WO2020049915A1 - クライオポンプおよびクライオポンプの監視方法 - Google Patents

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    • F05B2210/00—Working fluid
    • F05B2210/10—Kind or type
    • F05B2210/12—Kind or type gaseous, i.e. compressible

Definitions

  • the present invention relates to a cryopump and a method for monitoring the cryopump.
  • a cryopump is a vacuum pump that captures and exhausts gas molecules by condensing or adsorbing on a cryopanel cooled to an extremely low temperature.
  • a cryopump is generally used to realize a clean vacuum environment required for a semiconductor circuit manufacturing process or the like. Since the cryopump is a so-called gas accumulation type vacuum pump, it needs to be regenerated by periodically discharging trapped gas to the outside.
  • Cryopumps are usually provided with two types of cryopanel with different temperatures.
  • the low-temperature cryopanel is cooled to a cooling temperature of, for example, about 20 K or less so that a gas having a relatively high vapor pressure such as argon or nitrogen is condensed on the surface thereof. It is cooled to a cooling temperature of about 80K or more.
  • a condensed layer of gas grows on the cold cryopanel, which may eventually contact the hot cryopanel. Then, the gas is vaporized again at the contact portion between the high-temperature cryopanel and the condensed layer and released to the surroundings. After that, the cryopump cannot fulfill its original role sufficiently.
  • the condensed layer present on the cold cryopanel at the point of contact will provide the maximum amount of gas that can be stored in the cryopump (also called the storage limit or maximum storage).
  • One of the exemplary purposes of one embodiment of the present invention is to provide a technique for predicting, during use of the cryopump, that the amount of gas stored in the cryopump is approaching the storage limit.
  • a cryopump having a space for accommodating a gas condensed layer.
  • a cryopump a first-stage cryopanel cooled to a temperature higher than a condensation temperature of the gas, the first cryopanel having a first-stage cryopanel inner surface arranged so as to surround the accommodation space;
  • a second-stage cryopanel cooled to a temperature equal to or lower than a condensation temperature of the gas and on which a condensed layer of the gas is deposited, wherein the second stage is disposed together with the accommodation space and surrounded by an inner surface of the first-stage cryopanel.
  • a second-stage cryopanel monitoring unit that monitors an amount of condensed gas in the storage space based on a change in the first-stage heat load.
  • a method for monitoring a cryopump comprising: cooling the first-stage cryopanel to a temperature higher than the condensation temperature of the gas; and cooling the second-stage cryopanel to a temperature equal to or lower than the condensation temperature of the gas.
  • the present invention it is possible to predict during use of the cryopump that the amount of gas stored in the cryopump is approaching the storage limit.
  • FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a cryopump according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a control block diagram relating to the cryopump shown in FIG. 1.
  • FIGS. 3A and 3B are diagrams for explaining in principle a cryopump monitoring method according to an embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a change in the operating frequency of the refrigerator during the evacuation operation of the cryopump.
  • 5 is a flowchart illustrating a cryopump monitoring method according to an embodiment. 6 is a flowchart showing the monitoring step shown in FIG. 5 in more detail.
  • FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a cryopump according to an embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram schematically illustrating an example of a condensed gas amount table according to an embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a cryopump 10 according to an embodiment.
  • the cryopump 10 is attached to, for example, a vacuum chamber 90 of a sputtering apparatus, a vapor deposition apparatus, or another vacuum processing apparatus, and is used to increase the degree of vacuum inside the vacuum chamber 90 to a level required for a desired vacuum process. You.
  • the cryopump 10 has a cryopump suction port (hereinafter, also referred to as a suction port) 12 for receiving a gas to be evacuated from the vacuum chamber. Gas enters the internal space 14 of the cryopump 10 through the intake port 12.
  • the cryopump 10 may be intended to be installed and used in a vacuum chamber in the illustrated direction, that is, with the intake port 12 facing upward.
  • the posture of the cryopump 10 is not limited thereto, and the cryopump 10 may be installed in the vacuum chamber in another direction.
  • axial direction and “radial direction” may be used to clearly show the positional relationship of the components of the cryopump 10.
  • the axial direction represents the direction passing through the intake port 12 (in FIG. 1, the direction along the cryopump central axis C passing through the center of the intake port 12), and the radial direction represents the direction along the intake port 12 (the direction perpendicular to the central axis C). ).
  • a position relatively close to the intake port 12 in the axial direction may be referred to as “up” and a position relatively far from the intake port 12 may be referred to as “down”.
  • a position relatively far from the bottom of the cryopump 10 may be referred to as “up”, and a position relatively close to the bottom may be referred to as “down”.
  • a position close to the center of the intake port 12 (center axis C in FIG. 1) may be referred to as “inside”, and a position near the periphery of the intake port 12 may be referred to as “outside”.
  • these expressions have nothing to do with the arrangement when the cryopump 10 is attached to the vacuum chamber.
  • the cryopump 10 may be attached to the vacuum chamber with the intake port 12 facing downward in the vertical direction.
  • a direction surrounding the axial direction may be referred to as a “circumferential direction”.
  • the circumferential direction is a second direction along the intake port 12, and is a tangential direction orthogonal to the radial direction.
  • the cryopump 10 includes a refrigerator 16, a first-stage cryopanel 18, a second-stage cryopanel 20, and a cryopump housing 70.
  • the first-stage cryopanel 18 may be referred to as a high-temperature cryopanel portion or a 100K portion.
  • the second-stage cryopanel 20 may be referred to as a low-temperature cryopanel portion or a 10K portion.
  • the refrigerator 16 is a cryogenic refrigerator such as a Gifford McMahon refrigerator (so-called GM refrigerator).
  • the refrigerator 16 is a two-stage refrigerator. Therefore, the refrigerator 16 includes a first cooling stage 22 and a second cooling stage 24.
  • the refrigerator 16 is configured to cool the first cooling stage 22 to a first cooling temperature and cool the second cooling stage 24 to a second cooling temperature.
  • the second cooling temperature is lower than the first cooling temperature.
  • the first cooling stage 22 is cooled to about 65K to 120K, preferably 80K to 100K
  • the second cooling stage 24 is cooled to about 10K to 20K.
  • the refrigerator 16 further includes a refrigerator structure 21 that structurally supports the second cooling stage 24 on the first cooling stage 22 and structurally supports the first cooling stage 22 on the room temperature portion 26 of the refrigerator 16.
  • the refrigerator structure 21 includes a first cylinder 23 and a second cylinder 25 that extend coaxially in the radial direction.
  • the first cylinder 23 connects the room temperature part 26 of the refrigerator 16 to the first cooling stage 22.
  • the second cylinder 25 connects the first cooling stage 22 to the second cooling stage 24.
  • the room temperature section 26, the first cylinder 23, the first cooling stage 22, the second cylinder 25, and the second cooling stage 24 are linearly arranged in this order.
  • a first displacer and a second displacer are reciprocally disposed inside the first cylinder 23 and the second cylinder 25, respectively.
  • a first regenerator and a second regenerator are incorporated in the first displacer and the second displacer, respectively.
  • the room temperature section 26 has a drive mechanism (not shown in FIG. 1, for example, a refrigerator motor 80) for reciprocating the first displacer and the second displacer.
  • the drive mechanism includes a flow path switching mechanism that switches the flow path of the working gas so as to periodically supply and discharge the working gas (for example, helium) to the inside of the refrigerator 16.
  • the first cooling stage 22 is installed at the first stage low temperature end of the refrigerator 16.
  • the first cooling stage 22 is a member that encloses the end of the first cylinder 23 on the side opposite to the room temperature section 26 and surrounds the first expansion space of the working gas.
  • the first expansion space is formed between the first cylinder 23 and the first displacer inside the first cylinder 23, and is a variable volume whose volume changes as the first displacer reciprocates.
  • the first cooling stage 22 is formed of a metal material having a higher thermal conductivity than the first cylinder 23.
  • the first cooling stage 22 is formed of copper
  • the first cylinder 23 is formed of stainless steel.
  • the second cooling stage 24 is installed at the low temperature end of the second stage of the refrigerator 16.
  • the second cooling stage 24 is a member that encloses the end of the second cylinder 25 on the side opposite to the room temperature part 26 and surrounds the second expansion space of the working gas.
  • the second expansion space is formed between the second cylinder 25 and the second displacer inside the second cylinder 25, and is a variable volume whose volume changes with reciprocation of the second displacer.
  • the second cooling stage 24 is formed of a metal material having a higher thermal conductivity than the second cylinder 25.
  • the second cooling stage 24 is formed of copper, and the second cylinder 25 is formed of stainless steel.
  • the refrigerator 16 is connected to a compressor (not shown) for working gas.
  • the refrigerator 16 cools the first cooling stage 22 and the second cooling stage 24 by expanding the working gas pressurized by the compressor therein.
  • the expanded working gas is recovered by the compressor and pressurized again.
  • the refrigerator 16 generates cold by repeating a thermodynamic cycle including supply and discharge of the working gas and reciprocation of the first displacer and the second displacer in synchronization with the supply and discharge of the working gas.
  • the illustrated cryopump 10 is a so-called horizontal cryopump.
  • the horizontal cryopump is generally a cryopump in which the refrigerator 16 is disposed so as to intersect (usually perpendicular to) the central axis C of the cryopump 10.
  • the first cooling stage 22 and the second cooling stage 24 of the refrigerator 16 are arranged in a direction perpendicular to the central axis C of the cryopump (the horizontal direction in FIG. 1 and the direction of the central axis D of the refrigerator 16). .
  • the first-stage cryopanel 18 includes a radiation shield 30 and an entrance cryopanel 32, and surrounds the second-stage cryopanel 20.
  • the first-stage cryopanel 18 is a cryopanel provided to protect the second-stage cryopanel 20 from radiation heat from outside the cryopump 10 or from the cryopump housing 70.
  • the first cryopanel 18 is thermally coupled to the first cooling stage 22. Therefore, the first stage cryopanel 18 is cooled to the first cooling temperature.
  • the first cryopanel 18 has a gap between itself and the second cryopanel 20, and the first cryopanel 18 is not in contact with the second cryopanel 20.
  • the radiation shield 30 and the entrance cryopanel 32 are formed of a metal material having a high thermal conductivity such as copper, for example, and may be covered with a plating layer such as nickel or another coating layer.
  • the radiation shield 30 is provided to protect the second-stage cryopanel 20 from radiation heat of the cryopump housing 70.
  • the radiation shield 30 is located between the cryopump housing 70 and the second cryopanel 20 and surrounds the second cryopanel 20.
  • the radiation shield 30 has a shield main opening 34 for receiving gas from outside the cryopump 10 into the internal space 14.
  • the shield main opening 34 is located at the intake port 12.
  • the radiation shield 30 includes a shield front end 36 that defines the shield main opening 34, a shield bottom 38 located on the opposite side of the shield main opening 34, and a shield side 40 that connects the shield front end 36 to the shield bottom 38.
  • the shield front end 36 forms a part of the shield side part 40.
  • the shield side portion 40 extends in the axial direction from the shield front end 36 to the side opposite to the shield main opening 34, and extends in the circumferential direction so as to surround the second cooling stage 24.
  • the radiation shield 30 has a cylindrical shape (for example, a cylindrical shape) in which the shield bottom 38 is closed, and is formed in a cup shape.
  • An annular gap 42 is formed between the shield side portion 40 and the second cryopanel 20.
  • the shield bottom 38 may be a separate member from the shield side 40.
  • the shield bottom portion 38 may be a flat disk having substantially the same diameter as the shield side portion 40, and may be attached to the shield side portion 40 on the side opposite to the shield main opening 34. Further, at least a part of the shield bottom 38 may be open. For example, the radiation shield 30 may not be blocked by the shield bottom 38. That is, both ends of the shield side portion 40 may be open.
  • the shield side portion 40 has a shield side opening 44 into which the refrigerator structure 21 is inserted.
