JP5553638B2 - コールドトラップ、及び真空排気装置 - Google Patents

Description

本発明は、クライオポンプ、コールドトラップ、及び真空排気装置に関する。

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。

例えば特許文献１には、クライオポンプのバッフルその他のポンプケース内に収容されるべき部材の外面にフッ素系樹脂その他の樹脂の薄膜を形成したクライオポンプが記載されている。

特開昭６０−８４８１号公報

真空プロセスにおいて真空チャンバへのプロセスガスの供給と供給停止とを反復する場合がある。例えばスパッタリングにおいては典型的に、プロセスガスを設定流量で設定時間供給して基板上に薄膜を形成する。そして、スパッタ処理終了後にはプロセスガスの供給は停止され、処理済みの基板と新たな被処理基板との交換などの付帯作業が行われる。次回のスパッタ処理の開始に備えて真空チャンバ内を所望の真空度に復帰させることが必要とされる。復帰に要する時間は、スループット向上の観点からなるべく短いことが好ましい。

そこで、本発明は、排気対象容積を所望の真空度に短時間で回復させることを可能とするクライオポンプ、コールドトラップ、及び真空排気装置を提供することを目的とする。

本発明のある態様のコールドトラップは、冷凍機と、該冷凍機に熱的に接続され冷却されるコールドパネルと、を備える。コールドパネルには粗面を形成している。

この態様によると、コールドパネルに粗面を有することにより、凝縮する氷層との密着性を高めることができる。これにより、氷層の剥離を抑えることができる。剥離領域の冷却不良による当該領域の局所的昇温が抑制され、ひいては当該剥離領域の氷層にクライオトラッピング現象により吸着された気体分子の再放出が抑制される。よって、所望の真空度への回復に要する時間の増大を抑えることができる。

本発明の別の態様は、真空排気装置である。この装置は、真空ポンプと、該真空ポンプに排気対象容積を接続する排気流路に配置され、該排気対象容積から該排気流路を通じて該真空ポンプへと吸入されて排気される気体の少なくとも一部を表面に凍結して捕捉するコールドトラップと、を備える。前記コールドトラップは、前記排気流路に露出して配置されたコールドパネルと、前記コールドパネルに熱的に接続され前記コールドパネルを冷却する冷凍機と、を備える。前記コールドパネルには粗面を形成している。

本発明によれば、排気対象容積を所望の真空度に短時間で回復させることが可能となる。

クライオパネル表面での氷層の剥離とその影響を原理的に説明するための図である。 本発明の一実施形態に係るクライオポンプの一部を模式的に示す図である。 本発明の一実施形態に係る排気運転中のルーバーの断面を模式的に示す拡大図である。 本発明の他の実施例に係る排気運転中のルーバーの断面を模式的に示す拡大図である。 本発明の一実施形態に係る真空排気システムを模式的に示す図である。

本発明の一実施形態に係るクライオポンプは、粗面が形成されているクライオパネルを放射シールドの開口部に備える。クライオパネルは例えばバッフルである。粗面は例えば、バッフルの基材に無光沢めっきを施すことにより形成される。また、無光沢めっきとともに、あるいは無光沢めっきに代えて、バッフル表面を粗化することにより粗面を形成してもよい。粗化処理は例えばブラスト処理であってもよい。

本願発明者は、典型的なクライオポンプにおいてプロセスガス供給停止時に所望の真空度への回復に要するリカバリ時間がポンプへの気体吸蔵量の増加とともに長くなることを見出した。また、バッフル表面で氷層が局所的に剥離するごとにリカバリ時間が段階的に増加することを発見した。氷層の剥離は、典型的なクライオポンプのバッフル表面の平坦度が高くなっていることに原因があると考えられる。堆積した氷層のバッフル表面への密着性が低いので、氷層が厚くなるにつれて大きくなる内部応力によって氷層がバッフルから剥がれやすい。剥離によって氷層のバッフルとの接触面積が小さくなり、氷層の温度が高くなる。その結果、クライオトラッピング現象により氷層に吸着されていたプロセスガス分子が再放出されやすくなる。

典型的なクライオポンプにおいてはバッフル表面にニッケルの光沢めっきが施されている。このため、バッフル表面の平坦度が高い。バッフルに光沢めっきを施すのは、クライオポンプの放射シールド内部に進入しようとする輻射熱を低減するためである。

この技術思想とは異なり、本願発明者は第１段クライオパネルの表面に粗面を形成することにより、所望の真空度へのリカバリ時間の増加を抑えることのできるクライオポンプを提供する。パネル表面を粗化することにより、氷層との密着性を高めることができる。いわゆるアンカー効果によりパネル表面に氷層が密着する。このため、氷層が剥離しにくくなり、プロセスガス分子の再放出が抑制される。よって、所望の真空度へのリカバリ時間の増大を抑えることができる。

図１は、クライオパネル表面での氷層の剥離とその影響を原理的に説明するための図である。図１を参照して、氷層剥離の結果として所望の真空度へのリカバリ時間が長くなることについて詳しく説明する。図１には、プロセスガスの供給と供給停止とを反復したときの気体分子１１２、１１４の氷層１１６への作用を模式的に示している。

