JP5254993B2 - 圧力バーストが生じない大容量クライオポンプ - Google Patents

Description

本発明は、クライオポンプ、クライオポンプ用の輻射シールド、およびクライオポンプにおける気体の流れまたは凝縮物の成長を管理して圧力急上昇を防止する方法に関する。

関連出願

本願は、２００７年１月１７日付の米国仮特許出願第60/880,859号の優先権を主張し、その全体を参照によって本明細書に取り入れたものとする。本願は、さらに、２００７年１月２６日付の米国仮特許出願第60/897,666号の優先権を主張し、その全体を参照によって本明細書に取り入れたものとする。

今日利用可能なクライオポンプは、極低温の開サイクルで冷却されるものであっても、または極低温の閉サイクルで冷却されるものであっても、ほぼ同一の設計概念に基づいたものである。通常４°〜２５°Ｋ（ケルビン）で動作する低温の第２ステージアレイが、主要な排気面である。この排気面は、通常５０°〜１３０°Ｋ（ケルビン）で動作される高温の円筒で囲まれており、当該高温の円筒は、上記低温の第２ステージアレイの輻射シールドとして作用する。この輻射シールドは、一般的にハウジングを有している。当該ハウジングは、前部アレイ近傍の箇所を除いて閉じられている。輻射シールドは、上記主要な排気面と真空排気されるチャンバとの間に位置している。第１ステージである上記高温の前部アレイが、水蒸気などの高沸点気体を排気する部位となる。

動作時には、水蒸気などの高沸点気体が上記前部アレイに凝縮する。低沸点気体は、この前部アレイを通過して輻射シールド内の体積空間へと進入し、上記第２ステージアレイに凝縮する。当該体積空間内には、第２ステージアレイ以下の温度で動作する、吸着剤（チャコールやモレキュラーシーブなど）による被覆面も設けられている場合がある。この吸着剤は、極低沸点気体を除去したり捕捉したりする。これらの排気面に気体が凝縮または吸着されることにより、作業チャンバ内において真空が得られる。

閉サイクルの冷却装置によって冷却されるシステムでは、当該冷却装置は典型的に２段型の冷凍機であり、輻射シールドを貫いて延びるコールドフィンガを備えている。この冷凍機において最も低温である第２ステージにおける冷端部が、当該コールドフィンガの先端部に該当する。上記主要な排気面すなわちクライオパネルは、コールドフィンガの第２ステージの最冷端部に設けられたヒートシンクに接続されている。このクライオパネルは、第２ステージのヒートシンクの周囲に配置され且つこのヒートシンクに接続された、単純な金属板、カップ、または金属製のバッフルの円筒状アレイであり得る。この第２ステージのクライオパネルは、さらに、低温吸着剤を担持するものであり得る。

上記輻射シールドは、冷凍機の第１ステージの最冷端部に設けられたヒートシンクすなわちヒートステーションに接続されている。この輻射シールドは、第１ステージのクライオパネルを、輻射熱から保護するようにして取り囲んでいる。

凝縮残留気体は、クライオポンプの主要な凝縮面または主要でない凝縮面に形成され得る。排気は、主要な排気面において起こる。主要な排気面には、第２ステージアレイセットの外側部が含まれ、この外側部が、第２種ガスが主要な開口部から第２ステージに進入する（すなわち、輻射シールドの開口部から進入して前部アレイを通って第２ステージに進入する）際に最初に衝突する部位である。この主要な排気面は、上記主要な開口部からの気体の最初の衝突から護られるアレイプレートの面を含まない。さらに、主要な排気面は、アレイプレートの下側、他のプレートと対向するアレイプレートにおける上部、プレート同士を互いに取り付けるのに用いられるか、またはプレートを第２ステージのヒートステーションに取り付けるのに用いられるブラケットを含まない。これらの面は、主要でない面とみなされる。主要でない面には、ダイオード用の配線や第２ステージに熱的に接続された他の電気部品、ヒータカートリッジ、および第２ステージの円筒状のシールドが含まれ得るが、これらに限定されない。気体は、前部アレイを通って第２ステージの排気領域に直接進入することもあるし、二次的な開口部を通って進入することもある。この二次的な開口部には、排出孔、電気配線／給電に用いられる貫通孔、パージ孔、ヒータおよび他の装置が含まれるが、これらに限定されない。

二次的な排気面におけるガス種の堆積率は、主要な排気面に比べて遥かに低い。このため、二次的なアレイ面には、応力を有する膜または平面状膜が形成される。この膜の全体的な構造は平面状またはシート状である。半導体産業のほとんどの反応性スパッタリング用途で一般に利用される単純な２種混合気体を排気したものであっても、氷結物の微細組織は複雑なものとなる。さらに、氷結物は、チャンバから排気される特定の物質に応じて、数種の異なる気体で構成された、層状の氷結体になることがある。チャンバからは、異なる様々な気体が排気され得るが、本発明は特定の気体に限定されるものではない。

クライオポンプの主要でない凝縮面における凝縮物は、内部引張応力または内部圧縮応力を生じ得る。この応力は、気体の圧力（気体の到達率）、気体の温度、または気体が堆積する表面の温度など膜成長条件や、膜の構造欠陥によって生じ得る。主要な凝縮面では、一般的に、氷結物は厚い柱状の膜を形成する（大量の気体分子）。この柱状の膜はクライオアレイの主要な排気面上に分布する。

詳細には、クライオポンプの主要でない凝縮面に形成する凝縮物の内部応力、すなわち平面状膜の内部応力は、時間が経つにつれて、また、堆積する膜が増えるにつれて増大する。凝縮物の厚さが増すと、膜における応力が大きくなり、平面状膜は壊れたり割れたりし、フレークすなわち凝縮気体の固体片を生じる。これらフレークは好ましくない。

フレークが砕けると、当該砕けたフレークは、主要でない凝縮面から自然に放出された後、第１ステージの熱のある面など、クライオポンプの比較的高温の面に向かって落下する場合がある。フレークが前記比較的高温の面に熱的に接触すると、フレークの温度が上昇して相変化を生じる、すなわち固体相から気体相に昇華する。フレークのサイズによっては、フレークが昇華することで発生する気体が、排気されたチャンバに再進入して圧力急上昇（pressure excursion）を引き起こす可能性がある。この圧力急上昇は、排気されたチャンバ内の真空条件に悪影響を及ぼし得る。圧力急上昇により、製造工程を中断させたり、さらには、装置を停止させ、再生処理動作を行ってクライオポンプから全ての凝縮気体を除去させたりすることになりかねない。

本発明のクライオポンプは、少なくとも第１ステージおよび第２ステージを有する冷凍機と、輻射シールドとを備えている。輻射シールドは第２ステージを囲み、第１ステージと熱的に接触している。輻射シールドは、再生処理時に極低温の液体が通過できる排出孔を有するものであってよい。上記クライオポンプは、さらに、吸着剤を担持して第２ステージと熱的に接触する第２ステージアレイを備えている。第２ステージアレイは、主要な凝縮面、吸着剤を有する保護面、および当該クライオポンプに進入する気体が最初に衝突しない主要でない凝縮面を含む。邪魔部材が前記排出孔を覆うように配置されている。排出孔を通って進入する気体は、輻射シールドの内部体積空間から外へと再案内されるか、またはシールドの内面に沿って流れるように再案内される。この位置の制御により、主要でない凝縮面に気体が凝縮することが防止される。上記邪魔部材は、主要な凝縮面で気体が凝縮するよう当該気体を案内する。他の実施形態では、パージ孔または給電に用いられる貫通孔を閉塞部材で塞ぐことによって気体を再案内するようにし、主要でない凝縮面に凝縮しないようにしてもよい。

本発明のクライオポンプは、他の実施形態において、少なくとも第１ステージおよび第２ステージを有する冷凍機を備えている。第２ステージは円筒を含む。このクライオポンプは、さらに、第２ステージを囲み第１ステージと熱的に接触する輻射シールドを備えている。第２ステージの円筒状のシールドが、第２ステージの最も低温の部位と熱的に接触し、第２ステージの円筒を囲んでいる。前記円筒状のシールドと、第１ステージと熱的に接触するかまたは輻射シールドと接触する延設部との間に、均一な温度差を有する通路が形成されている。これにより、前記円筒状のシールドの低温面に分子が確実に衝突して凝縮し、気体分子は円筒状のシールドに緊密に密着するので、気体分子が第２ステージの冷凍機円筒に凝縮することが防止される。

前記円筒状のシールドは、前記延設部の近傍に位置した端部を有し、この端部はフレア形状である。このフレア部により、延設部と円筒状のシールドとの間にクリアランスが形成される。このクリアランスは、前記端部における氷結物が延設部に接触することを防いだり、延設部において氷結物が成長することを防いだりするのに適したものである。延設部に氷結物が成長すると、壊れて、フレークを形成し、圧力急上昇を引き起こす可能性がある。

