CN112639288B - 低温泵及低温泵的监视方法 - Google Patents

Abstract

低温泵(10)具有气体的冷凝层的容纳空间(65)，并且具备：第1级低温板(18)，具有以包围容纳空间(65)的方式配置的第1级低温板内表面；及第2级低温板(20)，其配置成与容纳空间(65)一起被第1级低温板内表面包围。第1级热负荷从低温泵(10)的外部通过进气口(12)入射于第1级低温板内表面，气体从低温泵(10)的外部进入容纳空间(65)。第1级低温板(18)被冷却至比气体的冷凝温度更高的温度，第2级低温板(20)被冷却至气体的冷凝温度以下的温度，气体的冷凝层堆积在其上。低温泵(10)基于第1级热负荷的变化来监视容纳空间(65)内的冷凝气体量。

Description

低温泵及低温泵的监视方法

技术领域

本发明涉及一种低温泵及低温泵的监视方法。

背景技术

低温泵为通过冷凝或吸附将气体分子捕捉于冷却至超低温的低温板而进行排气的真空泵。低温泵通常用于实现半导体电路制造工艺等中要求的洁净的真空环境。低温泵为所谓的气体捕集式真空泵，因此，需要定期进行向外部排出已捕捉到的气体的再生。

以往技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2015-1186号公报

发明内容

发明要解决的技术课题

在低温泵通常设置有温度互不相同的两种低温板。低温的低温板例如被冷却至约20K以下的冷却温度以使例如氩气或氮气等蒸气压比较高的气体冷凝在其表面，高温的低温板被冷却至例如约80K以上的冷却温度以免上述气体冷凝。随着低温泵的使用，气体的冷凝层在低温低温板上成长，最终会与高温低温板接触。如此一来，气体在高温低温板与冷凝层接触的部位再次气化而释放到周围。之后，低温泵无法充分发挥原有的作用。因此，高温低温板与冷凝层接触时存在于低温低温板上的冷凝层提供低温泵所能捕集到的气体的最大量(还称为吸留极限或最大吸留量)。

本发明的一种实施方式的例示性目的之一在于提供一种用于在低温泵的使用期间预测低温泵所捕集到的气体的量接近吸留极限的情况的技术。

用于解决技术课题的手段

根据本发明的一种实施方式，提供一种具有气体的冷凝层的容纳空间的低温泵。低温泵具备：第1级低温板，被冷却至比所述气体的冷凝温度更高的温度，且其具有以包围所述容纳空间的方式配置的第1级低温板内表面；第2级低温板，被冷却至所述气体的冷凝温度以下的温度，并且所述气体的冷凝层堆积在其上，所述第2级低温板配置成其与所述容纳空间一起被所述第1级低温板内表面包围；低温泵进气口，容许从所述低温泵的外部入射至所述第1级低温板内表面的第1级热负荷通过及从所述低温泵的外部进入所述容纳空间的所述气体通过；及第2级低温板监视部，基于所述第1级热负荷的变化来监视所述容纳空间内的冷凝气体量。

根据本发明的一种实施方式，提供一种低温泵的监视方法。所述低温泵具备：第1级低温板，具有以包围气体的冷凝层的容纳空间的方式配置的第1级低温板内表面；及第2级低温板，其配置成与所述容纳空间一起被所述第1级低温板内表面包围。所述方法包括如下步骤：将所述第1级低温板冷却至比所述气体的冷凝温度更高的温度，并且将所述第2级低温板冷却至所述气体的冷凝温度以下的温度的步骤；使从所述低温泵的外部通过低温泵进气口而进入所述容纳空间的所述气体的冷凝层堆积在所述第2级低温板的步骤；及基于从所述低温泵的外部通过所述低温泵进气口而入射于所述第1级低温板内表面的第1级热负荷的变化来监视所述容纳空间内的冷凝气体量的步骤。

另外，以上构成要件的任意组合或在方法、装置、系统等之间相互置换本发明的构成要件和表现的方式也作为本发明的方式而有效。

发明效果

根据本发明，能够在低温泵的使用期间预测低温泵所捕集到的气体的量接近吸留极限的情况。

附图说明

图1是概略地表示一种实施方式所涉及的低温泵的图。

图2是图1所示的低温泵的控制框图。

图3中(a)及(b)是用于说明一种实施方式所涉及的低温泵的监视方法的原理的图。

图4是表示低温泵的真空排气运行中的制冷机的运行频率的变化的图。

图5是表示一种实施方式所涉及的低温泵的监视方法的流程图。

图6是更详细地表示图5所示的监视步骤的流程图。

图7是概略地表示一种实施方式所涉及的低温泵的图。

图8是概略地表示一种实施方式所涉及的冷凝气体量表的一例的图。

具体实施方式

以下，参考附图对本发明的实施方式进行详细说明。在以下说明及附图中，对相同或等同的构成要件、部件及处理标注相同的符号，并适当省略重复说明。为了便于说明，在附图中，适当设定各部的缩尺或形状，除非另有说明，其并不作限定性解释。实施方式仅为示例，其并不对本发明的范围作任何限定。实施方式中所描述的所有特征及其组合并不一定是发明的本质特征。

图1是概略地表示一种实施方式所涉及的低温泵10的图。低温泵10例如安装于溅射装置、蒸镀装置或其他真空处理装置的真空腔室90，并且用于使真空腔室90内部的真空度提高至所希望的真空处理所要求的水平。低温泵10具有用于从真空腔室接收将应排出的气体的低温泵进气口(以下，还称为进气口)12。气体通过进气口12而进入到低温泵10的内部空间14。

低温泵10可以以图1所示的朝向(即，进气口12朝向上方的姿势)设置于真空腔室而使用。但是，低温泵10的姿势并不只限定于此，低温泵10可以以其他朝向设置于真空腔室。

