JP2009215917A - クライオポンプ及び真空排気方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高い排気速度及び低い冷却温度の両立を実現することができる実用性に優れるクライオポンプ及び真空排気方法を提供する。
【解決手段】クライオポンプ１０は、放射シールド１８と、放射シールド１８に包囲されて配置され放射シールド１８よりも低温に冷却されるクライオパネル２４と、放射シールド１８に熱的に接続されクライオパネル２４の前段に配置されるバッフル２３と、を備える。クライオパネル２４で排気されるべき気体についての要求排気速度に対応させて放射シールド１８の内面とバッフル２３との間隙を設定し、バッフル２３を開口２０に配置したときよりもクライオパネル２４の冷却到達温度が低くなるよう開口２０からオフセットされた位置にバッフル２３を配置し、クライオパネル２４で排気されるべき気体を要求排気速度で排気する。
【選択図】図５

Description

本発明は、クライオポンプ及び真空排気方法に関する。

クライオポンプは、極低温に冷却されたクライオパネルに気体分子を凝縮または吸着により捕捉して排気する真空ポンプである。クライオポンプは半導体回路製造プロセス等に要求される清浄な真空環境を実現するために一般に利用される。例えば特許文献１には、バッフルをもつ第１クライオパネルを第１ヒートステージに結合し、この第１クライオパネルに内装する第２ヒートステージに第２クライオパネルを結合したクライオポンプが記載されている。このバッフルは第１クライオパネルの開口の全域に設けられている。
特開平２−３０８９８５号公報

クライオポンプのアプリケーションの１つに、例えばイオン注入工程のように、排気すべき気体の大半を例えば水素等の非凝縮性気体が占める場合がある。非凝縮性気体は極低温に冷却された吸着剤に吸着させることによって初めて排気することができる。この場合、排気速度を向上させるためには吸着剤への気体流入経路を充分に確保すべきである。そのために例えば、放射シールドの開口でのバッフル占有面積を小さくして開口部分を広くすることがある。ところが、そうすると開口部分を通じた外部からの輻射熱入射が増えて、吸着剤及びこれを保持する低温クライオパネルの温度が上がりやすくなってしまう。このように、従来は低温クライオパネルの排気速度と冷却到達温度とはバッフルのサイズに関してトレードオフの関係にあると考えられていた。つまり、開口部分が小さくなる大型のバッフルを使用すれば排気速度が低下し、逆に小型のバッフルを使用すれば低い冷却温度に到達させにくくなる。また、排気速度及び冷却温度の双方を要求仕様に適合させるようバッフルの寸法を決定するための調整作業には、寸法の異なる複数のバッフルを実際に製作して検証することが必要とされるため、相当の手間がかかっていた。

そこで、本発明は、要求仕様に適合する排気性能及び冷却温度を容易に両立することができる実用性の高いクライオポンプ及び真空排気方法を提供することを目的とする。

本発明のある態様のクライオポンプは、中心軸を有する内部空間を画定するシールド内面と、該内部空間を外部の排気対象容積へと接続する開口を画定するシールド端とを有し、第１の温度レベルに冷却される放射シールドと、外周端を有し、放射シールドに熱的に接続されて第１の温度レベルに冷却され、中心軸からの放射方向において該外周端とシールド内面との間に開放領域を形成して配置される第１のクライオパネルと、前記内部空間において第１のクライオパネルよりも内側にかつ前記中心軸を包囲するレイアウトで配置され、第１の温度レベルよりも低温である第２の温度レベルに冷却される第２のクライオパネルと、を備える。第１のクライオパネルは、前記開放領域が要求排気速度に対応して形成されるとともに、シールド端から前記外周端を経て前記中心軸に交差する直線が前記中心軸に交差する手前で第２のクライオパネルを通るように前記内部空間においてシールド端よりも内側に配置される。

この態様によれば、要求排気速度の実現と、低温の第２のクライオパネルへの外部からの輻射熱低減とを両立する実用性の高いクライオポンプが提供される。要求排気速度は例えば、第２のクライオパネルで選択的に排気される気体について設計仕様として定められる排気速度である。第１のクライオパネルと放射シールド内面との間隙を適切に設定することにより外部から第２のクライオパネルへの気体の進入経路が充分に確保され、要求排気速度を実現することができる。また、第１のクライオパネルをシールド端よりも実質的に内側に配置することにより、第１のクライオパネルとシールド内面との間隙を通じて第２のクライオパネルに向かう輻射熱の少なくとも一部を遮蔽することができる。

放射シールドに第１のクライオパネルを固定するためのパネル取付構造であって、シールド端においてシールド内面に設けられているパネル取付部と、第１のクライオパネルの外周端に設けられているシールド取付部と、中心軸方向に延在し、一端が該パネル取付部に取り付けられ他端が該シールド取付部に取り付けられる取付部材と、を含むパネル取付構造をさらに備えてもよい。

このようにすれば、調整された取付部材を使用することにより最適なオフセット位置に第１のクライオパネルを配置することができる。また、放射シールド及び第１のクライオパネルは既存のものを利用することができるので、部品の共用化が実現され製造コストが低減される。

第２のクライオパネルは、前記中心軸からの放射方向においてシールド内面との間に前記開放領域よりも狭い間隙を有して配置されてもよい。

第２のクライオパネルは、第１のクライオパネルに向けて突出し第１のクライオパネルから見て露出されている先端部を有し、シールド端から前記外周端を経て前記中心軸に交差する直線が該先端部を通るように配置されていてもよい。

第１のクライオパネルは開口から見て露出されており、第２のクライオパネルは第１のクライオパネルから見て露出されていてもよい。

本発明の別の態様もまた、クライオポンプである。このクライオポンプは、内部空間を画定し、該内部空間を外部の排気対象容積に接続する開口端を有する放射シールドと、放射シールドを第１の温度レベルに冷却すべく放射シールドに熱的に接続される第１の冷却ステージと、前記内部空間に配置され該第１の温度レベルよりも低温である第２の温度レベルを提供する第２の冷却ステージと、を含む冷凍機と、放射シールドに熱的に接続されて第１の温度レベルに冷却され、要求排気速度に対応して面積が設定される開放領域を放射シールドとの間に有して配置され、かつ前記開口端から第２の冷却ステージへと向かう輻射熱を遮蔽するように前記内部空間において前記開口端よりも内側に配置される第１のクライオパネルと、を備える。

本発明のさらに別の態様もまた、クライオポンプである。このクライオポンプは、内部空間を画定するシールド内面と、シールド内面に設けられているパネル取付部と、を含む放射シールドと、パネル取付部に取り付けられ、内部空間においてシールド内面に沿う方向に所定のオフセット量離れたオフセット位置へと該パネル取付部から延在する取付部材と、該取付部材により該オフセット位置に配置されるクライオパネルと、を備える。

このクライオポンプは、放射シールドに熱的に接続され放射シールドを冷却する第１の冷却ステージと、内部空間に配置され第１の冷却ステージよりも低い冷却温度レベルを提供する第２の冷却ステージと、を含む冷凍機をさらに備えてもよい。放射シールドは、内部空間を外部の排気対象容積へと接続する開口を画定するシールド端をさらに含み、パネル取付部は該シールド端においてシールド内面に設けられ、取付部材は開口から離れる方向にパネル取付部から延在しており、オフセット位置は、クライオパネルを開口に配置したときよりも冷却温度レベルが低くなるオフセット範囲から選択され、クライオパネルは、内部空間において開口よりも実質的に内側に配置されてもよい。

本発明のさらに別の態様もまた、クライオポンプである。このクライオポンプは、内部空間を外部の排気対象容積に接続する開口端を有し、第１の温度レベルに冷却される放射シールドと、内部空間において放射シールドとは非接触に配置され、第１の温度レベルよりも低温である第２の温度レベルに冷却される低温クライオパネルと、放射シールドに熱的に接続されて第１の温度レベルに冷却され、開口端との間隔と低温クライオパネルとの間隔とを実質的に等しくするオフセット位置に配置される高温クライオパネルと、を備える。

