JP2014509365A - クライオポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】製造が簡単で、取り付けられる処理チャンバーからの放射がより良く遮断できるクライオポンプを提供する。
【解決手段】クライオポンプは、ガス整流が改善され製造の簡単な前面バッフルと、タイプIIガスを捕獲する大面積第二段アレイ板とを備える。また、クライオポンプは、オリフィスと、オリフィスから曲げられて取り付けられたフラップとを有する第一段前面バッフルを備える。さらに、クライオポンプは、第二段アレイの冷却バッフルよりも面積が大きい第二段上板を備える。
【選択図】図１３

Description

本出願は、２０１１年２月９日に出願された米国仮出願第６１／４４１，０２７号に基づいて得られる権利を主張する。
この出願による教示は、援用することによりすべて本明細書に組み入れられるものとする。

現在入手可能なクライオポンプは、極低温開サイクルによって冷却されるものも、極低温閉サイクルによって冷却されるものも、一般的に言って同じ設計概念に従っている。低温第二段クライオパネルアレイは、通常４Ｋから２５Ｋの範囲で作動するが、第一ポンプ動作面（primary pumping surface ）である。この面は、通常４０Ｋから１３０Ｋの温度範囲で作動する高温放射シールドで取り囲まれているが、それは、温度がより低いアレイに対して放射シールドを施す。放射シールドは、一般に、筐体を備えるが、第一ポンプ動作面と真空にすべきチャンバーとの間に位置する前面クライオパネルアレイのところだけが閉じられていない。この、温度がより高い、第一段、前面アレイは、水蒸気のような、タイプＩガスとして知られる高沸点ガスのためのポンプ動作部として働く。

作動状態では、水蒸気のような高沸点ガスは、前面アレイで凝縮（凝結）する（are condensed ）。低沸点ガスは、前面アレイを通り過ぎて放射シールド内の空間に入る。窒素のようなタイプIIガスは、第二段アレイで凝縮する。水素、ヘリウムおよびネオンのようなタイプIII ガスは、４Ｋでかなり大きな蒸気圧を有する。タイプIII ガスを捕獲するために、第二段アレイの内面は、活性炭、ゼオライトまたは分子篩のような吸着剤で被覆される。吸着という処理によると、ガスが、極低温に保たれる物質によって物理的に捕獲され、それによって環境から取り除かれる。このようにポンプ動作面にガスが凝縮または吸着されると、作業チャンバー内は真空となる。

閉サイクル冷却器によって冷却されるクライオポンプシステムにおいては、その冷却器は、典型的には二段冷凍器であって、放射シールドを通って延びるコールドフィンガーを有する。その冷凍器の、第二の、最も冷たい段の冷端がコールドフィンガーの先である。第一ポンプ動作面またはクライオパネルは、コールドフィンガーの第二段の最も冷たい端でヒートシンクに接続される。このクライオパネルは、単純な金属板、カップまたは、第二段ヒートシンクの周りに配置されてそれに接続される金属バッフルのアレイであり、例えば、米国特許第４，５５５，９０７号および米国特許第４，４９４，３８１号のようなものであって、これらの文献は、援用することによってここに組み入れられる。この第二段クライオパネルもまた、前述したとおり、活性炭やゼオライトのような、低温凝縮によるガス吸着剤を支持してよい。

冷凍器のコールドフィンガーは、カップ状の放射シールドの基部を通って延び、そのシールドと同心である。他のシステムにおいては、コールドフィンガーは、放射シールドの側面を通って延びる。時に、そのような構成の方が、クライオポンプ配置のために利用可能な空間に、より良く適合する。

放射シールドは、冷凍器の第一段の最も冷たい端で、ヒートシンクまたはヒートステーションに接続される。このシールドは、第二段クライオパネルを放射熱から保護するようにそれを取り囲む。放射シールドを閉じる前面アレイは、シールドを通して、または、援用することによってここに組み込まれる米国特許第４，３５６，７０１号に開示されているような熱支柱（thermal struts）を通して、第一段ヒートシンクによって冷却される。

大量のガスが収集された後、時々、クライオポンプを再生する必要がある。再生というのは、クライオポンプによって先に捕獲されていたガスを放出する処置である。通常、再生は、クライオポンプを環境の温度に戻すことによって成し遂げられるが、そうすると、ガスが第二ポンプ（secondary pump）によってクライオポンプから取り除かれる。この、ガスの放出および除去に続いて、クライオポンプが再度起動され、再冷却の後、再度作業チャンバーから大量のガスを取り除くことができるものとなる。

クライオポンプの性能指数は、水素の捕獲確率であり、それは、ポンプの外からクライオポンプの開口に到達する水素分子が、アレイの第二段で捕獲される確率である。その捕獲確率は、水素のポンプ排気速度、すなわちポンプによって捕獲される一秒当たりのリッター数に、直接関係している。従来の設計のポンプは、速い方で２０％以上の水素の捕獲確率を有する。

タイプIII ガスのポンプ排気速度を増すために、様々なポンプの設計が提案されている。例えば、援用することによってここに組み入れられる米国特許第４，７１８，２４１号は、第二段アレイを提示しているが、それは、凝縮され得ないガスをポンプで排出する速度を増し、それと同時に、システムを再生する頻度が制限されるように設計されている。このようなことが達成されたのは、第二段クライオパネルを開放して、水素、ネオンまたはヘリウムのような凝縮しないガスが、クライオパネルの円板の内面に配置されている吸着剤に、より容易に接近できるようにしたからである。これによって、凝縮しないガスはより迅速に吸着され、それによって、凝縮しないガスのポンプ排気速度を増している。同時に、第二段アレイは、すべてのガス分子が、吸着剤で被覆されていないクライオパネルの表面に、確実に最初に衝突するように設計されている。

援用することによりここに組み入れられる米国特許第５，２１１，０２２号に記述されているポンプのような、他のポンプの設計では、第一段のシェブロン（矢羽根、chevrons）またはルーバー（羽根板）が、多数のオリフィスを有する板と置き換えられている。シェブロンやルーバーと比べると、オリフィスは、第二段へのガスの流れを制限する。内部の第二段ポンプ動作領域（inner second stage pumping area ）への流れを制限することによって、ある割合の不活性ガスを作業空間に留め、スパッタリングを最適にするように不活性ガスの圧力を適切なもの（典型的には、１０^−３トル以上）とすることが可能となる。しかしながら、水蒸気のような、凝縮温度がより高いガスは、前面オリフィス板での凝縮によって、環境から直ちに除去される。

