JP7369071B2 - クライオポンプおよびクライオポンプの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、クライオポンプおよびクライオポンプの制御方法に関する。

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。クライオポンプはいわゆる気体溜め込み式の真空ポンプであるから、捕捉した気体を外部に定期的に排出する再生を要する。

ある既知のクライオポンプにおいては、気体を排出するためのベントバルブの開閉動作が、圧力センサによって測定されるクライオポンプ内圧に基づいて制御される。また、このベントバルブは、クライオポンプ内外の差圧によって機械的に開く安全弁として構成され、再生中にクライオポンプ内に生じうる過度の高圧を解放することができる。

特開２０１２－１４９５３０号公報

本発明者は、上述のクライオポンプについて検討し、以下の課題を認識した。クライオポンプに設置される圧力センサとしては、真空を、好ましくは真空から大気圧までを測定可能なタイプが採用される。多くの場合、この種の圧力センサは、圧力を直接測定するのではなく、気体とセンサとの相互作用に基づいて圧力を間接的に測定する。たとえば、ピラニ真空計は、熱伝導に基づく測定であり、高温の金属細線を有し、これに衝突した気体分子が熱を奪うことによる金属細線の冷却から圧力を測定する。このような間接的な測定方式は、気体の温度や気体の物性に依存する測定誤差を避けられない。

クライオポンプの再生中、クライオポンプの温度は極低温から室温またはそれより高温までの広い温度範囲にわたって変動し、そのうえ、クライオポンプ内には捕捉された様々な種類の気体が気化して混ざり合ったものが含まれる。したがって、クライオポンプの再生中に得られる圧力センサの測定圧力は、大きな誤差を含みうる。その結果、圧力センサの測定圧力に基づくベントバルブの開閉動作も不適正となりうる。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、クライオポンプの再生中にベントバルブを適正なタイミングで開くことにある。

本発明のある態様によると、クライオポンプは、クライオポンプ容器と、クライオポンプ容器内の圧力を測定し、測定圧力を示す時系列圧力データを生成する圧力センサと、クライオポンプ容器に設けられ、制御により開閉可能であるとともに、クライオポンプ容器内外の差圧によって機械的に開きうるベントバルブと、クライオポンプ再生中に、圧力センサからの時系列圧力データに基づいて測定圧力の安定化を検出し、測定圧力の安定化が検出された場合にベントバルブを開くよう制御するコントローラと、を備える。

本発明のある態様によると、クライオポンプの制御方法が提供される。クライオポンプは、クライオポンプ容器と、圧力センサと、クライオポンプ容器に設けられ、制御により開閉可能であるとともに、クライオポンプ容器内外の差圧によって機械的に開きうるベントバルブと、を備える。制御方法は、クライオポンプ容器内の圧力を測定し、測定圧力を示す時系列圧力データを生成するように、圧力センサを使用することと、時系列圧力データに基づいて測定圧力の安定化を検出し、測定圧力の安定化が検出された場合にベントバルブを開くよう制御することと、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、クライオポンプの再生中にベントバルブを適正なタイミングで開くことができる。

実施の形態に係るクライオポンプを概略的に示す。 図１に示されるベントバルブをより詳細に示す模式図である。 クライオポンプの再生中に起こりうるクライオポンプ容器の内圧の上昇を示す模式図である。 実施例に係るコントローラのブロック図である。 実施例に係るクライオポンプの制御方法を示すフローチャートである。

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。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施の形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、実施の形態に係るクライオポンプ１０を概略的に示す。クライオポンプ１０は、例えばイオン注入装置、スパッタリング装置、蒸着装置、またはその他の真空プロセス装置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真空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。例えば１０^－５Ｐａ乃至１０^－８Ｐａ程度の高い真空度が真空チャンバに実現される。

クライオポンプ１０は、圧縮機１２と、冷凍機１４と、クライオポンプ容器１６と、クライオパネル１８と、コントローラ２０とを備える。また、クライオポンプ１０は、圧力センサ２２と、ラフバルブ２４と、パージバルブ２６と、ベントバルブ２８とを備え、これらはクライオポンプ容器１６に設置されている。

圧縮機１２は、冷媒ガスを冷凍機１４から回収し、回収した冷媒ガスを昇圧して、再び冷媒ガスを冷凍機１４に供給するよう構成されている。冷凍機１４は、膨張機またはコールドヘッドとも称され、圧縮機１２とともに極低温冷凍機を構成する。圧縮機１２と冷凍機１４との間の冷媒ガスの循環が冷凍機１４内での冷媒ガスの適切な圧力変動と容積変動の組み合わせをもって行われることにより、寒冷を発生する熱力学的サイクルが構成され、冷凍機１４の冷却ステージが所望の極低温に冷却される。それにより、冷凍機１４の冷却ステージに熱的に結合されたクライオパネル１８を目標冷却温度（例えば１０Ｋ～２０Ｋ）に冷却することができる。冷媒ガスは、通例はヘリウムガスであるが、適切な他のガスが用いられてもよい。理解のために、冷媒ガスの流れる方向を図１に矢印で示す。極低温冷凍機は、一例として、二段式のギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機であるが、パルス管冷凍機、スターリング冷凍機、またはそのほかのタイプの極低温冷凍機であってもよい。