本発明のさらに別の態様は、真空排気方法である。この方法は、排気されるべき気体が進入する開口を有する放射シールドと、放射シールドに包囲されて配置され放射シールドよりも低温に冷却される低温クライオパネルと、放射シールドに熱的に接続され低温クライオパネルの前段に配置される高温クライオパネルと、を備えるクライオポンプを使用する真空排気方法であって、低温クライオパネルで排気されるべき気体についての要求排気速度に対応させて放射シールドの内面と高温クライオパネルとの間隙を設定し、高温クライオパネルを開口に配置したときよりも低温クライオパネルの冷却到達温度が低くなるよう開口からオフセットされた位置に高温クライオパネルを配置し、低温クライオパネルで排気されるべき気体を要求排気速度で排気する。

本発明によれば、高い排気速度及び低い冷却温度の両立を実現することができる実用性に優れるクライオポンプ及び真空排気方法が提供される。

まず、以下に説明する本発明に係る実施形態の概要を説明する。一実施形態においては、放射シールド開口部から内部にオフセットされた位置にクライオパネルが配置される。放射シールド開口部から見て、このクライオパネルは、より低温のクライオパネルの前段に設けられ、以下ではバッフルとも適宜称する。このオフセット配置型バッフルは放射シールドに熱的に接続される。一方、このバッフルの後段に配置される低温クライオパネルは、放射シールドに包囲されかつ非接触に配置される。本発明者は、このオフセット配置型バッフルにより、低温クライオパネルによる排気速度を所望の水準に維持しつつ低温クライオパネルへの輻射熱を効果的に低減し、低温クライオパネルに所望の排気速度とより低い冷却到達温度とを実現できることを実験的に見出した。

放射シールド及びバッフルは第１の冷却温度レベルに冷却され、低温クライオパネルは第１の冷却温度レベルよりも低温の第２の冷却温度レベルに冷却される。そのために、放射シールド及び低温クライオパネルがそれぞれ２段冷凍機の第１冷却ステージ及び第２冷却ステージに熱的に接続されてもよい。第１及び第２冷却ステージはそれぞれ第１及び第２の冷却温度レベルを提供する。以下では適宜、バッフルを第１のクライオパネルとも称し、低温クライオパネルを第２のクライオパネルとも称する。

第１のクライオパネルには、第１の冷却温度レベルにおいて蒸気圧が低い気体が凝縮により捕捉されて排気される。例えば基準蒸気圧（例えば１０^−８Ｐａ）よりも蒸気圧が低い気体が排気される。第２のクライオパネルには、第２の冷却温度レベルにおいて蒸気圧が低い気体が凝縮により捕捉されて排気される。第２のクライオパネルには、蒸気圧が高いために第２の温度レベルにおいても凝縮しない例えば水素等の非凝縮性気体を捕捉するために表面に吸着領域が形成される。吸着領域は例えばパネル表面に吸着剤を設けることにより形成される。非凝縮性気体は、第２の温度レベルに冷却された吸着領域に吸着されて排気される。

典型的なクライオポンプにおいては、バッフルはシールド開口に配置される一方、低温クライオパネルはシールド中心部に配置された第２冷却ステージに取り付けられている。単にそれぞれ別個独立に配置が定められているにすぎない。排気速度と冷却到達温度との両立ないし最適化という観点から両者の位置関係を調和させるという技術思想はここには存在しない。排気速度と冷却到達温度との最適化は、典型的には例えばバッフルの外径の調整による。この場合、排気速度と冷却到達温度とはトレードオフの関係にあり、大径のバッフルを使用すれば排気速度が低下し、小径のバッフルを使用すれば低い冷却温度に到達させにくくなる。

これに対して本発明の一実施形態においては、排気速度と冷却到達温度の最適化という観点からバッフルと低温クライオパネルとを１つのユニットとして捉え、バッフルと低温クライオパネルとの間隔すなわちシールド開口からのオフセット量を調整する。これは、シールド開口からのバッフルのオフセット量を異ならせても低温クライオパネルの排気速度への影響が小さいという新たな知見に基づいている。

例えば、まず、所望の気体吸蔵量を得るように低温クライオパネルを設計する。例えば低温クライオパネルのレイアウト、吸着領域面積、使用する吸着剤の種類及び形状などを要求される気体吸蔵量を満たすように定める。そして、要求される排気速度が低温クライオパネルに実現されるように、バッフルがシールド開口を占有する割合やバッフル形状を定める。つまり、低温クライオパネルで排気されるべき気体についての要求排気速度に対応させて放射シールドの内面とバッフルとの間に形成される開放領域の面積を設定する。バッフルが例えばルーバーである場合には、ルーバーの径を決める。さらに、バッフルをシールド開口に配置したときよりも低温クライオパネルの冷却到達温度が低くなるよう開口からのオフセット量を定める。好ましくは、低温クライオパネルの冷却到達温度が、要求される冷却温度よりも低温となるオフセット範囲からバッフルのオフセット位置を選択する。

このようにすれば、バッフルの寸法及び形状を要求排気速度に合わせて設定してからバッフルのオフセット量を要求冷却温度に合わせて設定するというシーケンシャルな手順で排気速度と冷却到達温度とを要求仕様に適合させることができる。排気速度と冷却到達温度とのトレードオフを考慮することなく容易に両者の最適化を図ることができる。

その結果、一実施形態においては、シールド端から第１のクライオパネルの外周端を経て放射シールド内部空間の中心軸に交差する直線が当該中心軸に交差する手前で第２のクライオパネルを通るように、第１のクライオパネルはシールド端よりも内側に配置される。また、第１のクライオパネルは、放射シールド開口端から冷凍機の第２の冷却ステージへと向かう輻射熱を遮蔽するように放射シールド内部空間において開口よりも内側に配置されてもよい。

あるいは、第１のクライオパネルを放射シールド開口に配置したときよりも第２のクライオパネルの冷却温度レベルが実質的に低くなるオフセット範囲から選択されたオフセット位置に第１のクライオパネルを配置してもよい。好ましくは、第２のクライオパネルの冷却温度レベルが要求冷却温度よりも低温となるオフセット範囲から選択されたオフセット位置に第１のクライオパネルを配置する。また、第１のクライオパネルは、放射シールド開口との間隔と低温クライオパネルとの間隔とを実質的に等しくするオフセット位置に配置されてもよい。

また、バッフルをオフセット位置に配置するための取付構造は、例えば、放射シールド開口部に設けられているバッフル取付部と、バッフル外周部に形成されているシールド取付部と、オフセット方向に延在してバッフル取付部とシールド取付部とを接続する取付部材と、を備えてもよい。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るクライオポンプ１００の一部を模式的に示す図である。クライオポンプ１００は、ポンプ容器１０２、放射シールド１０４、第１クライオパネル１１２とを含んで構成される。第１クライオパネル１１２がオフセット配置型バッフルである。図１においては簡明化のため、ポンプ容器１０２、放射シールド１０４、及び第１クライオパネル１１２を主として図示している。

第１クライオパネル１１２はパネル取付構造（図示せず）を介して放射シールド１０４に取り付けられる。また、第２パネル設置空間１１４に第２クライオパネルが設けられる。図において、第２パネル設置空間１１４は破線で示されている。放射シールド１０４及び第２クライオパネルは、それぞれ冷凍機（図示せず）の第１及び第２冷却ステージに取り付けられる。放射シールド１０４及び第１クライオパネル１１２は例えば８０乃至１００Ｋに冷却され、第２クライオパネルは例えば１０乃至２０Ｋに冷却される。

放射シールド１０４は、直線Ａを中心軸とし、一端が開放され他端が閉塞されている有底円筒状に形成されている。放射シールド１０４の内面は、中心軸Ａを有する円柱状内部空間１０６を画定する。また、放射シールド１０４の外面との間に間隙を有してポンプ容器１０２が配設されている。放射シールド１０４の開放側の端部（以下これを適宜「シールド端」という）１１０は、放射シールドの開口（（以下これを適宜「シールド開口」という））１０８を画定する。放射シールド１０４が円筒形状であるから、シールド開口１０８は円形である。

