JP4102856B2 - ゲートバルブを組み込んだコールドトラップ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、クライオポンプアレイを備えたコールドトラップ(cold trap: 冷却トラップ) にゲートバルブを組み込んで一体化したゲートバルブ付きのコールドトラップに関するものである。
【０００２】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】
ターボ分子ポンプなどの真空ポンプは、製造業で使用される真空処理チャンバに採用されている。ターボ分子ポンプは処理チャンバから各種のガスを排気するのには効率的であるが、水蒸気の排気には効率が悪い。結果的に、コールドトラップを、ターボ分子ポンプと処理チャンバ間に直列に組込んで、水蒸気の排気能力を上げるのが普通である。このようなコールドトラップは、流体通路中に配置されたクライオポンプアレイ上に水蒸気を凝結させて、処理チャンバから水蒸気を取り除く。
【０００３】
大部分のコールドトラップは、ターボ分子ポンプと処理チャンバ間に直列に組込むための、フランジを両端に有する流体管路(fluid conduit) を備えている。クライオポンプアレイは、流体管路内に配置され、極低温冷凍機によって冷却される。コールドトラップによっては、うすい肉厚の円筒形クライオポンプアレイを採用して、そこを通過する窒素やアルゴンのような非凝結ガスに対し、最小の流動抵抗を持つように設計されているものもある。最も一般的な円筒形クライオポンプアレイは、直径約８インチで、長さ６インチである。このサイズの円筒形アレイは、長さ約９インチの流体管路を有するコールドトラップになる。非凝結ガスがほぼ自由にアレイの空いた中心を通って通過する間に、水蒸気は円筒形アレイの表面上に凝結される。通常、ゲートバルブは、コールドトラップと作業チャンバ間に組込まれており、その両者を分離している。
【０００４】
しかしながら、場合によっては、スペース的な制約があって、ターボ分子ポンプと処理チャンバ間に従来のコールドトラップを直列に組込みできない状況が発生する。本発明は、このような場合に使用する小型コールドトラップを提供する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明によるコールドトラップは、流体が通過する貫通した流体通路と、流体通路に沿ったある長さと流体通路を横断する方向のある幅とを有する流体管路を備えている。流体管路の幅はその長さよりも寸法が大きい。ゲートバルブは、流体管路に組み込まれて一体化されて、流体通路を開閉する。中央開口を囲む外縁部（リム）を有するクライオポンプアレイが、ゲートバルブの下流側で、流体通路を横断するように、流体通路内に配置されており、前記流体通路が前記中央開口を通って延びている。流体通路中の水蒸気は前記外縁部により捕集される。
【０００６】
好ましい実施形態では、コールドトラップの流体管路は、処理チャンバと真空ポンプの間を連結する。好ましくは、真空ポンプは、ターボ分子ポンプであり、流体管路を通過するガスを捕集する。好ましくは、真空ポンプアレイは、板金で形成された中空状の平坦なリング状の構成品である。真空ポンプアレイは、所定の温度傾斜を維持するように選択した厚さと、横幅と外縁部幅（リム幅）を有し、その横幅と外縁部幅の両寸法は共に厚さより大きい。熱伝導性ストラットは、極低温冷凍機とアレイを熱伝導性よく結合して、アレイを冷却する。ゲートバルブはソレノイド式バルブである。バルブ機構は、流体通路を横断する方向にソレノイドで駆動され、流体通路を開閉する。
【０００７】
本発明は、ターボ分子ポンプなどの真空ポンプの水分排出速度を上げると共に、流体通路の長さの増加を最小限に抑え、同時にターボ分子ポンプ内への非凝縮ガスの流れをほとんど妨害しない。さらに、本発明によれば、空隙の制約からコールドトラップを単独またはゲートバルブと組合せて使用できない状況においても、コールドトラップとゲートバルブを使用できる。
