JP5669659B2 - クライオポンプ及び真空排気方法 - Google Patents

Description

本発明は、クライオポンプ及び真空排気方法に関する。

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。特許文献１には、例えばイオン注入装置に好適なクライオポンプが記載されている。クライオポンプは、高い排気能力を低い消費電力で実現することが好ましい。

特開２００９−１０８７４４号公報

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、消費電力の低減に寄与するクライオポンプ、及びそうしたクライオポンプを使用する真空排気方法を提供することにある。

本発明のある態様のクライオポンプは、目標にビームを照射するためのビーム照射装置におけるビーム経路の真空排気をするためのクライオポンプであって、気体分子を表面に捕捉するためのクライオパネルと、前記クライオパネルを冷却するための冷凍機と、前記ビーム照射装置からその運転モードを表す制御信号を受信可能であり、該制御信号に基づいて前記冷凍機を制御するための制御部と、を備え、前記運転モードは、目標にビームを照射する照射モードと、前記目標からビームを逸らすかまたは該照射モードよりも弱いレベルでビームを存続させるアイドルモードと、を含み、前記制御部は、前記照射モード及び前記アイドルモードにおいて前記クライオパネルが前記気体分子を保持する冷却温度に冷却されるよう前記冷凍機を制御しており、前記アイドルモードの期間の少なくとも一部において前記冷却温度を前記照射モードよりも高くすることを許容する。

この態様によると、必ずしも高速排気を要求されないアイドルモードにおいてクライオパネル温度を高くすることが許容される。冷凍機の負荷が軽減されるので、消費電力を低減することができる。

本発明の別の態様は、真空排気方法である。この方法は、クライオポンプを使用するビーム経路のための真空排気方法であって、ビームを目標に照射することと、ビームを目標に照射することに代えて、該目標からビームを逸らしてビームを保持するかまたは該目標に照射するときよりも低い強度で前記経路にビームを保持することと、を含み、前記ビームを保持する期間の少なくとも一部において、ビームを目標に照射するときよりも前記クライオポンプの排気速度を低くすることを含む。

本発明によれば、クライオポンプの消費電力を低減することができる。

本発明の一実施形態に係るイオン注入装置及びクライオポンプを模式的に示す図である。 本発明の一実施形態に係るクライオポンプを模式的に示す図である。 本発明の一実施形態に係るクライオポンプに関する制御ブロック図である。 水素ガスを排気するためのクライオパネルの温度と水素ガスの排気速度との関係を表すグラフである。 図５は、本発明の一実施形態に係るクライオポンプの制御処理を説明するためのフローチャートである。

図１は、本発明の一実施形態に係るイオン注入装置１及びクライオポンプ１０を模式的に示す図である。目標にビームを照射するためのビーム照射装置の一例としてのイオン注入装置１は、イオン源部２、質量分析器３、ビームライン部４、及びエンドステーション部５を含んで構成される。

イオン源部２は、基板表面に注入されるべき元素をイオン化し、イオンビームとして引き出すように構成されている。質量分析器３は、イオン源部２の下流に設けられており、イオンビームから必要なイオンを選別するよう構成されている。

ビームライン部４は、質量分析器３の下流に設けられており、イオンビームを整形するレンズ系、及びイオンビームを基板に対して走査する走査システムを含む。エンドステーション部５は、ビームライン部４の下流に設けられており、イオン注入処理の対象すなわち照射目標となる基板８を保持する基板ホルダ（図示せず）、及びイオンビームに対して基板８を駆動する駆動系等を含んで構成される。ビームライン部４及びエンドステーション部５におけるビーム経路９を模式的に破線の矢印で示す。

また、イオン注入装置１には、真空排気系６が付設されている。真空排気系６は、イオン源部２からエンドステーション部５までを所望の高真空（例えば１０^−５Ｐａよりも高真空）に保持するために設けられている。真空排気系６は、クライオポンプ１０ａ、１０ｂ、１０ｃを含む。

