DE69409555T2

DE69409555T2 - Turbomolecular pump

Info

Publication number: DE69409555T2
Application number: DE1994609555
Authority: DE
Inventors: Takeshi Ichihara-Shi Chiba-Ken 290 Jinbo
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 1993-01-11
Filing date: 1994-01-11
Publication date: 1998-12-03
Anticipated expiration: 2014-01-12
Also published as: DE69409555D1; EP0610666B1; EP0610666A1

Description

Die Erfindung betrifft Vakuumvorrichtungen und insbesondere Turbomolekularpumpen, die zum Erzeugen eines Vakuums in Vakuumkammern verwendet werden.The invention relates to vacuum devices and in particular to turbomolecular pumps used to generate a vacuum in vacuum chambers.

Vakuumverfahren werden häufig bei Halbleitern, in der Optik und in anderen Industriebereichen verwendet. Zum Beispiel wird in der Elektronikindustrie ein Vakuumverfahren im physikalischen Aufdampfungs- (PVD-) Verfahren zur Herstellung von Dünnschichtleitern verwendet. Solche Dünnschichten werden hauptsächlich durch physikalisches Abscheiden von Metallen auf verschiedene Substratmaterialien hergestellt. Eine derartige PVD-Technik, die in der Herstellung metallischer Dünnschichten verwendet wird, ist das Sputterverfahren. Im allgemeinen umfaßt das Sputterverfahren die Beschleunigung von Argon (Ar+) und anderen ionischen Elementen in einem Vakuum durch elektrische Entladungen. Die beschleunigten Ionen treffen auf eine Elektrode mit negativem Potential (Target). Das Material, welches die Elektrode umfaßt, tritt aus deren Oberfläche, indem es die Energie der Argon- (Ar+) Ionen aufnimmt (in einem Phänomen, das als "Sputtern" bezeichnet wird) und die Substanz, die der Elektrode entweicht, wird auf ein Substrat abgeschieden. Das Ergebnis ist die Bildung einer metallischen Dünnschicht auf dem Substrat.Vacuum processes are widely used in semiconductors, optics, and other industries. For example, in the electronics industry, a vacuum process is used in the physical vapor deposition (PVD) process for producing thin film conductors. Such thin films are mainly produced by physically depositing metals on various substrate materials. One such PVD technique used in the production of metallic thin films is the sputtering process. In general, the sputtering process involves accelerating argon (Ar+) and other ionic elements in a vacuum by electrical discharges. The accelerated ions strike an electrode with negative potential (target). The material comprising the electrode emerges from its surface by absorbing the energy of the argon (Ar+) ions (in a phenomenon called "sputtering"), and the substance escaping the electrode is deposited on a substrate. The result is the formation of a metallic thin film on the substrate.

Eine derartige Sputterausrüstung ist für gewöhnlich in einer Vakuumkammer eingeschlossen. Somit findet die Umwandlung der Dünnschichtsubstanz von der Elektrode in hochenergetische Ionen in einem Vakuum statt. Folglich ist eine Evakuierungs- oder Vakuumvorrichtung notwendig, um im wesentlichen jedes Gas aus der Vakuumkammer zu entfernen, in der das Sputterverfahren ausgeführt wird. Für diesen Zweck wird für gewöhnlich entweder eine kryogene Pumpe (Kryopumpe) oder ein Turbomolekularpumpe (Turbopumpe) verwendet, die ein Kühlfallenpaneel enthält.Such sputtering equipment is usually enclosed in a vacuum chamber. Thus, the conversion of the thin film substance from the electrode into high energy ions takes place in a vacuum. Consequently, an evacuation or vacuum device is necessary to remove substantially any gas from the vacuum chamber in which the sputtering process is carried out. For this purpose, either a cryogenic pump (cryopump) or a turbomolecular pump (turbopump) containing a cold trap panel is usually used.

Mit Bezugnahme auf Fig. 10 folgt eine Beschreibung eines Kryopumpensystems 100, das eine Heliumgaskühlmaschine zum Kühlen der Pumpe verwendet. In diesem beispielhaften Kryopumpensystem ist die Kryopumpe 112 durch einen Kanal 108 an einer Vakuumkammer 106 über ein Hauptventil (Hochvakuumventil 110) befestigt. Der Kryopumpe 112 ist an eine Rotationspumpe (eine mechanische Pumpe) 118 über ein kryogenes Grobventil 114 angeschlossen. Die Rotationspumpe wird dazu verwendet, zunächst ein Teilvakuum (das auch als Nieder- oder Grobvakuum bekannt ist) in der Kammer zu erzeugen, und die Kryopumpe wird nach der Erzeugung des Teilvakuums verwendet, um die Kammer weiter zu evakuieren. Ein Grobevakuierungskanal 120 verbindet die Vakuumkammer 106 mit einem Kanal 106, der das kryogene Ventil 114 mit der Rotationspumpe 118 verbindet. Ein Kammergrobventil 122, das in dem Kanal 120 angeordnet ist, reguliert den Durchfluß. Ein weiterer Kanal 104 geht von der Vakuumkammer 106 ab und ein Kammerlüftungsventil 102 ist an einem Punkt entlang diesem Kanal vorgesehen.Referring to Figure 10, a description follows of a cryopump system 100 that uses a helium gas chiller to cool the pump. In this exemplary cryopump system, the cryopump 112 is attached through a channel 108 to a vacuum chamber 106 via a main valve (high vacuum valve 110). The cryopump 112 is connected to a rotary pump (a mechanical pump) 118 via a cryogenic roughing valve 114. The rotary pump is used to initially create a partial vacuum (also known as a low or roughing vacuum) in the chamber, and the cryopump is used after the partial vacuum is created to further evacuate the chamber. A rough evacuation channel 120 connects the vacuum chamber 106 to a channel 106 connecting the cryogenic valve 114 to the rotary pump 118. A chamber roughing valve 122 located in the channel 120 regulates the flow. Another channel 104 leads from the vacuum chamber 106 and a chamber vent valve 102 is provided at a point along this channel.

Der Betrieb eines solchen Kryopumpensystems ist komplex und zeitaufwendig. Insbesondere muß das Kryopumpensystem zur Erzeugung eines Vakuums in der Vakuumkammer 106 die folgenden Schritte ausführen: (1) das Kammerlüftungsventil 102, das Hauptventil 110 und das kryogene Grobventil 102 werden geschlossen (2), das Kammergrobventil 122 wird geöffnet; (3) die Rotationspumpe 118 wird dann betätigt, um eine Grobevakuierung der Vakuumkammer 106 auszuführen; (4) das Kammergrobventil 122 wird geschlossen; (5) das Hauptventil 110 wird geöffnet; und (6) die Kryopumpe 112 wird betätigt, um eine Zweitevakuierung der Vakuumkammer 106 durchzuführen. Die Zweitevakuierung erzeugt ein ausreichendes Vakuum in der Vakuumkammer, das die Verwendung eines Sputterverfahrens darin erleichtert.The operation of such a cryopump system is complex and time consuming. In particular, to create a vacuum in the vacuum chamber 106, the cryopump system must perform the following steps: (1) the chamber vent valve 102, the main valve 110 and the cryogenic rough valve 122 are closed; (2) the chamber rough valve 122 is opened; (3) the rotary pump 118 is then operated to perform a rough evacuation of the vacuum chamber 106; (4) the chamber rough valve 122 is closed; (5) the main valve 110 is opened; and (6) the cryopump 112 is operated to perform a secondary evacuation of the vacuum chamber 106. The secondary evacuation creates a sufficient vacuum in the vacuum chamber to facilitate the use of a sputtering process therein.

Fig. 11 zeigt eine herkömmliche Kryopumpe 112, die in dem zuvor beschriebenen Kryopumpensystem verwendet wird. Die Kryopumpe 112 enthält eine Drehachse 204, die an einem Ende mit einer kleinen Heliumgaskühlmaschine (nicht dargestellt) verbunden ist. Ein anderes Ende der Drehachse 204 reicht in ein Pumpengehäuse 206. An der Spitze der Achse befindet sich ein kalter Flügel 202. Am Einlaß des Pumpengehäuses 206 ist eine Prallfläche 200 vorgesehen. Der Kanal 108 ist mit dem Umfang eines Einlasses 208 verbunden.Fig. 11 shows a conventional cryopump 112 used in the cryopump system described above. The Cryopump 112 includes a rotary shaft 204 connected at one end to a small helium gas refrigerator (not shown). Another end of the rotary shaft 204 extends into a pump housing 206. At the tip of the shaft is a cold vane 202. A baffle 200 is provided at the inlet of the pump housing 206. The channel 108 is connected to the periphery of an inlet 208.