第１クライオパネル１１２は図示されるように例えば円板状のバッフルであってもよいし、同心円状に形成されたルーバー形状であってもよいし、シェブロン形状であってもよい。第１クライオパネル１１２は、放射シールド１０４との間に開放領域を形成して配置されている。図示されるように、開放領域は例えば幅Ｂの円環状の間隙である。開放領域の面積は、第２クライオパネルの排気速度が要求仕様を満たすように設定される。また、第１クライオパネル１１２は、シールド開口１０８からオフセット量Ｃだけ離れて内部空間１０６に配置されている。オフセット量Ｃは、第２クライオパネルの冷却到達温度が要求仕様を満たすように設定される。

第２パネル設置空間１１４は、シールド内部空間１０６の一部であり、第２クライオパネルを包含する空間である。第２パネル設置空間１１４は例えば、直線Ａを中心軸とする円柱状空間である。第２パネル設置空間１１４は、第１クライオパネル１１２と放射シールド１０４とに包囲されている。これにより、第２クライオパネルは、シールド開口１０８から見て第１クライオパネル１１２の後段に配置される。第２クライオパネルは第２パネル設置空間の内部に任意のレイアウトで配置されうる。例えば、第２クライオパネルは放射シールド１８の中心軸を包囲するレイアウトで配置される。

図２及び図３は、オフセット配置型クライオパネルによる輻射熱の遮蔽効果を説明するための図である。図２に示されるように、外部から例えばシールド端１１０を通ってシールド内部空間１０６へと入射する輻射熱のうち、開口面１０８から内側に角度αの範囲を通る輻射熱は第１クライオパネル１１２により遮蔽される。すなわち、シールド端１１０から第１クライオパネル１１２の外周端を経て中心軸Ａへと向かう輻射熱ａは第２パネル設置空間１１４へと進入するが、より浅い角度でシールド端１１０から入射する輻射熱ｂ、ｃは角度αの範囲に含まれており、第１クライオパネル１１２により遮蔽される。

また、図３に示されるように、オフセット配置型クライオパネル１１２によって、第１クライオパネル１１２をシールド開口１０８に設けた場合に比べて、クライオポンプ外部の熱源Ｐからシールド内部空間１０６へと入射する輻射熱もより遮蔽されるようになる。第１クライオパネル１１２をシールド開口１０８に設けた場合には、輻射熱ｅよりも入射角度が浅い輻射熱を遮蔽するだけであるが、第１クライオパネル１１２をオフセット量Ｃだけ内側にオフセットして配置することにより、外部熱源Ｐから第１クライオパネル１１２の外周端を経て中心軸Ａへと向かう輻射熱ｄよりも入射角度が浅い輻射熱を遮蔽することができるようになる。第１クライオパネル１１２をシールド開口１０８に設けた場合に比べて、オフセット量Ｃを与えた場合には更に角度βの範囲の輻射熱を遮蔽することができる。

図３に示されるように、中心軸Ａからの放射方向において第１クライオパネル１１２よりも外側に熱源Ｐがある場合には、オフセット配置型クライオパネル１１２により第２パネル設置空間への輻射熱の進入が低減される。ところが、中心軸Ａからの放射方向において第１クライオパネル１１２よりも内側に輻射熱源がある場合には、第１クライオパネル１１２を放射シールド１０４内部にオフセットすることにより、シールド内部空間１０６に進入する輻射熱が増えることになる。しかし、この輻射熱の第２クライオパネルへの影響は小さい。放射方向内側の輻射熱源からの輻射熱は、まず第１クライオパネル１１２により遮蔽される。さらに、放射シールド１０４と第１クライオパネル１１２との間の開放領域を経てシールド内部空間１０６に進入した輻射熱はその大半が放射シールド１０４の内面に入射する。つまり、放射方向内側の輻射熱源からの輻射熱は基本的に第２クライオパネルに直接入射しない。よって、オフセットされた第１クライオパネル１１２により、第２パネル設置空間１１４に進入する輻射熱が効果的に低減される。

なお、放射シールド１０４の内面は、入射した輻射熱を吸収するように、例えば黒色に表面処理をする等の輻射熱の吸収率を高める処理を施すことが望ましい。そうすれば、放射シールド１０４の内面で反射して第２クライオパネルに入射する輻射熱を抑えることができる。

また、第１及び第２クライオパネルを冷却する冷凍機の制御方式によっては、放射シールド１０４の内面への入熱増加が、第２クライオパネルの冷却到達温度をより低下させるのにむしろ役立つ場合もある。例えば、冷凍機の第１冷却ステージの温度を目標温度に一致させるように冷凍機の作動気体吸排気サイクルを制御する場合には、放射シールド１０４の内面への入熱増加により第２クライオパネルの冷却到達温度をより低下させることができる。この場合、目標温度を維持すべく第１冷却ステージへの熱負荷増大に対抗して冷凍機の吸排気サイクルが増加され、これに連動して第２冷却ステージの温度が低下するからである。よって、一実施例においては、冷凍機の第１冷却ステージの温度を目標温度に一致させるように冷凍機の作動気体吸排気サイクルを制御する制御部を備えてもよい。この制御部は例えば、冷凍機の第１冷却ステージの温度を測定する温度センサと、この温度センサの測定値に基づいて冷凍機の作動気体吸排気サイクルを制御するコントローラと、を備えてもよい。

第１クライオパネル１１２のオフセット量は、図４に示されるオフセット範囲Ｄから選択されることが望ましい。図４に示されるように、オフセット範囲Ｄの最小オフセット量Ｃ１は、シールド端１１０から第１クライオパネル１１２の外周端を経てシールド内部空間１０６の中心軸Ａに交差する直線が、中心軸Ａと第２パネル設置空間１１４との交点Ｑを通るように設定される。オフセット範囲Ｄの最大オフセット量Ｃ２は、第１クライオパネル１１２と第２クライオパネルとが接触しないように第２パネル設置空間１１４との間に空隙を有するように設定される。この空隙は、第１クライオパネル１１２と第２クライオパネルとの間の輻射による熱交換の影響を実質的になくすことを考慮して設定されてもよい。

このように設定されたオフセット範囲Ｄから第１クライオパネル１１２のオフセット量を選択することにより、図２に示されるように、第１クライオパネル１１２は、シールド端１１０から第１クライオパネル１１２の外周端を経てシールド内部空間１０６の中心軸Ａに交差する直線が中心軸Ａに交差する手前で第２パネル設置空間１１４を通るようにシールド端１１０よりも内側に配置される。このようにして、要求排気速度の実現と第２クライオパネルへの輻射熱低減とを両立することができる。

図５は、本発明の第２の実施形態に係るクライオポンプ１０の一部を模式的に示す図である。第２の実施形態においては、第１のクライオパネルはルーバー２３であり、第２のクライオパネルは冷凍機１４に吊り下げられてシールド開口２０に向けて露出されかつ突出している構成のクライオパネル２４である。

クライオポンプ１０は、ポンプ容器１２と、冷凍機１４と、パネル構造体１６と、放射シールド１８とを含んで構成される。図５に示されるクライオポンプ１０は、いわゆる横型のクライオポンプである。横型のクライオポンプ１０とは一般に、筒状の放射シールド１８の中心軸方向に交差する方向（通常は直交方向）に沿って冷凍機１４の第２冷却ステージ２２が放射シールド１８の内部に挿入され配置されているクライオポンプ１０である。なお、本発明はいわゆる縦型のクライオポンプにも同様に適用することができる。縦型のクライオポンプとは、放射シールド１８の中心軸方向に沿って冷凍機１４が挿入されて配置されているクライオポンプである。

