(57)【要約】【課題】非凝縮性気体の高速排気のためのクライオポンプ、クライオパネル構造、及び真空排気方法を提供する。【解決手段】クライオポンプ１は、非凝縮性気体の入射を受ける前面４と、非凝縮性気体の吸着領域を備える背面５と、を備える吸着クライオパネル２と、背面５に対向する非凝縮性気体の反射面７を備える反射クライオパネル３と、を備える。吸着クライオパネル２は、前面４から背面５へと貫通する多数の貫通穴６を有してもよい。吸着クライオパネル２は、１０％以上７０％以下の非凝縮性気体の通過確率を有してもよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非凝縮性気体の入射を受ける前面と、非凝縮性気体の吸着領域を備える背面と、を備える吸着クライオパネルと、
前記背面に対向する非凝縮性気体の反射面を備える反射クライオパネルと、を備え、
前記吸着クライオパネルは、前記前面から前記背面へと貫通する多数の穴を有することを特徴とするクライオポンプ。
【請求項２】
前記吸着クライオパネル及び前記反射クライオパネルを含む複数のクライオパネルの配列と、
前記複数のクライオパネルの配列を囲む放射シールドと、
前記放射シールドを第１冷却温度に冷却し、前記複数のクライオパネルの配列を前記第１冷却温度より低い第２冷却温度に冷却するよう構成されている冷凍機と、を備え、
前記吸着クライオパネルは、前記複数のクライオパネルの配列においてクライオポンプ吸気口に最も近接し、前記前面は、前記クライオポンプ吸気口に向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。
【請求項３】
前記吸着クライオパネルは、１０％以上７０％以下の非凝縮性気体の通過確率を有することを特徴とする請求項１または２に記載のクライオポンプ。
【請求項４】
前記吸着クライオパネルと前記反射クライオパネルとの距離が前記多数の穴の穴幅以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のクライオポンプ。
【請求項５】
前記多数の穴の穴幅が２０ｍｍ以下である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。
【請求項６】
前記反射クライオパネルは放射シールドの少なくとも一部分であり、前記吸着クライオパネルは前記放射シールドの少なくとも一部分に隣接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。
【請求項７】
前記反射クライオパネルは、前記吸着クライオパネルに隣接し前記多数の穴を有する別の吸着クライオパネルであることを特徴とする請求項１に記載のクライオポンプ。
【請求項８】
非凝縮性気体の入射を受ける前面と、非凝縮性気体の吸着領域を備える背面と、を備える吸着クライオパネルと、
前記背面に対向する非凝縮性気体の反射面を備える反射クライオパネルと、を備え、
前記吸着クライオパネルは、１０％以上７０％以下の非凝縮性気体の通過確率を有することを特徴とするクライオポンプ。
【請求項９】
非凝縮性気体を排気する真空排気方法であって、
１０％以上７０％以下の非凝縮性気体の通過確率を有する吸着クライオパネルと該吸着クライオパネルに隣接するクライオパネルとの間に前記吸着クライオパネルを通じて非凝縮性気体を受け入れることと、
前記隣接するクライオパネルにより非凝縮性気体を反射することと、
反射された非凝縮性気体を前記吸着クライオパネルに吸着することと、を備えることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クライオポンプ、及び真空排気方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
クライオポンプは、極低温に冷却されたクライオパネルに気体分子を凝縮または吸着により捕捉して排気する真空ポンプである。クライオポンプは半導体回路製造プロセス等に要求される清浄な真空環境を実現するために一般に利用される。クライオポンプのアプリケーションの１つに、例えばイオン注入工程のように、排気すべき気体の大半を例えば水素等の非凝縮性気体が占める場合がある。非凝縮性気体は極低温に冷却された吸着領域に吸着させることによって初めて排気することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−２３７２６２号公報
【特許文献２】特開２０１０−８４７０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、非凝縮性気体の高速排気のためのクライオポンプ、及び真空排気方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のある態様によると、非凝縮性気体の入射を受ける前面と、非凝縮性気体の吸着領域を備える背面と、を備える吸着クライオパネルと、前記背面に対向する非凝縮性気体の反射面を備える反射クライオパネルと、を備え、前記吸着クライオパネルは、前記前面から前記背面へと貫通する多数の穴を有することを特徴とするクライオポンプが提供される。
【０００６】
本発明のある態様によると、非凝縮性気体の入射を受ける前面と、非凝縮性気体の吸着領域を備える背面と、を備える吸着クライオパネルと、前記背面に対向する非凝縮性気体の反射面を備える反射クライオパネルと、を備え、前記吸着クライオパネルは、１０％以上７０％以下の非凝縮性気体の通過確率を有することを特徴とするクライオポンプが提供される。
【０００７】