本発明のクライオポンプは、本発明の開示の他の態様によると、少なくとも第１ステージおよび第２ステージを有する冷凍機を備えている。このクライオポンプは、さらに、第２ステージを囲み第１ステージと熱的に接触する輻射シールドを備えている。このクライオポンプは、さらに、吸着剤を担持して第２ステージと熱的に接触する第２ステージアレイを備えている。第２ステージアレイは、主要な凝縮面、吸着剤を有する保護面、および主要でない凝縮面を含む。前記主要でない凝縮面は、凝縮氷結物が成長する面に形成された表面突起部を備えている。この突起部は、主要でない凝縮面に気体が堆積した際の凝縮物の亀裂形成応力を軽減することができる。

他の実施形態では、前記表面の突起部により、「低応力」の堆積膜が形成される。好ましくは、前記表面の突起部は、連続的な堆積膜が形成することを妨げる。一実施形態において、表面の突起部は、主要でない凝縮面に設けられたパターンを含むものであってもよい。主要でない凝縮面は、粗い表面構造を有する平面を含み得る。この表面構造は、当該平面に対する型押し作業などの製造工程によって形成することができる。クライオポンプにおいて複数の気体流路を管理することにより、主要でない面に気体が注入されることを最小限に抑えるか、または完全になくしている。

上記クライオポンプにおいて、輻射シールドは、密封されたダイオード孔を有したり、輻射シールドに設けられたパージ孔が位置する箇所を閉塞するように一般的に設けられた閉塞部材を有したりし得る。輻射シールドは、排出孔を覆うようにして設けられた邪魔部材を備え、これにより、主要でない凝縮面から主要な凝縮面に気体を再案内して当該気体を捕捉し、圧力急上昇を防ぐものであってもよい。上記クライオポンプは、主要でない凝縮面に気体が堆積した際に凝縮物の非連続な膜が形成される面を有するものであってもよい。主要な凝縮面は切欠部を有しており、この切欠部は、輻射シールドと接触している面に氷結物が熱的に接触することを防ぐ。この面は約１００°Ｋ（ケルビン）になり得る。前記主要な凝縮面により、不均一な膜厚を有する堆積膜が形成され得る。この不均一な膜厚によって当該堆積膜の亀裂が防止される。

本発明のクライオポンプは、他の実施形態によると、少なくとも第１ステージおよび第２ステージを有する冷凍機と、前記第２ステージを囲み、前記第１ステージと熱的に接触する輻射シールドとを備える。このクライオポンプは、吸着剤を担持し且つ前記第２ステージと熱的に接触する第２ステージアレイを備えている。当該第２ステージアレイは、主要な凝縮面、吸着剤を有する保護面、および主要でない凝縮面を含む。主要な排気面は、第１の部位および第２の部位に区切られた最上位のプレートを含む。前記第１の部位と前記第２の部位とは、強固に接続されており、これにより、当該第１の部位および第２の部位に形成され堆積する凝縮物の相対運動を防止することができる。

一実施形態において、前記第１の部位と前記第２の部位とはブラケットによって接続されている。他の実施形態において、前記第１の部位と前記第２の部位とは連結式のインターフェースで接続されている。また、前記第１の部位と前記第２の部位とを半田付けによって接続してもよい。前記最上位のプレートは、その最上位の平面において氷結物が一様に分布できるように構成されている。

前記最上位のプレートは、その径方向面に切欠部を有するものであってもよい。この切欠部は、前記輻射シールドと熱的に接触する約１００°Ｋ（ケルビン）の延設部に氷結物が接触することを防ぐ。この切欠部は、実質的に２つの面が直交する形状であってもよい。前記最上位のプレートは、第１の部位が前記第２の部位に上方から一部重なり合うものであってもよいし、第２の部位が第１の部位の上方から一部重なり合うものであってもよい。変形例として、前記最上位のプレートは３つ以上の部位で形成されており、前記３つ以上の部位は、互いに機械的に接続され、相対運動を抑制する。

他の実施形態は、最上位のプレートの第１の部位および第２の部位で構成される主要な排気面における凝縮物の成長を管理する方法である。この凝縮物成長管理方法は、前記真空容器と前記輻射シールドとの間に形成された環状空間から気体の流れを遮断することを含む。さらに、前記主要な排気面に前記流れを再案内すること、および前記主要な排気面において前記気体を凝縮させて厚い氷結物を形成することを含む。また、上記方法は、前記第１の部位と前記第２の部位とを互いに強固に機械的に接続することを含む。この強固な接続により、クライオポンプの動作時において、前記第１の部位に堆積する凝縮物が、前記第２の部位に堆積する凝縮物を移動させたりこれに接触したりするのを防ぐことができる。

本発明のクライポンプは、他の実施形態において、少なくとも第１ステージおよび第２ステージを有する冷凍機と、前記第２ステージを囲み前記第１ステージと熱的に接触する輻射シールドとを備える。このクライオポンプは、さらに、吸着剤を担持し且つ前記第２ステージと熱的に接触する主要な排気面を備えている。主要な排気面は、主要な凝縮面、吸着剤を有する保護面、および主要でない凝縮面を含む。このクライオポンプは、（ｉ）前記主要でない凝縮面における凝縮物を最小限に抑える構造体（邪魔部材、フレア部、閉塞部材など）、および（ｉｉ）前記主要でない凝縮面に気体が堆積した際の凝縮物における亀裂形成応力を最小限に抑える第２の構造体（突起部または構造など）の少なくとも１つを少なくとも備えている。

クライオポンプの主要でない凝縮面に凝縮した純粋気体の薄膜堆積物の図であって、凝縮物に幾つかの亀裂が入ってフレークが生じている様子を示した図である。 クライオポンプの主要でない凝縮面に凝縮した混合気体の薄膜堆積物の図であって、圧力急上昇を引き起こし、凝縮物における重度の亀裂およびフレークの形成を示した図である。 クライオポンプの面に堆積する、内部応力を有する膜を示した図である。 クライオポンプの面に堆積する、内部応力を有する膜を示した図である。 クライオポンプの面に堆積する、内部応力を有する膜を示した図である。 膜において一般に確認される複数の亀裂パターンのうちの１つを示す図である。 膜において一般に確認される複数の亀裂パターンのうちの他の１つを示す図である。 膜において一般に確認される複数の亀裂パターンのうちのさらなる他の１つを示す図である。 第１の実施形態の圧力グラフであって、１ｘ１０^−７トル（Ｔｏｒｒ）の一定の回復真空圧力を有する排気されたチャンバについての圧力グラフである。 フレークが剥離して昇華したことに起因する数回の圧力急上昇を含む１ｘ１０^−７トル（Ｔｏｒｒ）の真空圧力を有する、排気されたチャンバについての圧力グラフである。 排出孔を介した気体流を防止する邪魔部材を備えた、第１実施形態のクライオポンプを示す側面図である。 真空容器とスパッタリングプレートとを取り除いた、クライオポンプの切欠図であって、真空容器間の環状空間から輻射シールドの排出孔を通って上方に流れる好ましくない気体流路を示した図である。 図５Ｂの排出孔を示す拡大図である。 輻射シールドおよび真空容器が形成する環状空間における好ましくない気体流路を示す図である。 クライオポンプの主要でない凝縮面に気体が流れ込まないように最適に寸法合わせされた排出孔を覆うように配置された邪魔部材を備える輻射シールドを示す斜視図である。 主要な凝縮面における柱状の氷結体の形成の初期段階を示す斜視図である。 容量が限界に達した際の主要な凝縮面における柱状の氷結体を示す斜視図である。 スパッタリングシールドを通って延出する柱状の氷結体を示す図である。 第１の半円状のプレートと第２の半円状のプレートとの間に離間部がある最上位のプレートを有するアレイを含む、従来技術の主要な凝縮面を示す図である。 一体品の最上位のプレートと切欠部とを有するアレイを示す図である。 第２ステージの通路を形成する従来技術のシールドを示す図である。 図９の通路を示す側面図である。 図８Ａのシールドの他の実施形態を示す側面図である。 フレア端部を有するシールドを含むアレイを示す切欠図である。 フレア端部を有するシールドを示す断面図である。 第２ステージのシールドおよび第１ステージの延設部を含む第２ステージアレイのアセンブリを示す切欠図である。 パージ孔をなくし且つダイオード配線孔を密封して閉じた輻射シールドを備える、本発明の開示のクライオポンプの一実施形態を、スパッタリングシールドを取り除いて示した上面斜視図である。 第２ステージアレイから延びる氷結物の第１および第２の尖頂体を有する、好ましくない一形態を示す図である。 クライオポンプの１サイクル間における複数回のウェハ作業のあいだのチャンバの回復圧力のグラフであって、圧力急上昇による不十分な回復期間を示したグラフである。 図１５Ａの圧力急上昇の際の、時間と圧力の関係を示したグラフである。 図１５Ａの圧力急上昇の際の、時間と圧力の関係を示したグラフである。 亀裂形成応力を軽減する面の平面図である。 亀裂形成応力を軽減する面の側面図である。 他の実施形態の亀裂形成応力を軽減する面の平面図である。 他の実施形態の亀裂形成応力を軽減する面の側面図である。 面に堆積した平面状膜の亀裂形成応力を軽減するための複数の表面突起部の様々な幾つかの形態のうちの１つを示した図である。 面に堆積した平面状膜の亀裂形成応力を軽減するための複数の表面突起部の様々な幾つかの形態のうちの１つを示した図である。 面に堆積した平面状膜の亀裂形成応力を軽減するための複数の表面突起部の様々な幾つかの形態のうちの１つを示した図である。 面に堆積した平面状膜の亀裂形成応力を軽減するための複数の表面突起部の様々な幾つかの形態のうちの１つを示した図である。 面に堆積した平面状膜の亀裂形成応力を軽減するための複数の表面突起部の様々な幾つかの形態のうちの１つを示した図である。 面に堆積した平面状膜の亀裂形成応力を軽減するための複数の表面突起部の様々な幾つかの形態のうちの１つを示した図である。 面に堆積した平面状膜の亀裂形成応力を軽減するための複数の表面突起部の様々な幾つかの形態のうちの１つを示した図である。 面に堆積した平面状膜の亀裂形成応力を軽減するための複数の表面突起部の様々な幾つかの形態のうちの１つを示した図である。 面に堆積した平面状膜の亀裂形成応力を軽減するための複数の表面突起部の様々な幾つかの形態のうちの１つを示した図である。 側方縁部と突起部との間に間隔が開けられた、面に設けられた複数の突起部の一形態を示す図である。 圧力急上昇を最小限に抑え且つ氷結体を振動から保護するための、アレイの最上位のプレートの幾つかの形態のうち１つを示した図である。 圧力急上昇を最小限に抑え且つ氷結体を振動から保護するための、アレイの最上位のプレートの幾つかの形態のうち１つを示した図である。 圧力急上昇を最小限に抑え且つ氷結体を振動から保護するための、アレイの最上位のプレートの幾つかの形態のうち１つを示した図である。 圧力急上昇を最小限に抑え且つ氷結体を振動から保護するための、アレイの最上位のプレートの幾つかの形態のうち１つを示した図である。