【０００８】
【好ましい実施形態の詳細な説明】
図１から５において、本発明によるコールドトラップは水ポンプ２０として用いられている。図１の水ポンプ２０は、ゲートバルブ・ハウジング２０ａの両側に取付ける上流側フランジ２８と下流側フランジ２４を有する。ゲートバルブ・ハウジング２０ａの大部分は、片持ち梁形状でフランジ２８と２４から側方に離れて延びている。流体通路を有する流体管路３８は、上流側フランジ２８、ゲートバルブ・ハウジング２０ａおよび下流側フランジ２４を通って延び、ガスを水ポンプ２０を貫通して流すようになっている。上流側フランジ２８は、水ポンプ２０を処理チャンバ・フランジ１２によって処理チャンバ１０に結合させ、下流側フランジ２４は、水ポンプ２０をポンプ・フランジ２６によってターボ分子ポンプ２２に結合させる。図４のゲートバルブ機構４４は、ゲートバルブ・ハウジング２０ａ内をスライド・チャネル３２に沿って滑動して、流体管路３８を開閉する。ゲートバルブ機構４４は、ゲートバルブ・ハウジング２０ａの端に取付けたソレノイド４０によって駆動される。
【０００９】
水ポンプ内に組み込まれて一体化されたゲートバルブを使用すれば、水ポンプ２０に結合して流体管路３８を開閉する別のゲートバルブ・ユニットを必要としない。中空状の平坦で平面的なクライオポンプアレイ３４が流体管路３８内に配置され、流体管路３８の外周付近に沿って延びて、その上に水蒸気を凝結させる。アレイ３４は、中央に大きな開口３５を有し、非凝結ガスが、流体管路３８を通過してターボ分子ポンプ２２に流れ込むのに小さな流体抵抗しか持たない。アレイ３４は、ゲートバルブ・ハウジング２０ａに組込まれている極低温冷凍機４６に熱伝導性よく結合され、極低温にまで冷却される。冷凍機４６とターボ分子ポンプ２２（図１）の動作は、冷凍機４６に組合せたコントローラ３０によって制御される。
【００１０】
動作中は、図１の処理チャンバ１０を排気するために、冷凍機４６を運転して、アレイ３４を極低温にまで冷却する。またターボ分子ポンプ２２も運転する。ソレノイド４０は、バルブ機構４４を開放動作させ、その結果、処理チャンバ１０が水ポンプ２０およびターボ分子ポンプ２２と流体的に連結する。この時、ターボ分子ポンプ２２のタービン回転羽根は、水ポンプ２０によって処理チャンバ１０からガスを捕集する。非凝結ガスは、アレイ３４を通って流れ、一方、水蒸気はアレイ３４の表面上に凝結する。窒素やアルゴンなどの非凝結ガスは、ターボ分子ポンプ２２のタービン羽根によりシステムから排気される。アレイ３４が凝結水蒸気で飽和したときに、周期的にバルブ機構４４が閉止位置に移動して流体管路３８を閉じ（図５）、アレイ３４が再生されて凝結水蒸気を放出する。
【００１１】
アレイ３４の動作原理は、アレイ３４の中央開口３５を通過するガスが分子流として流れることである。分子流状態のガス分子は全方向にランダムに移動するために、水ポンプ２０を通過する水蒸気分子はアレイ３４表面の上流と下流の両面に、ほぼ同一確率で衝突および付着する。アレイ３４は、水ポンプ２０を通過する水蒸気の約９０％を捕集できる。ターボ分子ポンプ２２が水ポンプを使用しない場合は、水分排出速度は、約１０ないし２０％にしかならない。ターボ分子ポンプ２２に水ポンプ２０を付加すると、システムの有効水分排出速度は最小でも４００％増大する。
【００１２】
次に、本発明をさらに詳細に説明する。好ましくは、冷凍機４６は一段ギフォード−マクマホン冷凍機である。モーター駆動機構により、コールドフィンガ４８（冷却フィンガ：図４，５）内で駆動されるディスプレーサは、内部で冷媒を膨張させてコールドフィンガ４８を冷却する。通常、冷媒は圧縮ヘリウムガスである。圧縮冷媒ガスは、注入口４１ａを通して冷凍機４６に供給され、排出口４１ｂから排出される。
【００１３】
冷凍機４６はフランジ４６ａを有し、ゲートバルブ・ハウジング２０ａから延びる円筒真空容器４２のフランジ４２ａに取付けられる。真空容器４２は、ゲートバルブ・ハウジング２０ａから、ターボ分子ポンプ２２と平行に延びている。図５のコールドフィンガ４８は、真空容器４２を通過して冷凍機４６からゲートバルブ・ハウジング２０ａ内に延びている。