本発明のある態様によると、非凝縮性気体を排気する真空排気方法であって、１０％以上７０％以下の非凝縮性気体の通過確率を有する吸着クライオパネルと該吸着クライオパネルに隣接するクライオパネルとの間に前記吸着クライオパネルを通じて非凝縮性気体を受け入れることと、前記隣接するクライオパネルにより非凝縮性気体を反射することと、反射された非凝縮性気体を前記吸着クライオパネルに吸着することと、を備えることを特徴とする方法が提供される。
【０００８】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、非凝縮性気体の高速排気のためのクライオポンプ、及び真空排気方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１実施形態に係るクライオポンプの要部の概略を示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る吸着クライオパネルの上面図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係るクライオポンプの要部の概略を示す図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る吸着クライオパネル構造の排気確率と吸着クライオパネルの通過確率との関係を例示するグラフである。
【図５】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断面図である。
【図６】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断面図である。
【図７】本発明の第３実施形態に係るクライオパネルを模式的に示す斜視図である。
【図８】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断面図である。
【図９】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断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。なお、説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。
【００１２】
図１は、本発明の第１実施形態に係るクライオポンプ１の要部の概略を示す図である。簡明化のため、吸着クライオパネル２及び反射クライオパネル３のみを図１に示す。図１はクライオポンプ１の中心軸を含む断面を示す。
【００１３】
吸着クライオパネル２は、前面４及び背面５を備える。前面４は、非凝縮性気体分子（例えば水素分子）の入射を受けるように配置されている。背面５は非凝縮性気体の吸着領域を備える。吸着領域は例えば、非凝縮性気体の吸着に適する吸着剤（例えば活性炭）が設けられている領域である。
【００１４】
図２は、本発明の第１実施形態に係る吸着クライオパネル２の上面図である。吸着クライオパネル２は、多数の貫通穴６を有する。吸着クライオパネル２は、円形のパンチングプレートまたは穴あき板であってもよい。貫通穴６は、前面４から背面５へと吸着クライオパネル２を貫通して形成されている。図示される貫通穴６は、吸着クライオパネル２の全体にわたって一様に分布する。図示される吸着クライオパネル２においては、貫通穴６は、格子状に配列された円形の開口である。
【００１５】
図１に示されるように、反射クライオパネル３は、非凝縮性気体分子の反射面７を備える。反射面７は、吸着クライオパネル２の背面５に対向する。反射クライオパネル３は、クライオポンプ１の放射シールドであってもよい。その場合、反射クライオパネル３は吸着クライオパネル２を囲む。吸着クライオパネル２の前面４は放射シールドの主開口に向けられており、吸着クライオパネル２の背面５は、反射面７である放射シールドの底面に向けられている。
【００１６】
クライオポンプ１が真空排気運転をするとき、非凝縮性気体分子がクライオポンプ１に進入する。矢印Ａで例示されるように、ある非凝縮性気体分子は前面４で反射されクライオポンプ１の外に戻される。
【００１７】
矢印Ｂで例示されるように、ある非凝縮性気体分子は吸着クライオパネル２の貫通穴６を通過し、吸着クライオパネル２と反射クライオパネル３との間の空間に進入する。その非凝縮性気体分子は反射クライオパネル３で反射される。反射された非凝縮性気体分子は吸着クライオパネル２の背面５に入射し、吸着領域に確率的に吸着される。あるいは、反射された非凝縮性気体分子は、再び貫通穴６を通ってクライオポンプ１の外に戻され得る。
【００１８】
仮に、吸着クライオパネル２が貫通穴６を有しない場合には、破線の矢印Ｃで例示されるように、吸着クライオパネル２を通過する非凝縮性気体分子の経路は吸着クライオパネル２の外側の隙間に限定される。非凝縮性気体分子は、吸着クライオパネル２の外側から進入し、反射クライオパネル３で反射される。そのうち大半の分子は吸着クライオパネル２の背面５の外周部に入射する。こうして非凝縮性気体分子は吸着クライオパネル２の外周部に集中し、吸着クライオパネル２の表面には非凝縮性気体の吸着量の二次元的な分布が生じる。外周部の吸着領域が先に飽和し、中心部の吸着領域にはまだ余裕があるにもかかわらず、クライオポンプ１の再生を早期にしなければならないかもしれない。
【００１９】
貫通穴６がない場合において、吸着クライオパネル２と反射クライオパネル３との間により多量の非凝縮性気体を導くためには、吸着クライオパネル２の周囲の隙間を広くするしかない。そのためには、吸着クライオパネル２を小型にするか、あるいは、反射クライオパネル３（例えば放射シールド）を大型にすることになる。小型の吸着クライオパネル２は吸着領域が狭いからクライオポンプ１の吸着性能を制約する。大型の反射クライオパネル３はクライオポンプ１を大きくするので、所有コストの増大を招き得る。
