JP5307785B2 - 真空排気システム - Google Patents

Description

本発明は、真空排気システムに関するものである。

半導体や電子部品等の製造工程において使用される真空排気ポンプでは、オイルフリーで且つ超高真空状態が得られる為、低温を利用する真空排気ポンプが多く使用されている。

このような低温を利用する真空排気ポンプとしては、超高真空が実現可能な二段の冷却ステージを有するクライオポンプ、一段の冷却ステージを有するクライオトラップ等がある。

これら低温を利用する真空排気ポンプの多くは、圧縮機で作られる高圧ガスが断熱膨張する際得られる低温を利用してガスを凝縮又は吸着排気するものである。近年、上述の良好な特性の為に、低温を利用する真空排気システムが多用されるようになった。そして最近では、コストや消費エネルギーの削減において有利な共通の圧縮機で複数の真空排気ポンプの運転をするいわゆるマルチ運転による真空排気システムも用いられるようになった（特許文献１など）。

特許文献１には、複数のクライオポンプを一台の圧縮機で運転する真空排気システムが記載されている。特許文献１では、圧縮機と複数のクライオポンプとの間に、圧縮機からのヘリウムガスを分岐し、分岐ごとにヘリウム供給圧を調整するガス分配装置を介在させて、圧縮機は複数のクライオポンプの必要とする最大値以上の供給圧でヘリウムを供給することが開示されている。

特許文献２には、第一冷却ステージの温度に基づき、冷凍機内で高圧状態と低圧状態が単位時間当たりに繰り返される回数がフィードバック制御され、第一冷却ステージの温度を一定範囲に維持で出来るクライオポンプが開示されている。

更に、特許文献２では、複数台のクライオポンプを一台の圧縮機で動作する場合において、圧縮機のサイクルタイムを制御することにより、高圧配管内と低圧配管内のガスの圧力差を一定に維持する発明が開示されている。

特開平４−２０９９７９号公報（図１等） 特開２００４−３７９２号公報（図１、図２等）

しかしながら、特許文献１に記載された複数のクライオポンプを一台の圧縮機で動作する場合、複数の真空排気ポンプいずれかが必要とする圧力の最大値以上の圧力のヘリウムを予め圧縮機で生成していた。高圧のヘリウムは、圧縮機によってつくられるが、低温ステージを有する真空排気ポンプについては、その消費エネルギーの大半は高圧のヘリウムを作るために使用されている。従って、真空排気システム全体として消費エネルギーを低減させる為には、生成する高圧のヘリウムの圧力及び生成量を低減する必要がある。

しかし、特許文献１に記載された発明においては、必要以上の高圧ヘリウムを予め生成する必要がある為、エネルギー消費の観点から問題があった。

エネルギー消費の問題について、図１０を使用して具体的に説明する。図１０は、４台のクライオポンプを一台の圧縮機で動作させた場合の、圧縮機と各クライオポンプを繋ぐ高圧配管内と低圧配管内のヘリウムの圧力差と消費電力との関係を示したグラフである。ここで、実験を通して熱負荷は一定に保ってある。

熱負荷が一定の場合には、冷凍能力は、冷凍機の作動周波数と、高圧配管内と低圧配管内のガスの圧力差との積に比例する。ここで、冷凍機の作動周波数とは冷凍機内で高圧状態と低圧状態が単位時間当たりに繰り返される回数のことをいう。従って、図１０の場合には、冷凍能力を考慮すると、高圧配管内と低圧配管内とのガスの圧力差が増大するに伴い、冷凍機の作動周波数自体は減少することとなる。

ここで、冷凍機の作動周波数が増大すると、冷凍機自体の消費エネルギーは増大するかもしれないが、冷凍機の消費エネルギーはせいぜい百Ｗであるので、４台でもせいぜいで４百Ｗである。一方、図１０において、高圧配管内と低圧配管内とのガスの圧力差を１．２ＭＰａから１．６ＭＰａに増大させると、消費エネルギーは約３５００Ｗから約４９００Ｗに増大している。

従って、同一の熱負荷の対象を、高圧配管内と低圧配管内とのガスの圧力差を１．２ＭＰａと１．６ＭＰａとしてクライオポンプで排気したとする。すると、圧力差１．２ＭＰａで排気した場合には、圧力差１．６ＭＰａで排気した場合より少なくとも差し引き１０００Ｗ以上低消費エネルギーで排気出来ることとなる。

一方、再生運転時には、昇温の際の発熱量を大きくすることが求められる。これは、真空を利用してプロセスを行う装置のダウンタイムを短くするためである。冷凍機は運転の仕方を変えることにより、冷凍機に発熱機能を持たせることが出来る。再生運転とは、発熱機能を持たせた冷凍機の発熱運転によりステージ等の冷却部の温度を昇温し、凝縮又は吸着している物質を気化させ、ステージ等の冷却部より取り除く運転をいう。

しかし、従来、再生運転をしている以外の真空排気ポンプの真空排気運転を維持しつつ、再生運転状態の真空排気ポンプを真空排気運転の状態に迅速に至らせる真空排気ポンプシステムの構成や運転方法はなかった。

特許文献２に記載の発明においては、複数のクライオポンプの第一冷却ステージの温度を一定範囲に維持する発明が開示されているが、その際には高圧配管内と低圧配管内のガスの圧力差は一定に維持されていた。しかしながら、高圧配管内と低圧配管内のガスの圧力差は一定に維持するだけでは、再生運転をしている以外の真空排気ポンプの真空排気運転を維持しつつ、再生運転の時間を短縮する観点から問題があった。

上記の課題を鑑み、本発明は、冷却ステージ部を有する複数の真空排気ポンプが圧縮機に繋がれて動作する真空排気システムにおいて、エネルギー消費の少ない真空排気技術の提供を目的とする。

あるいは、本発明は、起動運転及び再生運転している冷凍機を真空排気運転時の運転の状態に迅速に復帰させることが可能な真空排気技術の提供を目的とする。

本発明の一つの側面に係わる真空排気システムは、第一冷却ステージ部を含み、前記第一冷却ステージ部を冷却する冷凍機と、前記第一冷却ステージ部の温度を測定する第一温度センサとを有し、冷却を行う通常運転時において、前記第一温度センサの測定した温度が所定の温度範囲より高いときは前記冷凍機内で高圧状態と低圧状態が単位時間内に繰り返される回数を増大させ、前記第一温度センサの測定した温度が前記所定の温度範囲より低いときは前記回数を減少させ、前記第一温度センサの測定した温度が前記所定の温度範囲内のときは前記回数を所定の範囲内に維持する複数の真空排気ポンプと、
前記複数の真空排気ポンプに繋がれた圧縮機と、
前記圧縮機から共通の圧力の高圧のガスが前記複数の真空排気ポンプの冷凍機に供給される流路である高圧配管と、
前記複数の真空排気ポンプの冷凍機から低圧のガスが前記圧縮機に還流する流路である低圧配管と、
前記回数に応じて、前記高圧配管の内圧と前記低圧配管の内圧との圧力差を変化させることが出来る制御手段と、を備え、
全ての真空排気ポンプが前記通常運転を行い、且つ、前記全ての真空排気ポンプの前記回数が前記所定の範囲内であるとき、前記複数の真空排気ポンプのうち少なくとも１台は、
前記回数が前記所定の範囲内に収まる範囲で、前記圧縮機で生成される前記高圧配管内と前記低圧配管内とのガスの圧力差を減少させるように動作することを特徴とする。

本発明によれば、冷却ステージ部を有する複数の真空排気ポンプが圧縮機に繋がれて動作する真空排気システムにおいて、エネルギー消費の少ない真空排気技術の提供が可能になる。

あるいは、本発明によれば、起動運転及び再生運転している冷凍機を真空排気運転時の運転の状態に迅速に復帰させることが可能になる。

あるいは、本発明によれば、加熱手段を作動させて加熱熱量を引き上げると、冷凍機の駆動電源周波数が引き上げられ、これによって第二冷却ステージの冷凍能力を高めることができる。逆に加熱手段の加熱熱量を引き下げると、冷凍機の駆動電源周波数が引き下げられ、これによって第二冷却ステージの冷凍能力を低下させることができる。従って、本発明によれば、第二冷却ステージの冷凍能力を調整することができる。

あるいは、本発明によれば、検出した第二冷却ステージの温度が目標温度範囲の最大値より高いときに加熱手段を作動させて加熱熱量を引き上げる。すると、第一冷却ステージの温度を維持すべくフィードバック制御がかかり、冷凍機の駆動電源周波数が引き上げられ、これに伴って第二冷却ステージの冷凍能力が高まる。従って、第一冷却ステージの温度を大きく変動させることなく、第二冷却ステージの温度を目標温度範囲内まで引き下げることができる。