另外，以下为了清晰易懂地表示低温泵10的构成要件的位置关系，有时使用“轴向”、“径向”等术语。轴向表示通过进气口12的方向(图1中为沿通过进气口12的中心的低温泵中心轴C的方向)，径向表示沿进气口12的方向(与中心轴C垂直的方向)。为方便起见，有时将在轴向上相对靠近进气口12的一侧称为“上”，相对远离进气口12的一侧称为“下”。即，有时相对远离低温泵10的底部的一侧称为“上”，相对靠近低温泵10的底部的一侧称为“下”。关于径向，有时将靠近进气口12的中心(图1中为中心轴C)的一侧称为“内”，将靠近进气口12的周缘的一侧称为“外”。另外，这种表达方式与低温泵10安装于真空腔室时的配置无关。例如，低温泵10也可以以进气口12沿垂直方向朝下的方式安装于真空腔室。

并且，有时将围绕轴向的方向称为“周向”。周向为沿进气口12的第2方向，是与径向正交的切线方向。

低温泵10具备制冷机16、第1级低温板18、第2级低温板20及低温泵壳体70。第1级低温板18又被称为高温低温板部或100K部。第2级低温板20又被称为低温低温板部或10K部。

制冷机16例如为吉福德-麦克马洪式制冷机(所谓GM制冷机)等超低温制冷机。制冷机16为二级式制冷机。因此，制冷机16具备第1冷却台22及第2冷却台24。制冷机16构成为，将第1冷却台22冷却至第1冷却温度，并将第2冷却台24冷却至第2冷却温度。第2冷却温度为比第1冷却温度低的温度。例如，第1冷却台22被冷却至65K～120K左右，优选被冷却至80K～100K，第2冷却台24被冷却至10K～20K左右。

并且，制冷机16具备制冷机结构部21，该制冷机结构部21将第2冷却台24结构性地支承在第1冷却台22并将第1冷却台22结构性地支承在制冷机16的室温部26。因此，制冷机结构部21具备沿着径向以同轴方式延伸的第1缸体23及第2缸体25。第1缸体23将制冷机16的室温部26连接于第1冷却台22。第2缸体25将第1冷却台22连接于第2冷却台24。室温部26、第1缸体23、第1冷却台22、第2缸体25及第2冷却台24依次直线状排列成一列。

在第1缸体23及第2缸体25的内部，以能够往复移动的方式分别配设有第1置换器及第2置换器(未图示)。在第1置换器及第2置换器中分别组装有第1蓄冷器及第2蓄冷器(未图示)。并且，室温部26具有用于使第1置换器及第2置换器往复移动的驱动机构(图1中并未图示，例如制冷机马达80)。驱动机构包括流路切换机构，该流路切换机构切换工作气体的流路以便周期性地重复向制冷机16的内部供给工作气体(例如氦气)以及从制冷机16的内部排出工作气体。

第1冷却台22设置于制冷机16的第1级低温端。第1冷却台22为在与室温部26相反的一侧从外侧包围第1缸体23的端部从而包围工作气体的第1膨胀空间的部件。第1膨胀空间为形成在第1缸体23的内部的第1缸体23与第1置换器之间且其容积随着第1置换器的往复移动而发生变化的可变容积。第1冷却台22由导热系数比第1缸体23的导热系数更高的金属材料制成。例如，第1冷却台22由铜制成，第1缸体23由不锈钢制成。

第2冷却台24设置于制冷机16的第2级低温端。第2冷却台24为在与室温部26相反的一侧从外侧包围第2缸体25的端部从而包围工作气体的第2膨胀空间的部件。第2膨胀空间为形成在第2缸体25的内部的第2缸体25与第2置换器之间且其容积随着第2置换器的往复移动而发生变化的可变容积。第2冷却台24由导热系数比第2缸体25的导热系数更高的金属材料制成。第2冷却台24由铜制成，第2缸体25由不锈钢制成。

制冷机16与工作气体的压缩机(未图示)连接。制冷机16使被压缩机加压的工作气体在制冷机16的内部膨胀从而对第1冷却台22及第2冷却台24进行冷却。膨胀的工作气体回收至压缩机并重新被加压。制冷机16反复进行包括工作气体的供排及与其同步的第1置换器及第2置换器的往复移动的热循环，从而产生寒冷。

图示的低温泵10为所谓的卧式低温泵。卧式低温泵通常是指制冷机16配设成与低温泵10的中心轴C交叉的(通常为正交)的低温泵。制冷机16的第1冷却台22及第2冷却台24沿与低温泵中心轴C垂直的方向(图1中为水平方向，且为制冷机16的中心轴D的方向)排列。

第1级低温板18具备放射屏蔽件30及入口低温板32，且其包围第2级低温板20。第1级低温板18是为了从来自低温泵10的外部或低温泵壳体70的辐射热保护第2级低温板20而设置的低温板。第1级低温板18与第1冷却台22热连接。因此，第1级低温板18被冷却至第1冷却温度。在第1级低温板18与第2级低温板20之间具有间隙，第1级低温板18并未与第2级低温板20接触。放射屏蔽件30及入口低温板32例如由铜等高导热系数的金属材料制成，并且例如可以被镍等镀层或其他涂层包覆。

放射屏蔽件30是为了从来自低温泵壳体70的辐射热保护第2级低温板20而设置的。放射屏蔽件30存在于低温泵壳体70与第2级低温板20之间，并且包围第2级低温板20。放射屏蔽件30具有用于从低温泵10的外部接收气体进入内部空间14的屏蔽件主开口34。屏蔽件主开口34位于进气口12。

放射屏蔽件30具备：屏蔽件前端36，确定屏蔽件主开口34；屏蔽件底部38，位于与屏蔽件主开口34相反的一侧；及屏蔽件侧部40，将屏蔽件前端36连接于屏蔽件底部38。屏蔽件前端36构成屏蔽件侧部40的一部分。屏蔽件侧部40沿轴向从屏蔽件前端36朝向与屏蔽件主开口34相反的一侧延伸，并且以包围第2冷却台24的方式沿轴向延伸。放射屏蔽件30具有屏蔽件底部38被封闭的筒状(例如圆筒)形状，其形成为杯状。在屏蔽件侧部40与第2级低温板20之间形成有环状间隙42。

