JP2023120890A - クライオポンプおよびクライオポンプの運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】クロスオーバーの際に起こりうるクライオパネル温度のオーバーシュートを緩和することが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１０は、真空チャンバにゲートバルブ１０２を介して取付可能である。クライオポンプ１０は、冷凍機１４と、ゲートバルブ１０２が閉じているか否かを検知し、ゲートバルブ１０２が閉じているときの冷凍機１４の冷凍能力をゲートバルブ１０２が開いているときに比べて増加させるように冷凍機１４を制御するように構成されるコントローラ６０と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、クライオポンプおよびクライオポンプの運転方法に関する。

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。

特開２０１２－２３７２９３号公報

真空プロセス装置の真空チャンバ内で真空プロセスを開始する準備として真空チャンバの真空度を充分に高めるために、真空チャンバはまず粗引きされ、その後クライオポンプによる真空排気に切り替えられる。真空チャンバの粗引き中、真空チャンバとクライオポンプとの間に設けられたゲートバルブは閉鎖されており、クライオポンプによる真空排気を開始するために開かれる。このときクライオポンプ内の到達圧力は既に、真空チャンバの粗引き圧に比べてかなり低くなっている。そのため、真空チャンバからクライオポンプに一時的に多量のガスが流入し、これがクライオポンプを冷却する冷凍機への熱負荷となってクライオパネル温度にオーバーシュートをもたらしうる。このような温度上昇はクロスオーバーとも呼ばれる。クライオパネルの温度上昇は、場合によってはクライオポンプの排気性能に望まれない影響を与えるかもしれない。

また、真空プロセス装置における独自の設定として、クライオパネル温度の許容範囲があらかじめ定められていることがある。上述のオーバーシュートの結果、この許容温度範囲を超えたことが検知されると、アラートの発報やゲートバルブの緊急閉鎖など、安全を確保するための動作が真空プロセス装置によって実行されうる。クライオパネル温度が許容範囲内に戻るまで真空プロセス装置は待機することになり、真空プロセスの開始がその分遅れてしまう。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、クロスオーバーの際に起こりうるクライオパネル温度のオーバーシュートを緩和することができるクライオポンプを提供することにある。

本発明のある態様によると、真空チャンバにゲートバルブを介して取付可能なクライオポンプが提供される。クライオポンプは、冷凍機と、ゲートバルブが閉じているか否かを検知し、ゲートバルブが閉じているときの冷凍機の冷凍能力をゲートバルブが開いているときに比べて増加させるように冷凍機を制御するように構成されるコントローラと、を備える。

本発明のある態様によると、クライオポンプの運転方法が提供される。クライオポンプは、真空チャンバにゲートバルブを介して取付可能であり、冷凍機を備える。方法は、ゲートバルブが閉じているか否かを検知することと、ゲートバルブが閉じているときの冷凍機の冷凍能力をゲートバルブが開いているときに比べて増加させることと、を備える。

本発明のある態様によると、クライオポンプは、冷凍機と、クライオポンプの再生が完了したか否かを検知し、再生の完了に続いて冷凍機の冷凍能力を一時的に増加させるように冷凍機を制御するコントローラと、を備える。

本発明のある態様によると、クライオポンプの運転方法が提供される。クライオポンプは、冷凍機を備える。方法は、クライオポンプの再生が完了したか否かを検知することと、再生の完了に続いて冷凍機の冷凍能力を一時的に増加させることと、を備える。

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、クロスオーバーの際に起こりうるクライオパネル温度のオーバーシュートを緩和することができるクライオポンプを提供することができる。

実施の形態に係るクライオポンプを概略的に示す図である。 実施の形態に係るクライオポンプの制御装置の構成を概略的に示すブロック図である。 実施の形態に係るクライオポンプの運転方法の一例を示すフローチャートである。 図４（ａ）は、比較例に係るクライオポンプの動作を示す図であり、図４（ｂ）は、実施の形態に係るクライオポンプの動作を示す図である。 実施の形態に係るクライオポンプの運転方法の他の一例を示すフローチャートである。 他の実施の形態に係るクライオポンプの制御装置の構成を概略的に示すブロック図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施の形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、実施の形態に係るクライオポンプ１０を概略的に示す図である。図２は、実施の形態に係るクライオポンプ１０の制御装置の構成を概略的に示すブロック図である。

クライオポンプ１０は、例えばイオン注入装置、スパッタリング装置、蒸着装置、またはその他の真空プロセス装置の真空チャンバ１００にゲートバルブ１０２を介して取付可能である。図１には、真空チャンバ１００およびゲートバルブ１０２の一部がクライオポンプ１０とともに示されている。

クライオポンプ１０は、真空チャンバ１００にゲートバルブ１０２を介して取り付けられて、真空チャンバ１００内部の真空度を所望の真空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、排気されるべき気体を真空チャンバ１００から受け入れるためのクライオポンプ吸気口（以下では単に「吸気口」ともいう）１２を有する。真空チャンバ１００からゲートバルブ１０２および吸気口１２を通じて気体がクライオポンプ１０の内部空間に進入する。

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。クライオポンプ１０の軸方向は吸気口１２を通る方向（すなわちクライオポンプ１０の中心軸に沿う方向であり、図において上下方向）を表し、径方向は吸気口１２に沿う方向（クライオポンプ１０の中心軸に垂直な方向であり、図において左右方向）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１００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１００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１４、クライオポンプ容器１６、第１段クライオパネル１８、及び、クライオパネルユニット２０を備える。第１段クライオパネル１８は、高温クライオパネル部または１００Ｋ部などとも称されうる。クライオパネルユニット２０は、第２段のクライオパネルであり、低温クライオパネル部または１０Ｋ部などとも称されうる。

