JP2014173571A - クライオポンプ及びその再生方法 - Google Patents

Abstract

【課題】クライオポンプの再生において水の排出を促進する。
【解決手段】クライオポンプの再生方法は、クライオポンプ容器の排気とパージガスの供給とを第１圧力範囲で交互に行うことを含む第１排出工程（Ｓ１２）と、第１圧力範囲を下回る低圧領域までクライオポンプ容器を排気することを含む第２排出工程（Ｓ１８）と、を備える。第２排出工程は、第２排出工程を終了するか否かを低圧領域で少なくとも一回判定することと、第２排出工程を終了するか否かの初回の判定より前に、クライオポンプ容器にパージガスを供給することと、を含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、クライオポンプ及びその再生方法に関する。

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。クライオポンプはいわゆる気体溜め込み式の真空ポンプであるから、捕捉した気体を外部に定期的に排出する再生を要する。クライオポンプの再生における問題の一つは、水の排出である。

国際公開第２００５／０５２３６９号 特開平９−１４１３３号公報 特開２００９−１５６２２０号公報 特開２００２−２４９８７６号公報

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、クライオポンプの再生において水の排出を促進することにある。

本発明のある態様によると、クライオパネルと、前記クライオパネルを収容するクライオポンプ容器と、前記クライオパネルの再生のために前記クライオポンプ容器の排気と前記クライオポンプ容器へのパージガスの供給とを制御するよう構成されている制御部と、を備え、前記制御部は、前記クライオポンプ容器の排気と前記パージガスの供給とを第１圧力範囲で交互に行うことを含む第１排出工程と、前記第１圧力範囲を下回る低圧領域まで前記クライオポンプ容器を排気することを含む第２排出工程と、を実行し、前記第２排出工程は、前記第２排出工程を終了するか否かを前記低圧領域で少なくとも一回判定することと、前記第２排出工程を終了するか否かの初回の判定より前に、前記クライオポンプ容器にパージガスを供給することと、を含むことを特徴とするクライオポンプが提供される。

本発明のある態様によると、クライオポンプ容器の排気とパージガスの供給とを第１圧力範囲で交互に行うことを含む第１排出工程と、前記第１圧力範囲を下回る低圧領域まで前記クライオポンプ容器を排気することを含む第２排出工程と、を備え、前記第２排出工程は、前記第２排出工程を終了するか否かを前記低圧領域で少なくとも一回判定することと、前記第２排出工程を終了するか否かの初回の判定より前に、前記クライオポンプ容器にパージガスを供給することと、を含むことを特徴とするクライオポンプの再生方法が提供される。

本発明によれば、クライオポンプの再生において水の排出を促進することができる。

本発明のある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。 本発明のある実施形態に係る再生方法を説明するためのフローチャートである。 本発明のある実施形態に係る再生シーケンスを例示する図である。

図１は、本発明のある実施形態に係るクライオポンプ１０を模式的に示す図である。クライオポンプ１０は、例えばイオン注入装置やスパッタリング装置等の真空チャンバに取り付けられて、真空チャンバ内部の真空度を所望のプロセスに要求されるレベルまで高めるために使用される。

クライオポンプ１０は、気体を受け入れるための吸気口１２を有する。吸気口１２はクライオポンプ１０の内部空間１４への入口である。クライオポンプ１０が取り付けられた真空チャンバから吸気口１２を通じて、排気されるべき気体がクライオポンプ１０の内部空間１４に進入する。

なお以下では、クライオポンプ１０の構成要素の位置関係をわかりやすく表すために、「軸方向」、「径方向」との用語を使用することがある。軸方向は吸気口１２を通る方向を表し、径方向は吸気口１２に沿う方向を表す。便宜上、軸方向に関して吸気口１２に相対的に近いことを「上」、相対的に遠いことを「下」と呼ぶことがある。つまり、クライオポンプ１０の底部から相対的に遠いことを「上」、相対的に近いことを「下」と呼ぶことがある。径方向に関しては、吸気口１２の中心に近いことを「内」、吸気口１２の周縁に近いことを「外」と呼ぶことがある。なお、こうした表現はクライオポンプ１０が真空チャンバに取り付けられたときの配置とは関係しない。例えば、クライオポンプ１０は鉛直方向に吸気口１２を下向きにして真空チャンバに取り付けられてもよい。

クライオポンプ１０は、低温クライオパネル１８と、高温クライオパネル１９と、を備える。また、クライオポンプ１０は、高温クライオパネル１９及び低温クライオパネル１８を冷却する冷却システムを備える。この冷却システムは、冷凍機１６と、圧縮機３６と、を備える。

冷凍機１６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）などの極低温冷凍機である。冷凍機１６は、第１ステージ２０、第２ステージ２１、第１シリンダ２２、第２シリンダ２３、第１ディスプレーサ２４、及び第２ディスプレーサ２５を備える二段式の冷凍機である。よって、冷凍機１６の高温段は、第１ステージ２０、第１シリンダ２２、及び第１ディスプレーサ２４を備える。冷凍機１６の低温段は、第２ステージ２１、第２シリンダ２３、及び第２ディスプレーサ２５を備える。

