JP5669893B2

JP5669893B2 - クライオポンプ及びその製造方法

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Publication number: JP5669893B2
Application number: JP2013143227A
Authority: JP
Inventors: 福田　奨; 奨福田
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2013-07-09
Filing date: 2013-07-09
Publication date: 2015-02-18
Anticipated expiration: 2031-05-12
Also published as: JP2013199942A

Description

本発明は、クライオポンプ及びその製造方法に関する。

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。クライオポンプのアプリケーションの１つに、例えばイオン注入工程のように、排気すべき気体の大半を例えば水素等の非凝縮性気体が占める場合がある。非凝縮性気体は極低温に冷却された吸着領域に吸着させることによって初めて排気することができる。

特開平１−９２５９１号公報特開昭６０−１３９９２号公報特表２００８−５１４８４９号公報特開２００９−１６２０７４号公報

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、水素等の非凝縮性気体の高速排気のためのクライオポンプ、及びそうしたクライオポンプを製造するための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、第１冷却温度を提供するための第１冷却ステージと、該第１冷却温度よりも低く非凝縮性気体の吸着に使用される第２冷却温度を提供するための第２冷却ステージと、を含む冷凍機と、気体を受け入れる開口を形成するシールド前端を含み、第１冷却ステージに熱的に接続され、第２冷却ステージを包囲する放射シールドと、第２冷却ステージに熱的に接続されているクライオパネルアセンブリであって、その外周部と放射シールドとの間に前記開口への開放空間を形成し、シールド前端から少なくとも一部を視認可能であるクライオパネルアセンブリと、を備える。クライオパネルアセンブリは、前記開口に面するトップパネルと、前記開口を向くパネル前面を含みトップパネルに対し前記開口とは反対側に配設された中間パネルと、を含み、中間パネルのパネル前面に対向する隣接のクライオパネルと該パネル前面との間に前記開放空間に連続する開放部分が形成され、該開放部分はその深さが該隣接のクライオパネルと該パネル前面との間隔よりも大きく、前記中間パネルはパネル前面に非凝縮性気体のための吸着領域を有し、該吸着領域は、前記シールド前端から前記隣接のクライオパネルの末端への視線と前記パネル前面との交差により定まる境界の内側に形成されている。

本発明のある態様のクライオポンプは、放射シールドと、該放射シールド内で手前から奥へと配列され各々が該放射シールドの開口を向く前面と該開口とは反対側を向く背面とを有する複数のクライオパネルの配列を含み、該複数のクライオパネルの外周部と前記放射シールドとの間に前記開口への開放空間を形成するクライオパネルアセンブリと、を備える。前記クライオパネルアセンブリは、前記複数のクライオパネルの前面及び背面の合計面積の少なくとも７０％が水素吸着可能である吸着剤に覆われており、前記クライオポンプは少なくとも３０％の水素捕捉確率を有しており、前記吸着剤は前記複数のクライオパネルの各々の背面と当該クライオパネルの奥に隣接するクライオパネルの前面との間に収容されており、前記複数のクライオパネルの吸着剤総面積に対する前記開口から視認可能である吸着剤面積の比率である吸着剤見える率が７％未満である。

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へと開放されたクライオポンプ内部開放空間に包囲されている複数のクライオソープションパネルの配列と、該クライオポンプ内部開放空間を包囲する放射シールドと、を備える。前記複数のクライオソープションパネルの少なくとも１つは、クライオポンプ内部開放空間に突出し放射シールドへと向けられているパネル末端を含み、該パネル末端は、吸着剤の欠落した区域を有する。

本発明の別の態様は、クライオポンプの製造方法である。この方法は、クライオパネルの基材にマスキングをすることと、マスキングされていない前記基材の表面に吸着剤を接着することと、を含む。

本発明によれば、水素等の非凝縮性気体の高速排気のためのクライオポンプ、及びそうしたクライオポンプを製造するための方法が提供される。

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断面図である。好ましい一実施形態に係るクライオポンプを模式的に示す上面図である。好ましい一実施形態に係るクライオポンプを模式的に示す断面図である。図４に示すクライオポンプに関しクライオパネルに形成される吸着領域を説明するための図である。図４及び図５に示すクライオポンプに関しクライオパネルのパネル前面を示す上面図である。図６に示すクライオパネルの背面を示す図である。本発明の一実施形態に係るクライオパネルアセンブリの吸着剤欠落率または被覆率の一例を示すテーブルである。本発明の一実施形態に係るクライオパネルアセンブリの吸着剤欠落率または被覆率の一例を示すテーブルである。本発明の一実施形態に係り、再生を通じたクライオポンプの水素排気速度変化を示す図である。本発明の一実施形態に係るクライオポンプの製造方法を説明するためのフローチャートである。本発明の一実施形態に係るクライオポンプの製造するための方法を説明するためのフローチャートである。

本発明のある態様のクライオポンプは、露出型のクライオソープションパネル配列を備える。そのパネル配列は、クライオポンプ開口から垣間見える部位またはその他の部位に吸着剤例えば活性炭の欠落した区域を有する。大半のパネル表面及びその上の吸着剤は隣接するパネルによって覆われてクライオポンプ開口から直接見えないよう構成されており、クライオポンプ開口からの吸着剤見える率はゼロまたはわずかである。吸着剤はパネル配列を取り巻く開放空間に露出されている。吸着剤欠落区域は吸着剤の存在区域と共通の面に形成され、吸着剤欠落区域の境界は吸着剤によって画定されている。つまり吸着剤の欠落区域と存在区域とは共通するパネル面を区分する。

こうした露出と非露出とのハイブリッド構成は、非凝縮性気体の高速排気と、難再生気体からの吸着剤の保護との両立に役立つ。これは、多数回の再生処理の反復を通じて安定した排気性能を維持することにつながる。また、ソープションパネルからの吸着剤欠落による見える率低減は、非凝縮性気体の排気効率向上、ひいては省エネルギー性に優れるクライオポンプの提供に寄与する。

クライオポンプの典型的なある用途においては、排気すべき気体に凝縮性気体と少量の非凝縮性気体とが含まれる。凝縮性気体の氷層の堆積によって非凝縮性気体の吸着性能が阻害されるのを避けるために、こうした典型的用途のためのクライオポンプは、クライオコンデンセイションパネルまたは凝縮パネルによって、クライオソープションパネルまたは吸着パネルを隠している。典型的なクライオソープションパネルは、ある面の全域を活性炭で覆うことで形成されている。

例えば、あるクライオパネル構造は、凝縮性気体を捕捉するためのコンデンセイションパネルを外側に有し、その内側に非凝縮性気体を捕捉するためのソープションパネルを有する二重構造を備える。他のクライオパネル構造は、クライオポンプ開口を向く表面にクライオコンデンセイション面を有し、その裏面にクライオソープション面を有する。パネルが例えばその端部に折り曲げ部分を有する場合には例えば、折り曲げ線で区切られたその折曲部分の表面を除くパネルの片面全域が活性炭で覆われるか、折曲部分の表面を含む全域が活性炭で覆われる。

一般に、コンデンセイションパネル及びソープションパネルはともに、共通する冷却温度例えば１０Ｋ乃至２０Ｋの極低温に冷却される。コンデンセイションパネル及びソープションパネルは、それらを輻射熱から保護するための放射シールドまたは輻射シールドに囲まれている。放射シールドは、コンデンセイションパネル及びソープションパネルよりも高温の冷却温度例えば８０Ｋ乃至１００Ｋの極低温に冷却される。放射シールドは相対的に高温の極低温面を提供するクライオパネルとみなすこともできる。

クライオポンプの用途によっては極低温面への凝縮性気体の凝縮があまり問題とはならない場合もある。例えばイオン注入装置用のクライオポンプが挙げられる。この用途においては低温クライオパネルに凝縮される気体の使用量は少なく、クライオポンプの主目的は非凝縮性気体（例えば水素）の排気となる。よって、むしろソープションパネルをクライオポンプ開口に向けて露出することによって非凝縮性気体を到達しやすくすることが望ましい。これにより高い排気速度を実現することができる。

露出による排気速度の向上は、ある要求排気速度を実現するためのソープションパネル面積の低減に寄与する。露出により吸着剤への気体の流れ性が良好となり、パネル単位面積当たりの排気速度が高くなるからである。その結果、必要なパネル面積は低減され、クライオパネル構造体の重量も低減される。

パネル重量の低減は、クライオポンプの再生処理の所要時間を短縮する。クライオポンプはいわゆるため込み式の真空ポンプであるから、内部に蓄積された気体を適宜の頻度で外部に排出する再生処理が実行される。再生は、クライオパネルとしての動作温度よりも高温（例えば常温）にクライオパネルを昇温し、パネル表面に凝縮または吸着されている気体を再放出させて外部に排出し、再度クライオパネルの動作温度に冷却する処理である。再生時間を決める１つの大きな要因は、再冷却に要する時間である。再冷却時間は、パネル構造体重量に相関する。パネル構造体の重量低減により再冷却時間が短縮され、その結果として再生時間も短縮される。

