Kryopumpe ersetzt auf diese Weise wirksam die ölgeschm.ierte Anlaufpumpe für den Zweck des Anlaufenlassens der Arbeitskammerkryopumpe. Diese Anlaufperiode stellt sicher, daß die Arbeitskammerkryopumpe absolut ölfrei und sauber für solche Zwecke ist, wie es die Herstellung von integrierten Schaltungen ist.

Nachdem auf diese Weise beide Kryopumpen gestartet worden sind, kann die Prozeßkammer 14 durch das Ventil 22 zur Beladeschleusenkammer 1-6 hin geöffnet und mittels der Luftsaugstrahlpumpe 38 auf den Übergangsdruck evakuiert werden.

Nachdem die Luftsaugstrahlpumpe 38 durch das Ventil 36 vom System abgetrennt worden ist, wird die Kryopumpe 12 hoher thermischer Kapazität dazu benutzt, um den Druck der Prozeßkammer 14 auf ein Hochvakuum zu vermindern. Dann wird das Ventil 18 geöffnet, so daß die Hauptkryopumpe während der Herstellung bezw. des Betriebs der Prozeßkammer das Vakuum in der Kammer 14 aufrecherhalten kann. Es wurde infolgedessen gezeigt, wie sowohl die konventionelle Arbeitskammerkryopumpe 20 als auch die Prozeßkammer 14 auf einen sehr hohen Vakuumzustand gebracht werden,

,₅ wobei praktisch keine Möglichkeit einer ölkontamination besteht.

DieFigur 3 ist ein Querschnitt durch die Luftsaugstrahlpumpe 38, die in diesem System anstelle einer ölgeschmierten Grobpumpe verwendet wird. Die in diesem System verwendete Luftsaugstrahlpumpe Ultra Vac (Warenzeichen) ist von der Firma Air-Vac Engineering Co., Inc., 100 Gulf St., MiIford, CN 06480 erhältlich. Die Luftsaugstr-ahlpumpe 38 Ultra Vac (Warenzeichen) ist in der Lage, eine Vakuumkammer auf 8 Torr herabzuevakuieren.

Luftsaugstrahlpumpen arbeiten nach dem Venturi-Saugprinzip, durch das eine Luftzufuhr hohen Drucks als ein Gasmolekültransportmittel für das Erzeugen eines Vakuums wirkt. Luft von einer Druckluftquelle tritt durch die Leitung 100 in die Saugstrahlpumpe ein und verläßt diese bzw. wird ausgestoßen durch die Leitung 102. Die Vakuumleitung 104 mündet in einen Abschnitt des Kanals zwischen dem Lufteintritt und -austritt. In diesem Teil der Luftsaugstrahlpumpe nimmt die Luftgeschwindigkeit aufgrund der Verengung des Kanals 108 zu. Mit der Erhöhung der Luftgeschwindigkeit wird der Druck an dieser Stelle der Leitung drastisch vermindert. Es ist diese drastische Verminderung des Drucks, durch die der Druck in der Vakuumleitung 104 und in der Kammer, mit der diese verbunden ist, herabgesetzt wird.

Luftsaugstrahlpumpen sind extrem sauber und ölfrei. Allgemein gesprochen sollte die durch die Leitung 100 zugeführte Luft gefiltert sein, jedoch fließt Luft, die vom Eingang zum Ausgang, also von 100 nach 102, strömt, in keinem Fall durch die Leitung 104. Daher kann eine Luftsaugstrahlpumpe dieser Art die Vakuumkammer nicht kontaminieren. Auf diese Weise erzeugen Luftsaugstrahlpumpen Vakuumzustände bei praktisch keiner Kontamination.

Die Kryopumpe 12 hoher thermischer Kapazität wird in diesem System deswegen benutzt, weil derzeitige Luftsaugstrahl-

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pumpen nicht in der Lage sind, einen genügenden Vakuumdruck für die Anlaufperiode und den fortgesetzten Betrieb von konventionellen Kryopumpen zu erreichen. Diese Luftsaugstrahlpumpe erreicht jedoch im Vergleich mit anderen Luftsaugstrahlpumpen ein sehr hohes Vakuum, nämlich 8 Torr, und die Kryopumpe 12 hoher thermischer Kapazität ist in der Lage, bei etwa 8 Torr wiederholt benutzt bzw. betrieben zu werden, derart, daß sie die Beladeschleuse 16 weiter evakuiert.