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）などの極低温冷凍機である。冷凍機１４は、二段式の冷凍機であり、第１冷却ステージ２２及び第２冷却ステージ２４を備える。冷凍機１４は、第１冷却ステージ２２を第１冷却温度に冷却し、第２冷却ステージ２４を第２冷却温度に冷却するよう構成されている。第２冷却温度は第１冷却温度よりも低温である。例えば、第１冷却ステージ２２は６０Ｋ～１２０Ｋ程度、好ましくは８０Ｋ～１００Ｋに冷却され、第２冷却ステージ２４は１０Ｋ～２０Ｋ程度に冷却される。第１冷却ステージ２２および第２冷却ステージ２４はそれぞれ、高温冷却ステージおよび低温冷却ステージと称してもよい。

また、冷凍機１４は、第２冷却ステージ２４を第１冷却ステージ２２に構造的に支持するとともに第１冷却ステージ２２を冷凍機１４の室温部２６に構造的に支持する冷凍機構造部２１を備える。そのため冷凍機構造部２１は、径方向に沿って同軸に延在する第１シリンダ２３及び第２シリンダ２５を備える。第１シリンダ２３は、冷凍機１４の室温部２６を第１冷却ステージ２２に接続する。第２シリンダ２５は、第１冷却ステージ２２を第２冷却ステージ２４に接続する。典型的に、第１冷却ステージ２２と第２冷却ステージ２４は銅（例えば純銅）などの高熱伝導金属材料で形成され、第１シリンダ２３と第２シリンダ２５は例えばステンレス鋼など他の金属材料で形成される。室温部２６、第１シリンダ２３、第１冷却ステージ２２、第２シリンダ２５、及び第２冷却ステージ２４は、この順に直線状に一列に並ぶ。

第１シリンダ２３及び第２シリンダ２５それぞれの内部には第１ディスプレーサ及び第２ディスプレーサ（図示せず）が往復動可能に配設されている。第１ディスプレーサ及び第２ディスプレーサにはそれぞれ第１蓄冷器及び第２蓄冷器（図示せず）が組み込まれている。また、室温部２６は、第１ディスプレーサ及び第２ディスプレーサを往復動させるための駆動機構（図示せず）を有する。駆動機構は後述の冷凍機モータ５０を含む。また、駆動機構は、冷凍機１４の内部への作動気体（例えばヘリウム）の供給と排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。

冷凍機１４は、作動気体の圧縮機（図示せず）に接続されている。冷凍機１４は、圧縮機により加圧された作動気体を内部で膨張させて第１冷却ステージ２２及び第２冷却ステージ２４を冷却する。膨張した作動気体は圧縮機に回収され再び加圧される。冷凍機１４は、作動気体の給排とこれに同期した第１ディスプレーサ及び第２ディスプレーサの往復動とを含む熱サイクルを繰り返すことによって寒冷を発生させる。

図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１４がクライオポンプ１０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。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、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。

クライオポンプ容器１６は、冷凍機１４、第１段クライオパネル１８、及びクライオパネルユニット２０を収容するクライオポンプ１０の筐体であり、クライオポンプ１０の内部空間の気密性を保持するよう構成されている。クライオポンプ容器１６は、その前端から全周にわたって径方向外側に延出する吸気口フランジ１６ａを有する。吸気口フランジ１６ａによって、その径方向内側に吸気口１２が画定される。また、クライオポンプ容器１６は、吸気口フランジ１６ａから軸方向に延びる容器胴部１６ｂと、吸気口１２とは反対側で容器胴部１６ｂを閉じる容器底部１６ｃと、吸気口フランジ１６ａと容器底部１６ｃとの間で側方に延びる冷凍機収容筒１６ｄとを有する。

容器胴部１６ｂとは反対側で冷凍機収容筒１６ｄの端部が冷凍機１４の室温部２６に取り付けられ、それにより、冷凍機１４の低温部（すなわち、第１シリンダ２３、第１冷却ステージ２２、第２シリンダ２５、及び第２冷却ステージ２４）がクライオポンプ容器１６内でクライオポンプ容器１６と非接触に配置される。第１シリンダ２３は冷凍機収容筒１６ｄ内に配置され、第１冷却ステージ２２、第２シリンダ２５、及び第２冷却ステージ２４は容器胴部１６ｂ内に配置される。第１段クライオパネル１８とクライオパネルユニット２０も容器胴部１６ｂ内に配置される。

第１段クライオパネル１８は、放射シールド３０と入口クライオパネル３２とを備え、クライオパネルユニット２０を包囲する。第１段クライオパネル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１６からの輻射熱からクライオパネルユニット２０を保護するための極低温表面を提供する。第１段クライオパネル１８は第１冷却ステージ２２に熱的に結合され、第１冷却温度に冷却される。第１段クライオパネル１８はクライオパネルユニット２０との間に隙間を有しており、第１段クライオパネル１８はクライオパネルユニット２０と接触していない。第１段クライオパネル１８はクライオポンプ容器１６とも接触していない。

放射シールド３０は、クライオポンプ容器１６の輻射熱からクライオパネルユニット２０を保護するために設けられている。放射シールド３０は、吸気口１２からクライオポンプ容器１６内で容器底部１６ｃに向かって軸方向に筒状（例えば円筒状）に延在する。放射シールド３０は、吸気口１２側で開口し、容器底部１６ｃ側で閉じられている。放射シールド３０は、クライオポンプ容器１６とクライオパネルユニット２０との間にあり、クライオパネルユニット２０を囲む。放射シールド３０は、クライオポンプ容器１６より僅かに小さい直径を有しており、放射シールド３０とクライオポンプ容器１６との間にシールド外側隙間３１が形成される。よって、放射シールド３０はクライオポンプ容器１６と接触していない。