クライオポンプ容器１６は、クライオポンプ１０の真空排気運転中に真空を保持し、周囲環境の圧力（例えば大気圧）に耐えるように設計された真空容器である。クライオポンプ容器１６は、吸気口１７を有するクライオパネル収容部１６ａと、冷凍機収容部１６ｂとを有する。クライオパネル収容部１６ａは、吸気口１７が開放され、その反対側が閉塞されたドーム状の形状を有し、この内部にクライオパネル１８が冷凍機１４の冷却ステージとともに収容される。冷凍機収容部１６ｂは、円筒状の形状を有し、その一端が冷凍機１４の室温部に固定され、他端がクライオパネル収容部１６ａに接続され、内部に冷凍機１４が挿入されている。クライオポンプ１０の吸気口１７から進入する気体はクライオパネル１８に凝縮または吸着により捕捉される。クライオパネル１８の配置や形状などクライオポンプ１０の構成は、種々の公知の構成を適宜採用することができるので、ここでは詳述しない。

コントローラ２０は、クライオポンプ１０を制御するよう構成されている。コントローラ２０は、クライオポンプ１０に一体に設けられていてもよいし、クライオポンプ１０とは別体の制御装置として構成されていてもよい。

コントローラ２０は、クライオポンプ１０の真空排気運転においては、クライオパネル１８の冷却温度に基づいて、冷凍機１４を制御してもよい。クライオポンプ容器１６内には、クライオパネル１８の温度を測定する温度センサ２３が設けられていてもよく、コントローラ２０は、クライオパネル１８の測定温度を示す温度センサ出力信号を受信するよう温度センサ２３と接続されていてもよい。

また、コントローラ２０は、クライオポンプ１０の再生運転においては、クライオポンプ容器１６内の圧力に基づいて（または、必要に応じて、クライオパネル１８の温度およびクライオポンプ容器１６内の圧力に基づいて）、冷凍機１４、ラフバルブ２４、パージバルブ２６、ベントバルブ２８を制御してもよい。コントローラ２０は、クライオポンプ容器１６内の測定圧力を示す圧力センサ出力信号（例えば、後述の時系列圧力データＤ１を含む）を受信するよう圧力センサ２２と接続されていてもよい。

詳細は後述するが、コントローラ２０は、クライオポンプ再生中に、圧力センサ２２からの時系列圧力データＤ１に基づいて測定圧力の安定化を検出し、測定圧力の安定化が検出された場合にベントバルブ２８を開くよう制御する。

コントローラ２０の内部構成は、ハードウェア構成としてはコンピュータのＣＰＵやメモリをはじめとする素子や回路で実現され、ソフトウェア構成としてはコンピュータプログラム等によって実現されるが、図では適宜、それらの連携によって実現される機能ブロックとして描いている。これらの機能ブロックはハードウェア、ソフトウェアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、当業者には理解されるところである。

たとえば、コントローラ２０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、マイコンなどのプロセッサ（ハードウェア）と、プロセッサ（ハードウェア）が実行するソフトウェアプログラムの組み合わせで実装することができる。そうしたハードウェアプロセッサは、たとえば、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などのプログラマブルロジックデバイスで構成してもよいし、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）のような制御回路であってもよい。ソフトウェアプログラムは、クライオポンプ１０の再生をコントローラ２０に実行させるためのコンピュータプログラムであってもよい。

圧力センサ２２は、クライオポンプ容器１６内の圧力を測定し、測定圧力を示す時系列圧力データＤ１を生成する。圧力センサ２２は、クライオポンプ容器１６、例えば冷凍機収容部１６ｂに取り付けられている。圧力センサ２２は、測定した圧力値のデータをコントローラ２０に蓄積すべく逐次出力することによって、時系列圧力データＤ１を生成してもよい。圧力センサ２２は、クライオポンプ容器１６内の圧力を周期的に測定するので、時系列圧力データＤ１は、クライオポンプ容器１６内の測定圧力の時間変化を示す。言い換えれば、時系列圧力データＤ１は、互いに異なる時点に測定された少なくとも２以上の圧力測定値を含む。

圧力センサ２２は、真空（例えばクライオポンプ１０の動作開始圧力である１～１０Ｐａ）と大気圧の両方を含む広い計測範囲を有する。少なくとも再生処理中に生じ得る圧力範囲を計測範囲に含むことが望ましい。この実施形態では、圧力センサ２２として、大気圧ピラニゲージ（大気圧を測定可能なピラニ真空計）が使用される。あるいは、圧力センサ２２は、例えばクリスタルゲージ、または気体とセンサとの相互作用に基づいて圧力を間接的に測定するその他の圧力センサであってもよい。

ラフバルブ２４は、クライオポンプ容器１６、例えば冷凍機収容部１６ｂに取り付けられている。ラフバルブ２４は、クライオポンプ１０の外部に設置されたラフポンプ（図示せず）に接続される。ラフポンプは、クライオポンプ１０をその動作開始圧力まで真空引きをするための真空ポンプである。コントローラ２０の制御によりラフバルブ２４が開放されるときクライオポンプ容器１６がラフポンプに連通され、ラフバルブ２４が閉鎖されるときクライオポンプ容器１６がラフポンプから遮断される。ラフバルブ２４を開きかつラフポンプを動作させることにより、クライオポンプ１０を減圧することができる。

