Brevet FR2589525A1 — publié le 19870507

La présente invention concerne les installations cryogéniques de pompage et en particulier mais non exclu- sivement de telles installations destinées a créer un vide poussé dans les appareillages de pulvérisation sous l'action d'ions et analogues. L'invention concerne en particulier de telles installations de pompage ayant au moins deux etages de refroidissement, appelés panneaux cryogéniques, travaillant à des températures dont l'une est relativement elevée et l'autre relativement faible. Les pompes cryogéniques sont des dispositifs main- tenant bien connus pour la production d'un vide poussé dans une chambre étanche. Les générateurs cryogéniques de ces pompes assurent une réduction réglée de la pression du gaz transmis de façon générale par une pompe convenable, disposée indépendamment et séparée physiquement du corps du générateur cryogénique. La pompe à gaz est placée dans un circuit fermé avec le générateur cryogénique et est destinée à transmettre un gaz, en général de l'hélium, au générateur à température ambiante et à une pression qui est par exemple de 20 bars. La pression du gaz transmis au générateur cryogé- nique est réduite intérieurement de manière réglée par deux etages de détente respectivement dans le volume balayé par deux pistons se déplaçant dans des cylindres coopérant montés en série. La détente est réglée par amortissement indirect de la course des cylindres par des orifices de rétrécissement places dans les conduits de gaz dans le générateur cryogénique et par des réservoirsde gaz accu- mulant la pression du gaz dans une partie de chaque cycle de réduction. Un panneau cryogénique qui échange de la chaleur avec chaque étage de réduction de gaz, est placé à l'exté- rieur, sur le corps du générateur cryogénique, et il est refroidi par détente contrôlée du gaz. Par exemple, le panneau cryogénique associé au premier étage de réduction à pression relativement grande travaille à une température d'environ 40 à 100 K, alors que le panneau gryogénique associé au second étage de réduction à pression plus faible travaille à une température d'environ 10 K. Les panneaux cryogéniques assurent un pompage effi- cace qui réduit la pression du gaz dans une chambre par condensation du gaz dans la chambre sur les surfaces refroidies du panneau cryogénique. De manière générale, l'eau et les impuretés telles que les hydrocarbures volatils se condensent sur le panneau à température relativement élevée, alors que les gaz condensables tels que l'azote, l'oxygène et l'argon se condensent sur le panneau à plus basse température et y sont collectés. Dans un exemple d'arrangement de pompage tel que représenté sur la figure 1 des dessins annexés, des panneaux cryogéniques fixés au corps d'un générateur cryogénique sont placés dans une enceinte qui est fermée à une première extrémité du corps du générateur cryogénique et qui a une ouverture à d'autres extrémités afin qu'elle puisse être reliée à la chambre dans laquelle le pompage doit être réalisé. Une entrée munie d'une soupape convenable, à l'extrémité de l'enceinte correspondant au générateur cryogénique, permet la connexion d'une pompe mécanique ou autre permettant l'obtention d'une basse pression initiale. La configuration des panneaux cryogéniques dans l'arrangement de la figure 1 assure la condensation de la vapeur d'eau et des impuretés volatiles avec par exemple l'anhydride carbonique sur le panneau à température élevée, placé radialement à l'extérieur et qui travaille par exemple à une température comprise entre 40 et 100 K. L'azote, l'oxygène, l'argon et les autres gaz condensables se condensent à l'extérieur du panneau à tempé- rature plus basse et sont retenus sur ce panneau qui est imbriqué dans le panneau externe et qui travaille par exemple à une température d'environ 15 K. En outre, les gaz incondensables tels que l'hydro- gène, l'hélium et le néon, caractérisés par une tension de vapeur d'environ 1 torr à 15 K, ne peuvent pas être ainsi condensés et doivent être absorbés sur une couche de charbon actif convenablement fixée a la face interne du panneau à basse température. Pendant une pulvérisation ionique ou analogue dans une chambre qui a été mise sous vide par une pompe à générateur cryogénique, des quantités importantes de vapeur d'eau et de gaz et d'autres molécules sont formées. En général, ces quantités de vapeur d'eau, de gaz et d'autre molécules, non seulement surchargent la pompe cryo- génique mais encore donnent un débit inacceptable de condensation et d'absorption sur les panneaux du générateur cryogénique et réduisent donc la capacité et le rendement de pompage. On a déjà proposé de remédier à ces inconvénients par utilisation du système de pompage à générateur cryogé- nique destiné à une pulvérisation ionique ou analogue par introduction d'un