前述の内容は、添付の図面に示された本発明の例示的な実施形態についての詳細な説明から明確になる。図面は、異なる図をとおして同一の符号は同一の部分を示すものとする。図面は必ずしも縮尺どおりではなく、本発明の実施形態を示すことに重点を置いている。

本発明の例示的な実施形態についての説明を以下に示す。

クライオポンプ１０の表面に凝縮して形成される凝縮膜である氷結膜には、厚い柱状の氷結体と薄い平面状膜との２種類がある。図５Ｂおよび図５Ｃにおいて、柱状の氷結体（図５Ｂおよび図５Ｃからは省略した）がアレイ２０の主要な凝縮面１５に形成され得る一方、平面状膜は、クライオポンプ１０（図５Ｂ）の他の主要でない凝縮箇所に形成され得る。一実施形態において、平面状膜は、アレイ２０の最上位のプレート１５（図５Ｂ）の下に配置されたブラケット２５に形成され得る。このブラケット２５は、主要でない凝縮面２５（図５Ｃ）である。図５Ｄにおいて、気体が、真空容器３０と輻射シールド３５との間に位置する環状空間４０に進入することがある。図５Ｄに示されているように、気体は、アレイの最上位のプレート１５に流れ込む代わりに、環状空間４０に進入して矢印Ａ、ＢおよびＣの方向に流れてしまう。次に、この気体は、輻射シールド３５に設けられた開口である排出孔４５を、矢印Ｄの方向に進入する。

平面状の氷結膜は、真空容器３０と輻射シールド３５（図５Ｂ）との間を通る気体によって形成され得る。この気体は、真空容器３０と輻射シールド３５との間に形成された環状空間４０内を、矢印Ｄの方向に通過する。さらに、この気体は、排出孔４５から進入して、ブラケット２５（図５Ｃ）または図５Ｂに示された主要な凝縮面１５以外の領域に凝縮し得る。当該気体は、これらの表面部（ブラケット２５または他の箇所）に上手く凝縮することができるが、その凝縮物は高応力の平面状膜を形成するので、望ましくない。この種の凝縮気体は、経時的にクライオポンプ１０の動作に影響を及ぼし且つ真空チャンバにおける圧力急上昇を引き起こしかねない構造体を形成する。

上記柱状の氷結物Ｆ（図７Ｂに示されている）は、アレイ２０の主要な凝縮面１５に形成する厚い構造体として観察されるものであり、好ましい（図５Ｂ）。平面状の氷結膜は、例えばブラケット２５に形成されるが（図５Ｃ）、この氷結膜は、亀裂、剥離および放出されて、その後に高温の表面上で昇華することがある。この昇華により、処理モジュールまたは搬送室などの真空チャンバに気体が再度進入し、当該チャンバ内の真空条件に影響を及ぼしてしまう可能性があり、望ましくない。これら氷結物のフレークがクライオポンプの高温面に接触すると、圧力急上昇の原因となり、搬送室または処理室での製造作業を中断させることになったり、再生処理動作を行うために製造者が作業を停止させてポンプをウォームアップさせることになったりし得る。製造者は圧力急上昇を完全に防ぎたいので、いずれの場合も喜ばしくない。

応力を有する上記平面状の氷結膜は、純粋気体または混合気体のいずれを排気する場合にも形成し得る。気体が低温面に凝縮する際には、例えば六方最密充填および面心立方などの多数の異なる構造または異なる相が形成され得る。例えば、約７０％のアルゴンと３０％の窒素との混合気体は、１０°Ｋ（ケルビン）で面心立方構造を形成する一方、６０％の窒素および４０％のアルゴンの混合気体はこれと同じ温度で六方最密充填相を形成する。薄い平面状の氷結膜は内部応力を伴って形成され得る。凝縮膜が表面上に堆積してその膜厚が増すにつれて、当該凝縮膜は亀裂を生じることがある。この亀裂およびその後の剥離（もしくは接触点からの小片の落下）は、幾層にもわたる平面状膜内に形成される残留引張応力または残留圧縮応力によって生じる。

金属製の被覆物における微細組織の成長、つまり、クライオポンプ１０の主要な凝縮面１５および主要でない凝縮面２５（図５Ｂ〜図５Ｄ）における氷結物の成長には、基板温度および気体圧力が影響する。氷結物の微細組織は、（ｉ）気体の温度、（ｉｉ）堆積面の温度（基板温度）、および（ｉｉｉ）堆積面に対する気体の導入率（圧力）を含む複数のパラメータに依存する。

主要でない凝縮面２５での気体の圧力または気体の温度が原因で、部分的に結合した複数の柱からなる構造体、すなわち、主要な凝縮面１５（図５Ｂ）に形成される氷結物Ｆの代わりに、平面状膜が当該主要でない凝縮面２５に（図５Ｃのブラケット２５に）形成されることが確認されている。排出孔４５からブラケット２５への、堆積面に対する気体の導入率はゆっくり且つ低圧で生じるので、当該ブラケット２５には柱状の氷結体Ｆ（好ましい）が形成されない。その代わりに、平面状の氷結膜がブラケット２５に堆積して形成される。内部応力は経時的に増大し、この氷結膜を破壊する。フレークが放出され、これがクライオポンプ１０の比較的高温の面に接触する。フレークは昇華し、真空チャンバにおける圧力急上昇を引き起こす。これとは対照的に、図７Ａに示されているような柱状の厚い氷結体を、図５Ｃに示された主要な凝縮面１５に形成するのが望ましい。

図１および図２には、２つの異なる条件下でクライオポンプ１０の主要でない凝縮領域に堆積した平面状膜が示されている。図１の平面状膜は純粋な単一気体で構成されている一方、図２の平面状膜は混合気体で構成されている。異なる気体の凝縮膜による交互の層は、膜層間に大きな応力を形成し得る。図２では、多種の気体膜層間の異なる応力により、膜構造に重度の亀裂および剥離が生じる。図示されているように、図１および図２の平面状膜は、極めて広範囲にわたって規則的なパターンで構成されており、亀裂を生じてフレークを形成することがあり、このフレークが放出され、暖められ、固体から気体に昇華することにより、チャンバ内の真空圧力に影響を及ぼす。さらに、このフレークの放出は予測可能ではなく、自然発生的かつ予測不能に生じる。フレークの無作為な放出により、真空チャンバの真空圧力は突発的かつ制御不能に影響され得る。

図３Ａ〜図３Ｅには、平面状膜において生じ得る多数の異なる亀裂パターンが示されている。まず、図３Ａに示されているように、気体５０が、図５Ｂおよび図５Ｃに示されたアレイ２０のブラケット２５に凝縮する。ブラケット２５の温度、気体の温度、および排出孔４５から進入する気体の圧力が原因で、内部応力を伴った氷結物５５が形成される。この応力は、引張応力（図３Ｂ）または圧縮応力（図３Ｃ）の場合がある。この凝縮物は時間が経つにつれて厚さを増す。また、この凝縮物は様々な組成物を有し得て、組成物によっては、表面に亀裂が生じたり（図３Ｄ）、溝が生じたり（図３Ｅ）、剥離が生じたり、平面状膜層が分離したりする（図３Ｆ）。図３Ｄ〜図３Ｆに示された氷結物形態のいずれも、好ましくない圧力急上昇の原因となり得る。

