CN103223260A - 冷阱及冷阱的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种冷阱及冷阱的控制方法，其目的在于能够实现冷阱的连续运行。本发明的冷阱（10）具备2个能够独立控制的冷却单元（20，22）。冷阱（10）配置于将真空腔室（16）连接在涡轮分子泵（12）的排气流路（14）。第1冷却单元（20）包含：露出于排气流路（14）而配置的第1板单元（26）；及热连接于第1板单元（26）并对冷却第1板单元（26）进行冷却的第1制冷机（24）。第2冷却单元（22）包含：露出于排气流路（14）而配置的第2板单元（30）；及热连接于第2板单元（30）并对第2板单元（30）进行冷却的第2制冷机（28）。第1板单元（26）远离第2板单元（30）而配置。

Description

冷阱及冷阱的控制方法

技术领域

本发明涉及一种冷阱及冷阱的控制方法。

背景技术

作为通过冷凝或吸附而将气体分子捕捉在冷却至超低温的低温板上来提高真空度的装置，已知有低温泵或冷阱（例如参考专利文献1）。冷阱通常设置于涡轮分子泵等真空泵的前段，与真空泵协同进行排气动作。在冷阱中，通常附带设置有冷却用流体的供给系统或超低温制冷机等冷却装置，低温板的表面被冷却至超低温。

专利文献1：日本特开2009-262083号公报

冷阱中，通常捕捉在低温板表面的水分等的量越多排气能力越降低，所以需要定期进行向外部排出被捕捉的水分等的再生处理。该再生处理中，由于水分等从低温板再气化，所以通常用阀等从排气对象切断开冷阱，或者停止包括冷阱的整个装置的运行。当为前者时向真空度的不良影响令人担忧，为后者时存在被安装冷阱的装置的利用率降低的可能性。

发明内容

本发明是鉴于这种情况而完成的，其目的在于提供一种能够连续运行的冷阱及冷阱的控制方法。

本发明的一种形态涉及冷阱。该冷阱为具备能够独立控制的多个冷却单元，且配置于将排气对象容积与真空泵连接的排气流路内，其中各冷却单元包含：露出配置于排气流路的板单元；及与板单元热连接并对板单元进行冷却的制冷机。各冷却单元的板单元远离其他冷却单元的板单元而配置。

本发明的其他形态为控制方法。该方法为具备多个能够独立控制的冷却单元且配置于将排气对象容积连接于真空泵的排气流路的冷阱的控制方法，其中各冷却单元包含：露出于排气流路而配置的板单元；及热连接于板单元并对板单元进行冷却制冷机。各冷却单元的板单元远离其他冷却单元的板单元而配置。该控制方法包含：在通常运行模式与再生模式之间切换各冷却单元的控制模式的步骤，其中，通常运行模式使从排气对象容积通过排气流路而来到的气体冻结在板单元的表面来捕捉，再生模式使冻结在板单元的表面的气体气化并通过真空泵向外部排出；及当多个冷却单元中的一部分冷却单元成为通常运行模式时，将多个冷却单元中的另一部分冷却单元设为再生模式的步骤。

另外，以上的构成要件的任意组合、或本发明的构成要件或表现在装置、方法、系统、计算机程序、储存计算机程序的记录介质等之间的相互置换，也作为本发明的形态而有效。

发明效果

根据本发明，能够提供一种能够连续运行的冷阱及其控制方法。

附图说明

图1是示意地表示具备实施方式所涉及的冷阱的真空排气系统的图。

图2是图1的冷阱的仰视图。

图3是表示图1的第1冷却单元、第2冷却单元及涡轮分子泵的动作状态的转变的时间图。

图4是示意地表示第1变形例所涉及的冷阱的图。

图5是第2变形例所涉及的冷阱的仰视图。

图中：10-冷阱，12-涡轮分子泵，14-排气流路，16-真空腔室，18-闸阀，20-第1冷却单元，22-第2冷却单元，32-控制部，34-间隙，62-冷阱，68-冷阱。

具体实施方式

以下，对于各附图所示的相同或同等的构成要件、部件、处理，附加相同的符号，并适当省略重复的说明。并且，为了便于理解，将各附图中的部件的尺寸适当地扩大、缩小来表示。并且，各附图中在说明实施方式的基础上，对一部分不重要的部件省略表示。

实施方式所涉及的冷阱使用多个制冷机。冷阱的低温板按每个制冷机被分割。被分割的各板单元远离其他任何板单元而配置。由此，能够独立地再生各板单元，所以能够实现冷阱的连续运行。其结果，利用这种冷阱的生产装置的生产率提高。

