(57)【要約】【課題】大量の水素を安全に放出できるクライオポンプを提供する。【解決手段】クライオポンプシステムは、第１の冷却段と、第１の冷却段に接続される第２の冷却段とをもつクライオポンプを備え、第２の冷却段は、少なくとも約２標準リットルの水素吸着容量を有するガス吸着器を有する。第２の冷却段の蓄熱容量は、全負荷状態になるまでのクライオポンプの再生中の第２の冷却段の暖機において、発火安全性限界を満たすようにクライオポンプ内の水素圧力を制御し、かつクライオポンプに連結された低減システムの限界の範囲内に排気ライン内の水素流量の限界が収まるように制御することが可能なほど、十分である。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
クライオポンプを備えるクライオポンプシステムであって、前記クライオポンプが、
第１の冷却段と、
前記第１の冷却段に接続される第２の冷却段であって、少なくとも約２標準リットルの水素吸着容量をもつガス吸着器を有する第２の冷却段と、
前記第２の冷却段の蓄熱容量であって、全負荷状態になるまでのクライオポンプの再生中の前記第２の冷却段の暖機において、発火安全性限界を満たすように前記クライオポンプ内の水素圧力を制御することと、前記クライオポンプに連結された低減システムの限界の範囲内に排気ライン内の水素流量を制御することとが可能なほど十分である、前記蓄熱容量とを備えるクライオポンプシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のクライオポンプシステムにおいて、
前記水素吸着容量が少なくとも約５標準リットルであるクライオポンプシステム。
【請求項３】
請求項１に記載のクライオポンプシステムにおいて、
実質的にすべての水素が脱離されて前記クライオポンプから排気されるまで、前記水素圧力が約７トル未満に制御されるクライオポンプシステム。
【請求項４】
請求項１に記載のクライオポンプシステムにおいて、
実質的にすべての水素が脱離されて前記クライオポンプから排気されるまで、前記水素流量が１分につき約２標準リットル未満に制御されるクライオポンプシステム。
【請求項５】
請求項１に記載のクライオポンプシステムにおいて、
前記クライオポンプを制御するための電子制御部であって、再生時間中に、暖機時間において、前記クライオポンプの冷凍機モーターをオフにするようにプログラムされた電子機器を有する、前記電子制御部をさらに備えるクライオポンプシステム。
【請求項６】
請求項５に記載のクライオポンプシステムにおいて、
前記電子機器が、第２の冷却段の温度が前記暖機時間内に閾値温度よりも高くなった場合、前記再生時間中に前記冷凍機をオンにするように、さらにプログラムされるクライオポンプシステム。
【請求項７】
請求項６に記載のクライオポンプシステムにおいて、
前記閾値温度が約４０Ｋ以上であるクライオポンプシステム。
【請求項８】
請求項６に記載のクライオポンプシステムにおいて、
前記冷凍機が、前記再生時間の少なくとも一部において最大冷凍をもたらすクライオポンプシステム。
【請求項９】
請求項６に記載のクライオポンプシステムにおいて、
実質的にすべての水素が脱離されて前記クライオポンプから排気されるまで、前記冷凍機がオンにされるクライオポンプシステム。
【請求項１０】
請求項５に記載のクライオポンプシステムにおいて、
前記再生時間が、実質的にすべての水素が脱離されて前記クライオポンプから排気されるまでの時間であるクライオポンプシステム。
【請求項１１】
請求項５に記載のクライオポンプシステムにおいて、
前記暖機時間が少なくとも約４分であるクライオポンプシステム。
【請求項１２】
請求項５に記載のクライオポンプシステムにおいて、
前記暖機時間が少なくとも約５分であるクライオポンプシステム。
【請求項１３】
請求項５から１２のいずれか一項に記載のクライオポンプシステムにおいて、
前記電子機器が、再生時間の初期の部分において、前記クライオポンプの前記第２の冷却段を加熱するように、さらにプログラムされるクライオポンプシステム。
【請求項１４】
請求項１３に記載のクライオポンプシステムにおいて、
前記電子機器が、約２５秒以下の間、前記クライオポンプの前記第２段を加熱するように、プログラムされるクライオポンプシステム。
