JPS58131381A

JPS58131381A - クライオポンプ及びクライオポンプ用冷凍機

Info

Publication number: JPS58131381A
Application number: JP1149382A
Authority: JP
Inventors: Shinji Osako; 信治大迫
Original assignee: Anelva Corp
Current assignee: Canon Anelva Corp
Priority date: 1982-01-29
Filing date: 1982-01-29
Publication date: 1983-08-05

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、クライオポンプ及びクライオポンプ用冷凍機
に関し、特に、水素に対する排気能力（特に大流量の凝
縮性気体の排気中の水素排気能力）を著しく向上させた
クライオポンプ及びそれに用いる冷凍機を提供するもの
である。

０近年、　　ｌ０Ｋ−４−１ｉＫの到達温度をもつ小型ヘ
リウム冷凍機を用いたクライオポンプが、真空装置の排
気ポンプとして広く用いられる様になった。従来、この
種のクライオポンプには二段の冷凍ステージ金もつ小型
ヘリウム冷凍機が用いられるのが通常である。この小型
ヘリウム冷凍機の一段目の冷凍ステージは９通常５０に
〜１００に／程度の温度に冷却され、二段目の冷凍ステージ０は２通常１０に−４−１ｉＫ程度に冷却される。この二
段目の冷凍ステージには気体凝縮のための第１のクライ
オパネルが取り付けられ、この第１のクライオパネルに
より主に気体の凝縮排気が行初なわれる。Ｈｅ　、Ｎｅ　、Ｈ２などは１０に一？！）
Ｋの温度で高い飽和蒸気圧を示し、第１のクライオパネ
ルでは凝縮排気が不可能である。第１のクライオパネル
により凝縮排気が不可能な気体を排気する為に、活性炭
等の気体吸着剤を貼り付けた第２のクライオパネルが同
じく二段目の冷凍ステージに取り付けられる。あるいは
、第２のクライオパネルが第１のクライオパネルと一体
構造をなして二段目の冷凍ステージに取り付けられる。

一方、一段目の冷凍ステージには、二段目の冷凍ステー
ジ及びそれに取り付けられた第１及び第２のクライオパ
ネルを覆う様な気体凝縮のための第３のクライオパネル
が取り付けられる。この第３のクライオパネルは、第１
及び第２のクライオパネルへの輻射熱の入射を防ぐだめ
の輻射熱シールドの役目をも為している。

上記の様な構造の従来のクライオポンプにおいても、熱
負荷が小さくクライオポンプが充分冷却されている限り
は、はとんどすべての気体を大きな速度で排気する事が
可能である。

しかしながら９例えば、スパッタ装置におけるスパッタ
中のＡｒガスの排気などの様に大流量の気体を排気する
場合などには、気体を凝縮排気する第１のクライオパネ
ルが気体凝縮熱によって温度上昇し、それに伴って、第
１のクライオパネルと同一の冷凍ステージに取り付けら
れた。あるいは第１のクライオパネルと一体構造をなす
ところの、活性炭等の気体吸着剤を貼り付けた第２のク
ライオパネルの温度も、上昇する。このため、第２のク
ライオパネルの温度に強く依存するＨｅ　、　Ｈ２、Ｎ
ｅに対する排気能力が著しく低下する事になる。特に、
スパッタ装置においては、スパッタ中にターゲット等か
ら大量のＨ２が放出される為に、クライオポンプのＨ２
に対する排気能力の低下はスパッタ室内のＨ２分圧を高
め生成する膜の質に重大な影響を与えるため、好１しく
ない。

本発明の目的は、上記欠点を除去し、大流量の気体排気
中にも気体吸着剤を備えた第２のクライオパネルが気体
凝縮のための第１のクライオパネルの温度上昇の影響を
直接受けることな（、Ｈ２，Ｈｅ、Ｎｅに対する排気能
力を保ち得るクライオポンプ及びそのクライオポンプを
動作させるための冷凍機を提供することにある。