第１シリンダ２２と第２シリンダ２３は直列に接続されている。第１ステージ２０は、第１シリンダ２２と第２シリンダ２３との結合部に設置されている。第２シリンダ２３は第１ステージ２０と第２ステージ２１とを連結する。第２ステージ２１は、第２シリンダ２３の末端に設置されている。第１シリンダ２２及び第２シリンダ２３それぞれの内部には第１ディスプレーサ２４及び第２ディスプレーサ２５が冷凍機１６の長手方向（図１において左右方向）に移動可能に配設されている。第１ディスプレーサ２４と第２ディスプレーサ２５とは一体に移動可能に連結されている。第１ディスプレーサ２４及び第２ディスプレーサ２５にはそれぞれ第１蓄冷器及び第２蓄冷器（図示せず）が組み込まれている。

冷凍機１６は、第１シリンダ２２の高温端に設けられている駆動機構１７を備える。駆動機構１７は、第１ディスプレーサ２４及び第２ディスプレーサ２５のそれぞれが第１シリンダ２２及び第２シリンダ２３の内部を往復動可能であるように第１ディスプレーサ２４及び第２ディスプレーサ２５に接続されている。また駆動機構１７は、作動気体の吸入と吐出を周期的に繰り返すよう作動気体の流路を切り替える流路切替機構を含む。流路切替機構は例えばバルブ部とバルブ部を駆動する駆動部とを含む。バルブ部は例えばロータリーバルブを含み、駆動部はロータリーバルブを回転させるためのモータを含む。モータは、例えばＡＣモータまたはＤＣモータであってもよい。また流路切替機構はリニアモータにより駆動される直動式の機構であってもよい。

冷凍機１６は高圧導管３４及び低圧導管３５を介して圧縮機３６に接続される。冷凍機１６は、圧縮機３６から供給される高圧の作動気体（例えばヘリウム）を内部で膨張させて第１ステージ２０及び第２ステージ２１に寒冷を発生させる。圧縮機３６は、冷凍機１６で膨張した作動気体を回収し再び加圧して冷凍機１６に供給する。

具体的には、まず駆動機構１７が高圧導管３４と冷凍機１６の内部空間とを連通させる。圧縮機３６から高圧導管３４を通じて冷凍機１６に高圧の作動気体が供給される。冷凍機１６の内部空間が高圧の作動気体で満たされると、駆動機構１７は冷凍機１６の内部空間を低圧導管３５に連通させるよう流路を切り替える。これにより作動気体は膨張する。膨張した作動気体は圧縮機３６へと回収される。こうした作動気体の給排に同期して、第１ディスプレーサ２４及び第２ディスプレーサ２５のそれぞれが第１シリンダ２２及び第２シリンダ２３の内部を往復動する。このような熱サイクルを繰り返すことで冷凍機１６は第１ステージ２０及び第２ステージ２１に寒冷を発生させる。

冷凍機１６は、第１ステージ２０を第１温度レベルに冷却し、第２ステージ２１を第２温度レベルに冷却するよう構成されている。第２温度レベルは第１温度レベルよりも低温である。例えば、第１ステージ２０は６５Ｋ〜１２０Ｋ程度、好ましくは８０Ｋ〜１００Ｋに冷却され、第２ステージ２１は１０Ｋ〜２０Ｋ程度に冷却される。

図１は、クライオポンプ１０の内部空間１４の中心軸と、冷凍機１６の中心軸とを含む断面を示す。図１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とは一般に、冷凍機１６がクライオポンプ１０の内部空間１４の中心軸に交差する（通常は直交する）よう配設されているクライオポンプである。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、冷凍機がクライオポンプの軸方向に沿って配設されているクライオポンプである。

低温クライオパネル１８は、クライオポンプ１０の内部空間１４の中心部に設けられている。低温クライオパネル１８は例えば、複数のパネル部材２６を含む。パネル部材２６は例えば、それぞれが円すい台の側面の形状、いわば傘状の形状を有する。各パネル部材２６には通常活性炭等の吸着剤２７が設けられている。吸着剤２７は例えばパネル部材２６の裏面に接着されている。このようにして、低温クライオパネル１８は、気体分子を吸着するための吸着領域を備える。

パネル部材２６はパネル取付部材２８に取り付けられている。パネル取付部材２８は第２ステージ２１に取り付けられている。このようにして、低温クライオパネル１８は、第２ステージ２１に熱的に接続されている。よって、低温クライオパネル１８は第２温度レベルに冷却される。

高温クライオパネル１９は、放射シールド３０と入口クライオパネル３２とを備える。高温クライオパネル１９は、低温クライオパネル１８を包囲するよう低温クライオパネル１８の外側に設けられている。高温クライオパネル１９は第１ステージ２０に熱的に接続されており、高温クライオパネル１９は第１温度レベルに冷却される。

放射シールド３０は主として、クライオポンプ１０のハウジング３８からの輻射熱から低温クライオパネル１８を保護するために設けられている。放射シールド３０は、ハウジング３８と低温クライオパネル１８との間にあり、低温クライオパネル１８を囲む。放射シールド３０は、吸気口１２に向けて軸方向上端が開放されている。放射シールド３０は、軸方向下端が閉塞された筒形（例えば円筒）の形状を有し、カップ状に形成されている。放射シールド３０の側面には冷凍機１６の取付のための孔があり、そこから第２ステージ２１が放射シールド３０の中に挿入されている。その取付孔の外周部にて放射シールド３０の外面に第１ステージ２０が固定されている。こうして放射シールド３０は第１ステージ２０に熱的に接続されている。