【００２０】
しかし、本実施形態によると、貫通穴６が吸着クライオパネル２に形成されているから、非凝縮性気体分子は吸着クライオパネル２の背面５の外周部だけでなく中心部にも入射しやすい。そのため、吸着クライオパネル２の中心部の吸着領域も非凝縮性気体の排気に有効に利用され、外周部への吸着の集中が抑制される。
【００２１】
このように、本実施形態に係るクライオポンプ１は、一対のクライオパネル、すなわち吸着クライオパネル２とそれに隣接する反射クライオパネル３からなる吸着クライオパネル構造８を備える。一対のクライオパネルのうち少なくとも一方は、非凝縮性気体に関してある通過確率を有する。吸着クライオパネル構造８は、いわば透過率をもつクライオパネルを通じてクライオパネル間に非凝縮性気体を受け入れて捕捉する。その結果、クライオパネル面内での吸着量の偏在が緩和され、吸着領域の全体を有効に利用することができる。したがって、本実施形態によると、非凝縮性気体の排気速度及び／または吸蔵量を向上することができる。
【００２２】
また、本実施形態によると、クライオパネルを密に配列することができる。これは設計上の自由度の向上に役立つ。小型で高性能のクライオポンプ１を提供することも可能となる。
【００２３】
ところで、既述の説明から理解されるように、本実施形態に係る吸着クライオパネル構造８は、吸着クライオパネル２での非凝縮性気体分子の通過確率に関して、最適な値又は範囲を有する。これを以下に詳しく説明する。
【００２４】
クライオポンプ１に進入した非凝縮性気体の一部は、吸着クライオパネル２の前面４または反射クライオパネル３での反射によりクライオポンプ１の外へと戻される。吸着クライオパネル２での通過確率が過度に大きい場合には（例えば、図３に示すように貫通穴６が大きい場合には）、反射クライオパネル３での反射が顕著になり、吸着クライオパネル構造８の排気性能への寄与は小さくなる。つまり、貫通穴６を通って反射クライオパネル３で反射し、再び貫通穴６を通ってクライオポンプ１から出るために、吸着クライオパネル構造８に捕捉されない非凝縮性気体分子が増える。逆に、吸着クライオパネル２での通過確率が過度に小さい場合は、貫通穴６がない場合と同様に、吸着クライオパネル２の前面４で反射され、それにより吸着クライオパネル構造８に捕捉されない非凝縮性気体分子が増える。
【００２５】
本実施形態に係る吸着クライオパネル構造８による非凝縮性気体の排気確率は、図１に示すモデルを使用して理論的に求めることができる。以下では、吸着クライオパネル２の通過確率をｔと表記し、吸着領域での非凝縮性気体の捕捉確率（例えば、活性炭での水素の吸収確率）をａと表記する。
【００２６】
クライオポンプ１にＮ個の分子が入射するとき、ｔＮ個の分子が吸着クライオパネル２を通過し、（１−ｔ）Ｎ個の分子が吸着クライオパネル２の前面４で反射される。吸着クライオパネル２を通過したｔＮ個の分子は反射クライオパネル３で反射され再び吸着クライオパネル２に向かう。ｔ２Ｎ個の分子が吸着クライオパネル２を通過し、ｔ（１−ｔ）Ｎ個の分子が吸着クライオパネル２の背面５に入射する。したがって、ａｔ（１−ｔ）Ｎ個の分子が吸着領域に捕捉される。捕捉されなかった分子は背面５で反射され再び反射クライオパネル３に向かう。こうした反射と捕捉が繰り返される。
【００２７】
考察の結果、本実施形態に係る吸着クライオパネル構造は、次式で表される非凝縮性気体の排気確率Ｐを有する。
Ｐ＝ａｔ（１−ｔ）／（ｔ（１−ａ）＋ａ）
捕捉確率ａは吸着領域の性能を表す定数である。したがって、上式は、吸着クライオパネル構造の排気確率Ｐと吸着クライオパネル２の通過確率ｔとの関係を表す。
【００２８】
図４は、本実施形態に係る吸着クライオパネル構造の排気確率Ｐと吸着クライオパネル２の通過確率ｔとの関係を例示するグラフである。縦軸が排気確率Ｐを示し、横軸が通過確率ｔを示す。図示されるように、本実施形態に係る吸着クライオパネル構造によると、排気確率Ｐは山形の分布をとり、ある通過確率ｔにおいて最大の排気確率Ｐが与えられる。図示されるグラフは図１に示すモデルに基づく解析結果を表す。しかし、本実施形態に係る吸着クライオパネル構造を現実のクライオポンプに適用した場合であっても、排気確率Ｐと通過確率ｔとの関係が同様の傾向を有することは明らかである。
【００２９】
したがって、良好な排気確率Ｐを得るためには、図４に範囲Ｋで示すように、吸着クライオパネル２は、１０％以上７０％以下の非凝縮性気体分子の通過確率を有することが好ましい。より良好な排気確率Ｐを得るためには、範囲Ｌで図示するように、吸着クライオパネル２は、１５％以上６０％以下の非凝縮性気体分子の通過確率を有することが好ましい。さらに良好な排気確率Ｐを得るためには、範囲Ｍで図示するように、吸着クライオパネル２は、２０％以上５０％以下の非凝縮性気体分子の通過確率を有することが好ましい。図４に例示される関係においては、吸着クライオパネル２が約３５％の通過確率を有するとき、最大の排気確率が実現されている。
【００３０】
ある実施形態においては、吸着クライオパネル２での通過確率は、吸着クライオパネル２の面積に対する貫通穴６の合計面積の割合（以下、開口面積比ともいう）により具体化される。よって、吸着クライオパネル２は、好ましくは１０％以上７０％以下の開口面積比を有し、より好ましくは１５％以上６０％以下の開口面積比を有し、さらに好ましくは２０％以上５０％以下の開口面積比を有する。言い換えれば、吸着クライオパネル２は、その面積のうち、１０％以上７０％以下、１５％以上６０％以下、または２０％以上５０％以下の部分が開口である。
【００３１】
