JP6124776B2 - コールドトラップ - Google Patents

Description

本発明は、コールドトラップに関する。

コールドトラップには、真空容器と真空ポンプとの間に配設されるインライン型と呼ばれる形式がある。真空容器の排気口と真空ポンプの吸気口とをつなぐ排気流路にコールドパネルが配置される。真空ポンプは例えばターボ分子ポンプである。インライン型のコールドトラップがターボ分子ポンプとともに使用される場合、コールドトラップは主として水蒸気を排気するために使用される。

特開２００９−２６２０８３号公報

コールドトラップの排気速度を高くするための１つの方法は、コールドパネルの面積を広くすることである。しかし、その場合、排気流路の一部がコールドパネルに占められるため、排気流路の断面積は狭くなり、従って排気流路のコンダクタンスが小さくなる。これは特に、バッフルや穴あき板のような平面的なコールドパネルを有する薄型のコールドトラップにおいて顕著である。排気流路のコンダクタンスが小さくなると、下流の真空ポンプ（例えばターボ分子ポンプ）の排気速度は低下する。すなわち、インライン型のコールドトラップを有する典型的な真空排気システムにおいては、コールドトラップの排気速度と真空ポンプの排気速度とがトレードオフの関係にある。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、排気流路のコンダクタンスの低下を抑えつつ、コールドトラップの排気速度を高くすることにある。

本発明のある態様によると、真空容器と該真空容器のための真空ポンプとの間に配設されるコールドトラップが提供される。コールドトラップは、コールドパネルと、前記真空容器の排気口から前記真空ポンプの吸気口への排気流路において前記コールドパネルを囲むコールドパネル容器と、を備える。前記コールドパネルは、前記コールドパネル容器の外に拡張部分を備える。前記拡張部分は、前記真空容器の中に配置される。

本発明のある態様によると、真空容器と該真空容器のための真空ポンプとの間に配設されるコールドトラップが提供される。コールドトラップは、前記真空容器の排気口から前記真空ポンプの吸気口への排気流路に配置されるコールドパネル基部を備えるコールドパネルと、前記排気流路を前記真空容器の排気口に接続するための入口部を備えるコールドパネル容器と、を備える。前記コールドパネル基部は、前記入口部を越えて前記コールドパネル容器の外へと延びる延長部分を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、排気流路のコンダクタンスの低下を抑えつつ、コールドトラップの排気速度を高くすることができる。

本発明のある実施形態に係る真空排気システムを概略的に示す断面図である。 本発明のある実施形態に係るコールドトラップを概略的に示す斜視図である。 本発明のある実施形態に係るコールドトラップの一部を概略的に示す組立図である。 本発明のある他の実施形態に係る真空排気システムを概略的に示す断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。

図１は、本発明のある実施形態に係る真空排気システム１を概略的に示す断面図である。図２は、本発明のある実施形態に係るコールドトラップ１０を概略的に示す斜視図である。図３は、本発明のある実施形態に係るコールドトラップ１０の一部を概略的に示す組立図である。

図１に示されるように、真空排気システム１は、コールドトラップ１０と、排気対象容積（例えば真空処理装置の真空容器１２）を排気するための主真空ポンプ（例えばターボ分子ポンプ１４）とを備える。主真空ポンプは高真空領域まで排気するための高真空ポンプである。主真空ポンプはコールドトラップ１０の後段に設けられている。なお主真空ポンプはディフュージョンポンプであってもよい。

真空排気システム１は、主真空ポンプに加えて、真空容器１２の粗引きをするための補助ポンプ１６を備える。補助ポンプ１６は、主真空ポンプの後段に設けられている。補助ポンプ１６は例えばドライポンプである。

ターボ分子ポンプ１４は、排気流路１８を介して真空容器１２に接続されている。コールドトラップ１０は、真空容器１２とターボ分子ポンプ１４との間に配置されている。コールドトラップ１０はいわゆるインライン型のコールドトラップである。コールドトラップ１０は、例えば、ターボ分子ポンプ１４の鉛直方向上方に配置されている。

