JP2014181631A - クライオポンプ、及び非凝縮性気体の真空排気方法 - Google Patents

Abstract

【課題】非凝縮性気体の排気に適するクライオポンプ、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、シールド開口２６を画定するシールド前端２８と、シールド底部３４と、シールド前端２８とシールド底部３４との間に延在するシールド側部３６と、を備える放射シールド３０と、放射シールド３０より低温に冷却されるクライオパネルアセンブリ２０と、を備える。クライオパネルアセンブリ２０は、複数の第１吸着パネル６０を備える第１パネル配列６１と、各々が複数の第２吸着パネル６２を備える複数の第２パネル配列６３と、を備える。第１パネル配列６１は、各々がシールド側部３６に露出されている多数の吸着区画を、複数の第２パネル配列６３と協働して格子状に形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、クライオポンプ、及び非凝縮性気体の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。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領域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。

特開２００９−５７９５７号公報 特開２００９−６２８９１号公報

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、非凝縮性気体の排気に適するクライオポンプ、及び真空排気方法を提供することにある。

本発明のある態様によると、シールド開口を画定するシールド前端と、シールド底部と、前記シールド前端と前記シールド底部との間に延在するシールド側部と、を備える放射シールドと、複数の第１吸着パネルを備える第１パネル配列と、各々が複数の第２吸着パネルを備える複数の第２パネル配列と、を備え、前記放射シールドより低温に冷却されるクライオパネルアセンブリと、を備え、前記第１パネル配列は、各々が前記シールド側部に露出されている多数の吸着区画を、前記複数の第２パネル配列と協働して格子状に形成する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、クライオポンプの放射シールドと前記放射シールドより低温に冷却されるクライオパネルアセンブリとの間に非凝縮性気体分子を受け入れることと、前記クライオパネルアセンブリの格子状吸着パネル配列に非凝縮性気体分子を吸着することと、を備え、前記格子状吸着パネル配列は、各々が前記放射シールドの側部に露出されている多数の吸着区画を備えることを特徴とする非凝縮性気体の真空排気方法が提供される。

本発明のある態様によると、シールド開口を画定するシールド前端と、シールド底部と、前記シールド前端と前記シールド底部との間に延在するシールド側部と、を備える放射シールドと、前記シールド開口と前記シールド底部との間で重層的に配置されている複数の吸着区画列を備え、前記放射シールドより低温に冷却されるクライオパネルアセンブリと、を備え、前記複数の吸着区画列の各々は、複数の吸着区画を備え、前記複数の吸着区画の各々は、その吸着区画を覆う天井部と、前記シールド側部に露出されている開口部と、を備えることを特徴とするクライオポンプが提供される。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、非凝縮性気体の排気に適するクライオポンプ、及び真空排気方法が提供される。

本発明のある実施の形態に係るクライオポンプの主要部を模式的に示す断面図である。 本発明のある実施の形態に係るクライオパネルアセンブリを模式的に示す側断面図である。 本発明のある実施の形態に係るクライオパネルアセンブリの最上部のクライオパネルユニットを模式的に示す上面図である。 本発明のある実施の形態に係るクライオパネルアセンブリの最上部のクライオパネルユニットを模式的に示す側面図である。 本発明のある実施の形態に係る非凝縮性気体の真空排気方法を説明するための図である。

図１は、本発明のある実施の形態に係るクライオポンプ１０の主要部を模式的に示す断面図である。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。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。図１は、クライオポンプ１０の内部空間１４の中心軸Ａを含む断面を示している。

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」、「放射方向」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（図１において一点鎖線Ａに沿う方向）を表し、放射方向は吸気口１２に沿う方向（一点鎖線Ａに垂直な方向）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。放射方向に関しては、吸気口１２の中心（図１において中心軸Ａ）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。放射方向は径方向とも言える。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。

また、軸方向を囲む方向を「周方向」と呼ぶことがある。周方向は、吸気口１２に沿う第２の方向であり、径方向に直交する接線方向である。

クライオポンプ１０は、冷凍機１６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２２及び第２ステージ２４を備える二段式の冷凍機である。冷凍機１６は、第１ステージ２２を第１温度レベルに冷却し、第２ステージ２４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２２は６５Ｋ〜１２０Ｋ程度、好ましくは８０Ｋ〜１００Ｋに冷却され、第２ステージ２４は１０Ｋ〜２０Ｋ程度に冷却される。

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Ａ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。