米国特許第４５５５９０７号明細書 米国特許第４４９４３８１号明細書 米国特許第４３５６７０１号明細書 米国特許第４７１８２４１号明細書 米国特許第５２１１０２２号明細書

従来技術が実施されるのは、シェブロンやスパッター板で第二段を保護して、放射熱が第二段に当たるのを減らすためであったり、第二段へのタイプIIおよびタイプIII のガスの流量を制御するためであったり、タイプＩの、沸点の高い方の凝縮ガスが、より冷たい面および吸着剤層で凝縮するのを防ぐためであったりする。放射や流量が低減すると、第二段クライオパネル面の温度ならびに、これらの面上および吸着剤上の凝縮ガスの温度が下がる。温度が下がった結果、ガスを捕獲する能力が増し、サイクルを再生する頻度が低減する。シェブロンは、非常に優れた放射シールドを施すが、それは、スパッター板と比べてのことであり、スパッター板が備えるオリフィスによって、多くの放射熱は、第二段クライオパネル面に一直線に向かうものとなる。しかしながら、現在最新の技術によるスパッター板でも、シェブロンに比べると、タイプIIおよびタイプIII のガスの、第二段クライオパネルへの制限が厳しく、その結果、これらのガスのポンプ排気速度が低下している。応用例によっては、このように、ポンプ排気速度を厳しく制限することが好まれるが、それは、ある割合の不活性ガスを処理チャンバーの作業空間に留めることで、最適なスパッタリングまたはその他の処理のために不活性ガスの圧力を適切なものとすることが可能だからである。

製造が簡単な第一段バッフルであって、それを通してガス流量を制限して、より良く放射を遮断しているバッフルと、凝縮したガスをより多量に運べる第二段アレイとを有するクライオポンプに対して、市場には需要がある。製造の簡単な第一段バッフルはオリフィスを有しているが、フラップがある角度で曲げられていて、オリフィスの縁に取り付けられている。第二段アレイは、上板（top plate ）を用いるもので、その面積は、第二段アレイのバッフルよりも大きい。クライオポンプは、製造の簡単な第一段バッフルおよび、面積の大きい上板の各々を、単独でまたは組み合わせて用いている。

上述のとおり、クライオポンプには、その開口に配置される第一段前面バッフルが備えられている。前面バッフルは、そのクライオポンプの開口を実質的に覆う領域（面積）を有している。前面バッフルは、複数のオリフィスを有しており、各オリフィスは、そのオリフィスの縁で曲げられて、前面バッフルに取り付けられているフラップを有し、各フラップは、前面バッフルを通る経路に配置されている。オリフィスは、長方形であるか、正方形であるか、台形であるか、円形であるか、三角形であるか、その他の形を有するかする。フラップは、好ましくは、前面バッフルの表面に対し１０°から６０°の角度で曲げられていて、最も好ましくは、２５°から３５°の角度で曲げられている。第二段では、より高速ではあっても熱負荷を高めるために、３５°から４５°の角度が好ましい。

製造の簡単な前面バッフルを形成するには、まず金属板を準備する。円形の金属板に複数のオリフィスが作られて、各オリフィス（フラップ）では、板の金属の少なくとも一部が、そのオリフィスの縁で板に取り付けられたままになっている。そして、その金属の一部が、その縁で金属板の表面に対してある角度で曲げられている。オリフィスは、長方形であるか、正方形であるか、円形であるか、台形であるか、三角形であるか、その他の形を有するかする。各オリフィスのフラップは、対応するオリフィスの、前面バッフルの中心に最も近い縁に取り付けられている。オリフィスは、前面バッフルの中心から板の縁に至る少なくとも一つの経路がオリフィスを有さないように、その板に配置されている。オリフィスは、例えば、レーザー切断、水噴射切断、機械切断、エッチングおよび打抜きの少なくとも一つによって作られる。

ここに記述される前面バッフルを有するクライオポンプの利点として挙げられるのは、製造の簡単さと、クライオポンプが取り付けられる処理チャンバーからの放射がより良く遮断されていることである。ここに記述される前面バッフルを有するクライオポンプのもう一つの利点は、クライオポンプの第二段アレイで、タイプIIガスおよびタイプIII ガスがより良く分布する（整流される）ことである。

クライオポンプは、（処理チャンバーの開口を通してクライオポンプを覗きこむ視点からの）第一の投影面積をもつ複数の冷却バッフルを有する第二段アレイを選択的に備えていてもよく、その複数の冷却バッフルは、吸着剤で被覆された一つ以上の冷却面の少なくとも一部を有するアレイとして配置される。冷却バッフルのアレイは、水平、鉛直に向けられて積み重ねて配置されていても、またその他の組み合わせで配置されていてもよい。複数の冷却バッフルは、第二段冷凍器に各々が直接取り付けられるか、第二段冷凍器に接続されるブラケットにまとめて取り付けられる。第二段アレイはまた、複数の冷却バッフルに結合されて前面バッフルと複数の冷却バッフルとの間に配置される上板を有し、その上板は、複数の冷却バッフルと整列されていて、第一の投影面積よりも広い第二の投影面積をもつ。上板の投影面積は、第二段を取り囲むクライオポンプの放射シールドの前面開口面積の５０％を超えており、好ましくは、約９０％である。しかしながら、上板の面積は、典型的には放射シールドの約５０％である冷却バッフルよりも広ければそれでよい。

ここに記述される大面積上板を有するクライオポンプの利点として挙げられるのは、クライオポンプの再生が必要となる前に、凝縮されたタイプIIガスを収容する能力が向上することである。大面積上板のもう一つの利点は、吸着剤の、タイプIIガスからの隔離が向上していることであって、それによりタイプIII ガスの吸着剤を保護している。大面積上板は、前述の前面バッフルと一緒であると利点が顕著になる。前面バッフルが大面積上板と組み合わさると、処理チャンバーからの放射は、スパッター板を用いる従来の前面アレイほどには、バッフルの第二段アレイに到達できなくなる。放射が低減すると、バッフル／上板のアレイの温度が下がり、とりわけ、前面バッフルに最も近いバッフル／上板の温度および、前面バッフルに最も近いバッフル／上板に接するタイプII凝縮ガスの温度が下がる。大面積上板は、捕獲できる凝縮ガスの体積を増し、また、凝縮ガスの表面の許容される温度を維持している。