另外，屏蔽件底部38可以是与屏蔽件侧部40不同的另一部件。例如，屏蔽件底部38可以是直径与屏蔽件侧部40的直径大致相同的平坦的圆盘，并在与屏蔽件主开口34相反的一侧安装于屏蔽件侧部40。并且，屏蔽件底部38也可以构成为，其至少一部分被开放。例如，放射屏蔽件30也可以构成为，未被屏蔽件底部38封闭。即，屏蔽件侧部40的两端可以被开放。

屏蔽件侧部40具有供制冷机结构部21插入的屏蔽件侧部开口44。第2冷却台24及第2缸体25从放射屏蔽件30的外部通过屏蔽件侧部开口44而插入到放射屏蔽件30中。屏蔽件侧部开口44为形成于屏蔽件侧部40的安装孔，其形状例如为圆形。第1冷却台22配置于放射屏蔽件30的外部。

屏蔽件侧部40具备制冷机16的安装座46。安装座46为用于将第1冷却台22安装于放射屏蔽件30的平坦部分，从放射屏蔽件30的外部观察时，其稍微凹陷。安装座46形成屏蔽件侧部开口44的外周。在轴向上，安装座46相比屏蔽件前端36更靠近屏蔽件底部38。通过将第1冷却台22安装于安装座46，放射屏蔽件30与第1冷却台22热连接。

入口低温板32为了从来自低温泵10的外部的热源的辐射热保护第2级低温板20而设置于屏蔽件主开口34。低温泵10外部的热源例如为安装有低温泵10的真空腔室90内的热源。入口低温板32不仅能够限制辐射热进入，还能够限制气体分子进入。入口低温板32占据屏蔽件主开口34的开口面积的一部分，以便将通过屏蔽件主开口34而流入的气体限制在所希望的量。在入口低温板32与屏蔽件前端36之间形成有环状的开放区域48。

入口低温板32通过适当的安装部件而安装于屏蔽件前端36，从而与放射屏蔽件30热连接。入口低温板32经由放射屏蔽件30热连接于第1冷却台22。入口低温板32例如具有多个环状或直线状的百叶窗板。或者，入口低温板32也可以是一张板状部件。

第2级低温板20以包围第2冷却台24的方式安装于第2冷却台24。因此，第2级低温板20与第2冷却台24热连接，第2级低温板20被冷却至第2冷却温度。第2级低温板20与第2冷却台24一同被屏蔽件侧部40包围。

第2级低温板20具备与屏蔽件主开口34相对的顶部低温板60、配置于顶部低温板60与屏蔽件底部38之间的低温板部件62及低温板安装部件64。低温板部件62夹着低温泵中心轴C而配置于第2冷却台24的两侧。低温板部件62沿与低温泵中心轴C垂直的平面而配置。顶部低温板60及低温板部件62经由低温板安装部件64安装于第2冷却台24。

顶部低温板60及低温板部件62与屏蔽件侧部40之间形成有环状间隙42，因此，顶部低温板60及低温板部件62均未与放射屏蔽件30接触。低温板部件62被顶部低温板60覆盖。

顶部低温板60为第2级低温板20中最靠近入口低温板32的部分。顶部低温板60在轴向上配置于屏蔽件主开口34或入口低温板32与制冷机16之间。顶部低温板60在轴向上位于低温泵10的内部空间14的中心部。因此，在顶部低温板60的正面与入口低温板32之间形成有宽广的冷凝层的容纳空间65。冷凝层的容纳空间65占内部空间14的上半部分。容纳空间65的轴向高度可以在放射屏蔽件30的轴向长度的1/3～2/3的范围。

顶部低温板60为与轴向垂直配置的大致平板的低温板。即，顶部低温板60沿径向及周向延伸。顶部低温板60为尺寸(例如投影面积)比入口低温板32的尺寸更大的圆板状板。但是，顶部低温板60与入口低温板32之间的尺寸关系并不只限于此，也可以设为顶部低温板60更小，或者也可以设为两者具有大致相同的尺寸。

顶部低温板60配置成在其与制冷机结构部21之间形成有间隙区域66。间隙区域66为在顶部低温板60的背面与第2缸体25之间沿轴向形成的空间。顶部低温板60及低温板部件62例如由铜等高导热系数的金属材料制成，并且例如可以被镍等镀层包覆。

在低温板部件62设置有活性碳等吸附材料74。吸附材料74例如粘附于低温板部件62的背面。低温板部件62的正面作为冷凝面而发挥功能，背面则作为吸附面而发挥功能。在低温板部件62的正面也可以设置吸附材料74。同样地，顶部低温板60也可以在其正面和/或背面具有吸附材料74。或者，顶部低温板60也可以不具备吸附材料74。

低温泵10具备气体流向调节部件50，气体流向调节部件50使从屏蔽件主开口34流入的气体的流向偏离制冷机结构部21。气体流向调节部件50构成为，使通过入口低温板32或开放区域48而流入容纳空间65的气体流向偏离第2缸体25。气体流向调节部件50可以是在制冷机结构部21或第2缸体25的上方与其相邻配置的气体流向偏向部件或气体流向反射部件。气体流向调节部件50设置于周向上的局部上，即，在周向上设置于与屏蔽件侧部开口44相同的位置上。气体流向调节部件50俯视时呈矩形形状。气体流向调节部件50例如为一张平坦板，但也可以弯曲。

气体流向调节部件50从屏蔽件侧部40延伸并且插入于间隙区域66。但是，气体流向调节部件50未与顶部低温板60、第2缸体25及其他包围间隙区域66的第2冷却温度的部位接触。气体流向调节部件50经由放射屏蔽件30热连接于第1冷却台22。因此，气体流向调节部件50被冷却至第1冷却温度。

低温泵壳体70为容纳第1级低温板18、第2级低温板20及制冷机16的低温泵10的筐体，并且为以保持内部空间14的真空气密的方式构成的真空容器。低温泵壳体70以非接触方式包围第1级低温板18及制冷机结构部21。低温泵壳体70安装于制冷机16的室温部26。