クライオポンプ１０は、高温クライオパネル１８と、高温クライオパネル１８より低温に冷却されるクライオパネルアセンブリ２０と、を備える。高温クライオパネル１８は、クライオポンプ１０の外部またはクライオポンプ容器３８からの輻射熱からクライオパネルアセンブリ２０を保護するために設けられているクライオパネルである。高温クライオパネル１８はクライオパネルアセンブリ２０との間に隙間を有しており、高温クライオパネル１８はクライオパネルアセンブリ２０と接触していない。高温クライオパネル１８は、放射シールド３０と入口クライオパネル３２とを備え、クライオパネルアセンブリ２０を包囲する。高温クライオパネル１８は第１ステージ２２に熱的に接続されている。よって高温クライオパネル１８は第１温度レベルに冷却される。

放射シールド３０は、クライオポンプ容器３８の輻射熱からクライオパネルアセンブリ２０を保護するために設けられている。放射シールド３０は、クライオポンプ容器３８とクライオパネルアセンブリ２０との間にあり、クライオパネルアセンブリ２０を囲む。放射シールド３０は、シールド開口２６を画定するシールド前端２８と、シールド開口２６に対向するシールド底部３４と、シールド前端２８からシールド底部３４へと延在するシールド側部３６と、を備える。シールド開口２６は吸気口１２に位置する。放射シールド３０は、シールド底部３４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。

シールド側部３６には冷凍機１６の取付孔３７があり、その取付孔３７から冷凍機１６の第２ステージ２４が放射シールド３０の中に挿入されている。その取付孔３７の外周にて放射シールド３０の外面に第１ステージ２２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２２に熱的に接続されている。なお放射シールド３０を第１ステージ２２に接続するための伝熱部材が設けられていてもよい。この伝熱部材は、一端が冷凍機取付孔の外周部に固定され、他端が第１ステージ２２に固定される。伝熱部材は、例えば中空の短筒であり、冷凍機１６の中心軸に沿って放射シールド３０と第１ステージ２２との間に延びている。

放射シールド３０は、クライオパネルアセンブリ２０を囲むガス受入空間５０を形成する。ガス受入空間５０は、クライオポンプ１０の内部空間１４の外側部分であり、放射シールド３０に放射方向内側に隣接する領域である。ガス受入空間５０は、軸方向にシールド開口２６からシールド底部３４にわたってクライオパネルアセンブリ２０の外周を囲む。

本実施形態においては、放射シールド３０は図示されるような一体の筒状に構成されている。これに代えて、放射シールド３０は、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。例えば、放射シールド３０は軸方向に２つの部分に分割されていてもよい。この場合、放射シールド３０の上部は、両端が開放された筒であり、シールド前端２８とシールド側部３６の第１部分とを備える。放射シールド３０の下部は、上端が開放され下端が閉じられており、シールド側部３６の第２部分とシールド底部３４とを備える。シールド側部３６の第１部分と第２部分との間には周方向に延びる間隙が形成されている。冷凍機１６の取付孔３７はその上半分がシールド側部３６の第１部分に形成され、下半分がシールド側部３６の第１部分に形成される。

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）からの輻射熱からクライオパネルアセンブリ２０を保護するために、吸気口１２（またはシールド開口２６、以下同様）に設けられている。また、入口クライオパネル３２の冷却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。

入口クライオパネル３２は、吸気口１２においてクライオパネルアセンブリ２０に対応する場所に配置されている。入口クライオパネル３２は、吸気口１２の開口面積の中心部分を占有し、放射シールド３０との間に環状の開放領域５１を形成する。開放領域５１は、吸気口１２においてガス受入空間５０に対応する場所にある。ガス受入空間５０がクライオパネルアセンブリ２０を囲むように内部空間１４の外周部にあるので、開放領域５１は、吸気口１２の外周部に位置する。開放領域５１はガス受入空間５０の入口であり、クライオポンプ１０は、開放領域５１を通じてガス受入空間５０にガスを受け入れる。

入口クライオパネル３２は取付部材（図示せず）を介してシールド前端２８に取り付けられる。こうして入口クライオパネル３２は放射シールド３０に固定され、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はクライオパネルアセンブリ２０に近接しているが、接触はしていない。

入口クライオパネル３２は、吸気口１２に配設される平面的な構造を備える。入口クライオパネル３２は例えば、平板（例えば円板）のプレートを備えてもよいし、同心円状または格子状に形成されたルーバーまたはシェブロンを備えてもよい。入口クライオパネル３２は、吸気口１２の全体を横断するように配設されていてもよい。その場合、開放領域５１は、プレートの一部を欠落させ、または、ルーバーまたはシェブロンの一部の羽板を欠落させることによって形成されていてもよい。