  • the second cooling stage 24 and the second cylinder 25 are inserted into the radiation shield 30 from outside the radiation shield 30 through the shield side opening 44.
  • the shield side opening 44 is a mounting hole formed in the shield side portion 40 and is, for example, circular.
  • the first cooling stage 22 is disposed outside the radiation shield 30.
  • the shield side portion 40 includes a mounting seat 46 for the refrigerator 16.
  • the mounting seat 46 is a flat portion for mounting the first cooling stage 22 to the radiation shield 30, and is slightly depressed when viewed from outside the radiation shield 30.
  • the mounting seat 46 forms the outer periphery of the shield side opening 44.
  • the mounting seat 46 is closer to the shield bottom 38 than the shield front end 36 in the axial direction.
  • the radiation shield 30 is thermally coupled to the first cooling stage 22 by attaching the first cooling stage 22 to the mounting seat 46.
  • the inlet cryopanel 32 is provided in the shield main opening 34 to protect the second cryopanel 20 from radiant heat from a heat source outside the cryopump 10.
  • the heat source outside the cryopump 10 is, for example, a heat source inside the vacuum chamber 90 to which the cryopump 10 is attached.
  • the entrance cryopanel 32 can restrict not only the radiant heat but also the entry of gas molecules.
  • the inlet cryopanel 32 occupies a part of the opening area of the shield main opening 34 so as to limit the gas flow through the shield main opening 34 to a desired amount.
  • An annular open area 48 is formed between the entrance cryopanel 32 and the shield front end 36.
  • the entrance cryopanel 32 is attached to the shield front end 36 by an appropriate attachment member, and is thermally coupled to the radiation shield 30.
  • the inlet cryopanel 32 is thermally coupled to the first cooling stage 22 via the radiation shield 30.
  • the entrance cryopanel 32 has, for example, a plurality of annular or linear blades. Alternatively, the entrance cryopanel 32 may be a single plate-like member.
  • the second cryopanel 20 is attached to the second cooling stage 24 so as to surround the second cooling stage 24. Therefore, the second cryopanel 20 is thermally coupled to the second cooling stage 24, and the second cryopanel 20 is cooled to the second cooling temperature.
  • the second-stage cryopanel 20 is surrounded by the shield side portion 40 together with the second cooling stage 24.
  • the second-stage cryopanel 20 includes a top cryopanel 60 facing the shield main opening 34, a cryopanel member 62 disposed between the top cryopanel 60 and the shield bottom 38, and a cryopanel mounting member 64.
  • the cryopanel members 62 are arranged on both sides of the second cooling stage 24 with the cryopump center axis C interposed therebetween.
  • the cryopanel member 62 is disposed along a plane perpendicular to the cryopump central axis C.
  • the top cryopanel 60 and the cryopanel member 62 are mounted on the second cooling stage 24 via a cryopanel mounting member 64.
  • the top cryopanel 60 is a part of the second cryopanel 20 that is closest to the entrance cryopanel 32.
  • the top cryopanel 60 is disposed between the shield main opening 34 or the inlet cryopanel 32 and the refrigerator 16 in the axial direction.
  • the top cryopanel 60 is located at the center of the internal space 14 of the cryopump 10 in the axial direction. Therefore, the space 65 for storing the condensed layer is formed widely between the front surface of the top cryopanel 60 and the entrance cryopanel 32.
  • the condensed layer storage space 65 occupies the upper half of the internal space 14.
  • the axial height of the housing space 65 may be in the range of 1/3 to 2/3 of the axial length of the radiation shield 30.
  • the top cryopanel 60 is a generally flat cryopanel arranged perpendicular to the axial direction. That is, the top cryopanel 60 extends in the radial direction and the circumferential direction.
  • the top cryopanel 60 is a disk-shaped panel having a size (for example, a projected area) larger than the entrance cryopanel 32.
  • the relationship between the dimensions of the top cryopanel 60 and the entrance cryopanel 32 is not limited to this, and the top cryopanel 60 may be smaller or both may have substantially the same dimensions.
  • the top cryopanel 60 is disposed so as to form a gap region 66 between the top cryopanel 60 and the refrigerator structure 21.
  • the gap region 66 is a space formed in the axial direction between the back surface of the top cryopanel 60 and the second cylinder 25.
  • the top cryopanel 60 and the cryopanel member 62 are formed of a metal material having a high thermal conductivity such as copper, for example, and may be covered with a plating layer such as nickel.
  • the cryopanel member 62 is provided with an adsorbent 74 such as activated carbon.
  • the adsorbent 74 is adhered to the back surface of the cryopanel member 62, for example.
  • the front surface of the cryopanel member 62 is intended to function as a condensation surface, and the rear surface is intended to function as an adsorption surface.
  • An adsorbent 74 may be provided on the front surface of the cryopanel member 62.
  • the top cryopanel 60 may have the adsorbent 74 on the front and / or back. Alternatively, the top cryopanel 60 may not include the adsorbent 74.
  • the cryopump 10 includes a gas flow adjusting member 50 configured to deflect the flow of gas flowing from the shield main opening 34 from the refrigerator structure 21.
  • the gas flow adjusting member 50 is configured to deflect the gas flow flowing into the storage space 65 through the entrance cryopanel 32 or the open area 48 from the second cylinder 25.
  • the gas flow adjusting member 50 may be a gas flow deflecting member or a gas flow reflecting member disposed above and adjacent to the refrigerator structure 21 or the second cylinder 25.
  • the gas flow adjusting member 50 is locally provided at the same position as the shield side opening 44 in the circumferential direction.
  • the gas flow adjusting member 50 has a rectangular shape when viewed from above.
  • the gas flow adjusting member 50 is, for example, a single flat plate, but may be curved.
  • the gas flow adjusting member 50 extends from the shield side portion 40 and is inserted into the gap region 66. However, the gas flow adjusting member 50 is not in contact with the top cryopanel 60, the second cylinder 25, and other portions of the second cooling temperature surrounding the gap region 66.
  • the gas flow adjustment member 50 is thermally coupled to the first cooling stage 22 via the radiation shield 30. Therefore, the gas flow adjusting member 50 is cooled to the first cooling temperature.
  • the cryopump housing 70 is a housing of the cryopump 10 that houses the first-stage cryopanel 18, the second-stage cryopanel 20, and the refrigerator 16, and is configured to maintain the vacuum tightness of the internal space 14. It is a vacuum container.
  • the cryopump housing 70 includes the first-stage cryopanel 18 and the refrigerator structure 21 in a non-contact manner.
  • the cryopump housing 70 is attached to the room temperature section 26 of the refrigerator 16.
  • the inlet 12 is defined by the front end of the cryopump housing 70.
  • the cryopump housing 70 has an inlet flange 72 extending radially outward from a front end thereof.
  • the intake port flange 72 is provided over the entire circumference of the cryopump housing 70.
  • the cryopump 10 is attached to the vacuum chamber 90 using the inlet flange 72.
  • the cryopump housing 70 includes a cryopanel housing 76 surrounding the radiation shield 30 without contact with the radiation shield 30, and a refrigerator housing 77 surrounding the first cylinder 23 of the refrigerator 16.
  • the cryopanel housing section 76 and the refrigerator housing section 77 are formed integrally.
  • the cryopanel housing portion 76 has a cylindrical or dome shape in which an inlet flange 72 is formed at one end and the other end is closed as a housing bottom surface 70a.
  • An opening through which the refrigerator 16 is inserted is formed separately from the intake port 12 on the side wall of the cryopanel housing portion 76 that connects the intake port flange 72 to the housing bottom surface 70a.
  • the refrigerator housing portion 77 has a cylindrical shape extending from the opening to the room temperature portion 26 of the refrigerator 16. The refrigerator housing section 77 connects the cryopanel housing section 76 to the room temperature section 26 of the refrigerator 16.
  • the cryopump 10 When the cryopump 10 is operated, first, the inside of the vacuum chamber 90 is roughly evacuated to about 1 Pa by another appropriate roughing pump before the operation. Thereafter, the cryopump 10 is operated. By driving the refrigerator 16, the first cooling stage 22 and the second cooling stage 24 are cooled to the first cooling temperature and the second cooling temperature, respectively. Therefore, the first-stage cryopanel 18 and the second-stage cryopanel 20 that are thermally coupled thereto are also cooled to the first cooling temperature and the second cooling temperature, respectively.
  • the inlet cryopanel 32 cools gas flowing from the vacuum chamber 90 toward the cryopump 10.
  • a gas having a sufficiently low vapor pressure for example, 10 ⁇ 8 Pa or less
  • This gas may be referred to as a first type gas (also referred to as a type 1 gas).
  • the first type gas is, for example, water vapor.
  • the inlet cryopanel 32 can exhaust the first type gas. Part of the gas whose vapor pressure is not sufficiently low at the first cooling temperature passes through the inlet cryopanel 32 or the open area 48 and enters the accommodation space 65. Alternatively, another part of the gas is reflected by the entrance cryopanel 32 and does not enter the storage space 65.
  • the gas that has entered the storage space 65 is cooled by the second-stage cryopanel 20.
  • a gas having a sufficiently low vapor pressure for example, 10 ⁇ 8 Pa or less
  • This gas may be referred to as a second type gas (also referred to as a type 2 gas).
  • the second type gas is a gas that does not condense at the first cooling temperature.
  • the second type gas is, for example, argon, nitrogen, or oxygen.
  • the second stage cryopanel 20 can exhaust the second type gas. Since it directly faces the storage space 65, a condensed layer of the second type gas can grow largely on the front surface of the top cryopanel 60. Since the cryopump 10 has a large accommodation space 65, it can store a large amount of the second type gas.
  • the gas whose vapor pressure is not sufficiently low at the second cooling temperature is adsorbed by the adsorbent 74 of the second-stage cryopanel 20.
  • This gas may be referred to as a third type gas (also referred to as a type 3 gas).
  • the third type gas is, for example, hydrogen.
  • the second stage cryopanel 20 can exhaust the third type gas. Therefore, the cryopump 10 can exhaust various gases by condensing or adsorbing, and can reach a desired degree of vacuum in the vacuum chamber 90.
  • the cryopump 10 is configured to have the storage space 65 for the condensed layer of the gas (for example, the second type gas).
  • the first-stage cryopanel 18 is arranged so as to surround the storage space 65, and is cooled to a temperature higher than the condensation temperature of the second type gas.
  • the second-stage cryopanel 20 is arranged so as to be surrounded by the inner surface of the first-stage cryopanel (for example, the inner surface of the shield side portion 40) together with the accommodation space 65, and is cooled to a temperature equal to or lower than the condensation temperature of the second type gas.
  • On the second stage cryopanel 20 for example, the top cryopanel 60), a condensed layer of the second type gas is deposited.
  • the intake port 12 enters a first-stage heat load (for example, radiant heat) incident on the inner surface of the first-stage cryopanel from outside the cryopump 10 (that is, the vacuum chamber 90), and enters the accommodation space 65 from outside the cryopump 10. Allow the passage of gas.
  • a first-stage heat load for example, radiant heat
  • the gate valve 92 is provided between the cryopump 10 and the vacuum chamber 90.
  • the gate valve 92 is arranged adjacent to the intake port 12.
  • An inlet flange 72 is attached to one side of the gate valve 92, and an opening of the vacuum chamber 90 is attached to the opposite side of the gate valve 92.
  • the gate valve 92 When the gate valve 92 is open, the first-stage heat load and the second-class gas can enter the accommodation space 65 from the vacuum chamber 90 through the intake port 12.
  • the intake port 12 is closed. Therefore, the first-stage heat load and the second-class gas do not enter the storage space 65.
  • the gate valve 92 may be provided by a separate supplier from the cryopump 10 manufacturer, or may be provided with the cryopump 10 by the cryopump 10 manufacturer.
  • a gate valve controller 94 for controlling the gate valve 92 may be provided.