あるいは、本発明によれば、検出した第二冷却ステージの温度が目標温度範囲の最小値より低い時に加熱手段の加熱熱量を引き下げる。すると、第一冷却ステージの温度を維持すべくフィードバック制御が掛かり、冷凍機の駆動電源周波数が引き下げられるので、これに伴って第二冷却ステージの冷凍能力が低下する。従って、第一冷却ステージの温度を大きく変動させることなく、第二冷却ステージの温度を目標温度範囲内まで引き上げ、かつヘリウムガス消費量減らすことができる。

本発明のその他の特徴及び利点は、添付図面を参照とした以下の説明により明らかになるであろう。なお、添付図面においては、同じ若しくは同様の構成には、同じ参照番号を付す。

添付図面は明細書に含まれ、その一部を構成し、本発明の実施の形態を示し、その記述と共に本発明の原理を説明するために用いられる。
本実施形態の真空排気システムで使用する真空排気ポンプの一例を示す構成図。 第二冷却ステージの温度調整シーケンスを示すフローチャート。 複数台のクライオトラップを一台の圧縮機で運転する真空排気システムの模式図。 クライオトラップの構成を示す構成図。 第一の実施例の真空排気システムに係わる運転シーケンスを示すフローチャート。 高圧配管内と低圧配管内に係わる圧力差の変化のさせる方法を説明する図。 起動運転時又は再生運転時の運転シーケンスを示すフローチャート。 複数台のクライオポンプを一台の圧縮機で運転する真空排気システムの模式図。 クライオポンプ及びクライオトラップが混在した真空排気システムを一台の圧縮機で運転する真空排気システムの模式図。 ４台のクライオポンプを同一熱負荷で動作させた場合の、圧力差と圧縮機の消費エネルギーとの関係を示す図。 クライオポンプの構成を示す断面図。 本発明に係わる真空排気システムを使用した基板処理装置の構成例を示す図。 本発明に係わる基板処理装置を使用して製造される電子デバイスを例示する図。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。まず、本実施形態の真空排気システムで使用する、冷却ステージを有する真空排気ポンプについて説明する。真空排気ポンプの一例としてのクライオポンプの原理について説明する。

クライオポンプを用いた真空排気システムは、極低温を発生させる冷凍機を搭載したクライオポンプと、その冷凍機に圧縮したヘリウム等のガスを供給する圧縮機とを備えている。圧縮機から高圧のガスを冷凍機に供給し、この高圧のガスを冷凍機内の蓄冷器で予め冷却してから膨張室に充填後、膨張させて低温を発生させ周囲を冷却し、さらに蓄冷器を冷却した後、低圧となったガスを圧縮機に戻すサイクルを繰り返す。この冷凍サイクルにより得られる極低温により気体を凝縮又は吸着させることで真空排気を行っている。

冷凍機の構成は、例えば特開平７−３５０７０公報の図９に示されている。図１１は前記公報の図９に開示された、冷凍機の構成を示す図である。図１１は、ポンプ容器内に配置される冷凍機のシリンダの内部構造と、高圧側バルブおよび低圧側バルブを示す。円筒型シリンダ７１の中にスライド状態で往復運動するディスプレーサ７２が配置される。ディスプレーサ７２とシリンダ７１の間にはリング形状のシール部材７３，７４が設けられる。シリンダ７１とディスプレーサ７２の形状について、図中下部の径が小さくなっており、２段構造となっている。シリンダ７１の径の大きい方の一方の端面には冷却ステージ７０１が接続されている。また、シリンダ７１の径の小さい方の端面には冷却ステージ７０２が接続されている。シリンダ７１の径の大きい方の、軸方向の他の端面は板部材８６が接続されている。ディスプレーサ７２の内部には、例えば２つの蓄冷器７５，７６が設けられる。蓄冷器７５，７６は基本的にガスを通過させる構造を有し、その構造は既知であるので詳細な説明を省略する。ディスプレーサ７２の移動状態に応じて、例えば破線７７のごとくガスが流れる。破線７７で示されたガスの流れでは、流れが生じる可能性のあるすべての方向が矢印で示されている。実際には、図中、上から下、または下から上へのいずれか一つの方向の流れが、作動条件に応じて発生する。ディスプレーサ７２の往復運動において、図１１中シリンダ７１の上端に移動したときが上死点の位置であり、下端に移動したときが下死点の位置である。

ディスプレーサ７２の上面部には連結棒７８が結合され、連結棒７８はシリンダ７１の外部に延び、クランク機構（図示せず）を介してモータ（図示せず）の回転駆動軸に結合される。連結棒７８とシリンダ７１との間にはシール部材７９が設けられる。モータが或る方向に回転すると、連結棒７８は、クランク機構の作用でモータの回転に応じた往復運動８０を行う。従って、連結棒７８に結合されたディスプレーサ７２も連動してシリンダ７１内で往復運動を行う。ディスプレーサ７２の往復運動によって、シリンダ７１内には、ディスプレーサ７２で区画される３つの空間（区画室）Ｕ，Ｌ_１，Ｌ_２が形成される。空間Ｕは、図１１において、シリンダ７１の上側に形成される空間であり、空間Ｌ_１，Ｌ_２はシリンダ７１の下側に形成される空間である。

シリンダ７１の上端部には低圧ガス室８１との接続を可能にする低圧側バルブ８２と、高圧ガス室８３との接続を可能にする高圧側バルブ８４が設けられる。低圧側バルブ８２の開閉動作は指令信号８５によって制御され、高圧側バルブ８４の開閉動作は指令信号８７によって制御される。

図１１中に示されるガスの流れ７７において、ガスの流れる方向は、前述の通りその時の条件で決まる一つの方向であり、その条件は、ディスプレーサ７２の移動方向と、低圧側バルブ８２と高圧側バルブ８４の開閉動作の状態とで与えられる。

冷凍機の基本的な冷却サイクルを説明する。

工程（１）：ディスプレーサ７２が上死点に位置する時に低圧側バルブ８２のみを開いて空間Ｌ_１、Ｌ_２に溜まった高圧ガスを膨脹させ、寒冷を発生させる。この膨脹によって空間Ｌ_１,Ｌ_２の周囲（冷却ステージ）を冷却し、かつガスの移動によって蓄冷器７５，７６を冷却する。

工程（２）：上死点から下死点にディスプレーサ７２が移動する、この間に空間Ｌ_１、Ｌ_２に留まっていた低温のガスも蓄冷器７５、７６を通過し寒冷が蓄冷器７５、７６に蓄積される。ディスプレーサ７２が下死点に存在する時に低圧側バルブ８２を閉じる。

工程（３）：高圧側バルブ８４を開くと、空間Ｕに高圧ガスが入って来る為、もともとそこに存在したガスは断熱圧縮されるが、併せてディスプレーサ７２が上方に移動するので、高圧ガスはディスプレーサ７２内の蓄冷器７５、７６を通過する時に冷却され、空間Ｌ_１、Ｌ_２に移動する。

工程（４）：ディスプレーサ７２が上死点に到達し、高圧側バルブ８４が閉じられる。

工程（５）：次に低圧側バルブ８２が開かれる。この工程は、実際は前述の工程（１）であり、こうして最初の工程（１）に戻る。

上記のごとく、工程（１）〜（４）を繰り返すことにより冷却が行われる。上記のサイクルが基本的な冷却サイクルである。上記の基本的な冷却サイクルでは、ディスプレーサ７２が上死点の位置にある時に高圧側バルブ８４を閉じて低圧側バルブ８２を開き、ディスプレーサ７２が下死点の位置にある時に低圧側バルブ８２を閉じて高圧側バルブ８４を開くように、各バルブの開閉動作が制御される。従って、ディスプレーサ７２が上死点または下死点に達したときに、各バルブの開閉タイミングが制御され、ガスの流れの方向が逆転される。

図１は、本実施形態の真空排気システムで使用する真空排気ポンプの一例を示す構成図である。具体的には、図１に示す真空排気ポンプは、二段の冷却ステージを有する冷凍機を搭載したクライオポンプである。図１において、１はクライオポンプ本体、２は二段式冷凍機、３は圧縮機、４は冷凍機駆動電源、５は冷凍機駆動電源４に内蔵されているインバータである。