クライオパネルアセンブリ２０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。図１においてはクライオパネルアセンブリ２０の設置されるおおまかな領域を破線で示している。例えば、クライオパネルアセンブリ２０は、放射シールド３０の中心軸Ａを包囲するレイアウトで配置される。クライオパネルアセンブリ２０の上部、側部、及び下部はそれぞれ、入口クライオパネル３２、シールド側部３６、及びシールド底部３４に対向する。

詳しくは後述するが、クライオパネルアセンブリ２０においては、少なくとも一部の表面に吸着領域４８（図２参照）が形成されている。吸着領域４８は非凝縮性気体（例えば水素）を吸着により捕捉するために設けられている。吸着領域４８は例えば吸着剤（例えば活性炭）をクライオパネル表面に接着することにより形成される。また、クライオパネルアセンブリ２０の少なくとも一部の表面には凝縮性気体を凝縮により捕捉するための凝縮領域が形成されている。凝縮領域は例えば、クライオパネル基材表面（例えば金属面）が露出されている領域であり、言い換えればクライオパネル表面上で吸着剤の欠落した区域である。よって凝縮領域は非吸着領域と呼ぶこともできる。したがって、クライオパネルアセンブリ２０は、その一部に凝縮領域（または非吸着領域ともいう）を有する吸着パネルまたはクライオソープションパネルを備える。

図２は、本発明のある実施の形態に係るクライオパネルアセンブリ２０を模式的に示す側断面図である。図２においては、冷凍機１６（図１参照）は紙面の奥から手前に向けて配置されている。また、図３及び図４はそれぞれ、クライオパネルアセンブリ２０の最上部のクライオパネルユニット５８を模式的に示す上面図及び側面図である。

クライオパネルアセンブリ２０は、多数の吸着パネルと、それら吸着パネルを第２ステージ２４に取り付けるためのパネル取付部材４２と、を備える。クライオパネルアセンブリ２０は、パネル取付部材４２を介して第２ステージ２４に取り付けられている。このようにして、クライオパネルアセンブリ２０は、第２ステージ２４に熱的に接続されている。よって、クライオパネルアセンブリ２０は第２温度レベルに冷却される。

パネル取付部材４２は、設計されたパネルレイアウトに従って吸着パネルを固定的に配列し、第２ステージ２４から吸着パネルへの伝熱経路を構成する要素である。パネル取付部材４２は、吸気口１２側に向けられている上面と、上面から下方に延び第２ステージ２４に取り付けられている側面と、を備える。

クライオパネルアセンブリ２０は、二種類の吸着パネル、すなわち平板パネル６０と縦板パネル６２とを備える。よって、平板パネル６０及び縦板パネル６２をそれぞれ、第１吸着パネル及び第２吸着パネルと呼ぶこともできる。

クライオパネルアセンブリ２０は、複数のクライオパネルユニット５８を備えており、各クライオパネルユニット５８がこれら二種類の吸着パネルを組み合わせて構成されている。複数のクライオパネルユニット５８は軸方向に並んでいる。これら複数のクライオパネルユニット５８は、隣接する２つのクライオパネルユニット５８が近接または接触するように配列されている。このようにして、クライオパネルアセンブリ２０は、クライオパネルユニット５８の積層構造を備える。

クライオパネルアセンブリ２０は、第１パネル配列６１を形成する複数の平板パネル６０を備える。これら複数の平板パネル６０は、クライオポンプ１０の軸方向に配列されている。平板パネル６０の各々は、内部空間１４の中心部を横断するように配設されており、例えば円形の平板である。平板パネル６０は、主表面である前面と背面とを備える。平板パネル６０の前面はシールド開口２６に向けられ、平板パネル６０の背面はシールド底部３４に向けられている。

平板パネル６０は、中心軸Ａから放射方向外側に向けて延在する。平板パネル６０の中心は中心軸Ａ上にあり、従って平板パネル６０は放射シールド３０と同軸に配設されている。平板パネル６０の外周部は、放射方向外側に向けて突き出しており、シールド側部３６に対向する。

複数の平板パネル６０は、シールド開口２６が定める開口面に平行に配列されている。すなわち、隣接する２つの平板パネル６０のうち吸気口１２に近い平板パネル６０の背面と、吸気口１２から遠い平板パネル６０の前面とが平行に向き合っている。本書では説明の便宜上、複数の平板パネル６０のうち最も吸気口１２に近いものをトップパネル６４と呼び、複数の平板パネル６０のうち最もシールド底部３４に近いものをボトムパネル６５と呼ぶことがある。トップパネル６４の前面は、入口クライオパネル３２に向けられている。一方、ボトムパネル６５の背面は、シールド底部３４に向けられている。

