KR102499170B1 - 크라이오펌프 - Google Patents

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KR102499170B1
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타카히로 야쯔
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스미도모쥬기가이고교 가부시키가이샤
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Abstract

크라이오펌프의 기체흡장량을 향상시킨다.
크라이오펌프(10)는, 실드 주개구(34)로부터 유입되는 기체의 흐름을 냉동기구조부(21)로부터 편향시키는 기체흐름조정부재(80)를 구비한다. 기체흐름조정부재(80)는, 냉동기(16)의 제2 냉각스테이지(24) 및 제2 크라이오패널유닛(20)의 양방과 비접촉하도록 냉동기구조부(21)에 인접하여 배치되어 있다. 기체흐름조정부재(80)는, 냉동기(16)의 제1 냉각스테이지(22)에 열적으로 결합되어 있어도 된다.

Description

크라이오펌프{Cryopump}
본 출원은 2015년 8월 10일에 출원된 일본 특허출원 제2015-158508호에 근거하여 우선권을 주장한다. 그 출원의 전체 내용은 이 명세서 중에 참고로 원용되어 있다.
본 발명은, 크라이오펌프에 관한 것이다.
크라이오펌프는 일반적으로, 온도가 상이한 2종류의 크라이오패널을 구비한다. 저온의 크라이오패널에는 기체가 응축된다. 크라이오펌프의 사용에 따라 저온 크라이오패널 상에 응축층이 성장된다. 마찬가지로, 저온 크라이오패널을 지지하는 구조부에도 응축층이 성장될 수 있다. 성장한 응축층은, 언젠가는 고온의 크라이오패널에 접촉할 수 있다. 그렇게 하면, 고온 크라이오패널과 응축층의 접촉부위에서 기체는 다시 기화되어 주위로 방출되어 버린다. 응축층으로부터의 기체방출은, 크라이오펌프가 그 역할을 충분히 하는 것을 방해할 수 있다. 따라서, 접촉시점에서의 기체의 흡장량이 크라이오펌프의 최대흡장량을 부여할 수 있다.
특허문헌 1: 일본 공개특허공보 2009-275672호 특허문헌 2: 일본 공개특허공보 2015-1186호
본 발명의 일 양태의 예시적인 목적의 하나는, 크라이오펌프의 기체흡장량을 향상시키는 것에 있다.
본 발명의 일 양태에 의하면, 크라이오펌프는, 제1 냉각온도로 냉각되는 제1 냉각스테이지와, 상기 제1 냉각온도보다 낮은 제2 냉각온도로 냉각되는 제2 냉각스테이지와, 상기 제2 냉각스테이지를 상기 제1 냉각스테이지에 구조적으로 지지하는 냉동기구조부를 구비하는 냉동기와, 기체를 수용하기 위한 실드 주개구를 갖고, 상기 제1 냉각스테이지에 열적으로 결합되어 있는 방사실드로서, 상기 제2 냉각스테이지를 포위하는 실드측부를 구비하며, 상기 냉동기구조부가 삽입되는 실드측부 개구를 상기 실드측부에 갖는 방사실드와, 상기 제2 냉각스테이지에 열적으로 결합되고, 상기 제2 냉각스테이지와 함께 상기 실드측부에 포위되어 있는 크라이오패널유닛과, 상기 제2 냉각스테이지 및 상기 크라이오패널유닛의 양방과 비접촉하도록 상기 냉동기구조부에 인접하여 배치되고, 상기 실드 주개구로부터 유입되는 상기 기체의 흐름을 상기 냉동기구조부로부터 편향시키는 기체흐름조정부재를 구비한다. 상기 크라이오패널유닛은, 상기 실드 주개구에 대면하는 톱크라이오패널을 포함하고, 상기 톱크라이오패널은 상기 냉동기구조부와의 사이에 간극영역을 형성하도록 배치되어 있다. 상기 기체흐름조정부재는, 상기 간극영역으로 진입하는 내연부를 구비하고, 상기 내연부는, 상기 톱크라이오패널에 덮인다.
다만, 본 발명의 구성요소나 표현을, 방법, 장치, 시스템 등의 사이에서 서로 치환한 것도 또한, 본 발명의 양태로서 유효하다.
본 발명에 의하면, 크라이오펌프의 기체흡장량을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 관한 크라이오펌프를 개략적으로 나타내는 측단면도이다.
도 2는 도 1에 나타내는 크라이오펌프를 개략적으로 나타내는 상면도이다.
도 3은 도 1에 나타내는 크라이오펌프를 개략적으로 나타내는 상면도이다.
도 4는 진공배기운전 중에 있어서의 도 1에 나타내는 크라이오펌프를 개략적으로 나타내는 도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 관한 크라이오펌프를 개략적으로 나타내는 측단면도이다.
도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 관한 크라이오펌프(10)를 개략적으로 나타내는 측단면도이다. 도 2 및 도 3은, 도 1에 나타내는 크라이오펌프(10)를 개략적으로 나타내는 상면도이다. 도 1은, 일점쇄선으로 나타내는 중심축(A)을 포함한 단면을 나타낸다. 도 2 및 도 3은, B-B선의 화살표 방향에서 본 도면이다. 도 3은, 도 1에 나타내는 크라이오펌프(10)의 내부구조를 개략적으로 나타낸다. 이해의 용이를 위하여, 도 3에 있어서는, 크라이오펌프흡기구에 배치된 입구크라이오패널의 도시를 생략하고 있다.
크라이오펌프(10)는, 예를 들면 이온주입장치, 스퍼터링장치, 증착장치, 또는 그 외의 진공프로세스장치의 진공챔버에 장착되어, 진공챔버 내부의 진공도를 원하는 진공프로세스에 요구되는 레벨까지 높이기 위하여 사용된다. 크라이오펌프(10)는, 배기되어야 하는 기체를 진공챔버로부터 수용하기 위한 흡기구(12)를 갖는다. 흡기구(12)를 통하여 기체가 크라이오펌프(10)의 내부공간(14)으로 진입한다.
