JP6338403B2 - クライオポンプ及び真空排気方法 - Google Patents

Description

本発明は、クライオポンプ及び真空排気方法に関する。

クライオポンプは一般に、温度の異なる二種類のクライオパネルを備える。低温のクライオパネルにはガスが凝縮する。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凝縮層が成長し、いずれは高温の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ガス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、このときのガスの吸蔵量がクライオポンプの最大吸蔵量を与える。

特開２００９−２７５６７２号公報

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、クライオポンプのガス吸蔵量を向上することにある。

本発明のある態様によると、第１ステージと、前記第１ステージより低温に冷却される第２ステージと、を備える冷凍機と、主開口を有する放射シールドと、前記主開口を横断するプレート部材と、を備え、前記第１ステージに熱的に接続されている第１クライオパネルと、前記第１クライオパネルに囲まれており、前記第２ステージに熱的に接続されている第２クライオパネルと、を備え、前記プレート部材は、プレート本体部と、前記プレート本体部を前記放射シールドに取り付けるための外縁部と、を備え、前記プレート本体部は、前記第２クライオパネルに凝縮されるガスを通すための多数の小孔を有するガス通過領域と、前記本体部において前記ガス通過領域と異なる場所に形成されているガス遮蔽領域と、を備えることを特徴とするクライオポンプが提供される。

本発明のある態様によると、クライオポンプを用いる真空排気方法であって、前記クライオポンプは、主開口を横断するプレート部材と、前記プレート部材に対向する第２クライオパネルと、を備え、前記方法は、前記プレート部材及び前記第２クライオパネルをそれぞれ、第１温度及びそれより低い第２温度に冷却することと、前記プレート部材の表面の一部に形成されている多数の小孔を通じて、前記プレート部材と前記第２クライオパネルとの間にガスを受け入れることと、前記ガスを前記第２クライオパネルに凝縮することと、を備えることを特徴とする方法が提供される。

本発明のある態様によると、主開口を有する放射シールドと、前記主開口を横断するプレート部材と、を備える第１クライオパネルと、前記プレート部材に対向する前面を備え、前記第１クライオパネルより低温に冷却される第２クライオパネルと、を備え、前記前面は、中心領域と、前記中心領域を囲む外側領域と、を備え、前記プレート部材は、前記第２クライオパネルに凝縮されるガスを通すための多数の小孔を有し前記外側領域に対向するガス通過領域と、前記中心領域に対向するガス遮蔽領域と、を備えることを特徴とするクライオポンプが提供される。

本発明のある態様によると、主開口を有する放射シールドと、前記主開口に配設されている入口クライオパネルと、を備える第１クライオパネルと、前記第１クライオパネルに囲まれており、前記第１クライオパネルより低温に冷却される第２クライオパネルと、を備え、前記放射シールドは、前記第２クライオパネルを囲む側部を備え、前記側部と前記第２クライオパネルとの間には、狭窄部を有する隙間が形成されており、前記入口クライオパネルは、前記狭窄部に対応する場所にガス遮蔽領域を備えることを特徴とするクライオポンプが提供される。

なお、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、クライオポンプのガス吸蔵量を向上することができる。

本発明の第１実施形態に係るクライオポンプの主要部を模式的に示す側断面図である。 本発明の第１実施形態に係るクライオポンプの主要部を模式的に示す上面図である。 本発明の第１実施形態に係るクライオポンプの主要部を模式的に示す側断面図である。 本発明の第２実施形態に係るクライオポンプの主要部を模式的に示す上面図である。 本発明の第３実施形態に係るクライオポンプの主要部を模式的に示す上面図である。 本発明の第４実施形態に係るクライオポンプの主要部を模式的に示す側断面図である。 本発明の第５実施形態に係るクライオポンプの主要部を模式的に示す側断面図である。 本発明のある実施形態に係るプレート取付部を模式的に示す断面図である。

図１は、本発明の第１実施形態に係るクライオポンプ１０の主要部を模式的に示す側断面図である。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、気体を受け入れるための吸気口１２を有する。クライオポンプ１０が取り付けられた真空チャンバから吸気口１２を通じて、排気されるべき気体がクライオポンプ１０の内部空間１４に進入する。図１は、クライオポンプ１０の内部空間１４の中心軸Ａを含む断面を示している。

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」、「放射方向」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において一点鎖線Ａに沿う方向）を表し、放射方向は吸気口１２に沿う方向（一点鎖線Ａ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。放射方向に関しては、吸気口１２の中心（図１において中心軸Ａ）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。放射方向は径方向とも言える。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を備える。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、第１ステージ２２及び第２ステージ２４を備える二段式の冷凍機である。冷凍機１６は、第１ステージ２２を第１温度レベルに冷却し、第２ステージ２４を第２温度レベルに冷却するよう構成されている。第２温度レベルは第１温度レベルよりも低温である。例えば、第１ステージ２２は６５Ｋ〜１２０Ｋ程度、好ましくは８０Ｋ〜１００Ｋに冷却され、第２ステージ２４は１０Ｋ〜２０Ｋ程度に冷却される。

また、冷凍機１６は、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の室温部を第１ステージ２２に接続する。第２シリンダ２５は、第１ステージ２２を第２ステージ２４に接続する接続部分である。