パージバルブ２６は、クライオポンプ容器１６、例えばクライオパネル収容部１６ａに取り付けられている。パージバルブ２６は、クライオポンプ１０の外部に設置されたパージガス供給装置（図示せず）に接続される。コントローラ２０の制御によりパージバルブ２６が開放されるときパージガスがクライオポンプ容器１６に供給され、パージバルブ２６が閉鎖されるときクライオポンプ容器１６へのパージガス供給が遮断される。パージガスは例えば窒素ガス、またはその他の乾燥したガスであってもよく、パージガスの温度は、たとえば室温に調整され、または室温より高温に加熱されていてもよい。パージバルブ２６を開きパージガスをクライオポンプ容器１６に導入することにより、クライオポンプ１０を昇圧することができる。また、クライオポンプ１０を極低温から室温またはそれより高い温度に昇温することができる。

ベントバルブ２８は、クライオポンプ容器１６、例えば冷凍機収容部１６ｂに取り付けられている。ベントバルブ２８は、クライオポンプ１０の内部から外部に流体を排出するために設けられている。ベントバルブ２８は、排出される流体をクライオポンプ１０の外部の貯留タンク（図示せず）へと導流する排出ライン３０に接続される。あるいは、排出される流体が無害である場合には、ベントバルブ２８は、排出される流体を周囲環境に放出するよう構成されてもよい。ベントバルブ２８から排出される流体は基本的にはガスであるが、液体または気液の混合物であってもよい。

ベントバルブ２８は、制御により開閉可能であるとともに、クライオポンプ容器１６の内外の差圧によって機械的に開きうる。ベントバルブ２８は、例えば常閉型の制御弁であり、いわゆる安全弁としても機能するよう構成されている。ベントバルブ２８は更に、所定の差圧が作用したときに機械的に開放されるよう閉弁力が予め設定されている。この開弁差圧は例えば、クライオポンプ容器１６に作用し得る内圧や構造的な耐久性等を考慮して適宜設定することができる。クライオポンプ１０の外部環境は通常大気圧であるから、開弁差圧は大気圧を基準として所定の値に設定される。ベントバルブ２８の閉弁力の設定については、図２を参照して後述する。

ベントバルブ２８は、コントローラ２０から入力される指令信号Ｓ１に従って開閉される。ベントバルブ２８は、例えば再生中などのようにクライオポンプ１０から流体を放出するときにコントローラ２０によって開放される。放出すべきでないときはコントローラ２０によってベントバルブ２８は閉鎖される。一方、ベントバルブ２８は、開弁差圧が作用したときに機械的に開放される。このため、クライオポンプ内部が何らかの理由で高圧となったときに制御を要することなくベントバルブ２８は機械的に開放される。それにより内部の高圧を逃がすことができる。こうしてベントバルブ２８は安全弁として機能する。このようにベントバルブ２８を安全弁と兼用することにより、２つの弁をそれぞれ設ける場合に比べてコストダウンや省スペース化という利点を得られる。

図２は、図１に示されるベントバルブ２８をより詳細に示す模式図である。ベントバルブ２８は、図２に実線で示す閉鎖状態においては真空ポート８４から排気ポート８６への流通を遮断する。真空ポート８４は、クライオポンプ容器１６に接続され、排気ポート８６は、排出ライン３０に接続される（または外部環境に直接開放されてもよい）。一方、開放状態においてベントバルブ２８は、真空ポート８４から排気ポート８６への排出流れＡを許容する。破線にて開放状態での弁体の位置を示す。真空ポート８４からベントバルブ２８に流入した排出流れＡは、ベントバルブ２８の内部で垂直方向に折り曲げられて排気ポート８６から流出する。

ベントバルブ２８は、バルブ筐体８８によって外部から仕切られている弁室９０及びピストン室９２を有する。弁室９０とピストン室９２とは隣接しており仕切板９４で仕切られている。仕切板９４は真空ポート８４に対向する弁室９０の内壁である。弁室９０には２つの開口が設けられており、一方の開口が上述の真空ポート８４であり、他方の開口が排気ポート８６である。

弁室９０にはベントバルブ２８の弁体としてのバルブプレート９６が収容されている。バルブプレート９６の外周部が真空ポート８４の周囲部分９８に押し当てられるように、バルブプレート９６の外形寸法は真空ポート８４の開口寸法よりも大きくなっている。例えば、バルブプレート９６及び真空ポート８４はともに同心の円形であり、バルブプレート９６のほうが真空ポート８４よりも径が大きくなっている。バルブプレート９６の外周部が真空ポート８４の周囲部分９８に押し当てられる領域（例えば環状領域）がシール面１００として機能する。シール面１００にはシールのためのＯリング（図示せず）が設けられている。このＯリングは例えばシール面１００内でバルブプレート９６に形成された溝部に収容されている。

ピストン室９２には、ベントバルブ２８のバルブ駆動機構の一部であるピストン１０２が収容されている。ピストン１０２はその外側面がピストン室９２の内壁に摺動可能に支持されている。ピストン室９２はピストン１０２によって二室に区切られている。ピストン１０２はバルブプレート９６と連結軸１０４で連結されている。連結軸１０４は、バルブプレート９６のシール面１００とは逆向きの面の中心部から垂直に延びてピストン１０２に固定されている棒状の部材である。連結軸１０４は仕切板９４を貫通しており、その貫通孔において軸方向に移動可能に例えば軸受け（図示せず）により支持されている。よって、ピストン１０２はピストン室９２の内壁に沿って連結軸１０４の軸方向に摺動可能である。連結軸１０４で固定されていることにより、バルブプレート９６はピストン１０２と一体に軸方向に移動可能である。