クライオポンプ１に設けられている二段式冷凍機２は、第一冷却ステージ６と、第一冷却ステージ６より低い温度に維持される第二冷却ステージ７とを備えている。第二冷却ステージ７には、第二冷却ステージ７によって極低温に冷却されるクライオパネル８が接続されている。また、第一冷却ステージ６には、第一冷却ステージ６によって極低温に冷却される輻射シールド９が接続されている。輻射シールド９は、第二冷却ステージ７及びクライオパネル８を囲むように構成されている。輻射シールド９の上部開口部には、輻射シールド９を介して第一冷却ステージ６によって極低温に冷却されるルーバ１０が設けられている。更に、輻射シールド９の外側を囲んで、ケーシング１１が設けられている。

二段式冷凍機２の第一冷却ステージ６には、第一冷却ステージ６を加熱するための加熱手段である電気ヒータ１２と、第一冷却ステージ６の温度を測定する温度センサ（第一温度センサ）１３が設けられている。また、第二冷却ステージ７には、第二冷却ステージの温度を測定するための温度センサ（第二温度センサ）１４が設けられている。

二段式冷凍機２は、高圧のヘリウム等のガスが圧縮機３から冷凍機２に供給される流路である高圧配管１５ａと、低圧のヘリウム等のガスが冷凍機２から圧縮機３に還流する流路である低圧配管１５ｂとで、圧縮機３に接続されている。圧縮機３で圧縮された高圧のガスは、高圧配管１５ａを通って二段式冷凍機２に供給される。そして、高圧のガスは、第一膨張室と第二膨張室（いずれも図示されていない）で断熱膨張し、第一冷却ステージ６及び第二冷却ステージ７を冷却した後、低圧配管１５ｂを通って圧縮機３に還流される。

二段式冷凍機２は、冷凍機駆動電源４に接続されている。二段式冷凍機２内では、圧縮機３から供給された高圧のガスが断熱膨張することにより低温状態が得られる。冷凍能力は単位時間内に断熱膨張を繰り返す回数、即ち冷凍機内で高圧状態と低圧状態が単位時間当たりに繰り返される回数に比例する。以降、この繰り返し回数を冷凍機の「作動周波数」と記すこととする。本実施形態では、冷凍機駆動電源４に内蔵されているインバータ５によって二段式冷凍機２の作動周波数が制御されている。

第一温度センサ１３及び第二温度センサ１４は、それぞれ第一温度設定・制御器１６及び第二温度設定・制御器１７に接続されている。

第一温度設定・制御器１６には、第一冷却ステージ６の許容温度範囲が設定される。ここで、本明細書を通して、許容温度範囲とは第一冷却ステージ６が維持されるべき設定温度範囲のことをいう。具体的には、第一冷却ステージ６は、所定の温度範囲、例えば、５０Ｋから１２０Ｋ程度の温度範囲中に維持されることが求められる。第一冷却ステージ６の温度が低すぎると、本来、第一冷却ステージ６より低い温度に維持されている第二冷却ステージ７により凝縮排気されるべきアルゴン、酸素又は窒素等の大きな蒸気圧力を持つガスが第一冷却ステージ６に凝縮排気されてしまう。一方、第一冷却ステージ６の温度が高すぎると第一冷却ステージ６で本来凝縮排気すべきガスも排気できない。従って、第一冷却ステージ６は所定の温度範囲内に、即ち許容温度範囲内に維持されることが求められる。

図１に示す真空排気ポンプにおいては、第一温度設定・制御器１６は、第一温度センサ１３によって検出された温度と、設定された第一冷却ステージ６の許容温度範囲とに基づいて、冷凍機駆動電源４のインバータ５を制御する。つまり、第一温度センサ１３の出力に基づいて、第一冷却ステージ６の温度を一定値に保つよう二段式冷凍機２の作動周波数がフィードバック制御される。

また、第二温度設定・制御器１７には、第二冷却ステージ７の目標温度範囲が設定される。ここで、本明細書を通して、目標温度範囲とは第二冷却ステージ７が維持される温度範囲をいう。通常この目標温度範囲としては、ガスを凝縮又は吸着する能力を考慮すると第二冷却ステージ７の温度はある程度低い温度が必要であるが、一方エネルギー消費を低減する観点からは、必要以上に第二ステージを低温にする必要はない。

そこで、目標温度範囲は、例えば、１０から１２Ｋの温度範囲に設定する。第二温度設定・制御器１７は、第二温度センサ１４によって検出された温度と、設定された第二冷却ステージ７の目標温度範囲とに基づいて、加熱制御器１８に制御データを伝える。加熱制御器１８には、加熱電源１９が接続されており、更に加熱電源１９には電気ヒータ１２が接続されている。加熱制御器１８は、第二温度設定・制御器１７からの制御に従い、加熱電源１９から電気ヒータ１２へ供給される供給電力の調整を行い、加熱電源１９に接続された電気ヒータ１２の作動を制御する。

第一温度設定・制御器１６は、第一温度センサ１３で検出された第一冷却ステージ６の温度が、設定された許容温度範囲を維持するよう、冷凍機駆動電源４のインバータ５を制御して冷凍機２の作動周波数を制御する。具体的には、検出された第一冷却ステージ６の温度が許容温度範囲の上限温度より高い場合には、冷凍機の作動周波数を引き上げる。冷凍機の作動周波数を引き上げると、冷却サイクルが早まることによって冷却能力が高まり、その結果、第一冷却ステージ６の温度を下げることができる。また、検出された第一冷却ステージ６の温度が許容温度範囲の下限温度より低い場合には、冷凍機の作動周波数を引き下げる。冷凍機の作動周波数を引き下げると、冷却サイクルが遅くなって、冷却能力が低下して、その結果、第一冷却ステージ６の温度が上昇する。

一方、第二温度設定・制御器１７は、第二温度センサ１４で検出された第二冷却ステージ７の温度が、設定された目標温度又は目標温度範囲を維持するよう、制御データを加熱制御器１８へ伝える。加熱制御器１８は、この制御データに基づき、加熱電源１９からの供給電力を制御し、これにより電気ヒータ１２の作動を制御する。具体的には、検出した第二冷却ステージ７の温度が、目標温度範囲の最小値より低くなった時に電気ヒータ１２の出力を下げ、目標温度範囲の最大値より高くなった時に電気ヒータ１２の出力を上げる。上記第二温度設定・制御器１７による電気ヒータ１２の作動制御の一例を図２のフローチャートで説明する。

なお、図２のフローチャートにおいて、ｔは第二温度センサ１４で検出された第二冷却ステージ７の温度、Ｔｍａｘは第二温度設定・制御器１７に設定された第二冷却ステージ７の目標温度範囲の最大値である。また、Ｔｍｉｎは第二温度設定・制御器１７に設定された第二冷却ステージ７の目標温度範囲の最小値である。

まず、ステップＳ１１において、クライオポンプが起動し、第一冷却ステージ６の温度調節が開始される。その後、ステップＳ１２において、第二冷却ステージ７の温度調節も開始される。第二温度センサ１４で検出された第二冷却ステージ７の温度ｔが目標温度範囲内であるかどうかが監視される。

そして、ステップＳ１３において、第二温度センサ１４で検出された第二冷却ステージ７の温度ｔが目標温度範囲の最大値Ｔｍａｘより高くなったことが検知されると（ステップＳ１３のＹｅｓ）、第二温度設定・制御器１７から加熱制御器１８へ制御信号が出される。この制御信号を受けた加熱制御器１８は、加熱電源１９から電気ヒータ１２への供給電力を引き上げる。これにより電気ヒータ１２の出力が所定の作動周波数の範囲内で上昇する（ステップＳ１４）。第一冷却ステージ６への熱負荷が上昇すると、前述したように、第一温度設定・制御器１６により、二段式冷凍機２の作動周波数が引き上げられ、冷凍サイクルが早まる。その結果、第二冷却ステージ７の冷凍能力が高められ、第二冷却ステージ７の温度ｔが降下する。この間、第一冷却ステージ６の温度は、上述したよう第一冷却ステージの第一温度センサ１３の温度に基づいて二段式冷凍機２の作動周波数がフィードバック制御されているので、許容温度範囲内に維持される。