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の内部空間１４の中心軸Ａ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。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１０は、第１クライオパネル１８と、第１クライオパネル１８より低温に冷却される第２クライオパネル２０と、を備える。第１クライオパネル１８は、放射シールド３０とプレート部材３２とを備え、第２クライオパネル２０を包囲する。第１クライオパネル１８の詳細については後述する。プレート部材３２と第２クライオパネル２０との間に凝縮層の主収容空間２１が形成される。

第２クライオパネル２０は、クライオポンプ１０の内部空間１４の中心部に設けられている。第２クライオパネル２０は、第２ステージ２４を囲むようにして第２ステージ２４に取り付けられている。よって、第２クライオパネル２０は、第２ステージ２４に熱的に接続されており、第２クライオパネル２０は第２温度レベルに冷却される。

第２クライオパネル２０は、トップパネル６０を備える。トップパネル６０は、ガスをその表面に凝縮するために設けられている。トップパネル６０は、第２クライオパネル２０のうちプレート部材３２に最も近接する部分であり、プレート部材３２に対向するトップパネル前面６１を備える。トップパネル前面６１は、中心領域６２と、中心領域６２を囲む外側領域６３と、を備える。

トップパネル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。トップパネル６０は、中心領域６２において第２ステージ２４に固定されている。中心領域６２は凹部を有し、この凹部においてトップパネル６０は適切な固定部材６４（例えばボルト）を用いて第２ステージ２４に固定される（図２及び図５参照）。凹部の周囲には上方に向かう段部６５が形成されている。段部６５の高さは固定部材６４を凹部に収容するように定められている。段部６５から径方向外向きに外側領域６３が延びている。外側領域６３の径方向末端は下方に屈曲されており、トップパネル６０の外周端部６６が形成されている。トップパネル６０は、図２に示されるように円板状パネルである。

なおトップパネル６０は、固定部材６４を収容する中心領域６２の凹部を有していなくてもよい。この場合、トップパネル前面６１は、段部６５を有しない平坦面であってもよい。また、本実施形態ではトップパネル６０は吸着剤を備えていないが、例えばその裏面に吸着剤が設けられていてもよい。

冷凍機１６の第２ステージ２４はクライオポンプ１０の内部空間１４の中心部に位置し、第２ステージ２４の上面にトップパネル６０が直に取り付けられている。こうして、凝縮層の主収容空間２１は、内部空間１４の上半分を占めている。

第２クライオパネル２０は、１つ又は複数の通常パネル６７を含む。通常パネル６７は、ガスをその表面に凝縮または吸着するために設けられている。通常パネル６７は、トップパネル６０の下方に配列されている。通常パネル６７はトップパネル６０と形状が異なる。通常パネル６７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。各通常パネル６７には活性炭等の吸着剤６８が設けられている。吸着剤は例えば通常パネル６７の裏面に接着されている。通常パネル６７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。

また、クライオポンプ１０は、クライオポンプ容器３８を備える。クライオポンプ容器３８は、第１クライオパネル１８、第２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。クライオポンプ容器３８の前端３９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３８は、前端３９から径方向外側に向けて延びている吸気口フランジ４０を備える。吸気口フランジ４０は、クライオポンプ容器３８の全周にわたって設けられている。吸気口フランジ４０を用いてクライオポンプ１０が真空チャンバに取り付けられる。

シールド前端２８及びプレート部材３２は、クライオポンプ容器３８の吸気口フランジ４０を越えて軸方向上方に配置されている。このように、放射シールド３０は、クライオポンプ１０が取り付けられる真空チャンバに向けて延出している。放射シールド３０を上方に延ばすことにより、凝縮層の主収容空間２１を軸方向に広くすることができる。ただし、この延出部分の軸方向長さは、真空チャンバ（または真空チャンバとクライオポンプ１０との間のゲートバルブ）に干渉しないように定められている。

第１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３８からの輻射熱から第２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クライオパネル１８は第１ステージ２２に熱的に接続されている。よって第１クライオパネル１８は第１温度レベルに冷却される。第１クライオパネル１８は第２クライオパネル２０との間に隙間を有しており、第１クライオパネル１８は第２クライオパネル２０と接触していない。

放射シールド３０は、クライオポンプ容器３８の輻射熱から第２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、クライオポンプ容器３８と第２クライオパネル２０との間にあり、第２クライオパネル２０を囲む。放射シールド３０は、主開口であるシールド開口２６を画定するシールド前端２８と、シールド開口２６に対向するシールド底部３４と、シールド前端２８からシールド底部３４へと延在するシールド側部３６と、を備える。シールド開口２６は吸気口１２に位置する。放射シールド３０は、シールド底部３４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。

放射シールド３０は、冷凍機１６の取付座３７を備える。取付座３７は、放射シールド３０の外から見て窪んでおり、冷凍機１６を放射シールド３０に取り付けるための平坦部分をシールド側部３６に形成する。取付座３７は、第２クライオパネル２０の側方に位置する。上述のように冷凍機１６の第２ステージ２４の上面にトップパネル６０が直に取り付けられ、そのためトップパネル６０は第２ステージ２４と同じ高さにあるので、取付座３７はトップパネル６０の側方に位置する。