クライオポンプに蓄積された気体は通常、再生処理により実質的に完全に排出され、再生完了時にはクライオポンプは仕様上の排気性能に回復される。しかし、蓄積された気体のうち一部の成分は再生処理を経ても吸着剤に残留する割合が比較的高い。

例えば、イオン注入装置の真空排気用に設置されているクライオポンプにおいては、吸着剤としての活性炭に粘着性の物質が付着することが観察された。この粘着性物質は再生処理を経ても完全に除去することが困難であった。この粘着性物質は、処理対象基板に被覆されるフォトレジストから排出される有機系のアウトガスに起因すると考えられる。またはイオン注入処理でドーパントガスつまり原料ガスとして使用される毒性ガスに起因する可能性もある。イオン注入処理におけるその他の副生成ガスに起因する可能性も考えられる。これらのガスが複合的に関係して粘着性物質が生成されている可能性もある。

イオン注入処理では、クライオポンプの排気する気体の大半は水素ガスであり得る。水素ガスは再生により実質的に完全に外部に排出される。難再生気体は微量であれば、１回のクライオポンピング処理においてクライオポンプの排気性能に難再生気体が与える影響は軽微である。しかし、クライオポンピング処理と再生処理とを反復するうちに、難再生気体は徐々に吸着剤に蓄積され、排気性能を低下させていく可能性がある。排気性能が許容範囲を下回ったときには、例えば吸着剤またはそれとともにクライオパネルの交換、または吸着剤への化学的な難再生気体除去処理を含むメンテナンス作業が必要となる。

そこで、本発明のある態様のクライオポンプは、露出型のクライオソープションパネル配列を備えており、その一部から吸着剤例えば活性炭を欠落させている。露出型クライオソープションパネル配列はその周囲に、クライオポンプ開口に開放されるクライオポンプ内部開放空間を有する。この内部開放空間は放射シールドに包囲されている。開放された局所空間がクライオソープションパネル配列の互いに隣接するソープションパネルによって画定されており、その局所空間はクライオポンプ内部開放空間を通じてクライオポンプ外部空間へと開放されている。クライオソープションパネルの開放性はパネル表面への気体の到達を促進し、クライオポンプによる非凝縮性気体例えば水素の高速排気の実現を支援する。

一実施例においては、吸着剤の欠落部位は、クライオポンプ外部からクライオポンプ開口を通じて視認されるクライオソープションパネルの区域に設定されている。吸着剤欠落部位は、クライオポンプ内部開放空間に突出し放射シールドへと向けられているソープションパネルの末端に設けられていてもよい。欠落部位はクライオコンデンセイションパネルとして使用可能である。

こうしてクライオポンプ開口への吸着剤の直接の露出を避けることにより、またはクライオポンプ開口からの吸着剤見える率をごく小さくすることにより、クライオポンプに進入する気体に含まれる難再生気体による吸着剤への作用は防止または軽減される。難再生気体はコンデンセイションパネルに集積され、粘着性物質の吸着剤への蓄積は低減される。このようにして、非凝縮性気体の高速排気と、難再生気体からの吸着剤の保護とを両立することができる。

この技術思想の一具体例に係るクライオポンプは、イオン注入装置の真空排気系への使用に適するクライオポンプである。また、他の一例は、基板処理装置の真空排気系への使用に適するクライオポンプである。基板処理装置は例えば、レジストで被覆されている基板をプロセスガスで処理する。

ここで、難再生気体とは例えば、所定の再生処理において所定の気体（例えば水素）のクライオポンプ外部への排出が実質的に完了した時点でポンプ外部への排出が完了していない気体である。また、所定の気体を実質的に完全にクライオポンプ外部に排出するよう調整されている再生処理を経ても吸着剤における残留が基準を超える気体は、難再生気体であると言える。例えば、ウエハ表面に塗布されているレジストまたはその他のコーティングからの有機系のアウトガスについても再生処理での吸着剤への残留割合が高いおそれがある。また、イオン注入処理に使用される毒性のドーパントガスも難再生気体となりうる。

レジストは例えば、有機系材料からなる有機レジストである。プロセスガスは、処理対象（例えば基板）またはその表面のレジストと化学的に直接反応する反応性プロセスガスであってもよい。またはプロセスガスは、反応性ガスを処理対象へと導入するのを支援するためのガスであってもよい。基板処理装置がスパッタ装置である場合にはプロセスガスは不活性ガス例えばアルゴンである。基板処理装置がイオン注入装置である場合にはプロセスガスは例えば水素ガスまたはドーパントガスである。プロセス中におけるプロセスガスとレジストとの相互作用によって、レジストから有機系のガスが放出されうる。またプロセス中ではなくても真空環境によりレジストからアウトガスが放出されうる。この有機系ガスには例えば、芳香族、直鎖炭化水素、アルコール、ケトン、エーテル等が含まれ得る。

難再生気体は、上述のレジストからの有機系ガスや、イオン注入処理に使用されるドーパントガスには限られない。例えば、プロセスによってはプロセスガス自体が難再生気体であることもありうる。また、基板へのレジスト以外のコーティングからの放出ガスが難再生気体である場合もある。

一実施形態に係るクライオポンプは、第１冷却温度を提供するための第１冷却ステージと、該第１冷却温度よりも低く非凝縮性気体の吸着に使用される第２冷却温度を提供するための第２冷却ステージと、を含む冷凍機と、気体を受け入れる開口を形成するシールド前端を含み、第１冷却ステージに熱的に接続され、第２冷却ステージを包囲する放射シールドと、第２冷却ステージに熱的に接続されているクライオパネルアセンブリであって、その外周部と放射シールドとの間に前記開口への開放空間を形成し、シールド前端から少なくとも一部を視認可能であるクライオパネルアセンブリと、を備えてもよい。

クライオパネルアセンブリは、シールド開口に面するトップパネルと、シールド開口を向くパネル前面を含みトップパネルに対しシールド開口とは反対側に配設された中間パネルと、を含んでもよい。中間パネルのパネル前面に対向する隣接のクライオパネルと該パネル前面との間に前記開放空間に連続する開放部分が形成されてもよい。中間パネルのパネル前面に対向する隣接のクライオパネルと該パネル前面との間に前記開放空間に連続する開放部分が形成されてもよい。該開放部分はその深さが該隣接のクライオパネルと該パネル前面との間隔よりも大きくてもよい。

中間パネルはパネル前面に非凝縮性気体のための吸着領域を有してもよい。該吸着領域は、シールド前端から前記隣接のクライオパネルの末端への視線と前記パネル前面との交差により定まる境界の内側に形成されていてもよい。吸着領域は、前記パネル前面において前記境界内側の区域を占有してもよい。

中間パネルはその表面に凝縮性気体のための凝縮領域を有してもよい。該凝縮領域は前記パネル前面における前記境界外側の区域を含んでもよい。

中間パネルの外周部はトップパネルに平行にかつトップパネルの外周部よりも放射シールドに近接する位置まで延びていてもよい。中間パネルは、シールド開口を向く前面及び該開口とは反対側を向く背面とを各々が含み互いに平行に配列されている複数のプレートを含んでもよい。

クライオパネルアセンブリは、中間パネルに対しシールド開口とは反対側に配設された下側パネルを含んでもよい。該下側パネルの外周部は中間パネルに平行にかつ中間パネルの外周部よりも放射シールドに近接する位置まで延びていてもよい。

クライオポンプは、放射シールドに熱的に接続されシールド開口に配設されたルーバーを備えてもよい。該ルーバーはトップパネルと中間パネルとの中間のサイズを有し、該ルーバーの外周部と放射シールドとの間に開放領域が形成されてもよい。

中間パネルは表面積の少なくとも７０％が吸着剤に覆われており、該吸着剤は水素吸着可能であり、クライオポンプは少なくとも３０％の水素捕捉確率を有してもよい。吸着剤は前記開放部分に収容されており、吸着剤の総面積に対するシールド開口から視認可能である吸着剤面積の比率である吸着剤見える率が７％未満であってもよい。