【請求項１５】
請求項１に記載のクライオポンプシステムにおいて、
前記蓄熱容量が、約１０Ｋ〜約５０Ｋの温度範囲において少なくとも約１０，０００ジュールであるクライオポンプシステム。
【請求項１６】
請求項１５に記載のクライオポンプシステムにおいて、
前記蓄熱容量が少なくとも約１２，０００ジュールであるクライオポンプシステム。
【請求項１７】
請求項１６に記載のクライオポンプシステムにおいて、
前記蓄熱容量が少なくとも約１５，０００ジュールであるクライオポンプシステム。
【請求項１８】
請求項１に記載のクライオポンプシステムにおいて、
前記蓄熱容量と前記水素吸着容量との比が、約１０Ｋ〜約５０Ｋの温度範囲において少なくとも約１０００ジュール／リットルであるクライオポンプシステム。
【請求項１９】
請求項１に記載のクライオポンプシステムにおいて、
前記クライオポンプの再生中の前記第２の冷却段の約２０Ｋの温度から約５０Ｋの温度への暖機が、約４分超を必要とするクライオポンプシステム。
【請求項２０】
請求項１９に記載のクライオポンプシステムにおいて、
前記クライオポンプの再生中の前記第２の冷却段の約２０Ｋの温度から約５０Ｋの温度への暖機が、約５分超を必要とするクライオポンプシステム。
【請求項２１】
クライオポンプであって、
第１の冷却段と、
前記第１の冷却段に接続される第２の冷却段であって、少なくとも約２標準リットルの水素吸着容量をもつガス吸着器を有する第２の冷却段と、
約１０Ｋ〜約５０Ｋの温度範囲において少なくとも約１０，０００ジュールである前記第２の冷却段の蓄熱容量とを備えるクライオポンプ。
【請求項２２】
請求項２１に記載のクライオポンプシステムにおいて、
前記水素吸着容量が少なくとも約５標準リットルであるクライオポンプシステム。
【請求項２３】
請求項２１に記載のクライオポンプシステムにおいて、
前記蓄熱容量が少なくとも約１２，０００ジュールであるクライオポンプシステム。
【請求項２４】
請求項２３に記載のクライオポンプシステムにおいて、
前記蓄熱容量が少なくとも約１５，０００ジュールであるクライオポンプシステム。
【請求項２５】
水素をクライオポンプする方法であって、
少なくとも約２標準リットルの水素吸着容量をもつガス吸着器を有するクライオポンプを、水素が吸着される温度に冷却することと、
再生時間中に前記クライオポンプから水素を脱離することとを備え、前記クライオポンプが、全負荷状態になるまでのクライオポンプの暖機において、発火安全性限界を満たすように水素圧力を制御することと、前記クライオポンプに連結された低減システムの限界の範囲内に排気ライン内の水素流量を制御することとが可能なほど十分である蓄熱容量をもつ方法。
【請求項２６】
請求項２５に記載の方法において、
前記ガス吸着器が少なくとも約５標準リットルの水素吸着容量をもつ方法。
【請求項２７】
請求項２５に記載の方法において、
実質的にすべての水素が脱離されて前記クライオポンプから排気されるまで、前記再生時間中の前記水素圧力が約７トル未満に制御される方法。
【請求項２８】
請求項２５に記載の方法において、
実質的にすべての水素が脱離されて前記クライオポンプから排気されるまで、前記再生時間中の前記水素流量が１分につき約２標準リットル未満に制御される方法。
【請求項２９】
請求項２５に記載の方法において、
暖機時間において、前記クライオポンプの冷凍機モーターをオフにすることをさらに備える方法。
【請求項３０】
請求項２９に記載の方法において、
前記暖機時間が少なくとも約４分である方法。
【請求項３１】
請求項３０に記載の方法において、
前記暖機時間が少なくとも約５分である方法。
【請求項３２】
請求項２９に記載の方法において、
第２の冷却段の温度が前記暖機時間内に閾値温度よりも高くなった場合、前記再生時間中に前記冷凍機をオンにすることをさらに備える方法。
【請求項３３】
請求項３２に記載の方法において、
前記閾値温度が約４０Ｋ以上である方法。
【請求項３４】
請求項３２に記載の方法において、
前記冷凍機が、前記再生時間の少なくとも一部において最大冷凍をもたらす方法。
【請求項３５】
請求項３２に記載の方法において、