例えば、クライオポンプ１０ａ、１０ｂは、ビームライン部４の真空チャンバの真空排気用にビームライン部４の真空チャンバ壁面のクライオポンプ取付用開口に取り付けられている。クライオポンプ１０ｃは、エンドステーション部５の真空チャンバの真空排気用にエンドステーション部５の真空チャンバ壁面のクライオポンプ取付用開口に取り付けられている。なお、ビームライン部４及びエンドステーション部５はそれぞれ、１つのクライオポンプ１０によって排気されるように真空排気系６が構成されていてもよい。また、ビームライン部４及びエンドステーション部５がそれぞれ複数のクライオポンプ１０によって排気されるように真空排気系６が構成されていてもよい。

クライオポンプ１０ａ、１０ｂはそれぞれゲートバルブ７ａ、７ｂを介してビームライン部４に取り付けられている。クライオポンプ１０ｃは、ゲートバルブ７ｃを介してエンドステーション部５に取り付けられている。なお以下では適宜、クライオポンプ１０ａ、１０ｂ、１０ｃを総称してクライオポンプ１０と称し、ゲートバルブ７ａ、７ｂ、７ｃを総称してゲートバルブ７と称する。イオン注入装置１の動作中はゲートバルブ７は開弁されており、クライオポンプ１０による排気が行われる。クライオポンプ１０を再生するときはゲートバルブ７は閉じられる。

なお、真空排気系６は、さらに、イオン源部２を高真空とするためのターボ分子ポンプ及びドライポンプを備えてもよい。また、真空排気系６は、ビームライン部４及びエンドステーション部５を大気圧からクライオポンプ１０の動作開始圧まで排気するための粗引きポンプをクライオポンプ１０と並列に備えてもよい。

ビームライン部４及びエンドステーション部５に存在する気体及び導入される気体がクライオポンプ１０によって排気される。この被排気気体の大半は通常水素ガスである。クライオポンプ１０のクライオパネルを使用してビーム経路９から水素ガスを含む被排気気体が排気される。なお被排気気体には、ドーパントガスや、イオン注入処理における副生成ガスが含まれてもよい。

イオン注入装置１は、当該装置を制御するためのメインコントローラ１１を備える。また、クライオポンプ１０には、クライオポンプ１０を制御するためのクライオポンプコントローラ（以下では簡潔のため「ＣＰコントローラ」という）１００が設けられている。メインコントローラ１１は、ＣＰコントローラ１００を介してクライオポンプ１０を統括する上位のコントローラであると言える。メインコントローラ１１及びＣＰコントローラ１００はそれぞれ、各種演算処理を実行するＣＰＵ、各種制御プログラムを格納するＲＯＭ、データ格納やプログラム実行のためのワークエリアとして利用されるＲＡＭ、入出力インターフェース、メモリ等を備える。メインコントローラ１１とＣＰコントローラ１００とは互いに通信可能に接続されている。

ＣＰコントローラ１００は、クライオポンプ１０とは別体に設けられており、複数のクライオポンプ１０をそれぞれ制御する。各クライオポンプ１０ａ、１０ｂ、１０ｃにはそれぞれ、ＣＰコントローラ１００と通信する入出力を処理するためのＩＯモジュール５０（図３参照）が設けられていてもよい。なお、ＣＰコントローラ１００は、各クライオポンプ１０ａ、１０ｂ、１０ｃのそれぞれに個別に設けられてもよい。

図２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、真空チャンバ８０に取り付けられている。真空チャンバ８０は、例えばビームライン部４またはエンドステーション部５（図１参照）の真空チャンバである。

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。非凝縮性気体は、水素を含む。

図２に示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。冷凍機１２は、作動気体を吸入して内部で膨張させて吐出する熱サイクルによって寒冷を発生する。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。熱シールド１６は、パネル構造体１４を周囲の輻射熱から保護するために設けられている。

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。なお、図１には横型のクライオポンプ１０が模式的に示されている。

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２段ＧＭ冷凍機以外の冷凍機であってもよく、例えば単段ＧＭ冷凍機を用いてもよいし、パルスチューブ冷凍機やソルベイ冷凍機を用いてもよい。

冷凍機１２は、作動気体の吸入と吐出を周期的に繰り返すために作動気体の流路を周期的に切り替える流路切替機構を含む。流路切替機構は例えばバルブ部とバルブ部を駆動する駆動部とを含む。バルブ部は例えばロータリーバルブであり、駆動部はロータリーバルブを回転させるためのモータである。モータは、例えばＡＣモータまたはＤＣモータであってもよい。また流路切替機構はリニアモータにより駆動される直動式の機構であってもよい。