冷凍機１４の第１冷却ステージ２２は、放射シールド３０の側部外面に直接取り付けられている。こうして、放射シールド３０は、第１冷却ステージ２２に熱的に結合され、故に第１冷却温度に冷却される。なお放射シールド３０は適宜の伝熱部材を介して第１冷却ステージ２２に取り付けられてもよい。また、冷凍機１４の第２冷却ステージ２４及び第２シリンダ２５が放射シールド３０の側部から放射シールド３０内に挿入されている。

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ユニット２０を保護するために、吸気口１２に設けられている。入口クライオパネル３２は、放射シールド３０を介して第１冷却ステージ２２に熱的に結合され、放射シールド３０と同様に、第１冷却温度に冷却される。よって、第１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。

クライオパネルユニット２０は、各々が第２冷却ステージ２４に熱的に結合され、第１冷却温度より低い第２冷却温度に冷却される複数のクライオパネルを備える。これらクライオパネルは、図示されるように、吸気口１２から容器底部１６ｃに向かって軸方向に配列されていてもよい。クライオパネルの少なくとも一部の表面には、非凝縮性ガス（例えば水素）を吸着により捕捉するために吸着材（例えば活性炭）が設けられてもよい。クライオパネルユニット２０は、クライオポンプ容器１６内で放射シールド３０に囲まれるようにして、入口クライオパネル３２の下方に配置されている。クライオパネルユニット２０は、放射シールド３０及び入口クライオパネル３２とは接触していない。なおクライオパネルの配置や形状などクライオパネルユニット２０の構成は、種々の公知の構成を適宜採用することができるので、ここでは詳述しない。

ゲートバルブ１０２は、クライオポンプ１０と真空チャンバ１００との間に設置されている。ゲートバルブ１０２は、バルブハウジング１０４とバルブプレート１０６とを備える。バルブハウジング１０４は、真空チャンバ１００の開口部をクライオポンプ１０の吸気口１２に接続する連通路を形成する。この連通路の両側それぞれにバルブハウジング１０４はフランジ部を有し、片側のフランジ部が真空チャンバ１００の開口部を囲む真空チャンバ１００のフランジ部に取り付けられ、反対側のフランジ部が吸気口フランジ１６ａに取り付けられる。

ゲートバルブ１０２は、真空チャンバ１００またはクライオポンプ１０のメンテナンスをするときなど、必要に応じて閉鎖される。バルブハウジング１０４の吸気口フランジ１６ａ側のフランジ部がゲートバルブ１０２の弁座部としても働き、弁体としてのバルブプレート１０６がこの弁座部に密着することにより、ゲートバルブ１０２は閉鎖される。このとき、真空チャンバ１００から吸気口１２を通じたクライオポンプ１０へのガス流れは遮断される。クライオポンプ１０は真空チャンバ１００から隔離され、クライオポンプ１０の内部空間が気密に保持される。

ゲートバルブ１０２は、クライオポンプ１０によって真空チャンバ１００の真空排気をするために開放される。バルブハウジング１０４にはバルブプレート収納部１０８が設けられており、図１に一点鎖線で示すようにバルブプレート１０６がバルブハウジング１０４の弁座部から離れバルブプレート収納部１０８に収納されるとき、ゲートバルブ１０２は開く。ゲートバルブ１０２および吸気口１２を通じて真空チャンバ１００からクライオポンプ１０の内部空間にガスが進入することができる。こうして、真空チャンバ１００内で所望の真空プロセスを行うために、クライオポンプ１０によって真空チャンバ１００を真空排気することができる。

図２に示されるように、クライオポンプ１０は、第１冷却ステージ２２の温度を測定するための第１温度センサ４０と、第２冷却ステージ２４の温度を測定するための第２温度センサ４２と、を備えてもよい。第１温度センサ４０は、第１冷却ステージ２２または第１段クライオパネル１８に取り付けられ、第２温度センサ４２は、第２冷却ステージ２４またはクライオパネルユニット２０に取り付けられている。よって、第１温度センサ４０は、第１段クライオパネル１８の温度を測定し、第１段クライオパネル１８の測定温度を示す第１測定温度信号Ｔ１を出力することができる。第２温度センサ４２は、クライオパネルユニット２０の温度を測定し、クライオパネルユニット２０の測定温度を示す第２測定温度信号Ｔ２を出力することができる。

冷凍機１４は、冷凍機１４を駆動する冷凍機モータ５０と、冷凍機１４の運転周波数を制御する冷凍機インバータ５２と、を備える。冷凍機１４の運転周波数（運転速度ともいう）とは、冷凍機モータ５０の運転周波数または回転数、冷凍機インバータ５２の運転周波数、熱サイクルの周波数、または、これらのいずれかを表す。熱サイクルの周波数とは、冷凍機１４において行われる熱サイクルの単位時間あたりの回数である。

また、クライオポンプ１０は、クライオポンプ１０を制御するコントローラ６０を備える。コントローラ６０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。

コントローラ６０は、第１温度センサ４０からの第１測定温度信号Ｔ１を受信するよう第１温度センサ４０と接続され、第２温度センサ４２からの第２測定温度信号Ｔ２を受信するよう第２温度センサ４２と接続されていてもよい。上述の冷凍機インバータ５２は、コントローラ６０に設けられてもよい。

コントローラ６０は、クライオポンプ１０の真空排気運転中、第１段クライオパネル１８の冷却温度に基づいて、またはクライオパネルユニット２０の冷却温度に基づいて、冷凍機１４を制御するように構成されてもよい。例えば、コントローラ６０は、第１冷却ステージ２２の目標温度と第１温度センサ４０の測定温度との偏差を最小化するようにフィードバック制御により冷凍機１４の運転周波数を制御してもよい。

