JP5123103B2

JP5123103B2 - クライオポンプ

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Publication number: JP5123103B2
Application number: JP2008211784A
Authority: JP
Inventors: 秀和田中
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2008-08-20
Filing date: 2008-08-20
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2028-08-20
Also published as: JP2010048132A

Description

本発明は、クライオポンプに関する。

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。

例えば特許文献１及び特許文献２には、気体分子の流入を可能とする切り欠きが設けられた熱シールド板と、その切り欠きからの輻射熱入射を防止するための追加シールドと、を備えるクライオポンプが記載されている。このクライオポンプによれば、ポンプ容器と熱シールド板との間に入りこんだプロセスガスを熱シールド板の内部に導いて２段パネルに凝縮排気することができる。このため、ポンプ容器と熱シールド板との間のプロセスガスによる熱伝導を抑制することができる。よって、熱シールド板の温度上昇ひいてはクライオポンプの排気性能の低下を軽減または防止することができる。
国際公開第２００５／０５００１８号特開２００７−１３２２７３号公報

クライオパネルに凝縮された気体分子は霜または氷として堆積する。その霜が成長してより高温の熱シールド板に接触すると再気化され、クライオポンプは更なる排気をすることができなくなる。よって、高温の部位に接触するまでにパネル上に凝縮排気された気体の量がクライオポンプの最大吸蔵量に大きく影響する。熱シールド板に切り欠き及び追加シールドを設けた場合には、２段パネルに堆積した霜が追加シールドに接触することにより最大吸蔵量に制限が生じるおそれがある。

また、主として熱シールド板の上端開口から気体が進入するから２段パネルのうち最上部のパネルに集中して霜が付着する。最上部のパネルに付着した厚い氷層の表面温度は氷層厚み方向の温度勾配によってパネルよりも高温となる。この氷層表面温度もクライオポンプの最大吸蔵量に影響する。すなわち、氷層表面での気体蒸気圧が、達成すべき目標真空度を超えた場合には、雰囲気から氷層への気体凝縮よりも氷層からの気化のほうが支配的となるため、更なる排気をすることができなくなる。

そこで、本発明は、放射シールドの側面からの気体流入が許容されているクライオポンプの気体吸蔵量をより大きくすることを目的とする。

本発明のある態様のクライオポンプは、クライオポンプ開口を有するクライオポンプケースと、クライオポンプ開口からクライオポンプケースの内部へとクライオポンプケースに非接触に延びる第１シールド部材と、クライオポンプケースの内部においてクライオポンプ開口から離れた位置から第１シールド部材と間隔をあけてクライオポンプケースの内部へとクライオポンプケースに非接触に延びる第２シールド部材と、を含み、クライオポンプケースと第１シールド部材との隙間よりも第２シールド部材との隙間を狭くした放射シールドと、を備える。

この態様によれば、外部からクライオポンプ開口を通じて第１シールド部材とクライオポンプケースとの隙間に進入した気体を第２シールド内部へと効率的に導入することができる。

本発明の別の態様もまた、クライオポンプである。このクライオポンプは、外部の排気対象容積から飛来する気体分子を受け入れるシールド開口を画定するシールド側面を有する放射シールドを備え、シールド開口に垂直な直線的飛来経路で排気対象容積からシールド開口の外側に進入する気体分子の少なくとも一部が該飛来経路を変えることなく放射シールドの内側へと到達するようにシールド側面に開口部が形成されている。

この態様によれば、外部の排気対象容積から放射シールド外側に進入した気体をシールド側面開口を通じてシールド内部へと効率的に導入することができる。

本発明によれば、大きな気体吸蔵量を有するクライオポンプが提供される。

本発明の一実施形態に係るクライオポンプは、外部から放射シールドの外側へと進入した気体分子をシールド側面を通じてシールド内部へと受け入れるように構成されている。放射シールドの外側に直線的に飛来した気体分子が、その直線的飛来経路をそのまま維持して放射シールドの内側へと到達するようにシールド側面に開口が形成されている。このため、放射シールドの外側に進入した気体を効率的にシールド内部へと導くことができる。シールド内部へと導かれた気体は、シールド内部に設けられた低温クライオパネルに凝縮または吸着される。シールド開口の外側に進入する気体分子が直線的飛来経路を変えることなく放射シールドの内側へと到達するようにシールド側面に開口を設けることで、クライオポンプの気体吸蔵量をより大きくすることができる。

シールド内部においてシールド側面の開口を挟むように複数のクライオパネルを配設することが好ましい。すなわち、シールド側面開口の上方及び下方の双方にクライオパネルを配置することが好ましい。このようにすれば、外部から放射シールド内部へと直接進入した気体を上方のクライオパネルで捕捉するとともに、シールド側面開口からシールド内部に進入した気体は下方のクライオパネルで効率的に捕捉することができる。

放射シールドは複数のパーツを備え、これら複数のパーツにより全体として低温クライオパネルを包囲するように構成されていてもよい。複数のパーツは互いに間隙を有して配設され、この間隙はシールド外部に侵入した気体をシールド内部に流入させることを許容するように形成されていてもよい。複数のパーツは接続部材により互いに接続されていてもよい。