一実施形態に係るクライオポンプは、放射シールドと、該放射シールド内で手前から奥へと配列され各々が該放射シールドの開口を向く前面と該開口とは反対側を向く背面とを有する複数のクライオパネルの配列を含み、該複数のクライオパネルの外周部と前記放射シールドとの間に前記開口への開放空間を形成するクライオパネルアセンブリと、を備えてもよい。クライオパネルアセンブリは、複数のクライオパネルの前面及び背面の合計面積の少なくとも７０％が水素吸着可能である吸着剤に覆われており、クライオポンプは少なくとも３０％の水素捕捉確率を有してもよい。吸着剤は複数のクライオパネルの各々の背面と当該クライオパネルの奥に隣接するクライオパネルの前面との間に収容されており、複数のクライオパネルの吸着剤総面積に対するシールド開口から視認可能である吸着剤面積の比率である吸着剤見える率が７％未満であってもよい。

複数のクライオパネルの配列は、手前のクライオパネルによって奥のクライオパネルの少なくとも一部が前記開口に対し遮蔽されており、吸着剤は、シールド開口から視認不能であるように、クライオパネルの遮蔽された部位に設けられていてもよい。

吸着剤総面積は、複数のクライオパネルの前面及び背面の合計面積の９０％以下であってもよい。

吸着剤の少なくとも９０％が放射シールドまたはシールド開口に露出されていてもよい。

一実施形態に係るクライオポンプは、クライオポンプ開口へと開放されたクライオポンプ内部開放空間に包囲されている複数のクライオソープションパネルの配列と、該クライオポンプ内部開放空間を包囲する放射シールドと、を備えてもよい。複数のクライオソープションパネルの少なくとも１つは、クライオポンプ内部開放空間に突出し放射シールドへと向けられているパネル末端を含み、該パネル末端は、吸着剤の欠落した区域を有してもよい。

吸着剤欠落区域は、吸着剤存在区域と共通の面に形成されていてもよい。吸着剤欠落区域は、クライオコンデンセイションのためにクライオパネル基材表面が露出されていてもよい。吸着剤欠落区域は、前記クライオポンプ開口を通じて視認される周縁露出部位にあってもよい。

一実施形態に係るクライオポンプの製造方法は、クライオパネルの基材にマスキングをすることと、マスキングされていない前記基材の表面に吸着剤を接着することと、を含んでもよい。マスキングをすることは、他のクライオパネルによって遮蔽されない前記基材の露出部にマスキングをすることを含んでもよい。この方法は、複数のクライオパネルの配列の各クライオパネルについて放射シールドの前端から当該クライオパネルに隣接するクライオパネルの末端への視線と当該クライオパネルとの交差により定まる境界の外側をマスキング領域として決定することを含んでもよい。

一実施形態に係るクライオポンプは、第１冷却温度を提供するための第１冷却ステージと、該第１冷却温度よりも低く非凝縮性気体の吸着に使用される第２冷却温度を提供するための第２冷却ステージと、を含む冷凍機と、気体を受け入れる開口を形成するシールド前端を含み、第１冷却ステージに熱的に接続され、第２冷却ステージを包囲する放射シールドと、第２冷却ステージに熱的に接続されているクライオパネルアセンブリであって、その外縁と放射シールドとの間にシールド開口への開放空間を形成し、シールド前端から少なくとも一部を視認可能であるクライオパネルアセンブリと、を備えてもよい。

クライオパネルアセンブリは、シールド開口に面するトップパネルと、シールド開口を向くパネル前面を含みトップパネルに対しシールド開口とは反対側に配設された中間パネルと、を含んでもよい。中間パネルのパネル前面に対向する隣接のクライオパネルの外周部と該外周部に対向する前記パネル前面の部分とは前記開放空間で放射シールドに向けて平行に延びており、該パネル前面は非凝縮性気体のための吸着領域と凝縮性気体のための凝縮領域とに区分されていてもよい。パネル前面の外周部が非凝縮性気体のための吸着領域と凝縮性気体のための凝縮領域とに区分されていてもよい。

前記隣接のクライオパネルはトップパネルであり、中間パネルの外周部はトップパネルの外周部よりも放射シールドに近接する位置まで延びていてもよい。トップパネル及び中間パネルのそれぞれは、シールド開口を向く前面及び該開口とは反対側を向く背面とを各々が含み互いに平行に配列されている複数のプレートを含み、中間パネルのプレートはトップパネルのプレートよりも大型であってもよい。

クライオパネルアセンブリは、中間パネルに対しシールド開口とは反対側に配設された下側パネルをさらに含んでもよい。該下側パネルの外周部は中間パネルに平行にかつ中間パネルの外周部よりも放射シールドに近接する位置まで延びていてもよい。下側パネルは、シールド開口を向く前面及び該開口とは反対側を向く背面とを各々が含み互いに平行に配列されている複数のプレートを含み、該プレートは中間パネルのプレートよりも大型であってもよい。

中間パネルのパネル前面の前記部分と前記隣接のクライオパネルの外周部との間に前記開放空間に連続する開放部分が形成され、該開放部分はその深さが該隣接のクライオパネルと該パネル前面との間隔よりも大きくてもよい。

クライオポンプは、放射シールドに熱的に接続され、シールド開口に配設されたルーバーを備えてもよい。該ルーバーはトップパネルと中間パネルとの中間のサイズを有し、該ルーバーの外周部と放射シールドとの間に開放領域が形成されてもよい。

クライオポンプは少なくとも３０％の水素捕捉確率を有しており、中間パネルは水素吸着可能である吸着剤を表面に支持するためのクライオパネル基材を含み、該クライオパネル基材の総表面積の多くとも３０％から吸着剤を欠落させることにより、該クライオパネル基材の全面を吸着剤で覆う場合に比べてクライオポンプの水素排気速度と吸着剤面積との比である水素排気効率を高くしてもよい。

一実施形態に係るクライオポンプは、放射シールドと、該放射シールド内で手前から奥へと配列されている複数のクライオパネルを含み該複数のクライオパネルの外周部と放射シールドとの間にシールド開口への開放空間を形成するクライオパネルアセンブリと、を備え、少なくとも３０％の水素捕捉確率を有するクライオポンプであってもよい。複数のクライオパネルの各々は、水素吸着可能である吸着剤を表面に支持するためのクライオパネル基材を含み、該クライオパネル基材の総表面積の多くとも３０％から吸着剤を欠落させることにより、該クライオパネル基材の全面を吸着剤で覆う場合に比べてクライオポンプの水素排気速度と吸着剤面積との比である水素排気効率を高くしてもよい。

水素排気効率は、５×１０^−２Ｌ／ｓ・ｍｍ^２以上であってもよい。クライオパネル基材の総表面積の少なくとも１０％は吸着剤欠落区域であってもよい。吸着剤の少なくとも９０％が放射シールドまたはシールド開口に露出されていてもよい。

一実施形態に係る方法は、クライオソープションパネルの表面の一部から吸着剤を欠落させる条件のもとでパネル構造パラメタを変化させたときの最大の水素排気速度を与えるパネル構造パラメタの値を求めることと、そのパネル構造パラメタの値に基づいてクライオソープションパネル配列の構成を決定することと、を含んでもよい。パネル構造パラメタは、クライオソープションパネルの寸法を含んでもよい。

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程度の高真空）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、基板に塗布されているレジストからの放出ガス、ドーパントガス、または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（図示せず）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。

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。また、水素の排気効率向上、ひいては省エネルギー性に優れるクライオポンプが求められている。そこで、クライオポンプ１０は、露出されたクライオソープションパネル配列１４において実質的に非露出に形成されている非凝縮性気体のための吸着領域を備える。

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。図３は、好ましい一実施形態に係るクライオポンプ１０の上面図である。図４は、好ましい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。

露出型のクライオパネル配列１４は、その外周部と放射シールド１６との間にクライオポンプ開口３１に開放されるクライオポンプ内部開放空間３０を形成する。開放された局所空間５４がクライオパネル配列１４の互いに隣接するクライオパネル５０によって画定されており、その局所空間５４はクライオポンプ内部開放空間３０へと連続している。吸着領域は、局所空間５４を囲むクライオパネル５０の表面に形成されている。こうした局所空間５４の開放性は吸着領域への気体の到達を促進し、クライオポンプ１０による非凝縮性気体例えば水素の高速排気の実現を支援する。

開放局所空間５４の少なくとも一部は隣接するクライオパネル５０によってクライオポンプ開口３１から遮蔽され、吸着領域はその局所空間５４に収容されている。クライオポンプ開口３１への吸着領域の直接の露出を避けることにより、クライオポンプ１０に進入する気体に含まれる難再生気体から吸着領域は保護される。こうして、非凝縮性気体の高速排気と、難再生気体からの吸着領域の保護とを両立することができる。

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のクライオパネルは、第１の冷却温度レベルにおいて蒸気圧が低い気体を凝縮により捕捉する。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のクライオパネルはソープションパネルであり、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吸着により捕捉する。そのためにパネル表面の全域または大半が吸着領域である。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。吸着剤は例えば活性炭である。吸着領域は特定の気体分子を選択的に吸着するように形成されている例えばゼオライト等の吸着剤を用いてもよいし、そのようにパネル基材に形成されている多孔質の表層であってもよい。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。第２の冷却温度レベルにおいて蒸気圧が低い気体が雰囲気に存在する場合には、ソープションパネルの吸着剤の上にまたは吸着剤のない表面の上に凝縮により捕捉される。