通过低温泵壳体70的前端划定进气口12。低温泵壳体70具备从其前端朝向径向外侧延伸的进气口法兰72。进气口法兰72遍及低温泵壳体70的整周而设置。低温泵10使用进气口法兰72而安装于真空腔室90。

低温泵壳体70具备以与放射屏蔽件30非接触方式包围放射屏蔽件30的低温板容纳部76及包围制冷机16的第1缸体23的制冷机容纳部77。低温板容纳部76与制冷机容纳部77形成为一体。

低温板容纳部76具有在一端形成有进气口法兰72另一端则作为壳体底面70a而被封闭的圆筒状或圆顶状的形状。在将进气口法兰72连接于壳体底面70a的低温板容纳部76的侧壁，与进气口12独立地形成有供制冷机16插入的开口。制冷机容纳部77具有从该开口向制冷机16的室温部26延伸的圆筒状的形状。制冷机容纳部77将低温板容纳部76连接于制冷机16的室温部26。

在低温泵10工作时，首先，在其工作之前用其他适当的粗抽泵将真空腔室90内部粗抽至1Pa左右。之后，使低温泵10工作。第1冷却台22及第2冷却台24通过制冷机16的驱动分别被冷却至第1冷却温度及第2冷却温度。因此，分别与它们热连接的第1级低温板18及第2级低温板20也分别被冷却至第1冷却温度及第2冷却温度。

入口低温板32冷却从真空腔室90朝向低温泵10飞来的气体。在第1冷却温度下蒸气压充分降低的(例如，10^-8Pa以下的)气体在入口低温板32的表面冷凝。该气体也可以称为第1种气体(还可以称为第1类气体)。第1种气体例如为水蒸气。如此，入口低温板32能够排出第1种气体。在第1冷却温度下蒸气压未充分降低的气体的一部分通过入口低温板32或开放区域48而进入容纳空间65。或者，气体的另一部分被入口低温板32反射而不进入容纳空间65。

进入到容纳空间65的气体被第2级低温板20冷却。在第2冷却温度下蒸气压充分降低的(例如，10^-8Pa以下的)气体在第2级低温板20的表面冷凝。该气体也可以称为第2种气体(还可以称为第2类气体)。另外，第2种气体为在第1冷却温度下不会冷凝的气体。第2种气体例如为氩气、氮气、氧气。如此，第2级低温板20能够排出第2种气体。由于顶部低温板60直接面向容纳空间65，因此第2种气体的冷凝层会在顶部低温板60的正面大幅成长。低温泵10的容纳空间65较大，因此能够积存大量的第2种气体。

在第2冷却温度下蒸气压未充分降低的气体被第2级低温板20的吸附材料74吸附。该气体也可以称为第3种气体(还可以称为第3类气体)。第3种气体例如为氢气。如此，第2级低温板20能够排出第3种气体。因此，低温泵10通过冷凝或吸附能够排出各种气体，从而能够使真空腔室90的真空度达到所希望的水平。

通过排气运行的持续进行，气体会在低温泵10逐渐积蓄。为了向外部排出已积蓄的气体，需要进行低温泵10的再生。若再生结束，则可以重新开始排气运行。

如此，低温泵10构成为具有气体(例如，第2种气体)的冷凝层的容纳空间65。第1级低温板18以包围容纳空间65的方式配置，并且被冷却至比第2种气体的冷凝温度高的温度。第2级低温板20与容纳空间65一同被第1级低温板内表面(例如，屏蔽件侧部40的内表面)包围，并且被冷却至第2种气体的冷凝温度以下的温度。第2种气体的冷凝层堆积在第2级低温板20(例如，顶部低温板60)。进气口12容许从低温泵10的外部(即，真空腔室90)入射于第1级低温板内表面的第1级热负荷(例如，辐射热)通过及从低温泵10的外部进入容纳空间65的气体通过。

并且，闸阀92设置于低温泵10与真空腔室90之间。闸阀92与进气口12相邻配置。进气口法兰72安装于闸阀92的一侧，真空腔室90的开口部安装于闸阀92的相反侧。在闸阀92开启的状态下，第1级热负荷及第2种气体能够从真空腔室90通过进气口12而进入容纳空间65。在闸阀92关闭的状态下，进气口12被关闭。因此，第1级热负荷及第2种气体无法进入容纳空间65。闸阀92可以由与低温泵10的制造商不同的供应商提供，或者也可以由低温泵10的制造商与低温泵10一起提供。

并且，也可以设置控制闸阀92的闸阀控制器94。闸阀控制器94构成为控制闸阀92的开闭。闸阀控制器94可以构成具有真空腔室90的真空处理装置的控制装置的一部分。闸阀控制器94可以与控制低温泵10的低温泵控制器(以下，还称为CP控制器)100通信连接。闸阀控制器94可以构成为将表示闸阀92的开闭状态的信号(例如，表示闸阀92关闭的状态的闸阀关闭信号G)输出至CP控制器100。另外，闸阀控制器94也可以构成控制低温泵10的低温泵控制器(以下，还称为CP控制器)100的一部分，或者也可以是单独的独立部件。

图2是图1所示的低温泵10的控制框图。

这种低温泵10的控制结构在硬件方面通过以计算机的CPU和存储器为代表的元件和电路来实现，在软件方面通过计算机程序等来实现，但是，图2中适当描绘了通过它们的协作而实现的功能模块。本领域技术人员当然可以理解这些功能模块通过硬件及软件的组合能够以各种形式实现。

低温泵10具备CP控制器100。CP控制器100具备执行各种运算处理的CPU、存储各种控制程序的ROM、用作数据存储和程序执行的工作区的RAM、输入输出接口及存储器等。并且，CP控制器100构成为，还能够与用于控制安装有低温泵10的真空处理装置的主控制器(未图示)进行通信。