第１冷却ステージ２２の目標温度は通常、一定値に設定される。第１冷却ステージ２２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１００で行われるプロセスに応じて仕様として定められる。クライオポンプ１０の運転中に、目標温度は必要に応じて変更されてもよい。

コントローラ６０は、測定温度と目標温度との偏差の関数として（例えばＰＩＤ制御により）冷凍機モータ５０の運転周波数Ｆを決定してもよい。冷凍機モータ５０の運転周波数Ｆは、予め定められた運転周波数範囲内において決定される。運転周波数範囲は、予め定められた運転周波数の上限及び下限により定義される。コントローラ６０は、決定された運転周波数Ｆを冷凍機インバータ５２に出力する。

冷凍機インバータ５２は、冷凍機モータ５０の可変周波数制御を提供するよう構成されている。冷凍機インバータ５２は、入力電力を、コントローラ６０から入力された運転周波数Ｆを有するよう変換する。冷凍機インバータ５２への入力電力は、冷凍機電源（図示せず）から供給される。冷凍機電源は商用電源であってもよい。冷凍機インバータ５２は、変換された電力を冷凍機モータ５０に出力する。こうして冷凍機モータ５０は、コントローラ６０によって決定され冷凍機インバータ５２から出力された運転周波数Ｆで駆動される。

クライオポンプ１０への熱負荷が増加したとき第１冷却ステージ２２の温度が高まりうる。第１温度センサ４０の測定温度が目標温度よりも高温である場合には、コントローラ６０は、冷凍機１４の運転周波数を増加させる。その結果、冷凍機１４における熱サイクルの周波数も増加され、第１段クライオパネル１８および第１冷却ステージ２２は目標温度に向けて冷却される。逆に第１温度センサ４０の測定温度が目標温度よりも低温である場合には、冷凍機１４の運転周波数は減少されて第１冷却ステージ２２は目標温度に向けて昇温される。こうして、第１段クライオパネル１８の温度を目標温度の近傍の温度範囲に留めることができる。熱負荷に応じて冷凍機１４の運転周波数を適切に調整することができるので、こうした制御はクライオポンプ１０の消費電力の低減に役立つ。

第１冷却ステージ２２の温度を目標温度に従って冷凍機１４を制御することを、以下では「１段温度制御」と呼ぶことがある。１段温度制御では、２段冷却温度は直接制御されない。つまり、１段温度制御の結果として、第２冷却ステージ２４及びクライオパネルユニット２０は、冷凍機１４の２段の冷凍能力と、外部から第２冷却ステージ２４への熱負荷とによって定まる温度に冷却される。

同様にして、コントローラ６０は、第２冷却ステージ２４の温度を目標温度に従って冷凍機１４を制御する、いわば「２段温度制御」を実行することもできる。この場合、コントローラ６０は、第２冷却ステージ２４の目標温度と第２温度センサ４２の測定温度との偏差を最小化するようにフィードバック制御により冷凍機１４の運転周波数を制御してもよい。これにより、クライオパネルユニット２０の温度を目標温度に追従させることができる。２段温度制御において１段冷却温度は直接制御されない。２段温度制御において１段冷却温度は、冷凍機１４の１段の冷凍能力と、外部から第１冷却ステージ２２への熱負荷とによって定まる。

コントローラ６０は、クライオポンプ１０だけでなく、ゲートバルブ１０２も制御するように構成されてもよい。コントローラ６０は、ゲートバルブ１０２を開閉する指令信号を生成し、これをゲートバルブ１０２に送信してもよい。ゲートバルブ１０２は、この指令信号を受信し、指令信号に応じて開放または閉鎖されてもよい。ゲートバルブ１０２は、開閉状態を示すゲートバルブ信号Ｓを生成し、これをコントローラ６０に送信してもよい。コントローラ６０は、ゲートバルブ信号Ｓをゲートバルブ１０２から受信し、ゲートバルブ信号Ｓに基づいて、ゲートバルブ１０２が閉じているか否かを検知してもよい。

なお、ゲートバルブ１０２は、コントローラ６０とは別のコントローラ（例えば、真空プロセス装置を制御するコントローラ６０よりも上位のコントローラ）によって制御されてもよい。この場合、コントローラ６０は、ゲートバルブ１０２を制御するコントローラからゲートバルブ信号Ｓを受信してもよい。

コントローラ６０の内部構成は、ハードウェア構成としてはコンピュータのＣＰＵやメモリをはじめとする素子や回路で実現され、ソフトウェア構成としてはコンピュータプログラム等によって実現されるが、図では適宜、それらの連携によって実現される機能ブロックとして描いている。これらの機能ブロックはハードウェア、ソフトウェアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、当業者には理解されるところである。

たとえば、コントローラ６０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、マイコンなどのプロセッサ（ハードウェア）と、プロセッサ（ハードウェア）が実行するソフトウェアプログラムの組み合わせで実装することができる。ソフトウェアプログラムは、クライオポンプ１０の運転方法をコントローラ６０に実行させるためのコンピュータプログラムであってもよい。

上記の構成のクライオポンプ１０の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、まずその作動前に他の適当な粗引きポンプで真空チャンバ１００を所定圧力（例えば１００Ｐａ程度または１０Ｐａ程度）にまで粗引きする。真空チャンバ１００の粗引き中、ゲートバルブ１０２は閉鎖される。その後（または真空チャンバ１００の粗引きと並行して）、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２２及び第２冷却ステージ２４がそれぞれ第１冷却温度及び第２冷却温度に冷却される。よって、これらに熱的に結合されている第１クライオパネルユニット及び第２クライオパネルユニットもそれぞれ第１冷却温度及び第２冷却温度に冷却される。ゲートバルブ１０２が開かれ、クライオポンプ１０による真空チャンバ１００の真空排気が開始される。

