JP2006046242A - クライオポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】 高性能のクライオポンプを提供すること。
【解決手段】 クライオパネル５、６又はバッフル２５の表面に、水素に対してパラ転化触媒で重水素に対してオルト転化触媒の被膜７、２９を形成する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、各種の超高真空装置、表面分析装置および加速器等に用いられているクライオポンプに関する。

従来から、半導体製造装置等における真空チャンバ内の真空引きには、図６に示すようなクライオポンプ（圧縮冷凍機型）が用いられている。このクライオポンプ５１は、２段の膨張シリンダを備えた２段膨張式冷凍機（機械式冷凍機）５２の１段目の膨張シリンダ５３に第１クライオパネル５５を取り付け、さらに２段目の膨張シリンダ５４に第２クライオパネル５６を取り付けている。この第２クライオパネル５６の内側に活性炭５７を貼り付け、第１，第２クライオパネル５５、５６全体をケーシング５８を覆って形成されている。このような構成を有するクライオポンプ５１は、ケーシング５８先端の開口部をゲートバルブ（図示せず）を介して真空チャンバ５９の排気口に取り付けられる。

クライオポンプは動作の際に、５０Ｋ（ケルビン）〜８０Ｋに冷却された第１クライオパネル５５で真空チャンバ５９内の水蒸気を凍結捕集して排気し、１０Ｋ〜２０Ｋに冷却された第２クライオパネル５６で真空チャンバ５９内の窒素ガスや酸素ガスやアルゴンガスやオゾンを凝縮して排気し、クライオパネル５５、５６に貼り付けられた活性炭５７で真空チャンバ５９の内部の水素ガスを吸着してクライオポンプ５１の外に排出している。

こうして、第１，第２クライオパネル５５、５６が溜め込まれた水素や酸素やオゾン等の物質で一杯になると、第１，第２クライオパネル５５、５６を昇温して捕集／吸着されている物質を排出する再生処理と、第１，第２クライオパネル５５、５６を２０Ｋの低温まで冷却するクールダウンとが行われる。さらに、溜め込まれた物質を完全にケーシング５８の外に排出する場合には、窒素パージバルブ６０を開放してケーシング５８の内部に窒素が導入される。なお、真空排気時や再生処理時におけるクライオポンプ５１内の真空度は、真空計６１によって監視されている。（例えば、特許文献１参照）
特開平１１−３２４９１６号（段落番号０００２〜０００３ 図２）

上述のように、クライオポンプでは、運転の際に膨張式冷凍機によって１０Ｋ程度に冷却されたクライオパネルの活性炭が、真空チャンバ内の水素を吸着し、水素をクライオポンプ外に排出している。

周知のように、水素にはスピン角運動量の間の関係から、オルト水素とパラ水素という２種類の状態が生ずる。室温においては、オルト水素とパラ水素との比は、１：３であるが、低温に冷却すると、パラ水素の方が回転のエネルギーが小さいので、パラ水素の割合が増大する。ただし、その転換速度はきわめて遅い。

なお、このオルト・パラ転化（Ｏ−Ｐ変換）反応は自己発熱が生じる。それによりクライオポンプの排気速度を低下させる。特に、大容量排気の場合や、排気容量の急速な増加時に、排気速度の低下が生じる。その結果、真空容器を備えた半導体製造装置の稼働効率が悪化し、生産性の向上が制限される。

一方、従来から、水素の液化貯蔵においては、パラ転化触媒の使用は知られている。液体水素の自己発熱は、オルト水素のパラ水素化によることが、１９３０年代に明らかになり、磁性不純物を添加したパラ転化触媒によって、液化以前に水素をパラ水素化することが、液化水素の自己発熱による消耗を防ぐのに効果的であること自体は知られるようになっている。