図５は、ポンプ容器１２及び放射シールド１８の中心軸Ａを含み、冷凍機１４の中心軸に直交する平面による断面を模式的に示す図である。図５では、ポンプ外部の排気対象容積である真空チャンバからクライオポンプ内部への気体の進入方向を矢印Ｅで表している。また、図６は、第２の実施形態の一変形例を示す図である。図７は、気体進入方向Ｅから見たときのルーバー２３を模式的に示す図である。図８は、気体進入方向Ｅから見たときのパネル構造体１６を模式的に示す図である。

なお、気体進入方向Ｅは、クライオポンプ外部から内部に向かう方向と理解すべきである。図において気体進入方向Ｅが放射シールド１８の中心軸Ａに平行とされているのは、便宜上説明をわかりやすくするためにすぎない。クライオポンピング処理においてクライオポンプ内部へと進入する気体分子の実際の進入方向は、当然、図示される気体進入方向Ｅに厳密に一致するものではなく、むしろ気体進入方向Ｅに交差する方向であることが普通である。

ポンプ容器１２は、一端に開口を有し他端が閉塞されている円筒状の形状に形成された部位を有する。ポンプ容器１２の内部にパネル構造体１６及び放射シールド１８が配設されている。ポンプ容器１２の開口は、排気されるべき気体が進入する吸気口として設けられており、ポンプ容器１２の筒状側面の上端部内面により画定される。ポンプ容器１２の上端部には径方向外側に向けて取付フランジ３０が延びている。クライオポンプ１０は、排気対象容積であるイオン注入装置等の真空チャンバに取付フランジ３０を用いて取り付けられる。なおポンプ容器１２の断面は円形状には限られず、他の形状例えば楕円形状や多角形形状であってもよい。

冷凍機１４は、例えばギフォード・マクマホン式冷凍機（いわゆるＧＭ冷凍機）である。また冷凍機１４は２段式の冷凍機であり、第１冷却ステージ（図示せず）及び第２冷却ステージ２２を有する。第２冷却ステージ２２は、ポンプ容器１２及び放射シールド１８に包囲され、ポンプ容器１２及び放射シールド１８の内部空間の中心部に配置されている。第１冷却ステージは第１の冷却温度レベルに冷却され、第２冷却ステージ２２は第１の冷却温度レベルよりも低温の第２の冷却温度レベルに冷却される。第２冷却ステージ２２は例えば１０Ｋ乃至２０Ｋ程度に冷却され、第１冷却ステージは例えば８０Ｋ乃至１００Ｋ程度に冷却される。

放射シールド１８は、冷凍機１４の第１冷却ステージに熱的に接続された状態で固定され、第１冷却ステージと同程度の温度に冷却される。放射シールド１８は、パネル構造体１６及び第２冷却ステージ２２を周囲の輻射熱から保護する輻射シールドとして設けられている。放射シールド１８もポンプ容器１２と同様に、一端にシールド開口２０を有し他端が閉塞されている円筒状の形状に形成されている。放射シールド１８はカップ状の形状に形成されている。ポンプ容器１２及び放射シールド１８はともに略円筒状に形成されており、同軸に配設されている。ポンプ容器１２の内径が放射シールド１８の外径を若干上回っており、放射シールド１８はポンプ容器１２の内面との間に若干の間隔をもってポンプ容器１２とは非接触の状態で配置される。また、図５に示される実施例では、放射シールド１８の閉塞部は、中心軸Ａに近づくほどシールド開口２０から離れるようにドーム状に湾曲して形成されている。ポンプ容器１２の閉塞部も同様にドーム状に湾曲して形成されている。

放射シールド１８の内部空間の中心部に冷凍機１４の第２冷却ステージ２２が配置されている。冷凍機１４は放射シールド１８の側面の開口から挿入され、その開口部に第１冷却ステージが取り付けられる。このようにして、冷凍機１４の第２冷却ステージ２２は、放射シールド１８の中心軸上においてシールド開口２０と最深部との中間に配置される。

なお放射シールド１８の形状は、円筒形状には限られず、角筒形状や楕円筒形状などいかなる断面の筒形状でもよい。典型的には放射シールド１８の形状はポンプ容器１２の内面形状に相似する形状とされる。また、放射シールド１８は図示されるような一体の筒状に構成されていなくてもよく、複数のパーツにより全体として筒状の形状をなすように構成されていてもよい。これら複数のパーツは互いに間隙を有して配設されていてもよい。

また放射シールド１８の開口２０から実質的にオフセットを有してルーバー２３が配置されている。ルーバー２３は、パネル構造体１６とは放射シールド１８の中心軸方向に間隔をおいて設けられている。ルーバー２３とパネル構造体１６との間隔は、シールド開口２０とルーバー２３との間隔よりも広くてもよいし、狭くてもよい。また、ルーバー２３とパネル構造体１６との間隔は、シールド開口２０とルーバー２３との間隔と実質的に等しくされてもよい。図５に示される実施例ではルーバー２３のオフセット量が比較的大きく設定されており、シールド開口２０からルーバー２３の上端までの間隔が、ルーバー２３の下端からクライオパネル２４の先端部３４の上端までの間隔よりも広くなっている。なお、ルーバー２３と真空チャンバとの間にはゲートバルブ（図示せず）が設けられていてもよい。このゲートバルブは例えばクライオポンプ１０を再生するときに閉とされ、クライオポンプ１０により真空チャンバを排気するときに開とされる。

ルーバー２３のオフセット量は、放射シールド１８の開口端からルーバー２３の外周端５０を経て中心軸Ａに交差する直線Ｆが、中心軸Ａに交差する手前でクライオパネル２４を通るように設定される。直線Ｆは図５において破線で示されている。また、好ましくは、直線Ｆがクライオパネル２４の先端部３４の最外部と最内部との間を通るようにルーバー２３のオフセット量が設定されてもよい。後述するように、クライオパネル２４の冷却到達温度を低減するためには、ルーバー２３をクライオパネル２４に極度に近接させるのではなく、クライオパネル２４との間にある程度の間隔をとることがより好ましいということが実験的に確認されているからである。

また、放射シールド１８の開口端から冷凍機１４の第２冷却ステージ２２へと向かう輻射熱の少なくとも一部が遮蔽されるようにルーバー２３のオフセット量が設定されてもよい。好ましくは、放射シールド１８の開口端から冷凍機１４の第２冷却ステージ２２へと向かう輻射熱が完全に遮蔽されるようにルーバー２３のオフセット量が設定されてもよい。このようにすれば、冷却源である第２冷却ステージ２２への輻射熱の直接入射が抑制されるので、クライオパネル２４の冷却温度の低下に寄与すると考えられる。例えば図６に示されるように、ルーバー２３をクライオパネル２４に比較的近接させることにより、放射シールド１８の開口端からルーバー２３の外周端５０を経て中心軸Ａに交差する直線Ｇが冷凍機１４の第２冷却ステージ２２よりも下方を通るようになる。その結果、放射シールド１８とルーバー２３との間隙から進入する輻射熱を第２冷却ステージ２２に入射させないようにすることができる。

図５に示されるように、ルーバー２３の外周端５０の径はクライオパネル２４の最外部の径よりも小さいことが望ましい。すなわち、中心軸Ａからの放射方向におけるクライオパネル２４と放射シールド１８の内面との距離は、ルーバー２３の外周端５０と放射シールド１８の内面との距離よりも狭いことが望ましい。クライオパネル２４への輻射熱を考慮すれば、ルーバー２３の外周端５０の径がクライオパネル２４の最外径の７５％乃至１００％であることが好ましく、８５％乃至９５％であることがさらに好ましい。ルーバー２３を比較的小さくすることにより、シールド内部への気体の流れ性を向上させて排気速度を高めることができる。またクライオパネル２４と放射シールド１８との距離を近づけることで比較的大きなパネル面積を確保することができる。このことも排気性能の向上に寄与する。

