JP2023533534A - クライオポンプ - Google Patents

Abstract

ポンプ入口と、２段式冷凍機と、２段式冷凍機の第１ステージに熱的に結合された第１ステージアレイと、２段指揮冷凍機の第２ステージに結合されたクライオパネル構造体とを備えるクライオポンプが開示される。クライオパネル構造体は、少なくとも３つの平面パネルを備える。第１ステージアレイは、ポンプ入口とクライオパネル構造との間に取り付けられ、複数のスラットを備え、複数のスラットの各々は、クライオパネル構造体に最も近い複数のスラットの各々の側面が、少なくとも３つの平面パネルの対応する１つに対して長手方向に実質的に整列してオフセットするように取り付けられている。【選択図】 図２

Description

本発明の分野は、クライオポンプに関し、詳細には、水蒸気などのＩ型ガスを捕捉するための温度の第１ステージと、窒素などのＩＩ型ガスを捕捉するための及びいくつかの実施形態では水素などのＩＩＩ型ガスをクライオ吸着するための低温の第２ステージとを有する、２段式クライオポンプに関する。

２段式クライオポンプは、４－２５Ｋの範囲で動作する低温の第２ステージクライオパネルアレイで形成されており、これは、チャコールなどの捕捉材料でコーティングすることができる。このクライオパネルアレイは、一次ポンプ面として機能し、４０－１３０Ｋのような高温範囲で動作し、低温アレイに輻射シールドを提供し、これらのガス分子をシールドに接触する場所で捕捉することによって水蒸気などのＩ型ガスから遮蔽する第１ステージ輻射シールドによって取り囲まれている。

動作時、ガスが入口からポンプ容器に入ると、水蒸気などのＩ型ガスの少なくとも一部は、第１ステージの輻射シールドの一部を形成する前面アレイ上で凝縮される。低沸点ガスは、前面アレイを通り、輻射シールド内の容積に入る。一方で、水素、ヘリウム、ネオンなど、４Ｋでかなりの蒸気圧を有するＩＩＩ型ガスは、第２ステージのクライオパネルを覆う、活性炭、ゼオライト、分子ふるいなどの吸着剤で吸着される。

このようにして、チャンバからポンプに流入するガスが捕捉され、真空は、ポンプ容器の中に発生する。クライオポンプの１つの問題点は、動作時、ガス分子が捕捉面で飽和し、捕捉能力が低下することである。従って、クライオポンプは、定期的に再生して、捕捉した気体分子を放出する必要がある。

クライオポンプを設計する際に考慮すべき競合要因があり、ポンプへのガスの高い伝導性はポンプ速度を改善するが、クライオパネルの熱負荷を軽減するために熱輻射からの及びＩ型ガスからの、第２ステージのクライオパネルの何らかの遮蔽をもたらすことが好都合である。クライオパネルに到達したＩ型ガスはクライオパネルの上で凝縮し、ＩＩＩ型ガスがクライオ吸着されるのを妨げる。さらに、長鎖炭化水素などの一部のＩ型ガスは再生時にアレイ表面から離れないため、ポンプの残存寿命を通してポンプ性能の低下をもたらす。しかしながら、クライオパネルをガス分子から遮蔽すると、伝導性が低下する。

改良された２段式クライオポンプを提供することが望ましいであろう。

第１の態様はクライオポンプを提供し、クライオポンプは、ポンプ入口と、２段式冷凍機と、２段式冷凍機の第１ステージに熱的に結合された第１ステージアレイと、２段式冷凍機の第２ステージに結合されたクライオパネル構造体と、を備え、クライオパネル構造体は、少なくとも３つの平面パネルを備え、第１ステージアレイは、ポンプ入口とクライオパネル構造体との間に取り付けられ、複数のスラットを備え、複数のスラットの各々は、クライオパネル構造体に最も近い複数のスラットの各々の側面が、少なくとも３つの平面パネルの対応する１つに対して長手方向に実質的に整列しかつオフセットするように取り付けられている。