バルブ駆動機構は例えば圧空式の駆動機構である。すなわちピストン室９２に圧縮空気が供給されることによりピストン１０２は駆動される。バルブ駆動機構はピストン室９２への圧縮空気の供給及び供給停止を切り換えるための電磁弁を含んでもよい。ピストン１０２で区切られたピストン室９２の一方の室には圧縮空気供給口及び排出口が設けられており、これら供給口及び排出口は上記の電磁弁を含む圧縮空気供給系に接続されている。コントローラ２０は電磁弁の開閉を制御する。電磁弁が開放されるとピストン室９２に圧縮空気が供給されピストン１０２が初期位置から移動される。電磁弁が閉鎖されるとピストン室９２から圧縮空気は放出され後述のスプリング１０６の作用によりピストン１０２は初期位置へと戻される。

なおバルブ駆動機構はその他の任意の駆動機構であってもよい。例えばピストン１０２をソレノイドの電磁吸引力で直接駆動するいわゆる直動式であってもよいし、あるいは、弁体をリニアモータやステッピングモータ等の適宜のモータで駆動する方式であってもよい。

ベントバルブ２８はスプリング１０６を含む閉弁機構を備える。スプリング１０６は、バルブプレート９６の外周部を真空ポート８４の周囲部分９８に押し当ててシール面１００にシール圧力を作用させるために設けられている。スプリング１０６は、真空ポート８４から流入する排出流れＡとは逆向きにバルブプレート９６を付勢する。スプリング１０６は、バルブプレート９６のシール面１００とは逆向きの面に一端が取り付けられ、他端が仕切板９４に取り付けられて、連結軸１０４に沿って設けられている。こうしてベントバルブ２８は常閉型の制御弁として構成されている。

スプリング１０６は、所定の圧縮力の取付荷重で取り付けられており、この取付荷重がベントバルブ２８の閉弁力を定める。つまり、差圧によってバルブプレート９６に作用する差圧力がスプリング取付荷重すなわち閉弁力を超えたときに、バルブプレート９６は差圧力によっていくらか移動されてベントバルブ２８が開く（一点鎖線）。この機械的な開弁によって、真空ポート８４から排気ポート８６への流れが許容される。クライオポンプ１０の真空排気運転中においては真空側のほうが排気側よりも低圧である。スプリング１０６はバルブプレート９６を真空ポート８４へと付勢するから、ベントバルブ２８が機械的に開かれることはない。真空ポート８４側が排気ポート８６側よりも高圧という例外的な状況でベントバルブ２８は機械的に開放され得る。

なおベントバルブ２８の閉弁機構はスプリング式には限られない。例えば磁力による閉弁機構であってもよい。バルブプレート９６と真空ポート８４の周囲部分９８とを磁力の吸引力によって固定することにより所望の閉弁力を与えるようにしてもよい。この場合、バルブプレート９６と真空ポート８４の周囲部分９８との少なくとも一方に、両者間に吸引力を作用させるための磁石が設けられる。あるいは、静電吸着による閉弁機構またはその他の適切な閉弁機構であってもよい。

ベントバルブ２８は、圧力センサ２２の測定結果に基づいてコントローラ２０により制御される制御弁である。コントローラ２０は、圧力センサ２２により測定されたクライオポンプ容器１６の内圧が設定圧力を超えたか否かを判定する。設定圧力を超えたと判定した場合には、コントローラ２０はバルブ駆動機構によってベントバルブ２８を開放する。すなわち、コントローラ２０は、ピストン１０２及びバルブプレート９６を閉弁状態の位置（以下、これを閉鎖位置または初期位置と呼ぶことがある。）から開放状態の位置（以下、これを開放位置と呼ぶことがある。）へと移動する。図２においては閉鎖位置を実線で示し、開放位置を破線で示す。

一方、圧力センサ２２により測定されたクライオポンプ容器１６の内圧が設定圧力に達していないと判定した場合には、コントローラ２０は、ピストン１０２及びバルブプレート９６を閉鎖位置に維持する。この場合、コントローラ２０がバルブ駆動機構を作動しないことにより、ピストン１０２及びバルブプレート９６はスプリング１０６の閉弁力によって閉鎖位置に保たれる。

ベントバルブ２８の開閉制御のための設定圧力は、クライオポンプ１０の外部環境の圧力に設定される。あるいは、ベントバルブ２８を開放したときの外部からポンプ内部への逆流を確実に防止することを重視する場合には、設定圧力は、外部環境の圧力よりも若干高く設定される。外部環境の圧力は典型的には大気圧であるから、ベントバルブ２８の開閉制御のための設定圧力は大気圧またはそれよりも若干高圧（例えばゲージ圧で０．１気圧以内の大きさ）に設定される。このようにして、クライオポンプ１０の内部が例えば再生中に外部に対し高圧となったときにベントバルブ２８が制御によって開かれ、内圧を外部に解放することができる。

多くの場合、制御弁は、想定の使用環境において、制御により開放（または閉鎖）しているときは開放状態（または閉鎖状態）が確実に維持されるよう構成されている。常閉型の制御弁であれば、閉鎖状態において弁に作用すると想定される差圧範囲において勝手に開弁してしまうことのないように閉弁力が想定最大差圧よりも大きくされている。