前面バッフルは、好ましくは１０°から６０°、最も好ましくは３５°から４５°の角度に置かれた同心環と置き換えてもよい。

以上の記載は、以下の、本発明の実施形態のより詳細な説明から明らかであって、添付した図面に例示されるとおりであるが、それらの図面においては、符号が同様であれば、図が異なっても同じ部分を指示している。これらの図面は、必ずしも縮尺が正しくはなく、本発明の実施形態を分かりやすく示すことが強調されている。
従来技術によるクライオポンプの断面側面図である。 従来技術による別のクライオポンプの断面側面図である。 前面バッフルの実施形態を有するクライオポンプの断面側面図である。 円形オリフィスを有する前面バッフルの実施形態の上面図である。 図３Ａに示される前面バッフルの実施形態の断面側面図である。 長方形のオリフィスを有する前面バッフルの実施形態の斜視図である。 図３Ａおよび図３Ｂに示される前面バッフルの実施形態におけるオリフィスおよびフラップの斜視図である。 図３Ａ、図３Ｂおよび図４に示される前面バッフルにおけるオリフィスの上面図である。 前面バッフルの長方形のオリフィスの上面図である。 前面バッフルの三角形のオリフィスの上面図である。 前面バッフルの別の実施形態を有するクライオポンプの断面側面図である。 前面バッフルの断面側面図である。 大面積上板の実施形態を有するクライオポンプの断面側面図である。 図９に示される大面積上板の断面側面図である。 第二段上板の断面側面図である。 第二段大面積上板の断面側面図である。 異なる直径を有する様々な大面積上板の、凝縮したガスを収容する能力を示す図である。 前面バッフルの実施形態を、大面積上板の実施形態と組み合わせて有するクライオポンプの断面側面図である。 様々なクライオポンプ構造のポンプ動作（排気）能力を示す図である。 同心環の前面アレイおよび大面積上板を有するクライオポンプの断面側面図である。 図１５Ａの前面アレイの平面図である。

本発明の実施形態を以下に記述する。
処理チャンバー１３に取り付けられている従来技術の円形クライオポンプ６Ａおよび６Ｂの断面側面図を、図１Ａおよび図１Ｂにそれぞれ示す。クライオポンプ６Ａおよび６Ｂには、フランジ１４に添って処理チャンバーに直接搭載されるか、それと、処理チャンバー１３に接続される処理導管１５との間の中間ゲートバルブ１７に搭載されるかするクライオポンプ筐体１２が含まれている。導管１５には、クライオポンプ６を処理チャンバー１３から切り離すのに用いられるゲートバルブ１７が含まれている。クライオポンプ６Ａおよび６Ｂは、処理チャンバー１３に対して、ポンプ動作（排気）を行うことができる。クライオポンプ６Ａおよび６Ｂには、導管１５にボルトで止められたクライオポンプ筐体１２が含まれているが、それは、処理チャンバー１３に結合されている。クライオポンプ筐体１２の前面開口１６は、処理チャンバー１３の円形開口に通じている。冷凍器の二段コールドフィンガー（cold finger ）１８は、容器の円筒部分２０を通ってクライオポンプ筐体１２中に突出している。その冷凍器は、チェリス等による米国特許第３，２１８，８１５号に開示されるようなギフォード・マクマホン冷凍器であってよい。コールドフィンガー１８の二段ディスプレーサー（displacer ）は、モーター２２によって駆動される。各サイクルにおいて、加圧下でコールドフィンガーに導入されるヘリウムガスが膨張され、そうして冷却されて、ラインを通して排出される。第一段ヒートシンクまたはヒートステーション２８が、冷凍器の第一段２９の冷端（cold end）に載置されている。同様に、ヒートシンク３０が第二段３２の冷端に載置されている。

第一ポンプ動作面は、第二段ヒートステーション３０に載置されたバッフルのアレイ３４である。このアレイは、好ましくは、２０Ｋよりも低い温度に保たれて、低凝縮点ガスを凝縮させる。カップの形をした放射シールド３６が、第一段ヒートステーション２８に結合されている。コールドフィンガーの第二段３２は、放射シールドの開口を通って延びている。このシールドは、第二段アレイ３４の後方および側方までそれを取り囲んで、放射によるアレイの加熱を最小限にしている。この放射シールドの温度は、好ましくは、約１３０Ｋ未満である。

図１Ａには、バッフルのアレイ３４に対し放射シールドとして働き、また水蒸気のような、沸点がより高いガスに対し、クライオポンプ動作面としても働く前面クライオパネルアレイ３８が示されている。このアレイは、放射状の支持棒４１によって結合されるルーバー３９を備える。支持棒４１は、放射シールド３６に載置される。放射シールド３６は、前面クライオパネルアレイ３８を支持し、また、ヒートシンク２８から前面クライオパネルアレイ３８への熱の経路としても働く。

図１Ｂには、別の前面クライオパネルの設計が示されており、それには、放射シールド３６と熱的に接触して、第二段ポンプ動作領域に対する放射シールドとしても、水蒸気のような、沸点がより高いガスのクライオポンプ動作面としても働く前面バッフル３３が含まれている。前面バッフル３３は、ブラケット３７によって放射シールド３６に取り付けられている。前面バッフル３３は、複数のオリフィス３５を有しているが、それによって、沸点がより低いガスの、第二段アレイへの流れが制限される。