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に向かって飛来するガスを冷却する。入口クライオパネル３２の表面には、第１冷却温度で蒸気圧が充分に低い（例えば１０^－８Ｐａ以下の）ガスが凝縮する。このガスは、第１種ガスと称されてもよい。第１種ガスは例えば水蒸気である。こうして、入口クライオパネル３２は、第１種ガスを排気することができる。第１冷却温度で蒸気圧が充分に低くないガスの一部は、吸気口１２からクライオポンプ１０内に進入する。あるいは、ガスの他の一部は、入口クライオパネル３２で反射され、クライオポンプ１０内に進入せず真空チャンバ１００に戻る。

クライオポンプ１０内に進入したガスは、クライオパネルユニット２０によって冷却される。クライオパネルユニット２０の表面には、第２冷却温度で蒸気圧が充分に低い（例えば１０^－８Ｐａ以下の）ガスが凝縮する。このガスは、第２種ガスと称されてもよい。第２種ガスは例えばアルゴンである。こうして、クライオパネルユニット２０は、第２種ガスを排気することができる。

第２冷却温度で蒸気圧が充分に低くないガスは、クライオパネルユニット２０の吸着材に吸着される。このガスは、第３種ガスと称されてもよい。第３種ガスは例えば水素である。こうして、クライオパネルユニット２０は、第３種ガスを排気することができる。したがって、クライオポンプ１０は、種々のガスを凝縮または吸着により排気し、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。

クライオポンプ１０の真空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、クライオポンプ１０の再生が行われる。クライオポンプ１０の再生は一般に、昇温工程、排出工程、及びクールダウン工程を含む。昇温工程では、クライオポンプ１０は真空排気運転のための極低温から再生温度（例えば室温）へと加熱される。クライオポンプ１０内に捕捉されたガスが気化される。第２種ガスおよび第３種ガスは昇温工程でクライオポンプ１０から容易に排出されうる。排出工程では主に第１種ガスが排出される。排出工程が完了すれば、クールダウン工程が開始される。クールダウン工程においてはクライオポンプ１０が真空排気運転のための極低温に再冷却される。こうして再生が完了すれば、クライオポンプ１０は再び真空排気運転を始めることができる。

クライオポンプ１０の再生中、ゲートバルブ１０２は閉鎖される。再生完了後にゲートバルブ１０２は再び開かれる。ただし、ゲートバルブ１０２は、再生を完了した時点（つまりクールダウン工程の完了時点）で直ちに開かれなくてもよい。再生完了後のクライオポンプ１０は、ゲートバルブ１０２が閉鎖された状態で極低温に冷却されているスタンバイ状態をとることもできる。スタンバイ状態のクライオポンプ１０は、ゲートバルブ１０２が開かれることによって、真空チャンバ１００の真空排気を直ちに開始することができる。

上述のように、ゲートバルブ１０２を開くことで、真空チャンバ１００からクライオポンプ１０に一時的に多量のガスが流入し、これが冷凍機１４への熱負荷となってクライオパネル温度にオーバーシュートをもたらしうる。さまざまな要因により、第１段のクライオパネルに比べて第２段のクライオパネルに温度オーバーシュートが生じやすい場合がある。これは単純には、第２段のほうが温度が低温であり、流入する室温のガスとの温度差が大きいためである。また、たいていの場合、第２段のほうが第１段に比べて熱容量が小さい（第１段には放射シールド３０など大型の部品が取り付けられているため、質量ひいては熱容量が大きいことが多い）。流入する主ガスである例えば窒素などの第２種ガスは、第１段に凝縮しないが第２段に凝縮する。ガスの相変化に伴って発生する潜熱が第２段の温度を上昇させうる。クライオパネルの温度上昇は、場合によってはクライオポンプの排気性能に望まれない影響を与えるかもしれない。

既存のクライオポンプ制御では、真空チャンバ１００からクライオポンプ１０への熱負荷が低減されるゲートバルブ１０２の閉鎖中、省エネルギーのために冷凍機１４の冷凍能力を抑制することがよく行われている。このような制御のもとでは第２段温度を比較的高く維持することが有効である。その結果、クロスオーバーの発生時点での第２段温度が高くなりがちであり、温度オーバーシュートが容易に発生しうることが懸念される。

また、真空プロセス装置における独自の設定として、クライオパネル温度の許容範囲があらかじめ定められていることがある。上述のオーバーシュートの結果、この許容温度範囲を超えたことが検知されると、アラートの発報やゲートバルブ１０２の緊急閉鎖など、安全を確保するための動作が真空プロセス装置によって実行されうる。クライオパネル温度が許容範囲内に戻るまで真空プロセス装置は待機することになり、真空プロセスの開始がその分遅れてしまう。

そこで、この実施の形態では、クロスオーバーの際に起こりうるクライオパネル温度のオーバーシュートを緩和するために、コントローラ６０は、ゲートバルブ１０２が閉じているか否かを検知し、ゲートバルブ１０２が閉じているときの冷凍機１４の冷凍能力をゲートバルブ１０２が開いているときに比べて増加させるように冷凍機１４を制御するように構成される。

図３は、実施の形態に係るクライオポンプ１０の運転方法の一例を示すフローチャートである。コントローラ６０は、クライオポンプ１０の運転中に本処理を周期的に実行してもよい。

図３に示されるように、本処理が開始されると、まず、ゲートバルブ１０２が閉じているか否かが判定される（Ｓ１０）。一例として、コントローラ６０は、ゲートバルブ１０２の開閉状態を示すゲートバルブ信号Ｓを受信し、ゲートバルブ信号Ｓに基づいてゲートバルブ１０２が閉じているか否かを検知するように構成されてもよい。上述のように、コントローラ６０は、ゲートバルブ１０２から、または他のコントローラから、ゲートバルブ信号Ｓを受信することができる。