クライオポンプを設計する場合、ガス分子を捕捉するための大きな表面積を有するクライオパネル構造体を提供し、熱輻射から及び入口からポンプに入る何らかのガス分子からクライオパネル構造体の何らかの遮蔽をもたらす第１ステージ又は前面アレイを備えることが望ましい。クライオポンプ入口は、従来、円形断面であり、クライオパネル構造体も一般に同様の構成を有し、おそらく同軸円筒で形成されている。このような構成は、対称性と、真空チャンバの出口と良く一致するという利点を有するが、製造及び組み立てが難しい場合がある。平面パネルで形成された平面の第２ステージクライオパネルアレイを、平面パネルの少なくとも一部と整列して、平面パネルに対して長手方向にオフセットした直線状スラットで形成された第１ステージアレイと共に提供すると、製造及び組み立てが容易な構成が可能になる。さらに、スラットが平面パネルと実質的に整列する構成を有することは、平面パネルの効果的かつ的を絞った遮蔽をもたらす。また、この構成は、非常に高い水素ポンピング速度をもたらすことができる。

いくつかの実施形態では、複数の平面パネルの各々は、これに対して長手方向に整列しかつそれに対してオフセットする対応するスラットを有する。

いくつかの実施形 いくつかの実施形態では、複数のスラットは、ポンプ入口に向かって平面パネルに対して１１０゜と１６０゜との間の角度で延びるように取り付けられる。

ポンプ入口及び隣接するパネルに向かって傾斜するようにスラットを角度付けることは、クライオパネル構造体の効果的な遮蔽を可能にする。

いくつかの実施形態では、複数のスラットは、スラットの少なくとも一部が、ポンプ入口を通ってポンプに入るガス分子から、クライオパネル構造体の隣接する平面パネルの一方の表面を遮蔽するように取り付けられる。

スラットは、ポンプに入るガス分子からの直接の衝突から隣接するパネルの表面を遮蔽するように配置することができる。ガス分子は、他の表面から跳ね返ってパネルに衝突する場合もあるが、パネルは、最初に衝突する表面とならないように遮蔽される。これにより、Ｉ型ガス分子などの特定の種類のガス分子を、この表面に到達する前に捕捉することができる。各パネルは、これに長手方向に位置合わせされて配置された傾斜スラットを有することができる。あるいは、アレイの１つの端部パネルを除く各パネルは、それに関連する対応するスラットを有することができる。端部パネルは、パネルがクライオパネル構造体に近い縁部から傾斜して向かう方向の端部にある。スラットは、それが角度付けされて向かう隣接するパネルに対する遮蔽をもたらすので、後続のパネルが存在しない場合、そのようなスラットが提供される。

いくつかの実施形態では、複数の平面パネルの表面は、吸着剤でコーティングされたコーティング部分と、吸着剤でコーティングされていない更なる部分とを備える。

ＩＩＩ型ガスは、第１ステージ又は第２ステージの冷凍機の温度では凝縮しないので、これらの分子を捕捉するために吸着剤が必要とされる。クライオポンプでは、第２ステージアレイに吸着剤をコーティングして、ＩＩ型ガスを捕捉するだけでなく、これらのＩＩＩ型ガスを吸着させることもできる。本発明の発明者は、クライオポンプにおける吸着剤コーティング表面の問題は、経時的にガス分子が吸着され、効果が低下することであることを認識している。吸着剤は、ＩＩＩ型ガスを捕捉するために設けられており、これらのガスがこれらの表面に接触して捕捉されることが重要である。しかし、再生サイクル間の時間を長くするためには、他の表面で凝縮する可能性のある他のガスが吸着剤に捕捉されるのを抑制することが望ましいことになる。例えば、フォトレジストは、クライオポンプを使用して半導体プロセスチャンバを排気する際に存在する可能性のあるガスであり、これは衝突で吸着剤表面に吸着され、再生サイクル間の時間を短くする。