吸着クライオパネル２での吸着量の偏在を防止するためには、吸着クライオパネル２は、一様に分布する多数の貫通穴６を有することが望ましい。また、個々の穴が大きすぎる場合には上述のように、反射クライオパネル３での反射が顕著になる。こうした観点から、貫通穴６の穴幅（例えば、図２に示す穴径Ｅ）は、約２０ｍｍ以下であることが望ましい。また、クライオパネル材料（例えば金属）への貫通穴６の加工性を考慮して、貫通穴６の穴幅は、約４ｍｍ以上であることが望ましい。
【００３２】
ある実施形態においては、粒状の吸着剤（例えば活性炭）をクライオパネル材料に接着することにより吸着領域が形成される。隣接する２つの穴の間の材料部分に粒状の吸着剤を収めるために、貫通穴６の穴間隔（例えば、隣接する２つの穴の距離Ｗ（図２参照））は、穴幅と同程度、例えば、穴幅の０．５倍〜２倍または０．８倍〜１．２５倍であることが望ましい。
【００３３】
また、貫通穴６の穴幅に比較して、吸着クライオパネル２と反射クライオパネル３とが近すぎる場合（例えば、図１に示すパネル間距離Ｈが小さい場合）にも、吸着クライオパネル構造８に捕捉されない非凝縮性気体分子が増える。貫通穴６が大きい場合と同様である。
【００３４】
そのため、吸着クライオパネル２と反射クライオパネル２との距離は、貫通穴６の穴幅（または穴間隔）に等しいか又はそれより大きいことが望ましい。より好ましくは、吸着クライオパネル２と反射クライオパネル２との距離は、貫通穴６の穴幅（または穴間隔）の２倍に等しいか又はそれより大きい。よって、ある実施形態においては、Ｈ／Ｅ≧１であり、好ましくはＨ／Ｅ≧２である。あるいは、ある実施形態においては、Ｈ／Ｗ≧１であり、好ましくはＨ／Ｗ≧２である。
【００３５】
吸着クライオパネル構造８はクライオポンプ１の各所に適用可能であり、クライオポンプ１の性能向上に寄与する。吸着クライオパネル構造８のいくつかの適用例を以下に説明する。
【００３６】
図５は、本発明の第２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断面図である。クライオポンプ１０は、トップパネル４６とその下に隣接するクライオソープションパネル４９とからなる吸着クライオパネル構造６０を備える。すなわち、トップパネル４６が第１実施形態における吸着クライオパネル２に相当し、クライオソープションパネル４９が第１実施形態における反射クライオパネル３に相当する。
【００３７】
したがって、トップパネル４６は、非凝縮性気体の入射を受ける前面と、非凝縮性気体の吸着領域４８を備える背面と、を備える。トップパネル４６の前面は吸気口１２に向けられている。図２に示す吸着クライオパネル２と同様に、トップパネル４６には前面から背面へと貫通する多数の穴が形成されている。クライオソープションパネル４９は、トップパネル４６の背面に対向する非凝縮性気体の反射面を備える。この反射面はクライオソープションパネル４９の前面であり、この前面には吸着領域４８は設けられていない。
【００３８】
第２実施形態によると、非凝縮性気体はトップパネル４６の貫通穴を通って吸着クライオパネル構造６０に進入することができる。非凝縮性気体分子の進入経路は、トップパネル４６の外側を囲むガス受入空間５０には限定されない。したがって、トップパネル４６の吸着領域４８のうち中心部分も非凝縮性気体の排気に活用することができる。
【００３９】
なお、クライオポンプ１０において吸着クライオパネル構造６０が配置される場所及び向きは任意である。ある実施形態においては、クライオポンプ１０は、ボトムパネル４７とその上に隣接するクライオソープションパネル４４とからなる吸着クライオパネル構造６０を備えてもよい。この場合、ボトムパネル４７が第１実施形態における吸着クライオパネル２に相当し、クライオソープションパネル４４が第１実施形態における反射クライオパネル３に相当する。ボトムパネル４７の前面はシールド底部３４に向けられている。また、ある実施形態においては、クライオポンプ１０は、クライオパネルアセンブリ２０において隣接する２つのクライオソープションパネル４４からなる吸着クライオパネル構造６０を備えてもよい。
【００４０】
以下、第２実施形態に係るクライオポンプ１０の構成を詳細に説明する。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５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。
【００４１】
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５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５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。
【００４２】
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。
【００４３】
図５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。
【００４４】
クライオポンプ１０は、第１クライオパネル１８と、クライオパネルアセンブリ２０と、を備える。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からの輻射熱からクライオパネルアセンブリ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、放射シールド３０と入口クライオパネル３２とを備え、クライオパネルアセンブリ２０を包囲する。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。
