KR102597865B1 - 크라이오펌프 및 크라이오펌프의 감시방법 - Google Patents

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Abstract

크라이오펌프(10)는, 기체의 응축층의 수용스페이스(65)를 갖고, 수용스페이스(65)를 둘러싸도록 배치된 제1단 크라이오패널 내면을 갖는 제1단 크라이오패널(18)과, 수용스페이스(65)와 함께 제1단 크라이오패널 내면에 둘러싸여 배치된 제2단 크라이오패널(20)을 구비한다. 흡기구(12)를 통하여 크라이오펌프(10)의 외측으로부터 제1단 크라이오패널 내면에 제1단 열부하가 입사하고, 크라이오펌프(10)의 외측으로부터 수용스페이스(65)에 기체가 진입한다. 제1단 크라이오패널(18)은 기체의 응축온도보다 높은 온도로 냉각되고, 제2단 크라이오패널(20)은 기체의 응축온도 이하의 온도로 냉각되며 기체의 응축층이 퇴적한다. 크라이오펌프(10)는, 제1단 열부하의 변화에 근거하여 수용스페이스(65) 내의 응축기체량을 감시한다.

Description

크라이오펌프 및 크라이오펌프의 감시방법
본 발명은, 크라이오펌프 및 크라이오펌프의 감시방법에 관한 것이다.
크라이오펌프는, 극저온으로 냉각된 크라이오패널에 기체분자를 응축 또는 흡착에 의하여 포착하여 배기하는 진공펌프이다. 크라이오펌프는 반도체회로제조프로세스 등에 요구되는 청정한 진공환경을 실현하기 위하여 일반적으로 이용된다. 크라이오펌프는 이른바 기체저장식의 진공펌프이기 때문에, 포착한 기체를 외부로 정기적으로 배출하는 재생을 필요로 한다.
특허문헌 1: 일본 공개특허공보 2015-1186호
크라이오펌프에는 대부분, 온도가 다른 2종류의 크라이오패널이 마련되어 있다. 저온의 크라이오패널은 그 표면에 예를 들면 아르곤이나 질소 등의 비교적 증기압이 높은 기체를 응축하도록 예를 들면 약 20K 이하의 냉각온도로 냉각되고, 고온의 크라이오패널은 그러한 기체가 응축하지 않도록 예를 들면 약 80K 이상의 냉각온도로 냉각된다. 크라이오펌프의 사용에 따라 저온크라이오패널 상에 기체의 응축층이 성장하여, 언젠가는 고온크라이오패널에 접촉할 수 있다. 그렇다고 하면, 고온크라이오패널과 응축층의 접촉부위에서 기체는 다시 기화되어 주위로 방출되어 버린다. 그 이후 크라이오펌프는 본래의 역할을 충분히 할 수 없다. 따라서, 접촉의 시점에서 저온크라이오패널 상에 존재하는 응축층이, 크라이오펌프에 저장할 수 있는 기체의 최대량(흡장한계 또는 최대흡장량이라고도 불림)을 부여하게 된다.
본 발명의 일 양태의 예시적인 목적의 하나는, 크라이오펌프에 저장된 기체의 양이 흡장한계에 가까워지고 있는 것을 크라이오펌프의 사용 중에 예측하기 위한 기술을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 일 양태에 의하면, 기체의 응축층의 수용스페이스를 갖는 크라이오펌프가 제공된다. 크라이오펌프는, 상기 기체의 응축온도보다 높은 온도로 냉각되는 제1단 크라이오패널이며, 상기 수용스페이스를 둘러싸도록 배치된 제1단 크라이오패널 내면을 갖는 제1단 크라이오패널과, 상기 기체의 응축온도 이하의 온도로 냉각되어, 상기 기체의 응축층이 퇴적하는 제2단 크라이오패널이고, 상기 수용스페이스와 함께 상기 제1단 크라이오패널 내면에 둘러싸여 배치된 제2단 크라이오패널과, 상기 크라이오펌프의 외측으로부터 상기 제1단 크라이오패널 내면에 입사하는 제1단 열부하, 및 상기 크라이오펌프의 외측으로부터 상기 수용스페이스에 진입하는 상기 기체의 통과를 허용하는 크라이오펌프흡기구와, 상기 제1단 열부하의 변화에 근거하여 상기 수용스페이스 내의 응축기체량을 감시하는 제2단 크라이오패널감시부를 구비한다.
본 발명의 일 양태에 의하면, 크라이오펌프의 감시방법이 제공된다. 상기 크라이오펌프는, 기체의 응축층의 수용스페이스를 둘러싸도록 배치된 제1단 크라이오패널 내면을 갖는 제1단 크라이오패널과, 상기 수용스페이스와 함께 상기 제1단 크라이오패널 내면에 둘러싸여 배치된 제2단 크라이오패널을 구비한다. 상기 방법은, 상기 제1단 크라이오패널을 상기 기체의 응축온도보다 높은 온도로 냉각함과 함께, 상기 제2단 크라이오패널을 상기 기체의 응축온도 이하의 온도로 냉각하는 것과, 상기 크라이오펌프의 외측으로부터 크라이오펌프흡기구를 통하여 상기 수용스페이스에 진입하는 상기 기체의 응축층을 상기 제2단 크라이오패널에 퇴적시키는 것과, 상기 크라이오펌프의 외측으로부터 상기 크라이오펌프흡기구를 통하여 상기 제1단 크라이오패널 내면에 입사하는 제1단 열부하의 변화에 근거하여 상기 수용스페이스 내의 응축기체량을 감시하는 것을 구비한다.
다만, 이상의 구성요소의 임의의 조합이나 본 발명의 구성요소나 표현을, 방법, 장치, 시스템 등의 사이에서 서로 치환한 것도 또한, 본 발명의 양태로서 유효하다.
본 발명에 의하면, 크라이오펌프에 저장된 기체의 양이 흡장한계에 가까워지고 있는 것을 크라이오펌프의 사용 중에 예측할 수 있다.
도 1은 일 실시형태에 관한 크라이오펌프를 개략적으로 나타내는 도이다.
도 2는 도 1에 나타나는 크라이오펌프에 관한 제어블록도이다.
도 3의 (a) 및 (b)는, 일 실시형태에 관한 크라이오펌프의 감시방법을 원리적으로 설명하기 위한 도이다.
도 4는 크라이오펌프의 진공배기운전 중에 있어서의 냉동기의 운전주파수의 변화를 나타내는 도이다.
도 5는 일 실시형태에 관한 크라이오펌프의 감시방법을 나타내는 플로차트이다.
도 6은 도 5에 나타나는 감시공정을, 보다 상세하게 나타내는 플로차트이다.
도 7은 일 실시형태에 관한 크라이오펌프를 개략적으로 나타내는 도이다.
도 8은 일 실시형태에 관한 응축기체량테이블의 일례를 개략적으로 나타내는 도이다.
이하, 도면을 참조하면서, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대하여 상세하게 설명한다. 설명 및 도면에 있어서 동일 또는 동등의 구성요소, 부재, 처리에는 동일한 부호를 붙이고, 중복되는 설명은 적절히 생략한다. 도시되는 각부(各部)의 축척이나 형상은, 설명을 용이하게 하기 위하여 편의적으로 설정되어 있고, 특별히 언급이 없는 한 한정적으로 해석되는 것은 아니다. 실시형태는 예시이며, 본 발명의 범위를 결코 한정하는 것은 아니다. 실시형태에 기술되는 모든 특징이나 그 조합은, 반드시 발명의 본질적인 것이라고는 한정할 수 없다.
도 1은, 일 실시형태에 관한 크라이오펌프(10)를 개략적으로 나타내는 도이다. 크라이오펌프(10)는, 예를 들면 스퍼터링장치, 증착장치, 또는 그 외의 진공프로세스장치의 진공챔버(90)에 장착되어, 진공챔버(90) 내부의 진공도를 원하는 진공프로세스에 요구되는 레벨까지 높이기 위하여 사용된다. 크라이오펌프(10)는, 배기되어야 할 기체를 진공챔버로부터 수용하기 위한 크라이오펌프흡기구(이하, 흡기구라고도 함)(12)를 갖는다. 흡기구(12)를 통하여 기체가 크라이오펌프(10)의 내부공간(14)에 진입한다.
크라이오펌프(10)는, 도시의 방향, 즉 흡기구(12)를 상방을 향하게 한 자세로 진공챔버에 설치되어 사용되는 것이 의도되어 있어도 된다. 단, 크라이오펌프(10)의 자세는 그에 한정되지 않고, 크라이오펌프(10)는 다른 방향으로 진공챔버에 설치되어도 된다.
다만 이하에서는, 크라이오펌프(10)의 구성요소의 위치관계를 알기 쉽게 나타내기 위하여, "축방향", "직경방향"이라는 용어를 사용하는 경우가 있다. 축방향은 흡기구(12)를 통과하는 방향(도 1에 있어서, 흡기구(12)의 중심을 통과하는 크라이오펌프 중심축(C)을 따르는 방향)을 나타내고, 직경방향은 흡기구(12)를 따르는 방향(중심축(C)에 수직인 방향)을 나타낸다. 편의상, 축방향에 관하여 흡기구(12)에 상대적으로 가까운 것을 "상측", 상대적으로 먼 것을 "하측"이라고 부르는 경우가 있다. 즉, 크라이오펌프(10)의 바닥부로부터 상대적으로 먼 것을 "상측", 상대적으로 가까운 것을 "하측"이라고 부르는 경우가 있다. 직경방향에 관해서는, 흡기구(12)의 중심(도 1에 있어서 중심축(C))에 가까운 것을 "내측", 흡기구(12)의 둘레가장자리에 가까운 것을 "외측"이라고 부르는 경우가 있다. 다만, 이러한 표현은 크라이오펌프(10)가 진공챔버에 장착되었을 때의 배치와는 관계가 없다. 예를 들면, 크라이오펌프(10)는 연직방향으로 흡기구(12)를 하향으로 하여 진공챔버에 장착되어도 된다.