다만 이하에서는, 크라이오펌프(10)의 구성요소의 위치관계를 알기 쉽게 나타내기 위하여, “축방향”, “직경방향”이라는 용어를 사용하는 경우가 있다. 축방향은 흡기구(12)를 통과하는 방향(도 1에 있어서 중심축(A)을 따르는 방향)을 나타내고, 직경방향은 흡기구(12)를 따르는 방향(중심축(A)에 수직인 방향)을 나타낸다. 편의상, 축방향에 관하여 흡기구(12)에 상대적으로 가까운 것을 “상”, 상대적으로 먼 것을 “하”라고 부르는 경우가 있다. 즉, 크라이오펌프(10)의 바닥부로부터 상대적으로 먼 것을 “상”, 상대적으로 가까운 것을 “하”라고 부르는 경우가 있다. 직경방향에 관해서는, 흡기구(12)의 중심(도 1에 있어서 중심축(A))에 가까운 것을 “내”, 흡기구(12)의 둘레가장자리에 가까운 것을 “외”라고 부르는 경우가 있다. 다만, 이러한 표현은 크라이오펌프(10)가 진공챔버에 장착되었을 때의 배치와는 관계되지 않는다. 예를 들면, 크라이오펌프(10)는 연직방향으로 흡기구(12)를 하향으로 하여 진공챔버에 장착되어도 된다.
또, 축방향을 둘러싸는 방향을 “둘레방향”이라고 부르는 경우가 있다. 둘레방향은, 흡기구(12)를 따르는 제2 방향이며, 직경방향에 직교하는 접선방향이다.
크라이오펌프(10)는, 냉동기(16), 제1 크라이오패널유닛(18), 제2 크라이오패널유닛(20), 및 크라이오펌프용기(70)를 구비한다.
냉동기(16)는, 예를 들면 기포드·맥마흔식 냉동기(이른바 GM냉동기) 등의 극저온냉동기이다. 냉동기(16)는, 2단식 냉동기이다. 이로 인하여, 냉동기(16)는, 제1 냉각스테이지(22) 및 제2 냉각스테이지(24)를 구비한다. 냉동기(16)는, 제1 냉각스테이지(22)를 제1 냉각온도로 냉각하고, 제2 냉각스테이지(24)를 제2 냉각온도로 냉각하도록 구성되어 있다. 제2 냉각온도는 제1 냉각온도보다 저온이다. 예를 들면, 제1 냉각스테이지(22)는 65K~120K 정도, 바람직하게는 80K~100K로 냉각되고, 제2 냉각스테이지(24)는 10K~20K 정도로 냉각된다.
또, 냉동기(16)는, 제2 냉각스테이지(24)를 제1 냉각스테이지(22)에 구조적으로 지지함과 함께 제1 냉각스테이지(22)를 냉동기(16)의 실온부(26)에 구조적으로 지지하는 냉동기구조부(21)를 구비한다. 이로 인하여 냉동기구조부(21)는, 직경방향을 따라 동축으로 뻗어 있는 제1 실린더(23) 및 제2 실린더(25)를 구비한다. 제1 실린더(23)는, 냉동기(16)의 실온부(26)를 제1 냉각스테이지(22)에 접속한다. 제2 실린더(25)는, 제1 냉각스테이지(22)를 제2 냉각스테이지(24)에 접속한다. 실온부(26), 제1 실린더(23), 제1 냉각스테이지(22), 제2 실린더(25), 및 제2 냉각스테이지(24)는, 이 순서로 직선형상으로 일렬로 나열된다.
제1 실린더(23) 및 제2 실린더(25) 각각의 내부에는 제1 디스플레이서 및 제2 디스플레이서(도시하지 않음)가 왕복이동 가능하게 배치되어 있다. 제1 디스플레이서 및 제2 디스플레이서에는 각각 제1 축랭기 및 제2 축랭기(도시하지 않음)가 장착되어 있다. 또, 실온부(26)는, 제1 디스플레이서 및 제2 디스플레이서를 왕복이동시키기 위한 구동기구(도시하지 않음)를 갖는다. 구동기구는, 냉동기(16)의 내부로의 작동기체(예를 들면 헬륨)의 공급과 배출을 주기적으로 반복하도록 작동기체의 유로를 전환하는 유로전환기구를 포함한다.
냉동기(16)는, 작동기체의 압축기(도시하지 않음)에 접속되어 있다. 냉동기(16)는, 압축기에 의하여 가압된 작동기체를 내부에서 팽창시켜 제1 냉각스테이지(22) 및 제2 냉각스테이지(24)를 냉각한다. 팽창된 작동기체는 압축기에 회수되어 다시 가압된다. 냉동기(16)는, 작동기체의 급배(給排)와, 이에 동기(同期)한 제1 디스플레이서 및 제2 디스플레이서의 왕복이동을 포함하는 열사이클을 반복함으로써 한랭을 발생시킨다.
도시되는 크라이오펌프(10)는, 이른바 가로형의 크라이오펌프이다. 가로형의 크라이오펌프는 일반적으로, 냉동기(16)가 크라이오펌프(10)의 중심축(A)에 교차하도록(통상은 직교하도록) 배치되어 있는 크라이오펌프이다.
제1 크라이오패널유닛(18)은, 방사실드(30)와 입구크라이오패널(32)을 구비하고, 제2 크라이오패널유닛(20)을 포위한다. 제1 크라이오패널유닛(18)은, 크라이오펌프(10)의 외부 또는 크라이오펌프용기(70)로부터의 복사열로부터 제2 크라이오패널유닛(20)을 보호하기 위하여 마련되어 있는 크라이오패널이다. 제1 크라이오패널유닛(18)은 제1 냉각스테이지(22)에 열적으로 결합되어 있다. 따라서 제1 크라이오패널유닛(18)은 제1 냉각온도로 냉각된다. 제1 크라이오패널유닛(18)은 제2 크라이오패널유닛(20)과의 사이에 간극을 갖고 있으며, 제1 크라이오패널유닛(18)은 제2 크라이오패널유닛(20)과 접촉하고 있지 않다.