冷阱例如用于在真空环境中对物体进行处理的真空处理装置的真空腔室的真空排气。真空处理装置例如为在离子注入装置或溅射装置等半导体制造工序中使用的装置。近几年，对应于液晶显示器或有机EL（Electro-Luminescence）显示器等的大型化，正在推进这些真空处理装置的大型化。若增大真空处理装置的真空腔室则使用具有更高的排气能力的更大型的冷阱的情况变得较多。

大型冷阱中，通常通过使用多个制冷机来得到冷却较大低温板所需的高冷却能力。在此，若在这种大型冷阱中应用实施方式所涉及的技术思想，则除了得到高冷却能力的目的之外，还能够实现为了冷阱的连续运行的目的而使用多个制冷机。因此，实施方式所涉及的技术思想能够适当地应用于比较大型的冷阱。

图1是示意地表示具备实施方式所涉及的冷阱10的真空排气系统的图。该真空排气系统具备冷阱10及涡轮分子泵12。涡轮分子泵12通过被真空容器15包围的排气流路14连接于真空处理装置的真空腔室16。冷阱10在排气流路14中配置于涡轮分子泵12的跟前。冷阱10配置于涡轮分子泵12的铅垂方向上方。

在排气流路14上设置有为了从真空腔室16隔断真空排气系统的闸阀18。闸阀18设置在真空腔室16的开口部与冷阱10之间。通过开启闸阀18来连通真空排气系统，以便能够对真空腔室16进行排气，通过关闭闸阀18来从真空腔室16隔断真空排气系统。另外，闸阀18可构成为真空排气系统的一部分，也可作为真空处理装置的一部分而设置于真空腔室16的开口部。

真空排气系统通过开放闸阀18并使涡轮分子泵12动作，对真空腔室16进行排气并将真空度提高至所希望的水平。此时，冷阱10的至少一部分被冷却至能够捕捉在排气流路14中流动的水蒸气的温度（例如100K）。通常涡轮分子泵12的水蒸气的排气速度比较慢，但通过与冷阱10共同使用能够实现更快的排气速度。

图2是冷阱10的仰视图。以下，参考图1及图2对冷阱10进行说明。

冷阱10具备第1冷却单元20、能够与第1冷却单元20独立地控制的第2冷却单元22、以及与第1冷却单元20及第2冷却单元22连接的控制部32。第1冷却单元20与第2冷却单元22相邻。第1冷却单元20包含第1制冷机24及具有百叶窗结构的第1板单元26。第2冷却单元22包含第2制冷机28及具有百叶窗结构的第2板单元30。

第1板单元26、第2板单元30均露出配置于排气流路14。第1板单元26与第2板单元30在排气流路14中的气体流通方向（图1中为上下方向、图2中为与纸面正交的方向）正交的方向上相互远离配置。尤其，第1板单元26及第2板单元30均沿着与气体流通方向正交的一个面经预定的间隙34配置。第1板单元26及第2板单元30以占有与排气流路14的气体流通方向正交的截面积的例如占据大半的方式设置有有关气体流通方向的投影面积。第1板单元26及第2板单元30在与气体流通方向正交的方向上对置。

第1制冷机24热连接于第1板单元26，对第1板单元26进行冷却。第2制冷机28热连接于第2板单元30，对第2板单元30进行冷却。第1板单元26、第2板单元30分别被第1制冷机24、第2制冷机28冷却，从而将在排气流路14中流动的气体的一部分冻结在表面来捕捉。

第1板单元26具有第1壳体36、3个第1传热杆38、及16张第1百叶窗板40。第1壳体36构成为划定第1板单元26在排气流路14的截面中应占的区域的外形，尤其形成为半圆形状。各第1传热杆38通过焊接等而与第1壳体36结合。各第1百叶窗板40通过焊接等与第1传热杆38结合。各第1百叶窗板40分别形成为直径不同的圆锥台侧面的形状并排列成同心圆状。

第2板单元30也同样具有第2壳体42、3个第2传热杆44、及16张第2百叶窗板46。

另外，第1板单元26、第2板单元30可形成为人字形形状，也可形成为格子状等其他形状。

排气流路14中在分别与第1制冷机24、第2制冷机28对应的位置形成有开口，其各开口中分别安装有容纳第1制冷机24、第2制冷机28的第1缸48、第2缸52的第1连接壳体50、第2连接壳体54。