実質的にすべての水素が脱離されて前記クライオポンプから排気されるまで、前記冷凍機がオンにされる方法。
【請求項３６】
請求項２５に記載の方法において、
前記再生時間が、実質的にすべての水素が脱離されて前記クライオポンプから排気されるまでの時間である方法。
【請求項３７】
請求項２５に記載の方法において、
前記蓄熱容量が、約１０Ｋ〜約５０Ｋの温度範囲において少なくとも約１２，０００ジュールである方法。
【請求項３８】
請求項３７に記載の方法において、
前記蓄熱容量が少なくとも約１５，０００ジュールである方法。
【請求項３９】
請求項２５に記載の方法において、
前記蓄熱容量と前記水素吸着容量との比が、約１０Ｋ〜約５０Ｋの温度範囲において少なくとも約１０００ジュール／リットルである方法。
【請求項４０】
請求項２５から３９のいずれか一項に記載の方法において、
前記再生時間の初期の部分において、前記クライオポンプの前記第２の冷却段を加熱することをさらに備える方法。
【請求項４１】
請求項４０に記載の方法において、
前記クライオポンプの前記第２の冷却段を加熱することが、約２５秒以下の間行われる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１０年１１月２４日に出願された米国仮出願第６１／４５８，５６３号の利益を請求する。前記出願のすべての教示は、参照により本明細書に援用される。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造設備および他の適用例に現在使用されているクライオポンプシステム（特許文献１〜５参照）では、大量の水素ガス（Ｈ２）をクライオポンプ処理することがしばしば要求される。このＨ２ガスは、水素ガスが処理ガスとして使用される製造プロセス（例えば、脱気チャンバー）、またはＨ２ガスが処理副産物として放出される製造プロセス（例えば、イオン注入）から発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第４５５５９０７号明細書
【特許文献２】米国特許第５１５６００７号明細書
【特許文献３】米国特許第５２１１０２２号明細書
【特許文献４】米国特許第５３３３４６６号明細書
【特許文献５】米国特許第５９７４８０９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
規定圧力範囲および濃度レベル内の酸素と合わされた水素ガス（Ｈ２）は燃焼または爆発するおそれがあり、したがって、水素ガスを安全に除去することが考慮されなければならない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
クライオポンプから大量の水素を安全に放出するためには、その放出の間、圧力が７トル（Torr）未満に低く保たれており、かつ放出されたガスの流量が、放出されたガスを扱うためにクライオポンプに連結された低減システム（abatement system）の容量を超えないことが、重要である。そのためには、ガスはゆっくり放出されなければならない。残念ながら、いったん、再生中にクライオパネルが暖機（warming ）されるとともに水素が放出され始めると、排気後の真空によってもたらされた断熱が失われ、クライオパネルが急速に暖機され、その結果、吸着された水素のすべてが急速に放出され、低減システムを圧することになりかねない。その急速な放出を回避するために、クライオポンプの第２段には、真空が失われた場合でも暖機の遅い、高い熱キャパシタンスが与えられる。その結果、水素は、よりゆっくりと、したがって安全に放出され得る。
【０００６】
第１の冷却段と、この第１の冷却段に接続される第２の冷却段とを備えるクライオポンプを備えるクライオポンプシステムが提供され、第２の冷却段は、少なくとも約２標準リットルの水素吸着容量をもつガス吸着器を有する。前記水素吸着容量は、少なくとも約５標準リットルであってもよい。前記第２の冷却段の熱キャパシタンス（蓄熱容量）は、全負荷状態になるまでのクライオポンプの再生中の前記第２の冷却段の暖機において、発火安全性限界を満たすように前記クライオポンプ内の水素圧力を制御することと、前記クライオポンプに連結された低減システムの限界の範囲内に排気ライン内の水素流量を制御することとが可能なほど十分である。