In der Kryopumpe 112 werden die Prallfläche 200, der kalte Flügel 202 und andere Komponenten bei kryogener Temperatur gehalten, d.h., bei einer Temperatur, bei welcher Moleküle von der Prallfläche, dem kalten Flügel und anderen kalten Komponenten der Kryopumpe adsorbiert werden. Von den Gasmolekülen, die durch den Kanal 108 in den Einlaß 208 gelangen, werden Wasserdampf und alle anderen Elemente und Moleküle, die einen höheren Dampfdruck als Wasser aufweisen, auf der Prallfläche 200 kondensiert. In dieser Form werden diese Moleküle und Elemente aus der Vakuumkammer entfernt. Andere Gase wie Stickstoff, Sauerstoff und Argon, deren Dampfdruck geringer als der Dampfdruck von Wasser ist, haften an dem kalten Flügel 202. Gase mit noch niedrigerem Dampfdruck werden von einem kalten Paneel (nicht dargestellt) adsorbiert. Diese Gase werden dann auf herkömmliche Weise von entsprechenden Adsorptionsmitteln eingefangen.In the cryopump 112, the baffle 200, the cold vane 202 and other components are maintained at cryogenic temperature, i.e., at a temperature at which molecules are adsorbed by the baffle, the cold vane and other cold components of the cryopump. Of the gas molecules entering the inlet 208 through the channel 108, water vapor and any other elements and molecules having a higher vapor pressure than water are condensed on the baffle 200. In this form, these molecules and elements are removed from the vacuum chamber. Other gases such as nitrogen, oxygen and argon, whose vapor pressure is less than the vapor pressure of water, adhere to the cold vane 202. Gases having even lower vapor pressures are adsorbed by a cold panel (not shown). These gases are then captured in the conventional manner by appropriate adsorbents.

Es ist ein Nachteil, daß eine Kryopumpe eine verhältnismäßig lange Anlaufzeit benötigt, d.h., bis die Pumpe auf eine vorgeschriebene kryogene Temperatur gekühlt ist, und eine verhältnismäßig lange Abschaltzeit, d.h., bis die Temperatur der Pumpe auf ein e vorgeschriebene Temperatur steigt. Im allgemeinen dauern die Anlaufzeit und die Abschaitzeit jeweils ungefähr ein bis zwei Stunden. Während der Abschaltzeit muß die Vakuumkammer dicht verschlossen und an die Kryopumpe angeschlossen bleiben um zu gewährleisten, daß die adsorbierten Gase nicht verdampfen und in die Vakuumkammer eindringen. Für eine Isolierung der Kryopumpe von der Vakuumkammer und für einen Zugang zu der Kammer kurz nach Beendigung der Bearbeitung in der Kammer, ist daher das Hauptventil zwischen der Kryopumpe und der Vakuumkammer vorgesehen. Sobald das Sputterverfahren beendet ist, bleibt das Hauptventil daher geschlossen und die Vakuumkammer kann auf atmosphärischen Druck gebracht werden. Somit können Arbeiter Zugang zu der Kammer haben, ohne auf ein Erwärmen der Kryopumpe warten zu müssen, das heißt, ohne die Abschaltzeit abwarten zu müssen. Ferner kann unter Verwendung eines Hauptventils die Kryopumpe isoliert von der Vakuumkammer erwärmt werden, so daß der Wasserdampf und andere zuvor von der Pumpe eingefangenen Kontaminanten nicht von der Kryopumpe verdampfen und in die Vakuumkammer eindringen.It is a disadvantage that a cryopump requires a relatively long start-up time, ie until the pump is cooled to a prescribed cryogenic temperature, and a relatively long shutdown time, ie until the temperature of the pump rises to a prescribed temperature. In general, the start-up time and the shutdown time each last approximately one to two hours. During the shutdown time, the vacuum chamber must remain tightly closed and connected to the cryopump to ensure that the adsorbed gases do not evaporate and penetrate into the vacuum chamber. To isolate the cryopump from the vacuum chamber and to access the chamber briefly after completion of the processing in the chamber, the main valve is therefore provided between the cryopump and the vacuum chamber. Once the sputtering process is completed, the main valve therefore remains closed and the vacuum chamber can be brought to atmospheric pressure. Thus, workers can have access to the chamber without having to wait for the cryopump to heat up, that is, without having to wait for the shutdown time. Furthermore, by using a main valve, the cryopump can be heated in isolation from the vacuum chamber, so that the water vapor and other contaminants previously captured by the pump do not evaporate from the cryopump and enter the vacuum chamber.

Die Verwendung eines solchen Hauptventils hat jedoch einige Nachteile. Für gewöhnlich ist das Hauptventil ein Hochvakuum-Druckausgleichsventil oder ein anderes Hochvakuumventil ähnlicher Art. Der große Druckunterschied zwischen der Hochvakuumseite und der atmosphärischen Seite und die Notwendigkeit eines luftdichten Verschlusses machen die Konstruktion des Hauptventils somit notwendigerweise komplex. Daher vergrößert die komplexe Konstruktion des Hauptventils die Oberfläche der Ventilkomponenten. Da das Ventil in einem Hochvakuum arbeitet, verursacht der auf der Oberfläche dieser Komponenten angesammelte Staub in der Vakuumkammer möglicherweise ein Problem durch eine Partikelverunreinigung. Ebenso strömen Gase von den Materialbestandteilen der Ventilkomponenten aus, d.h. es kommt zu einer Ausgasung. Diese Gase strömen in die Vakuumkammer und beeinträchtigen die Erzeugung eines Hochvakuums. Daher ist vom Standpunkt der Gewährleistung eines Hochvakuums in der Vakuumkammer die Entfernung des Hauptventils zwischen der Vakuumkammer und der Kryopumpe eine ideale Lösung. Es ist jedoch nicht möglich, das Hauptventil von der Art von Vakuumpumpensystem von Fig. 10 zu entfernen, ohne eine Verunreinigung der Vakuumkammer während des Abschaltens (der Erwärmung) der Kryopumpe zu riskieren.However, the use of such a main valve has some disadvantages. Usually, the main valve is a high vacuum pressure equalization valve or other high vacuum valve of a similar type. Thus, the large pressure difference between the high vacuum side and the atmospheric side and the need for an airtight seal make the design of the main valve necessarily complex. Therefore, the complex design of the main valve increases the surface area of the valve components. Since the valve operates in a high vacuum, the dust accumulated on the surface of these components in the vacuum chamber may cause a problem of particle contamination. Also, gases flow out from the material components of the valve components, i.e., outgassing occurs. These gases flow into the vacuum chamber and affect the creation of a high vacuum. Therefore, from the standpoint of ensuring a high vacuum in the vacuum chamber, the removal of the main valve between the vacuum chamber and the cryopump is an ideal solution. However, it is not possible to remove the main valve from the type of vacuum pump system of Fig. 10 without risking contamination of the vacuum chamber during shutdown (heating) of the cryopump.

In einem Versuch, die Verwendung eines Hauptventils in einem Vakuumsystem zu unterlassen, haben sich Fachleute der Verwendung von Turbomolekularpumpen (Turbopumpen) anstelle der Kryopumpen zugewandt. Ein -beispielhaftes Vakuumsystem, das eine Turbopumpe 300 mit einem Kühlfallenpaneel 318 verwendet, ist in Fig. 12 dargestellt. Das Kühlfallenpaneel, das an dem Einlaß 232 vorgesehen ist, soll Wassermoleküle adsorbieren, ähnlich wie die Prallfläche in einer Kryopumpe Wassermoleküle adsorbiert. In dieser Turbopumpe ist eine Welle 306, an der ein Flügelrad 310 befestigt ist, in dem Pumpengehäuse 302 enthalten. Die Welle bildet eine Hauptdrehachse für das Flügelrad. Die Welle 306 wird von oberen und unteren Aufsetzlagern 304 und einem Motormagnetlager 308 (einem Teil eines Elektromotors 324) gehalten. Am Boden des Pumpengehäuses 302 befindet sich eine Austrittsöffnung 312. Ein kaltes Paneelengehäuse 314 ist an dem Umfang des Einlasses für das Pumpengehäuse 302 befestigt. Das Kühlfallenpaneel 318, das von einer Abdeckung 316 geschützt ist, ist im Inneren des kalten Paneelengehäuses 314 vorgesehen. Zur Verringerung der Temperatur des Kühlfallenpaneels ist ein Kühlmittelrohr, das 320 mit einer Kühlmaschine (nicht dargestellt) verbunden ist, an dem Kühlfallenpaneel 318 befestigt. Ein Kanal 322, der die Kontaminanten von der Vakuumkammer befördert, ist an das kalte Paneelengehäuse 314 angeschlossen.In an attempt to eliminate the use of a master valve in a vacuum system, those skilled in the art have turned to the use of turbomolecular pumps (turbopumps) in place of cryopumps. An exemplary vacuum system using a turbopump 300 with a cold trap panel 318 is shown in Figure 12. The cold trap panel, provided at the inlet 232, is intended to adsorb water molecules, similar to how the baffle in a cryopump adsorbs water molecules. In this turbopump, a shaft 306 to which an impeller 310 is attached is contained within the pump housing 302. The shaft provides a main axis of rotation for the impeller. The shaft 306 is supported by upper and lower bearings 304 and a motor magnetic bearing 308 (part of an electric motor 324). At the bottom of the pump housing 302 is an outlet port 312. A cold panel housing 314 is attached to the periphery of the inlet for the pump housing 302. The cold trap panel 318, protected by a cover 316, is provided inside the cold panel housing 314. To reduce the temperature of the cold trap panel, a coolant pipe 320 connected to a chiller (not shown) is attached to the cold trap panel 318. A channel 322 that carries the contaminants from the vacuum chamber is connected to the cold panel housing 314.