또, 축방향을 둘러싸는 방향을 "둘레방향"이라고 부르는 경우가 있다. 둘레방향은, 흡기구(12)를 따르는 제2 방향이며, 직경방향에 직교하는 접선방향이다.
크라이오펌프(10)는, 냉동기(16), 제1단 크라이오패널(18), 제2단 크라이오패널(20), 및 크라이오펌프하우징(70)을 구비한다. 제1단 크라이오패널(18)은, 고온크라이오패널부 또는 100K부라고도 칭해질 수 있다. 제2단 크라이오패널(20)은, 저온크라이오패널부 또는 10K부라고도 칭해질 수 있다.
냉동기(16)는, 예를 들면 기포드·맥마흔식 냉동기(이른바 GM냉동기) 등의 극저온냉동기이다. 냉동기(16)는, 2단식의 냉동기이다. 그 때문에, 냉동기(16)는, 제1 냉각스테이지(22) 및 제2 냉각스테이지(24)를 구비한다. 냉동기(16)는, 제1 냉각스테이지(22)를 제1 냉각온도로 냉각하고, 제2 냉각스테이지(24)를 제2 냉각온도로 냉각하도록 구성되어 있다. 제2 냉각온도는 제1 냉각온도보다 저온이다. 예를 들면, 제1 냉각스테이지(22)는 65K~120K 정도, 바람직하게는 80K~100K로 냉각되고, 제2 냉각스테이지(24)는 10K~20K 정도로 냉각된다.
또, 냉동기(16)는, 제2 냉각스테이지(24)를 제1 냉각스테이지(22)에 구조적으로 지지함과 함께 제1 냉각스테이지(22)를 냉동기(16)의 실온부(26)에 구조적으로 지지하는 냉동기구조부(21)를 구비한다. 그 때문에 냉동기구조부(21)는, 직경방향을 따라 동축으로 뻗어 있는 제1 실린더(23) 및 제2 실린더(25)를 구비한다. 제1 실린더(23)는, 냉동기(16)의 실온부(26)를 제1 냉각스테이지(22)에 접속한다. 제2 실린더(25)는, 제1 냉각스테이지(22)를 제2 냉각스테이지(24)에 접속한다. 실온부(26), 제1 실린더(23), 제1 냉각스테이지(22), 제2 실린더(25), 및 제2 냉각스테이지(24)는, 이 순서로 직선상으로 일렬로 나열된다.
제1 실린더(23) 및 제2 실린더(25) 각각의 내부에는 제1 디스플레이서 및 제2 디스플레이서(도시하지 않음)가 왕복동(往復動) 가능하게 배치되어 있다. 제1 디스플레이서 및 제2 디스플레이서에는 각각 제1 축랭기 및 제2 축랭기(도시하지 않음)가 도입되어 있다. 또, 실온부(26)는, 제1 디스플레이서 및 제2 디스플레이서를 왕복동시키기 위한 구동기구(도 1에는 도시하지 않지만, 예를 들면 냉동기모터(80))를 갖는다. 구동기구는, 냉동기(16)의 내부로의 작동기체(예를 들면 헬륨)의 공급과 배출을 주기적으로 반복하도록 작동기체의 유로를 전환하는 유로전환기구를 포함한다.
제1 냉각스테이지(22)는, 냉동기(16)의 제1단 저온단에 설치되어 있다. 제1 냉각스테이지(22)는, 실온부(26)와 반대측에서 제1 실린더(23)의 단부를 외포(外包)하여, 작동기체의 제1 팽창공간을 둘러싸는 부재이다. 제1 팽창공간은, 제1 실린더(23)의 내부에 있어서 제1 실린더(23)와 제1 디스플레이서의 사이에 형성되고, 제1 디스플레이서의 왕복동에 따라 용적이 변화하는 가변용적이다. 제1 냉각스테이지(22)는, 제1 실린더(23)보다 높은 열전도율을 갖는 금속재료로 형성되어 있다. 예를 들면, 제1 냉각스테이지(22)는 구리로 형성되고, 제1 실린더(23)는 스테인리스강으로 형성된다.
제2 냉각스테이지(24)는, 냉동기(16)의 제2단 저온단에 설치되어 있다. 제2 냉각스테이지(24)는, 실온부(26)와 반대측에서 제2 실린더(25)의 단부를 외포하여, 작동기체의 제2 팽창공간을 둘러싸는 부재이다. 제2 팽창공간은, 제2 실린더(25)의 내부에 있어서 제2 실린더(25)와 제2 디스플레이서의 사이에 형성되고, 제2 디스플레이서의 왕복동에 따라 용적이 변화하는 가변용적이다. 제2 냉각스테이지(24)는, 제2 실린더(25)보다 높은 열전도율을 갖는 금속재료로 형성되어 있다. 제2 냉각스테이지(24)는 구리로 형성되고, 제2 실린더(25)는 스테인리스강으로 형성된다.
냉동기(16)는, 작동기체의 압축기(도시하지 않음)에 접속되어 있다. 냉동기(16)는, 압축기에 의하여 가압된 작동기체를 내부에서 팽창시켜 제1 냉각스테이지(22) 및 제2 냉각스테이지(24)를 냉각한다. 팽창한 작동기체는 압축기에 회수되어 다시 가압된다. 냉동기(16)는, 작동기체의 급배(給排)와 이에 동기한 제1 디스플레이서 및 제2 디스플레이서의 왕복동을 포함하는 열역학적 사이클을 반복함으로써 한랭을 발생시킨다.
도시되는 크라이오펌프(10)는, 이른바 가로형의 크라이오펌프이다. 가로형의 크라이오펌프란 일반적으로, 냉동기(16)가 크라이오펌프(10)의 중심축(C)에 교차하도록(통상은 직교하도록) 배치되어 있는 크라이오펌프이다. 냉동기(16)의 제1 냉각스테이지(22) 및 제2 냉각스테이지(24)는, 크라이오펌프 중심축(C)에 수직인 방향(도 1에 있어서 수평방향이며, 냉동기(16)의 중심축(D)의 방향)으로 배열되어 있다.
제1단 크라이오패널(18)은, 방사실드(30)와 입구크라이오패널(32)을 구비하고, 제2단 크라이오패널(20)을 포위한다. 제1단 크라이오패널(18)은, 크라이오펌프(10)의 외부 또는 크라이오펌프하우징(70)으로부터의 복사열로부터 제2단 크라이오패널(20)을 보호하기 위하여 마련되어 있는 크라이오패널이다. 제1단 크라이오패널(18)은 제1 냉각스테이지(22)에 열적으로 결합되어 있다. 따라서 제1단 크라이오패널(18)은 제1 냉각온도로 냉각된다. 제1단 크라이오패널(18)은 제2단 크라이오패널(20)과의 사이에 간극을 갖고 있고, 제1단 크라이오패널(18)은 제2단 크라이오패널(20)과 접촉하고 있지 않다. 방사실드(30) 및 입구크라이오패널(32)은, 예를 들면 구리 등의 고열전도율의 금속재료로 형성되고, 예를 들면 니켈 등의 도금층 또는 그 외의 피복층으로 피복되어 있어도 된다.
방사실드(30)는, 크라이오펌프하우징(70)의 복사열로부터 제2단 크라이오패널(20)을 보호하기 위하여 마련되어 있다. 방사실드(30)는, 크라이오펌프하우징(70)과 제2단 크라이오패널(20)의 사이에 있고, 제2단 크라이오패널(20)을 둘러싼다. 방사실드(30)는, 크라이오펌프(10)의 외부로부터 내부공간(14)에 기체를 수용하기 위한 실드주개구(34)를 갖는다. 실드주개구(34)는, 흡기구(12)에 위치한다.
방사실드(30)는, 실드주개구(34)를 정하는 실드전단(36)과, 실드주개구(34)와 반대측에 위치하는 실드바닥부(38)와, 실드전단(36)을 실드바닥부(38)에 접속하는 실드측부(40)를 구비한다. 실드전단(36)은, 실드측부(40)의 일부를 이룬다. 실드측부(40)는, 축방향으로 실드전단(36)으로부터 실드주개구(34)와 반대측으로 뻗어 있고, 둘레방향으로 제2 냉각스테이지(24)를 포위하도록 뻗어 있다. 방사실드(30)는, 실드바닥부(38)가 폐색된 통형(예를 들면 원통)의 형상을 갖고, 컵상으로 형성되어 있다. 실드측부(40)와 제2단 크라이오패널(20)의 사이에는, 환상간극(42)이 형성되어 있다.