【００４５】
クライオポンプ容器３８は、第１クライオパネル１８及びクライオパネルアセンブリ２０を収容するクライオポンプ１０の筐体である。吸気口１２は、クライオポンプ容器３８の前端４０によって画定されている。クライオポンプ容器３８は、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。
【００４６】
クライオパネルアセンブリ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。クライオパネルアセンブリ２０は、複数のクライオパネルと、パネル取付部材４２と、を備える。クライオパネルアセンブリ２０は、パネル取付部材４２を介して第２ステージ２４に取り付けられている。このようにして、クライオパネルアセンブリ２０は、第２ステージ２４に熱的に接続されている。よって、クライオパネルアセンブリ２０は第２温度レベルに冷却される。
【００４７】
クライオパネルアセンブリ２０においては、少なくとも一部の表面に吸着領域４８が形成されている。吸着領域４８は非凝縮性気体（例えば水素）を吸着により捕捉するために設けられている。吸着領域４８は例えば吸着剤（例えば活性炭）をクライオパネル表面に接着することにより形成される。また、クライオパネルアセンブリ２０の少なくとも一部の表面には凝縮性気体を凝縮により捕捉するための凝縮領域が形成されている。凝縮領域は例えば、クライオパネル表面上で吸着剤の欠落した区域であり、クライオパネル基材表面例えば金属面が露出されている。よって凝縮領域は非吸着領域と呼ぶこともできる。したがって、クライオパネルアセンブリ２０は、その一部に凝縮領域（または非吸着領域ともいう）を有する吸着パネルまたはクライオソープションパネル４４を備える。
【００４８】
複数のクライオソープションパネル４４が、シールド開口２６からシールド底部３４へと向かう方向に沿って（即ち中心軸Ａに沿って）配列されている。複数のクライオソープションパネル４４はそれぞれ中心軸Ａに垂直に延在する平板（例えば円板）であり、互いに平行にパネル取付部材４２に取り付けられている。説明の便宜上、複数のクライオソープションパネル４４のうち最も吸気口１２に近いものをトップパネル４６と呼び、複数のクライオソープションパネル４４のうち最もシールド底部３４に近いものをボトムパネル４７と呼ぶことがある。
【００４９】
クライオパネルアセンブリ２０は、吸気口１２とシールド底部３４との間で軸方向に沿って細長く延びている。クライオパネルアセンブリ２０の軸方向の垂直投影の外形寸法よりも、軸方向におけるクライオパネルアセンブリ２０の上端から下端までの距離は長い。例えば、クライオソープションパネル４４の幅または直径よりも、トップパネル４６とボトムパネル４７との間隔が大きい。
【００５０】
クライオソープションパネル４４は、中心軸Ａに垂直に延在する平板（例えば円板）であり、その両面に吸着領域４８が形成されている。吸着領域４８は、吸気口１２から見えないように、上方に隣接するクライオソープションパネル４４の陰となる場所に形成されている。つまり、吸着領域４８は各クライオソープションパネル４４の上面中心部と下面全域に形成されている。ただし、トップパネル４６及びその直下に隣接するクライオソープションパネル４９の上面に吸着領域４８は設けられていない。
【００５１】
複数のクライオソープションパネル４４は図示されるようにそれぞれ同一形状を有してもよいし、異なる形状（例えば異なる径）を有してもよい。複数のクライオソープションパネル４４のうちあるクライオソープションパネル４４は、その上方に隣接するクライオソープションパネル４４と同一形状を有するか、または大型であってもよい。その結果、ボトムパネル４７はトップパネル４６より大きくてもよい。ボトムパネル４７の面積は、トップパネル４６の面積の約１．５倍〜約５倍であってもよい。
【００５２】
また、複数のクライオソープションパネル４４の間隔は図示されるように一定であってもよいし、互いに異なっていてもよい。
【００５３】
本出願人が先に提案したクライオポンプもまた、非凝縮性気体の排気に適するクライオパネルアセンブリ、または複数のクライオソープションパネルの配列を備える。こうしたクライオポンプは、例えば、特開２０１２−２３７２６２号公報、米国特許出願公開第２０１３／０００８１８９号に開示されている。これらの全体が本願明細書に参照により援用される。
【００５４】
放射シールド３０は、クライオポンプ容器３８の輻射熱からクライオパネルアセンブリ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とクライオパネルアセンブリ２０との間にあり、クライオパネルアセンブリ２０を囲む。放射シールド３０は、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。
【００５５】
シールド側部３６には冷凍機１６の取付のための孔があり、その孔から冷凍機１６の第２ステージ２４が放射シールド３０の中に挿入されている。その取付孔の外周部にて放射シールド３０の外面に第１ステージ２２が固定されている。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。
【００５６】
なお放射シールド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。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、放射シールド３０の下部は上端が開放され下端にシールド底部３４を有する。
【００５７】