本発明の一実施形態に係るクライオポンプは、クライオポンプケースと、クライオポンプケースと非接触にケース内部に配設される放射シールドと、を備えてもよい。クライオポンプケースは、クライオポンプ内部空間を画定するケース内面と、当該内部空間を外部の排気対象容積へと接続するクライオポンプ開口と、を有する。クライオポンプ開口はケース内面の端部によって画定される。放射シールドは第１シールド部材と第２シールド部材とを含む。第１シールド部材はクライオポンプ開口からケース内面に沿って延在する。第２シールド部材はクライオポンプ開口から離れた位置からケース内面に沿って延在する。第２シールド部材は第１シールド部材よりもシールド底部に近接して配設される。ケース内面と第１シールド部材との隙間を第２シールド部材よりも内側の空間に接続する気体流路を形成するとともに、ケース内面と第１シールド部材との隙間よりもケース内面と第２シールド部材との隙間を狭くしてもよい。これにより、外部の排気対象容積からクライオポンプ開口を通じて第１シールド部材とクライオポンプケースとの隙間に進入した気体を第２シールド内部へと効率的に導入することができる。

第１シールド部材と第２シールド部材とはクライオポンプ開口からクライオポンプ内部に向けて直列に配列されている。第１シールド部材と第２シールド部材との配列方向は例えば、クライオポンプ開口からの気体流入方向に一致する。第１シールド部材と第２シールド部材とは気体流入方向に関して互いに端部を重複させて配置されている。すなわち、第２シールド部材のクライオポンプ開口に近接する先端は、クライオポンプ開口から延びる第１シールド部材の末端よりもクライオポンプ開口に近接する位置に配置される。第２シールド部材の末端は第１シールド部材の末端よりもクライオポンプ開口から離れた位置まで延びている。このように第１シールド部材と第２シールド部材とを一部重ね合わせることにより、クライオポンプケースからシールド内部への熱輻射を低減することができる。

第１シールド部材は、開放されている両端と、該両端の間をケース内面に沿って筒状に延びる第１側面と、を有してもよい。第２シールド部材はケース内面に沿って筒状に延びる第２側面を有してもよい。第２シールド部材は、両端が開放されていてもよいし、第１シールドに近接する一端が開放され他端が閉塞されていてもよい。第１シールド部材の末端部の外面と第２シールド部材の先端部の内面とによってシールド内部への気体流路が形成されていてもよい。第１側面は小径の円筒であり、第２側面は第１側面より大径の円筒であってもよい。第１シールド部材及び第２シールド部材は、中心軸に垂直な断面形状が端部と側面とで同一でもよいし異なっていてもよい。

放射シールドの内側に設けられるクライオパネル構造体は、第１側面に包囲される第１低温クライオパネルと、第２側面に包囲される第２低温クライオパネルと、を含んでもよい。第１低温クライオパネル及び第２低温クライオパネルはそれぞれ複数設けられ、例えばクライオポンプ開口からの気体流入方向に沿って配列される。クライオポンプ開口に最も近い第２クライオパネルは、クライオポンプ開口から最も遠い第１クライオパネルよりも表面積を大きくしてもよいし、あるいは気体流入方向に垂直な面への投影面積を大きくしてもよい。また、クライオポンプ開口から最も遠い第１クライオパネルの気体吸蔵量よりもクライオポンプ開口に最も近い第２クライオパネルの気体吸蔵量が大きくなるようにクライオポンプ開口から最も遠い第１クライオパネルとクライオポンプ開口に最も近い第２クライオパネルとの間隔を調整してもよい。さらに、シールド側面開口に対する第２クライオパネルの位置を調整してもよい。

複数の第１クライオパネルはすべて同じ形状及び寸法を有していてもよいし、互いに異なる形状または寸法を有していてもよい。第１クライオパネルのパネル間隔は均一であってもよいし不均一であってもよい。複数の第２クライオパネルも、すべて同じ形状及び寸法を有していてもよいし、互いに異なる形状または寸法を有していてもよい。第２クライオパネルのパネル間隔は均一であってもよいし不均一であってもよい。また、第１クライオパネルのパネル間隔と第２クライオパネルのパネル間隔とは等しくてもよいし異なっていてもよい。

本発明の一実施形態に係るクライオポンプは、有底シールド部材と開放シールド部材とを含む放射シールドと、有底シールド部材に包囲されている低温クライオパネルと、を備えてもよい。有底シールド部材は、平面に沿って延びる底部と、底部の周縁から該平面に垂直な方向に延びる側部と、を備えてもよい。開放シールド部材は、有底シールド部材の側部の先端との間に隙間を有して配設される端部を有し、有底シールド部材から離れる方向に該端部から延びていてもよい。低温クライオパネルは、有底シールド部材と開放シールド部材との隙間と有底シールド部材の底部との間において、例えば有底シールド部材の底部により近接して配設されていてもよい。