dispositif d'étranglement entre la pompe cryogénique et la chambre soumise au pompage, avec réalisation de la pulvérisation ionique alors que le disDositif est séparé par l'étranglement fermé en totalité ou de préférence en partie. De cette manière, la vitesse de pompage pendant la pulvérisation est réduite et évite la surcharge de la pompe et la réduction du débit de condensation et d'absorption sur les panneaux cryogéniques de la pompe, avec conservation d'une pression convenablement faible à l'intérieur de la chambre de pulvérisation. Cependant, on sait que des films formés sur des substrats, sous vide poussé, sont très sensibles à la présence de vapeur d'eau qui est produite en quantité impor- tante pendant la pulvérisation ionique, et l'existence de cette vapeur d'eau, surtout lorsqu'elle n'est pas retirée par la pompe cryogénique, peut dégrader sérieurement et de façon inacceptable la qualité des films obtenus. On a proposé de supprimer cette difficulté et de réduire les effets de la vapeur d'eau lors de la fabrication des films déposés sous vide par refroidissement du dispo- sitif d'étranglement, habituellement par échange thermique avec la pompe cryogénique, afin que la vapeur se condense sur le dispositif, surtout lorsque celui-ci est séparé par fermeture complète de l'étranglement et expose une surface relativement grande. Un tel arrangement à dispositif re- froidi d'étranglement forme cependant un dépôt sur les éléments mobiles mutuellement sur le dispositif d'étran- glement et peut avoir un fonctionnement notablement pertur- bé, et ses possibilités de transmission d'un courant de gaz peuvent être réduites. L'invention concerne une installation cryogénique de pompage qui a tendance à réduire ces inconvénients. L'invention concerne, sous sa forme la plus large, une installation de pompage à générateur cryogénique comprenant au moins deux panneaux cryogéniques maintenus dans une enceinte ayant une extrémité ouverte destinée à être fixée à la chambre qui doit être mise sous vide et qui contient un dispositif d'étranglement destiné à réduire le courant de gaz circulant de la chambre vers la pompe à générateur cryogénique, un panneau travaillant à une température relativement élevée dans l'enceinte étant destiné à dépasser au-delà du plan du dispositif d'étran- glement afin qu'il permette la condensation d'eau et de vapeurs volatiles produites dans la chambre et empêche ainsi le dépôt de ces vapeurs sur le dispositif d'étran- glement. Dans un cas idéal, la partie du panneau cryogénique à températue relativement élevée qui dépasse au-delà du dispositif d'étranglement condense sélectivement et essen- tiellement l'eau et les autres vapeurs volatiles. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le dispositif d'étranglement comporte des ailettes rectan- gulaires allongées et espacées disposées parallèlement en direction transversale à l'ouverture de la chambre soumise au pompage et à l'enceinte de la pompe à générateur cryogé- nique. Les ailettes sont disposées afin qu'elles tournent entre une première position dans laquelle les ailettes reliées sont placées dans un plan commun et assurent l'étranglement, et une seconde position dans laquelle les ailettes sont séparées dans des plans parallèles et permet- tent la transmission d'un débit élevé. Les ailettes peuvent être tournée vers une position intermédiaire donnant tout degré voulu d'étranglement. Le dispositif d'étranglement est de préférence isolé thermiquement par rapport aux panneaux cryogéniques afin qu'il fonctionne à une température supérieure à celle du panneau à température relativement élevée et empêche le dép6t sélectif de vapeur d'eau. Le dispositif d'étran- glement est de préférence disposé afin qu'il travaille pratiquement à température ambiante, le dispositif étant fixé à l'enceinte de la pompe cryogénique par un dispositif de support ayant une conductibilité thermique élevée si bien qu'il transmet la chaleur au dispositif et compense les pertes de chaleur vers les panneaux cryogéniques. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence au dessin annexé sur lequel: la figure 1 est une coupe en élévation latérale d'une installation cryogénique connue de pompage comprenant des panneaux cryogéniques destinés au pompage dans une chambre destinée à une pulérisation ionique; et la figure 2 est une coupe en élévation latérale d'une installation cryogénique de pompage selon l'inven- tion, comprenant un dispositif d'étranglement adjacent à un panneau cryogénique avancé afin qu'il réduise sélecti- vement la condensation de l'eau et des autres vapeurs sur le dispositif. On se réfère d'abord à la figure 1 qui représente un générateur cryogénique classique destiné à créer une faible pression dans une chambre, par exemple utilisée dans un appareillage de pulvérisation ionique ou analogue. Le