本発明のクライオポンプは、高応力の平面状膜の量を、亀裂によるフレークが放出されて昇華することで圧力急上昇（接続されたチャンバの真空圧力に影響を及ぼし得る）を引き起こすことのない程度に抑える構造を備えている。本発明のクライオポンプ１０は、さらに、フレークが形成されて当該クライオポンプ１０の比較的高温の部位に熱的に接触することがないようにする構造を備えている。

図５Ａには、本発明の開示内容に関連する極低温ポンプ１００が示されている。この極低温ポンプ１００は、Bartlett et al.に発行された米国特許第5,782,096号明細書に詳細に記載されており、その全体は参照によって本明細書に取り入れたものとする。極低温ポンプ１００は、真空容器１０５を備えており、この真空容器１０５は、当該真空容器１０５をウェハハンドリング用のチャンバにおいて支持するためのフランジ１１０に接続されている。

極低温ポンプ１００は、搬送室または処理室などのチャンバと連通する前部開口１１５を備えている。極低温ポンプ１００は２ステージ型の冷凍機に接続されている。この２ステージ型の冷凍機は、円筒部１２５を介して真空容器１０５内に突出したフィンガ１２０を備えている。一実施形態において、この冷凍機はGIFFORD-MACMAHON冷凍機であってもよいが、他の冷凍機を極低温ポンプである本発明のクライオポンプ１００と共に使用してもよい。クライオポンプ１００は、さらに、モータ１３０に接続されている。このモータ１３０が、コールドフィンガ１２０内の２段式ディスプレーサを駆動する。各サイクル毎に、ヘリウムガスがコールドフィンガ１２０内に圧入され、膨張されて冷却された後、排気される。第１ステージのヒートシンク１３５が第１ステージの冷端部に取り付けられている。同じく第２のヒートシンク１４０は、第２ステージの冷端部に取り付けられている。

クライオポンプ１００の主要な排気面である主要な凝縮面１５０は、第２ステージのヒートシンクすなわちヒートステーション１４０に取り付けられたバッフルのアレイ１５５を含む。このバッフルのアレイ１５５は、２０°Ｋ（ケルビン）以下に保持されている。これにより気体を凝縮させることができ、好ましくは、この主要な排気面１５０（第２ステージのヒートステーション１４０に取り付けられたバッフル１５５）は低凝縮温度の気体を凝縮させ、当該主要な凝縮面１５０に、好適な厚い柱状のパターンの氷結体を形成することができる。クライオポンプ１００は、さらに、カップ状の輻射シールド１６０を備えている。輻射シールド１６０は、第１ステージのヒートシンクすなわちヒートステーション１３５に取り付けられている。コールドフィンガ１２０を含む第２ステージ１４０は、輻射シールド１６０の開口１６５を通って延びている。輻射シールド１６０は第２ステージアレイであるバッフルのアレイ１５５を囲んでおり、輻射による当該アレイ１５５の加熱を最小限に抑えている。好ましくは、輻射シールド１６０の温度は約１３０°Ｋ（ケルビン）未満である。

図６には、バッフルのアレイ１５５および第２ステージのヒートステーション１４０を取り除いた輻射シールド１６０が示されている。輻射シールド１６０の底面１７０には、排出孔１７５が設けられている。この排出孔１７５はクライオポンプ１００の再生処理時に利用される。再生処理時には、クライオポンプ１００は動作を停止され、凝縮物をアレイ１５５から除去するために温度を上昇される。排出孔１７５はほぼ円状であって底面１７０に穿孔されており、再生処理時に液体物質を排出する。

しかしながら、従来技術の排出孔には、極低温ポンプの動作においてチャンバの真空圧力に影響を及ぼすという不利な作用がある。この排出孔は、極低温ポンプの主要でない凝縮面２５に気体が到達することを可能にしてしまう。動作時において、従来技術の排出孔は、真空容器１０５と輻射シールド１６０との間を通って気体が排出孔１７５を通過し、上方に移動してアレイ１５５に到達することを可能にしてしまう。これにより、アレイ１５５の主要でない凝縮領域である凝縮面２５において気体が凝縮することになる。この実施形態では、輻射シールド１６０は、排出孔１７５を覆うようにして接続された「Ｕ」字形の邪魔部材（バッフル）２００を備えている。さらに、排出孔１７５は最適の開口寸法を有している。「Ｕ」字形の邪魔部材２００は、排出孔１７５を覆うようにして配置された、弾性を有する薄い金属製の部材である。好ましくは、上記「Ｕ」字形の邪魔部材２００は、クライオポンプ１００の動作時には排出孔１７５を遮ると同時に、再生処理時には当該排出孔１７５から液体が排出されるようにするものである。「Ｕ」字形に限定せずに、他の邪魔部材が、排出孔１７５を覆うようにして配置されてもよいことは明らかであろう。

水素を捕捉するための吸着剤であるチャコールを有する保護面を含むバッフル１５５を含むクライオポンプ構成品が加温されたり冷却されたりすることにより、チャコールの位置が徐々にずれて破損することがある。このチャコールは排出孔１７５を詰まらせる可能性がある。これに対し、邪魔部材２００には、チャコールを遮断し、排出孔１７５を詰まらせないようにするというさらなる利点がある。この構成では、「Ｕ」字形の邪魔部材２００は、チャコールの小片が排出孔１７５を詰まらせないように適切な高さを有する。

クライオポンプ１００の動作時において、邪魔部材２００は、大量の気体が排出孔１７５を通って真空容器に進入することを確実に防止し、気体が輻射シールド１６０をぐるりと流れて主要な凝縮面１５０に捕捉かつ凝縮されることを確実にする。邪魔部材２００は、排出孔１７５から上方に向かって約０．０９０インチ（２．２９ミリメートル）のクリアランスを有する「Ｕ」字形の中間部の部位２００ｃを備えている。邪魔部材２００は、さらに、底面１７０に溶接された第１のアーム部２００ａおよび第２のアーム部２００ｂを備えている。一実施形態において、邪魔部材２００は、アーム部２００ａの先端からアーム部２００ｂの先端までの長さが１．５インチ（３８．１ミリメートル）であり、その金属の厚さが０．０２インチ（０．５１ミリメートル）である。好ましくは、排出孔１７５は、液体が排出されるように、且つ、気体が中間部の部位２００ｃに接触することによってそこから輻射シールド１６０に進入することなく図５Ａに示された主要な凝縮面１５０へと再案内されるように、最適化かつ幅を狭くされている。他の実施形態において、邪魔部材２００は、図示されているように輻射シールド１６０の内側である内面からではなく、輻射シールド１６０の外側である外面から排出孔１７５を覆うようにして配置してもよい。

動作時において、大部分の気体は排出孔１７５（図５Ａ）から進入することなく主要な凝縮面１５０において捕捉される。さらに、排出孔１７５を通って流れ込もうとする気体は邪魔部材２００によって遮断され、主要でない凝縮面２５ではなく輻射シールド１６０の内面へと再案内される。さらに、図４Ａの排気リットル量と圧力との関係を示すグラフにおいて、チャンバの真空圧力が、１ｘ１０^−７トル（Ｔｏｒｒ）の所望の安定な圧力で示されている。図４Ａでは、約５９６リットルが排気された。

「Ｕ」字形の邪魔部材２００を備えていないクライオポンプの動作と対比されたい。図４Ｂは、排出孔１７５を覆う邪魔部材２００を用いない場合の排気リットル量と圧力との関係を示すグラフである。この場合、２８８リットルしか排気されなかった。詳細には、この形態における排気リットル量と圧力との関係を示すグラフが図４Ｂに示されている。邪魔部材２００を備えた図４Ａの場合と比べて、図４Ｂには、幾つかの圧力スパイク３００ａ，３００ｂ，３００ｃ，３００ｄがある。これらのスパイクは、所望の真空圧力である１ｘ１０^−７トル（Ｔｏｒｒ）から約１ｘ１０^−６トル（Ｔｏｒｒ）以上に圧力が上昇した地点に該当している。これらは、真空チャンバおよび真空チャンバ内で行われる半導体製造処理作業に影響を及ぼしかねない。「Ｕ」字形の邪魔部材２００が、排出孔１７５から気体が不適切にクライオポンプ１００に進入することを防いで当該気体を主要な凝縮面１５０に案内することにより、図４Ｂに示された圧力スパイクを防止すると同時に、輻射シールド１６０からの温度が上昇した凝縮された液体の再生処理機能またはその排出を可能にしていることは理解できるであろう。さらに、邪魔部材２００は、アレイ１５５から脱落しばらばらのチャコールの小片によって排出孔１７５が詰まることを防止する。

図８Ａには、本発明のものとは異なる従来技術のクライオポンプ４００’が示されており、図８Ｂには、これと対比される本発明の開示内容のクライオポンプの他の実施形態が符号４００で示されている。図８Ａに示されているように、この従来技術の実施形態のクライオポンプ４００’は、複数のバッフル４１０’を有する第２ステージ４０５’を備えている。この従来技術の実施形態では、バッフル４１０’の最上位のプレート４１５’が、半円状の複数のバッフル部、すなわち第１のバッフル部４１５ａ’と第２のバッフル部４１５ｂ’とに区切られている。バッフル部４１５ａ’，４１５ｂ’の各々は、ブラケット４２０（図１１）に接続されている。このブラケット４２０は、図１１に示されているように長手方向に延びており、Bartlettに発行された米国特許第4,555,907号明細書に記載されたヒートステーション（図示せず）に接続されている。この米国特許は、その全体を参照によって本明細書に取り入れたものとする。