本発明の一実施形態に係るクライオポンプは、ポンプ開口から見てポンプ内部に向けて直列に配列される第１副構造と第２副構造とを備えてもよい。第１副構造及び第２副構造はそれぞれ、放射シールドと低温クライオパネルとを備える。第１副構造は配列方向に垂直方向の寸法が第２副構造よりも小さくされ、第１副構造は第２副構造に対して入れ子状に構成されていてもよい。例えば、第１放射シールドは第２放射シールドよりも小径とされ、第１放射シールドの末端が第２放射シールドの先端に包囲される。第１放射シールドに包囲される第１クライオパネルは、第２放射シールドに包囲される第２クライオパネルよりも小径とされる。また、第１副構造及び第２副構造はともにポンプケースに包囲されており、第１副構造とポンプケースとの間隙を第２副構造とポンプケースとの間隙よりも広くしてもよい。

図１は、本発明の一実施形態に係るクライオポンプ１０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８０に取り付けられて、真空チャンバ８０内部の真空度を所望のプロセスに要求されるレベルにまで高めるために使用される。例えば１０^−５Ｐａ乃至１０^−８Ｐａ程度の高い真空度が実現される。

クライオポンプ１０は、冷凍機１２とパネル構造体１４と熱シールド１６とを備える。パネル構造体１４は複数のクライオパネルを含み、これらのパネルは冷凍機１２により冷却される。パネル表面には気体を凝縮または吸着により捕捉して排気するための極低温面が形成される。クライオパネルの表面（例えば裏面）には通常、気体を吸着するための活性炭などの吸着剤が設けられる。

クライオポンプ１０は、第１の冷却温度レベルに冷却される第１のクライオパネルと、第１の冷却温度レベルよりも低温の第２の冷却温度レベルに冷却される第２のクライオパネルと、を備える。第１のクライオパネルには、第１の冷却温度レベルにおいて蒸気圧が低い気体が凝縮により捕捉されて排気される。例えば基準蒸気圧（例えば１０^−８Ｐａ）よりも蒸気圧が低い気体が排気される。第２のクライオパネルには、第２の冷却温度レベルにおいて蒸気圧が低い気体が凝縮により捕捉されて排気される。第２のクライオパネルには、蒸気圧が高いために第２の温度レベルにおいても凝縮しない非凝縮性気体を捕捉するために表面に吸着領域が形成される。吸着領域は例えばパネル表面に吸着剤を設けることにより形成される。非凝縮性気体は、第２の温度レベルに冷却された吸着領域に吸着されて排気される。第１のクライオパネルは例えば熱シールド１６及びバッフル３２を含み、第２のクライオパネルは例えばパネル構造体１４を含む。

クライオポンプ１０は、いわゆる縦型のクライオポンプである。縦型のクライオポンプとは、熱シールド１６の中心軸方向に沿って冷凍機１２が挿入されて配置されているクライオポンプである。なお、本発明はいわゆる横型のクライオポンプにも同様に適用することができる。横型のクライオポンプとは、熱シールド１６の軸方向に交差する方向（通常は直交方向）に冷凍機の第２段の冷却ステージが挿入され配置されているクライオポンプである。

冷凍機１２は、ギフォード・マクマホン式冷凍機（いわゆるＧＭ冷凍機）である。また冷凍機１２は２段式の冷凍機であり、第１段シリンダ１８、第２段シリンダ２０、第１冷却ステージ２２、第２冷却ステージ２４、及び冷凍機用モータ２６を有する。第１段シリンダ１８と第２段シリンダ２０とは直列に接続されており、互いに連結される第１段ディスプレーサ及び第２段ディスプレーサ（図示せず）がそれぞれに内蔵されている。第１段ディスプレーサ及び第２段ディスプレーサの内部には蓄冷材が組み込まれている。なお、冷凍機１２はＧＭ冷凍機以外の冷凍機であってもよく、例えばパルスチューブ冷凍機を用いてもよい。

第１段シリンダ１８の一端に冷凍機用モータ２６が設けられている。冷凍機用モータ２６は、第１段シリンダ１８の端部に形成されているモータ用ハウジング２７の内部に設けられている。冷凍機用モータ２６は、第１段ディスプレーサ及び第２段ディスプレーサのそれぞれが第１段シリンダ１８及び第２段シリンダ２０の内部を往復動可能とするように第１段ディスプレーサ及び第２段ディスプレーサに接続される。また、冷凍機用モータ２６は、モータ用ハウジング２７の内部に設けられている可動バルブ（図示せず）を正逆回転可能とするように当該バルブに接続される。

第１冷却ステージ２２は、第１段シリンダ１８の第２段シリンダ２０側の端部すなわち第１段シリンダ１８と第２段シリンダ２０との連結部に設けられている。また、第２冷却ステージ２４は第２段シリンダ２０の末端に設けられている。第１冷却ステージ２２及び第２冷却ステージ２４はそれぞれ第１段シリンダ１８及び第２段シリンダ２０に例えばろう付けで固定される。

冷凍機１２には、高圧配管４２及び低圧配管４４を介して圧縮機４０が接続される。冷凍機１２は、圧縮機４０から供給される高圧の作動気体（例えばヘリウム等）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に寒冷を発生させる。圧縮機４０は、冷凍機１２で膨張した作動気体を回収し再び加圧して冷凍機１２に供給する。