방사실드(30)는, 크라이오펌프용기(70)의 복사열로부터 제2 크라이오패널유닛(20)을 보호하기 위하여 마련되어 있다. 방사실드(30)는, 크라이오펌프용기(70)와 제2 크라이오패널유닛(20)의 사이에 있고, 제2 크라이오패널유닛(20)을 둘러싼다. 방사실드(30)는, 크라이오펌프(10)의 외부로부터 내부공간(14)으로 기체를 수용하기 위한 실드 주개구(34)를 갖는다. 실드 주개구(34)는, 흡기구(12)에 위치한다.
방사실드(30)는, 실드 주개구(34)를 결정하는 실드전단(36)과, 실드 주개구(34)와 반대측에 위치하는 실드바닥부(38)와, 실드전단(36)을 실드바닥부(38)에 접속하는 실드측부(40)를 구비한다. 실드측부(40)는, 축방향으로 실드전단(36)으로부터 실드 주개구(34)와 반대측으로 뻗어 있고, 둘레방향으로 제2 냉각스테이지(24)를 포위하도록 뻗어 있다. 방사실드(30)는, 실드바닥부(38)가 폐색된 통형(예를 들면 원통)의 형상을 가지며, 컵형상으로 형성되어 있다. 실드측부(40)와 제2 크라이오패널유닛(20)의 사이에는, 환형상 간극(42)이 형성되어 있다.
다만, 실드바닥부(38)는, 그 적어도 일부가 개방되어 있어도 된다. 예를 들면, 방사실드(30)는, 실드바닥부(38)에 의하여 폐색되어 있지 않아도 된다. 즉, 실드측부(40)는, 양단이 개방되어 있어도 된다.
실드측부(40)는, 냉동기구조부(21)가 삽입되는 실드측부 개구(44)를 갖는다. 실드측부 개구(44)를 통하여 방사실드(30)의 밖으로부터 제2 냉각스테이지(24) 및 제2 실린더(25)가 방사실드(30) 안으로 삽입된다. 실드측부 개구(44)는, 실드측부(40)에 형성된 장착구멍이며, 예를 들면 원형이다. 제1 냉각스테이지(22)는 방사실드(30)의 밖에 배치되어 있다.
실드측부(40)는, 냉동기(16)의 장착시트(46)를 구비한다. 장착시트(46)는, 제1 냉각스테이지(22)를 방사실드(30)에 장착하기 위한 평탄부분이며, 방사실드(30)의 밖으로부터 보아 약간 파여있다. 장착시트(46)는, 실드측부 개구(44)의 외주를 형성한다. 장착시트(46)는, 축방향에 있어서는 실드전단(36)보다 실드바닥부(38)에 가깝다. 제1 냉각스테이지(22)가 장착시트(46)에 장착됨으로써, 방사실드(30)가 제1 냉각스테이지(22)에 열적으로 결합되어 있다.
이와 같이 방사실드(30)를 제1 냉각스테이지(22)에 직접 장착하는 대신에, 일 실시형태에 있어서는, 방사실드(30)는, 추가의 전열부재를 통하여 제1 냉각스테이지(22)에 열적으로 결합되어 있어도 된다. 전열부재는, 예를 들면, 양단에 플랜지를 갖는 중공(中空)의 짧은 통이어도 된다. 전열부재는, 그 일단의 플랜지에 의하여 장착시트(46)에 고정되고, 타단의 플랜지에 의하여 제1 냉각스테이지(22)에 고정되어도 된다. 전열부재는, 냉동기구조부(21)를 둘러싸고 제1 냉각스테이지(22)로부터 방사실드(30)로 뻗어 있어도 된다. 실드측부(40)는, 이러한 전열부재를 포함해도 된다.
도시되는 실시형태에 있어서는, 방사실드(30)는 일체의 통형상으로 구성되어 있다. 이 대신에, 방사실드(30)는, 복수의 파츠에 의하여 전체적으로 통형상의 형상을 이루도록 구성되어 있어도 된다. 이들 복수의 파츠는 서로 간극을 갖고 배치되어 있어도 된다. 예를 들면, 방사실드(30)는 축방향으로 2개의 부분으로 분할되어 있어도 된다. 이 경우, 방사실드(30)의 상부는, 양단이 개방된 통이며, 실드전단(36)과 실드측부(40)의 제1 부분을 구비한다. 방사실드(30)의 하부는, 상단이 개방되고 하단이 폐쇄되어 있으며, 실드측부(40)의 제2 부분과 실드바닥부(38)를 구비한다. 상술과 같이, 방사실드(30)의 하부가 실드바닥부(38)를 갖지 않고, 양단이 개방된 통이어도 된다. 실드측부(40)의 제1 부분과 제2 부분의 사이에는 둘레방향으로 뻗는 슬릿이 형성되어 있다. 이 슬릿이, 실드측부(40)의 적어도 일부여도 된다. 혹은, 실드측부 개구(44)는, 그 상측 절반이 실드측부(40)의 제1 부분에 형성되고, 하측 절반이 실드측부(40)의 제2 부분에 형성되어도 된다.
입구크라이오패널(32)은, 크라이오펌프(10)의 외부의 열원으로부터의 복사열로부터 제2 크라이오패널유닛(20)을 보호하기 위하여 실드 주개구(34)에 마련되어 있다. 크라이오펌프(10)의 외부의 열원은, 예를 들면, 크라이오펌프(10)가 장착되는 진공챔버 내의 열원이다. 입구크라이오패널(32)은, 복사열뿐만 아니라 기체분자의 진입도 제한할 수 있다. 입구크라이오패널(32)은, 실드 주개구(34)를 통한 내부공간(14)으로의 기체유입을 원하는 양으로 제한하도록 실드 주개구(34)의 개구면적의 일부를 점유한다. 입구크라이오패널(32)과 실드전단(36)의 사이에는, 환형상의 개방영역(48)이 형성되어 있다.
입구크라이오패널(32)은, 루버부(50)와, 루버부(50)를 실드전단(36)에 장착하기 위한 복수의 루버장착부(52)를 구비한다. 입구크라이오패널(32)은, 루버장착부(52) 및 방사실드(30)를 통하여 제1 냉각스테이지(22)에 열적으로 결합되어 있다.
