JP6913049B2 - クライオポンプ - Google Patents
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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。
クライオポンプによって排気される気体は蒸気圧により、第１種気体、第２種気体、第３種気体の大きく三種類に分けられる。これら三種類は、タイプ１ガス、タイプ２ガス、タイプ３ガスと呼ばれることもある。第１種気体は最も蒸気圧が低く、代表例は水（水蒸気）である。第２種気体は中間の蒸気圧を有し、例えば窒素ガスやアルゴンガスが含まれる。第３種気体は最も蒸気圧が高く、代表例は水素ガスである。第２種気体は約２０Ｋ以下に冷却された極低温面に凝縮することにより排気され、第３種気体はそうした極低温面に設置され冷却された活性炭などの吸着材に吸着されることにより排気されることができる。第３種気体は非凝縮性気体とも呼ばれる。
第３種気体の排気に適するクライオポンプの既存の設計では、第３種気体を高い排気速度で排気することができるものの、第２種ガスの排気性能（例えば排気速度）は低く抑えられがちである。
本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、第３種気体の高速度排気を実現しながら第２種気体の排気性能を向上することにある。
本発明のある態様によると、クライオポンプは、高温冷却ステージと、低温冷却ステージとを備える冷凍機と、前記低温冷却ステージを囲んで軸方向に延在する放射シールドであって、前記高温冷却ステージに熱的に結合された放射シールドと、クライオポンプ吸気口の中心部に配置され、前記高温冷却ステージに熱的に結合された入口クライオパネルと、軸方向において前記入口クライオパネルと前記低温冷却ステージとの間に配置され、前記低温冷却ステージに熱的に結合された複数の吸着クライオパネルと、径方向において前記放射シールドと前記複数の吸着クライオパネルとの間に配置され、前記低温冷却ステージに熱的に結合された凝縮クライオパネルであって、軸方向に延在し両端が開放された筒形状を有する凝縮クライオパネルと、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、第３種気体の高速度排気を実現しながら第２種気体の排気性能を向上することができる。
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。
図１は、実施の形態に係るクライオポンプ１０を概略的に示す側断面図である。図２は、図１に示すクライオポンプ１０を概略的に示す上面図である。図１には、クライオポンプ中心軸（以下では単に中心軸ともいう）Ｃを含む、図２に示されるＡ−Ａ線での断面が示されている。理解の容易のため、図１には中心軸Ｃが一点鎖線で示されている。また、図１においてクライオポンプ１０の低温クライオパネル部と冷凍機は断面ではなく側面を示している。
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１４に進入する。
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。クライオポンプ１０の軸方向は吸気口１２を通る方向（すなわち、図において中心軸Ｃに沿う方向）を表し、径方向は吸気口１２に沿う方向（中心軸Ｃ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（図において中心軸Ｃ）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段クライオパネル１８、第２段クライオパネルアセンブリ２０、及び、クライオポンプハウジング７０を備える。第１段クライオパネル１８は、高温クライオパネル部または１００Ｋ部とも称されうる。第２段クライオパネルアセンブリ２０は、低温クライオパネル部または１０Ｋ部とも称されうる。
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。第１冷却ステージ２２および第２冷却ステージ２４はそれぞれ、高温冷却ステージおよび低温冷却ステージと称してもよい。