具体的には、まず圧縮機４０から高圧配管４２を通じて冷凍機１２に高圧の作動気体が供給される。このとき、冷凍機用モータ２６は、高圧配管４２と冷凍機１２の内部空間とを連通する状態にモータ用ハウジング２７内部の可動バルブを駆動する。冷凍機１２の内部空間が高圧の作動気体で満たされると、冷凍機用モータ２６により可動バルブが切り替えられて冷凍機１２の内部空間が低圧配管４４に連通される。これにより作動気体は膨張して圧縮機４０へと回収される。可動バルブの動作に同期して、第１段ディスプレーサ及び第２段ディスプレーサのそれぞれが第１段シリンダ１８及び第２段シリンダ２０の内部を往復動する。このような熱サイクルを繰り返すことで冷凍機１２は第１冷却ステージ２２及び第２冷却ステージ２４に寒冷を発生させる。また、圧縮機４０においては、冷凍機１２から吐出された作動気体を高圧に圧縮して冷凍機１２に送出する圧縮サイクルが繰り返される。

第２冷却ステージ２４は第１冷却ステージ２２よりも低温に冷却される。第２冷却ステージ２４は例えば１０Ｋ乃至２０Ｋ程度に冷却され、第１冷却ステージ２２は例えば８０Ｋ乃至１００Ｋ程度に冷却される。第１冷却ステージ２２には第１冷却ステージ２２の温度を測定するための第１温度センサが取り付けられており、第２冷却ステージ２４には第２冷却ステージ２４の温度を測定するための第２温度センサが取り付けられている。

熱シールド１６、バッフル３２、パネル構造体１４、及び冷凍機１２の第１冷却ステージ２２及び第２冷却ステージ２４は、ポンプケース３４の内部に収容されている。ポンプケース３４は径の異なる２つの円筒を直列に接続して形成されている。ポンプケース３４の大径の円筒側端部は開放されてクライオポンプ開口３１を形成し、真空チャンバ８０との接続用のフランジ部３６が径方向外側へと延びて形成されている。ポンプケース３４及び熱シールド１６はともに円筒状に形成されており、同軸に配設されている。ポンプケース３４の内径が熱シールド１６の外径を若干上回っているので、熱シールド１６はポンプケース３４の内面との間に若干の間隔をもって配置される。またポンプケース３４の小径の円筒側端部は冷凍機１２のモータ用ハウジング２７に固定されている。クライオポンプ１０はポンプケース３４のフランジ部３６を介して真空チャンバ８０の排気用開口に気密に固定され、真空チャンバ８０の内部空間と一体の気密空間が形成される。

冷凍機１２の第１冷却ステージ２２には熱シールド１６が熱的に接続された状態で固定され、冷凍機１２の第２冷却ステージ２４にはパネル構造体１４が熱的に接続された状態で固定されている。このため、熱シールド１６は第１冷却ステージ２２と同程度の温度に冷却され、パネル構造体１４は第２冷却ステージ２４と同程度の温度に冷却される。

熱シールド１６は、パネル構造体１４及び第２冷却ステージ２４を周囲の輻射熱から保護するために設けられている。熱シールド１６は、第１シールド５０と第２シールド５２とを含んで構成されている。第１シールド５０及び第２シールド５２はともに円筒状に形成されており同軸に配設されている。第１シールド５０と第２シールド５２の中心軸はポンプケース３４の中心軸に一致する。クライオポンプ開口３１からポンプ底部に向けて第１シールド５０、第２シールド５２の順に直列に配列されている。第１シールド５０は第２シールド５２よりも小径であり、両者は中心軸方向に一部重なり合って配設されている。よって、第１シールド５０は第２シールド５２に対して入れ子状に並べられている。第１シールド５０と第２シールド５２とは、２つのシールド５０、５２が重なり合っている部位において円周方向の複数箇所（例えば９０度おきに４箇所）に設けられた接続部材によって接続される。

第１シールド５０はクライオポンプ開口３１からポンプケース内面３５に沿って中心軸方向にポンプケース３４の大径内部空間３０の中央部まで延在する。第１シールド５０は、両端が開放され、ポンプケース内面３５に平行に延びる円筒側面を有する。第１シールド５０の外面とポンプケース内面３５との間には、第１の隙間５６が円環状に形成される。

またクライオポンプ開口３１にはバッフル３２が設けられている。バッフル３２は、真空チャンバ等からの熱放射から第２冷却ステージ２４およびこれに熱的に接続される低温クライオパネルを保護する。バッフル３２は、パネル構造体１４とは熱シールド１６の中心軸方向手前に間隔をおいて設けられている。バッフル３２は、第１シールド５０のクライオポンプ開口３１側末端に取り付けられており、熱シールド１６と同程度の温度に冷却される。バッフル３２は、例えば、ルーバ構造やシェブロン構造に形成される。バッフル３２は、真空チャンバ８０側から見たときに例えば同心円状に形成されていてもよいし、あるいは格子状等他の形状に形成されていてもよい。なお、バッフル３２と真空チャンバ８０との間にはゲートバルブ（図示せず）が設けられている。このゲートバルブは例えばクライオポンプ１０を再生するときに閉とされ、クライオポンプ１０により真空チャンバ８０を排気するときに開とされる。