図においては斜線を付した白丸で水分子１１２を示し、プロセスガス分子１１４を白丸で示す。水分子１１２は雰囲気に含まれる水蒸気である。通常プロセスガス１１４は水分よりも低温で凝縮する気体である。第１段クライオパネル１１０は水分の凝縮温度とプロセスガスの凝縮温度との間の温度に冷却されている。よって、主として水分子１１２がクライオパネル１１０に凝縮されて氷層１１６が形成される。

図示される状態１００乃至１０８を通じてクライオポンプは作動している。状態１００、１０２はプロセスガスの供給時を示し、状態１０４、１０６は供給停止時を示す。状態１０８は次回のプロセスガス供給時を示す。真空チャンバにおいてはプロセスガスの供給中にプロセスが行われる。プロセスガスの供給停止中には、次回のプロセス開始時に要求される所望の真空度に真空チャンバを排気するリカバリ処理が行われる。よって、プロセス状態１００、１０２は比較的高圧の真空状態となり、リカバリ状態１０４、１０６は低圧の真空状態となる。

真空プロセスは例えばスパッタ処理であるが、プロセスガスを使用するその他の成膜処理であってもよい。なおスパッタ処理は一般に、真空雰囲気のチャンバ内に放電用のプロセスガスを導入し電極間に電圧を印加してグロー放電によるプラズマを発生させ、プラズマ中の正イオンを陰極上のターゲット表面に衝突させて、陽極上の所定温度に加熱された基板表面に薄膜を形成する処理である。プロセスガス分子はターゲット分子に物理的に作用するだけであってもよいし、ターゲット分子と化学反応をすることでその反応物の薄膜を基板表面に形成してもよい。プロセスガスは例えばアルゴンガスを含む。また、プロセスガスは窒素ガスや酸素ガスをさらに含んでもよい。

図１において状態１００においては、雰囲気中の水分子１１２及びプロセスガス分子１１４がクライオパネル１１０上の氷層１１６へと真空チャンバから飛来する。雰囲気に含まれる水分子１１２は例えば前回のリカバリ処理や真空チャンバのメンテナンス処理に由来する。基板交換やメンテナンスのために真空チャンバを開くことによりチャンバ周囲の外気が進入する。この外気は完全には乾燥しておらず湿気が含まれている可能性がある。また、搬入された基板表面に吸着されている水分が真空チャンバ内に放出されることも考えられる。

状態１０２に示されるように、飛来した水分子１１２は氷層１１６に堆積し、氷層１１６は厚みを増していく。それに並行して、プロセスガス分子１１４はクライオトラッピング現象により氷層１１６の表面に吸着されていく。クライオトラッピング現象とは、クライオパネル上に凝縮した気体分子層に、その気体よりも低温で凝縮する他の気体分子が吸着により捕捉される現象である。クライオトラッピング現象として、アルゴンと水素の混合ガスについてアルゴン凝縮層に水素分子が捕捉されることが知られている。水分とプロセスガス（例えばアルゴンガス）との混合ガスについてもクライオトラッピング現象が同様に生じると考えられる。よって、クライオパネル１１０の冷却温度ではその表面に本来凝縮しないプロセスガス１１４がクライオパネル１１０上の氷層１１６にクライオトラッピング現象により吸着されて捕捉される。

プロセスが終了すると、リカバリ状態１０４へと移行する。クライオトラッピング現象により吸着されたプロセスガス分子１１４が氷層１１６に捕捉されている。氷層１１６の厚さが大きくなると亀裂１１８及び剥離１２０が氷層１１６に局所的に生じる。氷層１１６の内部応力の増加によるものと考えられる。なお、ここでは説明の便宜上、亀裂１１８及び剥離１２０がリカバリ状態１０４において生じるものとしたが、氷層１１６の厚さ増大によりプロセス中においても亀裂１１８及び剥離１２０は生じ得るものと理解されたい。

氷層１１６に剥離１２０が生じると、剥離領域においては氷層１１６がクライオパネル１１０から離れて氷層１１６とクライオパネル１１０との間に隙間が生じる。つまり、氷層１１６はクライオパネル１１０と非接触となる。このため、氷層１１６の剥離領域はクライオパネル１１０による冷却が不十分となって温度が高まる。さらに、リカバリ状態１０４、１０６においてはプロセス中とは異なりプロセスガス１１４が供給されていないから、雰囲気圧は低くなる。その結果、状態１０６に示されるように、氷層１１６に吸着されていたプロセスガス１１４が再度放出されてしまう。プロセスガス１１４が再放出された氷層１１６には多数の空孔１２２が形成される。すなわち、氷層１１６の剥離領域には、リカバリ時のプロセスガス１１４の再放出により多数の空孔１２２が形成される。

