Brevet FR2783883A1 — publié le 20000331

PROCEDE ET DISPOSITIF POUR EVITER LES DEPOTS DANS UNE POMPE TURBOMOLECULAIRE A PALIER MAGNETIQUE OU GAZEUX La présente invention concerne les pompes turbomoléculaires qui, associées à des pompes primaires, permettent de réaliser et de maintenir un vide poussé dans une enceinte. Les pompes turbomoléculaires comportent généralement un rotor et un stator à plusieurs étages, le rotor étant porté par des paliers. En allant de l'intérieur de l'enceinte vers l'extérieur, la pression gazeuse augmente progressivement d'un étage à l'autre, et l'on considère que les étages proches de l'intérieur de l'enceinte sont les étages basse pression, tandis que les étages proches de la sortie sont les étages haute pression. Lorsqu'elles comportent des paliers magnétiques ou gazeux pour supporter le rotor, ces pompes turbomoléculaires ont la caractéristique d'avoir le rotor isolé physiquement et donc électriquement du stator et du corps de la pompe qui se trouve au potentiel de référence c'est-à-dire à la masse de l'équipement. Les pompes turbomoléculaires sont fréquemment utilisées dans les équipements de gravure ou de dépôt par plasma dans l'industrie du semi-conducteur. Au cours de l'utilisation de ces pompes turbomoléculaires dans les procédés de gravure ou de dépôt par plasma, on a déjà constaté qu'il tend à se former des dépôts de matériaux provenant des produits de réaction. Par exemple, dans le cas d'une pompe turbomoléculaire utilisée dans une machine de gravure plasma de matériaux semi- conducteurs, des résidus provenant de la gravure des masques de résine ont tendance à se déposer sur les surfaces intérieures du rotor et du stator, et de façon préférentielle dans les étages haute pression de la pompe turbomoléculaire. Par ailleurs, dans les procédés de gravure ou de dépôt par plasma, la pompe turbomoléculaire et en particulier le rotor se trouvent en contact direct avec le plasma. De ce fait, le rotor, qui est isolé électriquement, se porte à un potentiel différent de la masse. Les conditions de pression dans la partie haute pression de la pompe turbomoléculaire, combinées avec la faible distance séparant le rotor et le stator et avec la différence de potentiel entre le rotor et le stator, font que des décharges électriques se produisent entre le rotor et le stator. Ces décharges, en l'absence de dépôts, sont uniformément réparties entre les surfaces du rotor et du stator et ne sont pas dommageables. Par contre, lorsque des dépôts se forment, ces dépôts perturbent les décharges en créant des chemins préférentiels, et il se crée des zones o se produisent des régimes d'arcs dans lesquels s'établissent de grandes densités de courant, provoquant la dégradation rapide du rotor. Dans l'art antérieur, on a déjà tenté de remédier à ce problème, de différentes façons. Selon une première solution, on a interposé, entre la pompe turbomoléculaire et le plasma dans l'enceinte, une grille reliée à la masse. Cependant, la densité élevée des plasmas utilisés exige des grilles dont le pas est très fin, pouvant être inférieur à 100 m. Dans ces conditions, la présence des grilles diminue considérablement la conductance de la pompe, et altère de façon sensible la vitesse de pompage. Par ailleurs, la grille à pas très fin est le siège de dépôts qui peuvent ensuite générer des particules néfastes au processus industriel effectué dans l'enceinte. Selon une autre solution, on a tenté d'éviter les dépôts en augmentant la température de la pompe turbomoléculaire pour éviter les dépôts par condensation. Cependant, compte-tenu de la nature des matériaux utilisés et de la vitesse élevée de rotation du rotor, on atteint rapidement des températures générant des phénomènes de fluage des matériaux, entraînant la destruction de la pompe sans pour autant éviter efficacement les dépôts. Le problème proposé par la présente invention est d'éviter la formation des dépôts perturbateurs des décharges électriques à l'intérieur d'une pompe turbomoléculaire à paliers magnétiques ou gazeux reliée à une enceinte contenant un plasma, sans