JP4521047B2 - クライオポンプ - Google Patents

Description

本発明は、クライオポンプに関する。

クライオポンプは、極低温に冷却されたクライオパネルに気体分子を凝縮または吸着により捕捉して排気する真空ポンプである。クライオポンプは半導体回路製造プロセス等に要求される清浄な真空環境を実現するために一般に利用される。

例えば特許文献１には、ガス侵入方向に関して熱シールドパネルの背面側に放射状に取り付けられ、熱シールドパネルから背面方向に延びる複数の細長板状パネルを有するクライオポンプが記載されている。熱シールドパネル及び細長板状パネルはヘリウム冷凍機の第２ヒートステージに結合されている。第２ヒートステージは、第１冷却筒先端の第１ヒートステージから延びる第２冷却筒の先端に設けられている。
特開平２−３０８９８５号公報

しかし、上述のクライオポンプにおいては、第２冷却筒の表面に気体が凝縮しうる。この場合、第２冷却筒表面での第１ヒートステージ温度から第２ヒートステージ温度への温度分布に起因する気体凝縮及び再気化がクライオポンプ内部の圧力を不安定に変動させるおそれがある。不安定な圧力変動は防止されることが望ましい。また、クライオポンプの最大気体吸蔵量は大きいことが望ましい。

そこで、本発明は、クライオポンプの排気運転中の不安定な圧力変動を抑制するとともに、大きな気体吸蔵量を実現することができるクライオポンプを提供することを目的とする。

本発明のある態様のクライオポンプは、第１冷却ステージと、第１冷却ステージよりも低温に冷却される第２冷却ステージと、を備える冷凍機と、側面に開口が形成され、第１冷却ステージが外部に配置されかつ第２冷却ステージが内部に配置されるように開口に冷凍機が挿通されており、第１冷却ステージに熱的に接続されている放射シールドと、第２冷却ステージに熱的に接続され、放射シールドの内部から外部へと開口を通じて延び、開口において放射シールドとの間に間隙を有して配置されている冷凍機カバーと、を備える。

この態様によれば、第２冷却ステージに熱的に接続され低温に冷却される冷凍機カバーが、放射シールドの内部から外部へと冷凍機挿通用の開口を通じて延び、その開口において放射シールドとの間に間隙を有して配置されている。よって、気体の凝縮により生じる氷層を保持するための空間を冷凍機カバー上に広くとることができるので、クライオポンプの気体吸蔵量を大きくすることができる。また、冷凍機カバーと放射シールドとの間に間隙が設けられているので、冷凍機カバー上の氷層を放射シールドに接触させにくくすることができる。これにより、放射シールドに氷層が接触して真空度が低下することを抑制することができる。

冷凍機は、第１冷却ステージが前記開口から外向きにオフセットを有して放射シールドの外部に配置されており、冷凍機カバーは、前記開口から放射シールドの外部へとオフセットより短い長さだけ突き出して延びる末端部を有してもよい。

放射シールドと冷凍機カバーとの間隙及び冷凍機カバーが前記開口から突き出して延びる長さは、クライオポンプの最大吸蔵量に達するまでに気体の凝縮により冷凍機カバーに堆積する氷層が放射シールド及び第１冷却ステージに接触しないように大きさが設定されていてもよい。

第２冷却ステージに熱的に接続されているクライオパネルをさらに備えてもよい。放射シールドと冷凍機カバーとの間隙及び冷凍機カバーが前記開口から突き出して延びる長さは、クライオポンプへの気体流入が停止されてから所定時間内に到達すべき圧力として設定されているリカバリ圧力よりも、気体の凝縮によりクライオパネルに堆積した氷層の表面における気体蒸気圧が高圧となるまで冷凍機カバー上の氷層が放射シールド及び第１冷却ステージに接触しないように大きさが設定されていてもよい。

冷凍機カバーは、冷凍機カバーが前記開口から突き出して延びる長さが放射シールドと冷凍機カバーとの間隙以上に設定されていてもよい。

前記末端部を包囲し、第１冷却ステージと放射シールドとを接続する遮蔽部材をさらに備えてもよい。この遮蔽部材は、第１冷却ステージと放射シールドとを熱的に接続する伝熱部材であってもよい。

本発明の別の態様のクライオポンプは、開口が形成されている筒状側面を有する放射シールドと、第１の温度に冷却され、放射シールドに熱的に接続される第１冷却ステージと、第１の温度よりも低温である第２の温度に冷却される第２冷却ステージと、第１冷却ステージと第２冷却ステージとを接続し、第１の温度から第２の温度へと向かう温度分布を表面に有する接続部材と、を備え、第２冷却ステージが放射シールドの内部に配置されるように前記開口に挿通されている冷凍機と、第２冷却ステージに熱的に接続され、接続部材の表面に沿って第１冷却ステージに向けて延びる冷凍機カバーと、冷凍機カバーに堆積する氷層を前記放射シールドとの干渉を避けて収容する空間を、第１冷却ステージに近接する冷凍機カバーの端部との間に画定する干渉抑制構造と、を備える。