排気流路１８は、真空容器１２からターボ分子ポンプ１４へと気体を流すための空間である。よって、排気流路１８は、真空容器１２側の入口開口２０と、ターボ分子ポンプ１４側の出口開口２２とを有する。排気されるべき気体は、真空容器１２から入口開口２０を通じて排気流路１８に進入し、出口開口２２を経てターボ分子ポンプ１４へと流れる。

真空排気システム１は、コールドトラップ１０とターボ分子ポンプ１４の吸気口３１との間にゲートバルブ１９を備える。ゲートバルブ１９は、出口開口２２の下方にてコールドトラップ１０に隣接している。ゲートバルブ１９を開くことによりターボ分子ポンプ１４を真空容器１２に接続し、ゲートバルブ１９を閉じることによりターボ分子ポンプ１４を真空容器１２から遮断することができる。例えば、コールドトラップ１０を再生する際には通常ゲートバルブ１９は閉じられる。

コールドトラップ１０は、コールドパネル２４と、コールドパネル２４の一部分を囲むコールドパネル容器２６と、コールドパネル２４を冷却するための冷凍機２８と、を備える。コールドパネル容器２６に囲まれるコールドパネル２４の一部分は、真空容器１２の排気口３０からターボ分子ポンプ１４の吸気口３１への排気流路１８に配置される。コールドパネル容器２６は、真空容器１２の排気口３０をゲートバルブ１９に接続するよう構成されている。

コールドパネル２４は、その表面に気体を凝縮により捕捉するよう構成されている。コールドパネル２４は全体が排気流路１８または真空容器１２に露出されており、冷凍機２８により冷却されることにより排気流路１８または真空容器１２の気体の一部を表面に凍結して捕捉する。

コールドパネル２４は、コールドパネル基部３２と拡張パネル３４とを備える。コールドパネル基部３２は、排気流路１８の中心軸を囲むように筒型に形成されている。拡張パネル３４は、コールドパネル容器２６の入口部の外に配設されているコールドパネル２４の拡張部分であり、従って、拡張パネル３４は真空容器１２の中に配置されている。拡張パネル３４及びコールドパネル基部３２をそれぞれ、上部パネル及び下部パネルと呼ぶこともできる。

コールドパネル基部３２は、コールドパネル２４の筒型部分であり、例えば円筒形状を有する。コールドパネル基部３２は、入口開口２０から出口開口２２へと延在する。このようにして、コールドパネル２４は、排気流路１８における流れ方向（すなわち、軸方向）に平行に延びるコールドパネル表面を有する。こうした筒型形状は中心部が開放されているので、排気流路１８のコンダクタンスに与える影響が顕著に少ない。また、径方向に広がる平面的なコールドパネルに比べて、筒型形状は軸方向に長いため、表面積が大きくなる。よって、筒型のパネル形状は、排気速度を高くすることに役立つ。

コールドパネル基部３２は、コールドパネル容器２６の入口部を越えてコールドパネル容器２６の外へと延びる延長部分３３を備える。延長部分３３は、真空容器１２の排気口３０を通じて真空容器１２の中へと延びている。延長部分３３は、コールドパネル基部３２と一体に形成されており、従って、コールドパネル基部３２と同様の筒型形状（例えば円筒形状）を有する。

拡張パネル３４は、コールドトラップ１０を真空容器１２に取り付けた状態において、真空容器１２の排気口３０を囲む真空容器１２の壁部１５に沿って排気口３０から外向きに延びている。拡張パネル３４は、コールドパネル基部３２の外側に設けられている。拡張パネル３４は、コールドパネル容器２６の外にてコールドパネル基部３２の延長部分３３から垂直に延びている。拡張パネル３４は真空容器１２の壁部１５の近傍に配置されているので、真空容器１２内の既存の構成要素との干渉を避けやすい。

拡張パネル３４には、排気流路１８に相当する場所に開口部３５が形成されている。拡張パネル３４は、コールドパネル基部３２の延長部分３３の上端が開口部３５の外周に沿うように、延長部分３３に取り付けられている。開口部３５は、図２に示されるように拡張パネル３４に形成された貫通孔であってもよい。あるいは、図３に示されるように、開口部３５を形成する拡張パネル３４の外周の一部分が欠落していてもよい。

