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。
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。