別の方法として、コントローラ６０は、冷凍機１４への熱負荷を取得し、取得された熱負荷に基づいてゲートバルブ１０２が閉じているか否かを検知するように構成されてもよい。冷凍機１４への熱負荷は主に、真空チャンバ１００からゲートバルブ１０２を通じて冷凍機１４に入る。よって、ゲートバルブ１０２が閉じているときの冷凍機１４への熱負荷は、ゲートバルブ１０２が開いているときの冷凍機１４への熱負荷に比べて小さくなるものと期待される。そこで、冷凍機１４への熱負荷が熱負荷しきい値を下回る場合にはゲートバルブ１０２が閉じていると検知し、冷凍機１４への熱負荷が熱負荷しきい値を上回る場合にはゲートバルブ１０２が開いていると検知することができる。熱負荷しきい値は、クライオポンプ１０の設計者の経験的知見または設計者による実験やシミュレーション等に基づき事前に取得され、コントローラ６０に予め記憶されてもよい。

コントローラ６０は、冷凍機１４への熱負荷と冷凍機１４の運転周波数とクライオパネル温度との関係を示すマップを参照し、冷凍機１４の現在の運転周波数と測定されるクライオパネル温度とに基づいて冷凍機１４への熱負荷を取得するように構成されてもよい。こうしたマップは、ロードマップとも称され、クライオポンプ１０の設計者の経験的知見または設計者による実験やシミュレーション等に基づき事前に取得され、コントローラ６０に予め記憶されてもよい。

例えば、第１ロードマップは、冷凍機１４の第１段と第２段それぞれへの熱負荷と、１段温調制御のもとでの冷凍機１４の運転周波数および第２段のクライオパネル温度との関係を表す。コントローラ６０は、１段温度制御の実行中に第１ロードマップを参照し、冷凍機１４の現在の運転周波数と測定される第２段のクライオパネル温度とに基づいて、冷凍機１４の第１段と第２段それぞれへの熱負荷を取得してもよい。第２段のクライオパネル温度は、第２温度センサ４２によって測定されてもよい。

あるいは、冷凍機１４の第１段と第２段それぞれへの熱負荷と、２段温調制御のもとでの冷凍機１４の運転周波数および第１段のクライオパネル温度との関係を表す第２ロードマップが使用されてもよい。コントローラ６０は、２段温度制御の実行中に第２ロードマップを参照し、冷凍機１４の現在の運転周波数と測定される第１段のクライオパネル温度とに基づいて、冷凍機１４の第１段と第２段それぞれへの熱負荷を取得してもよい。第１段のクライオパネル温度は、第１温度センサ４０によって測定されてもよい。

なお、コントローラ６０は、必要に応じて、１段温度制御と２段温度制御を切り替えて実行するように構成されてもよい。クライオポンプ１０が真空排気運転をしているときは通常、１段温度制御が実行される。コントローラ６０は、クライオポンプ１０のスタンバイ状態で２段温度制御を実行し、クロスオーバーの際に２段温度制御から１段温度制御に切り替え、真空排気運転中に１段温度制御を実行してもよい。あるいは、コントローラ６０は、ゲートバルブ１０２が開いているか否かを検知し、ゲートバルブ１０２が開いているとき１段温度制御を実行し、ゲートバルブ１０２が閉じているとき２段温度制御を実行してもよい。

図３に示されるように、ゲートバルブ１０２が閉じていると検知された場合（Ｓ１０のＹ）、コントローラ６０は、冷凍機１４の冷凍能力をゲートバルブ１０２が開いているときに比べて増加させるように冷凍機１４を制御する（Ｓ１２）。一方、ゲートバルブ１０２が開いていると検知された場合（Ｓ１０のＮ）、そうした冷凍能力の増加は行われない。

冷凍機１４の冷凍能力を増加させる制御の一例として、コントローラ６０は、ゲートバルブ１０２が開いているときには第１下限値以上の運転周波数で冷凍機１４を動作させ、ゲートバルブ１０２が閉じているときには第１下限値よりも大きい第２下限値以上の運転周波数で冷凍機１４を動作させるように構成されてもよい。このようにすれば、冷凍機１４が第２下限値よりも小さい運転周波数で動作しているときゲートバルブ１０２が閉じたとすると、冷凍機１４の運転周波数がこの第２下限値まで増加される。１段温度制御または２段温度制御によって決定される運転周波数の値が第２下限値より大きければ、冷凍機１４の運転周波数はその値へと増加される。このようにして、ゲートバルブ１０２が閉じているときの冷凍機１４の冷凍能力をゲートバルブ１０２が開いているときに比べて増加させることができる。

なお、運転周波数の第２下限値は、冷凍機１４の許容される運転周波数範囲の上限値またはそれより若干小さい既定値（例えば、上限値の８０％または９０％より大きくてもよい）であってもよい。このようにすれば、ゲートバルブ１０２が閉じているときの冷凍機１４の冷凍能力をゲートバルブ１０２が開いているときに比べて確実に増加させることができる。

冷凍機１４の冷凍能力を増加させる制御の他の一例として、コントローラ６０は、ゲートバルブ１０２が開いているときには温度センサによって測定される冷却温度を第１目標温度に一致させるように冷凍機１４の運転周波数を決定し、ゲートバルブ１０２が閉じているときには温度センサによって測定される冷却温度を第１目標温度より低い第２目標温度に一致させるように冷凍機１４の運転周波数を決定し、決定された運転周波数で冷凍機１４を動作させるように構成されてもよい。このようにしても、ゲートバルブ１０２が閉じているときの冷凍機１４の運転周波数をゲートバルブ１０２が開いているときに比べて増加させるように冷凍機１４を制御することができる。