本発明の発明者は、第２ステージクライオパネルの表面の一部がコーティングされておらず、フォトレジストなどのガスがこれらの表面に最初に衝突すると、吸着剤コーティング表面に到達する前に非コーティング表面で凝縮され、結果として吸着剤コーティング表面の寿命が長くなることを認識している。

従って、ポンプに非コーティング表面を設けることで、ＩＩＩ型でないガスが非コーティング表面に衝突して凝縮し、ＩＩＩ型ガスは非コーティング表面に衝突すると跳ね返り、吸着されることになる。このように、吸着剤表面は主にＩＩＩ型ガスを吸着することになり、その効果が大きくなり、再生間の時間が長くなり、実質的に安定したポンピング速度をより長く維持することができる。実際には、ガスの少なくとも一部が非コーティング表面に衝突することを可能にすることによって、フォトレジストなどのガスの一部は、コーティング表面には到達せず、コーティング表面はこれらのガスから保護され、非コーティング表面から跳ね返るＩＩＩ型ガスをほぼ例外なくポンプとして使用することができ、再生間の時間が長くなり、ポンピング速度が経時的に過度に低下しないポンプを提供することができる。

いくつかの実施形態では、パネルの少なくとも一部の一方の表面は吸着剤でコーティングされ、他方の表面はコーティングされない。

一方の表面だけをコーティングすることは、製造が容易なシステムを提供する。エポキシなどの付着コーティングが提供され、これに吸着剤が付着されるようないくつかのコーティング技術に関して、エポキシでコーティングされた表面を吸着剤と接触させることによる単一表面のコーティングは、両方の表面をコーティングするよりもはるかに簡単である。

いくつかの実施形態では、コーティング表面は、複数のスラットのうちの隣接する１つによって遮蔽された表面である。

コーティング表面がスラットによって遮蔽されるようにスラットを配置することによって、コーティング表面及びその上の吸着剤は、他の表面に最初に衝突して捕捉されるフォトレジストなどのＩＩＩ型ガスではないガスから遮蔽することができる。これにより、吸着剤の寿命が長くなる。平面の幾何形状は、１つの表面を遮蔽しながら、他方でＩＩＩ型ガスを捕捉するための効果的なシステムを提供する。

さらに、第１ステージアレイによってそれほど効果的に遮蔽されていない表面を吸着剤がない状態にしておくことで、経時的にポンプの一方の表面が汚染され、他方の表面よりも高い割合で吸着特性が失われるという状況を避けること又は少なくとも抑制することができる。このような状況は、ポンプのポンピング速度の経時的な変化につながり、システムの再較正が必要となることになり、一般に望ましくない。

いくつかの実施形態では、複数のスラットは互いに実質的に平行に配置され、複数の平面パネルは互いに実質的に平行に配置される。

パネル及びスラットが互いに実質的に平行である平面配置は、製造が簡単であり、流れがより予測可能である装置を提供する。

いくつかの実施形態では、複数のスラットは、互いに同じ方向に傾斜している。いくつかの実施形態では、パネルの数と同じ数のスラットが存在する。

いくつかの実施形態では、パネル及びスラットは、ポンプ内で互いに等間隔に配置される。これは、より均質な流れ及びスラットによる吸収を可能にする、実質的に同じサイズのパネルとスラットとの間の流路をもたらす。

いくつかの実施形態では、複数の平面パネルは、ポンプの長手方向軸に実質的に平行に延びるように配置される。

平面パネルは、各パネルが同量のガス分子を受け取り、１つのパネルがポンプに入るガス分子から別のパネルを過度に遮蔽しないように、ポンプの長手方向軸に実質的に平行に配置することができる。