第1制冷机24是吉福德-麦克马洪式制冷机（所谓的GM制冷机）。并且第1制冷机24是单级式制冷机，具有第1缸48及第1制冷机马达56。在第1缸48的一端安装第1壳体36，另一端设置有第1制冷机马达56。第1缸48中内置有置换器（未图示），且置换器内部组装有蓄冷材料（未图示）。第1制冷机马达56以使置换器能够在第1缸48的内部往返移动的方式连接于置换器。并且，第1制冷机马达56以能够使设置于第1制冷机24内部的可动阀（未图示）正反旋转的方式连接于该阀。

第1制冷机24上，经高压配管及低压配管连接有压缩机（未图示）。第1制冷机24通过反复使从压缩机供给的高压工作气体（例如氦）在内部膨胀并吐出的热循环，从第1板单元26吸收热。为了实现该热循环，第1制冷机马达56使可动阀朝向预定方向旋转。压缩机回收从第1制冷机24吐出的工作气体并再次加压来供给于第1制冷机24。并且，通过第1制冷机马达56使可动阀向反方向旋转，实现使上述热循环逆转的热循环，第1板单元26被加热。另外，也可代替第1制冷机24的逆转运行或与逆转运行共同使用加热器等加热机构来加热第1板单元26。

在第1制冷机24的第1缸48的一端设置有温度传感器（未图示）。温度传感器周期性测定第1缸48的一端的温度，并向控制部32输出表示测定温度的信号。温度传感器以能够通信该输出的方式连接于控制部32。由于第1缸48的一端与第1板单元26热性地构成为一体，所以温度传感器的测定温度表示第1板单元26的温度。另外也可在第1板单元26设置温度传感器。

在第1连接壳体50的内部设置有压力传感器（未图示）。压力传感器周期性测定第1连接壳体50的内部压力即排气流路14的压力，并向控制部32输出表示测定压力的信号。压力传感器以能够通信该输出的方式连接于控制部32。可设为压力传感器仅在冷阱的再生处理的执行期间测定压力并向控制部32输出。压力传感器的测定值表示第1板单元26的周围的压力即环境压力。另外也可在排气流路14设置压力传感器。

压力传感器具有大气压至约0Pa的广泛的测定范围。希望该测定范围至少包含可在再生处理期间发生的压力范围。希望压力传感器为在排气流路14中的气体流动至少为粘性流时能够测定压力的压力传感器。压力传感器可以是在排气流路14中的气体流动为粘性流时或为分子流时都能够测定压力的压力传感器。通常，排气流路14中的压力大于数Pa时气体流动成为粘性流，压力小于10^-1～10^-2Pa时成为分子流。作为这种压力传感器例如可使用晶体压力计。晶体压力计是利用水晶振子的振动阻力随压力而变化的现象来测定压力的传感器。另外还能够使用膜压真空计。并且，也可使用只能测定分子流级别的压力的压力传感器（例如T/C计）。

第2制冷机28与第1制冷机24相同地构成，具有第2缸52及第2制冷机马达58。在第2缸52的一端安装有第2壳体42，在另一端设置有第2制冷机马达58。

控制部32构成为包含CPU的微处理器，除了CPU之外具备存储各种程序的ROM、暂时储存数据的RAM、输入输出端口及通信端口等。控制部32以能够与真空处理装置的控制部通信的方式连接，还能够根据来自真空处理装置的控制部的指令执行适当的控制。控制部32根据从温度传感器及压力传感器输入的测定值独立控制第1制冷机24、第2制冷机28。控制部32以能够与第1制冷机马达56及第2制冷机马达58通信的方式连接。

在控制部32与第1制冷机马达56之间例如设置有逆变器（未图示），通过控制部32向逆变器提供指令，控制第1制冷机马达56的转速。通过第1制冷机马达56的转速的改变，第1制冷机24中的热循环的频率发生变化，第1板单元26的温度发生变化。在控制部32与第2制冷机马达58之间也同样设置有逆变器（未图示）。

第1冷却单元20的控制模式，至少有以下2个。

（1）通常运行模式，以使从真空腔室16通过排气流路14来到的气体冻结并捕捉在第1板单元26的表面的方式进行控制。通常运行模式中，控制部32根据温度传感器的测定温度控制第1制冷机马达56，以便第1板单元26的温度与目标温度（例如100K）一致。控制部32例如以使温度传感器的测定温度接近于目标温度的方式确定第1制冷机马达56的转速。控制部32例如在测定温度超过目标温度时使第1制冷机马达56的转速增加，测定温度低于目标温度时使第1制冷机马达56的转速减少。如此，第1板单元26的温度维持在目标温度附近。

