WO2023145296A1 - クライオポンプ - Google Patents

クライオポンプ Download PDF

Info

Publication number
WO2023145296A1
WO2023145296A1 PCT/JP2022/046490 JP2022046490W WO2023145296A1 WO 2023145296 A1 WO2023145296 A1 WO 2023145296A1 JP 2022046490 W JP2022046490 W JP 2022046490W WO 2023145296 A1 WO2023145296 A1 WO 2023145296A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cryopump
inlet
shield
cryopanel
gas
Prior art date
Application number
PCT/JP2022/046490
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
健生 望月
Original Assignee
住友重機械工業株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 住友重機械工業株式会社 filed Critical 住友重機械工業株式会社
Priority to CN202280085862.1A priority Critical patent/CN118451252A/zh
Publication of WO2023145296A1 publication Critical patent/WO2023145296A1/ja

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B37/00—Pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B35/00
    • F04B37/06—Pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B35/00 for evacuating by thermal means
    • F04B37/08—Pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B35/00 for evacuating by thermal means by condensing or freezing, e.g. cryogenic pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B37/00—Pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B35/00
    • F04B37/10—Pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B35/00 for special use
    • F04B37/14—Pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B35/00 for special use to obtain high vacuum
    • F04B37/16—Means for nullifying unswept space

Definitions

  • the present invention relates to cryopumps.
  • a cryopump is a vacuum pump that traps gas molecules by condensation or adsorption in a cryopanel cooled to an extremely low temperature and exhausts it.
  • Cryopumps are generally used to realize a clean vacuum environment required for semiconductor circuit manufacturing processes and the like.
  • a cryopump in which an inlet cryopanel with openings such as a large number of small holes is arranged at the cryopump inlet.
  • a target gas eg, argon, enters the cryopump from outside the cryopump through an opening in the inlet cryopanel and is captured by the cryopanel, which is cooler than the inlet cryopanel located within the cryopump.
  • the trapped target gas forms an ice block on this low-temperature cryopanel.
  • the ice block on the low-temperature cryopanel is formed not only from the target gas but from a mixed gas (for example, argon gas and water vapor). Due to the difference in physical properties (for example, thermal conductivity, lattice constant) between different gas species, mixed gas ice blocks tend to be brittle and break easily compared to ice blocks consisting of only the target gas. Radiant heat is incident on the ice block, causing a temperature rise and promoting cracking of the ice block. If a block of ice cracks and a piece of ice falls and touches a hotter part such as a radiation shield, there is concern that vaporization of the ice piece will cause a sudden pressure rise (also called a microburst).
  • a mixed gas for example, argon gas and water vapor
  • One exemplary objective of certain aspects of the present invention is to reduce the risk of microbursts occurring within cryopumps.
  • a cryopump includes a cryopump vessel having a cryopump inlet; a radiation shield cooled to a first cooling temperature and extending from the cryopump inlet into the cryopump vessel; a cryopanel unit cooled to a second cooling temperature lower than the first cooling temperature and arranged so as to be surrounded by a radiation shield inside the cryopump container; and a cryopanel unit cooled to the first cooling temperature and arranged outside the cryopump.
  • an inlet shield positioned at the cryopump inlet such that it is not visible from the cryopump.
  • the radiation shield has a first gas inlet formed at a height between the inlet shield and the cryopanel unit.
  • FIG. 1 is a side sectional view schematically showing a cryopump according to an embodiment
  • FIG. 2 is a schematic side view of a radiation shield within the cryopump shown in FIG. 1
  • FIG. FIG. 5 is a side cross-sectional view schematically showing a cryopump according to a comparative example
  • 4(a) and 4(b) are side views schematically showing other examples of a radiation shield and an inlet shield, respectively, that can be applied to the cryopump shown in FIG. 1
  • FIG. 2A and 2B schematically show top views of other examples of radiation shields and inlet shields that can be applied to the cryopump shown in FIG. 1
  • FIG. 3 is a top view schematically showing another example of a radiation shield and an inlet shield that can be applied to the cryopump shown in FIG. 1
  • FIG. 1 is a side sectional view schematically showing a cryopump 10 according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic side view of the radiation shield within the cryopump 10 shown in FIG.
  • FIG. 1 shows a cross section including a cryopump central axis (hereinafter also simply referred to as central axis) C. As shown in FIG. For easy understanding, the central axis C is indicated by a dashed line in FIG.
  • the cryopump 10 is mounted, for example, in the vacuum chamber of an ion implanter, sputtering device, vapor deposition device, or other vacuum process device to increase the degree of vacuum inside the vacuum chamber to the level required for the desired vacuum process. used.
  • the cryopump 10 has a cryopump inlet (hereinafter also simply referred to as "inlet") 12 for receiving gas to be evacuated from the vacuum chamber. Gas enters the internal space of the cryopump 10 through the inlet 12 .
  • the terms “axial direction” and “radial direction” may be used in order to express the positional relationship of the constituent elements of the cryopump 10 in an easy-to-understand manner.
  • the axial direction of the cryopump 10 represents the direction passing through the inlet 12 (that is, the direction along the central axis C in the drawing), and the radial direction represents the direction along the inlet 12 (direction perpendicular to the central axis C).
  • the position relatively close to the air inlet 12 in the axial direction may be referred to as "upper”
  • the position relatively farther away may be referred to as "lower”.
  • cryopump 10 relatively far from the bottom of the cryopump 10 may be called “upper”, and relatively close to it may be called “lower”.
  • the position near the center of the intake port 12 (central axis C in the figure) may be called “inside”, and the position near the periphery of the intake port 12 may be called “outside”.
  • these expressions are not related to the placement of the cryopump 10 when attached to the vacuum chamber.
  • the cryopump 10 may be mounted vertically in the vacuum chamber with the inlet 12 facing downward.
  • the circumferential direction is a second direction along the intake port 12 and is a tangential direction perpendicular to the radial direction.
  • the cryopump 10 includes a refrigerator 14 , a cryopump container 16 , a first-stage cryopanel 18 , and a cryopanel unit 20 .
  • the first stage cryopanel 18 may also be referred to as the high temperature cryopanel section or 100K section.
  • the cryopanel unit 20 is a second stage cryopanel and may also be referred to as a low temperature cryopanel section or a 10K section.
  • the refrigerator 14 is, for example, a cryogenic refrigerator such as a Gifford-McMahon refrigerator (so-called GM refrigerator).
  • the refrigerator 14 is a two-stage refrigerator and includes a first cooling stage 22 and a second cooling stage 24 .
  • the refrigerator 14 is configured to cool the first cooling stage 22 to a first cooling temperature and 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.
