JP7311522B2 - クライオポンプ - Google Patents

Description

本発明は、クライオポンプおよびクライオパネルに関する。

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。

特開平１０－１８４５４０号公報

クライオポンプの用途によっては、真空排気運転中に、再生を行っても排出されにくいある種の気体がクライオポンプに流入し、クライオパネル上に凝縮して付着し、そうした付着物でクライオパネルが汚染されうる。汚染されたクライオパネルは、クライオポンプのメンテナンスの際に、クライオポンプから分解され洗浄されることを必要としうる。洗浄されたクライオパネルは、再利用可能な場合には、再び組み立てられ使用される。再利用できない場合には、廃棄され、新たなクライオパネルと交換される。いずれにしても、このようなメンテナンスには手間がかかる。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、クライオポンプのメンテナンスを容易にすることにある。

本発明のある態様によると、クライオポンプは、クライオポンプ吸気口を通じて被排気気体が直線的に到達可能な露出領域と、クライオポンプ吸気口を通じて被排気気体が直線的に到達不能な非露出領域と、を備えるクライオパネルアセンブリを備える。非露出領域は、非凝縮性気体を吸着可能な吸着領域を有し、露出領域は、取り外し可能な保護面で被覆されている。

本発明のある態様によると、クライオパネルは、クライオパネル基材と、クライオパネル基材の少なくとも一部を被覆する取り外し可能な保護面と、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、クライオポンプのメンテナンスを容易にすることができる。

ある実施の形態に係るクライオポンプを概略的に示す。 図１に示されるクライオポンプに使用されうる例示的なクライオパネルの概略斜視図である。 図１に示されるクライオポンプに使用されうる別の例示的なクライオパネルの概略斜視図である。 図１に示されるクライオポンプに使用されうるさらに別の例示的なクライオパネルの概略上面図である。

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、ある実施の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、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に垂直な平面における第１の方向）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（中心軸Ｃに垂直な平面における第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力学的サイクル（例えばＧＭサイクルなどの冷凍サイクル）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１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てもよい。あるいは、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。

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。

複数の吸着クライオパネル６０のうち少なくとも１つ（例えば、複数の上部クライオパネル６０ａの各々、及び／または、複数の下部クライオパネル６０ｂのうち少なくとも１つ）は、露出領域６８と非露出領域６９とを備える。あるクライオパネルについて、露出領域６８は、吸気口１２を通じて被排気気体が直線的に到達可能なクライオパネル上の場所を指し、非露出領域６９は、吸気口１２を通じて被排気気体が直線的に到達不能な場所を指す。したがって、吸気口１２を向くクライオパネルの前面は、露出領域６８と非露出領域６９に区分けされうる。吸気口１２とは反対側、すなわちシールド底部３８を向くクライオパネルの背面は、非露出領域６９となる。

あるクライオパネルの前面における露出領域６８と非露出領域６９との境界は、シールド前端３６の内周縁（吸気口フランジ７２の内周縁でもよい）からそのクライオパネルの直上のクライオパネルの外周縁に向かう視線を考慮して定められてもよい。この視線を延長すると、視線はそのクライオパネルの前面に交点を形成する。視線をシールド前端３６の全周にわたって走査すると、交点はクライオパネルの前面に軌跡を描く。軌跡の内側の領域は直上のクライオパネルの陰となり、吸気口１２を通じてクライオポンプ１０の外から見えない。軌跡の外側の領域は吸気口１２を通じてクライオポンプ１０の外から見える。このように、視線を用いて露出領域６８と非露出領域６９との境界を定めることができる。

例として、図１には、第１視線７４ａと第２視線７４ｂを破線で示す。第１視線７４ａは、下から２番目の上部クライオパネル６０ａの外周端へとシールド前端３６から引かれ、最も下方の上部クライオパネル６０ａと交差している。よって、最も下方の上部クライオパネル６０ａの前面において第１視線７４ａより径方向外側の領域は、露出領域６８となり、第１視線７４ａより径方向内側の領域は、非露出領域６９となる。第２視線７４ｂは、最も下方の上部クライオパネル６０ａの外周端へとシールド前端３６から引かれ、最も上方の下部クライオパネル６０ｂと交差している。よって、最も上方の下部クライオパネル６０ｂの前面において第２視線７４ｂより径方向外側の領域は、露出領域６８となり、第２視線７４ｂより径方向内側の領域は、非露出領域６９となる。

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（例えば、図４に示される切欠部８２）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。