再放出されたプロセスガス１１４により真空度が悪化する。所望の真空度への復帰には、氷層１１６の未剥離領域へのプロセスガス１１４の再吸着、あるいはクライオパネル１１０より低温の第２段クライオパネル（図示せず）へのプロセスガス１１４の凝縮を要する。このため、クライオパネル１１０の表面に氷層１１６の剥離が発生すると、所望の真空度へのリカバリ時間が長くなってしまうことになる。

状態１０８に示されるように、プロセス開始が許容される真空度に到達すると次回のプロセスが開始される。状態１００、１０２と同様に、飛来した水分１１２は氷層１１６に堆積し、プロセスガス分子１１４はクライオトラッピング現象により氷層１１６の空孔１２２及びその周囲の表面に吸着されていく。さらにその後のリカバリ状態においては氷層１１６の剥離領域からプロセスガス１１４が同様に再放出される。

このようにして、クライオトラッピング現象によるプロセス中のプロセスガス吸着と、リカバリ中のプロセスガス再放出とが反復される。プロセスガス１１４の再放出が高真空への迅速な回復に悪影響を与えると考えられる。クライオポンプが排気した気体吸蔵量が増えるにつれて氷層１１６は厚みを増し、局所的に分散していた剥離領域はバッフル表面全域へと拡大していく。そうすると、再放出されるプロセスガスも増加することとなり、最悪の場合には許容時間内に所望の真空度に回復させることが困難となるおそれもある。

図２は、本発明の一実施形態に係るクライオポンプ１０の一部を模式的に示す図である。クライオポンプ１０は、例えばイオン注入装置やスパッタリング装置等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、ポンプ容器１２と、冷凍機１４と、クライオパネル構造体１６と、放射シールド１８とを含んで構成される。図２に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１０とは一般に、筒状の放射シールド１８の中心軸方向に交差する方向（通常は直交方向）に沿って冷凍機１４の第２冷却ステージ２２が放射シールド１８の内部に挿入され配置されているクライオポンプ１０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、放射シールド１８の中心軸方向に沿って冷凍機１４が挿入されて配置されているクライオポンプである。

クライオポンプ１０は、第１の冷却温度レベルに冷却される第１のクライオパネルと、第１の冷却温度レベルよりも低温の第２の冷却温度レベルに冷却される第２のクライオパネルと、を備える。第１のクライオパネルには、第１の冷却温度レベルにおいて蒸気圧が低い気体が凝縮により捕捉されて排気される。例えば基準蒸気圧（例えば１０^−８Ｐａ）よりも蒸気圧が低い気体が排気される。第２のクライオパネルには、第２の冷却温度レベルにおいて蒸気圧が低い気体が凝縮により捕捉されて排気される。第２のクライオパネルには、蒸気圧が高いために第２の温度レベルにおいても凝縮しない非凝縮性気体を捕捉するために表面に吸着領域が形成される。吸着領域は例えばパネル表面に吸着剤を設けることにより形成される。非凝縮性気体は、第２の温度レベルに冷却された吸着領域に吸着されて排気される。第１のクライオパネルは例えば放射シールド１８及びルーバー２３を含み、第２のクライオパネルは例えばクライオパネル構造体１６を含む。

図２は、ポンプ容器１２及び放射シールド１８の中心軸Ａ、及び冷凍機１４の中心軸を含む平面による断面を模式的に示す。図２では、ポンプ外部の排気対象容積である真空チャンバからクライオポンプ内部への気体の進入方向を矢印Ｅで表している。なお、気体進入方向Ｅは、クライオポンプ外部から内部に向かう方向と理解すべきである。図において気体進入方向Ｅが放射シールド１８の中心軸Ａに平行とされているのは、便宜上説明をわかりやすくするためにすぎない。クライオポンピング処理においてクライオポンプ内部へと進入する気体分子の実際の進入方向は、当然、図示される気体進入方向Ｅに厳密に一致するものではなく、むしろ気体進入方向Ｅに交差する方向であることが普通である。

ポンプ容器１２は、一端に開口を有し他端が閉塞されている円筒状の形状に形成された部位を有する。ポンプ容器１２の内部にクライオパネル構造体１６及び放射シールド１８が配設されている。ポンプ容器１２の開口は、排気されるべき気体が進入する吸気口として設けられており、ポンプ容器１２の筒状側面の上端部内面により画定される。ポンプ容器１２の上端部には径方向外側に向けて取付フランジ３０が延びている。クライオポンプ１０は、排気対象容積であるイオン注入装置等の真空チャンバに取付フランジ３０を用いて取り付けられる。なおポンプ容器１２の中心軸Ａに垂直な断面は円形状には限られず、他の形状例えば楕円形状や多角形形状であってもよい。

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）である。また冷凍機１４は２段式の冷凍機であり、第１冷却ステージ２１及び第２冷却ステージ２２を有する。第２冷却ステージ２２は、ポンプ容器１２及び放射シールド１８に包囲され、ポンプ容器１２及び放射シールド１８の内部空間の中心部に配置されている。第１冷却ステージ２１は第１の冷却温度レベルに冷却され、第２冷却ステージ２２は第１の冷却温度レベルよりも低温の第２の冷却温度レベルに冷却される。第２冷却ステージ２２は例えば１０Ｋ乃至２０Ｋ程度に冷却され、第１冷却ステージ２１は例えば８０Ｋ乃至１００Ｋ程度に冷却される。