一方、第２シールド５２は、ポンプケース３４の大径内部空間３０の中央部からポンプケース内面３５に沿って中心軸方向にポンプ底部まで延在する。第２シールド５２は、第１シールド５０に近接する端部が開放され、ポンプケース内面３５に平行に延びる円筒側面を有し、他端が閉塞されている。第２シールド５２の外面とポンプケース内面３５との間には、第２の隙間５８が円環状に形成される。第２の隙間５８は第１の隙間５６よりも幅が狭い。

第２シールド５２の閉塞部２８は、第２シールド５２の円筒状側面のポンプ底部側端部において径方向内側に向けて延びるフランジ部により形成される。図１に示されるクライオポンプ１０は縦型のクライオポンプであるので、このフランジ部が冷凍機１２の第１冷却ステージ２２に取り付けられている。これにより、熱シールド１６内部に円柱状の内部空間が形成される。冷凍機１２は熱シールド１６の中心軸に沿ってシールド内部空間に突出しており、第２冷却ステージ２４はシールド内部空間に挿入された状態となっている。

なお、横型のクライオポンプの場合には、冷凍機１２は、熱シールド１６例えば第１シールド５０の側面に形成されている冷凍機取付用の開口部から熱シールド１６の中心軸に直交する方向に沿ってシールド内部空間に突出して配置される。冷凍機１２の第１冷却ステージ２２は熱シールド１６の冷凍機取付用開口部に取り付けられ、冷凍機１２の第２冷却ステージ２４はシールド内部空間に配置される。第２冷却ステージ２４にはパネル構造体１４が取り付けられる。よって、パネル構造体１４はシールド内部空間に配置される。パネル構造体１４は、適当な形状のパネル取付部材を介して第２冷却ステージ２４に取り付けられてもよい。

第１シールド５０と第２シールド５２とは中心軸方向に関して互いに端部を重複させて配置され、第１シールド５０の末端が第２シールド５２の先端に包囲されている。言い換えれば、第２シールド５２の先端は第１の隙間５６へと突出している。このようにして、第１シールド５０の末端外面と第２シールド５２の先端内面とによってシールド内部への円環状気体流路５４が形成されている。円環状気体流路５４と第２の隙間５８とは幅が等しい。円環状気体流路５４は、中心軸方向に関してクライオポンプ内部空間の中央部に形成されている。気体流路５４によって、クライオポンプ開口３１に垂直な直線的飛来経路で第１の隙間５６へと進入する気体分子の一部をそのままの飛来経路で第２シールド５２の内側へと到達させることができる。

ポンプ開口からポンプ底部まで一定の径を有する熱シールド側面に切り欠きを設けた従来技術においては、シールド外側に進入した気体分子が切り欠きを通じてシールド内部に直接到達するのは飛来経路がごく狭い斜めの入射角度範囲にある場合に限られる。これに対して本実施形態では気体流路５４が上向きに開放されており、クライオポンプ開口３１に垂直な直線的飛来経路を含むより広い入射角度範囲の気体分子をシールド内部に受け入れることができる。

また、第２シールド５２の側面をポンプケース内面３５に近接させて第１の隙間５６よりも第２の隙間５８を狭くしてもよい。第１の隙間５６に比べて第２の隙間５８を十分に狭くすることにより、第１の隙間５６に進入した気体分子の大半を効率的に第２シールド５２の内部へと導入することができる。第２の隙間５８は、ポンプケース３４から第２シールド部材５２への輻射熱入射、及び、ポンプケース３４と第２シールド部材５２との組み付けの容易性などを考慮して設定してもよい。

第１シールド５０及び第２シールド５２は例えばともに銅またはアルミニウムで形成される。または、両者を異なる材料で形成し、例えば第１シールド５０を熱伝導性の高い例えば銅で形成し、第２シールド５２を熱容量の小さいアルミニウムで形成してもよい。第１シールド５０及び第２シールド５２の表面にコーティングを設けてもよく、例えば黒色塗装などの放射吸収層を形成してもよい。

なお、熱シールド１６の形状は、円筒形状には限られず、角筒形状や楕円筒形状などいかなる断面の筒形状でもよい。典型的には熱シールド１６の形状はポンプケース３４の内面形状に相似する形状とされる。また、第１シールド５０及び第２シールド５２は一体の部材として筒状に構成されていなくてもよく、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。

クライオパネル構造体１４は、クライオポンプ開口３１からポンプ内部に向かう方向すなわち気体流入方向Ａに沿って配列された複数のクライオパネルを備える。これら複数のクライオパネルは配列方向に互いに間隔をあけて配列されている。クライオパネルの配列方向は熱シールド１６の中心軸方向と一致している。