In der Turbopumpe 300 erfahren die gasförmigen Moleküle, die über den Einlaß zu dem Pumpengehäuse in die Pumpe gelangen, durch die Hochgeschwindigkeitsdrehung des Flügelrads 310 eine Kompression und werden durch die Austrittsöffnung 312 abgegeben. Während dieses Verfahrens werden die gasförmigen Moleküle, die von dem Einlaß 323 eindringen, durch das Kühlfallenpaneel 318 gekühlt, so daß nur die Wassermoleküle, die den vorwiegenden Teil der Gasreste bilden, die in der Vakuumkammer verbleiben, an welche die Turbopumpe angeschlossen ist, an dem Kühlfallenpaneel adsorbiert werden. Daher ist die Evakuierungszeit der Wassermoleküle, die an dem Kühlfallenpaneel gefrieren, deutlich länger als im Falle einer Kryopumpe. Dies ermöglicht den selektiven und kontinuierlichen Evakuierungsbetrieb der Turbopumpe.In the turbopump 300, the gaseous molecules entering the pump via the inlet to the pump housing are compressed by the high speed rotation of the impeller 310 and are discharged through the outlet opening 312. During this process, the gaseous molecules entering from the inlet 323 are cooled by the cold trap panel 318 so that only the water molecules, which constitute the predominant part of the gas residues remaining in the vacuum chamber to which the turbopump is connected, are adsorbed on the cold trap panel. Therefore, the evacuation time of the water molecules, which freeze on the cold trap panel, significantly longer than in the case of a cryopump. This enables the selective and continuous evacuation operation of the turbopump.

In einem Turbopumpensystem beeinträchtigt eine übermäßige Ansammlung von Wassermolekülen an dem Kühlfallenpaneel die Wirksamkeit des Paneels beim Einfangen weiterer Wassermoleküle. Daher müssen bei einer Turbopumpe mit einem Kühlfallenpaneel periodisch und zwischen den Einsätzen der Vakuumkammer die Wassermoleküle, die augenblicklich an dem Kühlfallenpaneel adsorbiert sind, verdampft werden. Für gewöhnlich wird die Verdampfung durch Erwärmen des Kühlfallenpaneels auf Raumtemperatur durchgeführt, während das Flügelrad gedreht wird, so daß verdampfte Wassermoleküle in die Pumpe eingesaugt und am Eindringen in die Vakuumkammer gehindert werden. Somit wird vor dem Lüften des Innenraums der Vakuumkammer auf atmosphärischen Druck die Temperatur des Kühlfallenpaneels von einer kryogenen Temperatur, z.B. der Temperatur, bei der Wassermoleküle adsorbiert werden können, etwa 100 Grad Kelvin, auf annähernd Raumtemperatur, z.B. 300 Grad Kelvin, erhöht. Eine derartige Erwärmung (Abschaltzeit) ist in etwa einer Stunde durchgeführt.In a turbo pump system, excessive accumulation of water molecules on the cold trap panel will impair the panel's effectiveness in capturing more water molecules. Therefore, in a turbo pump with a cold trap panel, periodically and between uses of the vacuum chamber, the water molecules currently adsorbed on the cold trap panel must be evaporated. Typically, evaporation is accomplished by heating the cold trap panel to room temperature while rotating the impeller so that evaporated water molecules are drawn into the pump and prevented from entering the vacuum chamber. Thus, before ventilating the interior of the vacuum chamber to atmospheric pressure, the temperature of the cold trap panel is increased from a cryogenic temperature, e.g. the temperature at which water molecules can be adsorbed, about 100 degrees Kelvin, to approximately room temperature, e.g. 300 degrees Kelvin. Such heating (shutdown time) is carried out in about one hour.

Obwohl ein solches Turbopumpenvakuumsystem ohne Hauptventil verwendet werden kann, wird, damit die Vakuumkammer vor der vollständigen Erwärmung des Kühlfallenpaneels zugänglich ist, ein Hauptventil zur Isolierung der Vakuumkammer von der Turbopumpe verwendet. Eine derartige Anordnung ist daher für Probleme mit Staub und Gaserzeugung von dem Hauptventil wie im Falle einer Kryopumpe anfällig.Although such a turbopump vacuum system can be used without a main valve, in order to access the vacuum chamber before the cold trap panel is fully heated, a main valve is used to isolate the vacuum chamber from the turbopump. Such an arrangement is therefore susceptible to problems with dust and gas generation from the main valve as in the case of a cryopump.

Ferner weist die in Fig. 12 dargestellt Turbopumpe den Nachteil auf, daß das Kühlfallenpaneel, das am Einlaß des Pumpengehäuses angeordnet ist, die effektive Saugfläche des Einlasses deutlich verringert, d.h., das Kühlfallenpaneel blockiert teilweise den Einlaß. Folglich verringert die Position und Form des Kühlfallenpaneels die Leitfähigkeit der Pumpe, wodurch die Leistung der Turbopumpe herabgesetzt wird.Furthermore, the turbo pump shown in Fig. 12 has the disadvantage that the cold trap panel arranged at the inlet of the pump housing significantly reduces the effective suction area of the inlet, ie the cold trap panel partially blocks the inlet. Consequently, the position and shape of the cold trap panel reduces the conductivity of the pump, which reduces the performance of the turbo pump.

Das Patent US-A-3 625 019 offenbart eine Turbomolekularvakuumpumpe mit einem zylindrischen Gehäuse, in dem mindestens zwei große Öffnungen ausgebildet sind, von welchen eine an einem zu evakuierenden Gefäß angeordnet oder zur Verbindung mit diesem ausgebildet ist, und die andere für einen Zugang zu einer Kühlfalle vorgesehen ist, unter der eine Getterpumpe angeordnet ist. Die Kühlfalle und Getterpumpe sind in dem Hochvakuumteil der Pumpe angeordnet, der aus Kompressorabschnitten besteht, die in axialen Teilen des Gehäuses einander gegenüberliegend angeordnet sind.Patent US-A-3 625 019 discloses a turbomolecular vacuum pump with a cylindrical housing in which at least two large openings are formed, one of which is arranged on or designed to be connected to a vessel to be evacuated and the other is provided for access to a cold trap under which a getter pump is arranged. The cold trap and getter pump are arranged in the high vacuum part of the pump, which consists of compressor sections arranged opposite one another in axial parts of the housing.

Das Patent EP-A-0 397 051 offenbart eine Turbomolekularpumpe mit einem Rotor, der mit einer Mehrzahl von Rotorschaufeln und einem Abstandsstück versehen ist, das mit einer Mehrzahl von Statorschaufeln ausgestattet ist, so daß Gasmoleküle von einer Saugöffnung eingesaugt, komprimiert und von einer Austrittsöffnung der Turbomolekularpumpe abgegeben werden. Ein Wärmetauscher ist an der Saugöffnungsseite der Turbomolekularpumpe vorgesehen, um Gasmoleküle unter Kühlung mit einer Heliumkühlmaschine durch Gefrieren einzufangen. Ein Absperrschieber ist stromabwärts des Wärmetauschers angeordnet und in einem Saugrohr vorgesehen, das sich zwischen dem Vakuumgefäß und der Turbomolekularpumpe erstreckt. In einem Auslaßschritt wird -der Absperrschieber geöffnet und in diesem Zustand werden die Turbomolekularpumpe und die Heliumkühlmaschine betrieben; während in einem Regenerationsschritt der Absperrschieber geschlossen wird, die Turbomolekularpumpe betrieben wird und der Wärmetauscher durch eine Heizvorrichtung oder das Aussetzen des Betriebs der Heliumkühlmaschine erwärmt wird, wodurch Moleküle, die durch Gefrieren in dem Wärmetauscher eingefangen wurden, sublimiert werden.Patent EP-A-0 397 051 discloses a turbomolecular pump having a rotor provided with a plurality of rotor blades and a spacer provided with a plurality of stator blades so that gas molecules are sucked in from a suction port, compressed and discharged from a discharge port of the turbomolecular pump. A heat exchanger is provided on the suction port side of the turbomolecular pump to capture gas molecules under cooling with a helium refrigerator by freezing. A gate valve is arranged downstream of the heat exchanger and provided in a suction pipe extending between the vacuum vessel and the turbomolecular pump. In a discharge step, the gate valve is opened and in this state the turbomolecular pump and the helium refrigerator are operated; while in a regeneration step the gate valve is closed, the turbomolecular pump is operated and the heat exchanger is heated by a heater or by stopping the operation of the helium cooling machine, whereby molecules that have been trapped in the heat exchanger by freezing are sublimated.

Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Turbopumpe mit einem Kühlfallenpaneel zu schaffen, welche die Abschaitzeit verkürzt, die zum Verdampfen von an dem Kühlfallenpaneel angesammelten Wassermolekülen dient, nicht mehr ein Hauptventil in einem Vakuumsystem, in dem die Turbopumpe verwendet wird, erfordert und die effektive Saugfläche des Einlasses zu der Turbopumpe gegenüber jener nach dem Stand der Technik vergrößert.Therefore, it is an object of the present invention to provide a turbo pump with a cold trap panel which shortens the shutdown time used to evaporate water molecules accumulated on the cold trap panel, no longer requires a main valve in a vacuum system in which the turbo pump is used, and increases the effective suction area of the inlet to the turbo pump compared to that of the prior art.