図８Ａにおいて、第１のバッフル部４１５ａ’と第２のバッフル部４１５ｂ’との間には接続部が設けられており、空間４３０’または溝を形成している。この溝４３０’が、第１のバッフル部４１５ａ’と第２のバッフル部４１５ｂ’との間にあることが分かる。クライオポンプ４００’の動作時には、この溝４３０’により、当該クライオポンプ４００’のバッフル部４１５ａ’，４１５ｂ’に載る凝縮物の総容量が減少してしまう。さらに、この溝４３０’により、第１の半円状のバッフル部４１５ａ’および第２の半円状のバッフル部４１５ｂ’の上面に凝縮する氷結物の形状が影響される。上述したように、当該溝４３０’により、氷結凝縮物は、第１の半円状のバッフル部４１５ａ’および第２の半円状のバッフル部４１５ｂ’上に延びて成長する２つの別体の半円筒状のブロックを形成し得る。詳細には、これらのブロックは、堆積する過程で互いに入り交じることはない。溝４３０’は、バッフル部４１５ａ’，４１５ｂ’間の空間が失われるので、クライオポンプ４００’の総容量を減少させる。

図８Ｂの実施形態のクライオポンプ４００は、図８Ａに示されている第１の半円状のバッフル部４１５ａ’および第２の半円状のバッフル部４１５ｂ’の代わりに、略平面状かつ単一円状であるバッフル４１５を備えている。図８Ｂに示されたこの実施形態において、平面状かつ単一円状のバッフル４１５は、溝４３０’を有する代わりに、図８Ａにおいて当該溝４３０’が設けられていた箇所に平坦面４３０を有している。追加の面であるこの平坦面４３０により、平面状かつ単一円状のバッフル４１５に凝縮し得る氷結物の容量は増加する。さらに、この追加の面４３０は、図８Ａの実施形態と比較して同一の寸法および同一の小さい占有面積を維持したまま、極低温ポンプであるクライオポンプ４００の容量を増加させることができる。

さらに、平面状のバッフル４１５に凝縮する氷結物は、図８Ａにおいて溝４３０’が設けられていた箇所に、柱状の氷結体の比較的大きい円筒状のブロックを形成し得る。凝縮氷結体のこの円筒状の断面は、前述した要因の中でも特に、平面状かつ円状のバッフル４１５の面４３０に凝縮する氷結物が一様に分布することに一般的に由来する。

図７Ａ〜図７Ｃは、図８Ｂの円状のバッフル４１５を含む主要な凝縮面１５０を示す斜視図である。図から分かるように、氷結物Ｆは、緊密に充填した中実円筒形状に形成されている。さらに、この形状により、図８Ａに示された溝４３０’を有する同様な寸法の主要な凝縮面に形成し得る凝縮氷結物と比べて、図８Ｂの実施形態において形成し得る凝縮氷結物の容量が増える。主要な凝縮面１５０を平坦な円状のバッフル４１５（図８Ｂ）によって形成することにより、前述した他の要因と相まって、テスト用のクライオポンプの総容量が５０パーセント超増加したことに留意されたい。一実施形態では、排気される気体の量は、約６５０リットルから１０００リットル超に増加し得る。様々な排気形態が可能であって本発明の開示の範囲に含まれており、上述の増加量は例示に過ぎず、本発明の開示内容を限定するものではない。

図８Ｂにおいて、好ましくは、上記略平面状かつ単一円状のバッフル４１５は、切欠部４５０を有している。切欠部４５０は、バッフル４１５に対し直交した切欠けであってもよい。好ましくは、切欠部４５０は、バッフル４１５と、約５０°〜１２０°Ｋ（ケルビン）温度の輻射シールド（図示せず）に接続されたシールド４５５などの、クライオポンプ４００のより高温の面との間においてのクリアランス距離を形成している。バッフル４１５は主要な排気面１５０を形成している。上記シールド４５５は、クライオポンプ４００の主要な排気面１５０よりも遥かに高温である。切欠部４５０が設けられていることにより、クライオポンプ４００の通常動作および通常サイクルのあいだ、シールド４５５の高温の部位に接することなく氷結物がバッフル４１５に形成することができる。好ましくは、切欠部４５０は、上記シールド４５５からのクリアランスが約０．２５インチ（約６．３５ミリメートル）である。切欠部の様々な寸法形態が可能であり、かつ本発明の開示の範囲に含まれている。

図９に示されているように、他の実施形態において、クライオポンプ９００は延設部９１０を備えている。この延設部９１０と延設部９１０に接続されたシールド９２０とによって通路９１５が形成されており、図示のように、延設部９１０が上面となり、すなわちシールド９２０を囲んでいる。延設部９１０は輻射シールド９３０と熱的に接触しており、延設部９１０の温度は約１００°Ｋ（ケルビン）である。シールド９２０は、ヒートシンク９２５の低温の円筒９２２を覆うものである。図１０が示す上記通路の側面図において、当該通路９１５は、その幅と長さの比が５以上になるように形成されている。シールド９２０（ヒートシンク９２５を囲む（図９））および冷凍機の第１ステージの円筒９２２は、Bartlett達に発行された米国特許第5,156,007号明細書に記載されているものと同一であり、この米国特許は、その全体を参照によって本明細書に取り入れたものとする。

図１０に示されているように、通路９１５は長くて狭い構造を含んでおり、気体分子が当該通路９１５を通りきらないよう確実に防止している（図９）。気体分子は延設部９１０の高温の面に沿って跳ね返る。気体分子は、さらに、ヒートシンクすなわちヒートステーション９２５を囲むシールド９２０に沿って跳ね返り、凝縮する。幅に対する長さの比が５を超えることにより、気体分子が第１ステージの冷凍用の円筒９２２の領域に進入することを確実に防止できる。円筒９２２における凝縮を防止することができるので、円筒９２２からの気体放出による圧力変動を排除できる。

図１３に示されているように、第１ステージと熱的に接触している図９に示された延設部９１０は、円筒状である必要はなく、その代わりに、図１３における延設部９５０として示されているような箱形であってもよい。さらに、延設部９５０は、必要に応じて他の形状であってもよい。この実施形態における延設部９５０は、一般的に、２つの面が直交する形状である。

延設部９５０は、ブラケット９６０によって、第１ステージと熱的に接触する輻射シールド（図示せず）と接触しており、これにより、延設部９５０は第１ステージのヒートステーションとほぼ同一の温度である。さらに、この実施形態では、延設部９１０を、図９に示されているようにシールド９２０の外側に配置する必要がない。図１３に示すように、これら構成要素の配置は逆であってもよく、延設部９５０を図９のシールド９２０の内側に配置してもよい。

図１２Ａに示すように、この実施形態においてシールド９２０は略直方形状である。図１３の延設部９５０がこのシールド９２０内に挿入されるが、図示の関係で本図では省略する。シールド９２０および延設部９５０の側面図である図１２Ｂに示されているように、延設部９５０は輻射シールド９３０（図９）を介して第１ステージと熱的に接触している。

この実施形態において、シールド９２０の最外部は、フレア端部９５５を有する。フレア端部９５５は最上位のバッフル４１５（図８Ｂ）の切欠部４５０に近接している。好ましくは、このフレア端部９５５により、凝縮物がバッフル４１５およびシールド９２０で形成される。さらに、フレア端部９５５を設けることによりクリアランス距離（シールド９２０の当該フレア端部９５５から延設部９５０までの距離）が増加する。

このクリアランスの増加により、凝縮物が延設部９５０に接近、当接または熱的に接触することなく（これによりフレークが放出され得る）、バッフル４１５およびシールド９２０に形成し得る氷結物の量が増える。延設部９５０は、輻射シールド９３０およびブラケット４６０によって第１ステージと熱的に接触しているので（図１２Ｂ）高温であり、圧力急上昇を引き起こし得る。フレア端部９５５は、図１２Ａでは傾いた面を有している。しかしながら、フレア端部９５５は傾いたものである必要はなく、堆積氷結物を比較的高温の延設部９５０から遠ざけるためのクリアランス距離が形成されていればよい。製造公差および設置時における部品の移動を考慮して、各クライオポンプの設置時には、クリアランスがそれぞれ確実に保たれるよう注意する必要がある。

図１２Ａには、フレア端部９５５を有するシールド９２０が示されており、輻射シールド９３０によって第１ステージと接触する延設部９５０は図示の関係で省略している。フレア端部９５５は延設部９５０（図１２Ｂ）から角度Ａで傾いている。これにより、輻射シールド９３０によって第１ステージと熱的に接触している延設部９５０（図１２Ｂ）に氷結物が接触しないようにするための隙間が形成される。フレア端部９５５の様々な傾き形態が可能であり、かつ本発明の開示の範囲に含まれている。