Die nachfolgende, in nähere Einzelheiten gehende Beschreibung der Kryopumpe 12 hoher thermischer Kapazität, die in Verbindung mit der Luftsaugstrahlpumpe verwendet wird, läßt sich gut unter Bezugnahme auf Figur 2 verstehen, wo die Kryopumpe in einem auseinandergezogenen Querschnitt gezeigt ist. Die Kryopumpe 12 umfaßt einen Vakuumbehälter 58, der über den Flansch 60 am Ventil 26 benachbart der Beladeschleuse 16 angebracht ist. Die vordere Öffnung 62 in dem Behälter 58 steht mit einer kreisförmigen Öffnung des Ventils 26 in Verbindung.

Ein zweistufiger kalter Finger 64 einer Kältemaschine steht in den Behälter 58 durch eine Öffnung 66 vor. Im vorliegenden Falle ist die Kältemaschine eine Gifford-Mac-Mahon-Kältemaschine, wie sie beispielsweise in der US-Patentschrift 3 218 815 von Chellis et al. beschrieben ist, aber es können auch andere Kältemaschinen verwendet werden. Der zweistufige Verdränger in dem kalten Finger 64 wird durch den Motor 68 angetrieben. Bei jedem Zyklus wird Heliumgas in den kalten Finger unter Druck durch die Leitung 70 eingeführt. In dem kalten Finger wird das Helium expandiert und infolgedessen gekühlt. Das Helium wird dann durch die Leitung 72 ausgestoßen.

Eine Wärmesenke der ersten Stufe oder eine Wärmestation 74 ist an dem kalten Ende der ersten Stufe 76 der Kältemaschine angebracht. In entsprechender Weise ist eine Wärmesenke 78 der zweiten Stufe an dem kalten Ende der zweiten Stufe 80 angebracht. Ein geeigneter Temperaturfühler 82 ist an der Rückseite der Wärmesenke- 78 angebracht.

Eine becherförmige Strahlungsabschirmung 44 ist an der Wärmesenke 74 hoher Temperatur der ersten Stufe angebracht, Die zweite Stufe 80 des kalten Pingers erstreckt sich durch eine Öffnung 55 in der Strahlungsabschirmung 44.

Diese Strahlungsabschirmung 44 umgibt die Anordnung 45 der zweiten Stufe, so daß dadurch das Erwärmen der Anordnung durch Wärmestrahlung minimalisiert wird. Vorzugsweise ist die Temperatur der Strahlungsabschirmung weniger als 12O⁰K.

Eine vordere bzw. stirnseitige Kryoplattenanordnung 88 ist mit der Hauptstrahlungsabschirmung 44 der ersten Stufe verbunden und dient sowohl als Strahlungsabschirmung für die primäre Kryoplatte 45 (die Kryoplatte der zweiten Stufe) als auch als Kryopumpenoberfläche für Gase höherer Siedetemperatur, wie beispielsweise Wasserdampf. Die Strahlungsabschirmung 44 trägt einerseits die stirnseitige Anordnung 88 und dient andererseits als Wärmeweg von der Wärmesenke 74 zu der Anordnung. Die stirnseitige Reihe bzw. Anordnung 88, die in Figur 2 gezeigt ist, umfaßt eine Jalousie bzw. Jalousieflügel, die durch eine Randfassung 50 miteinander verbunden bzw. aneinander angekoppelt sind. Die Konfiguration dieser Anordnung braucht nicht auf die dargestellte Anordnung beschränkt zu sein, sondern kann jede Anordnung bzw. Reihe von Leitflachen bzw. -platten sein, die so angeordnet sind, daß sie als eine Strahlungswärmeabschirmung und eine Kryopumpenplatte bzw. -plattenanordnung höherer

Temperatur wirken, während sie den Durchgang von Gasen, die bei niedrigerer Temperatur kondensieren, zu der Anordnung 45 der zweiten Stufe ermöglichen.

Die Reihe bzw. Anordnung 45 der zweiten Stufe bildet die primäre Pumpoberfläche der Kryopumpe und ist an der Wärmesenke 78 montiert. In dieser Anordnung der zweiten Stufe unterscheidet sich die vorliegenden Kryopumpe von konventionellen Kryopumpen, welche ein erhöhte Fähigkeit hat, höhere Übergangsdrücke zu bewältigen. Die Anordnung 45 der . zweiten Stufe umfaßt eine Scheibe bzw. Platte 84 und einen Satz von kreisförmigen Chevrons bzw. Winkeln 86, die in einem vertikalen Stapel angeordnet und mittels Streben 41 an der Scheibe 84 angebracht sind. Die Streben 41 erstrekken sich durch die Winkel 86 und durch zylindrische Abstandsstücke 43 zwischen den Winkeln bzw. Chevrons 86. Muttern 51 an den Enden der Streben drücken die Winkel und Abstandsstücke zu einem dichten bzw. engen Stapel zusammen.

