JP6762672B2 - クライオポンプ - Google Patents

Description

本発明は、クライオポンプに関する。

クライオポンプは、極低温に冷却されたクライオパネルに気体分子を凝縮または吸着により捕捉して排気する真空ポンプである。クライオポンプは半導体回路製造プロセス等に要求される清浄な真空環境を実現するために一般に利用される。

クライオポンプはいわゆる気体溜め込み式の真空ポンプであるから、捕捉した気体を外部に定期的に排出する再生を要する。再生のためにクライオポンプは極低温から室温またはそれよりいくらか高い温度に加熱される。そのためにクライオポンプには通例、冷凍機の冷却ステージなどの冷却源に電気ヒータなどの熱源が付設されている。また冷凍機自体が冷凍サイクルに代えて、熱力学的な昇温サイクル（作動ガスの断熱圧縮を含む）を伴う加熱動作を可能とする場合もある。クライオパネル上に捕捉されていた氷は加熱により溶け最終的には気化し、クライオポンプの外に排出される。

特許第２７２５６８９号公報

本発明者らは、クライオポンプの再生について鋭意研究を重ねた結果、以下の課題を認識するに至った。クライオポンプに捕捉される水以外の種々の気体は室温レベルの再生温度で容易に気化するのでクライオポンプから排出されやすい。ところが、水はその温度域で液体状態をとる。液体の水は重力にしたがい下方に流れ、クライオポンプ内の底部またはその他の場所に溜まる。排出口が最下部にあるとは限らない。排出口より下に溜まった水を排出するには、水を蒸発させなければならない。水は蒸発するとき周囲から熱を奪う。溜まった水量が多いほど蒸発による吸熱量も増え、場合によっては水面が氷結しうる。
とくに、大量の水を排気できるよう設計された大容量のクライオポンプでは、水量が多いので、こうした氷結が起こりやすい。氷結にともない水の蒸発が顕著に抑制され、気化による排出が困難となり、再生時間が長くなってしまう。実用上許容できる時間内に再生が完了されないこともありうる。そこで、再生時間をより短くするうえで、より効率的に水を排出することが望まれる。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、クライオポンプの再生時間を短縮することにある。

本発明のある態様によると、クライオポンプは、室温部と第１冷却ステージと第２冷却ステージとを備える冷凍機と、前記第１冷却ステージに熱的に結合され、前記第２冷却ステージと非接触に前記第２冷却ステージを囲む放射シールドと、クライオポンプ吸気口を有し、前記クライオポンプ吸気口と反対側にハウジング底面を備え、前記放射シールドと非接触に前記放射シールドを囲むシールド収容部と、前記シールド収容部を前記冷凍機の前記室温部に接続する冷凍機収容部と、を備えるクライオポンプハウジングと、前記クライオポンプハウジングの外から中に熱を与えるよう前記冷凍機収容部の外面または前記ハウジング底面に配置されたヒータと、を備える。

本発明のある態様によると、クライオポンプは、室温部と第１冷却ステージと第２冷却ステージとを備える冷凍機と、前記第１冷却ステージに熱的に結合され、前記第２冷却ステージを囲む放射シールドと、クライオポンプ吸気口を有し、前記クライオポンプ吸気口と反対側にハウジング底面を備え、前記放射シールドと非接触に前記放射シールドを囲むシールド収容部と、前記シールド収容部を前記冷凍機の前記室温部に接続する冷凍機収容部と、を備えるクライオポンプハウジングと、前記第１冷却ステージに熱的に結合され、前記冷凍機収容部と前記冷凍機との隙間に配置された伝熱部材と、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、クライオポンプの再生時間を短縮することができる。

第１実施形態に係るクライオポンプを概略的に示す。 第２実施形態に係るクライオポンプを概略的に示す。 第３実施形態に係るクライオポンプを概略的に示す。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施の形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係るクライオポンプ１０を概略的に示す。図１には、クライオポンプ１０の概略側面図を示す。

クライオポンプ１０は、例えばイオン注入装置、スパッタリング装置、蒸着装置、またはその他の真空プロセス装置の真空チャンバに取り付けられて、真空チャンバ内部の真空度を所望の真空プロセスに要求されるレベルまで高めるために使用される。クライオポンプ１０は、排気されるべき気体を真空チャンバから受け入れるためのクライオポンプ吸気口（以下では単に「吸気口」ともいう）１２を有する。吸気口１２を通じて気体がクライオポンプ１０の内部空間に進入する。

クライオポンプ１０は、冷凍機１６と、クライオポンプハウジング７０とを備える。クライオポンプ１０の内部の構成は、よく知られたものが採用されてもよく、また図２を参照して例示的構成を後述するので、ここでは詳述しない。