図１４Ａは、他の実施形態のクライオポンプ５００を示す上面図である。この実施形態については、スパッタリングシールドを取り除いてアレイの主要な排気面５５０の切欠図を示す。この実施形態において、輻射シールド５６０にはパージ孔がなく、閉じた面５６５が形成されている。輻射シールド５６０のこの閉じた面５６５により、輻射シールド５６０と真空容器５７０との間の位置からクライオポンプ５００に気体が進入することが防止される。さらに、クライオポンプ５００の容量が限界のときに、氷結物が成長してパージ孔に向かって延びたり、氷結物が成長してパージ孔から延出したりしないので、これが高温の面に接触して暖められて昇華するようなことが起こらない（図１４Ｂ）。図１４Ｂに示されているように、このようなパージ孔からは、凝縮物の尖頂体１４１０が延出することがある。パージは、輻射シールド５６０と真空容器５７０との間に気体を直接導入することによって行ってもよい。チャンバに開いた主要な開口部を除く、輻射シールド内部空間への他の進入経路の制御も、上記パージ孔と同じ方法で制御される必要があることを理解されたい。これは、凝縮物の尖頂体１４１０が開口から延出しないようにして圧力急上昇を防止する、適切な閉塞部材を用いることで達成できる。

図１４Ａの実施形態において、輻射シールド５６０は、さらに、第３の孔５８０を密封材で充填した閉じた面５７５を有している。第３の孔５８０はダイオード孔である。第３の孔５８０は、輻射シールド５６０を介した電気接続用の通路であってもよい。第３の孔である通路５８０は、センサ等のクライオポンプの電子部品の接続に用いられる通路であってもよい。設置時に、第３の孔５８０は、圧力急上昇を引き起こさないために、適切な材料で充填することにより閉じた面を形成するか、または閉塞部材５７５で充填することにより、望ましくない方向からクライオポンプに気体が進入しないようにして、動作時に当該第３の孔５８０を通って氷結物が成長することを防止する。図１４Ｂは、第２ステージアレイ１４００から延出する凝縮物の第１の尖頂体１４０５および第２の尖頂体１４１０を示す図である。この氷結物は、気体の流路が管理されていない場合に、または他の流路が閉塞されていない場合に、凝集したり成長したりする。

図１５Ａは、従来技術のクライオポンプでの排気リットル量に対する回復圧力を示すグラフである。図示されているように、好ましくは、チャンバの回復圧力は約１ｘ１０^−７トル（Ｔｏｒｒ）であるのが望ましい。従来技術のクライオポンプを用いた動作実績によると、圧力急上昇は、半導体ウェハ処理サイクルを５００００回行う毎に約１回の頻度でしか生じないことが確認されている。しかしながら、これら圧力急上昇（所望の真空圧力から約１ｘ１０^−５トル（Ｔｏｒｒ）に圧力が上昇する）は、悪影響を及ぼしかねない。経時的な圧力変化を示す拡大グラフである図１５Ｂおよび図１５Ｃに示されているように、チャンバの圧力が所望の真空圧力である約１ｘ１０^−７トル（Ｔｏｒｒ）に回復するには時間がかかることが確認できる。図示のように、回復に要する時間は約１０分から約６分にまで及ぶことがあり、チャンバの動作を妨げかねない。本発明の開示のクライオポンプは、悪影響を及ぼす圧力急上昇を防止しながら、クライオポンプの総容量を増大することができる。

図１６〜図１９は、本発明のクライオポンプ１０において圧力急上昇を防止するための他の構成を表した他の実施形態を示す図である。この実施形態において、クライオポンプ１０は、主要でない凝縮面に凝縮する堆積物における「亀裂形成」応力を軽減する構造を有する面を備えている。クライオポンプ１０の主要でない凝縮面２５として、第２ステージアレイに形成されたブラケット２５（図５Ｃ）などの前述した面、または他の面が含まれる。この構成では、平面状膜は、亀裂を引き起こすのに十分な亀裂形成応力を生じる臨界膜厚にまで成長することができない。この高応力により、平面状膜が壊れてフレークが生じる可能性がある。図１６および図１７に示されているように、この構成において、面１６００は、当該面１６００から延びる高さ１６１５をそれぞれ有した複数の突起部１６０５を備えるものであってもよい。これら突起部１６０５は、図示のように中央に位置する開口部１６１０を有しており、且つ、所定のパターンまたは互いにずれた複数の列で設けられていてもよい。突起部１６０５は、それぞれ、平坦面を有する略円筒状である。

他の実施形態において、面１６００は、ハニカムのパターンで形成されたものであってもよいし、中実であって開口部を有さない突起部で構成されるものであってもよい。主要でない凝縮面１６００に形成する凝縮気体は、薄い膜厚および／または非連続的な表面を有するように凝集するかまたは堆積する。これら複数の中空の突起部１６０５は、表面上に設けられ、あるパターン配置を有する。このパターンは図１６に示されており、突起部１６０５および面１６００に氷結物が堆積した際に平面状膜の膜厚を制御する。このパターンにより、氷結物は、亀裂形成応力を形成したり引き起こしたりする厚い膜厚の平面状膜にまで成長することができない。他の実施形態において、面１６００は、亀裂形成応力を軽減する表面を備えるものであってもよい。図１８および図１９は、堆積した平面状膜における亀裂形成応力を軽減する、面１６００上に設けられる他の表面構造を示す図である。

この実施形態では、複数の「Ｌ」字形のブラケット１８００を面１６００に設けてもよい。ブラケット１８００は、製造時において、面１６００に溶接作業または型押し作業を行うことで形成してもよい。他の実施形態では、ブラケット１８００を既存のクライオポンプに組み込んでもよい。亀裂形成応力を最小限に抑える様々な形態が可能であり、かつ本発明の開示の範囲に含まれている。ブラケット１８００は、面１６００上において複数のパターンまたは複数の列で設けられてもよいし、図１８に示されているように、千鳥状であってもよい。

図１９におけるブラケット１８００の断面図に示されているように、各ブラケット１８００は、ボディ１８１０に接続され面１６００の上に延在する直方形のヘッド１８０５を有していてもよい。ヘッド１８０５は略直方形状であり、一般的にボディ１８１０の断面よりも厚さが大きい。この構造により、凝縮氷結物が面１６００に成長した際の平面状膜の膜厚が制御される。他の実施形態において、ヘッド１８０５およびボディ１８１０は、面１６００に接続された一体品として形成されてもよい。他の実施形態では、ヘッド１８０５、ボディ１８１０および面１６００を、一体品として製造してもよい。

一実施形態において、主要でない凝縮面には、面１６００に接続された線格子を形成してもよい。他の実施形態において、主要でない凝縮面１６００には、パターンを型押ししてもよい。他の実施形態において、主要でない凝縮面１６００には、ハニカム状のパターンを型押ししてもよい。変形例として、このパターンには、不規則な形状のパターン、複数の三角形、または粗面パターンが含まれ得る。凝縮物が堆積した際の平面状膜の膜厚を減少させてその亀裂形成応力を軽減することができるパターンであれば、あらゆるパターンを本発明の開示内容との関連で使用してもよいことを理解されたい。様々な表面形態が可能であり、かつ本発明の開示の範囲に含まれている。他の実施形態において、図１８および図１９の実施形態のブラケット１８００は、平面状膜が成長するのをさらに防ぐために、面１６００に向かう方向に曲げたり、湾曲させたり、角度を付けたりしてもよい。

図２０Ａ〜図２０Ｉは、亀裂形成応力を軽減する様々な複数の表面パターンを示す図である。図２０Ａおよび図２０Ｂでは、このパターンとして、面１６００に接続された、略円筒状かつ中実の突起部２０００が含まれ得、このパターンは整列状に構成されてもよいし（図２０Ｂ）、千鳥状に構成されてもよい（図２０Ａ）。あるいは、突起部２０００は略正方形状に形成されてもよいし（図２０Ｃ）、千鳥列状（図２０Ｄ）または整列状（図２０Ｅ）に設けられた長方形状の複数の突起部２０００として形成されてもよい。さらなる他の実施形態において、突起部２０００は、六辺の多角形状（六角形状）の複数の突起部２０００として形成されてもよい。この場合の突起部２０００は、図２０Ｆに示されているように、全体としてハニカム状のパターンを形成する。

図２０Ｇおよび図２０Ｈに示されているように、２種以上の異なる寸法および形状を有する突起部、または第１の突起部２０００ａおよび第２の突起部２０００ｂを、面１６００上に設けてもよいことを理解されたい。図示のように、第１の突起部２０００ａを八角形状の突起部とする一方、第２の突起部２０００ｂを円状としてもよい。これらは例示に過ぎず、亀裂形成応力を軽減できるあらゆる形状または寸法のものを使用してもよく、且つこれらの形状または寸法は本発明の開示の範囲に含まれる。他の実施形態において、第１の突起部２０００ａおよび第２の突起部２０００ｂを、同じ形状であるが異なる寸法を有する突起部としてもよい。図２０Ｉに示されているように、突起部２０００ｃとして、楕円形状または当該技術分野で公知の多角形状などの様々な形状のものが含まれ得、さらには不規則な形状を有するものも含まれ得る。図２０Ｊは、面１６００に設けられた突起部２０００の一形態を示す図である。この実施形態において、各突起部は、略円筒形状として示される。しかし、各突起部２０００は、垂直方向に一定の距離Ｂで離間し、且つ隣接する列からは距離Ｃで離間するものであってもよい。さらに、これら突起部２０００は、面１６００における側方縁部２０１０から所定の距離で離間するように設定されてもよい。