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Ｃ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段クライオパネル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段クライオパネルアセンブリ２０を包囲する。第１段クライオパネル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段クライオパネルアセンブリ２０を保護するための極低温表面を提供する。第１段クライオパネル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段クライオパネル１８は第１冷却温度に冷却される。第１段クライオパネル１８は第２段クライオパネルアセンブリ２０との間に隙間を有しており、第１段クライオパネル１８は第２段クライオパネルアセンブリ２０と接触していない。第１段クライオパネル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段クライオパネルアセンブリ２０を保護するために設けられている。放射シールド３０は、吸気口１２から軸方向に筒状（例えば円筒状）に延在する。放射シールド３０は、クライオポンプハウジング７０と第２段クライオパネルアセンブリ２０との間にあり、第２段クライオパネルアセンブリ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。
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段クライオパネルアセンブリ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段クライオパネルアセンブリ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（例えば円環状）の開放領域５１を形成する。軸方向に見たときの入口クライオパネル３２の形状は、例えば円盤状である。入口クライオパネル３２の径は、比較的小さく、例えば、第２段クライオパネルアセンブリ２０の径より小さい。入口クライオパネル３２は、吸気口１２の開口面積の多くとも１／３、または多くとも１／４を占めてもよい。このようにして、開放領域５１は、吸気口１２の開口面積の少なくとも２／３、または少なくとも３／４を占めてもよい。
入口クライオパネル３２は、入口クライオパネル取付部材３３を介してシールド前端３６に取り付けられる。図２に示されるように、入口クライオパネル取付部材３３は、シールド主開口３４の直径に沿ってシールド前端３６に架け渡された直線状の部材である。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に熱的に結合されている。入口クライオパネル３２は第２段クライオパネルアセンブリ２０に近接しているが、接触はしていない。また、入口クライオパネル取付部材３３は、開放領域５１を周方向に分割している。開放領域５１は、複数（例えば２つ）の円弧状領域からなる。入口クライオパネル取付部材３３は、十字状またはその他の形状を有してもよい。
入口クライオパネル３２は、吸気口１２の中心部に配置されている。入口クライオパネル３２の中心は、中心軸Ｃ上に位置する。ただし、入口クライオパネル３２の中心は、中心軸Ｃからいくらか外れて位置してもよく、その場合にも、入口クライオパネル３２は、吸気口１２の中心部に配置されているとみなされうる。入口クライオパネル３２は、中心軸Ｃに垂直に配置されている。また、軸方向に関しては、入口クライオパネル３２は、シールド前端３６よりも若干上方に配置されている。ただし、入口クライオパネル３２は、シールド前端３６と軸方向にほぼ同じ高さ、またはシールド前端３６よりも軸方向に若干下方に配置されてもよい。
第１段クライオパネル１８は、吸気口１２の外周部に配置された第１段拡張クライオパネル４８をさらに備える。第１段拡張クライオパネル４８は、シールド前端３６の軸方向上方に配置され、シールド前端３６に沿って周方向に延在する環状の部材である。第１段拡張クライオパネル４８の外径は、シールド前端３６よりも径方向外側にある。第１段拡張クライオパネル４８の内径は、シールド前端３６とほぼ同じ径方向位置または若干径方向内側にあってもよい。開放領域５１は、第１段拡張クライオパネル４８の内径と入口クライオパネル３２との間に形成されている。第１段拡張クライオパネル４８の中心は中心軸Ｃ上に位置するが、中心軸Ｃからいくらか外れていてもよい。第１段拡張クライオパネル４８は、中心軸Ｃに垂直に配置されている。第１段拡張クライオパネル４８は、入口クライオパネル３２と同じ軸方向高さに配置されているが、異なる高さに配置されてもよい。
第１段拡張クライオパネル４８は、シールド前端３６に固定された複数の取付ブロック４９を介してシールド前端３６に固定され熱的に結合されている。取付ブロック４９は、シールド前端３６から径方向内側かつ軸方向上方に突き出す凸部であり、周方向に等間隔（例えば９０°または６０°おき）に形成されている。第１段拡張クライオパネル４８は、ボルトなどの締結部材またはそのほかの適切な手法で取付ブロック４９に固定される。少なくとも１つの取付ブロック４９が、入口クライオパネル取付部材３３をシールド前端３６に固定するために用いられてもよい。