また、ルーバー２３はシールド開口２０から見て露出されており、クライオパネル２４はルーバー２３から見て露出されている。つまり、ルーバー２３の上部には空間が形成されているにすぎず、気体の流通を阻害する障害物は設けられていない。またルーバー２３とクライオパネル２４との間にも空間が形成されているにすぎず、気体の流通を阻害する障害物は設けられていない。このようなシンプルな構成により、気体の流通が過度に妨げられることなく良好な排気速度が実現される。

ルーバー２３は、パネル取付構造４０により放射シールド１８に取り付けられている。パネル取付構造４０は、中心軸Ａに対する放射方向に離散的に複数箇所に設けられており、例えば９０度おきに４箇所に設けられる（図７参照）。パネル取付構造４０は、ルーバー２３を放射シールド１８に機械的に固定するとともに、放射シールド１８とルーバー２３とを熱的に接続する。これにより、パネル取付構造４０は、放射シールド１８からルーバー２３への伝熱経路としても機能し、ルーバー２３は放射シールド１８と同程度の温度に冷却される。

図５に示されるように、パネル取付構造４０は、パネル取付部４２、第１取付部材４４、第２取付部材４６、及びシールド取付部４８とを含んで構成される。パネル取付部４２は、シールド開口２０の近傍において放射シールド１８の内面から中心軸Ａに向けて垂直に立設されている突起である。第１取付部材４４は、パネル取付部４２と第２取付部材４６とを接続するための棒状の部材であり、一端がパネル取付部４２に取り付けられ、他端が第２取付部材４６に取り付けられる。パネル取付部４２及び第２取付部材４６は、第１取付部材４４にそれぞれ例えばボルト等の取付手段により取り付けられる。取付状態において第１取付部材４４は、パネル取付部４２から中心軸Ａに向けてシールド開口２０に平行に延在するように配置される。

第２取付部材４６は、第１取付部材４４とシールド取付部４８とを接続するための棒状の部材であり、一端が第１取付部材４４に取り付けられ、他端がシールド取付部４８に取り付けられる。第１取付部材４４及びシールド取付部４８は、第２取付部材４６にそれぞれ例えばボルト等の取付手段により取り付けられる。シールド取付部４８は、ルーバー２３の外周端５０から放射方向外側に向けて延在する棒状の部位である。取付状態において第２取付部材４６は、第１取付部材４４から中心軸Ａに沿って放射シールド１８内部へと延在するよう配置される。また第２取付部材４６は、シールド内面に沿う方向かつシールド開口２０から離れる方向に第１取付部材４４から延在している。このため、第２取付部材４６によりルーバー２３のオフセット量が実現される。よって、第２取付部材４６の長さを調整することにより所望のオフセット量を実現することができる。

なお、第２取付部材４６の軸方向の複数箇所にシールド取付部４８との接続部を形成するようにしてもよい。このようにすれば、複数の接続部のいずれかを選択することによりルーバー２３のオフセット量を変更することができる。また、第２取付部材４６は長さ調整機構を内蔵していてもよい。このようにすれば、ルーバー２３のオフセット量をオンサイトで任意に調整することもできる。

また、第１取付部材４４は、第２取付部材４６だけではなく、シールド取付部４８にも取付可能に構成されている。例えば、第２取付部材４６とシールド取付部４８とは共通の径のボルト孔を有する。このため、第１取付部材４４にシールド取付部４８を直接取り付けることも可能である。この場合、典型的なクライオポンプと同様に、ルーバー２３は中心軸Ａに沿う方向に関してパネル取付部４２と同位置に配置される。つまり、ルーバー２３はシールド開口２０の近傍に配置され、シールド開口２０からのオフセットは実質的に形成されない。このようにすれば、必要に応じて第２取付部材４６を付加することによりルーバー２３にオフセットを与えることができる。オフセットの有無にかかわらず放射シールド１８及びルーバー２３を共用することができるので、オフセット有りのクライオポンプ１０とオフセット無しのクライオポンプとを製品シリーズとして提供する場合にコストの低減を図ることができる。

図７に示されるように、ルーバー２３は複数の羽板５２から形成されており、各羽板５２はそれぞれ径の異なる円すい台の側面の形状に形成されて同心円状に配列されている。図７においては上から見たときに各羽板５２の間に間隙５４が形成されるように配列されているが、隣接する羽板５２が互いに重なり合って上から見たときには間隙５４が形成されないように各羽板５２が密に配列されてもよい。各羽板５２は十字形状の支持部材５６に取り付けられている。支持部材５６の放射方向端部にシールド取付部４８が形成されている。なおルーバー２３は格子状等他の形状に形成されていてもよい。

ルーバー２３は放射シールド１８と同軸に配置される。図７においては、放射シールド１８の内面及びパネル取付構造４０の第１取付部材４４を破線で示している。図示されるように、放射シールド１８の内面とルーバー２３の外周端５０との間に環状の開放領域５８が形成される。図５に示されるクライオパネル２４による水素排気速度が要求仕様を実現するように開放領域５８の面積が設定される。具体的には例えば、ルーバー２３の羽板５２の枚数を変えることによりルーバー２３の径を異ならせて、開放領域５８の面積を調整することができる。

図５に示されるように、パネル構造体１６は、冷凍機１４の第２冷却ステージ２２に熱的に接続された状態で固定されており、第２冷却ステージ２２と同程度の温度に冷却される。パネル構造体１６は、複数のクライオパネル２４と、接続部材２６と、中間部材２８と、を備える。冷凍機１４の第２冷却ステージ２２に接続部材２６が取り付けられ、接続部材２６に中間部材２８が取り付けられ、中間部材２８に複数のクライオパネル２４が取り付けられる。クライオパネル２４、接続部材２６、及び中間部材２８はともに例えば銅などの材質で形成される。銅を基材として表面をニッケルでメッキしたものを用いてもよい。また、銅に代えて、アルミニウムでクライオパネル２４等を形成してもよい。熱伝導度を重視する場合には銅を用いればよいし、軽量化ひいては再生時間の短縮を重視する場合にはアルミニウムを用いてもよい。

接続部材２６は、パネル構造体１６を第２冷却ステージ２２に熱的に接続しかつ機械的に支持するための連結部材として設けられている。中間部材２８は、接続部材２６を介して複数のクライオパネル２４を第２冷却ステージ２２へと熱的に接続し、かつクライオパネル２４を支持するパネル支持部材として設けられている。また、接続部材２６及び中間部材２８を併せてパネル支持部材であるとみなすこともできる。接続部材２６と中間部材２８とは、別体の部材として形成されていてもよいし、一体に形成されていてもよい。クライオパネル２４は、中間部材２８及び接続部材２６を介して冷凍機１４の第２冷却ステージ２２に熱的に接続され、第２冷却ステージ２２と同程度の温度に冷却される。中間部材２８及び接続部材２６も同様に第２冷却ステージ２２と同程度の温度に冷却される。

パネル構造体１６は全体として、冷凍機１４の第２冷却ステージ２２から下方または放射シールド１８の深部に向けて接続部材２６によって吊り下げられた構成を有する。接続部材２６は、パネル構造体１６を冷凍機１４に吊り下げて支持する吊下部材である。このため、パネル構造体１６をシールド開口２０から離して配置することができる。その結果、外部の熱源とパネル構造体１６との距離を大きくすることができるので、外部からの輻射熱の影響を低減することができる。また、パネル構造体１６とシールド開口２０との間の空間を利用してクライオパネル面積を比較的大きくすることも可能となり、クライオポンプの排気性能の向上にも寄与する。

接続部材２６は、中間部材２８を第２冷却ステージ２２に吊り下げて支持する。中間部材２８は、第２冷却ステージ２２よりも気体進入方向Ｅに関してシールド開口２０から離れた位置に配置される。中間部材２８は、複数のクライオパネル２４の末端部を支持する。クライオパネル２４は中間部材２８から上方またはシールド開口２０に向けて突出し延在する。

