JPS6013992A - 低温ポンプおよび低温パネル - Google Patents

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】 〔技術分野〕 本発明は低圧の囲繞されたスＲ−スから極めて冷たい表
面上の気体分子を捕捉して超高真空を発生させることに
関する。特に、本発明は水素に対して高いポンプ圧送速
度を維持すると同時に多量のアルゴンおよび空気をポン
プ圧送するようになった独特の低温パネルおよび低温パ
ネルの配列に関する。

〔技術的背景〕

低温ポンプ操作に関する先行技術は米国特許第４，１５
０，５４９号明細書に充分に記載されておシ、この米国
特許明細書の内容は参考のためにこの明細書に記載しで
ある。米国特許第４，１５０，５４９号明細書は細長い
冷凍機の最も寒冷な端部に対してなかんずく水素、アル
ゴンおよび空気をポンプで圧送するために理想的に好適
なパネルの一型式を開示している。米国特許第４，２１
９，５８８号明細書は米国特許第４，１５０，５４９号
の低温ポンプ装置を改良する方法を開示し、一方米国特
許第４，２７７，９５１号明細書は低プロフイル低温ポ
ンプ装置を開示している。米国特許第４，１２１．４’
３０号明細書は極低温冷凍機の寒冷端部において植種の
構造のパネルを備えたいくつかの低温ポンプを代表的に
示している。

米国特許第４，２９５，３３８号明細書は製作が厄介且
つ困難であり且つ熱効率があまシ高くない型式の低温パ
ネルの配列を開示している。本発明はこの米国特許を大
幅に改良したものである。

〔発明の概要〕

本発明は低温ポンプに関し、そして特に、６ネルの形状
が垂直方向に段をなした円錐形の配列であり、該配列の
基部の直径が冷凍機の寒冷端部から冷凍機の温かい段に
向かって直線的に増大し、低温パネル部分の組立てを容
易にすると共に低温パネル部分の間に良好な熱接触を維
持するために低温パネルを結合するテーパのついた差込
継手を備えているディスプレーサおよびエキスパンダの
型式の二段低温冷凍機の第２段または最も寒冷な段のた
めに設計された低温パネルに関する。本発明による個々
のパネルの形状は極めて高い水素のポンプ圧送速度を維
持すると同時に多量のアルゴンおよび空気をポンプで圧
送することができるようになっている。本発明による低
温パネルの配列は組立てが容易であり、コストが安くそ
して明らかに同様な構造の先行技術の装置によシ従来得
られなかった熱効率を発揮できることを特徴とするもの
である。

〔発明の詳細な記述〕

半導体産業においては、近年低温ポンプが大規模の集積
回路の製造に現在使用されているプロセス装置の大部分
において真空を発生させる装置として容認されるように
なってきた。冷温ポンプが容認されるようになった理由
はポンプ送出速度が高く且つ真空環境を発生させるため
に従来使用されてきた拡散ポンプに付随する油の汚染の
可能性をなくしたことである。半導体産業の関心は低温
ポンプが基本的に１捕捉型」ポンプであり、従って低温
付着し且つ吸着した気体を蓄積することにより最終的に
ポンプから気体を除去して捕捉することが必要になるた
めに、本発明の低温ポンプがはるかに大きい再生を必要
とすることである。ひんばんな再生を必要とする先行技
術のポンプは低温ポンプの再生運転が行なわれている間
に集積回路チップの生産率を容易に維持することができ
ないので、厳しい制約がある。

一般に発生するプロセスガスの大部分に対して明らかに
大きい処理能力を有している現在市販されている低温ポ
ンプにおいては、二種またはそれ以上の種類の気体が同
時にポンプで圧送されるときに再生の間の時間間隔が屡
々減少するという共通の問題が生ずる。この問題はアル
ゴンおよび水素の両方が同時にポンプで圧送され且つ再
生が水素ポンプ圧送速度の著しい低下により促進される
ようなスパッター装置においてしばしば起きる。このポ
ンプ圧送速度の減少は豊富なアルゴン分子による水素吸
着剤の汚染または低温で付着したアルゴンによる通過す
る水素の閉塞のいずれかによって起こる。この水素の閉
塞のためは水素分子の電導度が急激に低下し、従ってポ
ンプ圧送速度が低下する。