トップパネル６４は入口クライオパネル３２に近接していてもよい。例えば、トップパネル６４とその軸方向下側に隣接する平板パネル６０との距離よりも、トップパネル６４と入口クライオパネル３２との距離が狭くてもよい。このようにトップパネル６４を軸方向上方に配置することにより、シールド開口２６からシールド底部３４に向けて第１パネル配列６１として多数の平板パネル６０を並べることができる。これは、クライオパネルアセンブリ２０の吸着領域の面積を広くすることに役立つ。

各平板パネル６０はその中心部においてパネル取付部材４２に取り付けられている。トップパネル６４がパネル取付部材４２の上面に固定され、その他の平板パネル６０がパネル取付部材４２の側面に固定されている。トップパネル６４以外の平板パネル６０には、パネル取付部材４２を各平板パネル６０の中心部に挿入するための開口または切り欠きが形成されている。また、冷凍機１６と軸方向に同じ高さに位置する平板パネル６０には、冷凍機１６との干渉を避けるための開口または切り欠きが形成されている。

複数の平板パネル６０の外周部は、図示されるように同一の寸法（例えば同一の径）を有する。しかし、複数の平板パネル６０はそれぞれ、異なる形状及び／または寸法（例えば異なる径）を有してもよい。複数の平板パネル６０のうちある平板パネル６０は、その上方に隣接する平板パネル６０と同一形状を有するか、またはそれよりも大型であってもよい。その結果、ボトムパネル６５はトップパネル６４より大きくてもよい。

また、一組の隣接する平板パネル６０の間隔は、図示されるように、他の一組の隣接する平板パネル６０の間隔と異なる。軸方向上方における平板パネル間隔は、軸方向下方における平板パネル間隔より狭い。これらの間隔は、２つの平板パネル６０間に設けられている縦板パネル６２の軸方向長さによって定められている。しかし、複数の平板パネル６０の間隔は、一定であってもよい。

隣接する２つの平板パネル６０の間隔は、ガス受入空間５０に連続する開放部分を形成する。つまり、２つの平板パネル６０の隙間は、ガス受入空間５０に開放されている。平板パネル６０の外端とシールド側部３６との間には、気体の流通を妨げる遮蔽物は設けられていない。

吸着領域４８は各平板パネル６０の背面の全体に形成されている。また、吸着領域４８は各平板パネル６０の前面の中心部に形成されている。ただし、トップパネル６４の前面には吸着領域４８は形成されていない。よって、トップパネル６４の前面及びその他の平板パネル６０の前面外周部には凝縮領域が形成されている。

吸着領域と凝縮領域との境界は、平板パネル６０に投射される視線７０の軌跡によって定められている。この視線７０は、その平板パネル６０の直上に隣接する平板パネル６０の外周端へとシールド前端２８から引かれる直線である。この外周端から直下の平板パネル６０に視線７０を延長すると、視線７０がその平板パネルの前面に交差する。視線７０をシールド前端２８に沿って移動させたときの交点の軌跡に基づいて、吸着領域４８と凝縮領域との境界を定めることができる。境界の内側の少なくとも一部に吸着領域４８が形成され、好ましくは境界の内側全体を吸着領域４８が占有する。このようにして、各平板パネル６０の吸着領域４８は、直上に隣接する平板パネル６０に覆われる。各平板パネル６０の吸着領域４８は、シールド開口２６から実質的に視認不能であるように定められている。

ところで、クライオポンプに蓄積された気体は通常、再生処理により実質的に完全に排出され、再生完了時にはクライオポンプは仕様上の排気性能に回復される。しかし、蓄積された気体のうち一部の成分は再生処理を経ても吸着剤に残留する割合が比較的高い。

例えば、イオン注入装置の真空排気用に設置されているクライオポンプにおいては、吸着剤としての活性炭に粘着性の物質が付着することが観察された。この粘着性物質は再生処理を経ても完全に除去することが困難であった。この粘着性物質は、処理対象基板に被覆されるフォトレジストから排出される有機系のアウトガスに起因すると考えられる。またはイオン注入処理でドーパントガスつまり原料ガスとして使用される毒性ガスに起因する可能性もある。イオン注入処理におけるその他の副生成ガスに起因する可能性も考えられる。これらのガスが複合的に関係して粘着性物質が生成されている可能性もある。

