Mit einem zweistufigen Refrigerator betriebene Kryopumpe

Abstract

 Die Erfindung bezieht sich auf eine mit einem zweistufigen Refrigerator (3) betriebene Kryopumpe, bei der mehrere, rechtecktförmige, mit Abstand parallel zueinander angeordnete Bleche (13, 14) die Pumpflächen (9) der zweiten Stufe (5) bilden; die Bleche (13, 14) erstrecken sich im wesentlichen parallel zur Ebene des Baffles (7) und weisen im Bereich ihrer längeren Seiten Abkantungen (18, 25) auf, die sich vom Baffle (7) weg erstrecken; die abgeschirmten, sich parallel zur Ebene des Baffles (7) erstreckenden Oberflächen der Bleche (13, 14) sind zumindest teilweise mit Adsorptionsmaterial (19) belegt; zumindest die dem Baffle (7) zugewandten Oberflächen der Abkantungen (18, 25) sind als Kondensationsflächen ausgebildet.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine mit einem zweistufigen Refrigerator betriebene Kryopumpe, deren erste (wärmere) Stufe Pumpflächen trägt, die als topfförmige Abschirmung und als im Bereich der Topföffnung angeordnetes, parallele Streifen umfas­sendes Baffle ausgebildet sind, und deren zweite (kältere), innerhalb der topfförmigen Abschirmung angeordnete Stufe Pump­flächen trägt, die mehrere, teilweise mit Adsorptionsmaterial belegte, zu einer quaderförmigen Grundform zusammengefügte Bleche umfassen, wobei die Längsseiten des Quaders parallel zu den Längsachsen der Streifen des Baffles angeordnet sind.

[0002] Mit einem zweistufigen Refrigerator betriebene Kryopumpen setzen sich mehr und mehr durch, da sie ein vergleichbar hohes Saugver­mögen haben. Die Pumpflächen der ersten Stufe, deren Temperatur auf ca. 80 K gehalten wird, dienen der Kondensation von Wasser­dampf und Gasen mit ähnlichen Siedetemperaturen. Das Baffle hat gleichzeitig die Aufgabe, die Pumpflächen der zweiten Stufe vor unmittelbarer Bestrahlung zu schützen. An den Pumpflächen der zweiten Stufe, deren Temperatur ca. 20 K beträgt, sollen sich bei niedrigeren Temperaturen siedende Gase, z. B. Argon, und beson­ders leichte Gase, wie Wasserstoff und Helium, anlagern. Wasser­stoff und Helium lassen sich nur durch Adsorption an Aktivkohle oder ähnlichen Adsorptionsmaterialien festhalten. Die Pumpflächen der zweiten Stufe einer Kryopumpe sind deshalb derart gestaltet, daß die durch das Baffle gelangenden Gase zunächst nur solche Flächen "sehen", die der Kondensation von Argon und ähnlichen Gasen dienen. Die mit Adsorptionsmaterial belegten Flächen liegen demgegenüber abgeschirmt und sind nur mittelbar erreichbar. Dadurch ist es möglich, die kondensierbaren Gase vor dem Errei­chen der mit Adsorptionsmaterial belegten Flächen auszufiltern, um das Adsorptionsmaterial nicht unnötig mit kondensierbaren Gasen zu belasten. Die leichten und damit auch leicht beweglichen Gase erreichen die Adsorptionsflächen und lagern sich dort an.

[0003] Zur Gestaltung der Pumpflächen der zweiten Stufe einer mit einem zweistufigen Refrigerator betriebenen Kryopumpe sind bereits viele Vorschläge gemacht worden. Die bekannten Konfigurationen lassen sich in zwei Gruppen aufteilen. Bei der einen Gruppe bestehen die Pumpflächen aus scheibenförmig, kreisringförmig oder konisch gestalteten Blechen und weisen insgesamt einen rota­tionssymmetrischen Aufbau auf (vgl. die europäischen Patent­anmeldungen 128 323, 134 942 und 185 702 sowie die deutschen Patentanmeldungen 28 21 276, 29 12 856 und 30 38 415). Diese Lösungen erfordern ein Baffle, das ebenfalls rotationssymmetrisch aufgebaut ist.