  • First cooling stage 22 and second cooling stage 24 may be referred to as a hot cooling stage and a cold cooling stage, respectively.
  • the refrigerator 14 also includes a refrigerator structural portion 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 14 .
  • the refrigerator structure 21 includes a first cylinder 23 and a second cylinder 25 coaxially extending along the radial direction.
  • a first cylinder 23 connects a room temperature section 26 of the refrigerator 14 to the first cooling stage 22 .
  • a second cylinder 25 connects the first cooling stage 22 to the second cooling stage 24 .
  • the first cooling stage 22 and the second cooling stage 24 are made of a highly thermally conductive metallic material such as copper (eg, pure copper), and the first cylinder 23 and the second cylinder 25 are made of other metallic material, such as stainless steel. It is formed.
  • 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 arranged linearly in this order.
  • a first displacer and a second displacer are reciprocally arranged 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 also has a drive mechanism (not shown) for reciprocating the first displacer and the second displacer.
  • the drive mechanism includes a channel switching mechanism that switches the channel of the working gas so as to periodically repeat the supply and discharge of the working gas (for example, helium) to the interior of the refrigerator 14 .
  • the refrigerator 14 is connected to a working gas compressor (not shown).
  • the refrigerator 14 expands the working gas pressurized by the compressor to cool the first cooling stage 22 and the second cooling stage 24 .
  • the expanded working gas is recovered by the compressor and pressurized again.
  • the refrigerator 14 generates cold by repeating thermal cycles including supply and discharge of the working gas and synchronized reciprocating motion of the first displacer and the second displacer.
  • the illustrated cryopump 10 is a so-called horizontal cryopump.
  • a horizontal cryopump is generally a cryopump in which the refrigerator 14 is arranged to intersect (normally perpendicular to) the central axis C of the cryopump 10 .
  • the present invention can also be applied to so-called vertical cryopumps.
  • a vertical cryopump is a cryopump in which a refrigerator is arranged along the axial direction of the cryopump.
  • the cryopump container 16 is a vacuum container configured to keep its internal space vacuum-tight.
  • the cryopump container 16 accommodates the refrigerator 14 , the first-stage cryopanel 18 , and the cryopanel unit 20 .
  • the inlet port 12 is defined by the front end of the cryopump container 16 .
  • the cryopump container 16 includes an inlet flange 16a extending radially outward from its front end.
  • the inlet flange 16 a is provided along the entire circumference of the cryopump container 16 .
  • the cryopump 10 is attached to the vacuum chamber of the vacuum process equipment using the inlet flange 16a.
  • the cryopump container 16 includes a container body portion 16b extending in the axial direction from the inlet flange 16a, a container bottom portion 16c that closes the container body portion 16b on the side opposite to the inlet port 12, the inlet flange 16a and the container bottom portion 16c. and a refrigerator housing cylinder 16d extending laterally between the .
  • An end portion of the refrigerator housing tube 16d is attached to the room temperature portion 26 of the refrigerator 14 on the side opposite to the container body portion 16b, whereby the low temperature portion of the refrigerator 14 (that is, the first cylinder 23, the first cooling stage 22 , a second cylinder 25 , and a second cooling stage 24 ) are disposed within the cryopump vessel 16 without contact with the cryopump vessel 16 .
  • the first cylinder 23 is arranged inside the refrigerator housing tube 16d, and the first cooling stage 22, the second cylinder 25, and the second cooling stage 24 are arranged inside the container body 16b.
  • the first stage cryopanel 18 and the cryopanel unit 20 are also arranged in the container body 16b.
  • the first stage cryopanel 18 includes a radiation shield 30 and an inlet shield 32 and surrounds the cryopanel unit 20 .
  • the first stage cryopanel 18 provides a cryogenic surface to protect the cryopanel unit 20 from radiant heat from outside the cryopump 10 or from the cryopump vessel 16 .
  • the first stage 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 stage cryopanel 18 has a gap with the cryopanel unit 20 , and the first stage cryopanel 18 is not in contact with the cryopanel unit 20 .
  • the first stage cryopanel 18 is also not in contact with the cryopump vessel 16 .
  • the radiation shield 30 is provided to protect the cryopanel unit 20 from radiant heat from the cryopump container 16 .
  • the radiation shield 30 extends axially from the inlet 12 into the cryopump vessel 16 in a cylindrical shape (for example, a cylindrical shape).
  • a radiation shield 30 is between the cryopump vessel 16 and the cryopanel unit 20 and surrounds the cryopanel unit 20 .
  • the radiation shield 30 has a slightly smaller diameter than the cryopump vessel 16 to form a shield outer gap 31 between the radiation shield 30 and the cryopump vessel 16 . Therefore, the radiation shield 30 is not in contact with the cryopump vessel 16 .
  • the first cooling stage 22 of the refrigerator 14 is directly attached to the side outer surface of the radiation shield 30 .
  • the radiation shield 30 is thermally coupled to the first cooling stage 22 and thus cooled to the first cooling temperature.
  • the radiation shield 30 may be attached to the first cooling stage 22 via an appropriate heat transfer member.
  • the second cooling stage 24 and the second cylinder 25 of the refrigerator 14 are inserted into the radiation shield 30 from the side of the radiation shield 30 .
  • the radiation shield 30 has an upper shield portion 30a arranged on the inlet port 12 side with respect to the second cooling stage 24 of the refrigerator 14, and a shield lower portion portion 30b arranged on the container bottom portion 16c side with respect to the second cooling stage 24.
  • the shield upper part 30 a is a cylinder with both ends open and surrounds the upper part of the cryopanel unit 20 .
  • the shield lower portion 30 b is a bottomed cylinder with an open top end and a closed bottom end, and surrounds the bottom portion of the cryopanel unit 20 .
  • the lower end of the shield upper portion 30a and the upper end of the shield lower portion 30b are generally at the same height.
  • the diameter of the shield top portion 30a is somewhat smaller than the diameter of the shield bottom portion 30b, and the shield outer gap 31 is wider outside the shield top portion 30a (compared to the outside of the shield bottom portion 30b).
  • the radiation shield 30 has a first gas intake 34 and a second gas intake 36 .
  • the first gas inlet 34 is formed at a height between the inlet shield 32 and the cryopanel unit 20 .
  • the second gas inlet 36 is formed at a height between the part of the cryopanel unit 20 closest to the inlet 12 and the container bottom 16c.
  • the inlet shield 32 is provided at the inlet 12 to protect the cryopanel unit 20 from radiant heat from a heat source outside the cryopump 10 (for example, a heat source inside the vacuum chamber to which the cryopump 10 is attached). .
  • Inlet shield 32 is thermally coupled to first cooling stage 22 through radiation shield 30 and, like radiation shield 30, is cooled to a first cooling temperature.
  • gas eg, moisture