Die innerste Oberfläche der Winkel 86 kann mit Kohle 90 bzw. Aktivkohle bedeckt sein, die als Niedrigtemperaturadsorptionsmittel zum Sammeln von Gasen mit niedrigem Siedepunkt wirkt. Gase mit niedrigem Siedepunkt kontaktieren die adsorbierende Kohle 90, indem sie zwischen den offenen Winkeln 86 hindurchgehen. Diese offene Anordnung, in der die Winkel durch Streben gehaltert sind, ermöglicht einen einfachen Zusammenbau und eine freie Strömung von nichtkondensierenden Gasen zu dem Adsorptionsmittel.

Die Figur 4 ist eine perspektivische Darstellung eines einzelnen Winkels 86 der Reihe bzw. Anordnung 45, wobei ein Teil aus diesem Winkel herausgeschnitten ist. Der unter Bezugnahme auf Figur 4 hier beschriebene Winkel ist so ausgebildet, daß er eine hohe thermische Belastung auf-5 nehmen kann. Die Aufnahme dieser Winkel in die Kryopumpe

12 verdreifacht die Kryopumpenkapazität im Vergleich mit konventionellen Chevrons bzw. Winkeln. Das befähigt die Kryopumpe, in dem ölfreien System, das unter Bezugnahme auf Figur 1 beschrieben wurde, zu arbeiten. 5

Der Winkel 86 ist aus wenigstens drei Materialschichten aufgebaut, nämlich einer in hohem Maße leitfähigen Metallschicht, einer Bleischicht hoher Dichte und aus der Schicht von Kohleadsorptionsmittel.

Wenigstens eine Schicht 92 von jedem Winkel 86 ist aus einem in hohem Maße leitfähigem Metall, wie beispielsweise Kupfer, hergestellt. Es ist wichtig, daß Wärmeenergie, die in die Kryopumpe eingeführt worden ist, schnell zu der Kryokältemaschine bzw. zu der Tieftemperaturkältemaschine oder dem kalten Finger 64 übertragen wird, so daß sie abgeführt werden kann und die Temperatur der zweiten Stufe nach dem Übergang sehr schnell auf etwa 10⁰K zurückgebracht werden kann. Aus diesem Grunde sind konventionelle Chevrons bzw. Winkel in Kryopumpen aus Kupfer aufgebaut.

Konventionelle Chevrons bzw. Winkel sind aus dünnen Kupferblechen aufgebaut. In kleinen Kryopumpen, die typischerweise bei Beladeschleusen verwendet werden, haben die Chevrons bzw. Winkel keinen wesentlichen Betrag an thermischer Kapazität im Betriebstemperaturbereich von 8⁰K bis 20⁰K, da sie eine niedrige Masse und eine niedrige spezifische Wärme bei diesen Temperaturen haben. Die Beladeschleusenkryopumpe des vorliegenden Systems benötigt eine große thermische Kapazität, um die wesentliche Energie, welcher die Beladeschleusenkryopumpe ausgesetzt ist, bei minimalem Temperaturanstieg zu speichern, bis die Kryokältemaschine 64 bzw. die Tieftemperaturkältemaschine 64 fähig ist, die Wärmeenergie von der Kryopumpe abzuführen. Ein merklicher Temperaturanstieg würde ein verminder-

tes Vakuum zur Folge haben, und die Kryopumpe würde von der Wärmebelastung aus der Umgebung überschüttet bzw. überlastet werden und aufhören zu arbeiten.

Die Wärmekapazität, die erforderlich ist, um eine 100 Torr-Liter-Belastung bei einer Temperaturverschiebung von nicht mehr als 12⁰K, von 8⁰K auf 20⁰K, zu absorbieren, beträgt 70 Joule/12°K oder ungefähr 6 Joule/°K. Eine solche Wärmekapazität der zweiten Stufe findet sich typischerweise nur in großen und relativ teuren Kryopumpen, die große Kältemaschinen haben. Eine solche große Kryopumpe kann als Beladeschleusenkryopumpe in einem System, das gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist, verwendet werden, und sie kann sogar dort zu bevorzugen sein, wo eine sehr schnel-Ie Erholzeit in der Größenordnung von 2 min erforderlich ist. Jedoch ist die oben beschriebene kleine Kryopumpe hoher Kapazität dort zu bevorzugen, wo eine Kryopumpe für Beladeschleusen kleineren Volumens erforderlich ist und eine langsamere Erholzeit von etwa 4 min toleriert werden kann.