générateur cryogénique comporte une partie 2 formant un corps ayant des entrées et des sorties destinées à recevoir de l'hélium à pression élevée provenant d'un compresseur séparé (non représenté), indépendant du généra- teur cryogénique, et à évacuer cet hélium. Une enczeinte 4 est fixée au corps 2 et fait partie de l'enveloppe de la pompe, et elle a une extrémité supérieure 6 munie d'une bride destinée à être fixée de manière étanche, par l'intermédaire de joints toriques par exemple, à la chambre qui subit le pompage. Un panneau cryogénique 8 à température relativement élevée, sous forme d'un cylindre ayant une extrémité ouverte adjacente à l'ouverture à bride formée dans l'enceinte 4, est placé dans l'enceinte 4 et est fixé de manière qu'il échange de la chaleur avec l'étage à température élevée du générateur cryogénique. Un panneau cryogénique 10 à température rela- tivement faible, qui communique par un trajet avec la chambre qui subit le pompage par l'intermédiaire de palettes 12 d'étranglement placées à l'extrémité ouverte du panneau cryogénique 8, est imbriqué dans le panneau à température relativement élevée et est en échange de chaleur avec l'étage à basse température du générateur cryogénique. Une ouverture (non représentée) est aussi formée dans l'enceinte 4, près du corps 2 du générateur cryogé- nique, et permet la connexion de l'espace délimité dans l'enceinte avec une pompe mécaniqae ou autre destinée à réduire la pression ihitiale de l'installation sous vide. Lors de l'utilisation du générateur cryogénique, le panneau cryogénique 8 travaille à une température comprise entre 40 et 100 K et assure une condensation efficace de la vapeur d'eau et des impuretés condensables telles que les hydrocarures volatils et analogues, avec l'anhydride carbonique le cas échéant. Le panneau cryogé- nique 10 travaille à une température d'environ 12 K et con- dense efficacement l'azote et l'oxygène ainsi que d'autres gaz condensables, à sa surface radialement externe. Le panneau cryogénique 10 adsorbe aussi les gaz inconden- sables sur une couche de charbon actif placé à sa surface radialement interne afin que la pression produite dans les chambres de pompage soit de l'ordre de 10-8 torr lorsque les palettes 12 sont ouvertes. On se réfère maintenant à la figure 2 des dessins sur laquelle les éléments identiques à ceux de la figure 1 portent des références identiques; un dispositif d'étran- glement variable portant la référence générale 18 est placé entre les palettes fixes 12 à basse températue, à proximité de l'enceinte 4, et la chambre qui est soumise au pompage. Comme décrit précédemment, la chambre à évacuer est destinée à être en butée contre la bride de l'extrémité ouverte de l'enceinte 4 et à y être fixée. Le dispositif 18 d'étranglement augmente effica- cement l'impédance opposée au circulation du courant entre la chambre et les panneaux cryogéniques 8 et 10 de la pompe cryogénique et réduit ainsi la charge de la pompe lors de la pulvérisation ionique ou analogue dans la chambre. Dans ce mode de réalisation de l'invention, le dispositif 18 d'étranglement est sous forme d'ailettes rectangulaires allongées distantes et parallèles 20 des- tinées à tourner à l'unisson autour d'axes parallèles. Les ailettes peuvent tourner entre une première position horizontale dans laquelle elles se raccordent en formant un plan unique qui ferme pratiquement la communication entre les panneaux cryogéniqaes 8 et 10 et la chambre, et une seconde position verticale dans laquelle elles opposent une impédance minimale au courant de gaz et facilitent le pompage. Les ailettes peuvent être tournées dans toute position intermédiaire, afin qu'elles donnent toute impé- dance choisie vis-à-vis du courant de gaz. Les ailettes 20 sont montées sur un châssis 22 qui laisse un espace annulaire entre le dispositif et l'enceinte 4 afin qu'un débit relativement réduit de pompage puisse être obtenu lorsque les ailettes du disposi- tif 18 sont en position de fermeture totale et lorsque la pulvérisation ionique est en cours. Le dispositif d'étranglement est fixé, dans un mode de réalisation de l'invention, à l'enceinte 4 par un croisillon de support ayant une conductibilité thermique élevée afin que la vapeur d'eau et les gaz et autres molécules ne puissent pas se condenser sur le dispositif 18 d'étranglement et en particulier sur les ailettes 20, leur dispositif de montage pivotant et les tringleries associées de commande. Le croisillon qui comprend plusieurs tirants métalliques 24 espacés radialement, maintient efficacement les ailettes 20 à proximité de la température ambiante, par exemple par conduction de chaleur de l'en- ceinte 4 afin que les pertes de chaleur vers les palettes 12 à basse température soient compensées. Le panneau cryogénique 8 est avancé au-delà des palettes 12 afin qu'il