JP2007309184A - クライオポンプ及びその再生方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明はクライオポンプに関し、再生効率の向上を図ることを課題とする。
【解決手段】 冷凍機５と、ライオパネル１０と、有底状のシールド９と、真空容器４と、前記シールド９及びクライオパネル１０を昇温する機構と、真空容器４内のガスを真空容器４内から排出するベントバルブ２１とを有するクライオポンプであって、シールド９の底部とベントバルブ２１とを連通する液体排出管３０と、真空容器４の内部圧力を検出する圧力センサ２０と、前記内部圧力が大気圧以上の時にベントバルブ２１を開弁することによりシールド９の底部に溜まった液状ガス２６を液体排出管３０を介してベントバルブ２１に排出するコントローラ１７とを設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明はクライオポンプ及びその再生方法に係り、特に再生効率の向上を図ったクライオポンプ及びその再生方法に関する。

例えば、半導体製造設備においては高真空を実現する必要があり、この高真空を実現できる真空ポンプとしてクライオポンプが多用されている。このクライオポンプは、真空生成の原理上冷凍機が必要となる。このクライオポンプに用いられる冷凍機としては、ギフォード・マクマホンサイクル型冷凍機（以下ＧＭ型冷凍機という）が知られている。そして、ＧＭ型冷凍機と真空容器内に配設されたクライオパネル及びシールドを熱的に接続しておき、冷却過程において真空容器内の被凝縮ガス（例えば、アルゴンガス等）をクライオパネル等に凝縮及び吸着させることにより高真空を実現する。

上記構成とされたクライオポンプは、その構造上再生が必要となる。この再生とは、クライオパネルに熱を加え、昇温させることにより、クライオパネル等に冷却過程で凝縮及び吸着されたガスを液化及び気化させてポンプ容器の外に放出する処理をいう。

クライオポンプの再生時においては、クライオパネル及びシールドがヒータ等の昇温装置により昇温され、また窒素ガス等のパージガスが真空容器内に導入される。これにより、クライオパネル及びシールドに凝縮及び吸着されていた被凝縮ガスは液化して自然落下し、シールドの内部に溜まった状態となる。この状態で全ての液化したガス（以下、液化ガスという）を気化して排出しようとした場合、シールドは液化ガスにより冷却されるため液化ガスが気化するのに長い時間を要し、よって再生効率が低下してしまうという問題点がある。

そこで、特許文献１に開示されているように、シールドに孔を形成し、液状ガスがこの孔を介して真空容器内に流入する構成としたクライオポンプが提案されている。この構成のクライオポンプでは、常温である真空容器の熱を液化ガスの気化に利用することが可能となり、シールドに孔を形成しないクライオポンプに比べて再生効率の向上を図ることができる。
特開平０５−０３３７６６号公報

上記した従来のクライオポンプは、常温である真空容器の熱を液化ガスの気化に利用するため、再生効率のある程度の向上は望める。しかしながら、このクライオポンプでは、やはり液化ガスの気化は真空容器内で行われるため、全ての液化ガスが気化して真空容器から排出されるまでには長い時間を必要とするという問題点があった。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、更に再生効率の向上を図ったクライオポンプを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために本発明では、次に述べる各手段を講じたことを特徴とするものである。

請求項１記載の発明は、
寒冷を発生させる冷凍機と、
該冷凍機で発生した寒冷により冷却され被凝縮ガスを凝縮させるクライオパネルと、
前記冷凍機で発生した寒冷により冷却され被凝縮ガスを凝縮させると共に、輻射熱が前記クライオパネルに熱伝達するのを防止する有底状のシールドと、
前記クライオパネル及びシールドを収納する真空容器と、
前記クライオパネル及びシールドを昇温する昇温装置と、
前記クライオパネルの前記被凝縮ガスを前記真空容器内から排出するベントバルブとを有するクライオポンプであって、
前記シールドの底部と前記ベントバルブとを連通する液体排出管と、
前記真空容器の内部圧力を検出する圧力検出手段と、
前記内部圧力が大気圧以上となった時に前記ベントバルブを開弁させ、前記シードの底部に溜まった液体状の被凝縮ガスを前記液体排出管を介して前記ベントバルブに排出する制御手段とを有することを特徴とするものである。