【００１４】
クライオポンプアレイ３４は、熱伝導ストラット３６とアダプタ・スリーブ５０によって、冷凍機４６のコールドフィンガ４８に熱伝導性よく結合される。アレイ３４は、孔３４ａと３６ａを通して、ねじ５３によりストラット３６に取付けられている（図６および７）。ストラット３６は、孔３６ｂと５０ａを通してアダプタ・スリーブ５０の端に取付けられ、その結果、ストラット３６はアダプタ・スリーブ５０と直角に延びている。好ましくは、ストラット３６は銅製で、厚さ０．２５インチである。ストラット３６はアレイ３４の開口３５の形状に一致した図７に示す曲面３７を有している。アダプタ・スリーブ５０も銅製で、コールドフィンガ４８の先端部に嵌合されていることが望ましい。
【００１５】
アレイ３４は、流体管路３８内のバルブ機構４４の下流側に配置されている。この結果、バルブ機構４４により、アレイ３４は再生に対しては処理チャンバ１０と分離される。好ましくは、アレイ３４の主面は流体通路に対して垂直になる。アレイ３４の外周縁は、流体管路３８の内壁から内側方向に、約０．１２５〜０．２５インチの空隙を有し、流体管路３８と熱的に接触しないことが望ましい。アレイ３４は、中空状であるため、その上を流れるガスに対してわずかに抵抗になるだけで、真空ポンプ２２の排気には大きく影響しない。アレイ３４の開口３５は、アレイ３４の外径と同軸であり、一定幅Ｗ（図６）を持つアレイ３４の外縁部を有し、開口３５を通過するガス流を最大にする。水分を排出するためには、アレイ３４は９０Ｋ〜１３０Ｋ程度の温度（最も望ましいのは１０７Ｋ）に冷却される必要がある。
【００１６】
アレイ３４は、銅やアルミニウムなどの熱伝導性金属板から形成され、約０．０８３インチ〜０．２５インチの厚さｔを有する。最も好ましいのは、アレイ３４が薄いことである。その理由は、１）薄いアレイは厚いアレイより速く冷却できること、および、２）薄いアレイは気体熱伝導性がより高いことである。アレイ３４の厚さｔは０．２５インチ以下が望ましいが、固有の温度傾斜を備える必要のある場合は、０．２５インチより厚いものが採用される。開口３５は円形が好ましいが、代わりに多角形でも良い。さらに、アレイ３４は、平坦形状の代わりに、角度が付けられたり、波状であっても良い。しかし、最も好ましくは、アレイ３４は平坦形状で、流体管路３８の長さが最小になることである。
【００１７】
アレイの外径（横幅）は流体管路３８の直径に依存し、直径１０インチ以上からわずか数インチの範囲にまでできる。アレイ３４の開口３５の直径は、広い外縁部幅Ｗ（図６）または狭い外縁部幅Ｗのどちらにも変えることができる。広い外縁部幅Ｗは、高速の水分排出速度が得られるが、気体熱伝導性が低下する。反対に、狭い外縁部幅Ｗは、水分排出速度が低下するが、流体管路３８を通過するガス熱伝導性が高くなる。どちらの場合も、外径と外縁部幅Ｗは厚さｔよりも寸法が大きいことが望ましい。アレイ３４は、内径（ＩＤ）対外径（ＯＤ）比率が０．６ないし０．８が望ましい。
【００１８】
図８および図９において、本設計では、水排出速度が最大能力の６０〜９０％の範囲を提供し、１０〜２０％の空気速度の低下を示す。一般に、水蒸気を真空システムから除去するのはかなり困難であるのに対し、空気は非常に速く除去できる。一例としては、アレイ３４は７．６３インチの外径と５．４３インチの内径を有する。これにより、ＩＤ対ＯＤの比率は０．７となり、水蒸気の８０％を捕集でき、ターボ分子ポンプ２２の性能に１５％の影響を与えるだけである。
【００１９】