[0004] Die Pumpflächen der zweiten Gruppe bestehen aus mehreren, im wesentlichen ebenen Blechabschnitten, die zu einer quaderförmigen Struktur zusammengefügt sind (europäische Patentanmeldung 196 281, deutsche Patentanmeldung 26 20 880). Bei Pumpflächen­konfigurationen dieser Art werden Baffle verwendet, die aus mehreren, parallel zueinander angeordneten Metallstreifen beste­hen.

[0005] Die Pumpflächen der ersten Gruppe haben gegenüber den Pumpflächen der zweiten Gruppe den grundsätzlichen Nachteil, daß ihre Her­stellung und Montage insbesondere im Hinblick auf die Ausrüstung verschiedener Pumpengrößen mit derartigen Pumpflächen notwendiger sind, und zwar aufgrund ihres rotationssymmetrischen Aufbaus.

[0006] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kryopumpe der zweiten Gruppe, also auf eine Kryopumpe mit von der zweiten Stufe getragenen Pumpflächen, die eine im wesentlichen quaderförmige Struktur haben. Pumpen dieser Art werden häufig bei Anlagen eingesetzt, in denen Sputterprozesse ausgeführt werden. Bei Sputterprozessen fallen große Mengen kondensierbarer Gase (ins­besondere Argon) und adsorbierbarer Gase (insbesondere Wasser­stoff) an. Das Saugvermögen für diese Gase ist - außer vom Leitwert des Eintrittsbaffles - vor allem von derjenigen Fläche abhängig, die dem jeweiligen Gas im Inneren der Pumpe als "Ein­trittsfläche" angeboten wird. Für Argon ist diese "Eintrittsflä­che" die äußere Oberfläche der Pumpflächenkonfiguration. Für Wasserstoff ist diese "Eintrittsfläche" durch die Spalte und Öffnungen gegeben, die die Außenfläche der Pumpflächenkonfigura­tion aufweist und durch die der Wasserstoff in die abgeschirmten Bereiche mit Aktivkohlebelegung vordringen kann.

[0007] Bei den aus den erwähnten Schriften vorbekannten Konstruktionen von Pumpflächen der zweiten Gruppe sind sich längs erstreckende Seitenbleche vorgesehen, deren Außenflächen der Anlagerung kondensierbarer Gase dienen. Das Saugvermögen der Pumpe für Argon ist deshalb von der Größe dieser Außenflächen abhängig. Die leichten Gase können im wesentlichen nur von unten oder durch die Stirnseiten der Pumpflächenkonfigurationen zu den mit Adsorp­tionsmaterial belegten Flächen gelangen. Das Saugvermögen für Wasserstoff ist deshalb von der Größe dieser "Eintrittsflächen" abhängig.

[0008] Bei den vorbekannten Lösungen von Pumpflächen mit im wesentlichen quaderförmiger Struktur stehen deshalb die beiden "Eintrittsflä­chen" in gewisser Konkurrenz zueinander: Vergrößert man die für die Anlagerung von Argon bestimmte Fläche, also die Außenfläche, dann ist eine solche Vergrößerung mit einer Reduzierung der "Eintrittsfläche" für leichte Gase, also mit einer Reduzierung des Saugvermögens für leichte Gase, verbunden. Dieses gilt auch umgekehrt, d. h. vergrößert man die Flächen, durch die das leichte Gas zu den mit Adsorptionsmaterial belegten Flächen gelangen kann, dann ist das notwendigerweise mit einer Verklei­nerung der äußeren Fläche verbunden, also mit einer Reduzierung des Saugvermögens für kondensierbare Gase.