dépasse axialement au-delà du dispositif d'étranglement 18 vers une position qui se trouve pratiquement au niveau du plan de l'ouverture de l'enceinte 4 afin qu'un débit de condensation de vapeur d'eau de valeur élevée de manière convenable soit maintenu au niveau de la pompe cryogénique lorsque le dispositif 18 d'étranglement est pratiquement fermé. La vapeur d'eau produite dans la chambre pendant la pulvérisation ou une autre opération se condense ainsi sélectivement sur les surfaces du panneau cryogénique 8 qui sont en avant. Dans cet arrangement, le dispositif 18 d'étranglement reste pratiquement dépourvu: de vapeur d'eau condensée et d'autres dépôts si bien que le rendement de pompage des palettes d'étranglement et de la pompe à générateur cryogénique est conserve. Il faut noter que, bien qu'on ait décrit l'inven- tion en réference a un dispositif d'étranglement à ailettes, elle s'applique aussi à des dispositifs d'étranglement d'autres formes. En outre, bien qu'on ait décrit le dispo- sitif d'étranglement comme étant maintenu à température ambiante par un support ayant une faible conductibilité thermique et monté sur l'enceinte de la pompe cryogénique, d'autres procédés de maintien du dispositif à température sensiblement ambiante, par exemple par utilisation d'un support de faible conductibilité thermique et fixé sur les panneaux cryogéniques, peuvent aussi être utilisés. REVENDICATIONS 1. Installation de pompage à générateur cryogéni- que, caractériséeen ce qu'elle comprend au moins deux pan- neaux cryogéniques (8, 10) maintenus dans une enceinte (4) ayant une extrémité ouverte destinée à être fixée à la chambre qii est destinée à être soumise au pompage, com- prenant un dispositif (18) d'étranglement destiné à limiter le débit de gaz circulant de la chambre vers la pompe à générateur cryogénique, un panneau cryogénique (8) à tempé- rature relativement élevée, placé dans l'enceinte, étant destiné à dépasser au-delà du plan du dispositif d'étran- glement (18) afin qu'il permette la condensation d'eau et d'autres vapeurs volatiles produites dans la chambre et empêche ainsi le dépôt de ces vapeurs sur le dispositif d'étranglement. 2. Installation selon la revendication 1, caracté- risée en ce que le panneau cryogénique (10) à température plus faible est imbriqué dans un panneau cryogénique (8) à température plus élevée, distant de l'enceinte (4). 3. Installation selon l'une des revendications 1 et 2, caractériséeen ce que le panneau cryogénique (8) à température relativement élevée, immédiatement adjacent à l'enceinte, dépasse au-delà du dispositif d'étranglement (18). 4. Installation selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisée en ce que le panneau cryogénique (8) à température relativement élevée est disposé pratiquement jusqu'à l'ouverture de l'enceinte (4) assurant la communication avec la chambre soumise au pompage. 5. Installation selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisée en ce que le panneau cryogénique (8) à température relativement élevée et l'en- ceinte (4) ont une forme pratiquement cylindrique. 6. Installation selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisée en ce que le dispositif d'étranglement (18) est maintenu à distance de l'enceinte (4) par un trajet ayant une conductibilité thermique élevée. 7. Installation selon la revendication 6, caracté- risée en ce que le dispositif d'étranglement (18) est monté sur l'enceinte par un support ayant une conductibilité ther- mique élevée. 8. Installation selon la revendication 7, caracté- risée en ce que le dispositif d'étranglement (18) est supporté par un croisillon monté sur l'enceinte. 9. Installation selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisée en ce que le dispositif d'étranglement (18) comporte des ailettes allongées paral- lèles et distantes destinées à tourner à l'unisson autour d'axes parallèles. 10. Installation selon la revendication 9, carac- térisée en ce que les ailettes (20) ont une forme sensi- blement rectangulaire. 11. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le dis- positif d'étranglement (18) est placé entre l'ouverture formée dans l'enceinte (4) et assurant la communication avec la chambre qui doit être soumise au pompage et plu- sieurs palettes d'étranglement (12). 12. Installation selon la revendication 11, caractérisée en ce que les palettes d'étranglement (12) sont refroidies par un panneau cryogénique à température rela- tivement élevée. 13. Installation selon la revendication 12, carac- térisée en ce que les palettes d'étranglement (12) sont en contact thermique direct avec le panneau cryogénique à température relativement élevée. 14. Installation sous vide, caractérisée en ce qu'elle comprend une installation de pompage à généra- teur cryogénique selon l'une quelconque des revendications précédentes.