また、請求項２記載の発明は、
請求項１記載のクライオポンプにおいて、
前記液体排出管が前記シールドを貫通する部位に断熱支持材を設けたことを特徴とするものである。

また、請求項３記載の発明は、
請求項１又は２記載のクライオポンプにおいて、
前記液体排出管は、銅、アルミニウム、ステンレス、及びテフロン（登録商標）からからなる群より選ばれた一の材質より形成されていることを特徴とする。

また、請求項４記載の発明は、
寒冷を発生させる冷凍機と、該冷凍機で発生した寒冷により冷却され被凝縮ガスを凝縮させるクライオパネルと、前記冷凍機で発生した寒冷により冷却され被凝縮ガスを凝縮させると共に、輻射熱が前記クライオパネルに熱伝達するのを防止する有底状のシールドと、前記クライオパネル及びシールドを収納する真空容器と、前記クライオパネル及びシールドを昇温する昇温装置と、再生時に開弁され、前記被凝縮ガスを前記真空容器内から排出するベントバルブとを有するクライオポンプの再生処理を行うクライオポンプの再生方法であって、
再生加熱を行うことにより前記クライオパネル及びシールドに凝縮した被凝縮ガスを液化する工程と、
前記真空容器の内部圧力を検出する工程と、
該内部圧力が前記真空容器の外部圧力よりも大きい時、前記ベントバルブを開弁して
液化し前記シールドの底部に溜まっている液体状の前記被凝縮ガスを前記液体排出管を介して前記ベントバルブに排出する工程とを有することを特徴とするものである。

本発明によれば、液体状態の被凝縮ガスを液体排出管を介してベントバルブに排出するため、被凝縮ガスが気化する時間を待つ必要がなくなり、また被凝縮ガスが気化する際に蒸発潜熱による周囲の冷却を防止できるため、再生時間の短縮と再生性能の向上を図ることができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態について図面と共に説明する。

図１は本発明の一実施例であるクライオポンプ１の構成図であり、また図２は図１に矢印Ａで示す部分を拡大して示す図である。クライオポンプ１は、図示しない処理チャンバ（例えば、半導体製造装置）に取り付けられ、この処理チャンバ内を真空とするものである。このクライオポンプ１は、大略すると真空容器４、冷凍機５、シールド９、クライオパネル１０、コントローラ１７、及び液体排出管３０を有した構成されている。

冷凍機５は、図示しない圧縮機に接続されている。この圧縮機は、ヘリウムガス等の冷媒ガスを昇圧して冷凍機５に送り、また冷凍機５で断熱膨張した冷媒ガスを回収して再び昇圧する機能を奏する。

真空容器４は、前記した処理チャンバに取り付けられるものであり、この内部に冷凍機５、シールド９、クライオパネル１０、及びチャコールパネル１１等が配設される。また、真空容器４と処理チャンバとの間にはゲートバルブ６が配設されており、ゲートバルブ６が閉じることにより真空容器４は処理チャンバに対して気密に隔離された状態となる。

また、真空容器４は、図中下部にベントバルブ２１及びラフバルブ２２が設けられると共に、上部に圧力センサ２０及び安全弁２５が設けられている。更に、真空容器４の側部には、パージ配管１８が接続されている。

ベントバルブ２１は、図２に拡大して示すように駆動部２１ａと弁体部２１ｂとにより構成されている。このベントバルブ２１はコントローラ１７に接続されており、コントローラ１７の制御により駆動部２１ａが弁体部２１ｂを上動させた時（図２に示す状態）では閉弁し、逆に駆動部２１ａが弁体部２１ｂを可動させた時には開弁し、真空容器４を開放する。