クライオポンプ１０は、冷凍機１２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。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には放射シールド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にはクライオパネルアセンブリ１４が熱的に接続された状態で固定されている。このため、放射シールド１６は第１冷却ステージ２２と同程度の温度に冷却され、クライオパネルアセンブリ１４は第２冷却ステージ２４と同程度の温度に冷却される。

ＣＰコントローラ１００（図１参照）はセンサ出力信号に基づいて制御出力を決定する。ＣＰコントローラ１００は例えば、冷凍機モータ２６に供給されるべき電圧及び周波数を決定する。ＣＰコントローラ１００は、冷凍機モータ２６に付設されるインバータ（図示せず）を制御する。冷凍機モータのインバータはＣＰコントローラ１００からの指令によって、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。

ＣＰコントローラ１００は例えば、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及びクライオパネルアセンブリ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（例えば真空チャンバ８０）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。

クライオポンプ１０は、クライオパネルアセンブリまたはクライオパネル構造体１４を備える。クライオパネルアセンブリ１４は、冷凍機１２の第２冷却ステージ２４により冷却される複数のクライオパネルを含む。これらのパネルは放射シールド１６内で手前即ち開口側から奥へと配列されている。各クライオパネルは、シールド開口３１を向く前面とシールド開口３１とは反対側即ち閉塞部２８を向く背面とを有する。クライオパネルアセンブリ１４は、放射シールド１６の側面を向くクライオパネルまたはその他の向きに向けられたクライオパネル（図示せず）を含んでもよい。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。

クライオパネルアセンブリ１４は、その外周部と放射シールド１６との間に、シールド開口３１へと開放された内部空間３０を形成する。クライオパネルアセンブリ１４は、その少なくとも一部例えば外周部を、シールド前端３３から視認可能である。図２に示すクライオポンプ１０と図３及び図４に示すクライオポンプ１０とはクライオパネルアセンブリ１４の具体的な形態を異にする。それぞれのクライオパネルアセンブリ１４の構成の詳細については後述する。

クライオポンプ１０は、放射シールド１６を備える。放射シールド１６は、クライオパネルアセンブリ１４を周囲の輻射熱から保護するために設けられている。放射シールド１６は一端にシールド開口３１を有する有底の円筒状の形状に形成されている。シールド開口３１は放射シールド１６のシールド前端３３により、例えば筒状側面の端部内面により画定される。シールド前端３３は、真空チャンバ８０からクライオパネルアセンブリ１４へと気体を受け入れるための開口を形成する。

一方、放射シールド１６のシールド開口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、放射シールド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はいわゆる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。冷凍機１２は放射シールド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。

図４に示されるいわゆる横型のクライオポンプは、放射シールド１６の軸方向に交差する方向（通常は直交方向、図４においては紙面の奥から手前に）に冷凍機の第２段の冷却ステージ２４が挿入され配置されている。横型の場合には閉塞部２８は通常完全に閉塞されている。冷凍機１２は、放射シールド１６の側面に形成されている冷凍機取付用の開口部から放射シールド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は放射シールド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にはクライオパネルアセンブリ１４が取り付けられる。こうしてクライオパネルアセンブリ１４は放射シールド１６の内部空間３０に配置される。

また図２乃至図４に示されるように、放射シールド１６のシールド開口３１には、放射シールド１６に熱的に接続されているバッフルまたはルーバー３２が設けられている。ルーバー３２と放射シールド１６とは同軸に配置され、ルーバー３２の外周部と放射シールド１６との間には環状の開放領域３５が形成されている。ルーバー３２は、クライオパネルアセンブリ１４とは放射シールド１６の中心軸方向に間隔をおいて設けられている。なおルーバー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。

図３に示されるように、ルーバー３２は、取付構造３７により放射シールド１６に取り付けられている。取付構造３７は例えば９０度おきに４箇所に設けられる。取付構造３７は、ルーバー３２を放射シールド１６に機械的に固定するとともに、放射シールド１６からルーバー３２への伝熱経路としても機能する。

ルーバー３２は複数の羽板３８から形成されており、各羽板３８はそれぞれ径の異なる円すい台の側面の形状に形成されて同心円状に配列されている。図３では各羽板３８の間に隙間があるが、隣接する羽板３８が互いに重なり合って上から見たときに隙間のないよう各羽板３８が密に配列されてもよい。各羽板３８は十字形状の支持部材３９に取り付けられ、この支持部材３９が取付構造３７に取り付けられている。ルーバー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。

クライオポンプ１０による水素排気速度が要求仕様を実現するように開放領域３５の面積が設定される。具体的には例えば、ルーバー３２の羽板３８の枚数を変えることによりルーバー３２の径を異ならせて、開放領域３５の面積を調整することができる。ルーバー３２によって遮蔽されていないクライオパネルアセンブリ１４の露出部位例えば周縁部が開放領域３５を通じて外部から視認される。

クライオポンプ１０は、ポンプケース３４によって真空チャンバ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は、放射シールド１６、ルーバー３２、クライオパネルアセンブリ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を収容する。ポンプケース３４及び放射シールド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の内径が放射シールド１６の外径を若干上回っているので、放射シールド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。

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。よってポンプケース３４の大径の端部は、クライオポンプの外部例えば真空チャンバ８０から気体を受け入れるためのクライオポンプ開口３１を画定する。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。

クライオパネルアセンブリ１４は放射シールド１６の内部空間３０に配置されている。クライオパネルアセンブリ１４は、複数のクライオパネル５０と、パネル取付部材５２とを備える。クライオパネルアセンブリ１４は、異型のまたは異径のクライオパネルの組合せを含む。

パネル取付部材５２は、設計されたパネルレイアウトに従って複数のクライオパネル５０を固定的に配列し、冷凍機１２の第２冷却ステージ２４から各クライオパネル５０への伝熱経路を構成する要素である。パネル取付部材５２は例えば、第２冷却ステージ２４への取付のため底面と、複数のクライオパネル５０を固定するための側面と、を有する部材である。パネル取付部材５２は、その底面がポンプ開放側に向けられて、側面が第２冷却ステージ２４を囲んでいる。

複数のクライオパネル５０は、シールド開口３１に近い手前から奥へと配列されている。各クライオパネル５０は放射シールド１６の側面に向けて互いに平行に延びている。クライオパネル５０は隣接するクライオパネルの間隔は等しくされて均等に配列されている。複数のクライオパネル５０は、複数の大型のクライオパネルと複数の小型のクライオパネルとを含む。図３及び図４に示す一実施例では、更に大型の複数のクライオパネルが含まれる。小型のクライオパネルは、大型のクライオパネルの外形に包摂される形状を有する。クライオパネル外周端は、シールド中心軸から開放空間３０へ向けて放射方向に突き出している。クライオパネル外周端と放射シールド１６の側面との間に開放空間３０が広がっており、開放空間３０はルーバー３２の周囲の開放領域３５へと直接に連続している。

以下ではクライオポンプ開口３１に面するクライオパネルをトップパネルと呼ぶことがある。つまり、クライオポンプ開口３１に最も近いクライオパネルがトップパネルである。図２においてはトップパネルが大型のクライオパネルであるが、図４に示すようにトップパネルは小型のクライオパネルであってもよい。また、トップパネルは１枚のクライオパネルであってもよいし、クライオポンプ開口３１に最も近いいくつかのクライオパネルを総称するものであってもよい。

図２に示す一実施例においては、大型のクライオパネルと小型のクライオパネルとが互いに間隔をあけて交互に配列されている。すなわち、大型のクライオパネルに小型のクライオパネルが隣接しており、その小型のクライオパネルに次の大型のクライオパネルが隣接している。大型のクライオパネルの外周端は、小型のクライオパネルの外周端よりも放射シールド１６に近接する位置まで延びている。ルーバー３２は大型のクライオパネルと小型のクライオパネルとの中間のサイズを有してもよい。

一方、図３及び図４に示す好ましい一実施例においては、クライオパネルアセンブリ１４の複数のクライオパネル５０はその寸法によって複数のグループに区分けされ、そのグループが放射シールド１６の手前から奥へと配列されている。

本実施例においてはシールド開口３１に近いほうから順に第１から第３の３つのグループに分けられており、奥にあるグループほど大型である。そこで、第１グループのクライオパネルをトップパネルまたは小型クライオパネル６０と、第２グループのクライオパネルを中間パネルまたは中型クライオパネル６２と、第３グループのクライオパネルを下側パネルまたは大型クライオパネル６４と、以下では適宜称する。なお本実施例においては３つのグループに分けられているが、クライオパネルアセンブリ１４は２つのグループを備えてもよいし、３より多くのグループを備えてもよい。