altérer de façon sensible la vitesse de pompage ou le processus industriel à l'intérieur de l'enceinte. Ainsi, l'invention vise à concevoir d'autres moyens qui, sans intervention d'une grille intermédiaire ni augmentation sensible de la température des matériaux, évite la formation des dépôts perturbateurs dans une pompe turbomoléculaire à paliers magnétiques ou gazeux reliée à une enceinte à plasma. Pour atteindre ces buts ainsi que d'autres, l'invention prévoit un procédé permettant d'éviter les dépôts perturbateurs des décharges électriques entre le rotor et le stator à l'intérieur d'une pompe turbomoléculaire à plusieurs étages sur paliers magnétiques ou gazeux; selon ce procédé, on injecte en au moins un emplacement approprié à l'intérieur de la pompe turbomoléculaire un gaz actif qui réagit avec les molécules génératrices des dépôts et forme des composés gazeux évacués par la pompe turbomoléculaire. Une excellente efficacité est obtenue en choisissant un gaz actif qui est dissocié et/ou activé sous l'action des décharges électriques entre le rotor et le stator pour réagir avec les molécules génératrices des dépôts. Selon le procédé, on injecte le gaz actif seulement dans les étages o des dépôts sont susceptibles de se produire. Généralement, il s'agit des étages haute pression de la pompe turbomoléculaire. En pratique, on peut injecter le gaz actif dans les derniers étages turbomoléculaires, et/ou dans l'étage Holweck lorsque la pompe en est équipée. Dans de nombreuses applications, le gaz actif injecté peut avantageusement être l'oxygène, ou contenir de l'oxygène. En effet, dissocié sous l'action des décharges électriques, le gaz oxygène donne naissance à des atomes d'oxygène hautement réactifs qui se combinent efficacement avec notamment les résidus organiques générés par les processus industriels pour former des molécules volatiles de type oxyde de carbone, gaz carbonique ou eau qui sont évacuées en même temps que les autres composés gazeux provenant de l'enceinte à plasma. Selon l'invention, on prévoit une pompe turbomoléculaire à rotor et stator à plusieurs étages sur paliers magnétiques ou gazeux pour la mise en oeuvre d'un tel procédé; la pompe turbomoléculaire comprend des moyens pour injecter, en au moins un emplacement approprié à l'intérieur de la pompe turbomoléculaire, un gaz actif qui réagit avec les molécules génératrices des dépôts et forme des composés gazeux évacués par la pompe turbomoléculaire. La pompe turbomoléculaire selon l'invention peut avantageusement comprendre au moins une canalisation d'entrée de gaz, positionnée pour amener le gaz actif entre le rotor et le stator dans le passage des flux gazeux dans les derniers étages turbomoléculaires, et/ou dans l'étage Holweck lorsque la pompe en est équipée. La pompe turbomoléculaire selon l'invention peut avantageusement être associée à une source extérieure de gaz actif et à des moyens de commande pour délivrer le gaz actif en quantité suffisante pour éviter les dépôts. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation particuliers, faite en relation avec la figure ci- jointe illustrant schématiquement, en coupe longitudinale selon l'axe de rotation, une structure de pompe turbomoléculaire hybride selon un mode de réalisation de la présente invention. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 1, la pompe turbomoléculaire selon l'invention comprend une structure hybride traditionnelle, avec un stator 1 et un rotor 2 à plusieurs étages. Le stator 1 est ouvert vers le haut selon une entrée d'aspiration 3, et comporte un évidement intérieur conformé pour recevoir le rotor 2, avec un volume inférieur annulaire 4 de collecte des gaz pompés communiquant avec une sortie latérale inférieure de refoulement 5. Dans la réalisation illustrée sur la figure, le stator 1 comprend, à partir de l'entrée d'aspiration 3, plusieurs étages d'ailettes fixes tels que les étages 6 et 7, suivis d'un étage de stator de type Holweck 8 avec une partie tubulaire externe 9 de stator Holweck et une partie tubulaire interne 10 de stator Holweck coaxiales et réunies