このように、入口クライオパネル３２と第１段拡張クライオパネル４８はそれぞれ、放射シールド３０を介して第１冷却ステージ２２に熱的に結合されている。よって、入口クライオパネル３２と第１段拡張クライオパネル４８は、放射シールド３０と同様に、第１冷却温度に冷却される。第１段拡張クライオパネル４８は、入口クライオパネル３２と同様に、水蒸気などの第１種気体を凝縮することができる。入口クライオパネル３２に加えて第１段拡張クライオパネル４８を設置することにより、クライオポンプ１０の第１種気体の排気性能（例えば、排気速度、吸蔵量）を増強することができる。
第２段クライオパネルアセンブリ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段クライオパネルアセンブリ２０は、上部構造２０ａと下部構造２０ｂとを備える。第２段クライオパネルアセンブリ２０は、軸方向に配列された複数の吸着クライオパネル６０を備える。複数の吸着クライオパネル６０は軸方向に互いに間隔をあけて配列されている。
第２段クライオパネルアセンブリ２０の上部構造２０ａは、複数の上部クライオパネル６０ａと、複数の伝熱体（伝熱スペーサともいう）６２と、を備える。複数の上部クライオパネル６０ａは、軸方向において入口クライオパネル３２と第２冷却ステージ２４との間に配置されている。複数の伝熱体６２は、軸方向に柱状に配列されている。複数の上部クライオパネル６０ａおよび複数の伝熱体６２は、吸気口１２と第２冷却ステージ２４との間で軸方向に交互に積み重ねられている。上部クライオパネル６０ａと伝熱体６２の中心はともに中心軸Ｃ上に位置する。こうして上部構造２０ａは、第２冷却ステージ２４に対し軸方向上方に配置されている。上部構造２０ａは、銅（例えば純銅）などの高熱伝導金属材料で形成された伝熱ブロック６３を介して第２冷却ステージ２４に固定され、第２冷却ステージ２４に熱的に結合されている。よって、上部構造２０ａは第２冷却温度に冷却される。
第２段クライオパネルアセンブリ２０の下部構造２０ｂは、複数の下部クライオパネル６０ｂと、第２段クライオパネル取付部材６４と、を備える。複数の下部クライオパネル６０ｂは、軸方向において第２冷却ステージ２４とシールド底部３８との間に配置されている。第２段クライオパネル取付部材６４は、第２冷却ステージ２４から軸方向に下方に向けて延びている。複数の下部クライオパネル６０ｂは、第２段クライオパネル取付部材６４を介して第２冷却ステージ２４に取り付けられている。こうして、下部構造２０ｂは、第２冷却ステージ２４に熱的に結合され、第２冷却温度に冷却される。
一例として、複数の上部クライオパネル６０ａのうち軸方向に入口クライオパネル３２に最も近接する１つ又は複数の上部クライオパネル６０ａは、平板（例えば円盤状）であり、中心軸Ｃに垂直に配置されている。残りの上部クライオパネル６０ａは、逆円錐台状であり、円形の底面が中心軸Ｃに垂直に配置されている。
上部クライオパネル６０ａうち入口クライオパネル３２に最も近接するもの（すなわち、軸方向に入口クライオパネル３２の直下に位置する上部クライオパネル６０ａ、トップクライオパネル６１とも呼ばれる）は、入口クライオパネル３２より径が大きい。ただし、トップクライオパネル６１の径は、入口クライオパネル３２の径と等しくてもよいし、それより小さくてもよい。トップクライオパネル６１は入口クライオパネル３２は直接対向しており、トップクライオパネル６１と入口クライオパネル３２の間には、他のクライオパネルは存在しない。
複数の上部クライオパネル６０ａは、軸方向に下方に向かうにつれて徐々に径が大きくなっている。また、逆円錐台状の上部クライオパネル６０ａは、入れ子状に配置されている。より上方の上部クライオパネル６０ａの下部が、その下方に隣接する上部クライオパネル６０ａの中の逆円錐台状空間に入り込んでいる。
個々の伝熱体６２は、円柱形状を有する。伝熱体６２は、比較的短い円柱形状とされ、伝熱体６２の径より軸方向高さが小さくてもよい。吸着クライオパネル６０などのクライオパネルは一般に、銅（例えば純銅）などの高熱伝導金属材料で形成され、必要とされる場合、表面がニッケルなどの金属層で被覆されている。これに対して、伝熱体６２は、クライオパネルとは異なる材料で形成されてもよい。伝熱体６２は、例えばアルミニウムまたはアルミニウム合金などの、吸着クライオパネル６０よりも熱伝導率は低いが密度の小さい金属材料で形成されてもよい。このようにすれば、伝熱体６２の熱伝導性と軽量化をある程度両立でき、第２段クライオパネルアセンブリ２０の冷却時間の短縮に役立つ。