干渉抑制構造は、接続部材及び冷凍機カバーの第１冷却ステージに近接する端部を包囲するよう放射シールドから突出する部材を含んでもよい。

本発明によれば、大きな気体吸蔵量を有するクライオポンプが提供される。

図１は、クライオポンプ１０を模式的に示す図である。クライオポンプ１０は、例えばイオン注入装置やスパッタリング装置等の真空チャンバに取り付けられて、真空チャンバ内部の真空度を所望のプロセスに要求されるレベルまで高めるために使用される。クライオポンプ１０は、クライオポンプ容器３０と、放射シールド４０と、冷凍機５０と、を含んで構成される。

冷凍機５０は、例えばギフォード・マクマホン式冷凍機（いわゆるＧＭ冷凍機）などの冷凍機である。冷凍機５０は、第１シリンダ１１、第２シリンダ１２、第１冷却ステージ１３、第２冷却ステージ１４、バルブ駆動用モータ１６を備える。第１シリンダ１１と第２シリンダ１２は直列に接続される。第１シリンダ１１の第２シリンダ１２との結合部側には第１冷却ステージ１３が設置され、第２シリンダ１２の第１シリンダ１１から遠い側の端には第２冷却ステージ１４が設置される。図１に示す冷凍機５０は、二段式の冷凍機であり、シリンダを直列に二段組み合わせてより低い温度を達成している。冷凍機５０は冷媒管１８を介して圧縮機５２に接続される。

圧縮機５２は、例えばヘリウム等の冷媒ガス、すなわち作動気体を圧縮して、冷媒管１８を介して冷凍機５０に供給する。冷凍機５０は、作動気体を蓄冷器を通過させることにより冷却しつつ、まず第１シリンダ１１の内部の膨張室で、次いで第２シリンダ１２の内部の膨張室で膨張させてさらに冷却する。蓄冷器は膨張室内部に組み込まれている。これにより、第１シリンダ１１に設置される第１冷却ステージ１３は第１の冷却温度レベルに冷却され、第２シリンダ１２に設置される第２冷却ステージ１４は第１の冷却温度レベルよりも低温の第２の冷却温度レベルに冷却される。例えば、第１冷却ステージ１３は６５Ｋ〜１００Ｋ程度に冷却され、第２冷却ステージ１４は１０Ｋ〜２０Ｋ程度に冷却される。

冷凍機５０に付随して、制御部２０及び交流電源２２が設けられている。制御部２０は、周波数変換器２４および周波数決定部２６を含む。制御部２０はまた、温度センサ２８を含んで構成されてもよい。温度センサ２８は、冷凍機５０の第１冷却ステージ１３に設置され、第１冷却ステージ１３の温度を検出し、周波数決定部２６に温度情報を送信する。なお、温度センサ２８の設置場所は第１冷却ステージ１３に限られず、例えば第２冷却ステージ１４や第１シリンダ１１、第２シリンダ１２の任意の箇所など、その温度を制御したい場所でよい。また、複数の温度センサ２８を複数の箇所に設置してもよい。これにより、よりきめ細かく各箇所の温度を制御することが可能となる。

膨張室で順次膨張することで吸熱し、各冷却ステージを冷却した作動気体は、再び蓄冷器を通過し、冷媒管１８を経て圧縮機５２に戻される。圧縮機５２から冷凍機５０へ、また冷凍機５０から圧縮機５２への作動気体の流れは、冷凍機５０内のロータリバルブ（図示せず）により切り替えられる。バルブ駆動用モータ１６は、交流電源２２から電力の供給を受けて、ロータリバルブを回転させる。

周波数変換器２４は、バルブ駆動用モータ１６と、交流電源２２の間に設けられ、交流電源２２から供給された電力の周波数を変換して出力し、バルブ駆動用モータ１６に供給する。周波数決定部２６は、温度センサ２８から得た温度情報に基づいて、周波数変換器２４を制御する。なお、図示のように周波数変換器は制御部２０に一体に設けられてもよいし、制御部２０とは別体に設けられていてもよい。

図１に示されるクライオポンプ１０は、いわゆる横型のクライオポンプである。横型のクライオポンプとは一般に、冷凍機の第２冷却ステージ１４が筒状の放射シールド４０の軸方向に交差する方向（通常は直交方向）に沿って放射シールド４０の内部に挿入されているクライオポンプである。なお、本発明はいわゆる縦型のクライオポンプにも同様に適用することができる。縦型のクライオポンプとは、放射シールドの軸方向に沿って冷凍機が挿入されているクライオポンプである。

クライオポンプ容器３０は、一端に開口を有し他端が閉塞されている円筒状の形状に形成された部位（以下、「胴部」と呼ぶ）３２を有する。開口は、スパッタ装置等の真空チャンバから排気されるべき気体が進入する吸気口３４として、設けられている。吸気口３４はクライオポンプ容器３０の胴部３２の上端部内面により画定される。また胴部３２には冷凍機５０を挿通するための開口３７が形成されている。胴部３２の開口３７には円筒状の冷凍機収容部３８の一端が取り付けられ、他端は冷凍機５０のハウジングに取り付けられている。冷凍機収容部３８は冷凍機５０の第１シリンダ１１を収容する。