シールド側部３６は、全体として閉じた環状部分を形成する。シールド側部３６は、取付座３７と開環状部分４１とを備える（図２参照）。開環状部分４１は、周方向に延びるＣ字状の部分であり、取付座３７に周方向に隣接する。開環状部分４１は、取付座３７とともに第２クライオパネル２０を囲み、閉環状部分を形成する。第２クライオパネル２０と取付座３７との間には側方隙間４３が形成され、第２クライオパネル２０と開環状部分４１との間にはＣ字状の開環状隙間４４が形成されている。図２に示されるように、側方隙間４３は、第２クライオパネル２０の輪郭によって、途中に狭窄部を有する。開環状隙間４４は、側方隙間４３に連続して閉環状隙間を形成する。開環状隙間４４は、周方向に一定の幅を有する。側方隙間４３の狭窄部の幅Ｗ１は、開環状隙間４４の幅Ｗ２より狭い（図２参照）。

図１に示されるように、取付座３７には冷凍機１６の取付孔４２があり、その取付孔４２から冷凍機１６の第２ステージ２４及び第２シリンダ２５が放射シールド３０の中に挿入されている。冷凍機１６の第１ステージ２２は放射シールド３０の外に配置されている。放射シールド３０は、伝熱部材４５を介して第１ステージ２２に接続されている。伝熱部材４５は、その一端のフランジにより取付孔４２の外周部に固定され、他端のフランジにより第１ステージ２２に固定されている。伝熱部材４５は、例えば中空の短筒であり、冷凍機１６の中心軸に沿って放射シールド３０と第１ステージ２２との間に延びている。こうして放射シールド３０は第１ステージ２２に熱的に接続されている。なお放射シールド３０は第１ステージ２２に直接取り付けられてもよい。

第２シリンダ２５と取付孔４２との間には、シールド開口２６に近い側に上方隙間４６が形成され、シールド開口２６から遠い側に下方隙間４８が形成されている。冷凍機１６は取付孔４２の中心に挿入されているので、上方隙間４６の幅は下方隙間４８の幅と等しい。

本実施形態においては、放射シールド３０は図示されるような一体の筒状に構成されている。これに代えて、放射シールド３０は、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。例えば、放射シールド３０は軸方向に２つの部分に分割されていてもよい。この場合、放射シールド３０の上部は、両端が開放された筒であり、シールド前端２８とシールド側部３６の第１部分とを備える。放射シールド３０の下部は、上端が開放され下端が閉じられており、シールド側部３６の第２部分とシールド底部３４とを備える。シールド側部３６の第１部分と第２部分との間には周方向に延びる間隙が形成されている。冷凍機１６の取付孔４２はその上半分がシールド側部３６の第１部分に形成され、下半分がシールド側部３６の第２部分に形成される。

クライオポンプ１０には、冷凍機１６の第２シリンダ２５を包囲する冷凍機カバー７０が設けられている。冷凍機カバー７０は第２シリンダ２５よりも若干大径の円筒形状に形成されており、一端が第２ステージ２４に取り付けられ、放射シールド３０の取付孔４２を通って第１ステージ２２に向けて延びている。冷凍機カバー７０と放射シールド３０との間には間隙が設けられており、冷凍機カバー７０と放射シールド３０とは接触していない。冷凍機カバー７０は第２ステージ２４に熱的に接続されており、第２ステージ２４と同じ温度に冷却される。よって、冷凍機カバー７０は第２クライオパネル２０の一部であるともみなされる。

プレート部材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クライオパネル２０を保護するために、吸気口１２（またはシールド開口２６、以下同様）に設けられている入口クライオパネルである。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内の熱源である。輻射熱だけではなく気体分子の進入も制限される。プレート部材３２は、吸気口１２を通じた内部空間１４への気体流入を所望量に制限するように吸気口１２の開口面積の一部を占有する。プレート部材３２は、吸気口１２の大半を覆っている。また、プレート部材３２の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。

シールド前端２８とプレート部材３２との間には軸方向にわずかな間隙がある。この間隙を覆って気体流れを規制するために、プレート部材３２はスカート部３３を備える。スカート部３３はプレート部材３２を取り巻く短筒である。スカート部３３はプレート部材３２とともに、プレート部材３２を底面とする円形トレイ状の一体構造をなす。この円形トレイ構造は放射シールド３０に被さるように配置されている。よって、スカート部３３は、プレート部材３２から軸方向下方に突き出して、シールド前端２８に径方向に隣接して延びている。スカート部３３とシールド前端２８との径方向距離は例えば、放射シールド３０の寸法公差程度である。

シールド前端２８とプレート部材３２との間隙は製造上の誤差により変動し得る。そうした誤差は精密な部材の加工及び組付によって低減されうるが、それによる製造コストの上昇を考慮すると必ずしも現実的ではないかもしれない。誤差はクライオポンプ１０の個体差につながる。仮にスカート部３３がない場合には、間隙の大きさに応じて、放射シールド３０の内側への気体の流入量が変わる。気体の流入量はクライオポンプ１０の排気速度に直接関連する。間隙が大きすぎても、あるいは小さすぎても、実際の排気速度が設計上の性能から外れてしまう。シールド前端２８とプレート部材３２との間隙をスカート部３３が覆うことによって、間隙を通じた気体流れが規制され、個体差が低減される。その結果、設計性能に対するクライオポンプ排気速度の個体差も小さくすることができる。

図２は、プレート部材３２を模式的に示す上面図である。図２においてはプレート部材３２の下方にある代表的な構成要素を破線で示す。

プレート部材３２は、シールド開口２６を横断する一枚の平板（例えば円板）を備える。プレート部材３２の寸法（例えば直径）は、シールド開口２６の寸法に一致する。プレート部材３２は、プレート本体部５０とプレート外縁部５２とに区分けされる。プレート外縁部５２は、プレート本体部５０を放射シールド３０に取り付けるためのリム部である。