図示されるように、大面積の拡張パネル３４が真空容器１２の中に展開されている。拡張パネル３４の真空容器１２側（すなわち、壁部１５と反対側）の表面積は、コールドパネル基部３２の内側の表面積より大きくてもよい。このようにすれば、コールドパネル２４がコールドパネル基部３２のみからなる場合に比べて、本実施形態は２倍以上のコールドパネル面積を得ることができる。

拡張パネル３４の平面形状は、拡張パネル３４の外縁における設計上の冷却温度が規定の上限温度（例えば１３０Ｋ）以下となるように、及び／または、拡張パネル３４のたわみによって拡張パネル３４の外縁が真空容器１２の壁部１５に接触しないように、定められてもよい。

なお、図２においては、本実施形態に係るコールドトラップ１０の構造の理解を促進するために、拡張パネル３４を半透明で示す。実際には、拡張パネル３４は例えば金属板であり、不透明である。

コールドパネル容器２６は、排気流路１８を真空容器１２の排気口３０に接続するための入口部と、排気流路１８をターボ分子ポンプ１４の吸気口３１に接続するための出口部と、を備える。出口部は、ゲートバルブ１９に排気流路１８を接続する。このように、ゲートバルブ１９をターボ分子ポンプ１４とコールドトラップ１０との間に配置することにより、コールドトラップ１０の再生中に生じる液化物（例えば水）のターボ分子ポンプ１４への浸入をゲートバルブ１９により遮断することができる。

コールドパネル容器２６の入口部は、コールドパネル容器２６を真空容器１２（または入口側でコールドトラップ１０に隣接する第１要素）に取り付けるための入口フランジ３６を備える。コールドパネル容器２６の出口部は、コールドパネル容器２６をコールドトラップ１０に出口側で隣接する第２要素（すなわちゲートバルブ１９）に取り付けるための出口フランジ３８を備える。入口フランジ３６及び出口フランジ３８はそれぞれ真空フランジである。入口フランジ３６と出口フランジ３８とは同径である。入口フランジ３６及び出口フランジ３８はそれぞれ、排気流路１８の中心軸と同軸に配設されている。

また、コールドパネル容器２６は胴体部分４０を備える。胴体部分４０は排気流路１８を囲む導管である。胴体部分４０はその延在方向に一定の径を有する。胴体部分４０の内面との間に径方向に隙間を有してコールドパネル基部３２が配置されている。コールドパネル基部３２は、胴体部分４０に沿って出口フランジ３８の近傍まで延びている。コールドパネル基部３２の延長部分３３は入口フランジ３６の内周面との間に径方向に隙間を有して配置されている。このようにして、コールドパネル２４を内筒としコールドパネル容器２６を外筒とする二重の筒構造が構成されている。

出口フランジ３８は、胴体部分４０の延在方向（図１においては上下方向）に入口フランジ３６から間隔を有して配設されている。つまり、入口フランジ３６と出口フランジ３８とは軸方向に離れており、胴体部分４０によって２つのフランジが互いに接続されている。入口フランジ３６に入口開口２０が形成され、出口フランジ３８に出口開口２２が形成されている。入口フランジ３６は、真空容器１２の排気口フランジ１３に取り付けられ、出口フランジ３８は、ゲートバルブ１９のフランジ（図示せず）に取り付けられる。

なお、コールドトラップ１０に真空容器１２を直に取り付けることに代えて、コールドトラップ１０と真空容器１２との間に別の要素（例えばゲートバルブ１９）が設けられていてもよい。この場合、入口フランジ３６は、コールドトラップに隣接する当該要素に取り付けられる。また、ゲートバルブ１９のような別の要素を介してコールドトラップ１０にターボ分子ポンプ１４を取り付けることに代えて、コールドトラップ１０がターボ分子ポンプ１４に直に取り付けられていてもよい。この場合、出口フランジ３８はターボ分子ポンプ１４の吸気口フランジに取り付けられる。