Diese Aufgabe wird durch die Turbomolekularpumpe nach dem unabhängigen Anspruch 1 und das Verfahren nach dem unabhängigen Anspruch 9 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Einzelheiten der Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen hervor.This object is achieved by the turbomolecular pump according to independent claim 1 and the method according to independent claim 9. Further advantageous features, aspects and details of the invention emerge from the dependent claims, the description and the drawings.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Turbomolekularpumpe mit einem Kühlfallenpaneel, welches die effektive Saugfläche der Turbopumpe nicht wesentlich beeinträchtigt. Zusätzlich ist eine Heizvorrichtung in einem Einlaß zu der Turbopumpe nahe dem Kühifallenpaneel vorgesehen, so daß bei ihrer Aktivierung die Heizvorrichtung rasch alle Moleküle verdampft, die an dem Kühlfallenpaneel adsorbiert wurden. Folglich wird die Abschaltdauer deutlich im Vergleich zu dem Stand der Technik verkürzt und ein Vakuumsystem, das die erfindungsgemäße Turbopumpe verwendet, benötigt kein Hauptventil zur Isolierung der Pumpe von der Vakuumkammer während der Abschaltdauer.The present invention provides a turbomolecular pump with a cold trap panel that does not significantly affect the effective suction area of the turbopump. In addition, a heater is provided in an inlet to the turbopump near the cold trap panel so that when activated, the heater quickly vaporizes any molecules adsorbed on the cold trap panel. Consequently, the shutdown period is significantly reduced compared to the prior art and a vacuum system using the turbopump of the invention does not require a main valve to isolate the pump from the vacuum chamber during the shutdown period.

Insbesondere enthält die erfindungsgemäße Turbopumpe ein Kühifallenpaneel mit einem ringförmigen Element, einem scheibenförmigen Element und einem Stützrahmen, der das ringförmige Element mit dem scheibenförmigen Element verbindet, so daß diese Element koaxial relativ zueinander angeordnet sind. Das Kühlfallenpaneel ist in einem Einlaß zu der Turbopumpe angeordnet und koaxial mit der Hauptachse ihres Flügelrads ausgerichtet. Ein solches Kühlfallenpaneel hat bei einer Anordnung in dem Einlaß eine unwesentliche Auswirkung auf die effektive Saugfläche des Einlasses zu der Pumpe.In particular, the turbopump according to the invention comprises a cooling trap panel having an annular element, a disk-shaped element and a support frame connecting the annular element to the disk-shaped element so that these elements are arranged coaxially relative to each other. The cooling trap panel is arranged in an inlet to the turbopump and is aligned coaxially with the main axis of its impeller. Such a cooling trap panel When arranged in the inlet, it has an insignificant effect on the effective suction area of the inlet to the pump.

Zusätzlich ist zur wesentlichen Verringerung der Abschaltdauer, die zum Verdampfen von an dem Kühlfallenpaneel angesammelten Molekülen erforderlich ist, eine Heizvorrichtung nahe dem Kühlfallenpaneel angeordnet, so daß die Heizvorrichtung, wenn sie aktiviert ist, relativ rasch alle Moleküle verdampft, die an dem Kühlfallenpaneel adsorbiert wurden. Da die Verwendung einer solchen Heizvorrichtung die Abschaltdauer der Turbopumpe deutlich verringert, benötigt ein Vakuumsystem, welches die erfindungsgemäße Turbopumpe verwendet, kein Hauptventil zur Isolierung der Pumpe von der Vakuumkammer. Ferner wird bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Turbopumpe in einem Vakuum keine Rotationspumpe zum anfänglichen Evakuieren (Grobpumpe) der Vakuumkammer vor Verwendung der Turbopumpe benötigt. Folglich ist ein solches Vakuumsystem einfacher und seine Verwendung effizienter als dies bei jenen nach dem Stand der Technik der Fall war.In addition, to significantly reduce the shutdown time required to evaporate molecules accumulated on the cold trap panel, a heater is located near the cold trap panel so that the heater, when activated, relatively quickly evaporates any molecules adsorbed on the cold trap panel. Since the use of such a heater significantly reduces the shutdown time of the turbopump, a vacuum system using the turbopump of the invention does not require a main valve to isolate the pump from the vacuum chamber. Furthermore, when using the turbopump of the invention in a vacuum, no rotary pump is needed to initially evacuate (rough pump) the vacuum chamber before using the turbopump. Consequently, such a vacuum system is simpler and its use more efficient than was the case with those of the prior art.

Die Lehren der vorliegenden Erfindung werden bei Betrachtung der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen offensichtlich, von welchen:The teachings of the present invention will become apparent upon consideration of the following detailed description in conjunction with the accompanying drawings, of which:

Fig. 1 eine seitliche Teilschnittansicht der Turbomolekularpumpe mit einem Kühifallenpaneel gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;Fig. 1 shows a partial sectional side view of the turbomolecular pump with a cooling trap panel according to the first embodiment of the invention;

Fig. 2 die vertikale Vorderansicht im Querschnitt des in Fig. 1 dargestellten Kühlfallenpaneels zeigt;Fig. 2 shows the vertical front view in cross section of the cold trap panel shown in Fig. 1;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht des in Fig. 2 dargestellten Kühlfallenpaneels zeigt;Fig. 3 shows a perspective view of the cold trap panel shown in Fig. 2;

Fig. 4 ein beispielhaftes Vakuumsystem unter Verwendung der in Fig. 1 dargestellten Turbomolekularpumpe zeigt;Fig. 4 shows an exemplary vacuum system using the turbomolecular pump shown in Fig. 1;

Fig. 5 eine Endansicht des Flügelrads und des Pumpengehäuseeinlasses und eine seitliche Teilschnittansicht zeigt, welche die effektive und nicht effektive Saugfläche des Flügelrads der in Fig. 1 dargestellten erfindungsgemäßen Turbomolekularpumpe darstellen;Fig. 5 shows an end view of the impeller and the pump housing inlet and a partial sectional side view showing the effective and ineffective suction area of the impeller of the turbomolecular pump according to the invention shown in Fig. 1;

Fig. 6 eine Vorderansicht und einen vertikalen Querschnitt des Kühlfallenpaneels zeigt, welche die effektive und nicht effektive Saugfläche des Kühlfallenpaneels der in Fig. 1 dargestellten erfindungsgemäßen Turbomolekularpumpe darstellen;Fig. 6 shows a front view and a vertical cross section of the cold trap panel, showing the effective and ineffective suction area of the cold trap panel of the turbomolecular pump according to the invention shown in Fig. 1;

Fig. 7 eine seitliche Teilschnittansicht der Turbomolekularpumpe mit einem Kühlfallenpaneel und einer Heizvorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;Fig. 7 shows a partial sectional side view of the turbomolecular pump with a cold trap panel and a heater according to the second embodiment of the invention;

Fig. 8 ein beispielhaftes Vakuumsystem unter Verwendung der in Fig. 7 dargestellten erfindungsgemäßen Turbomolekularpumpe zeigt;Fig. 8 shows an exemplary vacuum system using the turbomolecular pump according to the invention shown in Fig. 7;

Fig. 9 ein weiteres beispielhaftes Vakuumsystem unter Verwendung der in Fig. 7 dargestellten erfindungsgemäßen Turbomolekularpumpe zeigt;Fig. 9 shows another exemplary vacuum system using the turbomolecular pump according to the invention shown in Fig. 7;

Fig. 10 ein herkömmliches Vakuumsystem unter Verwendung einer herkömmlichen kryogenen Pumpe zeigt;Fig. 10 shows a conventional vacuum system using a conventional cryogenic pump;

Fig. 11 eine Querschnittsansicht einer herkömmlichen kryogenen Pumpe zeigt; undFig. 11 shows a cross-sectional view of a conventional cryogenic pump; and

Fig. 12 eine Querschnittsansicht einer herkömmlichen Turbomolekularpumpe mit einem Kühlfallenpaneel zeigt.Fig. 12 shows a cross-sectional view of a conventional turbomolecular pump with a cold trap panel.

Fig. 1 zeigt eine seitliche Teilschnittansicht einer Turbomolekularpumpe (Turbopumpe) 400 mit einem Kühifallenpaneel (Fallenpaneel) 414 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Fig. 2 zeigt eine vertikale Vorderansicht im Querschnitt des Fallenpaneels und Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht des Fallenpaneels. Für ein besseres Verständnis des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung sollte der Leser gleichzeitig Fig. 1, 2 und 3 betrachten.Fig. 1 shows a partial side sectional view of a turbomolecular pump (turbopump) 400 having a cooling trap panel (trap panel) 414 according to a first embodiment of the invention. Fig. 2 shows a vertical front cross-sectional view of the trap panel and Fig. 3 shows a perspective view of the trap panel. For a better understanding of the first embodiment of the invention, the reader should simultaneously view Figs. 1, 2 and 3.

In diesen drei Figuren ist ein Flügelrad 406, das einstückig mit einer Welle 404 ausgebildet ist, in einem Pumpengehäuse 402 vorgesehen. An ein Ende des Pumpengehäuses ist eine Austrittsöffnung 408 angeschlossen. Ein Einlaß 410 zu der Pumpe ist an dem anderen Ende des Pumpengehäuses vorgesehen. Ein Flansch 412 für die Verbindung mit einem Kanal (nicht dargestellt), der schließlich die Pumpe mit einer Vakuumkammer verbindet, ist an dem Umfang des Einlasses 410 vorgesehen.In these three figures, an impeller 406, which is integral with a shaft 404, is provided in a pump housing 402. At one end of the pump housing, an outlet opening 408 is connected. An inlet 410 to the pump is provided at the other end of the pump housing. A flange 412 for connection to a channel (not shown) which ultimately connects the pump to a vacuum chamber is provided at the periphery of the inlet 410.