クライオパネル構造体１６は、冷凍機１４の第２冷却ステージ２２に熱的に接続された状態で固定されており、第２冷却ステージ２２と同程度の温度に冷却される。クライオパネル構造体１６は、複数のクライオパネル２４と、接続部材２６と、を備える。複数のクライオパネル２４は例えば、それぞれが円すい台の側面の形状、いわば傘状の形状を有する。クライオパネル２４は他の任意の形状であってもよい。各パネル２４には通常活性炭等の吸着剤（図示せず）が設けられている。吸着剤は例えばパネル２４の裏面に接着されている。接続部材２６は、クライオパネル構造体１６を第２冷却ステージ２２に熱的に接続しかつ機械的に支持するための連結部材として設けられている。冷凍機１４の第２冷却ステージ２２に接続部材２６が取り付けられ、接続部材２６に複数のクライオパネル２４が取り付けられる。クライオパネル２４及び接続部材２６はともに例えば銅などの材質で形成される。銅を基材として表面をニッケルでメッキしたものを用いてもよい。また、銅に代えて、アルミニウムでクライオパネル２４等を形成してもよい。熱伝導度を重視する場合には銅を用いればよいし、軽量化ひいては再生時間の短縮を重視する場合にはアルミニウムを用いてもよい。

放射シールド１８は、冷凍機１４の第１冷却ステージ２１に熱的に接続された状態で固定され、第１冷却ステージ２１と同程度の温度に冷却される。放射シールド１８は、クライオパネル構造体１６及び第２冷却ステージ２２を周囲の輻射熱から保護する輻射シールドとして設けられている。放射シールド１８もポンプ容器１２と同様に、一端にシールド開口２０を有し他端が閉塞されている円筒状の形状に形成されている。放射シールド１８はカップ状の形状に形成されている。ポンプ容器１２及び放射シールド１８はともに略円筒状に形成されており、同軸に配設されている。ポンプ容器１２の内径が放射シールド１８の外径を若干上回っており、放射シールド１８はポンプ容器１２の内面との間に若干の間隔をもってポンプ容器１２とは非接触の状態で配置される。また、図１に示される実施例では、放射シールド１８の閉塞部は、中心軸Ａに近づくほどシールド開口２０から離れるようにドーム状に湾曲して形成されている。ポンプ容器１２の閉塞部も同様にドーム状に湾曲して形成されている。

放射シールド１８の内部空間の中心部に冷凍機１４の第２冷却ステージ２２が配置されている。冷凍機１４は放射シールド１８の側面の開口から挿入され、その開口部に第１冷却ステージ２１が取り付けられる。このようにして、冷凍機１４の第２冷却ステージ２２は、放射シールド１８の中心軸上においてシールド開口２０と最深部との中間に配置される。

なお放射シールド１８の形状は、円筒形状には限られず、角筒形状や楕円筒形状などいかなる断面の筒形状でもよい。典型的には放射シールド１８の形状はポンプ容器１２の内面形状に相似する形状とされる。また、放射シールド１８は図示されるような一体の筒状に構成されていなくてもよく、複数のパーツにより全体として筒状の形状をなすように構成されていてもよい。これら複数のパーツは互いに間隙を有して配設されていてもよい。

また放射シールド１８の開口２０にルーバー２３が配置されている。ルーバー２３はバッフルとして機能する。すなわち、ルーバー２３は、比較的高温で凝縮する水分等のガスを捕捉して放射シールド内部への進入を抑えるとともに、輻射熱の入射も抑える。

ルーバー２３は放射シールド１８と同軸に配置される。ルーバー２３は、クライオパネル構造体１６とは放射シールド１８の中心軸方向に間隔をおいて設けられている。ルーバー２３は、シールド開口２０の全体にわたって設けられている。なおルーバー２３は放射シールド１８の開口２０から実質的にオフセットを有して（例えばシールド開口２０からシールド内部に入り込んだ位置に）配置されていてもよい。この場合でも、放射シールド１８の中心軸Ａに垂直な断面を占めるように設けられる。なおルーバー２３と真空チャンバとの間にはゲートバルブ（図示せず）が設けられていてもよい。このゲートバルブは例えばクライオポンプ１０を再生するときに閉とされ、クライオポンプ１０により真空チャンバを排気するときに開とされる。