第１図について述べると低温ポンプ装置に好適に使用さ
れるディスプレーサおよびエキスパンダの型式の低温冷
凍機１０を示しである。このような冷凍機は米国特許第
６，６２０，０２９号明細書に開示されそしてエアプロ
ダクト・アンド・ケミカル・インコーホレーテッドによ
り［Ｄ　Ｉ　Ｓ　ＰＬＥＸＪという商品名で種々のモデ
ルが市販されている。

この冷凍機は第１段１４のヒートステーション１２の基
部において７７°Ｋ　（ＫＥＬＶＩＮ）の程度の冷凍を
行ない且つ第２段１８のヒートステーション１６におい
て１０〜２０°にの冷凍を行なう変更されたンルベー（
５ＯＬＶＡＹ　）サイクルで作動する。

本発明による低温パネルの配列は互いに差込まれる形に
結合される個々の円錐形の旋回面から構成されている。

各々の旋回面例えば第１図の配列の低温パネル２０はテ
ーパのついた円筒形のアダプタまたは差込部分の形態の
第１部分２２を備えておシ、第１部分２２は第１端部２
６から出発して第２端部２４に向かって外方に広がって
いる。第２端部２４は壁部２８と基部２９との間に平坦
な角度を有する円錐体の形態の連続した面２８の起点に
々っている。次の低温、。

ネル３０は低温パネル２０と同一の構造であるが、円錐
形部分の外径がよシ小さくなっている。

配列の次のパネル４０は全体として同一形状に形成され
ているがパネル３０よりも円錐形の基部における直径が
よシ小さくなっている。最上部のノミネル５０は同様に
円錐形の基部においてパネル４０よシも／トさい直径を
有し、そして閉ざされた頂部４８を備えている。頂部４
日はら−トステーション１６上に配置することができそ
れによりヒートステーション１６と低温／Ｎネル５０ｙ
の間に良好な熱接触を維持することができ従って著しく
より大きい直径の低温・ぐネルをパネル５０によシ支持
できるようになっている。パネル５０はその頂部を閉ざ
した形態で構成されているが、パネル５０をその他のパ
ネル（例えば２０．！１０．４０　）と同じ形状に形成
し且つそのアダプタまたは差込部分５２をヒートステー
ション１６の周囲のまわりに配置することもできよう。

第２図について述べると、パネルを組み合わせる方法は
この図に著しく誇張して示した差込継手を重なり合わせ
ることに基づいている。所定のパネルの厚さｔおよび差
込みチーノミ角度αに対して、隣接したパネルの重なり
ｔは次式によ勺与えられる。

ｔ＝　ｔ、／ｌ、ａｎα 、ｏネル間の間隔Δｈは次式によシ与えられる。

Δｈ　＝　ｔ／ｓ　ｉｎα パネル間の差込接触領域における接触表面積Ａｃは次式
によシ与えられる。

Ａｃ＝π（２ｒ＋２ｔｃｏｓα十ｔｓｉｎα）疋マｈ２
＋７２ｓｉｎ２ａ半径ｒが２４．８＋ａａ（０，９７５
）インチであり、αが２．２°である低温パネルの幾何
学的パラメータは７＝１６．５ｍ（０，６５インチ） ｈ＝１６．５闘（０，６５インチ） Ａｃ＝　２６．７ｃｍ２（４，１４１ｎ２）である。

このモジュール構造技術により、組立前に配列の各々の
低温、ｏネルの円錐形の内面（例えば低温パネル２０の
内壁部２８）に木炭またはその他の吸着剤を適用するこ
とができる。またこの技術に１よ、す、Ｊネル２０の第
１部分すなわちテーパのついた円筒形部分２２および低
温パネルの配列の引続いたテーパのついた円筒形部分（
パネル３０，４０．５０の３２．４２．５２　）の露出
したその他のテーパのついた部分（パネル３０，４０．
５０の３４゜４４．５４　”）の外側露出部分に木炭の
層を含めることができる。このモジュール構造により、
木炭を容易に適用することができ且つ多数のファスナー
または半田を必要としないでテーパのついた各部分を確
実に組み合わせることかできる。