イオン注入処理では、クライオポンプの排気する気体の大半は水素ガスであり得る。水素ガスは再生により実質的に完全に外部に排出される。難再生気体は微量であれば、１回のクライオポンピング処理においてクライオポンプの排気性能に難再生気体が与える影響は軽微である。しかし、クライオポンピング処理と再生処理とを反復するうちに、難再生気体は徐々に吸着剤に蓄積され、排気性能を低下させていく可能性がある。排気性能が許容範囲を下回ったときには、例えば吸着剤またはそれとともにクライオパネルの交換、または吸着剤への化学的な難再生気体除去処理を含むメンテナンス作業が必要となる。

難再生気体はほぼ例外なく凝縮性気体である。外部からクライオポンプ１０へと向けて飛来する凝縮性気体の分子は、開放領域５１及びガス受入空間５０を経由して、平板パネル６０の凝縮領域または放射シールド３０に捕捉される。吸気口１２への吸着領域４８の露出を避けることにより、クライオポンプ１０に進入する気体に含まれる難再生気体から吸着領域４８は保護される。難再生気体は凝縮領域に堆積される。こうして、非凝縮性気体の高速排気と、難再生気体からの吸着領域４８の保護とを両立することができる。吸着領域４８の露出を避けることは、水分から吸着領域を保護することにも役立つ。

本実施形態においては、吸着領域４８が吸気口１２から視認不能である。言い替えれば、クライオパネルアセンブリ２０の吸着剤総面積のうち視認可能な吸着剤面積の比率である「吸着剤見える率」がゼロ％である。しかし、本発明は、吸着剤見える率がゼロ％である構成には限定されない。吸着剤見える率が７％未満である場合には、実質的に吸着剤が開口から視認不能であると評価してもよい。ある実施形態においては、吸着剤見える率が７％未満、５％未満、または３％未満であることが好ましい。しかし、例えば難再生気体の含有量が十分に低いと見込まれる場合、または露出された吸着剤を犠牲にすることが許容される場合には、７％を超える吸着剤が開口から見えていてもよい。

本出願人が先に提案したクライオポンプもまた、非凝縮性気体の高速排気に適するクライオパネルアセンブリ、または複数のクライオソープションパネルの配列を備える。こうしたクライオパネルアセンブリを本実施形態に係るクライオポンプ１０の第１パネル配列６１として用いてもよい。本出願人が先に提案したクライオポンプは、例えば、特開２０１２−２３７２６２号公報、米国特許出願公開第２０１３／０００８１８９号に開示されている。これらの全体が本願明細書に参照により援用される。

さらに、クライオパネルアセンブリ２０は、第２パネル配列６３を形成する複数の縦板パネル６２を備える。第２パネル配列６３は平板パネル６０ごとに設けられている。よって、クライオパネルアセンブリ２０は、平板パネル６０の数に等しい複数の第２パネル配列６３を備える。

複数の縦板パネル６２は、対応する平板パネル６０の下側に配列されている。したがって、複数の第２パネル配列６３の各々は、隣接する２つの平板パネル６０の間にある。ただし、ボトムパネル６５に対応する複数の縦板パネル６２は、ボトムパネル６５とシールド底部３４との間にある。

複数の縦板パネル６２は、クライオポンプ１０の周方向に配列されている。縦板パネル６２は例えば、多角形のプレートであり、例えば三角形（または、正方形、長方形、または台形のような四角形）のプレートである。縦板パネル６２はその主表面を周方向に向けるように配設されている。よって、複数の縦板パネル６２は、隣接する２つの縦板パネル６２が周方向に向かい合うように配列されている。縦板パネル６２は、軸方向及び放射方向に沿って延在する。縦板パネル６２は、例えば等角度間隔に配列されている。

縦板パネル６２の外縁部は、放射方向外側に向けて突き出しており、シールド側部３６に対向する。縦板パネル６２は、シールド開口２６が定める開口面に垂直に配設されている。縦板パネル６２は、中心軸Ａから放射状に配列されている。縦板パネル６２は、パネル取付部材４２の外側に配設されている。

複数の第２パネル配列６３の各々は、縦板パネル６２の同一配列を有する。そのため、ある第２パネル配列６３は、それに隣接する第２パネル配列６３と共通の角度位置に縦板パネル６２を有する。よって、ある平板パネル６０の上に隣接する縦板パネル６２と、その平板パネル６０の下に隣接する縦板パネル６２とが、軸方向に連続する単一の縦板パネルを形成していてもよい。なお、複数の第２パネル配列６３は互いに異なる配列を有してもよい。例えば、ある第２パネル配列６３の縦板パネル６２と隣接する第２パネル配列６３の縦板パネル６２とが周方向に互い違いに並んでいてもよい。