入口クライオパネル３２は、吸気口１２において径方向に沿って配置されている。入口クライオパネル３２はその外周部が放射シールド３０の開口端に固定されて、放射シールド３０に熱的に接続されている。入口クライオパネル３２は、低温クライオパネル１８から軸方向上方に離れて設けられている。入口クライオパネル３２は、例えば、ルーバ構造やシェブロン構造に形成される。入口クライオパネル３２は、放射シールド３０の中心軸を中心とする同心円状に形成されていてもよいし、あるいは格子状等他の形状に形成されていてもよい。

入口クライオパネル３２は、吸気口１２に入る気体を排気するために設けられている。入口クライオパネル３２の温度で凝縮する気体（例えば水分）がその表面に捕捉される。また、入口クライオパネル３２は、クライオポンプ１０の外部の熱源（例えば、クライオポンプ１０が取り付けられる真空チャンバ内の熱源）からの輻射熱から低温クライオパネル１８を保護するために設けられている。輻射熱だけではなく気体分子の進入も制限される。入口クライオパネル３２は、吸気口１２を通じた内部空間１４への気体流入を所望量に制限するように吸気口１２の開口面積の一部を占有する。

クライオポンプ１０は、ハウジング３８を備える。ハウジング３８は、クライオポンプ１０の内部と外部とを隔てるための真空容器である。ハウジング３８は、クライオポンプ１０の内部空間１４を気密に保持するよう構成されている。ハウジング３８は、高温クライオパネル１９の外側に設けられており、高温クライオパネル１９を囲む。また、ハウジング３８は冷凍機１６を収容する。つまり、ハウジング３８は、高温クライオパネル１９及び低温クライオパネル１８を収容するクライオポンプ容器である。

ハウジング３８は、高温クライオパネル１９及び冷凍機１６の低温部に非接触であるように、外部環境温度の部位（例えば冷凍機１６の高温部）に固定されている。ハウジング３８の外面は外部環境にさらされており、冷却されている高温クライオパネル１９よりも温度が高い（例えば室温程度）。

また、ハウジング３８はその開口端から径方向外側に向けて延びる吸気口フランジ５６を備える。吸気口フランジ５６は、クライオポンプ１０を真空チャンバに取り付けるためのフランジである。真空チャンバの開口にはゲートバルブが設けられており（図示せず）、吸気口フランジ５６はそのゲートバルブに取り付けられる。そのようにして入口クライオパネル３２の軸方向上方にゲートバルブが位置する。例えばクライオポンプ１０を再生するときにゲートバルブは閉とされ、クライオポンプ１０が真空チャンバを排気するときに開とされる。

ハウジング３８には、ベントバルブ７０、粗引きバルブ７２、及びパージバルブ７４が取り付けられている。

ベントバルブ７０は、クライオポンプ１０の内部から外部環境へと流体を排出するための排出ライン８０の例えば末端に設けられている。ベントバルブ７０が開弁されることにより排出ライン８０の流れが許容され、ベントバルブ７０が閉弁されることにより排出ライン８０の流れが遮断される。排出される流体は基本的にはガスであるが、液体または気液の混合物であってもよい。例えばクライオポンプ１０に凝縮されたガスの液化物が排出流体に混在していてもよい。ベントバルブ７０が開弁されることにより、ハウジング３８の内部に生じた陽圧を外部に解放することができる。

粗引きバルブ７２は、粗引きポンプ７３に接続される。粗引きバルブ７２の開閉により、粗引きポンプ７３とクライオポンプ１０とが連通または遮断される。粗引きバルブ７２を開くことにより、粗引きポンプ７３とハウジング３８とが連通される。粗引きバルブ７２を閉じることにより、粗引きポンプ７３とハウジング３８とが遮断される。粗引きバルブ７２を開きかつ粗引きポンプ７３を動作させることにより、クライオポンプ１０の内部を減圧することができる。

粗引きポンプ７３は、クライオポンプ１０の真空引きをするための真空ポンプである。粗引きポンプ７３は、クライオポンプ１０の動作圧力範囲の低真空領域、言い替えればクライオポンプ１０の動作開始圧力であるベース圧レベルをクライオポンプ１０に提供するための真空ポンプである。粗引きポンプ７３は、大気圧からベース圧レベルまでハウジング３８を減圧することができる。ベース圧レベルは、粗引きポンプ７３の高真空領域にあたり、粗引きポンプ７３とクライオポンプ１０の動作圧力範囲の重なり部分に含まれる。ベース圧レベルは、例えば１Ｐａ以上５０Ｐａ以下（例えば１０Ｐａ程度）の範囲である。

粗引きポンプ７３は典型的にはクライオポンプ１０とは別の真空装置として設けられ、例えばクライオポンプ１０が接続される真空チャンバを含む真空システムの一部を構成する。クライオポンプ１０は真空チャンバのための主ポンプであり、粗引きポンプ７３は補助ポンプである。