実際の問題として溶着部の数を最小にして各部分を点溶
接することができ、それにより低温パネルの伝熱能力を
減少させないで高めることができる。小さいテーパ角度
αおよび太きい重なり寸法ｔを有するテーパのついた差
込界面を使用することＫよシ高い界面接触応力および大
きい接触面積が得られる。これらの境界条件の両方が熱
接触抵抗の作用を減少する。熱接触抵抗の作用は低温、
６ネルの配列の任意の２点間の温度差を減少させるため
に最小限にとどめなければならない。低温、６ネル間の
接触領域に高い熱伝導率を有するエポキシのような高い
熱伝導率を有する媒体を薄くコーティングすることによ
シ低温パネルの温度差をさらに減少させることができる
。各パネルの外側区域から全採機の熱ステーションによ
り構成された放熱子まで熱を伝達するために必要な管状
の複合コアの連続性および壁厚を保証するために、隣接
した差込継手を大幅に重なり合わせる方法を使用してい
る。

隣接した部分の確実な固定は第１図に線「ａ」で示した
位置においてテーパのついた差込継手の重なシ合わせ位
置の内部で２個ｆｒまたは６個所点溶接することにより
最も経済的に行なうことができる。点溶接が好ましいけ
れども、同じ継手に沿って鋲留め、ポンチの突刺しまた
はボルトによる固定もまた使用することができる。

また別の方法として、全集成体を細いボルトを軸線方向
に使用することにより一緒に固定することができる。こ
れらのボルトは全構造体の内側に通されて配列全体を圧
縮状態に保持するために使用される。商業用低温ポンプ
のための低温パネルを組み立てる手段として例示したテ
ーパのついた差込継手は軸線方向に対称の形状を有する
任意の低温・ξネルの配列を組み立てるために使用する
ことができる。以上述べた継手およびパネルの形状は金
属のスピニングおよび油圧成形のような経済的な大量生
産技術に役立つ。

第１図に例示した低温パネルの配列は基部の直径がヒー
トステーション１６から冷凍機１０のヒートステーショ
ン１２に向かって直線的に増大する円錐形部分の垂直の
段からなっている。

この配列の円錐形の形状により低温ポンプの入口ルーパ
ー８０から見た場合に犬ぎい前部表面積が得られると共
に、木炭をアルゴンによる早期汚染から充分に保護する
ことができる。第１図の装置は好適なファスナー例えば
ボルト７２および７４によシヒートステーション１６に
留められた頂部またはカバーパネル７０を備えている。

頂部ノミネル７０と低温パネル５００頂部との間ならび
に低温パネル５０の底部と２段ヒートステーション１６
の平坦な頂面との間にはインジウムガスケットが挿置さ
れている。ガスケット４８は熱伝達を高めるため如使用
されている。所定の配列におけるパネルの数は高い水素
能力を保証すると共に隣接面の間に充分に大きい隙間を
設けて隙間の閉塞を阻止するための充分な木炭の表面積
が得られるように用途によって左右される。試験処よれ
ば５個の円錐形部分によシこれらの要求を充分に満足で
きることが判明した。

この技術分野でよく知られているように、ルーパー８０
はハウジングまたは２段パネル８２によシ冷凍機１Ｄの
温かい段、すなわち２段ヒートステーション１２に伝熱
関係に接続される。

低温ポンプ全体はこの技術分野でよく知られているよう
に真空室に取９つけるための好適なフランジ９２を有す
るハウジング９０の中に収納することができる。冷凍機
１０の２段目の温度を看視するために温度センサがしば
しば使用される。

第１図は種々の低温パネル上のアルゴンの付着性を示し
ている。付着したアルゴンはノミネル２０．３０，４０
．５０および７０のそれぞれの上に符号１００゜１０１
　、１０２　、１［］３−および１０４で示しである。