各グループは少なくとも１つのクライオパネルを含み、好ましくは各グループが複数のクライオパネルを含む。一実施例においては、各グループが２枚乃至５枚のクライオソープションパネルを有し、クライオパネルアセンブリ１４は合計で８枚乃至１４枚のクライオソープションパネルを有する。図４においては、小型クライオパネル６０、中型クライオパネル６２、大型クライオパネル６４はそれぞれ、３枚、４枚、３枚である。

中型クライオパネル６２は、小型クライオパネル６０に対しシールド開口３１とは反対側に配設されている。大型クライオパネル６４は、中型クライオパネル６２に対しシールド開口３１とは反対側に配設されている。中型クライオパネル６２の外周部は小型クライオパネル６０に平行にかつ小型クライオパネル６０の外周部よりも放射シールド１６に近接する位置まで延びている。大型クライオパネル６４の外周部は中型クライオパネル６２に平行にかつ中型クライオパネル６２の外周部よりも放射シールド１６に近接する位置まで延びている。図３に示されるように、ルーバー３２は小型クライオパネル６０（図３に破線で示す）と中型クライオパネル６２との中間のサイズを有してもよい。

一実施例においては、各クライオパネル５０は円板形状を有する。この場合、複数のクライオパネル５０は、大径の円板パネルと小径の円板パネルとその中間の径の円板パネルとを含む。ルーバー３２は、中間径の円板パネルと小径の円板パネルとの中間の径を有する円板状のルーバーであってもよい。図２に示す実施例においては、ルーバー３２は、大径の円板パネルと小径の円板パネルとの中間の径を有する円板状のルーバーであってもよい。

複数のクライオソープションパネル５０の各々は、シールド開口３１またはルーバー３２を向く前面とその反対側である閉塞部２８を向く背面とを含む例えば金属のプレートである。プレートの表面に活性炭が接着されて吸着領域が形成されている。前面と背面の合計面積の例えば少なくとも５０％は吸着領域であり、残りの多くとも５０％は非吸着領域である。非吸着領域は吸着剤が設けられていないプレートの金属面が露出された吸着剤欠落区域である。こうした吸着剤欠落区域は凝縮領域として機能しうる。

各クライオパネル５０の背面全域が吸着領域であり、クライオパネル５０の前面の少なくとも一部も吸着領域であってもよい。最上部のクライオパネルは背面のみが吸着領域を有してもよい。図２に示す一実施例においては例えば、最上部のクライオパネルを除く下方のクライオパネル５０のうち少なくとも大型クライオパネルの前面は中心部が吸着領域であり、その外側が非吸着領域または凝縮領域であってもよい。それら下方のクライオパネル５０のうち小型クライオパネルの前面は全域が吸着領域であってもよい。最下方にあるいくつかの大型クライオパネルの前面も全域が吸着領域であってもよい。

吸着領域と非吸着領域との境界、言い替えれば吸着剤の欠落区域と存在区域との境界は、クライオパネルの前面に投射される視線の軌跡によって定めてもよい。この視線は、その１つ手前のクライオパネルの外周端へシールド前端３３から引かれる直線である。つまり、その視線とパネル前面との交差した線が境界線となる。その境界線の内側に吸着領域が形成され、好ましくは境界内側は吸着領域が占有する。また、凝縮領域は境界外側の区域を包含し、好ましくは境界外側に限定される。このようにして、クライオパネル５０の前面の外周部が吸着領域と凝縮領域とに区分されている。

図５は、図４に示すクライオポンプに関しクライオパネル５０に形成される吸着領域を説明するための図である。図５に破線の矢印で、シールド前端３３からの第１視線７０と第２視線７２とを説明のために例示する。第１視線７０は、シールド開口３１またはシールド前端３３から最も離れた小型クライオパネル６０の外側末端への視線である。第２視線７２は、シールド開口３１またはシールド前端３３に最も近い中型クライオパネル６２の外側末端への視線である。上述のように、シールド開口３１から最も離れた小型クライオパネル６０とシールド開口３１に最も近い中型クライオパネル６２とは隣接している。

シールド開口３１に最も近い中型クライオパネル６２の前面における第１視線７０の軌跡が、その中型クライオパネル６２の前面における吸着領域７４と凝縮領域７８との境界８４を与える。また、シールド開口３１に二番目に近い中型クライオパネル６２の前面における第２視線７２の軌跡が、その中型クライオパネル６２の前面における吸着領域７６と凝縮領域８２との境界８６を与える。同様にして、残りの中型クライオパネル６２、小型クライオパネル６０、及び大型クライオパネル６４についても吸着領域と凝縮領域との境界を決めることができる。

図６は、図４及び図５に示すクライオポンプ１０に関しクライオパネル５０のパネル前面を示す上面図である。クライオパネル５０にはパネル取付部材５２への取付のために、外周の一部分から中心部へと切欠部８８が形成されている。図６には一例として、図５の第２視線７２によって決められた境界線８６を示す。シールド開口３１及びクライオパネル５０が円形であることに対応して、境界線８６もパネル前面で円を描く。この場合、境界線８６は吸着剤の貼付限界半径を表す。貼付限界半径の内側全域に吸着剤を接着することにより、シールド開口３１から見て吸着剤を露出させることなく最も多くの吸着剤をパネル前面に搭載することができる。

図７は、図６に示すクライオパネル５０の背面を示す図である。上述のようにパネル背面は全域に吸着剤を接着してもよいし、図７に示されるように背面外周端をわずかに空けてもよい。こうした幅狭の吸着剤欠落区域は、例えば、接着される吸着剤例えば活性炭の粒の高さを考慮して、シールド開口３１に露出されないことを確実にするために設けてもよい。

このようにして、クライオソープションパネル５０には吸着剤欠落区域が吸着剤存在区域と共通の面に形成されている。共通の面は例えば平面であり、より具体的には、パネル前面またはパネル背面である。吸着剤欠落区域は、クライオコンデンセイションのためにクライオパネル基材表面例えば金属面が露出されている。吸着剤欠落区域は、クライオポンプ開口３１を通じて視認される周縁露出部位にある。

クライオパネル５０に接着されている活性炭の粒は例えば円柱形状に成形されている。多数の活性炭の粒がクライオパネル５０の表面に密に並べられた状態で不規則な配列で接着されている。なお吸着剤の形状は円柱形状でなくてもよく、例えば球状やその他の成形された形状、あるいは不定形状であってもよい。吸着剤のパネル上での配列は規則的配列であっても不規則な配列であってもよい。

図２及び図４の実施例においては、複数のクライオパネル５０の前面と背面の合計面積の少なくとも６０％または少なくとも７０％が吸着剤に覆われている。好ましくは、少なくとも上方（開口側）のクライオパネル５０の中心部を吸着剤存在区域にすることにより、複数のクライオパネル５０の前面と背面の合計面積の多くとも９０％または多くとも８０％が吸着剤に覆われている。複数のクライオパネル５０の前面と背面の合計面積の６５〜８５％が吸着剤に覆われていてもよい。

また、図２及び図４の実施例においては、複数のクライオパネル５０の前面と背面の合計面積の多くとも４０％または多くとも３０％は吸着剤の欠落した区域である。好ましくは、少なくとも上方（開口側）のクライオパネル５０の外周部を吸着剤欠落区域にすることにより、複数のクライオパネル５０の前面と背面の合計面積の少なくとも１０％または少なくとも２０％が吸着剤欠落区域である。複数のクライオパネル５０の前面と背面の合計面積の１５〜３５％が吸着剤欠落区域であってもよい。

特に、中型クライオパネル６２を含むクライオパネルアセンブリ１４においては、中型クライオパネル６２の総表面積の少なくとも６０％または少なくとも７０％が吸着剤に覆われていることが好ましい。中型クライオパネル６２の各パネルの各面について少なくとも６０％または少なくとも７０％が吸着剤に覆われていてもよい。各パネルの両面について、または複数パネルの合計として、少なくとも６０％または少なくとも７０％が吸着剤に覆われていてもよい。また、外周部を吸着剤欠落区域にすることにより、中型クライオパネル６２の総表面積の９０％以下または８０％以下が吸着剤に覆われていることが好ましい。より好ましくは、中型クライオパネル６２は６５〜８５％の吸着剤被覆率を有する。