またクライオポンプ容器３０の胴部３２の上端には径方向外側に向けて取付フランジ３６が延びている。クライオポンプ１０は、排気対象容積であるスパッタ装置等の真空チャンバに、取付フランジ３６を用いて取り付けられる。

クライオポンプ容器３０は、クライオポンプ１０の内部と外部とを隔てるために設けられている。上述のようにクライオポンプ容器３０は胴部３２と冷凍機収容部３８とを含んで構成されており、胴部３２及び冷凍機収容部３８の内部は共通の圧力に気密に保持される。クライオポンプ容器３０の外面は、クライオポンプ１０の動作中、すなわち冷凍機が作動している間も、クライオポンプ１０の外部の環境にさらされるため、放射シールド４０よりも高い温度に維持される。典型的にはクライオポンプ容器３０の温度は環境温度に維持される。ここで環境温度とは、クライオポンプ１０が設置されている場所の温度、またはその温度に近い温度をいい、例えば室温程度である。

放射シールド４０は、クライオポンプ容器３０の内部に配設されている。放射シールド４０は、一端に開口を有し他端が閉塞されている円筒状の形状、すなわちカップ状の形状に形成されている。放射シールド４０は、図１に示されるような一体の筒状に構成されていてもよく、また、複数のパーツにより全体として筒状の形状をなすように構成されていてもよい。これら複数のパーツは互いに間隙を有して配設されていてもよい。

クライオポンプ容器３０の胴部３２及び放射シールド４０はともに略円筒状に形成されており、同軸に配設されている。クライオポンプ容器３０の胴部３２の内径が放射シールド４０の外径を若干上回っており、放射シールド４０はクライオポンプ容器３０の胴部３２の内面との間に若干の間隔をもってクライオポンプ容器３０とは非接触の状態で配置される。すなわち、放射シールド４０の外面は、クライオポンプ容器３０の内面と対向している。なお、クライオポンプ容器３０の胴部３２および放射シールド４０の形状は、円筒形状には限られず、角筒形状や楕円筒形状などいかなる断面の筒形状でもよい。典型的には、放射シールド４０の形状はクライオポンプ容器３０の胴部３２の内面形状に相似する形状とされる。

放射シールド４０は、第２冷却ステージ１４およびこれに熱的に接続される低温クライオパネル６０を主にクライオポンプ容器３０からの熱放射から保護する放射シールドとして設けられている。第２冷却ステージ１４は、放射シールド４０の内部空間において、放射シールド４０のほぼ中心軸上に配置される。放射シールド４０は、第１冷却ステージ１３に熱的に接続された状態で固定され、第１冷却ステージ１３と同程度の温度に冷却される。

低温クライオパネル６０は、例えば複数のパネル６４を含む。パネル６４は例えば、それぞれが円すい台の側面の形状、いわば傘状の形状を有する。各パネル６４は、第２冷却ステージ１４に取り付けられているパネル取付部材６６に取り付けられている。各パネル６４には通常活性炭等の吸着剤（図示せず）が設けられている。吸着剤は例えばパネル６４の裏面に接着されている。

パネル取付部材６６は一端が閉塞され他端が開放されている円筒状の形状を有し、閉塞された端部が第２冷却ステージ１４の上端に取り付けられて円筒状側面が第２冷却ステージ１４を取り囲むように放射シールド４０の底部に向けて延びている。パネル取付部材６６の円筒状側面に複数のパネル６４が互いに間隔をあけて取り付けられている。パネル取付部材６６の円筒状側面には、冷凍機５０の第２シリンダ１２を通すための開口が形成されている。

放射シールド４０の吸気口には、真空チャンバ等からの熱放射から第２冷却ステージ１４およびこれに熱的に接続される低温クライオパネル６０を保護するために、バッフル６２が設けられている。バッフル６２は、例えば、ルーバ構造やシェブロン構造に形成される。バッフル６２は、放射シールド４０の中心軸を中心とする同心円状に形成されていてもよいし、あるいは格子状等他の形状に形成されていてもよい。バッフル６２は放射シールド４０の開口側の端部に取り付けられており、放射シールド４０と同程度の温度に冷却される。

放射シールド４０の側面には冷凍機取付孔４２が形成されている。冷凍機取付孔４２は、放射シールド４０の中心軸方向に関して放射シールド４０側面の中央部に形成されている。放射シールド４０の冷凍機取付孔４２はクライオポンプ容器３０の開口３７と同軸に設けられている。冷凍機５０の第２シリンダ１２及び第２冷却ステージ１４は冷凍機取付孔４２から放射シールド４０の中心軸方向に垂直な方向に沿って挿入されている。放射シールド４０は、冷凍機取付孔４２において第１冷却ステージ１３に熱的に接続された状態で固定される。

