JP4932911B2 - クライオポンプ - Google Patents

Description

本発明はクライオポンプに係り、特に再生効率の向上を図りうるクライオポンプに関する。

例えば、半導体製造設備においては高真空を実現する必要があり、この高真空を実現しうる真空ポンプとしてクライオポンプが多用されている。このクライオポンプは、真空生成の原理上冷凍機が必要となる。このクライオポンプに用いられる冷凍機としては、ギフォード・マクマホンサイクル型冷凍機（以下ＧＭ型冷凍機という）が知られている。そして、ＧＭ型冷凍機と真空容器内に配設されたクライオパネル及びシールドを熱的に接続しておき、冷却過程において真空容器内の気体（例えば、アルゴンガス等）をクライオパネル等に凝固又は吸着させることにより高真空を実現する。

このようなクライオポンプは、その構造上、再生が必要となる。この再生とは、クライオパネル等に冷却過程で凝固又は吸着された分子に熱を加え、昇温させることにより当該分子を液化及び気化させてポンプ容器の外に放出する処理をいう。

クライオポンプの再生時には、クライオパネル及びシールドがヒータ等の昇温装置により昇温され、また窒素ガス等のパージガスが真空容器内に導入される。これにより、クライオパネル及びシールドに凝固された分子は液化して自然落下し、シールドの内部に液体が溜まった状態となる。この状態で全ての液体を気化して排出しようとした場合、シールドは内部に残留する液体により冷却されるため、この残留液体が気化するのに長時間を要し、よって再生効率が低下してしまうという問題点がある。

そこで、特許文献１に開示されているように、シールドに孔部を形成し、この孔部を介して液体分子を真空容器内に流入する構成としたクライオポンプが提案されている。この構成のクライオポンプでは、常温である真空容器の熱を液体分子の気化に利用することが可能となり、シールドに孔を形成しないクライオポンプに比べて再生効率の向上を図ることができる。
特開平０５−０３３７６６号公報

しかしながら、クライオポンプが接続される半導体製造設備によっては、クライオポンプは真空生成時において、アルゴン等のガスと共に水分子が凝固する場合がある。このように水以外の分子と共に水分子が凝固されたクライオポンプに対して再生処理を行った場合、シールドには先ず上記した水以外の液体が溜まり、その後に水が溜まることとなる。そして、この水以外の液体及び水は、シールドに形成された孔を通り真空容器内に流入する。

アルゴン等のガスは一般に沸点が低く（アルゴンの沸点：−185.9℃）、水の沸点（99.974℃）と大きく相違している。このため、液化したアルゴン分子等が真空容器から気化して真空容器から除去されたとしても、水は真空容器内に残留する。

一般にクライオポンプの真空容器には、ヒータ等の加熱手段は設けられておらず、よって真空容器の温度は室温までしか上がらない。しかしながら、沸点の低いアルゴン等は、室温程度の温度でもすべて気化して短時間で真空容器内から除去することができる。

これに対して沸点が室温よりも高い水が真空容器内に残留した場合には、これが気化してクライオポンプから除去されるには長い時間を要し、この影響により結局は再生に長い時間を必要とし、再生効率が低下してしまうという問題点があった。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、真空生成時に水以外の分子と共に水分子が凝固するものであっても再生時間の短縮を図りうるクライオポンプを提供することを目的とする。

本発明の一局面のクライオポンプは、シリンダ内でディスプレーサが往復動することにより膨張室で寒冷を発生させる冷凍機と、真空容器と、前記真空容器内に収容され、前記膨張室で発生した寒冷により冷却されるクライオパネルと、前記真空容器内に収容されて前記膨張室で発生した寒冷により冷却されるとともに、前記クライオパネルを当該真空容器の輻射熱から保護するカップ形状のシールドと、前記シールドの前記カップ形状の上部開口部に配設されるルーバと、再生時に前記クライオパネル及びシールドを昇温する昇温装置とを含み、前記クライオパネル及び前記シールドに前記真空容器内の分子を凝固又は吸着させるクライオポンプにおいて、前記シールドは、前記カップ形状の底部又は側部に形成される孔部と、前記孔部の位置により前記カップ形状の底部に規定される貯留容量であって、再生時に前記ルーバ、前記シールド、又は前記クライオパネルから脱離して液化される水分子を貯留可能な貯留容量を有する水溜部とを備える。