プレート部材３２は、シールド前端２８のプレート取付部２９に取り付けられている。プレート取付部２９は、シールド前端２８から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。プレート部材３２は適切な手法でプレート取付部２９に固定される。例えば、プレート取付部２９及びプレート外縁部５２はボルト孔（図示せず）を有し、プレート外縁部５２がプレート取付部２９にボルト留めされる。

プレート部材３２には気体流れを許容する多数の小孔５４が形成されている。小孔５４はプレート本体部５０及びプレート外縁部５２に形成された貫通孔である。よって、第２クライオパネル２０（主としてトップパネル６０）に凝縮されるべきガスを、小孔５４を通じてプレート部材３２と第２クライオパネル２０との間の主収容空間２１に受け入れることができる。なお小孔５４は、プレート外縁部５２のうちプレート取付部２９の近傍には形成されていない。

小孔５４は規則的に配列されている。本実施形態においては、小孔５４は、直交する二つの直線方向それぞれにおいて等間隔に設けられ、小孔５４の格子を形成する。代案として、小孔５４は、径方向及び周方向それぞれにおいて等間隔に設けられていてもよい。

小孔５４の形状は例えば円形であるが、これに限られず、小孔５４は、矩形その他の形状を有する開口、直線状または曲線状に延びるスリット、または、プレート部材３２の外周に形成された切り欠きであってもよい。小孔５４の大きさは明らかにシールド開口２６より小さい。

プレート本体部５０は、多数の小孔５４を有するガス通過領域５６と、プレート本体部５０においてガス通過領域５６と異なる場所に形成されているガス遮蔽領域５８と、を備える。したがってプレート本体部５０は、ガス通過領域５６とガス遮蔽領域５８とに区分けされる。ガス通過領域５６とガス遮蔽領域５８とは互いに隣接する。よって、プレート部材３２はその表面の一部分に多数の小孔５４を有し、それによりガス通過領域５６が形成されている。また、プレート部材３２にはガス遮蔽領域５８が局所的に形成されている。

図２においては、ガス通過領域５６とガス遮蔽領域５８との境界を一点鎖線で示す。本実施形態においては、ガス通過領域５６とガス遮蔽領域５８との境界は、トップパネル６０の外側領域６３と中心領域６２との境界（すなわち段部６５）の内側にある。このようにして、ガス通過領域５６はトップパネル６０の外側領域６３に対向し、ガス遮蔽領域５８はトップパネル６０の中心領域６２に対向する。

ガス通過領域５６とガス遮蔽領域５８との境界は、後述するように、トップパネル前面６１に成長する凝縮層７２の形状制御のために設定される。したがって、凝縮層７２を所望の形状に成長させるために、ガス通過領域５６とガス遮蔽領域５８との境界は図示と異なっていてもよい。この境界は、トップパネル６０の外側領域６３と中心領域６２との境界に一致していてもよいし、その外側にあってもよいし、あるいは交差していてもよい。また、ガス通過領域５６とガス遮蔽領域５８との境界の形状は円形に限られず、その他の任意の形状であってもよい。

ガス遮蔽領域５８は、小孔５４の規則的配列から少なくとも１つの小孔を欠落させることによって形成される。図２に示されるように、ガス遮蔽領域５８は、ガス通過領域５６における小孔５４の規則的配列に仮に従ったとしたら形成されたであろう４つの小孔（プレート本体部５０の中心部に二重破線で示す）を含む領域である。ガス遮蔽領域５８には小孔が設けられていないので、ガス遮蔽領域５８はガスを通さない。

ガス遮蔽領域５８に少なくとも１つの小孔が設けられていてもよい。例えば、破線で図示する仮想的小孔の場所の全数には小孔を形成しないことによって（つまり、ガス通過領域５６における規則的配列に比べて小孔５４の数を減らすことによって）、ガス遮蔽領域５８が形成されていてもよい。あるいは、仮想的小孔の場所に、ガス通過領域５６の小孔５４より小さい穴が形成されてもよい。こうした微小開口は、仮想的小孔の場所と同数またはそれより少数設けられていてもよい。このようにしても、ガス遮蔽領域５８におけるガス流れを、ガス通過領域５６に比べて制限することができる。

したがって、ガス通過領域５６においては第１の分布で小孔が形成され、ガス遮蔽領域５８においては小孔が形成されていないか又は第１の分布と異なる第２の分布で小孔が形成されていてもよい。第２の分布は例えば、ガス遮蔽領域５８における単位面積あたりの開口面積がガス通過領域５６における単位面積あたりの開口面積より小さいように定められる。ここで開口面積とは小孔の面積の合計である。また、第１の分布は規則性を有しなくてもよい。よって、ガス通過領域５６の小孔５４は不規則に並んでいてもよい。

なお、プレート部材３２が有する開口面積の合計は、例えば排気速度などの要求性能に従って設計上決定される。したがって、ガス遮蔽領域５８を設定するために小孔を欠落または縮小するに当たっては、それによる開口面積の減少を補うことが好ましい。そのために、ガス通過領域５６に新たな小孔５４が追加されてもよいし、既存の小孔５４が拡大されてもよい。既存の小孔５４の場所が変更されてもよい。

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１６の駆動により第１ステージ２２及び第２ステージ２４が冷却され、これらに熱的に接続されている第１クライオパネル１８、第２クライオパネル２０も冷却される。第１クライオパネル１８及び第２クライオパネル２０はそれぞれ、第１温度及びそれより低い第２温度に冷却される。