この場合、小型クライオパネル６０は中型クライオパネル６２に等しいかまたは中型クライオパネル６２よりも小さい吸着剤被覆率を有することが好ましい。例えば小型クライオパネル６０は５０〜６５％の吸着剤被覆率を有することが好ましい。大型クライオパネル６４は中型クライオパネル６２に等しいかまたは中型クライオパネル６２よりも大きい吸着剤被覆率を有することが好ましい。例えば大型クライオパネル６４は８５〜１００％の吸着剤被覆率を有することが好ましい。大型クライオパネル６４は両面全域が吸着剤で覆われていてもよい。

図８及び図９は、本発明の一実施形態に係るクライオパネルアセンブリ１４の吸着剤欠落率または被覆率の一例を示すテーブルである。小型クライオパネル６０、中型クライオパネル６２、及び大型クライオパネル６４のそれぞれについて吸着剤の欠落率及び被覆率を示す。個別のプレートと、グループの合計との両方について欠落率及び被覆率を示す。図８は前面と背面のそれぞれについて示し、図９は前面と背面との合計を示す。

図８及び図９においては、小型クライオパネル６０、中型クライオパネル６２、大型クライオパネル６４をそれぞれ１群、２群、３群と表記している。本実施例では、１群、２群、３群はそれぞれ３枚、４枚、３枚のプレートを含み、合計１０枚のプレートを含む。これらのプレートが図４に示されるクライオパネルアセンブリ１４と同様に配列されている。図８ではそれぞれをプレート番号１から番号１０を付して表している。

この実施例では、各プレートは金属であり吸着剤は粒状の活性炭であり、活性炭が金属面に接着剤で接着されている。よって、図８に示される金属部の面積はプレートの前面及び背面それぞれの面積を表す。活性炭部の面積は、その表面に活性炭が設けられていない場合にはゼロであり、表面全域が活性炭に覆われている場合には金属部の面積に等しく、活性炭を欠落した区域がある場合にはそれらの中間の値となる。金属部の面積に占める活性炭部の面積の比率が被覆率であり、金属部の面積に占める残りの面積の比率が欠落率である。

なお、小型クライオパネル６０の３枚のプレートはいずれも同径である。１群の最も開口に近いトッププレート（プレート番号１）のほうがその直下のプレート（プレート番号２、３）よりも面積が大きいのは、プレート番号２、３が図６に示すように切欠部８８を有するのに対し、トッププレートは有しないからである。つまり切欠部８８に相当する面積だけトッププレートのほうが面積が大きくなっている。

プレートの前面については、図６に示す実施例と同様に、プレート前面と、その手前側の隣接プレート末端へのシールド前端３３からの視線との交差により定まる境界の内側に活性炭が接着されている。しかし、１群の最も開口に近いトッププレート（プレート番号１）の前面には活性炭は設けられておらず、金属面が露出されている。その直下のプレート（プレート番号２）についても、前面に活性炭は設けられておらず金属面が露出されている。シールド前端３３からの視線とプレート面とが交わらないためである（即ち前面全域がシールド前端３３から見える）。

視線により定まる境界の内側の全域を活性炭が占有しているのは、１群の最も開口から遠いプレート（プレート番号３）、２群の最も開口に近いプレート（プレート番号４）、２群の２番目に開口に近いプレート（プレート番号５）、３群の最も開口に近いプレート（プレート番号８）、３群の２番目に開口に近いプレート（プレート番号９）である。

製作上の効率性から、２群の２枚の下方のプレート（プレート番号６、７）は、その直上のプレート（プレート番号５）と同一とし、３群の最下方のプレート（プレート番号１０）は、その直上のプレート（プレート番号９）と同一としている。よって、これらのプレートは、視線により定まる境界よりも若干内側に、実際の活性炭部の外周がある。これらのプレートについても、視線により定まる境界と実際の活性炭部の外周とを一致させて活性炭部をいくらか広くしてもよい。

プレートの背面については、図７に示す実施例とは異なり、外周端に活性炭欠落区域を設けずに全域に活性炭を接着している。よって、背面の金属部面積と活性炭部面積とは等しくなっている。

図９に示される各群の小計を見ると、活性炭被覆率は１群が５０％、２群が７７％、３群が８７％であり、段階的に大きくなっている。クライオパネルアセンブリ１４の全体では、活性炭被覆率は７６％である。

図２及び図４に示されるように、隣接する２つのクライオパネル５０の一方の背面と他方の前面とが放射シールド１６の側面に向けて平行に延びており、その間に開放部分５４が形成されている。開放部分５４は、放射シールド１６に向けられており、開放空間３０に連続する。開放部分５４の外周側は、開放空間３０に連続する気体の入口であり、開放部分５４の内周側は、隣接する２つのクライオパネル５０とパネル取付部材５２とによって閉塞されている。

開放部分５４の深さが隣接する２つのクライオパネル５０の間隔よりも大きくなるように、クライオパネル５０はシールド中心軸方向に密集して配列されている。開放部分５４の「深さ」は、クライオパネル５０の面内方向の長さであり、クライオパネル外周端からパネル取付部材５２までの距離である。隣接する２つのクライオパネル５０の大きさが異なる場合には、小さいほうのクライオパネル外周端からパネル取付部材５２までの距離が開放部分５４の深さである。こうした密集パネル配列によって、より多くの吸着剤をクライオポンプ内部の限られた空間に搭載することができる。

開放部分５４を囲むクライオパネル５０の表面に吸着領域が形成されているので、少なくとも９０％の吸着剤が、好ましくは実質的にすべての吸着剤が、放射シールド１６またはシールド開口３１に向けて露出されている。クライオポンプ１０へと向けて飛来する気体分子はルーバー３２の周囲の開放領域３５を通過して内部開放空間３０へと進入する。水素等の非凝縮性気体はシールド面またはパネル面で反射されて開放部分５４へと進入し、吸着剤へと到達する。開放領域３５から開放空間３０を通じて開放部分５４へと続くクライオポンプ内部の開放性は外部から吸着領域への気体の到達を促進する。こうして、少なくとも３０％という高い水素捕捉確率を有するクライオポンプ１０が実現される。

水素捕捉確率は、クライオポンプ１０と同一の口径を有する（即ちクライオポンプ開口面積が同一である）クライオポンプにおける理論上の最大の水素排気速度に対する実際の水素排気速度の比で与えられる。クライオポンプの実際の水素排気速度は、公知のモンテカルロシミュレーションにより求めることができる。

また、理論上の水素排気速度はその開口についての分子流のコンダクタンスに等しいとみなすことができる。水素のコンダクタンスＣ（水素）は、２０℃空気のコンダクタンスＣ（２０℃空気）から次式で求められる。

ここで、Ｔは水素ガスの温度（Ｋ）であり、Ｍは水素の分子量（即ちＭ＝２）である。２０℃空気のコンダクタンスＣ（２０℃空気）は、開口面積Ａ（ｍ^２）に比例し、Ｃ（２０℃空気）＝１１６Ａで与えられる。例えば口径２５０ｍｍのクライオポンプの場合には上式により、理論上の水素排気速度は約２０８４０Ｌ／ｓである。このとき、水素捕捉確率が３０％であることと、そのクライオポンプの水素排気速度が約６２５２Ｌ／ｓであることとは等価である。

典型的な従来の水素高速排気のためのクライオポンプは、より多くのクライオパネルすなわち活性炭をクライオポンプに搭載することで排気速度を高めるという考え方で設計されている。よって、排気速度の向上と、パネル重量の増大さらには再生時間（特にクールダウン時間）の増加とは、トレードオフの関係にある。排気速度を高めつつクールダウン時間の増加を抑えるには、冷凍能力の高い冷凍機を要する。そのため、排気速度の向上によって省エネルギー性能が犠牲となりうる。

これに対して本発明の一実施形態は、水素高速排気のためのクライオポンプにおいて水素排気効率を最適化するという新たな設計思想を提供する。本発明者は、クライオポンプの水素排気速度（Ｌ／ｓ）と吸着領域面積（ｍｍ^２）との比、すなわち吸着剤存在区域単位面積当たりの排気速度をクライオポンプの水素排気効率（Ｌ／ｓ・ｍｍ^２）と定義する。単純に吸着剤を増やす代わりに、吸着領域面積をいくらか小さくすることにより排気効率を高める。上述のようにクライオパネル外周部において吸着領域面積を減らしてもよいし、その他の部位において吸着領域面積を減らしてもよい。

吸着領域面積をいくらか小さくすると、それに応じてクライオポンプの水素排気速度もいくらか小さくなる。しかし、それは実際上あまり問題にならないと考察される。クライオポンプ単体で排気速度に差があっても、真空チャンバに実際に取り付けてクライオポンプを運転したときに実際に結果として生じる排気速度の差はそれよりも小さくなる傾向にある。なぜなら、真空チャンバ側のコンダクタンスによる制限のために、クライオポンプ単体で見たときの排気速度性能がそのまま発揮されるわけでは必ずしもないからである。