ラフバルブ２２は、図示しない粗引きポンプ（真空ポンプ）に接続される。このラフバルブ２２もコントローラ１７に接続されており、コントローラ１７により開閉が制御される構成とされている。粗引きポンプが吸引処理を実施している状態でラフバルブ２２を開くことにより、処理チャンバ及び真空容器４に対する粗引き（ある程度までの真空処理）が行われる。

また、パージ配管１８は、パージガス供給装置に接続されている。パージガスとしては、例えば窒素ガスを用いることができる。また、パージ配管１８にはパージバルブ１９が接続されており、パージガスの真空容器４への供給を制御できる構成となっている。このパージバルブ１９はコントローラ１７に接続されており、よってコントローラ１７はパージバルブ１９を制御することにより、パージガス（窒素ガス）の真空容器４への供給量を制御する。

圧力センサ２０は、真空容器４内の圧力（真空度）を測定する圧力検出装置である。この圧力センサ２０はコントローラ１７に接続されており、よって圧力センサ２０で検出された真空容器４内の圧力はコントローラ１７に送信される。尚、安全弁２５は、真空容器４内の圧力が危険圧力を超えた場合に開弁する構成とされており、これによりクライオポンプ１の安全性を担保している。

冷凍機５はＧＭ型冷凍機であり、第１段シリンダー１４、第２段シリンダー１５、及び可逆モーター１６等により構成されている。第１段シリンダー１４の内部には第１段ディスプレーサー１４Ａが図中左右方向に往復動可能に配設されており、また第２段シリンダー１５には第２段ディスプレーサー１５Ａが図中左右方向に往復動可能に配設されている。この第１段ディスプレーサー１４Ａと第２段ディスプレーサー１５Ａは連結されており、可逆モーター１６を駆動源として上記のように各シリンダー１４，１５内で往復動を行う。

また、第１段シリンダー１４と第１段ディスプレーサー１４Ａとの間には第１段膨張室が形成されると共に、第２段シリンダー１５と第２段ディスプレーサー１５Ａとの間には第２段膨張室が形成される。この第１及び第２段膨張室は、各ディスプレーサー１４Ａ，１５Ａの往復動によりその体積が変化する構成となっている。

可逆モーター１６は、正方向回転及び逆方向回転が可能なモーターである。この可逆モーター１６は、コントローラ１７に接続されている。そして、コントローラ１７の指示に従い、正方向回転又は逆方向回転を選択的に行う。

第１段シリンダー１４には第１段冷凍ステージ７が配設されており、また第１段冷凍ステージ７にはシールド９が配設されている。このシールド９は有底筒状の形状を有し、外部の輻射熱がクライオパネル１０に熱伝導するのを防止する機能を奏する。更に、シールド９にはルーバ１２が設けられており、このルーバ１２は真空容器４の上部開口近傍に位置するよう配設されている。

第２段シリンダー１５の外周には、第２段冷凍ステージ８が配設されている。また、この第２段冷凍ステージ８にはクライオパネル１０及びチャコールパネル１１が配設されている。このチャコールパネル１１には、活性炭１１が配設されている。更に、第２段冷凍ステージ８には温度センサ２７が設けられている。この第２段冷凍ステージ８の温度は温度センサ２７により検出され、その検出結果はコントローラ１７に送信される。

図３は、コントローラ１７のハード構成を示す図である。コントローラ１７はマイクロコンピュータにより構成されており、同図に示すようにＣＰＵ４１，ＲＯＭ４２，ＲＡＭ４３、及びインターフェース装置４４がバスライン４５により接続された構成とされている。前記の可逆モーター１６、パージバルブ１９、ベントバルブ２１、ラフバルブ２２、圧力センサ２０等は、インターフェース装置２４を介してＣＰＵ２１に接続されている。また、後述する図４に示される再生処理のプログラムは予めＲＯＭ２２又はＲＡＭ２３に格納されている。