l'une à l'autre par le fond 11 pour former entre elles une cheminée annulaire communiquant avec le volume inférieur annulaire 4. Le rotor 2 est solidaire d'un arbre 12 porté par des paliers magnétiques ou gazeux 13 et 14 et sollicité en rotation axiale de façon connue par des bobines constituant les enroulements de stator et de rotor d'un moteur électrique 15. Le rotor 2 comprend plusieurs étages, dont plusieurs étages d'ailettes rotoriques 16, 17 et 18, suivis d'un rotor Holweck 19 de forme tubulaire engagé dans la cheminée annulaire entre la partie tubulaire externe 9 et la partie tubulaire interne 10 du stator Holweck 8. Les différents étages de la pompe turbomoléculaire de l'invention peuvent avoir des structures telles que celles utilisées traditionnellement dans les pompes turbomoléculaires. Dans une structure de pompe turbomoléculaire telle qu'illustrée sur la figure 1, on peut considérer que les premiers étages turbomoléculaires constitués par les ailettes de stator 6 et 7 et les ailettes de rotor 16 et 17 constituent des étages basse pression, et que l'étage turbomoléculaire à ailettes de stator 7 et de rotor 18 suivi de l'étage Holweck 8-10 et 19 constituent des étages haute pression. Dans les étages haute pression, les distances entre les surfaces en regard les unes des autres du stator 1 et du rotor 2 sont faibles, et les pressions gazeuses sont telles que les conditions sont réunies pour que des décharges électriques se produisent entre le rotor 2, isolé électriquement et à un potentiel flottant, et le stator 1 qui est à la masse. Parallèlement, des dépôts de matières solides tendent à se produire sur les surfaces en regard du stator 1 et du rotor 2, en particulier sur les surfaces de l'étage haute pression à ailettes 7 et 18, et sur l'étage Holweck 8-10 et 19. Notamment, des dépôts tendent à se produire à l'interface entre la partie tubulaire externe 9 du stator Holweck 8 et l'étage de rotor Holweck 19 de forme tubulaire. Selon l'invention, la pompe turbomoléculaire comprend en outre des moyens pour injecter, en au moins un emplacement approprié à l'intérieur de la pompe, un gaz actif susceptible de réagir avec les molécules génératrices des dépôts pour former des composés gazeux évacués par la pompe. Le gaz actif doit être présent dans les zones d'interface entre le stator 1 et le rotor 2 o les dépôts sont susceptibles de se produire. Ainsi, comme illustré sur la figure 1, la pompe comprend au moins une canalisation d'entrée de gaz 20, positionnée pour amener le gaz actif entre le rotor 2 et le stator 1 dans les étages haute pression de la pompe turbomoléculaire. Selon un mode de réalisation avantageux, une canalisation d'entrée de gaz 20 amène le gaz actif dans les étages turbomoléculaires à haute pression, de façon que le gaz actif se propage également dans l'étage Holweck qui suit. Selon le mode de réalisation illustré en traits pleins sur la figure 1, une canalisation d'entrée de gaz 20 conduit le gaz actif à l'entrée 21 de l'étage Holweck, dans un volume supérieur annulaire, par un embranchement 20a de canalisation. La pompe turbomoléculaire illustrée sur la figure 1 est associée à une source extérieure de gaz actif 22 et à des moyens de commande 23 pour délivrer le gaz actif en quantité juste suffisante pour éviter les dépôts susceptibles de perturber les régimes de décharges électriques entre le stator 1 et le rotor 2. On peut notamment commander le débit de gaz actif par une vanne calibrée ou une vanne microfuite, en fonctionnement permanent ou intermittent. En alternative, on peut amener le gaz actif en une position intermédiaire le long de l'étage Holweck par un embranchement 20b de canalisation, ou dans le volume inférieur annulaire 4 par un embranchement 20c de canalisation. Selon les applications et les types de pompes turbomoléculaires, il pourra être avantageux d'introduire le ou les gaz actifs en plusieurs zones d'interface réparties le long du chemin des flux gazeux entre le rotor 2 et le stator 1. En cas d'injection de gaz actif en plusieurs zones d'interface, on utilisera de préférence, à