Die Winkel 86 sind so ausgebildet, daß sie ein Material mit einer hohen Wärmekapazität pro Volumeneinheit bei Tieftemperaturen enthalten. Das üblichste derartige Material ist Blei. Jedoch sind kürzlich neue Materialien entwickelt worden, die Wärmekapazitäten haben, welche sich dem Blei annähern. Beispiele solcher Materialien umfassen zwischenmetallische Verbindungen von Seltenen Erden, wie sie beispielsweise in der US-Patentschrift 4 082 138 von Miedema 0 beschrieben sind, sowie Thalliumhalogenide und Spezialkeramiken, wie sie beispielsweise in der US-Patentschrift 4 354 355 von Lawless beschrieben sind.

Der Hauptteil jedes Winkels 86 in der dargestellten Ausführungsform ist jedoch aus Blei 94 hoher Dichte aufge-

baut. Die Bleischicht dient dazu, die Winkelmasse und die spezifische Wärme in hohem Maße zu erhöhen. Da reines Blei ziemlich weich ist, ist die Bleischicht 94 vorzugsweise mit einem Härtemittel, wie beispielsweise Antimon, gemischt, Bleikann bis zu 10mal soviel Energie wie Kupfer im Bereich von 8⁰K bis 20⁰K absorbieren, was der Betriebsbereich der Anordnung der zweiten Stufe ist. Die Bleischicht 94 erhöht daher die thermische Absorptionsfähigkeit der Anordnung bzw. Reihe in hohem Maße.

Blei selbst ist jedoch kein guter Wärmeleiter, und es ist nicht in der Lage, die schnelle Reaktionszeit, die für eine Kryopumpe erforderlich ist, zu erbringen. Kupfer hingegen kann etwa 10 W pro cm ⁰K übertragen, wogegen Blei nur fähig ist, 0,5 W pro cm ⁰K zu übertragen. Wenn die Chevron- bzw. Winkelanordnung bzw. -reihe ganz aus Blei aufgebaut wäre, würde die Kryopumpe eine sehr lange Zeitperiode benötigen, um sich nach dem Kondensieren jedes Gasschauers aus der Beladeschleuse zu erholen, und zwar aufgrund der Unfähigkeit des Bleis, die absorbierte Wärmeenergie schnell genug zur Kältemaschine zu übertragen. Bei 20°K würden die vorher absorbierten Gase allmählich freigesetzt werden, und das Vakuum des Systems würde weggehen. Im vorliegenden System befindet sich jedoch die Schicht 92 aus Kupfer oder aus einem anderen in hohem Maße leitfähigen Metall über einen weiten Oberflächenbereich hinweg in Kontakt mit dem Blei. Das Kupfer ergibt einen Weg hoher Konduktanz bzw. einen Weg von hohem Wirkleitwert von der gesamten Masse des Bleis zu der Kältemaschine und ermöglicht es, daß die Tieftemperaturkältemaschine dem Blei die Wärmeenergie schnell entzieht.

Diese Kupferschicht 92 hat eine Leitfähigkeit, die größer als das Zehnfache der Leitfähigkeit von Blei ist und ermöglicht es, daß die Kryopumpenkältemaschine die Tempera-

tur des Bleis gleichmäßig und sehr schnell nach unten zieht. Wenn das Ventil zwischen der Kryopumpe und der Beladeschleuse geöffnet ist, dient die Kupferschicht auch dazu, die Wärmebelastung gleichmäßig zu verteilen, so daß das Blei die Wärme direkt aufnehmen kann und in höchstem Maße voll als Wärmekondensator bzw. -aufnahmeelement dient bzw. verwendet werden kann. Die Wärmeübertragung in das und aus dem Blei wird in hohem Maße durch den innigen Kontakt des Bleis mit dem Kupfer erhöht, sowie dadurch, daß das Verhältnis des Oberflächenbereichs, in dem beim Blei ein thermischer Kontakt stattfindet, zu dessen Volumen groß ist (größer als 20). Um einen guten thermischen Kontakt zwischen dem Blei und dem Kupfer sicherzustellen, kann eine kleine bzw. dünne Schicht aus Indium in einem Zwischenraum bzw. als Zwischenschicht zwischen denselben vorgesehen sein, oder das Blei kann zwischen zwei Schichten von Kupfer gewalzt sein, so daß eine mehrlagige Metallverbundstruktur ausgebildet ist.