ここで、シールド９の底部に注目すると、シールド９の底部には液体排出管３０が配設されている。この液体排出管３０は、例えば内径がφ2〜3mm、肉厚が0.5mmのチューブ状（管状）部材である。また、液体排出管３０の材質は、銅、アルミニウム、ステンレス、或いはテフロン（登録商標）を用いることができる。

液体排出管３０の一端である導入口３０ａは、シールド９内の底部に開口している。この導入口３０ａからは、後述するようにシールド９内に溜まった液状ガス２６が吸引される。また、液体排出管３０の他端である排出口３０ｂは、シールド９の外部に配設されたベントバルブ２１に開口した構成とされている。

従って、液体排出管３０はシールド９を貫通してシールド９の外部に延出した構成されている。シールド９の液体排出管３０が貫通する部位には、断熱支持材３２が形成されている。断熱支持材３２としては、例えばセラミックシートや発泡スチロールを用いることができる。このように、シールド９の液体排出管３０が貫通する部位に、断熱性を有すると共に液体排出管３０を支持しうる材料を配設することにより、シールド９の外部の熱が液体排出管３０を介してシールド９内に熱伝導することを防止できると共に、液体排出管３０を真空容器４内で確実に保持することができる。

上記構成とされたクライオポンプ１において真空処理を行う場合、コントローラ１７は可逆モーター１６を正方向回転させる。これにより冷凍機５は冷却モードとなり、図示しない圧縮機から冷凍機５内に供給された冷媒ガスは、各ディスプレーサー１４Ａ，１５Ａの移動に伴い断熱膨張し寒冷を発生させる。これにより、第１段冷凍ステージ７は例えば３０〜１００Ｋ（シールド９は１００Ｋ以下）に冷却され、第２段冷凍ステージ８は例えば４〜２０Ｋ（クライオパネル１０は２０Ｋ以下）に冷却される。

処理チャンバ内に存在するガス（被凝縮ガス）は上部開口より真空容器４内に進入し、水分子や二酸化炭素は主にルーバ１２及びシールド９で凝縮され、アルゴンや窒素は主にクライオパネル１０で凝縮され、更に水素，ネオン，ヘリウム等は主にチャコールパネル１１の活性炭に吸着される。これにより、処理チャンバは排気されて高真空となる。

ところで、上記のように処理チャンバ内から排気されたアルゴン等の気体は、シールド９，クライオパネル１０，チャコールパネル１１等に凝縮或いは吸着されるため、その量が増えてくるとクライオポンプ１の排気性能が低下する。このため、クライオポンプ１に凝縮或いは吸着された気体を排出する再生処理が必要となることは前述した通りである。

次に、従来におけるクライオポンプ１の再生処理について説明する。

図４は、コントローラ１７が実施する再生処理を示すフローチャートである。この再生処理のプログラムは、前記のようにＲＯＭ４２又はＲＡＭ４３に格納されており、例えばクライオポンプ１が設けられた半導体製造装置のメインコンピュータからの再生開始指示により起動する。

図４に示す再生処理が起動すると、先ずステップ１０（図ではステップをＳと略称している）において、コントローラ１７は冷却運転を停止させる。具体的には、可逆モーター１６の正方向回転を停止させる。

続くステップ１２では、コントローラ１７はパージバルブ１９を開き、パージ配管１８を介してパージガス（窒素ガス）を真空容器４内に導入する。この際、パージガスは例えば７０℃程度に昇温させた上で真空容器４に導入することとしてもよい（いわゆる、ホットパージ）。

また、コントローラ１７は、可逆モーター１６を逆方向回転とする。これにより、冷凍機５は冷却モードから再生モードに切り替わり、第１及び第２段膨張室で冷媒ガスは断熱圧縮されて断熱圧縮熱を発生する。この断熱圧縮熱は各シリンダー１４，１５及び冷凍ステージ７，８を介してシールド９、クライオパネル１０、及びチャコールパネル１１に熱伝達される。これにより、シールド９、クライオパネル１０、及びチャコールパネル１１は昇温され、これにより再生が行われる。