図２１Ａ〜図２１Ｄは、氷結物のフレークが放出され昇華するのを防いで圧力急上昇を防止する、本発明のクライオポンプのさらなる実施形態を示す図である。この実施形態において、クライオポンプは最上位のプレート２１００を含むアレイを備えており、この最上位のプレート２１００は、図示の関係で図１２Ａのアレイの他の部位から切り離されて示されている。この実施形態において、最上位のプレート２１００は、前述したように中実に形成されている。氷結物は接続部がない当該最上位のプレート２１００の上側２１０５に成長するので、最上位のプレート２１００の容量、または当該最上位のプレート２１００に凝縮し得る氷結物の量が増加することから、この構成は有利である。

図２１Ｂにおいて、最上位のプレート２１００には、第１の部位である半円状部２１１０と第２の部位である半円状部２１１５とが形成されている。氷結物が最上位のプレート２１００（第１の半円状部２１１０および第２の半円状部２１１５で形成されている）に堆積すると、この氷結物は、時間が経っても互いに合体することのない、別体の第１の柱状の氷結体および第２の柱状の氷結体を一般に形成する。クライオポンプが動作する際、当該クライオポンプは、
チャンバ内のロボットや２段式冷凍機などの一部の構成品により、微振動または連続的な振動にさらされ得る。この構成では、第１の柱状の氷結体と第２の柱状の氷結体とが断続的に互いに接触することがある。この接触により、フレークが第１の柱状の氷結体または第２の柱状の氷結体から放出される場合があり、このフレークがその後で昇華することにより、前述した圧力急上昇を引き起こす可能性がある。

図２１Ｂ〜図２１Ｄにおいて、本発明の開示内容のクライオポンプは、最上位のプレート２１００が、第１の半円状部２１１０と第２の半円状部２１１５とを接続する接続部２１２０を備えることにより、上記問題を解決している。この接続部２１２０は、第１の半円状部２１１０と第２の半円状部２１１５とを機械的に接続して当該第１および第２の半円状部２１１０，２１１５間の相対運動を妨げることにより、振動時に前記第１の氷結体および前記第２の氷結体が互いに接触してフレークを形成することを防止する。図２１Ｂの実施形態において、接続部２１２０は、第１の半円状部２１１０が第２の半円状部２１１５に上方から一部重なり合う重なり部を含む。変形例として、接続部２１２０は、第２の半円状部２１１５が第１の半円状部２１１０に上方から一部重なり合う重なり部を含んでもよい。

一実施形態において、接続部２１２０は、ブラケット２１２５（図２１Ｃ）であってもよい。ブラケット２１２５は、第１の半円状部２１１０と第２の半円状部２１１５との接続部に配置される。好ましくは、ブラケット２１２５は、クライオポンプの他の構成部品または他の機械の振動時における第１の半円状部２１１０と第２の半円状部２１１５との間の相対運動を抑制する。図２１Ｄに示された、本発明の開示内容の他の実施形態では、第２の半円状部２１１５が第１の半円状部２１１０の下側に配置されるようにして、第１の半円状部２１１０と第２の半円状部２１１５とを互いに接続することができる。変形例として、第１の半円状部２１１０を第２の半円状部２１１５の下側に配置してもよい（図示せず）。様々な形態が可能であり、かつ本発明の開示の範囲に含まれている。

さらなる他の実施形態において、主要な排気面は、安定した面に強固に接続された支持構造体（図示せず）で形成されたものであってもよい。この支持構造体により、氷結体が他の構成部品からの振動または運動の影響にさらされることなく減振装置（図示せず）または同様な部品を用いて防振され、これにより、主要な排気面に堆積した氷結物がクライオポンプの他の面に接触またはこれら他の面に対して振動したり、他の氷結物に接触したりすることを防止でき得る。さらなる他の実施形態において、第１の半円状部２１１０と第２の半円状部２１１５とは、堆積氷結物の相対運動を防止する他の方法で接続されてもよい。第１の半円状部２１１０は、半田付け作業によって、または図２１Ｃに示されているような異なる連結式のインターフェースによって第２の半円状部２１１５に接続してもよい。他の実施形態において、最上位のプレート２１００を３つ以上の部位で形成してもよく、第１の部位が第２の部位に接続され、この第２の部位が第３の部位に接続される構成としてもよい。各部位を互いに接続し、第１の部位、第２の部位および第３の部位に形成された柱状の氷結体の相対運動を防止または妨げるようにしてもよい（図示せず）。様々な形態が可能であり、かつ本発明の開示の範囲に含まれている。

本発明を、例示的な実施形態を用いて詳細に示し説明したが、当業者であれば、添付の特許請求の範囲に包含される本発明の範囲から逸脱することなく、形態および細部の様々な変更が可能であることを理解できるであろう。
以上説明した実施形態には、以下に列挙する形態１〜９（出願当初の請求項４、１４、１５、２６、３８、４７、４８、５４および５８の内容）が含まれる。
（形態１）
少なくとも第１ステージおよび第２ステージを有する冷凍機と、前記第２ステージを囲
み前記第１ステージと熱的に接触し、再生処理時に液体が通過できるようにする排出孔を有する輻射シールドと、主要な凝縮面、吸着剤を有する保護面、および主要でない凝縮面を含む第２ステージアレイとを備え、吸着剤を担持し、前記第２ステージと熱的に接触する主要な排気面と、前記排出孔を覆うように配置され、当該排出孔を通過しないように気体を再案内することにより当該気体が前記主要でない凝縮面に凝縮することを防ぎ、前記主要な凝縮面に凝縮するように気体を再案内する邪魔部材と、を備えるクライオポンプ。
（形態２）
クライオポンプ用の輻射シールドであって、底部、および当該底部に接続された側壁を有し、前記クライオポンプの主要な排気面を収容するのに十分な体積空間を有するハウジングと、再生処理動作時に極低温の液体および気体が通過できるように前記ハウジングの底部に設けられた排出孔と、前記排出孔を覆い、気体が前記排出孔を通って前記輻射シールドに進入して主要でない面で排気されることのないように当該気体の向きを変え、気体を前記クライオポンプの主要な排気面に再案内する邪魔部材と、を備える輻射シールド。
（形態３）
少なくとも第１ステージ、および円筒を含む第２ステージを有する冷凍機と、前記第２ステージを囲み、前記第１ステージと熱的に接触する輻射シールドと、前記第２ステージの最も低温の部位と熱的に接触し、前記第２ステージの円筒を囲む第２ステージの円筒状のシールドと、前記円筒状のシールドと、前記輻射シールドによって前記第１ステージと熱的に接触する延設部との間に形成された、均一な温度差を有する通路と、を備えるクライオポンプであって、前記通路は、気体分子を前記円筒状のシールドの低温面に確実に衝突させて凝縮させることにより、前記気体分子を前記円筒状のシールドに緊密に密着させ、前記第２ステージの冷凍機円筒に凝縮することを防ぎ、前記円筒状のシールドは、前記延設部の近傍に位置するフレア端部を有しており、このフレア部により、前記延設部と前記円筒状のシールドとの間に、当該端部における氷結物が前記延設部に接触することを防ぐのに適切なクリアランスが形成されている、クライオポンプ。
（形態４）
少なくとも第１ステージおよび第２ステージを有する冷凍機と、前記第２ステージを囲み、前記第１ステージと熱的に接触する輻射シールドと、吸着剤を担持し、前記第２ステージと熱的に接触し、主要な凝縮面、吸着剤を有する保護面、および主要でない凝縮面を含む主要な排気面と、を備えるクライオポンプであって、前記主要でない凝縮面が、気体が堆積して凝縮した際の堆積物における亀裂形成応力を軽減するように構成された面を含む、クライオポンプ。
（形態５）
少なくとも第１ステージおよび第２ステージを有する冷凍機と、前記第２ステージを囲み、前記第１ステージと熱的に接触する輻射シールドと、吸着剤を担持し、前記第２ステージと熱的に接触する第２ステージアレイと、少なくとも第１の部位および第２の部位に区切られた最上位のプレートを含む主要な排気面と、を備えるクライオポンプであって、前記第１の部位と前記第２の部位とが強固に接続されており、これにより、当該第１の部位および第２の部位に形成され堆積する凝縮物の相対運動を防止することができるクライオポンプ。
（形態６）
第１の部位および第２の部位で構成される主要な排気面における凝縮物の成長を管理する方法であって、前記真空容器と前記輻射シールドとの間に形成された環状空間から気体の流れを遮断すること、前記第１の部位および前記第２の部位で構成される前記主要な排気面に前記流れを再案内すること、前記主要な排気面において前記気体を凝縮させて厚い氷結物を形成すること、および前記第１の部位と前記第２の部位とを互いに強固に機械的に接続することにより、動作時において、前記第１の部位に堆積する凝縮物が、前記第２の部位に堆積する凝縮物を移動させたりこれに接触したりするのを防止すること、を含む、凝縮物成長管理方法。
（形態７）
少なくとも第１ステージおよび第２ステージを有する冷凍機と、前記第２ステージを囲み、前記第１ステージと熱的に接触する輻射シールドと、吸着剤を担持し、前記第２ステージと熱的に接触し、主要な凝縮面、吸着剤を有する保護面、および主要でない凝縮面を含む第２ステージアレイと、を備え、さらに、前記主要でない凝縮面における凝縮物を最小限に抑える第１の構造体、または前記主要でない凝縮面に気体が堆積した際の凝縮物における亀裂形成応力を最小限に抑える第２の構造体を少なくとも備えるクライオポンプ。
（形態８）
少なくとも第１ステージおよび第２ステージを有する冷凍機と、前記第２ステージを囲み、前記第１ステージと熱的に接触する輻射シールドと、主要な凝縮面、吸着剤を有する保護面、および主要でない凝縮面を含む第２ステージアレイと、を備えるクライオポンプであって、前記主要な凝縮面が、凝縮物の一様な分布にするように構成された平面を含むクライオポンプ。
（形態９）
チャンバにおける圧力急上昇を防止する方法であって、前記チャンバから気体を排気して凝縮気体を形成する工程と、内部応力を有する形態で前記凝縮気体が形成しないようにすることにより、当該凝縮気体がフレークを形成し放出されたフレークの温度が自然と上昇することで圧力急上昇を生じることのないようにする工程と、を含む、圧力急上昇防止方法。