  • the inlet shield 32 is arranged at the inlet 12 so that the cryopanel unit 20 is invisible from the outside of the cryopump 10 .
  • the inlet shield 32 completely closes the end opening of the radiation shield 30 on the inlet 12 side, that is, the upper end opening of the shield upper portion 30a.
  • the inlet shield 32 has no opening, and the radiant heat and gas entering the inlet shield 32 from outside the cryopump 10 are completely shielded by the inlet shield 32 .
  • the air inlet shield 32 is a disc arranged perpendicular to the central axis C so as to cross the air inlet 12, its diameter is equal to the diameter of the shield upper part 30a, and it is coupled to the upper end of the shield upper part 30a.
  • the inlet shield 32 may be attached to a joint block (not shown) at its perimeter.
  • the joint blocks are protrusions protruding radially inward at the upper end of the shield upper portion 30a, and are formed at regular intervals (for example, every 90°) in the circumferential direction.
  • the inlet shield 32 is secured to the joint block using fasteners such as bolts or by other suitable techniques such as welding.
  • the shield outer gap 31 is not blocked by the intake port shield 32 .
  • the inlet shield 32 may have a diameter larger than that of the radiation shield 30 so that part of the shield outer gap 31 may be covered by the inlet shield 32 .
  • the cryopanel unit 20 includes a plurality of cryopanels arranged in the axial direction. For convenience of explanation, the portion of these cryopanels that is closest to the intake port 12 is referred to as a top cryopanel 41 . These cryopanels are each thermally coupled to a second cooling stage 24 and cooled to a second cooling temperature lower than the first cooling temperature.
  • the cryopanel unit 20 is arranged below the inlet shield 32 so as to be surrounded by the radiation shield 30 inside the cryopump container 16 . The cryopanel unit 20 is not in contact with the radiation shield 30 and inlet shield 32 .
  • the front surface of the top cryopanel 41 faces the back surface of the inlet shield 32 , and no other cryopanel is provided between the top cryopanel 41 and the inlet shield 32 .
  • the top cryopanel 41 is arranged in the container body 16 b of the cryopump container 16 in the axial direction generally near the middle.
  • the central portion of the top cryopanel 41 may be attached directly to the upper surface of the second cooling stage 24 of the refrigerator 14 .
  • the axial distance from the inlet shield 32 to the top cryopanel 41 may be in the range of, for example, 30-70%, or 40-60% of the axial distance from the inlet shield 32 to the vessel bottom 16c.
  • Condensation layer 90 may form a hemispherical ice block as shown.
  • the top cryopanel 41 is a disc-shaped member arranged vertically in the axial direction, and its center is located on or near the central axis C of the cryopump 10 .
  • the top cryopanel 41 is entirely flat and does not have an inclined surface.
  • the top cryopanel 41 is relatively large, and the diameter of the top cryopanel 41 may be, for example, 70% or more or 80% or more of the inlet shield 32 .
  • the diameter of the top cryopanel 41 may be 98% or less or 90% or less of the diameter of the inlet shield 32 . This ensures that the top cryopanel 41 is out of contact with the radiation shield 30 .
  • the axial projected area of the top cryopanel 41 may be 50% to 95% of the area of the inlet shield 32, preferably 73% to 90%.
  • the cryopanel unit 20 is provided with one or more intermediate cryopanels 42 , one or more lower cryopanels 43 , and connecting cryopanels 44 .
  • one intermediate cryopanel 42 and two lower cryopanels 43 are provided.
  • the axial spacing between the intermediate cryopanels 42 and the lower cryopanels 43 is greater than the axial spacing between the lower cryopanels 43, thereby providing a relatively wide condensation layer between the intermediate cryopanels 42 and the lower cryopanels 43.
  • a containment space is formed.
  • Each of the intermediate cryopanel 42 and the lower cryopanel 43 has a truncated cone shape, and has a flat disk-shaped central portion and an outer peripheral portion that slopes radially outward and downward.
  • the centers of these cryopanels are located on or near the central axis C of the cryopump 10 .
  • the intermediate cryopanel 42 is positioned below the top cryopanel 41 and above the second cooling stage 24
  • the lower cryopanel 43 is positioned below the second cooling stage 24 .
  • the intermediate cryopanel 42 may be positioned at the same height as the second cooling stage 24 (between the upper and lower surfaces of the second cooling stage 24).
  • both the diameters of the intermediate cryopanel 42 and the lower cryopanel 43 are smaller than the diameter of the top cryopanel 41
  • the diameter of the intermediate cryopanel 42 is smaller than the diameter of the lower cryopanel 43 .
  • a connecting cryopanel 44 extends from the second cooling stage 24 to the lower cryopanel 43 and thermally couples the lower cryopanel 43 to the second cooling stage 24 .
  • the connecting cryopanels 44 may be a set of elongated plate-like members extending axially on both radial sides of the second cooling stage 24 .
  • the connecting cryopanel 44 has its upper end attached to the second cooling stage 24 and its lower end attached to the lower cryopanel 43 .
  • Each cryopanel that constitutes the cryopanel unit 20 is generally made of a highly thermally conductive metal material such as copper (for example, pure copper), and if necessary, the surface may be coated with a metal layer such as nickel.
  • an adsorbent for example, activated carbon
  • non-condensable gas for example, hydrogen
  • Adsorbents may be provided on the back surfaces of the top cryopanel 41 , the middle cryopanel 42 , and/or the lower cryopanel 43 , for example.
  • cryopanel unit 20 The specific configuration of the cryopanel unit 20 is not limited to that described above.
  • additional cryopanels may be provided between the top cryopanel 41 and the inlet shield 32 , and such additional cryopanels may be smaller in diameter than the top cryopanel 41 .
  • the top cryopanel 41 may have a radially outer downward (or upward) sloping surface on its outer periphery.
  • At least one of the middle cryopanel 42 and the lower cryopanel 43 (for example, the lowest cryopanel) may have a larger diameter than the top cryopanel 41 .
  • the intermediate cryopanel 42 and/or the lower cryopanel 43 may be disc-shaped plates without inclined surfaces, like the top cryopanel 41 .
  • the shape of the cryopanel when viewed from the axial direction is not limited to circular, and may have other shapes such as rectangular and polygonal.
  • the first gas inlets 34 are a plurality of openings formed in the shield upper portion 30 a at an axial height between the inlet shield 32 and the top cryopanel 41 .
  • the first gas inlet 34 may be located relatively high and may be closer to the inlet shield 32 than the top cryopanel 41 .
  • the first gas intake port 34 may be formed at the upper end of the shield upper portion 30a and below the upper edge of the shield upper portion 30a.
  • Each opening forming the first gas intake 34 is a small hole elongated in the circumferential direction in this example, as shown in FIG. These small holes are provided at regular intervals in the circumferential direction.
  • the total area of the openings of the first gas inlets 34 may be, for example, 10% or less or 5% or less of the area of the inlet 12 .
  • the shape and arrangement of the openings can be appropriately determined so as to achieve the pumping performance (for example, pumping speed) desired for the cryopump 10 .