縦板パネル６２は対応する平板パネル６０の背面に取り付けられ、平板パネル６０から下向きに突き出している。縦板パネル６２は平板パネル６０を介してパネル取付部材４２に熱的に接続されている。縦板パネル６２は、その下に隣接する平板パネル６０には取り付けられていない。このようにして、第２パネル配列６３とその直上の平板パネル６０とによりクライオパネルユニット５８が構成されている。冷凍機１６と軸方向に同じ高さに位置するクライオパネルユニット５８においては、冷凍機１６との干渉を避けるために一部の縦板パネル６２が欠落していてもよい。

縦板パネル６２の形状は、平板パネル６０に投射される視線７０の軌跡によって定めてもよい。視線７０をシールド前端２８に沿って移動させたときの視線７０の軌跡に基づいて、縦板パネル６２の形状を定めることができる。この視線７０の軌跡は、シールド前端２８及び平板パネル６０が円形である場合、円すい側面を形成する。例えば、視線７０の軌跡が形成する領域の内側に縦板パネル６２の少なくとも一部が収容されるように、縦板パネル６２の形状を定める。好ましくは、視線７０の軌跡が形成する領域の内側に縦板パネル６２の全体が収容されるように、縦板パネル６２の形状を定める。このようにして、縦板パネル６２は、直上に隣接する平板パネル６０に覆われる。縦板パネル６２は、シールド開口２６から実質的に視認不能であるように定められた形状を有する。

縦板パネル６２の形状は、シールド開口２６からの距離に応じて異なる。図示される実施形態においては、トップパネル６４の下の縦板パネル６２は直角三角形である。この三角形縦板パネルは、その斜辺を放射方向外側に向けている。他の二辺の一方がトップパネル６４の背面に支持されており、他方が放射方向内側に向けられてパネル取付部材４２に近接している。縦板パネル６２はパネル取付部材４２に取り付けられていてもよい。また、トップパネル６４以外の平板パネル６０の下の縦板パネル６２は直角台形である。この台形パネルも三角形パネルと同様に、斜辺を放射方向外側に向けている。台形パネルの長辺（上底）が平板パネル６０の背面に支持されており、短辺（下底）が軸方向下方に向けられている。

複数の第２パネル配列６３は、共通する形状を有する縦板パネル６２を備えてもよい。例えば、各第２パネル配列６３が矩形または直角台形の縦板パネル６２を備えてもよい。この場合、放射方向外側に向けられた縦板パネル６２の辺に視線７０が交わるように縦板パネル６２の形状及び配置が定められていてもよい。このようにしても、縦板パネル６２の大半の部分を平板パネル６０によって覆うことができる。

吸着領域４８は各縦板パネル６２の両面の全体に形成されている。各縦板パネル６２の吸着領域４８は、シールド開口２６から実質的に視認不能である。なお、縦板パネル６２の一部分がシールド開口２６から視認可能である場合には、平板パネル６０と同様にして、吸着領域と凝縮領域との境界を視線７０を用いて定めてもよい。

このようにして、クライオパネルアセンブリ２０においては多数の吸着パネルが格子状に配列されている。複数の平板パネル６０は、複数の第２パネル配列６３と交互に並べられている。縦板パネル６２は平板パネル６０に対し角度をなして配置されている。このようにして、第１パネル配列６１は、複数の第２パネル配列６３と協働して多数の吸着区画４４（図３及び図４参照）を形成する。多数の吸着区画４４は格子状に配列される。

多数の吸着区画４４は、各吸着区画４４がシールド側部３６に露出されるように二次元的に配列されている。多数の吸着区画４４は、複数の吸着区画列を形成し、それら複数の吸着区画列がシールド開口２６とシールド底部３４との間で重層的に配置されている。このようにして、クライオパネルアセンブリ２０は、縦方向及び横方向に並ぶマトリックス状の吸着区画４４の配列を備える。

複数の平板パネル６０の各々は、対応する第２パネル配列６３に軸方向上方で隣接する。このように、各平板パネル６０は、対応する第２パネル配列６３を覆うカバー部材である。第２パネル配列６３の複数の縦板パネル６２は、平板パネル６０間を仕切るパーティション部材である。各縦板パネル６２は、軸方向上方及び下方に隣接する２つの平板パネル６０の間を複数の吸着区画４４に短冊状に仕切るように、それら２つの平板パネル６０間で軸方向に延びている。これら複数の吸着区画４４は周方向に配列されており、１つの吸着区画列を形成する。