放射シールド３０は、クライオパネルアセンブリ２０を囲むガス受入空間５０を、吸気口１２とシールド底部３４との間に形成する。ガス受入空間５０は、クライオポンプ１０の内部空間１４の一部であり、クライオパネルアセンブリ２０に放射方向に隣接する領域である。ガス受入空間５０は、軸方向に吸気口１２からシールド底部３４にわたって各クライオソープションパネル４４の外周を囲む。
【００５８】
入口クライオパネル３２は、クライオポンプ１０の外部の熱源（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アセンブリ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。また、入口クライオパネル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。
【００５９】
入口クライオパネル３２は、吸気口１２においてクライオパネルアセンブリ２０に対応する場所に配置されている。入口クライオパネル３２は、吸気口１２の開口面積の中心部分を占有し、放射シールド３０との間に環状の開放領域５１を形成する。開放領域５１は、吸気口１２においてガス受入空間５０に対応する場所にある。ガス受入空間５０がクライオパネルアセンブリ２０を囲むように内部空間１４の外周部にあるので、開放領域５１は、吸気口１２の外周部に位置する。開放領域５１はガス受入空間５０の入口であり、クライオポンプ１０は、開放領域５１を通じてガス受入空間５０にガスを受け入れる。
【００６０】
入口クライオパネル３２は取付部材（図示せず）を介してシールド前端２８に取り付けられる。こうして入口クライオパネル３２は放射シールド３０に固定され、放射シールド３０に熱的に接続されている。入口クライオパネル３２はクライオパネルアセンブリ２０に近接しているが、接触はしていない。
【００６１】
入口クライオパネル３２は、吸気口１２に配設される平面的な構造を備える。入口クライオパネル３２は例えば、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。入口クライオパネル３２は、吸気口１２の全体を横断するように配設されていてもよい。その場合、開放領域５１は、プレートの一部を欠落させ、または、ルーバーまたはシェブロンの一部の羽板を欠落させることによって形成されていてもよい。
【００６２】
図６は、本発明の第３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断面図である。第３実施形態に係るクライオポンプ１０は、第２実施形態に係るクライオパネルアセンブリ２０に代えて、入れ子状に配列された複数のクライオパネル１０２を備えるクライオパネルアセンブリ１００を備える。なお簡明化のため図６において冷凍機１６は図示を省略している。
【００６３】
複数のクライオパネル１０２は、軸方向に重なり合って密に配列されている。ただし、図６に示されるように、複数のクライオパネル１０２のうち入口クライオパネル３２に最も近いトップパネル１３７は、入口クライオパネル３２に２番目に近いクライオパネル１３９と軸方向に重なり合っていない。
【００６４】
クライオパネルアセンブリ１００は、トップパネル１３７とその下に隣接するクライオパネル１３９とからなる吸着クライオパネル構造７０を備える。すなわち、トップパネル１３７が第１実施形態における吸着クライオパネル２に相当し、クライオパネル１３９が第１実施形態における反射クライオパネル３に相当する。
【００６５】
したがって、トップパネル１３７は、非凝縮性気体の入射を受ける前面と、非凝縮性気体の吸着領域を備える背面と、を備える。トップパネル１３７の前面は吸気口１２に向けられている。図２に示す吸着クライオパネル２と同様に、トップパネル１３７には前面から背面へと貫通する多数の穴が形成されている。クライオパネル１３９は、トップパネル１３７の背面に対向する非凝縮性気体の反射面を備える。この反射面はクライオパネル１３９の前面であり、この前面には吸着領域は設けられていない。
【００６６】
図７は、本発明の第３実施形態に係るクライオパネル１０２を模式的に示す斜視図である。クライオパネル１０２は、逆円錐台状の形状を有する。クライオパネル１０２は、すり鉢状、深皿状、またはボール状の形状を有するということもできる。クライオパネル１０２は、上端部１０４において大きな寸法を有し（すなわち大径であり）、下端部１０６においてそれよりも小さな寸法を有する（すなわち小径である）。
【００６７】
クライオパネル１０２は、上端部１０４と下端部１０６とをつなぐ傾斜領域１０８を備える。傾斜領域１０８は、逆円錐台の側面にあたる。よって、クライオパネル１０２は、クライオパネル１０２の前面の法線が中心軸Ａに交差するように傾斜されている。傾斜領域１０８は、放射方向における当該クライオパネルの幅Ｄの実質的に全部を占めている。
【００６８】
ただし、図７に示されるように、クライオパネル１０２は、下端部１０６に取付部１１０を備えてもよい。取付部１１０は平坦な領域である。取付部１１０は、クライオパネル１０２をパネル取付部材１１２（図２参照）に取り付けるためのフランジである。パネル取付部材１１２は、クライオパネル１０２を冷凍機１６の第２ステージ２４（図５参照）に機械的に固定しかつ熱的に接続するために設けられている。こうした平坦な取付フランジを設けることにより、パネル取付部材１１２へのクライオパネル１０２の取付作業が容易になる。
【００６９】
クライオパネル１０２には、冷凍機１６を挿通させるための切り欠きまたは開口（図示せず）が形成されていてもよい。
【００７０】