クライオパネルは例えば、それぞれが円すい台の側面の形状、いわば傘状の形状を有する。各クライオパネルは、第２冷却ステージ２４に取り付けられているパネル取付部材６８に取り付けられている。各パネルは、シールド中心軸に垂直な面内でパネル取付部材６８から放射状に延びる円板状の取付部と、放射方向外向きに開口３１から離れるように取付部から延びるパネル側面と、を備える。各パネルのパネル側面のシールド開口３１を向く表面には吸着剤は設けられておらず、裏面には活性炭等の吸着剤（図示せず）が接着されている。各パネルの表面は凝縮面、裏面は吸着面として機能することが意図されている。

また、クライオパネル構造体１４は、上部構造６０と下部構造６５とに区分けされる。クライオポンプ開口３１から内部に向かう方向に沿って上部構造６０、下部構造６５の順に配列されている。上部構造６０は第１シールド５０に包囲され、下部構造６５は第２シールド５２に包囲され、それぞれポンプケース３４からの熱輻射から遮蔽されている。

上部構造６０及び下部構造６５はそれぞれ少なくとも１つのクライオパネルを含み、本実施形態ではそれぞれ２つのクライオパネルを含む。上部構造６０は、クライオパネル６１、６２を備え、下部構造６５は、クライオパネル６６、６７を備える。上部構造６０のクライオパネル６１、６２のパネル間隔と、下部構造６５のクライオパネル６６、６７のパネル間隔とは等しい。上部構造６０及び下部構造６５はそれぞれ、更に多数のクライオパネルを含んでもよい。

上部構造６０と下部構造６５との間に霜収容空間７０が形成される。霜収容空間７０は、上部構造６０の下端のクライオパネル６２よりも下部構造６５の上端のクライオパネル６６のほうがより多くの気体を表面に凝縮するように形成される。そのために例えば、上部構造６０の下端クライオパネル６２と下部構造６５の上端クライオパネル６６とのパネル間隔は、上部構造６０の２つのクライオパネル６１、６２のパネル間隔よりも広くする。また、下部構造６５の上端クライオパネル６６は気体流路５４より下方に配設される。少なくとも、下部構造６５の上端クライオパネル６６の外周末端部は気体流路５４より下方に配設される。これにより、下部構造６５の上端クライオパネル６６の上方に十分な空間が形成され、第１シールド５０などの高温の部位に接触することなく下部構造６５の上端クライオパネル６６に多くの霜を堆積させることができる。

また、上部構造６０の下端クライオパネル６２と下部構造６５の上端クライオパネル６６とのパネル間隔は、下部構造６５のパネル間隔よりも広い。このように下部構造６５のパネル間隔を比較的密にすることで、下部構造６５の近傍におけるシールド内部空間単位体積あたりのパネル面積が大きくなる。よって、クライオポンプの最大吸蔵量を大きくするのに役立つ。また、下部構造６５は気体流路５４よりも下方に配設されている。このため、気体流路５４からポンプ底部に向けて進入した気体分子を下部構造６５によって効率的に捕捉することができる。

また、下部構造６５のクライオパネルは、上部構造６０のクライオパネルよりも大径とされている。具体的には、上部構造６０のクライオパネルよりも下部構造６５クライオパネルのほうがパネル側面が放射状に長く延びている。これにより、下部構造６５のほうが上部構造よりもクライオパネルの表面積が大きい。その結果、霜収容空間７０の形成とも相俟って、上部構造６０の下端クライオパネル６２よりも下部構造６５の上端クライオパネル６６の単位面積当たり気体吸蔵量を大きくすることができる。

なお本実施形態では最上部のクライオパネル６１と上部構造６０の他のクライオパネル６２とは同一の形状及び寸法であるが、他のクライオパネル６２を最上部のクライオパネル６１よりも小さくしてもよい。また、下部構造６５の上端クライオパネル６６よりも下部構造６５の他のクライオパネル６７を小さくしてもよい。

パネル取付部材６８は一端が閉塞され他端が開放されている円筒状の形状を有し、閉塞された端部が第２冷却ステージ２４の上端に取り付けられて円筒状側面が第２冷却ステージ２４を取り囲むように熱シールド１６の底部に向けて延びている。パネル取付部材６８の円筒状側面に複数のパネルが互いに間隔をあけて取り付けられている。なお、横型のクライオポンプにおいては、上部構造６０及び下部構造６５がそれぞれ上部パネル取付部材及び下部パネル取付部材を介して第２冷却ステージ２４に取り付けられていてもよい。

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を用いて真空チャンバ８０内部を１Ｐａ程度にまで粗引きする。その後クライオポンプ１０を作動させる。冷凍機１２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が冷却され、これらに熱的に接続されている熱シールド１６、バッフル３２、パネル構造体１４も冷却される。

冷却されたバッフル３２は、真空チャンバ８０からクライオポンプ１０内部へ向かって飛来する気体分子を冷却し、その冷却温度で蒸気圧が充分に低くなる気体（例えば水分など）を表面に凝縮させて排気する。バッフル３２の冷却温度では蒸気圧が充分に低くならない気体はバッフル３２を通過して熱シールド１６内部へと進入する。進入した気体分子のうちパネル構造体１４の冷却温度で蒸気圧が充分に低くなる気体は、パネル構造体１４の表面に凝縮されて排気される。その冷却温度でも蒸気圧が充分に低くならない気体は、パネル構造体１４の表面に接着され冷却されている吸着剤により吸着されて排気される。このようにしてクライオポンプ１０は真空チャンバ８０内部の真空度を所望のレベルに到達させることができる。