前記蓄熱容量は、約１０Ｋ〜約５０Ｋの温度範囲において、例えば少なくとも約１２，０００ジュール、少なくとも約１５，０００ジュール等、少なくとも約１０，０００ジュールであってよい。前記蓄熱容量と前記水素吸着容量との比は、約１０Ｋ〜約５０Ｋの温度範囲において少なくとも約１０００ジュール／リットルであってよい。前記クライオポンプの再生中の前記第２の冷却段の約２０Ｋの温度から約５０Ｋの温度への暖機は、例えば約５分超等、約４分超を必要とすることができる。実質的にすべての水素が脱離されて（desorbed）前記クライオポンプから排気されるまで、前記水素圧力は約７トル未満に制御される。実質的にすべての水素が脱離されて前記クライオポンプから排気されるまで、前記水素流量は１分につき約２標準リットル未満に制御され得る。
【０００７】
前記クライオポンプシステムは、前記クライオポンプを制御するための電子制御部を備えることができ、前記制御部は、再生時間中に、暖機時間において、前記クライオポンプの前記冷凍機モーターを選択的にオフにするようプログラムされる電子機器を有する。前記再生時間は、実質的にすべての水素が脱離されて前記クライオポンプから排気されるまでの時間である。前記暖機時間は、例えば少なくとも約５分等、少なくとも約２分であってよい。前記電子機器は、第２の冷却段の温度が前記暖機時間内に閾値温度よりも高くなった場合、前記再生時間中に前記冷凍機をオンにするように、さらにプログラムされ得る。前記閾値温度は、約４０Ｋ以上であってよい。前記冷凍機は、前記再生時間の少なくとも一部において、最大冷凍をもたらすことができる。実質的にすべての水素が脱離されて前記クライオポンプから排気されるまで、前記冷凍機がオンにされ得る。前記電子機器は、再生時間の初期の部分における加熱時間において、例えば約２５秒以下の加熱時間等、前記クライオポンプの前記第２の冷却段を加熱するようにさらにプログラムされ得る。
【０００８】
水素をクライオポンプする方法（水素のクライオポンピング方法、method of cryopumping hydrogen）は、水素が吸着される温度に前述の通りにクライオポンプを冷却することと、再生時間中に、前記クライオポンプから水素を脱離することとを備える。前記再生時間は、実質的にすべての水素が脱離されて前記クライオポンプから排気されるまでの時間である。前述したように、前記クライオポンプは、全負荷状態になるまでのクライオポンプの暖機において、発火安全性限界を満たすように水素圧力を制御することと、前記クライオポンプに連結された低減システムの限界の範囲内に排気ライン内の水素流量を制御することとが可能なほど十分である、蓄熱容量をもつ。前記方法は、暖機時間において、前記クライオポンプの前記冷凍機モーターをオフにし、次に、第２の冷却段の温度が前記暖機時間内に閾値温度よりも高くなった場合、前記再生時間中に、前記冷凍機をオンにすることをさらに備えることができる。前記閾値温度は、約４０Ｋ以上であってよい。前記暖機時間は、例えば少なくとも約５分等、少なくとも約４分であってよい。前記冷凍機は、前記再生時間の少なくとも一部において、最大冷凍をもたらすことができる。実質的にすべての水素が脱離されて前記クライオポンプから排気されるまで、前記冷凍機がオンにされ得る。前記方法は、前記再生時間の初期の部分における加熱時間において、例えば約２５秒以下の加熱時間等、前記クライオポンプの前記第２の冷却段を加熱することをさらに備えることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
上述の内容は、添付の図面にて図示するように、以下に示す本発明の例示の実施形態のより具体的な説明から明らかとなるであろう。また、図面においては、同様の参照符号は異なる図面の全体にわたって同一の部分を指すものとする。図面は必ずしも正確な縮尺ではなく、本発明の実施形態を説明することに強調が置かれている。
【図１】処理システムの概略図である。
【図２】パージガスなしの一般的なクライオポンプにおいて、冷凍機をオフにした後の、時間の関数としての温度および水素圧力のグラフである。
【図３】パージガスなしの一般的なクライオポンプにおいて、冷凍機をオフにして粗引きポンプで水素を排気した後の、時間の関数としての温度および水素圧力のグラフである。