第１段シリンダ１８の一端に冷凍機モータ２６が設けられている。冷凍機モータ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。

モータ用ハウジング２７の外側に設けられている気体供給口４２及び気体排出口４４を通じて冷凍機１２は圧縮機１０２に接続される。冷凍機１２は、圧縮機１０２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１０２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１０２から冷凍機１２に高圧の作動気体が供給される。このとき、冷凍機モータ２６は、気体供給口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の内部空間が気体排出口４４に連通される。これにより作動気体は膨張して圧縮機１０２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。

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２３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２５が取り付けられている。

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は一端に開口部３１を有する円筒状の形状に形成されている。開口部３１は熱シールド１６の筒状側面の端部内面により画定される。

一方、熱シールド１６の開口部３１とは反対側つまりポンプ底部側の他端には閉塞部２８が形成されている。閉塞部２８は、熱シールド１６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２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３０が形成される。冷凍機１２は熱シールド１６の中心軸に沿って内部空間３０に突出しており、第２冷却ステージ２４は内部空間３０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、閉塞部２８は通常完全に閉塞されている。冷凍機１２は、熱シールド１６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内部空間３０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は内部空間３０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は熱シールド１６の内部空間３０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。

また熱シールド１６の開口部３１にはバッフル３２が設けられている。バッフル３２は、パネル構造体１４とは熱シールド１６の中心軸方向に間隔をおいて設けられている。バッフル３２は、熱シールド１６の開口部３１側の端部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、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７（図１参照）が設けられている。

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、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。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。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。

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〜１０Ｐａ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。上述の第１クライオパネルは熱シールド１６及びバッフル３２を含み、第２クライオパネルはパネル構造体１４を含む。

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（例えばアルゴンなど）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（例えば水素など）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３は、本発明の一実施形態に係るクライオポンプ１０に関する制御ブロック図である。複数のクライオポンプ１０のうち１つについて本実施例に関連する構成要素を示し、他のクライオポンプ１０については同様であるので図示を省略する。同様に、圧縮機１０２についての詳細は省略する。

ＣＰコントローラ１００は上述のように、各クライオポンプ１０のＩＯモジュール５０に通信可能に接続されている。ＩＯモジュール５０は、冷凍機インバータ５２及び信号処理部５４を含む。冷凍機インバータ５２は外部電源例えば商用電源から供給される規定の電圧及び周波数の電力を調整し冷凍機モータ２６に供給する。冷凍機モータ２６に供給されるべき電圧及び周波数はＣＰコントローラ１００により制御される。

ＣＰコントローラ１００はセンサ出力信号に基づいて制御出力を決定する。信号処理部５４は、ＣＰコントローラ１００から送信された制御出力を冷凍機インバータ５２へと中継する。例えば、信号処理部５４はＣＰコントローラ１００からの制御信号を冷凍機インバータ５２で処理可能な信号に変換して冷凍機インバータ５２に送信する。制御信号は冷凍機モータ２６の運転周波数を表す信号を含む。また、信号処理部５４は、クライオポンプ１０の各種センサの出力をＣＰコントローラ１００へと中継する。例えば、信号処理部５４はセンサ出力信号をＣＰコントローラ１００で処理可能な信号に変換してＣＰコントローラ１００に送信する。

ＩＯモジュール５０の信号処理部５４には、第１温度センサ２３及び第２温度センサ２５を含む各種センサが接続されている。上述のように第１温度センサ２３は冷凍機１２の第１冷却ステージ２２の温度を測定し、第２温度センサ２５は冷凍機１２の第２冷却ステージ２４の温度を測定する。第１温度センサ２３及び第２温度センサ２５はそれぞれ、第１冷却ステージ２２及び第２冷却ステージ２４の温度を周期的に測定し、測定温度を示す信号を出力する。第１温度センサ２３及び第２温度センサ２５の測定値は、所定時間おきにＣＰコントローラ１００へと入力され、ＣＰコントローラ１００の所定の記憶領域に格納保持される。