よって、冷凍機１４の第２冷却ステージ２２からクライオパネル２４の先端への伝熱経路は、放射シールド１８内部において蛇行する。すなわち、冷凍機１４からクライオパネル２４の先端への伝熱経路は、第２冷却ステージ２２から放射シールド１８の深部へと延び、折り返して放射シールド１８の開口２０に向けて延びる。伝熱経路は中間部材２８において折り返す。パネル構造体１６をこのような折り返し構造とすることにより、クライオパネル面積を大きくすることができる。これにより、クライオポンプ１０に高い排気性能を実現することが可能となる。

クライオパネル表面の少なくとも一部には気体を吸着するための吸着剤を設置するための吸着剤設置面が形成される。本実施形態では、クライオパネル２４の両面の全域が吸着剤設置面とされる。本実施形態では、クライオパネル２４の両面の全域に吸着剤２５が接着されて全表面が吸着領域とされている。吸着剤２５は例えば、粒状の活性炭である。すべての吸着剤設置面が開口２０に露出されている。

クライオパネル２４自体の表面の反射率に比べて吸着剤表面の反射率は一般に低くなり、吸着剤を通じた輻射熱の影響が大きいと考えられる。クライオパネル２４は通常金属で形成されるのに対し、吸着剤は例えば活性炭であれば黒色であるからである。よって、図５に示されるように、直線Ｆをクライオパネル２４の吸着材設置領域を通るように設定することが好ましい。そうすれば、吸着材設置領域の少なくとも一部をルーバー２３により遮蔽することができる。よって、吸着剤を通じた輻射熱の進入を抑えることができる。

クライオパネル２４は、中間部材２８に接続される末端部である接続部３２と、開口２０に最も近接する先端部３４と、接続部３２と先端部３４とを接続する中間部３６とを有する。本実施形態では、接続部３２と先端部３４と中間部３６とは１枚のプレートにより形成されている。接続部３２と先端部３４と中間部３６とはそれぞれが別体に形成され、互いに連結されて１枚のクライオパネル２４が形成されてもよい。クライオパネル２４は、接続部３２が中間部材２８に取り付けられる。例えば接続部３２の末端にフランジが形成され、ボルト及びナット等の適宜の固定手段によりそのフランジが中間部材２８に取り付けられる。なお、クライオパネル２４と中間部材２８とが一体の部材として形成されていてもよい。

中間部材２８が第２冷却ステージ２２よりも気体進入方向Ｅに関して開口２０から離れた位置に配置されているので、クライオパネル２４の接続部３２も同様に第２冷却ステージ２２よりも開口２０から離れた位置に配置される。クライオパネル２４は、接続部３２から開口２０に向けて延在する。クライオパネル２４の先端部３４は、放射シールド１８の中心部及び第２冷却ステージ２２よりも気体進入方向Ｅに関して開口２０に近接する位置に配置される。クライオパネル２４は、放射シールド１８の内部空間の中心部を越えて接続部３２から先端部３４へと気体進入方向Ｅに沿って延在する。このように、クライオパネル２４が気体進入方向Ｅに関して放射シールド１８の中心部を越えて延在されていることにより、気体進入方向Ｅに沿って配置されるクライオパネル面積を大きくすることができる。これにより、クライオポンプ１０に高い排気性能を実現することが可能となる。

なお、クライオパネル２４は、先端部３４が放射シールド１８またはポンプ容器１２の中心部よりも下方または深部に配置されていてもよい。同様に、クライオパネル２４の先端部３４は、冷凍機１４の第２冷却ステージ２２よりも下方に配置されていてもよい。この場合、クライオパネル２４は、先端部３４において折り返し構造を有し、クライオポンプ下方に向けて再度延在するようにしてもよい。つまり、クライオパネル２４は、接続部３２から先端部３４へと延び、先端部３４においてクライオポンプ下方に向けて折り返されるように形成されていてもよい。このようにすれば、気体進入方向Ｅにおけるクライオパネル２４の長さを抑えつつパネル面積を大きくすることができる。また、輻射熱を避けるべくパネル構造体１６をポンプ底部にコンパクトに設けることも可能となる。クライオパネル２４の先端部３４の位置及び形状等は例えば、クライオポンプ１０への要求排気性能と外部からの輻射熱の影響とを考慮して定めればよい。

クライオパネル２４は、少なくとも接続部３２が開口２０に向けて露出される。本実施形態では、クライオパネル２４の先端部３４及び中間部３６も開口２０に向けて露出される。このため、クライオパネル２４の全体が開口２０に向けて露出されている。よって、クライオパネル２４は、外部から放射シールド１８の内部空間に進入した気体分子を表面全域で直接的に受けることができる。クライオパネル２４の吸着剤設置面の全体が気体分子を直接的に受けることができる。よって、吸着剤２５が開口２０に対して遮蔽されている構成とは異なり、効率的に気体を処理することができる。本実施形態ではクライオパネル２４の全表面が吸着領域とされているので、水素等の非凝縮性気体を効率的に排気することができる。このようなパネル構成は、非凝縮性気体を主たる排気気体とする例えばイオン注入装置用のクライオポンプとして好ましい。

また、クライオパネル２４は、中心軸Ａに平行に配置されている。本実施形態ではクライオパネル２４は中間部材２８に垂直に立設されている。よってクライオパネル２４は開口２０に対して垂直に配置されている。クライオパネル２４の両面を均等に排気に利用することができるので、効率的に気体を排気することができる。しかし、気体の流れ性及び外部からの輻射熱等を総合的に考慮して、中心軸Ａに交差するようクライオパネル２４を傾斜させて配置してもよい。

クライオパネル２４は、接続部３２から先端部３４に向けて連続的に幅が拡張された台形形状を有する。クライオパネル２４の外周側の側端部は中心軸Ａに平行とされ、内周側の側端部は中心軸Ａに交差する方向に延びている。クライオパネル２４の形状は、図５に示される台形形状には限られず、矩形形状であってもよいし、他の形状であってもよい。また、各クライオパネル２４の形状は、互いに異なっていてもよく、例えば複数種類の形状のクライオパネルを混在させてもよい。例えば、大型のクライオパネルと小型のクライオパネルとを混在させて配置してもよい。

本実施形態では図８に示されるように、クライオパネル２４はそれぞれ放射状のレイアウトで放射シールド中心軸を包囲するように配置される。冷凍機１４の挿入に必要となる部位を除いて、クライオパネル２４は等間隔に配置されている。例えば１０度乃至２０度の等角度間隔にクライオパネル２４は配置されている。クライオパネル２４は円板状の中間部材２８の径方向外周側に設けられており、中間部材２８の中心部にはパネルに包囲される円柱状空間が形成される。クライオパネル２４の幅は中間部材２８の径方向において例えば最外周部から中間部材２８の半径の半分程度の位置までを占めるように設定されている。この場合中間部材２８の中心部には中間部材２８の直径の半分程度の直径を有する円柱状空間が形成される。このように、クライオパネル２４を中間部材２８の表面で放射状に配置する場合にはパネルを中間部材表面の外周側に設け中心部に開放空間を形成することが好ましい。これにより中心部でのパネルの密集を避けることができるので気体の流れ性を良好にすることができる。

中間部材２８は、例えば円板状の形状を有する平板状の部材である。中間部材２８の上面すなわち開口２０を向く面がパネル取付面となる。パネル取付面は円形の平面である。なお、中間部材２８は円板状の平板部材でなくてもよく、他の形状の平板部材であってもよい。あるいは中間部材２８は湾曲形状または屈曲形状を有していてもよく、例えば中心部に近づくほど開口２０に向けて近接するようなドーム状の形状であってもよい。この場合、パネル取付面は、ドーム状の湾曲面となる。

なお、中間部材２８の下面にもパネル取付面を形成して複数のクライオパネル２４を取り付けてもよい。この場合、隣接するパネル間において、気体の流通を促進させるためのスリットを中間部材２８に形成してもよい。このようにすればクライオポンプ底部側に向けて立設されているパネルへの気体流通を促進させることができる。