クライオポンプハウジング７０は、シールド収容部７４と、冷凍機収容部７６とを備える。シールド収容部７４は、吸気口１２と反対側にハウジング底面７０ａを備える。シールド収容部７４は、放射シールドと非接触に放射シールドを囲む。冷凍機収容部７６は、シールド収容部７４を冷凍機１６の室温部２６に接続する。

シールド収容部７４は、一端が吸気口１２として開放され他端がハウジング底面７０ａとして閉塞された円筒状またはドーム状の形状を有する。シールド収容部７４は、吸気口１２を画定する吸気口フランジ７２を備える。

吸気口フランジ７２をハウジング底面７０ａに接続するシールド収容部７４の側壁には、吸気口１２とは別に、冷凍機１６を挿通する開口が形成されている。冷凍機収容部７６はこの開口から冷凍機１６の室温部２６へと延びる円筒状の形状を有する。冷凍機収容部７６はシールド収容部７４と一体的に形成されている。

冷凍機収容部７６の円筒状の側面には、再生中にクライオポンプ１０から気体または液体を排出するためのラフバルブ７８及びベントバルブ８０が取り付けられている。ラフバルブ７８はクライオポンプハウジング７０を粗引きポンプ７９に接続する。ベントバルブ８０はクライオポンプ１０の内部に生じうる高圧を外部環境に逃がすために設けられている。また、シールド収容部７４にはクライオポンプ１０の内部にパージガスを供給するためのパージバルブ８２が取り付けられている。パージバルブ８２はクライオポンプハウジング７０をパージガス源８３に接続する。粗引きポンプ７９及びパージガス源８３は通例、クライオポンプ１０の構成要素とはみなされない。

ラフバルブ７８、ベントバルブ８０、及びパージバルブ８２の配置は例示であり、とくに限定されない。冷凍機収容部７６にはこうしたバルブが取り付けられていなくてもよい。ラフバルブ７８及びベントバルブ８０は、シールド収容部７４に取り付けられていてもよい。また、冷凍機収容部７６には、例えば真空計などのその他の構成要素が取り付けられていてもよい。

冷凍機収容部７６の末端（すなわちシールド収容部７４と反対側の端部）には、冷凍機１６の室温部２６に取り付けるための取付フランジ７６ａが設けられている。取付フランジ７６ａに対応する冷凍機フランジ２６ａが室温部２６に設けられており、取付フランジ７６ａは冷凍機フランジ２６ａにボルトなどの適宜の締結具で固定される。室温部２６は、冷凍機１６を駆動するモータを収容するモータハウジングであってもよい。

クライオポンプ１０は、クライオポンプハウジング７０の外から中に熱を与えるよう冷凍機収容部７６の外面に配置された第１ヒータ８４を備える。第１ヒータ８４は、電気ヒータである。第１ヒータ８４は、シート状の形状を有し、冷凍機収容部７６に円筒状の側面に巻き付けられている。第１ヒータ８４は、冷凍機収容部７６の全周を囲んでいるが、それは必須ではない。第１ヒータ８４は、冷凍機収容部７６の周方向に部分的に設けられていてもよい。第１ヒータ８４の形状は任意であり、シート状には限られない。例えば、第１ヒータ８４は、線状のヒータであってもよい。

第１ヒータ８４はヒータ電源８５に接続されている。クライオポンプ１０の再生は一般に、昇温工程、排出工程、及びクールダウン工程を含む。昇温工程においてはクライオパネルが再生温度に加熱される。排出工程においてはクライオポンプ１０に捕捉された気体が排出される。クールダウン工程においてはクライオパネルが真空排気運転のための極低温に再冷却される。ヒータ電源８５は、クライオポンプ１０の再生開始（例えば昇温工程の開始）に応答して第１ヒータ８４をオンとし、排出工程の完了またはクールダウン工程の開始に応答して第１ヒータ８４をオフとするよう構成されていてもよい。

第１ヒータ８４の加熱温度の下限は水の氷結を妨げるよう選択され、上限は冷凍機１６の耐熱温度に基づき選択されてもよい。第１ヒータ８４の加熱温度は例えば、１０℃から５０℃の範囲、または２０℃から４０℃の範囲から選択されてもよい。この温度設定は、後述する第２ヒータ８６についても同様である。

第１ヒータ８４は、これに限られず、任意の形式の加熱器具であってもよい。例えば、第１ヒータ８４は、冷凍機収容部７６の外面に巻き付けられ、または冷凍機収容部７６の外面に沿って延びる温調流体の配管を備え、この配管に例えば温水または暖かいガスが流れることで、クライオポンプハウジング７０の外から中に熱が与えられてもよい。