ＣＰコントローラ１００は、クライオパネルの温度に基づいて冷凍機１２を制御する。ＣＰコントローラ１００は、クライオパネルの実温度が目標温度に追従するように冷凍機１２に運転指令を与える。例えば、ＣＰコントローラ１００は、第１クライオパネルの目標温度と第１温度センサ２３の測定温度との偏差を最小化するようにフィードバック制御により冷凍機モータ２６の運転周波数を制御する。冷凍機モータ２６の運転周波数に応じて冷凍機１２の熱サイクルの周波数が定まる。第１クライオパネルの目標温度は例えば、真空チャンバ８０で行われるプロセスに応じて仕様として定められる。この場合、冷凍機１２の第２冷却ステージ２４及びパネル構造体１４は、冷凍機１２の仕様及び外部からの熱負荷によって定まる温度に冷却される。

第１温度センサ２３の測定温度が目標温度よりも高温である場合には、ＣＰコントローラ１００は、冷凍機モータ２６の運転周波数を増加するようＩＯモジュール５０に指令値を出力する。モータ運転周波数の増加に連動して冷凍機１２における熱サイクルの周波数も増加され、冷凍機１２の第１冷却ステージ２２は目標温度に向けて冷却される。逆に第１温度センサ２３の測定温度が目標温度よりも低温である場合には、冷凍機モータ２６の運転周波数は減少されて冷凍機１２の第１冷却ステージ２２は目標温度に向けて昇温される。

通常は、第１冷却ステージ２２の目標温度は一定値に設定される。よって、ＣＰコントローラ１００は、クライオポンプ１０への熱負荷が増加したときに冷凍機モータ２６の運転周波数を増加するように指令値を出力し、クライオポンプ１０への熱負荷が減少したときに冷凍機モータ２６の運転周波数を減少するように指令値を出力する。なお、目標温度は適宜変動させてもよく、例えば、目標とする雰囲気圧力を排気対象容積に実現するようにクライオパネルの目標温度を逐次設定するようにしてもよい。またＣＰコントローラ１００は、第２クライオパネルの実温度を目標温度に一致させるように冷凍機モータ２６の運転周波数を制御してもよい。

典型的なクライオポンプにおいては、熱サイクルの周波数は常に一定とされている。常温からポンプ動作温度への急冷却を可能とするように比較的大きい周波数で運転するよう設定され、外部からの熱負荷が小さい場合にはヒータにより加熱することでクライオパネルの温度を調整する。よって、消費電力が大きくなる。これに対して本実施形態においては、クライオポンプ１０への熱負荷に応じて熱サイクル周波数を制御するため、省エネルギー性に優れるクライオポンプを実現することができる。また、ヒータを必ずしも設ける必要がなくなることも消費電力の低減に寄与する。

ところで、イオン注入装置１には、複数の運転状態がある。これを以下では運転モードと呼ぶことにする。イオン注入装置１の複数の運転モードには、照射モードとアイドルモードとが含まれる。照射モードにおいては、イオン注入装置１はイオン注入のためにイオンビームを基板８に照射する。イオン注入装置１のメインコントローラ１１は、イオン注入処理のために設定される目標イオンビーム強度に従ってイオンビームを制御する。

アイドルモードにおいては、イオン注入装置１はイオンビームを曲げることにより照射目標例えば基板８から逸らしてもよい。つまり、イオン注入装置１はイオンビームの照射を継続しつつ、基板外に向けて照射してもよい。イオンビームの強度レベルは照射モードと同じレベルとされていてもよい。アイドルモードにおいては、イオンビームは目標から逸らされてビーム待避またはビーム待機のためのビーム受け部例えば炭素板に照射されてもよい。ビーム受け部はビームライン部４またはエンドステーション部５に設けられていてもよく、例えば基板８を保持するための基板ホルダまたはその近傍に設けられていてもよい。

アイドルモードにおいては、イオン注入装置１は照射モードよりも弱いレベルでイオンビームをビーム経路９に存続させてもよい。アイドルモードにおいては、照射モードに比べて強度を低下させたイオンビームの照射を継続してもよい。イオンビームを完全に遮断することに代えて、ごく弱いイオンビームがビーム経路９に保持される。弱い強度のイオンビームは目標に照射されてもよいし、目標から逸らされてビーム受け部例えば炭素板に照射されてもよい。

例えば照射モードと次の照射モードとの合間に、運転モードがアイドルモードに切り替えられる。イオン注入処理がなされた基板８を次に処理する新たな基板８と交換する際に、アイドルモードが選択されてもよい。アイドルモードにおいてビーム経路９の末端に通常は基板８は存在していないが、存在していてもよい。