  • the second gas inlet 36 is formed at an axial height between the top cryopanel 41 and the vessel bottom 16c, in this example between the middle cryopanel 42 and the lower cryopanel 43. there is A second gas inlet 36 may be formed between the top cryopanel 41 and the middle cryopanel 42 .
  • the second gas intake 36 has a plurality of openings 36a formed in the shield upper portion 30a (for example, the lower end of the shield upper portion 30a) and a shield gap 36b between the shield upper portion 30a and the shield lower portion 30b.
  • the openings 36a are small holes elongated in the circumferential direction, and are provided at regular intervals in the circumferential direction. In this example, opening 36 a is somewhat longer in the circumferential direction than the opening forming first gas inlet 34 .
  • a shield gap 36b is defined between the lower end of the shield upper portion 30a and the upper end of the shield lower portion 30b.
  • the shape and arrangement of the second gas intake port 36 can be appropriately determined so as to achieve the pumping performance (for example, pumping speed) desired for the cryopump 10 .
  • the inside of the vacuum chamber is first rough-pumped to about 1 Pa by another suitable rough-pump pump. After that, the cryopump 10 is activated.
  • 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 cryopanel unit 20 thermally coupled thereto are also cooled to the first cooling temperature and the second cooling temperature, respectively.
  • the inlet shield 32 cools the gas flying toward the cryopump 10 from the vacuum chamber.
  • a gas having a sufficiently low vapor pressure (for example, 10 ⁇ 8 Pa or less) condenses on the surface of the inlet shield 32 at the first cooling temperature.
  • This gas may be referred to as a first type gas.
  • the first gas is, for example, water vapor.
  • the inlet shield 32 can exhaust the first type gas.
  • the inlet shield 32 can shield the radiant heat (indicated by solid line arrows in FIG. 1) directed from the vacuum chamber to the cryopump 10 .
  • the first type gas is condensed on the surface of the shield upper portion 30 a which defines the shield outer gap 31 . Gases that do not have a sufficiently low vapor pressure at the first cooling temperature may enter the radiation shield 30 through either the first gas inlet 34 or the second gas inlet 36 (indicated by dashed arrows in FIG. 1).
  • the gas entering from the first gas inlet 34 is cooled by the top cryopanel 41 .
  • Gas entering from the second gas inlet 36 is cooled by the intermediate cryopanel 42 or the lower cryopanel 43 .
  • a gas having a sufficiently low vapor pressure (for example, 10 ⁇ 8 Pa or less) condenses on the surfaces of these cryopanels at the second cooling temperature.
  • This gas may be referred to as a second type gas.
  • the second type gas is argon (Ar), for example.
  • the cryopanel unit 20 can exhaust the second type gas.
  • a gas whose vapor pressure is not sufficiently low at the second cooling temperature is adsorbed by the adsorbent on the cryopanel unit 20 .
  • This gas may be referred to as a third type gas.
  • the third gas is hydrogen (H 2 ), for example.
  • the cryopanel unit 20 can exhaust the third type gas. Therefore, the cryopump 10 can evacuate various gases by condensation or adsorption to bring the degree of vacuum in the vacuum chamber to a desired level.
  • FIG. 3 is a side sectional view schematically showing a cryopump according to a comparative example.
  • an inlet cryopanel 80 having multiple openings 82 is attached to the top opening of the radiation shield 30 . These openings 82 are formed in the center of the entrance cryopanel 80 .
  • Radiation shield 30 is not provided with openings for introducing gas.
  • the radiant heat enters the radiation shield 30 through the opening 82 of the entrance cryopanel 80 (indicated by solid arrows in FIG. 3). Since these openings 82 face the condensed layer 90 formed on the top cryopanel 41 of the cryopanel unit 20, the radiant heat is incident on the surface of the condensed layer 90 through the openings 82, causing the temperature of the condensed layer 90 to rise. can be raised.
  • the mixed gas of the first and second gas for example, the mixed gas of water vapor and argon gas
  • the condensed layer 90 may contain a first gas and a second gas.
  • mixed gas ice blocks tend to be brittle and break easily compared to ice blocks consisting of only one type of gas.
  • an ice block of mixed gas of water vapor and argon gas is more likely to crack than an ice block of argon gas.
  • a rise in surface temperature due to incident radiant heat on the ice mass can also promote cracking of the ice mass. If the block of ice cracks and the ice flakes fall and touch the radiation shield 30, the ice flakes will rapidly vaporize. This can cause a sudden pressure rise (also called a microburst) within the cryopump 10 . This is undesirable as it can adversely affect the pumping performance of cryopump 10 .
  • the first type gas is basically captured on the inlet shield 32 . Most of the first type gas that enters the shield outer gap 31 without being trapped is also trapped on the sides of the radiation shield 30 before reaching the first gas inlet 34 or the second gas inlet 36 . Therefore, it can be expected that the first type gas hardly enters the radiation shield 30 and hardly mixes with the condensed layer 90 .
  • the second gas and third gas can be received into radiation shield 30 from first gas inlet 34 or second gas inlet 36 .
  • the inlet shield 32 since the inlet shield 32 is arranged so that the cryopanel unit 20 is invisible from the outside of the cryopump 10 , the inlet shield 32 prevents radiant heat from entering the cryopanel unit 20 from the outside of the cryopump 10 . can be shielded by Therefore, the temperature rise of the condensed layer 90 is also suppressed.
  • the upper end opening of the radiation shield 30 is completely blocked by the inlet shield 32, it is possible to effectively prevent the entry of the first type gas and radiant heat compared to the comparative example. . Therefore, according to the cryopump 10 according to the embodiment, it is possible to reduce the risk of microbursts occurring inside the cryopump 10 .
  • the radiation shield 30 has a divided structure of the shield upper portion 30a and the shield lower portion 30b.
  • radiation shield 30 may be a single piece extending from inlet 12 to vessel bottom 16c, with first gas inlet 34 and second gas inlet 36 formed in such a single piece.
  • the first gas intake port 34 is provided in the radiation shield 30 .
  • the first gas inlet 34 may be provided between the radiation shield 30 and the inlet shield 32 .
  • the first gas inlet 34 may be a notch formed in the upper edge of the radiation shield 30 .
  • the inlet shield 32 may be spaced axially upward from the upper edge of the radiation shield 30 .
  • the inlet shield 32 may be arranged with a gap (that is, the first gas inlet 34 ) radially inward from the upper edge of the radiation shield 30 .
  • the inlet shield 32 completely closes the upper end opening of the radiation shield 30 .
  • an opening as the first gas inlet 34 may be formed in the inlet shield 32 .
  • the opening of the inlet shield 32 is made invisible to the cryopanel unit 20 from the outside of the cryopump 10.
  • the present invention can be used in the field of cryopumps.
  • cryopump 10 cryopump, 12 intake, 16 cryopump container, 16c container bottom, 20 cryopanel unit, 30 radiation shield, 32 intake shield, 34 first gas intake, 36 second gas intake.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Compressors, Vaccum Pumps And Other Relevant Systems (AREA)