制冷机16具备：作为驱动源的制冷机马达80，驱动制冷机16进行热循环；及制冷机变频器82，调节从外部电源(例如，商用电源)供给过来的规定电压及频率的电力并供给至制冷机马达80。制冷机变频器82按照被CP控制器100控制的制冷机16的运行频率来转换来自外部电源的输入电力并将其输出至制冷机马达80。如此，制冷机马达80以被CP控制器100确定且从制冷机变频器82输出的运行频率进行驱动。制冷机马达80及制冷机变频器82可以安装于图1所示的室温部26。

制冷机16的运行频率(还称为运行速度)表示制冷机马达80的运行频率或转速、制冷机变频器82的运行频率、制冷机16的热循环(例如，GM循环等制冷循环)的频率或它们中的任一种。热循环的频率是指制冷机16中进行的热循环在每单位时间内的次数。

并且，制冷机16还具备低温板温度传感器84。低温板温度传感器84安装于第1冷却台22，测量第1级低温板18的温度。低温板温度传感器84也可以安装于第1级低温板18。低温板温度传感器84周期性地测量第1级低温板18的温度，并与CP控制器100通信连接，从而将表示测量温度值的信号输出至CP控制器100。

CP控制器100具备控制制冷机16的运行频率以使第1级低温板18冷却至第1级目标温度的第1级温度控制部102。第1级温度控制部102构成为基于第1级目标温度与第1级低温板18的测量温度之间的偏差的函数(例如通过PID控制)来确定制冷机16的运行频率。

若第1级低温板18的热负荷增加，则第1级低温板18的温度可能会变高。在低温板温度传感器84的测量温度为比第1级目标温度高的温度时，第1级温度控制部102使制冷机16的运行频率增加。其结果，制冷机16中的热循环的频率也增加(即，制冷机16的制冷能力提高)，第1级低温板18朝向第1级目标温度冷却。相反地，在低温板温度传感器84的测量温度为比目标温度低的温度时，制冷机16的运行频率减小导致制冷能力下降，第1级低温板18朝向第1级目标温度升温。如此，能够将第1级低温板18的温度控制在接近第1级目标温度的温度范围。由于能够基于第1级热负荷适当地调节制冷机16的运行频率，因此这种控制有利于降低低温泵10的耗电量。

并且，CP控制器100具备基于第1级热负荷的变化而监视容纳空间65内的冷凝气体量的第2级低温板监视部104。第2级低温板监视部104可以构成为从闸阀控制器94接收表示闸阀92的开闭状态的信号(例如，闸阀关闭信号G)。关于第2级低温板监视部104的详细内容，将在后面叙述。

图3中(a)及(b)是用于说明一种实施方式所涉及的低温泵10的监视方法的原理的图。图3中(a)表示没有第2种气体的冷凝层的初始状况，图3中(b)表示第2种气体的冷凝层68在低温泵10的真空排气运行中在顶部低温板60上成长的状况。冷凝层68为第2种气体等气体的冰或霜。辐射热86a、86b及第2种气体的气体分子88从低温泵10的外部通过进气口12的开放区域48进入容纳空间65。辐射热86a、86b及第2种气体的气体分子88从真空腔室90沿直线路径进入低温泵10。进入角度取决于包括真空腔室90内的热源及气体入口的位置在内的真空腔室90的设计。为了方便起见，用实线箭头图示辐射热86a、86b的例示性的入射路径，用虚线箭头图示第2种气体的气体分子88的例示性的入射路径。

如图3中(a)所示，一部分辐射热86a入射于第1级低温板内表面(例如，放射屏蔽件30的内表面)而成为第1级热负荷。图中，辐射热86a入射于屏蔽件侧部40的内周面，但根据辐射热86a的入射角度，辐射热86a也可以入射于屏蔽件前端36的内周面或屏蔽件底部38的上表面。另一部分辐射热86b入射于第2级低温板20(例如，顶部低温板60)的上表面而成为第2级热负荷。如上所述，由制冷机16的第1冷却台22消除第1级热负荷，由制冷机16的第2冷却台24消除第2级热负荷。

第2种气体被第2级低温板20冷却而被冷凝，因此如图3中(b)所示，第2种气体的气体分子88作为第2种气体的冷凝层68而堆积于顶部低温板60上。冷凝层68也可以堆积于低温板部件62之上，但这里并未图示。在进气口12的中心部配置有入口低温板32，在其周围形成有开放区域48，因此，冷凝层68的成长速度及产生的冷凝层68的厚度(轴向高度)在外缘部变大且在中心部变小。因此，如图3中(b)所示，冷凝层68成为在开放区域48的下方隆起而在入口低温板32的下方凹陷的形状。

若冷凝层68进一步成长，则冷凝层68最终与第1级低温板18的任意部位(例如，屏蔽件前端36、屏蔽件侧部40和/或入口低温板32)接触。第1级低温板18的冷却温度比第2种气体的冷凝温度高，第1级低温板18无法使第2种气体冷凝，因此，冷凝层68在与第1级低温板18接触的部位再次气化。以冷凝层68的形式积存于低温泵10的第2种气体再次被释放，之后，低温泵10无法提供第2种气体的排气功能。即，低温泵10在第1级低温板18与冷凝层68接触的时刻迎来吸留极限。

假设在低温泵壳体70设置有视窗或其他观察窗，则工作人员可以从低温泵10的外部通过观察窗看到冷凝层68来预测是否即将达到吸留极限。然而，现有的低温泵10通常不具有这种观察窗。在低温泵10进行真空排气运行期间无法观察到冷凝层68。作为其他方法，可以尝试基于导入于真空腔室90的第2种气体的累积量来获知达到吸留极限的时期。然而，吸留极限取决于第1级低温板18与冷凝层68的物理接触，因此取决于冷凝层68的具体形状。因此，难以仅基于导入于真空腔室90的第2种气体的累积导入量来准确地预测吸留极限的达到时期。

因此，本说明书中提出了用于在低温泵10的真空排气运行中实时预测低温泵10所积蓄的第2种气体的量接近吸留极限的情况的新技术。在实施方式中，基于第1级热负荷的变化来监视容纳空间65内的冷凝气体量。