こうした運転モードの切替はメインコントローラ１１が担う。メインコントローラ１１は状況に応じて運転モードを切り替える。メインコントローラ１１は、選択されている運転モードを表す制御信号をＣＰコントローラ１００に送信する。ＣＰコントローラ１００は、イオン注入装置１からその運転モードを表す制御信号を受信可能であり、その制御信号に基づいてクライオポンプ１０を制御する。ＣＰコントローラ１００は、クライオパネル温度を制御するために、運転モードを表す制御信号に基づいて冷凍機１２を制御する。

イオン注入装置１のためのクライオポンプ１０は上述のように、主として水素ガスを排気する。イオン注入装置１のイオン注入処理のスループットを高めるために、高速に水素ガスを排気することのできるクライオポンプ１０が求められている。

図４は、一実験例における水素ガスを排気するためのクライオパネルの温度と水素ガスの排気速度とを表すグラフである。温度値は図４の右側の縦軸に示す。左側の縦軸は水素ガスの排気速度を示す。横軸は時間を示す。以下に詳しく述べるように、本願発明者は、水素ガスを排気するためのクライオパネル及び冷却ステージの温度増分と水素ガスの排気速度の低下量との間にある関係があることを見出した。

本実験例では比較的小型のクライオパネル構造体を使用し、第２冷却ステージ２４の設定温度を２Ｋずつ段階的に上げたときの水素ガス排気速度の挙動を確認した。第２冷却ステージ２４の目標温度の初期値は１２Ｋであり、以後順に、１４Ｋ、１６Ｋ、１８Ｋ、２０Ｋ、２２Ｋと上げている。ステージ温度Ｔ２の測定値はこれに連動して段階的に上昇している。

以下の説明では便宜上、各目標温度ＸＫにある期間をＸＫ期間と呼ぶことにする。つまり、本実験例は１２Ｋ期間から始まり、それに１４Ｋ期間、１６Ｋ期間、１８Ｋ期間、２０Ｋ期間、２２Ｋ期間が順次続く。なお、図４に示されるように、各期間の長さが期間ごとに異なっているが、それによって本実験例の結果及び分析が左右されるものではない。

図４には、ステージ温度Ｔ２の測定値に加えて、本実験例で使用した第２クライオパネルの末端部分（即ち、ステージから離れた比較的高温の部位）の測定温度も示す。パネル末端部分の温度もステージ温度と同様に段階的に高くなる。しかし、クライオパネルの末端部分は冷却ステージから離れているので、冷却ステージよりいくらか高温となる。本実験例では、このパネル温度測定値はステージ温度Ｔ２に比べて約１．５Ｋだけ高温である。なお、図４に示す温度測定値には微小な（最大で約０．２Ｋ程度の）振動が見られるが、この程度の変動は実際上一定温度であるとみなすことができる範囲にある。

経験的に、小型のクライオパネル構造体ではパネルの末端部分の温度はステージ温度よりも約１Ｋ高く、大型のクライオパネル構造体では約２Ｋ高くなると見積もられる。イオン注入装置を用途とするクライオポンプに想定される最大のクライオパネル構造体においては、その末端部分の温度がステージ温度よりも約３Ｋ高いこともあり得る。

図４からわかるように、１２Ｋ期間から１６Ｋ期間までは、ステージ温度が上昇しても、水素ガス排気速度は当初の高レベル（例えば約１５００Ｌ／ｓ程度）に維持されている。クライオパネルの高温部位の温度（図４におけるパネル温度）は１６Ｋ期間において最大１７．５Ｋ程度である。よって、水素ガスの高速排気のためには、クライオパネルの高温部位の温度を約１７．５Ｋ以下に抑えることが好ましいと言える。ステージ温度で言えば、本実験例では水素ガスの高速排気のためには約１６Ｋ以下に抑えることが好ましいことになる。