루버부(50)는, 각각이 실드 주개구(34)에 있어서 제1 방향으로 직선형상으로 뻗어 있는 복수의 미늘판을 갖는다. 복수의 미늘판은, 실드 주개구(34)에 있어서 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 배열되어 있다. 복수의 미늘판은 서로 평행하게 배열되고, 각 미늘판은 개구면에 대하여 경사지게 배치되어 있다. 도시되는 바와 같이, 중심축(A)에 대하여 일방측의 미늘판과 타방측의 미늘판은 역방향으로 경사져 있다. 복수의 미늘판은, 그 바로 아래에 위치하는 제2 크라이오패널유닛(20)을 덮도록(즉, 제2 크라이오패널유닛(20)이 크라이오펌프(10)의 밖으로부터 보이지 않도록), 제2 방향으로 조밀하게 배열되어 있다. 복수의 미늘판은, 그 배열에 의하여 전체적으로 원형을 형성하도록 서로 상이한 제1 방향길이를 갖는다.
따라서, 크라이오펌프(10)에 의하여 배기되어야 하는 기체는, 크라이오펌프(10)의 외부로부터 루버부(50)의 미늘판 간의 간극 또는 개방영역(48)을 통하여 내부공간(14)으로 진입한다.
입구크라이오패널(32)은, 다른 형상을 가져도 된다. 예를 들면, 루버부(50)는, 동심으로 배치된 복수의 환형상 미늘판을 가져도 된다. 혹은, 입구크라이오패널(32)은, 1매의 판형상 부재여도 된다.
제2 크라이오패널유닛(20)은, 제2 냉각스테이지(24)를 둘러싸도록 하여 제2 냉각스테이지(24)에 장착되어 있다. 따라서, 제2 크라이오패널유닛(20)은, 제2 냉각스테이지(24)에 열적으로 결합되어 있으며, 제2 크라이오패널유닛(20)은 제2 냉각온도로 냉각된다. 제2 크라이오패널유닛(20)은, 제2 냉각스테이지(24)와 함께 실드측부(40)에 포위되어 있다.
제2 크라이오패널유닛(20)은, 실드 주개구(34)에 대면하는 톱크라이오패널(60)과, 1개 또는 복수의 제2 크라이오패널(62)을 구비한다. 톱크라이오패널(60) 및 제2 크라이오패널(62)과 실드측부(40)의 사이에는 환형상 간극(42)이 형성되어 있으므로, 톱크라이오패널(60) 및 제2 크라이오패널(62)은 양방 모두 방사실드(30)에 접촉하고 있지 않다.
톱크라이오패널(60)은, 제2 크라이오패널유닛(20) 중 입구크라이오패널(32)에 가장 근접하는 부분이다. 톱크라이오패널(60)은, 축방향에 있어서 실드 주개구(34) 또는 입구크라이오패널(32)과 냉동기(16)의 사이에 배치되어 있다. 톱크라이오패널(60)은, 축방향에 있어서 크라이오펌프(10)의 내부공간(14)의 중심부에 위치한다. 이로 인하여, 톱크라이오패널(60)의 전면과 입구크라이오패널(32)의 사이에 응축층의 주수용공간(65)이 넓게 형성되어 있다. 응축층의 주수용공간(65)은, 내부공간(14)의 상반분을 차지하고 있다.
톱크라이오패널(60)은, 축방향에 수직으로 배치된 대략 평판의 크라이오패널이다. 즉 톱크라이오패널(60)은, 직경방향 및 둘레방향으로 뻗어 있다. 도 2 및 도 3에 나타나는 바와 같이, 톱크라이오패널(60)은, 루버부(50)와 거의 동일한 치수(예를 들면 투영면적)를 갖는 원판형상 패널이다. 다만 도 3에는, 직경방향 및 둘레방향을 각각 화살표 C 및 화살표 D에 의하여 나타낸다.
톱크라이오패널(60)은, 냉동기구조부(21)와의 사이에 간극영역(66)을 형성하도록 배치되어 있다. 간극영역(66)은, 톱크라이오패널(60)의 이면과 제2 실린더(25)의 사이에 축방향으로 형성된 빈 공간이다.
복수의 제2 크라이오패널(62)이 톱크라이오패널(60)과 실드바닥부(38)의 사이에서 축방향으로 배열되어 있다. 제2 크라이오패널(62)의 각각은, 축방향에 수직으로 배치된 대략 평판의 크라이오패널이다. 제2 크라이오패널(62)은, 톱크라이오패널(60)에 의하여 덮여 있다. 톱크라이오패널(60)이 복수의 제2 크라이오패널(62) 중 하나라고 간주되어도 된다.
제2 크라이오패널(62)은, 톱크라이오패널(60)과 동일한 형상을 가져도 되고, 상이한 형상을 가져도 된다. 도 1에 나타나는 바와 같이, 제2 크라이오패널(62)은, 중심축(A)의 편측에 배치되어 실드측부(40)를 향하여 뻗어 있고, 반원형상의 형상을 가져도 된다. 혹은, 제2 크라이오패널(62)은, 다른 형상을 가져도 된다. 예를 들면, 제2 크라이오패널(62)은, 전형적인 크라이오펌프와 마찬가지로, 원뿔대의 측면의 형상을 가져도 된다. 제2 크라이오패널(62)은, 제2 냉각스테이지(24)의 양측으로부터 실드측부(40)를 향하여 뻗어 있어도 된다.
제2 크라이오패널(62)에는 활성탄 등의 흡착재가 마련되어 있다. 흡착재는 예를 들면 제2 크라이오패널(62)의 이면에 접착되어 있다. 제2 크라이오패널(62)의 전면은 응축면, 이면은 흡착면으로서 기능하는 것이 의도되어 있다. 제2 크라이오패널(62)의 전면에 흡착재가 마련되어 있어도 된다. 마찬가지로, 톱크라이오패널(60)은, 그 전면 및/또는 이면에 흡착재를 가져도 된다. 혹은, 톱크라이오패널(60)은, 흡착재를 구비하지 않아도 된다.