図４のゲートバルブ・ハウジンング２０ａ、バルブ機構４４、フランジ２８、およびフランジ２４は、ステンレス・スチール製またはアルミニウム製が望ましい。フランジ２８と２４のそれぞれは、環状の凹所２８ｂと２４ａを有し、シールを目的とするガスケットを収納する。図１のフランジ２８の孔２８ａにより、フランジ２８を処理チャンバのフランジ１２に固定できる。さらに、フランジ２４は、ターボ分子ポンプ２２のフランジ２６に取付ける同様の孔を有する。一般に、ゲートバルブ・ハウジング２０ａは、長く薄い長方形の形状を有する。一連のフィン２１と２３は、ゲートバルブ・ハウジング２０ａに対し構造的剛性を与える。フランジ２５は、ゲートバルブ・ハウジング２０ａの端から延びており、ソレノイド４０のフランジ２７をフランジ２５に結合して、ソレノイド４０をゲートバルブ・ハウジング２０ａに取付けることができる。また、ゲートバルブ・ハウジング２０ａは、図４のコールドフィンガ４８の端部にアクセスするための開口１９ａを備えている。取外し可能なカバー・プレート１９が開口１９ａの上に取付けられている。
【００２０】
水ポンプ２０の小型化設計により、直径（内径）対長さの比率が１．６の流体管路３８を有する水ポンプ２０が得られる。たとえば、直径８インチの流体管路３８は、上流側フランジ２８から下流側フランジ２４まで、流体通路に沿って約５インチの長さを有する。したがって、ターボ分子ポンプ２２の水分排出容量（能力）は、処理チャンバ１０とターボ分子ポンプ２２間の流体通路長さの最低限の増加だけで、大幅に増大できる。
【００２１】
〔均等物〕
本発明を、好ましい実施形態に基づいて図示し説明してきたが、形体や細部の各種の変更が、本発明の請求範囲によって定まる本発明の精神や範囲から逸脱することなく可能なことは、当業者には容易に理解できることである。当業者には、通常の実験をするまでもなく、ここで具体的に説明する本発明による特定の実施形態に対する多くの均等物を認識または確認できる。このような均等物は、請求の範囲に包含されるものとする。
【００２２】
水ポンプ２０、クライオポンプアレイ３４、およびストラット３６は、流体管路３８と水ポンプ２０の用途に依存して種々の寸法とすることができる。さらに、流体管路３８は、必ずしも円形形状である必要はなく、多角形などの他の形状であってもよい。このような場合は、アレイ３４の外周縁は、流体管路３８に一致する形状とすることができる。また、アレイ３４は、ゲートバルブ機構４４の上流側に配置してもよい。さらに、水ポンプ２０は、ターボ分子ポンプと組合せて使用されるのが望ましいが、拡散ポンプなどの、その他の種類の真空ポンプと組合せることも可能である。
【図面の簡単な説明】
本発明による、前述した目的とその他の目的、および特徴と利点は、添付の図面に示された以下に述べる本発明の好ましい実施形態の具体的な説明で明らかにする。添付図面では、同一参照符号は異なる図面でも同一部品を示す。図面は、必ずしも縮尺通りでなく、本発明の原理を図示するために強調されている。
【図１】 本発明による一体型ゲートバルブ付きの水ポンプの斜視図であり、このバルブはターボ分子ポンプに結合されており、処理チャンバの一部分の下方に配置されている。
【図２】 本発明による水ポンプの正面図である。
【図３】 本発明による水ポンプの側面図である。
【図４】 本発明による水ポンプの簡略化した側面断面図である。
【図５】 本発明による水ポンプの拡大部分の側面断面図であり、ゲートバルブをより詳細に示している。
【図６】 本発明に採用している好ましいクライオポンプアレイの平面図である。
【図７】 極低温冷凍機のコールドフィンガーに、クライオポンプアレイを熱伝導性よく結合する好ましい熱伝導ストラットの平面図である。
【図８】 クライオポンプアレイＩＤ／ＯＤ比率の関数として、水の速度百分率を描いたグラフである。
【図９】 クライオポンプアレイＩＤ／ＯＤ比率の関数として、空気の速度百分率を描いたグラフである。
【符号の説明】
１０・・・ 処理チャンバ
２０・・・ コールドトラップ
２２・・・ 真空ポンプ
３４・・・ クライオポンプアレー
３５・・・ 中央開口
３６・・・ ストラット
３８・・・ 流体管路
４４・・・ ゲートバルブ

Claims (15)

1. 貫通した流体通路と、
   前記流体通路に沿った長さと前記流体通路を横断する方向の幅とを持ち、その幅が長さよりも大きい流体管路（３８）と、