Abstract

クライオポンプ（１０）は、吸気口（１２）を有するクライオポンプ容器（１６）と、第１冷却温度に冷却され、吸気口（１２）からクライオポンプ容器（１６）内へと延在する放射シールド（３０）と、第１冷却温度より低い第２冷却温度に冷却され、クライオポンプ容器（１６）内で放射シールド（３０）に囲まれるようにして配置されるクライオパネルユニット（２０）と、第１冷却温度に冷却され、クライオパネルユニット（２０）がクライオポンプ（１０）の外から視認不能となるように吸気口（１２）に配置される吸気口シールド（３２）と、を備える。放射シールド（３０）は、吸気口シールド（３２）とクライオパネルユニット（２０）との間の高さに形成される第１ガス取入口（３４）を有する。

Description

クライオポンプ
　本発明は、クライオポンプに関する。
　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。
特開２０１６－７５２１８号公報
　多数の小孔など開口部を有する入口クライオパネルをクライオポンプ吸気口に配置したクライオポンプが知られている。例えばアルゴンなどの対象ガスが、クライオポンプの外から入口クライオパネルの開口部を通じてクライオポンプ内に進入し、クライオポンプ内に配置された入口クライオパネルよりも低温のクライオパネルに捕捉される。捕捉された対象ガスは、この低温クライオパネル上で氷塊を形成する。
　しかし、クライオポンプ内に入るのは対象ガスのみには限られない。入口クライオパネルによって本来遮蔽されるべき水蒸気などの低蒸気圧ガスや輻射熱も、入口クライオパネルの開口部からクライオポンプ内にいくらか進入しうる。したがって、低温クライオパネル上の氷塊は、対象ガスのみからではなく、混合ガス（例えばアルゴンガスと水蒸気）から形成されることになる。異なるガス種どうしの物理的性質（例えば熱伝導、格子定数）の違いに起因して、混合ガスの氷塊は、対象ガスのみからなる氷塊に比べて脆く割れやすい傾向にある。輻射熱は氷塊に入射して温度上昇をもたらし、氷塊の割れを促進しうる。もし、氷塊が割れ、氷片が落下して放射シールドなどのより高温の部位に触れると、氷片の気化により突発的な圧力上昇（マイクロバーストとも呼ばれる）を発生させることが懸念される。
　本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、クライオポンプ内でマイクロバーストが生じるリスクを低減することにある。
　本発明のある態様によると、クライオポンプは、クライオポンプ吸気口を有するクライオポンプ容器と、第１冷却温度に冷却され、クライオポンプ吸気口からクライオポンプ容器内へと延在する放射シールドと、第１冷却温度より低い第２冷却温度に冷却され、クライオポンプ容器内で放射シールドに囲まれるようにして配置されるクライオパネルユニットと、第１冷却温度に冷却され、クライオパネルユニットがクライオポンプの外から視認不能となるようにクライオポンプ吸気口に配置される吸気口シールドと、を備える。放射シールドは、吸気口シールドとクライオパネルユニットとの間の高さに形成される第１ガス取入口を有する。
　本発明によれば、クライオポンプ内でマイクロバーストが生じるリスクを低減することができる。
実施の形態に係るクライオポンプを概略的に示す側断面図である。 図１に示すクライオポンプ内の放射シールドを概略的に示す側面図である。 比較例に係るクライオポンプを概略的に示す側断面図である。 図４（ａ）および図４（ｂ）はそれぞれ、図１に示すクライオポンプに適用しうる放射シールドおよび吸気口シールドの他の例を概略的に示す側面図であり、図４（ｃ）は、図１に示すクライオポンプに適用しうる放射シールドおよび吸気口シールドの他の例を概略的に示す上面図である。 図１に示すクライオポンプに適用しうる放射シールドおよび吸気口シールドの他の例を概略的に示す上面図である。
　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、実施の形態に係るクライオポンプ１０を概略的に示す側断面図である。図２は、図１に示すクライオポンプ１０内の放射シールドを概略的に示す側面図である。図１には、クライオポンプ中心軸（以下では単に中心軸ともいう）Ｃを含む断面が示されている。理解の容易のため、図１には中心軸Ｃが一点鎖線で示されている。
　クライオポンプ１０は、例えばイオン注入装置、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に取り付けられて、真空チャンバ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（以下では単に「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の内部空間に進入する。
　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。クライオポンプ１０の軸方向は吸気口１２を通る方向（すなわち、図において中心軸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１４、クライオポンプ容器１６、第１段クライオパネル１８、及び、クライオパネルユニット２０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。クライオパネルユニット２０は、第２段のクライオパネルであり、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１４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１４は、二段式の冷凍機であり、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１４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。第１冷却ステージ２２および第２冷却ステージ２４はそれぞれ、高温冷却ステージおよび低温冷却ステージと称してもよい。
　また、冷凍機１４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１４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１４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。典型的に、第１冷却ステージ２２と第２冷却ステージ２４は銅（例えば純銅）などの高熱伝導金属材料で形成され、第１シリンダ２３と第２シリンダ２５は例えばステンレス鋼など他の金属材料で形成される。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（図示せず）を有する。駆動機構は、冷凍機１４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。
　冷凍機１４は、作動気体の圧縮機（図示せず）に接続されている。冷凍機１４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１４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１４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。なお、本発明はいわゆる縦型のクライオポンプにも同様に適用することができる。縦型のクライオポンプとは、冷凍機がクライオポンプの軸方向に沿って配設されているクライオポンプである。
　クライオポンプ容器１６は、その内部空間の真空気密を保持するように構成されている真空容器である。クライオポンプ容器１６には、冷凍機１４、第１段クライオパネル１８、及びクライオパネルユニット２０が収容される。
　クライオポンプ容器１６の前端によって、吸気口１２が画定されている。クライオポンプ容器１６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１６ａを備える。吸気口フランジ１６ａは、クライオポンプ容器１６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１６ａを用いて真空プロセス装置の真空チャンバに取り付けられる。
　また、クライオポンプ容器１６は、吸気口フランジ１６ａから軸方向に延びる容器胴部１６ｂと、吸気口１２とは反対側で容器胴部１６ｂを閉じる容器底部１６ｃと、吸気口フランジ１６ａと容器底部１６ｃとの間で側方に延びる冷凍機収容筒１６ｄとを有する。容器胴部１６ｂとは反対側で冷凍機収容筒１６ｄの端部が冷凍機１４の室温部２６に取り付けられ、それにより、冷凍機１４の低温部（すなわち、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）がクライオポンプ容器１６内でクライオポンプ容器１６と非接触に配置される。第１シリンダ２３は冷凍機収容筒１６ｄ内に配置され、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は容器胴部１６ｂ内に配置される。第１段クライオパネル１８とクライオパネルユニット２０も容器胴部１６ｂ内に配置される。
　第１段クライオパネル１８は、放射シールド３０と吸気口シールド３２とを備え、クライオパネルユニット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容器１６からの輻射熱からクライオパネルユニット２０を保護するための極低温表面を提供する。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はクライオパネルユニット２０との間に隙間を有しており、第１段クライオパネル１８はクライオパネルユニット２０と接触していない。第１段クライオパネル１８はクライオポンプ容器１６とも接触していない。