  • the gate valve controller 94 is configured to control opening and closing of the gate valve 92.
  • the gate valve controller 94 may constitute a part of a control device of a vacuum processing device having the vacuum chamber 90.
  • the gate valve controller 94 may be communicably connected to a cryopump controller (hereinafter, also referred to as a CP controller) 100 that controls the cryopump 10.
  • the gate valve controller 94 may be configured to output a signal indicating the open / closed state of the gate valve 92 (for example, a gate valve closing signal G indicating that the gate valve 92 is closed) to the CP controller 100.
  • the gate valve controller 94 may constitute a part of a cryopump controller (hereinafter, also referred to as a CP controller) 100 for controlling the cryopump 10 or may be provided alone.
  • FIG. 2 is a control block diagram relating to the cryopump 10 shown in FIG.
  • the control configuration of the cryopump 10 is realized by hardware and other elements and circuits including a CPU and a memory, and the software configuration is realized by a computer program and the like. It is depicted as a functional block realized by cooperation. It is understood by those skilled in the art that these functional blocks can be realized in various forms by a combination of hardware and software.
  • the cryopump 10 includes the CP controller 100.
  • the CP controller 100 includes a CPU that executes various arithmetic processes, a ROM that stores various control programs, a RAM that is used as a work area for storing data and executing programs, an input / output interface, and a memory. Further, the CP controller 100 is configured to be able to communicate with a higher-level controller (not shown) for controlling a vacuum process device to which the cryopump 10 is attached.
  • the refrigerator 16 controls the refrigerator motor 80 as a drive source for driving the thermodynamic cycle of the refrigerator 16 and a specified voltage and frequency power supplied from an external power supply, for example, a commercial power supply. And a refrigerator inverter 82 for supplying.
  • the refrigerator inverter 82 converts input power from an external power supply and outputs the converted power to the refrigerator motor 80 according to the operating frequency of the refrigerator 16 controlled by the CP controller 100.
  • the refrigerator motor 80 is driven at the operating frequency determined by the CP controller 100 and output from the refrigerator inverter 82.
  • the refrigerator motor 80 and the refrigerator inverter 82 may be mounted on the room temperature section 26 shown in FIG.
  • the operating frequency (also referred to as an operating speed) of the refrigerator 16 includes an operating frequency or a rotation speed of the refrigerator motor 80, an operating frequency of the refrigerator inverter 82, a thermodynamic cycle of the refrigerator 16 (for example, a refrigeration cycle such as a GM cycle). ) Or any of these.
  • the frequency of the thermodynamic cycle is the number of thermodynamic cycles performed in the refrigerator 16 per unit time.
  • the refrigerator 16 includes a cryopanel temperature sensor 84.
  • the cryopanel temperature sensor 84 is mounted on the first cooling stage 22 and measures the temperature of the first cryopanel 18.
  • the cryopanel temperature sensor 84 may be mounted on the first cryopanel 18.
  • the cryopanel temperature sensor 84 is communicably connected to the CP controller 100 so as to periodically measure the temperature of the first-stage cryopanel 18 and output a signal indicating the measured temperature value to the CP controller 100.
  • the CP controller 100 includes a first-stage temperature control unit 102 that controls the operating frequency of the refrigerator 16 to cool the first-stage cryopanel 18 to the first-stage target temperature.
  • the first-stage temperature control unit 102 is configured to determine the operating frequency of the refrigerator 16 as a function of the deviation between the first-stage target temperature and the measured temperature of the first-stage cryopanel 18 (for example, by PID control). .
  • the temperature of the first cryopanel 18 may increase.
  • the first-stage temperature controller 102 increases the operating frequency of the refrigerator 16.
  • the frequency of the thermodynamic cycle in the refrigerator 16 is also increased (that is, the refrigerating capacity of the refrigerator 16 is increased), and the first-stage cryopanel 18 is cooled toward the first-stage target temperature.
  • the temperature measured by the cryopanel temperature sensor 84 is lower than the target temperature, the operating frequency of the refrigerator 16 is reduced and the refrigerating capacity is reduced, and the first-stage cryopanel 18 reaches the first-stage target temperature. The temperature is raised toward.
  • the temperature of the first-stage cryopanel 18 can be kept in a temperature range near the first-stage target temperature. Since the operating frequency of the refrigerator 16 can be appropriately adjusted according to the first-stage heat load, such control helps reduce the power consumption of the cryopump 10.
  • the CP controller 100 also includes a second-stage cryopanel monitoring unit 104 that monitors the amount of condensed gas in the storage space 65 based on a change in the first-stage heat load.
  • the second-stage cryopanel monitoring unit 104 may be configured to receive a signal indicating the open / closed state of the gate valve 92 (for example, a gate valve closing signal G) from the gate valve controller 94. The details of the second-stage cryopanel monitoring unit 104 will be described later.
  • FIGS. 3A and 3B are diagrams for explaining in principle the method of monitoring the cryopump 10 according to an embodiment.
  • FIG. 3A shows an initial situation in which there is no second-class gas condensed layer
  • FIG. 3B shows that the second-class gas condensed layer 68 has a top cryopanel during the evacuation operation of the cryopump 10.
  • 60 shows the situation where it has grown.
  • the condensed layer 68 is a gas such as a second type gas such as ice or frost.
  • the radiant heat 86 a and 86 b and the gas molecules 88 of the second type gas enter the accommodation space 65 from outside the cryopump 10 through the open area 48 of the intake port 12.
  • the radiant heats 86 a and 86 b and the gas molecules 88 of the second type gas enter the cryopump 10 from the vacuum chamber 90 along a straight path.
  • the entry angle may depend on the design of the vacuum chamber 90, including the location of the heat source and gas inlet within the vacuum chamber 90.
  • an exemplary incident path of the radiant heat 86a, 86b is illustrated by a solid arrow
  • an exemplary incident path of the second type gas molecule 88 is illustrated by a broken arrow.
  • a part of the radiant heat 86a enters the inner surface of the first-stage cryopanel, for example, the inner surface of the radiation shield 30, and becomes the first-stage heat load.
  • the radiant heat 86a is incident on the inner peripheral surface of the shield side portion 40, but depending on the incident angle of the radiant heat 86a, the radiant heat 86a is also transmitted to the inner peripheral surface of the shield front end 36 or the upper surface of the shield bottom portion 38. Can be incident.
  • Another part of the radiant heat 86b is incident on the upper surface of the second cryopanel 20, for example, the top cryopanel 60, and becomes a second heat load.
  • the first stage heat load is removed by the first cooling stage 22 of the refrigerator 16 and the second stage heat load is removed by the second cooling stage 24 of the refrigerator 16.
  • the gas molecules 88 of the second-class gas are topped as a second-class gas condensed layer 68 as shown in FIG. It is deposited on the cryopanel 60.
  • the condensation layer 68 can also be deposited on the cryopanel member 62, but is not shown here.
  • An inlet cryopanel 32 is disposed at the center of the inlet 12 and an open area 48 is formed around the inlet cryopanel 32, so that the growth rate of the condensed layer 68 and the resulting thickness of the condensed layer 68 (axial height) ) Is larger at the outer edge and smaller at the center. Therefore, the condensed layer 68 swells below the open area 48 and has a shape having a recess below the entrance cryopanel 32, as shown in the figure.
  • condensed layer 68 eventually contacts any portion of first stage cryopanel 18 (eg, shield front end 36, shield side 40, and / or entrance cryopanel 32). .
  • the cooling temperature of the first-stage cryopanel 18 is higher than the condensation temperature of the second-class gas, and the first-stage cryopanel 18 cannot condense the second-class gas. Re-vaporized at the contact site.
  • the second type gas stored in the cryopump 10 as the condensed layer 68 is re-discharged, and thereafter, the cryopump 10 cannot provide an exhaust function of the second type gas. That is, the cryopump 10 reaches the storage limit at the time of contact between the first-stage cryopanel 18 and the condensing layer 68.
  • cryopump housing 70 is provided with a viewport or other viewing window, the operator can reach the storage limit soon by viewing the condensed layer 68 from the outside of the cryopump 10 through the viewing window. Or not.
  • existing cryopumps 10 do not have such viewing windows.
  • the condensed layer 68 cannot be visually observed.
  • the storage limit depends on the specific shape of the condensed layer 68 because of the physical contact between the first-stage cryopanel 18 and the condensed layer 68. Therefore, it is difficult to accurately predict the arrival time of the storage limit from only the cumulative amount of the second type gas introduced into the vacuum chamber 90.
  • this document proposes a new technique for predicting in real time that the amount of the second type gas stored in the cryopump 10 is approaching the storage limit during the evacuation operation of the cryopump 10.
  • the amount of condensed gas in the storage space 65 is monitored based on the change in the first-stage heat load.
  • This concept is based on the fact that the ratio of the first-stage heat load and the second-stage heat load incident on the cryopump 10 through the intake port 12 changes according to the volume and / or shape of the condensed layer 68.
  • the volume and / or shape of the condensed layer 68 changes, the first-stage heat load and the second-stage heat load respectively change, and the cooling balance of the first-stage cryopanel 18 and the second-stage cryopanel 20 by the refrigerator 16 is increased. change. Therefore, by detecting a change in the first-stage heat load, information indicating a change in the volume and / or shape of the condensation layer 68 can be obtained.
  • the first stage heat load tends to decrease and the second stage heat load tends to increase. It can be said that the amount of the second type gas stored in the condensing layer 68 is correlated with the first stage heat load (or the second stage heat load).
  • the first-stage heat load decreases, it can be determined that the amount of condensed gas in the storage space 65 has increased.
  • the first-stage heat load increases (in general, the amount of condensed gas gradually increases during the evacuation operation of the cryopump 10, such a situation hardly occurs), It can be determined that the gas amount has decreased. In this manner, the amount of condensed gas in the storage space 65 can be monitored based on the change in the first-stage heat load.
  • a change in the first-stage heat load can be detected as a change in at least one operating parameter of the refrigerator 16.
  • the change in the first-stage heat load is caused by the change in the operating frequency of the refrigerator 16. Can be detected.
  • FIG. 4 shows a change in the operating frequency of the refrigerator 16 during the evacuation operation of the cryopump 10.
  • the vertical axis represents the operating frequency [Hz] of the refrigerator 16 and the horizontal axis represents the amount [std @ L] of the second type gas (argon gas) supplied to the vacuum chamber 90, which is shown in FIG. This corresponds to the amount (also referred to as occlusion amount) of the second type gas condensed in the condensing layer 68 shown in b).
  • the operating frequency of the refrigerator 16 tends to decrease as the storage amount increases. As the amount of occlusion increases and the condensed layer 68 grows, the first-stage heat load decreases as described above. If the first-stage heat load decreases, the temperature of the first-stage cryopanel 18 measured by the cryopanel temperature sensor 84 may decrease. However, since the temperature of the first-stage cryopanel 18 is controlled to the first-stage target temperature, the operating frequency of the refrigerator 16 is actually reduced, the refrigeration capacity of the refrigerator 16 is reduced, and the first-stage cryopanel is reduced. The panel 18 is maintained at the first-stage target temperature. It is to be noted that although shown is a test result by the present inventor of the cryopump 10 having a certain specific design, it has been confirmed that the same tendency is applied to various cryopumps 10.
  • the vertical axis of FIG. 4 shows the first threshold value S1 and the second threshold value S2, and the horizontal axis shows the designed storage limit value VL.
  • the first threshold value S1 corresponds to an operation frequency of the refrigerator 16 that can be obtained when the amount of second gas stored by the cryopump 10 reaches a designed storage limit value VL.
  • the second threshold value S2 corresponds to an operating frequency of the refrigerator 16 that can be obtained when the storage amount of the second type gas by the cryopump 10 reaches the allowable storage amount VA.
  • the allowable storage amount VA is a value obtained by subtracting a predetermined margin from a design storage limit value VL.