该概念的原理如下：通过进气口12入射于低温泵10的第1级热负荷与第2级热负荷的比率基于冷凝层68的体积和/或形状而变化。若冷凝层68的体积和/或形状发生变化，则第1级热负荷和第2级热负荷会分别发生变化，基于制冷机16的第1级低温板18与第2级低温板20的冷却平衡发生变化。因此，通过检测出第1级热负荷的变化，能够获取表示冷凝层68的体积和/或形状的变化的信息。

参考图3中(a)，如上所述，在没有冷凝层68的情况下，一部分辐射热86a成为第1级热负荷，另一部分辐射热86b则成为第2级热负荷。若冷凝层68成长，则如图3中(b)所示，辐射热86a、86b均入射于冷凝层68。冷凝层68成为屏蔽朝向第1级低温板内表面的辐射热86a的所谓的壁。由于冷凝层68堆积于顶部低温板60之上，因此入射于冷凝层68的辐射热86a、86b成为第2级热负荷。如此，存在如下倾向：随着冷凝层68的成长而冷凝层68的轴向高度变得越高，第1级热负荷越减少且第2级热负荷越增加。可以认为，冷凝层68所积存的第2种气体的量与第1级热负荷(或第2级热负荷)有关。

因此，若第1级热负荷减少，则能够判定为容纳空间65内的冷凝气体量增加。并且，若第1级热负荷增加(通常在低温泵10的真空排气运行中冷凝气体量逐渐增加，因此很难出现这种情况)，则能够判定为容纳空间65内的冷凝气体量减少。因此，能够基于第1级热负荷的变化来监视容纳空间65内的冷凝气体量。

作为第1级热负荷的变化，可以检测出制冷机16中的至少1个运行参数的变化。在控制制冷机16的运行频率以使第1级低温板18冷却至第1级目标温度的低温泵10中，作为第1级热负荷的变化，可以检测出制冷机16的运行频率的变化。

图4表示低温泵10的真空排气运行中的制冷机16的运行频率的变化。在图4中，纵轴表示制冷机16的运行频率(Hz)，横轴表示供给至真空腔室90的第2种气体(氩气)的量(std L)，这相当于图3中(b)所示的冷凝于冷凝层68的第2种气体的量(还称为吸留量)。

如图4所示，存在如下倾向：随着吸留量的增加，制冷机16的运行频率下降。若吸留量增加使得冷凝层68成长，则如上所述，第1级热负荷会减少。若第1级热负荷减少，则由低温板温度传感器84测量出的第1级低温板18的温度可能会下降。然而，第1级低温板18的温度控制在第1级目标温度，因此实际上是制冷机16的运行频率减小，制冷机16的制冷能力下降，第1级低温板18维持在第1级目标温度。另外，图示为本发明人对具有某一特定设计的低温泵10进行的试验结果，但是在各种低温泵10中也确认到存在相同的倾向。

在图4的纵轴上示出了第1阈值S1及第2阈值S2，在横轴上示出了设计上的吸留极限的值VL。第1阈值S1相当于低温泵10的第2种气体的吸留量达到设计上的吸留极限的值VL时可取的制冷机16的运行频率。第2阈值S2相当于低温泵10的第2种气体的吸留量达到容许吸留量VA时可取的制冷机16的运行频率。在此，容许吸留量VA为从设计上的吸留极限的值VL扣除规定的余量的值。余量可以是设计上的吸留极限的值VL的例如20％以内或10％以内或5％以内的大小，也可以比设计上的吸留极限的值VL的例如1％大。第1阈值S1及第2阈值S2可以通过实验或基于经验而适当确定。

因此，若在低温泵10的真空排气运行中制冷机16的运行频率下降至第1阈值S1或第2阈值S2，则能够视为第2种气体的吸留量接近吸留极限。制冷机16的运行频率可以用作实时表示第2种气体的吸留量(即，容纳空间65内的冷凝气体量)的指标。如此，通过监视制冷机16的运行频率，能够在低温泵10的真空排气运行中实时预测第2种气体的吸留量接近吸留极限的情况。

图5是表示一种实施方式所涉及的低温泵10的监视方法的流程图。该方法包括冷却步骤(S10)、堆积步骤(S12)及监视步骤(S14)。

在冷却步骤(S10)中，将第1级低温板18冷却至比第2种气体的冷凝温度高的温度并且将第2级低温板20冷却至第2种气体的冷凝温度以下的温度。例如，在冷却步骤(S10)中，通过CP控制器100的第1级温度控制部102控制制冷机16的运行频率以使第1级低温板18冷却至第1级目标温度。

如图3(b)所示，在堆积步骤(S12)中，使从低温泵10的外部通过进气口12进入容纳空间65的第2种气体的冷凝层68堆积于第2级低温板20。

在监视步骤(S14)中，基于从低温泵10的外部通过进气口12入射于第1级低温板18的内表面的第1级热负荷的变化来监视容纳空间65内的冷凝气体量。如上所述，容纳空间65内的冷凝气体量主要相当于冷凝于顶部低温板60上的冷凝层68所捕捉到的第2种气体的量。

例如，在监视步骤(S14)中，CP控制器100的第2级低温板监视部104在第1级热负荷减少时(例如，制冷机16的运行频率下降时)判定冷凝气体量增加。并且，第2级低温板监视部104可以在第1级热负荷增加时(例如，制冷机16的运行频率增加时)判定冷凝气体量减少。

图6是更详细地表示图5所示的监视步骤(S14)的流程图。首先，第2级低温板监视部104从第1级温度控制部102获取制冷机16的运行频率(S16)。

制冷机16的运行频率可能会伴随从真空腔室90通过进气口12进入低温泵10的热输入量的变化而发生变化。从真空腔室90进入的热输入量例如可能取决于在真空腔室90中进行的真空处理。这种真空腔室90中的热条件的变化可能会给基于制冷机16的运行频率来估量冷凝气体量带来误差。因此，第2级低温板监视部104优选在从低温泵10的外部入射于进气口12的辐射热成为了规定值时获取制冷机16的运行频率。如此一来，能够减少或防止真空腔室90中的热条件变化的影响。