いくつかの実施形態では、複数のスラット及び複数の平面パネルは、実質的に矩形である。

スラット及び平面パネルは、多くの異なる形状とすることができ、いくつかの場合、それらは矩形である。矩形パネルは、製造、取り付け、及びコーティングが簡単であり、効果的な表面を提供する。

いくつかの実施形態では、複数のスラットは、ポンプ入口を通して平面パネルと平行な方向に見た場合に重なるように構成されている。

複数のスラットは、長手方向軸に沿ってポンプ入口を通して見た場合に重なるように構成することができ、このようにして、ガス分子が概してクライオパネル構造体の表面に衝突する前に別の表面に衝突することになるように、ポンプ入口と平面パネルとの間に見通し線が存在しない。これに関連して、スラットの角度に実質的に平行に移動するガス分子は、パネルの１つの表面に直接衝突する可能性があり、それは、いくつかの実施形態において、パネルの吸着剤でコーティングされていない表面である。このようにして、パネルの吸着剤でコーティングされた表面は、ガス分子からの直接的な衝突から保護される。

いくつかの実施形態では、複数の平面パネルは、全て実質的に同じサイズである。

他の実施形態では、アレイの両端のスラット及びパネルは、中央の方よりも小さい場合がある。これに関連して、ポンプ入口は円形断面を有し、より大きな直径があるポンプの中央に向かってパネルのサイズを大きくすることが有利であろう。しかしながら、異なるサイズのパネル及びスラットを有することは、より複雑な製造プロセスをもたらし、一部の例では、それらを全て同じサイズにすることが望ましい場合がある。

いくつかの実施形態では、吸着剤は、水素、ヘリウム及びネオンなどのＩＩＩ型ガスを吸着するように構成されている。

いくつかの実施形態では、吸着剤は、コーティング表面をコーティングする分子ふるいからなる。

いくつかの実施形態では、吸着剤は、チャコール、活性炭、ゼオライト、又は多孔質金属表面のうちの１つからなる。

さらなる特定の及び好ましい態様は、独立請求項及び従属請求項に記載されている。従属請求項の特徴は、適宜、独立請求項の特徴と組み合わせること、又は、請求項に明示的に規定されている以外の組み合わせで組み合わせることができる。

装置の特徴が、ある機能を提供するために動作可能であると説明される場合、これは、その機能を提供する、又はその機能を提供するように適合又は構成される装置の特徴を含むことを理解されたい。

本発明の実施形態は、以下に、添付の図面を参照してさらに説明される。

実施形態による平面クライオパネル構造体を示す。 図１のクライオパネル構造体及び前面アレイを示す。

実施形態を詳細に説明する前に、まず、概要について説明する。

平行に傾斜したパネル又はスラットを備える平面的な前面アレイを有するクライオポンプは、同様に平面構造体である第２ステージ構造体を、前面アレイと整列させることができる。これは、非常に高い水素ポンピング速度をもたらすことができる。欠点は、円形構成の場合と比べて、入口の全領域が有効に利用されない可能性があることである。

第２段アレイパネルは、ポンプを横切り、ポンプの長手方向軸に垂直に位置合わせして置かれている。第１ステージアレイは、第２ステージアレイに最も近い縁部が第２ステージパネルの対応する１つと整列するように配置された、第２ステージアレイとポンプ入口との間の傾斜パネル又はスラットを備える。スラットは、表面がポンプ入口に向かって傾斜するように傾斜している。いくつかの実施形態では、第２ステージパネルの一方の側面はチャコールでコーティングされ、この側面は、ポンプに入るガス分子による直接的な衝突に対して、より高温（ほぼ８０Ｋ程度）の前面アレイで完全にブロックされる。前面パネルの温度で凝縮したガスは、前面パネルに衝突してそれ以上進まないことになり、一部は第２ステージパネルのチャコールでコーティングされていない表面に衝突してそれ以上進まないことになる。水素のようなＩＩＩ型ガスはこれらの表面で跳ね返り、チャコールでコーティングされた表面に衝突すると吸着されることになる。このように、吸着剤でコーティングされた表面は、ほぼ例外なくＩＩＩ型ガスをポンピングすることになり、他の表面は、他のガスを収集する。