胴体部分４０は、冷凍機２８を収容するための冷凍機ハウジング４２を、入口フランジ３６と出口フランジ３８との間に備える。冷凍機ハウジング４２はコールドパネル容器２６の一部を構成する。胴体部分４０の側面には、コールドパネル２４を冷凍機２８に連結するための側面開口が形成されており、側面開口の外周部から径方向外側に向けて、冷凍機２８の少なくとも一部を囲む冷凍機ハウジング４２が延びている。冷凍機ハウジング４２の末端には冷凍機取付フランジ４４が形成されており、冷凍機取付フランジ４４に冷凍機２８が取り付けられている。

コールドパネル２４は、断面Ｌ字状の支持部材４６を介して冷凍機２８の冷却ステージ２９に取り付けられている。支持部材４６の一方側の表面にコールドパネル基部３２及び拡張パネル３４がそれぞれ取り付けられており、支持部材４６の他方側の表面に冷却ステージ２９が取り付けられている。支持部材４６は、コールドパネル基部３２に拡張パネル３４を構造的に支持するとともに、冷凍機２８の冷却ステージ２９とコールドパネル２４とを熱的に接続する。このようにして、支持部材４６はコールドパネル２４の一部を構成する。なお、コールドパネル２４は、冷却ステージ２９に直接取り付けられていてもよい。冷凍機２８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）である。また冷凍機２８は単段式の冷凍機である。

コールドパネル２４とコールドパネル容器２６との間には径方向に隙間４８が形成されており、支持部材４６は、この隙間４８に配設されている。図３に示されるように、支持部材４６は、コールドパネル基部３２と胴体部分４０の冷凍機２８側の部分との間において胴体部分４０に沿って軸方向に延びる平板部分５０と、この平板部分の上端に形成されている径方向外向きの折り曲げ部５２と、を備える。平板部分５０は真空容器１２の排気口３０を通じて真空容器１２の中へと延びており、従って折り曲げ部５２は真空容器１２の中にある。支持部材４６は、胴体部分４０とは非接触である。図２及び図３に示されるように、コールドパネル基部３２の支持部材４６との取付面は平坦に形成されていてもよい。

拡張パネル３４は、複数の部材によって支持されていてもよい。例えば、図３に示されるように、上述の支持部材４６に加えて、第２の支持部材４７が設けられていてもよい。第２の支持部材４７は、支持部材４６の平板部分５０の一方の縁からコールドパネル基部３２側へと垂直に設けられている。また、コールドパネル基部３２はその上端に拡張パネル取付部５４を備えてもよい。拡張パネル取付部５４は、コールドパネル基部３２の上端から径方向外向きに形成されている突出部である。

図示されるように、拡張パネル３４と支持部材４６、４７とは適切な締結部材を用いて固定される。同様に、拡張パネル３４と拡張パネル取付部５４とは適切な締結部材を用いて固定される。

支持部材４６、４７及び拡張パネル取付部５４はコールドパネル基部３２の外側に配置されている。よって、支持部材４６、４７及び拡張パネル取付部５４は、排気流路１８の中に設けられていない。このような構成は、支持部材４６、４７及び拡張パネル取付部５４が排気流路１８のコンダクタンスを低下させないという点で有利である。

コールドパネル２４は、支持部材４６、４７と拡張パネル３４との間に伝熱層５６を備える。同様に、拡張パネル取付部５４と拡張パネル３４との間に伝熱層５６が設けられている。伝熱層５６は、支持部材４６、４７及び拡張パネル３４よりも柔軟な材料で形成されている。伝熱層５６は、例えば、インジウムで形成されているシート状の部材であってもよい。伝熱層５６は、支持部材４６、４７及び拡張パネル３４のいずれか一方よりも柔軟な材料で形成されていてもよい。このような伝熱層は、例えば、支持部材４６、４７とコールドパネル基部３２との間などその他の部材間に設けられていてもよい。こうした伝熱層５６を介在させることにより、部材間の熱的接触を改善することができる。