本発明はこれらの事情に基づいてなされたもので、高性能のクライオポンプを提供することを目的としている。

本発明によれば、ケーシング内に２段膨張式冷凍機が設けられ、該２段膨張式冷凍機を形成する各膨張シリンダにはそれぞれにクライオパネルが取り付けられているクライオポンプであって、
前記クライオパネルの表面には、水素に対してパラ転化触媒で重水素に対してオルト転化触媒の被膜が形成されていることと特徴とするクライオポンプ。

また本発明によれば、真空容器内に配置され液体ヘリウムを収納しクライオ面が形成された液体ヘリウム容器と、この液体ヘリウム容器と前記真空容器の壁との間にシュラウドとこのシュラウドに連続して前記クライオ面に対向して設けられたバッフルとを具備するクライオポンプであって、
前記バッフル表面には、水素に対してパラ転化触媒で重水素に対してオルト転化触媒の被膜が形成されていることと特徴とするクライオポンプ。

また本発明によれば、前記転化触媒の被膜は、活性アルミであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のクライオポンプ。

また本発明によれば、前記転化触媒の被膜は、前記クライオパネルの表面に塗布により形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項３記載のクライオポンプ。

また本発明によれば、前記転化触媒の被膜は、前記バッフルの表面に塗布により形成されていることを特徴とする請求項２又は請求項４記載のクライオポンプ。

本発明によれば、吸蔵水素の自己発熱を防止することにより、クライオポンプの実効排気速度の向上をもたらすことができ、また、クライオポンプの実効排気速度の向上により、クライオポンプの到達圧力と排気容量も向上させることができるので、高効率のクライオポンプを実現することができる。

まず、クライオポンプの性能向上について、本発明の基本的な考え方について説明する。

クライオポンプが作動して水素を排気する場合、クライオポンプの膨張シリンダに貼り付けられたクライオパネルの表面で、吸蔵された水素のうちオルト水素はパラ水素に徐々に転化する。水素は、核スピンが平行なオルト水素と反平行なパラ水素から構成されており、オルト水素はパラ水素より大きな回転エネルギーをもっている。そのため、オルト水素からパラ水素に徐々に転化する際に、放出される余剰エネルギーにより水素の脱離が生じ、それによる発熱によって、クライオポンプの実効的な排気速度が低下する。

したがって、膨張シリンに貼り付けられたクライオパネルに吸着された吸蔵水素の自己発熱を防止することにより、クライオポンプの実効排気速度の向上をもたらすことができる。クライオポンプの実効排気速度が向上すれば、それにより、クライオポンプの到達圧力と排気容量も向上させることができる。つまり、クライオポンプの作動状態の向上には、クライオパネルに吸蔵された水素の自己発熱を防止して、クライオパネルの温度上昇を防止する必要がある。

発明者は、クライオパネルに水素が吸着される直前に、後述するパラ添加触媒を配置して、内部エネルギーの高いオルト状態の水素をパラ転化触媒によりパラ状態へ、クライオパネルへ吸着される以前に、前もって転化（Ｏ−Ｐ変換）させる。それにより、クライオパネル上での水素のオルト状態からパラ状態へのゆるやかな転化による自己発熱を防止することが可能となることに着目した。

また、水素の同位体である重水素については、水素の場合とはオルト水素とパラ水素の命名が逆になるので、水素の場合のオルト水素はパラ水素に、パラ水素はオルト水素に読み替えることで、上述の水素の場合と同様の説明を適用することができる。

発明者は、これらの知見を実際にクライオポンプに適用することにより、クライオポンプの作動状態について、良好な性能が得られると考えて、まず、基礎的な実験をおこなって基礎データの収集を行った。

すなわち、図１（ａ）〜（ｄ）は、固定表面（吸着媒として活性アルミを用いた）からの離脱したパラ水素とオルト水素の分子数を測定して比較したグラフである。各グラフにおいて、クライオパネルの温度を６Ｋから徐々に上昇させて、オルト水素とパラ水素のクライオパネルからの離脱数を測定した。測定は、５分後と４５分後にそれぞれ数分間行っている。Ｊ＝０はパラ水素を表し、Ｊ＝１はオルト水素を表している。また、各グラフにおいて、縦軸は離脱水素の強度（相対値）であり、横軸はクライオパネルの温度（Ｋ；ケルビン）である。