電気ヒータ１２の出力は、第二温度センサ１４で検出された第二冷却ステージ７の温度ｔが目標温度範囲の最大値Ｔｍａｘ以下となるまで、加熱電源１９による供給電力を段階的に引き上げられる。この電気ヒータ１２の加熱により、第二冷却ステージ７の温度ｔが目標温度範囲の最大値Ｔｍａｘ以下となったことが検知されると（ステップＳ１３のＮｏ）、今度はこれが目標温度範囲の最小値Ｔｍｉｎ以上であるかどうかが判定される（ステップＳ１５）。第二冷却ステージ７の温度ｔが目標温度範囲の最小値Ｔｍｉｎ以上である場合には第二冷却ステージ７の温度ｔが目標温度範囲内である。第二冷却ステージ７の温度ｔが目標温度範囲内であることが確認されると（ステップＳ１５のＮｏ）、処理はステップＳ１３に戻され、この時の電気ヒータ１２の出力が維持されると共に、第二冷却ステージ７の温度ｔが目標温度範囲内であるかどうかの監視が継続される。

一方、第二温度センサ１４で検出した第二冷却ステージ７の温度が目標温度範囲の最小値Ｔｍｉｎより低くなると（ステップＳ１５のＹｅｓ）、第二温度設定・制御器１７から加熱制御器１８へ制御信号が出力される。この制御信号を受けた加熱制御器１８は、加熱電源１９から電気ヒータ１２への供給電力を引き下げる（ステップＳ１６）。これにより電気ヒータ１２の出力が降下し、第一冷却ステージ６への熱負荷が降下すると、前述したように、第一温度設定・制御器１６により、二段式冷凍機２の作動周波数が引き下げられ、冷凍サイクルが遅くなる。その結果、第二冷却ステージ７の冷凍能力が低下され、第二冷却ステージ７の温度ｔが上昇する。

電気ヒータ１２の出力は、第二温度センサ１４で検出された第二冷却ステージ７の温度ｔが目標温度範囲の最小値Ｔｍｉｎ以上となるまで、もしくは電気ヒータ１２の出力がゼロになるまで加熱電源１９による供給電力を段階的に引き下げられる。この電気ヒータ１２の加熱を弱めることにより、第二冷却ステージ７の温度ｔが目標温度範囲の最小値Ｔｍｉｎ以上となったことが検知されると（ステップＳ１５のＮｏ）、これが目標温度範囲の最大値Ｔｍａｘ以下であるかどうかが識別される（ステップＳ１３）。第二冷却ステージ７の温度ｔが目標温度範囲の最大値Ｔｍａｘ以下である場合には第二冷却ステージ７の温度ｔが目標温度範囲内である。第二冷却ステージ７の温度ｔが目標温度範囲内であることが確認されると、この時の電気ヒータ１２の出力が維持されると共に、第二冷却ステージ７の温度ｔが目標温度範囲内であるかどうかの監視が継続されることになる。

上記のような構成を有しているので、その二段式冷凍機２の作動周波数が通常作動周波数の範囲内であるときには、第一冷却ステージ６の温度が許容温度範囲内にあり、且つ第二冷却ステージ７の温度が目標温度範囲内にあることを示している。ここで、一般に冷凍機の作動周波数は、通常上限と下限を持つ。冷凍機を駆動するモータの回転数には、上限は冷凍機を駆動するモータのパワーから、下限はモータが所要のトルクを発生する為には一定以上の回転数であることが必要であることなどから、モータが安定して駆動できる回転数には範囲がある。モータの回転数が上記のような上限及び下限をもつことより、冷凍機の作動周波数も上限及び下限を持つ。この上限と下限との範囲内の冷凍機の作動周波数を、本明細書を通して、「通常作動周波数」という。例えば、冷凍機の通常作動周波数としては、一分間当たり２０〜６０回を挙げることが出来る。即ち、二段式冷凍機２の作動周波数が通常作動周波数の範囲内にあるということは、何らかの変化たとえば熱負荷量の変化が生じたときに、それに応じて冷凍機の作動周波数がフィードバック制御されて正常運転を維持出来ることを示している。

上述の構成及び動作の説明は二段の冷却ステージを有する排気手段に運転についての説明であるが、一段の冷却ステージを有する真空排気ポンプの運転を以下に説明する。

一段の冷却ステージを有する真空排気ポンプにおいては、図１に示した二段の冷却ステージを有する真空排気ポンプにおいて必要とされる手段のうち、第二温度センサ１４、第二温度設定・制御器１７は不要である。この場合には、図１において第一温度設定・制御器１６と加熱制御器１８とが結線されている。図１に示した第一冷却ステージ６および第二冷却ステージ７は、は一段の冷却ステージとなるので、「冷却ステージ６」として以下説明する。

第一温度設定・制御器１６は、第一温度センサ１３で検出された冷却ステージ６の温度が、設定された許容温度範囲内にあるように、冷却ステージ６に取り付けられた第一温度センサ１３の出力に基づいて、冷凍機２の作動周波数がフィードバック制御される。そして、一段の冷却ステージ６の冷凍機の作動周波数を通常作動周波数の下限まで下げても第一段の冷却ステージ６の温度が許容温度範囲の下限温度以上にならないときには、第一温度設定・制御器１６に入力される第一温度センサ１３の温度に基づき、許容温度範囲内に入るまで加熱制御器１８が加熱電源１９を制御する。

具体的には、第一冷却ステージ６の温度が許容温度範囲の上限温度より高い場合には、冷凍機２の作動周波数を引き上げて、冷凍能力を増大させる。一方、検出された冷却ステージ６の温度が許容温度範囲の下限温度より低い場合には、冷凍機の作動周波数を引き下げて、冷凍能力を減少させる。その結果、冷却ステージ６の温度が上昇する。そして、一段の冷却ステージ６の冷凍機の作動周波数を通常作動周波数の下限まで下げても冷却ステージ６の温度が許容温度範囲の下限温度以上にならないときには、第一温度設定・制御器１６に入力される第一温度センサ１３の温度に基づき、許容温度範囲内に入るまで加熱制御器１８が加熱電源１９を制御する。従って、冷凍機の作動周波数が通常作動周波数の範囲内にあるときは、冷却ステージ６の温度は許容温度範囲内にあること、及び何らかの変化が生じたときにそれに応じて作動周波数がフィードバック制御されて正常運転を維持出来ることを示している。

以上説明したように、本実施形態の一段の冷却ステージ又は二段の冷却ステージを有する真空排気ポンプを用いた場合には、その冷凍機の作動周波数を確認するだけで、又はそれを通常作動周波数の範囲内に維持するよう制御しさえすれば、第一冷却ステージの温度が許容温度範囲内であり、第二冷却ステージを有する真空排気ポンプの場合には第二冷却ステージの温度が目標温度範囲内にあることになる。

従って、正常運転の維持は、冷凍機の作動周波数にのみに着目して行えば良い。

尚、以上の説明では、インバータ５、冷凍機駆動電源４、第一温度設定・制御器１６、第二温度設定・制御器１７、加熱制御器１８及び加熱電源１９は個別機器として説明した。しかし、これらを１台のユニット中に納めることも可能である。以下の説明では、このような機能を有する各コントローラのよって各真空排気ポンプが制御されているものとして説明する。または、各冷凍機が個々のコントローラで制御されるのではなく、全体が一台のコントローラによって制御されるようにすることも可能である。

図３は、本発明の第一の実施形態に関する真空排気システムの構成を例示する説明図である。図３に示す実施形態は、複数の一段の冷却ステージを有する真空排気ポンプが一台の圧縮機で運転される場合に係わるものである。

図３において、３は圧縮機、１５ａ及び１５ｂはそれぞれ高圧配管及び低圧配管である。３０ａ乃至３０ｄは一段の冷却ステージを有する真空排気ポンプ、３１ａ乃至３１ｄは、真空排気ポンプ３０ａ乃至３０ｄに対するコントローラである。また、３２及び３３はそれぞれ高圧配管用及び低圧配管用の圧力計である。３４は、例えばインバータよりなる周波数制御部である。周波数制御部３４は、圧力計３２からの圧力と圧力計３３からの圧力との差を求め、圧縮機３の駆動周波数を制御する、また、３５は各真空排気ポンプのコントローラ３１ａ乃至３１ｄを統括制御するコントローラである。３７ａ乃至３７ｄは一段式冷凍機である。コントローラ３５及び周波数制御部３４は制御手段として機能する。

コントローラ３１ａ乃至３１ｄは、図１で説明した第一温度設定・制御器１６、冷凍機駆動電源、インバータ、加熱制御器１８及び加熱電源１９の機能を有する。ここで、３０ａ乃至３０ｄは一段の冷却ステージを有する真空排気ポンプであり、ここではクライオトラップを使用している。