パージバルブ７４は図示しないパージガス源７５に接続される。パージガスは例えば窒素ガスである。パージガスは、乾燥したガスであってもよいし、（例えば室温より高温に）加熱されたガスであってもよい。パージバルブ７４の開閉によりパージガス源７５とクライオポンプ１０とが連通または遮断され、パージガスのクライオポンプ１０への供給が制御される。パージバルブ７４を開くことにより、パージガス源７５からハウジング３８へのパージガス流れが許容される。パージバルブ７４を閉じることにより、パージガス源７５からハウジング３８へのパージガス流れが遮断される。パージバルブ７４を開きパージガス源７５からパージガスをハウジング３８に導入することにより、クライオポンプ１０の内部を昇圧することができる。

クライオポンプ１０は、第１ステージ２０の温度を測定するための第１温度センサ９０と、第２ステージ２１の温度を測定するための第２温度センサ９２と、を備える。第１温度センサ９０は、第１ステージ２０に取り付けられている。第２温度センサ９２は、第２ステージ２１に取り付けられている。なお、第１温度センサ９０は高温クライオパネル１９に取り付けられていてもよい。第２温度センサ９２は低温クライオパネル１８に取り付けられていてもよい。

また、ハウジング３８の内部に圧力センサ９４が設けられている。圧力センサ９４は例えば、高温クライオパネル１９の外側で冷凍機１６の近傍に設けられている。圧力センサ９４は、ハウジング３８の圧力を周期的に測定し、測定圧力を示す信号を制御部１００に出力する。圧力センサ９４はその出力を通信可能に制御部１００に接続されている。

圧力センサ９４は、クライオポンプ１０により実現される高い真空レベルと大気圧レベルの両方を含む広い計測範囲を有する。少なくとも再生処理中に生じ得る圧力範囲を計測範囲に含むことが望ましい。よって、圧力センサ９４の計測範囲の下限は例えば、１Ｐａ（又は１０Ｐａ）のオーダであり、上限は１０^５Ｐａのオーダである。なお、真空レベルの測定用の圧力センサと、大気圧レベルの測定用の圧力センサとが、個別にクライオポンプ１０に設けられていてもよい。

圧力センサ５４は例えばクリスタルゲージであってもよい。クリスタルゲージとは、水晶振動子の振動抵抗が圧力によって変化する現象を利用して圧力を測定するセンサである。あるいは圧力センサ５４はピラニー真空計などの熱伝導真空計、または熱陰極電離真空計であってもよい。

また、クライオポンプ１０は、クライオポンプ１０を制御するための制御部１００を備える。制御部１００はクライオポンプ１０に一体に設けられていてもよいし、クライオポンプ１０とは別体の制御装置として構成されていてもよい。

制御部１００は、クライオポンプ１０の真空排気運転及び再生運転のために冷凍機１６を制御するよう構成されている。制御部１００は、クライオパネルの再生のためにクライオポンプ容器の排気とクライオポンプ容器へのパージガスの供給とを制御するよう構成されている。制御部１００は、主として再生中に必要に応じてベントバルブ７０、粗引きバルブ７２、及びパージバルブ７４の開閉を制御する。制御部１００には、第１温度センサ９０、第２温度センサ９２、及び圧力センサ９４を含む各種センサの測定結果を受信するよう構成されている。制御部１００は、そうした測定結果に基づいて、冷凍機１６及び各種バルブに与える制御指令を演算する。

例えば、真空排気運転においては、制御部１００は、ステージ温度（例えば第１ステージ温度）が目標の冷却温度に追従するように冷凍機１６を制御する。第１ステージ２０の目標温度は通常、一定値に設定される。第１ステージ２０の目標温度は例えば、クライオポンプ１０が取り付けられる真空チャンバで行われるプロセスに応じて仕様として定められる。

上記の構成のクライオポンプ１０による動作を以下に説明する。クライオポンプ１０の作動に際しては、まずその作動前に粗引きバルブ７２を通じて粗引きポンプ７３でクライオポンプ１０の内部を動作開始圧力（例えば１Ｐａないし１０Ｐａ程度）まで粗引きする。その後クライオポンプ１０を作動させる。制御部１００による制御のもとで、冷凍機１６の駆動により第１ステージ２０及び第２ステージ２１が冷却され、これらに熱的に接続されている高温クライオパネル１９、低温クライオパネル１８も冷却される。

入口クライオパネル３２は、真空チャンバ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。入口クライオパネル３２の冷却温度では蒸気圧が充分に低くならない気体は入口クライオパネル３２を通過して放射シールド３０内部へと進入する。進入した気体分子のうち低温クライオパネル１８の冷却温度で蒸気圧が充分に低くなる気体は、そ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、低温クライオパネル１８の表面に接着され冷却されている吸着剤２７により吸着されて排気される。このようにしてクライオポンプ１０が取り付けられている真空チャンバの真空度を所望のレベルに到達させることができる。

排気運転が継続されることによりクライオポンプ１０には気体が蓄積されていく。蓄積した気体を外部に排出するために、所定の再生開始条件が満たされたときに、クライオポンプ１０の再生が行われる。再生開始条件は例えば、排気運転が開始されてから所定時間が経過したことを含んでもよい。再生処理は、昇温工程、排出工程、及び冷却工程を含む。排出工程は、第１排出工程及び第２排出工程を含む。