ところが、ベントバルブ２８は、想定される圧力範囲内で機械的に開放し得るように閉弁力が調整されている点を１つの特徴としている。コントローラ２０がベントバルブ２８を閉鎖しているときにクライオポンプ容器１６の内部に生じた陽圧と外部圧との差圧の作用によって機械的に開放されるようにベントバルブ２８の閉弁力が調整されている。具体的には、ベントバルブ２８は、クライオポンプ１０の正常運転時に想定される差圧を超える開弁差圧で機械的に開放されるよう閉弁力が調整されている。ここでの正常運転にはクライオポンプ１０の排気運転と再生運転の両方が含まれる。ベントバルブ２８は例えば、ベントバルブ２８自体の制御系統に異常が生じた場合や、何らかの要因によってクライオポンプ容器１６の内部が過度に昇圧した場合に機械的に開放される。

ベントバルブ２８が機械的に開かれる開弁差圧は、コントローラ２０がベントバルブ２８を開くよう制御する設定圧力に等しくてもよく、または設定圧力よりも高くてもよい。
開弁差圧および設定圧力は、ゲージ圧で、例えば１気圧以内、または０．５気圧以内であってもよく、例えば０．２気圧から０．３気圧の範囲にあってもよい。

コントローラ２０によるベントバルブ２８の弁体の開閉ストロークＤは、差圧の作用による機械的開弁における弁体移動量よりも大きい。すなわち、ベントバルブ２８は、開弁差圧が作用したときのバルブプレート９６の移動量よりもバルブ駆動機構による開閉ストロークＤのほうが大きくなるよう構成されている。機械的開弁の開閉ストロークは微小である。コントローラ２０によるベントバルブ２８の開閉制御は、機械的開弁に比べて、排出流れＡに含まれる異物粒子をベントバルブ２８が噛み込むリスクを小さくすることができる。よって、ベントバルブ２８のシール性を良好に維持することができる。

真空排気運転が継続されることによりクライオポンプ１０には気体が蓄積されていく。蓄積した気体を外部に排出するために、クライオポンプ１０の再生が行われる。再生運転は、昇温工程、排出工程、及びクールダウン工程を含む。

昇温工程においては、パージバルブ２６を通じてクライオポンプ容器１６に供給されるパージガス、またはその他の加熱手段によって、クライオポンプ１０は、極低温から室温またはそれより高い再生温度に昇温される（例えば約２９０Ｋないし約３００Ｋ）。同時に、クライオポンプ１０に捕捉されている気体が再び気化され、また、パージガスが供給されるので、クライオポンプ容器１６内の圧力は、大気圧またはそれよりいくらか高い圧力（すなわち、ベントバルブ２８の開弁差圧または設定圧力）に向けて増加する。

排出工程においては、ベントバルブ２８またはラフバルブ２４を通じてクライオポンプ容器１６から外部に気体が排出される。クライオポンプ容器１６内の圧力がクライオポンプ１０の動作開始圧力程度まで減圧され、圧力上昇率が所定値を下回ることが検出されると、排出工程は終了される。続いて、クールダウン工程により、クライオポンプ１０は、再生温度から極低温に再び冷却される。このようにして、再生は完了し、クライオポンプ１０は、再び真空排気運転を始めることができる。

クライオポンプ１０の再生中、圧力センサ２２の測定方式に依存するが、圧力センサ２２の測定圧力（絶対圧）は、測定誤差を含みうる。たとえば、ピラニ真空計は、気体分子と金属細線との間の熱伝導に基づくので、気体の温度や気体の物性に依存する測定誤差を避けられない。とりわけ、昇温工程では、クライオポンプ１０の温度が極低温から室温またはそれより高温までの広い温度範囲にわたって変動し、そのうえ、クライオポンプ１０内には捕捉された様々な種類の気体が気化して混ざり合ったものが含まれる。したがって、圧力センサ２２の測定圧力は、大きな誤差を含みうる。

このように圧力センサ２２の測定圧力がクライオポンプ容器１６内の真の圧力から乖離しているなかで、コントローラ２０によるベントバルブ２８の開閉制御が行われると、上述の設定圧力が測定圧力と真の圧力の中間の値となることがある。このとき、設定圧力が大気圧と同程度であることを踏まえると、以下に例示する問題が起こりうる。

測定圧力が設定圧力を超え、真の圧力が設定圧力を下回る場合、排出ライン３０からベントバルブ２８を通じてクライオポンプ容器１６内へと逆流が生じうる。なぜなら、測定圧力が設定圧力を超えているので、コントローラ２０は、ベントバルブ２８を開くが、このとき、クライオポンプ容器１６内の真の圧力は、設定圧力より低く、すなわち、大気圧より低いかもしれないからである。排出ライン３０には、半導体製造プロセスでしばしば用いられる、慎重な取り扱いを要する気体（たとえば、有毒性、可燃性、及び／または、腐食性をもつ気体）が流れていることがある。このような気体がクライオポンプ１０に逆流することは極力回避することが望まれる。

これを避けるために、設定圧力をより高圧に設定したとすれば、ベントバルブ２８を開く制御が行われにくくなる。ベントバルブ２８は、クライオポンプ１０の内圧が高くなったとき制御により開くのではなく、安全弁として機械的に開く可能性が高まる。コントローラ２０によるベントバルブ２８の制御が有効に機能する場面が限定され、ベントバルブ２８を制御可能な弁として構成している意味がなくなりうる。また、上述のように、ベントバルブ２８が機械的に開くときの弁体移動量は小さいので、異物の噛み込みを招きやすく、これも望まれない。