[0009] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kryopumpe der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die Pumpflächen der zweiten Stufe sowohl ein verbessertes Saugvermö­gen für kondensierbare Gase als auch ein verbessertes Saugvermö­gen für leichte Gase hat. Außerdem sollen die Pumpflächen der zweiten Stufe die Forderungen erfüllen, daß sie selbst für unterschiedliche Pumpentypen einfach und deshalb kostengünstig herstellbar und montierbar sind.

[0010] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß mehrere rechteckförmige, mit Abstand parallel zueinander angeordnete Bleche die Pumpflächen der zweiten Stufe bilden, welche sich im wesentlichen parallel zur Ebene des Baffles erstrecken und welche im Bereich ihrer längeren Seiten Abkantungen aufweisen, die sich vom Baffle weg erstrecken, wobei die abgeschirmten, sich parallel zur Ebene des Baffles erstreckenden Oberflächen der Bleche zumindest teilweise mit Adsorptionsmaterial belegt sind und zumindest die dem Baffle zugewandten Oberflächen der Abkantungen als Kondensationsflächen ausgebildet sind.

[0011] Bei einer Pumpflächenkonfiguration dieser Art bestimmen Anzahl und Größe der Abkantungen das Saugvermögen für kondensierbare Gase, während die infolge der Abstände der Bleche vorhandenen Spalte, die nicht nur im Bereich der Stirnseiten der quader­förmigen Grundform, sondern auch im Bereich der Seitenflächen vorhanden sind, das Saugvermögen für leichte Gase bestimmen. Das Saugvermögen für Wasserstoff ist also bei einer quaderförmigen Pumpfläche nach der Erfindung wesentlich größer als bei einer entsprechenden Pumpfläche nach dem Stand der Technik. Infolge der erfindungsgemäßen Gestaltung der Pumpflächen ist diese H₂-Saug­vermögensverbesserung nicht zwingend mit einer Reduzierung des Saugvermögens für kondensierbare Gase verbunden. Ist die Breite der Abkantungen so gewählt, daß sie dem Abstand der Bleche entspricht, dann ist die Summe der Oberflächen der Abkantungen gleich der Seitenfläche der quaderförmigen Pumpfläche. In diesem speziellen Fall kann deshalb im Vergleich zu den quaderförmigen Pumpflächen nach dem Stand der Technik eine wesentliche Vergrö­ßerung des Wasserstoff-Saugvermögens bei gleichbleibendem Saug­vermögen für kondensierbare Gase erreicht werden. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, die Breite der Abkantungen größer als den Blech-Abstand zu wählen. Neben einer Verbesserung des Wasser­stoff-Saugvermögens wird dadurch noch eine Verbesserung des Saugvermögens für kondensierbare Gase erreicht.

[0012] Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Figuren 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden. Es zeigen

- Figur 1 eine Kryopumpe nach der Erfindung,

- Figur 2 eines der Bleche, die die Pumpflächen der zweiten Stufe der Kryopumpe nach Anspruch 1 bilden,

- Figur 3 die erfindungsgemäße Pumpflächenkonfiguration in perspektivischer Darstellung,

- Figur 4 eine weitere Variante einer Pumpflächenkonfiguration nach der Erfindung und

- Figur 5 ein Werkzeug zur Herstellung der Einzelbleche.

[0013] Die in Figur 1 dargestellte Kryopumpe 1 mit dem Gehäuse 2 umfaßt den nur teilweise dargestellten, zweistufigen Refrigerator 3, dessen Kältestufen mit 4 (erste, wärmere Stufe) und 5 (zweite, kältere Stufe) bezeichnet sind. An der ersten Stufe 4 ist die topfförmige Pumpfläche 6 gut wärmeleitend befestigt, so daß diese gemeinsam mit dem vom Topf 6 getragenen Baffle 7 den Innenraum 8 der Pumpe umschließt. Im Innenraum 8 befinden sich die Pumpflä­chen 9, die mit der zweiten Kältestufe 5 des Refrigerators 3 gut wärmeleitend verbunden sind und eine im wesentlichen quader­förmige Struktur haben. Das Gehäuse 2 der Kryopumpe 1 ist mit einem Flansch 11 ausgerüstet, der die Eintrittsöffnung 12 der Kryopumpe 1 bildet und mit dem die Kryopumpe 1 an einen nicht dargestellten Rezipienten, vorzugsweise unter Zwischenschaltung eines Ventils, angeschlossen wird.