다만, 실드바닥부(38)는, 실드측부(40)와는 별개의 부재여도 된다. 예를 들면, 실드바닥부(38)는, 실드측부(40)와 대략 동일한 직경을 갖는 평탄한 원반이어도 되고, 실드주개구(34)와 반대측에서 실드측부(40)에 장착되어 있어도 된다. 또, 실드바닥부(38)는, 그 적어도 일부가 개방되어 있어도 된다. 예를 들면, 방사실드(30)는, 실드바닥부(38)에 의하여 폐색되어 있지 않아도 된다. 즉, 실드측부(40)는, 양단이 개방되어 있어도 된다.
실드측부(40)는, 냉동기구조부(21)가 삽입되는 실드측부 개구(44)를 갖는다. 실드측부 개구(44)를 통하여 방사실드(30)의 외측으로부터 제2 냉각스테이지(24) 및 제2 실린더(25)가 방사실드(30) 내에 삽입된다. 실드측부 개구(44)는, 실드측부(40)에 형성된 장착구멍이며, 예를 들면 원형이다. 제1 냉각스테이지(22)는 방사실드(30)의 외측에 배치되어 있다.
실드측부(40)는, 냉동기(16)의 장착시트(46)를 구비한다. 장착시트(46)는, 제1 냉각스테이지(22)를 방사실드(30)에 장착하기 위한 평탄부분이며, 방사실드(30)의 외측에서 보아 약간 파여 있다. 장착시트(46)는, 실드측부 개구(44)의 외주를 형성한다. 장착시트(46)는, 축방향에 있어서는 실드전단(36)보다 실드바닥부(38)에 가깝다. 제1 냉각스테이지(22)가 장착시트(46)에 장착됨으로써, 방사실드(30)가 제1 냉각스테이지(22)에 열적으로 결합되어 있다.
입구크라이오패널(32)은, 크라이오펌프(10)의 외부의 열원으로부터의 복사열로부터 제2단 크라이오패널(20)을 보호하기 위하여 실드주개구(34)에 마련되어 있다. 크라이오펌프(10)의 외부의 열원은, 예를 들면 크라이오펌프(10)가 장착되는 진공챔버(90) 내의 열원이다. 입구크라이오패널(32)은, 복사열뿐만 아니라 기체분자의 진입도 제한할 수 있다. 입구크라이오패널(32)은, 실드주개구(34)를 통한 기체유입을 원하는 양으로 제한하도록 실드주개구(34)의 개구면적의 일부를 점유한다. 입구크라이오패널(32)과 실드전단(36)의 사이에는, 환상의 개방영역(48)이 형성되어 있다.
입구크라이오패널(32)은, 적절한 장착부재에 의하여 실드전단(36)에 장착되고, 방사실드(30)에 열적으로 결합되어 있다. 입구크라이오패널(32)은, 방사실드(30)를 통하여 제1 냉각스테이지(22)에 열적으로 결합되어 있다. 입구크라이오패널(32)은, 예를 들면 복수의 환상 또는 직선상의 미늘판(羽板)을 갖는다. 혹은, 입구크라이오패널(32)은, 1매의 판상부재여도 된다.
제2단 크라이오패널(20)은, 제2 냉각스테이지(24)를 둘러싸도록 하여 제2 냉각스테이지(24)에 장착되어 있다. 따라서, 제2단 크라이오패널(20)은, 제2 냉각스테이지(24)에 열적으로 결합되어 있고, 제2단 크라이오패널(20)은 제2 냉각온도로 냉각된다. 제2단 크라이오패널(20)은, 제2 냉각스테이지(24)와 함께 실드측부(40)에 포위되어 있다.
제2단 크라이오패널(20)은, 실드주개구(34)에 대면하는 톱크라이오패널(60)과, 톱크라이오패널(60)과 실드바닥부(38)의 사이에 배치된 크라이오패널부재(62)와, 크라이오패널장착부재(64)를 구비한다. 크라이오패널부재(62)는, 크라이오펌프 중심축(C)을 사이에 두고 제2 냉각스테이지(24)의 양측에 배치되어 있다. 크라이오패널부재(62)는, 크라이오펌프 중심축(C)에 수직인 평면을 따라 배치되어 있다. 톱크라이오패널(60) 및 크라이오패널부재(62)는, 크라이오패널장착부재(64)를 통하여 제2 냉각스테이지(24)에 장착되어 있다.
톱크라이오패널(60) 및 크라이오패널부재(62)와 실드측부(40)의 사이에는 환상간극(42)이 형성되어 있기 때문에, 톱크라이오패널(60) 및 크라이오패널부재(62)는 양방 모두 방사실드(30)에 접촉하고 있지 않다. 크라이오패널부재(62)는, 톱크라이오패널(60)에 의하여 덮여 있다.
톱크라이오패널(60)은, 제2단 크라이오패널(20) 중 입구크라이오패널(32)에 가장 근접하는 부분이다. 톱크라이오패널(60)은, 축방향에 있어서 실드주개구(34) 또는 입구크라이오패널(32)과 냉동기(16)의 사이에 배치되어 있다. 톱크라이오패널(60)은, 축방향에 있어서 크라이오펌프(10)의 내부공간(14)의 중심부에 위치한다. 그 때문에, 톱크라이오패널(60)의 전면(前面)과 입구크라이오패널(32)의 사이에 응축층의 수용스페이스(65)가 넓게 형성되어 있다. 응축층의 수용스페이스(65)는, 내부공간(14)의 상반분을 차지하고 있다. 수용스페이스(65)의 축방향 높이는, 방사실드(30)의 축길이의 1/3~2/3의 범위에 있어도 된다.
톱크라이오패널(60)은, 축방향에 수직으로 배치된 대략 평판의 크라이오패널이다. 즉 톱크라이오패널(60)은, 직경방향 및 둘레방향으로 뻗어 있다. 톱크라이오패널(60)은, 입구크라이오패널(32)보다 큰 치수(예를 들면 투영면적)를 갖는 원판상 패널이다. 단, 톱크라이오패널(60)과 입구크라이오패널(32)의 치수의 관계는 이에 한정되지 않고, 톱크라이오패널(60)의 쪽이 작아도 되며, 양자가 대략 동일한 치수를 가져도 된다.
톱크라이오패널(60)은, 냉동기구조부(21)와의 사이에 간극영역(66)을 형성하도록 배치되어 있다. 간극영역(66)은, 톱크라이오패널(60)의 이면과 제2 실린더(25)의 사이에서 축방향으로 형성된 비어있는 곳이다. 톱크라이오패널(60) 및 크라이오패널부재(62)는, 예를 들면 구리 등의 고열전도율의 금속재료로 형성되고, 예를 들면 니켈 등의 도금층으로 피복되어 있어도 된다.
크라이오패널부재(62)에는 활성탄 등의 흡착재(74)가 마련되어 있다. 흡착재(74)는 예를 들면 크라이오패널부재(62)의 이면에 접착되어 있다. 크라이오패널부재(62)의 전면은 응축면, 이면은 흡착면으로서 기능하는 것이 의도되고 있다. 크라이오패널부재(62)의 전면에 흡착재(74)가 마련되어 있어도 된다. 동일하게, 톱크라이오패널(60)은, 그 전면 및/또는 이면에 흡착재(74)를 가져도 된다. 혹은, 톱크라이오패널(60)은, 흡착재(74)를 구비하지 않아도 된다.
크라이오펌프(10)는, 실드주개구(34)로부터 유입되는 기체의 흐름을 냉동기구조부(21)로부터 편향시키도록 구성되어 있는 기체흐름조정부재(50)를 구비한다. 기체흐름조정부재(50)는, 입구크라이오패널(32) 또는 개방영역(48)을 통하여 수용스페이스(65)로 유입되는 기체흐름을 제2 실린더(25)로부터 편향시키도록 구성되어 있다. 기체흐름조정부재(50)는, 냉동기구조부(21) 또는 제2 실린더(25)의 상방에서 그에 인접하여 배치된 기체흐름편향부재 또는 기체흐름반사부재여도 된다. 기체흐름조정부재(50)는, 둘레방향에 있어서 실드측부 개구(44)와 동일한 위치에 국소적으로 마련되어 있다. 기체흐름조정부재(50)는, 위에서 보아 직사각형상이다. 기체흐름조정부재(50)는, 예를 들면 1매의 평탄플레이트이지만, 만곡되어 있어도 된다.
기체흐름조정부재(50)는, 실드측부(40)로부터 연장되어, 간극영역(66)에 삽입되어 있다. 단, 기체흐름조정부재(50)는, 톱크라이오패널(60), 제2 실린더(25), 및 그 외 간극영역(66)을 둘러싸는 제2 냉각온도의 부위에는 접촉하고 있지 않다. 기체흐름조정부재(50)는, 방사실드(30)를 통하여 제1 냉각스테이지(22)에 열적으로 결합되어 있다. 따라서, 기체흐름조정부재(50)는, 제1 냉각온도로 냉각된다.
크라이오펌프하우징(70)은, 제1단 크라이오패널(18), 제2단 크라이오패널(20), 및 냉동기(16)를 수용하는 크라이오펌프(10)의 케이스이며, 내부공간(14)의 진공기밀을 유지하도록 구성되어 있는 진공용기이다. 크라이오펌프하우징(70)은, 제1단 크라이오패널(18) 및 냉동기구조부(21)를 비접촉으로 포함한다. 크라이오펌프하우징(70)은, 냉동기(16)의 실온부(26)에 장착되어 있다.