  • the margin may be as large as, for example, within 20%, or within 10%, or within 5% of the designed storage limit value VL, and may be larger than, for example, 1% of the designed storage limit value VL. Is also good.
  • the first threshold value S1 and the second threshold value S2 can be appropriately determined experimentally or empirically.
  • the operating frequency of the refrigerator 16 decreases to the first threshold value S1 or the second threshold value S2 during the evacuation operation of the cryopump 10, the amount of second-class gas stored approaches the storage limit. Can be considered to be.
  • the operating frequency of the refrigerator 16 can be used as an index indicating the amount of second gas stored, that is, the amount of condensed gas in the storage space 65 in real time. As described above, by monitoring the operating frequency of the refrigerator 16, it is possible to predict in real time that the storage amount of the second type gas is approaching the storage limit during the evacuation operation of the cryopump 10.
  • FIG. 5 is a flowchart showing a method for monitoring the cryopump 10 according to an embodiment. This method includes a cooling step (S10), a deposition step (S12), and a monitoring step (S14).
  • the cooling step (S10) includes controlling the operating frequency of the refrigerator 16 by the first-stage temperature controller 102 of the CP controller 100 to cool the first-stage cryopanel 18 to the first-stage target temperature. .
  • the second-stage gas condensed layer 68 that enters the storage space 65 from outside the cryopump 10 through the intake port 12 is formed on the second-stage cryopanel 20. Including depositing.
  • the monitoring step (S14) is to monitor the amount of condensed gas in the storage space 65 based on a change in the first-stage heat load incident on the inner surface of the first-stage cryopanel 18 from the outside of the cryopump 10 through the air inlet 12. including.
  • the amount of the condensed gas in the storage space 65 mainly corresponds to the amount of the second type gas captured by the condensed layer 68 condensed on the top cryopanel 60.
  • the amount of condensed gas is reduced by the second-stage cryopanel monitoring unit 104 of the CP controller 100 when the first-stage heat load decreases (for example, when the operating frequency of the refrigerator 16 decreases). Including determining that the number has increased. Further, the second-stage cryopanel monitoring unit 104 may determine that the condensed gas amount has decreased when the first-stage heat load increases (for example, when the operating frequency of the refrigerator 16 increases).
  • FIG. 6 is a flowchart showing the monitoring step (S14) shown in FIG. 5 in more detail.
  • the second-stage cryopanel monitoring unit 104 acquires the operating frequency of the refrigerator 16 from the first-stage temperature control unit 102 (S16).
  • the operating frequency of the refrigerator 16 can be changed according to a change in the amount of heat input from the vacuum chamber 90 to the cryopump 10 through the air inlet 12.
  • the amount of heat input from the vacuum chamber 90 can depend, for example, on the vacuum process performed in the vacuum chamber 90.
  • Such a change in the thermal conditions in the vacuum chamber 90 may cause an error in estimating the amount of condensed gas based on the operating frequency of the refrigerator 16. Therefore, it is preferable that the second-stage cryopanel monitoring unit 104 obtains the operating frequency of the refrigerator 16 at a timing at which radiant heat entering the intake port 12 from outside the cryopump 10 becomes a predetermined value. This can reduce or prevent the influence of the change in the thermal conditions in the vacuum chamber 90.
  • the timing is set, for example, while the gate valve 92 is closed. Therefore, the second-stage cryopanel monitoring unit 104 may acquire the operating frequency of the refrigerator 16 in response to the gate valve closing signal G.
  • the closing of the gate valve 92 closes the intake port 12 and isolates the internal space 14 of the cryopump 10 from the vacuum chamber 90. Therefore, heat input from the vacuum chamber 90 to the cryopump 10 through the air inlet 12 is limited or substantially shut off.
  • the second-stage cryopanel monitoring unit 104 can reduce the influence of a change in thermal conditions in the vacuum chamber 90 or prevent the refrigerator from being affected. Sixteen operating frequencies can be obtained.
  • the second-stage cryopanel monitoring unit 104 may acquire the operating frequency or other operating parameters of the refrigerator 16 from the first-stage temperature control unit 102 when the operation state of the refrigerator 16 is stabilized.
  • the second-stage cryopanel monitoring unit 104 may acquire the operating frequency of the refrigerator 16 when a predetermined time has elapsed from the reception of the gate valve closing signal G or other timing.
  • the second-stage cryopanel monitoring unit 104 may acquire the operating frequency of the refrigerator 16 when the change rate of the operating frequency of the refrigerator 16 becomes within a predetermined threshold after the above timing. By doing so, it is possible to avoid acquiring the operating frequency of the refrigerator 16 in a transient state such as immediately after the gate valve 92 is closed.
  • the second-stage cryopanel monitoring unit 104 compares the obtained operating frequency of the refrigerator 16 with the threshold value S (S18).
  • the threshold value S may be either the first threshold value S1 or the second threshold value S2 shown in FIG.
  • the second-stage cryopanel monitoring unit 104 determines that the condensed gas amount has exceeded the reference value (S20).
  • the threshold value S is the first threshold value S1
  • the reference value corresponds to a design storage limit value VL.
  • the threshold value S is the second threshold value S2
  • the reference value corresponds to the allowable storage amount VA.
  • the second-stage cryopanel monitoring unit 104 may be configured to output that the condensed gas amount has exceeded a reference value.
  • the second-stage cryopanel monitoring unit 104 may be configured to indicate to the operator that the amount of condensed gas has exceeded the reference value in the form of an image, a sound, or any other appropriate format.
  • the second-stage cryopanel monitoring unit 104 determines that the condensed gas amount is lower than the reference value (S22). Similarly, the second-stage cryopanel monitoring unit 104 may be configured to output that the condensed gas amount is lower than the reference value.
  • the monitoring step (S14) ends.
  • the monitoring step (S14) may be repeated each time it is allowed to close the gate valve 92, periodically, or at any other appropriate frequency.
  • FIG. 7 is a diagram schematically showing a cryopump 10 according to an embodiment.
  • the refrigerator 16 may include a variable output heater 96 for heating the first cooling stage 22, for example, an electric heater.
  • the heater 96 may be mounted on the first cooling stage 22. Alternatively, the heater 96 may be attached to any part of the first-stage cryopanel 18.
  • the first-stage temperature control unit 102 controls the output of the heater 96 (for example, the voltage and / or current supplied to the heater 96) to cool the first-stage cryopanel 18 to the first-stage target temperature. You may.
  • the first-stage temperature control unit 102 may be configured to determine the output of the heater 96 as a function of the deviation between the first-stage target temperature and the measured temperature of the first-stage cryopanel 18 (for example, by PID control). .
  • the temperature of the first cryopanel 18 may increase.
  • the first-stage temperature control unit 102 reduces the output of the heater 96.
  • the first stage cryopanel 18 is cooled toward the first stage target temperature.
  • the first-stage temperature control unit 102 increases the output of the heater 96.
  • the first stage cryopanel 18 is heated toward the first stage target temperature.
  • the temperature of the first-stage cryopanel 18 can be kept in a temperature range near the first-stage target temperature.
  • the second-stage cryopanel monitoring unit 104 monitors the amount of condensed gas in the storage space 65 based on a change in the first-stage heat load, and more specifically, when the first-stage heat load decreases, the storage space is reduced. It is determined that the amount of condensed gas in 65 has increased. Therefore, the second-stage cryopanel monitoring unit 104 may be configured to acquire the output of the heater 96 from the first-stage temperature control unit 102 and compare the output of the heater 96 with a threshold. The second-stage cryopanel monitoring unit 104 may determine that the condensed gas amount has exceeded the reference value when the output of the heater 96 exceeds the threshold. The second-stage cryopanel monitoring unit 104 may determine that the amount of condensed gas falls below the reference value when the output of the heater 96 is less than the threshold.
  • the second-stage cryopanel monitoring unit 104 may obtain the output of the heater 96 from the first-stage temperature control unit 102 at the timing when the radiant heat entering the intake port 12 from outside the cryopump 10 becomes a predetermined value.
  • the timing may be set while the gate valve 92 is closed.
  • the amount of condensed gas in the storage space 65 is monitored based on the change in the first-stage heat load. Since the change in the first-stage heat load reflects the change in the shape of the condensed layer 68, compared to the existing attempts to predict the reaching of the storage limit from only the accumulated amount of the second type gas introduced into the vacuum chamber 90. Thus, the amount of condensed gas in the cryopump 10 can be more accurately estimated. It can be predicted during use of the cryopump that the amount of gas stored in the cryopump 10 is approaching the storage limit.
  • a change in the first-stage heat load is detected as a change in the operation parameter of the refrigerator 16 such as the operation frequency or the heater output of the refrigerator 16, and the inside of the accommodation space 65 is determined based on the detected change in the operation parameter. Is monitored. In this way, it can be predicted in real time during the evacuation operation of the cryopump 10 that the storage amount of the second type gas is approaching the storage limit.
  • the second-stage cryopanel monitoring unit 104 determines a plurality of values of the condensed gas amount by operating parameters of the refrigerator 16 (for example, operating frequency or output of the heater 96). ) May be provided.
  • the condensed gas amount table 106 may have a look-up table, a function, or any other form.
  • the second-stage cryopanel monitoring unit 104 may acquire the operation parameters of the refrigerator 16 from the first-stage temperature control unit 102.
  • the second-stage cryopanel monitoring unit 104 may calculate an estimated value of the condensed gas amount from the operation parameters of the refrigerator 16 and the condensed gas amount table 106.
  • the second-stage cryopanel monitoring unit 104 may be configured to output the estimated value of the calculated condensed gas amount in the form of an image, a sound, or another appropriate format. By doing so, the cryopump 10 can estimate the amount of condensed gas in real time.
  • the vertical cryopump refers to a cryopump in which the refrigerator 16 is disposed along the cryopump center axis C of the cryopump 10.
  • the internal configuration of the cryopump such as the arrangement, shape, and number of cryopanels, is not limited to the specific embodiment described above. Various known configurations can be appropriately adopted.
  • the present invention can be used in the field of a cryopump and a method for monitoring a cryopump.