关于获取时刻，例如设定在闸阀92关闭的期间。因此，第2级低温板监视部104可以响应闸阀关闭信号G来获取制冷机16的运行频率。通过闸阀92的关闭，进气口12被关闭，低温泵10的内部空间14从真空腔室90隔离。因此，从真空腔室90通过进气口12进入到低温泵10的热输入受到限制或实质上被阻断。如此，通过将真空腔室90从低温泵10热分离，第2级低温板监视部104能够获取减少或防止了真空腔室90中的热条件的变化带来的影响后的制冷机16的运行频率。

第2级低温板监视部104可以在制冷机16的运行状态变得稳定后从第1级温度控制部102获取制冷机16的运行频率或其他运行参数。例如，第2级低温板监视部104可以在从接收到闸阀关闭信号G的时刻或其他上述时刻经过了规定时间的时刻获取制冷机16的运行频率。或者，第2级低温板监视部104也可以在上述时刻以后且制冷机16的运行频率的变化速度成为了规定阈值以内时获取制冷机16的运行频率。如此一来，能够避免在刚关闭闸阀92之后等过渡状态下获取制冷机16的运行频率。

接着，第2级低温板监视部104将所获取的制冷机16的运行频率与阈值S进行比较(S18)。阈值S可以是图4所示的第1阈值S1或第2阈值S2中的任一个。

若制冷机16的运行频率低于阈值S(S18中“是”)，则第2级低温板监视部104判定冷凝气体量超过了基准值(S20)。在阈值S为第1阈值S1时，基准值相当于设计上的吸留极限的值VL。在阈值S为第2阈值S2时，基准值相当于容许吸留量VA。第2级低温板监视部104可以构成为输出冷凝气体量超过了基准值的情况。例如，第2级低温板监视部104可以构成为以图像、语音或其他适当的形式向工作人员提示冷凝气体量超过了基准值的情况。

若制冷机16的运行频率超过了阈值S(S18中“否”)，则第2级低温板监视部104判定冷凝气体量低于基准值(S22)。同样地，第2级低温板监视部104可以构成为输出冷凝气体量低于基准值的情况。

如此，监视步骤(S14)结束。监视步骤(S14)可以在每当容许关闭闸阀92时或定期或以其他适当的频率反复进行。

图7是概略地表示一种实施方式所涉及的低温泵10的图。如图7所示，制冷机16可以具备对第1冷却台22进行加热的可变功率的加热器96(例如，电加热器)。加热器96可以安装于第1冷却台22。或者，加热器96可以安装于第1级低温板18的任意部位。

此时，第1级温度控制部102可以控制加热器96的功率(例如，供给至加热器96的电压和/或电流)以使第1级低温板18冷却至第1级目标温度而。第1级温度控制部102可以构成为基于第1级目标温度与第1级低温板18的测量温度之间的偏差的函数(例如通过PID控制)来确定加热器96的功率。

若第1级低温板18的热负荷增加，则第1级低温板18的温度可能会变高。在低温板温度传感器84的测量温度为比第1级目标温度高的温度时，第1级温度控制部102使加热器96的功率下降。其结果，第1级低温板18朝向第1级目标温度冷却。相反地，在低温板温度传感器84的测量温度为比目标温度低的温度时，第1级温度控制部102使加热器96的功率增加。其结果，第1级低温板18朝向第1级目标温度升温。如此，能够将第1级低温板18的温度控制在接近第1级目标温度的温度范围。

第2级低温板监视部104基于第1级热负荷的变化来监视容纳空间65内的冷凝气体量，更具体而言，若第1级热负荷减少，则判定为容纳空间65内的冷凝气体量增加。因此，第2级低温板监视部104也可以构成为从第1级温度控制部102获取加热器96的功率并将加热器96的功率与阈值进行比较。第2级低温板监视部104可以在加热器96的功率超过了该阈值时判定为冷凝气体量超过了基准值。第2级低温板监视部104可以在加热器96的功率小于该阈值时判定为冷凝气体量低于基准值。

第2级低温板监视部104可以在从低温泵10的外部入射于进气口12的辐射热成为规定值的时刻从第1级温度控制部102获取加热器96的功率。关于获取时刻，可以设定在闸阀92关闭的期间。

如以上说明，在实施方式所涉及的低温泵10中，基于第1级热负荷的变化来监视容纳空间65内的冷凝气体量。第1级热负荷的变化反映出冷凝层68的形状的变化，因此与仅基于导入于真空腔室90的第2种气体的累积量来预测到达吸留极限的情况的现有技术相比，能够更加准确地估量低温泵10内的冷凝气体量。能够在使用低温泵的期间预测低温泵10所积存的气体的量接近吸留极限的情况。

更具体而言，作为第1级热负荷的变化，检测制冷机16的运行频率或加热器的功率等制冷机16的运行参数的变化，并基于所检测出的运行参数的变化来监视容纳空间65内的冷凝气体量。如此，能够在低温泵10进行真空排气运行期间实时预测第2种气体的吸留量接近吸留极限的情况。

与以往相比，能够使低温泵10继续运行至吸留量更加接近吸留极限为止，进而能够延长低温泵10的再生间隔(上一次再生至下一次再生的期间)。容易使低温泵10的再生计划与安装有低温泵10的真空处理装置中的生产计划保持一致，从而提高真空处理装置的生产能力。

以上，基于实施例对本发明进行了说明。本领域技术人员应当可以理解本发明并不只限于上述实施方式，本发明能够进行各种设计变更而且存在各种变形例，并且这种变形例也属于本发明的范围。

在一种实施方式中，如图8所示，第2级低温板监视部104也可以具备将冷凝气体量的多个值分别与制冷机16的运行参数(例如，运行频率或加热器96的功率)的值建立对应关联的冷凝气体量表106。冷凝气体量表106可以是对照表的形式、函数的形式或其他任意形式。第2级低温板监视部104可以从第1级温度控制部102获取制冷机16的运行参数。第2级低温板监视部104可以根据制冷机16的运行参数和冷凝气体量表106计算出冷凝气体量的估计值。第2级低温板监视部104可以构成为以图像、语音或其他适当的形式输出计算出的冷凝气体量的估计值。因此，低温泵10能够实时推测冷凝气体量。