크라이오펌프하우징(70)의 전단에 의하여, 흡기구(12)가 획정(劃定)되어 있다. 크라이오펌프하우징(70)은, 그 전단으로부터 직경방향외측을 향하여 뻗어 있는 흡기구플랜지(72)를 구비한다. 흡기구플랜지(72)는, 크라이오펌프하우징(70)의 전체둘레에 걸쳐서 마련되어 있다. 크라이오펌프(10)는, 흡기구플랜지(72)를 이용하여 진공챔버(90)에 장착된다.
크라이오펌프하우징(70)은, 방사실드(30)와 비접촉으로 방사실드(30)를 둘러싸는 크라이오패널수용부(76)와, 냉동기(16)의 제1 실린더(23)를 둘러싸는 냉동기수용부(77)를 구비한다. 크라이오패널수용부(76)와 냉동기수용부(77)는 일체적으로 형성되어 있다.
크라이오패널수용부(76)는, 일단에 흡기구플랜지(72)가 형성되고, 타단이 하우징바닥면(70a)으로서 폐색된 원통상 또는 돔상의 형상을 갖는다. 흡기구플랜지(72)를 하우징바닥면(70a)에 접속하는 크라이오패널수용부(76)의 측벽에는, 흡기구(12)와는 별도로, 냉동기(16)를 삽통(揷通)하는 개구가 형성되어 있다. 냉동기수용부(77)는 이 개구로부터 냉동기(16)의 실온부(26)로 뻗는 원통상의 형상을 갖는다. 냉동기수용부(77)는, 크라이오패널수용부(76)를 냉동기(16)의 실온부(26)에 접속한다.
크라이오펌프(10)의 작동에 있어서는, 먼저 그 작동 전에 다른 적당한 러핑펌프로 진공챔버(90) 내부를 1Pa 정도로까지 러프펌핑을 한다. 그 후, 크라이오펌프(10)를 작동시킨다. 냉동기(16)의 구동에 의하여 제1 냉각스테이지(22) 및 제2 냉각스테이지(24)가 각각 제1 냉각온도 및 제2 냉각온도로 냉각된다. 따라서, 이들에 열적으로 결합되어 있는 제1단 크라이오패널(18), 제2단 크라이오패널(20)도 각각 제1 냉각온도 및 제2 냉각온도로 냉각된다.
입구크라이오패널(32)은, 진공챔버(90)로부터 크라이오펌프(10)를 향하여 비래하는 기체를 냉각한다. 입구크라이오패널(32)의 표면에는, 제1 냉각온도에서 증기압이 충분히 낮은(예를 들면 10-8Pa 이하의) 기체가 응축한다. 이 기체는, 제1종 기체(타입1 가스라고도 함)라고 칭해져도 된다. 제1종 기체는 예를 들면 수증기이다. 이렇게 하여, 입구크라이오패널(32)은, 제1종 기체를 배기할 수 있다. 제1 냉각온도에서 증기압이 충분히 낮지 않은 기체의 일부는, 입구크라이오패널(32) 또는 개방영역(48)을 통과하여, 수용스페이스(65)로 진입한다. 혹은, 기체의 다른 일부는, 입구크라이오패널(32)에서 반사되어, 수용스페이스(65)에 진입하지 않는다.
수용스페이스(65)에 진입한 기체는, 제2단 크라이오패널(20)에 의하여 냉각된다. 제2단 크라이오패널(20)의 표면에는, 제2 냉각온도에서 증기압이 충분히 낮은(예를 들면 10-8Pa 이하의) 기체가 응축한다. 이 기체는, 제2종 기체(타입2 가스라고도 함)라고 칭해져도 된다. 다만 제2종 기체는, 제1 냉각온도에서는 응축하지 않고 기체이다. 제2종 기체는 예를 들면 아르곤, 질소, 산소이다. 이렇게 하여, 제2단 크라이오패널(20)은, 제2종 기체를 배기할 수 있다. 수용스페이스(65)에 직접 면하고 있기 때문에, 톱크라이오패널(60)의 전면에는, 제2종 기체의 응축층이 크게 성장할 수 있다. 크라이오펌프(10)는 수용스페이스(65)가 넓기 때문에, 다량의 제2종 기체를 저장할 수 있다.
제2 냉각온도에서 증기압이 충분히 낮지 않은 기체는, 제2단 크라이오패널(20)의 흡착재(74)에 흡착된다. 이 기체는, 제3종 기체(타입3 가스라고도 함)라고 칭해져도 된다. 제3종 기체는 예를 들면 수소이다. 이렇게 하여, 제2단 크라이오패널(20)은, 제3종 기체를 배기할 수 있다. 따라서, 크라이오펌프(10)는, 다양한 기체를 응축 또는 흡착에 의하여 배기하여, 진공챔버(90)의 진공도를 원하는 레벨에 도달시킬 수 있다.
배기운전이 계속됨으로써 크라이오펌프(10)에는 기체가 축적되어 간다. 축적된 기체를 외부로 배출하기 위하여, 크라이오펌프(10)의 재생이 행해진다. 재생이 완료되면, 다시 배기운전을 시작할 수 있다.
이와 같이 하여, 크라이오펌프(10)는, 기체(예를 들면 제2종 기체)의 응축층의 수용스페이스(65)를 갖도록 구성되어 있다. 제1단 크라이오패널(18)은, 수용스페이스(65)를 둘러싸도록 배치되고, 제2종 기체의 응축온도보다 높은 온도로 냉각된다. 제2단 크라이오패널(20)은, 수용스페이스(65)와 함께 제1단 크라이오패널 내면(예를 들면, 실드측부(40)의 내면)에 둘러싸여 배치되며, 제2종 기체의 응축온도 이하의 온도로 냉각된다. 제2단 크라이오패널(20)(예를 들면, 톱크라이오패널(60))에는, 제2종 기체의 응축층이 퇴적한다. 흡기구(12)는, 크라이오펌프(10)의 외측(즉 진공챔버(90))으로부터 제1단 크라이오패널 내면에 입사하는 제1단 열부하(예를 들면 복사열), 및 크라이오펌프(10)의 외측으로부터 수용스페이스(65)에 진입하는 기체의 통과를 허용한다.
또, 게이트밸브(92)가 크라이오펌프(10)와 진공챔버(90)의 사이에 설치되어 있다. 게이트밸브(92)는, 흡기구(12)에 인접하여 배치되어 있다. 흡기구플랜지(72)가 게이트밸브(92)의 편측에 장착되고, 진공챔버(90)의 개구부가 게이트밸브(92)의 반대측에 장착되어 있다. 게이트밸브(92)가 개방되어 있을 때에는, 진공챔버(90)로부터 흡기구(12)를 통하여 수용스페이스(65)로 제1단 열부하 및 제2종 기체를 진입시킬 수 있다. 게이트밸브(92)가 폐쇄되어 있을 때에는, 흡기구(12)가 폐쇄된다. 따라서, 제1단 열부하 및 제2종 기체는 수용스페이스(65)에 진입하지 않는다. 게이트밸브(92)는, 크라이오펌프(10)의 제조업자와는 다른 공급업자로부터 제공되어도 되고, 혹은 크라이오펌프(10)의 제조업자에 의하여 크라이오펌프(10)와 함께 제공되어도 된다.
또, 게이트밸브(92)를 제어하는 게이트밸브컨트롤러(94)가 마련되어 있어도 된다. 게이트밸브컨트롤러(94)는, 게이트밸브(92)의 개폐를 제어하도록 구성되어 있다. 게이트밸브컨트롤러(94)는, 진공챔버(90)를 갖는 진공프로세스장치의 제어장치의 일부를 구성해도 된다. 게이트밸브컨트롤러(94)는, 크라이오펌프(10)를 제어하는 크라이오펌프컨트롤러(이하에서는 CP컨트롤러라고도 칭함)(100)와 통신 가능하게 접속되어 있어도 된다. 게이트밸브컨트롤러(94)는, 게이트밸브(92)의 개폐상태를 나타내는 신호(예를 들면, 게이트밸브(92)가 폐쇄되어 있는 것을 나타내는 게이트밸브폐쇄신호(G))를 CP컨트롤러(100)에 출력하도록 구성되어 있어도 된다. 다만, 게이트밸브컨트롤러(94)는, 크라이오펌프(10)를 제어하는 크라이오펌프컨트롤러(이하에서는 CP컨트롤러라고도 칭함)(100)의 일부를 구성해도 되고, 혹은 단체(單體)로 마련되어 있어도 된다.
도 2는, 도 1에 나타나는 크라이오펌프(10)에 관한 제어블록도이다.
이러한 크라이오펌프(10)의 제어구성은, 하드웨어구성으로서는 컴퓨터의 CPU나 메모리를 비롯한 소자나 회로로 실현되고, 소프트웨어구성으로서는 컴퓨터프로그램 등에 의하여 실현되지만, 도 2에서는 적절히, 그들의 연계에 의하여 실현되는 기능블록으로서 그리고 있다. 이들 기능블록은 하드웨어, 소프트웨어의 조합에 의하여 다양한 형태로 실현될 수 있는 것은, 당업자에게는 이해되는 바이다.
크라이오펌프(10)는, CP컨트롤러(100)를 구비한다. CP컨트롤러(100)는, 각종 연산처리를 실행하는 CPU, 각종 제어프로그램을 저장하는 ROM, 데이터저장이나 프로그램실행을 위한 워크에어리어로서 이용되는 RAM, 입출력인터페이스, 메모리 등을 구비한다. 또, CP컨트롤러(100)는, 크라이오펌프(10)가 장착되는 진공프로세스장치를 제어하기 위한 상위의 컨트롤러(도시하지 않음)와도 통신 가능하게 구성되어 있다.