[0014] Während des Pumpprozesses lagern sich die höher siedenden Gase am Baffle 7 und an der topfförmigen Pumpfläche 6 an. Gase mit niedrigeren Siedepunkten, vorzugsweise Argon, und leichte Gase, vorzugsweise Wasserstoff, gelangen durch das Baffle 7 in den Innenraum 8. Die Pumpfläche 9 hat die Aufgabe, diese Gase anzu­lagern.

[0015] Die Pumpfläche 9 nach Figur 1 besteht aus insgesamt 9 Blechen, von denen die unteren 8 Bleche mit 13 und das obere Blech mit 14 bezeichnet sind. Sämtliche Bleche 13 und 14 sind an einem zen­tralen Träger 15 befestigt, der seinerseits gut wärmeleitend mit der kälteren Stufe 5 des Refrigerators 3 verbunden ist. Sämtliche Bleche 13 und 14 sind mit Abkantungen 18 versehen, die sich vom Baffle 7 weg erstrecken. Der Träger 15 hat im wesentlichen die Form eines U, dessen Schenkel sich parallel zur zweiten Stufe 5 des Refrigerators 3 erstrecken. Im Bereich der Verbindung der U-Schenkel ist der Träger 15 an der Stufe 5 gut wärmeleitend befestigt.

[0016] Die Pumpflächen 9 der zweiten Refrigeratorstufe 5 haben die Aufgabe, vorzugsweise Argon (als Beispiel für kondensierbare Gase mit relativ niedriger Siedetemperatur) durch Kondensation und vorzugsweise Wasserstoff durch Adsorption anzulagern. Die Außen­flächen der im wesentlichen quaderförmigen Pumpflächenstruktur, also die dem Baffle zugewandte Oberfläche des Bleches 14 und die dem Baffle 7 zugewandten Flächen der Abkantungen 18 sollen der Kondensation von Argon dienen und haben deshalb die dafür geeignete Oberflächenstruktur. Die Größe der Summe dieser Flächen bestimmt das Argon-Saugvermögen. Die demgegenüber abgeschirmt angeordneten Flächen der Bleche 13 und 14, also vorzugsweise die sich parallel zur Ebene des Baffles 7 erstreckenden Blechab­schnitte, sollen leichte Gase durch Adsorption festhalten. Sie sind deshalb, zumindest teilweise, mit Adsorptionsmaterial 19, z. B. Aktivkohle, belegt. Die Größe der insgesamt mit Aktivkohle 19 belegten Flächen hängt von der gewünschten Wasserstoff-Pumpkapa­zität ab. Soll diese sehr groß sein, dann können auch die dem Baffle 7 abgewandten Oberflächen der Abkantungen 18 mit Aktiv­kohle 19 belegt sein, wie das am Beispiel des unteren Bleches 13 dargestellt ist.

[0017] Figur 1 zeigt noch, daß das Baffle 7 unmittelbar oberhalb der Pumpfläche 9 winkelförmige Bafflestreifen 21 und im äußeren Bereich einfache Bafflestreifen 23 aufweist. Diese Kombination eines Louver-Baffles mit einem Chevron-Baffle hat gegenüber den vorbekannten Baffle-Lösungen (nur Louver-Baffle mit vollständiger Abdeckung des Mittelbereiches) den Vorteil einer weiteren Saug­vermögensverbesserung. Infolge des Vorhandenseins des Chevron-­Baffles im Mittelbereich besteht dort ein wenn auch gegenüber der übrigen Streifenanordnung verringertes Saugvermögen für Argon und Wasserstoff.