Landscapes

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Abstract

クライオポンプ（１０）は、気体の凝縮層の収容スペース（６５）を有し、収容スペース（６５）を囲むように配置された第１段クライオパネル内面を有する第１段クライオパネル（１８）と、収容スペース（６５）とともに第１段クライオパネル内面に囲まれて配置された第２段クライオパネル（２０）とを備える。吸気口（１２）を通じてクライオポンプ（１０）の外から第１段クライオパネル内面に第１段熱負荷が入射し、クライオポンプ（１０）の外から収容スペース（６５）に気体が進入する。第１段クライオパネル（１８）は気体の凝縮温度より高い温度に冷却され、第２段クライオパネル（２０）は気体の凝縮温度以下の温度に冷却され気体の凝縮層が堆積する。クライオポンプ（１０）は、第１段熱負荷の変化に基づいて収容スペース（６５）内の凝縮気体量を監視する。

Description

クライオポンプおよびクライオポンプの監視方法
　本発明は、クライオポンプおよびクライオポンプの監視方法に関する。
　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２０１５－１１８６号公報
　クライオポンプにはたいてい、温度の異なる二種類のクライオパネルが設けられている。低温のクライオパネルはその表面に例えばアルゴンや窒素などの比較的蒸気圧の高い気体を凝縮するように例えば約２０Ｋ以下の冷却温度に冷却され、高温のクライオパネルはそうした気体が凝縮しないように例えば約８０Ｋ以上の冷却温度に冷却される。クライオポンプの使用につれて低温クライオパネル上に気体の凝縮層が成長し、いずれは高温クライオパネルに接触しうる。そうすると、高温クライオパネルと凝縮層の接触部位で気体は再び気化され周囲に放出されてしまう。それ以降クライオポンプは本来の役割を充分に果たすことができない。したがって、接触の時点で低温クライオパネル上に存在する凝縮層が、クライオポンプに溜め込むことのできる気体の最大量（吸蔵限界または最大吸蔵量とも呼ばれる）を与えることになる。
　本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、クライオポンプに溜め込まれた気体の量が吸蔵限界に近づいていることをクライオポンプの使用中に予測するための技術を提供することにある。
　本発明のある態様によると、気体の凝縮層の収容スペースを有するクライオポンプが提供される。クライオポンプは、前記気体の凝縮温度より高い温度に冷却される第１段クライオパネルであって、前記収容スペースを囲むように配置された第１段クライオパネル内面を有する第１段クライオパネルと、前記気体の凝縮温度以下の温度に冷却され、前記気体の凝縮層が堆積する第２段クライオパネルであって、前記収容スペースとともに前記第１段クライオパネル内面に囲まれて配置された第２段クライオパネルと、前記クライオポンプの外から前記第１段クライオパネル内面に入射する第１段熱負荷、および、前記クライオポンプの外から前記収容スペースに進入する前記気体の通過を許容するクライオポンプ吸気口と、前記第１段熱負荷の変化に基づいて前記収容スペース内の凝縮気体量を監視する第２段クライオパネル監視部と、を備える。
　本発明のある態様によると、クライオポンプの監視方法が提供される。前記クライオポンプは、気体の凝縮層の収容スペースを囲むように配置された第１段クライオパネル内面を有する第１段クライオパネルと、前記収容スペースとともに前記第１段クライオパネル内面に囲まれて配置された第２段クライオパネルと、を備える。前記方法は、前記第１段クライオパネルを前記気体の凝縮温度より高い温度に冷却するとともに、前記第２段クライオパネルを前記気体の凝縮温度以下の温度に冷却することと、前記クライオポンプの外からクライオポンプ吸気口を通じて前記収容スペースに進入する前記気体の凝縮層を前記第２段クライオパネルに堆積させることと、前記クライオポンプの外から前記クライオポンプ吸気口を通じて前記第１段クライオパネル内面に入射する第１段熱負荷の変化に基づいて前記収容スペース内の凝縮気体量を監視することと、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、クライオポンプに溜め込まれた気体の量が吸蔵限界に近づいていることをクライオポンプの使用中に予測することができる。
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である。 図１に示されるクライオポンプに関する制御ブロック図である。 図３（ａ）および図３（ｂ）は、ある実施の形態に係るクライオポンプの監視方法を原理的に説明するための図である。 クライオポンプの真空排気運転中における冷凍機の運転周波数の変化を示す図である。 ある実施の形態に係るクライオポンプの監視方法を示すフローチャートである。 図５に示される監視工程を、より詳細に示すフローチャートである。 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である。 ある実施の形態に係る凝縮気体量テーブルの一例を概略的に示す図である。
　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を概略的に示す図である。クライオポンプ１０は、例えば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９０に取り付けられて、真空チャンバ９０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、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。
　クライオポンプ１０は、図示の向き、すなわち吸気口１２を上方に向けた姿勢で真空チャンバに設置され使用されることが意図されていてもよい。ただし、クライオポンプ１０の姿勢はそれに限定されず、クライオポンプ１０は他の向きで真空チャンバに設置されてもよい。
　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。軸方向は吸気口１２を通る方向（図１において、吸気口１２の中心を通るクライオポンプ中心軸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１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。
　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１には図示しないが、例えば冷凍機モータ８０）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。
　第１冷却ステージ２２は、冷凍機１６の第１段低温端に設置されている。第１冷却ステージ２２は、室温部２６と反対側で第１シリンダ２３の端部を外包し、作動気体の第１膨張空間を取り囲む部材である。第１膨張空間は、第１シリンダ２３の内部において第１シリンダ２３と第１ディスプレーサとの間に形成され、第１ディスプレーサの往復動に伴って容積が変化する可変容積である。第１冷却ステージ２２は、第１シリンダ２３よりも高い熱伝導率をもつ金属材料で形成されている。例えば、第１冷却ステージ２２は銅で形成され、第１シリンダ２３はステンレス鋼で形成される。
　第２冷却ステージ２４は、冷凍機１６の第２段低温端に設置されている。第２冷却ステージ２４は、室温部２６と反対側で第２シリンダ２５の端部を外包し、作動気体の第２膨張空間を取り囲む部材である。第２膨張空間は、第２シリンダ２５の内部において第２シリンダ２５と第２ディスプレーサとの間に形成され、第２ディスプレーサの往復動に伴って容積が変化する可変容積である。第２冷却ステージ２４は、第２シリンダ２５よりも高い熱伝導率をもつ金属材料で形成されている。第２冷却ステージ２４は銅で形成され、第２シリンダ２５はステンレス鋼で形成される。
　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。冷凍機１６の第１冷却ステージ２２及び第２冷却ステージ２４は、クライオポンプ中心軸Ｃに垂直な方向（図１において水平方向であり、冷凍機１６の中心軸Ｄの方向）に配列されている。
　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２０を保護するために設けられているクライオパネルである。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２０と接触していない。放射シールド３０および入口クライオパネル３２は、例えば銅などの高熱伝導率の金属材料で形成され、例えばニッケルなどのめっき層またはその他の被覆層で被覆されていてもよい。
　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２０を保護するために設けられている。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２０との間にあり、第２段クライオパネル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。シールド前端３６は、シールド側部４０の一部をなす。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。放射シールド３０は、シールド底部３８が閉塞された筒形（例えば円筒）の形状を有し、カップ状に形成されている。シールド側部４０と第２段クライオパネル２０との間には、環状隙間４２が形成されている。
　なお、シールド底部３８は、シールド側部４０とは別個の部材であってもよい。例えば、シールド底部３８は、シールド側部４０とほぼ同じ径をもつ平坦な円盤であってもよく、シールド主開口３４と反対側でシールド側部４０に取り付けられていてもよい。また、シールド底部３８は、その少なくとも一部が開放されていてもよい。例えば、放射シールド３０は、シールド底部３８によって閉塞されていなくてもよい。すなわち、シールド側部４０は、両端が開放されていてもよい。
　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。取付座４６は、軸方向においてはシールド前端３６よりもシールド底部３８に近い。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。
　入口クライオパネル３２は、クライオポンプ１０の外部の熱源からの輻射熱から第２段クライオパネル２０を保護するためにシールド主開口３４に設けられている。クライオポンプ１０の外部の熱源は、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９０内の熱源である。入口クライオパネル３２は、輻射熱だけではなく気体分子の進入も制限することができる。入口クライオパネル３２は、シールド主開口３４を通じた気体流入を所望量に制限するようにシールド主開口３４の開口面積の一部を占有する。入口クライオパネル３２とシールド前端３６との間には、環状の開放領域４８が形成されている。
　入口クライオパネル３２は、適宜の取付部材によってシールド前端３６に取り付けられ、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、放射シールド３０を介して第１冷却ステージ２２に熱的に結合されている。入口クライオパネル３２は、例えば、複数の環状または直線状の羽板を有する。あるいは、入口クライオパネル３２は、一枚の板状部材であってもよい。
　第２段クライオパネル２０は、第２冷却ステージ２４を囲むようにして第２冷却ステージ２４に取り付けられている。よって、第２段クライオパネル２０は、第２冷却ステージ２４に熱的に結合されており、第２段クライオパネル２０は第２冷却温度に冷却される。第２段クライオパネル２０は、第２冷却ステージ２４とともにシールド側部４０に包囲されている。
　第２段クライオパネル２０は、シールド主開口３４に対面するトップクライオパネル６０と、トップクライオパネル６０とシールド底部３８との間に配置されたクライオパネル部材６２と、クライオパネル取付部材６４と、を備える。クライオパネル部材６２は、クライオポンプ中心軸Ｃを挟んで第２冷却ステージ２４の両側に配置されている。クライオパネル部材６２は、クライオポンプ中心軸Ｃに垂直な平面に沿って配置されている。トップクライオパネル６０およびクライオパネル部材６２は、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。
　トップクライオパネル６０及びクライオパネル部材６２とシールド側部４０との間には環状隙間４２が形成されているので、トップクライオパネル６０及びクライオパネル部材６２は両方とも放射シールド３０に接触していない。クライオパネル部材６２は、トップクライオパネル６０によって覆われている。