ルーバー２３は、ルーバー取付部４０により放射シールド１８に取り付けられている。ルーバー取付部４０は中心軸Ａの方向から見て放射方向に延びる複数の腕部を有しており、例えば４本の腕部を有する場合には中心軸方向から見て十字状の形状である。ルーバー取付部４０の放射方向に延びる腕部の末端が放射シールド１８の開口近傍の内面に取り付けられている。ルーバー取付部４０が十字形状である場合には例えば９０度おきに４箇所で放射シールド１８に取り付けられる。ルーバー取付部４０は、ルーバー２３を放射シールド１８に機械的に固定するとともに、放射シールド１８とルーバー２３とを熱的に接続する。これにより、ルーバー取付部４０は、放射シールド１８からルーバー２３への伝熱経路としても機能し、ルーバー２３は放射シールド１８と同程度の温度に冷却される。

ルーバー２３は複数の羽板４１から形成されており、各羽板４１はそれぞれ径の異なる円すい台の側面の形状に形成されて同心円状に配列されている。なおルーバー２３は格子状等他の形状に形成されていてもよい。各羽板４１は、開口面２０に対し同じ角度（例えば４５度）だけ傾斜してルーバー取付部４０に取り付けられている。

ポンプ外部から中心軸方向に見たときに、隣接する羽板４１が互いに重なり合って各羽板４１の間からポンプ内部（例えばクライオパネル２４）が見えないように各羽板４１の間隙が調整されている。すなわち、隣接する２つの羽板４１のうち内側の羽板４１の外周端が外側の羽板４１の内周端よりも放射方向内側にくるように各羽板４１の間隙が調整されている。よって、ルーバー２３は、中心軸方向に見たときに開放領域がなく、放射シールド１８の内部空間をいわば光学的に閉塞している。

なお、放射シールド１８の内部空間が光学的に開放されるようにルーバー２３が構成されていてもよい。例えば、ルーバー２３の周縁部の各羽板４１の間に環状の開放領域が形成されていてもよい。あるいは、放射シールド１８の側壁に近接する周縁部に羽板４１を設けないことにより環状の開放領域が形成されていてもよい。この場合、開放領域の面積及び位置は、クライオポンプ１０の排気速度（例えばプロセスガスの排気速度）が要求仕様を実現するように設定される。

ルーバー２３の表面のうち放射シールド１８の外側を向く面に粗面４２が形成されている。粗面とは例えば、人間の目で見て認識不能である微小な凹凸が形成されている面をいう。各羽板４１の表側の面は所定の表面粗さを有する。粗面４２の表面粗さは、氷層に対する密着性を考慮して経験的または実験的に適宜設定することが可能である。この粗面４２は、ニッケルの無光沢めっきにより形成されている。無光沢めっき工程での結晶成長により微小な凹凸が形成されている。

なおルーバー２３の表面のうち氷層が相対的に厚く堆積する部位に粗面を形成し、氷層の堆積が相対的に薄い部位には粗面を形成せずに平滑面としてもよい。例えば、ルーバー２３の中心領域の羽板表面に粗面を形成し、ルーバー２３の周縁領域の羽板表面は平滑面としてもよい。

また、ルーバー２３の表面のうち放射シールド１８の内側を向く裏面にも粗面４２が形成されていてもよい。放射シールド１８の内面及び外面の少なくとも一方に粗面が形成されていてもよい。

粗面４２を形成するための粗化処理はバッフル基材への無光沢めっき処理には限られない。粗化処理は例えば、バッフル基材へのブラスト処理（例えばガラスビーズブラスト処理、いわゆるＧＢＢ処理）やエッチング処理などのバッフル表面におけるアンカー効果を促進する任意の処理であってもよい。また、粗化処理は、バッフル基材の表面に対して行う代わりに、バッフル基材へのめっき処理がなされた後の表面（すなわちめっき層の表面）に行ってもよい。例えば、バッフル基材に光沢めっきを施した後に、光沢めっき層の光沢を除去するつや消し処理を粗化処理として行ってもよい。このようにして、粗面４２は、採用した粗化処理に応じて定まる所定の範囲の表面粗さを有する。

上記の構成のクライオポンプ１０による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を用いて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２１及び第２冷却ステージ２２が冷却され、これらに熱的に接続されている放射シールド１８、ルーバー２３、クライオパネル２４も冷却される。

冷却されたルーバー２３は、真空チャンバからクライオポンプ１０内部へ向かって飛来する気体分子を冷却し、その冷却温度で蒸気圧が充分に低くなる気体（例えば水分など）を表面に凝縮させて排気する。ルーバー２３の冷却温度では蒸気圧が充分に低くならない気体はルーバー２３を通過して放射シールド１８内部へと進入する。進入した気体分子のうちクライオパネル２４の冷却温度で蒸気圧が充分に低くなる気体は、クライオパネル２４の表面に凝縮されて排気される。その冷却温度でも蒸気圧が充分に低くならない気体（例えば水素など）は、クライオパネル２４の表面に接着され冷却されている吸着剤により吸着されて排気される。このようにしてクライオポンプ１０は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、排気運転中のルーバー２３の断面を模式的に示す拡大図である。上述のように、一実施例に係るルーバー２３の羽板４１は、基材４３の表面に無光沢めっき層４４を有する。基材４３の材質は例えば銅であり、無光沢めっき層４４は例えばニッケルである。無光沢めっき層４４の表面は微細な凹凸を有する粗面４２となっている。粗面４２を形成する微細な凹凸は、選択した無光沢めっき処理に応じて定まる所定の範囲の表面粗さを有する。このため、粗面４２のアンカー効果により氷層１１６が羽板４１に密着される。よって、プロセスガス分子１１４の再放出が抑制され、所望の真空度へのリカバリ時間の増大を抑えることができる。