前面バッフルは、選択的に動作するが、それは、前面バッフルが、第一段ヒートシンクの温度（５０Ｋと１３０Ｋの間）に近い温度に維持されるからである。凝縮点がより高いガスが、バッフル上で凍結する一方で、オリフィス３５によって、凝縮点がより低いガスの、第二段への移動が制限される。前述のとおり、内部の第二段ポンプ動作領域への流れを制限することによって、ある割合の不活性ガスを作業空間に留め、スパッタリングを最適にするよう不活性ガスの圧力を適切な（moderate）もの（典型的には、１０^−３トル以上）とすることが可能となる。要するに、クライオポンプポート１６に到達するガスのうち、沸点がより高いガスが、前面バッフル上で凝縮することによって、環境から取り除かれ、その一方、温度のより低いガスの、第二段ポンプ動作面への流れが制限される。そのように流れを制限する結果、作業チャンバーの圧力が高くなる。

図２には、ある実施形態による前面バッフル４０を有する円形クライオポンプ７が示されており、図３Ａおよび図３Ｂには、クライオポンプから隔離された前面バッフル４０が示されている。前面バッフル４０は、複数のオリフィス４２を有しており、各オリフィス４２は、それと連なるフラップ４４を有する。図３Ａには、前面バッフル４０の上面図が示されている。前面バッフル４０は、複数のオリフィス３５を有する。前面バッフル４０にはまた、複数の穴４６が開けられていて、前面バッフル４０をブラケット３７に取り付けるためのリベット、ねじその他の締め具（図示されていない）を受けることができる。図示される実施形態において、複数のオリフィス３５が、あるパターンで前面バッフル４０上に配置されるが、そこには、オリフィス３５を有さない領域４８が備わる。これらの領域４８によって、前面バッフル４０の中心５０と、前面バッフル４０の穴４６および外周（周囲）４７との間の熱伝導を高めることができる。一般に、前面バッフル４０は、穴４６を介して、ブラケット３７で、放射シールドに熱的に結合され、かつまた、前面バッフル４０が放射シールド３６と接触する外周４７でも結合されている。図２には、放射シールド３６内に収まった前面バッフル４０が示されている。それに代えて、前面バッフル４０は、放射シールド３６の頂部にも配置できる。図３Ｂには、図３Ａの断面３Ｂ−３Ｂに沿った前面バッフル４０の断面側面図が示されている。前面バッフル４０における各オリフィス３５は、フラップ４４を有する。各フラップ４４は、それぞれのオリフィス３５の縁４８で前面バッフル４０に取り付けられている。

図３Ｃには、別の実施形態による、長方形のオリフィス５１を有する円形クライオポンプ用の前面バッフル４９の斜視図が示されている。図３Ｃでは、処理チャンバー１３に面する側から、前面バッフル４９が示されている。各長方形のオリフィス５１には、それに連なるフラップ５３が折線５５で取り付けられている。各オリフィス５１の折線５５は、前面バッフル４９の中心に最も近いオリフィスの縁にあって、処理チャンバー１３からバッフルのアレイ３４への、遮断されていない経路が、オリフィス５１を通って前面バッフルの中心から放射状に外を向いている。この放射状の外向きの経路は、処理チャンバーから流れてくる比較的熱いガスを、最初にバッフルのアレイ３４に衝突しないように遠ざけ、バッフルのアレイへの熱負荷を低減する。その放射状の外向きの経路はまた、バッフルの第二段アレイ３４への放射負荷を低減するが、それは、放射もまた、バッフルのアレイ３４から遠ざけられているからである。

一般に、前面バッフル４０のオリフィス３５の数を増やして、前面バッフル４０のオリフィス３５を均等に配置すると、その結果、オリフィス３５を通過したタイプIIガスが、クライオポンプのバッフルのアレイ３４に、より均等に衝突することになる。しかしながら、所定のサイズのオリフィス３５の数を増やし、そのオリフィス３５を均等な間隔で置くと、オリフィス３５のない領域４８のサイズが低減し、前面バッフル４０の熱伝導が低下してしまって、動作するクライオポンプにおける前面バッフル４０の温度を上昇させかねなくなる。また、オリフィス３５の数を増やすには、オリフィス３５を小さくする必要があるが、オリフィス３５が小さくなると、凝縮するガスでより詰まりやすくなる。

図４は、前面バッフル４０の円形オリフィス３５の拡大斜視図である。オリフィス３５は、前面バッフル４０によって囲まれている。フラップ４４は、折線５２で前面バッフル４０に取り付けられており、前面バッフル４０に対し、角度αを成す方向に向けられている。角度αは、好ましくは、１０°と６０°の間の角度であり、より好ましくは、２０°と４０°の間の角度であり、最も好ましくは、２５°と３５°の間の角度である。角度αの選択は、放射の遮断（角度αを小さく）と、第二段へのガスの流れの向上（角度αを大きく）との折衷であり、理想的な角度αは、特定の応用例とポンプ動作（排気）の必要性（pumping needs ）とに依存している。

図５には、フラップ４４を折り曲げる前の前面バッフル４０の円形のオリフィス３５の拡大上面図が示されている。典型的には、オリフィス３５は、前面バッフル４０に切れ目（gap ）５４を入れることによって形成される。その切れ目を形成するのに、どのような除去手段を用いてもよく、レーザー切断、水噴射切断、エッチングおよび機械的な切断が含まれるが、それらに限定されるものではない。オリフィス３５の縁は、切れ目５４によって定められるが、切れ目５４が、オリフィス３５の縁の周りで完全に連続してはいない。フラップ４４に付けられた折線５２は、長さＬを有し、この折線５２で、オリフィス３５の縁が完全に連なる。切れ目５４は、幅Ｇを有する。作業チャンバー１３からの放射は、オリフィス３５を通るが、フラップ４４によって遮断され、ただし、放射は、幾分かは、切れ目５４を通過してバッフルのアレイ３４に到達する。そうすると、切れ目５４の幅Ｇを最小とするのが望ましい。例えば、打抜きでオリフィス３５を作ることによって、切れ目５４の幅Ｇをゼロとすることが可能であるが、その場合は、フラップ４４を作るのに、前面バッフル４０を剪断することになる。しかしながら、一般に、打抜きには成形型（成形用具、tooling ）が必要であるが、それを作る費用が高く付き、また、例えば、オリフィスのサイズや形や配列（pattern ）を変えるには、新しい打抜きの成形型を注文しなければならない。レーザー切断法によると、０．０２０インチもの小さな切れ目を作ることができる。