後述する第２ヒータについても、第１ヒータ８４と同様に、任意の形状を有してもよい。また第２ヒータは、任意の形式の加熱器具であってもよい。

なお、パージバルブ８２及びパージガス源８３からなるパージガス供給部によるクライオポンプ１０へのパージガスの供給は一種の加熱手段とみなせるが、第１ヒータ８４はこれを含まない。第１ヒータ８４は、パージガス供給部とは異なる加熱器具としてクライオポンプ１０に設けられている。

第１ヒータ８４は、室温部２６に隣接する冷凍機収容部７６の基部７６ｂの外面に配置されている。ここで、冷凍機収容部７６の基部７６ｂとは、冷凍機収容部７６のうち室温部２６に近い部分をいう。第１ヒータ８４は、取付フランジ７６ａに隣接して冷凍機収容部７６の基部７６ｂに装着されている。図示のように冷凍機収容部７６にバルブが設けられている場合には、第１ヒータ８４は、室温部２６に最も近いバルブ（例えばベントバルブ８０）と室温部２６の間に配置される。

クライオポンプ１０は、図示される向きで真空チャンバに吸気口フランジ７２が取り付けられうる。クライオポンプ１０は、いわば縦向きで使用されうる。すなわち、吸気口１２及びハウジング底面７０ａが上方に位置し冷凍機１６の室温部２６が下方に位置する状態で、クライオポンプ１０が使用される場合がある。

クライオポンプ１０の真空排気運転中にクライオパネル表面に凝縮により捕捉された水（すなわち氷）は、クライオポンプ１０の再生中に加熱され溶ける。図示されるクライオポンプ１０の縦向き配置の場合、溶けた水は、重力により下方へと流れ、冷凍機収容部７６の底（室温部２６の直上）に溜まりうる。水位がベントバルブ８０を超えればベントバルブ８０から水を液体のままクライオポンプ１０の外に排出することができる。しかし、水位がベントバルブ８０に達しない場合、排出するには溜まった水を蒸発させる必要がある。

蒸発による冷却作用は、冷凍機収容部７６の底に溜まった水の温度を低下させる。最悪の場合、溜まった水の水面または全体が再び氷結されうる。典型的なクライオポンプは再生のために加熱手段を備える。しかし、この典型的な加熱手段は冷凍機収容部７６の底から離れた場所（例えば冷凍機１６の冷却ステージ）に配置されている。そのため、冷凍機収容部７６の底に溜まった水を速やかに蒸発させるほどの加熱をしがたい。

冷凍機収容部７６の底に溜まった水が、室温よりも低い温度、例えば水の凝固点近くまで冷却されると、冷凍機収容部７６の底に溜まった水の水面からの水分の蒸発は顕著に抑制される。気化による水の排出が実質的に困難となり、再生時間が極端に長くなりうる。実用上許容できる時間内に再生が完了されないこともありうる。

ところが、第１実施形態に係るクライオポンプ１０には、第１ヒータ８４が冷凍機収容部７６の基部７６ｂに配置されている。したがって、第１ヒータ８４を用いて、冷凍機収容部７６の底に溜まった水を加熱し、その氷結を防ぐことができる。また、加熱により、水の蒸発を促進することもできる。よって、水を効率的に排出することができ、再生時間を短縮することができる。

なお、冷凍機収容部７６に溜まりうる水に有効に熱を与えられる限り、第１ヒータ８４は、任意の場所に配置されてもよい。例えば、第１ヒータ８４は、冷凍機収容部７６の基部７６ｂから離れてシールド収容部７４に近接して配置されてもよい。バルブやセンサなど付加的な構造物が冷凍機収容部７６の基部７６ｂに設けられている場合には、そうした構造物を避けた第１ヒータ８４の配置が適当でありうる。

また、第１ヒータ８４は、冷凍機収容部７６の外面に装着されるので、こうしたヒータを有しない既設のクライオポンプに追加的に設置することができるという利点もある。

（第２実施形態）
図２は、第２実施形態に係るクライオポンプ１０を概略的に示す。クライオポンプ１０は、図示される向きで真空チャンバに吸気口フランジ７２が取り付けられうる。クライオポンプ１０は、いわば横向きで使用されうる。すなわち、吸気口１２が上方に位置しハウジング底面７０ａが下方に位置する状態で、クライオポンプ１０が使用される場合がある。

放射シールド３０の底部には水抜き穴８７が形成されていてもよい。この場合、再生中に溶けた水が水抜き穴８７を通ってシールド収容部７４の底に溜まりやすい。

クライオポンプ１０は、クライオポンプハウジング７０の外から中に熱を与えるようハウジング底面７０ａに配置された第２ヒータ８６を備える。このようにすれば、図示されるクライオポンプ１０の横向き配置の場合にシールド収容部７４の底に溜まりうる水を第２ヒータ８６で加熱することができる。よって、第２実施形態に係るクライオポンプ１０によっても、第１実施形態に係るクライオポンプ１０と同様に、水を効率的に排出し再生時間を短縮することができる。