【図４】パージガスなしの一般的なクライオポンプにおいて、冷凍機をオンにして暖機（warm up ）のために加熱を行ったときの、時間の関数としての温度および水素圧力のグラフである。
【図５】本発明による熱キャパシター（thermal capacitor ）を有するクライオポンプの概略図である。
【図６Ａ】図５に示すような熱キャパシターを有するクライオポンプにおいて、加熱を行ったときの、時間の関数としての温度、水素圧力および冷凍機ＲＰＭ（毎分回転数）のグラフである。
【図６Ｂ】図５に示すような熱キャパシターを有するクライオポンプにおいて、加熱を行い、クライオポンプでの粗引きポンプ速度を１３．９リットル／ｓにしたときの、時間の関数としての温度、水素圧力および冷凍機ＲＰＭのグラフである。
【図７】全体の処理において、冷凍機をオンにしたときの、水素再生処理のフローチャートである。
【図８】図７に示す水素再生処理における、時間の関数としての温度、水素圧力および冷凍機ＲＰＭのグラフである。
【図９】加熱時間において、冷凍機をオフにしたときの、水素再生処理のフローチャートである。
【図１０】図９に示す水素再生処理における、時間の関数としての温度、水素圧力および冷凍機ＲＰＭのグラフである。
【図１１】図７（シーケンス１）および図９（シーケンス２）に示す水素再生処理における、時間の関数としての冷凍機ＲＰＭのグラフである。
【図１２】図７（シーケンス１）および図９（シーケンス２）に示す水素再生処理における、時間の関数としての水素排気流量のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の例示の実施形態を以下に説明する。
【００１１】
後述するクライオポンプおよびそのクライオポンプの作動方法は、規定安全限界の範囲内でクライオポンプからのＨ２ガスの放出を制御することが示された。安全性を維持するための慎重な方法は、クライオポンプおよび排気システム内のＨ２の分圧を、爆発下限（ＬＥＬ、大気圧の４％）の約２５％、すなわち約７トルである発火安全性限界未満に確実に保つことである。SEMI S2-0703, Environmental, Health, and Safety Guideline for Semiconductor Manufacturing Equipment, 2003を参照のこと。さらに、排気中のＨ２ガスの最大質量流量は、排気低減システムの限界（すなわち、一般的に２．０標準（２０℃、１気圧）リットル／分（ＳＬＭ））を上回ってはならない。Ｈ２ガス分圧、さらには質量流量の制御は、後述するようにハードウェアの設計変更およびソフトウェアの変更の両方をクライオポンプシステムに対して行うことで、達成され得る。
【００１２】
処理システム１００の概略図を図１に示す。処理システム１００は、処理チャンバー１１０を含む処理ツール１０５を含む。処理チャンバー１１０は、まず粗引きポンプ（低真空ポンプ、rough vacuum pump ）１２０によって排気され、次に、弁１２５を閉じて弁１２８を開けた後、クライオポンプ１３０によって高真空排気される。クライオポンプシステム１２９はクライオポンプ１３０を含む。クライオポンプ１３０は、時間をかけて処理チャンバー１１０内で行われる処理（例えば、物理蒸着（ＰＶＤ）処理の脱気ステップや、水素を副産物とするイオン注入等の他の水素処理）からのガスを蓄積する。これらのガスは、クライオポンプ１３０内の低温（すなわち、一般的に第２段で１７Ｋ）によって凝縮および／または吸着される。
【００１３】
クライオポンプが、凝縮および／または吸着されたガスによって、最大負荷またはその付近に達すると、弁１２５および１２８が閉じられ、クライオポンプは、クライオポンプ内のガスを加温する（warming ）ことと、弁１３５、粗引きポンプ１２０および低減システム１４０からこれらのガスを排気することとによって、再生される。後述するように、クライオポンプ内部のガスの加温は、クライオポンプの冷凍機をオフにすることによって、および／または、ガスが吸着もしくは凝縮したクライオポンプ内部の表面を加熱することによってなされ得る。窒素パージは、一般的に窒素供給部１５０から弁１５５を介して提供される。