また、クライオポンプ１０には、冷凍機５０の第２シリンダ１２を包囲する冷凍機カバー７０が設けられている。冷凍機カバー７０は第２シリンダ１２よりも若干大径の円筒形状に形成されており、一端が第２冷却ステージ１４に取り付けられ、他端が放射シールド４０の冷凍機取付孔４２に向けて延びている。冷凍機カバー７０と放射シールド４０との間には間隙が設けられており、冷凍機カバー７０と放射シールド４０とは接触していない。冷凍機カバー７０は第２冷却ステージ１４に熱的に接続されており、第２冷却ステージ１４と同じ温度に冷却される。

上記の構成のクライオポンプ１０による動作を以下に説明する。

温度センサ２８は第１冷却ステージ１３の温度を測定し、測定結果を周波数決定部２６に送信する。周波数決定部２６は、温度センサ２８から得た温度情報に基づいて、周波数を決定する。例えば、周波数決定部２６は、温度センサ２８から取得した第１冷却ステージ１３の温度が、設定された目標温度より高いときは周波数変換器２４の出力周波数を高くすることを決定し、第１冷却ステージ１３の温度が目標温度より低いときは周波数変換器２４の出力周波数を低くすることを決定する。そして、周波数決定部２６は決定結果を周波数変換器２４に送信する。

周波数変換器２４は、周波数決定部２６からの信号を受けて、交流電源２２の周波数を変換してバルブ駆動用モータ１６に電力を供給する。例えば、出力周波数を高くした場合、バルブ駆動用モータ１６の回転数が大きくなり、ロータリバルブの回転が速くなる。この結果、冷凍機５０における作動気体の吸排気がより速く切り替えられることとなり、単位時間あたりの作動気体の吸排気量が増加し、単位時間あたりの作動気体による吸熱量も増える。したがって、第１冷却ステージ１３は設定された目標温度まで冷却される。よって、第１冷却ステージ１３の冷却に伴って、第２冷却ステージ１４の温度もさらに下がる。

逆に、第１冷却ステージ１３の温度が所望の温度より低いときには、周波数決定部２６は、周波数変換器２４の出力周波数を低くすることを決定する。そして、周波数変換器２４は、周波数決定部２６からの信号を受けて、交流電源２２から供給される電力を、低い周波数に変換して出力する。これにより、バルブ駆動用モータ１６の回転周期が長くなり、冷凍機５０の吸排気のサイクルが遅くなる。そうすると単位時間あたりの作動気体の吸排気量が減少し、単位時間あたりの作動気体の吸熱量も減少する。これにより、第１冷却ステージ１３の温度は上昇し、これに連動して第２冷却ステージ１４の温度も上がる。

このように制御部２０が冷凍機５０の冷凍サイクルの周波数を制御し、第１冷却ステージ１３については、目標温度において、クライオポンプ容器３０からの放射等による熱負荷と、作動気体の膨張による吸熱が均衡するように調整される。

図２は、排気運転中のクライオポンプ１０を模式的に示す図である。図２に示されるように、クライオポンプ１０の低温クライオパネル６０には凝縮した気体からなる氷層が堆積している。クライオポンプ１０の排気対象容積が例えばスパッタ装置の真空チャンバである場合には、この氷層の主成分は例えばアルゴンである。この氷層は排気運転時間とともに成長して厚みが増していく。

クライオポンプ１０においては、第２冷却ステージ１４によって低温クライオパネル６０だけではなく冷凍機カバー７０も冷却されているから、冷凍機カバー７０にも気体が凝縮して氷層が堆積する。冷凍機カバー７０もクライオパネルの一部として使用することができるから、クライオポンプ１０の気体吸蔵量を大きくすることができる。また、冷凍機カバー７０により第２シリンダ１２が覆われていることにより第２シリンダ１２への氷層の形成が抑制されるから、真空度の不安定を起こりにくくすることができる。

この真空度の不安定は第２シリンダ１２表面の温度勾配に起因するものである。第２シリンダ１２の表面には、第２冷却ステージ１４の第２冷却温度から第１冷却ステージ１３の第１冷却温度へと温度勾配が生じている。この第２冷却温度から第１冷却温度までの温度範囲には、低温クライオパネル６０に凝縮する気体（例えばアルゴン）の沸点が含まれる。よって、第２シリンダ１２の表面には、その気体沸点の温度に一致する位置が存在する。低温クライオパネル６０への氷層堆積とともに低温クライオパネル６０への熱負荷も増加するため、低温クライオパネル６０の温度も変動し得る。そうすると、第２シリンダ１２の表面での気体沸点温度位置も（図において左右に）移動する。

その結果、冷凍機カバー７０がなく第２シリンダ１２が露出されている場合には、第２シリンダ１２に堆積した氷層の一部が第２シリンダ１２表面の温度変化により急激に気化されて真空度が悪化する。例えば、第２冷却ステージ１４の温度が上昇して気体沸点温度位置が第２冷却ステージ１４に近づく方向に移動すると、もとの気体沸点温度位置に凝縮していた気体は凝縮状態を維持できなくなり急激に気化されることになる。