図４は図３の真空排気ポンプの構成を示す構成図であり、図３の一点鎖線で囲まれた真空排気ポンプ（クライオトップ）３０ａに対応する図である。

図４に示すように、真空排気ポンプ３０ａは、冷却ステージ４０６、冷却パネル４０８、温度センサ４１３、電気ヒータ４１２、一段式冷凍機３７ａ、高圧配管１５ａ、低圧配管１５ｂを備えている。温度センサ４１３、電気ヒータ４１２はコントローラ３１ａへ接続され、高圧配管１５ａ、低圧配管１５ｂは圧縮機３へ接続される。

図３の真空排気システムの制御の流れを図５のフローチャートの参照により説明する。

各コントローラ３１ａ乃至３１ｄは、各真空排気ポンプ（クライオトラップ）３０ａ乃至３０ｄの一段式冷凍機３７ａ乃至３７ｄの作動周波数を監視している。各コントローラ３１ａ乃至３１ｄは、クライオトラップの冷凍機３７ａ乃至３７ｄの作動周波数をコントローラ３５に出力する（ステップＳ２１）。コントローラ３５は、全てのクライオトラップの冷凍機３７ａ乃至３７ｄの作動周波数のデータを取得する（ステップＳ２２）。そして、コントローラ３５は、全てのクライオトラップの冷凍機３７ａ乃至３７ｄの作動周波数が冷却機の通常作動周波数の範囲内に納まっているかを判断する（ステップＳ２３）。そして、コントローラ３５は、全ての冷凍機の作動周波数が通常作動周波数の範囲内に納まっていないとき（ステップＳ２３のＮｏ）は、その旨を伝えるべく例えばアラーム等を発報する。

一方、全ての冷凍機の作動周波数が通常作動周波数の範囲内にある場合（ステップＳ２３のＹｅｓ）、コントローラ３５は、高圧配管内と低圧配管内のガスの圧力差を下げる余地があるか否かを判断する（ステップＳ２４）。圧力差を下げる余地がある場合（ステップＳ２４のＹｅｓ）、コントローラ３５は、圧力差を減少させ（ステップＳ２５）、ステップＳ２２へ戻る。圧力差を下げる余地がない場合（ステップＳ２４のＮｏ）、コントローラ３５は、次回の冷凍機の作動周波数のデータを取得する（ステップＳ２６）。

冷凍機３７ａ乃至３７ｄの冷凍能力は、冷凍機の作動周波数と、高圧配管内と低圧配管内のガスの圧力差の積に比例する。本実施形態においては、一段の冷却ステージを有する真空排気ポンプとしてはクライオトラップを使用している。そして、図１０にあるように一定の冷却能力を、真空排気システム全体としてエネルギー消費を少なく確保する為には、冷凍機の作動周波数を上昇可能な範囲で上げて、高圧配管内と低圧配管内のガスの圧力差を可能な限り小さくすると良い。

また、圧縮機の性能より、高圧配管内と低圧配管内のガスの圧力差にも上限と下限がある。以下の説明では、上限を１．８ＭＰａ（約１８気圧）、下限を１．１ＭＰａ（約１１気圧）として説明する。その際、中心圧力差は１．４ＭＰａとする。

繰り返しになるが、真空排気システム全体としてエネルギー消費を少なくする為には、高圧配管と低圧配管内のガスの圧力差を可能な限り小さくすると良い。高圧配管と低圧配管の圧力差を小さくすると、冷凍機の作動周波数を上げることとなる。本実施形態においては、この規範に基づき高圧配管内と低圧配管内とのガスの圧力差を制御する。

上記の制御法について、図５及び図６を用いて具体的に説明する。図６は、高圧配管内と低圧配管内のガスの圧力差を低くする方法を説明するための特性図である。

本方法においては、０．０５ＭＰａずつ高圧配管１５ａ内と低圧配管内のヘリウムの圧力差を冷凍機３７ａ乃至３７ｄの作動周波数が通常作動周波数の範囲内である限り低めてゆく。図６において、Ａ１乃至Ａ３は、高圧配管内と低圧配管内とのヘリウムの圧力差が１．２Ｍｐａ、１．２５ＭＰａ及び１．３０ＭＰａのときの、冷凍機の作動周波数の最大値を示している。一方、Ｂ１乃至Ｂ３はＡ１乃至Ａ３よりそれぞれ０．０５ＭＰａ高圧配管内と低圧配管内とのヘリウムの圧力差を下げたときの、冷凍機の作動周波数の最大値を示している。

Ａ１乃至Ａ３の３つのデータより、最小二乗法により３点を補完した直線 Ａを求める。そして、外挿して更に０．０５ＭＰａ圧力差を減少させても、冷凍機の作動周波数の最大値が許容作動周波数の上限、例えば１分間当たり６０回を越えないか否かを確認する。

図６においては、０．０５ＭＰａ差圧を減少させても１分間当たり６０回を超えないと判断されるので、圧力差を０．０５ＭＰａ減少させる。

その後、制御は図５のフローチャート上のＲ点に戻る。０．０５ＭＰａ圧力差を減少させたときに得られるデータが図６のＢ１乃至Ｂ３である（図５のステップＳ２２）。それらが、冷凍機の常用作動周波数内にあることを確認する（ステップＳ２３）。

その後、Ｂ１乃至Ｂ３の冷凍機の作動周波数の最大値を補完する直線Ｂを求める。この直線Ｂより、更に０．０５ＭＰａ高圧配管内と低圧配管内とのヘリウムの差圧差を更に０．０５ＭＰａ減少させると、許容作動周波数である１分間当たり６０回を超えてしまうことが分る。コントローラ３５は、作動周波数を低くする余地はないと判断する（ステップＳ２４のＮｏ）。コントローラ３５は、図６に示すＢ３の高圧配管内と低圧配管内のヘリウムの圧力差及び冷凍機の作動周波数の最大値の組が、真空排気システム全体として、その消費エネルギーを最小にする運転条件であると判定し、この状態で次回の冷凍機の作動周波数のデータの取得の機会まで運転を継続するように真空排気システムを制御する（ステップＳ２６）。

上記の実施形態では、補完直線を３点より求めたが、必ずしも３点に限定されるわけではない。また、また補間法に関しても、最小二乗法を用いたが、これに限定されるわけではなく、多項式近似、対数近似、累乗近似又は指数近似等を適用できる。

図６に関する作動周波数を通常作動周波数内に納める方法としては、上記の方法以外に以下に記載するような簡便な方法もある。例えば、制御上の作動周波数の上限又は下限を、許容作動周波数の範囲より所定値だけ内側の範囲の数値として制御する。具体的に説明すると、作動周波数の上限と下限とが、それぞれ一分間当たり６０回及び２０回である場合を想定する。許容作動周波数の範囲より内側の範囲の周波数として一分間あたり３回とすると、制御上の作動周波数の上限及び下限をそれぞれ一分間当たり５７及び２３回として制御する。そして、高圧配管内と低圧配管内の圧力差を変化させて行き、制御上の上限又は下限を一度超えたところでそれ以上高圧配管内と低圧配管内のヘリウム等のガスの圧力差を変化させることを停止する。

具体的に説明すると、１．２５ＭＰａのときに冷凍機の作動周波数の最大値が一分間当たり５０回、１．２０ＭＰａのときに冷凍機の作動周波数の最大値が一分間当たり５４回、１．１５ＭＰａのときの冷凍機の作動周波数の最大値が一分間当たり５８回だとすると、高圧配管内と低圧配管内のヘリウムの圧力差を、１．１５ＭＰａより低くすることを停止する。そして、１．１５ＭＰａで運転を続ける。

一方、低温を利用する真空排気ポンプを正常運転が出来る温度まで温度降下させることを意味する起動運転時、及び内部の低温部に凝縮もしくは吸着したガスを昇温により気化放出し排気性能を回復させることを意味する再生運転時には高圧配管内と低圧配管内のヘリウムの圧力差を可能な限り大きくすることが真空室内でプロセスを行う装置のダウンタイムを少なくする上で有効である。何故ならば、起動運転時に必要な冷却能力、及び再生運転時に必要な昇温能力は高圧配管内と低圧配管内との圧力差及び冷凍機の作動周波数の積におよそ比例するからである。

起動運転とは、高圧のガスが断熱膨張して発生する低温を利用して冷却ステージを冷却して、それにより冷却された部位にガスを凝縮又は吸着させてガスを排気する真空排気ポンプが、内部を粗引きされた後、冷凍機による冷却が開始され、真空排気ポンプとしての機能を発揮するのに必要な温度状態にまでに冷却する運転を起動運転という。この運転中は真空排気ポンプが排気能力を持たない為、起動運転の時間は短いほど良い。