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。すなわち、吸着領域６６は、非露出領域６９に配置されている。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。

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。露出領域６８は、凝縮領域として働くことができる。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。

トップクライオパネル６１は、上面および下面の両方の全体が凝縮領域であってもよい。すなわち、トップクライオパネル６１は、吸着領域６６を有しなくてもよい。このように、第２段クライオパネルアセンブリ２０において吸着領域６６を有しないクライオパネルは、凝縮クライオパネルと称されてもよい。例えば、上部構造２０ａは、少なくとも１つの凝縮クライオパネル（例えば、トップクライオパネル６１）を備えてもよい。

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。

上述のように、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（すなわち、複数の上部クライオパネル６０ａおよび下部クライオパネル６０ｂ）を有するので、非凝縮性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。

複数の吸着クライオパネル６０の各々は、クライオポンプ１０の外部から視認不能である部位に吸着領域６６を備える。よって、第２段クライオパネルアセンブリ２０は、吸着領域６６の全部またはその大半がクライオポンプ１０の外部から完全に見えないように構成されている。クライオポンプ１０は、吸着材非露出型のクライオポンプと呼ぶこともできる。

ところで、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、吸着材がクライオポンプの外から見えるように配置された吸着材露出型のクライオポンプでは、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材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、吸着材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、吸着材露出型のクライオポンプでは、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材に蓄積され、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、例えば吸着材またはそれとともにクライオパネルの交換、または吸着材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。

難再生気体はほぼ例外なく凝縮性気体である。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、入口クライオパネル３２の周囲の開放領域を通過して、放射シールド３０または第２段クライオパネルアセンブリ２０の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。難再生気体は凝縮領域に堆積される。上述のようにクライオポンプ１０は吸着材非露出型であり、吸着領域６６が非露出領域６９に配置されているから、難再生気体から吸着領域６６は保護される。

その反面、露出領域６８は、難再生気体によって汚染されうる。汚染された吸着クライオパネル６０は、クライオポンプ１０のメンテナンスの際に、クライオポンプ１０から分解され洗浄されることを必要としうる。吸着領域６６に設けられた活性炭などの吸着材は難再生気体に汚染されていないので、再利用可能と考えられる。洗浄されたクライオパネルは、再利用可能な場合には、再び組み立てられ使用される。しかし、洗浄の方法によっては、吸着領域６６の吸着機能が失われうる。その場合、洗浄後の吸着クライオパネル６０は再利用できないので、廃棄されなければならない。

そこで、露出領域６８は、取り外し可能な保護面７６で被覆されている。取り外し可能な保護面７６は、少なくとも１つの吸着クライオパネル６０の露出領域６８に設けられている。取り外し可能な保護面７６は、複数の吸着クライオパネル６０の各々に設けられていてもよい。取り外し可能な保護面７６は、種々の例示的な構成が考えられ、それらを以下に説明する。

図２は、図１に示されるクライオポンプ１０に使用されうる例示的なクライオパネルの概略斜視図である。図示されるクライオパネルは、第２段クライオパネルアセンブリ２０に使用されうるクライオパネルであり、トップクライオパネル６１である。ただし、図示されるクライオパネルは、第２段クライオパネルアセンブリ２０に使用される他の吸着クライオパネル６０であってもよい。

トップクライオパネル６１は、第１のクライオパネル基材７８ａと、第２のクライオパネル基材７８ｂとを備える。これらクライオパネル基材７８ａ、７８ｂは、同じ材料（例えば金属材料）で形成され、同じ形状を有する。クライオパネル基材７８ａ、７８ｂは、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、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。したがって、クライオパネル基材７８ａ、７８ｂ自体は、非凝縮性気体を吸着不能である。トップクライオパネル６１が非凝縮性気体を吸着可能とするために、図示されていないが、第１のクライオパネル基材７８ａは、その裏面（下面）に吸着材が設けられていてもよい。あるいは、第１のクライオパネル基材７８ａには吸着材が設けられていなくてもよく、その場合、トップクライオパネル６１が非凝縮性気体を吸着しない。クライオパネル基材７８ａ、７８ｂは、例えば、円板状である。なお、クライオパネル基材７８ａ、７８ｂは、円錐状またはその他の形状であってもよい。