１０，１００，４００，５００，９００ クライオポンプ
１５，１５０ 主要な凝縮面
１５，４１５，２１００ 最上位のプレート
２５，１６００ 主要でない凝縮面
３０，１０５，５７０ 真空容器
３５，１６０，５６０，９３０ 輻射シールド
４０ 環状空間
４５，１７５ 排出孔
５５，Ｆ 氷結物（凝縮膜）
１５０，５５０ 主要な排気面
１５５，１４００ 第２ステージアレイ
２００ 邪魔部材
４５５，９２０ 円筒状のシールド
９１０，９５０ 延設部
９１５ 通路
９２２ 第２ステージの円筒
９５５ シールドのフレア端部
２１１０ 最上位のプレートの第１の部位
２１１５ 最上位のプレートの第２の部位

Claims (25)

1. 真空容器と輻射シールドとの間における流れを案内することにより、凝縮膜が成長する位置を制御する方法であって、
   前記輻射シールドがクライオポンプの再生処理時に極低温の流体が通過する排出孔を有し、
   前記真空容器と前記輻射シールドとの間に形成された環状空間から前記流れを前記輻射シールドが有する前記排出孔を覆っている邪魔部材で遮断すること、
   前記邪魔部材が前記流れを主要な排気面に再案内すること、および
   前記主要な排気面において前記気体を凝縮させて氷結物を形成すること、
   を含む、凝縮膜成長位置制御方法。
2. 請求項１において、さらに、前記輻射シールドの下からの流れを遮断することを含む、
   凝縮膜成長位置制御方法。
3. 請求項１において、さらに、前記輻射シールドの側方からの流れを遮断することを含む
   、凝縮膜成長位置制御方法。
4. 冷凍機と、
   前記冷凍機の少なくとも１つのステージを囲み前記冷凍機によって冷却され、極低温の流体が通過する排出孔を有する輻射シールドと、
   前記排出孔を覆うように配置され、当該排出孔を通過しないように気体を再案内することにより当該気体が主要でない凝縮面に凝縮することを防ぎ、主要な凝縮面に凝縮するように気体を再案内する邪魔部材と、
   を備えるクライオポンプ。
5. 請求項４において、少なくとも第１ステージおよび第２ステージを有する前記冷凍機と、
   前記第２ステージを囲み前記第１ステージと熱的に接触し、再生処理時に流体が通過できるようにする前記排出孔を有する前記輻射シールドと、
   前記主要な凝縮面、吸着剤を有する保護面、および前記主要でない凝縮面を含む第２ステージアレイを備え、吸着剤を担持し、前記第２ステージと熱的に接触する主要な排気面と、
   を備えるクライオポンプ。
6. 請求項４において、前記邪魔部材がＵ字形状であるクライオポンプ。
7. 請求項４において、前記邪魔部材が、前記輻射シールドの底面に接続された第１のアーム部と、当該底面に接続された第２のアーム部と、前記第１のアーム部および前記第２のアーム部に接続された中間部とを有するクライオポンプ。
8. 請求項４において、当該クライオポンプの再生処理時に極低温の液体が前記排出孔を通
   過できるように、前記邪魔部材が湾曲しているクライオポンプ。
9. 請求項４において、さらに、前記輻射シールドの側壁に孔を備えており、当該孔を介し
   た電気接続が可能なように構成され、かつ当該孔は閉塞されているクライオポンプ
10. 請求項４において、前記輻射シールドが、前記主要な排気面に面する内面、および外面
    を有しており、前記邪魔部材が前記内面または前記外面のいずれかに接続されているクラ
    イオポンプ。
11. 請求項４において、前記邪魔部材が接着によって接続されているクライオポンプ。
12. 請求項４において、前記輻射シールドが、前記主要な排気面に面する円筒面を有してお
    り、当該円筒面は気体流を通過させないクライオポンプ。
13. 請求項４において、前記輻射シールドが、開口部と、孔を含まない中実な側壁とを有し
    ており、これにより、当該開口部以外の方向から気体が進入して排気されることのないよ
    うにしたクライオポンプ。
14. 請求項４において、さらに、前記冷凍機の第２ステージと熱的に接触する主要な排気面
    を備えており、当該主要な排気面は、一体品である最上位のバッフルを有する複数のバッ
    フルのアレイを含み、前記一体品は氷結物の一様な分布が可能なように構成されているク
    ライオポンプ。
15. 請求項４において、さらに、前記冷凍機の第２ステージの最も低温の部位と熱的に接触
    し、前記第２ステージの円筒を囲む第２ステージの円筒状のシールドと、
    前記冷凍機の第１ステージと熱的に接触する延設部と、
    前記円筒状のシールドと円筒状のシールドとの間に形成された、均一な温度差を有する
    通路と、
    を備えるクライオポンプであって、
    前記通路は、気体分子を前記円筒状のシールドの低温面に確実に衝突させて凝縮させる
    ことにより、前記気体分子を前記円筒状のシールドに緊密に密着させ、前記第２ステージ
    の冷凍機円筒に凝縮することを防ぎ、
    前記円筒状のシールドは前記延設部の近傍に位置するフレア端部を有しており、この
    フレア部により、前記延設部と前記円筒状のシールドとの間に、当該端部における氷結物
    が前記延設部に接触することを防ぐのに適切なクリアランスが形成されている、クライオ
    ポンプ。
16. 請求項１５において、前記通路の幅に対する長さの比が５以上であるクライオポンプ。
17. 請求項１５において、前記延設部が、当該延設部と前記輻射シールドとを接続するブラ
    ケットを備えており、このブラケットが前記第１ステージと熱的に接触するクライオポン
    プ。
18. 請求項４において、さらに、吸着剤を担持し、前記第２ステージと熱的に接触し、主要
    な凝縮面、吸着剤を有する保護面、および主要でない凝縮面を含む主要な排気面を備える
    クライオポンプであって、
    前記主要でない凝縮面が、気体が堆積して凝縮した際の堆積物における亀裂形成応力を
    軽減するように構成された面を含む、クライオポンプ。
19. 請求項１８において、前記亀裂形成応力を軽減するように構成された面により、低応力の堆積膜が形成されるクライオポンプ。
20. 請求項１８において、前記亀裂形成応力を軽減するように構成された面が、連続的な堆積膜が形成することを妨げるクライオポンプ。
21. 請求項１８において、前記亀裂形成応力を軽減するように構成された面が、前記主要でない凝縮面に設けられたパターンを含むクライオポンプ。
22. 請求項１８において、当該クライオポンプの前記主要でない凝縮面が、少なくとも１つ
    の突起部を有する平面を含むクライオポンプ。
23. 請求項４において、さらに、吸着剤を担持し、前記冷凍機の第２ステージと熱的に接触
    する第２ステージアレイと、
    少なくとも第１の部位および第２の部位に区切られた最上位のプレートを含む主要な排
    気面と、
    を備えるクライオポンプであって、
    前記第１の部位と前記第２の部位とが強固に接続されており、これにより、当該第１の
    部位および第２の部位に形成され堆積する凝縮物の相対運動を防止することができるクラ
    イオポンプ。
24. 請求項２３において、前記第１の部位が、前記第２の部位に上方から一部重なり合って
    いるクライオポンプ。
25. クライオポンプ用の輻射シールドであって、
    底部、および当該底部に接続された側壁を有し、前記クライオポンプの主要な排気面を
    収容するのに十分な体積空間を有するハウジングと、
    再生処理動作時に極低温の液体および気体が通過できるように前記ハウジングの底部に
    設けられた排出孔と、
    前記排出孔を覆い、気体が前記排出孔を通って前記輻射シールドに進入して主要でない
    面で排気されることのないように当該気体の向きを変え、気体を前記クライオポンプの主
    要な排気面に再案内する邪魔部材と、
    を備える輻射シールド。

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