アルゴンをスパッターする用途に主として使用する場合
を模擬した状況姉おける第１図の低温パネルの配列を試
験することにより第１図の装置の形状が水素をポンプで
圧送する速度の急激な低下のなんらかの徴候が現われる
前に多量の低温で付着したアルゴンに対して極めて充分
に耐えることが判明した。水素の速度がその初期の値の
８５％に低下するまでに少くとも７３５，０００）ルリ
ットルのアルゴンが付着せしめられた。この低温ノミネ
ルの優れた性能は主として個々の円錐形の形状が冷凍機
の寒冷端部からその温暖端部に向かって直線状に増大す
る円錐形の輪部によって得られるものと考えられる。各
々の引続くよシ大きい円錐形部分の重な多合っていない
外側領域によ多構成された前部の表面積によフ多量のア
ルゴンを蓄積させるための部位が得られる。これらの好
ましい領域中のアルゴンの付着により、水素を吸着させ
るために通常保たれている木炭の表面に極めて近接して
いる隣接した段の重なり合った部分にアルゴンが蓄積す
る速度を遅くすることができる。米国特許第４，２９５
，３３８号明ＭＥ書に示した装置のための考えられるア
ルゴンの付着（ｄｅｐｏｓｉ、ｔｉｏｎ　）プロフィル
を第６図に例示した。第６図ではパネル１１５，１１６
，１１７゜１１８および１１９のそれぞれにおいてアル
ゴンの付着を符号１１０，１１１，１１２，１１３およ
び１１４で示しである。第１図および第３図のアルゴン
の付着プロフィルにおいて、第１図の装置のアルゴン付
着プロフィルが木炭の汚染および高い水素ポンプ圧送速
度を持続することを保証するために必要外分子の電導塵
の減少の両方を遅らせる。

第３図の先行技術の装置は部分的なまたは総体的なアル
ゴンの閉塞による露出した吸着剤の汚染または水素の電
導塵の早期減少を示している。

第６図の装置に示したように隣接１７た低温パネル面を
垂直方向に整列することにより、パネル１１５．１１６
，１１７，１１８および１１９の傾斜した側の底部に形
成された水素吸着面に至る流路の入口に多量の低温で付
着したアルゴンが蓄積する状態が発生する。この部分的
な障害物の配置によシ水素分子の電導塵が減少してそれ
によシ水素ポンプ圧送速度がかなシ減少する。

低温パネルの配列を２０°Ｋに冷却する低温冷凍機に使
用される本発明による装置は半導体産業、特に大規模に
集積回路を製造するために使用されるアルゴンスパッタ
ー装置に使用することができる。低温ポンプで圧送され
る主な気体の種類はアルゴンおよび水素、そして時折空
気である。アルゴンおよび空気は個々の低温パネル（２
０゜５０．４０，５０．７０　）の頂部の裸の２段目の
低温ノ々ネルの表面上に完全に凍結され、一方水素は低
温パネル２０．３０．４０．５０および７０の円錐形部
分の下面に対してエポキシ樹脂接着された木炭の顆粒に
吸着される。これらの用途に使用される低温パネルは再
生ができる限りまれに必要となるようにアルゴンおよび
水素の両方に対して高い除去能力を有していなければな
らない。高い水素ポンプ圧送速度を維持すると共にアル
ゴンおよび水素の両方に対して高い除去能力を維持する
ためには、代表的には大きい裸の表面積および大きい木
炭で被覆された表面の両方を有するパネルが必要である
。それに加えて高い水素排出能力を維持するために、木
炭の表面をアルゴンまたは空気の低温付着物による汚染
からかなり良好に保護しなげればならない。本発明は先
行技術の問題のすべてを克服し、そして真空室からアル
ゴン、空気および水素を効果的に除去するために必要な
作動特性を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による低温／ξネル装置を部分的に断面
で示した正両立面部分図、第２図は第１図の低温パネル
の配列の結合機構を誇張して拡大して示した図、そして
第３図は低温パネルを表面に低温付着したアルゴンを例
示した先行技術の装置の正両立面部分図である。 １０・・・低温冷凍機、１２・・・ヒートステーショア
、１４・・・第１段、１６・・・ヒートステーション、
１８・・・第２段、２０・・・低温パネル、２２・・・
第１部分、２４・・・第２端部、２６・・・第１端部、
２８・・・壁部、２９・・・基部、３０．４０．５０・
・・パネル、３２゜４２．５２・・・円筒形部分、３４
，４４．５４・・・テーノξのついた部分、７０・・・
カバーツクネル、８０・・・ルーパー、９０・・・ハウ
ジング、１００，１０１．１０２，１０３，１０４・・
・付着したアルゴン。 ＦＩＧ　／

