(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器内に、底部にトラップ用フィンを備えた冷媒貯槽を収納したコールドトラップにおいて、前記冷媒貯槽の外側面と真空容器の内側面との間に、熱伝導性の高い金属板からなる筒体を所定間隔を設けて配置するとともに、該筒体の下部と冷媒貯槽の下部との間に、熱伝導性の高い金属板からなる底板を設けて筒体と冷媒貯槽とを一体化したことを特徴とするコールドトラップ。
【請求項２】
前記冷媒貯槽に供給する冷媒は、液体窒素であることを特徴とする請求項１記載のコールドトラップ。
【請求項３】
前熱伝導性の高い記金属板は、銅又はアルミニウムであることを特徴とする請求項１記載のコールドトラップ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、コールドトラップに関し、詳しくは、超高真空対応のエピタキシャル結晶成長装置や分析装置等の真空システムに用いられる真空排気ポンプ用のコールドトラップであって、油拡散ポンプ，モレキュラーターボ分子ポンプ等の超高真空排気ポンプに組合わせて使用するコールドトラップに関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、気相成長装置のうち、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ），ＣＢＥ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）等の超高真空対応のエピタキシャル成長装置における真空システムでは、排気ポンプとして油拡散ポンプやモレキュラーターボ分子ポンプ等の超高真空排気ポンプが用いられている。
【０００３】
これらの超高真空排気系では、通常、図６に示すように、気相成長装置の結晶成長室１と超高真空排気ポンプ２との間にコールドトラップ３を設けており、このコールドトラップ３で水，二酸化炭素，蒸気圧の高いガス，有機金属原料，分解ガス等をトラップすることにより、超高真空排気ポンプ２の実行排気速度を大きくするとともに、超高真空排気ポンプ２に油拡散ポンプを用いた場合の拡散オイルの逆拡散を防止している。
【０００４】
図７は、上記コールドトラップ３の一例を示すものである。このコールドトラップ３は、結晶成長室１からの配管に接続されるシステムフランジ４と、超高真空排気ポンプ２に接続される真空ポンプフランジ５とを備えた真空容器６内に冷媒貯槽７を収納したものであって、冷媒貯槽７には、冷媒の導入経路８と導出経路９とが設けられるとともに、冷媒貯槽７の底部には、シェブロンと呼ばれるトラップ用のフィン１０が設けられている。
【０００５】
このコールドトラップ３は、冷媒貯槽７に、冷媒として低温流体、例えば液体窒素を供給してフィン１０を冷却し、冷却されたフィン１０により結晶成長室１から排出されるガス中の水，二酸化炭素，蒸気圧の高いガス，有機金属原料，分解ガス等をトラップする。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述のものでは、冷媒によってフィン１０だけでなく冷媒貯槽７の側面もフィン１０と同等の温度に冷却されるため、結晶成長室１から排出されたガス分子は、冷媒貯槽７の側面にも吸着する。この貯槽側面に吸着したガス分子（吸着ガス）は、冷媒貯槽７内の冷媒が消費されて液面が低下し、冷媒貯槽７の側面の温度が上昇するのに伴って貯槽側面から脱離して再蒸発し、実行排気速度を低下させるだけでなく、結晶成長室１にも逆流することがあり、不純物として膜中に取込まれたり、成長速度が変化して半導体の成膜に不都合を生じるおそれがあった。このため、従来は、冷媒貯槽７に冷媒を連続供給して貯槽側面の温度を一定に保つようにすることにより吸着ガスの再蒸発を防止していたが、過剰の冷媒が必要となり、冷媒コストが非常に大きくなっていた。
【０００７】
そこで本発明は、少ない冷媒量で効率よくガスをトラップすることができ、トラップしたガス（吸着ガス）が再蒸発することも防止できるコールドトラップを提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のコールドトラップは、真空容器内に、底部にトラップ用フィンを備えた冷媒貯槽を収納したコールドトラップにおいて、前記冷媒貯槽の外側面と真空容器の内側面との間に、熱伝導性の高い金属板からなる筒体を所定間隔を設けて配置するとともに、該筒体の下部と冷媒貯槽の下部との間に、熱伝導性の高い金属板からなる底板を設けて筒体と冷媒貯槽とを一体化したことを特徴とし、さらに前記冷媒槽に供給する冷媒が液体窒素であること及び前記熱伝導性の高い金属板が、銅又はアルミニウム（これらの合金も含む）であることを特徴としている。
【０００９】
【作用】