プレート部材３２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。プレート部材３２の冷却温度では蒸気圧が充分に低くならない気体は、多数の小孔５４を通過して主収容空間２１へと進入する。あるいは、気体の一部は、プレート部材３２のガス遮蔽領域５８で反射され、主収容空間２１に進入しない。

進入した気体分子のうち第２クライオパネル２０の冷却温度で蒸気圧が充分に低くなる気体（例えばアルゴンなど）は、第２クライオパネル２０の表面（主に、トップパネル前面６１）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、第２クライオパネル２０の表面に接着され冷却されている吸着剤６８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、排気運転中のクライオポンプ１０を模式的に示す図である。図３に示されるように、クライオポンプ１０のトップパネル６０には凝縮した気体からなる氷または霜が堆積している。この凝縮層７２の主成分は例えばアルゴンである。この氷層は排気運転時間とともに成長して厚みが増していく。なお図３においては、簡明化のため、通常パネル６７及び冷凍機カバー７０に堆積する凝縮層は図示を省略している。

プレート部材３２がガス遮蔽領域５８を有しない場合（つまり、プレート部材３２が図２に示す二重破線の小孔を有する場合）には、図３に破線で示すように、ドーム型またはマッシュルーム型の凝縮層がトップパネル６０に成長する。多数の小孔５４をプレート部材３２上に一様に分布させた場合には、ガスが主収容空間２１の中心部に流入しやすい。そのため、図示されるように中心部への凝縮の集中が起こりやすい。また、プレート部材３２の取付のためにプレート外縁部５２の小孔５４の数が少ないことも中心部への凝縮集中の一因でありうる。

ドーム型の凝縮層がさらに成長すると、中心軸Ａ付近の凝縮層頂上部がプレート部材３２の下面に接触しうる。接触部位でガスは再び気化され、主収容空間２１及びクライオポンプ１０の外部に放出されてしまう。よって、それ以降クライオポンプ１０は設計上の排気性能を提供することができない。したがって、このときのガスの吸蔵量がクライオポンプ１０の最大吸蔵量を与える。凝縮層の局所部分（この場合、中心軸Ａ付近の凝縮層頂上部）がクライオポンプ１０のガス吸蔵限界を決定している。

プレート部材３２がガス遮蔽領域５８を有する場合（つまり、プレート部材３２が図２に示す二重破線の小孔を有しない場合）には、図３に実線で示すように、円柱型の凝縮層７２がトップパネル６０に成長する。ガス遮蔽領域５８によって主収容空間２１の中心部へのガス流入が制限されているので、中心部への凝縮の集中が緩和される。その結果、円柱型の凝縮層７２は、矢印Ｄで図示するように、中心軸Ａ付近の凝縮層の高さがドーム型の凝縮層に比べて小さくなる。一方、矢印Ｅで図示するように、外周部の凝縮層高さはドーム型の凝縮層に比べて大きくなる。

このようにして、本実施形態によると、トップパネル前面６１に成長する凝縮層上面の高さ分布を均一化することができる。凝縮層７２の形状を主収容空間２１に合わせることにより、主収容空間２１における凝縮層７２の収容効率が高くなる。こうして、クライオポンプ１０のガス吸蔵量を向上することができる。

図４は、本発明の第２実施形態に係るプレート部材３２を模式的に示す上面図である。第２実施形態に係るプレート部材３２は、第１実施形態に係るプレート部材３２とは異なる場所にガス遮蔽領域５８を有する。その余については、第２実施形態は第１実施形態と同様である。以下の説明では同様の箇所については冗長を避けるため説明を適宜省略する。

図４に示されるように、ガス遮蔽領域５８は、シールド側部３６と第２クライオパネル２０との間に形成される隙間の狭窄部に対応する場所に形成されている。具体的には、ガス遮蔽領域５８は、トップパネル６０と取付座３７との間に形成される側方隙間４３の狭窄部に対向する。

第１実施形態のように狭窄部の上方にガス通過領域５６が形成されている場合には、狭窄部近傍の凝縮層がクライオポンプ１０のガス吸蔵限界を決定するかもしれない。ところが、第２実施形態によると、ガス遮蔽領域５８によって狭窄部での凝縮層の成長を抑制することができる。その結果、トップパネル６０に成長する凝縮層に径方向に隣接する隙間の幅を均一化することができる。したがって、第１実施形態と同様に、凝縮層７２の形状を主収容空間２１に適合させ、クライオポンプ１０のガス吸蔵量を向上することができる。

なお、図４に示すプレート部材３２は中心部に小孔５４を有する。しかし、図２に示すプレート部材３２と同様にこれらの小孔５４を欠落させ、図４に示すプレート部材３２の中心部に第２のガス遮蔽領域５８が追加されてもよい。

図５は、本発明の第３実施形態に係るトップパネル６０を模式的に示す上面図である。第３実施形態に係るトップパネル６０は、第１実施形態及び第２実施形態に係るトップパネル６０とは異なる形状を有する。その余については、第３実施形態は既述の実施形態と同様である。以下の説明では同様の箇所については冗長を避けるため説明を適宜省略する。