　トップクライオパネル６０は、第２段クライオパネル２０のうち入口クライオパネル３２に最も近接する部分である。トップクライオパネル６０は、軸方向においてシールド主開口３４または入口クライオパネル３２と冷凍機１６との間に配置されている。トップクライオパネル６０は、軸方向においてクライオポンプ１０の内部空間１４の中心部に位置する。そのため、トップクライオパネル６０の前面と入口クライオパネル３２との間に凝縮層の収容スペース６５が広く形成されている。凝縮層の収容スペース６５は、内部空間１４の上半分を占めている。収容スペース６５の軸方向高さは、放射シールド３０の軸長の１／３～２／３の範囲にあってもよい。
　トップクライオパネル６０は、軸方向に垂直に配置された概ね平板のクライオパネルである。つまりトップクライオパネル６０は、径方向及び周方向に延在する。トップクライオパネル６０は、入口クライオパネル３２より大きい寸法（例えば投影面積）を有する円板状パネルである。ただし、トップクライオパネル６０と入口クライオパネル３２の寸法の関係はこれに限定されず、トップクライオパネル６０のほうが小さくてもよいし、両者がほぼ同じ寸法を有してもよい。
　トップクライオパネル６０は、冷凍機構造部２１との間に隙間領域６６を形成するよう配置されている。隙間領域６６は、トップクライオパネル６０の裏面と第２シリンダ２５との間で軸方向に形成された空所である。トップクライオパネル６０およびクライオパネル部材６２は、例えば銅などの高熱伝導率の金属材料で形成され、例えばニッケルなどのめっき層で被覆されていてもよい。
　クライオパネル部材６２には活性炭等の吸着材７４が設けられている。吸着材７４は例えばクライオパネル部材６２の裏面に接着されている。クライオパネル部材６２の前面は凝縮面、裏面は吸着面として機能することが意図されている。クライオパネル部材６２の前面に吸着材７４が設けられていてもよい。同様に、トップクライオパネル６０は、その前面及び／または裏面に吸着材７４を有してもよい。あるいは、トップクライオパネル６０は、吸着材７４を備えなくてもよい。
　クライオポンプ１０は、シールド主開口３４から流入する気体の流れを冷凍機構造部２１から偏向させるよう構成されている気体流れ調整部材５０を備える。気体流れ調整部材５０は、入口クライオパネル３２または開放領域４８を通じて収容スペース６５に流入する気体流れを第２シリンダ２５から偏向させるよう構成されている。気体流れ調整部材５０は、冷凍機構造部２１または第２シリンダ２５の上方でそれに隣接して配置された気体流れ偏向部材または気体流れ反射部材であってもよい。気体流れ調整部材５０は、周方向においてシールド側部開口４４と同じ位置に局所的に設けられている。気体流れ調整部材５０は、上から見て矩形状である。気体流れ調整部材５０は、例えば一枚の平坦プレートであるが、湾曲していてもよい。
　気体流れ調整部材５０は、シールド側部４０から延出し、隙間領域６６に挿入されている。ただし、気体流れ調整部材５０は、トップクライオパネル６０、第２シリンダ２５、およびそのほか隙間領域６６を囲む第２冷却温度の部位には接触していない。気体流れ調整部材５０は、放射シールド３０を介して第１冷却ステージ２２に熱的に結合されている。したがって、気体流れ調整部材５０は、第１冷却温度に冷却される。
　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、第２段クライオパネル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を用いて真空チャンバ９０に取り付けられる。
　クライオポンプハウジング７０は、放射シールド３０と非接触に放射シールド３０を囲むクライオパネル収容部７６と、冷凍機１６の第１シリンダ２３を囲む冷凍機収容部７７とを備える。クライオパネル収容部７６と冷凍機収容部７７は一体的に形成されている。
　クライオパネル収容部７６は、一端に吸気口フランジ７２が形成され、他端がハウジング底面７０ａとして閉塞された円筒状またはドーム状の形状を有する。吸気口フランジ７２をハウジング底面７０ａに接続するクライオパネル収容部７６の側壁には、吸気口１２とは別に、冷凍機１６を挿通する開口が形成されている。冷凍機収容部７７はこの開口から冷凍機１６の室温部２６へと延びる円筒状の形状を有する。冷凍機収容部７７は、クライオパネル収容部７６を冷凍機１６の室温部２６に接続する。
　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９０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９０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（タイプ１ガスとも言われる）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、入口クライオパネル３２または開放領域４８を通過して、収容スペース６５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、収容スペース６５に進入しない。
　収容スペース６５に進入した気体は、第２段クライオパネル２０によって冷却される。第２段クライオパネル２０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（タイプ２ガスとも言われる）と称されてもよい。なお第２種気体は、第１冷却温度では凝縮せず気体である。第２種気体は例えばアルゴン、窒素、酸素である。こうして、第２段クライオパネル２０は、第２種気体を排気することができる。収容スペース６５に直接面しているので、トップクライオパネル６０の前面には、第２種気体の凝縮層が大きく成長しうる。クライオポンプ１０は収容スペース６５が広いので、多量の第２種気体を溜め込むことができる。
　第２冷却温度で蒸気圧が充分に低くない気体は、第２段クライオパネル２０の吸着材７４に吸着される。この気体は、第３種気体（タイプ３ガスとも言われる）と称されてもよい。第３種気体は例えば水素である。こうして、第２段クライオパネル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９０の真空度を所望のレベルに到達させることができる。
　排気運転が継続されることによりクライオポンプ１０には気体が蓄積されていく。蓄積した気体を外部に排出するために、クライオポンプ１０の再生が行われる。再生が完了すれば、再び排気運転を始めることができる。
　このようにして、クライオポンプ１０は、気体（例えば第２種気体）の凝縮層の収容スペース６５を有するように構成されている。第１段クライオパネル１８は、収容スペース６５を囲むように配置され、第２種気体の凝縮温度より高い温度に冷却される。第２段クライオパネル２０は、収容スペース６５とともに第１段クライオパネル内面（例えば、シールド側部４０の内面）に囲まれて配置され、第２種気体の凝縮温度以下の温度に冷却される。第２段クライオパネル２０（例えば、トップクライオパネル６０）には、第２種気体の凝縮層が堆積する。吸気口１２は、クライオポンプ１０の外（すなわち真空チャンバ９０）から第１段クライオパネル内面に入射する第１段熱負荷（例えば輻射熱）、および、クライオポンプ１０の外から収容スペース６５に進入する気体の通過を許容する。
　また、ゲートバルブ９２がクライオポンプ１０と真空チャンバ９０との間に設置されている。ゲートバルブ９２は、吸気口１２に隣接して配置されている。吸気口フランジ７２がゲートバルブ９２の片側に取り付けられ、真空チャンバ９０の開口部がゲートバルブ９２の反対側に取り付けられている。ゲートバルブ９２が開いているときは、真空チャンバ９０から吸気口１２を通じて収容スペース６５へと第１段熱負荷および第２種気体が進入できる。ゲートバルブ９２が閉じているときは、吸気口１２が閉鎖される。よって、第１段熱負荷および第２種気体は収容スペース６５に進入しない。ゲートバルブ９２は、クライオポンプ１０の製造業者とは別の供給業者から提供されてもよいし、あるいは、クライオポンプ１０の製造業者によってクライオポンプ１０とともに提供されてもよい。
　また、ゲートバルブ９２を制御するゲートバルブコントローラ９４が設けられていてもよい。ゲートバルブコントローラ９４は、ゲートバルブ９２の開閉を制御するように構成されている。ゲートバルブコントローラ９４は、真空チャンバ９０を有する真空プロセス装置の制御装置の一部を構成してもよい。ゲートバルブコントローラ９４は、クライオポンプ１０を制御するクライオポンプコントローラ（以下ではＣＰコントローラとも称する）１００と通信可能に接続されていてもよい。ゲートバルブコントローラ９４は、ゲートバルブ９２の開閉状態を表す信号（例えば、ゲートバルブ９２が閉じていることを表すゲートバルブ閉鎖信号Ｇ）をＣＰコントローラ１００に出力するように構成されていてもよい。なお、ゲートバルブコントローラ９４は、クライオポンプ１０を制御するクライオポンプコントローラ（以下ではＣＰコントローラとも称する）１００の一部を構成してもよいし、あるいは、単体で設けられていてもよい。
　図２は、図１に示されるクライオポンプ１０に関する制御ブロック図である。
　こうしたクライオポンプ１０の制御構成は、ハードウェア構成としてはコンピュータのＣＰＵやメモリをはじめとする素子や回路で実現され、ソフトウェア構成としてはコンピュータプログラム等によって実現されるが、図２では適宜、それらの連携によって実現される機能ブロックとして描いている。これらの機能ブロックはハードウェア、ソフトウェアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、当業者には理解されるところである。
　クライオポンプ１０は、ＣＰコントローラ１００を備える。ＣＰコントローラ１００は、各種演算処理を実行するＣＰＵ、各種制御プログラムを格納するＲＯＭ、データ格納やプログラム実行のためのワークエリアとして利用されるＲＡＭ、入出力インターフェース、メモリ等を備える。また、ＣＰコントローラ１００は、クライオポンプ１０が取り付けられる真空プロセス装置を制御するための上位のコントローラ（図示せず）とも通信可能に構成されている。
　冷凍機１６は、冷凍機１６の熱力学的サイクルを駆動する駆動源としての冷凍機モータ８０と、外部電源例えば商用電源から供給される規定の電圧及び周波数の電力を調整し冷凍機モータ８０に供給する冷凍機インバータ８２とを備える。冷凍機インバータ８２は、ＣＰコントローラ１００により制御される冷凍機１６の運転周波数に従って、外部電源からの入力電力を変換して冷凍機モータ８０に出力する。こうして冷凍機モータ８０は、ＣＰコントローラ１００によって決定され冷凍機インバータ８２から出力された運転周波数で駆動される。冷凍機モータ８０及び冷凍機インバータ８２は、図１に示される室温部２６に搭載されていてもよい。
　冷凍機１６の運転周波数（運転速度ともいう）とは、冷凍機モータ８０の運転周波数または回転数、冷凍機インバータ８２の運転周波数、冷凍機１６の熱力学的サイクル（例えばＧＭサイクルなどの冷凍サイクル）の周波数、または、これらのいずれかを表す。熱力学的サイクルの周波数とは、冷凍機１６において行われる熱力学的サイクルの単位時間あたりの回数である。
　また、冷凍機１６は、クライオパネル温度センサ８４を備える。クライオパネル温度センサ８４は、第１冷却ステージ２２に装着され、第１段クライオパネル１８の温度を測定する。クライオパネル温度センサ８４は、第１段クライオパネル１８に装着されていてもよい。クライオパネル温度センサ８４は、第１段クライオパネル１８の温度を周期的に測定し、測定温度値を示す信号をＣＰコントローラ１００に出力するように、ＣＰコントローラ１００と通信可能に接続されている。
　ＣＰコントローラ１００は、第１段クライオパネル１８を第１段目標温度に冷却すべく冷凍機１６の運転周波数を制御する第１段温度制御部１０２を備える。第１段温度制御部１０２は、第１段目標温度と第１段クライオパネル１８の測定温度との偏差の関数として（例えばＰＩＤ制御により）冷凍機１６の運転周波数を決定するよう構成されている。
　第１段クライオパネル１８への熱負荷が増加したとき第１段クライオパネル１８の温度が高まりうる。クライオパネル温度センサ８４の測定温度が第１段目標温度よりも高温である場合には、第１段温度制御部１０２は、冷凍機１６の運転周波数を増加させる。その結果、冷凍機１６における熱力学的サイクルの周波数も増加され（すなわち冷凍機１６の冷凍能力は高まり）、第１段クライオパネル１８は第１段目標温度に向けて冷却される。逆にクライオパネル温度センサ８４の測定温度が目標温度よりも低温である場合には、冷凍機１６の運転周波数は減少され冷凍能力は低下し、第１段クライオパネル１８は第１段目標温度に向けて昇温される。こうして、第１段クライオパネル１８の温度を第１段目標温度の近傍の温度範囲に留めることができる。第１段熱負荷に応じて冷凍機１６の運転周波数を適切に調整することができるので、こうした制御はクライオポンプ１０の消費電力の低減に役立つ。