下部クライオパネル６０ｂは、平板であり、例えば円盤状である。下部クライオパネル６０ｂは、上部クライオパネル６０ａよりも大径である。ただし、下部クライオパネル６０ｂには第２段クライオパネル取付部材６４への取付のために、外周の一部分から中心部へと切欠部が形成されていてもよい。
なお、第２段クライオパネルアセンブリ２０の具体的構成は上述のものに限られない。上部構造２０ａは、任意の枚数の上部クライオパネル６０ａを有してもよい。上部クライオパネル６０ａは、平板、円錐状、またはその他の形状を有してもよい。同様に、下部構造２０ｂは、任意の枚数の下部クライオパネル６０ｂを有してもよい。下部クライオパネル６０ｂは、平板、円錐状、またはその他の形状を有してもよい。
第２段クライオパネルアセンブリ２０においては、少なくとも一部の表面に吸着領域６６が形成されている。吸着領域６６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６６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。吸着領域６６は、吸気口１２から見えないように、上方に隣接する吸着クライオパネル６０の陰となる場所に形成されていてもよい。例えば、吸着領域６６は吸着クライオパネル６０の下面の全域に形成されている。吸着領域６６は、下部クライオパネル６０ｂの上面に形成されていてもよい。また、図１においては簡明化のために図示を省略しているが、吸着領域６６は、上部クライオパネル６０ａの下面（背面）にも形成されている。必要に応じて、吸着領域６６は、上部クライオパネル６０ａの上面に形成されてもよい。
第２段クライオパネルアセンブリ２０は、多数の吸着クライオパネル６０を有するので、第３種気体について高い排気性能をもつ。例えば、第２段クライオパネルアセンブリ２０は、水素ガスを高い排気速度で排気することができる。
吸着領域６６においては、多数の活性炭の粒が吸着クライオパネル６０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。活性炭の粒は例えば円柱形状に成形されている。なお吸着材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。吸着材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。
また、第２段クライオパネルアセンブリ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が形成されている。凝縮領域は例えば、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。吸着クライオパネル６０（例えば、上部クライオパネル６０ａ）の上面、または上面外周部、または下面外周部は、凝縮領域であってもよい。
第２段クライオパネルアセンブリ２０は、上部構造２０ａを囲むように配置された凝縮クライオパネル６８と、凝縮クライオパネル６８を第２冷却ステージ２４に熱的かつ構造的に結合する凝縮クライオパネル取付部材６９と、をさらに備える。
図３は、実施の形態に係る第２段クライオパネルアセンブリ２０の凝縮クライオパネル６８を示す概略斜視図である。図３には、凝縮クライオパネル６８とともに凝縮クライオパネル取付部材６９も示されている。理解の容易のために、図３には、伝熱ブロック６３を破線で示す。
図１から図３に示されるように、凝縮クライオパネル６８は、軸方向に延在し両端が開放された筒形状、例えば円筒形状を有する。凝縮クライオパネル６８は、径方向において放射シールド３０と複数の吸着クライオパネル６０との間に配置され、第２冷却ステージ２４に熱的に結合されている。
吸着クライオパネル６０は上述のように吸着領域６６を有するのに対し、凝縮クライオパネル６８は、吸着領域６６を有しない。すなわち、凝縮クライオパネル６８には吸着材は設けられていない。凝縮クライオパネル６８は、他のクライオパネルと同様に、例えば、銅（例えば純銅）などの高熱伝導金属材料で形成されいる。凝縮クライオパネル６８は、表面がニッケルなどの他の金属層で被覆されていてもよい。
凝縮クライオパネル６８は、入口クライオパネル３２に対して径方向に外側に配置されている。また、凝縮クライオパネル６８は、第１段拡張クライオパネル４８に対して径方向に内側に配置されている。凝縮クライオパネル６８は、開放領域５１に露出されており、吸気口１２の上方から視認可能である。凝縮クライオパネル６８の上方には、何らクライオパネルは設けられていない。入口クライオパネル取付部材３３が凝縮クライオパネル６８をごく局所的に横断するにすぎない。