　放射シールド３０は、クライオポンプ容器１６の輻射熱からクライオパネルユニット２０を保護するために設けられている。放射シールド３０は、吸気口１２からクライオポンプ容器１６内へと軸方向に筒状（例えば円筒状）に延在する。放射シールド３０は、クライオポンプ容器１６とクライオパネルユニット２０との間にあり、クライオパネルユニット２０を囲む。放射シールド３０は、クライオポンプ容器１６より僅かに小さい直径を有しており、放射シールド３０とクライオポンプ容器１６との間にシールド外側隙間３１が形成される。よって、放射シールド３０はクライオポンプ容器１６と接触していない。
　冷凍機１４の第１冷却ステージ２２は、放射シールド３０の側部外面に直接取り付けられている。こうして、放射シールド３０は、第１冷却ステージ２２に熱的に結合され、故に第１冷却温度に冷却される。なお放射シールド３０は適宜の伝熱部材を介して第１冷却ステージ２２に取り付けられてもよい。また、冷凍機１４の第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の側部から放射シールド３０内に挿入されている。
　放射シールド３０は、冷凍機１４の第２冷却ステージ２４に対して吸気口１２側に配置されるシールド上部３０ａと、第２冷却ステージ２４に対して容器底部１６ｃ側に配置されるシールド下部３０ｂとを備える。シールド上部３０ａは、両端が開放された円筒であり、クライオパネルユニット２０の上部を包囲する。シールド下部３０ｂは、その上端が開放され下端が閉じられた有底円筒であり、クライオパネルユニット２０の下部を包囲する。シールド上部３０ａの下端とシールド下部３０ｂの上端は、概ね同じ高さにある。シールド上部３０ａの径はシールド下部３０ｂの径よりいくらか小さく、シールド外側隙間３１は、シールド上部３０ａの外側で（シールド下部３０ｂの外側に比べて）より広くなっている。
　詳細は後述するが、放射シールド３０は、第１ガス取入口３４と第２ガス取入口３６を有する。第１ガス取入口３４は、吸気口シールド３２とクライオパネルユニット２０との間の高さに形成されている。第２ガス取入口３６は、クライオパネルユニット２０のうち吸気口１２に最も近い部位と容器底部１６ｃとの間の高さに形成されている。
　吸気口シールド３２は、クライオポンプ１０の外部の熱源（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内の熱源）からの輻射熱からクライオパネルユニット２０を保護するために、吸気口１２に設けられている。吸気口シールド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、放射シールド３０と同様に、第１冷却温度に冷却される。よって、第１冷却温度で凝縮する気体（例えば水分）がその表面に捕捉される。
　吸気口シールド３２は、クライオパネルユニット２０がクライオポンプ１０の外から視認不能となるように吸気口１２に配置される。この実施の形態では、吸気口シールド３２は、吸気口１２側の放射シールド３０の端部開口、すなわちシールド上部３０ａの上端開口を完全に塞いでいる。吸気口シールド３２に開口部は存在せず、クライオポンプ１０の外から吸気口シールド３２に入射する輻射熱と気体は、吸気口シールド３２によって完全に遮蔽される。
　吸気口シールド３２は、吸気口１２を横断するように中心軸Ｃに垂直に配置される円板であり、その径はシールド上部３０ａの径に等しく、シールド上部３０ａの上端に結合されている。吸気口シールド３２はその外周部でジョイントブロック（図示せず）に取り付けられてもよい。ジョイントブロックは、シールド上部３０ａの上端で径方向内側に突き出す凸部であり、周方向に等間隔（例えば９０°おき）に形成されている。吸気口シールド３２は、ボルトなどの締結部材を用いて、または溶接などその他の適切な手法によりジョイントブロックに固定される。
　シールド外側隙間３１は吸気口シールド３２で塞がれていない。なお、必要に応じて、吸気口シールド３２は、放射シールド３０よりも大きい径を有してもよく、それにより、シールド外側隙間３１の一部が吸気口シールド３２に覆われてもよい。
　クライオパネルユニット２０は、軸方向に配列された複数のクライオパネルを備える。説明の便宜上、これらクライオパネルのうち吸気口１２に最も近い部位をトップクライオパネル４１と称する。これらクライオパネルは、各々が第２冷却ステージ２４に熱的に結合され、第１冷却温度より低い第２冷却温度に冷却される。クライオパネルユニット２０は、クライオポンプ容器１６内で放射シールド３０に囲まれるようにして、吸気口シールド３２の下方に配置されている。クライオパネルユニット２０は、放射シールド３０及び吸気口シールド３２とは接触していない。
　トップクライオパネル４１は、その前面が吸気口シールド３２の裏面と対面しており、トップクライオパネル４１と吸気口シールド３２との間には他のクライオパネルは設けられていない。トップクライオパネル４１は、クライオポンプ容器１６の容器胴部１６ｂ内で軸方向に概ね中間付近に配置される。トップクライオパネル４１の中心部が冷凍機１４の第２冷却ステージ２４の上面に直に取り付けられていてもよい。吸気口シールド３２からトップクライオパネル４１までの軸方向距離は、吸気口シールド３２から容器底部１６ｃまでの軸方向距離の例えば３０～７０％、または４０～６０％の範囲にあってもよい。こうして、トップクライオパネル４１上に凝縮する被排気気体の凝縮層９０を収容する比較的広い空間がトップクライオパネル４１の上方に形成される。凝縮層９０は図示されるように、半球状の氷塊を形成しうる。
　トップクライオパネル４１は、軸方向に垂直に配置された円板状の部材であり、その中心がクライオポンプ１０の中心軸Ｃ上またはその近傍に位置する。トップクライオパネル４１は全面が平坦であり、傾斜面を有しない。より多くの気体を凝縮するために、トップクライオパネル４１は比較的大きく、トップクライオパネル４１の径は吸気口シールド３２の例えば７０％以上または８０％以上であってもよい。また、トップクライオパネル４１の径は吸気口シールド３２の径の９８％以下または９０％以下であってもよい。これにより、トップクライオパネル４１を放射シールド３０と確実に非接触とすることができる。トップクライオパネル４１の軸方向投影面積は、吸気口シールド３２の５０％から９５％までの面積、好ましくは７３％から９０％までの面積であってもよい。
　トップクライオパネル４１に加えて、クライオパネルユニット２０には、１つ又は複数の中間クライオパネル４２、１つ又は複数の下方クライオパネル４３、および接続クライオパネル４４が設けられている。この例では、１枚の中間クライオパネル４２と２枚の下方クライオパネル４３が設けられている。中間クライオパネル４２と下方クライオパネル４３との軸方向間隔は、下方クライオパネル４３どうしの軸方向間隔よりも広く、これにより、中間クライオパネル４２と下方クライオパネル４３との間に比較的広い凝縮層収容空間が形成される。
　中間クライオパネル４２と下方クライオパネル４３はそれぞれ、円錐台状の形状を有しており、平坦な円板状の中心部と径方向外側下向きに傾斜する外周部とを有する。これらクライオパネルの中心はクライオポンプ１０の中心軸Ｃ上またはその近傍に位置する。中間クライオパネル４２はトップクライオパネル４１の下方であって第２冷却ステージ２４の上方に位置し、下方クライオパネル４３は第２冷却ステージ２４より下方に位置する。中間クライオパネル４２は、第２冷却ステージ２４と同じ高さ（第２冷却ステージ２４の上面と下面の間）に位置してもよい。また、この例では、中間クライオパネル４２と下方クライオパネル４３の径はともにトップクライオパネル４１の径より小さく、中間クライオパネル４２の径は下方クライオパネル４３の径より小さい。
　接続クライオパネル４４は、第２冷却ステージ２４から下方クライオパネル４３へと延在し下方クライオパネル４３を第２冷却ステージ２４に熱的に結合する。接続クライオパネル４４は、第２冷却ステージ２４の径方向両側を軸方向に延在する一組の細長板状部材であってもよい。接続クライオパネル４４の上端が第２冷却ステージ２４に取り付けられ、下端が下方クライオパネル４３に取り付けられている。
　クライオパネルユニット２０を構成する各クライオパネルは一般に、銅（例えば純銅）などの高熱伝導金属材料で形成され、必要とされる場合、表面がニッケルなどの金属層で被覆されていてもよい。また、非凝縮性気体（例えば水素）を吸着により捕捉する吸着材（例えば活性炭）がクライオパネルユニット２０の少なくとも一部の表面に設けられてもよい。吸着材は、例えば、トップクライオパネル４１、中間クライオパネル４２、及び／または下方クライオパネル４３の裏面に設けられてもよい。
　なお、クライオパネルユニット２０の具体的構成は上述のものに限られない。例えば、追加のクライオパネルがトップクライオパネル４１と吸気口シールド３２の間に設けられてもよく、こうした追加のクライオパネルはトップクライオパネル４１よりも小径であってもよい。トップクライオパネル４１は、径方向外側下向き（または上向き）の傾斜面を外周部に有してもよい。中間クライオパネル４２と下方クライオパネル４３のうち少なくとも１つのクライオパネル（例えば最も下方のクライオパネル）がトップクライオパネル４１よりも大径であってもよい。中間クライオパネル４２及び／または下方クライオパネル４３は、トップクライオパネル４１と同様に傾斜面の無い円板状のプレートであってもよい。軸方向から見たときのクライオパネルの形状は円形には限られず、矩形、多角形など他の形状を有してもよい。