一つの実施形態において、円形のオリフィスは、直径が半インチである。一般に、前面バッフルの穴の面積の合計が大きければ大きいほど、板を通してのガスの伝導性（conductance of gas through the plate）がより大きくなる。より小さな穴を多数開けることによって、第二段でのガスの分布がより均一になる。しかしながら、凝縮したガスで詰まってしまうほど穴が小さくてはならない。例えば、円形のオリフィスは、直径が０．２５インチから１インチの範囲である。

図６には、前面バッフル６０の長方形のオリフィス６２の拡大上面図が示されている。長方形のオリフィス６２には切れ目６６があって、それによってオリフィス６２の縁が定められるが、切れ目６６が、オリフィス６２の縁の周りで完全に連続してはいない。フラップ６８に付けられた折線６４は、長さＬを有し、この折線６４で、オリフィス６２の縁が完全に連なる。折線６４が、長方形のオリフィス６２の最も寸法が長いところに配置されるのが好ましい。例えば、一つの実施形態において、長方形のオリフィス６２は、長さ半インチ×長さ１インチの寸法を有していて、折線６４は、好ましくは、長さが１インチの辺に配置される。長方形のオリフィスの寸法は、長さ対幅の比が、１：１から５：１の範囲にあってよい。長方形のオリフィスの利点としては、製造の容易さや、オリフィス６２の所定のサイズに対するフラップ６８と前面バッフル６０との間の熱伝導の向上（円形のオリフィスとの比較で）が挙げられる。熱伝導が向上するのは、折線６４の長さＬが、長方形のオリフィスの方が、相当するサイズの円形オリフィスよりも長いからである。

図７には、前面バッフル７０の三角形のオリフィス７２の拡大上面図が示されている。三角形のオリフィス７２は、正三角形かまたは二等辺三角形のような形をしている。三角形のオリフィス７２は、切れ目７６を有し、それによって三角形のオリフィス７２の縁が定められるが、切れ目７６が、三角形のオリフィス７２の縁の周りで完全に連続してはいない。フラップ７８に付けられた折線７４は、長さＬを有し、この折線７４で、オリフィス７２の縁が完全に連なる。やはり、折線７４は、三角形のオリフィス７４の寸法が最も長い所に配置されるのが好ましい。三角形のオリフィス７２が正三角形のような形であるのなら、折線７４は、オリフィス７２のどの縁に位置していてもよい。しかしながら、三角形のオリフィス７２が二等辺三角形のような形であるのなら、折線７４を、オリフィス７２の、より短く等辺でない縁に配置して、折れを残りの縁に対して、対称に保つのが好ましい。図５〜図７には、単に前面バッフルのオリフィスの形について、例が示されている。それ以外の形を用いてもよい。図２のオリフィス４２には、これらのいずれの形のオリフィスが含まれていてもよく、またオリフィス４２には、異なる形が混ざって含まれていてもよい。

図８Ａには、別の実施形態による、複数のオリフィス８２が備わる前面バッフル８０を有するクライオポンプ８が示されている。この実施形態において、フラップ８４は、処理チャンバー１３の方を向き、第二段アレイ３４から遠ざかるように配置されている。図２と同様、オリフィス８２には、いかなる形のオリフィスが含まれていてもよく、また異なる形が混ざり合って含まれていてもよい。第二段アレイ３４の側よりも作業チャンバー１３の側により大きな空間があるときは、フラップが処理チャンバー１３に対向するように前面バッフル８０を向かわせてもよい。ここでも、フラップは、ガスの流れを第二段から遠ざけるように向けられている。

図８Ｂには、別の実施形態による、複数のオリフィス９１が備わる前面バッフル８５が示されている。前面バッフル８５には、積み重ねられて互いに結合された複数の層８７、８９が含まれている。層８７には、図３〜図７に関して前述されたようなオリフィス９１およびフラップ９３が含まれている。層８９には、オリフィス９１が含まれているが、フラップ９３は含まれていない。図８Ｂには、２つの層８７、８９しか示されていない。しかしながら、前面バッフルは、２層よりも多くの層で形成されていてもよい。その複数の層は、いかなる手段で互いに結合されてもよく、それには、溶接、半田付け、リベット、ねじ、ボルトおよび接着剤が含まれるが、これらに限定されるものではない。

図９には、バッフルの第二段アレイ３４の頂部（最上の、top-most）バッフルの上に配置されるか、または、図示のように、それを置き換えて配置される大面積上板９０を有する、実施形態によるクライオポンプ９が示されている。大面積上板９０においては、それと放射シールド３６との間の切れ目９２が、バッフルのアレイ３４の残りのバッフルと放射シールド３６との間の切れ目９４よりも小さなものとなっている。大面積上板９０によって、所定量のタイプIIガスがポンプ注入されるときに凝縮するガスの厚さが低減し、その結果、ポンプ動作の間に凝縮する物質の厚さ方向に生じる温度差が小さくなり、また、以下に記述するように、基準温度に戻るために作業サイクル間で必要な時間が低減する。また、大面積上板９０によると、より多くのタイプIIガスをポンプ注入できるが、それは、凝縮するガスの厚さが同じでも、面積がより大きいと、凝縮するガスの全体積が増大するからである。大面積上板９０によって、バッフルのアレイ３４の、残りのバッフルに到達するタイプIIガスの量、およびその残りのバッフルの下側の吸着剤（図示されていない）が低減される。