クライオポンプ１０の再生処理は、制御部１００により制御される。制御部１００は、所定の再生開始条件が満たされたか否かを判定し、当該条件が満たされた場合には再生を開始する。当該条件が満たされていない場合には、制御部１００は再生を開始せず、真空排気運転を継続する。

図２は、本発明のある実施形態に係る再生方法を説明するためのフローチャートである。再生処理は、排気運転中のクライオパネル温度よりも高温である再生温度にクライオポンプ１０を昇温する昇温工程を含む（Ｓ１０）。図２に示す再生処理は、いわゆるフル再生である。フル再生は、高温クライオパネル１９及び低温クライオパネル１８を含むすべてのクライオパネルを再生する。クライオパネル１８、１９は真空排気運転のための冷却温度から例えば常温付近の再生温度（例えば約３００Ｋ）まで加熱される。

昇温工程は、いわゆる逆転昇温を含む。作動気体に断熱圧縮を生じさせるように冷凍機１６が運転され、そうして得られる圧縮熱でクライオパネル１８、１９及び吸着剤２７が加熱される。昇温工程は、クライオポンプ１０及び／または冷凍機１６に設けられているヒータ（図示せず）によってクライオパネル１８、１９及び吸着剤２７を加熱することを含んでもよい。

昇温工程は、パージガスによってクライオパネル１８、１９及び吸着剤２７を加熱することを含んでもよい。よって、昇温工程は、クライオポンプ１０へのパージガスの供給を開始することを含んでもよい。制御部１００は、パージバルブ７４を開いてパージガスをクライオポンプ１０の内部空間１４に導入する。供給されたパージガスは、ベントバルブ７０を通じてクライオポンプ１０から排出される。

昇温工程において制御部１００は、クライオパネル温度の測定値が再生温度に達したか否かを判定する。制御部１００は、再生温度に達するまでは昇温工程を継続し、再生温度に達した場合には昇温工程を終了する。冷凍機１６の逆転昇温が行われている場合、制御部１００は、昇温工程を終了するとともに冷凍機１６の運転を停止してもよい。制御部１００は、冷凍機１６の運転停止とともにパージを終了してもよいし、冷凍機１６の運転停止後もパージガスの供給を所定時間継続してもよい（いわゆる延長パージ）。

昇温工程の終了に続いて、制御部１００は、第１排出工程（Ｓ１２）及び第２排出工程（Ｓ１８）をこの順番で実行する。これらの排出工程においては、クライオパネル表面から再気化した気体がクライオポンプ１０の外部へ排出される。再気化した気体は例えば排出ライン８０を通じて、または粗引きポンプ７３を使用して、外部に排出される。再気化した気体は、必要に応じて導入されるパージガスとともにクライオポンプ１０から排出される。排出工程においては、冷凍機１６の昇温運転が継続されていてもよいし、冷凍機１６の運転は停止されてもよい。

第１排出工程は主として、クライオパネル１８、１９に凝縮した水を気化して排出するための処理である。第１排出工程は、第１ラフアンドパージ（Ｓ１４）と、第１ビルドアップ判定を含む（Ｓ１６）と、を含む。言い換えれば、第１ラフアンドパージ及び第１ビルドアップ判定は、クライオパネル１８、１９に凝縮した水をクライオポンプ１０から排出するよう設定されている。

ラフアンドパージとは、ハウジング３８の粗引きとパージガスの供給とを交互に行う工程である。ラフアンドパージにおいては、粗引きとパージとの組み合わせが１回または複数回実行される。通例、ラフアンドパージにおいて制御部１００は、粗引きとパージとを選択的に実行する。すなわち、粗引き（またはパージ）が行われているときパージ（または粗引き）は停止されている。代案として、ラフアンドパージにおいて、粗引き及びパージの一方が連続して行われる間に粗引き及びパージの他方が間欠的に行われてもよい。これも、粗引きとパージガスの供給とが交互に行われているとみなされる。粗引き及びパージの開始及び終了は、後述するようにハウジング３８の圧力に基づき行われてもよいし、あるいは経過時間に基づいてもよい。

昇温工程が終了すると、制御部１００は、第１ラフアンドパージを開始する。このとき制御部１００はまずハウジング３８の粗引きを開始する。制御部１００は、パージバルブ７４を閉じ、粗引きバルブ７２を開く。粗引きによって、ハウジング３８の内部が減圧される。以下では説明の便宜上、第１ラフアンドパージの粗引き及びパージをそれぞれ、第１粗引き及び第１パージと呼ぶことがある。

第１粗引きには終了圧が設定されている。第１粗引きの終了圧は、ベース圧レベルよりも高圧であり、例えば５０Ｐａ乃至５００Ｐａ、好ましくは１００Ｐａ乃至２００Ｐａの範囲から選択される。この圧力領域を以下では準ベース圧レベルと呼ぶことがある。また、第１粗引きには開始圧が設定されている。第１粗引きの開始圧は例えば大気圧である。

制御部１００は、圧力センサ９４の測定圧力が第１粗引きの終了圧に達したとき、粗引きバルブ７２を閉じ、第１粗引きを終了する。続いて、制御部１００は、パージバルブ７４を開き、第１パージを開始する。第１パージによって、ハウジング３８の内部が昇圧される。