冷凍機カバー７０が設けられている場合にも類似の現象が起こりうる。それは、冷凍機カバー７０に堆積した氷層が放射シールド４０に接触した場合である。第２シリンダ１２の表面の露出を最小化するように冷凍機カバー７０の端部は放射シールド４０に近接している。このため、放射シールド４０に近接する冷凍機カバー７０の端部において氷層が成長すると放射シールド４０に接触しうる。放射シールド４０に接触した氷層は放射シールド４０により加熱されることとなり、急激に気化される。この場合、クライオポンプ１０は更に真空度を高めることが困難である。よって、冷凍機カバー７０上の氷層が放射シールド４０に接触するときの気体吸蔵量がクライオポンプ１０の最大吸蔵量を定めることになる。

しかし、放射シールド４０との氷層の接触がなければ、原理的には更に大きい吸蔵量を実現することが可能である。クライオポンプ１０は原理的には、低温クライオパネル６０に堆積した氷層表面での気体蒸気圧が達成すべき真空度を超えるまで排気が可能である。氷層表面での気体蒸気圧が達成すべき真空度を超えた場合には、雰囲気から氷層への気体凝縮よりも氷層からの気化のほうが支配的となるため、更なる排気をすることができない。クライオパネル表面から氷層表面に向けて徐々に温度が上昇する温度分布が生じており、氷層表面での気体蒸気圧は氷層表面の温度によって決まる。よって、氷層が成長して厚くなり氷層表面温度が高くなり、氷層表面での気体蒸気圧が達成すべき真空度を超えたときのクライオポンプ１０の気体吸蔵量が所与の低温クライオパネル６０の下での最大の吸蔵量となる。この最大吸蔵量に達する前に放射シールド４０に氷層が接触する場合には、この潜在的な最大吸蔵量よりも小さい最大吸蔵量しか得られないことになる。

図３は、本発明の一実施形態に係るクライオポンプ１００を模式的に示す図である。図３に示されるクライオポンプ１００は、図１に示されるクライオポンプ１０とは放射シールド４０が伝熱用の第１スリーブ８０を介して第１冷却ステージ１３へと接続されている点で異なる。また、冷凍機カバー７０としての第２スリーブ８２が放射シールド４０を貫通して延びている点でも異なる。以下の説明においては、説明を簡潔にするために、図３に示されるクライオポンプ１００と図１に示されるクライオポンプ１０とで共通する部分については説明を適宜省略する。

クライオポンプ１００は、冷凍機カバー７０に堆積する氷層をと放射シールド４０との干渉を避ける干渉抑制構造を備える。この干渉抑制構造は例えば、冷凍機５０の軸方向に沿って延びる二重のスリーブ構造を有する。クライオポンプ１００においては、この二重スリーブを構成する第１スリーブ８０と第２スリーブ８２との間に、凝縮した気体の氷層の末端を収容する霜収容空間８４が形成されていることが１つの特徴である。この霜収容空間８４は、クライオポンプ１００の最大吸蔵量に達するまでに、第１冷却温度に冷却されている部位に氷層が接触しないように寸法が調整されている。冷凍機カバー７０に堆積する氷層が放射シールド４０との干渉を避けて霜収容空間８４に収容される。すなわち、第２冷却温度に冷却されている部位に堆積する氷層と第１冷却温度に冷却されている部位との間に最大吸蔵量まで間隙が保たれるように霜収容空間８４は寸法が調整されている。

放射シールド４０の側面には、冷凍機挿通孔４３が設けられている。冷凍機挿通孔４３は、クライオポンプ容器３０の胴部３２の開口３７に対応する位置に設けられている。冷凍機挿通孔４３は開口３７と同軸にかつ冷凍機挿通孔４３よりも小径に形成されている。

冷凍機挿通孔４３及び開口３７を挿通して冷凍機５０が配置されている。第２冷却ステージ１４が放射シールド４０の内部に包囲されて配置され、第１冷却ステージ１３が放射シールド４０の外部においてクライオポンプ容器３０の冷凍機収容部３８の内部に配置されるように冷凍機５０は冷凍機挿通孔４３に挿通されている。このため、第１冷却ステージ１３は、放射シールド４０との間に外向きにオフセットを有して放射シールド４０の外側に位置している。クライオポンプ容器３０の開口３７及び冷凍機収容部３８の径のほうが第１冷却ステージ１３の径よりも大きい。このため、第１冷却ステージ１３は、冷凍機５０の長手方向に関して冷凍機収容部３８の内部の任意位置に配置することが可能であり、第１冷却ステージ１３と放射シールド４０との間のオフセットの大きさを自由に選択することができる。また第２シリンダ１２及び冷凍機カバー７０が冷凍機挿通孔４３及び開口３７を通過しており、第２シリンダ１２及び冷凍機カバー７０は放射シールド４０の側面に交差している。