以下１図面を参照して説明する。

第１図を参照すると、従来のクライオポンプは一段目及
び二段目の冷凍ステージ１及び２を有するヘリウム冷凍
機４に取り付けられる。このヘリウム冷凍機４は、ディ
スプレーサ−１３と蓄冷器１４との組み合わせにより構
成される冷凍サイクルにより低温を発生するものである
。

この冷凍サイクルとしては９例えば５ｏｌｖａｙ、　Ｇ
ｉｆｆｏｒｄ−ＭｃＢｉｌａｈｏｎ、　Ｓｔｉｒｌｉｎ
ｇ、　Ｖｕｉｌｌｅｕｍｉｒ、　Ｔａｅｏｎｉａなどの
冷凍サイクルが知られている。この冷凍機の動作の原理
は概略以下のとおりである。

コンプレッサ９により圧縮された高圧のヘリウムガスは
、熱交換器１０により圧縮熱を取り去られほぼ室温とな
って、冷凍機４内に設けられた高圧側バルブ１１ヲ通っ
て冷凍機下部空間１５に導かれる。冷凍機下部空間１５
のヘリウムガスは。

ディスプレーサ１３　、１３’の下降に伴い蓄冷器１４
゜１４′と熱交換を行って予冷され、冷凍ステージ１．
２の近傍空間に満たされる。その後、高圧側パルプ１１
が閉じて低圧側パルプ１２が開放されると、高圧のヘリ
ウムガスは低圧側の空間に向って膨張を行い、寒冷が発
生する。低温となったヘリウムガスは、ディスプレーサ
１３，１３’の上昇に伴い蓄冷器１４．１４’ｉ通って
これと熱交換を行い、はぼ室温となってコンプレッサ９
の低圧側に戻り、逆に蓄冷器１４．１４’は次のサイク
ルのヘリウムガス予冷のために冷却される。以上の冷凍
サイクルを繰り返す事により冷凍ステージ１，２が次第
に低温になり、一段目の冷凍ステージ１は約１００に以
下の温度に、二段目の冷凍ステージ２ｔＩ′ｉ約２０に
以下の温度に冷却される。

このようなヘリウム冷凍機４を用いたクライオポンプの
構造及び排気原理は次のとおりである。

ヘリウム冷凍機４の一段目の冷凍ステージ１には、銅な
どの熱良導体で作られた輻射熱シールド兼用の第６のク
ライオパネル５が取り付けられ、約１００に以下の温度
に冷却される。輻射熱シールド兼用の第６のクライオパ
ネル５の役割は、一段目の冷凍ステージ２とそれに取り
付けられた第１のクライオパネル６及び第２のクライオ
パネル７に、室温の壁からの輻射熱が入射するのを防ぐ
事、及び主に水蒸気などの比較的蒸気圧の低い気体をそ
の面で凝縮排気する事である。

ヘリウム冷凍機４の二段目の冷凍ステージ２には、約１
０に〜２０にの温度に冷却される第１のクライオパネル
６及び第２のクライオパネル７が取り付けられる。第１
のクライオパネル６は。

銅などの熱良導体により作られ＋Ｎ２１０□、Ａｒ等の
１０に〜２０にの温度で凝縮される。充分低い蒸気圧を
示す気体の排気を行う。第１のクライオパネル６と一体
構造をなすか、あるいは同一の二段目の冷凍ステージ２
に取り付けられた。活性炭等の気体吸着剤を備えた第２
のクライオパネル７は、やはり銅などの熱良導体に活性
炭等の気体吸着剤を貼り付けたものである。この活性炭
等の低温での気体吸着剤を備えた第２のクライオパネル
７は、１０に〜２［］Ｋの温度で比較的高い蒸気圧を有
するが故に凝縮排気が不可能なＨｅ　、Ｈ２、Ｎｅの吸
着排気を行うものである。一般に、気体吸着剤は気体吸
着量に制限があり、大量のＮ２．Ａｒ、０□などの気体
が気体吸着剤に吸着されると、その本来の目的であるＨ
ｅ　＋　Ｎ２　、　Ｎｅの排気能力が著しく損われてし
まう。この為、第２のクライオパネル７は第１のクライ
オパネル６に覆われた構造をなし、大部分の気体は活性
炭の面へ到達する前に少なくとも一回は第１のクライオ
パネル６面に入射し、活性炭面へは第１のクライオパネ
ル６で凝縮排気され得ないＨｅ。