Das Fallenpaneel 414 ist an dem Einlaß 410 des Pumpengehäuses 402 vorgesehen. Das Fallenpaneel 414 enthält ein ringförmiges Fallenpaneel 416. Die äußeren Ränder eines Stützrahmens 418 sind fest an dem inneren Umfang des ringförmigen Fallenpaneels 416 befestigt, so daß sich einzelne Elemente des Stützrahmens, wenn sie von vorne gesehen werden, in der Mitte des ringförmigen Fallenpaneels orthogonal schneiden und ein Kreuz bilden. Ein mittleres Fallenpaneel 420 ist in der Mitte an einer Seite des Stützrahmens 418 befestigt. Der Innendurchmesser des ringförmigen Fallenpaneels 416 ist annähernd dem Außendurchmesser des Flügelrads 406 gleich. Das mittlere Fallenpaneel 420 ist scheibenförmig und hat annähernd dieselbe Form wie der Querschnitt der Welle 404 des Flügelrads 406, und der Durchmesser der Scheibe ist annähernd gleich dem Durchmesser der Welle 404. Ferner sind das mittlere Fallenpaneel 420 und die Welle 404 koaxial angeordnet. Das ringförmige Fallenpaneel 416, der Stützrahmen 418 und das mittlere Fallenpaneel 420 sind alle kalte Paneele, die Wassermoleküle von den Gases adsorbieren, die von einer Vakuumkammer in die Pumpe strömen. Diese Einheiten sollen die Länge der Evakuierungszeit durch rasche Entfernung der Wassermoleküle verkürzen.The trap panel 414 is provided at the inlet 410 of the pump housing 402. The trap panel 414 includes an annular trap panel 416. The outer edges of a support frame 418 are fixedly attached to the inner periphery of the annular trap panel 416 so that individual elements of the support frame, when viewed from the front, intersect orthogonally at the center of the annular trap panel to form a cross. A center trap panel 420 is attached centrally to one side of the support frame 418. The inner diameter of the annular trap panel 416 is approximately equal to the outer diameter of the impeller 406. The middle trap panel 420 is disk-shaped and has approximately the same shape as the cross section of the shaft 404 of the impeller 406, and the diameter of the disk is approximately equal to the diameter of the shaft 404. Furthermore, the middle trap panel 420 and the shaft 404 are arranged coaxially. The annular trap panel 416, the support frame 418 and the middle trap panel 420 are all cold panels that adsorb water molecules from the gases flowing from a vacuum chamber into the pump. These units are designed to shorten the length of the evacuation time by rapidly removing the water molecules.

Ein Wärmeleiter 422, der aus Kupfer und anderen Materialien mit hohem Wärmeleitkoeffizient besteht, ist an das ringförmige Fallenpaneel 416 angeschlossen und hält dieses in dem Einlaß zu der Pumpe. Ein Ende des Wärmeleiters 422 ist an eine Kühleinheit 424 einer Kühlmaschine 426 angeschlossen. Durch die Wärmeleitfähigkeit des Wärmeleiters 422 kühlt die Kühlmaschine 426 das Fallenpaneel 414 auf eine niedere Temperatur (für gewöhnlich 100 Grad Kelvin). Die spezifische niedere Temperatur des Fallenpaneels 414 wird durch die Wärmebelastung an dem Fallenpaneel und seinen Kühlleistungsausgleich bestimmt, der von der besonderen Anwendung der Turbomolekularpumpe erzeugt wird.A heat conductor 422, made of copper and other materials with a high coefficient of thermal conductivity, is connected to the annular trap panel 416 and holds it in the inlet to the pump. One end of the heat conductor 422 is connected to a cooling unit 424 of a chiller 426. Through the thermal conductivity of the heat conductor 422, the chiller 426 cools the trap panel 414 to a low temperature (typically 100 degrees Kelvin). The specific low temperature of the trap panel 414 is determined by the heat load on the trap panel and its cooling capacity balance created by the particular application of the turbomolecular pump.

Die Kühlmaschine 426 ist an einem Ende eines Befestigungsgehäuses 428 befestigt, das mit dem Pumpengehäuse 402 eine einstückige Einheit bildet. Sowohl die Kühleinheit 424 der Kühlmaschine 426 als auch der Wärmeleiter 422 sind in dem Befestigungsgehäuse 428 angeordnet.The cooling machine 426 is attached to one end of a mounting housing 428 which forms an integral unit with the pump housing 402. Both the cooling unit 424 of the cooling machine 426 and the heat conductor 422 are arranged in the mounting housing 428.

Wenn in Betrieb die Turbopumpe 400 angetrieben wird, bewirkt die Drehung des Flügelrads 406, daß gasförmige Moleküle in einer daran angeschlossenen Vakuumkammer durch den Einlaß 410 in das Pumpengehäuse 402 gesaugt und von der Austrittsöffnung 408 abgegeben werden. Während des Pumpens werden Wassermoleküle, die für gewöhnlich einen vorwiegenden Teil der gasförmigen Moleküle in der Vakuumkammer darstellen, durch das Fallenpaneel 414 an dem Einlaß des Pumpengehäuses kondensiert und gefroren. Somit werden die Wassermoleküle aus der Vakuumkammer entfernt.In operation, when the turbo pump 400 is driven, the rotation of the impeller 406 causes gaseous molecules in an attached vacuum chamber to be drawn through the inlet 410 into the pump housing 402 and discharged from the outlet 408. During pumping, water molecules, which usually constitute a predominant portion of the gaseous molecules in the vacuum chamber, are condensed and frozen by the trap panel 414 at the inlet of the pump housing. Thus, the water molecules are removed from the vacuum chamber.

In Verwendung ist das ringförmige Fallenpaneel 416 nahe dem Umfang des Flügelrads 406 angeordnet und das mittlere Fallenpaneel 420 liegt koaxial zu der Hauptachse des Flügelrads. Eine solche Anordnung garantiert, daß das Fallenpaneel die effektive Saugfläche des Einlasses zu dem Pumpengehäuse nicht verringert. Somit wird die Leistungskapazität der Turbopumpe nicht durch das in dem Einlaß angeordnete Fallenpaneel beeinträchtigt.In use, the annular trap panel 416 is disposed near the periphery of the impeller 406 and the central trap panel 420 is coaxial with the main axis of the impeller. Such an arrangement guarantees that the trap panel does not reduce the effective suction area of the inlet to the pump casing. Thus, the performance capacity of the turbo pump is not impaired by the trap panel arranged in the inlet.

Fig. 4 zeigt ein beispielhaftes Vakuumsystem 701 unter Verwendung der erfindungsgemäßen Turbopumpe 400, die mit einem in Fig. 1 dargestellten Fallenpaneel 414 ausgerüstet ist. In Fig. 4 sind eine Vakuumkammer 704 und die mit einem Fallenpaneel ausgerüstete Turbopumpe 400 durch einen Kanal 708 verbunden, der ein Hauptventil 706 enthält. Die Turbopumpe 400 ist mit einer Rotationspumpe 712 durch ein Hilfsventil 710 verbunden. Ein Kanal 702 verläuft von der Vakuumkammer 704 durch das Kammerlüftungsventil 700. Ein Kanal 716 zum Grobpumpen der Kammer verbindet die Kammer mit der Rotationspumpe 712. Ein Kammergrobventil 714, das in dem Kanal 716 angeordnet ist, reguliert den Strom durch diesen Kanal.Fig. 4 shows an exemplary vacuum system 701 using the turbo pump 400 of the present invention equipped with a trap panel 414 shown in Fig. 1. In Fig. 4, a vacuum chamber 704 and the turbo pump 400 equipped with a trap panel are connected by a channel 708 containing a main valve 706. The turbo pump 400 is connected to a rotary pump 712 by an auxiliary valve 710. A channel 702 extends from the vacuum chamber 704 through the chamber vent valve 700. A chamber roughing channel 716 connects the chamber to the rotary pump 712. A chamber roughing valve 714 disposed in the channel 716 regulates the flow through this channel.

Dieses Vakuumsystem erzeugt in der Vakuumkammer 704 ein Grobvakuum durch Ausführung der folgenden Schritte: (1) Schließen des Kammerlüftungsventus 700; (2) Öffnen des Kammergrobventils 714; und (3) Betätigen der Rotationspumpe 712 zur Durchführung einer Grobevakuierung der Vakuumkammer 704. Sobald ein Grobvakuum erzeugt ist, wird das Grobventil 714 geschlossen und die Austrittsöffnung der Turbopumpe 400 durch Öffnen des Hilfsventils 710 an die Rotationspumpe angeschlossen. Danach werden die Turbopumpe und die Kühlmaschine für das Fallenpaneel der Pumpe betätigt. Die Turbopumpe erreicht in wenigen Minuten eine konstante Drehgeschwindigkeit. Anschließend wird das Haupüventil 706 geöffnet, um die Vakuumkammer 704 weiter zu evakuieren. Nach ungefähr einer Stunde erreicht das Fallenpaneel 704 eine konstante kryogene Temperatur, die ausreichend kühl ist, um Wassermoleküle einzufangen. Das Ergebnis ist eine Zweitevakuierung der Vakuumkammer.This vacuum system creates a rough vacuum in the vacuum chamber 704 by performing the following steps: (1) closing the chamber vent valve 700; (2) opening the chamber rough valve 714; and (3) operating the rotary pump 712 to perform a rough evacuation of the vacuum chamber 704. Once a rough vacuum is created, the rough valve 714 is closed and the outlet port of the turbo pump 400 is connected to the rotary pump by opening the auxiliary valve 710. The turbo pump and the cooling machine for the pump's trap panel are then operated. The turbo pump reaches a constant rotation speed in a few minutes. The main valve 706 is then opened to further evacuate the vacuum chamber 704. After approximately one hour, the trap panel 704 reaches a constant cryogenic temperature, sufficiently cool to trap water molecules. The result is a secondary evacuation of the vacuum chamber.