制御部１００は、圧力センサ９４の測定圧力が第１粗引きの開始圧に達したとき、パージバルブ７４を閉じ、第１パージを終了する。このようにして、初回の第１粗引き及び第１パージが終了する。続いて、制御部１００は、粗引きバルブ７２を開き、２回目の第１粗引きを開始する。

第１パージの終了後、第１粗引きが開始される前に、制御部１００は、第１ラフアンドパージの終了条件が満たされているか否かを判定する。第１ラフアンドパージの終了条件は例えば、第１パージ（または第１粗引き）が規定の回数（１回または複数回、図３においては４回）実行されたことを含む。終了条件が満たされている場合には、制御部１００は、第１ラフアンドパージを終了し、第１ビルドアップ判定を実行する（Ｓ１６）。終了条件が満たされていない場合には、制御部１００は、第１ラフアンドパージを継続する（すなわち、第１粗引きが開始される）。

こうして、第１ラフアンドパージにおいて制御部１００は、ハウジング３８の圧力を第１圧力範囲で制御する。第１圧力範囲は、第１粗引きの開始圧と終了圧とにより定まる範囲である。第１ラフアンドパージにおいてクライオポンプ内圧は第１圧力範囲を振動的に往復する。

第１ラフアンドパージが終了すると、制御部１００は、第１ビルドアップ判定を開始する。クライオポンプ再生におけるビルドアップ判定は、初期圧力からの圧力上昇勾配が判定しきい値を超えない場合に、クライオポンプ１０から気体が充分に排出されたと判定する処理である。

制御部１００は、粗引きバルブ７２を開き、第１ビルドアップ判定のための初期圧力までハウジング３８を粗引きする。初期圧力は準ベース圧レベルの圧力から選択され、例えば第１粗引きの終了圧に等しいかそれよりも低い。制御部１００は、圧力センサ９４の測定圧力が初期圧力に達したとき粗引きを停止する。制御部１００は、粗引きバルブ７２を含む各バルブを閉じ、ハウジング３８を気密に保持する。同時に、制御部１００は、判定時間の計時を開始し、圧力センサ９４の測定圧力を監視する。制御部１００は、判定時間が経過したときの昇圧量（初期圧力からの増分）をハウジング３８の圧力上昇勾配とみなす。

制御部１００は、第１ビルドアップ判定が合格の場合、つまりハウジング３８の圧力上昇勾配がしきい値を超えない場合に、第１排出工程を終了し、第２排出工程を開始する（Ｓ１８）。一方、制御部１００は、第１ビルドアップ判定が不合格の場合つまりハウジング３８の圧力上昇勾配がしきい値を超える場合には第１排出工程を継続する。この場合、制御部１００は、再び初期圧力まで粗引きをして改めて圧力上昇勾配を監視するか、あるいは第１ラフアンドパージを再実施したうえで第１ビルドアップ判定をする。

第１排出工程が終了したとき、クライオパネル１８、１９の表面から氷及び液体の水は充分に（好ましくは完全に）排出されている。クライオポンプ１０に残留しているガスは水蒸気である。水蒸気は、吸着剤２７、クライオパネル１８、１９、及びその他の構造物の表面に吸着されている。

第２排出工程は主として、吸着剤２７に吸着した水を気化して排出するための処理である。第２排出工程は、第２ラフアンドパージ（Ｓ２０）と、第２ビルドアップ判定を含む（Ｓ２２）と、を含む。以下では説明の便宜上、第２ラフアンドパージの粗引き及びパージをそれぞれ、第２粗引き及び第２パージと呼ぶことがある。第２ラフアンドパージは、第２粗引きの終了圧が第１粗引きの終了圧より低いことを除いて、第１ラフアンドパージと同様である。

第１排出工程が終了すると（すなわち第１ビルドアップ判定に合格すると）、制御部１００は、第２ラフアンドパージを開始する。制御部１００は、第１排出工程の直後に第２ラフアンドパージを行う。

第２ラフアンドパージにおいて制御部１００は最初に、粗引きバルブ７２を開き、第２粗引きを行う。初回の第２粗引きにおいては、第１ビルドアップ判定の終了時点の準ベース圧レベルの圧力を下回る第２粗引き終了圧へとハウジング３８が減圧される。第２粗引き終了圧はベース圧レベルから選択され、例えば約１０Ｐａである。制御部１００は、圧力センサ９４の測定圧力が第２粗引き終了圧に達したときこの第２粗引きを終了し、初回の第２パージを開始する。第２パージは、吸着剤２７に吸着されている水が凍らない圧力へとハウジング３８を昇圧する。制御部１００は、圧力センサ９４の測定圧力が第２粗引きの開始圧に達したとき、第２パージを終了し第２粗引きを開始する。第２粗引きの開始圧は例えば大気圧である。

第２パージの終了後、第２粗引きが開始される前に、制御部１００は、第２ラフアンドパージの終了条件が満たされているか否かを判定する。第２ラフアンドパージの終了条件は例えば、第２パージ（または第２粗引き）が規定の回数（１回または複数回、図３においては３回）実行されたことを含む。終了条件が満たされている場合には、制御部１００は、第２ラフアンドパージを終了し、第２ビルドアップ判定を実行する（Ｓ２２）。終了条件が満たされていない場合には、制御部１００は、第２ラフアンドパージを継続する（すなわち、第２粗引きが開始される）。