図２は、排気運転中のクライオポンプ１０を模式的に示す図である。図２に示されるように、クライオポンプ１０のパネル構造体１４には凝縮した気体からなる氷層が堆積している。クライオポンプ１０の排気対象容積が例えばスパッタ装置の真空チャンバである場合には、この氷層の主成分は例えばアルゴンである。この氷層は排気運転時間とともに成長して厚みが増していく。図２においては、真空チャンバ８０からポンプ内部への気体の流れを模式的に矢印で示している。

図３は、比較のために、排気運転中の従来のクライオポンプ１００の一例を示す図である。このクライオポンプ１００は等しい形状の複数のクライオパネル１０２が均等間隔で配列されている。放射シールド１０４はポンプ開口に向く開口部のみが気体の流入を許容している。この場合、図示されるように、ポンプの上部に配置されるクライオパネルほど気体分子が到達し易いので、開口に近接するクライオパネルにより厚い霜が堆積する。特に開口に対向する最上部のパネルには多量に霜が堆積する。

放射シールドとの氷層の接触が生じないことを前提として、クライオポンプは原理的には、低温クライオパネルに堆積した氷層表面での気体蒸気圧が達成すべき真空度を超えるまで排気が可能である。氷層表面での気体蒸気圧が達成すべき真空度を超えた場合には、雰囲気から氷層への気体凝縮よりも氷層からの気化のほうが支配的となるため、更なる排気をすることができない。クライオパネル表面から氷層表面に向けて徐々に温度が上昇する温度分布が生じており、氷層表面での気体蒸気圧は氷層表面の温度によって決まる。よって、いずれかのクライオパネルにおいて氷層が成長して厚くなり氷層表面温度が高くなり、氷層表面での気体蒸気圧が達成すべき真空度を超えたときの気体吸蔵量がクライオポンプの最大の吸蔵量となる。

したがって、図３に示されるクライオポンプ１００においては、上方のクライオパネルに氷層堆積が偏在しているので、上方（例えば最上部）のクライオパネルが最大吸蔵量を決定する。このとき、下方のクライオパネルはいずれも潜在的には更なる排気が可能であるにもかかわらず、この潜在的排気能力は活用されないことになる。

これに対して、本実施形態に係るクライオポンプ１０においては、図２に示されるように、クライオポンプ開口３１からポンプ内部への主たる気体経路に加えて、気体流路５４によって副気体経路が形成されている。この副気体経路は、ポンプケース３４と熱シールド１６との隙間から気体が進入し、シールド中心軸方向に沿ってこの隙間を進み、気体流路５４を通ってシールド内部に至る。シールド内部に至った気体分子は、主として下部構造６５のクライオパネル６６、６７の表面に凝縮される。

このように本実施形態では、主気体経路に加えて、ポンプ内部への気体流入を促進する追加の気体経路が形成されている。クライオポンプ中心軸に垂直な断面積をシールド主開口よりもシールド底部で大きくして、クライオポンプ開口を向く副吸気口をシールド側面に設けている。具体的には放射シールドを上下に分割し上方のシールドを下方のシールドよりも小さくして直列に配列することで、上方に開放された気体経路を分割シールド間に形成している。よって、主気体経路によっては気体分子が到達しにくい下方のクライオパネルにも副吸気口を通じて気体が効率的に到達し、下方のクライオパネルの排気能力も充分に活用することができる。また、最上部のクライオパネルへの氷層堆積の偏在を緩和することができる。このため、クライオポンプの最大吸蔵量を高めることができる。

また気体経路５４が放射シールドとポンプケースとの間に進入した気体をシールド内部に流入させることにより、放射シールドとポンプケースとの間の気体圧力が低減され、気体による放射シールドへの熱伝導も抑制される。よって放射シールドの温度上昇も抑えることができる。

なおここで、「上」及び「下」はクライオポンプ開口３１との位置関係をわかりやすく示すために便宜上用いているにすぎず、鉛直方向に関して上方または下方であると限定する趣旨ではない。すなわち、クライオポンプ開口３１に相対的に近いことを「上」、相対的に遠いことを「下」と便宜上表現している。あるいは、ポンプ底部から相対的に遠いことを「上」、相対的に近いことを「下」と呼んでいるにすぎないものと留意されたい。

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。

例えば、クライオポンプ中心軸に垂直なシールド側面断面積をシールド主開口からシールド底部に向けて連続的に大きくして、シールド側面にクライオポンプ開口を向く副吸気口を設けてもよい。この場合、シールド側面は例えば、クライオポンプ中心軸を含む面における断面がポンプ中心軸に対して斜めとなる。副吸気口はシールド全周にわたって設けられていてもよいし、シールド側面の周方向に沿って複数箇所に離散的に形成された開口であってもよい。