接続部材２６は、例えば第２冷却ステージ２２を包囲するように形成されている。接続部材２６は、開口２０側の一端に冷凍機１４の第２冷却ステージ２２に取り付けられる冷凍機取付部を有し、ポンプ底部側の他端に中間部材２８に取り付けるためのフランジが形成されている。冷凍機取付部の周囲から吊下部がポンプ下方に向けて延び、吊下部の末端にフランジが形成される。接続部材２６のフランジは、ボルト及びナット等の適宜の固定手段により中間部材２８に取り付けられる。

接続部材２６とクライオパネル２４とは中間部材２８を介して間接的に接続される。しかし、クライオパネル２４の先端部３４への熱伝導性を向上させるために、クライオパネル２４の先端部３４に接続部材２６を直接に接続する伝熱経路を設けてもよい。この伝熱経路は、気体の流れ性への影響を最小化するように形成されることが好ましく、例えば気体進入方向Ｅに平行に配置される面で構成されることが望ましい。

なお上述の実施形態とは異なるパネル配置を採用してもよい。例えば、放射状のパネル配置ではなく、各パネルを平行に配列したり、格子状に配置してもよい。各パネルの間隔は共通であってもよいし、異ならせてもよい。あるいは、中間部材２８の最外周部に中間部材２８と同径の円筒状外周パネルを設けてもよい。外周パネルに加えて小径の同心円筒パネルをさらに設けてもよい。また、上述の吊り下げ型のパネル構成ではなく、他の公知のクライオパネル配列を採用してもよい。

さて、ルーバー２３にオフセットを与えることによりクライオパネル２４の排気速度と冷却温度との両立が実現されることを示す実験結果を説明する。図９及び図１０はそれぞれ、第２の実施形態においてルーバー２３のオフセット量を異ならせた場合の排気速度及び冷却温度を示す図である。

まず、図９及び図１０においては、オフセットがない場合、小さいオフセット量を与えた場合、及び大きいオフセット量を与えた場合の３つの場合が示されている。いずれの場合においても同一の径を有する同一構造のルーバー２３が使用されている。オフセットがない場合とは、従来のクライオポンプと同様に中心軸Ａに沿う方向に関してルーバー２３をパネル取付部４２と同位置に配置した場合である。小さいオフセット量を与えた場合においては、シールド開口２０及びルーバー２３の間隔とルーバー２３及びクライオパネル２４の間隔とが実質的に等しくなる位置にルーバー２３を配置している。大きいオフセット量を与えた場合においては、小さいオフセット量を与えた場合の２倍のオフセット量を有する位置にルーバー２３を配置している。

図９は、オフセット量を異ならせた場合のクライオパネル２４の冷却温度を示す図である。図９の縦軸は冷凍機１４の第２冷却ステージ２２の温度を示し、横軸は水素ガスの流量を示す。第２冷却ステージ２２の温度はクライオパネル２４の温度に相当する。図９に示されるように、オフセットがない場合においては、クライオパネル２４の温度は概ね１２．５Ｋ程度となる。これに対して、オフセットを与えた場合にはオフセット量の大きさによらず、１１．５Ｋ程度にまでクライオパネル２４の温度が低下する。ここで注目すべき点は、大きいオフセット量を与えた場合よりも小さいオフセット量を与えた場合のほうが低い冷却温度に達するということである。この傾向は、図９とは異なる径のルーバーを使用して実験した場合にも確認されている。

図１０は、オフセット量を異ならせた場合のクライオパネル２４の水素排気速度を示す図である。図１０の縦軸は水素排気速度を示し、横軸は水素ガスの圧力を示す。図１０に示されるように、オフセットの有無によらず基本的には排気速度が大きく変化しないことがわかる。しかし、特に低圧領域においては小さいオフセット量を与えた場合が最も良好な排気速度を示していることに注目すべきである。この傾向は、図１０とは異なる径のルーバーを使用して実験した場合にも確認されている。

よって、シールド開口２０及びルーバー２３の間隔とルーバー２３及びクライオパネル２４の間隔とが実質的に等しくなる位置にルーバー２３を配置した場合に、水素排気速度を最も良好とするとともにパネル冷却温度を最も低くすることができる。シールド開口２０及びルーバー２３の間隔を、ルーバー２３及びクライオパネル２４の間隔の例えば９０％乃至１１０％程度とすることが好ましい。このように、ルーバー２３のオフセット位置は、シールド開口２０との間隔とクライオパネル２４との間隔とを実質的に等しくするオフセット範囲から選択することが好ましい。

これに対し比較例として、ルーバー２３の径を異ならせた場合における排気速度及び冷却温度を図１１及び図１２に示す。図１１及び図１２においては、大径のルーバーを使用した場合、及び、小径のルーバーを使用した場合が示されている。大径のルーバーは小径のルーバーよりも径が２２％大きいものを使用している。なお、いずれの場合にもルーバーにオフセットを与えていない。

図１１は、ルーバー径を異ならせた場合のクライオパネル２４の冷却温度を示す図である。図１１の縦軸は冷凍機１４の第２冷却ステージ２２の温度を示し、横軸は水素ガスの流量を示す。図１１に示されるように、小径のルーバーを使用した場合よりも大径のルーバーを使用した場合のほうが、クライオパネル２４の温度が若干低下している。しかし、大径のルーバーを使用した場合であっても温度の低下量は０．２Ｋ乃至０．４Ｋ程度である。図９のようにオフセットを与えた場合のほうがクライオパネル２４の冷却温度を大きく下げることができる。

図１２は、ルーバー径を異ならせた場合のクライオパネル２４の水素排気速度を示す図である。図１２の縦軸は水素排気速度を示し、横軸は水素ガスの圧力を示す。図１２に示されるように、大径のルーバーを使用することにより水素排気速度が大きく低下していることがわかる。

図９乃至図１２からわかることは、まず、ルーバー径を大きくすることに比べて、ルーバー２３にオフセットを与えるほうが、クライオパネル２４の水素排気速度に対する感度が小さいということである。ルーバー径を大きくした場合には水素排気速度が大きく低下するが、オフセットを与えた場合には水素排気速度はあまり変化しない。また、ルーバー径を大きくしても、ルーバー２３にオフセットを与えても、両方ともクライオパネル２４の冷却温度低下に一定の効果があるが、ルーバー２３にオフセットを与えたほうが温度を大きく下げることができる。

結局、ルーバー径を大きくする場合には水素排気速度と冷却温度とがトレードオフの関係となるため、両者の最適化は容易ではない。また、ルーバー径を異ならせても冷却温度の低下量はそれほど大きくないので、水素排気速度と冷却温度との双方を要求仕様に適合させることが困難である場合もある。一例として、要求されるクライオパネル冷却温度が１２Ｋである場合には、本実施形態においては到達可能である一方、比較例においては到達できない。更に、検証試験のために径の異なる複数のルーバーを製作する必要がある。特に、口径の異なるクライオポンプを製品シリーズとして準備する場合には口径ごとにルーバー径の最適化が必要となり、膨大な手間を要することになる。これに対して、本実施形態によれば、要求排気速度に合わせてルーバー径を選択した上でオフセット量を調整することにより、シーケンシャルな手順で水素排気速度と冷却温度との最適化を容易に行うことができる。

上述のクライオポンプ１０の作動に際しては、まずその作動前に他の適当な粗引きポンプを用いて排気対象容積例えばイオン注入装置の真空チャンバ内部を１Ｐａ程度にまで粗引きする。その後クライオポンプ１０を作動させる。冷凍機１４の駆動により第１冷却ステージ及び第２冷却ステージ２２が冷却され、放射シールド１８、ルーバー２３、及びパネル構造体１６も接続先の冷却ステージの冷却温度レベルに冷却される。クライオパネル２４は、第２冷却ステージ２２によって、接続部材２６及び中間部材２８含む蛇行伝熱経路を通じて冷却される。