放射シールド４０は、第１スリーブ８０により第１冷却ステージ１３に固定され熱的に接続されている。第１スリーブ８０は円筒形状に形成されており、両端には放射シールド４０及び第１冷却ステージ１３のそれぞれにボルト等で取り付けるためのフランジ部が設けられている。第１スリーブ８０は、第１冷却ステージ１３から第２冷却ステージ１４に向けて放射シールド４０まで延びている。第１スリーブ８０の径は放射シールド４０の冷凍機挿通孔４３と同径とされ、長さは放射シールド４０と第１冷却ステージ１３とのオフセットに等しい。第１スリーブ８０は第１冷却ステージ１３を放射シールド４０に熱的に接続する伝熱部材であり、第１スリーブ８０の厚さは例えば伝熱特性を考慮して放射シールド４０の厚さよりも厚くてもよい。また、第１スリーブ８０は、より低温に冷却されている第２スリーブ８２を包囲するよう筒状に形成されているので、第２スリーブ８２への外部からの熱輻射を遮蔽する放射シールドの一部としても機能する。

第１冷却ステージ１３が放射シールド４０の外部において放射シールド４０から隔てられているため、第２シリンダ１２の長さが比較的長い。第２シリンダ１２の長さは、第１冷却ステージ１３を放射シールド４０に直接取り付ける場合に比べて、第１冷却ステージ１３と放射シールド４０とのオフセット量だけ長くなる。第２シリンダ１２の長さが長くなることにより、第１冷却ステージ１３と第２冷却ステージ１４との温度差を大きくすることができる。よって、第１冷却ステージ１３の冷却温度を所定の目標温度とした場合における第２冷却ステージ１４の冷却温度をより低くすることができる。その結果、低温クライオパネル６０がより低温に冷却され、クライオポンプ１００の気体吸蔵量を大きくすることができる。

多段式冷凍機において、各冷却ステージの温度の間には所定の関係がある。例えば二段式冷凍機において、一定の条件の下で、第１冷却ステージ１３と第２冷却ステージ１４のうちの一の温度を定めると、他方の温度は一意に定まる。例えば、第１冷却ステージ１３を所望の目標温度に保つとき、一定の条件の下で、第２冷却ステージ１４の温度が一意に定まる。ここで、一定の条件として、最小負荷状態を仮定する。最小負荷状態とは、クライオポンプ１０の稼働中において、各冷却ステージへの負荷が最低となり、第２冷却ステージ１４の冷却温度を最も低い温度に維持できる状態である。ここで、第１冷却ステージ１３を所望の目標温度に保ちつつ、第２冷却ステージ１４をある要求温度以下に冷却したい場合を考える。

この要求温度が、最小負荷状態において第１冷却ステージ１３を目標温度に維持するときに一意に定まる第２冷却ステージ１４の温度よりも低い場合、第１冷却ステージ１３を目標温度に保ちつつ第２冷却ステージ１４をその要求温度以下に冷却することはできない。この場合、冷凍機５０における吸排気サイクルを速くすると第２冷却ステージ１４の温度を下げることはできるが、第１冷却ステージ１３の温度も目標温度よりも低くなってしまう。これに対処するため、本発明においては、第１冷却ステージ１３の温度を目標温度に冷却したときに第２冷却ステージが要求温度以下に冷却されるように、放射シールド４０と第１冷却ステージ１３との間のオフセット量すなわち第２シリンダ１２の長さが調整されている。これにより、第１冷却ステージ１３の温度を所望の目標温度に保ちつつ、第２冷却ステージ１４を要求温度以下に冷却することができる。

第１冷却ステージ１３及び第２冷却ステージ１４をともに所望の温度範囲とするには例えば、冷凍能力に余裕がある冷凍機を使用し第１冷却ステージ１３及び第２冷却ステージ１４をそれぞれヒータで加熱することで温度を調整することも可能である。しかし、これは過度に冷却したうえでヒータで加熱していることになり、省エネルギー性に劣る。これに対して本実施形態によれば、シリンダ長さを調整することによりヒータを使用することなく第１冷却ステージ１３及び第２冷却ステージ１４をともに所望の温度範囲とすることができるので、省エネルギー性に優れるクライオポンプが提供される。

冷凍機カバー７０としての第２スリーブ８２は、第２冷却ステージ１４から第１冷却ステージ１３に向けて放射シールド４０を貫通して延びている。第２スリーブ８２と放射シールド４０との間には幅Ｄのクリアランスが設けられている。第２スリーブ８２は、円筒状に形成されており、第２シリンダ１２のほぼ全体を包囲している。第２スリーブ８２は、放射シールド４０の冷凍機挿通孔４３から放射シールド４０の外部に長さｈだけ延びている。第２スリーブ８２は、第１冷却ステージ１３の手前まで延びており、第１冷却ステージ１３との間に間隙を有しており、第１冷却ステージ１３とは非接触である。例えば、クライオポンプ外部から見て第２スリーブ８２の末端が見えないように第２スリーブ８２の長さを定めることが望ましい。

また、第２スリーブ８２の半径は、第１スリーブ８０の半径よりも長さＤだけ短い。このため、第２スリーブ８２の第１冷却ステージ１３側の端部には、第１スリーブ８０の内部に、長さがｈで径がＤの円環状の霜収容空間８４が形成されている。長さｈは長さＤ以上に設定されることが好ましい。例えば長さｈは長さＤの４倍以上としてもよい。このように長さｈを比較的長くすることにより、氷層を第１冷却ステージ１３に接触しにくくすることができる。