[0018] Figur 2 zeigt ein Einzelblech 13 und läßt die Art und Weise seiner Befestigung am zentralen Träger 15 erkennen. Jedes Blech 13 ist mit einer zentralen Öffnung 23 ausgerüstet. An zwei einander gegenüberliegenden Seiten der Öffnung 23 sind senkrecht sich zur Ebene des Bleches 13 erstreckende Laschen 24 vorgesehen, mit deren Hilfe die Bleche 13 am zentralen Träger 15 befestigt werden. Die zentrale Öffnung 23 entfällt lediglich beim obersten Blech 14 der Pumpfläche 9, welches unmittelbar dem Verbindungs­teil des U-förmigen Trägers 15 aufliegt und gemeinsam mit diesem an der Stufe 5 befestigt ist. In Bezug auf den zentralen Bereich der Bleche 13 erstrecken sich die Laschen 24 und die Abkantungen 18 in entgegengesetzter Richtung. Diese Anordnung hat den Vor­teil, daß die Bleche 13 in einfacher Weise am Träger 15 befestigt werden können. Die Montage erfolgt von unten nach oben, so daß die Laschen 24 und die Verbindungsschrauben jeweils frei zugäng­lich sind.

[0019] Anhand der Figur 2 ist bereits erkennbar, daß die Bleche 13 einfach und preiswert herzustellen sind. Die Abkantung 18 bildet mit der Ebene des Blechs 13 einen Winkel α von etwa 45°. Dieser Winkel ist variierbar. Durch Wahl unterschiedlicher Winkel α läßt sich Einfluß auf das Wasserstoff-Saugvermögen nehmen. Sollen größere Pumpen mit einer Pumpfläche 9 der beschriebenen Art ausgerüstet werden, dann reicht es häufig aus, lediglich eine größere Länge L zu wählen. Eine Änderung des Werkzeuges ist, sofern es lang genug ist, nicht erforderlich. Ist auch eine größere Breite erwünscht, dann kann ein in dieser Hinsicht leicht modifizierbares Werkzeug verwendet werden, wie es weiter unten anhand von Figur 5 noch beschrieben wird.

[0020] Soll das Argon-Saugvermögen gegenüber dem Wasserstoff-Saugvermö­gen besonders groß sein, dann besteht die Möglichkeit, eine weitere Abkantung 25 (lediglich gestrichelt angedeutet) vorzuse­hen, die sich an die Abkantung 18 anschließt und sich im wesent­lichen senkrecht nach unten in Bezug auf die Ebene des zentralen Abschnittes des Bleches 13 erstreckt.

[0021] Figur 3 zeigt eine Pumpfläche 9 nach der Erfindung mit insgesamt 11 Blechen 13, 14, welche einen relativ kleinen Abstand zueinan­der haben. Eine derartige Anordnung mit einer sehr dichten Zusammensetzung der Einzelbleche ist günstig für den Einsatz in Kryopumpen für Sputterprozesse, bei denen ein hohes Wasserstoff­saugvermögen und eine hohe Wasserstoff-Kapazität erwünscht ist. Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 4 ist der Abstand der ein­zelnen Bleche voneinander größer gewählt. Zusätzlich sind zwei Abkantungen 18 und 25 vorgesehen. Eine derartige aufgespreizte Zusammensetzung ist dort sinnvoll, wo aus Gründen der Gewichts­einsparung keine dichte Stapelung möglich ist, also bei relativ großen Kaltflächen für besonders große Kryopumpentypen.