Die verbesserte Eigenschaft der erfindungsgemäßen Turbopumpe gegenüber dem Stand der Technik ist mit Bezugnahme auf Fig. 5 und 6 leicht verständlich. In Fig. 5 bezeichnet "a" die Größe einer Fläche (effektiven Saugfläche), durch welche sich ein Flügel des Flügelrads 406 dreht, und "b" bezeichnet die Größe einer Fläche (nicht effektiven Saugfläche) der Welle 404, die keinen Flügel enthält. Somit stellt "a" die Größe einer Fläche des Pumpeneinlasses dar, die tatsächlich eine Saugwirkung erzeugt, während "b" die Größe einer Fläche der Pumpe darstellt, die keine Saugwirkung erzeugt. In Fig. 6 bezeichnet "a1" die Größe einer Fläche (effektiven Saugfläche) eines Raumes, der das ringförmige Fallenpaneel 416 enthält, vibiti bezeichnet die Größe einer Fläche (nicht effektiven Fläche), die das mittlere Fallenpaneel 420 enthält. Da das Fallenpaneel direkt gegen- über dem Pumpeneinlaß angeordnet ist, ist klar, daß die maximale Evakuierungsleitfähigkeit der Turbopumpe erhalten wird, wenn: Fläche "a1" ≥ Fläche "a" und Fläche "b1" ≤ Fläche "b" ist (vorausgesetzt, das Fallenpaneel 414 und das Flügelrad 406 sind koaxial und nahe beieinander angeordnet). Somit kann das Fallenpaneel mit der Konstruktion des vorliegenden Ausführungsbeispiels einfach die Größenverhältnisse a1 ≥ a und b1 ≤ b erreichen, und daher kann die effektive Fläche des Fallenpaneels ohne wesentliche Verkleinerung der effektiven Saugfläche des Pumpeneinlasses maximiert werden.The improved characteristic of the turbo pump according to the invention over the prior art is easily understood by referring to Figs. 5 and 6. In Fig. 5, "a" denotes the size of an area (effective suction area) through which a vane of the impeller 406 rotates, and "b" denotes the size of an area (non-effective suction area) of the shaft 404 which does not contain a vane. Thus, "a" represents the size of an area of the pump inlet which actually produces a suction effect, while "b" represents the size of an area of the pump which does not produce a suction effect. In Fig. 6, "a1" denotes the size of an area (effective suction area) of a space containing the annular trap panel 416, vibiti denotes the size of an area (non-effective area) containing the central trap panel 420. Since the trap panel is located directly opposite the pump inlet, it is clear that the maximum evacuation conductivity of the turbo pump is obtained when: area "a1" ≥ area "a" and area "b1" ≤ area "b" (assuming the trap panel 414 and the impeller 406 are coaxial and located close to each other). Thus, with the design of the present embodiment, the trap panel can easily achieve the size ratios a1 ≥ a and b1 ≤ b, and therefore the effective area of the trap panel can be maximized without significantly reducing the effective suction area of the pump inlet.

Obwohl in diesem Ausführungsbeispiel das Fallenpaneel 414 ein durchgehender Ring ist, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Form beschränkt. Als Alternative können abschnittförmige Paneele (Teile eines nicht durchgehenden Rings), die jeweils an einem einzelnen Element des Stützrahmens befestigt und in Ringform angeordnet sind, denselben Kühlfalleneffekt erzeugen, ohne die effektive Saugfläche des Pumpeneinlasses wesentlichen zu beeinträchtigen.Although in this embodiment the trap panel 414 is a continuous ring, the present invention is not limited to this shape. Alternatively, sectional panels (portions of a non-continuous ring), each attached to a single member of the support frame and arranged in a ring shape, can produce the same cold trap effect without significantly affecting the effective suction area of the pump inlet.

Wie zuvor erklärt, ist in der Turbopumpe, die mit einem Fallenpaneel ausgerüstet ist, ein Fallenpaneel derart vorgesehen, daß die effektive Saugfläche des Einlasses der Turbopumpe nicht deutlich verringert wird. Diese Anordnung maximiert die Leitfähigkeit und benötigt keine Vergrößerung des Gaseinlasses, um den Raum auszugleichen, der von dem Fallenpaneel eingenommen wird. Das Ergebnis ist ein Kühlfallenpaneel, das die Leitungsmerkmale der Turbopumpe, an die es anschlossen ist, nicht wesentlich beeinträchtigt.As previously explained, in the turbopump equipped with a trap panel, a trap panel is provided such that the effective suction area of the inlet of the turbopump is not significantly reduced. This arrangement maximizes conductivity and does not require an increase in the gas inlet to compensate for the space occupied by the trap panel. The result is a cold trap panel that does not significantly affect the conduction characteristics of the turbopump to which it is connected.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Turbopumpe, das in Fig. 7 dargestellt ist, ist eine Heizvorrichtung 1002, die aus einer Heizspule besteht, zwischen dem Fallenpaneel 414 und dem Einlaß 410 des Pumpengehäuses 402 vorgesehen. Der Zweck der Heizvorrichtung 1002 ist ein rasches Verdampfen der an dem Fallenpaneel 414 adsorbierten Wassermoleküle durch externe Erwärmung. Daher kann die Heizvorrichtung 1002 so gestaltet und angeordnet sein, daß sie die Wassermoleküle effektiv verdampft und sollte nicht auf die besondere, in Fig. 7 dargestellte Form und Anordnung beschränkt sein. Zum Beispiel kann die Heizvorrichtung eine elektrische Heizspule, eine Spule aus Rohren, die eine erwärmte Flüssigkeit enthalten, eine Mehrzahl von Infrarotheizelementen und dergleichen sein.In a second embodiment of the turbo pump according to the invention, shown in Fig. 7, a heater 1002 consisting of a heating coil is provided between the trap panel 414 and the inlet 410 of the pump housing 402. The purpose of the heater 1002 is to rapidly evaporate the water molecules adsorbed on the trap panel 414 by external heating. Therefore, the heater 1002 can be designed and arranged to effectively evaporate the water molecules and should not be limited to the particular shape and arrangement shown in Fig. 7. For example, the heater can be an electric heating coil, a coil of tubes containing a heated liquid, a plurality of infrared heating elements, and the like.

Fig. 8 zeigt eine Turbopumpe 1000 des zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, die in einem beispielhaften Vakuumsystem 1100 verwendet wird. Es ist wichtig, daß ein Kanal 708 die Vakuumkammer 704 direkt mit der Turbopumpe 1000 verbindet, d.h. daß kein Hauptventil verwendet wird. Die Turbopumpe 1000 ist durch ein Hilfsventil 710 an eine Rotationspumpe 712 angeschlossen. Ein Kanal 702 verläuft von der Vakuumkammer 704 durch ein Kammerlüftungsventil 700.Fig. 8 shows a turbo pump 1000 of the second embodiment of the present invention used in an exemplary vacuum system 1100. Importantly, a channel 708 connects the vacuum chamber 704 directly to the turbo pump 1000, i.e., no main valve is used. The turbo pump 1000 is connected to a rotary pump 712 through an auxiliary valve 710. A channel 702 runs from the vacuum chamber 704 through a chamber vent valve 700.

Die Evakuierung unter Verwendung des Vakuumsystems von Fig. 8 wird durch Schließen des Kammerlüftungsventils 700, Öffnen des Hilfsventils 710 und Betätigen der Rotationspumpe 712 durchgeführt, um eine Grobevakuierung im Inneren der Vakuumkammer 704 durchzuführen. Gleichzeitig werden die Turbopumpe 1000 und die Kühlmaschine für das Fallenpaneel der Pumpe betätigt. Die Turbopumpe evakuiert das Innere der Vakuumkammer 704 weiter, sobald sie eine konstante Drehgeschwindigkeit erreicht. Etwa eine Stunde später erreicht das Fallenpaneel eine konstante kryogene Temperatur und die Vakuumkammer 704 erreicht ein Hochvakuum.Evacuation using the vacuum system of Fig. 8 is accomplished by closing the chamber vent valve 700, opening of the auxiliary valve 710 and actuating the rotary pump 712 to perform a rough evacuation inside the vacuum chamber 704. At the same time, the turbo pump 1000 and the pump trap panel cooling machine are actuated. The turbo pump continues to evacuate the inside of the vacuum chamber 704 once it reaches a constant rotation speed. About one hour later, the trap panel reaches a constant cryogenic temperature and the vacuum chamber 704 reaches a high vacuum.