凝縮クライオパネル６８から入口クライオパネル３２への径方向距離は、凝縮クライオパネル６８から第１段拡張クライオパネル４８への径方向距離より大きい。また、凝縮クライオパネル６８から上部クライオパネル６０ａへの径方向距離は、凝縮クライオパネル６８から放射シールド３０のシールド側部４０（またはシールド前端３６）への径方向距離よりも大きい。凝縮クライオパネル６８は、上部クライオパネル６０ａと接触していない。
このようにして、凝縮クライオパネル６８と上部クライオパネル６０ａとの間には、比較的広いガス受入空間５０が形成される。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。そのため、凝縮クライオパネル６８が上部クライオパネル６０ａに近接して配置される場合に比べて、凝縮クライオパネル６８は、吸気口１２から進入するガスが吸着クライオパネル６０に到達するのを妨げにくい。
凝縮クライオパネル６８は、放射シールド３０のシールド側部４０に沿って周方向に延在する。ただし、凝縮クライオパネル６８は、放射シールド３０に近接しているが、接触はしていない。凝縮クライオパネル６８と第１段クライオパネル１８との温度差を適切に保持すべく、凝縮クライオパネル６８とシールド側部４０との径方向間隔は、例えば、少なくとも３ｍｍ、または少なくとも５ｍｍ、または少なくとも７ｍｍであってもよい。凝縮クライオパネル６８とシールド側部４０との径方向間隔は、例えば、２０ｍｍ以内、または１５ｍｍ以内、または１０ｍｍ以内であってもよい。
凝縮クライオパネル６８は、中心軸Ｃを囲んで全周にわたって延在しているが、これに限られない。凝縮クライオパネル６８は、周方向において一部にのみ設けられていてもよい。また、凝縮クライオパネル６８は、中心軸Ｃと同軸に配置されている。しかし、凝縮クライオパネル６８は、中心軸Ｃからいくらか外れて配置されてもよい。
凝縮クライオパネル６８は、軸方向において入口クライオパネル３２と第２冷却ステージ２４との間に配置されている。凝縮クライオパネル６８の軸方向上端は、例えば、トップクライオパネル６１と２番目の上部クライオパネル６０ａとの間に位置する。あるいは、凝縮クライオパネル６８の軸方向上端は、シールド前端３６とトップクライオパネル６１（または他の上部クライオパネル６０ａ）との間に位置してもよい。凝縮クライオパネル６８の軸方向下端は、例えば、伝熱ブロック６３の上面とほぼ同じ高さに位置する。このようにして、上部構造２０ａのほぼ全体が凝縮クライオパネル６８に囲まれている。
凝縮クライオパネル取付部材６９は、Ｌ字状の形状を有する。凝縮クライオパネル取付部材６９の一面が、凝縮クライオパネル６８の内面（または外面）に取り付けられている。この一面と垂直な凝縮クライオパネル取付部材６９の他の一面が、伝熱ブロック６３の上面に取り付けられている。このようにして、凝縮クライオパネル６８は、凝縮クライオパネル取付部材６９を介して第２冷却ステージ２４に熱的かつ構造的に結合されている。第２冷却ステージ２４から凝縮クライオパネル６８への伝熱経路を比較的短くすることができ、凝縮クライオパネル６８を効率的に冷却することができる。
一例として、凝縮クライオパネル６８は、凝縮クライオパネル取付部材６９に、例えばリベットまたはそのほかの取付手段により取り付けられている。凝縮クライオパネル取付部材６９は、例えば、ボルトなどの締結部材５４を用いて伝熱ブロック６３に取り付けられている。凝縮クライオパネル取付部材６９と伝熱ブロック６３が締結部材５４により第２冷却ステージ２４に共締めされてもよい。このようにすれば、凝縮クライオパネル取付部材６９と伝熱ブロック６３を第２冷却ステージ２４にまとめて一度に締結固定できるので、製造（組立作業）が容易である。
クライオポンプハウジング７０は、第１段クライオパネル１８、第２段クライオパネルアセンブリ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段クライオパネル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。吸気口フランジ７２の内周側には、吸気口フランジ７２と第１段拡張クライオパネル４８との接触を避けるべく凹部が形成され、この凹部より外周側のフランジ上面で真空チャンバに取り付けられる。
吸気口フランジ７２は、いわゆる変換フランジとして働きうる。吸気口フランジ７２は、比較的小型のクライオポンプ１０をそれより大口径の真空チャンバの排気口に取り付けられるように構成されていてもよい。例えば、１２インチの口径の吸気口１２を有するクライオポンプ１０を例えば１４インチまたは１６インチの口径を有する真空チャンバの排気口に取り付けられるように、吸気口フランジ７２は設計されていてもよい。