また、放射シールドとクライオポンプケースとの間隔は、クライオポンプケースの断面形状を異ならせることによって調整されてもよい。例えば、第１シールド５０と第２シールド５２とを同径に形成し、クライオポンプケース内面３５のうち第１シールド部材５０に相当する部位の径を大きくして第１の隙間５６を広くして、第２シールド部材５２に相当する部位の径を小さくして第２の隙間５８を狭くするようにしてもよい。

他の変形例として、副吸気口は、シールド中心軸方向に沿って複数の位置に設けられてもよい。例えば、副吸気口が２箇所に設けられる場合には、クライオパネル構造体は上部副構造、中部副構造、及び下部副構造の３つに区分けされてもよい。この場合、上部副構造よりも中部副構造を、中部副構造よりも下部副構造を大きくして入れ子状に構成してもよい。

また、クライオパネルは上述の傘状の形状に限られず、他の形状であってもよい。例えば、シールド中心軸を含む平面に沿って延びる平板パネルが放射状に複数延びる構成でもよい。この場合も、上部構造と下部構造とにクライオパネル構造体を区分けして霜収容空間を形成することが可能である。

クライオポンプの一実施例を模式的に示す図である。排気運転中のクライオポンプを模式的に示す図である。クライオポンプの一例を模式的に示す図である。

符号の説明

１０クライオポンプ、１２冷凍機、１４パネル構造体、１６熱シールド、３１クライオポンプ開口、３２バッフル、５６第１の隙間、５８第２の隙間、６０上部構造、６５下部構造、７０霜収容空間。

Claims

クライオポンプ開口を有するクライオポンプケースと、
クライオポンプ開口からクライオポンプケースの内部へとクライオポンプケースに非接触に延びる第１シールド部材と、クライオポンプケースの内部においてクライオポンプ開口から離れた位置から第１シールド部材と間隔をあけてクライオポンプケースの内部へとクライオポンプケースに非接触に延びる第２シールド部材と、を含み、クライオポンプケースと第１シールド部材との隙間よりも第２シールド部材との隙間を狭くした放射シールドと、
第１シールド部材に包囲される第１クライオパネル構造を含み、放射シールドよりも低温に冷却されるクライオパネル構造体と、を備えることを特徴とするクライオポンプ。
第１シールド部材及び第２シールド部材はそれぞれ筒状に形成されクライオポンプケースの内部へと延び、第１シールド部材と第２シールド部材とは直列に配列されており、
クライオパネル構造体は、第２シールド部材に包囲される第２クライオパネル構造を含むことを特徴とする請求項１に記載のクライオポンプ。
第１クライオパネル構造は、第１シールド部材及び第２シールド部材の配列方向に沿って配列されている複数の第１クライオパネルを含み、第２クライオパネル構造は当該配列方向に沿って配列されている複数の第２クライオパネルを含み、
クライオポンプ開口に最も近い第２クライオパネルをクライオポンプ開口から最も遠い第１クライオパネルよりも大きくしたことを特徴とする請求項２に記載のクライオポンプ。
第１クライオパネル構造は、第１シールド部材及び第２シールド部材の配列方向に沿って配列されている複数の第１クライオパネルを含み、第２クライオパネル構造は当該配列方向に沿って配列されている複数の第２クライオパネルを含み、
クライオポンプ開口に最も近い第２クライオパネルの単位面積当たり気体吸蔵量がクライオポンプ開口から最も遠い第１クライオパネルの単位面積当たり気体吸蔵量よりも大きくなるように、クライオポンプ開口から最も遠い第１クライオパネルとクライオポンプ開口に最も近い第２クライオパネルとの間隔を調整したことを特徴とする請求項２に記載のクライオポンプ。
第１シールド部材と第２シールド部材とは互いに端部を重複させて配置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。
クライオパネル構造体は、第２シールド部材よりもクライオポンプ開口に近接する部分を備え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。
クライオポンプ開口を有するクライオポンプケースと、
クライオポンプ開口からクライオポンプケースの内部へとクライオポンプケースに非接触に延びる第１シールド部材と、クライオポンプケースの内部においてクライオポンプ開口から離れた位置から第１シールド部材と間隔をあけてクライオポンプケースの内部へとクライオポンプケースに非接触に延びる第２シールド部材と、を含み、クライオポンプケースと第１シールド部材との隙間よりも第２シールド部材との隙間を狭くした放射シールドと、を備え、
放射シールドは、第１シールド部材に取り付けられ、クライオポンプ開口に設けられているバッフルを備え、
第２シールド部材は、バッフルよりも下方からクライオポンプケースの内部へと延びていることを特徴とするクライオポンプ。
第２シールド部材は、クライオポンプケースの中央部からクライオポンプ底部へと延びていることを特徴とする請求項７に記載のクライオポンプ。
外部の排気対象容積から飛来する気体分子を受け入れるシールド開口を画定するシールド側面を有する放射シールドを備えるクライオポンプであって、
シールド開口に垂直な直線的飛来経路で前記排気対象容積からシールド開口の外側に進入する気体分子の少なくとも一部が該飛来経路を変えることなく放射シールドの内側へと到達するようにシールド側面に開口部が形成されており、
前記開口部よりも上方に設けられている少なくとも１つの低温クライオパネルを備えることを特徴とするクライオポンプ。