図１０には、第二段アレイの円形大面積上板９０および、その上にガス１０２が凝縮して積もった層の断面側面図が示されている。凝縮したガスは、凝縮したタイプIIガスからなる。前述のとおり、処理チャンバー１３からのガスには、前面バッフルを通過して、第二段アレイの上板９０上で凝縮するものがある。これらのガスは、凝縮して厚さｔを有する層１０２となり、そうしたガスは、熱伝導率Ｋを有する。前述のとおり、大面積上板９０は、非常に低い温度Ｔ_１に保持される。凝縮したガス１０２の表面の温度は、異なる温度Ｔ_２となり、それはＴ_１よりも温かい。作業チャンバーが使われていなくて、追加のガスがクライオポンプに加えられていないときは、Ｔ_２は、最後には低下してＴ_１に等しく（または非常に近く）なる。しかしながら、作業チャンバーからクライオポンプに新しいガスが導入されて、既に凝縮しているガス１０２の上に凝縮すると、Ｔ_２はＴ_１よりも高くなる。Ｔ_２とＴ_１の差は、凝縮したガス１０２の厚さｔ、凝縮したガス１０２の熱伝導率Ｋならびに、板９０上で凝縮する流入ガスの温度および到達率（流量、rate of arrival ）の関数である。凝縮したガス１０２の層が厚ければ厚いほど、処理チャンバー１３における作業サイクルの後、Ｔ_２がＴ_１に戻るのにかかる時間が長くなる。Ｔ_２が閾値温度を超えていると、クライオポンプは、作業チャンバーから効果的にガスをポンプで排出することができず、Ｔ_２が閾値温度を超えている期間が長ければ長いほど、作業チャンバー１３を使うことのできない期間が長くなる。そうすると、ガスを作業チャンバーから受け取った後、Ｔ_２が閾値レベルよりも下がるのに必要な時間は、いつクライオポンプを再生すべきかを決定するのに用いられる要因となる。したがって、凝縮したガス１０２の厚さを最小にすることは、再生サイクルの間の時間を最大とするのに有益である。

図１１Ａおよび図１１Ｂには、大面積上板９０が、どのように凝縮したガス１０２の厚さを最小にするのかが例示されている。まず、図１１Ａおよび図１１Ｂに示されるような円柱形の板（円板）に対して、凝縮したガス１０２は、おおよそ円柱形の体積を形成する（側面がわずかに丸くなることと、大面積上板９０の反対の側を凝縮したガスが取り巻くことを無視する）ことに注意する。図１１Ａには、小さな直径Ｄ_１を有する円形の上板１１０の断面側面図が示されている。板１１０は、バッフルのアレイ３４の頂部バッフルとなっている。簡素化のため、バッフルのアレイ３４に角度が付いた縁が示されていることは無視する。上板１１０は、その上に凝縮したガス１１２の層を有する。凝縮したガス１１２は体積Ｖを有しており、形は円柱形である。図１１Ｂには、大きな直径Ｄ_２を有する円形の大面積上板１１４の断面側面図が示されており、ここでＤ_２はＤ_１よりも大きい。大面積上板１１４は、その上に凝縮したガス１１６の層を有している。凝縮したガス１１６は、板１１０上の凝縮したガス１１２と同じ体積Ｖを有する。しかしながら、凝縮したガス１１６の厚さｔ_２は、図１１Ａの板１１０上の凝縮したガス１１２の厚さｔ_１よりも小さい。円柱形の体積は、πＤ^２／４に厚さｔを掛けたものである。そうすると、板の直径がＤ_１からＤ_２に増大することは、凝縮したガス１１２および１１６の等しい体積Ｖの厚さがｔ_１からｔ_２に低減することを意味する。したがって、大面積上板１１４は、霜の体積が等しいと、板１１０よりも早くＴ_２からＴ_１に戻すことができる。また、大面積上板１１４は、板１１０ができるよりも多くのガスをその上に凝縮して積もらせて、許容される時間でＴ_２からＴ_１に低減できる。また、凝縮したガス１１６が所定の体積であると、Ｔ_１とＴ_２の差は小さいので、大面積上板１１４の温度Ｔ_１を小さな上板１１０の温度Ｔ_１よりも高くでき、なおも凝縮したガス１１６の温度Ｔ_２を許容されるように保持できる。

図９に戻ると、大面積上板９０は、タイプIIガスをより多く捕獲し、これらのタイプIIガスが、バッフルのアレイ３４における残りのバッフルおよび、それら残りのバッフルのいくつかまたはすべての上にある吸着剤（図示されていない）に到達するのを防ぐことによっても、クライオポンプを向上させている。タイプIIガスは、吸着剤上で凝縮するが、そのような凝縮があると、吸着剤がタイプIII ガスを吸着する能力が低下する。タイプIIガスは、大面積上板９０上で凝縮して、タイプIII ガスのために吸着剤を使わずにおくことが好ましい。大面積上板９０によって、大面積上板９０の縁と放射シールド３６の間の切れ目９２が、バッフルのアレイ３４の残りのバッフルと放射シールド３６の間の切れ目９４よりも小さくなる。切れ目９２が小さくなることによって、大面積上板９０と放射シールド３６の間を通るタイプIIガスの量が低減する。しかしながら、切れ目が小さくなることで、バッフルのアレイ３４の残りのバッフル上にある吸着剤に到達するタイプIII ガスの動きも緩慢になり、それによって、これらのガスに対してのポンプの排気速度（pumping speed ）が低下する。また、大面積上板９０の表面積が大きくなることで、大面積上板９０は、作業チャンバーからの放射に対してより敏感なものになる。大面積上板９０での放射の被曝が増大すると、大面積上板９０への熱負荷そしてひいては、第二ステージへの熱負荷が増大する。

本発明の一実施形態による円形のクライオポンプにおいて、円形の大面積上板９０の直径Ｄ_２ は６．５インチであり、バッフルのアレイ３４における残りのバッフルの直径Ｄ_１ は５．２８インチである。そのような構造のテストにおいては、タイプIII ガスのポンプ排気速度が約１２％低減されることが分かった。しかしながら、これらとは直径が異なってもよい。円形の大面積上板９０は、バッフルのアレイ３４よりも大きな、いかなる直径を有していてもよいが、板と放射シールド３６との間に切れ目は残しておいて、タイプIII ガスのポンプ排気速度を適切なものにする。バッフルのアレイ３４は、典型的には放射シールド３６の約７０％の直径を有する。大面積上板９０は、放射シールド３６の約７０％から９８％までの直径を有する。円形でないクライオポンプについては、大上板は、放射シールドの５０％から９５％までの断面積を有する。好ましくは、上板投影面積は、放射シールドの前面開口面積の７３％〜９０％である。上板は、その底面上に吸着剤を支持する。