図１に示される真空排気システム１による排気処理においては、ゲートバルブ１９を開放しターボ分子ポンプ１４を動作させることにより真空容器１２を排気して真空度を所望のレベルへと高める。ターボ分子ポンプ１４を作動させる前に、粗引き用の補助ポンプ１６により真空容器１２を排気してもよい。コールドトラップ１０は、排気流路１８を流れる水蒸気を捕捉可能とする温度（例えば１００Ｋ）に冷却される。ターボ分子ポンプ１４は通常水蒸気の排気速度が比較的小さいが、コールドトラップ１０を併用することにより大きな排気速度を実現することができる。

本実施形態によると、コールドトラップ１０は真空容器１２の中に大面積の拡張パネル３４を有する。したがって、真空容器１２の排気口３０の開口面積に制約されることなく、排気速度が向上されたコールドトラップ１０を提供することができる。また、拡張パネル３４は真空容器１２の排気口３０に相当する開口部３５を有しており、排気口３０は開放されている。具体的には、拡張パネル３４はコールドパネル基部３２の外側にのみ設けられ、コールドパネル基部３２の内側には設けられていない。よって、拡張パネル３４を設けたことによる排気流路１８の開口面積の減少、すなわち排気流路１８のコンダクタンスの低下は実質的に存在しない。

また、コールドパネル基部３２の延長部分３３の上端は真空容器１２の排気口３０の近傍に位置し、そこから拡張パネル３４が真空容器１２の壁部１５に沿って径方向外側へと広がっている。この構成もまた、排気流路１８のコンダクタンスの低下を抑えるのに役立っている。例えば、コールドパネル基部３２の延長部分３３が真空容器１２の中心部に向けて軸方向に長く延びている場合には、本実施形態に比べて排気流路１８のコンダクタンスは低下する。

したがって、本実施形態によると、ターボ分子ポンプ１４の排気速度に影響を与えることなく、コールドトラップ１０の排気速度を向上することができる。よって、コールドトラップ１０により水を高速に排気し、ターボ分子ポンプ１４によりその他の気体（例えばアルゴンや窒素など）を高速に排気することができる。このようにして、高い排気能力を有する真空排気システム１を提供することができる。

本書においては、構成要素の位置関係をわかりやすく表すために、「軸方向」、「径方向」との用語を使用することがある。軸方向は排気流路１８に沿う方向（または胴体部分４０の延在方向）を表し、径方向は軸方向に垂直な方向を表す。便宜上、軸方向に関して真空容器１２に相対的に近いことを「上」、相対的に遠いことを「下」と呼ぶことがある。つまり、ターボ分子ポンプ１４から相対的に遠いことを「上」、相対的に近いことを「下」と呼ぶことがある。径方向に関しては、排気流路１８の中心に近いことを「内」、排気流路１８の中心から遠いことを「外」と呼ぶことがある。なお、こうした表現はコールドトラップ１０が真空容器１２及びターボ分子ポンプ１４に取り付けられるときの実際の配置とは関係しない。例えば、コールドトラップ１０は出口開口２２を鉛直方向に上向きとし入口開口２０を鉛直方向に下向きとして真空容器１２に取り付けられてもよい。

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。

図４は、本発明のある他の実施形態に係る真空排気システム１を概略的に示す断面図である。この実施形態においては、拡張パネル３４が上述のように真空容器１２の壁部１５に沿って延びているだけでなく、拡張パネル３４は真空容器１２のもう１つの壁部１７に沿って延びるパネル部分５８を備える。これら２つの壁部１５、１７は互いに隣接し略垂直に交わっている。よって、パネル部分５８は拡張パネル３４から壁部１７に沿って略垂直に折れ曲がって上方へと延びている。このようにすれば、さらに大きい表面積を有するコールドパネル２４を提供することができる。また、拡張パネル３４のパネル部分５８は冷凍機２８に近いので、冷却のうえで有利である。

上述の実施形態においては、拡張パネル３４は、コールドパネル基部３２から径方向外側へと延びている。しかし、ある実施形態においては、コールドトラップ１０の排気速度を高めるために、拡張パネル３４は、径方向内向きの延出部分を備えてもよい。拡張パネル３４の内向き延出部分は、排気流路１８の中心部が開放されるように排気流路１８の外周部から排気流路１８の中心部に向けて延びていてもよい。この延出部分は、拡張パネル３４と一体に形成されていてもよいし、別の部材であってもよい。延出部分は、例えば、中心部に開口を有する円形の平板であってもよい。延出部分は、コールドパネル基部３２と同軸にコールドパネル基部３２の上端に取り付けられていてもよい。