本実施形態においては、典型的なクライオポンプとは異なりバッフル表面を敢えて粗化している。これにより、氷層が剥離しにくくなり、クライオトラッピング現象により吸着されたプロセスガス分子の再放出を抑制することができる。よって、真空チャンバを所望の真空度に短時間で回復させることが可能となる。また、羽板４１の表面に密着した氷層が形成されることによりバッフル表面の反射率が高くなり、入射する輻射熱の吸収を低減し得るという副次的な効果も得られる。これにより、バッフル表面を粗化したことによる輻射熱の影響を緩和することができる。

好ましい一実施例においては、粗面４２はフラクタル的な二重構造を有してもよい。つまり、粗面４２は、相対的に大きい表面粗さを有する第１の粗面の上に、それよりも小さい表面粗さを有する第２の粗面が形成されていてもよい。クライオパネル表面を巨視的に見たときの単位面積当たりの表面積が、第２の粗面の微小な凹凸により大きくなる。パネル表面におけるアンカー効果がいっそう促進され、パネル表面に氷層を強力に密着させることができる。

図４は、他の実施例に係る排気運転中のルーバー２３の断面を模式的に示す拡大図である。ルーバー２３の羽板４１の表面には第１凹凸構造４５が形成されている。第１凹凸構造４５の表面に、第１凹凸構造４５よりも微細な第２凹凸構造４６が形成されている。第１凹凸構造４５の個々の凹凸の表面に、第２凹凸構造４６の多数の凹凸が形成されている。すなわち、粗面４２は、表面粗さを低倍率で測定したときには第１の表面粗さが得られ、高倍率で測定したときには第１の表面粗さよりも微細な第２の表面粗さが得られる表面構造を有する。なお図においては便宜上、凹凸が規則的に配列されているように図示されているが、これには限られない。凹凸は不規則に配列されていてもよい。

第１凹凸構造４５の中心線平均粗さＲａは数μｍ乃至数十μｍであり、第２凹凸構造４６の中心線平均粗さＲａは数ｎｍ乃至数十ｎｍであることが好ましい。具体的には、第１凹凸構造４５の中心線平均粗さＲａは０．５μｍ乃至１００μｍであり、第２凹凸構造４６の中心線平均粗さＲａは１ｎｍ乃至４００ｎｍであることが好ましい。第１凹凸構造４５の中心線平均粗さＲａは０．５μｍ乃至２０μｍであり、第２凹凸構造４６の中心線平均粗さＲａは１０ｎｍ乃至１００ｎｍであることがより好ましい。

第１凹凸構造４５はバッフル基材に第１粗化処理を行うことにより形成され、第２凹凸構造４６は第１粗化処理の後に第２粗化処理を行うことにより形成されることが好ましい。第１粗化処理は機械加工処理であってもよい。第２粗化処理は化学処理であってもよい。機械加工による粗化処理は例えば上述のブラスト処理であってもよい。化学処理による粗化処理は例えば上述の無光沢めっき処理であってもよい。

図５は、本発明の一実施形態に係る真空排気システムを模式的に示す図である。この真空排気システムは、コールドトラップ２１０と真空ポンプ（例えばターボ分子ポンプ２１２）とを備える。真空ポンプは高真空領域まで排気するための高真空ポンプである。ターボ分子ポンプ２１２は排気流路２１４を通じて真空処理装置の真空チャンバ２１６に接続されている。コールドトラップ２１０は排気流路２１４においてターボ分子ポンプ２１２の手前に配置されている。コールドトラップ２１０はインライン型のコールドトラップである。コールドトラップ２１０は、ターボ分子ポンプ２１２の鉛直方向上方に配置されている。なお真空ポンプはディフュージョンポンプであってもよい。真空排気システムは、高真空ポンプに加えて、真空チャンバ２１６の粗引きをするための補助ポンプを備えてもよい。

また、排気流路２１４には真空排気システムを真空チャンバ２１６から遮断するためのゲートバルブ２１８が設けられている。ゲートバルブ２１８は真空チャンバ２１６の開口部とコールドトラップ２１０との間に設けられている。ゲートバルブ２１８を開くことにより真空チャンバ２１６を排気可能に真空排気システムが連通され、ゲートバルブ２１８を閉じることにより真空チャンバ２１６から真空排気システムが遮断される。コールドトラップ２１０を再生する際には通常ゲートバルブ２１８は閉じられる。なおゲートバルブ２１８は真空排気システムの一部として構成されていてもよいし、真空処理装置の一部として真空チャンバ２１６の開口部に設けられていてもよい。