１８Ｋ期間においては水素ガス排気速度が約１４００Ｌ／ｓ程度へと、１６Ｋ期間に比べて若干低下している。この排気速度は実用上充分である場合もあるが、イオン注入装置１の高スループットを追求するうえでは必ずしも充分ではないこともありうる。１８Ｋ期間においてはクライオパネル末端の高温部位の温度は約１９．５Ｋである。２０Ｋ期間に移行すると、排気速度は約１０００乃至１１００Ｌ／ｓへと更に大きく低下している。２０Ｋ期間のクライオパネルの高温部位の温度は約２１．５Ｋである。２２Ｋ期間においては状態が不安定となったため実験は中止されている。クライオパネルの少なくとも高温部位において水素ガスを吸着保持可能な温度範囲を超えたためであると考えられる。

よって、温度による排気速度の変化という観点から冷却ステージ温度を３つの温度領域に区分することができる。第１の温度領域は、充分に高速の排気速度が保証される低温の温度領域である。図４の実験例においては１２Ｋ、１４Ｋ、１６Ｋがこの温度領域に含まれる。１８Ｋもこの温度領域に含まれると考えてもよい。第２の温度領域は、実用上排気をなし得ないとみなすことのできる高温の温度領域である。パネル表面に捕捉した気体の再気化が生じている。図４の実験例では２２Ｋがこの温度領域に含まれる。

第３の温度領域は、これら第１及び第２の温度領域の中間の温度領域である。この温度領域においては、最高レベルの排気速度を提供することはできないものの、クライオパネル表面に捕捉した気体分子を安定して保持することができる。すなわち、クライオパネル表面に新たに気体分子を吸着する能力には限界があるが、既に吸着されている気体分子の保持は継続することができる。図４の実験例においては２０Ｋがこの温度領域に含まれる。１８Ｋもこの温度領域に含まれるとみなすこともできる。

冷却ステージの温度が第１温度領域に留まる限りは排気速度が高レベルに維持される一方、その温度領域を超えると排気速度が低下する。第１温度領域は高速排気可能温度範囲である。この高速排気可能温度範囲においては温度増分あたりの排気速度低下量は実質的にないか十分に小さいのに対し、それを超える温度においては温度増分あたりの排気速度低下量が顕著となる。しかし、第１温度領域を過度に超えない第３温度領域であれば、クライオパネルに付着した気体の安定した保持が可能である。

ところで、イオン注入装置１のアイドルモードでのイオンビームによってクライオポンプ１０に生じる熱負荷が十分に弱いと見込まれる場合には、クライオポンプ１０の運転を停止してもよい。そうすればシステムの消費電力を小さくすることができる。しかし一般には、アイドルモードとはいえビームが存在する以上、クライオポンプにある程度の熱負荷が生じる。よって、そうした熱負荷によるクライオパネル温度の上昇を抑え、捕捉した水素をクライオパネルから放出しないために、クライオポンプ１０の運転をアイドルモードにおいても継続することが好ましい。

イオン注入装置１のスループットの観点から照射モードにおいてはクライオポンプ１０により十分な排気速度で水素ガスを排気することが好ましい一方、アイドルモードにおいてはそれほどの高速排気は必ずしも要求されないことも考えられる。クライオポンプ１０の排気速度と消費電力とは関連し、高速排気であるほど電力を消費する傾向にある。

そこで、本発明の一実施形態においては、クライオポンプ１０は、イオン注入装置１のアイドルモードの期間の少なくとも一部において照射モードよりも排気速度、例えば水素ガスの排気速度を低くする。そのために、一実施例に係るクライオポンプ１０の制御方法においては、ＣＰコントローラ１００は、冷凍機１２の冷却能力または冷凍出力を小さくする。

一実施例においては、ＣＰコントローラ１００は、照射モード及びアイドルモードのいずれにおいても、クライオパネルが捕捉した気体分子を保持する冷却温度以下に冷却されるよう冷凍機１２を制御する。クライオパネルは水素ガスを吸着可能である吸着剤を備えており、ＣＰコントローラ１００は、吸着剤に水素ガスを保持する温度範囲にクライオパネルが冷却されるよう冷凍機１２を制御する。ＣＰコントローラ１００は、その冷却温度範囲内で、アイドルモードの期間の少なくとも一部においてクライオパネル冷却温度を照射モードよりも高くすることを許容する。

図５は、本発明の一実施形態に係るクライオポンプ１０の制御処理を説明するためのフローチャートである。ＣＰコントローラ１００は、クライオポンプ１０が取り付けられているイオン注入装置１の運転モードを判別し、その運転モードに応じて第２冷却ステージ２４の目標温度を切り替える。この処理はクライオポンプ１０の運転中に繰り返し実行される。