第２ヒータ８６は、シールド収容部７４においてハウジング底面７０ａにのみ配置されている。第２ヒータ８６は、シールド収容部７４の側面には設けられていない。このようにすれば、平面的な形状の市販のヒータを第２ヒータ８６として容易に用いることができる。シールド収容部７４の側面及びハウジング底面７０ａの両方にヒータを取り付ける場合に比べて、第２ヒータ８６の設置が容易である。ただし、必要に応じて、シールド収容部７４の側面及びハウジング底面７０ａの両方に第２ヒータ８６が設けられてもよい。

第１ヒータ８４と同様に、第２ヒータ８６は、ヒータ電源８５に接続されている。

クライオポンプ１０は、第１ヒータ８４と第２ヒータ８６の両方を備えてもよい。

続いて、図２を参照して、クライオポンプ１０の内部の構成要素について例示的な構成を説明する。この構成は、図１に示されるクライオポンプ１０に適用可能である。また、後述の図３に示されるクライオポンプ１０にも適用可能である。

なお以下では、クライオポンプ１０の構成要素の位置関係をわかりやすく表すために、「軸方向」、「径方向」との用語を使用することがある。軸方向は吸気口１２を通る方向（図１において中心軸Ａに沿う方向）を表し、径方向は吸気口１２に沿う方向（中心軸Ａに垂直な方向）を表す。便宜上、軸方向に関して吸気口１２に相対的に近いことを「上」、相対的に遠いことを「下」と呼ぶことがある。つまり、クライオポンプ１０の底部から相対的に遠いことを「上」、相対的に近いことを「下」と呼ぶことがある。径方向に関しては、吸気口１２の中心（図１において中心軸Ａ）に近いことを「内」、吸気口１２の周縁に近いことを「外」と呼ぶことがある。なお、こうした表現はクライオポンプ１０が真空チャンバに取り付けられたときの配置とは関係しない。例えば、クライオポンプ１０は鉛直方向に吸気口１２を下向きにして真空チャンバに取り付けられてもよい。

また、軸方向を囲む方向を「周方向」と呼ぶことがある。周方向は、吸気口１２に沿う第２の方向であり、径方向に直交する接線方向である。

クライオポンプ１０は、冷凍機１６、第１クライオパネルユニット１８、第２クライオパネルユニット２０、及び、クライオポンプハウジング７０を備える。

冷凍機１６は、例えばギフォード・マクマホン式冷凍機（いわゆるＧＭ冷凍機）などの極低温冷凍機である。冷凍機１６は、二段式の冷凍機である。そのため、冷凍機１６は、第１冷却ステージ２２及び第２冷却ステージ２４を備える。冷凍機１６は、第１冷却ステージ２２を第１冷却温度に冷却し、第２冷却ステージ２４を第２冷却温度に冷却するよう構成されている。第２冷却温度は第１冷却温度よりも低温である。例えば、第１冷却ステージ２２は６５Ｋ〜１２０Ｋ程度、好ましくは８０Ｋ〜１００Ｋに冷却され、第２冷却ステージ２４は１０Ｋ〜２０Ｋ程度に冷却される。

また、冷凍機１６は、第２冷却ステージ２４を第１冷却ステージ２２に構造的に支持するとともに第１冷却ステージ２２を冷凍機１６の室温部２６に構造的に支持する冷凍機構造部２１を備える。そのため冷凍機構造部２１は、径方向に沿って同軸に延在する第１シリンダ２３及び第２シリンダ２５を備える。第１シリンダ２３は、冷凍機１６の室温部２６を第１冷却ステージ２２に接続する。第２シリンダ２５は、第１冷却ステージ２２を第２冷却ステージ２４に接続する。室温部２６、第１シリンダ２３、第１冷却ステージ２２、第２シリンダ２５、及び第２冷却ステージ２４は、この順に直線状に一列に並ぶ。

第１シリンダ２３及び第２シリンダ２５それぞれの内部には第１ディスプレーサ及び第２ディスプレーサ（図示せず）が往復動可能に配設されている。第１ディスプレーサ及び第２ディスプレーサにはそれぞれ第１蓄冷器及び第２蓄冷器（図示せず）が組み込まれている。また、室温部２６は、第１ディスプレーサ及び第２ディスプレーサを往復動させるための駆動機構（図示せず）を有する。駆動機構は、冷凍機１６の内部への作動気体（例えばヘリウム）の供給と排出を周期的に繰り返すよう作動気体の流路を切り替える流路切替機構を含む。

冷凍機１６は、作動気体の圧縮機（図示せず）に接続されている。冷凍機１６は、圧縮機により加圧された作動気体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を冷却する。膨張した作動気体は圧縮機に回収され再び加圧される。冷凍機１６は、作動気体の給排とこれに同期した第１ディスプレーサ及び第２ディスプレーサの往復動とを含む熱サイクルを繰り返すことによって寒冷を発生させる。