いくつかの実施形態では、ポンプ入口の断面に垂直な長手方向軸に沿って見た場合、前面配列のスラットは重なる。重なり量は、ポンピング速度を決定し、また、第２ステージアレイのパネルが、ポンプ入口に入るガス分子による最初の衝突からどれだけ良好に遮蔽されるかを決定することになる。このポンプの実施形態は、インプラント用途及びＰＶＤ（物理的気相成長）プロセスなどの半導体処理用の真空チャンバのポンピングに有効である。

図１及び図２は、平面素子の形をなす平面アレイを有するクライオポンプの一実施形態を示す。図１は、入口５を有するポンプ内の第２ステージクライオパネル構造体の平行な平面要素２５を示す。第１ステージの前面アレイは示されていない。第２ステージクライオパネル構造体は、一列に互いから等間隔に配置された平行パネル２５を有する。傾斜スラットのセットを有する前面アレイ（図示せず）があり、スラットの下面は対応するパネルと整列している。前面アレイは、２つのアレイをある程度熱的に分離するために第２ステージアレイから長手方向にオフセットしており、第２ステージアレイとポンプ入口５との間に位置する。

いくつかの実施形態では、パネル２５の片側は吸着剤でコーティングされ、反対側はコーティングされない。前面アレイの傾斜要素は、ポンプ入口から入る分子による最初の衝突からコーティング面を保護する。

図２は、第２ステージアレイ要素２５及びポンプ入口５に対する前面アレイ要素１２を概略的に示す。図示のように、スラット１２は、ポンプ入口５と第２ステージアレイのクライオパネル構造体との間に取り付けられている。スラットは、ポンプ入口５から見ると重なるように傾斜している。スラット１２とパネル２５との間の角度θは、１１０°と１６０°との間であり、スラットは、隣接するパネルに向かって傾き、ポンプ入口に入るガス分子からパネルを遮蔽するようになっている。パネル１２の間には、ガス分子がポンプに入ることを可能にする間隙がある。

いくつかの実施形態では、パネル２５の両方の表面は吸着剤でコーティングされているが、他の実施形態では、パネルの一方の表面２４は吸着剤でコーティングされているが、反対側の表面２２はコーティングされていない。前面アレイのスラット１２の間を移動する分子の唯一の直接経路は、クライオパネル構造体のコーティングされていない表面２２に通じるので、ポンプ入口から入る分子は、最初にスラット１２に衝突するか、又は第２ステージアレイのコーティングされていない表面２２に衝突する。従って、何らかの分子の最初の衝突は、コーティングされた表面２４ではないので、第１ステージ又は第２ステージの冷凍機の温度で凝縮する分子は、これらの表面で捕捉される。他のＩＩＩ型分子は、これらの表面からコーティングされた表面２４に向かって跳ね返り、衝突時に吸着剤コーティングによって捕捉される。このように、第２ステージ要素のコーティングされた表面は、傾斜した第１ステージアレイスラット１２によって、ポンプに入る分子による最初の衝突から遮蔽される。第１ステージアレイ上又は第２ステージアレイ上の凝縮されていない分子は、コーティングされた表面２２に衝突し、吸着剤によって捕捉されることになる。

本発明の例示的な実施形態は、添付の図面を参照して本明細書に詳細に開示されているが、本発明は、正確な実施形態に限定されず、添付の請求項及びその均等物によって定義される本発明の範囲から逸脱することなく、当業者によって様々な変更例及び修正例がもたらされ得ることを理解されたい。

５ ポンプ入口
１２ スラット
２２ パネルの非コーティング表面
２４ パネルのコーティング表面
２５ 第２ステージアレイパネル

Claims (16)