上記のようにシールド９、クライオパネル１０、及びチャコールパネル１１が昇温することにより、これに凝縮されていた被凝縮ガスは液化する。そして、この液化した液状ガス２６は重力により有底状とされたシールド９の底部に落下し、ここに溜まった状態となる。

ステップ１４では、温度センサ２７が検出する第２段冷凍ステージ８の温度に基づき、コントローラ１７は検出温度が液化した液状ガス２６がシールド９の底部に溜まった状態となる温度（この温度を液化温度という）になったかどうかを判断する。温度センサ２７が検出する温度が液化温度未満の場合は、液状ガス２６がシールド９の底部に十分に溜まっていない状態であるため、処理はステップ１２に戻る。

一方、ステップ１４において温度センサ２７が検出する温度が液化温度以上であると判断されると、処理はステップ１６に進み、コントローラ１７は圧力センサ２０から送信される真空容器４内の圧力Ｐ１が大気圧Ｐ２以上のであるかどうかを判断する（具体的には、大気圧と真空容器４内圧力Ｐ１との差圧を求め、この差圧が所定値以上であるかを判断する）。

前記したように、真空容器４にはパージ配管１８を介してパージガスが導入されているため真空容器４の内圧は漸次上昇し、やがて真空容器４の外部の圧力よりも高い圧力となる。本実施例では、真空容器４の外部圧力を大気圧を基準として判断しているが、真空容器４の外部に圧力センサーを配設し、この外部に配設された圧力センサの検出値と圧力センサ２０の検出値とに基づき、前記の差圧を求める構成としてもよい。

ステップ１６で、真空容器４内圧力Ｐ１に基づき差圧が所定値未満であると判断された場合は、処理はステップ１２に戻る。一方、前記圧力が所定値以上であると判断した場合には、コントローラ１７はステップ１８でベントバルブ２１を開弁する。

前記したように、真空容器４の内圧Ｐ１は真空容器４の外部圧力Ｐ２よりも大きくなっている（Ｐ１＞Ｐ２）。また、液体排出管３０の導入口３０ａは液状ガス２６の内部に浸漬された状態となっており、かつ排出口３０ｂはベントバルブ２１に開口した構成とされている。よって、ベントバルブ２１が開弁することにより、液体排出管３０には押出力が発生し、真空容器４の底部に溜まった液状ガス２６は液体排出管３０に吸引されてベントバルブ２１に排出される。

この液状ガス２６の液体のままの排出処理は、ステップ２０の処理により、シールド９の底部に液状ガス２６がなくなるまで実施される。尚、シールド９の底部における液状ガス２６の有無は、例えば圧力センサ２０の圧力変化及び時間管理等により検知することができる。

続くステップ２２では、コントローラ１７は真空容器４内の被凝縮ガス（アルゴンガス等）の排出が完了したかどうかを判断する。この判断は圧力センサ２０が検出する真空容器４内の圧力変化により検知することができる。このステップ２２で被凝縮ガスの排出が未完了であると判断されると、処理はステップ１２に戻る。

一方、ステップ２２で被凝縮ガスの排出が完了したと判断されると、処理はステップ２４に進み、コントローラ１７はパージバルブ１９を閉じてパージガスの供給を停止し、可逆モーター１６の逆方向回転を停止し、されにベントバルブ２１を閉弁して、次の真空処理に備える。

上記のように本実施例によれば、液状ガス２６（液体状態の被凝縮ガス）を液体排出管３０を介して液体のままベントバルブ２１に排出するため、液状ガス２６が気化する時間を待つ必要がなくなり、また液状ガス２６が気化する際に蒸発潜熱による周囲の冷却を防止できるため、再生時間の短縮と再生性能の向上を図ることができる。