また、前記孔部には、前記シールドの内側に向け突出し、当該孔部を囲繞する堰堤部が形成されてもよい。

また、前記シールドの底面は傾斜しており、かつ、前記孔部は当該傾斜した底面に形成されており、前記水溜部は、当該傾斜面における前記孔部よりも低い領域に形成されてもよい。

また、前記昇温装置は、前記ディスプレーサを正方向回転及び逆方向回転を行いうる可逆モータを含み、該可逆モータを逆転方向に回転させ、冷凍サイクルを反転させることにより前記シールドを昇温させてもよい。

本発明によれば、液化した水以外の分子を真空容器に流出するための流出孔をシールドに設けたことにより、液化した水以外の分子は常温である真空容器の熱を利用して気化し排出されるため、短時間で効率よくクライオポンプから排出を行うことができる。

また、液化した状態の水分子は、シールドに設けた水溜部により流出孔から真空容器に流出するのが防止され、この水溜部（シールド）に残留する。シールドは昇温装置により常温以上に昇温することが可能であり、よってシールドに形成された水溜部に水が残留したとしても、これを短時間で気化してクライオポンプから排出することができる。よって、液化した水以外の分子及び水分子のいずれであっても、クライオポンプから短時間で排出することができ、再生時間の短縮を図ることができる。

以下、本発明のクライオポンプを適用した実施の形態について説明する。

図１は、実施の形態のクライオポンプを示す。クライオポンプ１は、図示しない処理チャンバ（例えば、半導体製造装置の処理チャンバ）に取り付けられ、この処理チャンバ内を真空とするものである。このクライオポンプ１は、大略すると圧縮機３、真空容器４、冷凍機５、シールド９、クライオパネル１０等により構成されている。また、再生時におけるシールド９及びクライオパネル１０の昇温は、冷凍機５の冷却サイクルを反転させることにより行う、いわゆる逆転昇温を用いている。

圧縮機３は、ヘリウムガス等の冷媒ガスを昇圧して冷凍機５に送り、また冷凍機５で断熱膨張した冷媒ガスを回収して再び昇圧する機能を奏する。真空容器４は、前記した処理チャンバに取り付けられるものであり、この内部に冷凍機５のシリンダ１４、１５、シールド９、及びクライオパネル１０等が配設される。

真空容器４には粗引き配管１３Ａ及びパージ配管１７が接続されている。粗引き配管１３Ａは粗引きポンプ１３（真空ポンプ）に接続されており、真空処理開始時において真空容器４内のガスを粗引きする。また、パージ配管１７は、例えば窒素ガス供給手段に接続されており、後述する再生時において真空容器４内にパージガス（窒素ガス）を供給する。尚、真空容器４と処理チャンバとの間には図示しないゲートバルブが配設されており、ゲートバルブを閉じることにより真空容器４は処理チャンバに対して気密に隔離された状態となる。

冷凍機５はＧＭ型冷凍機であり、第１段シリンダ１４、第２段シリンダ１５、及び可逆モータ１６等により構成されている。第１段シリンダ１４の内部には第１段ディスプレーサ１４Ａが図中左右方向に往復動可能に配設されており、また第２段シリンダ１５には第２段ディスプレーサ１５Ａが図中左右方向に往復動可能に配設されている。この第１段ディスプレーサ１４Ａと第２段ディスプレーサ１５Ａは連結されており、可逆モータ１６を駆動源として上記のように各シリンダ１４、１５内で往復動を行う。

第１段シリンダ１４と第１段ディスプレーサ１４Ａとの間には第１段膨張室が形成され、また第２段シリンダ１５と第２段ディスプレーサ１５Ａとの間には第２段膨張室が形成される。この第１及び第２段膨張室は、各ディスプレーサ１４Ａ、１５Ａの往復動によりその体積が変化する構成となっている。

可逆モータ１６は、正方向回転及び逆方向回転が可能なモータである。この可逆モータ１６は図示しないコントローラに接続され、このコントローラの指示に従い真空処理時には正方向回転を行い、再生時において逆方向回転を行う。