本発明者の経験と考察によれば、水素高速排気のためのクライオポンプにおいては、クライオポンプ単体での排気速度性能に１０％の違いがあったとしても、真空チャンバに取り付けたときの排気速度性能にはほとんど影響がない。よって、水素排気速度の減少許容範囲を１０％以内と設定した場合には、吸着領域面積の低減による水素排気効率の向上の利点は排気速度減少の不利益を凌駕する。そこで、本発明の一実施形態においては、クライオパネル全面を吸着剤で覆う場合の水素排気速度の少なくとも９０％の排気速度を与える条件で水素排気効率を高くするよう吸着領域面積を調整してもよい。

本発明者の解析によれば、例えば図２及び図４に示すタイプの開口に平行な複数平板のパネル配列をもつクライオポンプは、クライオパネル全面を吸着剤で覆う場合には、水素排気効率は２×１０^−２Ｌ／ｓ・ｍｍ^２〜４×１０^−２Ｌ／ｓ・ｍｍ^２程度に留まる。これに対し、図２及び図４に示す実施例のように吸着剤の欠落部位を設けることにより、水素排気効率を５×１０^−２Ｌ／ｓ・ｍｍ^２以上に高めることができる。水素排気速度の減少許容範囲において水素排気効率を７×１０^−２Ｌ／ｓ・ｍｍ^２まで高めることができる。

つまり、水素排気効率はおよそ２倍程度となる。これは同レベルの水素排気速度が半分程度の吸着領域で実現されることを意味する。これによってパネル重量を１０００〜２０００ｇ程度減らすことができる。パネル重量が低減されればクールダウンに要する時間も短くなる。その結果、再生時の平均消費電力をおよそ４割程度削減することができる。

なお、水素排気効率を７×１０^−２Ｌ／ｓ・ｍｍ^２よりも高くするためには、吸着剤を完全に露出するタイプのクライオパネルアセンブリ（例えば特許文献４（特開２００９−１６２０７４号公報）を参照）を採用することが現実的であろう。特開２００９−１６２０７４号公報を参照によりその全体を本願明細書に援用する。

ところで、外部からクライオポンプ１０へと向けて飛来する凝縮性気体の分子は、ルーバー３２の周囲の開放領域３５を通過して、放射シールド１６またはクライオパネル５０外周の凝縮領域に直線的経路で到達し、それらの表面に捕捉される。開放局所空間５４は外周側の気体入口を除いて、上側のクライオパネル５０によりクライオポンプ開口３１から遮蔽され、吸着領域はその遮蔽部位に収容されている。難再生気体はほぼ例外なく凝縮性気体である。クライオポンプ開口３１への吸着領域の直接の露出を避けることにより、クライオポンプ１０に進入する気体に含まれる難再生気体から吸着領域は保護される。難再生気体は凝縮領域に堆積される。こうして、非凝縮性気体の高速排気と、難再生気体からの吸着領域の保護とを両立することができる。

本発明の一実施形態においては、吸着領域が遮蔽部位に収容されることにより、クライオポンプ開口３１から視認不能である。言い替えれば、クライオパネル５０の吸着剤総面積に対するクライオポンプ開口３１から視認可能である吸着剤面積の比率である「吸着剤見える率」がゼロ％である。しかし、本発明の一実施形態に係るクライオポンプは、吸着剤見える率がゼロ％である構成には限定されない。吸着剤見える率が７％未満である場合には、実質的に吸着剤が開口から視認不能であると評価してもよい。一実施例においては、吸着剤見える率が７％未満、５％未満、または３％未満であることが好ましい。しかし、例えば難再生気体の含有量が十分に低いと見込まれる場合、または露出された吸着剤を犠牲にすることが許容される場合には、７％を超える吸着剤が開口から見えていてもよい。

クライオポンプ開口３１に近いクライオパネル５０に比べて、クライオポンプ開口３１から離れた放射シールド１６内方のクライオパネル５０へは気体分子が到達しにくい。クライオポンプ開口３１から離れたクライオパネル５０は排気速度への寄与は小さく難再生気体の影響も小さい。よって、一実施例においては、下側の大型クライオパネル６４は周縁露出部位に吸着剤が設けられていてもよい。例えば図８に示す実施例において大型クライオパネル６４の前面全域に吸着剤を設けた場合の吸着剤見える率は約７％である。

クライオポンプ１０の動作を述べる。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放射シールド１６、ルーバー３２、クライオパネルアセンブリ１４も冷却される。上述の第１クライオパネルは放射シールド１６及びルーバー３２を含み、第２クライオパネルはクライオパネルアセンブリ１４を含む。

冷却されたルーバー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。ルーバー３２の冷却温度では蒸気圧が充分に低くならない気体はルーバー３２を通過して放射シールド１６内部へと進入する。ルーバー３２を通過した気体分子にクライオパネルアセンブリ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）が含まれる場合には、クライオパネルアセンブリ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、クライオパネルアセンブリ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。

特に、イオン注入装置の真空排気系に使用されるクライオポンプ１０においては、放射シールド１６内部に進入した気体のうち、有機系ガスやドーパントガス等の難再生気体はクライオパネル５０の外周部の吸着剤欠落部位に凝縮される。水素ガス等の分子径が比較的小さい気体は吸着剤に吸着される。このようにしてクライオポンピング処理が行われる。

クライオポンピング処理が継続して行われると、クライオポンプ内部に気体が蓄積される。蓄積された気体を外部に排出するために再生処理を実行する。まず、ゲートバルブ７を閉じることによりクライオポンプ１０を真空チャンバ８０から分離する。次いでクライオパネル５０を昇温する。クライオポンピング処理における冷却温度よりも高温（例えば常温）にクライオパネル５０を昇温する。

昇温により、クライオパネル表面に凝縮により捕捉されていた気体は気化され、吸着により捕捉されていた気体は脱着されてポンプ容器内部に再放出される。再放出された気体はクライオポンプ１０の排出口（図示せず）を通じて、例えば付設の粗引きポンプの駆動により外部に排出する。その後、クライオポンピング処理における動作温度にクライオパネル５０を再冷却する。再冷却により再生処理は完了する。ゲートバルブ７が開放されて、再びクライオポンピング処理が開始される。このようにして、クライオポンピング処理と再生処理とが交互に行われる。

図１０は、本発明の一実施形態に係り、再生を通じたクライオポンプの水素排気速度変化を示す図である。図１０には、本発明の一実施形態に係るクライオポンプ１０の水素排気速度変化を示す。比較のために、例えば特開２００９−１６２０７４号公報に記載される吸着剤を完全に露出するタイプのクライオパネルアセンブリを有するクライオポンプについての水素排気速度変化を示す。図１０の縦軸は水素排気速度の測定値を示し、横軸は再生回数を示す。実線上にある排気速度測定値は再生処理の実行直前の値であり、破線上にある測定値は再生完了直後の値である。

図１０に示す１回目の再生に関して破線上にある測定値は、そのクライオポンプを初めて運転したときの値である。難再生気体により活性炭が汚染されていないので、比較例の完全露出型で特に高い水素排気速度が示されている。

排気速度は再生直前に低く完了後は回復すると予測される。しかし、比較例においては図示されるように、３回目の再生以降はそうした排気速度の低下と回復とが繰り返されているものの、２回目の再生までは当初の高排気速度から急速に排気速度が低下している。露出された活性炭がある程度汚染されるまでは排気速度の低下が続いたものと考えられる。以降の再生によっても初期の排気性能までは回復していない。

ところが、実施例においては１回目の再生から７回目の再生まで排気速度の増減が繰り返されている。再生を繰り返しても図示の太い破線で示すように概ね一定レベルの水素排気速度が維持されている。再生により初期の排気性能に回復している。つまり、クライオポンプの出荷直後の最初の運転から継続的に安定した排気性能が保たれることがわかる。

図１１は、本発明の一実施形態に係るクライオポンプ１０の製造方法を説明するためのフローチャートである。この方法は、クライオポンプ１０の製造工程において作業者によりまたは製造装置によって行われる。マスキング処理に先行して、母材からクライオパネルの基材を加工し成形する処理が行われる（Ｓ１０）。図１１に示されるように、クライオパネル５０の基材にマスキング処理がなされる（Ｓ１２）。マスキング処理は、他のクライオパネル（例えばクライオパネルアセンブリ１４を組み立てたときに隣接する上方のクライオパネル）によって遮蔽されない基材の露出部にマスキングをすることを含む。マスキング処理は、そうした露出部に例えばマスキングテープを貼ることを含む。