なお、図１では、入口クライオパネル３２と第１段拡張クライオパネル４８が、吸気口フランジ７２のフランジ上面よりも軸方向に若干上方に位置するが、これに限られない。例えば、フランジ上面が第１段拡張クライオパネル４８より軸方向上方に位置し、吸気口フランジ７２の内周側凹部に第１段拡張クライオパネル４８が収容されていてもよい。
上記の構成のクライオポンプ１０の動作を以下に説明する。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段クライオパネル１８、第２段クライオパネルアセンブリ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と第１段拡張クライオパネル４８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と第１段拡張クライオパネル４８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と第１段拡張クライオパネル４８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段クライオパネルアセンブリ２０によって冷却される。凝縮クライオパネル６８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種気体は例えば窒素（Ｎ２）、アルゴン（Ａｒ）である。吸着クライオパネル６０の凝縮領域にも第２種気体は凝縮する。こうして、第２段クライオパネルアセンブリ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、吸着クライオパネル６０の吸着領域６６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（Ｈ２）である。こうして、第２段クライオパネルアセンブリ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。
実施の形態に係るクライオポンプ１０によると、凝縮クライオパネル６８を設けることにより、第２種気体の排気性能（例えば、排気速度、吸蔵量）を向上することができる。また、凝縮クライオパネル６８は、筒状の形状を有し、軸方向上端が開放されているので、凝縮クライオパネル６８に取り囲まれた上部構造２０ａの吸着クライオパネル６０への第３種気体の進入経路は妨げられにくい。また、凝縮クライオパネル６８は、軸方向下端も開放されているので、下部構造２０ｂの吸着クライオパネル６０にも気体は到達できる。よって、クライオポンプ１０に凝縮クライオパネル６８を追加することに伴う第３種気体の排気性能の低下は十分に抑制される。したがって、クライオポンプ１０は、第３種気体の高速度排気を実現しながら第２種気体の排気性能を向上することができる。
また、凝縮クライオパネル６８は、入口クライオパネル３２に対して径方向に外側に配置されている。したがって、クライオポンプ１０の外部から凝縮クライオパネル６８に向かう気体は入口クライオパネル３２によって進入経路を妨げられにくく、よって、凝縮クライオパネル６８の第２種気体の排気性能を活用できる。
凝縮クライオパネル６８は、軸方向において入口クライオパネル３２と第２冷却ステージ２４との間に配置されている。このように、凝縮クライオパネル６８は、軸方向に比較的上方に配置されている。そのため、凝縮クライオパネル６８が下方に配置されている場合に比べて、吸気口１２から流入する第２種気体は凝縮クライオパネル６８に到達しやすい。凝縮クライオパネル６８の排気性能を高めることができる。
図４は、他の実施の形態に係るクライオポンプ１０を概略的に示す側断面図である。図５は、他の実施の形態に係る第２段クライオパネルアセンブリ２０の凝縮クライオパネル６８を示す概略斜視図である。図４および図５を参照して説明する実施の形態は、凝縮クライオパネル６８の構成を除いて、既述の実施の形態と共通する。以下の説明では、既述の実施の形態と同様の構成については同一の符号を付し、重複した説明は適宜省略する。
凝縮クライオパネル６８は、多数の穴８０を有する。一例として、穴８０は、すべて同じ径を有する円形の穴である。穴８０は、軸方向に３個設けられ、周方向には凝縮クライオパネル取付部材６９の場所を除いて全周に設けられている。凝縮クライオパネル６８は、パンチングメタルを円筒状に成形したものである。なお、穴８０の形状は何でもよい。例えば、穴８０は、周方向（または軸方向）に延びるスリットであってもよい。すべての穴８０が同じ形状である必要もない。また、穴８０の配列も、どのようなものでもよく、規則的な配列でもよいし、不規則な配列であってもよい。
このように、凝縮クライオパネル６８が多数の穴８０を有することにより、吸気口１２から侵入する輻射熱を穴８０を通じて放射シールド３０に入射させ、凝縮クライオパネル６８を通過させることができる。凝縮クライオパネル６８への侵入熱を少なくすることができ、所望の冷却温度に保つことが容易になる。