こうして、第２ラフアンドパージにおいて制御部１００は、ハウジング３８の圧力を第２圧力範囲で制御する。ラフアンドパージ工程のクライオポンプ内圧は、第２圧力範囲を振動的に往復する。第２圧力範囲は、第２粗引きの開始圧と終了圧とにより定まる範囲である。第２圧力範囲は、第１圧力範囲を下回る低圧領域に拡張されている。すなわち、この低圧領域は準ベース圧レベルよりも低い。第２排出工程は、クライオポンプ容器を低圧領域まで排気することと、クライオポンプ容器にパージガスを供給することと、を交互に行うことを含む。

本実施形態においては、制御部１００は、第１排出工程を終了することと、第１圧力範囲からこの低圧領域へとハウジング３８を排気することと、ハウジング３８にパージガスを供給することと、を逐次実行する。このような逐次的な処理により、第２排出工程の初期においてクライオポンプ１０にパージガスを自動的に導入することができる。

第２ラフアンドパージが終了すると、制御部１００は、第２ビルドアップ判定を開始する。制御部１００は、第２ビルドアップ判定の初期圧力までハウジング３８を粗引きする。初期圧力はベース圧レベルの圧力から選択され、例えば第２粗引きの終了圧に等しいかそれよりも低い。よって、第２ビルドアップ判定は、第１ビルドアップ判定に比べて高真空領域で実行される。制御部１００は、圧力センサ９４の測定圧力が初期圧力に達したとき粗引きを停止する。制御部１００は、粗引きバルブ７２を含む各バルブを閉じ、ハウジング３８を気密に保持する。同時に、制御部１００は、判定時間の計時を開始し、圧力センサ９４の測定圧力を監視する。制御部１００は、判定時間が経過したときの昇圧量をハウジング３８の圧力上昇勾配とみなす。

制御部１００は、第２ビルドアップ判定が合格の場合、つまりハウジング３８の圧力上昇勾配がしきい値を超えない場合に、第２排出工程を終了し、クールダウン工程を開始する（Ｓ２４）。したがって、第２ビルドアップ判定は、クールダウン開始の可否を判定するクールダウン開始判定である。一方、制御部１００は、第２ビルドアップ判定が不合格の場合つまりハウジング３８の圧力上昇勾配がしきい値を超える場合には第２排出工程を継続する。この場合、制御部１００は、再び初期圧力まで粗引きをして改めて圧力上昇勾配を監視するか、あるいは第２ラフアンドパージを再実施したうえで第２ビルドアップ判定をする。

昇温工程及び排出工程において制御部１００は、ハウジング３８の外部に対して内部に陽圧が生じたか否かを圧力センサ９４の測定値に基づいて判定し、陽圧が生じたと判定した場合にはベントバルブ７０を開放してもよい。これにより排出ライン８０を通じてクライオポンプ１０内部の高圧を外部に解放することができる。制御部１００は、陽圧が生じていないと判定した場合にはベントバルブ７０を閉鎖する。こうして、ハウジング３８内が減圧されているときは容器内へのリークをシールすることができる。

第２排出工程が終了すると、制御部１００は、クールダウン工程を開始する（Ｓ２４）。クールダウン工程は、真空排気運転を再開するためにクライオパネル１８、１９及び吸着剤２７を再冷却する処理である。冷凍機１６の冷却運転が開始される。この冷却工程の少なくとも一部において粗引きが行われてもよく、例えば冷却開始から粗引き終了圧力または粗引き終了温度に達するまで粗引きが継続されてもよい。制御部１００は、クライオパネル温度の測定値が真空排気運転のためのクライオパネル冷却温度に達したか否かを判定する。制御部１００は、クライオパネル冷却温度に到達するまでクールダウン工程を継続し、当該冷却温度に達したときクールダウン工程を終了する。こうして再生処理は完了する。クライオポンプ１０の真空排気運転が再開される。

図３は、本発明のある実施形態に係る再生シーケンスを示す図である。この再生シーケンスは上述のように制御部１００によって制御される。図３は、クライオポンプ１０における再生中の温度及び圧力の時間変化の一例を模式的に示す。図３に示される温度は第２温度センサ９２の測定温度であり、圧力は圧力センサ９４の測定圧力である。

図３に示される再生シーケンスは、その開始から終了までの全期間が期間ａないし期間ｆの６期間に区分される。上述の昇温工程は期間ａにあたり、第１排出工程は期間ｂ及び期間ｃにあたり、第２排出工程は期間ｄ及び期間ｅにあたり、クールダウン工程は期間ｆにあたる。期間ｂ及び期間ｃにおいてはそれぞれ第１ラフアンドパージ及び第１ビルドアップ判定が行われている。期間ｄ及び期間ｅにおいてはそれぞれ第２ラフアンドパージ及び第２ビルドアップ判定が行われている。

期間ａにおいては冷凍機１６の逆転昇温が行われている。冷凍機１６の逆転昇温と窒素パージとにより第２ステージ２１が目標温度（例えば３００Ｋ）へと昇温されていく。窒素パージによりクライオポンプ内の圧力は速やかに大気圧に達する。水以外の大半のガスは、昇温中にクライオパネル１８、１９から放出される。