第１段シリンダ１４の外周には、第１段冷凍ステージ７が配設されている。また、この第１段冷凍ステージ７にはシールド９が配設されている。

このシールド９は、真空容器４の輻射熱からクライオパネル１０を保護するための部材であり、上部が開口されたカップ形状の部材である。また、シールド９の上部開口部にはルーバ１２が配設される。このルーバ１２は、真空容器４の上部開口に近接して配設される。

シールド９の底面には、流出孔１８（孔部）が形成されている。本実施の形態では、シールド９の底面は水平面とされており、流出孔１８はその中央位置に形成されている。また、この流出孔１８は、シールド９の内部に向けて（図中上方に向けて）突出した堰堤部１９を有する。

堰堤部１９は、流出孔１８を囲繞するように形成される。この堰堤部１９は、例えばシールド９の底面をプレス打ち抜き加工することにより、流出孔１８と共に同時形成することが可能である。また、流出孔１８の開口部に、筒状の部材を溶接等により接合して形成することも可能である。

このように、シールド９の底面に流出孔１８を囲繞するように堰堤部１９を形成することにより、シールド９の底部には水溜部２０が形成される。このように、水溜部２０が形成されることにより、後述する昇温工程の初期段階においてシールド９の底部に液化した水以外の分子が滴下しても、直ちにこれが流出孔１８から真空容器４内に流出することはなく、一旦シールド９の底部に溜まる。そして、液化した水以外の分子の液面がこの堰堤部１９の高さを超えた時点で、液化した水以外の分子は流出孔１８を介して真空容器４内に流出する。また、液化した水以外の分子を排出した後、昇温工程の後期段階において生じる水（液化した水分子）がシールド９の底部に滴下するが、この水は水溜部２０に溜まり、真空容器４に流出しないように構成されている。尚、水溜部２０の詳細な機能については、説明の便宜上、後述する。

また、第２段シリンダ１５の外周には、第２段冷凍ステージ８が配設されている。この第２段冷凍ステージ８には、クライオパネル１０が配設されている。このクライオパネル１０は、その内周面に活性炭１１が配設されている。

上記構成とされたクライオポンプ１において真空処理を行う場合には、先ず粗引きポンプ１３を駆動して処理チャンバ及び真空容器４内のガスを粗引きし、例えば10^-2Torr程度まで減圧処理を行う。この粗引き処理が終了すると、粗引きポンプ１３を停止させた上で、可逆モータ１６を正方向に回転させる。

これにより冷凍機５は冷却モードとなり、圧縮機３から第１段膨張室及び第２段膨張室に供給された冷媒ガスは、各ディスプレーサ１４Ａ、１５Ａの移動に伴い断熱膨張し寒冷を発生させる。これにより、第１段冷凍ステージ７は例えば３０〜１００Ｋに冷却され、この結果、シールド９及びルーバ１２は、３０〜１００Ｋに冷却される。また、第２段冷凍ステージ８は、例えば４〜２０Ｋに冷却される。この結果、クライオパネル１０は、４〜２０Ｋに冷却される。

処理チャンバ内の気体は、上部開口より真空容器４内に進入し、水分子は主にシールド９（中でも特にルーバ１２）で凝固され、水分子以外のアルゴンや窒素は主にクライオパネル１０で凝固され、更に水素、ネオン、ヘリウム等は主に活性炭１１に吸着される。これにより、処理チャンバは排気されて高真空を実現できる。

ところで、上記のように処理チャンバ内から排気される水分子以外の気体分子は、シールド９、クライオパネル１０、活性炭１１等に凝固又は吸着される。また、水分子もシールド９及びクライオパネル１０に凝固した状態となる。尚、以下の説明において、シールド９及びクライオパネル１０に凝固又は吸着された水分子以外の気体分子と、凝固した水分子とをまとめて捕捉分子２１と称す。

図２は、捕捉分子２１がシールド９及びクライオパネル１０に凝固又は吸着された状態を示す。このシールド９及びクライオパネル１０に凝固又は吸着された捕捉分子２１の量が増えてくると、クライオポンプ１の排気性能が低下する。このため、クライオポンプ１に凝固又は吸着された捕捉分子２１を排出する再生処理が必要となることは前述した通りである。