図１（ａ）は、５分後のパラ水素の測定結果であり、図１（ｃ）は５分後のオルト水素の測定結果である。なお、両図では縦軸のスケールが異なる。両結果を各温度毎に比較すると、略１：１の関係といえる。常温ではパラ水素とオルト水素との比は１：３であるから、この時点ではオルト水素が数分の間にパラ水素に転化したことが判る。

また、図１（ｂ）は、４５分後のパラ水素の測定結果であり、図１（ｄ）は４５分後のオルト水素の測定結果である。両図では縦軸のスケールが異なる。両結果を各温度毎に比較すると、略１：０．２の関係といえる。常温ではパラ水素とオルト水素との比は１：３であるから、この時点では、オルト水素がパラ水素に大幅に転化したことが判る。

また、別の説明を行えば、図１（ａ）と（ｂ）を対比した場合、パラ水素の５分後に比べて４５分後には、脱離ピークの面積が増大していることが（脱離が十分に行われていることを示している）判る。なお、両図では縦軸のスケールが異なる。

また、図１（ｃ）と（ｄ）を対比した場合、オルト水素の存在量が時間の経過で減少している。なお、両図では縦軸のスケールが異なる。

これらのことから、オルト水素がパラ水素に吸着剤の表面で転換されていることが確認できる。

なお、図１（ｃ）と（ｄ）とにおいて、ピークの時間がずれているのは、吸着剤の表面上でオルト水素の移動によって、より吸着エネルギーの大きな位置に滞在するようになったためと考えられる。

さらに、実際にクライオポンプで吸着剤（膨張シリンダに貼り付けられたクライオパネル）の冷却時の排気特性について、水素と水素の同位体である重水素についてそれぞれ特性を調べた。図２は、水素の吸着剤冷却時の排気特性を示すグラフであり、図３は、重水素の吸着剤冷却時の排気特性を示すグラフである。このグラフでは、縦軸は真空チャンバ内部の分圧であり、横軸は時間である。

図２にグラフを示した水素の場合は、吸着剤の効果により２５．３Ｋでパラ水素が減り始め、冷却が開始されていることが示されている。

また、重水素の場合は、水素の場合のオルト水素はパラ水素に対応するので、図３にグラフを示した重水素の場合は、吸着剤の効果により２６．２Ｋでオルト水素が減り始め、冷却が開始されていることが示されている。

これらの結果から、水素に対してパラ転化触媒で重水素に対してオルト転化触媒をクライオポンプに後述する実施例のような形態で用いることにより、クライオポンプの作動性能を向上させることができるとの、データにより実証された確証を得た。

すなわち、本発明においては、クライオポンプにより排気される水素のうち、内部エネルギーの高いオルト状態の水素をパラ転化触媒によりパラ状態へ前もって転化することであり、クライオパネルに吸着される以前にパラ転化しておくことにより、クライオパネル上での水素のオルト状態からパラ状態へのゆるやかな転化による自己発熱を防止することが可能となる。これにより、クライオポンプの水素および重水素に対する排気速度の増大と、到達圧力の低下が可能となる。
同様に、重水素に関しては、クライオポンプにより排気される重水素のうち、内部エネルギーの高いパラ状態の水素をオルト転化触媒によりオルト状態へ前もって転化することであり、クライオパネルに吸着される以前にオルト転化しておくことにより、クライオパネル上での重水素のパラ状態からオルト状態へのゆるやかな転化による自己発熱を防止することが可能となる。これにより、クライオポンプの重水素に対する排気速度の増大と、到達圧力の低下が可能となる。
したがって、従来の水素液化技術とは、クライオポンプ内の特定の位置に水素に対してはパラ転化触媒で重水素に対してはオルト転化触媒を設置する点、液化過程でなく、固体表面への吸着脱離過程においてもパラ化またはオルト化する利点等の点において、実用面での根本的な差異がある。