図１２は、特定の円形クライオポンプのための、様々なサイズの大面積上板についての、テストの結果を示すグラフである。そのグラフでは、凝縮したガス（「霜」）の体積が増大するときの、凝縮したガスの表面温度が示されている。テストで用いられる特定のクライオポンプについて、凝縮したガスの表面温度に対する閾値温度１２０は２７Ｋであり、これよりも高い温度は、許容されず、クライオポンプを再生することが必要とされる。より面積の大きな上板は、温度を閾値温度１２０未満に保持したまま、凝縮したガスをより大きな体積で保持できるということがグラフに示されている。例えば、直径５．０インチの円形大面積上板１は、凝縮したガスの表面温度が閾値温度１２０を超える前に、約２．３in^３ （立方インチ）の凝縮したガスを積もらせることができる。別の例において、直径５．５インチの円形の大面積上板２は、凝縮したガスの表面温度が閾値温度１２０を超える前に、約２．７in^３ の凝縮したガスを積もらせることができる。さらに別の例において、直径６．０インチの円形の大面積上板３は、凝縮したガスの表面温度が閾値温度１２０を超える前に、約３．１in^３ の凝縮したガスを積もらせることができる。４番目の例において、直径６．５インチの円形の大面積上板４は、凝縮したガスの表面温度が閾値温度１２０を超える前に、約２．６in^３ の凝縮したガスを積もらせることができる。

図１３には、図３〜図８において前述されたような前面バッフル４０と、図９〜図１１において記述された板のような大面積上板９０との双方が組み込まれているクライオポンプ１０の断面側面図が示されている。前面バッフル４０と大面積上板９０とを組み合わせるのは有益である。前面バッフル４０によると、スパッター板を用いる通常の前面アレイによるほど、処理チャンバー１３からの放射が、バッフルの第二段アレイ３４および上板９０に到達できない。放射が低減すると、バッフルのアレイ３４の温度も低下し、特に、前面バッフル４０に最も近いバッフル／上板９０の温度が下がる。前記のとおり、大面積上板９０は、凝縮したガスをより大きな体積で捕獲し、許容される温度を保持することができる。

図１４は、前面バッフル４０と大面積上板９０の双方が組み込まれたクライオポンプ１０の利点を示すチャートである。図１４は、クライオポンプが既にポンプ除去した体積の合計の関数として、様々な流量で保持することのできる真空のテスト結果を示している。テストで用いられるクライオポンプについては、１×１０^−６トルという閾値圧１２２を超えてはならない。クライオポンプが閾値圧１２２未満の圧力を保持できないなら、そのクライオポンプは再生する必要がある。図１に示されるクライオポンプのような、毎分１００標準立方センチメーター（「sccm」）という流量でガスをポンプ除去する標準クライオポンプは、閾値圧１２２未満の圧力を保持できなくなる前に、約１７５０リットルをポンプ除去（１２４）できるということが、チャートに示されている。対照的に、２３０sccmという流量でガスをポンプ除去する標準クライオポンプは、閾値圧１２２未満の圧力を保持できなくなる前に、約４２０リットルのガスしかポンプ除去（１２６）できない。前面バッフル４０と大面積上板９０の双方が組み込まれたクライオポンプ１０は、２３０sccmでポンプ除去するが、閾値圧１２２未満の圧力を保持できなくなる前に、１，１００リットルを超えるポンプ除去（１２８）が可能である。前面バッフル４０と大面積上板９０の一方のみを有するクライオポンプは、２３０sccmで例示される２つのポンプ除去１２６と１２８の間の結果を提示することになる。

図１５Ａおよび図１５Ｂには、大面積上板９０を用いる、本発明のさらに別の実施形態が例示されている。この実施形態において、前面アレイは、放射シールドの壁に結合されている棒１３２および１３４で支えられる同心環（concentric rings）１３０を備えている。速度（流量）を増すために、同心環には、図１に例示されるようなシェブロンが含まれているが、各環は、一方向にのみ角度を有する円錐台形環（frustoconical ring）である。好ましい角度は、１０°〜６０°の範囲内であるが、より好ましくは、３５°〜４５°の範囲にある。角度の選択は、第二段における速度と放射熱負荷の兼ね合いで決まる。好ましくは、各環の外径は、その次に大きな環の内径とほぼ同じか、それよりも少し大きい。環は、放射シールドの側壁によって、支えられていることが示されているが、それらは、放射シールドの基部まで縦に延びる支柱によって支えられてもよい。

他の実施形態において、前述のような、前面バッフルアレイおよび／または大上板を有するクライオポンプは、形が丸くない。そのような丸くはないクライオポンプの例が、米国特許第６，１５５，０５９号に記述されており、その内容は、援用することによって、その全体がここに組み入れられる。長方形のクライオポンプについては、大上板が、好ましくは、放射シールドの断面の５０％から９８％を覆う。他の実施形態において、前述のような、前面バッフルアレイおよび／または大上板を有するクライオポンプは、据え付けのクライオポンプ（in situ cryopump）であるか、付属のポンプ（appendage pump）である。そのような、据え付けのクライオポンプおよび付属のクライオポンプの例が、ＰＣＴ出願ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０６５１６８に記載されており、その内容は、援用することによって、その全体がここに組み入れられる。

ここで引用されるすべての特許、公開公報および参考文献の教示は、援用することによって、その全体がここに組み入れられる。

本発明は、その実施形態を参照して、詳細に示され記述されるが、添付の特許請求の範囲に包含される発明の範囲から逸脱することなく、形状および細部に様々な変更を加えてもよいことが当業者には理解される。

Claims (38)