霜収容空間８４は、第２スリーブ８２に堆積した氷層が、クライオポンプ１００の気体吸蔵量が最大吸蔵量に達するまでに第１冷却温度に冷却されている部位に接触しないように大きさが設定されている。すなわち、第２スリーブ８２に堆積した氷層が放射シールド４０、第１スリーブ８０、及び第１冷却ステージ１３に接触しないように大きさが設定されている。霜収容空間８４は、放射シールド４０の内面に形成された凹みである。よって、クライオポンプ１００の吸気口３４から霜収容空間８４へは気体分子が到達しにくい。このように、霜収容空間８４を吸気口３４から見て凹みとなるように形成することにより霜収容空間８４に進入する気体分子が抑制され、霜収容空間８４での氷層の堆積速度は緩やかとなる。よって、氷層が第１冷却温度部位に接触するまでの時間を長く取ることができ、クライオポンプ１００の排気運転を長時間継続することができる。

最大吸蔵量は例えば、クライオポンプ容器３０の内部において所望の真空度を実現する最大の気体吸蔵量である。また、最大吸蔵量は例えば、低温クライオパネル６０に堆積した氷層表面における気体蒸気圧が所望の真空度に等しくなったときの気体吸蔵量である。ここで、所望の真空度は、クライオポンプ１００への気体流入が停止されてから所定時間内に到達すべき圧力として設定されているリカバリ圧力であってもよい。

図４は、排気運転中のクライオポンプ１００を模式的に示す図である。図４に示されるように、クライオポンプ１００の低温クライオパネル６０には凝縮した気体からなる氷層が堆積している。クライオポンプ１０の排気対象容積が例えばスパッタ装置の真空チャンバである場合には、この氷層の主成分は例えばアルゴンである。この氷層は排気運転時間とともに成長して厚みが増していく。そうして、氷層の厚さ方向に生じる温度勾配によって氷層表面における蒸気圧がリカバリ圧力を超えるまで排気運転を継続することができる。

本実施形態によれば、図示されるように、霜収容空間８４にも氷層を収容することができるので、クライオポンプ１００の気体吸蔵量を大きくすることができる。また、霜収容空間８４は、クライオポンプ１００の最大吸蔵量に達するまで氷層が放射シールド４０または第１冷却ステージ１３に接触しないように設定されているので、搭載された低温クライオパネル６０について原理的に享受しうる最大の吸蔵量を実現することができる。更に、放射シールド４０と第１冷却ステージ１３との間にオフセットをとることにより第２シリンダ１２を長くすることができるので、低温クライオパネル６０をより低温に冷却することができる。これもクライオポンプ１００の吸蔵量の増大に寄与する。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。

例えば、放射シールド４０と第１スリーブ８０とは別体の部材として形成されているが、これに限られない。放射シールド４０と伝熱部材とは一体に形成されてもよい。この場合、放射シールド４０の側面から放射シールド４０の外部に向けて冷凍機５０に沿って延び、第１冷却ステージ１３に取り付けられる伝熱部を放射シールド４０が備えてもよい。

また、伝熱部材としての第１スリーブ８０は円筒形状を有しているが、放射シールド４０と第１冷却ステージ１３とを熱的に接続する構造であればいかなる形状であってもよい。例えば、放射シールド４０の冷凍機挿通孔４３から外向きに離れるにつれて第１スリーブ８０の径が小さくなる円すい台側面の形状を伝熱部材が有していてもよい。このようにすれば、冷凍機挿通孔４３の近傍では霜収容空間８４を比較的広くすることができるので、放射シールド４０または第１スリーブ８０への氷層の接触をしにくくすることができる。また、伝熱部材は放射シールド４０の内部へと突出していてもよい。

冷凍機カバー７０及び第２スリーブ８２は、第２シリンダ１２の全体を必ずしも覆わなくてもよい。第２シリンダ１２の表面のうち例えば、排気すべき気体の沸点を含む温度範囲で温度が変動する部位（例えば第２スリーブ８２の中央部）を少なくとも冷凍機カバー７０及び第２スリーブ８２が覆うように冷凍機カバー７０及び第２スリーブ８２の形状が定められていてもよい。このようにすれば、冷凍機カバー７０に覆われていない第２シリンダ１２の表面は、排気すべき気体沸点よりも常に相当低温であるか相当高温であるかのいずれかとなる。よって、第２シリンダ１２の表面に堆積した氷層が圧力不安定を引き起こすことがないようにすることができる。

また、冷凍機カバー７０及び第２スリーブ８２は、クライオポンプ１００の吸気口から見て露出されている第２シリンダ１２の表面を遮蔽するように形状が定められていてもよい。このようにすれば、冷凍機カバー７０によって、クライオポンプ１００の吸気口から進入する気体分子が第２シリンダ１２の表面に直接到達することを避けることができる。よって、第２シリンダ１２の表面への氷層の堆積を低減することができる。