Wenn die Turbopumpe 1000 mit dem Fallenpaneel angetrieben wird, bewirkt die Drehung des Flügelrads, daß die gasförmigen Moleküle in der Vakuumkammer durch den Einlaß in das Pumpengehäuse gesaugt und von der Austrittsöffnung abgegeben werden. Zusätzlich werden während des Pumpens Wassermoleküle, die einen vorwiegenden Teil der gasförmigen Moleküle darstellen, am Eingang des Pumpengehäuses durch das Fallenpaneel kondensiert und gefroren. Das Ergebnis ist eine effiziente Evakuierung der Vakuumkammer.When the turbo pump 1000 is driven with the trap panel, the rotation of the impeller causes the gaseous molecules in the vacuum chamber to be drawn into the pump casing through the inlet and discharged from the outlet port. In addition, during pumping, water molecules, which constitute a predominant portion of the gaseous molecules, are condensed and frozen at the inlet of the pump casing through the trap panel. The result is an efficient evacuation of the vacuum chamber.

Nach Beendigung eines Vorgangs (z.B. eines Sputterverfahrens) unter Vakuum in der Vakuumkammer, ist es im allgemeinen notwendig, das Kammerlüftungsventil zu öffnen, um die Vakuumkammer auf atmosphärischen Druck zu lüften.After completion of a process (e.g. a sputtering process) under vacuum in the vacuum chamber, it is generally necessary to open the chamber vent valve to ventilate the vacuum chamber to atmospheric pressure.

Für eine besonders effiziente Nutzung des Vakuumsystems ist es für gewöhnlich wünschenswert, so rasch wie möglich nach der Beendigung der Bearbeitung in der Kammer Zugang zu dem Inneren der Vakuumkammer zu haben. Zur Erleichterung eines solchen raschen Zugangs ohne Verwendung eines Hauptventils muß somit die Temperatur des Fallenpaneels der Turbopumpe rasch von der kryogenen Temperatur (etwa 100 Grad Kelvin) auf normale Raumtemperatur (etwa 300 Grad Kelvin) erhöht werden. Wenn jedoch Luft in die Turbopumpe eindringen kann, wenn sich die Pumpe noch bei der kryogenen Temperatur befindet, werden die an dem Fallenpaneel in Form von Eis adsorbierten Wassermoleküle rasch vergast oder verflüssigt und strömen nachteilig in die Vakuumkammer. Zur Vermeidung dieses Problems wird üblicherweise entweder ein Hauptventil verwendet oder das Fallenpaneel langsam, in einem Verfahren, das etwa eine Stunde dauert, von der kryogenen Temperatur auf Raumtemperatur erwärmt, bevor das Vakuum aus der Kammer abgegeben wird. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung ermöglicht jedoch die Bereitstellung der Heizvorrichtung in großer Nähe an dem Einlaß der Turbopumpe ein Erwärmen des Fallenpaneel von der kryogenen Temperatur auf Raumtemperatur in einer verhältnismäßig kurzen Zeit von einigen Minuten, z.B. etwa zehn (10) Minuten. Während die Heizvorrichtung die adsorbierten Wassermoleküle verdampft, zieht das Flügelrad die verdampften Wassermoleküle in die Pumpe und weg von der Vakuumkammer. Wenn das Fallenpaneel Raumtemperatur erreicht, wird das Hilfsventil 710 geschlossen, die Turbopumpe 1000 gleichzeitig abgeschaltet und das Kammerlüftungsventil 700 geöffnet und dann wird die Vakuumkammer 704 gelüftet, um den Druck im Inneren der Vakuumkammer auf atmosphärischen Druck zu bringen.For the most efficient use of the vacuum system, it is usually desirable to have access to the interior of the vacuum chamber as quickly as possible after completion of processing in the chamber. To facilitate such rapid access without the use of a master valve, the temperature of the turbopump trap panel must thus be rapidly increased from the cryogenic temperature (about 100 degrees Kelvin) to normal room temperature (about 300 degrees Kelvin). However, if air is allowed to enter the turbopump when the pump is still at the cryogenic temperature, the water molecules adsorbed on the trap panel in the form of ice will be rapidly gasified or liquefied. and detrimentally flow into the vacuum chamber. To avoid this problem, either a main valve is typically used or the trap panel is slowly heated from cryogenic temperature to room temperature in a process taking about one hour before the vacuum is released from the chamber. However, according to this embodiment of the invention, providing the heater in close proximity to the inlet of the turbo pump enables the trap panel to be heated from cryogenic temperature to room temperature in a relatively short time of several minutes, e.g., about ten (10) minutes. While the heater evaporates the adsorbed water molecules, the impeller draws the evaporated water molecules into the pump and away from the vacuum chamber. When the trap panel reaches room temperature, the auxiliary valve 710 is closed, the turbo pump 1000 is simultaneously turned off and the chamber vent valve 700 is opened and then the vacuum chamber 704 is vented to bring the pressure inside the vacuum chamber to atmospheric pressure.

Unter Verwendung der Heizvorrichtung der vorliegenden Erfindung sind etwa 10 Minuten erforderlich, bevor mit dem Lüften der Vakuumkammer begonnen werden kann. Für gewöhnlich ist in einem herkömmlichen System mit einem Hauptventil diese zehnminütige Wartezeit nicht notwendig, da das Hauptventil zur Isolierung der Vakuumkammer von der Pumpe verwendet wird. Die Wartezeit ist jedoch eine notwendige Vorbedingung für das Weglassen des Hauptventils, und wie zuvor besprochen, bietet das Weglassen des Hauptventils wesentliche Vorteile.Using the heater of the present invention, approximately 10 minutes are required before venting the vacuum chamber can begin. Typically, in a conventional system with a master valve, this ten minute wait is not necessary since the master valve is used to isolate the vacuum chamber from the pump. However, the wait is a necessary prerequisite to eliminating the master valve, and as previously discussed, eliminating the master valve offers significant advantages.

Fig. 9 zeigt ein weiteres Vakuumsystem 1200, in dem die in Fig. 7 dargestellte erfindungsgemäße Turbopumpe 1000 verwendet wird. Hier wird im Gegensatz zu dem Vakuumsystem, das in Fig. 8 dargestellt ist, keine Rotationspumpe zum anfänglichen Evakuieren der Vakuumkammer 704 vor Verwendung der Turbopumpe eingesetzt. Insbesondere, wie in Fig. 9 dargestellt, ist die Austrittsöffnung der Turbopumpe 1000 durch ein Ventil 710 mit der Atmosphäre verbunden. Somit evakuiert die Turbopumpe 1000 die Vakuumkammer direkt, d.h., ohne Verwendung einer Grobpumpe zum anfänglichen Evakuieren der Vakuumkammer. Zusätzlich ermöglichen, wie zuvor beschrieben wurde, die Heizvorrichtung und das Kühlfallenpaneel in der Turbopumpe 1000 einen direkten Anschluß der Pumpe an die Vakuumkammer über den Kanal 708. Folglich ist das Vakuumsystem 1200 im Vergleich zu dem Stand der Technik wesentlich vereinfacht.Fig. 9 shows another vacuum system 1200 in which the turbo pump 1000 according to the invention shown in Fig. 7 is used. Here, in contrast to the vacuum system shown in Fig. 8, no rotary pump is used for initially evacuating the vacuum chamber 704 before using the turbo pump. In particular, as shown in Fig. 9, the outlet port of the turbopump 1000 is connected to the atmosphere through a valve 710. Thus, the turbopump 1000 evacuates the vacuum chamber directly, i.e., without using a roughing pump to initially evacuate the vacuum chamber. In addition, as previously described, the heater and cold trap panel in the turbopump 1000 allow the pump to be directly connected to the vacuum chamber via the channel 708. Consequently, the vacuum system 1200 is significantly simplified compared to the prior art.

Wie zuvor festgestellt wurde, kann das Evakuierungssystem dieser Erfindung gasförmige Moleküle durch die Verwendung einer Turbomolekularpumpe entfernen. Durch die Verwendung eines Fallenpaneel kann es auch Wassermoleküle entfernen, die einen vorwiegenden Teil der gasförmigen Moleküle darstellen, die in einer Vakuumkammer enthalten sind. Die erfindungsgemäße Konstruktion des Fallenpaneels garantiert, daß die Turbopumpe eine verhältnismäßig hohe Leitfähigkeit beibehält, obwohl sie mit einem Fallenpaneel an ihrem Einlaß versehen ist. Ferner verdampft und entfernt die an dem Einlaß vorgesehene Heizvorrichtung die Wassermoleküle rasch, die an dem Fallenpaneel kondensieren, wodurch die Zeitdauer verkürzt wird, welche die Turbopumpe zum Abschalten braucht. Das Ergebnis ist eine verbesserte Betriebsleistung eines Vakuumsystems, in dem die erfindungsgemäße Turbopumpe verwendet wird. Ferner ermöglicht die Verkürzung der Abschaltdauer der Turbopumpe einen direkten Anschluß der Turbomolekularpumpe an die Vakuumkammer. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise, daß auf das herkömmliche Hauptventil in dem Vakuumsystem verzichtet werden kann.As previously stated, the evacuation system of this invention can remove gaseous molecules by using a turbomolecular pump. By using a trap panel, it can also remove water molecules, which constitute a predominant portion of the gaseous molecules contained in a vacuum chamber. The trap panel design of the invention ensures that the turbopump maintains a relatively high conductivity despite being provided with a trap panel at its inlet. Furthermore, the heater provided at the inlet rapidly evaporates and removes the water molecules condensing on the trap panel, thereby reducing the time it takes for the turbopump to shut down. The result is improved operating performance of a vacuum system using the turbopump of the invention. Furthermore, the reduction in the shut-down time of the turbopump enables direct connection of the turbomolecular pump to the vacuum chamber. This advantageously makes it possible to dispense with the conventional main valve in the vacuum system.