partir d'une même source extérieure de gaz actif 22, une canalisation spécifique d'entrée de gaz actif munie de moyens de commande spécifiques pour chaque zone d'interface. En cours de fonctionnement, l'invention évite ainsi les dépôts perturbateurs des décharges électriques entre le rotor 2 et le stator 1 à l'intérieur de la pompe turbomoléculaire à plusieurs étages sur paliers magnétiques ou gazeux 13 et 14 en injectant en au moins un emplacement approprié 21 à l'intérieur de la pompe un gaz actif qui réagit avec les molécules génératrices des dépôts et forme des composés gazeux évacués par la pompe. A titre d'exemple, dans le cas d'une pompe turbomoléculaire utilisée sur une machine de gravure plasma de matériaux semi-conducteurs, on peut avantageusement introduire de l'oxygène. En pratique, on choisira un gaz actif spécifique ou un mélange gazeux actif spécifique adapté aux molécules générées par le processus industriel se déroulant dans l'enceinte. L'introduction d'un gaz dans les étages haute pression ne perturbe aucunement l'atmosphère régnant à l'intérieur de l'enceinte à plasma, et évite efficacement l'apparition des dépôts susceptibles de perturber les régimes de décharges électriques entre le stator 1 et le rotor 2. La vitesse de pompage du système n'est pas perturbée, pas plus que la température de la pompe. La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui ont été explicitement décrits, mais elle en inclut les diverses variantes et généralisations qui sont à la portée de l'homme du métier. REVENDICATIONS 1 - Procédé pour éviter les dépôts perturbateurs des décharges électriques entre le rotor (2) et le stator (1) à l'intérieur d'une pompe turbomoléculaire à plusieurs étages (6, 7, 16-18; 8-10, 19) sur paliers magnétiques ou gazeux (13, 14), caractérisé en ce qu'on injecte en au moins un emplacement approprié à l'intérieur de la pompe turbomoléculaire un gaz actif qui réagit avec les molécules génératrices des dépôts et forme des composés gazeux évacués par la pompe turbomoléculaire. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on choisit un gaz actif qui est dissocié et/ou activé sous l'action des décharges électriques entre le rotor (2) et le stator (1) pour réagir avec les molécules génératrices des dépôts. 3 - Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on injecte le gaz actif dans les étages haute pression (7, 18; 8-10, 19) de la pompe turbomoléculaire. 4 - Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on injecte le gaz actif dans les derniers étages turbomoléculaires (7, 18). 5 - Procédé selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce qu'on injecte le gaz actif dans l'étage Holweck (8-10, 19) lorsque la pompe en est équipée. 6 -. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à , caractérisé en ce que le gaz actif injecté contient de l'oxygène. 7 - Pompe turbomoléculaire à rotor (2) et stator (1) à plusieurs étages sur paliers magnétiques ou gazeux (13, 14) pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (20) pour injecter, en au moins un emplacement approprié (21) à l'intérieur de la pompe turbomoléculaire, un gaz actif qui réagit avec les molécules génératrices des dépôts et forme des composés gazeux évacués par la pompe turbomoléculaire. 8 - Pompe turbomoléculaire selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une canalisation d'entrée de gaz (20) positionnée pour amener le gaz actif entre le rotor (2) et le stator (1) dans les derniers étages turbomoléculaires (7, 18), et/ou dans l'étage Holweck (8-10, 19) lorsque la pompe en est équipée. 9 - Pompe turbomoléculaire selon la revendication 8 munie d'un étage Holweck (8-10, 19), caractérisée en ce qu'une canalisation d'entrée de gaz (20) conduit le gaz actif à l'entrée (21) de l'étage Holweck (8-10, 19). - Pompe turbomoléculaire selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisée en ce qu'elle est associée à une source extérieure de gaz actif (22) et à des moyens de commande (23) pour délivrer le gaz actif en quantité suffisante pour éviter les dépôts entre le rotor (2) et le stator (1).