제2 크라이오패널유닛(20)에는, 크라이오패널 장착부재(64)가 마련되어 있다. 크라이오패널 장착부재(64)는, 축방향으로 뻗어 있는 가늘고 긴 형상을 갖고, 그 외측면에 톱크라이오패널(60) 및 제2 크라이오패널(62)이 고정된다. 또, 크라이오패널 장착부재(64)는, 내측면에서 제2 냉각스테이지(24)에 고정된다. 톱크라이오패널(60)은, 그 중심부에서 크라이오패널 장착부재(64)에 장착되어 있다. 이렇게 하여, 톱크라이오패널(60) 및 제2 크라이오패널(62)은, 크라이오패널 장착부재(64)를 통하여 제2 냉각스테이지(24)에 열적으로 결합되어 있다. 다만, 톱크라이오패널(60) 및 제2 크라이오패널(62)은, 크라이오패널 장착부재(64)를 통하지 않고, 제2 냉각스테이지(24)에 직접 장착되어도 된다.
크라이오펌프용기(70)는, 제1 크라이오패널유닛(18), 제2 크라이오패널유닛(20), 및 냉동기(16)를 수용하는 크라이오펌프(10)의 케이스이며, 내부공간(14)의 진공기밀을 유지하도록 구성되어 있는 진공용기이다. 크라이오펌프용기(70)는, 제1 크라이오패널유닛(18) 및 냉동기구조부(21)를 비접촉으로 포함한다. 크라이오펌프용기(70)는, 냉동기(16)의 실온부(26)에 장착되어 있다.
크라이오펌프용기(70)의 전단에 의하여, 흡기구(12)가 획정되어 있다. 크라이오펌프용기(70)는, 그 전단으로부터 직경방향 외측을 향하여 뻗어 있는 흡기구플랜지(72)를 구비한다. 흡기구플랜지(72)는, 크라이오펌프용기(70)의 전체 둘레에 걸쳐 마련되어 있다. 크라이오펌프(10)는, 흡기구플랜지(72)를 이용하여 진공배기 대상의 진공챔버에 장착된다.
크라이오펌프(10)는, 실드 주개구(34)로부터 유입되는 기체의 흐름을 냉동기구조부(21)로부터 편향시키도록 구성되어 있는 기체흐름조정부재(80)를 구비한다. 기체흐름조정부재(80)는, 루버부(50) 또는 개방영역(48)을 통하여 주수용공간(65)에 유입되는 기체흐름을 제2 실린더(25)로부터 편향시키도록 구성되어 있다. 기체흐름조정부재(80)는, 냉동기구조부(21) 또는 제2 실린더(25)의 상방에서 그에 인접하여 배치된 기체흐름편향부재 또는 기체흐름반사부재여도 된다.
기체흐름조정부재(80)는, 제2 냉각스테이지(24) 및 제2 크라이오패널유닛(20)의 양방과 비접촉하도록 냉동기구조부(21)에 인접하여 배치되어 있다. 기체흐름조정부재(80)는, 제2 냉각스테이지(24), 제2 크라이오패널유닛(20), 및 제2 실린더(25) 중 어느 것과도 비접촉하도록 제2 실린더(25)에 인접하여 배치되어 있다. 이렇게 하여, 기체흐름조정부재(80)는, 제2 냉각온도로 냉각되는 부분, 및 이 부분을 지지하는 구조부로부터, 열적 또한 구조적으로 분리되어 있다.
기체흐름조정부재(80)는, 외연부(82) 및 내연부(84)를 구비한다. 외연부(82) 및 내연부(84)는, 1매의 평탄플레이트를 형성한다. 따라서, 외연부(82)는 평탄플레이트의 직경방향 외측부분이며, 내연부(84)는 평탄플레이트의 직경방향 내측부분이다. 평탄플레이트는, 제2 실린더(25)와의 사이에 클리어런스(86)를 갖고 제2 실린더(25)를 따라 배치되어 있다. 평탄플레이트는, 클리어런스(86)에 의하여 축방향으로 제2 실린더(25)로부터 떨어져 있다. 따라서, 평탄플레이트는, 제2 실린더(25), 톱크라이오패널(60), 크라이오패널 장착부재(64), 및 제2 냉각스테이지(24) 중 어느 것과도 접촉하지 않는다.
다만, 일 실시형태에 있어서는, 평탄플레이트 대신에, 기체흐름조정부재(80)는, 제2 실린더(25)와의 사이에 축방향으로 클리어런스를 갖고 제2 실린더(25)를 따라 직경방향으로 뻗어 있는 만곡플레이트, 굴곡플레이트, 또는 통형상플레이트를 구비해도 된다. 만곡플레이트는, 제2 실린더(25)의 표면을 따르는 만곡형상을 가져도 된다. 만곡플레이트는, 제2 실린더(25)의 상부를 덮는 아치형상을 가져도 된다. 굴곡플레이트는, 제2 실린더(25)의 표면을 따르는 굴곡형상을 가져도 된다. 통형상플레이트는, 제2 실린더(25)와 동축으로 뻗어 있고, 제2 실린더(25)를 둘러싸고 있어도 된다.
기체흐름조정부재(80)는, 간극영역(66)을 향하여 실드측부(40)로부터 연장된다. 외연부(82)는, 실드전단(36)과 실드측부 개구(44)의 사이에서 실드측부(40)에 장착되어 있다. 외연부(82)는, 축방향에 있어서 톱크라이오패널(60)과 실드측부 개구(44)(또는 제2 실린더(25))의 사이에 배치되어 있다.
외연부(82)는, 볼트 등의 적당한 체결부재(도시하지 않음)를 이용하여 실드측부(40)(예를 들면 장착시트(46))에 고정되어 있다. 체결부재는, 외연부(82)의 상방에 장착되어도 되고, 하방에 장착되어도 된다. 체결부재는, 실드측부(40)로부터 직경방향 내향으로 돌출되는 볼록부(예를 들면 볼트머리부)를 가져도 된다. 체결부재는, 기체흐름조정부재(80) 및 제1 냉각스테이지(22)의 양방을 실드측부(40)에 고정해도 된다.