　また、ＣＰコントローラ１００は、第１段熱負荷の変化に基づいて収容スペース６５内の凝縮気体量を監視する第２段クライオパネル監視部１０４を備える。第２段クライオパネル監視部１０４は、ゲートバルブ９２の開閉状態を表す信号（例えば、ゲートバルブ閉鎖信号Ｇ）ゲートバルブコントローラ９４から受信するように構成されていてもよい。第２段クライオパネル監視部１０４の詳細は後述する。
　図３（ａ）および図３（ｂ）は、ある実施の形態に係るクライオポンプ１０の監視方法を原理的に説明するための図である。図３（ａ）は、第２種気体の凝縮層が無い初期の状況を示し、図３（ｂ）は、クライオポンプ１０の真空排気運転中に第２種気体の凝縮層６８がトップクライオパネル６０上に成長した状況を示す。凝縮層６８は、第２種気体などの気体の氷または霜である。輻射熱８６ａ、８６ｂと第２種気体の気体分子８８がクライオポンプ１０の外から吸気口１２の開放領域４８を通じて収容スペース６５へと進入する。輻射熱８６ａ、８６ｂと第２種気体の気体分子８８は、真空チャンバ９０からクライオポンプ１０へと直線経路に沿って進入する。進入角度は真空チャンバ９０内の熱源および気体入口の位置を含む真空チャンバ９０の設計に応じて定まりうる。便宜上、輻射熱８６ａ、８６ｂの例示的な入射経路を実線矢印で図示し、第２種気体の気体分子８８の例示的な入射経路を破線矢印で図示する。
　図３（ａ）に示されるように、一部の輻射熱８６ａは、第１段クライオパネル内面たとえば放射シールド３０の内面に入射し、第１段熱負荷となる。図においては輻射熱８６ａはシールド側部４０の内周面に入射しているが、輻射熱８６ａの入射角度に依存して、輻射熱８６ａは、シールド前端３６の内周面またはシールド底部３８の上面にも入射しうる。他の一部の輻射熱８６ｂは、第２段クライオパネル２０たとえばトップクライオパネル６０の上面に入射し、第２段熱負荷となる。上述のように、第１段熱負荷は冷凍機１６の第１冷却ステージ２２によって除去され、第２段熱負荷は冷凍機１６の第２冷却ステージ２４によって除去される。
　第２種気体は第２段クライオパネル２０によって冷却され凝縮されるから、第２種気体の気体分子８８は、図３（ｂ）に示されるように、第２種気体の凝縮層６８としてトップクライオパネル６０上に堆積する。凝縮層６８はクライオパネル部材６２上にも堆積しうるが、ここでは図示しない。吸気口１２の中心部には入口クライオパネル３２が配置され、その周囲に開放領域４８が形成されているので、凝縮層６８の成長速度およびその結果生じる凝縮層６８の厚さ（軸方向高さ）は、外縁部で大きく中心部で小さくなる。そのため、凝縮層６８は、図示されるように、開放領域４８の下方で盛り上がり、入口クライオパネル３２の下方に凹みを有する形状となる。
　凝縮層６８がさらに成長すると、最終的には凝縮層６８は第１段クライオパネル１８のいずれかの部位（例えば、シールド前端３６、シールド側部４０、及び／または入口クライオパネル３２）に接触する。第１段クライオパネル１８の冷却温度は第２種気体の凝縮温度より高く、第１段クライオパネル１８は第２種気体を凝縮し得ないので、凝縮層６８は第１段クライオパネル１８との接触部位で再気化される。凝縮層６８としてクライオポンプ１０に溜め込まれていた第２種気体が再放出されることとなり、これ以降、クライオポンプ１０は第２種気体の排気機能を提供することができない。すなわち、クライオポンプ１０は、第１段クライオパネル１８と凝縮層６８の接触の時点で、吸蔵限界を迎える。
　仮に、クライオポンプハウジング７０にビューポートまたはその他ののぞき窓が設けられていれば、作業者は、凝縮層６８をクライオポンプ１０の外からのぞき窓を通じて目視することにより、吸蔵限界へとまもなく到達するか否かを予測しうる。しかしながら、一般に、既存のクライオポンプ１０は、そうしたのぞき窓を有しない。クライオポンプ１０の真空排気運転中に凝縮層６８を目視することはできない。別の手法として、真空チャンバ９０に導入された第２種気体の累積量から吸蔵限界への到達時期を知ろうとする試みがなされている。しかしながら、吸蔵限界は、第１段クライオパネル１８と凝縮層６８の物理的接触によるから、凝縮層６８の具体的な形状に依存する。そのため、真空チャンバ９０への第２種気体の累積導入量のみから吸蔵限界の到達時期を正確に予測するのは難しい。
　そこで、本書では、クライオポンプ１０に溜め込まれた第２種気体の量が吸蔵限界に近づいていることをクライオポンプ１０の真空排気運転中にリアルタイムに予測するための新たな技術が提案される。実施の形態においては、第１段熱負荷の変化に基づいて収容スペース６５内の凝縮気体量が監視される。
　このコンセプトは、吸気口１２を通じてクライオポンプ１０に入射する第１段熱負荷と第２段熱負荷の比率が凝縮層６８の体積及び／または形状に応じて変化することに基づく。凝縮層６８の体積及び／または形状が変化すると、第１段熱負荷と第２段熱負荷がそれぞれ変化し、冷凍機１６による第１段クライオパネル１８と第２段クライオパネル２０の冷却バランスが変わる。したがって、第１段熱負荷の変化を検知することにより、凝縮層６８の体積及び／または形状の変化を表す情報を取得することができる。
　図３（ａ）を参照して上述したように、凝縮層６８が無い状況では、一部の輻射熱８６ａが第１段熱負荷となり、他の一部の輻射熱８６ｂが第２段熱負荷となっている。凝縮層６８が成長すると、図３（ｂ）に示されるように、輻射熱８６ａ、８６ｂはともに、凝縮層６８に入射しうる。凝縮層６８は、第１段クライオパネル内面に向かう輻射熱８６ａを遮蔽するいわば壁となる。凝縮層６８はトップクライオパネル６０上に堆積しているから、凝縮層６８に入射する輻射熱８６ａ、８６ｂは第２段熱負荷となる。このように、凝縮層６８の成長につれて凝縮層６８の軸方向高さが大きくなるほど、第１段熱負荷が減り第２段熱負荷が増える傾向がある。凝縮層６８に溜め込まれた第２種気体の量は第１段熱負荷（または第２段熱負荷）と相関すると言える。
　したがって、第１段熱負荷が減少した場合には、収容スペース６５内の凝縮気体量が増加したと判定することができる。また、第１段熱負荷が増加した場合には（一般にクライオポンプ１０の真空排気運転中には凝縮気体量は徐々に増えていくから、そうした状況は起こりにくいが）、収容スペース６５内の凝縮気体量が減少したと判定することができる。このようにして、第１段熱負荷の変化に基づいて収容スペース６５内の凝縮気体量を監視することができる。
　第１段熱負荷の変化は、冷凍機１６の少なくとも１つの運転パラメータの変化として検知されうる。第１段クライオパネル１８を第１段目標温度に冷却するように冷凍機１６の運転周波数が制御されるクライオポンプ１０においては、第１段熱負荷の変化は、冷凍機１６の運転周波数の変化として検知されうる。
　図４は、クライオポンプ１０の真空排気運転中における冷凍機１６の運転周波数の変化を示す。図４において、縦軸は冷凍機１６の運転周波数［Ｈｚ］を表し、横軸は真空チャンバ９０に供給した第２種気体（アルゴンガス）の量［std L］を表し、これは図３（ｂ）に示される凝縮層６８に凝縮した第２種気体の量（吸蔵量ともいう）に相当する。
　図４に示されるように、吸蔵量が増加するにつれて冷凍機１６の運転周波数は低下する傾向をとる。吸蔵量が増加し凝縮層６８が成長すると、上述のように、第１段熱負荷が減少する。第１段熱負荷が減少すれば、クライオパネル温度センサ８４によって測定される第１段クライオパネル１８の温度は低下しうる。しかしながら、第１段クライオパネル１８は第１段目標温度に温度制御されているから、実際には、冷凍機１６の運転周波数が減少され、冷凍機１６の冷凍能力が低下され、第１段クライオパネル１８は第１段目標温度に保持される。なお、図示されるのは、ある特定の設計を有するクライオポンプ１０についての本発明者による試験結果であるが、種々のクライオポンプ１０についても同様の傾向をとることが確認されている。
　図４の縦軸には、第１しきい値Ｓ１および第２しきい値Ｓ２が示され、横軸には設計上の吸蔵限界の値ＶＬが示されている。第１しきい値Ｓ１は、クライオポンプ１０による第２種気体の吸蔵量が設計上の吸蔵限界の値ＶＬに到達するときに取りうる冷凍機１６の運転周波数に相当する。第２しきい値Ｓ２は、クライオポンプ１０による第２種気体の吸蔵量が許容吸蔵量ＶＡに到達するときに取りうる冷凍機１６の運転周波数に相当する。ここで、許容吸蔵量ＶＡは、設計上の吸蔵限界の値ＶＬから所定のマージンを控除した値である。マージンは、設計上の吸蔵限界の値ＶＬの例えば２０％以内、または１０％以内、または５％以内の大きさであってもよく、設計上の吸蔵限界の値ＶＬの例えば１％より大きくてもよい。第１しきい値Ｓ１および第２しきい値Ｓ２は、実験的にまたは経験的に適宜定めることができる。
　したがって、クライオポンプ１０の真空排気運転中に冷凍機１６の運転周波数が第１しきい値Ｓ１または第２しきい値Ｓ２まで低下した場合には、第２種気体の吸蔵量が吸蔵限界に近づいているとみなすことができる。冷凍機１６の運転周波数は、第２種気体の吸蔵量、すなわち収容スペース６５内の凝縮気体量をリアルタイムに表す指標として利用できる。このように、冷凍機１６の運転周波数を監視することにより、第２種気体の吸蔵量が吸蔵限界に近づいていることをクライオポンプ１０の真空排気運転中にリアルタイムに予測することができる。
　図５は、ある実施の形態に係るクライオポンプ１０の監視方法を示すフローチャートである。この方法は、冷却工程（Ｓ１０）と、堆積工程（Ｓ１２）と、監視工程（Ｓ１４）とを備える。
　冷却工程（Ｓ１０）は、第１段クライオパネル１８を第２種気体の凝縮温度より高い温度に冷却するとともに、第２段クライオパネル２０を第２種気体の凝縮温度以下の温度に冷却することを含む。例えば、冷却工程（Ｓ１０）は、ＣＰコントローラ１００の第１段温度制御部１０２によって、第１段クライオパネル１８を第１段目標温度に冷却すべく冷凍機１６の運転周波数を制御することを含む。
　堆積工程（Ｓ１２）は、図３（ｂ）に示されるように、クライオポンプ１０の外から吸気口１２を通じて収容スペース６５に進入する第２種気体の凝縮層６８を第２段クライオパネル２０に堆積させることを含む。
　監視工程（Ｓ１４）は、クライオポンプ１０の外から吸気口１２を通じて第１段クライオパネル１８の内面に入射する第１段熱負荷の変化に基づいて収容スペース６５内の凝縮気体量を監視することを含む。上述のように、収容スペース６５内の凝縮気体量は主として、トップクライオパネル６０上に凝縮した凝縮層６８に捕捉された第２種気体の量に相当する。
　例えば、監視工程（Ｓ１４）は、ＣＰコントローラ１００の第２段クライオパネル監視部１０４によって、第１段熱負荷が減少した場合（例えば冷凍機１６の運転周波数が低下した場合）に凝縮気体量が増加したと判定することを含む。また、第２段クライオパネル監視部１０４は、第１段熱負荷が増加した場合（例えば冷凍機１６の運転周波数が増加した場合）に凝縮気体量が減少したと判定してもよい。
　図６は、図５に示される監視工程（Ｓ１４）を、より詳細に示すフローチャートである。まず、第２段クライオパネル監視部１０４は、第１段温度制御部１０２から冷凍機１６の運転周波数を取得する（Ｓ１６）。
　冷凍機１６の運転周波数は、真空チャンバ９０から吸気口１２を通じたクライオポンプ１０への入熱量の変化に伴って変わりうる。真空チャンバ９０からの入熱量は例えば、真空チャンバ９０で行われる真空プロセスに依存しうる。このような真空チャンバ９０での熱的条件の変化は、冷凍機１６の運転周波数に基づいて凝縮気体量を見積もるうえで誤差をもたらしうる。そこで、第２段クライオパネル監視部１０４は、吸気口１２にクライオポンプ１０の外から入射する輻射熱が既定値となるタイミングで冷凍機１６の運転周波数を取得することが好ましい。このようにすれば、真空チャンバ９０での熱的条件の変化の影響を低減または防止することができる。
　タイミングは、例えば、ゲートバルブ９２の閉鎖中に設定される。したがって、第２段クライオパネル監視部１０４は、ゲートバルブ閉鎖信号Ｇに応答して冷凍機１６の運転周波数を取得してもよい。ゲートバルブ９２の閉鎖によって吸気口１２が閉じられ、真空チャンバ９０からクライオポンプ１０の内部空間１４が隔離される。そのため、真空チャンバ９０から吸気口１２を通じたクライオポンプ１０への入熱は、制限されまたは実質的に遮断される。このようにしてクライオポンプ１０から真空チャンバ９０を熱的に分離することにより、第２段クライオパネル監視部１０４は、真空チャンバ９０での熱的条件の変化による影響が低減または防止された冷凍機１６の運転周波数を取得することができる。
　第２段クライオパネル監視部１０４は、冷凍機１６の運転状態が安定化されているときに第１段温度制御部１０２から冷凍機１６の運転周波数またはその他の運転パラメータを取得してもよい。例えば、第２段クライオパネル監視部１０４は、ゲートバルブ閉鎖信号Ｇの受信またはその他の上記タイミングから所定時間が経過したときに冷凍機１６の運転周波数を取得してもよい。あるいは、第２段クライオパネル監視部１０４は、上記タイミング以降において冷凍機１６の運転周波数の変化速度が所定しきい値以内となったときに冷凍機１６の運転周波数を取得してもよい。このようにすれば、ゲートバルブ９２の閉鎖直後など過渡的な状態で冷凍機１６の運転周波数を取得することを避けることができる。
　続いて、第２段クライオパネル監視部１０４は、取得した冷凍機１６の運転周波数をしきい値Ｓと比較する（Ｓ１８）。しきい値Ｓは、図４に示される第１しきい値Ｓ１または第２しきい値Ｓ２のいずれかであってもよい。