各吸着区画４４は、その吸着区画４４を覆う天井部と、隣の吸着区画４４との間にある側壁部と、シールド側部３６に露出されている開口部と、を備える。天井部は平板パネル６０により提供され、側壁部は縦板パネル６２により提供される。開口部は、ガス受入空間５０から吸着区画４４へのガス入口である。開口部は、シールド側部３６から見て矩形である。開口部は、ガス受入空間５０に開放されており、吸着区画４４とシールド側部３６との間には気体の流通を妨げる遮蔽物は設けられていない。

なお、個々の平板パネル６０が複数のパネル片に分割されていてもよい。この場合、個々のパネル片が対応する吸着区画４４の天井部を提供してもよい。また、吸着区画４４の開口部は、矩形以外の形状を有してもよい。例えば、吸着区画４４の開口部は六角形であり、クライオパネルアセンブリ２０はハニカム状の吸着パネル格子を備えてもよい。この場合、吸着区画４４の側壁部は、天井部に対し傾斜していてもよい。

図５は、本発明のある実施の形態に係る非凝縮性気体の真空排気方法を説明するための図である。上述のように、クライオポンプ１０は、シールド側部３６に面する格子状吸着パネル配列を備える。吸着パネルの格子状配列は、シールド側部３６に露出されている多数の吸着区画４４を備える。この真空排気方法は、クライオポンプ１０の放射シールド３０とクライオパネルアセンブリ２０との間に非凝縮性気体分子を受け入れることと、格子状吸着パネル配列に非凝縮性気体分子を吸着することと、を備える。この方法は、放射シールド３０とクライオパネルアセンブリ２０との間に受け入れた非凝縮性気体分子を、シールド側部３６で反射することを備えてもよい。反射された非凝縮性気体分子が、多数の吸着区画４４のいずれかに吸着される。

シールド側部３６で反射された非凝縮性気体分子のクライオパネルアセンブリ２０への進入角度が水平に近いことがある。仮に、縦板パネル６２が設けられていない場合には、図５において破線の矢印Ｐで示すように、非凝縮性気体分子が平板パネル６０間を通じてクライオパネルアセンブリ２０を通過するかもしれない。しかし、本実施形態によると、図５において実線の矢印Ｑで示すように、小さい角度でクライオパネルアセンブリ２０に進入する非凝縮性気体分子を縦板パネル６２で捕捉することができる。

本実施形態によると、吸着パネルが格子状に配列されている。そのため、ある吸着パネル（例えば平板パネル６０）が他のある吸着パネル（例えば縦板パネル６２）と交差する角度をもつ。そのため、ある吸着パネル（例えば平板パネル６０）に沿ってその近傍を通る気体分子の経路上に別の吸着パネル（例えば縦板パネル６２）が存在し得る。したがって、非凝縮性気体分子の吸着パネルとの接触確率を高くすることができる。よって、非凝縮性気体分子の排気速度を大きくすることができる。

本出願人が先に提案したクライオポンプに比べて、本実施形態による格子状吸着パネル配列をもつクライオポンプは、さらに、水素ガスの排気速度がおよそ２０％優れることが、モンテカルロ法に基づくシミュレーションによって確認されている。

また、ある真空システムには多数のクライオポンプが設置されることがある。本実施形態によるクライオポンプを使用することにより、クライオポンプの設置台数を減らすことができる。つまり、少ない台数のクライオポンプで同等の排気速度を達成することができる。例えば、４台のクライオポンプを３台のクライオポンプで代替する場合には、クライオポンプシステムに要するコストはおよそ３／４に低減される。よって、真空システムを構成するためのトータルコストを大きく減らすことができる。

また、本実施形態によると、多数の縦板パネル６２を追加したことにより、大面積の吸着領域４８をクライオパネルアセンブリ２０に形成することができる。したがって、非凝縮性気体分子の吸蔵量を大きくすることができる。

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。

上述の実施形態では、トップパネル６４はその前面に吸着領域４８を有していない。しかし、トップパネル６４の前面に吸着領域４８が形成されていてもよい。例えば、トップパネル４６は、吸気口１２または入口クライオパネル３２に向けて突き出して延びる部分を有してもよい。こうした延出部分の表面に吸着領域が形成されていてもよい。また、トップパネル６４以外の平板パネル６０についても同様に、軸方向上方または下方に向けて突き出して延びる部分を例えば外周部に有してもよい。

本発明の実施形態は以下のように表現することもできる。

１．シールド開口を画定するシールド前端と、シールド底部と、前記シールド前端と前記シールド底部との間に延在するシールド側部と、を備える放射シールドと、
複数の第１吸着パネルを備える第１パネル配列と、各々が複数の第２吸着パネルを備える複数の第２パネル配列と、を備え、前記放射シールドより低温に冷却されるクライオパネルアセンブリと、を備え、
前記第１パネル配列は、各々が前記シールド側部に露出されている多数の吸着区画を、前記複数の第２パネル配列と協働して格子状に形成することを特徴とするクライオポンプ。