コールドトラップ２１０は、表面に気体を捕捉するためのコールドパネル２２０、冷凍機２２２、及び制御部２２４を含んで構成される。コールドパネル２２０は全体が排気流路２１４に露出されており、冷凍機２２２により冷却されることにより排気流路２１４を流れる気体の一部を表面に凍結して捕捉する。コールドパネル２２０は、排気流路２１４における気体流通方向（図５においては上下方向）に垂直な面に沿って配置されている。コールドパネル２２０は、排気流路２１４の気体流通方向に垂直な断面積の例えば大半を占有するように気体流通方向に関する投影面積が設定されている。

コールドパネル２２０は、例えば複数の金属製の羽板を有するルーバーである。各羽板はそれぞれ径の異なる円すい台の側面の形状に形成されて同心円状に配列されている。なおコールドパネル２２０はシェブロン形状に形成されていてもよいし格子状等他の形状に形成されていてもよい。

コールドパネル２２０は、その外周部から突出する棒状の伝熱部材２２６により冷凍機２２２の冷却ステージ２２８に熱的に接続されている。排気流路２１４には伝熱部材２２６に対応する位置に開口が形成されており、その開口には伝熱部材２２６を収容しかつ排気流路２１４と冷凍機ハウジング２３０とを接続する接続ハウジング２３２が取り付けられている。接続ハウジング２３２により排気流路２１４の内部空間と冷凍機ハウジング２３０の内部空間とは気密に接続される。よって、冷凍機ハウジング２３０の内部圧力は排気流路２１４における圧力に等しくなる。

冷凍機２２２は、ギフォード・マクマホン式冷凍機（いわゆるＧＭ冷凍機）である。また冷凍機２２２は単段式の冷凍機であり、冷却ステージ２２８、シリンダ２３４、及び冷凍機モータ２３６を有する。シリンダ２３４の一端に冷却ステージ２２８が取り付けられ、他端に冷凍機モータ２３６が設けられている。シリンダ２３４にはディスプレーサ（図示せず）が内蔵され、ディスプレーサの内部には蓄冷材が組み込まれている。冷凍機モータ２３６は、ディスプレーサがシリンダ２３４の内部の往復動可能とするようにディスプレーサに接続される。また、冷凍機モータ２３６は、冷凍機２２２の内部の内部に設けられている可動バルブ（図示せず）を正逆回転可能とするように当該バルブに接続される。

冷凍機２２２には、高圧配管及び低圧配管を介して圧縮機（図示せず）が接続される。冷凍機２２２は、圧縮機から供給される高圧の作動気体（例えばヘリウム等）を内部で膨張させて吐出する熱サイクルを繰り返すことにより冷却ステージ２２８及びコールドパネル２２０に寒冷を発生させる。この熱サイクルを実現するように冷凍機モータ２３６は可動バルブを所定方向に回転させる。圧縮機は、冷凍機２２２から吐出された作動気体を回収し再び加圧して冷凍機２２２に供給する。また、冷凍機モータ２３６が可動バルブを逆方向に回転することにより、上述の熱サイクルを逆転させた熱サイクルが実現され、冷却ステージ２２８及びコールドパネル２２０は加熱される。なお、冷凍機２２２の逆転運転の代わりに、または逆転運転に併用してヒータ等の加熱手段を用いて冷却ステージ２２８またはコールドパネル２２０を加熱してもよい。

冷凍機２２２の冷却ステージ２２８には温度センサ２３８が設けられている。温度センサ２３８は冷却ステージ２２８の温度を周期的に測定し、測定温度を示す信号を制御部２２４に出力する。温度センサ２３８はその出力を通信可能に制御部２２４に接続されている。冷却ステージ２２８とコールドパネル２２０とは熱的に一体に構成されているから、温度センサ２３８の測定温度はコールドパネル２２０の温度を表す。なお温度センサ２３８は、コールドパネル２２０に設けてもよいし伝熱部材２２６に設けてもよい。

また、冷凍機ハウジング２３０の内部に圧力センサ２４０が設けられている。圧力センサ２４０は、冷凍機ハウジング２３０の内部圧力すなわち排気流路２１４の圧力を周期的に測定し、測定圧力を示す信号を制御部２２４に出力する。圧力センサ２４０はその出力を通信可能に制御部２２４に接続されている。圧力センサ２４０はコールドトラップ２１０の再生処理の実行中に限って圧力を測定し制御部２２４に出力するようにしてもよい。圧力センサ２４０の測定値はコールドパネル２２０の周囲の圧力つまり雰囲気圧力を表す。なお圧力センサ２４０は接続ハウジング２３２の内部に設けてもよいし排気流路２１４に設けてもよい。

コールドパネル２２０は、図２乃至図４を参照して説明したルーバー２３と同様の構成を有する。コールドパネル２２０の表面のうち真空チャンバ２１６を向く面に粗面２４２が形成されている。コールドパネル２２０の表側の面は所定の表面粗さを有する。粗面２４２の表面粗さは、氷層に対する密着性を考慮して経験的または実験的に適宜設定することが可能である。この粗面２４２は、基材にニッケルの無光沢めっきを施すことにより形成されている。無光沢めっき工程での結晶成長により微小な凹凸が形成されている。粗面２４２は上述の他の粗化処理を施すことにより形成されてもよい。