例えば、１段温度制御の実行中、コントローラ６０は、ゲートバルブ１０２が開いているときには第１温度センサ４０によって測定される冷却温度を第１目標温度に一致させるように冷凍機１４の運転周波数を決定し、ゲートバルブ１０２が閉じているときには第１温度センサ４０によって測定される冷却温度を第１目標温度より低い第２目標温度に一致させるように冷凍機１４の運転周波数を決定してもよい。この場合、第１目標温度は例えば８０Ｋから１２０Ｋの範囲から選択されてもよい。第２目標温度は例えば６０Ｋ以上の温度から選択されてもよい。

あるいは、２段温度制御の実行中、コントローラ６０は、ゲートバルブ１０２が開いているときには第２温度センサ４２によって測定される冷却温度を第１目標温度に一致させるように冷凍機１４の運転周波数を決定し、ゲートバルブ１０２が閉じているときには第２温度センサ４２によって測定される冷却温度を第１目標温度より低い第２目標温度に一致させるように冷凍機１４の運転周波数を決定してもよい。この場合、第１目標温度は例えば１２Ｋから２０Ｋの範囲から選択されてもよい。第２目標温度は例えば１０Ｋから１２Ｋの範囲から選択されてもよい。

なお、冷凍機１４の冷凍能力を増加させる制御の実行中、コントローラ６０は、ゲートバルブ１０２が開いているか否かを検知し、ゲートバルブ１０２が開いている場合に冷凍機１４の冷凍能力の増加を終了してもよい。このようにして、ゲートバルブ１０２が開いたとき冷凍機１４の冷凍能力を元に戻すことができる。

図４（ａ）は、比較例に係るクライオポンプの動作を示す図である。上述のように、既存のクライオポンプでは多くの場合、ゲートバルブの閉鎖により真空チャンバからクライオポンプの冷凍機への熱負荷が低減されるため、冷凍機の冷凍能力を抑制するように冷凍機が制御される。よって、図４（ａ）に示されるように、ゲートバルブが閉鎖されている間、冷凍機の運転周波数は低減される。このとき冷凍機への熱負荷も小さくなるから、クライオパネル温度（例えば、第２段のクライオパネル温度）は目標温度Ｔａに維持される。しかし、ゲートバルブが開いたとき状況が変わる。クロスオーバーに伴う冷凍機への熱負荷の増加により、クライオパネル温度が一時的に大きく上昇しうる。つまりクライオパネル温度がオーバーシュートする。こうしてクライオパネル温度が目標温度Ｔａから乖離したことにより、冷凍機の運転周波数が増加され、その後クライオパネル温度は目標温度Ｔａへと徐々に戻っていく。

図４（ｂ）は、実施の形態に係るクライオポンプの動作を示す図である。実施の形態によれば、ゲートバルブ１０２が閉じているときの冷凍機１４の冷凍能力をゲートバルブ１０２が開いているときに比べて増加させることができる。図４（ｂ）に示されるように、ゲートバルブが閉鎖されている間、冷凍機１４の運転周波数が増加される。このとき冷凍機１４への熱負荷は小さくなっているから、クライオパネル温度は低下していく。その後ゲートバルブ１０２が開くことにより冷凍機１４への熱負荷が高まりクライオパネル温度は上昇する。しかし、ゲートバルブ１０２の閉鎖中にクライオパネル温度をあらかじめ充分に低下させているので、クライオパネル温度は目標温度Ｔａを大きく超えることなく目標温度Ｔａに追従するものと期待される。このようにして、実施の形態によれば、クロスオーバーの際に起こりうるクライオパネル温度のオーバーシュートを緩和することができる。

クライオポンプ１０の総運転時間のうち大半は真空チャンバ１００の真空排気運転であり、この間ゲートバルブ１０２は開いている。クライオポンプ１０の総運転時間のうちゲートバルブ１０２が閉じている時間が占める割合はごく小さいと考えられる。そのため、実施の形態に係るクライオポンプ１０では、ゲートバルブ１０２の閉鎖中の消費電力がいくらか増加しうるが、そうした時間はごく短いと見込まれるから、大勢に影響は無い。

図５は、実施の形態に係るクライオポンプ１０の運転方法の他の一例を示すフローチャートである。ゲートバルブ１０２の開閉を検知することに代えて、クライオポンプ１０の再生が完了したか否かが検知されてもよい。よって、コントローラ６０は、クライオポンプ１０の再生が完了したか否かを検知し、再生の完了に続いて冷凍機１４の冷凍能力を一時的に増加させるように冷凍機１４を制御してもよい。このようにしても、上述の実施の形態と同様に、クロスオーバーの際に起こりうるクライオパネル温度のオーバーシュートを緩和することができる。

図５に示されるように、クライオポンプ１０の再生が完了したか否かが判定される（Ｓ２０）。コントローラ６０は、再生のクールダウン工程において第１温度センサ４０および第２温度センサ４２それぞれから測定温度を取得し、第１温度センサ４０の測定温度を真空排気運転のための第１段クライオパネル１８の目標冷却温度と比較し、第２温度センサ４２の測定温度を真空排気運転のための第２段のクライオパネルユニット２０の目標冷却温度と比較してもよい。コントローラ６０は、第１温度センサ４０および第２温度センサ４２の測定温度のうちいずれかがまだ目標冷却温度に到達していない場合にはクールダウン工程を継続し、第１温度センサ４０および第２温度センサ４２の測定温度がそれぞれ目標冷却温度に到達している場合にはクールダウン工程すなわちクライオポンプ１０の再生が完了したと判定してもよい。