　第１ガス取入口３４は、シールド上部３０ａに形成された複数の開口部であり、吸気口シールド３２とトップクライオパネル４１との間の軸方向高さにある。第１ガス取入口３４は、比較的上方に配置されてもよく、トップクライオパネル４１よりも吸気口シールド３２に近接していてもよい。第１ガス取入口３４は、シールド上部３０ａの上端部であってシールド上部３０ａの上縁よりも下方に形成されてもよい。
　第１ガス取入口３４を形成する各開口部は、図２に示されるように、この例では、周方向に細長い小孔である。これら小孔は周方向に等間隔に設けられている。第１ガス取入口３４の開口部の合計面積は、吸気口１２の面積の例えば１０％以下または５％以下であってもよい。開口部の形状と配置は、クライオポンプ１０に望まれる排気性能（例えば排気速度）を実現するように適宜定めることができる。
　第２ガス取入口３６は、トップクライオパネル４１と容器底部１６ｃとの間の軸方向高さ、この例では、中間クライオパネル４２と下方クライオパネル４３との間の軸方向高さに形成されている。第２ガス取入口３６は、トップクライオパネル４１と中間クライオパネル４２の間に形成されてもよい。
　第２ガス取入口３６は、シールド上部３０ａ（例えばシールド上部３０ａの下端部）に形成された複数の開口部３６ａと、シールド上部３０ａとシールド下部３０ｂとの間のシールド間隙３６ｂとを有する。開口部３６ａは、第１ガス取入口３４と同様に、周方向に細長い小孔であり、周方向に等間隔に設けられている。この例では、開口部３６ａは、第１ガス取入口３４を形成する開口部に比べて周方向にいくらか長くなっている。シールド間隙３６ｂは、シールド上部３０ａの下端部とシールド下部３０ｂの上端部との間に定められている。第２ガス取入口３６の形状と配置は、クライオポンプ１０に望まれる排気性能（例えば排気速度）を実現するように適宜定めることができる。
　上記の構成のクライオポンプ１０の動作を以下に説明する。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１４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、クライオパネルユニット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。
　吸気口シールド３２は、真空チャンバ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。吸気口シールド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、吸気口シールド３２は、第１種気体を排気することができる。また、吸気口シールド３２は、真空チャンバからクライオポンプ１０に向かう輻射熱（図１に実線矢印で示す）を遮蔽することができる。
　気体の一部は、吸気口シールド３２の周囲からシールド外側隙間３１に進入する。第１種気体は、シールド外側隙間３１を定めるシールド上部３０ａの表面に凝縮される。第１冷却温度で蒸気圧が充分に低くない気体は、第１ガス取入口３４または第２ガス取入口３６から放射シールド３０内に進入しうる（図１に破線矢印で示す）。
　第１ガス取入口３４から進入した気体は、トップクライオパネル４１によって冷却される。第２ガス取入口３６から進入した気体は、中間クライオパネル４２または下方クライオパネル４３によって冷却される。これらクライオパネルの表面には、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種気体と称されてもよい。第２種気体は例えばアルゴン（Ａｒ）である。こうして、クライオパネルユニット２０は、第２種気体を排気することができる。
　第２冷却温度で蒸気圧が充分に低くない気体は、クライオパネルユニット２０上の吸着材に吸着される。この気体は、第３種気体と称されてもよい。第３種気体は例えば水素（Ｈ２）である。こうして、クライオパネルユニット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、真空チャンバの真空度を所望のレベルに到達させることができる。
　図３は、比較例に係るクライオポンプを概略的に示す側断面図である。このクライオポンプでは、多数の開口部８２を有する入口クライオパネル８０が放射シールド３０の上端開口に取り付けられている。これら開口部８２は入口クライオパネル８０の中心部に形成されている。放射シールド３０には気体を取り入れるための開口部は設けられていない。
　この比較例では、入口クライオパネル８０の開口部８２を通じて放射シールド３０内に輻射熱が進入する（図３で実線矢印で示す）。これら開口部８２はクライオパネルユニット２０のトップクライオパネル４１上に形成される凝縮層９０と対向しているから、輻射熱は開口部８２から凝縮層９０の表面に入射し、凝縮層９０の温度を上昇させうる。また、入口クライオパネル８０の表面に凝縮されなかった第１種気体と第２種気体の混合ガス（例えば水蒸気とアルゴンガスの混合ガス）も開口部８２を通じて放射シールド３０内に進入する（図３で破線矢印で示す）。よって、凝縮層９０は第１種気体と第２種気体を含みうる。
　混合ガスの氷塊は、異なるガス種どうしの物理的性質（例えば熱伝導、格子定数）の違いに起因して、一種のガスのみからなる氷塊に比べて脆く割れやすい傾向にある。例えば、水蒸気とアルゴンガスの混合ガスの氷塊は、アルゴンガスの氷塊に比べて割れやすい。氷塊に入射する輻射熱による表面の温度上昇も氷塊の割れを促進しうる。もし、氷塊が割れ、氷片が落下して放射シールド３０に触れると、氷片は急激に気化することになる。これによりクライオポンプ１０内で突発的な圧力上昇（マイクロバーストとも呼ばれる）が発生しうる。これは、クライオポンプ１０の排気性能に悪影響を及ぼしうるので、望ましくない。
　実施の形態に係るクライオポンプ１０によると、第１種気体は基本的に吸気口シールド３２上に捕捉される。捕捉されずにシールド外側隙間３１に入った第１種気体も大部分が第１ガス取入口３４または第２ガス取入口３６に到達するまでに放射シールド３０の側面に捕捉される。よって、第１種気体は放射シールド３０内にほとんど進入せず、凝縮層９０にほとんど混合しないものと期待できる。第２種気体と第３種気体は第１ガス取入口３４または第２ガス取入口３６から放射シールド３０内に受け入れることができる。また、クライオパネルユニット２０がクライオポンプ１０の外から視認不能となるように吸気口シールド３２が配置されているから、クライオポンプ１０の外からクライオパネルユニット２０への輻射熱の入射を吸気口シールド３２によって遮蔽できる。よって、凝縮層９０の温度上昇も抑えられる。とくに、この実施の形態では、吸気口シールド３２によって放射シールド３０の上端開口が完全に塞がれているので、比較例に比べて第１種気体と輻射熱の進入を効果的に妨げることができる。したがって、実施の形態に係るクライオポンプ１０によると、クライオポンプ１０内でマイクロバーストが生じるリスクを低減することができる。
　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。ある実施の形態に関連して説明した種々の特徴は、他の実施の形態にも適用可能である。組合せによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態それぞれの効果をあわせもつ。
　上述の実施の形態では、放射シールド３０がシールド上部３０ａとシールド下部３０ｂの分割構造を有している。しかし、放射シールド３０は、吸気口１２から容器底部１６ｃへと延在する単一部品であってもよく、第１ガス取入口３４と第２ガス取入口３６がこうした単一部品に形成されていてもよい。
　上述の実施の形態では、第１ガス取入口３４は、放射シールド３０に設けられている。しかし、第１ガス取入口３４は、放射シールド３０と吸気口シールド３２との間に設けられてもよい。例えば、図４（ａ）に示されるように、第１ガス取入口３４は、放射シールド３０の上縁に形成された切り欠き部であってもよい。あるいは、図４（ｂ）に示されるように、吸気口シールド３２が放射シールド３０の上縁から軸方向上方に隙間をあけて配置されてもよい。図４（ｃ）に示されるように、吸気口シールド３２が放射シールド３０の上縁から径方向内側に隙間（すなわち第１ガス取入口３４）をあけて配置されてもよい。
　上述の実施の形態では、吸気口シールド３２は、放射シールド３０の上端開口を完全に塞いでいる。しかし、第１ガス取入口３４としての開口部が吸気口シールド３２に形成されてもよい。この場合、吸気口シールド３２の開口部を通じて輻射熱がクライオパネルユニット２０に直接入射しないようにするために、吸気口シールド３２の開口部は、クライオパネルユニット２０がクライオポンプ１０の外から視認不能となるように吸気口シールド３２上に配置されてもよい。図５に示されるように、吸気口シールド３２の開口部（すなわち第１ガス取入口３４）は、例えば、クライオパネルユニット２０のうち最大径のクライオパネル（例えばトップクライオパネル４１）よりも径方向外側に設けられてもよい。クライオパネルユニット２０のうち最大径のクライオパネル（例えばトップクライオパネル４１）よりも径方向内側には、第１ガス取入口３４としての開口部は設けられていない。
　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。
　本発明は、クライオポンプ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　クライオポンプ容器、　１６ｃ　容器底部、　２０　クライオパネルユニット、　３０　放射シールド、　３２　吸気口シールド、　３４　第１ガス取入口、　３６　第２ガス取入口。