図５に示されるように、第２クライオパネル２０は、側方隙間４３の幅Ｗ１と開環状隙間４４の幅Ｗ２とを合わせるように形状が調整されている。つまり側方隙間４３の幅Ｗ１と開環状隙間４４の幅Ｗ２とは等しい。そのために、トップパネル６０は、側方隙間４３を拡幅する切り欠き部７４を有する。この切り欠き部７４は、弓形の形状を有する。なお下方の通常パネル６７（図１参照）についても同様に切り欠き部を有してもよい。

クライオポンプは一般に軸対称に設計されている。しかし横型のクライオポンプ１０は冷凍機１６が横向きに配置されるので、必然的に非対称部分をもつ。第３実施形態においては、そうした非対称部分にトップパネル６０の形状を合わせ、トップパネル６０と放射シールド３０との隙間の幅をそろえている。その結果、第２実施形態と同様に、トップパネル６０に成長する凝縮層側面を囲む隙間の幅を均一化することができる。

図６は、本発明の第４実施形態に係るクライオポンプ１０の主要部を模式的に示す側断面図である。第４実施形態に係るクライオポンプ１０は、第２クライオパネル２０に関して既述の実施形態と異なる配置を有する。その余については、第４実施形態は既述の実施形態と同様である。以下の説明では同様の箇所については冗長を避けるため説明を適宜省略する。

図６に示されるように、第２クライオパネル２０は、側方隙間４３の幅と開環状隙間４４の幅とを合わせるように配置が調整されている。矢印Ｆで図示するように、第２クライオパネル２０は、取付座３７から第２クライオパネル２０を離すように、中心軸Ａから第２クライオパネル２０の中心を外して配置されている。第２クライオパネル２０は、冷凍機１６の高温側から離れるように中心線Ａから偏心している。こうして、側方隙間４３の狭窄部は広げられ、中心軸Ａを挟んで反対側では開環状隙間４４が狭くされている。第３実施形態と同様に、トップパネル６０に成長する凝縮層側面を囲む隙間の幅を均一化することができる。

図７は、本発明の第５実施形態に係るクライオポンプ１０の主要部を模式的に示す側断面図である。第５実施形態に係るクライオポンプ１０は、冷凍機１６に関して既述の実施形態と異なる配置を有する。その余については、第５実施形態は既述の実施形態と同様である。以下の説明では同様の箇所については冗長を避けるため説明を適宜省略する。

図７に示されるように、冷凍機１６は、上方隙間４６の幅Ｇ１は下方隙間４８の幅Ｇ２より広くなるように配置されている。これにより、冷凍機カバー７０と放射シールド３０との間の空間を広くすることができる。主収容空間２１に近接する上方隙間４６を広げることにより、より多くの凝縮層を収容することができる。また、第２クライオパネル２０が全体的に下方に移動されているので、既述の実施形態に比べて主収容空間２１を軸方向に広げることもできる。こうして、クライオポンプ１０のガス吸蔵量を向上することができる。

以上説明したように、本発明の実施形態によると、プレート部材３２をガス通過領域５６とガス遮蔽領域５８とに適切に区分することにより、トップパネル６０に堆積する凝縮層において特定部分への凝縮集中を抑制することができる。それにより、主収容空間２１における凝縮層の収容効率を改善し、クライオポンプ１０のガス吸蔵量を向上することができる。

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。

例えば、第１実施形態ないし第５実施形態のいずれかに関連して説明した構成と、第１実施形態ないし第５実施形態の他のいずれかに関連して説明した構成と組み合わせて、クライオポンプ１０を構成することも可能である。

また、クライオポンプ１０は、プレート部材３２に代えて、シールド開口２６に配設されている入口クライオパネルを備えてもよい。入口クライオパネルは、例えば、１枚又は複数枚の平板（例えば円板）のプレートを備えてもよいし、同心円状または格子状に形成されたルーバーまたはシェブロンを備えてもよい。ルーバーまたはシェブロンの羽板の形状、配置、または間隔を調整することによって、ガス通過領域５６及びガス遮蔽領域５８がシールド開口２６に形成されてもよい。

上述の実施形態においては、プレート部材３２は二種類の領域、つまりガス通過領域５６及びガス遮蔽領域５８に区分されている。プレート部材３２は三種以上の領域を有してもよい。プレート部材３２には第３の領域として、ガス通過領域５６よりもガスを通しやすい領域が形成されていてもよいし、ガス遮蔽領域５８よりもガスを通しにくい領域が形成されていてもよい。

上述の実施形態においては、プレート取付部２９（ジョイントブロックとも呼ばれる）は、軸方向に細長い角柱または直方体の単一のブロックである。しかし、ある実施形態においては、図８に示されるように、プレート取付部２９は、段差部７６を備えてもよい。

図８は、本発明のある実施形態に係るプレート取付部２９を模式的に示す断面図である。プレート取付部２９は、シールド前端２８の内面に固定されたブロック外側部分７７と、ブロック外側部分７７から径方向内側に突き出すブロック内側部分７８と、を備える。ブロック外側部分７７は、軸方向に細長い角柱の形状を有する。ブロック内側部分７８は、軸方向に細長い角柱の形状を有し、その軸方向長さはブロック外側部分７７より短い。ブロック外側部分７７の上面はブロック内側部分７８の上面と面一であり、従って、段差部７６がプレート取付部２９の下部内側に形成されている。プレート取付部２９は、ブロック内側部分７８を軸方向に貫通するボルト孔７９を有し、ボルト８０によりプレート部材３２がプレート取付部２９に固定される。