냉동기(16)는, 냉동기(16)의 열역학적 사이클을 구동하는 구동원으로서의 냉동기모터(80)와, 외부전원 예를 들면 상용전원으로부터 공급되는 규정의 전압 및 주파수의 전력을 조정하여 냉동기모터(80)에 공급하는 냉동기인버터(82)를 구비한다. 냉동기인버터(82)는, CP컨트롤러(100)에 의하여 제어되는 냉동기(16)의 운전주파수에 따라, 외부전원으로부터의 입력전력을 변환하여 냉동기모터(80)에 출력한다. 이렇게 하여 냉동기모터(80)는, CP컨트롤러(100)에 의하여 결정되어 냉동기인버터(82)로부터 출력된 운전주파수로 구동된다. 냉동기모터(80) 및 냉동기인버터(82)는, 도 1에 나타나는 실온부(26)에 탑재되어 있어도 된다.
냉동기(16)의 운전주파수(운전속도라고도 함)란, 냉동기모터(80)의 운전주파수 또는 회전수, 냉동기인버터(82)의 운전주파수, 냉동기(16)의 열역학적 사이클(예를 들면 GM사이클 등의 냉동사이클)의 주파수, 또는 이들 중 어느 하나를 나타낸다. 열역학적 사이클의 주파수란, 냉동기(16)에 있어서 행해지는 열역학적 사이클의 단위시간당 횟수이다.
또, 냉동기(16)는, 크라이오패널온도센서(84)를 구비한다. 크라이오패널온도센서(84)는, 제1 냉각스테이지(22)에 장착되어, 제1단 크라이오패널(18)의 온도를 측정한다. 크라이오패널온도센서(84)는, 제1단 크라이오패널(18)에 장착되어 있어도 된다. 크라이오패널온도센서(84)는, 제1단 크라이오패널(18)의 온도를 주기적으로 측정하고, 측정온도값을 나타내는 신호를 CP컨트롤러(100)에 출력하도록, CP컨트롤러(100)와 통신 가능하게 접속되어 있다.
CP컨트롤러(100)는, 제1단 크라이오패널(18)을 제1단 목표온도로 냉각하기 위하여 냉동기(16)의 운전주파수를 제어하는 제1단 온도제어부(102)를 구비한다. 제1단 온도제어부(102)는, 제1단 목표온도와 제1단 크라이오패널(18)의 측정온도의 편차의 함수로서(예를 들면 PID제어에 의하여) 냉동기(16)의 운전주파수를 결정하도록 구성되어 있다.
제1단 크라이오패널(18)로의 열부하가 증가했을 때 제1단 크라이오패널(18)의 온도가 높아질 수 있다. 크라이오패널온도센서(84)의 측정온도가 제1단 목표온도보다 고온인 경우에는, 제1단 온도제어부(102)는, 냉동기(16)의 운전주파수를 증가시킨다. 그 결과, 냉동기(16)에 있어서의 열역학적 사이클의 주파수도 증가되고(즉 냉동기(16)의 냉동능력은 높아지고), 제1단 크라이오패널(18)은 제1단 목표온도를 향하여 냉각된다. 반대로 크라이오패널온도센서(84)의 측정온도가 목표온도보다 저온인 경우에는, 냉동기(16)의 운전주파수는 감소되어 냉동능력은 저하되고, 제1단 크라이오패널(18)은 제1단 목표온도를 향하여 승온된다. 이렇게 하여, 제1단 크라이오패널(18)의 온도를 제1단 목표온도의 근방의 온도범위로 유지할 수 있다. 제1단 열부하에 따라 냉동기(16)의 운전주파수를 적절히 조정할 수 있기 때문에, 이러한 제어는 크라이오펌프(10)의 소비전력의 저감에 도움이 된다.
또, CP컨트롤러(100)는, 제1단 열부하의 변화에 근거하여 수용스페이스(65) 내의 응축기체량을 감시하는 제2단 크라이오패널감시부(104)를 구비한다. 제2단 크라이오패널감시부(104)는, 게이트밸브(92)의 개폐상태를 나타내는 신호(예를 들면, 게이트밸브폐쇄신호(G)) 게이트밸브컨트롤러(94)로부터 수신하도록 구성되어 있어도 된다. 제2단 크라이오패널감시부(104)의 상세는 후술한다.
도 3의 (a) 및 (b)는, 일 실시형태에 관한 크라이오펌프(10)의 감시방법을 원리적으로 설명하기 위한 도이다. 도 3의 (a)는, 제2종 기체의 응축층이 없는 초기의 상황을 나타내고, 도 3의 (b)는, 크라이오펌프(10)의 진공배기운전 중에 제2종 기체의 응축층(68)이 톱크라이오패널(60) 상에 성장한 상황을 나타낸다. 응축층(68)은, 제2종 기체 등의 기체의 얼음 또는 서리이다. 복사열(86a, 86b)과 제2종 기체의 기체분자(88)가 크라이오펌프(10)의 외측으로부터 흡기구(12)의 개방영역(48)을 통하여 수용스페이스(65)로 진입한다. 복사열(86a, 86b)과 제2종 기체의 기체분자(88)는, 진공챔버(90)로부터 크라이오펌프(10)로 직선경로를 따라 진입한다. 진입각도는 진공챔버(90) 내의 열원 및 기체입구의 위치를 포함하는 진공챔버(90)의 설계에 따라 정해질 수 있다. 편의상, 복사열(86a, 86b)의 예시적인 입사경로를 실선화살표로 도시하고, 제2종 기체의 기체분자(88)의 예시적인 입사경로를 파선화살표로 도시한다.
도 3의 (a)에 나타나는 바와 같이, 일부의 복사열(86a)은, 제1단 크라이오패널 내면 예를 들면 방사실드(30)의 내면에 입사하여, 제1단 열부하가 된다. 도에 있어서는 복사열(86a)은 실드측부(40)의 내주면에 입사하고 있지만, 복사열(86a)의 입사각도에 의존하여, 복사열(86a)은, 실드전단(36)의 내주면 또는 실드바닥부(38)의 상면에도 입사할 수 있다. 다른 일부의 복사열(86b)은, 제2단 크라이오패널(20) 예를 들면 톱크라이오패널(60)의 상면에 입사하여, 제2단 열부하가 된다. 상술한 바와 같이, 제1단 열부하는 냉동기(16)의 제1 냉각스테이지(22)에 의하여 제거되고, 제2단 열부하는 냉동기(16)의 제2 냉각스테이지(24)에 의하여 제거된다.
제2종 기체는 제2단 크라이오패널(20)에 의하여 냉각되어 응축되기 때문에, 제2종 기체의 기체분자(88)는, 도 3의 (b)에 나타나는 바와 같이, 제2종 기체의 응축층(68)으로서 톱크라이오패널(60) 상에 퇴적한다. 응축층(68)은 크라이오패널부재(62) 상에도 퇴적할 수 있지만, 여기에서는 도시하지 않는다. 흡기구(12)의 중심부에는 입구크라이오패널(32)이 배치되고, 그 주위에 개방영역(48)이 형성되어 있기 때문에, 응축층(68)의 성장속도 및 그 결과 발생하는 응축층(68)의 두께(축방향 높이)는, 외연(外緣)부에서 크고 중심부에서 작아진다. 그 때문에, 응축층(68)은, 도시되는 바와 같이, 개방영역(48)의 하방에서 융기하여, 입구크라이오패널(32)의 하방에 홈을 갖는 형상이 된다.
응축층(68)이 더 성장하면, 최종적으로는 응축층(68)은 제1단 크라이오패널(18) 중 어느 하나의 부위(예를 들면, 실드전단(36), 실드측부(40), 및/또는 입구크라이오패널(32))에 접촉한다. 제1단 크라이오패널(18)의 냉각온도는 제2종 기체의 응축온도보다 높고, 제1단 크라이오패널(18)은 제2종 기체를 응축할 수 없기 때문에, 응축층(68)은 제1단 크라이오패널(18)과의 접촉부위에서 재기화된다. 응축층(68)으로서 크라이오펌프(10)에 저장되어 있던 제2종 기체가 재방출되게 되고, 이 이후 크라이오펌프(10)는 제2종 기체의 배기기능을 제공할 수 없다. 즉, 크라이오펌프(10)는, 제1단 크라이오패널(18)과 응축층(68)의 접촉의 시점에서, 흡장한계를 맞는다.
만일, 크라이오펌프하우징(70)에 뷰포트 또는 그 외의 시야창이 마련되어 있으면, 작업자는, 응축층(68)을 크라이오펌프(10)의 외측으로부터 시야창을 통하여 봄으로써, 흡장한계로 곧 도달할지 여부를 예측할 수 있다. 그러나, 일반적으로, 기존의 크라이오펌프(10)는, 그러한 시야창을 갖지 않는다. 크라이오펌프(10)의 진공배기운전 중에 응축층(68)을 볼 수 없다. 다른 수법으로서, 진공챔버(90)에 도입된 제2종 기체의 누적량으로부터 흡장한계로의 도달시기를 알고자 하는 시도가 이루어지고 있다. 그러나, 흡장한계는, 제1단 크라이오패널(18)과 응축층(68)의 물리적 접촉에 의하기 때문에, 응축층(68)의 구체적인 형상에 의존한다. 그 때문에, 진공챔버(90)로의 제2종 기체의 누적도입량으로만 흡장한계의 도달시기를 정확하게 예측하는 것은 어렵다.