在上述说明中例示出了卧式低温泵，但本发明还可以应用于立式低温泵等其他低温泵中。另外，所谓立式低温泵是指：制冷机16沿着低温泵10的低温泵中心轴C而配设的低温泵。并且，低温泵的内部结构(例如，低温板的配置、形状及数量等)并不只限于上述特定的实施方式。可以适当地采用各种公知的结构。

产业上的可利用性

本发明可以利用于低温泵及低温泵的监视方法的领域。

符号说明

10-低温泵，12-进气口，16-制冷机，18-第1级低温板，20-第2级低温板，22-第1冷却台，24-第2冷却台，65-容纳空间，68-冷凝层，86a、86b-辐射热，92-闸阀，96-加热器，102-第1级温度控制部，104-第2级低温板监视部，106-冷凝气体量表。

Claims (12)

1.一种低温泵，其具有气体的冷凝层的容纳空间，所述低温泵的特征在于，具备：

第1级低温板，被冷却至比所述气体的冷凝温度更高的温度，且其具有以包围所述容纳空间的方式配置的第1级低温板内表面；

第2级低温板，被冷却至所述气体的冷凝温度以下的温度，并且所述气体的冷凝层堆积在其上，所述第2级低温板配置成其与所述容纳空间一起被所述第1级低温板内表面包围；

低温泵进气口，容许从所述低温泵的外部入射于所述第1级低温板内表面的第1级热负荷通过及从所述低温泵的外部进入所述容纳空间的所述气体通过；及

第2级低温板监视部，基于所述第1级热负荷的变化来监视所述容纳空间内的冷凝气体量。

2.根据权利要求1所述的低温泵，其特征在于，

所述第2级低温板监视部在所述第1级热负荷减少时判定为所述冷凝气体量增加。

3.根据权利要求1或2所述的低温泵，其特征在于，还具备：

制冷机，具有与所述第1级低温板热连接的第1冷却台及与所述第2级低温板热连接的第2冷却台；及

第1级温度控制部，控制所述制冷机的运行频率以使所述第1级低温板冷却至第1级目标温度，

所述第2级低温板监视部将所述制冷机的运行频率与阈值进行比较，并在所述制冷机的运行频率低于所述阈值时判定为所述冷凝气体量超过了基准值。

4.根据权利要求3所述的低温泵，其特征在于，

所述第2级低温板监视部在从所述低温泵的外部入射于所述低温泵进气口的辐射热成为了规定值的时刻获取所述制冷机的运行频率，并将所获取的所述制冷机的运行频率与所述阈值进行比较。

5.根据权利要求4所述的低温泵，其特征在于，

还设置有关闭所述低温泵进气口的闸阀，

所述时刻设定在所述闸阀关闭的期间。

6.根据权利要求3所述的低温泵，其特征在于，还具备：

冷凝气体量表，将所述冷凝气体量的多个值分别与所述制冷机的运行频率的值建立对应关联，

所述第2级低温板监视部基于所述制冷机的运行频率和所述冷凝气体量表计算出所述冷凝气体量的估计值。

7.根据权利要求1或2所述的低温泵，其特征在于，还具备：

制冷机，具备与所述第1级低温板热连接的第1冷却台、对所述第1冷却台进行加热的加热器及与所述第2级低温板热连接的第2冷却台；及

第1级温度控制部，控制所述加热器的功率以使所述第1级低温板冷却至第1级目标温度，

所述第2级低温板监视部将所述加热器的功率与阈值进行比较，并在所述加热器的功率低于所述阈值时判定为所述冷凝气体量超过了基准值。

8.根据权利要求1或2所述的低温泵，其特征在于，还具备：

制冷机，具有与所述第1级低温板热连接的第1冷却台及与所述第2级低温板热连接的第2冷却台；及

第1级温度控制部，控制所述制冷机的运行参数以使所述第1级低温板冷却至第1级目标温度，

所述第2级低温板监视部从所述第1级温度控制部获取所述制冷机的运行参数并将所述制冷机的运行参数与阈值进行比较从而判定所述冷凝气体量是否超过了基准值。

9.根据权利要求8所述的低温泵，其特征在于，

所述第2级低温板监视部在从所述低温泵的外部入射于所述低温泵进气口的辐射热成为了规定值的时刻获取所述制冷机的运行参数，并将所获取的所述制冷机的运行参数与所述阈值进行比较。

10.根据权利要求8所述的低温泵，其特征在于，还具备：

冷凝气体量表，将所述冷凝气体量的多个值分别与所述制冷机的运行参数的值建立对应关联，

所述第2级低温板监视部基于所述制冷机的运行参数和所述冷凝气体量表计算出所述冷凝气体量的估计值。

11.根据权利要求1或2所述的低温泵，其特征在于，

所述第1级低温板被冷却至第1冷却温度，所述第2级低温板被冷却至比所述第1冷却温度更低的第2冷却温度，

所述气体为不在所述第1冷却温度下冷凝而在所述第2冷却温度下冷凝的第2类气体。

12.一种低温泵的监视方法，其特征在于，

所述低温泵具备：第1级低温板，具有以包围气体的冷凝层的容纳空间的方式配置的第1级低温板内表面；及第2级低温板，其配置成与所述容纳空间一起被所述第1级低温板内表面包围，

所述方法包括如下步骤：

将所述第1级低温板冷却至比所述气体的冷凝温度更高的温度，并且将所述第2级低温板冷却至所述气体的冷凝温度以下的温度的步骤；

使从所述低温泵的外部通过低温泵进气口进入所述容纳空间的所述气体的冷凝层堆积于所述第2级低温板的步骤；及

基于从所述低温泵的外部通过所述低温泵进气口入射于所述第1级低温板内表面的第1级热负荷的变化来监视所述容纳空间内的冷凝气体量的步骤。

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