逆に、測定圧力が設定圧力を下回り、真の圧力が設定圧力を超える場合、真の圧力が設定圧力を超えるにもかかわらず、コントローラ２０はベントバルブ２８を開かない。この場合も、ベントバルブ２８は、真の圧力がベントバルブ２８の開弁差圧を超えるとき機械的に開かれることになる。やはり、コントローラ２０によるベントバルブ２８の制御が有効に機能する場面が限定される。ベントバルブ２８の安全弁動作は、異物の噛み込みを招きうる。これを避けるために、設定圧力をより低圧に設定したとすれば、今度は、逆流のリスクが高まる。

図３は、クライオポンプ１０の再生中に起こりうるクライオポンプ容器１６の内圧の上昇を示す模式図である。図３には、昇温工程においてクライオポンプ容器１６内に想定される圧力の時間変化が示される。

図示されるように、再生が開始されると、クライオポンプ容器１６内の圧力は、捕捉されている気体の再気化とパージガスの供給により増加する。ここでは、コントローラ２０によるベントバルブ２８の制御を考慮しないことにする。クライオポンプ容器１６内の圧力がベントバルブ２８の開弁差圧Ｐ０に達するとき、ベントバルブ２８は、安全弁として動作し、機械的に開く。クライオポンプ容器１６内の圧力は、ベントバルブ２８が機械的に開く瞬間に開弁差圧Ｐ０から若干低下し、その後はおおむね一定の圧力Ｐ１に維持される。これは、ベントバルブ２８の弁体がベントバルブ２８を通じた排出流れから受ける力とベントバルブ２８の閉弁力との釣り合いに基づく。

したがって、この実施形態では、コントローラ２０は、クライオポンプ再生中に、圧力センサ２２からの時系列圧力データＤ１に基づいて測定圧力の安定化を検出し、測定圧力の安定化が検出された場合にベントバルブ２８を開くよう制御する。時系列圧力データＤ１は、互いに異なる時点に測定された少なくとも２以上の測定圧力値を含む。よって、コントローラ２０は、時系列圧力データＤ１のこれら測定圧力値に基づいて、クライオポンプ容器１６内の測定圧力の変化量を演算してもよい。さらに、コントローラ２０は、演算された測定圧力の変化量に基づいて、測定圧力の安定化を検出し、測定圧力の安定化が検出された場合にベントバルブ２８を開くよう制御してもよい。

クライオポンプ容器１６内の圧力の低下、またはその後の維持を圧力の安定化とみなし、これを検出することによって、ベントバルブ２８が安全弁として機械的に開くタイミング、すなわちクライオポンプ１０の内圧がベントバルブ２８の開弁差圧Ｐ０に達するタイミングを知ることができる。

ベントバルブ２８が安全弁として機械的に開くタイミングでは、クライオポンプ内圧が外圧よりも高いことが物理的に保証される。よって、このタイミングでベントバルブ２８を制御により開いたとしても、ベントバルブ２８を通じたクライオポンプ容器１６への逆流は起こり得ない。また、上述のように、コントローラ２０によるベントバルブ２８の開閉ストロークは機械的開弁に比べて大きいので、ベントバルブ２８が異物を噛み込むリスクも下げられる。

圧力センサ２２の測定誤差により、測定圧力（絶対圧）の値それ自体は、クライオポンプ容器１６内の真の圧力から乖離しうる。しかしながら、ベントバルブ２８が開くまでは上昇するがベントバルブ２８が開くと安定化するという測定圧力の変化の仕方（すなわち、測定圧力の変化量の推移）は、圧力センサ２２の測定誤差にあまり影響されないと考えられる。

ベントバルブ２８の機械的な開放の検出は、圧力センサ２２によって測定される圧力の変動（相対圧）に基づく。よって、検出の正確さは、使用する圧力センサ２２の絶対圧の測定精度に依存しない。どのようなタイプの圧力センサを使用する場合にも、同程度の精度が期待される。

このようにして、クライオポンプ１０の再生中、まさにベントバルブ２８を開くべきタイミングで、ベントバルブ２８を適正に開くことができる。

一般に、絶対圧を精度よく測定する圧力センサは高価であるが、相対圧を精度よく測定する圧力センサは、比較的安価に入手できる。よって、圧力センサ２２として安価なものを採用することができる。これは、クライオポンプ１０の製造コストの低減につながる。

また、コントローラ２０は、クライオポンプ１０を極低温から再生温度へと昇温している間に、時系列圧力データＤ１に基づいて測定圧力の安定化を検出し、測定圧力の安定化が検出された場合にベントバルブ２８を開くよう制御してもよい。クライオポンプ１０の昇温中は温度が大きく変動する。そのうえ、クライオポンプ容器１６内に様々なガスを含み得るとともに、それらが混ざり合ったガスの組成も不明である。よって、昇温中は圧力センサ２２の測定誤差（絶対圧）がとりわけ大きくなりがちである。したがって、クライオポンプ１０の昇温中、圧力センサ２２の測定圧力の安定化を検出してベントバルブ２８を制御により開くことは、とくに有効である。