以下、本発明の実施例について説明する。

（実施例１）
圧縮冷凍機型のクライオポンプに適用した場合で、図４は、クライオポンプの模式構成図である。

圧縮冷凍機型のクライオポンプ１は、２段の膨張シリンダを備えた２段膨張式冷凍機（機械式冷凍機）２の１段目の膨張シリンダ３に第１クライオパネル５を取り付け、さらに２段目の膨張シリンダ４に第２クライオパネル６を取り付けている。この第１クライオパネル５および第２クライオパネル６の表面には、水素に対してパラ転化触媒で重水素に対してオルト転化触媒（例えば、活性アルミ）の被膜７が塗布等により形成されている。

それらの第１，第２クライオパネル５、６等の全体をケーシング８で覆って形成されている。

このような構成を有するクライオポンプ１は、ケーシング７先端の開口部を輻射シールド９を介して真空チャンバ１０の排気口に取り付けられる。

クライオポンプ１は動作の際に、５０Ｋ〜８０Ｋに冷却された第１クライオパネル５で真空チャンバ９内の水蒸気を凍結捕集して排気し、１０Ｋ〜２０Ｋに冷却された第２クライオパネル６で真空チャンバ９内の窒素ガスや酸素ガスやアルゴンガスやオゾンを凝縮して排気し、クライオパネルに形成されたパラ転化触媒により、真空チャンバ１０内の水素ガスをパラ水素に変換して吸着してクライオポンプ外に排出している。

したがって、真空チャンバ１０内の水素ガスをクライオパネルに吸着される以前に、水素に対してパラ転化触媒で重水素に対してオルト転化触媒（例えば、活性アルミ）の被膜７によりパラ水素（またはオルト水素）に転化しておくことにより、クライオパネル５、６上での水素のオルト状態からパラ状態へのゆるやかな転化（重水素に関してはその逆）による自己発熱を防止することが可能となる。これにより、クライオポンプ１の水素に対する排気速度の増大と、到達圧力の低下が可能となる。
（実施例２）
液体ヘリウム型のクライオポンプに適用した場合である。

１０−１０Ｐａ以下の極高真空が比較的簡単に得られるポンプとして、冷却されたクライオ面にガスを吸着固化して排気する液体ヘリウムポンプが古くから知られている。このポンプは排気速度が非常に大きく、宇宙模擬室や核融合実験装置などの比較的大型装置に用いられて来たが、ポンプが極めてクリーンで汚染源がないことから、最近では表面分析装置や半導体製造装置にも使われている、非常に広範囲に利用されている。

図５に模式図を示すように、液体ヘリウム形のクライオポンプ２１ｂの構成は、基本的に真空容器２２の内部に液体ヘリウム容器２３とそれを取り囲むシュラウド（液体窒素容器）２４と、シュラウド２４に連続して設けられているバッフル２５から形成されている。

真空容器２２は、ヘリウム蒸気循環式液体ヘリウム冷却クライオポンプを収める無酸素銅製の半球状真空容器である。

液体ヘリウム容器２３も無酸素銅製の半球状容器で、容器の円盤底部がクライオ面２６で、真空中のガスは主にこのクライオ面２６に吸着される。なお、液体ヘリウム容器の上部はベローズ２７に接続されている。

シュラウド２４は、液体ヘリウム容器２３と真空容器２２の壁との間に相似形に配置される無酸素銅製の半球状熱放射シールド体である。

また、液体ヘリウム容器２３とシュラウド２４は、電子ビーム溶接されて一体構造に形成されている。シュラウド２４には無酸素銅製のシブロン型のバッフル２５が取り付けられている。したがって、ガス分子はバッフル２５に衝突しながらクライオ面２６に達するが、外気温からの熱輻射は直接にはクライオ面２６に入射できないようになっている。

バッフル２５は温度的には、クライオ面２６と非排気系真空容器２８との中間温度領域のなっており、その表面には水素に対してパラ転化触媒で重水素に対してオルト転化触媒（例えば、活性アルミ）の被膜２９が塗布等により形成されている。