冷却されたルーバー２３は、排気対象容積からクライオポンプ１０内部へ向かって飛来する気体分子を冷却し、その冷却温度で蒸気圧が充分に低くなる気体（例えば水分など）を表面に凝縮させて排気する。ルーバー２３の冷却温度では蒸気圧が充分に低くならない気体はルーバー２３または開放領域５８を通過して放射シールド１８内部へと進入する。進入した気体分子のうちパネル構造体１６の冷却温度で蒸気圧が充分に低くなる気体（例えばアルゴンなど）は、パネル構造体１６の表面に凝縮されて排気される。その冷却温度でも蒸気圧が充分に低くならない気体（例えば水素など）は、パネル構造体１６の表面の吸着剤により吸着されて排気される。

イオン注入装置の真空チャンバを排気する場合には気体の大半が水素である。クライオパネル２４はクライオポンプ開口面に対し露出されており、吸着剤２５により水素ガスは特に効率的に吸着され排気される。このようにしてクライオポンプ１０は真空チャンバ内部の真空度を所望のレベルに到達させることができる。また、ルーバー２３の径が要求水素排気速度に対応して設定されており、ルーバー２３のオフセット量が要求冷却温度に対応して設定されているので、クライオポンプ１０は要求排気性能を実現することができる。

本発明の第１の実施形態に係るクライオポンプを模式的に示す図である。 本発明の第１の実施形態に係るクライオポンプを模式的に示す図である。 本発明の第１の実施形態に係るクライオポンプを模式的に示す図である。 本発明の第１の実施形態に係るクライオポンプを模式的に示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るクライオポンプを模式的に示す図である。 本発明の第２の実施形態の変形例に係るクライオポンプを模式的に示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るルーバーを模式的に示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るパネル構造体を模式的に示す図である。 オフセット量を異ならせた場合のクライオパネルの冷却温度を示す図である。 オフセット量を異ならせた場合のクライオパネルの水素排気速度を示す図である。 ルーバー径を異ならせた場合のクライオパネルの冷却温度を示す図である。 ルーバー径を異ならせた場合のクライオパネルの水素排気速度を示す図である。

符号の説明

１０ クライオポンプ、 １２ ポンプ容器、 １４ 冷凍機、 １６ パネル構造体、 １８ 放射シールド、 ２０ シールド開口、 ２２ 第２冷却ステージ、 ２３ ルーバー、 ２４ クライオパネル、 ２５ 吸着剤、 ２６ 接続部材、 ２８ 中間部材、 ３２ 接続部、 ３４ 先端部、 ４０ パネル取付構造。

Claims (10)

1. 中心軸を有する内部空間を画定するシールド内面と、該内部空間を外部の排気対象容積へと接続する開口を画定するシールド端とを有し、第１の温度レベルに冷却される放射シールドと、
   外周端を有し、前記放射シールドに熱的に接続されて前記第１の温度レベルに冷却され、前記中心軸からの放射方向において該外周端と前記シールド内面との間に開放領域を形成して配置される第１のクライオパネルと、
   前記内部空間において前記第１のクライオパネルよりも内側にかつ前記中心軸を包囲するレイアウトで配置され、前記第１の温度レベルよりも低温である第２の温度レベルに冷却される第２のクライオパネルと、を備え、
   前記第１のクライオパネルは、前記開放領域が要求排気速度に対応して形成されるとともに、前記シールド端から前記外周端を経て前記中心軸に交差する直線が前記中心軸に交差する手前で前記第２のクライオパネルを通るように前記内部空間において前記シールド端よりも内側に配置されることを特徴とするクライオポンプ。
2. 前記放射シールドに前記第１のクライオパネルを固定するためのパネル取付構造であって、前記シールド端において前記シールド内面に設けられているパネル取付部と、前記第１のクライオパネルの前記外周端に設けられているシールド取付部と、前記中心軸方向に延在し、一端が該パネル取付部に取り付けられ他端が該シールド取付部に取り付けられる取付部材と、を含むパネル取付構造をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のクライオポンプ。
3. 前記第２のクライオパネルは、前記中心軸からの放射方向において前記シールド内面との間に前記開放領域よりも狭い間隙を有して配置されることを特徴とする請求項１に記載のクライオポンプ。
4. 前記第２のクライオパネルは、前記第１のクライオパネルに向けて突出し前記第１のクライオパネルから見て露出されている先端部を有し、前記シールド端から前記外周端を経て前記中心軸に交差する直線が該先端部を通るように配置されていることを特徴とする請求項１に記載のクライオポンプ。
5. 前記第１のクライオパネルは前記開口から見て露出されており、前記第２のクライオパネルは前記第１のクライオパネルから見て露出されていることを特徴とする請求項１に記載のクライオポンプ。
6. 内部空間を画定し、該内部空間を外部の排気対象容積に接続する開口端を有する放射シールドと、
   前記放射シールドを第１の温度レベルに冷却すべく前記放射シールドに熱的に接続される第１の冷却ステージと、前記内部空間に配置され該第１の温度レベルよりも低温である第２の温度レベルを提供する第２の冷却ステージと、を含む冷凍機と、
   前記放射シールドに熱的に接続されて前記第１の温度レベルに冷却され、要求排気速度に対応して面積が設定される開放領域を前記放射シールドとの間に有して配置され、かつ前記開口端から前記第２の冷却ステージへと向かう輻射熱を遮蔽するように前記内部空間において前記開口端よりも内側に配置される第１のクライオパネルと、を備えることを特徴とするクライオポンプ。
7. 内部空間を画定するシールド内面と、前記シールド内面に設けられているパネル取付部と、を含む放射シールドと、
   前記パネル取付部に取り付けられ、前記内部空間において前記シールド内面に沿う方向に所定のオフセット量離れたオフセット位置へと該パネル取付部から延在する取付部材と、
   該取付部材により該オフセット位置に配置されるクライオパネルと、を備えることを特徴とするクライオポンプ。
8. 前記放射シールドに熱的に接続され前記放射シールドを冷却する第１の冷却ステージと、前記内部空間に配置され前記第１の冷却ステージよりも低い冷却温度レベルを提供する第２の冷却ステージと、を含む冷凍機をさらに備え、
   前記放射シールドは、前記内部空間を外部の排気対象容積へと接続する開口を画定するシールド端をさらに含み、前記パネル取付部は該シールド端において前記シールド内面に設けられ、前記取付部材は前記開口から離れる方向に前記パネル取付部から延在しており、
   前記オフセット位置は、前記クライオパネルを前記開口に配置したときよりも前記冷却温度レベルが低くなるオフセット範囲から選択され、
   前記クライオパネルは、前記内部空間において前記開口よりも実質的に内側に配置されることを特徴とする請求項７に記載のクライオポンプ。
9. 内部空間を外部の排気対象容積に接続する開口端を有し、第１の温度レベルに冷却される放射シールドと、
   前記内部空間において前記放射シールドとは非接触に配置され、前記第１の温度レベルよりも低温である第２の温度レベルに冷却される低温クライオパネルと、
   前記放射シールドに熱的に接続されて前記第１の温度レベルに冷却され、前記開口端との間隔と前記低温クライオパネルとの間隔とを実質的に等しくするオフセット位置に配置される高温クライオパネルと、を備えることを特徴とするクライオポンプ。
10. 排気されるべき気体が進入する開口を有する放射シールドと、前記放射シールドに包囲されて配置され前記放射シールドよりも低温に冷却される低温クライオパネルと、前記放射シールドに熱的に接続され前記低温クライオパネルの前段に配置される高温クライオパネルと、を備えるクライオポンプを使用する真空排気方法であって、
    前記低温クライオパネルで排気されるべき気体についての要求排気速度に対応させて前記放射シールドの内面と前記高温クライオパネルとの間隙を設定し、
    前記高温クライオパネルを前記開口に配置したときよりも前記低温クライオパネルの冷却到達温度が低くなるよう前記開口からオフセットされた位置に前記高温クライオパネルを配置し、
    前記低温クライオパネルで排気されるべき気体を前記要求排気速度で排気することを特徴とする真空排気方法。

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