図示されるクライオポンプ１０は、いわゆる横型のクライオポンプである。横型のクライオポンプとは一般に、冷凍機１６がクライオポンプ１０の中心軸Ａに交差する（通常は直交する）よう配設されているクライオポンプである。

第１クライオパネルユニット１８は、放射シールド３０と入口クライオパネル３２とを備え、第２クライオパネルユニット２０を包囲する。第１クライオパネルユニット１８は、クライオポンプ１０の外部またはクライオポンプハウジング７０からの輻射熱から第２クライオパネルユニット２０を保護するための極低温表面を提供する。第１クライオパネルユニット１８は第１冷却ステージ２２に熱的に結合されている。よって第１クライオパネルユニット１８は第１冷却温度に冷却される。第１クライオパネルユニット１８は第２クライオパネルユニット２０との間に隙間を有しており、第１クライオパネルユニット１８は第２クライオパネルユニット２０と接触していない。第１クライオパネルユニット１８はクライオポンプハウジング７０とも接触していない。

放射シールド３０は、クライオポンプハウジング７０の輻射熱から第２クライオパネルユニット２０を保護するために設けられている。放射シールド３０は、クライオポンプハウジング７０と第２クライオパネルユニット２０との間にあり、第２クライオパネルユニット２０を囲む。放射シールド３０は、クライオポンプ１０の外部から内部空間１４に気体を受け入れるためのシールド主開口３４を有する。シールド主開口３４は、吸気口１２に位置する。

放射シールド３０は、シールド主開口３４を定めるシールド前端３６と、シールド主開口３４と反対側に位置するシールド底部３８と、シールド前端３６をシールド底部３８に接続するシールド側部４０と、を備える。シールド側部４０は、軸方向にシールド前端３６からシールド主開口３４と反対側へと延在し、周方向に第２冷却ステージ２４を包囲するよう延在する。

シールド側部４０は、冷凍機構造部２１が挿入されるシールド側部開口４４を有する。シールド側部開口４４を通じて放射シールド３０の外から第２冷却ステージ２４及び第２シリンダ２５が放射シールド３０の中に挿入される。シールド側部開口４４は、シールド側部４０に形成された取付穴であり、例えば円形である。第１冷却ステージ２２は放射シールド３０の外に配置されている。

シールド側部４０は、冷凍機１６の取付座４６を備える。取付座４６は、第１冷却ステージ２２を放射シールド３０に取り付けるための平坦部分であり、放射シールド３０の外から見てわずかに窪んでいる。取付座４６は、シールド側部開口４４の外周を形成する。第１冷却ステージ２２が取付座４６に取り付けられることによって、放射シールド３０が第１冷却ステージ２２に熱的に結合されている。

このように放射シールド３０を第１冷却ステージ２２に直接取り付けることに代えて、ある実施形態においては、放射シールド３０は、追加の伝熱部材を介して第１冷却ステージ２２に熱的に結合されていてもよい。伝熱部材は、例えば、両端にフランジを有する中空の短筒であってもよい。伝熱部材は、その一端のフランジにより取付座４６に固定され、他端のフランジにより第１冷却ステージ２２に固定されてもよい。伝熱部材は、冷凍機構造部２１を囲んで第１冷却ステージ２２から放射シールド３０に延在してもよい。シールド側部４０は、こうした伝熱部材を含んでもよい。

図示される実施形態においては、放射シールド３０は一体の筒状に構成されている。これに代えて、放射シールド３０は、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。例えば、放射シールド３０は軸方向に２つの部分に分割されていてもよい。この場合、放射シールド３０の上部は、両端が開放された筒であり、シールド前端３６とシールド側部４０の第１部分とを備える。放射シールド３０の下部も両端が開放された筒であり、シールド側部４０の第２部分とシールド底部３８とを備える。シールド側部４０の第１部分と第２部分との間には周方向に延びるスリットが形成されている。このスリットが、シールド側部開口４４の少なくとも一部を形成してもよい。あるいは、シールド側部開口４４は、その上半分がシールド側部４０の第１部分に形成され、下半分がシールド側部４０の第２部分に形成されてもよい。

放射シールド３０は、第２クライオパネルユニット２０を囲むガス受入空間５０を、吸気口１２とシールド底部３８との間に形成する。ガス受入空間５０は、クライオポンプ１０の内部空間１４の一部であり、第２クライオパネルユニット２０に径方向に隣接する領域である。