続いて、クライオポンプ１０の例示的な制御構成を、実施例を参照して説明する。

図４は、実施例に係るコントローラ２０のブロック図である。図５は、実施例に係るクライオポンプ１０の制御方法を示すフローチャートである。

図４に示されるように、コントローラ２０は、圧力センサ２２から時系列圧力データＤ１を受け、時系列圧力データＤ１に演算処理を行う処理部４０を備える。処理部４０は、時系列圧力データＤ１からクライオポンプ容器１６内の測定圧力の変化量ΔＰを演算する変化量演算部４２と、測定圧力の変化量ΔＰを変化量しきい値と比較する比較部４４と、を備える。コントローラ２０は、比較部４４の出力に従って指令信号Ｓ１を生成しベントバルブ２８に出力する。

図５に示される制御処理は、クライオポンプ１０の再生中、例えば少なくとも昇温工程において、コントローラ２０によって実行される。この処理は、ベントバルブ２８が閉鎖されているときに行われる。

まず、コントローラ２０は、時系列圧力データＤ１を取得する（Ｓ１０）。例えば、圧力センサ２２によって測定された最新の測定圧力を示すデータが圧力センサ２２からコントローラ２０に入力され、このデータがコントローラ２０に既に蓄積されている時系列圧力データＤ１に付加される。

コントローラ２０は、測定圧力が圧力しきい値を超えるか否かを判定する（Ｓ１２）。この判定は、誤動作によるベントバルブ２８の開放を防ぐために行われる。なぜなら、再生中、クライオポンプ容器１６内の圧力安定化は、ラフバルブ２４を通じた減圧下でも起こりうるからである。あるいは、例えばパージバルブの故障、パージガスの供給停止など何らかの異常により、クライオポンプ容器１６内の圧力が大気圧より十分に小さい水準にとどまる事態が想定されうる。ベントバルブ２８の制御による開放がこのような減圧下で行われることを防ぐために、圧力しきい値は、大気圧より小さい値、例えば０．９気圧から０．５気圧の範囲から選択されてもよい。

測定圧力が圧力しきい値を下回る場合（Ｓ１２のＮ）、本処理は一旦終了され、再び最初から実行される。一方、測定圧力が圧力しきい値を超える場合（Ｓ１２のＹ）、本処理は継続される。

なお、コントローラ２０は、測定圧力が圧力しきい値を超えるか否かを判定することに代えて、またはそれに加えて、パージバルブ２６が開放されているか否かを判定してもよい。

次に、コントローラ２０は、時系列圧力データＤ１に基づいて測定圧力の安定化を検出する（Ｓ１４）。この安定化検出処理においては、まず、コントローラ２０は、時系列圧力データＤ１から測定圧力の変化量ΔＰを演算する（Ｓ１６）。例えば、変化量演算部４２は、時系列圧力データＤ１から今回の測定圧力と前回の測定圧力を抽出し、これらの差を変化量ΔＰとして演算してもよい。ここで、「測定圧力」は、一回の測定値のみには限られず、連続する複数回の測定値の平均値であってもよい。例えば、圧力センサ２２が０．１秒ごとに圧力を測定する場合、変化量は、最新の測定値とその０．１秒前の測定値の差であってもよいし、最新の１秒間の測定値の平均値とそれ以前の１秒間の測定値の平均値との差であってもよい。変化量は、移動平均の差（つまり、今回演算される測定値の移動平均と前回演算された測定値の移動平均の差）であってもよい。また、変化量ΔＰは、比として演算されてもよく、今回と前回の測定圧力の比、または今回と前回の測定圧力の平均値（または移動平均）の比であってもよい。

比較部４４は、測定圧力の変化量ΔＰを変化量しきい値と比較する（Ｓ１８）。変化量しきい値は、相対圧力または比率の形で、例えば０．１気圧または１０％などの値に設定されうる。変化量しきい値は、設計者の経験的知見または設計者による実験やシミュレーション等に基づき適宜設定することが可能である。

上述のように、クライオポンプ容器１６内での気体の再気化（及び／またはパージガスの供給）によって圧力が上昇している間は、測定圧力の変化量ΔＰが変化量しきい値を超えるはずである。一方、圧力が十分に高まりベントバルブ２８が機械的に開くことによってクライオポンプ容器１６内の圧力が安定化され、測定圧力の変化量ΔＰは、変化量しきい値未満になるものと見込まれる。

よって、測定圧力の変化量ΔＰが変化量しきい値未満である場合（Ｓ１８のＹ）、コントローラ２０は、ベントバルブ２８の開放を指示する指令信号Ｓ１を生成し、これをベントバルブ２８に出力する。ベントバルブ２８は、指令信号Ｓ１に従って開放される（Ｓ２０）。一方、測定圧力の変化量ΔＰが変化量しきい値を超える場合（Ｓ１８のＮ）、コントローラ２０は、ベントバルブ２８の開放を指示する指令信号Ｓ１を生成しないか、または、ベントバルブ２８の閉鎖を指示する指令信号Ｓ１を生成しベントバルブ２８に出力する。従って、ベントバルブ２８は閉鎖状態を保つ。こうして、本処理は終了する。

このようにして、クライオポンプ１０の再生中、ベントバルブ２８が機械的に開くタイミングに合わせて、コントローラ２０は、ベントバルブ２８を開くよう制御することができる。