1. 第一段前面バッフルを備えるクライオポンプであって、
   前記前面バッフルは、前記クライオポンプの開口を実質的に覆うように配置され、複数のオリフィスを有し、各オリフィスは、そのオリフィスの縁で曲げられて前記前面バッフルに取り付けられているフラップを有し、各フラップは、前記前面バッフルを通る経路に配置されているクライオポンプ。
2. 前記複数のオリフィスの各々は、形が長方形である請求項１に記載のクライオポンプ。
3. 前記複数のオリフィスの各々は、形が円形である請求項１に記載のクライオポンプ。
4. 前記フラップのサイズおよび形が、実質的に前記オリフィスと同じである請求項１に記載のクライオポンプ。
5. 前記フラップが、前記前面バッフルに対して１０°と６０°の間の角度で曲げられている請求項１に記載のクライオポンプ。
6. 前記フラップが、前記前面バッフルに対して２５°と３５°の間の角度で曲げられている請求項１に記載のクライオポンプ。
7. 前記フラップが、前記前面バッフルに対して３５°と４５°の間の角度で曲げられている請求項１に記載のクライオポンプ。
8. 前記フラップが取り付けられている各オリフィスの縁が、前記前面バッフルの中心に最も近い縁である請求項１に記載のクライオポンプ。
9. さらに第二段アレイを備え、その第二段アレイは、
   冷凍器の第二段に熱的に結合され、少なくとも一つの冷却面の少なくとも一部が吸着剤で覆われている複数の冷却バッフルと、
   前記冷凍器の第二段に熱的に結合され、前記前面バッフルと前記複数の冷却バッフルとの間に配置されて、前記前面バッフルから見て前記複数の冷却バッフルを超えて延びている上板とを有する請求項１に記載のクライオポンプ。
10. 前記上板が、前記複数の冷却バッフルを超えて延びて、前記クライオポンプの放射シールドの断面の５０％から９８％を覆っている請求項９に記載のクライオポンプ。
11. 第二段を備えるクライオポンプであって、前記第二段は、
    冷凍器の第二段に熱的に結合され、少なくとも一つの冷却面の少なくとも一部が吸着剤で覆われている複数の冷却バッフルと、
    前記冷凍器の第二段に熱的に結合され、第一段アレイと前記複数の冷却バッフルとの間に配置されて、前面バッフルから見て前記複数の冷却バッフルを超えて延びている上板とを有するクライオポンプ。
12. 前記上板が、前記複数の冷却バッフルを超えて延びて、前記クライオポンプの放射シールドの断面の５０％から９８％を覆っている請求項１１に記載のクライオポンプ。
13. 前記複数の冷却バッフルが、冷却バッフルのアレイとして配置されている請求項１１に記載のクライオポンプ。
14. 前記第二段を放射からシールドする放射シールドの開口を横切って配置される第一段前面シールドをさらに備え、その前面シールドが角度の付いたバッフルを有する請求項１１に記載のクライオポンプ。
15. 前記バッフルが、前面バッフルから曲げられ、そこに取り付けられているフラップを有する請求項１４に記載のクライオポンプ。
16. 前記バッフルが、前記放射シールドに支持される環を有する請求項１４に記載のクライオポンプ。
17. 前記環が、前記シールドの前面から放射状に外を向くように角度が付けられている請求項１６に記載のクライオポンプ。
18. 前記環が、前記前面シールドの前面から約１０°〜６０°の範囲の角度が付けられている請求項１７に記載のクライオポンプ。
19. 前記環が、前記前面シールドの前面から約２５°〜３５°の範囲の角度が付けられている請求項１７に記載のクライオポンプ。
20. 前記環が、前記前面シールドの前面から約３５°〜４５°の範囲の角度が付けられている請求項１７に記載のクライオポンプ。
21. クライオポンプ用の前面バッフルであって、
    前記クライオポンプの開口を実質的に覆うように設置される金属板と、
    その金属板上に分布する複数のオリフィスであって、各オリフィスが、そのオリフィスの縁で曲げられて前記前面バッフルに取り付けられているフラップを有し、各フラップが、前記前面バッフルを通る経路に配置されている複数のオリフィスとを備える前面バッフル。
22. 前記金属板が、その金属板の中心近くから外側の縁までの、前記複数のオリフィスがまったく分布していない少なくとも一つの経路を有する請求項２１に記載の前面バッフル。
23. 前記複数のオリフィスの各々は、形が長方形である請求項２１に記載の前面バッフル。
24. 前記複数のオリフィスの各々は、形が円形である請求項２１に記載の前面バッフル。
25. 前記フラップのサイズおよび形が、実質的に前記オリフィスと同じである請求項２１に記載の前面バッフル。
26. 前記フラップが、前記金属板に対して１０°と６０°の間の角度で曲げられている請求項２１に記載の前面バッフル。
27. 前記フラップが、前記金属板に対して２５°と３５°の間の角度で曲げられている請求項２１に記載の前面バッフル。
28. 前記フラップが、前記金属板に対して３５°と４５°の間の角度で曲げられている請求項２１に記載の前面バッフル。
29. 前記フラップが取り付けられている各オリフィスの縁が、前記前面バッフルの中心に最も近い縁である請求項２１に記載の前面バッフル。
30. クライオポンプ用の前面バッフルを作る方法であって、
    金属板を準備し、
    前記金属板に複数のオリフィスを作り、各オリフィスにおいて、前記金属板の金属の少なくとも一部が、前記オリフィスの縁で円形の前記金属板に取り付けられたままになるようにし、
    前記金属の一部を、前記金属板の表面に対してある角度をなすように前記縁で曲げる方法。
31. 前記金属板に少なくとも一つのオリフィスを作るのに、円形のオリフィスを作る請求項３０に記載の方法。
32. 前記金属板に少なくとも一つのオリフィスを作るのに、長方形のオリフィスを作る請求項３０に記載の方法。
33. 前記金属の一部が、前記オリフィスの、前記金属板の中心に最も近い縁に取り付けられている請求項３０に記載の方法。
34. 前記複数のオリフィスを作るのに、前記金属板の中心から縁までの少なくとも一つの経路がオリフィスを有さないように、前記金属板上に前記複数のオリフィスを配置する請求項３０に記載の方法。
35. 前記複数のオリフィスを作るのに、レーザー切断、水噴射切断、機械的切断、エッチングおよび打抜きの少なくとも一つを行う請求項３０に記載の方法。
36. クライオポンプ用の第二段アレイであって、
    冷凍器の第二段に結合されるように配置され、少なくとも一つの冷却面の少なくとも一部が吸着剤で覆われている複数の冷却バッフルと、
    前記冷凍器の第二段に熱的に結合され、前面バッフルと前記複数の冷却バッフルとの間に配置されて、前記前面バッフルから見て前記複数の冷却バッフルを超えて延びている上板とを備える第二段アレイ。
37. 前記上板が、前記冷却バッフルを超えて延びて、前記クライオポンプの放射シールドの断面の５０％から９８％を覆っている請求項３６に記載のクライオポンプ用の第二段。
38. 前記複数の冷却バッフルが、冷却バッフルのアレイとして配置されている請求項３６に記載のクライオポンプ用の第二段。

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