Ｎ２．Ｎｅのみが到達し得る様な構造上の考慮が払われ
るのが通常である。

このような構造のクライオポンプには既に述べた様に次
の様な重大な欠点があった。即ち。

クライオポンプが例えばスパッタ中のＡｒガスのる大き
な熱負荷を受けるために、二段目の冷凍ステージ２は冷
凍能力とのバランス点まで温度が上昇する。これに伴い
、同一の冷凍ステージ２によって冷却される第２のクラ
イオノ（ネル７の温度も上昇させられる。活性炭の気体
吸着能力はその温度に強く依存し１例えばＮ２ガスに関
しては２０に以上の温度ではその排気能力は著しく損わ
れＮ２の排気が事実上不可能になる上に。

逆にあらかじめ吸着していたＮ２ガスを再放出する様に
なる。この様な状態では被排気室内のＮ２分圧は異常に
高くなり、スパッタ装置等による薄膜作成においては、
生成する膜の特性を損ねるなどの重大な影響を与える。

第２図を参照すると９本発明の第１の実施例によるクラ
イオポンプは、一段目の冷凍ステージ１と二段目の冷凍
ステージ２と三段目の冷凍ステージ５とを別個に備えた
新規なヘリウム冷凍機４′に取り付けられる。このヘリ
ウム冷凍機４′は三段目の冷凍ステージ３を二段目の冷
凍ステージ２に直列に設けたものである。このヘリウム
冷凍機４′の基本的動作は、第１図のヘリウム冷凍機４
と同様であるが、新、たに設けられたディスプレーサ１
３“、蓄冷器１４“ｋより三段目の冷凍ステージ３は二
段目の冷凍ステージ２より更に低い温度に冷却される。

このヘリウム冷凍機４′の一段目の冷凍ステージ１には
、約１００に以下の温度に冷却される輻射熱シールド兼
用の第６のクライオパネル５が取り付けられる。また、
二段目の冷凍ステージ２には約２０に以下の性炭等の気
体吸着剤を備えた第２のクライオパネル７が取り付けら
れる。第１及び第２のクライオパネル６．７は輻射熱シ
ールド兼用の第６のクライオパネル５に覆れでいる。ま
た、第２のクライオパネル７は第１のクライオパネル６
に覆われている。この構造によれば、大流量の凝縮性気
体の排気中に、気体凝縮のための第１のクライオパネル
６は気体の冷却及び凝縮による熱負荷にさらされ、二段
目の冷凍ステージ２の有する冷凍能力とのバランス点ま
で温度が上昇する。しかし、活性炭等の気体吸着剤を備
えた第２のクライオパネル７は、二段目の冷凍ステージ
２とは別個の、それよりも更に冷却されている三段目の
冷凍ステージ６に取り付けられて保ち得る。従って、大
流量の凝縮性気体の排気中にもＨｅ　、　Ｈ２、Ｎｅに
対する排気能力を失なう事はない。

活性炭等の気体吸着剤を備えた第２のクライオパネル７
が二段目の冷凍ステージ２に取り付けられた気体凝縮の
ための第１のクライオパネル６のみに覆われた構造とし
てもよい。しかし。