プレート取付部２９の下部内側に段差部７６を設けることにより、凝縮層７２を受け入れるクライオポンプ内部空間を広くすることができる。よって、クライオポンプ１０のガス吸蔵量を向上することができる。

プレート取付部２９は、その上部の内側表面に対し下部の内側表面が径方向に外側に位置するよう形成されている。上部の内側表面と下部の内側表面とが平行であり、それにより段差部７６が形成されている。しかし、クライオポンプ内部空間を広げるうえで、「段」は必須ではない。そこで、プレート取付部２９は、段差部７６とともに又は段差部７６に代えて、下部内側に傾斜表面を有してもよい。この傾斜表面は、その法線が凝縮層７２に向けられるよう形成されている。このようにしても、プレート取付部２９は、凝縮層７２を受け入れるクライオポンプ内部空間を広くすることができる。

また、プレート取付部２９は、シールド前端２８とプレート部材３２との伝熱経路を形成する。プレート取付部２９の径方向外側表面がシールド前端２８に接触し、プレート取付部２９の上面がプレート部材３２に接触する。プレート取付部２９の上部が、プレート取付部２９の下部に比べて、径方向に厚くなっている。よって、図８に示されるプレート取付部２９は、放射シールド３０とプレート部材３２との伝熱経路の確保に役立つ。

本発明の実施形態は以下のように表現することもできる。

１．第１ステージと、前記第１ステージより低温に冷却される第２ステージと、を備える冷凍機と、
主開口を有する放射シールドと、前記主開口を横断するプレート部材と、を備え、前記第１ステージに熱的に接続されている第１クライオパネルと、
前記第１クライオパネルに囲まれており、前記第２ステージに熱的に接続されている第２クライオパネルと、を備え、
前記プレート部材は、プレート本体部と、前記プレート本体部を前記放射シールドに取り付けるための外縁部と、を備え、
前記プレート本体部は、前記第２クライオパネルに凝縮されるガスを通すための多数の小孔を有するガス通過領域と、前記本体部において前記ガス通過領域と異なる場所に形成されているガス遮蔽領域と、を備えることを特徴とするクライオポンプ。

２．前記第２クライオパネルは、前記プレート本体部に対向する前面を備え、前記前面は、中心領域と、前記中心領域を囲む外側領域と、を備え、
前記ガス通過領域は、前記外側領域に対向し、前記ガス遮蔽領域は、前記中心領域に対向することを特徴とする実施形態１に記載のクライオポンプ。

３．前記放射シールドは、前記第２クライオパネルを囲む側部を備え、前記側部と前記第２クライオパネルとの間には、狭窄部を有する隙間が形成されており、
前記ガス遮蔽領域は、前記狭窄部に対応する場所に形成されていることを特徴とする実施形態１または２に記載のクライオポンプ。

４．前記放射シールドは、前記第２クライオパネルの側方に位置し前記冷凍機を前記放射シールドに取り付けるための取付座と、前記取付座に隣接して前記第２クライオパネルを囲む環状部分と、を備え、
前記第２クライオパネルと前記取付座との間には側方隙間が形成され、前記第２クライオパネルと前記環状部分との間には前記側方隙間に連続する環状隙間が形成されており、
前記側方隙間の幅と前記環状隙間の幅とを合わせるように前記第２クライオパネルの形状または配置が調整されていることを特徴とする実施形態１から３のいずれかに記載のクライオポンプ。

５．前記第２クライオパネルは、前記側方隙間を拡幅する切り欠き部を有することを特徴とする実施形態４に記載のクライオポンプ。

６．前記第２クライオパネルは、前記取付座から前記第２クライオパネルを離すように、前記主開口を通る軸線から前記第２クライオパネルの中心を外して配置されていることを特徴とする実施形態４または５に記載のクライオポンプ。

７．前記放射シールドには、前記冷凍機のための取付孔が形成されており、
前記冷凍機は、前記第１ステージと前記第２ステージとを接続する接続部分を備え、前記接続部分は、前記取付孔に挿入されており、
前記接続部分と前記取付孔との間には、前記主開口に近い側に上方隙間が形成され、前記主開口から遠い側に下方隙間が形成され、前記上方隙間の幅は前記下方隙間の幅より広いことを特徴とする実施形態１から６のいずれかに記載のクライオポンプ。

１０ クライオポンプ、 １６ 冷凍機、 １８ 第１クライオパネル、 ２０ 第２クライオパネル、 ２２ 第１ステージ、 ２４ 第２ステージ、 ２６ シールド開口、 ３０ 放射シールド、 ３２ プレート部材、 ３６ シールド側部、 ３７ 取付座、 ４１ 開環状部分、 ４２ 取付孔、 ４３ 側方隙間、 ４４ 開環状隙間、 ４６ 上方隙間、 ４８ 下方隙間、 ５０ プレート本体部、 ５２ プレート外縁部、 ５４ 小孔、 ５６ ガス通過領域、 ５８ ガス遮蔽領域、 ６１ トップパネル前面、 ６２ 中心領域、 ６３ 外側領域、 ７４ 切り欠き部。

Claims (9)