また本実施例では、液状ガス２６のベントバルブ２１への排出は、真空容器４内の圧力Ｐ１と、真空容器４の外部の圧力Ｐ２の差圧を利用して行っている（真空容器４内の圧力上昇はパージガスを用いている）。このため、液状ガス２６をベントバルブ２１に排出するために、排出ポンプ等の新たな構成を必要とすることはなく、クライオポンプ１の構成が複雑になるようなこともない。

また、液体排出管３０も前記のように銅、アルミニウム、ステンレス、或いは（登録商標）等よりなる配管であり安価であるため、液体排出管３０を設けてもクライオポンプ１のコストが徒に上昇するようなこともない。

図１は、本発明の一実施例であるクライオポンプの構成図である。 図２は、図１に矢印Ａで示す部分を拡大して示す図である。 図３は、コントローラのハード構成を示す図である。 図４は、コントローラが実施する再生処理のフローチャートである。

符号の説明

１ クライオポンプ
４ 真空容器
５ 冷凍機
９ シールド
１０ クライオパネル
１１ チャコールパネル
１２ ルーバ
１６ 可逆モーター
１７ コントローラ
１８ パージ配管
１９ パージバルブ
２０ 圧力センサ
２１ ベントバルブ
２２ ラフバルブ
２６ 液状ガス
３０ 液体排出管
３２ 断熱支持材

Claims (4)

1. 寒冷を発生させる冷凍機と、
   該冷凍機で発生した寒冷により冷却され被凝縮ガスを凝縮させるクライオパネルと、
   前記冷凍機で発生した寒冷により冷却され被凝縮ガスを凝縮させると共に、輻射熱が前記クライオパネルに熱伝達するのを防止する有底状のシールドと、
   前記クライオパネル及びシールドを収納する真空容器と、
   前記クライオパネル及びシールドを昇温する昇温装置と、
   前記クライオパネルの前記被凝縮ガスを前記真空容器内から排出するベントバルブとを有するクライオポンプであって、
   前記シールドの底部と前記ベントバルブとを連通する液体排出管と、
   前記真空容器の内部圧力を検出する圧力検出手段と、
   前記内部圧力が大気圧以上となった時に前記ベントバルブを開弁させ、前記シードの底部に溜まった液体状の被凝縮ガスを前記液体排出管を介して前記ベントバルブに排出する制御手段とを有することを特徴とするクライオポンプ。
2. 前記液体排出管が前記シールドを貫通する部位に断熱支持材を設けたことを特徴とする請求項１記載のクライオポンプ。
3. 前記液体排出管は、銅、アルミニウム、ステンレス、及びテフロン（登録商標）からからなる群より選ばれた一の材質より形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載のクライオポンプ。
4. 寒冷を発生させる冷凍機と、該冷凍機で発生した寒冷により冷却され被凝縮ガスを凝縮させるクライオパネルと、前記冷凍機で発生した寒冷により冷却され被凝縮ガスを凝縮させると共に、輻射熱が前記クライオパネルに熱伝達するのを防止する有底状のシールドと、前記クライオパネル及びシールドを収納する真空容器と、前記クライオパネル及びシールドを昇温する昇温装置と、再生時に開弁され、前記被凝縮ガスを前記真空容器内から排出するベントバルブとを有するクライオポンプの再生処理を行うクライオポンプの再生方法であって、
   再生加熱を行うことにより前記クライオパネル及びシールドに凝縮した被凝縮ガスを液化する工程と、
   前記真空容器の内部圧力を検出する工程と、
   該内部圧力が前記真空容器の外部圧力よりも大きい時、前記ベントバルブを開弁して
   液化し前記シールドの底部に溜まっている液体状の前記被凝縮ガスを前記液体排出管を介して前記ベントバルブに排出する工程とを有することを特徴とするクライオポンプの再生方法。
   

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