　冷凍機１６の運転周波数がしきい値Ｓを下回る場合には（Ｓ１８のＹ）、第２段クライオパネル監視部１０４は、凝縮気体量が基準値を超えたと判定する（Ｓ２０）。しきい値Ｓが第１しきい値Ｓ１である場合には、基準値は、設計上の吸蔵限界の値ＶＬに相当する。しきい値Ｓが第２しきい値Ｓ２である場合には、基準値は、許容吸蔵量ＶＡに相当する。第２段クライオパネル監視部１０４は、凝縮気体量が基準値を超えたことを出力するように構成されていてもよい。例えば、第２段クライオパネル監視部１０４は、凝縮気体量が基準値を超えたことを画像、音声、またはその他の適切な形式により作業者に提示するように構成されていてもよい。
　冷凍機１６の運転周波数がしきい値Ｓを超える場合には（Ｓ１８のＮ）、第２段クライオパネル監視部１０４は、凝縮気体量が基準値を下回ると判定する（Ｓ２２）。同様に、第２段クライオパネル監視部１０４は、凝縮気体量が基準値を下回ることを出力するように構成されていてもよい。
　このようにして、監視工程（Ｓ１４）は終了する。監視工程（Ｓ１４）は、ゲートバルブ９２を閉鎖することが許容されるたびに、または定期的に、またはその他適切な頻度で、繰り返し行われてもよい。
　図７は、ある実施の形態に係るクライオポンプ１０を概略的に示す図である。図示されるように、冷凍機１６は、第１冷却ステージ２２を加熱する出力可変のヒータ９６、例えば電気ヒータを備えてもよい。ヒータ９６は、第１冷却ステージ２２に装着されていてもよい。あるいは、ヒータ９６は、第１段クライオパネル１８のいずれかの部位に取り付けられていてもよい。
　この場合、第１段温度制御部１０２は、第１段クライオパネル１８を第１段目標温度に冷却すべくヒータ９６の出力（例えば、ヒータ９６に供給される電圧及び／または電流）を制御してもよい。第１段温度制御部１０２は、第１段目標温度と第１段クライオパネル１８の測定温度との偏差の関数として（例えばＰＩＤ制御により）ヒータ９６の出力を決定するよう構成されていてもよい。
　第１段クライオパネル１８への熱負荷が増加したとき第１段クライオパネル１８の温度が高まりうる。クライオパネル温度センサ８４の測定温度が第１段目標温度よりも高温である場合には、第１段温度制御部１０２は、ヒータ９６の出力を低下させる。その結果、第１段クライオパネル１８は第１段目標温度に向けて冷却される。逆にクライオパネル温度センサ８４の測定温度が目標温度よりも低温である場合には、第１段温度制御部１０２は、ヒータ９６の出力を増加させる。その結果、第１段クライオパネル１８は第１段目標温度に向けて昇温される。こうして、第１段クライオパネル１８の温度を第１段目標温度の近傍の温度範囲に留めることができる。
　第２段クライオパネル監視部１０４は、第１段熱負荷の変化に基づいて収容スペース６５内の凝縮気体量を監視し、より具体的には、第１段熱負荷が減少した場合に収容スペース６５内の凝縮気体量が増加したと判定する。そのため、第２段クライオパネル監視部１０４は、第１段温度制御部１０２からヒータ９６の出力を取得し、ヒータ９６の出力をしきい値と比較するように構成されていてもよい。第２段クライオパネル監視部１０４は、ヒータ９６の出力が当該しきい値を上回る場合に凝縮気体量が基準値を超えたと判定してもよい。第２段クライオパネル監視部１０４は、ヒータ９６の出力が当該しきい値に満たない場合に凝縮気体量が基準値を下回ると判定してもよい。
　第２段クライオパネル監視部１０４は、吸気口１２にクライオポンプ１０の外から入射する輻射熱が既定値となるタイミングでヒータ９６の出力を第１段温度制御部１０２から取得してもよい。タイミングは、ゲートバルブ９２の閉鎖中に設定されてもよい。
　以上説明したように、実施の形態に係るクライオポンプ１０においては、第１段熱負荷の変化に基づいて収容スペース６５内の凝縮気体量が監視される。第１段熱負荷の変化は凝縮層６８の形状の変化を反映するから、真空チャンバ９０に導入された第２種気体の累積量のみから吸蔵限界への到達を予測する既存の試みに比べて、クライオポンプ１０内の凝縮気体量をより正確に見積もることが可能となる。クライオポンプ１０に溜め込まれた気体の量が吸蔵限界に近づいていることをクライオポンプの使用中に予測することができる。
　より具体的には、冷凍機１６の運転周波数またはヒータ出力といった冷凍機１６の運転パラメータの変化として第１段熱負荷の変化を検知し、検知された運転パラメータの変化に基づいて収容スペース６５内の凝縮気体量が監視される。このようにして、第２種気体の吸蔵量が吸蔵限界に近づいていることをクライオポンプ１０の真空排気運転中にリアルタイムに予測することができる。
　従来に比べて吸蔵量が吸蔵限界により接近するまでクライオポンプ１０を使い続けることが可能となり、クライオポンプ１０の再生インターバル（前回の再生から次の再生までの期間）を長くすることができる。クライオポンプ１０が搭載される真空プロセス装置のスループット向上につながるように、クライオポンプ１０の再生スケジュールを真空プロセス装置における生産計画に適合させることがより容易となる。
　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。
　ある実施の形態においては、図８に示されるように、第２段クライオパネル監視部１０４は、凝縮気体量の複数の値それぞれを冷凍機１６の運転パラメータ（例えば、運転周波数またはヒータ９６の出力）の値に対応付けた凝縮気体量テーブル１０６を備えてもよい。凝縮気体量テーブル１０６は、ルックアップテーブル、関数、またはそのほか任意の形式を有してもよい。第２段クライオパネル監視部１０４は、冷凍機１６の運転パラメータを第１段温度制御部１０２から取得してもよい。第２段クライオパネル監視部１０４は、冷凍機１６の運転パラメータと凝縮気体量テーブル１０６から凝縮気体量の推測値を算出してもよい。第２段クライオパネル監視部１０４は、算出された凝縮気体量の推測値を画像、音声、またはその他の適切な形式により出力するように構成されていてもよい。このようにすれば、クライオポンプ１０は、凝縮気体量をリアルタイムに推測することができる。
　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のクライオポンプ中心軸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ポンプの監視方法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、　１６　冷凍機、　１８　第１段クライオパネル、　２０　第２段クライオパネル、　２２　第１冷却ステージ、　２４　第２冷却ステージ、　６５　収容スペース、　６８　凝縮層、　８６ａ，８６ｂ　輻射熱、　９２　ゲートバルブ、　９６　ヒータ、　１０２　第１段温度制御部、　１０４　第２段クライオパネル監視部、　１０６　凝縮気体量テーブル。

Claims (12)

  1. 　気体の凝縮層の収容スペースを有するクライオポンプであって、
    　前記気体の凝縮温度より高い温度に冷却される第１段クライオパネルであって、前記収容スペースを囲むように配置された第１段クライオパネル内面を有する第１段クライオパネルと、
    　前記気体の凝縮温度以下の温度に冷却され、前記気体の凝縮層が堆積する第２段クライオパネルであって、前記収容スペースとともに前記第１段クライオパネル内面に囲まれて配置された第２段クライオパネルと、
    　前記クライオポンプの外から前記第１段クライオパネル内面に入射する第１段熱負荷、および、前記クライオポンプの外から前記収容スペースに進入する前記気体の通過を許容するクライオポンプ吸気口と、
    　前記第１段熱負荷の変化に基づいて前記収容スペース内の凝縮気体量を監視する第２段クライオパネル監視部と、を備えることを特徴とするクライオポンプ。
  2. 　前記第２段クライオパネル監視部は、前記第１段熱負荷が減少した場合に前記凝縮気体量が増加したと判定す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. 　前記第１段クライオパネルに熱的に結合された第１冷却ステージと、前記第２段クライオパネルに熱的に結合された第２冷却ステージとを備える冷凍機と、
    　前記第１段クライオパネルを第１段目標温度に冷却すべく前記冷凍機の運転周波数を制御する第１段温度制御部と、をさらに備え、
    　前記第２段クライオパネル監視部は、前記冷凍機の運転周波数をしきい値と比較し、前記冷凍機の運転周波数が前記しきい値を下回る場合に前記凝縮気体量が基準値を超えたと判定す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. 　前記第２段クライオパネル監視部は、前記クライオポンプ吸気口に前記クライオポンプの外から入射する輻射熱が既定値となるタイミングで前記冷凍機の運転周波数を取得し、取得した前記冷凍機の運転周波数を前記しきい値と比較することを特徴とする請求項３に記載のクライオポンプ。
  5. 　前記クライオポンプ吸気口を閉鎖するゲートバルブが設けられており、
    　前記タイミングは、前記ゲートバルブの閉鎖中に設定されることを特徴とする請求項４に記載のクライオポンプ。
  6. 　前記凝縮気体量の複数の値それぞれを前記冷凍機の運転周波数の値に対応付けた凝縮気体量テーブルをさらに備え、
    　前記第２段クライオパネル監視部は、前記冷凍機の運転周波数と前記凝縮気体量テーブルから前記凝縮気体量の推測値を算出することを特徴とする請求項３から５のいずれかに記載のクライオポンプ。
  7. 　前記第１段クライオパネルに熱的に結合された第１冷却ステージと、前記第１冷却ステージを加熱するヒータと、前記第２段クライオパネルに熱的に結合された第２冷却ステージとを備える冷凍機と、
    　前記第１段クライオパネルを第１段目標温度に冷却すべく前記ヒータの出力を制御する第１段温度制御部と、をさらに備え、
    　前記第２段クライオパネル監視部は、前記ヒータの出力をしきい値と比較し、前記ヒータの出力が前記しきい値を上回る場合に前記凝縮気体量が基準値を超えたと判定す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。
  8. 　前記第１段クライオパネルに熱的に結合された第１冷却ステージと、前記第２段クライオパネルに熱的に結合された第２冷却ステージとを備える冷凍機と、
    　前記第１段クライオパネルを第１段目標温度に冷却すべく前記冷凍機の運転パラメータを制御する第１段温度制御部と、をさらに備え、
    　前記第２段クライオパネル監視部は、前記冷凍機の運転パラメータを前記第１段温度制御部から取得し、前記冷凍機の運転パラメータをしきい値と比較することにより前記凝縮気体量が基準値を超えたか否かを判定す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。
  9. 　前記第２段クライオパネル監視部は、前記クライオポンプ吸気口に前記クライオポンプの外から入射する輻射熱が既定値となるタイミングで前記冷凍機の運転パラメータを取得し、取得した前記冷凍機の運転パラメータを前記しきい値と比較することを特徴とする請求項８に記載のクライオポンプ。
  10. 　前記凝縮気体量の複数の値それぞれを前記冷凍機の運転パラメータの値に対応付けた凝縮気体量テーブルをさらに備え、
    　前記第２段クライオパネル監視部は、前記冷凍機の運転パラメータと前記凝縮気体量テーブルから前記凝縮気体量の推測値を算出することを特徴とする請求項８または９に記載のクライオポンプ。
  11. 　前記第１段クライオパネルは第１冷却温度に冷却され、前記第２段クライオパネルは前記第１冷却温度より低い第２冷却温度に冷却され、
    　前記気体は、前記第１冷却温度では凝縮せず、前記第２冷却温度で凝縮するタイプ２ガスであることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載のクライオポンプ。
  12. 　クライオポンプの監視方法であって、
    　前記クライオポンプは、気体の凝縮層の収容スペースを囲むように配置された第１段クライオパネル内面を有する第１段クライオパネルと、前記収容スペースとともに前記第１段クライオパネル内面に囲まれて配置された第２段クライオパネルと、を備え、
    　前記方法は、
    　前記第１段クライオパネルを前記気体の凝縮温度より高い温度に冷却するとともに、前記第２段クライオパネルを前記気体の凝縮温度以下の温度に冷却することと、
    　前記クライオポンプの外からクライオポンプ吸気口を通じて前記収容スペースに進入する前記気体の凝縮層を前記第２段クライオパネルに堆積させることと、
    　前記クライオポンプの外から前記クライオポンプ吸気口を通じて前記第１段クライオパネル内面に入射する第１段熱負荷の変化に基づいて前記収容スペース内の凝縮気体量を監視することと、を備えることを特徴とする方法。
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