期間ｂは、主に水分を気化し排出するためにある。期間ｂの第１ラフアンドパージにおいて、粗引きによるクライオポンプ内の減圧は、水が凍らない圧力範囲に留める。最低圧力は例えば１００Ｐａ程度である。期間ｂの前半は主として、クライオパネル１８、１９に堆積した氷を溶かすための期間である。期間ｂの後半は主として、水を気化させるための期間である。

期間ｃは、粗引きにより水蒸気を排出するための第１粗引き期間である。このとき窒素パージは停止されている。期間ｃにおいては、粗引きと、圧力上昇勾配の判定とが繰り返される。判定中は粗引きは停止される。圧力上昇勾配がしきい値より小さくなったとき（すなわち、第１ビルドアップ判定に合格したとき）、期間ｃは終了する。

期間ｄの第２ラフアンドパージにおいては、ベース圧レベルまでクライオポンプ１０が粗引きされる。最低圧力は第１ラフアンドパージより低く、例えば１０Ｐａ程度である。蒸発速度は一般に圧力に反比例する。そのため、低圧まで粗引きをすることは、吸着剤２７からの水の蒸発速度を増やす効果がある。

しかし、このとき、吸着剤２７に残留する水が、過剰な気化熱によって再び氷になる可能性がある。パージガスによる昇圧は、水の蒸発速度を抑える効果をもつ。また、パージガスは吸着剤２７を加熱する効果もある。これらはいずれも、吸着剤２７での氷結抑制または解氷促進に有効である。

期間ｅにおいては、期間ｃに比べて高真空領域で、粗引きと圧力上昇勾配の判定とが繰り返される。判定中は粗引きは停止される。圧力上昇勾配がしきい値より小さくなったとき（すなわち、第２ビルドアップ判定に合格したとき）、期間ｅは終了する。

期間ｆにおいては、冷凍機１６の冷却運転が開始される。このとき粗引きも行われる。目標の冷却温度に達したとき、粗引きは終了される。このようにして再生は完了し、真空排気運転が開始される。

以上説明したように、本実施形態によると、吸着剤２７の再生段階において初回のクールダウン開始判定に先行して、パージガスが供給される。こうして吸着剤再生段階の初期にパージガスを供給することで、吸着剤２７での解氷が促進され又は氷結が抑制される。加えて、ベース圧レベルの低圧への粗引きによって吸着剤２７からの水の蒸発が促進される。このようにして、吸着剤２７から水を効率的に排出することができる。よって、吸着剤再生の所要時間を短くすることができる。

本実施形態に係るクライオポンプ１０は、水分を多量に排気する用途（例えば、高電流イオン注入装置）に有効である。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。

上述の実施形態においては第２排出工程の粗引き圧が一定である。しかし、第２排出工程における複数回の粗引き終了圧は、第１圧力範囲を下回る低圧領域において段階的に低減されてもよい。あるいは、第２排出工程における粗引き終了圧は、第１圧力範囲を下回る低圧領域においてランダムに設定されてもよい。

１０ クライオポンプ、 １８ 低温クライオパネル、 １９ 高温クライオパネル、 ３８ ハウジング、 ７２ 粗引きバルブ、 ７３ 粗引きポンプ、 ７４ パージバルブ、 ７５ パージガス源、 １００ 制御部。

Claims (4)

1. クライオパネルと、
   前記クライオパネルを収容するクライオポンプ容器と、
   前記クライオパネルの再生のために前記クライオポンプ容器の排気と前記クライオポンプ容器へのパージガスの供給とを制御するよう構成されている制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記クライオポンプ容器の排気と前記パージガスの供給とを第１圧力範囲で交互に行うことを含む第１排出工程と、前記第１圧力範囲を下回る低圧領域まで前記クライオポンプ容器を排気することを含む第２排出工程と、を実行し、
   前記第２排出工程は、前記第２排出工程を終了するか否かを前記低圧領域で少なくとも一回判定することと、前記第２排出工程を終了するか否かの初回の判定より前に、前記クライオポンプ容器にパージガスを供給することと、を含むことを特徴とするクライオポンプ。
2. 前記制御部は、前記第１排出工程を終了することと、前記第１圧力範囲から前記低圧領域へと前記クライオポンプ容器を排気することと、前記クライオポンプ容器にパージガスを供給することと、を逐次実行す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排出工程は、前記クライオポンプ容器を前記低圧領域まで排気することと、前記クライオポンプ容器にパージガスを供給することと、を交互に行うことを含むことを特徴とする請求項１または２に記載のクライオポンプ。
4. クライオポンプ容器の排気とパージガスの供給とを第１圧力範囲で交互に行うことを含む第１排出工程と、
   前記第１圧力範囲を下回る低圧領域まで前記クライオポンプ容器を排気することを含む第２排出工程と、を備え、
   前記第２排出工程は、前記第２排出工程を終了するか否かを前記低圧領域で少なくとも一回判定することと、前記第２排出工程を終了するか否かの初回の判定より前に、前記クライオポンプ容器にパージガスを供給することと、を含むことを特徴とするクライオポンプの再生方法。

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