Claims (10)

  1. 　クライオポンプ吸気口を有するクライオポンプ容器と、
    　第１冷却温度に冷却され、前記クライオポンプ吸気口から前記クライオポンプ容器内へと延在する放射シールドと、
    　前記第１冷却温度より低い第２冷却温度に冷却され、前記クライオポンプ容器内で前記放射シールドに囲まれるようにして配置されるクライオパネルユニットと、
    　前記第１冷却温度に冷却され、前記クライオパネルユニットがクライオポンプの外から視認不能となるように前記クライオポンプ吸気口に配置される吸気口シールドと、を備え、
    　前記放射シールドは、前記吸気口シールドと前記クライオパネルユニットとの間の高さに形成される第１ガス取入口を有することを特徴とするクライオポンプ。
  2. 　前記クライオポンプ容器は、前記クライオポンプ吸気口と反対側に容器底部を有し、
    　前記クライオパネルユニットは、前記クライオポンプ吸気口から前記容器底部に向かう前記クライオポンプの軸方向に配列された複数のクライオパネルを備え、
    　前記複数のクライオパネルは、前記クライオポンプの軸方向に前記クライオポンプ吸気口に最も近く、前記吸気口シールドの裏面と向かい合って配置されるトップクライオパネルを含み、
    　前記第１ガス取入口は、前記吸気口シールドと前記トップクライオパネルとの間の軸方向高さに位置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. 　前記吸気口シールドから前記トップクライオパネルまでの軸方向距離は、前記吸気口シールドから前記容器底部までの軸方向距離の３０％から７０％の範囲にあることを特徴とする請求項２に記載のクライオポンプ。
  4. 　前記トップクライオパネルと前記吸気口シールドとの間には、他のクライオパネルが設けられていないことを特徴とする請求項２または３に記載のクライオポンプ。
  5. 　前記第１ガス取入口は、前記クライオポンプ吸気口に隣接する前記放射シールドの上端部に形成された複数の開口部を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のクライオポンプ。
  6. 　前記第１ガス取入口の合計面積は、前記クライオポンプ吸気口の面積の１０％以下であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のクライオポンプ。
  7. 　前記クライオポンプ容器は、前記クライオポンプ吸気口と反対側に容器底部を有し、
    　前記放射シールドは、前記クライオパネルユニットのうち前記クライオポンプ吸気口に最も近い部位と前記容器底部との間の高さに形成される第２ガス取入口を有することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のクライオポンプ。
  8. 　前記クライオパネルユニットは、前記クライオポンプ吸気口から前記容器底部に向かう前記クライオポンプの軸方向に配列された複数のクライオパネルを備え、
    　前記複数のクライオパネルは、前記クライオポンプの軸方向に前記クライオポンプ吸気口に最も近く、前記吸気口シールドの裏面と向かい合って配置されるトップクライオパネルを含み、
    　前記第２ガス取入口は、前記トップクライオパネルと前記容器底部との間の軸方向高さに位置することを特徴とする請求項７に記載のクライオポンプ。
  9. 　前記放射シールドは、前記クライオポンプ吸気口側に配置されるシールド上部と、前記容器底部側に配置されるシールド下部とを備え、前記シールド上部と前記シールド下部はシールド間隙を隔てて配置され、
    　前記第２ガス取入口は、前記シールド上部の下端部に形成された複数の開口部と、前記シールド間隙とを含むことを特徴とする請求項７または８に記載のクライオポンプ。
  10. 　前記吸気口シールドは、前記クライオポンプ吸気口側で前記放射シールドの端部開口を完全に塞ぐように前記放射シールドと結合されていることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載のクライオポンプ。
PCT/JP2022/046490 2022-01-26 2022-12-16 クライオポンプ WO2023145296A1 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202280085862.1A CN118451252A (zh) 2022-01-26 2022-12-16 低温泵

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2022-010290 2022-01-26
JP2022010290 2022-01-26

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023145296A1 true WO2023145296A1 (ja) 2023-08-03

Family

ID=87471537

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2022/046490 WO2023145296A1 (ja) 2022-01-26 2022-12-16 クライオポンプ

Country Status (3)

Country Link
CN (1) CN118451252A (ja)
TW (1) TWI845097B (ja)
WO (1) WO2023145296A1 (ja)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5043208Y1 (ja) * 1970-09-08 1975-12-10
JP2004239239A (ja) * 2003-02-10 2004-08-26 Suzuki Shokan Co Ltd クライオポンプ
JP2010084702A (ja) * 2008-10-01 2010-04-15 Sumitomo Heavy Ind Ltd クライオポンプ
JP2016075218A (ja) 2014-10-07 2016-05-12 住友重機械工業株式会社 クライオポンプ
JP2016191375A (ja) * 2015-03-31 2016-11-10 住友重機械工業株式会社 クライオポンプ

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5043208Y1 (ja) * 1970-09-08 1975-12-10
JP2004239239A (ja) * 2003-02-10 2004-08-26 Suzuki Shokan Co Ltd クライオポンプ
JP2010084702A (ja) * 2008-10-01 2010-04-15 Sumitomo Heavy Ind Ltd クライオポンプ
JP2016075218A (ja) 2014-10-07 2016-05-12 住友重機械工業株式会社 クライオポンプ
JP2016191375A (ja) * 2015-03-31 2016-11-10 住友重機械工業株式会社 クライオポンプ

Also Published As

Publication number Publication date
TWI845097B (zh) 2024-06-11
TW202332832A (zh) 2023-08-16
CN118451252A (zh) 2024-08-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110291291B (zh) 低温泵
JP7339950B2 (ja) クライオポンプ
US11828521B2 (en) Cryopump
EP3710699B1 (en) Cryopump with enhanced frontal array
WO2023145296A1 (ja) クライオポンプ
US10550830B2 (en) Cryopump
JP6857046B2 (ja) クライオポンプ
KR20240140059A (ko) 크라이오펌프
CN110234878B (zh) 低温泵
WO2022190760A1 (ja) クライオポンプ
EP4058674A1 (en) Cryopump

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 22922569

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2023576693

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2022922569

Country of ref document: EP

Effective date: 20240826