本発明者らは鋭意研究した結果、起動運転時は冷凍機は通常の真空排気運転時よりは高い作動周波数で、高圧配管内と低圧配管内のガスの圧力差が大きい状態で運転することが望ましいとの知見を得た。

ここで、本実施形態で用いられる真空排気ポンプは冷却冷凍機が発生する低温の表面に、真空室内のガスを凝縮又は吸着して排気する所謂溜め込み式のポンプである。その為、低温部の凝縮又は吸着したガスが所定の量以上になったときに、凝縮又は吸着しているガスを気化して、凝縮面又は吸着面をガスが凝縮又は吸着していない状態に戻してやることが求められる。

再生運転とは、高圧のガスが断熱膨張して発生する低温を利用して冷却ステージを冷却してそれにより冷却された部位にガスを凝縮又は吸着させてガスを排気する真空排気ポンプが、運転の仕方を変えることにより発熱機能を持たせることが出来るので、その機能を利用してポンプを再生させる運転をいう。

即ち、冷却ステージの温度を上昇させることにより凝縮又は吸着している物質を気化させ、ステージ等の冷却部より取り除くことをいう。

ポンプに搭載されている冷凍機は、冷却ステージと、冷却ステージの一の面に接続されたシリンダと、冷却ステージの接続側の端面とは反対側の、シリンダの軸方向の他の端面に接続された板部材と、冷却ステージ、シリンダ及び板部材より形成される空間を有している。板部材には流路が設けられており、流路を介してシリンダの内部を高圧状態及び低圧状態のいずれかの状態にバルブ操作により行う。空間の内部には、一の空間と流路と通じる他の空間に画するピストン状のディスプレーサが配置されており、シリンダの中を軸方向に往復運転している。ディスプレーサの内部は中空で、内部には熱状態を保存する物質が充填されている。

この構成を持つポンプにおいて、シリンダ内部が低圧状態で、且つディスプレーサが流路が設けられている板部材に最も接近したときに、高圧状態とシリンダ内部とが繋がるようにバルブ操作を行う。この操作により、シリンダ内部に既にあった低圧状態のガスが断熱圧縮され、シリンダ中のディスプレーサの板部材と逆の空間で、断熱圧縮される結果昇温する。その昇温されたガスをディスプレーサ内を通過させると、ディスプレーサ内部の熱状態を保存する物質に、昇温状態が保存される。

ディスプレーサが流路が設けられている板部材から最も離れたときに、シリンダ内部を低圧状態を繋がるようにバルブ操作する。この操作により、シリンダ内の高圧状態のガスは断熱膨張しその温度は低下する。シリンダ内の空間（ガス）のほとんどは、ディスプレーサと流路が設けられている板部材との間にあることから、低温のガスのほとんどはディスプレーサの中を通過せず（低温状態を保存せずに）冷たいままで冷凍機から放出される。即ち、ディスプレーサの内部に充填されている熱状態を保存する物質を横切るような低温のガスの流れは起きない。従って、ディスプレーサ内部の熱状態を保存する物質に保存されている昇温状態が保存される。また低温のガスにより冷却ステージが冷却されることもない。

上記の作用により、徐々にディスプレーサ内部の熱状態を保存する物質の温度が高まり、最終的にステージ温度が上がるものと考えられる。その結果、冷却部に凝縮又は吸着している物質を気化し、ステージ等の冷却部より取り除くことが出来る。

本発明者らは鋭意研究した結果、この再生運転時の昇温能力は、冷凍機の作動周波数が高いほど、また該冷凍機に供給される高圧配管内と低圧配管内のガスの圧力差が大きい程大きいとの知見を得た。再生は、クライオポンプの通常の冷却運転とは逆の発熱運転を行うことによって短時間に実現できる（例えば、特公平４−１９５号公報を参照）。即ち、冷凍機のシリンダ内ではディスプレーサと呼ばれるピストン状のものが、冷凍機のシリンダと同軸に往復運転している。そして、ディスプレーサの中心部分には蓄冷剤が充填され、往復方向でのガスの通り抜けが可能な構造となっている。発熱運転は、高圧ガス及び低圧ガスを冷凍機の容器内への導入を司っているバルブのディスプレーサに対する開及び閉のタイミングを、冷却運転を行っている場合と比較して１８０度位相をずらして運転することにより実現される。

即ち、ディスプレーサはモータ等の駆動源により単振動運動をしているが、通常の冷却運転においてはディスプレーサに対してバルブ側の空間が一番小さいときに低圧バルブを開にし、ディスプレーサに対してバルブ側の空間が一番大きいときに高圧バルブを開にする。しかし、発熱運転においてはディスプレーサに対してバルブ側の空間が一番小さいときに高圧バルブを開にし、ディスプレーサに対してバルブ側の空間が一番大きいときに低圧バルブを開にする。このような運転をすると、第一ステージおよび第二ステージの温度が昇温し、短時間でそこに凝縮又は吸着していたガスが気化して凝縮面又は吸着面が再生される。

ここで、図３を用いて複数の真空排気ポンプのうち、通常運転を行う真空排気ポンプと、再生運転を行う真空排気ポンプとがある場合について説明する。複数台の真空排気ポンプ３０ａ〜３０ｄのうちの少なくとも一台が、再生運転を行い、バルブが動作することによってシリンダの内部が低圧状態から高圧状態に移行することにより、低圧状態のガスが断熱圧縮される工程と、断熱圧縮されたガス中を前記ディスプレーサが通過する工程とを含む動作を繰り返す運転をしている。そして、複数台の真空排気ポンプ３０ａ〜３０ｄのうちの他の少なくとも一台が、通常運転を行い、バルブが動作することによってシリンダの内部が高圧状態から低圧状態に移行することにより、高圧状態のガスが断熱膨張する工程と、断熱膨張したガス中をディスプレーサが通過する工程とを含む動作を繰り返す運転をしている。

上記の説明では、原理的な説明する為に起動運転と再生運転では高圧ガス及び低圧ガスのバルブの開閉のタイミングがディスプレーサに対して１８０度ずれていると説明した、効率的な運転をする為には１８０度よりずれていた方が良いときもある（例えば、特開平７−３５０７０号公報を参照）。

冷凍機の作動周波数が高いほど冷凍機の冷却能力又は昇温能力は高くなるので、起動運転中又は再生運転中の真空排気ポンプは通常の運転時よりも高めの一定の作動周波数で冷凍機の運転を行うこととする。通常運転時は冷凍機の作動周波数は、例えば１分間当たり２０〜６０回であるが、例えば一分間当たり７５回、一定値で運転する。

この場合に於いても、本実施形態の真空排気ポンプにより真空排気システムが構成されていれば、起動運転又は再生運転されていない真空排気ポンプが繋がれている真空室では通常のプロセスを行える状態を維持しつつ、高圧配管内と低圧配管内のガスの圧力差を高くすることが出来る。というのは、起動運転又は再生運転している以外の他の真空排気ポンプに関しては、作動周波数が通常作動周波数に範囲内にあることを確認しつつ、高圧配管内と低圧配管内のガスの圧力差を限界まで高めれば良い。このような操作をコントローラ３５を介して行うことにより、起動運転又は再生運転している真空排気ポンプが繋がれていない真空室では通常のプロセスを行いつつ、起動運転及び再生運転している真空排気ポンプを正常運転の状態に迅速に復帰させることが出来る。

本実施形態に係わる起動運転又は再生運転時について、図３の真空排気システムに関して図７に示すフローチャートに基づいて説明する。

各真空排気ポンプ（クライオトラップ）３０ａ乃至３０ｄの一段式冷凍機３７ａ乃至３７ｄの作動周波数を各コントローラ３１ａ乃至３１ｄは監視している(ステップＳ３１)。クライオトラップの冷凍機３７ａ乃至３７ｄの作動周波数をコントローラ３５に送る（ステップＳ３２）。コントローラ３５は、起動運転又は再生運転中以外の全てのクライオトラップの作動周波数が冷却機の通常作動周波数の範囲内に納まっているかを判断する（ステップＳ３３）。そして、起動運転又は再生運転中以外の全ての冷凍機の作動周波数が通常作動周波数の範囲内に納まっていないときは（ステップＳ３３のＮｏ）、その旨を伝えるべく例えばアラーム等を発報する。

一方、起動運転又は再生運転中以外の全ての冷凍機の作動周波数が通常作動周波数の範囲内にあるときは（ステップＳ３３のＹｅｓ）、高圧配管１５ａ内と低圧配管１５ｂ内のガスの圧力差を高くする余地があるか否かをコントローラ３５が判断する（ステップＳ３４）。