入口クライオパネル３２は、クライオポンプ１０の外部の熱源（例えば、クライオポンプ１０が取り付けられる真空チャンバ内の熱源）からの輻射熱から第２クライオパネルユニット２０を保護するために、吸気口１２（またはシールド主開口３４、以下同様）に設けられている。また、入口クライオパネル３２の冷却温度で凝縮する気体（例えば水分）がその表面に捕捉される。

入口クライオパネル３２は、吸気口１２において第２クライオパネルユニット２０に対応する場所に配置されている。入口クライオパネル３２は、吸気口１２の開口面積の中心部分を占有し、放射シールド３０との間に環状の開放領域５１を形成する。開放領域５１は、吸気口１２においてガス受入空間５０に対応する場所にある。ガス受入空間５０が第２クライオパネルユニット２０を囲むように内部空間１４の外周部にあるので、開放領域５１は、吸気口１２の外周部に位置する。開放領域５１はガス受入空間５０の入口であり、クライオポンプ１０は、開放領域５１を通じてガス受入空間５０にガスを受け入れる。

入口クライオパネル３２は取付部材（図示せず）を介してシールド前端３６に取り付けられる。こうして入口クライオパネル３２は放射シールド３０に固定され、放射シールド３０に熱的に接続されている。入口クライオパネル３２は第２クライオパネルユニット２０に近接しているが、接触はしていない。

入口クライオパネル３２は、吸気口１２に配設される平面的な構造を備える。入口クライオパネル３２は例えば、同心円状または格子状に形成されたルーバーまたはシェブロンを備えてもよいし、平板（例えば円板）のプレートを備えてもよい。入口クライオパネル３２は、吸気口１２の全体を横断するように配設されていてもよい。その場合、開放領域５１は、プレートの一部を欠落させ、または、ルーバーまたはシェブロンの一部の羽板を欠落させることによって形成されていてもよい。

第２クライオパネルユニット２０は、クライオポンプ１０の内部空間１４の中心部に設けられている。第２クライオパネルユニット２０は、複数のクライオパネル６０と、パネル取付部材６２と、を備える。パネル取付部材６２は、第２冷却ステージ２４から軸方向に上方および下方に向けて延びている。第２クライオパネルユニット２０は、パネル取付部材６２を介して第２冷却ステージ２４に取り付けられている。このようにして、第２クライオパネルユニット２０は、第２冷却ステージ２４に熱的に接続されている。よって、第２クライオパネルユニット２０は第２冷却温度に冷却される。

第２クライオパネルユニット２０においては、少なくとも一部の表面に吸着領域６４が形成されている。吸着領域６４は非凝縮性気体（例えば水素）を吸着により捕捉するために設けられている。吸着領域６４は、吸気口１２から見えないように、上方に隣接するクライオパネル６０の陰となる場所に形成されている。つまり、吸着領域６４は各クライオパネル６０の上面中心部と下面全域に形成されている。ただし、トップクライオパネル６０ａの上面に吸着領域６４は設けられていない。吸着領域６４は例えば吸着材（例えば活性炭）をクライオパネル表面に接着することにより形成される。

また、第２クライオパネルユニット２０の少なくとも一部の表面には凝縮性気体を凝縮により捕捉するための凝縮領域６６が形成されている。凝縮領域６６は例えば、クライオパネル表面上で吸着材の欠落した区域であり、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。

複数のクライオパネル６０が、シールド主開口３４からシールド底部３８へと向かう方向に沿って（即ち中心軸Ａに沿って）パネル取付部材６２上に配列されている。複数のクライオパネル６０はそれぞれ中心軸Ａに垂直に延在する平板（例えば円板）であり、互いに平行にパネル取付部材６２に取り付けられている。説明の便宜上、複数のクライオパネル６０のうち最も吸気口１２に近いものをトップクライオパネル６０ａと呼び、複数のクライオパネル６０のうち最もシールド底部３８に近いものをボトムクライオパネル６０ｂと呼ぶことがある。

第２クライオパネルユニット２０は、吸気口１２とシールド底部３８との間で軸方向に沿って細長く延びている。第２クライオパネルユニット２０の軸方向の垂直投影の外形寸法よりも、軸方向における第２クライオパネルユニット２０の上端から下端までの距離は長い。例えば、クライオパネル６０の幅または直径よりも、トップクライオパネル６０ａとボトムクライオパネル６０ｂとの間隔が大きい。

複数のクライオパネル６０は図示されるようにそれぞれ同一形状を有してもよいし、異なる形状（例えば異なる径）を有してもよい。複数のクライオパネル６０のうちあるクライオパネル６０は、その上方に隣接するクライオパネル６０と同一形状を有するか、または大型であってもよい。その結果、ボトムクライオパネル６０ｂはトップクライオパネル６０ａより大きくてもよい。ボトムクライオパネル６０ｂの面積は、トップクライオパネル６０ａの面積の約１．５倍〜約５倍であってもよい。