次に、クライオポンプ１の再生処理について説明する。

再生処理が開始されると、先ずゲートバルブを閉じて真空容器４と処理チャンバとを気密に隔離した状態とする。続いて、パージ配管１７から真空容器４内にパージガスを導入すると共に図示しないドレイン弁を開弁し、更に可逆モータ１６を逆方向回転させる。

パージガスは常温のガスであるため、このパージガスの熱により捕捉分子２１は昇温されて液化する。また、可逆モータ１６が逆方向回転を行うことにより、冷凍機５の冷却サイクルは反転し、第１及び第２段膨張室で冷媒ガスは断熱圧縮されて断熱圧縮熱を発生する（以下、この昇温を逆転昇温という）。この断熱圧縮熱は各シリンダ１４、１５及び冷凍ステージ７、８を介してシールド９及びクライオパネル１０を昇温し、これによっても捕捉分子２１は昇温されて液化する。

上記のようにパージガス及びシールド９及びクライオパネル１０の昇温により、捕捉分子２１に含まれる分子のうち、水よりも沸点の低い分子（アルゴン、窒素、水素、ネオン、ヘリウム等）が先ず液化し、液体分子２２が発生する。以下、液体分子２２とは、水分子以外のアルゴン、窒素、水素、ネオン、ヘリウム等が液化した分子を称す。

この液体分子２２は、カップ形状のシールド９の底部に重力により落下する。前述したように、シールド９には堰堤部１９が設けられることにより水溜部２０が形成されているため、落下した液体分子２２は直ちに流出孔１８から真空容器４に流出することはなく、一旦水溜部２０内に溜められる。

再生処理が進み液体分子２２の発生量が増大すると、液体分子２２は水溜部２０から溢れ出し、流出孔１８を介して真空容器４内に流入する。図３は、略全ての液体分子２２が真空容器４に流出した状態を示す。この状態では、沸点の高い水は、ルーバ１２等に凝固したままの状態となっている（この状態の水分子を図３に符号２１Ａで示す）。尚、前述のようにシールド９は冷凍機５により逆転昇温により昇温されており、かつ水溜部２０に溜められた液体分子２２は少ないため、図３ではシールド９に溜められた液体分子２２が既に気化した状態を示す。

真空容器４に流入した液体分子２２は、水分子以外のアルゴン、窒素等の分子であるため、常温に保持される真空容器４の熱で容易に気化する。よって、シールド９に流出孔１８を形成し、液体分子２２をシールド９から真空容器４に流出可能に構成することにより、液体分子２２を短時間でクライオポンプ１から排出することができ、再生効率の向上を図ることができる。

液体分子２２のクライオポンプ１からの排出が終了後、更にパージガスの導入及び冷凍機５の逆転昇温を続けると、凝固していた水分子（図３中の符号２１）が液化し、発生した水分子２３がシールド９の底部に落下するようになる（図４参照）。

１回の再生処理における水分子２３の発生量は、液体分子２２の発生量に比べると少なく、またこの１回の再生処理で発生する水分子２３の量は経験的に知ることができる。本実施の形態では、水溜部２０の容積を、この１回の再生処理において発生する水分子２３の量に基づき設定している。即ち、水溜部２０の容積は、１回の再生処理において発生する水分子２３の量と略等しい容積に設定されている。

ここで、水溜部２０の容積は、シールド９の底面の形状と堰堤部１９の位置及び高さによって決まる。例えば、図１乃至４に示すように、底面が平面のカップ形状のシールド９において、堰堤部１９が底面の中心に配設される場合は、堰堤部１９の高さは、約３〜１２ｍｍであることが好ましい。

シールド９は、真空容器４の輻射熱からクライオパネル１０を保護するために設けられている。このため、真空容器４の口径が大きくても、流出孔１８の口径は、ある一定の値に設定されることが好ましい。

クライオポンプは、使用される環境により、内部に貯蔵される水分子の量を概算することができる。水溜部２０の容量は、このようにクライオポンプ内に貯蔵可能な水分子の量に合わせて設定すればよく、そのために必要な堰堤部１９の高さは、約３〜１２ｍｍであることが好ましい。