起動運転又は再生運転の場合は、起動運転又は再生運転をしているクライオトラップの作動周波数は通常作動周波数より高い値、例えば、一分間当たり75回に維持されている。このとき、起動運転又は再生運転をしているクライオトラップの冷却能力を高める為には、高圧配管１５ａ内と低圧配管１５ｂ内のガスの圧力差を高くすることが望ましい。

そこで、例えば高圧配管１５ａ内と低圧配管１５ｂ内のガスの圧力差を更に０．０５ＭＰａ上げても起動運転又は再生運転中以外の冷凍機に作動周波数が通常作動周波数範囲内に留まるかを判断する。具体的には高圧配管１５ａ内と低圧配管１５ｂ内のガスの圧力差を高くすると起動運転又は再生運転中以外の冷凍機の作動周波数数が低下するので、起動運転又は再生運転中以外の冷凍機の作動周波数の最小値が下限を下回らないかを判断する。下回らないようであれば（ステップＳ３４のＹｅｓ）、高圧配管１５ａと低圧配管１５ｂのガスの圧力差を例えば０．０５ＭＰａ増大させる（ステップＳ３５）。そして、制御をＲに戻す。

このようにして最終的に達する真空排気システムの運転状態（ステップＳ３６）は、起動運転又は再生運転中以外の全てのクライオトラップの作動周波数を通常作動周波数範囲内に維持しつつ、即ち正常運転状態に維持しつつ、高圧配管１５ａと低圧配管１５ｂのガスの圧力差が達し得る圧力差の最大近傍にある運転状態である。その結果、他のクライオトラップを正常運転の状態に維持しつつ且つ迅速に、起動運転又は再生運転状態のクライオトラップを正常運転の状態にすることが出来る。

次に、本発明の第二の実施形態である複数の２段の冷却ステージを有する真空排気ポンプを一台の圧縮機で運転する場合について、図８に基づいて説明する。ここで、２段の冷却ステージを有する真空排気ポンプとしては、クライオポンプを使用している。

図８において、１ａ乃至１ｅはクライオポンプ、２ａ乃至２ｅは冷凍機、３は圧縮機、１５ａ及び１５ｂはそれぞれ高圧配管及び低圧配管、３６ａ乃至３６ｅはクライオポンプ１ａ乃至１ｅのコントローラである。また、３２及び３３はそれぞれ高圧配管用及び低圧配管用の圧力計、３４は圧力計３２からの圧力と圧力計３３からの圧力との差を求め、圧縮機３の駆動周波数を制御する周波数制御部である。また、３５は各クライオポンプのコントローラ３６ａ乃至３６ｅを統括制御するコントローラである。

第二の実施形態の制御法は、図５及び図６に記載したものと同様である。ただ異なるのは、クライオポンプが正常作動周波数の範囲内にあるということはが、第一冷却ステージの温度が許容温度範囲内にあり、且つ第二冷却ステージの温度が目標温度範囲内にあることを示している点が異なる。

本実施形態においても、第一の実施形態と同様に図７に示す制御をすることで、起動運転又は再生運転していないクライオポンプが繋がれている真空室では通常のプロセスを行いつつ、起動運転及び再生運転しているクライオポンプを通常運転の状態に迅速に復帰させることが出来る。

次に、本発明の第三の実施形態である２段の冷却ステージ有する真空排気ポンプ及び１段ステージを有する真空排気ポンプが混載された真空排気システムを一台の圧縮機で運転する場合について、図９に基づいて説明する。

ここで、２段の冷却ステージを有する真空排気手段としてはクライオポンプ、１段の冷却ステージを有する真空排気手段としてはクライオトラップを使用している。

図９において、１ａ乃至１ｃはクライオポンプ、２ａ乃至２ｃはクライオポンプの二段式冷凍機、３は圧縮機、１５ａ及び１５ｂはそれぞれ高圧配管及び低圧配管、３０ａ及び３０ｂはクライオトラップである。また、３１ａ及び３１ｂはクライオトラップのコントローラ、３２及び３３はそれぞれ高圧配管用及び低圧配管用の圧力計である。３４は圧力計３２からの圧力と圧力計３３からの圧力との差を求め、圧縮機３の駆動周波数を制御する周波数制御部、３６ａ乃至３６ｃはクライオポンプ１ａ乃至１ｃのコントローラである。また、３５はクライオポンプ１ａ乃至１ｃのコントローラ３６ａ乃至３６ｃ及びクライオトラップ３７ａ及び３７ｂのコントローラ３６ａ，３６ｂを統括制御するコントローラである。

第三の実施形態の制御法は、図５及び図６に記載したものと同様である。ただ異なるのは、冷凍機の作動周波数が、常用作動周波数の範囲内にあるということが、２段ステージを有するクライオポンプについては第一段ステージの温度が許容温度範囲内にあり且つ第二ステージの温度が目標温度範囲内にあることであり、１段ステージを有するクライオトラップに関しては第一段ステージの温度が許容温度範囲内にあることを示している点が異なる。

本実施形態においても、第一及び第二の実施形態と同様に、起動運転又は再生運転していない真空排気ポンプが繋がれている真空室では通常のプロセスを行いつつ、起動運転及び再生運転している真空排気ポンプを正常運転の状態に迅速に復帰させることが出来る。

図１２は、本発明の真空排気システムを使用した基板処理装置１２００を示す。本基板処理装置は、液晶パネルにソース及びドレイン電極を作成するクラスター型スパッタリング装置である。ここで、１２０１は本装置の中心に位置して、各基板処理室間で基板のやり取りを行う基板搬送室である。中心部に不図示の基板搬送ロボットが配置し、各基板処理室間で基板のやり取りを行う。１２０２は及び１２０３はロードロック室、１２０４は基板加熱室、１２０５は第一Ｔｉ成膜室、１２０６はＡｌ成膜室及び１２０７は第二Ｔｉ成膜室である。基板搬送室１２０１と各基板処理室間の間にはゲートバルブ１２０８が配置されている。また、第一Ｔｉ成膜室１２０５、Ａｌ成膜室１２０６、第二Ｔｉ成膜室１２０７には、それぞれのターゲット１２０９ａ、１２０９ｂ及び１２０９ｃが基板に対向するように配置されている。

図１３の参照により、基板処理装置１２００を使用して製造される電子デバイスとして、例えば液晶表示装置に採用されているボトムゲート型の薄膜トランジスタ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、以降ＴＦＴと略記する）のソース及びドレイン電極の製造について説明する。ここで、１３０１はガラス基板、１３０２は絶縁層で例えば窒化シリコン膜、１３０３は非晶質Ｓｉからなる半導体層、１３０４はソース電極及びドレイン電極、１３０５はゲート電極、１３０６は例えばシリコン窒化膜からなる保護層及び１３０７は例えば透明電導膜である酸化インジウムスズ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ、以降ＩＴＯと略記する）である。尚、本実施例のＴＦＴに於いては、ソース電極及びドレイン電極１３０４はＴｉ／Ａｌ／Ｔｉの三層構造となっており、良好な半導体層１３０３との密着性を確保出来ると共にＡｌの半導体層１３０３である非結晶Ｓｉへの拡散を防止できる。

上記の３層からなるソース及びドレイン電極を作製する、本発明に係わる真空排気システムを使用する基板処理装置１２００の排気システムを、図１２を使用して説明する。基板加熱室１２０４、第一Ｔｉ成膜室１２０５、Ａｌ成膜室１２０６、第二Ｔｉ成膜室１２０７及び基板搬送室１２０１にはそれぞれにクライオポンプ１２１０ａ乃至１２１０ｅが取り付けられている。クライオポンプは、縦型のクライオポンプ（点線で示す）が各基板処理室の下側にゲートバルブ（不図示）を介して取り付けられている。そして、各クライオポンプはそれぞれを制御するコントローラ１２１１に繋がれている。そして、各コントローラ１２１１は全体を制御する統括コントローラ１２１２に繋がれている。ここで、コントローラ１２１１ａ〜１２１１ｅは図８におけるコントローラ３６ａ〜３６ｅに、統括コントローラ１２１２は図８のコントローラ３５に相当する。各クライオポンプ１２１０の状態は各クライオポンプを監視しているコントローラ１２１１ａ〜１２１１ｅを介して全体を制御する統括コントローラ１２１２に入力されている。圧縮機１２１４からは、高圧配管及び低圧配管１２１６で各クライオポンプ１２１０へＨｅガスが供給及び還流が行われている。そして、圧縮機を駆動する周波数制御部１２１３にはＨｅ高圧配管とＨｅ低圧配管の間の差圧が差圧計１２１５で測定されて入力されている。図１２においては、Ｈｅの供給及び回収は異なる配管で行われるが簡略化のため一本で示している。