1. クライオポンプであって、
   ポンプ入口と、
   ２段式冷凍機と、
   前記２段式冷凍機の第１ステージに熱的に結合された第１ステージアレイと、
   前記２段式冷凍機の第２ステージに結合されたクライオパネル構造体と、
   を備え、
   前記クライオパネル構造体は、少なくとも３つの平面パネルを備え、
   前記第１ステージアレイは、前記ポンプ入口と前記クライオパネル構造体との間に取り付けられ、複数のスラットを備え、前記複数のスラットの各々は、前記クライオパネル構造体に最も近い前記複数のスラットの各々の側面が、前記少なくとも３つの平面パネルの対応する１つに対して長手方向に実質的に整列してオフセットするように取り付けられている、クライオポンプ。
2. 前記複数のスラットは、前記ポンプ入口に向かって前記平面パネルに対して１１０゜と１６０゜との間の角度で延びるように取り付けられている、請求項１に記載のクライオポンプ。
3. 前記複数のスラットは、前記スラットの少なくとも一部が、前記ポンプ入口から前記ポンプに入るガス分子から前記クライオパネル構造体の隣接する平面パネルの一方の表面を遮蔽するように取り付けられている、請求項１又は２に記載のクライオポンプ。
4. 前記複数の平面パネルの表面は、吸着剤でコーティングされたコーティング部分と、前記吸着剤でコーティングされていない更なる部分とを含む、請求項１から３のいずれか一項に記載のクライオポンプ。
5. 前記平面パネルの少なくとも一部の一方の表面は、前記吸着剤でコーティングされ、他方の表面は、前記吸着剤でコーティングされていない、請求項４に記載のクライオポンプ。
6. 前記コーティングされた表面は、前記複数のスラットの隣接する１つによって遮蔽された前記表面である、請求項３に従属する場合の請求項５に記載のクライオポンプ。
7. 前記複数のスラットは、互いに実質的に平行に配置され、前記複数の平面パネルは、互いに実質的に平行に配置される、請求項１から６のいずれか一項に記載のクライオポンプ。
8. 前記複数の平面パネルは、前記ポンプの長手方向軸に実質的に平行に延びるように配置される、請求項１から７のいずれか一項に記載のクライオポンプ。
9. 前記複数のスラット及び前記複数の平面パネルが、実質的に矩形である、請求項１から８のいずれか一項に記載のクライオポンプ。
10. 前記複数のスラットは、前記ポンプ入口を通して前記平面パネルに平行な方向に見た場合に重なるように構成されている、請求項１から９のいずれか一項に記載のクライオポンプ。
11. 前記複数の平面パネルは、全て実質的に同じサイズである、請求項１から１０のいずれか一項に記載のクライオポンプ。
12. 前記複数のスラットは、全て実質的に同じサイズである、請求項１から１１のいずれか一項に記載のクライオポンプ。
13. 前記パネルアレイ又は前記スラットアレイのどちらかの端にある前記平面パネル及び前記スラットは、中央の方のものよりも小さい、請求項１から１０のいずれか一項に記載のクライオポンプ。
14. 前記吸着剤は、水素、ヘリウム、ネオンなどのＩＩＩ型ガスを吸着するように構成されている、請求項４から６のいずれか一項、又は請求項４に従属する場合の請求項７から１３のいずれか一項に記載のクライオポンプ。
15. 前記吸着剤は、前記コーティングされた表面をコーティングする分子ふるいからなる、請求項４から６、１４のいずれか一項、又は請求項４に従属する場合の請求項７から１３のいずれか一項に記載のクライオポンプ。
16. 前記吸着剤は、チャコール、活性炭、ゼオライト、又は多孔質金属表面のうちの１つからなる、請求項４から６、１４のいずれか一項、又は請求項４に従属する場合の請求項７から１３のいずれか一項に記載のクライオポンプ。

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