冷凍機カバー７０及び第２スリーブ８２の長さは、末端部における温度が排気すべき気体の沸点よりも低温となるように定めることが好ましい。冷凍機カバー７０の表面においてはある程度の温度勾配が生じ、第２冷却ステージ１４から離れるにつれて温度が高くなり得る。よって、このように末端での温度が充分に低温になるように長さを定めれば、冷凍機カバー７０の全体を排気すべき気体の沸点よりも低温に維持して気体を凝縮することができる。または、冷凍機カバー７０及び第２スリーブ８２の末端部における温度が排気すべき気体の沸点よりも低温となるように冷凍機５０が調整されていてもよい。

冷凍機カバー７０及び第２スリーブ８２は、冷凍機５０の第２冷却ステージ１４と等しい温度に冷却されなくてもよい。例えば、冷凍機カバー７０は、冷凍機５０の第２シリンダ１２に熱的に接続されていてもよい。この場合、冷凍機カバー７０が接続される第２シリンダ１２の部位は、排気すべき気体が固体状態を維持する温度を有する部位から選択されることが好ましい。

クライオポンプの一実施例を模式的に示す図である。 排気運転中のクライオポンプを模式的に示す図である。 本発明の一実施形態に係るクライオポンプを模式的に示す図である。 排気運転中のクライオポンプを模式的に示す図である。

符号の説明

１０ クライオポンプ、 １１ 第１シリンダ、 １２ 第２シリンダ、 １３ 第１冷却ステージ、 １４ 第２冷却ステージ、 ２０ 制御部、 ３０ クライオポンプ容器、 ４０ 放射シールド、 ４３ 冷凍機挿通孔、 ５０ 冷凍機、 ６０ 低温クライオパネル、 ７０ 冷凍機カバー、 ８０ 第１スリーブ、 ８２ 第２スリーブ。

Claims (7)

1. 第１冷却ステージと、第１冷却ステージよりも低温に冷却される第２冷却ステージと、を備える冷凍機と、
   側面に開口が形成され、前記第１冷却ステージが外部に配置されかつ前記第２冷却ステージが内部に配置されるように前記開口に前記冷凍機が挿通されており、前記第１冷却ステージに熱的に接続されている放射シールドと、
   前記第２冷却ステージに熱的に接続され、前記放射シールドの内部から外部へと前記開口を通じて延び、前記開口において前記放射シールドとの間に間隙を有して配置されている冷凍機カバーと、を備えることを特徴とするクライオポンプ。
2. 前記冷凍機は、前記第１冷却ステージが前記開口から外向きにオフセットを有して前記放射シールドの外部に配置されており、
   前記冷凍機カバーは、前記開口から前記放射シールドの外部へと前記オフセットより短い長さだけ突き出して延びる末端部を有することを特徴とする請求項１に記載のクライオポンプ。
3. 前記放射シールドと前記冷凍機カバーとの間隙及び前記冷凍機カバーが前記開口から突き出して延びる長さは、クライオポンプの最大吸蔵量に達するまでに気体の凝縮により前記冷凍機カバーに堆積する氷層が前記放射シールド及び前記第１冷却ステージに接触しないように大きさが設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載のクライオポンプ。
4. 前記第２冷却ステージに熱的に接続されているクライオパネルをさらに備え、
   前記放射シールドと前記冷凍機カバーとの間隙及び前記冷凍機カバーが前記開口から突き出して延びる長さは、クライオポンプへの気体流入が停止されてから所定時間内に到達すべき圧力として設定されているリカバリ圧力よりも気体の凝縮により前記クライオパネルに堆積した氷層の表面における気体蒸気圧が高圧となるまで前記冷凍機カバー上の氷層が前記放射シールド及び前記第１冷却ステージに接触しないように大きさが設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載のクライオポンプ。
5. 前記冷凍機カバーは、前記冷凍機カバーが前記開口から突き出して延びる長さが前記放射シールドと前記冷凍機カバーとの間隙以上に設定されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のクライオポンプ。
6. 前記冷凍機カバーの末端部を包囲し、前記第１冷却ステージと前記放射シールドとを接続する伝熱部材をさらに備えることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のクライオポンプ。
7. 開口が形成されている筒状側面を有する放射シールドと、
   第１の温度に冷却され、前記放射シールドに熱的に接続される第１冷却ステージと、第１の温度よりも低温である第２の温度に冷却される第２冷却ステージと、第１冷却ステージと第２冷却ステージとを接続し、第１の温度から第２の温度へと向かう温度分布を表面に有する接続部材と、を備え、前記第２冷却ステージが前記放射シールドの内部に配置されるように前記開口に挿通されている冷凍機と、
   前記第２冷却ステージに熱的に接続され、前記接続部材の表面に沿って前記第１冷却ステージに向けて延びる冷凍機カバーと、
   前記冷凍機カバーに堆積する氷層を前記放射シールドとの干渉を避けて収容する空間を、前記第１冷却ステージに近接する冷凍機カバーの端部との間に画定し、前記接続部材及び前記冷凍機カバーの前記第１冷却ステージに近接する端部を包囲するよう前記放射シールドから突出する伝熱部材を含む干渉抑制構造と、を備えることを特徴とするクライオポンプ。

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