次に、マスキングされていない基材の表面に吸着剤を接着する吸着剤接着処理がなされる（Ｓ１４）。この接着処理は、マスキングされていない基材の表面に接着剤を塗布することと、その接着剤塗布領域に吸着剤例えば粒状の活性炭を接着することと、を含む。吸着剤の接着されたクライオパネル５０は、パネル取付部材５２に取り付けられ、クライオパネルアセンブリ１４が組み立てられる（Ｓ１６）。クライオパネルアセンブリ１４はクライオポンプ１０の冷凍機１２に取り付けられ、クライオポンプ１０が組み立てられる（Ｓ１８）。

また、マスキング処理に先行して、各クライオパネル５０について放射シールド１６の前端から当該クライオパネル５０に隣接するクライオパネル５０の末端への視線と当該クライオパネル５０との交差により定まる境界の外側をマスキング領域として決定することが行われてもよい。この決定処理は、製造工程の前段階の設計工程で行われてもよい。

図１２は、本発明の一実施形態に係るクライオポンプ１０の製造するための方法を説明するためのフローチャートである。この方法は例えばクライオパネルアセンブリ１４を設計するために実行される。まず、ある制約条件の下でクライオパネル構造パラメタを変化させたときの最大の水素排気速度を与えるクライオパネル構造パラメタの値を求める（Ｓ２０）。パネル構造パラメタを変数とし水素排気速度を目的関数として公知の実験計画法を使用して、最大水素排気速度を与えるパネル構造パラメタの値を求めてもよい。

制約条件は、クライオソープションパネルの表面の一部から吸着剤を欠落させることを含む。この吸着剤欠落条件は、放射シールド１６の前端からあるクライオパネル５０に隣接するクライオパネル５０の末端への視線とそのクライオパネル前面との交差により定まる境界の内側に吸着領域を形成することであってもよい。

パネル構造パラメタは、クライオソープションパネルの寸法、例えばパネルが円形の場合はパネル径を含む。クライオパネルアセンブリ１４が異なる形状の複数種類のクライオパネルを含む場合には、それぞれの形状を表すための複数のパラメタが使用されてもよい。クライオパネルアセンブリ１４が異径のクライオパネルを複数種類含む場合には、パネル構造パラメタはそれぞれの径を含んでもよい。パネル構造パラメタは、クライオポンプ開口３１とトップパネルとの間隔を含んでもよい。パネル構造パラメタは、ルーバー３２の径を含んでもよい。パネル構造パラメタは、隣接するクライオパネル間隔を含んでもよい。

そうして得られたパネル構造パラメタの値に基づいてクライオソープションパネル配列の構成が決定される（Ｓ２２）。例えば、クライオソープションパネルの表面の一部から吸着剤を欠落させる条件のもとで最大水素排気速度を与えるクライオパネル寸法例えばパネル径の値が得られる。この値を使用して、クライオパネルアセンブリ１４の具体的構成を決めることができる。

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。

上述の実施形態とは異なるパネル配列を採用してもよい。例えば、クライオパネル間隔はすべてのパネルについて等しくてもよいし、各々異なっていてもよい。例えば開口３１からパネルの位置が遠ざかるにつれてパネル間隔が狭くなるように複数のパネル５０のそれぞれを配置してもよい。このようにすれば、開口３１に近接する領域での気体の流れ性を良好とし排気速度を高くすることができる。それとともに、開口３１から遠い領域では相対的にパネルが密に配置されることにより吸着領域を増加させることができるので充分な気体吸蔵量を確保することもできる。

また、上述の実施形態とは異なる形状及び／または配向のクライオパネル５０を採用してもよい。例えば、パネル５０の径方向の長さを開口３１から遠ざかるにつれて短くしてもよいし、互いに等しくしてもよい。パネル５０を開口３１から見たときの形状は円形でなくてもよく、例えば多角形形状などの他の形状であってもよい。パネル５０は例えば周縁部に上方または下方への折り曲げ部分を有してもよい。パネル５０は気体流通を促進するための開口またはスリットを表面に有してもよい。パネル５０の向きは、径方向外側に延びるにつれて開口３１から離れるように斜めになっていてもよいし、径方向外側に延びるにつれて開口３１に近づくように斜めになっていてもよい。

例えば、クライオパネルアセンブリ１４においてクライオパネル５０以外の露出されている表面を吸着剤貼付面として利用してもよい。例えばパネル取付部材５２をパネルの１つとして利用してもよい。

１イオン注入装置、１０クライオポンプ、１２冷凍機、１４クライオパネルアセンブリ、１６放射シールド、２２第１冷却ステージ、２４第２冷却ステージ、３０クライオポンプ内部開放空間、３１クライオポンプ開口、３２ルーバー、３３シールド前端、３５開放領域、５０クライオパネル、５２パネル取付部材、５４開放部分、６０トップパネル、６２中間パネル、６４下側パネル、７６吸着領域、８２凝縮領域、８６境界、１００ＣＰコントローラ。

Claims

クライオポンプであって、
第１冷却温度を提供するための第１冷却ステージと、該第１冷却温度よりも低く非凝縮性気体の吸着に使用される第２冷却温度を提供するための第２冷却ステージと、を含む冷凍機と、
第１冷却ステージに熱的に接続されている放射シールドと、
第２冷却ステージに熱的に接続されているクライオパネルアセンブリであって、該放射シールド内で手前から奥へと配列され各々が該放射シールドの開口を向く前面と該開口とは反対側を向く背面とを有する複数のクライオパネルの配列を含み、該複数のクライオパネルの外周部と前記放射シールドとの間に前記開口への開放空間を形成するクライオパネルアセンブリと、を備え、
前記クライオパネルアセンブリは、前記複数のクライオパネルの前面及び背面の合計面積の少なくとも７０％が水素吸着可能である吸着剤に覆われており、前記クライオポンプは少なくとも３０％の水素捕捉確率を有しており、
前記吸着剤は前記複数のクライオパネルの各々の背面と当該クライオパネルの奥に隣接するクライオパネルの前面との間に収容されており、前記複数のクライオパネルの吸着剤総面積に対する前記開口から視認可能である吸着剤面積の比率である吸着剤見える率が７％未満であり、
前記吸着剤の少なくとも９０％が前記放射シールドまたは前記開口に露出されていることを特徴とするクライオポンプ。
前記複数のクライオパネルの配列は、手前のクライオパネルによって奥のクライオパネルの少なくとも一部が前記開口に対し遮蔽されており、
前記吸着剤は、前記開口から視認不能であるように、クライオパネルの遮蔽された部位に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のクライオポンプ。
前記吸着剤総面積は、前記複数のクライオパネルの前面及び背面の合計面積の９０％以下であ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。
前記複数のクライオパネルの配列において隣接する２つのクライオパネルのうち一方の背面と他方の前面との間に開放局所空間が画定され、
前記開放局所空間は、前記複数のクライオパネルの外周部と前記放射シールドとの間に形成される前記開放空間に連続することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のクライオポンプ。
クライオポンプであって、
第１冷却温度を提供するための第１冷却ステージと、該第１冷却温度よりも低く非凝縮性気体の吸着に使用される第２冷却温度を提供するための第２冷却ステージと、を含む冷凍機と、
第２冷却ステージに熱的に接続され、クライオポンプ開口へと開放されたクライオポンプ内部開放空間に包囲されている複数のクライオソープションパネルの配列と、
第１冷却ステージに熱的に接続され、該クライオポンプ内部開放空間を包囲する放射シールドと、を備え、
前記複数のクライオソープションパネルの配列は吸着剤を備え、前記吸着剤の少なくとも９０％が前記放射シールドまたは前記クライオポンプ開口に露出されており、
前記複数のクライオソープションパネルの少なくとも１つは、クライオポンプ内部開放空間に突出し放射シールドへと向けられているパネル末端を含み、該パネル末端は、吸着剤の欠落した区域を有することを特徴とするクライオポンプ。
吸着剤欠落区域は、吸着剤存在区域と共通の面に形成されていることを特徴とする請求項５に記載のクライオポンプ。
吸着剤欠落区域は、クライオコンデンセイションのためにクライオパネル基材表面が露出されていることを特徴とする請求項５または６に記載のクライオポンプ。
吸着剤欠落区域は、前記クライオポンプ開口を通じて視認される周縁露出部位にあることを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載のクライオポンプ。
請求項１から８のいずれかに記載のクライオポンプの製造方法であって、
クライオパネルの基材にマスキングをすることと、
マスキングされていない前記基材の表面に吸着剤を接着することと、を含むことを特徴とするクライオポンプの製造方法。
前記マスキングをすることは、他のクライオパネルによって遮蔽されない前記基材の露出部にマスキングをすることを含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
複数のクライオパネルの配列の各クライオパネルについて放射シールドの前端から当該クライオパネルに隣接するクライオパネルの末端への視線と当該クライオパネルとの交差により定まる境界の外側をマスキング領域として決定することをさらに含むことを特徴とする請求項９または１０に記載の方法。