また、複数のクライオパネル６０の間隔は図示されるように一定であってもよいし、互いに異なっていてもよい。

クライオポンプハウジング７０は、第１クライオパネルユニット１８、第２クライオパネルユニット２０、及び冷凍機１６を収容するクライオポンプ１０の筐体であり、内部空間１４の真空気密を保持するよう構成されている真空容器である。クライオポンプハウジング７０は、第１クライオパネルユニット１８及び冷凍機構造部２１を非接触に包含する。クライオポンプハウジング７０は、冷凍機１６の室温部２６に取り付けられている。

クライオポンプハウジング７０の前端によって、吸気口１２が画定されている。クライオポンプハウジング７０は、その前端から径方向外側に向けて延びている吸気口フランジ７２を備える。吸気口フランジ７２は、クライオポンプハウジング７０の全周にわたって設けられている。クライオポンプ１０は、吸気口フランジ７２を用いて真空排気対象の真空チャンバに取り付けられる。

上記の構成のクライオポンプ１０の真空排気運転を以下に説明する。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で真空チャンバ内部を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１６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がそれぞれ第１冷却温度及び第２冷却温度に冷却される。よって、これらに熱的に結合されている第１クライオパネルユニット１８、第２クライオパネルユニット２０もそれぞれ第１冷却温度及び第２冷却温度に冷却される。

入口クライオパネル３２は、真空チャンバからクライオポンプ１０に向かって飛来する気体を冷却する。入口クライオパネル３２の表面には、第１冷却温度で蒸気圧が充分に低い（例えば１０^−８Ｐａ以下の）気体が凝縮する。この気体は、第１種気体と称されてもよい。第１種気体は例えば水蒸気である。こうして、入口クライオパネル３２は、第１種気体を排気することができる。第１冷却温度で蒸気圧が充分に低くない気体の一部は、吸気口１２から内部空間１４へと進入する。あるいは、気体の他の一部は、入口クライオパネル３２で反射され、内部空間１４に進入しない。

内部空間１４に進入した気体は、第２クライオパネルユニット２０によって冷却される。第２クライオパネルユニット２０の表面には、第２冷却温度で蒸気圧が充分に低い（例えば１０^−８Ｐａ以下の）気体が凝縮する。この気体は、第２種気体と称されてもよい。第２種気体は例えばアルゴンである。こうして、第２クライオパネルユニット２０は、第２種気体を排気することができる。

第２冷却温度で蒸気圧が充分に低くない気体は、第２クライオパネルユニット２０の吸着材に吸着される。この気体は、第３種気体と称されてもよい。第３種気体は例えば水素である。こうして、第２クライオパネルユニット２０は、第３種気体を排気することができる。したがって、クライオポンプ１０は、種々の気体を凝縮または吸着により排気し、真空チャンバの真空度を所望のレベルに到達させることができる。

排気運転が継続されることによりクライオポンプ１０には気体が蓄積されていく。蓄積した気体を外部に排出するために、クライオポンプ１０の再生が行われる。

（第３実施形態）
図３は、第３実施形態に係るクライオポンプ１０を概略的に示す。

クライオポンプ１０は、第１冷却ステージ２２に熱的に結合され、冷凍機収容部７６と冷凍機１６との隙間に配置された伝熱部材８８を備える。図示される伝熱部材８８は、２本の伝熱棒を含むが、１本または３本以上の伝熱棒を含んでもよい。伝熱部材８８は、第１冷却ステージ２２と同様に、高熱伝導率材料、例えば銅で形成されている。

伝熱部材８８は、一端が第１冷却ステージ２２に固定され、他端が冷凍機収容部７６の基部７６ｂの近傍に位置する。伝熱部材８８は、冷凍機収容部７６と第１シリンダ２３との間で第１シリンダ２３に沿って延びている。伝熱部材８８は、第１シリンダ２３と平行に直線的に延びていてもよいし、湾曲して（例えば第１シリンダ２３のまわりをらせん状に）延びていてもよい。伝熱部材８８の形状は任意である。

伝熱部材８８の末端は、冷凍機１６の室温部２６から僅かに離れており、室温部２６とは物理的に非接触である。伝熱部材８８と室温部２６との距離は例えば数ｍｍ程度である。伝熱部材８８は、第１シリンダ２３とも接触していない。

冷凍機１６は、いわゆる逆転昇温を可能とする。冷凍機１６は、逆転可能モータ９０を備え、逆転可能モータ９０の回転方向に応じて第１冷却ステージ２２及び第２冷却ステージ２４冷却と加熱とを切り替えるよう構成されている。第１冷却ステージ２２が冷却されるとき伝熱部材８８も冷却され、第１冷却ステージ２２が加熱されるとき伝熱部材８８も加熱される。逆転可能モータ９０は、室温部２６に収容されている。冷凍機１６の逆転昇温をクライオポンプ１０の再生のための熱源として用いることは、既によく知られているので、ここではその詳細は述べない。