このように堰堤部１９の高さと水溜部２０の容量とが設定されることにより、水溜部２０に溜められた水分子２３は、流出孔１８を介して真空容器４に流出しないようにすることができる。

上記のように水溜部２０に溜められた水分子２３は、沸点が液体分子２２に比べて高いものの、シールド９は逆転昇温により常温以上に昇温される（真空容器４よりも高い温度に昇温されている）。よって、液体分子２２に比べて高い沸点を有する水分子２３であっても、シールド９の水溜部２０において短時間で気化させ、クライオポンプ１から排出することができる。

よって、本実施の形態のクライオポンプ１によれば、真空容器４に流入した液体分子２２と、水溜部２０に残留した水分子２３のいずれについても短時間で気化し排出することができ、よってクライオポンプ１の再生時間の短縮を図ることができる。

図５は、本実施の形態のクライオポンプ１における水分子２３の排出時間を従来のクライオポンプで要する排出時間と比較して示す図である。同図では、横軸に時間を取り、縦軸に温度を取っている。また、同図において矢印ＴＡ１で示すのは、本実施の形態のクライオポンプ１における第１段冷凍ステージ７の温度変化であり、矢印ＴＡ２で示すのは本実施の形態のクライオポンプ１における第２段冷凍ステージ８の温度変化である。

また、比較例として掲げたのは、堰堤部１９（水溜部２０）が設けられていないクライオポンプの温度特性である。この比較例のクライオポンプは、堰堤部１９（水溜部２０）が設けられていない以外は、クライオポンプ１と略等しい構成とされている。図中、矢印ＴＢ１で示すのは、比較例に係るクライオポンプ１における第１段冷凍ステージの温度変化であり、矢印ＴＢ２で示すのは比較例に係るクライオポンプにおける第２段冷凍ステージの温度変化である。

そして、本実施の形態のクライオポンプ１では水溜部２０に２０グラムの水を入れた状態で逆転昇温処理を行い、比較例に係るクライオポンプでは真空容器内に２０グラムの水を入れた状態で逆転昇温処理を行い、それぞれの温度ＴＡ１、ＴＡ２、ＴＢ１、ＴＢ２を測定した。この実験結果が、図５に示される温度特性である。

ここで排出時間とは、第１段冷凍ステージが目標温度Ｔ１となると共に第２段冷凍ステージが目標温度Ｔ２となった時刻t1から、水が全て排出されることにより真空容器の内部圧力が所定圧力以下となった時刻（即ち、クールダウンを開始する時刻。実施の形態ではt2、比較例ではt3）までの時間をいう。

この実験の結果、本実施の形態のクライオポンプ１では水を排気するのに５４分であったのに対し、比較例のクライオポンプでは７７分も必要であった。これにより、本実施の形態のクライオポンプ１によれば、従来構成のクライオポンプに比べて再生時間を大幅に短縮することができることが実証された。

尚、実際の再生時においては、水分子２３ばかりでなく液体分子２２の排出処理が行われるが、沸点の低い液体分子２２の排出は、液体分子２２に比べて沸点の高い水分子２３の排出よりも早く終了し、よって再生時間は水分子２３の排出時間に依存することとなる。このため、本実験結果は、水分子２３と共に液体分子２２を排出する実際の再生処理を反映しているといえる。

図６は、図１乃至図４に示したクライオポンプ１の変形例であるクライオポンプ３０を示す。図１乃至図４に示したクライオポンプ１では、水分子２３が真空容器４に流出孔１８を介して流出するのを防止するために堰堤部１９を設け、これによりシールド９の底部に水溜部２０を形成する構成としていた。

これに対して本変形例に係るクライオポンプ３０では、シールド９の底部を傾斜面３１とし、この傾斜面３１の傾斜方向の上方位置に流出孔１８を形成したものである。このような構成とすることによっても、図６に示すように、シールド９の底部に水分子２３を残留させる水溜部３２を形成することができ、図１乃至図４に示したクライオポンプ１と同様の作用効果を奏するクライオポンプを実現することができる。