上述の実施形態においては、コールドパネル２４は、筒型のコールドパネル基部３２と平面的な拡張パネル３４とにより構成されているが、本発明はこれに限られず、コールドパネル２４は種々の形状が可能である。例えば、更なるコールドパネル（例えば、流れ方向に沿って延びる少なくとも１つの平板パネル）がコールドパネル基部３２の中に設けられていてもよい。あるいは、コールドパネル基部３２は、バッフルや穴あき板のような平面的なコールドパネルであってもよいし、こうした平面的なコールドパネルを付加的に備えてもよい。拡張パネル３４は、リブその他の立体構造を備えてもよい。

１ 真空排気システム、 １０ コールドトラップ、 １２ 真空容器、 １４ ターボ分子ポンプ、 １５ 壁部、 １８ 排気流路、 １９ ゲートバルブ、 ２４ コールドパネル、 ２６ コールドパネル容器、 ３０ 排気口、 ３１ 吸気口、 ３２ コールドパネル基部、 ３３ 延長部分、 ３４ 拡張パネル、 ４６ 支持部材。

Claims (10)

1. 真空容器と該真空容器のための真空ポンプとの間に配設されるコールドトラップであって、
   コールドパネルと、
   前記真空容器の排気口から前記真空ポンプの吸気口への排気流路において前記コールドパネルを囲むコールドパネル容器と、を備え、
   前記コールドパネルは、前記コールドパネル容器の外に拡張部分を備え、前記拡張部分は、前記真空容器の中に配置され、
   前記コールドパネルは、前記排気流路の中心軸を囲むよう筒型に形成されているコールドパネル基部を備え、
   前記拡張部分は、前記コールドパネル基部の外側に設けられることを特徴とするコールドトラップ。
2. 前記拡張部分は、前記コールドトラップを前記真空容器に取り付けた状態において前記真空容器の排気口から該排気口を囲む前記真空容器の壁部に沿って外向きに延びることを特徴とする請求項１に記載のコールドトラップ。
3. 前記拡張部分は、支持部材を介して前記コールドパネル基部に取り付けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のコールドトラップ。
4. 前記コールドパネルは、前記支持部材と前記拡張部分との間に伝熱層を備え、前記伝熱層は、前記支持部材及び／または前記拡張部分よりも柔軟な材料で形成されていることを特徴とする請求項３に記載のコールドトラップ。
5. 前記支持部材は、前記コールドパネルと前記コールドパネル容器との隙間に配設されていることを特徴とする請求項３または４記載のコールドトラップ。
6. 前記コールドトラップと前記真空ポンプの吸気口との間にゲートバルブが設けられてい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コールドトラップ。
7. 前記真空ポンプは、ターボ分子ポンプであることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のコールドトラップ。
8. 真空容器と該真空容器のための真空ポンプとの間に配設されるコールドトラップであって、
   前記真空容器の排気口から前記真空ポンプの吸気口への排気流路に配置されるコールドパネル基部を備えるコールドパネルと、
   前記排気流路を前記真空容器の排気口に接続するための入口部を備えるコールドパネル容器と、を備え、
   前記コールドパネル基部は、前記入口部を越えて前記コールドパネル容器の外へと延びる延長部分を備え、
   前記コールドパネル基部は、前記排気流路の中心軸を囲むよう筒型に形成されていることを特徴とするコールドトラップ。
9. 前記コールドパネルは、前記コールドパネル容器の外にて前記延長部分から垂直に延びる拡張部分を備えることを特徴とする請求項８に記載のコールドトラップ。
10. 前記コールドパネルは、前記コールドパネル容器の外に拡張部分を備え、前記拡張部分は、前記真空容器の中に配置され、
    前記拡張部分は、前記コールドパネル基部の外側に設けられることを特徴とする請求項８または９に記載のコールドトラップ。