1. 第１ステージと、前記第１ステージより低温に冷却される第２ステージと、を備える冷凍機と、
   主開口を有する放射シールドと、前記主開口を横断するプレート部材と、を備え、前記第１ステージに熱的に接続されている第１クライオパネルと、
   前記第１クライオパネルに囲まれており、前記第２ステージに熱的に接続されている第２クライオパネルと、を備え、
   前記プレート部材は、プレート本体部と、前記プレート本体部を前記放射シールドに取り付けるための外縁部と、を備え、
   前記プレート本体部は、前記第２クライオパネルに凝縮されるガスを通すための多数の小孔を有するガス通過領域と、前記本体部において前記ガス通過領域と異なる場所に形成されているガス遮蔽領域と、を備え、
   前記放射シールドは、前記第２クライオパネルを囲む側部を備え、前記側部と前記第２クライオパネルとの間には、狭窄部を有する隙間が形成されており、
   前記ガス遮蔽領域は、前記プレート本体部において、前記狭窄部の上部に設けられていることを特徴とするクライオポンプ。
2. 前記第２クライオパネルは、前記プレート本体部に対向する前面を備え、前記前面は、中心領域と、前記中心領域を囲む外側領域と、を備え、
   前記ガス通過領域は、前記外側領域に対向し、前記ガス遮蔽領域は、前記プレート本体部において、前記中心領域に対向する場所にも設けられてい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. 第１ステージと、前記第１ステージより低温に冷却される第２ステージと、を備える冷凍機と、
   主開口を有する放射シールドと、前記主開口を横断するプレート部材と、を備え、前記第１ステージに熱的に接続されている第１クライオパネルと、
   前記第１クライオパネルに囲まれており、前記第２ステージに熱的に接続されている第２クライオパネルと、を備え、
   前記プレート部材は、前記第２クライオパネルに凝縮される凝縮層が成長しやすい箇所の上部にガス遮蔽領域を備え、
   前記放射シールドは、前記第２クライオパネルの側方に位置し前記冷凍機を前記放射シールドに取り付けるための取付座と、前記取付座に隣接して前記第２クライオパネルを囲む環状部分と、を備え、
   前記第２クライオパネルと前記取付座との間には側方隙間が形成され、前記第２クライオパネルと前記環状部分との間には前記側方隙間に連続する環状隙間が形成されており、
   前記側方隙間の幅と前記環状隙間の幅とを合わせるように前記第２クライオパネルの形状または配置が調整されていることを特徴とするクライオポンプ。
4. 前記第２クライオパネルは、前記側方隙間を拡幅する切り欠き部を有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. 前記第２クライオパネルは、前記取付座から前記第２クライオパネルを離すように、前記主開口を通る軸線から前記第２クライオパネルの中心を外して配置されていることを特徴とする請求項３または４に記載のクライオポンプ。
6. 第１ステージと、前記第１ステージより低温に冷却される第２ステージと、を備える冷凍機と、
   主開口を有する放射シールドと、前記主開口を横断するプレート部材と、を備え、前記第１ステージに熱的に接続されている第１クライオパネルと、
   前記第１クライオパネルに囲まれており、前記第２ステージに熱的に接続されている第２クライオパネルと、を備え、
   前記プレート部材は、前記第２クライオパネルに凝縮される凝縮層が成長しやすい箇所の上部にガス遮蔽領域を備え、
   前記放射シールドには、前記冷凍機のための取付孔が形成されており、
   前記冷凍機は、前記第１ステージと前記第２ステージとを接続する接続部分を備え、前記接続部分は、前記取付孔に挿入されており、
   前記接続部分と前記取付孔との間には、前記主開口に近い側に上方隙間が形成され、前記主開口から遠い側に下方隙間が形成され、前記上方隙間の幅は前記下方隙間の幅より広いことを特徴とするクライオポンプ。
7. 前記プレート部材は、プレート本体部と、前記プレート本体部を前記放射シールドに取り付けるための外縁部と、を備え、
   前記プレート本体部には、前記第２クライオパネルに凝縮されるガスを通すための多数の小孔を有するガス通過領域が設けられ、前記ガス遮蔽領域は、前記プレート本体部において前記ガス通過領域と異なる場所に形成され、
   前記第２クライオパネルは、前記プレート本体部に対向する前面を備え、前記前面は、中心領域と、前記中心領域を囲む外側領域と、を備え、
   前記ガス通過領域は、前記外側領域に対向し、前記ガス遮蔽領域は、前記中心領域に対向することを特徴とする請求項３から６のいずれかに記載のクライオポンプ。
8. 前記放射シールドは、前記第２クライオパネルを囲む側部を備え、前記側部と前記第２クライオパネルとの間には、狭窄部を有する隙間が形成されており、
   前記ガス遮蔽領域は、前記プレート部材において、前記狭窄部の上部に設けられていることを特徴とする請求項３から７のいずれかに記載のクライオポンプ。
9. クライオポンプを用いる真空排気方法であって、
   前記クライオポンプは、主開口を有する放射シールドと、前記主開口を横断するプレート部材と、前記プレート部材に対向する第２クライオパネルと、を備え、
   前記方法は、
   前記放射シールド及び前記プレート部材を第１温度に冷却するとともに、前記第２クライオパネルを前記第１温度より低い第２温度に冷却することと、
   前記プレート部材の表面の一部に形成されている多数の小孔を通じて、前記プレート部材と前記第２クライオパネルとの間にガスを受け入れることと、
   前記ガスを前記第２クライオパネルに凝縮することと、を備え、
   前記放射シールドは、前記第２クライオパネルを囲む側部を備え、前記側部と前記第２クライオパネルとの間には、狭窄部を有する隙間が形成されており、
   前記プレート部材において、前記狭窄部の上部にガス遮蔽領域が設けられていることを特徴とする方法。

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