クライオポンプ１０の再生が完了した場合（Ｓ２０のＹ）、コントローラ６０は、冷凍機１４の冷凍能力を増加させるように冷凍機１４を制御する（Ｓ２２）。冷凍機１４の冷凍能力増加は、上述の実施の形態と同様に、冷凍機１４の運転周波数を増加させることによって、１段温度制御における目標温度を低下させることによって、または２段温度制御における目標温度を低下させることによって、実現されてもよい。一方、クライオポンプ１０の再生が完了していないと検知された場合（Ｓ２０のＮ）、そうした冷凍能力の増加は行われない。

冷凍機１４の冷凍能力を増加させる制御は、ゲートバルブ１０２が開くまで実行されてもよい。この場合、コントローラ６０は、クライオポンプ１０がスタンバイ状態にあるとき冷凍機１４の冷凍能力を増加させるように冷凍機１４を制御してもよい。あるいは、冷凍機１４の冷凍能力を増加させる制御は、所定時間にわたり実行されてもよい。

図６は、他の実施の形態に係るクライオポンプ１０の制御装置の構成を概略的に示すブロック図である。冷凍機１４の冷凍能力を調節するために、冷凍機１４が電気ヒータなどの加熱装置６２を備えてもよい。加熱装置６２は、第１冷却ステージ２２に、または第２冷却ステージ２４に、または第１冷却ステージ２２と第２冷却ステージ２４の両方に設けられてもよい。コントローラ６０は、加熱装置６２のオンオフを切り替え、及び／または、加熱装置６２の出力を制御するように構成されてもよい。

コントローラ６０は、ゲートバルブ１０２が開いているときには加熱装置６２を第１出力で作動させ、ゲートバルブ１０２が閉じているときには加熱装置６２を第１出力よりより低い第２出力で作動させるか又は作動させないように構成されてもよい。加熱装置６２の出力を低下させることによって、ゲートバルブ１０２が閉じているときの冷凍機１４の冷凍能力をゲートバルブ１０２が開いているときに比べて増加させることができる。

なお、図６の実施の形態においても、図２の実施の形態と同様に、冷凍機１４は、冷凍機インバータ５２を備え、運転周波数を可変とするように構成されてもよい。この場合、例えば１段温度制御または２段温度制御により冷凍機１４の運転周波数を制御するとともに、加熱装置６２を用いて冷凍能力が調節されてもよい。あるいは、図６の実施の形態では、冷凍機１４は、一定の運転周波数で駆動されてもよく、冷凍機インバータ５２を備えなくてもよい。

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。

１０ クライオポンプ、 １４ 冷凍機、 ６０ コントローラ、 １００ 真空チャンバ、 １０２ ゲートバルブ。

Claims (9)

1. 真空チャンバにゲートバルブを介して取付可能なクライオポンプであって、
   冷凍機と、
   前記ゲートバルブが閉じているか否かを検知し、前記ゲートバルブが閉じているときの前記冷凍機の冷凍能力を前記ゲートバルブが開いているときに比べて増加させるように前記冷凍機を制御するように構成されるコントローラと、を備えることを特徴とするクライオポンプ。
2. 前記コントローラは、前記ゲートバルブの開閉状態を示すゲートバルブ信号を受信し、前記ゲートバルブ信号に基づいて前記ゲートバルブが閉じているか否かを検知するように構成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。
3. 前記コントローラは、前記冷凍機への熱負荷を取得し、取得された熱負荷に基づいて前記ゲートバルブが閉じているか否かを検知するように構成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. 前記冷凍機は、運転周波数を可変とするように構成され、
   前記コントローラは、前記ゲートバルブが開いているときには第１下限値以上の運転周波数で前記冷凍機を動作させ、前記ゲートバルブが閉じているときには前記第１下限値よりも大きい第２下限値以上の運転周波数で前記冷凍機を動作させるように構成され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. 前記冷凍機は、運転周波数を可変とするように構成され、
   前記クライオポンプは、前記冷凍機の冷却温度を測定する温度センサをさらに備え、
   前記コントローラは、前記ゲートバルブが開いているときには前記温度センサによって測定される冷却温度を第１目標温度に一致させるように前記冷凍機の運転周波数を決定し、前記ゲートバルブが閉じているときには前記温度センサによって測定される冷却温度を前記第１目標温度より低い第２目標温度に一致させるように前記冷凍機の運転周波数を決定し、決定された運転周波数で前記冷凍機を動作させるように構成され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。
6. 前記冷凍機は、加熱装置を備え、
   前記コントローラは、前記ゲートバルブが開いているときには前記加熱装置を第１出力で作動させ、前記ゲートバルブが閉じているときには前記加熱装置を前記第１出力よりより低い第２出力で作動させるか又は作動させないように構成され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。
7. クライオポンプの運転方法であって、前記クライオポンプは、真空チャンバにゲートバルブを介して取付可能であり、冷凍機を備えており、前記方法は、
   前記ゲートバルブが閉じているか否かを検知することと、
   前記ゲートバルブが閉じているときの前記冷凍機の冷凍能力を前記ゲートバルブが開いているときに比べて増加させることと、を備えることを特徴とする方法。
8. 冷凍機と、
   クライオポンプの再生が完了したか否かを検知し、前記再生の完了に続いて前記冷凍機の冷凍能力を一時的に増加させるように前記冷凍機を制御するコントローラと、を備えることを特徴とするクライオポンプ。
9. クライオポンプの運転方法であって、前記クライオポンプは、冷凍機を備えており、前記方法は、
   前記クライオポンプの再生が完了したか否かを検知することと、
   前記再生の完了に続いて前記冷凍機の冷凍能力を一時的に増加させることと、を備えることを特徴とする方法。

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