大流量の凝縮性気体の排気中には一般に気体の凝縮係数
が１以下に低下し、第１のクライオパネル乙に捕われず
に活性炭等の気体吸着剤を備えた第２のクライオパネル
７へ到達する気体が多少存在する。このため、活性炭が
目づまりを起こしてＨｅ　ｒ　Ｈ２、Ｎｅの排気能力が
低下するおそれがある。このような事を防止するために
は。

第２図の如く、三段目の冷凍ステージ３にもう一つの気
体凝縮のための第４のクライオパネル６′ヲ、活性炭等
の気体吸着剤を備えた第２のクライオパネル７を覆う構
造とするのが望ましい。

第４のクライオパネル６′は第１のクライオパネル６に
捕えられずに漏れてくる気体の量かわず０かであるだめに、大きな熱負荷とはならず、朽に以下の
温度を保ち得る。従って、活性炭のＨ２゜Ｈｅ　、　Ｎ
ｅに対する排気速度を損う事はない。

第３図を参照すると１本発明の第２の実施例によるクラ
イオポンプは、一段目の冷凍ステージ１と、二段目の冷
凍ステージ２と、この冷凍ステージ２に並列なもう一つ
の二段目の冷凍ステージ２′とを、別個に備えた新規な
ヘリウム冷凍機４“に取り付けられる。２つの互いに並
列な二段目の冷凍ステージ２及び２′ハ、一段目の冷凍
ステージ１に直列に設けられる。一方の二段目の冷凍ス
テージ２内には、ディスプレーサ１３′及び蓄冷器１４
′が組み込まれている。同様に。

他方の二段目の冷凍ステージ２′内には、ディスプレー
サ１３“及び蓄冷器１４“が組み込まれている一方の二
段目の冷凍ステージ２には、気体凝縮のための第１のク
ライオパネル６が取り付けられ、他方の二段目の冷凍ス
テージ２′には、活性炭等の気体吸着剤を備えた第２の
クライオパネル７が取り付けられる。この第２のクライ
オパネル７は第１のクライオパネル６に覆われており、
凝縮性気体による活性炭の目づまりが防止される。この
実施例においても、活性炭等の気体吸着剤を備えた第２
のクライオパネル７は。

気体凝縮のための第１のクライオパネル６の気体の冷却
及び凝縮による温度上昇、及びそれに第２図の実施例と
同様の効果が得られた。筐た。

この実施例においても、二段目の冷凍ステージ２′に第
４のクライオパネル６′ヲ取り付けて。

活性炭を保護するのが望ましい事も、第２図の実施例と
同様である。

第４図を参照すると１本発明の第３の実施例によるクラ
イオポンプは、２台の従来の二段式のヘリウム冷凍機４
ａ、４ｂに取り付けられる。

同一のポンプ容器８に従来の二段の冷凍ステージをもつ
二台のヘリウム冷凍機４ａ、４ｂが組み込まれる。一方
のヘリウム冷凍機４ａの二段目の冷凍ステージ２ａには
、気体凝縮のための第１のクライオパネル６が取り付け
られる。他方のヘリウム冷凍機４ｂの二段目の冷凍ステ
ージ２ｂには、活性炭等の気体吸着剤を備えた第２のク
ライオパネル７が取り付けられる。輻射熱シールドを兼
ねた第６のクライオパネル５は９両方のヘリウム冷凍機
４ａ　、　４ｂの一段目の冷凍ステージ１ａ、１ｂに取
り付けられる。本実施例も、第２のクライオパネル７が
第１のクライオパネル６によって覆われ、　Ｈｅ　、　
Ｈ２、Ｎｅ以外の気体が活性炭に到達し得ない構造をな
している。本実施例においても、上述した二つの実施例
と同様の効果が得られ、大流量の凝縮性気体排気中にも
Ｈｅ。