また、図７に示すように、流出孔１８は、シールド９の側面において、水溜部２０の容量を所定容量に設定可能な高さに形成されていてもよい。この場合、堰堤部は必ずしも必要ない。

また、以上では、冷凍機５が真空容器４の側方から挿入される横型クライオポンプの形態について説明したが、図８に示すように、冷凍機５が真空容器４の下側から挿入される縦型のクライオポンプにおいても流出孔１８及び堰堤部１９を形成することができる。縦型のクライオポンプでは、真空容器４及びシールド９の底部中央から鉛直上向きに冷凍機５が挿入されるため、シールド９の底部の中央からオフセットした位置に流出孔１８及び堰堤部１９を形成すればよい。なお、シールド９の底面が径方向外側から中心に向かって深くなっている場合は、その底面の形状に応じて、所望の水溜部２０の容量が確保されるように、堰堤部１９の高さを設定すればよい。

また、以上の説明では、昇温装置として可逆モータ１６を備える形態について説明したが、可逆モータ１６に加えて、又は、これに代えて、昇温を行うためのヒータを備えてもよい。

以上、本発明の例示的な実施の形態のクライオポンプについて説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

実施の形態のクライオポンプの構成図である。 実施の形態のクライオポンプの構成図であり、シールドやクライオパネルに固体状ガスが凝固又は吸着した状態を示す図である。 実施の形態のクライオポンプの構成図であり、再生処理を説明するための図である（その１）。 実施の形態のクライオポンプの構成図であり、再生処理を説明するための図である（その２）。 排出時間特性を従来と比較して示す図である。 実施の形態の変形例のクライオポンプの構成図である。 実施の形態の変形例のクライオポンプの構成図である。 実施の形態の変形例のクライオポンプの構成図である。

１、３０ クライオポンプ
３ 圧縮機
４ 真空容器
５ 冷凍機
７ 第１段冷凍ステージ
８ 第２段冷凍ステージ
９ シールド
１０ クライオパネル
１１ 活性炭
１２ ルーバ
１３ 粗引きポンプ
１４ 第１段シリンダ
１４Ａ 第１段ディスプレーサ
１５ 第２段シリンダ
１５Ａ 第２段ディスプレーサ
１６ 可逆モータ
１７ パージ配管
１８ 流出孔
１９ 堰堤部
２０、３２ 水溜部
２１ 捕捉分子
２１Ａ 水分子（凝固状態）
２２ 液体分子
２３ 水分子
３１ 傾斜面

Claims (4)

1. シリンダ内でディスプレーサが往復動することにより膨張室で寒冷を発生させる冷凍機と、真空容器と、前記真空容器内に収容され、前記膨張室で発生した寒冷により冷却されるクライオパネルと、前記真空容器内に収容されて前記膨張室で発生した寒冷により冷却されるとともに、前記クライオパネルを当該真空容器の輻射熱から保護するカップ形状のシールドと、前記シールドの前記カップ形状の上部開口部に配設されるルーバと、再生時に前記クライオパネル及びシールドを昇温する昇温装置とを含み、前記クライオパネル及び前記シールドに前記真空容器内の分子を凝固又は吸着させるクライオポンプにおいて、
   前記シールドは、
   前記カップ形状の底部又は側部に形成される孔部と、
   前記孔部の位置により前記カップ形状の底部に規定される貯留容量であって、再生時に前記ルーバ、前記シールド、又は前記クライオパネルから脱離して液化される水分子を貯留可能な貯留容量を有する水溜部と
   を備える、クライオポンプ。
2. 前記孔部には、前記シールドの内側に向け突出し、当該孔部を囲繞する堰堤部が形成される、請求項１に記載のクライオポンプ。
3. 前記シールドの底面は傾斜しており、かつ、前記孔部は当該傾斜した底面に形成されており、前記水溜部は、当該傾斜面における前記孔部よりも低い領域に形成される、請求項１に記載のクライオポンプ。
4. 前記昇温装置は、前記ディスプレーサを正方向回転及び逆方向回転を行いうる可逆モータを含み、該可逆モータを逆転方向に回転させ、冷凍サイクルを反転させることにより前記シールドを昇温させる、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のクライオポンプ。

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