第２のクライオパネル基材７８ｂが、取り外し可能な保護面７６を提供するように第１のクライオパネル基材７８ａに取り外し可能に装着されている。第２のクライオパネル基材７８ｂは、その裏面が第１のクライオパネル基材７８ａの前面と接触し、第１のクライオパネル基材７８ａの前面の全体を覆うようにして、第１のクライオパネル基材７８ａに取り外し可能に取り付けられている。第２のクライオパネル基材７８ｂの前面が、保護面７６として使用される。

また、第２のクライオパネル基材７８ｂは、第１のクライオパネル基材７８ａに熱的に結合され、第１のクライオパネル基材７８ａとともに冷却される。これらクライオパネル基材７８ａ、７８ｂ間に良好な熱接触があるようにして、第２のクライオパネル基材７８ｂは、ボルトなどの取り外し可能な締結部材、剥離可能な接着剤など適宜の取り外し可能な取付方法によって第１のクライオパネル基材７８ａに取り付けられている。

第１のクライオパネル基材７８ａは、典型的に使用されるクライオパネルに相当する。図２に示される実施の形態では、第１のクライオパネル基材７８ａに第２のクライオパネル基材７８ｂが重ね合わされている。このようにして追加された第２のクライオパネル基材７８ｂが取り外し可能な保護面７６を提供する。

第２のクライオパネル基材７８ｂは、非凝縮性気体を吸着不能とするので、吸着領域すなわち吸着材を有しない。そのため、製造工程において、吸着材をクライオパネル基材に取り付ける工程を要しない。これに対して、そうした吸着材取付工程を要する吸着クライオパネル６０は、製造にコストがかかる。よって、第２のクライオパネル基材７８ｂは、比較的安価に提供することができる。

また、第２のクライオパネル基材７８ｂは、典型的にクライオパネルに使用される第１のクライオパネル基材７８ａと同等に設計されているから、クライオポンプ１０における使用に要求される熱的性能、機械的強度、およびそのほかの必要な条件を満たす。よって、第２のクライオパネル基材７８ｂは、クライオポンプ１０の設計者にとって容易に利用可能である。

第２のクライオパネル基材７８ｂは第１のクライオパネル基材７８ａと同様に第２冷却温度に冷却されているから、第２のクライオパネル基材７８ｂ上の保護面７６には難再生気体が凝縮し、汚染されうる。しかし、第１のクライオパネル基材７８ａについては、保護面７６によって汚染は防止または緩和される。汚染が無いかまたは程度が軽ければ、クライオポンプ１０のメンテナンスの際に分解や洗浄などの煩雑な作業を行うことなく、トップクライオパネル６１を再利用することができる。第２のクライオパネル基材７８ｂは、吸着材を有しないから、洗浄すれば再利用できる。あるいは、上述のように第２のクライオパネル基材７８ｂは比較的安価であるから、使用済みのクライオパネル基材７８ｂは廃棄し、新たなクライオパネル基材７８ｂと交換しても、コスト面での影響は小さい。

なお、使用済みのクライオパネル基材７８ｂが取り外された後、新たなクライオパネル基材７８ｂが第１のクライオパネル基材７８ａに装着されなくてもよい。この場合、保護面７６が第１のクライオパネル基材７８ａに提供されないから、以降のクライオポンプ１０の運転中に、第１のクライオパネル基材７８ａの前面は汚染されうる。次回のメンテナンスにおいて第１のクライオパネル基材７８ａを新たなものと交換しなければならないかもしれない。しかし、第１のクライオパネル基材７８ａ上の吸着材にも寿命があるので、第１のクライオパネル基材７８ａの汚染の有無にかかわらず、いずれは吸着材とともに第１のクライオパネル基材７８ａの交換を要することになる。したがって、新たなクライオパネル基材７８ｂを装着するか否かは、クライオパネル基材７８ｂのコストや吸着材の寿命を考慮して決定されてもよい。

図３は、図１に示されるクライオポンプ１０に使用されうる別の例示的なクライオパネルの概略斜視図である。図示されるクライオパネルは、第２段クライオパネルアセンブリ２０に使用されうるクライオパネルであり、上部クライオパネル６０ａである。ただし、図示されるクライオパネルは、第２段クライオパネルアセンブリ２０に使用される他の吸着クライオパネル６０であってもよい。

上部クライオパネル６０ａは、図１を参照して説明したように、例えば逆円錐状の形状を有する。上部クライオパネル６０ａの前面は、外周部に露出領域６８を有し、露出領域６８の内側に非露出領域６９を有する。非露出領域６９には吸着材が設けられうるが、図示の簡明化のために、図３では図示を省略する。