그래서, 본서에서는, 크라이오펌프(10)에 저장된 제2종 기체의 양이 흡장한계에 가까워지고 있는 것을 크라이오펌프(10)의 진공배기운전 중에 리얼타임으로 예측하기 위한 새로운 기술이 제안된다. 실시형태에 있어서는, 제1단 열부하의 변화에 근거하여 수용스페이스(65) 내의 응축기체량이 감시된다.
이 컨셉은, 흡기구(12)를 통하여 크라이오펌프(10)에 입사하는 제1단 열부하와 제2단 열부하의 비율이 응축층(68)의 체적 및/또는 형상에 따라 변화하는 것에 근거한다. 응축층(68)의 체적 및/또는 형상이 변화하면, 제1단 열부하와 제2단 열부하가 각각 변화하고, 냉동기(16)에 의한 제1단 크라이오패널(18)과 제2단 크라이오패널(20)의 냉각밸런스가 바뀐다. 따라서, 제1단 열부하의 변화를 검지함으로써, 응축층(68)의 체적 및/또는 형상의 변화를 나타내는 정보를 취득할 수 있다.
도 3의 (a)를 참조하여 상술한 바와 같이, 응축층(68)이 없는 상황에서는, 일부의 복사열(86a)이 제1단 열부하가 되고, 다른 일부의 복사열(86b)이 제2단 열부하가 되고 있다. 응축층(68)이 성장하면, 도 3의 (b)에 나타나는 바와 같이, 복사열(86a, 86b)은 함께, 응축층(68)에 입사할 수 있다. 응축층(68)은, 제1단 크라이오패널 내면을 향하는 복사열(86a)을 차폐하는 이른바 벽이 된다. 응축층(68)은 톱크라이오패널(60) 상에 퇴적하고 있기 때문에, 응축층(68)에 입사하는 복사열(86a, 86b)은 제2단 열부하가 된다. 이와 같이, 응축층(68)의 성장에 따라 응축층(68)의 축방향 높이가 커질수록, 제1단 열부하가 감소되고 제2단 열부하가 증가하는 경향이 있다. 응축층(68)에 저장된 제2종 기체의 양은 제1단 열부하(또는 제2단 열부하)와 상관한다고 할 수 있다.
따라서, 제1단 열부하가 감소된 경우에는, 수용스페이스(65) 내의 응축기체량이 증가했다고 판정할 수 있다. 또, 제1단 열부하가 증가한 경우에는(일반적으로 크라이오펌프(10)의 진공배기운전 중에는 응축기체량은 서서히 증가해 가기 때문에, 그러한 상황은 일어나기 어렵지만), 수용스페이스(65) 내의 응축기체량이 감소되었다고 판정할 수 있다. 이와 같이 하여, 제1단 열부하의 변화에 근거하여 수용스페이스(65) 내의 응축기체량을 감시할 수 있다.
제1단 열부하의 변화는, 냉동기(16)의 적어도 하나의 운전파라미터의 변화로서 검지될 수 있다. 제1단 크라이오패널(18)을 제1단 목표온도로 냉각하도록 냉동기(16)의 운전주파수가 제어되는 크라이오펌프(10)에 있어서는, 제1단 열부하의 변화는, 냉동기(16)의 운전주파수의 변화로서 검지될 수 있다.
도 4는, 크라이오펌프(10)의 진공배기운전 중에 있어서의 냉동기(16)의 운전주파수의 변화를 나타낸다. 도 4에 있어서, 세로축은 냉동기(16)의 운전주파수[Hz]를 나타내고, 가로축은 진공챔버(90)에 공급한 제2종 기체(아르곤가스)의 양[std L]을 나타내며, 이것은 도 3의 (b)에 나타나는 응축층(68)에 응축한 제2종 기체의 양(흡장량이라고도 함)에 상당한다.
도 4에 나타나는 바와 같이, 흡장량이 증가함에 따라 냉동기(16)의 운전주파수는 저하되는 경향을 취한다. 흡장량이 증가하여 응축층(68)이 성장하면, 상술한 바와 같이, 제1단 열부하가 감소된다. 제1단 열부하가 감소되면, 크라이오패널온도센서(84)에 의하여 측정되는 제1단 크라이오패널(18)의 온도는 저하될 수 있다. 그러나, 제1단 크라이오패널(18)은 제1단 목표온도로 온도제어되어 있기 때문에, 실제로는, 냉동기(16)의 운전주파수가 감소되고, 냉동기(16)의 냉동능력이 저하되어, 제1단 크라이오패널(18)은 제1단 목표온도로 유지된다. 다만, 도시되는 것은, 어느 특정의 설계를 갖는 크라이오펌프(10)에 대한 본 발명자에 의한 시험결과이지만, 다양한 크라이오펌프(10)에 대해서도 동일한 경향을 취하는 것이 확인되고 있다.
도 4의 세로축에는, 제1 임계값(S1) 및 제2 임계값(S2)이 나타나고, 가로축에는 설계상의 흡장한계의 값(VL)이 나타나 있다. 제1 임계값(S1)은, 크라이오펌프(10)에 의한 제2종 기체의 흡장량이 설계상의 흡장한계의 값(VL)에 도달할 때에 취할 수 있는 냉동기(16)의 운전주파수에 상당한다. 제2 임계값(S2)은, 크라이오펌프(10)에 의한 제2종 기체의 흡장량이 허용흡장량(VA)에 도달할 때에 취할 수 있는 냉동기(16)의 운전주파수에 상당한다. 여기에서, 허용흡장량(VA)은, 설계상의 흡장한계의 값(VL)으로부터 소정의 마진을 공제한 값이다. 마진은, 설계상의 흡장한계의 값(VL)의 예를 들면 20% 이내, 또는 10% 이내, 또는 5% 이내의 크기여도 되고, 설계상의 흡장한계의 값(VL)의 예를 들면 1%보다 커도 된다. 제1 임계값(S1) 및 제2 임계값(S2)은, 실험적으로 또는 경험적으로 적절히 정할 수 있다.
따라서, 크라이오펌프(10)의 진공배기운전 중에 냉동기(16)의 운전주파수가 제1 임계값(S1) 또는 제2 임계값(S2)까지 저하된 경우에는, 제2종 기체의 흡장량이 흡장한계에 가까워지고 있다고 간주할 수 있다. 냉동기(16)의 운전주파수는, 제2종 기체의 흡장량, 즉 수용스페이스(65) 내의 응축기체량을 리얼타임으로 나타내는 지표로서 이용할 수 있다. 이와 같이, 냉동기(16)의 운전주파수를 감시함으로써, 제2종 기체의 흡장량이 흡장한계에 가까워지고 있는 것을 크라이오펌프(10)의 진공배기운전 중에 리얼타임으로 예측할 수 있다.
도 5는, 일 실시형태에 관한 크라이오펌프(10)의 감시방법을 나타내는 플로차트이다. 이 방법은, 냉각공정(S10)과, 퇴적공정(S12)과, 감시공정(S14)을 구비한다.
냉각공정(S10)은, 제1단 크라이오패널(18)을 제2종 기체의 응축온도보다 높은 온도로 냉각함과 함께, 제2단 크라이오패널(20)을 제2종 기체의 응축온도 이하의 온도로 냉각하는 것을 포함한다. 예를 들면, 냉각공정(S10)은, CP컨트롤러(100)의 제1단 온도제어부(102)에 의하여, 제1단 크라이오패널(18)을 제1단 목표온도로 냉각하기 위하여 냉동기(16)의 운전주파수를 제어하는 것을 포함한다.
퇴적공정(S12)은, 도 3의 (b)에 나타나는 바와 같이, 크라이오펌프(10)의 외측으로부터 흡기구(12)를 통하여 수용스페이스(65)에 진입하는 제2종 기체의 응축층(68)을 제2단 크라이오패널(20)에 퇴적시키는 것을 포함한다.
감시공정(S14)은, 크라이오펌프(10)의 외측으로부터 흡기구(12)를 통하여 제1단 크라이오패널(18)의 내면에 입사하는 제1단 열부하의 변화에 근거하여 수용스페이스(65) 내의 응축기체량을 감시하는 것을 포함한다. 상술한 바와 같이, 수용스페이스(65) 내의 응축기체량은 주로, 톱크라이오패널(60) 상에 응축한 응축층(68)에 포착된 제2종 기체의 양에 상당한다.
예를 들면, 감시공정(S14)은, CP컨트롤러(100)의 제2단 크라이오패널감시부(104)에 의하여, 제1단 열부하가 감소된 경우(예를 들면 냉동기(16)의 운전주파수가 저하된 경우)에 응축기체량이 증가했다고 판정하는 것을 포함한다. 또, 제2단 크라이오패널감시부(104)는, 제1단 열부하가 증가한 경우(예를 들면 냉동기(16)의 운전주파수가 증가한 경우)에 응축기체량이 감소되었다고 판정해도 된다.
도 6은, 도 5에 나타나는 감시공정(S14)을, 보다 상세하게 나타내는 플로차트이다. 먼저, 제2단 크라이오패널감시부(104)는, 제1단 온도제어부(102)로부터 냉동기(16)의 운전주파수를 취득한다(S16).