好ましくは、凝縮クライオパネル６８は、例えば、２０％から４０％の範囲にある開口率を有する。凝縮クライオパネル６８は、２５％から３５％の範囲にある開口率、または約３０％の開口率を有してもよい。開口率は、凝縮クライオパネル６８の総面積（例えば、円筒面の面積）に対する穴８０の合計面積の比である。凝縮クライオパネル６８の総面積は、穴８０の面積を含む。
凝縮クライオパネル６８の開口率をこのように定めることにより、排気性能と侵入熱対策を両立することができる。本発明者の試算によると、凝縮クライオパネル６８が設置されていない場合に比べて、水素ガスの排気速度の低下を５％以下に抑制することができる。
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。
上述の実施の形態においては、凝縮クライオパネル６８は、軸方向において入口クライオパネル３２と第２冷却ステージ２４との間に配置され、クライオポンプ１０の内部空間１４において軸方向に比較的上方に位置するが、これに限られない。凝縮クライオパネル６８は、軸方向において第２冷却ステージ２４とシールド底部３８との間に配置されてもよい。凝縮クライオパネル６８は、第２段クライオパネルアセンブリ２０の下部構造２０ｂを取り囲むように配置されてもよい。
上述の実施の形態においては、凝縮クライオパネル６８は、中心軸Ｃと同軸の円筒面を有し、すなわち、中心軸Ｃに垂直な平面に直交する表面を有するが、これに限られない。凝縮クライオパネル６８は、中心軸Ｃに垂直な平面に対しいくらか傾斜していてもよい。例えば、凝縮クライオパネル６８は、中心軸Ｃと同軸に配置された円錐台状または逆円錐台状の形状を有してもよい。この場合にも、凝縮クライオパネル６８は、複数の穴８０を有してもよい。あるいは、凝縮クライオパネル６８は、穴が無くてもよい。
上述の実施の形態においては、凝縮クライオパネル６８は、一つの円筒であるが、これに限られず、凝縮クライオパネル６８は、例えば二重の円筒であってもよい。このように、第２段クライオパネルアセンブリ２０は、径方向に配列された複数の凝縮クライオパネル６８を有してもよい。この場合にも、凝縮クライオパネル６８は、複数の穴８０を有してもよい。あるいは、凝縮クライオパネル６８は、穴が無くてもよい。
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Ｃに沿って配設されているクライオポンプをいう。また、クライオパネルの配置や形状、数などクライオポンプの内部構成は、上述の特定の実施形態には限られない。種々の公知の構成を適宜採用することができる。
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、 ３０ 放射シールド、 ３２ 入口クライオパネル、 ６０ 吸着クライオパネル、 ６８ 凝縮クライオパネル、 ８０ 穴。
Claims (5)
- 高温冷却ステージと、低温冷却ステージとを備える冷凍機と、
前記低温冷却ステージを囲んで軸方向に延在する放射シールドであって、前記高温冷却ステージに熱的に結合された放射シールドと、
クライオポンプ吸気口の中心部に配置され、前記高温冷却ステージに熱的に結合された入口クライオパネルと、
軸方向において前記入口クライオパネルと前記低温冷却ステージとの間に配置され、前記低温冷却ステージに熱的に結合された複数の吸着クライオパネルと、
径方向において前記放射シールドと前記複数の吸着クライオパネルとの間に配置され、前記低温冷却ステージに熱的に結合された凝縮クライオパネルであって、軸方向に延在し両端が開放された筒形状を有する凝縮クライオパネルと、を備えることを特徴とするクライオポンプ。 - 前記凝縮クライオパネルは、前記入口クライオパネルに対して径方向に外側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。
- 前記凝縮クライオパネルは、軸方向において前記入口クライオパネルと前記低温冷却ステージとの間に配置されてい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。
- 前記凝縮クライオパネルは、多数の穴を有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。
- 前記凝縮クライオパネルは、２０％から４０％の範囲にある開口率を有することを特徴とする請求項４に記載のクライオポンプ。
Priority Applications (6)
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