   前記流体管路内に配置されているクライオポンプアレイ（３４）と、
   を備えるコールド・トラップにおいて、
   前記流体管路に組み込まれて一体化され、前記流体通路を横断する方向に移動するバルブ機構（４４）を開閉するゲートバルブ（２０ａ）を備え、
   前記クライオポンプアレイ（３４）は、前記ゲートバルブの下流側で前記流体管路内に配置されて前記流体通路を横断する中央開口（３５）を囲む外縁部を有し、前記流体通路が前記中央開口を通って延びており、前記外縁部で前記流体通路から水蒸気を捕集する、ことを特徴とするコールド・トラップ（２０）。
2. 請求項１において、
   前記アレイ（３４）が、厚さ（ｔ）、横断幅および外縁部幅（ｗ）を有し、その横断幅および外縁部幅が前記厚さよりも大きいコールドトラップ（２０）。
3. 請求項２において、
   前記流体管路（３８）が処理チャンバ（１０）に結合されているコールドトラップ（２０）。
4. 請求項３において、
   前記流体管路（３８）が真空ポンプ（２２）に結合されて、ガスを前記流体通路に沿って前記流体管路を通して吸引するコールドトラップ（２０）。
5. 請求項４において、
   前記真空ポンプ（２２）がターボ分子ポンプであるコールドトラップ（２０）。
6. 請求項１において、
   前記ゲートバルブ（２０ａ）がソレノイド（４０）で動作するコールドトラップ（２０）。
7. 請求項１において、
   さらに、前記アレイ（３４）を冷却する極低温冷凍機（４６）を有するコールドトラップ（２０）。
8. 請求項１において、
   さらに、前記冷凍機（４６）を前記アレイ（３４）に熱伝導性よく結合する熱伝導ストラット（３６）を有するコールドトラップ（２０）。
9. 請求項１において、
   前記アレイ（３４）が板金から形成された平坦なリング形状であるコールドトラップ（２０）。
10. 請求項１において、
    前記アレイ（３４）が中空状であるコールドトラップ（２０）。
11. コールドトラップ（２０）を備えて水蒸気を捕集する方法であって、そのコールドトラップは、貫通した流体通路、その流体通路に沿った長さおよび流体通路を横断する方向の幅を持つ流体管路（３８）を有し、その流体管路の幅が長さよりも大きいものであり、
    さらに前記方法は、 前記流体管路に組み込まれて一体化され、前記流体通路を横断する方向に駆動するバルブ機構（４４）を有するゲートバルブ（２０ａ）を開いて、前記流体管路を通る前記流体通路を開放し、
    前記流体管路内に、前記流体通路を横断する中央開口の周囲を囲む外縁部が設けられたクライオポンプアレイ（３４）を配置して、前記流体通路が前記中央開口（３５）を通って延びるようにし、 前記アレイを極低温度に冷却し、
    水蒸気を前記流体通路から前記アレイの外縁部上に捕集する、
    各ステップを有する水蒸気を捕集する方法。
12. 請求項１１において、
    さらに、厚さ（ｔ）、横断幅および外縁部幅（ｗ）を持ち、その横断幅と外縁部幅の両方が前記厚さ寸法よりも大きい、前記アレイ（３４）を設けるステップを有する水蒸気を捕集する方法。
13. 請求項１１において、
    さらに、前記流体管路に結合した真空ポンプ（２２）により、前記流体管路（３８）を通してガスを吸引するステップを有する水蒸気を捕集する方法。
14. 請求項１１において、
    前記ゲートバルブ（２０ａ）を開くステップが、ソレノイド（４０）でそのゲートバルブを作動させる水蒸気を捕集する方法。
15. 請求項１１において、
    前記クライオポンプアレイ（３４）を冷却するステップが、 極低温冷凍機（４６）を熱伝導ストラット（３６）によって前記アレイに熱伝導性よく結合し、
    前記ストラットと前記アレイを前記冷凍機で冷却する、
    各ステップを有する水蒸気を捕集する方法。

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