２．前記複数の第１吸着パネル及び前記複数の第２吸着パネルの各々は、前記シールド開口から実質的に視認不能であるように定められている吸着領域を備えることを特徴とする実施形態１に記載のクライオポンプ。

３．前記複数の第２吸着パネルの各々は、前記シールド開口から実質的に視認不能であるように定められた形状を有することを特徴とする実施形態１または２に記載のクライオポンプ。

４．前記複数の第１吸着パネルが前記複数の第２パネル配列と交互に並べられ、前記複数の第２吸着パネルが前記複数の第１吸着パネルに対し角度をなして配置されていることを特徴とする実施形態１から３のいずれかに記載のクライオポンプ。

５．前記複数の第１吸着パネルは、第１吸着パネル各々の前面を前記シールド開口に向けるようにして前記クライオポンプの軸方向に配列されており、
前記複数の第２吸着パネルは、隣接する２つの第２吸着パネルが向かい合うようにして前記軸方向を囲む周方向に配列されていることを特徴とする実施形態１から４のいずれかに記載のクライオポンプ。

６．前記複数の第２吸着パネルは、シールド開口側で隣接する第１吸着パネルからシールド底部側に突き出すようにその第１吸着パネルに取り付けられていることを特徴とする実施形態１から５のいずれかに記載のクライオポンプ。

１０ クライオポンプ、 ２０ クライオパネルアセンブリ、 ２６ シールド開口、 ２８ シールド前端、 ３０ 放射シールド、 ３４ シールド底部、 ３６ シールド側部、 ４４ 吸着区画、 ４８ 吸着領域、 ５０ ガス受入空間、 ６０ 平板パネル、 ６１ 第１パネル配列、 ６２ 縦板パネル、 ６３ 第２パネル配列。

Claims (8)

1. シールド開口を画定するシールド前端と、シールド底部と、前記シールド前端と前記シールド底部との間に延在するシールド側部と、を備える放射シールドと、
   複数の第１吸着パネルを備える第１パネル配列と、各々が複数の第２吸着パネルを備える複数の第２パネル配列と、を備え、前記放射シールドより低温に冷却されるクライオパネルアセンブリと、を備え、
   前記第１パネル配列は、各々が前記シールド側部に露出されている多数の吸着区画を、前記複数の第２パネル配列と協働して格子状に形成することを特徴とするクライオポンプ。
2. 前記複数の第１吸着パネル及び前記複数の第２吸着パネルの各々は、前記シールド開口から実質的に視認不能であるように定められている吸着領域を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. 前記複数の第２吸着パネルの各々は、前記シールド開口から実質的に視認不能であるように定められた形状を有する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. 前記複数の第１吸着パネルが前記複数の第２パネル配列と交互に並べられ、前記複数の第２吸着パネルが前記複数の第１吸着パネルに対し角度をなして配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のクライオポンプ。
5. 前記複数の第１吸着パネルは、第１吸着パネル各々の前面を前記シールド開口に向けるようにして前記クライオポンプの軸方向に配列されており、
   前記複数の第２吸着パネルは、隣接する２つの第２吸着パネルが向かい合うようにして前記軸方向を囲む周方向に配列されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のクライオポンプ。
6. 前記複数の第２吸着パネルは、シールド開口側で隣接する第１吸着パネルからシールド底部側に突き出すようにその第１吸着パネルに取り付けられていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のクライオポンプ。
7. クライオポンプの放射シールドと前記放射シールドより低温に冷却されるクライオパネルアセンブリとの間に非凝縮性気体分子を受け入れることと、
   前記クライオパネルアセンブリの格子状吸着パネル配列に非凝縮性気体分子を吸着することと、を備え、
   前記格子状吸着パネル配列は、各々が前記放射シールドの側部に露出されている多数の吸着区画を備えることを特徴とする非凝縮性気体の真空排気方法。
8. シールド開口を画定するシールド前端と、シールド底部と、前記シールド前端と前記シールド底部との間に延在するシールド側部と、を備える放射シールドと、
   前記シールド開口と前記シールド底部との間で重層的に配置されている複数の吸着区画列を備え、前記放射シールドより低温に冷却されるクライオパネルアセンブリと、を備え、
   前記複数の吸着区画列の各々は、複数の吸着区画を備え、
   前記複数の吸着区画の各々は、その吸着区画を覆う天井部と、前記シールド側部に露出されている開口部と、を備えることを特徴とするクライオポンプ。

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