上記構成によれば、熱伝導性の高い金属板からなる筒体及び筒体の下部と冷媒貯槽の下部との間に設けられた底板は、冷媒を貯留した冷媒貯槽下部からの熱伝導により冷却されるので、冷媒の増減にほとんど影響されることなく略一定の温度に保持される。したがって、冷媒貯槽内の冷媒の液面が低下しても、筒体及び底板に吸着したガス分子が再蒸発することはなく、また、筒体及び底板が邪魔板となってガスの流通が抑えられるため、冷媒貯槽の側面にはガス分子がほとんど吸着しないので、冷媒の液面が低下して冷媒貯槽の側面の温度が上昇しても、再蒸発するガス分子の量はごく僅かであり、さらに、筒体及び底板やフィンが略一定の温度に冷却保持されていることから、再蒸発したガス分子をこれらの低温部分にに再吸着させることができ、実行排気速度の低下や結晶成長室への逆流を防止することができる。
【００１０】
【実施例】
以下、本発明を図面に示す一実施例に基づいてさらに詳細に説明する。
図１は、本発明のコールドトラップの一実施例を示す縦断面図である。このコールドトラップ１１は、底部にトラップ用のフィン（シェブロン）１２を備えた冷媒貯槽１３を真空容器１４内に収納したもので、従来と同様にシステムフランジ１５を介して気相成長装置に接続され、真空ポンプフランジ１６を介して超高真空排気ポンプに接続される。
【００１１】
前記冷媒貯槽１３は、例えばステンレススチールで形成された密封容器であって、その天板部には冷媒の導入経路１３ａ及び導出経路１３ｂが設けられ、底板部には、熱伝導性の高い銅やアルミニウム、あるいは冷媒貯槽１３と同種のステンレススチール等により形成されたフィン１２が溶接等により一体的に設けられている。この冷媒貯槽１３内には、使用温度に応じた任意の冷媒を供給することができるが、トラップ性能やコスト等から、通常は、液体窒素が用いられる。
【００１２】
そして、前記冷媒貯槽１３の外側面と真空容器１４の内側面との間には、熱伝導性の高い金属板からなる筒体１７が、両者との間に適当な間隔を設けて配置され、該筒体１７の下部と冷媒貯槽１３の下部とは、熱伝導性の高い金属板からなる底板１８で接続密封され、筒体１７と冷媒貯槽１３とが一体化されている。
【００１３】
上記筒体１７及び底板１８を構成する熱伝導性の高い金属板としては、各種のものを用いることが可能であるが、熱伝導性や加工性，コスト等の面から、銅，アルミニウム及びこれらの合金を用いることが好ましい。また、筒体１７と底板１８とは、例えば絞り加工等により一体に成形してもよく、別に形成したものを溶接等で一体化してもよい。
【００１４】
さらに、底板１８と冷媒貯槽１３とは、図１に示すように、冷媒貯槽１３の底部外縁と底板１８の内周縁とを接続するようにしてもよいが、図２に示すように、底板１８の内周部を冷媒貯槽１３の側面に沿うように屈曲させ、この屈曲部１８ａを冷媒貯槽１３の下部側面で、冷媒が少なくなったときでもその液面以下となる部分に取付けるようにしてもよく、図３に示すように、冷媒貯槽１３の底面外周部と底板１８の内周部１８ｂ上面とを接触させた状態で一体化してもよい。また、筒体１７と底板１８とにより有底容器を形成し、該有底容器の底板上面に冷媒貯槽１３を載置するとともに、底板下面にフィン１２を設けるようにしてもよく、冷媒貯槽１３の底板あるいは側壁下部を外側に延出して底板１８として用いることも可能である。
【００１５】
上記冷媒貯槽１３と底板１８との接合一体化は、任意の手法で行うことができ、例えば、銀ろう，半田，溶接等の周知の接合手段を用いることができる。また、両者を面接合する場合には、両者間にインジウム等の延性が大きく、かつ、熱伝導率が大きな金属シートを挟み込んで圧着あるいは融着により接合するようにしてもよい。
【００１６】
このように形成されたコールドトラップ１１は、従来のコールドトラップと同様に、例えば気相成長装置の結晶成長室と超高真空排気ポンプとの間に設けられ、超高真空排気ポンプにより結晶成長室から排気されるガス中の水，二酸化炭素，蒸気圧の高いガス，有機金属原料，分解ガス等をトラップして超高真空排気ポンプの実行排気速度を大きくするとともに、超高真空排気ポンプに油拡散ポンプを用いた場合の拡散オイルの逆拡散を防止する。
【００１７】
上記のように形成したコールドトラップ１１において、冷媒貯槽１３の外側面を覆うようにして設けた金属板（筒体１７及び底板１８）は、冷媒貯槽１３の下部からの熱伝導により冷却されるため、冷媒貯槽１３内の冷媒量にかかわらず略一定の温度に冷却された状態になる。このとき、熱伝導性の高い金属板を用いたことにより、金属板の温度を冷媒温度と略同じ温度にすることができるので、この金属板は、フィン１２と同様に、水，二酸化炭素，蒸気圧の高いガス，有機金属原料，分解ガス等をトラップする機能を有することになる。
【００１８】