なお、第１冷却ステージ２２に電気ヒータなどの加熱要素が配置され、これにより伝熱部材８８が加熱されてもよい。

図示されるクライオポンプ１０の縦向き配置の場合、伝熱部材８８の末端が冷凍機収容部７６の底に溜まる水に浸りうる。よって、第１冷却ステージ２２によって加熱された伝熱部材８８は、冷凍機収容部７６の底に溜まる水を加熱することができる。第３実施形態に係るクライオポンプ１０によっても、第１実施形態に係るクライオポンプ１０と同様に、水を効率的に排出し再生時間を短縮することができる。

クライオポンプ１０は、第１ヒータ８４と伝熱部材８８の組み合わせ、または、第２ヒータ８６と伝熱部材８８の組み合わせを備えてもよい。クライオポンプ１０は、第１ヒータ８４、第２ヒータ８６、及び伝熱部材８８を備えてもよい。

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。

上記の説明においては横型のクライオポンプを例示したが、本発明は、縦型その他のクライオポンプにも適用可能である。なお、縦型のクライオポンプとは、冷凍機１６がクライオポンプ１０の中心軸Ａに沿って配設されているクライオポンプをいう。この場合、クライオポンプハウジング７０においては、冷凍機１６を挿通する開口がハウジング底面７０ａに形成される。冷凍機収容部７６はこの開口から冷凍機１６の室温部２６へと延び、シールド収容部７４を室温部２６に接続する。第１ヒータ８４が、冷凍機収容部７６の外面、例えば、冷凍機収容部７６の基部７６ｂの外面に配置されてもよい。第２ヒータ８６が、ハウジング底面７０ａに配置されてもよい。

１０ クライオポンプ、 １２ 吸気口、 １６ 冷凍機、 ２２ 第１冷却ステージ、 ２４ 第２冷却ステージ、 ２６ 室温部、 ３０ 放射シールド、 ７０ クライオポンプハウジング、 ７０ａ ハウジング底面、 ７４ シールド収容部、 ７６ 冷凍機収容部、 ８４ 第１ヒータ、 ８６ 第２ヒータ、 ８８ 伝熱部材、 ９０ 逆転可能モータ。

Claims (5)

1. 室温部と第１冷却ステージと第２冷却ステージとを備える冷凍機と、
   前記第１冷却ステージに熱的に結合され、前記第２冷却ステージと非接触に前記第２冷却ステージを囲む放射シールドと、
   クライオポンプ吸気口を有し、前記クライオポンプ吸気口と反対側にハウジング底面を備え、前記放射シールドと非接触に前記放射シールドを囲むシールド収容部と、前記シールド収容部を前記冷凍機の前記室温部に接続する冷凍機収容部と、を備えるクライオポンプハウジングと、
   前記クライオポンプハウジングの外から中に熱を与えるよう前記冷凍機収容部の外面または前記ハウジング底面に配置されたヒータと、
   前記第１冷却ステージに熱的に結合され、前記冷凍機収容部と前記冷凍機との隙間に配置された伝熱部材と、を備え、
   クライオポンプによって真空排気されるべき真空チャンバに、前記クライオポンプ吸気口及び前記ハウジング底面が上方に位置し前記冷凍機の前記室温部が下方に位置する状態で取付可能であることを特徴とするクライオポンプ。
2. 前記ヒータは、前記室温部に隣接する前記冷凍機収容部の基部の外面に配置さ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。
3. 室温部と第１冷却ステージと第２冷却ステージとを備える冷凍機と、
   前記第１冷却ステージに熱的に結合され、前記第２冷却ステージを囲む放射シールドと、
   クライオポンプ吸気口を有し、前記クライオポンプ吸気口と反対側にハウジング底面を備え、前記放射シールドと非接触に前記放射シールドを囲むシールド収容部と、前記シールド収容部を前記冷凍機の前記室温部に接続する冷凍機収容部と、を備えるクライオポンプハウジングと、
   前記第１冷却ステージに熱的に結合され、前記冷凍機収容部と前記冷凍機との隙間に配置された伝熱部材と、を備え、
   クライオポンプによって真空排気されるべき真空チャンバに、前記クライオポンプ吸気口及び前記ハウジング底面が上方に位置し前記冷凍機の前記室温部が下方に位置する状態で取付可能であることを特徴とするクライオポンプ。
4. 前記冷凍機は、逆転可能モータを備え、前記逆転可能モータの回転方向に応じて前記第１冷却ステージ及び前記伝熱部材の冷却と加熱とを切り替えるよう構成されてい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。
5. 前記伝熱部材は、前記室温部とは物理的に非接触であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のクライオポンプ。

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