真空容器２２の下方の外周にはポンプ取り付け用のフランジ３０が設けられており、フランジ３０は、例えば、非排気系真空容器２８の取り付けフランジ３１にボルトを用いて取り付けられる。この非排気系真空容器２８の排気口（不図示）には、例えば真空バルブが取り付けられ、その真空バルブの下にはターボ分子ポンプのような粗引きポンプが接続されている。

したがって、これらの構成によれば、水素に対してパラ転化触媒で重水素に対してオルト転化触媒（例えば、活性アルミ）の被膜２９を、水素を最終的に吸着排気するクライオ面２６と室温の熱輻射を遮断するために装備される熱シールドのバッフル２５の中間温度領域の部分に塗布することにより、バッフル２５を通過して真空容器２２の内部に入ってきた水素をあらかじめパラ水素（重水素に関してはその逆）に転化した後に、クライオ面２６に吸着させることができる。このようにすることによって、自己発熱に寄与する因子を吸着することができる。
それにより、真空ポンプの実効排気速度は、ポンプ自体からのガス放出により低下するが、本発明により、吸着水素の自己発熱を防止することは、ポンプの実効排気速度の向上をもたらす。また、ポンプの実効排気速度の向上により、クライオポンプの到達圧力と排気容量も向上する。
なお、上述の各実施例では、転化触媒として活性アルミを用いたが、その他にも、例えば、Ｆｅ_２Ｏ_３やＮｉなどの常磁性体からなる活性触媒も用いることができる。

以上に説明したように、本発明の各実施例は、クライオポンプにより排気される気体の内、特に水素を主要な排気分子種とする用途において効用を発揮する。半導体プロセスで用いられている真空処理装置や、核融合実験装置のような水素の大容量排気装置において最も効果がある。

また、水素が残留気体のほとんどを占める超高真空の排気においても有効である。

（ａ）〜（ｄ）は、固定表面からの離脱したパラ水素とオルト水素の分子数を測定して比較したグラフ。 水素の吸着剤冷却時の排気特性を示すグラフ。 重水素の吸着剤冷却時の排気特性を示すグラフ。 本発明の実施例を示す模式図。 本発明の実施例を示す模式図。 従来のクライオポンプの模式図。

符号の説明

１…クライオポンプ、２…２膨張冷凍機、３…１段目膨張シリンダ、４…２段目膨張シリンダ、５…第１のクライオパネル、６…第２のクライオパネル、７…被膜（転化触媒）、８…ケーシング、９…輻射シールド、１０…真空チャンバ、２１…クライオポンプ、２２…真空ポンプ、２３…液体ヘリウム容器、２４…シュラウド、２５…バッフル、２６…クライオ面、２９…被膜（転化触媒）

Claims (5)

1. ケーシング内に２段膨張式冷凍機が設けられ、該２段膨張式冷凍機を形成する各膨張シリンダにはそれぞれにクライオパネルが取り付けられているクライオポンプであって、
   前記クライオパネルの表面には、水素に対してパラ転化触媒で重水素に対してオルト転化触媒の被膜が形成されていることと特徴とするクライオポンプ。
2. 真空容器内に配置され液体ヘリウムを収納しクライオ面が形成された液体ヘリウム容器と、この液体ヘリウム容器と前記真空容器の壁との間にシュラウドとこのシュラウドに連続して前記クライオ面に対向して設けられたバッフルとを具備するクライオポンプであって、
   前記バッフル表面には、水素に対してパラ転化触媒で重水素に対してオルト転化触媒の被膜が形成されていることと特徴とするクライオポンプ。
3. 前記転化触媒の被膜は、活性アルミであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のクライオポンプ。
4. 前記転化触媒の被膜は、前記クライオパネルの表面に塗布により形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項３記載のクライオポンプ。
5. 前記転化触媒の被膜は、前記バッフルの表面に塗布により形成されていることを特徴とする請求項２又は請求項４記載のクライオポンプ。

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