Die spezifische Menge an Blei, die erforderlich ist, um die gewünschte thermische Kapazität zu erzeugen, variiert für jede Kryopumpe hoher thermischer Kapazität und deren Verwendung. Die Menge an Blei hängt von der Leistungsfähigkeit der Gassaugstrahlpumpeneinrichtung und von den Abmessungen der Beladeschleusenkammer ab. Diese beiden Faktoren bestimmen die erforderliche Torr-Liter-Pumpkapazität der Kryopumpe. Die erforderliche Pumpkapazität muß innerhalb der maximal zulässigen Temperaturexkursion bzw. innerhalb des maximal zulässigen Temperaturanstiegs der kältesten Anordnung bzw. Reihe der Tieftemperaturkältemaschine erhalten werden. Eine Betrachtung dieser Faktoren, und zwar entweder empirisch oder theoretisch, ergibt die minimale thermische Kapazität, die für einen spezifischen Gebrauch erforderlich ist. Andererseits erhöht eine erhöhte Menge an Blei die Erholzeit, die erforderlich ist, damit sich

die Kryopumpe von 2O⁰K auf etwa 10°K abkühlt. Die Konduktanz bzw. der Wirkleitwert der Anordnung bzw. der Reihe, basierend auf den Materialien und der Konfiguration, muß für ein sehr schnelles Herabkühlen ausreichend sein. 5

Wie oben dargelegt, wird die zweite Stufe der_Kryopumpe am besten auf etwa 8 bis 2O⁰K gehalten. Bei einer Temperatur, die größer als 20⁰K ist, werden die Gase, die durch das Kohleabsorptionsmittel adsorbiert worden sind, freigesetzt. Die maximal zulässige Temperatürexkursion bzw. der maximal zulässige Temperaturanstieg des Chevron bzw. Winkels der zweiten Stufe ist daher etwa 12⁰K. Die Blei- und Kupferwinkel bzw. -chevrons verhindern, daß die Anordnung der zweiten Stufe der Kryopumpe 12 hoher thermischer Belastbarkeit 20⁰K übersteigt/ auch wenn diese in Verbindung mit einer Luftsaugstrahlpumpe verwendet wird.

Die thermische Kapazität wird von der Masse und der spezifischen Wärme der Materialien bestimmt, aus denen die Kryopumpe aufgebaut ist. Im einzelnen ist die Kapazität Joule/⁰K das Produkt aus der spezifischen Wärme in Joule/ °K-Gramm und der Masse in Gramm. Es sei darauf hingewiesen, daß mit einer genügenden Menge von irgendeinem Material jede gegebene thermische Kapazität erzielt werden kann.

Jedoch würde ein zu großes Volumen eines solchen Materials zu einer unbefriedigenden Erhöhung der Abmessungen der Anordnung führen. Daher besteht ein entscheidender Vorteil der Verwendung von Materialien, wie es das Blei ist, in der Anordnung darin, daß die Kapazität pro Volumeneinheit des Materials hoch ist. Die Kapazität pro Volumen in Joule/ °K-cm³ ist gleich dem Produkt der spezifischen Wärme des Materials in Joule/°K-Gramm und der Dichte des Materials in Gramm/cm³. Die Dichte von Blei beträgt 11,34 g/cm³ und ist etwas größer als die Dichte von Kupfer, die 8,9 g/cm³ beträgt. Infolgedessen trägt die erhöhte Dichte von Blei

zu der erhöhten Kapazität pro Volumen bei. Weiter hat Blei eine merklich größere spezifische Wärme als Kupfer im Temperaturbereich von 8 bis 20⁰K.

Die effektive spezifische Wärme eines Materials über einen Temperaturbereich hinweg bzw. in einem Temperaturbereich kann definiert werden als das Verhältnis der Änderung der Enthalpie des Materials über diesen Temperaturbereich bzw. in diesem Temperaturbereich zur Änderung der Temperatur. Infolgedessen beträgt für Blei die effektive spezifische Wärme über den Temperaturbereich von 8⁰K bis 2O⁰K hinweg bzw. in diesem Temperaturbereich:

^C8-20°K ^{= (h}20 " V ^MT 15

0,354 Joule/g TI⁷⁵K

= 0,0295 Joule/g-°K

Für Blei ist das Produkt aus der Dichte und der effektiven spezifischen Wärme gleich 11,34 χ 0,0295 = 0,3345 Joule/ °K-cm³.

Zum Vergleich sei darauf hingewiesen, daß die Änderung der Enthalpie von Kupfer in dem Temperaturbereich von 8⁰K bis 2O⁰K 0,033 Joule/g ist, so daß die effektive spezifische Wärme von Kupfer in diesem Temperaturbereich 0,00275 Joule/g-⁰K beträgt und das Produkt aus der Dichte und. der effektiven spezifischen Wärme 0,0245 Joule/°K-cm ist. Infolgedessen ist die Wärmekapazität pro Volumen bei Blei im Temperaturbereich von 8⁰K bis 20⁰K mehr als eine Größenordnung größer als diejenige von Kupfer.