粗面２４２は、図４に示すように、二重の凹凸構造を有する粗面であってもよい。コールドパネル２２０は、第１の表面粗さを有する面に該第１の表面粗さよりも小さい第２の表面粗さが形成されている粗面を有してもよい。

なおコールドパネル２２０の表面のうち氷層が相対的に厚く堆積する部位に粗面を形成し、氷層の堆積が相対的に薄い部位には粗面を形成せずに平滑面としてもよい。例えば、コールドパネル２２０の中心領域の羽板表面に粗面を形成し、コールドパネル２２０の周縁領域の羽板表面は平滑面としてもよい。コールドパネル２２０の表面のうちターボ分子ポンプ２１２を向く裏面にも粗面２４２が形成されていてもよい。

図５に示される真空排気システムによる排気処理においては、ゲートバルブ２１８を開放しターボ分子ポンプ２１２を動作させることにより真空チャンバ２１６を排気して真空度を所望のレベルへと高める。ターボ分子ポンプ２１２を作動させる前に、粗引き用の補助ポンプにより真空チャンバ２１６を排気してもよい。コールドトラップ２１０は、排気流路２１４を流れる水蒸気を捕捉可能とする温度（例えば１００Ｋ）に冷却される。ターボ分子ポンプ２１２は通常水蒸気の排気速度が比較的小さいが、コールドトラップ２１０を併用することにより大きな排気速度を実現することができる。

排気処理においては、制御部２２４は、コールドパネル２２０の温度が目標温度（例えば１００Ｋ）に一致するように温度センサ２３８の測定温度に基づいて冷凍機モータ２３６を制御する。制御部２２４は例えば、温度センサ２３８の測定温度と目標温度との偏差を最小化するように冷凍機モータ２３６の回転数を決定する。制御部２２４は例えば、測定温度が目標温度を上回る場合には冷凍機モータ２３６の回転数を増加させ、測定温度が目標温度を下回る場合には冷凍機モータ２３６の回転数を減少させる。このようにしてコールドパネル２２０の温度は目標温度に維持される。

本実施形態においては、コールドパネル２２０の表面を粗化したことにより、表面に捕捉した氷層の剥離を抑制することができる。よって、後段の高真空ポンプ（例えばターボ分子ポンプ２１２）により排気されるべきガス分子がクライオトラッピング現象により氷層に吸着されたとしても、それら吸着ガス分子の再放出は抑制される。

１０ クライオポンプ、 １２ ポンプ容器、 １４ 冷凍機、 １６ クライオパネル構造体、 １８ 放射シールド、 ２０ シールド開口、 ２１ 第１冷却ステージ、 ２２ 第２冷却ステージ、 ２３ ルーバー、 ２４ クライオパネル、 ２６ 接続部材、 ４０ ルーバー取付部、 ４１ 羽板、 ４２ 粗面、 ４３ 基材、 ４４ 無光沢めっき層。

Claims (6)

1. 冷凍機と、該冷凍機に熱的に接続され冷却されるコールドパネルと、を備えるコールドトラップであって、
   前記コールドパネルは、第１凹凸構造と該第１凹凸構造よりも微細な第２凹凸構造とを有する粗面を備え、前記第２凹凸構造は前記第１凹凸構造の上に形成され、
   前記第１凹凸構造の個々の凹凸の表面に前記第２凹凸構造の多数の凹凸が形成されていることを特徴とするコールドトラップ。
2. 前記コールドパネルの基材に無光沢めっきをすることにより前記粗面を形成したことを特徴とする請求項１に記載のコールドトラップ。
3. 前記コールドパネルの表面を粗化することにより前記粗面を形成したことを特徴とする請求項１または２に記載のコールドトラップ。
4. 前記コールドパネルの表面のうち排気対象容積を向く面に前記粗面を形成したことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のコールドトラップ。
5. 前記第１凹凸構造を機械加工により形成し、前記第２凹凸構造を化学処理により形成したことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のコールドトラップ。
6. 真空ポンプと、該真空ポンプに排気対象容積を接続する排気流路に配置され、該排気対象容積から該排気流路を通じて該真空ポンプへと吸入されて排気される気体の少なくとも一部を表面に凍結して捕捉するコールドトラップと、を備える真空排気装置であって、
   前記コールドトラップは、前記排気流路に露出して配置されたコールドパネルと、前記コールドパネルに熱的に接続され前記コールドパネルを冷却する冷凍機と、を備え、
   前記コールドパネルは、第１凹凸構造と該第１凹凸構造よりも微細な第２凹凸構造とを有する粗面を備え、前記第２凹凸構造は前記第１凹凸構造の上に形成され、
   前記第１凹凸構造の個々の凹凸の表面に前記第２凹凸構造の多数の凹凸が形成されていることを特徴とする真空排気装置。

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