また、上記金属板が冷媒貯槽１３の外側面を覆っており、しかも、金属板の筒体１７と真空容器１４内側面との間、筒体１７と冷媒貯槽１３の外側面との間の通路が狭くなり、下部は底板１８により塞がれているので、金属板が邪魔板となって冷媒貯槽１３の外壁部分にガスが流入することを阻止するため、冷媒貯槽１３の外壁にガスが吸着することがほとんどなくなる。したがって、冷媒貯槽１３内の冷媒が消費されて液面が低下し、冷媒貯槽１３の外壁上部の温度が上昇しても吸着しているガスがほとんどないため、冷媒の液面低下による吸着ガスの再蒸発はほとんど生じない。
【００１９】
さらに、冷媒貯槽１３内に少量の冷媒が存在すれば、筒体１７及び底板１８やフィン１２を所定温度に保持することができるので、冷媒貯槽１３を従来より小径化することが可能となり、冷媒の使用量も少なくすることができる。加えて、冷媒貯槽１３の小径化により、冷媒貯槽１３を真空容器１４の内壁から離して設置することができ、しかも、冷媒貯槽１３と真空容器１４との間に金属板が存在するため、冷媒貯槽１３の熱損失を大幅に低減することができる。
【００２０】
次に、本発明のコールドトラップ（本発明品）と従来のコールドトラップ（従来品）との性能比較を行った結果について説明する。まず、深さ２５．０ｃｍの冷媒貯槽内に、深さ１２．０ｃｍまで液体窒素を入れたときの冷媒貯槽の外壁温度を図４に示す。この図から明らかなように、液体窒素の液面より下の部分の外壁温度は、液体窒素温度と同じ約８０Ｋ（−１９３℃）であるが、液面より上の部分の外壁温度は次第に上昇し、底部から２５．０ｃｍ（貯槽上部）では、約２５０Ｋ（−２３℃）まで上昇した。したがって、貯槽内の液面高さにより外壁温度が変化することが分かる。
【００２１】
そして、ＣＢＥ装置の真空排気系に両者を接続して気相成長操作を行ったときのそれぞれの結晶成長室内の真空度の変化を測定した。その結果を図５に示す。なお、冷媒貯槽内を液体窒素で満たした状態で実験を開始したが、終了時には、液体窒素は冷媒貯槽の底部から約１０ｃｍの位置まで減少していた。
【００２２】
最初に、従来品の場合は、冷媒貯槽内の液体窒素が消費されてその液面が低下すると、外壁上部の温度が次第に上昇し、冷媒貯槽が液体窒素で満たされているときに外壁上部に吸着した吸着ガスが外壁温度の上昇（液体窒素の液面の低下）に伴って再蒸発するため、結晶成長室内の真空度は、約１０-5ｔｏｒｒまでが限界であった。
【００２３】
一方、本発明品の場合は、冷媒貯槽内の液体窒素が減少しても、筒体及び底板が冷媒貯槽下部からの熱伝導により略一定の温度に保持されているため、筒体や底板に吸着したガスが再蒸発することはない。また、筒体及び底板で冷媒貯槽を覆うようにしているので、結晶成長室からのガスが冷媒貯槽の外壁に吸着することはほとんどなく、したがって、冷媒貯槽内の液体窒素の液面が低下して外壁上部の温度が上昇しても再蒸発するガスがほとんどないため、本発明品を用いた場合の結晶成長室内の真空度は、真空排気開始から１５０分経過後に約１０-7ｔｏｒｒまで到達した。
【００２４】
なお、従来品で本発明品と同等の真空度を得るためには、冷媒貯槽内に連続的に液体窒素を供給しなければならなかった。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のコールドトラップは、冷媒貯槽の側面を覆うように熱伝導性の高い金属板からなる筒体及び底板を設けたので、冷媒貯槽内の冷媒量の多少にかかわらず、筒体及び底板を構成する金属板の温度を常に冷媒温度付近に維持することができ、フィンと共に金属板でもガス成分を連続的に吸着することができる。さらに、金属板が邪魔板となり、冷媒貯槽の側面にガス分子が吸着し難くなるので、冷媒の液面変化による吸着ガスの再蒸発もなくなる。
【００２６】
この結果、排気性能が向上し、結晶成長室を効率よく所定の真空度にすることができるとともに、冷媒貯槽に常に冷媒を供給する必要がなくなるので、冷媒コストを大幅に削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施例を示すコールドトラップの縦断面図である。
【図２】  他の実施例を示すコールドトラップの縦断面図である。
【図３】  さらに他の実施例を示すコールドトラップの縦断面図である。
【図４】  冷媒貯槽底部からの距離と外壁温度との関係を示す図である。
【図５】  本発明のコールドトラップと従来のコールドトラップとにおける結晶成長室内の真空度の変化を示す図である。
【図６】  コールドトラップを用いる真空システムの概略図である。
【図７】  従来のコールドトラップの一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１１…コールドトラップ、１２…フィン、１３…冷媒貯槽、１４…真空容器、１５…システムフランジ、１６…真空ポンプフランジ、１７…熱伝導性の高い金属板からなる筒体、１８…熱伝導性の高い金属板からなる底板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0003645305.tif 000007
【図７】
0003645305.tif 000008