Obwohl verschiedene Ausführungsbeispiele, welche die Lehren der vorliegenden Erfindung verkörpern, hierin dargestellt und ausführlich beschrieben wurden, sind für Fachleute viele andere verschiedene Ausführungsbeispiele denkbar, welche ebenso diese Lehren verkörpern.Although various embodiments embodying the teachings of the present invention have been illustrated and described in detail herein, many other different embodiments that also embody these teachings will be apparent to those skilled in the art.

Allgemein gesagt schafft die Erfindung eine Turbopumpe, die mit einem Fallenpaneel ausgerüstet ist, wobei ein Flügelrad, das mit der Hauptachse integriert ist, in dem Pumpengehäuse angeordnet ist und wobei ein Fallenpaneel an dem Einlaß des Pumpengehäuses vorgesehen ist; wobei die Turbopumpe, die mit einem Fallenpaneel versehen ist, dadurch gekennzeichnet ist, daß das Fallenpaneel in der Mitte von zwei ringförmigen Fallenpaneelen angeordnet ist, daß das Fallenpaneel aus einem mittleren Fallenpaneel besteht, das von den ringförmigen Fallenpaneelen unter Verwendung eines Stützrahmens gehalten wird, so daß das mittlere Fallenpaneel und die Hauptachse auf derselben Achsenlinie liegen.Generally speaking, the invention provides a turbo pump equipped with a trap panel, wherein an impeller integrated with the main axis is arranged in the pump housing and wherein a trap panel is provided at the inlet of the pump housing; the turbo pump equipped with a trap panel is characterized in that the trap panel is arranged in the middle of two annular trap panels, that the trap panel consists of a middle trap panel which is supported by the annular trap panels using a support frame so that the middle trap panel and the main axis lie on the same axis line.

Die Erfindung schafft ferner die Turbopumpe, die mit einem Fallenpaneel versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß wenn "a" die Größe der effektiven Saugeinheit zwischen dem Ende des Flügelrads und der Hauptachse bezeichnet, "b" den Durchmesser der Hauptachse bezeichnet, "a1" die Größe bezeichnet, die von dem Außenumfang des mittleren Fallenpaneels zu dem Innenumfang der ringförmigen Fallenpaneele gemessen wird, und "b1" den Durchmesser des mittleren Fallenpaneels bezeichnet, das folgende Verhältnis gilt; a1 = a, b1 = b.The invention further provides the turbo pump provided with a trap panel, characterized in that when "a" denotes the size of the effective suction unit between the end of the impeller and the main axis, "b" denotes the diameter of the main axis, "a1" denotes the size measured from the outer circumference of the central trap panel to the inner circumference of the annular trap panels, and "b1" denotes the diameter of the central trap panel, the following relationship holds; a1 = a, b1 = b.

Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung eine Vakuumerzeugungsvorrichtung, die das Gas in einer Vakuumkammer durch eine Vakuumpumpe evakuiert, wobei die Vakuumerzeugungsvorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß die obengenannte Vakuumpumpe eine mit einem Fallenpaneel ausgerüstete Turbopumpe umfaßt, die eine Heizvorrichtung im Lufteinlaß aufweist.According to a further aspect, the invention provides a vacuum generating device which evacuates the gas in a vacuum chamber by a vacuum pump, the vacuum generating device being characterized in that the above-mentioned vacuum pump comprises a turbo pump equipped with a trap panel having a heating device in the air inlet.

Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung die Vakuumerzeugungsvorrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie derart konstruiert ist, daß die obengenannte mit einem Fallenpaneel ausgerüstete Turbopumpe direkt über eine Leitung an die Vakuumkammer angeschlossen ist.According to a further aspect, the invention provides the vacuum generating device, which is characterized in that it is constructed such that the above-mentioned turbo pump equipped with a trap panel is directly connected to the vacuum chamber via a line.

Ferner lehrt die Erfindung den Austausch der herkömmlichen Hochvakuumpumpe (Öldiffusionspumpe, Turbopumpe, Kryopumpe) und Niedervakuumpumpe (Rotationsölpumpe, verschiedene Arten von Trockenpumpen) durch eine Trockenpumpe vom Turbotyp und es wird ein H&sub2;O-Falle hinzugefügt.Furthermore, the invention teaches replacing the conventional high vacuum pump (oil diffusion pump, turbo pump, cryopump) and low vacuum pump (rotary oil pump, various types of dry pumps) with a turbo type dry pump and a H₂O trap is added.

Ebenso wird durch Verwendung dieser Art einer Trockenpumpe vom Turbotyp mit Kühlfalle, die in wenigen Minuten in Betrieb genommen und abgeschaltet werden kann, das Hauptventu überflüssig.Likewise, by using this type of dry pump, turbo type with cold trap, which can be started up and stopped in a few minutes, the main valve is no longer necessary.

Die Kombination aus Hochvakuumpumpe und Niedervakuumpumpe und Hauptventil kann durch eine Kühlfalle und eine Trockenpumpe vom Turbotyp ersetzt werden, was zu einer einfacheren Konstruktion, einer kleineren Größe und geringeren Kosten führt.The combination of high vacuum pump and low vacuum pump and main valve can be replaced by a cold trap and a turbo type dry pump, resulting in simpler structure, smaller size and lower cost.

Diese Erfindung kann in verschiedenen Hochvakuumausrüstungen wie Verdampfungssystemen, Vakuumschmelzsystemen, CVD- Systemen usw. verwendet werden.This invention can be used in various high vacuum equipment such as evaporation systems, vacuum melting systems, CVD systems, etc.

Claims

1. Turbomolecular pump (300; 400; 1000) with a pump housing (302; 402) which supports an impeller (310; 406) with a shaft (306; 404) aligned with a main axis, whereby upon rotation of the impeller (310; 406) gas molecules near an inlet opening (323; 410) to the pump housing (302; 402) are sucked into the pump housing (302; 402) and exit therefrom through an outlet opening (312; 408) of the pump housing (302; 402), the device comprising:

a means (314,316,318,320;414,416,418, 420,422,424,426,428) near the inlet opening (323; 410) of the pump housing (302; 402) for adsorbing certain molecules;

wherein the adsorbent comprises an annular panel (416) with a diameter defined by an inner surface, a disk-shaped panel (420) with a diameter smaller than the diameter of the annular panel (416), and a support frame (418) connected between the disk-shaped panel (420) and the annular panel (416) such that the disk-shaped panel (420) and the annular panel (416) are coaxially positioned relative to each other.

2. Turbomolecular pump according to claim 1, further comprising a means (1002) in the vicinity of the adsorbent for heating the adsorbent.

3. Turbomolecular pump according to one of the preceding claims 1, which further comprises means (320; 422, 424, 426, 428) for cooling the adsorbent.

4. Turbomolecular pump according to one of the preceding claims, in which the adsorbent is aligned coaxially with the main axis.

5. Turbomolecular pump according to one of the preceding claims, wherein the diameter of the annular panel (416) is substantially equal to or larger than a diameter of the impeller (310; 406).

6. Turbomolecular pump according to one of the preceding claims, wherein the diameter of the disk-shaped panel (420) is substantially equal to or less than a diameter of the shaft (306; 404).

7. Turbomolecular pump according to one of claims 2 to 6, wherein the heating means further comprises an electric heating coil (1002).

8. Turbomolecular pump according to claim 7, wherein the electric heating coil (1002) delimits the inlet opening (323; 410).

9. A method for driving a vacuum system, the vacuum system comprising:

a vacuum chamber

a turbomolecular pump (300; 400; 1000) directly connected to the vacuum chamber, the turbomolecular pump having:

a pump housing (302; 402) supporting an impeller (310; 406) with a shaft (306; 404) aligned along a main axis, wherein upon rotation of the impeller (310; 406) gas molecules near an inlet opening (323; 410) to the pump housing (302; 402) are sucked into the pump housing (302; 402) and exit therefrom through an outlet opening (312; 408) of the pump housing (302; 402),

a means (314,316,318,320,414,416,418, 420,422,424,426,428) near the inlet opening (323; 410) of the pump housing (302; 402) , for adsorbing certain molecules;

wherein the adsorbent comprises an annular panel (416) having a diameter defined by an inner surface, a disk-shaped panel (420) having a diameter smaller than the diameter of the annular panel (416), and a support frame (418) connected between the disk-shaped panel (420) and the annular panel (416) such that the disk-shaped panel (420) and the annular panel (416) are coaxially positioned relative to each other;

a means (1002) in the vicinity of the adsorbent for heating the adsorbent; and

a chamber ventilation valve (710), with the following steps:

a. Applying external energy to the heating agent to heat the adsorbent,

b Wait until the adsorbent reaches a predetermined temperature and

c. Open the chamber vent valve to vent the vacuum chamber to atmospheric pressure.