이와 같이 하여, 기체흐름조정부재(80)는, 제1 냉각스테이지(22)에 열적으로 결합되어 있다. 외연부(82)가 실드측부(40)에 장착됨으로써, 기체흐름조정부재(80)는, 방사실드(30)를 통하여 제1 냉각스테이지(22)에 열적으로 결합되어 있다. 따라서, 기체흐름조정부재(80)는, 제1 냉각온도로 냉각된다. 다만, 외연부(82)는, 제1 냉각스테이지(22)에 직접 장착되어 있어도 된다. 이 경우, 기체흐름조정부재(80)는, 제1 냉각스테이지(22)로부터, 상술한 전열부재와 제2 실린더(25)의 간극 및 실드측부 개구(44)를 통하여, 간극영역(66)을 향하여 연장되어 있어도 된다.
외연부(82)는, 실드 주개구(34)에 대면한다. 외연부(82)는, 직경방향으로 루버부(50)의 외측에 위치하기 때문에, 노출되어 있다. 도 2 및 도 3에 나타나는 바와 같이, 외연부(82)는, 개방영역(48) 및 환형상 간극(42)을 통하여 크라이오펌프(10)의 외부로부터 시인(視認) 가능하다. 기체흐름조정부재(80)는, 축방향으로 보아 톱크라이오패널(60)과 중첩되지 않는 외측영역을 갖는다.
한편, 내연부(84)는, 간극영역(66)으로 진입한다. 내연부(84)는, 직경방향에 있어서, 톱크라이오패널(60)의 외주단과 중심축(A)의 사이에 배치되어 있다. 이로 인하여, 내연부(84)는, 톱크라이오패널(60)에 덮여 있다. 단, 간극영역(66)은 직경방향으로 내연부(84)를 제2 냉각스테이지(24)로부터 간격을 두고 있어, 내연부(84)는 제2 냉각스테이지(24)와 접촉하고 있지 않다.
도 3에는, 톱크라이오패널(60)에 덮인 기체흐름조정부재(80)의 일부분(내연부(84)를 포함함)을 파선(破線)으로 나타낸다. 내연부(84)는, 크라이오펌프(10)의 외부로부터 시인 불가능하다. 바꾸어 말하면, 기체흐름조정부재(80)는, 축방향으로 보아 톱크라이오패널(60)과 중첩되는 내측 영역을 갖는다.
이와 같이 하여, 톱크라이오패널(60)과 제2 실린더(25)의 간극영역(66)에 기체흐름조정부재(80)가 삽입됨으로써, 간극영역(66)의 입구가 좁아진다. 따라서, 주수용공간(65)으로부터 간극영역(66)으로의 기체유입을 저감시킬 수 있다.
기체흐름조정부재(80)는, 환형상 간극(42)을 적어도 부분적으로 막도록 실드측부(40)를 따라 둘레방향으로 뻗어 있다. 기체흐름조정부재(80)는, 둘레방향에 있어서 실드측부 개구(44)와 동일한 위치에 국소적으로 마련되어 있다. 기체흐름조정부재(80)는, 위에서 보아 직사각형 형상이다. 다만, 기체흐름조정부재(80)는, 둘레방향으로 보다 길고, 예를 들면 전체둘레에 걸쳐, 실드측부(40)를 따라 마련되어 있어도 된다.
도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이, 기체흐름조정부재(80)는, 제2 실린더(25)의 기부(基部)(즉 고온단)의 바로 상방으로부터 제2 실린더(25)의 선단부(즉 저온단)를 향하여 직경방향 내향으로 뻗어 있다. 기체흐름조정부재(80)는, 제2 실린더(25)의 적어도 기부를 덮고 있다.
상기의 구성의 크라이오펌프(10)의 작동을 이하에 설명한다. 크라이오펌프(10)의 작동 시에는, 먼저 그 작동 전에 다른 적당한 러핑펌프로 진공챔버 내부를 1Pa 정도로까지 러프펌핑한다. 그 후, 크라이오펌프(10)를 작동시킨다. 냉동기(16)의 구동에 의하여 제1 냉각스테이지(22) 및 제2 냉각스테이지(24)가 각각 제1 냉각온도 및 제2 냉각온도로 냉각된다. 따라서, 이들에 열적으로 결합되어 있는 제1 크라이오패널유닛(18), 제2 크라이오패널유닛(20)도 각각 제1 냉각온도 및 제2 냉각온도로 냉각된다. 기체흐름조정부재(80)는, 제1 냉각스테이지(22)에 열적으로 결합되어 있으므로, 제1 냉각온도로 냉각된다.
입구크라이오패널(32)은, 진공챔버로부터 크라이오펌프(10)를 향하여 비래(飛來)하는 기체를 냉각시킨다. 입구크라이오패널(32)의 표면에는, 제1 냉각온도에서 증기압이 충분히 낮은(예를 들면 10-8Pa 이하의) 기체가 응축된다. 이 기체는, 제1종 기체라고 칭해져도 된다. 제1종 기체는 예를 들면 수증기이다. 이렇게 하여, 입구크라이오패널(32)은, 제1종 기체를 배기할 수 있다. 제1 냉각온도에서 증기압이 충분히 낮지 않은 기체의 일부는, 루버부(50) 또는 개방영역(48)을 통과하여, 주수용공간(65)으로 진입한다. 혹은, 기체의 다른 일부는, 입구크라이오패널(32)에서 반사되어, 주수용공간(65)으로 진입하지 않는다.
주수용공간(65)으로 진입한 기체는, 제2 크라이오패널유닛(20)에 의하여 냉각된다. 제2 크라이오패널유닛(20)의 표면에는, 제2 냉각온도에서 증기압이 충분히 낮은(예를 들면 10-8Pa 이하의) 기체가 응축된다. 이 기체는, 제2종 기체라고 칭해져도 된다. 제2종 기체는 예를 들면 아르곤이다. 이렇게 하여, 제2 크라이오패널유닛(20)은, 제2종 기체를 배기할 수 있다. 주수용공간(65)에 직접 면하고 있으므로, 톱크라이오패널(60)의 전면에는, 도 4에 나타나는 바와 같이, 제2종 기체의 응축층(88)이 크게 성장한다. 다만 제2종 기체는, 제1 냉각온도에서는 응축되지 않고 기체이다.