上部クライオパネル６０ａ（または吸着クライオパネル６０）は、取り外し可能な保護面７６を提供するように露出領域６８を被覆する保護層８０を備える。非露出領域６９には、保護層８０は設けられていない。保護面７６として機能する保護層８０の表面は、難再生気体に対して耐腐食性を有する材料、例えば、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂またはその他の樹脂、あるいは、アルミニウムまたは銅などの金属で形成されていてもよい。よって、保護層８０は、そうした樹脂材料または金属材料の表面を有する粘着テープまたは剥離可能に接着された保護フィルムであってもよい。保護層８０は、上部クライオパネル６０ａのクライオパネル基材に接着され、それにより熱的に結合され、同じ冷却温度に冷却される。

保護層８０は、露出領域６８に設置され、第２冷却温度に冷却されているから、保護面７６には難再生気体が凝縮し、汚染されうる。保護層８０は上部クライオパネル６０ａに剥離可能に接着されているから、クライオポンプ１０のメンテナンスの際に保護層８０を剥がすことによって、上部クライオパネル６０ａから汚染物質を取り除くことができる。メンテナンスの際に分解や洗浄などの煩雑な作業を行うことなく、上部クライオパネル６０ａの再利用が可能となりうる。

図４は、図１に示されるクライオポンプ１０に使用されうるさらに別の例示的なクライオパネルの概略上面図である。図示されるクライオパネルは、第２段クライオパネルアセンブリ２０に使用されうるクライオパネルであり、下部クライオパネル６０ｂである。ただし、図示されるクライオパネルは、第２段クライオパネルアセンブリ２０に使用される他の吸着クライオパネル６０であってもよい。

下部クライオパネル６０ｂは、図１を参照して説明したように、例えば円板状の形状を有する。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８２が形成されている。下部クライオパネル６０ｂの前面は、外周部に露出領域６８を有し、露出領域６８の内側に非露出領域６９を有する。非露出領域６９には吸着材としての粒状の活性炭８４が貼り付けられている。

下部クライオパネル６０ｂ（または吸着クライオパネル６０）は、取り外し可能な保護面７６を提供するように露出領域６８に剥離可能に接着された樹脂製または金属製の保護層８０を備える。保護層８０は、下部クライオパネル６０ｂのクライオパネル基材に接着され、それにより熱的に結合され、同じ冷却温度に冷却される。

保護層８０は、露出領域６８に設置され、第２冷却温度に冷却されているから、保護面７６には難再生気体が凝縮し、汚染されうる。保護層８０は下部クライオパネル６０ｂに剥離可能に接着されているから、クライオポンプ１０のメンテナンスの際に保護層８０を剥がすことによって、下部クライオパネル６０ｂから汚染物質を取り除くことができる。メンテナンスの際に分解や洗浄などの煩雑な作業を行うことなく、下部クライオパネル６０ｂの再利用が可能となりうる。

なお、使用済みの保護層８０が剥がされた後、新たな保護層８０が吸着クライオパネル６０に貼り付けられてもよいし、貼り付けられなくてもよい。新たな保護層８０を装着するか否かは、保護層８０のコストや吸着クライオパネル６０上の吸着材の寿命を考慮して決定されてもよい。

あるいは、複数の保護層８０が露出領域６８に積層されていてもよい。このようにすれば、使用済みの保護層８０が剥がされたとき、その直下の新たな保護層８０が露出され使用可能となる。

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段クライオパネルアセンブリ２０によって冷却される。吸着クライオパネル６０の凝縮領域の表面には、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（Ｎ_２）、アルゴン（Ａｒ）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（Ｈ_２）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、露出領域６８は、取り外し可能な保護面７６で被覆されている。第２段クライオパネルアセンブリ２０と同様に第２冷却温度に冷却されているから、難再生気体は保護面７６上に凝縮される。保護面７６には難再生気体が付着して汚染されうるが、保護面７６は取り外すことができる。保護面７６を取り外すことによって、保護面７６で覆われていた清浄な面が露出される。あるいは、新たな保護面７６を取り付けることによって、露出領域６８は再び保護される。したがって、クライオポンプ１０は、メンテナンスの際に、難再生気体などの付着物を除去するために第２段クライオパネルアセンブリ２０を分解し洗浄する必要がない。こうした取り外し可能な保護面７６が設けられていないクライオポンプに比べて、クライオポンプ１０のメンテナンスを容易に行うことができる。