図６に示されるように、複数のクライオパネル１０２は、放射シールド３０の中心軸Ａに同軸に配設されている。よって、複数のクライオパネル１０２の各々の傾斜領域１０８は、中心軸Ａに近い下端部１０６（図７参照）ではシールド開口２６から離れており、かつ中心軸Ａから遠い上端部１０４ではシールド開口２６に近接するように傾斜されている。吸気口１２に近いクライオパネル１０２は、吸気口１２から遠いクライオパネル１０２よりも小型である。隣接する２つのクライオパネル１０２のうち上側のクライオパネルは、下側のクライオパネル１０２より小さい径を有する。
【００７１】
クライオパネルアセンブリ１００は、上部構造１２８と下部構造１３０とに区分けされる。上部構造１２８は、少なくとも１つのクライオパネル１０２を備え、この少なくとも１つのクライオパネル１０２は、シールド前端２８に向かう傾斜角度をもつ傾斜領域１０８（図７参照）を備える。こうした傾斜を有するクライオパネル１０２を以下では上部クライオパネルと呼ぶことがある。なお、クライオパネルの傾斜角度とは、中心軸Ａに垂直な平面とクライオパネル１０２の表面との角度をいう。
【００７２】
上部クライオパネル１０２は、その背面１３２がクライオポンプ１０の外部から視認不能であるように調整された傾斜角度を有する。つまり、シールド前端２８からの視線が背面１３２に交差しないように背面１３２（すなわち傾斜領域１０８）の傾斜角度が決められている。よって、上部クライオパネル１０２の外側末端は、図６において破線の矢印１３４で示すように、シールド前端２８の僅かに下方に向けられている。したがって、上部クライオパネル１０２のそれぞれは傾斜角度が異なっており、上方のクライオパネルほど傾斜角度が小さい。なお、上部クライオパネル１０２の背面１３２をクライオポンプ１０の外部から視認不能とするために、シールド前端２８に代えて、クライオポンプ容器３８の前端４０からの視線を考慮すべき場合もあり得る。
【００７３】
クライオパネルアセンブリ１００の下部構造１３０は、少なくとも１つのクライオパネル１０２を備える。この少なくとも１つのクライオパネル１０２は、図６において破線の矢印１３６で示すように、シールド側部３６に向けて傾斜されている傾斜領域１０８（図７参照）を備える。こうした傾斜を有するクライオパネル１０２を以下では下部クライオパネルと呼ぶことがある。つまり、下部クライオパネル１０２はシールド側部３６に向かう傾斜角度をもつので、その背面１３８はクライオポンプ１０の外部から視認不能である。下部クライオパネル１０２のそれぞれは、等しい傾斜角度を有する。
【００７４】
ある実施形態においては、上部構造１２８の少なくとも一部または全部のクライオパネル１０２は、下部構造１３０のクライオパネル１０２と同様に、平行に配列されていてもよい。全部平行であると製作が容易である。この場合、トップパネル１３７の末端がクライオポンプ前端（の僅かに下方）に向けられ、それより下方のクライオパネルはシールド側部３６に向けられていてもよい。
【００７５】
ある１つの上側のクライオパネルの内周端に比べて、それよりも下側のいくつかのクライオパネルの外周端のほうが吸気口１２に近い。言い換えれば、ある１つの下側のクライオパネルの傾斜部は、それよりも上側のいくつかのクライオパネルの内周端を越えて斜め上方に延びている。このようにして、上側のクライオパネルと下側のクライオパネルとの間に水素ガスを受け入れるための細長い隙間１４９が形成され、複数のクライオパネル１０２が入れ子状に配列されている。
【００７６】
このようなクライオパネルどうしの位置関係は下部構造１３０だけでなく上部構造１２８のいくつかのクライオパネルについても共通する。ただし、この位置関係は下部構造１３０において顕著である。例えば、最も下方のクライオパネルの外周端は、それよりも６枚上方のクライオパネルの内周端よりも吸気口１２に近い。
【００７７】
隙間１４９は、傾斜領域１０８に沿って深く延びている。隙間の深さは、隙間入口の幅よりも大きい。クライオパネルアセンブリ１００は、このように深い隙間構造をもつことにより、水素ガスの捕捉率を高めることができる。つまり、隙間１４９に一度進入した水素分子をなるべく外部に逃さずに捕捉することができる。
【００７８】
上部クライオパネル１０２の背面１３２の全域に吸着領域が形成されている。下部クライオパネル１０２の背面１３８の全域に吸着領域が形成されている。また、各クライオパネルの前面には、その直上のクライオパネルの外周端へとシールド前端２８から引かれた視線を境界として、境界内側に吸着領域が形成されている。吸気口１２に最も近い最上部のクライオパネル１３７は、その前面の全域が凝縮領域である。吸気口１２に最も近い数枚のクライオパネルの前面の全域が凝縮領域であってもよい。
【００７９】
このようにして、複数のクライオパネル１０２の各々は、クライオポンプ１０の外部から視認不能である部位に吸着領域を備える。よって、クライオパネルアセンブリ１００は、吸着領域がクライオポンプ１０の外部から完全に見えないように構成されている。
【００８０】
ところで、クライオポンプに蓄積された気体は通常、再生処理により実質的に完全に排出され、再生完了時にはクライオポンプは仕様上の排気性能に回復される。しかし、蓄積された気体のうち一部の成分は再生処理を経ても吸着剤に残留する割合が比較的高い。
【００８１】
例えば、イオン注入装置の真空排気用に設置されているクライオポンプにおいては、吸着剤としての活性炭に粘着性の物質が付着することが観察された。この粘着性物質は再生処理を経ても完全に除去することが困難であった。この粘着性物質は、処理対象基板に被覆されるフォトレジストから排出される有機系のアウトガスに起因すると考えられる。またはイオン注入処理でドーパントガスつまり原料ガスとして使用される毒性ガスに起因する可能性もある。イオン注入処理におけるその他の副生成ガスに起因する可能性も考えられる。これらのガスが複合的に関係して粘着性物質が生成されている可能性もある。