제2 냉각온도에서 증기압이 충분히 낮지 않은 기체는, 제2 크라이오패널유닛(20)의 흡착재에 흡착된다. 이 기체는, 제3종 기체라고 칭해져도 된다. 제3종 기체는 예를 들면 수소이다. 이렇게 하여, 제2 크라이오패널유닛(20)은, 제3종 기체를 배기할 수 있다. 따라서, 크라이오펌프(10)는, 다양한 기체를 응축 또는 흡착에 의하여 배기하여, 진공챔버의 진공도를 원하는 레벨에 도달시킬 수 있다.
기체흐름조정부재(80)가 제2 실린더(25)를 덮기 때문에, 제2 실린더(25)가 실드 주개구(34)에 노출되지 않는다. 기체흐름조정부재(80)는, 주수용공간(65)으로부터 제2 실린더(25)를 향하는 제2종 기체의 흐름을 다른 방향으로 편향시킬 수 있다. 이로 인하여, 제2 실린더(25)는 그 표면에 제1 냉각온도로부터 제2 냉각온도로의 온도 분포를 갖지만, 제2 냉각온도 또는 그에 가까운 온도의 표면 부분에 응축되는 제2종 기체는, 거의 없거나, 전혀 없다. 또, 기체흐름조정부재(80)는 제1 냉각온도를 가지므로, 기체흐름조정부재(80)의 표면에 제2종 기체는 응축되지 않는다.
주수용공간(65)으로 진입한 기체의 일부는, 기체흐름조정부재(80)에서 반사될 수 있다. 반사된 기체의 적어도 일부는, 제2 크라이오패널유닛(20)으로 향해진다. 혹은, 반사된 기체의 일부는, 방사실드(30) 또는 입구크라이오패널(32)로 향해지고, 여기에서 다시 반사되어, 제2 크라이오패널유닛(20)으로 향해질 수 있다. 이렇게 하여, 제2 크라이오패널유닛(20)은, 제2종 기체를 응축에 의하여 배기하고, 제3종 기체를 흡착에 의하여 배기할 수 있다.
일 예시적인 크라이오펌프는, 기체흐름조정부재(80)를 갖는 것이 아니라, 제2 냉각온도로 냉각되는 냉동기커버를 갖는다. 이러한 크라이오펌프는, 예를 들면 일본 공개특허공보 2009-275672호 및 일본 공개특허공보 2015-1186호에 개시되어 있으며, 이들은 본서에 참고로 원용된다. 냉동기커버는 냉동기의 제2 냉각스테이지로부터 방사실드를 향하여 뻗어 있다. 따라서, 냉동기커버의 말단은 방사실드에 상당히 가깝다. 냉동기커버에는 제2종 기체가 응축된다. 이로 인하여, 톱크라이오패널에 설계상의 최대량의 제2종 기체 응축층이 성장하기 전에, 냉동기커버 상의 응축물이 방사실드에 접촉할 수 있다. 냉동기커버 상의 응축물이 재기화함으로써, 크라이오펌프는 설계상의 최대흡장량을 제공할 수 없을 지도 모르다.
본 실시형태에 관한 크라이오펌프(10)에 의하면, 기체흐름조정부재(80)가, 제1 냉각온도의 부위와 제2 냉각온도의 부위가 접근하는 장소에서의 응축층의 성장을 완화 또는 방지할 수 있다. 이로써, 크라이오펌프(10)는, 응축층과 제1 냉각온도의 부위의 접촉, 나아가서는 응축층의 재기화를 완화 또는 방지할 수 있다. 그 결과, 주수용공간(65)에 있어서 톱크라이오패널(60)의 전면에 대량의 제2종 기체를 응축할 수 있다. 따라서, 크라이오펌프(10)의 기체흡장량을 향상시킬 수 있다.
도 5에 나타나는 바와 같이, 일 실시형태에 관한 크라이오펌프(10)는, 기체흐름조정부재(80)와 냉동기커버(90)의 양방을 구비하여도 된다. 냉동기커버(90)는, 냉동기구조부(21)의 일부를 형성한다. 냉동기커버(90)는, 제2 실린더(25)를 둘러싸는 원통 형상의 부재이며, 냉동기(16)의 제2 냉각스테이지(24)로부터 방사실드(30)를 향하여 뻗어 있다. 냉동기커버(90)의 일단은 제2 냉각스테이지(24)에 고정되고, 따라서 냉동기커버(90)는 제2 냉각온도로 냉각된다. 냉동기커버(90)의 말단은 기체흐름조정부재(80)의 외연부(82) 및 방사실드(30)의 근방에 위치하는데, 이들에 냉동기커버(90)는 접촉하지 않는다.
제2 크라이오패널유닛(20)은, 실드 주개구(34)에 대면하는 톱크라이오패널(60)을 포함하고, 톱크라이오패널(60)은 냉동기커버(90)와의 사이에 간극영역(66)을 형성하도록 배치되어 있다. 기체흐름조정부재(80)는, 간극영역(60)을 향하여 실드측부(40)로부터 연장된다. 기체흐름조정부재(80)는, 제1 냉각스테이지(22)로부터 연장되어도 된다. 기체흐름조정부재(80)는, 클리어런스(86)에 의하여 크라이오펌프(10)의 축방향으로 냉동기커버(90)로부터 떨어져 있다. 기체흐름조정부재(80)는, 간극영역(66)으로 진입하는 내연부(84)를 구비하고, 내연부(84)는, 톱크라이오패널(60)에 덮인다. 바꿔 말하면, 냉동기커버(90)는, 톱크라이오패널(60)과 기체흐름조정부재(80)에 의하여 덮여 있어, 실드 주개구(34)에 대하여 노출되지 않는다.
이 경우, 기체흐름조정부재(80)는, 냉동기커버(90) 상의 응축층의 성장을 완화 또는 방지할 수 있다. 그에 따라, 크라이오펌프(10)는, 응축층과 제1 냉각온도의 부위와의 접촉, 나아가서는 응축층의 재기화를 완화 또는 방지할 수 있다. 그 결과, 주수용공간(65)에 있어서 톱크라이오패널(60)의 전면에 대량의 제2종 기체를 응축할 수 있다. 따라서, 크라이오펌프(10)의 기체흡장량을 향상시킬 수 있다.
