JPS6246710B2 - - Google Patents

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ペースから極めて
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
つ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
4150549号明細書に充分に記載されており、この
米国特許明細書の内容は参考のためにこの明細書
に記載してある。米国特許第4150549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4219588号明細書は米国特許第
4150549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4277951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4121430号明細書は極低温冷凍機の寒冷端部に
おいて種々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4295338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り高くない型式の低
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、そして特にパネル
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つて直線的に増大し、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
えているデイ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
になつている。本発明によ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り従来得られな
かつ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つてきた。冷温ポンプが
容認されるようになつ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「捕捉型」ポンプであり、従つ
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
んぱ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
路チツ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
ようなスパツ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
つて起こる。この水素の閉塞のために水素分子の
電導度が急激に低下し、従つ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
に使用されるデイスプレーサおよびエキスパンダ
の型式の低温冷凍機１０を示してある。このよう
な冷凍機は米国特許第3620029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
ンコーポレーテツドにより「DISPLEX」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のヒートステーシヨン１２の基
部において77〓（KELVIN）の程度の冷凍を行な
い且つ第２段１８のヒートステーシヨン１６にお
いて10〜20〓の冷凍を行なう変更されたソルベー
（SOLVAY）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２
０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を備えており、第１部
分２２は第１端部２６から出発して第２端部２４
に向かつて外方に広がつている。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の起点になつてい
る。次の低温パネル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り小さく
なつている。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り小さくなつてい
る。最上部のパネル５０は同様に円錐形の基部に
おいてパネル４０よりも小さい直径を有し、そし
て閉ざされた頂部４８を備えている。頂部４８は
ヒートステーシヨン１６上に配置することができ
それによりヒートステーシヨン１６と低温パネル
５０との間に良好な熱接触を維持することができ
従つて著しくより大きい直径の低温パネルをパネ
ル５０により支持できるようになつている。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２
０，３０，４０）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をヒートステーシヨン
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および差込みテーパ角度αに対して、
隣接したパネルの重なりｌは次式により与えられ
る。

ｌ＝ｔ／tanα パネル間の間隔△ｈは次式により与えられる。

△ｈ＝ｔ／sinα パネル間の差込接触領域における接触表面積
Acは次式により与えられる。

Ac＝π（2r＋2tcosα＋ lsinα）√△²＋²2 半径ｒが24.8mm（0.975）インチであり、αが
22゜である低温パネルの幾何学的パラメータは ｌ＝16.5mm（0.65インチ） ｈ＝16.5mm（0.65インチ） Ac＝26.7mm（4.14in²） である。

このモジユール構造技術により、組立前に配列
の各々の低温パ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
よりパネル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３０，４
０，５０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。このモジユール構造によ
り、木炭を容易に適用することができ且つ多数の
フア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ができ
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および大きい重なり寸
法ｌを有するテーパのついた差込界面を使用する
ことにより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
パ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
パ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
ーテイングすることにより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
区域から冷凍機の熱ステーシヨンにより構成され
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
重なり合わせ位置の内部で２個所または３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
つて鋲留め、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パネルの配
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ヨン１６から冷凍機１０のヒ
ートステーシヨン１２に向かつて直線的に増大す
る円錐形部分の垂直の段からなつている。この配
列の円錐形の形状により低温ポンプの入口ルーバ
ー８０から見た場合に大き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
なフアスナー例えばボルト７２および７４により
ヒートステーシヨン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。頂部パネル７０
と低温パネル５０の頂部との間ならびに低温パネ
ル５０の底部と２段ヒートステーシヨン１６の平
坦な頂面との間にはインジウムガスケツトが挿置
されている。ガスケツト４８は熱伝達を高めるた
めに使用されている。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
途によつて左右される。試験によれば５個の円錐
形部分により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
バー８０はハウジングまたは２段パネル８２によ
り冷凍機１０の温かい段、すなわち２段ヒートス
テーシヨン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
に真空室に取り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パネル２
０，３０，４０，５０および７０のそれぞれの上
に符号１００，１０１，１０２，１０３および１
０４で示してある。アルゴンをスパツターする用
途に主として使用する場合を模擬した状況におけ
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735000
トルリツトルのアルゴンが付着せしめられた。こ
の低温パ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
向かつて直線状に増大する円錐形の輪部によつて
得られるものと考えられる。各々の引続くより大
きい円錐形部分の重なり合つていない外側領域に
より構成された前部の表面積により多量のアルゴ
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つた部
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4295338号明細書に示した装置
のための考えられるアルゴンの付着
（deposition）プロフイルを第３図に例示した。
第３図ではパネル１１５，１１６，１１７，１１
８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で示してある。第１図および第３図のアル
ゴンの付着プロフイルにおいて、第１図の装置の
アルゴン付着プロフイ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
めに必要な分子の電導度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度の早期減少を示している。
第３図の装置に示したように隣接した低温パネル
面を垂直方向に整列することにより、パネル１１
５，１１６，１１７，１１８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
より水素分子の電導度が減少してそれにより水素
ポンプ圧送速度がかなり減少する。

低温パネルの配列を20〓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
アルゴンスパツ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２０，３０，
４０，５０，７０の頂部の裸の２段目の低温パネ
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け
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パネル装置を部分的
に断面で示した正面立面部分図、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
の正面立面部分図である。 １０…低温冷凍機、１２…ヒートステーシヨ
ン、１４…第１段、１６…ヒートステーシヨン、
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、３
２，４２，５２…円筒形部分、３４，４４，５４
…テーパのついた部分、７０…カバーパネル、８
０…ルーバー、９０…ハウジング、１００，１０
１，１０２，１０３，１０４…付着したアルゴ
ン。

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
   するようになつた細長い冷凍源を有する型式の低
   温ポンプにおいて、複数の低温パネルの各々が全
   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
   り、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
   をつけられており、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
   分であり、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り前
   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つて
   一層小さい直径のパネルを先ず取りつけそしてよ
   り大きい直径のパネルを最後に取りつけ、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パ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
   つ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
   パ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り嵌め接触応力およ
   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りに隣接
   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
   なわちテーパ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つて、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り、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。