Um die wesentlich erhöhte Kapazität pro Volumeneinheit der Anordnung zu erzielen, damit die größeren Torr-Liter-Bela-

stungen aufgenommen werden können, wenn eine Saugstrahlpumpe verwendet wird, sollte die Kapazität pro Volumen des in der Anordnung verwendeten Materials eine Größenordnung größer als diejenige von Kupfer sein oder wenigstens etwa 0,2 Joule/°K-cm³ betragen. Verwendet man Materialien, deren thermische Kapazität pro Volumen geringer ist, als dieser Wert bzw. als es dieser Forderung entspricht, dann ergibt das übermäßig große Anordnungen für die Bewältigung von thermischen Belastungen von 100 Torr-Liter oder mehr, da die thermische Kapazität, die zur Bewältigung von 100 Torr-Liter im Temperaturbereich von 12⁰K erforderlich ist, etwa 6 Joule/⁰K beträgt.

Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Blei zum Erzielen der hohen thermischen Kapazität der Anordnung besteht darin, daß die spezifische Wärme von Blei bei Raumtemperatur tatsächlich geringer als diejenige von Kupfer ist. Infolgedessen wird selbst bei der größeren Dichte von Blei die Kapazität der Anordnung bei Raumtemperatur nicht wesentlieh bei dieser Raumtemperatur erhöht. Als Ergebnis hiervon hat sich die Herabkühlzeit bei einer Kryopumpe, die Blei in der Anordnung aufweist, wie beschrieben, nur von etwa 84 min auf etwa 95 min erhöht.

Eine wichtige Betrachtung bezüglich des Aufbaus einer Chevron- bzw. Winkelanordnung, die Blei aufweist, ist das Emissionsvermögen des Bleis. Generell werden spiegelnde Oberflächen, wie sie sich zum Beispiel bei nickelplattiertem Kupfer ergeben,in Kryopumpenanordnungen verwendet, um direkte Wärmestrahlung, die erhöhte Temperaturen verursacht, zurückzuwerfen. Blei ist typischerweise ein dunkelfarbiges Metall und würde daher direkte Strahlung absorbieren. Aus diesem Grund ist die Bleischicht 94 in dieser Anordnung an ihrer freiliegenden Oberfläche 96 nickelplattiert, sofern sie nicht vollständig durch Kupferschichten

abgedeckt ist. Auf diese Weise wird das Emissionsvermögen auf ein Niveau abgesenkt, das demjenigen von konventionellen Kupferchevrons bzw. -winkeln entspricht.

Der Mehrschichtwinkel 86 ist infolgedessen so aufgebaut, daß sowohl die thermische Belastungsfähigkeit der Kryopumpe erhöht worden ist und die Wärmekonduktanzvorteile bzw. -wirkleitwertvorteile von konventionellen Kupferwinkeln beibehalten wurden. Da die Anordnung der zweiten Stufe normalerweise bei etwa 8⁰K arbeitet, beschränkt die Anordnung hoher thermischer Belastbarkeit die Temperaturexkursion bzw. den Temperaturanstieg der Anordnung durch das Übergangsgas auf weniger als 12⁰K, so daß auf diese Weise eine Deadsorption von nichtkondensierbaren Gasen bzw. eine Wiederfreisetzung von adsorbierten nichtkondensierbaren Gasen verhindert wird. Es sei weiter darauf hingewiesen, daß die in hohem Maße leitfähige Schicht 92 des Winkels einen sehr schnellen wiederholten zyklischen Betrieb der Beladeschleuse ermöglicht, wodurch die Geschwindigkeit und Leistungsfähigkeit der Materialverarbeitung erhöht wird.

In einer Prototypkryopumpe hoher thermischer Kapazität, die gemäß den Prinzipien der Erfindung gebaut wurde, wurden 240 g Blei in den Chevrons bzw. Winkeln verwendet, wodurch die Masse der Kryopumpe auf 388 g erhöht wurde. Die Kryopumpenkapazität wurde dadurch von 40 Torr Liter auf 150 Torr Liter erhöht. Die maximale Temperatur der Anordnung kältester Temperatur wurde unter 20⁰K gehalten, 0 und daher war ein Gasdeadsorption bzw. ein Freisetzen von adsorbierten Gasen während des zyklischen Betriebs der Beladeschleuse minimal. Die Kryopumpe hoher thermischer Belastbarkeit war daher in der Lage, wiederholt in Verbindung mit einer Luftsaugstrahlpumpe zu arbeiten, ohne daß eine Kammerkontamination erzeugt wurde oder es zu einer Verschlechterung der Kryopumpe kam.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die beschriebenen und dargestellten Ausfuhrungsformen beschränkt, sondern sie läßt sich im Rahmen des Gegenstandes der Erfindung, wie er in den Ansprüchen angegeben ist, sowie ±u Rahmen des allgemeinen Erfindungsgedankens, wie er den gesamten Unterlagen zu entnehmen, in vielfältiger Weise abwandeln und verwirklichen. Zum Beispiel kann die Kryopumpe hoher Belastbarkeit auch in Verbindung mit einer ölgeschmierten Grobpumpe verwendet werden, die auf einen hohen Übergangsdruck beschränkt ist, um den Betrag an Ölkontamination des Vakuumsystems herabzusetzen.