특히, 톱크라이오패널(60)과 냉동기커버(90)와의 간극영역(66)에 기체흐름조정부재(80)의 내연부(84)가 진입하고 있으므로, 간극영역(66)의 입구가 좁아진다. 따라서, 주수용공간(65)으로부터 간극영역(66)으로의 기체유입을 저감할 수 있다.
이상, 본 발명을 실시형태에 근거하여 설명했다. 본 발명은 상기 실시형태에 한정되지 않고, 다양한 설계 변경이 가능하며, 다양한 변형예가 가능한 것, 또 그러한 변형예도 본 발명의 범위에 있는 것은, 당업자에게 이해되는 바이다.
일 실시형태에 있어서는, 기체흐름조정부재(80)는, 냉동기구조부(21)에 있어서 제1 냉각온도 또는 그에 가까운 온도의 부분에 열적으로 결합되어 있어도 된다. 이 의미에서, 기체흐름조정부재(80)는, 냉동기구조부(21)와 접촉하고 있어도 된다. 이와 같이 해도, 기체흐름조정부재(80)를 제2 냉각온도보다 충분히 높은 온도로 유지할 수 있으므로, 기체흐름조정부재(80)의 표면에 응축되는 제2종 기체는, 거의 없거나, 전혀 없다.
일 실시형태에 있어서는, 기체흐름조정부재(80)는, 간극영역(66)으로 진입하지 않아도 된다. 기체흐름조정부재(80)는, 직경방향에 있어서, 톱크라이오패널(60)의 외주단과 실드측부(40)의 사이에 배치되어 있어도 된다. 기체흐름조정부재(80)는, 축방향으로 보아 톱크라이오패널(60)과 중첩되지 않고, 그 전체가 개방영역(48) 및 환형상 간극(42)을 통하여 크라이오펌프(10)의 외부로부터 시인 가능해도 된다. 이와 같이 해도, 제1 냉각온도의 부위와 제2 냉각온도의 부위가 접근하는 장소에서의 응축층의 성장을 어느 정도 완화 또는 방지할 수 있다.
10 크라이오펌프
16 냉동기
18 제1 크라이오패널유닛
20 제2 크라이오패널유닛
21 냉동기구조부
22 제1 냉각스테이지
23 제1 실린더
24 제2 냉각스테이지
25 제2 실린더
30 방사실드
32 입구크라이오패널
34 실드 주개구
36 실드전단
40 실드측부
44 실드측부 개구
60 톱크라이오패널
66 간극영역
80 기체흐름조정부재
82 외연부
84 내연부
86 클리어런스

Claims (7)

  1. 제1 냉각온도로 냉각되는 제1 냉각스테이지와, 상기 제1 냉각온도보다 낮은 제2 냉각온도로 냉각되는 제2 냉각스테이지와, 상기 제2 냉각스테이지를 상기 제1 냉각스테이지에 구조적으로 지지하는 냉동기구조부를 구비하는 냉동기와,
    기체를 수용하기 위한 실드 주개구를 갖고, 상기 제1 냉각스테이지에 열적으로 결합되어 있는 방사실드로서, 상기 제2 냉각스테이지를 포위하는 실드측부를 구비하며, 상기 냉동기구조부가 삽입되는 실드측부 개구를 상기 실드측부에 갖는 방사실드와,
    상기 제2 냉각스테이지에 열적으로 결합되고, 상기 제2 냉각스테이지와 함께 상기 실드측부에 포위되어 있는 크라이오패널유닛과,
    상기 제2 냉각스테이지 및 상기 크라이오패널유닛의 양방과 비접촉하도록 상기 냉동기구조부에 인접하여 배치되고, 상기 실드 주개구로부터 유입되는 상기 기체의 흐름을 상기 냉동기구조부로부터 편향시키는 기체흐름조정부재와,
    상기 제2 냉각스테이지에 열적으로 결합되며, 상기 냉동기구조부를 따라 뻗고, 상기 방사실드와 상기 기체흐름조정부재의 모두에 비접촉인 냉동기커버를 구비하며,
    상기 크라이오패널유닛은, 상기 실드 주개구에 대면하는 톱크라이오패널을 포함하고, 상기 톱크라이오패널은 상기 냉동기커버와의 사이에 간극영역을 형성하도록 배치되어 있으며,
    상기 기체흐름조정부재는, 상기 간극영역으로 진입하는 내연부를 구비하고, 상기 내연부는, 상기 톱크라이오패널에 덮이는 것을 특징으로 하는 크라이오펌프.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 기체흐름조정부재는, 상기 제1 냉각스테이지에 열적으로 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 크라이오펌프.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 기체는, 상기 제1 냉각온도에서 응축되지 않고 상기 제2 냉각온도에서 응축되는 제2종 기체를 포함하고,
    상기 기체흐름조정부재는, 상기 제2종 기체를 반사하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 크라이오펌프.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 기체흐름조정부재는, 상기 간극영역을 향하여 상기 실드측부 또는 상기 제1 냉각스테이지로부터 연장되는 것을 특징으로 하는 크라이오펌프.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 방사실드는, 상기 실드 주개구를 정하는 실드전단을 구비하고, 상기 실드측부는, 상기 실드전단으로부터 상기 실드 주개구와 반대측으로 뻗어 있으며,
    상기 기체흐름조정부재는, 상기 실드 주개구에 대면하는 외연부를 구비하고, 상기 외연부는, 상기 실드전단과 상기 실드측부 개구의 사이에서 상기 실드측부에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 크라이오펌프.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 냉동기구조부는, 상기 제2 냉각스테이지를 상기 제1 냉각스테이지에 접속하는 냉동기실린더를 구비하고,
    상기 기체흐름조정부재는, 상기 냉동기실린더를 따라 배치되어 있는 평탄플레이트, 만곡플레이트, 굴곡플레이트, 또는 통형상플레이트를 구비하며, 당해 플레이트와 상기 냉동기커버의 사이에 크라이오펌프의 중심축을 따르는 방향인 축방향으로 클리어런스를 가지는 것을 특징으로 하는 크라이오펌프.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 냉동기커버는, 상기 실드 주개구에 대해서 노출되지 않도록 상기 톱크라이오패널과 상기 기체흐름조정부재에 의해 덮여있는 것을 특징으로 하는 크라이오펌프.
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