냉동기(16)의 운전주파수는, 진공챔버(90)로부터 흡기구(12)를 통한 크라이오펌프(10)로의 입열(入熱)량의 변화에 따라 바뀔 수 있다. 진공챔버(90)로부터의 입열량은 예를 들면, 진공챔버(90)에서 행해지는 진공프로세스에 의존할 수 있다. 이와 같은 진공챔버(90)에서의 열적조건의 변화는, 냉동기(16)의 운전주파수에 근거하여 응축기체량을 추정하는 데에 오차를 초래할 수 있다. 그래서, 제2단 크라이오패널감시부(104)는, 흡기구(12)에 크라이오펌프(10)의 외측으로부터 입사하는 복사열이 소정값이 되는 타이밍에서 냉동기(16)의 운전주파수를 취득하는 것이 바람직하다. 이와 같이 하면, 진공챔버(90)에서의 열적조건의 변화의 영향을 저감 또는 방지할 수 있다.
타이밍에서는, 예를 들면 게이트밸브(92)가 폐쇄되어 있다. 따라서, 제2단 크라이오패널감시부(104)는, 게이트밸브폐쇄신호(G)에 응답하여 냉동기(16)의 운전주파수를 취득해도 된다. 게이트밸브(92)의 폐쇄에 의하여 흡기구(12)가 폐쇄되고, 진공챔버(90)로부터 크라이오펌프(10)의 내부공간(14)이 격리된다. 그 때문에, 진공챔버(90)로부터 흡기구(12)를 통한 크라이오펌프(10)로의 입열은, 제한되거나 또는 실질적으로 차단된다. 이와 같이 하여 크라이오펌프(10)로부터 진공챔버(90)를 열적으로 분리함으로써, 제2단 크라이오패널감시부(104)는, 진공챔버(90)에서의 열적조건의 변화에 의한 영향이 저감 또는 방지된 냉동기(16)의 운전주파수를 취득할 수 있다.
제2단 크라이오패널감시부(104)는, 냉동기(16)의 운전상태가 안정화되어 있을 때에 제1단 온도제어부(102)로부터 냉동기(16)의 운전주파수 또는 그 외의 운전파라미터를 취득해도 된다. 예를 들면, 제2단 크라이오패널감시부(104)는, 게이트밸브폐쇄신호(G)의 수신 또는 그 외의 상기 타이밍으로부터 소정 시간이 경과했을 때에 냉동기(16)의 운전주파수를 취득해도 된다. 혹은, 제2단 크라이오패널감시부(104)는, 상기 타이밍 이후에 있어서 냉동기(16)의 운전주파수의 변화속도가 소정 임계값 이내가 되었을 때에 냉동기(16)의 운전주파수를 취득해도 된다. 이와 같이 하면, 게이트밸브(92)의 폐쇄 직후 등 과도기적인 상태로 냉동기(16)의 운전주파수를 취득하는 것을 피할 수 있다.
계속해서, 제2단 크라이오패널감시부(104)는, 취득한 냉동기(16)의 운전주파수를 임계값(S)과 비교한다(S18). 임계값(S)은, 도 4에 나타나는 제1 임계값(S1) 또는 제2 임계값(S2) 중 어느 것이어도 된다.
냉동기(16)의 운전주파수가 임계값(S)을 하회하는 경우에는(S18의 Y), 제2단 크라이오패널감시부(104)는, 응축기체량이 기준값을 초과했다고 판정한다(S20). 임계값(S)이 제1 임계값(S1)인 경우에는, 기준값은, 설계상의 흡장한계의 값(VL)에 상당한다. 임계값(S)이 제2 임계값(S2)인 경우에는, 기준값은, 허용흡장량(VA)에 상당한다. 제2단 크라이오패널감시부(104)는, 응축기체량이 기준값을 초과한 것을 출력하도록 구성되어 있어도 된다. 예를 들면, 제2단 크라이오패널감시부(104)는, 응축기체량이 기준값을 초과한 것을 화상, 음성, 또는 그 외의 적절한 형식에 따라 작업자에게 제시하도록 구성되어 있어도 된다.
냉동기(16)의 운전주파수가 임계값(S)을 초과하는 경우에는(S18의 N), 제2단 크라이오패널감시부(104)는, 응축기체량이 기준값을 하회한다고 판정한다(S22). 동일하게, 제2단 크라이오패널감시부(104)는, 응축기체량이 기준값을 하회하는 것을 출력하도록 구성되어 있어도 된다.
이와 같이 하여, 감시공정(S14)은 종료된다. 감시공정(S14)은, 게이트밸브(92)를 폐쇄하는 것이 허용될 때마다, 또는 정기적으로, 또는 그 외에 적절한 빈도로, 반복하여 행해져도 된다.
도 7은, 일 실시형태에 관한 크라이오펌프(10)를 개략적으로 나타내는 도이다. 도시되는 바와 같이, 냉동기(16)는, 제1 냉각스테이지(22)를 가열하는 출력가변의 히터(96), 예를 들면 전기히터를 구비해도 된다. 히터(96)는, 제1 냉각스테이지(22)에 장착되어 있어도 된다. 혹은, 히터(96)는, 제1단 크라이오패널(18)의 어느 하나의 부위에 장착되어 있어도 된다.
이 경우, 제1단 온도제어부(102)는, 제1단 크라이오패널(18)을 제1단 목표온도로 냉각하기 위하여 히터(96)의 출력(예를 들면, 히터(96)에 공급되는 전압 및/또는 전류)을 제어해도 된다. 제1단 온도제어부(102)는, 제1단 목표온도와 제1단 크라이오패널(18)의 측정온도의 편차의 함수로서(예를 들면 PID제어에 의하여) 히터(96)의 출력을 결정하도록 구성되어 있어도 된다.
제1단 크라이오패널(18)로의 열부하가 증가했을 때 제1단 크라이오패널(18)의 온도가 높아질 수 있다. 크라이오패널온도센서(84)의 측정온도가 제1단 목표온도보다 고온인 경우에는, 제1단 온도제어부(102)는, 히터(96)의 출력을 저하시킨다. 그 결과, 제1단 크라이오패널(18)은 제1단 목표온도를 향하여 냉각된다. 반대로 크라이오패널온도센서(84)의 측정온도가 목표온도보다 저온인 경우에는, 제1단 온도제어부(102)는, 히터(96)의 출력을 증가시킨다. 그 결과, 제1단 크라이오패널(18)은 제1단 목표온도를 향하여 승온된다. 이렇게 하여, 제1단 크라이오패널(18)의 온도를 제1단 목표온도의 근방의 온도범위로 유지할 수 있다.
제2단 크라이오패널감시부(104)는, 제1단 열부하의 변화에 근거하여 수용스페이스(65) 내의 응축기체량을 감시하고, 보다 구체적으로는, 제1단 열부하가 감소된 경우에 수용스페이스(65) 내의 응축기체량이 증가했다고 판정한다. 그 때문에, 제2단 크라이오패널감시부(104)는, 제1단 온도제어부(102)로부터 히터(96)의 출력을 취득하고, 히터(96)의 출력을 임계값과 비교하도록 구성되어 있어도 된다. 제2단 크라이오패널감시부(104)는, 히터(96)의 출력이 당해 임계값을 상회하는 경우에 응축기체량이 기준값을 초과했다고 판정해도 된다. 제2단 크라이오패널감시부(104)는, 히터(96)의 출력이 당해 임계값에 충족되지 않은 경우에 응축기체량이 기준값을 하회한다고 판정해도 된다.
제2단 크라이오패널감시부(104)는, 흡기구(12)에 크라이오펌프(10)의 외측으로부터 입사하는 복사열이 소정값이 되는 타이밍에서 히터(96)의 출력을 제1단 온도제어부(102)로부터 취득해도 된다. 타이밍에서는, 게이트밸브(92)가 폐쇄되어 있어도 된다.
이상 설명한 바와 같이, 실시형태에 관한 크라이오펌프(10)에 있어서는, 제1단 열부하의 변화에 근거하여 수용스페이스(65) 내의 응축기체량이 감시된다. 제1단 열부하의 변화는 응축층(68)의 형상의 변화를 반영하기 때문에, 진공챔버(90)에 도입된 제2종 기체의 누적량으로만 흡장한계로의 도달을 예측하는 기존의 시도에 비하여, 크라이오펌프(10) 내의 응축기체량을 보다 정확하게 추정하는 것이 가능해진다. 크라이오펌프(10)에 저장된 기체의 양이 흡장한계에 가까워지고 있는 것을 크라이오펌프의 사용 중에 예측할 수 있다.
보다 구체적으로는, 냉동기(16)의 운전주파수 또는 히터출력과 같은 냉동기(16)의 운전파라미터의 변화로서 제1단 열부하의 변화를 검지하고, 검지된 운전파라미터의 변화에 근거하여 수용스페이스(65) 내의 응축기체량이 감시된다. 이와 같이 하여, 제2종 기체의 흡장량이 흡장한계에 가까워지고 있는 것을 크라이오펌프(10)의 진공배기운전 중에 리얼타임으로 예측할 수 있다.
종래에 비하여 흡장량이 흡장한계에 보다 접근할 때까지 크라이오펌프(10)를 계속 사용하는 것이 가능해져, 크라이오펌프(10)의 재생인터벌(전회의 재생부터 다음의 재생까지의 기간)을 길게 할 수 있다. 크라이오펌프(10)가 탑재되는 진공프로세스장치의 스루풋향상으로 이어지도록, 크라이오펌프(10)의 재생스케줄을 진공프로세스장치에 있어서의 생산계획에 적합시키는 것이 보다 용이해진다.