（2）再生模式，以使冻结于第1板单元26的表面的气体气化并通过涡轮分子泵12向外部排出的方式进行控制。通过持续进行通常运行模式，第1板单元26上逐渐蓄积被冻结的气体。本实施方式中，主要是水蒸气固化而形成的冰的量逐渐增大。因此，为了向外部排出蓄积的冰，从开始通常运行模式后经过了预定运行时间时进行第1冷却单元20的再生。控制部32将第1冷却单元20设为再生模式时事先将第2冷却单元22设为通常运行模式，所以即使在保持打开闸阀18的状态下再生第1冷却单元20，对真空腔室16的真空度的影响也比较小。

再生模式中，使第1板单元26升温至比通常运行模式时的第1板单元26的目标温度高的再生温度，并使冻结在表面的气体再气化。再气化后的气体中的一部分被成为通常运行模式的第2冷却单元22的第2板单元30捕捉，剩余的大部分通过涡轮分子泵12向外部排出。另外，还能够将涡轮分子泵以外的真空泵设为再生处理用，通过该真空泵向外部排出气体。

第2冷却单元22的控制模式也同样包含通常运行模式和再生模式。

控制部32在通常运行模式与再生模式之间独立切换各冷却单元20、22的控制模式。控制部32以尤其不会出现第1冷却单元20及第2冷却单元22同时成为再生模式的情况的方式控制那些冷却单元。即，控制部32以一方的冷却单元已成为通常运行模式作为条件之一来将另一方的冷却单元设为再生模式。也可以说控制部32以持续第1冷却单元20及第2冷却单元22中的至少一方成为通常运行模式的状态的方式控制那些冷却单元。

对基于以上结构的冷阱10的动作进行说明。

图3是表示第1冷却单元20、第2冷却单元22及涡轮分子泵12的动作状态的转变的时间图。涡轮分子泵12始终为开的状态。

在时刻t1，控制部32检测出第1冷却单元20的运行时间已结束，将第1冷却单元20的控制模式从通常运行模式切换为再生模式。控制部32使第2冷却单元22维持通常运行模式的状态。另外，在第1冷却单元20的运行时间结束时第2冷却单元22成为再生模式的状况下，控制部32使第1冷却单元20维持通常运行模式的状态，直到第2冷却单元22成为通常运行模式。若第2冷却单元22成为通常运行模式，则控制部32将第1冷却单元20的控制模式从通常运行模式切换为再生模式。

从时刻t1至时刻t2的第1冷却单元再生期间TP1中，控制部32将第1冷却单元20设为再生模式，将第2冷却单元22设为通常运行模式。在时刻t2，控制部32将第1冷却单元20的控制模式从再生模式切换为通常运行模式。

在时刻t3，控制部32检测出第2冷却单元22的运行时间已结束，将第2冷却单元22的控制模式从通常运行模式切换至再生模式。控制部32使第1冷却单元20维持通常运行模式的状态。另外，在第2冷却单元22的运行时间结束时第1冷却单元20成为再生模式的情况，与时刻t1的情况相同。

从时刻t3至时刻t4的第2冷却单元再生期间TP2中，控制部32将第2冷却单元22设为再生模式，将第1冷却单元20设为通常运行模式。在时刻t4，控制部32将第2冷却单元22的控制模式从再生模式切换为通常运行模式。

另外，控制部32可调整各冷却单元的运行时间，以免第1冷却单元再生期间TP1与第2冷却单元再生期间TP2重叠。

根据本实施方式所涉及的冷阱10，通过利用具备2个制冷机24、28的性质，能够不在冷阱10本身设置再生期间就使冷阱10连续动作。由此，能够抑制例如由于冷阱再生时关闭闸阀18而引起的对真空腔室16的真空度的不良影响。并且，在无闸阀18的应用中，无需为了冷阱的再生而停止包括真空腔室16的整个装置的运转。这些均有助于装置的生产率的提高。

并且，本实施方式所涉及的冷阱10中，在各冷却单元20、22及涡轮分子泵12之间不存在其他冷却单元，各冷却单元20、22与涡轮分子泵12直接对置。因此，对第1冷却单元20、第2冷却单元22中的任一个，再生模式中再气化的气体的大部分都通过涡轮分子泵12向外部排出。其结果，能够更有效地进行各冷却单元20、22的再生。