とくに、上述のようにクライオポンプ１０は吸着材非露出型であり、吸着領域６６が非露出領域６９に配置されているから、難再生気体から吸着領域６６は保護される。したがって、保護面７６の取り外しまたは交換によって難再生気体が除去されれば、第２段クライオパネルアセンブリ２０は再利用可能である。このように、クライオポンプ１０は吸着材非露出型である場合、とくに、クライオポンプ１０のメンテナンスを容易に行うことができる。

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。

上述の実施の形態では、非露出領域６９に保護層８０が設けられていない場合を例に挙げて説明したが、これは本発明に必須ではない。ある実施の形態においては、非露出領域６９の少なくとも一部（例えば、非露出領域６９において吸着領域６６の外側の部分）が取り外し可能な保護面７６で被覆されていてもよい。例えば、非露出領域６９において、活性炭などの吸着材が貼り付けられていない領域に保護層８０が剥離可能に接着されてもよい。

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。

本発明は、クライオポンプおよびクライオパネルの分野における利用が可能である。

１０ クライオポンプ、 １２ 吸気口、 ６６ 吸着領域、 ６８ 露出領域、 ６９ 非露出領域、 ７６ 保護面、 ７８ａ，７８ｂ クライオパネル基材、 ８０ 保護層。

Claims (10)

1. クライオポンプ吸気口を通じて被排気気体が直線的に到達可能な露出領域と、前記クライオポンプ吸気口を通じて被排気気体が直線的に到達不能な非露出領域と、を備えるクライオパネルアセンブリを備え、
   前記非露出領域は、非凝縮性気体を吸着可能な吸着領域を有し、前記露出領域は、取り外し可能な保護面で被覆されていることを特徴とするクライオポンプ。
2. 前記取り外し可能な保護面を提供するように前記露出領域に剥離可能に接着された樹脂製または金属製の保護層をさらに備え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. 前記露出領域には複数の保護層が積層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。
4. 前記クライオパネルアセンブリは、前記非凝縮性気体を吸着不能とする第１のクライオパネル基材と、前記非凝縮性気体を吸着不能とする第２のクライオパネル基材と、を備え、
   前記第２のクライオパネル基材が、前記取り外し可能な保護面を提供するように前記第１のクライオパネル基材に取り外し可能に装着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. 前記非露出領域の少なくとも一部が前記取り外し可能な保護面で被覆されてい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。
6. 前記クライオポンプ吸気口から軸方向に筒状に延在し、前記クライオパネルアセンブリを囲むように配置された放射シールドと、
   前記放射シールドを冷却する高温冷却ステージと、前記クライオパネルアセンブリを冷却する低温冷却ステージとを備え、前記低温冷却ステージが前記高温冷却ステージよりも低温に冷却される冷凍機と、をさらに備えることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のクライオポンプ。
7. 前記クライオパネルアセンブリは、各々が前記露出領域および前記非露出領域を有する複数のクライオパネルと、軸方向に柱状に配列された複数の伝熱体と、を備え、前記複数のクライオパネルおよび前記複数の伝熱体が軸方向に積み重ねられていることを特徴とする請求項６に記載のクライオポンプ。
8. 前記クライオパネルアセンブリは、前記クライオパネルアセンブリのうち軸方向に最も上方に配置されたトップクライオパネルを備え、
   前記トップクライオパネルは、第１のクライオパネル基材と、前記取り外し可能な保護面を提供する第２のクライオパネル基材とを備え、前記第２のクライオパネル基材は、その裏面が前記第１のクライオパネル基材の前面と接触し、前記第１のクライオパネル基材の前面の全体を覆うようにして、前記第１のクライオパネル基材に取り外し可能に装着されていることを特徴とする請求項６または７に記載のクライオポンプ。
9. 前記クライオパネルアセンブリは、前記低温冷却ステージよりも軸方向上方に配置され、逆円錐状の外周部を有する少なくとも１つの上部クライオパネルを備え、前記取り外し可能な保護面で被覆された前記露出領域は、前記逆円錐状の外周部に設けられていることを特徴とする請求項６から８のいずれかに記載のクライオポンプ。
10. 前記クライオパネルアセンブリは、前記低温冷却ステージよりも軸方向下方に配置された少なくとも１つの下部クライオパネルを備え、前記取り外し可能な保護面で被覆された前記露出領域は、前記少なくとも１つの下部クライオパネルの外周部に設けられていることを特徴とする請求項６から９のいずれかに記載のクライオポンプ。

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