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Claims

KRAUS ■ WEISERT & PATENTANWÄLTE UND ZUGELASSENE VERTRETER VOR DEM EUROPÄISCHEN PATENTAMT D=J-WALTER KRAUS DIPLOMCHEMIKER · OR.-ING. DIPL.-ING. ANNEKÄTE WEISERT · DIPL.-PHYS. JOHANNES SPIEiS THOMAS-WIMMER-RING 15 · D-8OOO MÜNCHEN 22 · TELEFON 089/227377 TELEGRAMM KRAUSPATENT ■ TELEX 5-212156 kpat d · TELEFAX (OB9)22 79 94 4980 JS/ps HELIX TECHNOLOGY CORPORATION Waltham, Mass. 02154, USA Ölfreies Vakuumsystem PATENT ANSPRÜCHE

1. Vakuumsystem, dadurch gekennzeichnet ,

daß es folgendes umfaßt:

(a) eine Arbeitskammer (14);
5

(b) eine Be- bzw. Entladeschleuse (16) zum Aufnehmen von Material, das in die Arbeitskammer (14) eingeführt und von der Arbeitskammer (14) entfernt werden soll;

(c) eine erste Kryopumpe (20) , die sich in Strömungsmittelverbindung mit der Arbeitskammer (14) befindet bzw. die in Strömungsmittelverbindung mit der Arbeitskammer (14) bringbar ist;

(d) eine zweite Kryopumpe (12), die sich in Strömungsmittelrichtung mit der Be- bzw. Entladeschleuse (16) befindet bzw. in Strömungsmittelverbindung mit der Be- bzw. Entladeschleuse (16) bringbar ist; und

(e) eine Gasstrahlsaugpumpe (38) zum anfängliehen unter Unterdrucksetzen der Be- bzw. Entladeschleuse (16), wenn Material in die Be- bzw. Entladeschleuse zum Transportieren in die bzw. aus der Arbeitskammer (14) eingeführt wird.

2. Vakuumsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die zweite Kryopumpe (12) eine Kryopumpe (12) hoher thermischer Kapazität umfaßt oder ist, um die Evakuierung der Be- bzw. Entladeschleuse (16) zu vervollständigen, nachdem die Be- bzw. Entladeschleuse (16) anfänglich durch die Gassaugstrahlpumpe (38) unter Unterdruck gesetzt worden ist.

3. Vakuumsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Kapazität der Kryopumpe (12) hoher thermischer Kapazität wenigstens etwa 6 Joule/⁰K beträgt.

4. Vakuumsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Kapazität pro Volumen eines Materials, das wenigstens einen Teil einer Kryoplatte (5) der kalten Stufe der zweiten Kryopumpe (12) bildet, wenigstens etwa 0,2 Joule/cm³-⁰K ist.

5. Vakuumsystem nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Kryopumpe (12) hoher thermischer Kapazität eine Anordnung (45), die bei niedriger Temperatur adsorptiv ist, umfaßt, welche teilweise aus Blei (94) aufgebaut ist.

6. Vakuumsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Anordnung (45) , die bei niedriger Temperatur adsorptiv ist, weiter eine Kupferschicht (92) umfaßt.

7. Vakuumsystem nach Anspruch 5, dadurch js e k e η η zeichnet , daß das Blei (94) zur Erhöhung der Härte des Bleis mit Antimon legiert ist.

8. Tieftemperaturkältemaschine, dadurch gekennzeichnet , daß sie eine Kryoplatte (45) niedriger Temperatur bzw. für niedrige Temperatur umfaßt, die an bzw. in der Tief temperaturkältemaschine (64) angebracht ist, wobei die Kryoplatte (45) wenigstens zwei Schichten (92,94) umfaßt, die jeweils aus einem Material von relativ hoher thermischer Leitfähigkeit und einem Material von relativ hoher thermischer Kapazität pro Volumeneinheit ausgebildet sind.

9. Tieftemperaturkältemaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß das Material hoher thermischer Kapazität pro Volumeneinheit Blei (94) ist.

10. Tieftemperaturkältemaschine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet , daß das in hohem Maße leitfähige Material Kupfer (92) ist.

11. Kryopumpe hoher thermischer Kapazität, dadurch gekennzeichnet , daß sie folgendes umfaßt:

eine Kältemaschine (64), die wenigstens zwei Stufen hat; und

eine Kryoplatte (45) niedrigster Temperatur bzw. für niedrigste Temperatur, die an bzw. in der Stufe niedrigster

Temperatur der Kältemaschine (64) angebracht ist, wobei die Kryoplatte (45) niedrigster Temperatur bzw. für niedriste Temperatur eine thermische Kapazität von wenigstens etwa 6 Joule/⁰K hat und Schichten (92,94) umfaßt, die jeweils aus einem Material von hoher Wärmeleitfähigkeit und einem Material, das eine Kapazität pro Volumeneinheit von wenigstens etwa 0,2 Joule/cm³-⁰K hat, ausgebildet sind.

12. Kryopumpe nach Anspruch 11, dadurch g e k e η η zeichnet, daß das Material hoher Kapazität pro Volumeneinheit Blei (94) umfaßt oder ist.

13. Kryopumpe nach Anspruch 11 oder 12, dadurch g e kennzeichne t, daß das in hohem Maße leitfähige Material eine Schicht aus Kupfer (92) umfaßt oder ist.

14. Kryopumpe nach Anspruch 13, dadurch g e k e η η zeich ne t, daß sie weiter eine Schicht aus Indium umfaßt, die zwischen der Kupferschicht (92) und der Bleischicht (94) angeordnet ist.

15. Kryopumpe nach einem der Ansprüche 11 bis 14, insbesondere nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Material (94) von hoher Kapazität in Verbundstruktur bzw. Schichtverbundstruktur zwischen zwei Schichten (92) des in hohem Maße leitfähigen Materials vorgesehen ist.

16. Verfahren zum kontinuierlichen Ver- bzw. Bearbeiten von Material in einem ölfreien Hochvakuumsystem, dadurch gekennzeichnet , daß es die folgenden Verfahrensschritte umfaßt:

(a) Anordnen des Materials in einer Be- bzw. Entladeschleuse (16);

(b) Herabsetzen des Be- bzw. Entladeschleusendrucks mittels einer Luftsaugstrahlpumpe (38) auf einen Übergangsdruck; _

(c) weiteres Vermindern des Be- bzw. Entladeschleusendrucks mittels einer Kryopumpe (12) auf einen Systembetriebsdruck;

(d) Verbinden der Be- bzw. Entladeschleuse (16) mit einer Arbeitskammer (14) auf Hochvakuum bzw. mit einer Arbeitskammer (14), die sich auf Hochvakuum befindet; und

(e) Befördern des Materials von der Be- bzw. Entladeschleuse (16) zu der Arbeitskammer (12).

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet , daß die Kryopumpe (12) bzw. die zweite Kryopumpe (12) eine Kryopumpe hoher thermischer Kapazität umfaßt oder ist.

18. Verfahren bzw. Vakuumsystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeic hnet, daß die Kapazität der Kryopumpe hoher thermischer Kapazität wenigstens etwa 6 Joule/⁰K ist.

19. Verfahren bzw. Vakuumsystem nach Anspruch 16, 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet , daß die Kapazität pro Volumen eines Materials, das wenigstens einen Teil einer Kryoplatte (45) der kalten Stufe der Kryopumpe (12) bzw. der zweiten Kryopumpe (12) bildet, wenigstens etwa 0,2 Joule/cm³-⁰K beträgt.

20. Verfahren nach Anspruch 17, 18 oder 19, dadurch gekennzeic hne t, daß die Kryopumpe hoher thermischer Kapazität eine Anordnung (45) , die bei niedriger Temperatur adsorptiv ist, umfaßt oder ist, welche teilweise aus Blei (94) aufgebaut ist.

21. Verfahren zum Anlaufenlassen einer ersten Kryopumpe, dadurch gekennzeic hnet, daß sie die folgenden Verfahrensschritte umfaßt:

(a) Evakuieren der ersten Kryopumpe (20) mit einer Luftsaugstrahlpumpeneinrichtung (38) auf einen Zwischendruck ;

(b) weiteres Evakuieren der Kryopumpe (20) mit einer zweiten Kryopumpe (12); und

(c) Betreiben der ersten Kryopumpe (20). 20