[0022] Figur 5 zeigt ein Werkzeug zur Herstellung von Blechen 13, 14 für Pumpflächen 9 nach der Erfindung. Das Druckwerkzeug 27 umfaßt ein Ober- und ein Unterteil 28, 29 auf. Seine Form und seine Länge L sind so gewählt, daß es für die Herstellung der Kaltflächen von Kryopumpen des erfindungsgemäßen Typs mit unterschiedlichen Größen und/oder Eigenschaften geeignet ist. Die Länge L ent­spricht der maximal gewünschten Länge. Seine Form ist so ge­wählt, daß sowohl eine Einfachkantung als auch eine Doppelkantung ausführbar sind, so daß auch für diese Variationen unterschied­liche Werkzeuge nicht erforderlich sind. Soll auch die Breite B variierbar sein, dann muß das Werkzeug 27 in dieser Hinsicht modifizierbar sein. Vorzugsweise ist es in Bezug auf seine Längsachse teilbar, so daß Zwischenelemente 30 einsetzbar sind. Vollständig neue Werkzeuge, wie sie bei rotationssymmetrischem Aufbau der Kaltflächen erforderlich sein würden, sind bei der erfindungsgemäß gestalteten Pumpfläche nicht erforderlich.

Ansprüche

1. Mit einem zweistufigen Refrigerator (3) betriebene Kryopumpe (1), deren erste (wärmere) Stufe (4) Pumpflächen trägt, die als topfförmige Abschirmung (6) und als im Bereich der Topföffnung angeordnetes, parallele Streifen (22) umfassen­des Baffle (7) ausgebildet sind, und deren zweite (kältere), innerhalb der topfförmigen Abschirmng (6) angeordnete Stufe (5) Pumpflächen (9) trägt, die mehrere, teilweise mit Adsorptionsmaterial (19) belegte, zu einer quaderförmigen Grundform zusammengefügte Bleche umfassen, wobei die Längsseiten des Quaders parallel zu den Längsachsen der Streifen (22) des Baffles (7) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere, rechteckförmige, mit Abstand parallel zueinander angeordnete Bleche (13, 14) die Pump­flächen (9) der zweiten Stufe (5) bilden, welche sich im wesentlichen parallel zur Ebene des Baffles (7) erstrecken und welche im Bereich ihrer längeren Seiten Abkantungen (18, 25) aufweisen, die sich vom Baffle (7) weg erstrecken, wobei die abgeschirmten, sich parallel zur Ebene des Baffles (7) erstreckenden Oberflächen der Bleche (13, 14) zumindest teilweise mit Adsorptionsmaterial (19) belegt sind und zumindest die dem Baffle (7) zugewandten Oberflächen der Abkantungen (18, 25) als Kondensationsflächen ausgebildet sind.

2. Kryopumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zentraler, an der kälteren Stufe (5) des Refrigerators (3) befestigter Träger (15) vorgesehen ist, an dem die Flächen (13, 14) befestigt sind.

3. Kryopumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (15) eine im wesentlichen U-förmige Gestalt hat, daß sich seine Schenkel parallel zur Stufe (5) des Refrigerators (2) erstrecken und daß der die U-Schenkel verbindende Abschnitt gut wärmeleitend an der Stufe (5) befestigt ist.

4. Kryopumpe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleche (13) eine zentrale Öffnung (23) aufweisen und daß der Öffnung (23) Laschen (24) zugeordnet sind, mit denen die Bleche (13) am zentralen Träger (15) gut wärmeleitend befestigt sind.

5. Kryopumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer Abkantung (18) ausgerüstet ist, deren Breite größer ist als der Abstand der Bleche (13, 14).

6. Kryopumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleche (13, 14) mit einer Doppel­kantung (18, 25) ausgerüstet sind.

7. Kryopumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkantungen (18) mit der Ebene des zentralen Bereichs der Bleche (13) einen Winkel von etwa 45° und die Abkantungen (25) mit dieser Ebene einen Winkel von ca. 90° bilden.

8. Kryopumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­zeichnet , daß die dem Baffle (7) abgewandten Oberflächen der Abkantungen (18 oder 25) mit Aktivkohle oder einem anderen Adsorptionsmaterial belegt sind.

9. Kryopumpe nach Anspruch 4 und einem der übrigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Abkantungen (18 oder 25) und die Laschen (24) in Bezug auf die Ebene des zen­tralen Bereichs der Bleche (13) in entgegengesetzter Rich­tung erstrecken.

10. Kryopumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein kombiniertes Chevron-Louver-Baffle (7) vorgesehen ist.

Zeichnung