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）低温パネルを装着し且つ該低温パネルを冷却するよ
   うになった細長い冷凍源を有する型式の低温ポンプにお
   いて、複数の低温・ξネルの各々が全体的にシリンダの
   形状の第１界面部分、すなわちテーパのついた差込界面
   部分を有する旋回面であシ、前記シリンダの壁部が前記
   第１部分の第１端部から前記第１部分の第２端部まで僅
   かにテーパをつげられておシ、そして第２部分すなわち
   主要なポンプ圧送面部分が前記第１部分に連続した部分
   であυ、そして基部と壁部との間に比較的に均一な角度
   を有する截頭円錐形に形成されてお多前記低温パネルが
   前記ポンプ圧送面の基部に対して異なる直径を有するよ
   うに構成されそれによって一層小さい直径のパネルを先
   ず取シつげそしてよシ大きい直径のパネルを最後に取シ
   つけ、前記冷凍源の最も寒冷な端部を起点とする通気し
   た配列において複数個の低温パネルが前記冷凍源に好適
   な装置により固定されていることを特徴とする低温ポン
   プ。 ２）前記低温パネルの配列を前記冷凍源に固定する装置
   が前記冷凍源の端部の上に配置することができ且つ該端
   部に固定することができる閉ざされた底部を有する最小
   の直径の前記パネルを備えていることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項に記載の低温ポンプ。 ３）前記冷凍源の頂部に固定された前記配列の中の最も
   小さい直径の低温／ξネルよりも小さい直径を有する底
   部が全般的に開き且つ頂部が閉じた截頭円錐形の低温パ
   ネルを備え、前記円錐形の側部が前記配列の最も小さい
   円錐形の側部に平行になっていることを特徴とする特許
   請求の範囲第２項に記載の低温ポンプ。 ４）低温パネルの主要な円錐形のポンプ圧送面が互いに
   平行となるように低温パネルが配置されていることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項に記載の低温ポンプ。 ５）前記低温パネルが前記主要なポンプ圧送面の内面に
   吸着剤を有していることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項に記載の低温ポンプ。 ６）前記低温パネルが前記第１部分すなわちテーノ々の
   ついた界面部分の外面上に吸着剤を備えていることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項に記載の低温ポンプ。 ７）前記低温パネルが高い締シ嵌め接触応力および大き
   い接触表面積により嵌め合わされていることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項に記載の低温ポンプ。 ８）テーパのついた差込界面部分のまわシに隣接したパ
   ネルを点溶接しまたは機械的に留めることにより前記低
   温パネルが互いに嵌め合わされる関係に固定されている
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の低温ポ
   ンプ。 ９）全般的にシリンダの形状である第１部分、すなわち
   チー／ξのついた差込界面部分を有する旋回面からなる
   低温パネルであって、前記シリンダの壁部が前記第１部
   分の第１端部から前記第１部分の第２端部まで僅かにテ
   ーパをつけられ、そして第２部分すなわち主要なポンプ
   圧送面部分が前記第１部分に連続した部分であシ、そし
   て前記円錐形の基部と壁部との間に比較的に均一な角度
   を有する截頭円錐形に形成されていることを特徴とする
   低温パネル。 １０）前記旋回面が高い熱伝導率を有する金属で製造さ
   れていることを特徴とする特許請求の範囲第９項に記載
   の低温パネル。