図５に示されるように、ＣＰコントローラ１００は、クライオポンプ１０の取付先の装置例えばイオン注入装置１の運転モードを判別する（Ｓ１０）。ＣＰコントローラ１００は、イオン注入装置１のメインコントローラ１１から受信した制御信号に基づいて、イオン注入装置１が上述の照射モードにあるか否か、及びアイドルモードにあるか否か、を少なくとも判別する。

ＣＰコントローラ１００は、判別した運転モードに応じて、第２クライオパネルの冷却温度、例えば第２冷却ステージ２４の目標温度を切り替える（Ｓ１２）。前回の処理と運転モードが同一の場合には、その目標温度を継続する。この目標温度設定により本処理は終了する。ＣＰコントローラ１００は、その目標温度に基づいてクライオポンプ１０を制御する。具体的には例えば上述のように冷凍機１２の運転周波数を調整する。

この目標温度設定において、ＣＰコントローラ１００は例えば、第２クライオパネルの冷却温度、具体的には例えば第２冷却ステージ２４の目標温度を、クライオパネル上の吸着剤に水素ガスを保持する温度範囲から選択される温度、好ましくはその水素保持温度範囲の上限値に設定する。この上限値は例えば、上述の第３の温度領域の最大温度である。第３の温度領域は、１７Ｋ以上２０Ｋ未満であり、好ましくは１８Ｋ以上２０Ｋ未満である。よって、ＣＰコントローラ１００は、アイドルモードにおいて第２冷却ステージ２４の目標温度を例えば２０Ｋに設定する。節電のためには目標温度をなるべく高温に設定することが好ましい。

その一方、ＣＰコントローラ１００は、照射モードにおいては第２冷却ステージ２４の目標温度を上述の第１温度領域または高速排気可能温度範囲、例えば１０Ｋ以上１７Ｋ未満の温度範囲から選択される目標温度に設定する。好ましくは、ＣＰコントローラ１００は、１０Ｋ以上１５Ｋ未満の温度範囲から選択される目標温度に設定する。

こうした温度切替によって、アイドルモードにおいては照射モードよりも高温の例えば１７Ｋ以上２０Ｋ未満に第２冷却ステージ２４を昇温することができる。目標温度を上げることにより冷凍機１２の運転周波数が小さくなるからである。このようにして、照射モード及びアイドルモードを通じて共通の低温に冷却する場合に比べて消費電力を小さくすることができる。

一例として、４台のクライオポンプ１０の同時運転で第２冷却ステージ２４の目標温度１５Ｋの場合に比べて目標温度１８Ｋの場合には、消費電力が約１０．２ｋＷから約９ｋＷへと約１２％低減された。こうして、アイドルモードの期間の消費電力を小さくすることにより、真空排気システムのトータルの電力消費を少なくすることができる。

また、１７Ｋ以上２０Ｋ未満に第２冷却ステージ２４を昇温することにより、クライオパネル末端の高温部位の温度は、小型のクライオパネル構造体の場合で約１８Ｋ以上２１Ｋ未満となり、大型のクライオパネル構造体の場合で約１９Ｋ以上２２Ｋ未満となると予測される。こうした温度レベルであれば、図４に示す実験例からわかるように、付着した水素ガスをクライオパネルに安定的に保持することができる。

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。

上述の実施例において、イオン注入装置１における運転モードの切替のタイミングと、ＣＰコントローラ１００による目標温度の切替のタイミングとが必ずしも完全に一致していなくてもよい。ＣＰコントローラ１００は例えば、アイドルモードの期間の少なくとも一部において照射モードよりも目標温度を上げるようにしてもよい。イオン注入装置１においてアイドルモードから照射モードに復帰するのに先行してクライオパネルを冷却するために、ＣＰコントローラ１００は、照射モードへの復帰前に目標温度をもとに戻してもよい。

第２冷却ステージ２４の目標温度設定を変更することに代えて、ＣＰコントローラ１００は、第１冷却ステージ２２の目標温度設定を変更してもよい。２つの冷却ステージの温度は連動するので、第１冷却ステージ２２の目標温度の変更によって第２冷却ステージ２４の温度を調整することも可能である。