上記のような構成を真空排気システムが有することにより、複数の処理室に配設された複数のクライオポンプを通常の運転時は、圧縮機からの高圧Ｈｅと低圧Ｈｅの差圧を必要最小にすることにより通常運転時の消費エネルギーを小さく出来る。

一方、例えば第一のＴｉ成膜室又は第二のＴｉ成膜室のいずれかが起動運転又は再生運転中でも、他の基板処理室では通常の基板処理を継続しつつ、起動運転又は再生運転を行っている処理室では、起動運転又は再生運転を短時間で終了し、通常の基板処理に迅速に復帰出来る。

図１２に示す基板処理装置を使用して、Ｔｉ／Ａｉ／Ｔｉの三層構造のソース電極及びドレイン電極を作製するには、まず図１３においてガラス基板１３０１上に半導体層１３０３以下が作製されている基板を複数枚収納したカセットを、ロードロック室１２０２又は１２０３と基板搬送室１２０１とを画するゲートバルブ１２０８が閉じた状態で、ロードロック室１２０２又は１２０３の内部を大気圧の状態に戻し、ロードロック室１２０２又は１２０３内に載置する。次いで、ロードロック室１２０２又は１２０３内をドライポンプ等の低真空用の排気ポンプで排気する。ロードロック室１２０２又は１２０３内が所定に真空度まで排気されたら、基板搬送室１２０１とロードロック室１２０２又は１２０３の間のゲートバルブ１２０８を開ける。そして、基板搬送室１２０１の中心部の配置されている基板搬送ロボットの腕が基板のある位置まで回転・伸展してきて基板をピックアップする。基板をピックアップした基板搬送ロボットは腕を収縮し、基板搬送室１２０１の中心で回転してその腕の方向を基板加熱室１２０４に向ける。その後に、基板搬送室１２０１とロードロック室１２０２又は１２０３の間の該ゲートバルブが閉じる。次いで、基板搬送室１２０１と基板加熱室１２０４との間のゲートバルブ１２０８が開き、基板搬送ロボットにより基板が基板加熱室１２０４内に運び込まれる。基板を基板加熱室１２０４内の基板支持機構に載置したら、基板搬送ロボットの腕は縮み、その後に基板搬送室１２０１と基板加熱室１２０４間のゲートバルブ１２０８が閉じる。基板加熱室１２０４内では例えばハロゲンランプ等の加熱手段により基板が１２０〜１５０℃に加熱維持される。加熱処理された基板は、上述と同様の操作で基板搬送ロボットにより次の第一Ｔｉ成膜室１２０５に移送され、次の基板がロードロック室１２０２又は１２０３内のカセットから、基板搬送室１２０１を経由して基板加熱室１２０４に移送される。このようにして、カセット内の基板及び各室の処理済み基板は、ロードロック室１２０２又は１２０３から、基板加熱室１２０４、第一Ｔｉ成膜室１２０５，Ａｌ成膜室１２０６、第二Ｔｉ成膜室１２０７へと順送りされ、第三層（Ｔｉ膜）の成膜が終了した基板は、ロードロック室１２０２又は１２０３のカセットの未収納棚に戻される。カセット内の基板が全て処理されると、処理基板が収納されているカセットはロードロック室１２０２又は１２０３から取り出される。そして、新たな基板を収納したカセットがロードロック室１２０２又は１２０３に収納され、同様の手順で処理が繰り返される。

ここで、第一Ｔｉ成膜室１２０５及び第二Ｔｉ成膜室１２０７のＴｉ成膜は０．２〜０，４Ｐａの低圧で、５０ｎｍ程度の厚さの膜が形成される。また、Ａｌ成膜室１２０６で行われるＡｌ成膜も同様に０．２〜０，４Ｐａの低圧で、２００〜３００ｎｍの膜厚の膜が形成される。また、それぞれ上述の各基板処理室の到達圧力としては、基板搬送室１２０１、第一Ｔｉ成膜室１２０５、第二Ｔｉ成膜室１２０７及びＡｌ成膜室１２０６では、１０^−３Ｐａ台、５×１０^−５Ｐａの高真空がそれぞれ基板処理室間相互間での汚染を防止するために必要である。尚、基板加熱室１２０４も上述の他の基板処理室と同様、処理室間相互間での汚染を防止する観点から加熱処理中は高真空に維持することが望ましく、従って高真空を実現できるクライオポンプを採用するこが望ましい。しかし、その場合はハロゲンパンプ等の加熱手段からの入熱によりクライオポンプの排気特性が維持できなくなるという問題がある。この問題は、基板加熱室１２０４とクライオポンプ１２１０ａ間に取り付けられるゲートバルブ（不図示）の上流側に反射板を配することにより、本問題の弊害を抑制することが出来る。

その後に、基板処理装置１２００から取り出された基板にレジストでソース電極及びドレイン電極の形にマスクを形成し、その後ドライエッチング装置で異方性エッチングする。その後に、保護膜１３０６をＣＶＤ法又はスパッタリング法により形成して、図１３のＴＦＴを得る。

本実施例は、液晶表示装置のソース及びドレイン電極の作製に関して説明したが、何らこれに限定される訳ではない。複数の冷凍機を運転する必要がある、クラスター型の基板処理装置又はインライン型の基板処理装置に適用可能なのは言うまでもない。

また、本発明の真空排気システムを使用して製造されるのが適したデバイスに関しても、上述の液晶表示装置に限らず、多層を真空一貫で処理する必要があるＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ、以降前記のように略記する）、ハードディスク用のヘッド及びＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ、以降前記のように略記する）等を挙げることが出来る。そして、本明細書及び特許請求の範囲で電子デバイスといった場合は、電子技術を利用した表示装置、ＭＲＡＭ、ハードディスクのヘッド及びＤＲＡＭ等の含む電子装置一般をさすものとする。

本発明は、冷却ステージを有する複数の真空排気ポンプが圧縮機に繋がれて動作する真空排気システム及びその運転方法に適用され、特にクライオポンプ、クライオトラップ、又はクライオポンプとクライオトラップを有する真空排気システムに利用することができる。

本発明は上記実施の形態に制限されるものではなく、本発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、本発明の範囲を公にするために、以下の請求項を添付する。

本願は、２００８年９月３０日提出の日本国特許出願特願２００８−２５３９１６と、２００８年９月３０日提出の日本国特許出願特願２００８−２５３９１９と、を基礎として優先権を主張するものであり、その記載内容の全てを、ここに援用する。

Claims (3)

1. 第一冷却ステージ部を含み、前記第一冷却ステージ部を冷却する冷凍機と、前記第一冷却ステージ部の温度を測定する第一温度センサとを有し、冷却を行う通常運転時において、前記第一温度センサの測定した温度が所定の温度範囲より高いときは前記冷凍機内で高圧状態と低圧状態が単位時間内に繰り返される回数を増大させ、前記第一温度センサの測定した温度が前記所定の温度範囲より低いときは前記回数を減少させ、前記第一温度センサの測定した温度が前記所定の温度範囲内のときは前記回数を所定の範囲内に維持する複数の真空排気ポンプと、
   前記複数の真空排気ポンプに繋がれた圧縮機と、
   前記圧縮機から共通の圧力の高圧のガスが前記複数の真空排気ポンプの冷凍機に供給される流路である高圧配管と、
   前記複数の真空排気ポンプの冷凍機から低圧のガスが前記圧縮機に還流する流路である低圧配管と、
   前記回数に応じて、前記高圧配管の内圧と前記低圧配管の内圧との圧力差を変化させることが出来る制御手段と、を備え、
   全ての真空排気ポンプが前記通常運転を行い、且つ、前記全ての真空排気ポンプの前記回数が前記所定の範囲内であるとき、前記複数の真空排気ポンプのうち少なくとも１台は、
   前記回数が前記所定の範囲内に収まる範囲で、前記圧縮機で生成される前記高圧配管内と前記低圧配管内とのガスの圧力差を減少させるように動作することを特徴とする真空排気システム。
2. 前記複数の真空排気ポンプは、クライオトラップを含んでいることを特徴とする請求項１に記載の真空排気システム。
3. 前記複数の真空排気ポンプは、クライオポンプを含んでいることを特徴とする請求項１に記載の真空排気システム。

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