相对于此，在低温板与真空泵比较远离配置的低温泵等系统中，在冷却低温板的一部分的同时加热另一部分时，从被加热的一部分再气化后的气体的大部分被已冷却的一部分捕捉。因此，低温板的有效再生并不实际。

以上，对实施方式所涉及的冷阱10的结构及动作进行了说明。该实施方式为例示，本行业人员可理解可对其构成要件或各处理的组合进行各种变形例，并且那种变形例也在本发明的范围内。

实施方式中,第1冷却单元可以包含与第1壳体36热连接且从第2板单元30隔开的间隙罩。该间隙罩可以至少局部覆盖间隙34。

图4是示意地表示第1变形例所涉及的冷阱62的图。冷阱62具备第1冷却单元64及第2冷却单元22，第1冷却单元64包含第1制冷机24及第1板单元66。第1板单元66具有第1壳体36、3个第1传热杆38、16张第1百叶窗板40、及间隙罩60。间隙罩60安装于规定第1壳体36的间隙34的部分的上端。间隙罩60以从闸阀18侧观察冷阱62时隐藏间隙34的方式覆盖间隙34。

此时，在第1冷却单元64的通常运行模式中间隙罩60也被冷却，通过排气流路14来到的气体也可被间隙罩60捕捉。因此，能够相应地增加气体的捕捉量。

另外，还可在第2壳体42安装间隙罩60。

实施方式中，对板单元具有百叶窗的结构的情况进行了说明，但并不限于此，本实施方式的技术思想还能够适用于具有如美国专利第5483803号公报所述的圆筒状低温板的低温泵。

图5是第2变形例所涉及的冷阱68的仰视图。冷阱68具备配置成同心圆状且相互非接触的圆筒状的4个板70、72、74、76。第1板70、第2板72、第3板74、第4板76从内到外依次排列。第1板70及第3板74构成第1板单元78，均与第1制冷机24热连接并通过第1制冷机24被冷却。第2板72及第4板76构成第2板单元80，均与第2制冷机28热连接且通过第2制冷机28被冷却。第1板单元78与第2板单元80在与气体流通方向正交的方向上远离配置。

此时，可得到与通过实施方式所涉及的冷阱10所得到的作用效果同样的作用效果。

实施方式中，对冷阱10具备2个冷却单元的情况进行了说明，但并不限于此，冷阱可具备能够独立控制的3个以上的冷却单元。

本申请主张基于2012年1月31日申请的日本专利申请第2012-018835号的优先权。其申请的所有内容通过参照援用于该说明书中。

Claims (4)

1.一种冷阱，其具备能够独立控制的多个冷却单元，且配置于将排气对象容积与真空泵连接的排气流路内，其特征在于，

各冷却单元包括：

板单元，其露出配置于所述排气流路；及

制冷机，其与所述板单元热连接并对所述板单元进行冷却，

各冷却单元的板单元与其他冷却单元的板单元远离配置。

2.如权利要求1所述的冷阱，其特征在于，

所述冷阱还具备控制部，所述控制部将各冷却单元的控制模式在通常运行模式与再生模式之间进行切换，其中，通常运行模式使从所述排气对象容积通过所述排气流路而来到的气体冻结并捕捉在所述板单元的表面，再生模式使冻结在所述板单元的表面上的气体气化并通过所述真空泵向外部排出，

当所述多个冷却单元中的一部分冷却单元成为所述通常运行模式时，所述控制部将所述多个冷却单元中的另一部分冷却单元设为所述再生模式。

3.如权利要求1或2所述的冷阱，其特征在于，

所述冷阱还具备罩部，且该罩部热连接于相邻的2个板单元中的任意一个，并且至少局部性地覆盖上述2个板单元的间隙。

4.一种冷阱的控制方法，其是权利要求1所述的冷阱的控制方法，该冷阱的控制方法的特征在于，包括：

在通常运行模式与再生模式之间切换各冷却单元的控制模式的步骤，其中，通常运行模式使从所述排气对象容积通过所述排气流路而来到的气体冻结并捕捉在所述板单元的表面，再生模式使冻结在所述板单元的表面的气体气化并通过所述真空泵向外部排出；及

当所述多个冷却单元中的一部分冷却单元成为所述通常运行模式时，将所述多个冷却单元中的另一部分冷却单元设为所述再生模式的步骤。

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