ＣＰコントローラ１００は、温度設定を変更する代わりに、冷凍機１２の運転周波数の設定を運転モードに応じて直接変更してもよい。例えば、アイドルモードに対応する冷凍機１２の運転周波数が予め固定値として定められていてもよく、ＣＰコントローラ１００は、アイドルモードにおいてその固定運転周波数で冷凍機１２を制御してもよい。あるいは、複数の運転モードごとに異なる運転周波数範囲が定められていてもよい。

上述の実施例はイオン注入装置を例に挙げて説明しているが、本発明の適用はイオン注入装置には限られず、目標にビームを照射するためのビーム照射装置に適用可能である。例えば、一実施例に係るクライオポンプは、患部に粒子線を照射して治療をするための粒子線治療装置におけるビーム経路の真空排気をするためのクライオポンプであってもよい。

１ イオン注入装置、 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、 ２２ 第１冷却ステージ、 ２３ 第１温度センサ、 ２４ 第２冷却ステージ、 ２５ 第２温度センサ、 ２６ 冷凍機モータ、 １００ ＣＰコントローラ。

Claims (5)

1. 目標にビームを照射するためのビーム照射装置の真空チャンバにおけるビーム経路の真空排気をするためのクライオポンプであって、
   気体分子を表面に捕捉するためのクライオパネルと、
   前記クライオパネルを冷却するための冷凍機と、
   前記真空チャンバから前記クライオパネルに向かう前記気体分子を受け入れる開口を有するポンプケースであって、当該開口を通じて前記真空チャンバの内部空間を前記クライオポンプの内部空間に接続するよう前記真空チャンバの壁面の排気用開口に取り付けられるポンプケースと、
   前記ビーム照射装置からその運転モードを表す制御信号を受信可能であり、該制御信号に基づいて前記冷凍機を制御するための制御部と、を備え、
   前記運転モードは、目標にビームを照射する照射モードと、前記目標からビームを逸らすかまたは該照射モードよりも弱いレベルでビームを存続させるアイドルモードと、を含み、
   前記制御部は、前記照射モード及び前記アイドルモードにおいて前記クライオパネルが前記気体分子を保持する冷却温度に冷却されるよう前記冷凍機を制御しており、前記アイドルモードの期間の少なくとも一部において前記冷却温度を前記照射モードよりも高くすることを許容することを特徴とするクライオポンプ。
2. 前記制御部は、前記アイドルモードの期間の少なくとも一部において、前記クライオパネルを冷却するために該クライオパネルに熱的に接続される前記冷凍機の冷却ステージを１７Ｋ以上２０Ｋ未満に冷却するように前記冷凍機を制御することを特徴とする請求項１に記載のクライオポンプ。
3. 前記クライオパネルは、水素ガスを吸着可能である吸着剤を備え、
   前記制御部は、前記照射モードと前記アイドルモードの期間の少なくとも一部とで前記クライオパネルの目標温度を異なる温度に設定し、
   前記照射モードにおける目標温度は、第１温度領域から選択され、
   前記アイドルモードの期間の少なくとも一部における目標温度は、前記第１温度領域より高温でありかつ前記吸着剤に吸着されている水素ガスを前記吸着剤に保持可能である温度領域から選択されることを特徴とする請求項１または２に記載のクライオポンプ。
4. 前記制御部は、前記冷凍機の運転周波数を制御するよう構成され、
   前記制御部は、前記運転モードに応じて前記冷凍機の運転周波数の設定を変更することを特徴とする請求項１または２に記載のクライオポンプ。
5. クライオポンプを使用するビーム経路のための真空排気方法であって、
   前記ビーム経路は、目標にビームを照射するためのビーム照射装置の真空チャンバにおけるビーム経路であり、
   前記クライオポンプは、その内部へと前記真空チャンバから気体を受け入れるよう前記真空チャンバの壁面に取り付けられており、
   前記方法は、
   ビームを目標に照射することと、
   ビームを目標に照射することに代えて、該目標からビームを逸らしてビームを保持するかまたは該目標に照射するときよりも低い強度で前記経路にビームを保持することと、を含み、
   前記ビームを保持する期間の少なくとも一部において、ビームを目標に照射するときよりも前記クライオポンプの排気速度を低くすることを含むことを特徴とする真空排気方法。

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