이상, 본 발명을 실시예에 근거하여 설명했다. 본 발명은 상기 실시형태에 한정되지 않고, 다양한 설계변경이 가능하며, 다양한 변형예가 가능한 것, 또 그러한 변형예도 본 발명의 범위에 있는 것은, 당업자에게 이해되는 바이다.
일 실시형태에 있어서는, 도 8에 나타나는 바와 같이, 제2단 크라이오패널감시부(104)는, 응축기체량의 복수의 값 각각을 냉동기(16)의 운전파라미터(예를 들면, 운전주파수 또는 히터(96)의 출력)의 값에 대응시킨 응축기체량테이블(106)을 구비해도 된다. 응축기체량테이블(106)은, 룩업테이블, 함수, 또는 그 외 임의의 형식을 가져도 된다. 제2단 크라이오패널감시부(104)는, 냉동기(16)의 운전파라미터를 제1단 온도제어부(102)로부터 취득해도 된다. 제2단 크라이오패널감시부(104)는, 냉동기(16)의 운전파라미터와 응축기체량테이블(106)로부터 응축기체량의 추측값을 산출해도 된다. 제2단 크라이오패널감시부(104)는, 산출된 응축기체량의 추측값을 화상, 음성, 또는 그 외의 적절한 형식에 의하여 출력하도록 구성되어 있어도 된다. 이와 같이 하면, 크라이오펌프(10)는, 응축기체량을 리얼타임으로 추측할 수 있다.
상기의 설명에 있어서는 가로형의 크라이오펌프를 예시했지만, 본 발명은, 세로형 그 외의 크라이오펌프에도 적용 가능하다. 다만, 세로형의 크라이오펌프란, 냉동기(16)가 크라이오펌프(10)의 크라이오펌프 중심축(C)을 따라 배치되어 있는 크라이오펌프를 말한다. 또, 크라이오패널의 배치나 형상, 수 등 크라이오펌프의 내부구성은, 상술한 특정의 실시형태에는 한정되지 않는다. 다양한 공지의 구성을 적절히 채용할 수 있다.
본 발명은, 크라이오펌프 및 크라이오펌프의 감시방법의 분야에 있어서의 이용이 가능하다.
10 크라이오펌프
12 흡기구
16 냉동기
18 제1단 크라이오패널
20 제2단 크라이오패널
22 제1 냉각스테이지
24 제2 냉각스테이지
65 수용스페이스
68 응축층
86a, 86b 복사열
92 게이트밸브
96 히터
102 제1단 온도제어부
104 제2단 크라이오패널감시부
106 응축기체량테이블

Claims (12)

  1. 기체의 응축층의 수용스페이스를 갖는 크라이오펌프로서,
    상기 기체의 응축온도보다 높은 온도로 냉각되는 제1단 크라이오패널이며, 상기 수용스페이스를 둘러싸도록 배치된 제1단 크라이오패널 내면을 갖는 제1단 크라이오패널과,
    상기 기체의 응축온도 이하의 온도로 냉각되어, 상기 기체의 응축층이 퇴적하는 제2단 크라이오패널이고, 상기 수용스페이스와 함께 상기 제1단 크라이오패널 내면에 둘러싸여 배치된 제2단 크라이오패널과,
    상기 크라이오펌프의 외측으로부터 상기 제1단 크라이오패널 내면에 입사하는 제1단 열부하, 및 상기 크라이오펌프의 외측으로부터 상기 수용스페이스에 진입하는 상기 기체의 통과를 허용하는 크라이오펌프흡기구와,
    상기 제1단 열부하의 변화에 근거하여 상기 수용스페이스 내의 응축기체량을 감시하는 제2단 크라이오패널감시부를 구비하는 것을 특징으로 하는 크라이오펌프.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2단 크라이오패널감시부는, 상기 제1단 열부하가 감소된 경우에 상기 응축기체량이 증가했다고 판정하는 것을 특징으로 하는 크라이오펌프.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1단 크라이오패널에 열적으로 결합된 제1 냉각스테이지와, 상기 제2단 크라이오패널에 열적으로 결합된 제2 냉각스테이지를 구비하는 냉동기와,
    상기 제1단 크라이오패널을 제1단 목표온도로 냉각하기 위하여 상기 냉동기의 운전주파수를 제어하는 제1단 온도제어부를 더 구비하고,
    상기 제2단 크라이오패널감시부는, 상기 냉동기의 운전주파수를 임계값과 비교하여, 상기 냉동기의 운전주파수가 상기 임계값을 하회하는 경우에 상기 응축기체량이 기준값을 초과했다고 판정하는 것을 특징으로 하는 크라이오펌프.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2단 크라이오패널감시부는, 상기 크라이오펌프흡기구에 상기 크라이오펌프의 외측으로부터 입사하는 복사열이 소정값이 되는 타이밍에서 상기 냉동기의 운전주파수를 취득하고, 취득한 상기 냉동기의 운전주파수를 상기 임계값과 비교하는 것을 특징으로 하는 크라이오펌프.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 크라이오펌프흡기구를 폐쇄하는 게이트밸브가 마련되어 있고,
    상기 타이밍에서는, 상기 게이트밸브가 폐쇄되어 있는 것을 특징으로 하는 크라이오펌프.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 응축기체량의 복수의 값 각각을 상기 냉동기의 운전주파수의 값에 대응시킨 응축기체량테이블을 더 구비하고,
    상기 제2단 크라이오패널감시부는, 상기 냉동기의 운전주파수와 상기 응축기체량테이블로부터 상기 응축기체량의 추측값을 산출하는 것을 특징으로 하는 크라이오펌프.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1단 크라이오패널에 열적으로 결합된 제1 냉각스테이지와, 상기 제1 냉각스테이지를 가열하는 히터와, 상기 제2단 크라이오패널에 열적으로 결합된 제2 냉각스테이지를 구비하는 냉동기와,
    상기 제1단 크라이오패널을 제1단 목표온도로 냉각하기 위하여 상기 히터의 출력을 제어하는 제1단 온도제어부를 더 구비하고,
    상기 제2단 크라이오패널감시부는, 상기 히터의 출력을 임계값과 비교하여, 상기 히터의 출력이 상기 임계값을 상회하는 경우에 상기 응축기체량이 기준값을 초과했다고 판정하는 것을 특징으로 하는 크라이오펌프.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1단 크라이오패널에 열적으로 결합된 제1 냉각스테이지와, 상기 제2단 크라이오패널에 열적으로 결합된 제2 냉각스테이지를 구비하는 냉동기와,
    상기 제1단 크라이오패널을 제1단 목표온도로 냉각하기 위하여 상기 냉동기의 운전파라미터를 제어하는 제1단 온도제어부를 더 구비하고,
    상기 제2단 크라이오패널감시부는, 상기 냉동기의 운전파라미터를 상기 제1단 온도제어부로부터 취득하며, 상기 냉동기의 운전파라미터를 임계값과 비교함으로써 상기 응축기체량이 기준값을 초과했는지 여부를 판정하는 것을 특징으로 하는 크라이오펌프.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2단 크라이오패널감시부는, 상기 크라이오펌프흡기구에 상기 크라이오펌프의 외측으로부터 입사하는 복사열이 소정값이 되는 타이밍에서 상기 냉동기의 운전파라미터를 취득하고, 취득한 상기 냉동기의 운전파라미터를 상기 임계값과 비교하는 것을 특징으로 하는 크라이오펌프.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 응축기체량의 복수의 값 각각을 상기 냉동기의 운전파라미터의 값에 대응시킨 응축기체량테이블을 더 구비하고,
    상기 제2단 크라이오패널감시부는, 상기 냉동기의 운전파라미터와 상기 응축기체량테이블로부터 상기 응축기체량의 추측값을 산출하는 것을 특징으로 하는 크라이오펌프.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1단 크라이오패널은 제1 냉각온도로 냉각되고, 상기 제2단 크라이오패널은 상기 제1 냉각온도보다 낮은 제2 냉각온도로 냉각되며,
    상기 기체는, 상기 제1 냉각온도에서는 응축하지 않고, 상기 제2 냉각온도에서 응축하는 타입2 가스인 것을 특징으로 하는 크라이오펌프.
  12. 크라이오펌프의 감시방법으로서,
    상기 크라이오펌프는, 기체의 응축층의 수용스페이스를 둘러싸도록 배치된 제1단 크라이오패널 내면을 갖는 제1단 크라이오패널과, 상기 수용스페이스와 함께 상기 제1단 크라이오패널 내면에 둘러싸여 배치된 제2단 크라이오패널을 구비하고,
    상기 방법은,
    상기 제1단 크라이오패널을 상기 기체의 응축온도보다 높은 온도로 냉각함과 함께, 상기 제2단 크라이오패널을 상기 기체의 응축온도 이하의 온도로 냉각하는 것과,
    상기 크라이오펌프의 외측으로부터 크라이오펌프흡기구를 통하여 상기 수용스페이스에 진입하는 상기 기체의 응축층을 상기 제2단 크라이오패널에 퇴적시키는 것과,
    상기 크라이오펌프의 외측으로부터 상기 크라이오펌프흡기구를 통하여 상기 제1단 크라이오패널 내면에 입사하는 제1단 열부하의 변화에 근거하여 상기 수용스페이스 내의 응축기체량을 감시하는 것을 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
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