Ｈ２，Ｎｅに対する安定な排気能力が保たれた。

以上説明したように２本発明によれば、気体凝縮のため
の第１のクライオパネルと気体吸着剤を備えた第２のク
ライオパネルとを熱的に分離したクライオポンプが得ら
れ、大流量の気体　　４・排気中にも気体吸着剤を備え
た第２のクライオパネルが気体凝縮のための第１のクラ
イオパネルの温度上昇の影響を受けず、　Ｈ２，Ｈｅ、
Ｎｅに対する排気能力が向上する等の効果がある。

さらに９本発明によれば、気体凝縮のための第１のクラ
イオパネルと気体吸着剤を備えた第２のクライオパネル
とを熱的に分離した上述の如きクライオポンプを動作さ
せるのに最適なりライオポンプ用冷凍機が得られる。

なお９本発明は、上述した実施例に限定されるものでな
く９種々の設計上の変更や変形を施したものをも含むこ
とはもちろんである。例えば第１〜第３のクライオパネ
ルの各々のパネル数を変えるとか、冷凍ステージを増や
すとか。

第１のクライオパネルにも気体吸着剤を備えるとかの１
部分的な変更はすべて本発明の範囲に属する。また、活
性炭以外の気体吸着剤の使用も本発明の範囲内に属する
事はいうまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のクライオポンプ及びクライオポンプ用ヘ
リウム冷凍機を示した断面図、第２図及び第３図はそれ
ぞれ本発明の実施例によるクライオポンプ及びクライオ
ポンプ用ヘリウム冷凍機を示した断面図、第４図は本発
明の別の実施例によるクライオポンプを示した断面図で
ある。１．１ａ、１ｂ・・・一段目の冷凍ステージ＋　２．２
ａ。２ｂ・・・二段目の冷凍ステージ、３・・・三段目の冷
凍ステージ、　４．４’、４“、　４ａ　、　４ｂ・・
・ヘリウム冷凍機、５・・・第６のクライオパネル、６
・・・第１のクライオパネル、６′・・・第４のクライ
オパネル。７・・・第２のクライオパネル、８・・・ポンプ容器。９・・・コンプレッサ、１０・・・熱交換器、１１・・
・高圧側パルプ、１２・・・低圧側パルプ、　　１３．
１３’、１３”・・・ディスプレーサ、　１４．１４’
、１４“・・・蓄冷器。１５・・・冷凍機下部空間。第１図声２図第４図

Claims

【特許請求の範囲】１、はぼ２ＯＫ以下の温度に冷却される。気体凝縮のた
めの第１のクライオパネルと、はぼ２０に以下の温度に
冷却される。気体吸着剤を備えた第２のクライオパネル
と、はぼ１００に以下の温度に冷却される。前記第１及
び第２のクライオパネルへの輻射熱の入射を防ぐための
輻射熱シールドを兼ねた。気体凝縮のための第６のクラ
イオパネルとを備え、前記第１．第２及び第６のクライ
オパネルの各々が異なる冷凍機冷凍ステージに取り付は
可能とされたことを特徴とするクライオポンプ。２、はぼ２０に以下の温度に冷却される。気体凝縮のた
めの第１のクライオパネルと、はぼ２０に以下の温度に
冷却される。気体吸着剤を備えた第２のクライオパネル
と、はぼ１００に以下の温度に冷却される。前記第１及
び第２のクライオパネルへの輻射熱の入射を防ぐための
輻射熱シールドを兼ねた。気体凝縮のための第６のクラ
イオパネルとを備え、前記第１．第２及び第３のクライ
オパネルの各々が異なる冷凍機冷凍ステージに取り付は
可能とされたクライオポンプに。取り付けられる冷凍機において、前記第１のクライオパ
ネルをほぼ２０に以下の温度に冷却するための第１の冷
凍ステージと、前記第２のクライオパネルをほぼ２０に
以下の温度に冷却するための第２の冷凍ステージと、前
記第３のクライオパネルをほぼ１００に以下の温度に冷
却するための第６の冷凍ステージとを、別個に備えたこ
と全特徴とするクライオポンプ用冷凍機。