【００８２】
イオン注入処理では、クライオポンプの排気する気体の大半は水素ガスであり得る。水素ガスは再生により実質的に完全に外部に排出される。難再生気体は微量であれば、１回のクライオポンピング処理においてクライオポンプの排気性能に難再生気体が与える影響は軽微である。しかし、クライオポンピング処理と再生処理とを反復するうちに、難再生気体は徐々に吸着剤に蓄積され、排気性能を低下させていく可能性がある。排気性能が許容範囲を下回ったときには、例えば吸着剤またはそれとともにクライオパネルの交換、または吸着剤への化学的な難再生気体除去処理を含むメンテナンス作業が必要となる。
【００８３】
難再生気体はほぼ例外なく凝縮性気体である。外部からクライオポンプ１０へと向けて飛来する凝縮性気体の分子は、入口クライオパネル３２の周囲の開放領域を通過して、放射シールド３０またはクライオパネルアセンブリ１００の外周の凝縮領域に直線的経路で到達し、それらの表面に捕捉される。吸気口１２への吸着領域の露出を避けることにより、クライオポンプ１０に進入する気体に含まれる難再生気体から吸着領域は保護される。難再生気体は凝縮領域に堆積される。こうして、非凝縮性気体の高速排気と、難再生気体からの吸着領域の保護とを両立することができる。吸着領域の露出を避けることは、水分から吸着領域を保護することにも役立つ。
【００８４】
クライオポンプ１０は、進入した水素分子をクライオパネル１０２間の細長い隙間１４９に受け入れることができる。隙間１４９に入射した水素分子は、クライオパネル表面での反射により隙間１４９の奥へと導かれる。クライオパネル構造の中心部には吸着領域が形成されている。したがって、水素分子を効率的に吸着することができ、水素ガスの高速排気を実現することができる。
【００８５】
本出願人が先に提案したクライオポンプもまた、水素の高速排気と吸着剤の保護とを両立する独自のクライオパネル構造を備える。このクライオパネル構造においては、個々のクライオパネルがクライオポンプの中心軸に垂直な平面に沿って放射シールドに向けて延びている。このようなクライオパネル構造は図５に例示される。こうした水平クライオパネルをもつクライオポンプに比べて、本実施形態による傾斜クライオパネルをもつクライオポンプは、さらに、水素ガスの排気速度がおよそ２０％から３０％優れることが、モンテカルロ法に基づくシミュレーションによって確認されている。
【００８６】
図８は、本発明の第４実施形態に係るクライオポンプ１の主要部を模式的に示す断面図である。第４実施形態に係るクライオポンプ１においては、反射クライオパネル３は放射シールドの少なくとも一部分であり、吸着クライオパネル２は放射シールドの少なくとも一部分に隣接する。吸着クライオパネル２は、多数の貫通穴６を有する筒状部材である。この筒状部材は、反射クライオパネル３よりいくらか小さい寸法を有する。吸着クライオパネル２は、反射クライオパネル３の内側に張り巡らせてある。このようにして、放射シールドの側面及び底面のすぐ内側に吸着クライオパネル構造を形成してもよい。なお第４実施形態に係るクライオポンプ１は、第２実施形態に係るクライオパネルアセンブリ２０または第３実施形態に係るクライオパネルアセンブリ１００を備えてもよい。
【００８７】
図９は、本発明の第５実施形態に係るクライオポンプ１の主要部を模式的に示す断面図である。第５実施形態に係るクライオポンプ１は、複数の吸着クライオパネル２を備える。複数の吸着クライオパネル２は軸方向に互いに平行に配列され、放射シールド３０に囲まれている。このクライオポンプ１において反射クライオパネル３は、ある吸着クライオパネル２の下に隣接する別の吸着クライオパネル２である。各吸着クライオパネル２が貫通穴６を有する。この場合、上方の吸着クライオパネル２ほど高い通過確率を有するように各吸着クライオパネル２が形成されていてもよい。
【００８８】
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。
【００８９】
例えば、吸着クライオパネル２に形成される開口（例えば穴やスリット）の形状は任意である。上述の実施形態では開口は閉じた輪郭を有する形状であるが、それに限られない。吸着クライオパネル２は、その外周へと開いた輪郭を有する開口を有してもよい。また、開口の配列についても、上述のように規則的または格子状であると製造上有利であるが、その他任意の配列であってよい。
【００９０】
吸着クライオパネル２及び／または反射クライオパネル３は複数の部片で形成されていてもよい。例えば、吸着クライオパネル２は、複数の細長い部材からなるフレーム構造または骨組み構造を有してもよい。
【符号の説明】
【００９１】
１  クライオポンプ、  ２  吸着クライオパネル、  ３  反射クライオパネル、  ４  前面、  ５  背面、  ７  反射面、  ８  吸着クライオパネル構造、  １０  クライオポンプ、  １２  吸気口、  １６  冷凍機、  ３０  放射シールド。
【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】
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【図７】
2014227989.tif 000009
【図８】
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【図９】
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