図５に示される処理において、コントローラ２０は、測定圧力の安定化が検出された場合に、制御によりベントバルブ２８を開く直前及び／または開弁後の測定圧力を時系列圧力データＤ１から取得し、取得された測定圧力に基づいて設定圧力を設定してもよい。ここで、設定圧力とは、上述のように、コントローラ２０がベントバルブ２８を開くよう制御する圧力しきい値であり、コントローラ２０は、クライオポンプ容器１６内の測定圧力が設定圧力を超える場合にベントバルブ２８を開放する。このようにすれば、ベントバルブ２８が機械的に開くとき（すなわち、測定圧力が安定化するとき）の測定圧力に基づいて、設定圧力を更新することができる。設定圧力は、測定圧力に等しい値に更新されてもよいし、あるいは、測定圧力に所定のマージンを加算（または減算）した値に更新されてもよい。

したがって、図５に示される処理は、クライオポンプ１０の再生中に少なくとも一回実行されてもよい。例えば、本処理は、クライオポンプ１０を極低温から再生温度へと昇温している間に、または昇温完了後に少なくとも一回実行されてもよい。

このようにすれば、コントローラ２０は、ベントバルブ２８が機械的に開くタイミングに合わせて設定圧力を更新し、更新された設定圧力を用いてベントバルブ２８を開くよう制御することができる。

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。

１０ クライオポンプ、 １６ クライオポンプ容器、 ２０ コントローラ、 ２２ 圧力センサ、 ２８ ベントバルブ。

Claims (8)

1. クライオポンプ容器と、
   前記クライオポンプ容器内の圧力を測定し、測定圧力を示す時系列圧力データを生成する圧力センサと、
   前記クライオポンプ容器に設けられ、制御により開閉可能であるとともに、前記クライオポンプ容器内外の差圧によって機械的に開きうるベントバルブと、
   クライオポンプ再生中に、前記圧力センサからの前記時系列圧力データに基づいて前記測定圧力の低下または前記低下後の維持を前記測定圧力の安定化として検出し、前記測定圧力の安定化が検出された場合に前記ベントバルブを開くよう制御するコントローラと、を備えることを特徴とするクライオポンプ。
2. 前記コントローラは、前記クライオポンプを極低温から再生温度へと昇温している間に、前記時系列圧力データに基づいて前記測定圧力の安定化を検出し、前記測定圧力の安定化が検出された場合に前記ベントバルブを開くよう制御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. 前記コントローラは、前記測定圧力が圧力しきい値を超え且つ前記測定圧力の安定化が検出された場合に前記ベントバルブを開くよう制御す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. 前記コントローラは、前記時系列圧力データから前記測定圧力の変化量を演算し、前記測定圧力の変化量を変化量しきい値と比較し、前記測定圧力の変化量が変化量しきい値未満の場合に前記ベントバルブを開くよう制御することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のクライオポンプ。
5. 前記コントローラは、前記測定圧力の安定化が検出された場合に、制御により前記ベントバルブを開く直前及び／または開弁後の前記測定圧力を前記時系列圧力データから取得し、取得された前記測定圧力に基づいて設定圧力を設定し、
   前記コントローラは、前記測定圧力を前記設定圧力と比較し、前記測定圧力が前記設定圧力を超えるとき前記ベントバルブを開くよう制御す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. クライオポンプの制御方法であって、前記クライオポンプは、クライオポンプ容器と、圧力センサと、前記クライオポンプ容器に設けられ、制御により開閉可能であるとともに、前記クライオポンプ容器内外の差圧によって機械的に開きうるベントバルブと、を備え、前記制御方法は、
   前記クライオポンプ容器内の圧力を測定し、測定圧力を示す時系列圧力データを生成するように、前記圧力センサを使用することと、
   前記時系列圧力データに基づいて前記測定圧力の低下または前記低下後の維持を前記測定圧力の安定化として検出し、前記測定圧力の安定化が検出された場合に前記ベントバルブを開くよう制御することと、を備えることを特徴とする制御方法。
7. クライオポンプ容器と、
   前記クライオポンプ容器内の圧力を測定し、測定圧力を示す時系列圧力データを生成する圧力センサと、
   前記クライオポンプ容器に設けられ、制御により開閉可能であるとともに、前記クライオポンプ容器内外の差圧によって機械的に開きうるベントバルブと、
   クライオポンプ再生中に、前記圧力センサからの前記時系列圧力データに基づいて前記測定圧力の変化量を演算し、前記測定圧力の変化量を変化量しきい値と比較し、前記測定圧力の変化量が変化量しきい値未満の場合に前記ベントバルブを開くよう制御するコントローラと、を備えることを特徴とするクライオポンプ。
8. クライオポンプの制御方法であって、前記クライオポンプは、クライオポンプ容器と、圧力センサと、前記クライオポンプ容器に設けられ、制御により開閉可能であるとともに、前記クライオポンプ容器内外の差圧によって機械的に開きうるベントバルブと、を備え、前記制御方法は、
   前記クライオポンプ容器内の圧力を測定し、測定圧力を示す時系列圧力データを生成するように、前記圧力センサを使用することと、
   前記時系列圧力データに基づいて前記測定圧力の変化量を演算し、前記測定圧力の変化量を変化量しきい値と比較し、前記測定圧力の変化量が変化量しきい値未満の場合に前記ベントバルブを開くよう制御することと、を備えることを特徴とする制御方法。

Images