窒素入口圧力は、圧力計１５３で測定される。窒素は、ガスを希釈しさらにクライオポンプ１３０の内面を暖機する（加温する、warm up ）のにも役立つ、不活性ガスである。窒素はまた、逆止弁１６０を介して供給される安全排気（safety exhaust）１８０を、弁１６５を介して希釈するために使用される。再生中にクライオポンプ１３０から出てくるガスの圧力は、圧力計１６３によって測定される。粗引きポンプ１２０が例えば５０ミリトル（mTorr ）未満の十分な低真空を提供していることを確認するために、圧力スイッチ１７３も設けられる。処理システム１００に含まれる弁、圧力計および加熱素子は、電子制御部１９０によって制御される。電子制御部１９０は、リモート（別の制御部またはホストツール上の制御部）であってもよく、ローカルであっても、クライオポンプに一体化されていてもよい。
【００１４】
上述のように、全負荷状態になるまでのクライオポンプについては、再生中の水素圧力は、発火安全性限界を満たすように制御される必要があり、排気ラインの水素流量は、クライオポンプ１３０に連結された低減システム１４０の容量に制限される（容量の範囲内に納める）必要がある。上述のように、一般的な水素圧力限界は約７トルであり、一般的な排気流量限界は約２ＳＬＭである。
【００１５】
クライオポンプの設計は、例えば、米国特許第４，５５５，９０７号、米国特許第５，１５６，００７号、米国特許第５，２１１，０２２号、米国特許第５，３３３，４６６号、米国特許第５，９７４，８０９号等の多くの特許に記載されており、これらはその全体が参照により援用される。一般的なクライオポンプ（例えば、ＣＴＩ−８Ｆ、ブルックスオートメーション社、Chelmsford,MA ）では、ゲート弁１２８および粗引き弁１３５の両方が閉じられた状態でいったん冷凍機モーターがオフにされると、図２に示すように、第２段の温度（Ｔ２）は約２分で３５Ｋ超に上昇し、圧力は３分未満で約７トルに上昇する。水素は、約２０Ｋ超の温度Ｔ２でクライオポンプ内の吸着器表面から脱離し始め、実質的にすべての水素が、約５０Ｋ超の温度で脱離される。したがって、水素が実質的に完全に放出されると、圧力は発火安全性限界を超えて上昇する。P. A. Lessard, Cryogenic adsorption of noncondensibles in the high-vacuum regime, J. Vac. Sci. Technol. A Vol. 7(3) pp. 2373-2376 (1989)を参照のこと。粗引き弁１３５を閉じた状態では、ガスは、安全排気弁１６０を介して排気され、低減システムを迂回する。クライオポンプから安全に水素を放出するためには、クライオポンプ再生中の第２冷却段の約５０Ｋの温度への暖機は、例えば約５分超等、約４分超かかるように、ゆっくり行う必要がある。Ｔ２が約２５Ｋのときに粗引き弁１３５が開けられると、図３に示すように、約３．５分以内で、圧力計１６３（Ｐ１）によって測定される圧力は、約５．５トルとなるが（すなわち７トルの発火安全性限界未満）、水素流量は、約３．１ＳＬＭである（すなわち２ＳＬＭの低減システム流量限界を上回る）。
【００１６】
水素流量を制御するために、図４に示すように、冷凍機をオンのままで、制御された加熱をクライオポンプ１３０の第２段に適用して水素を脱離できる。一般的なクライオポンプにおいてクライオポンプ１３０の第２段が加熱される場合には、（冷凍機ＲＰＭの線で示すように）冷凍機をオンのままにしても、水素脱離は、約２．５ＳＬＭ（すなわち、２ＳＬＭの低減システム流量限界を上回る）の水素排気流量をもたらす。
【００１７】
７トル（さらには５トル）未満の圧力を維持し、かつ２ＳＬＭ未満の水素ガスの流量を保つためには、水素ガスの脱離を遅くすることが必要である。そのために、大きなサーマルマス（熱的質量、thermal mass）が、吸着剤を支持するクライオパネルと熱伝達可能な状態で（in thermal communication with ）設けられる。前記クライオポンプに対するハードウェアの設計変更を含むクライオポンプの断面図を、図５に示す。クライオポンプ１３０には、クライオポンプ１３０内のチャコール吸着剤床（charcoal adsorbent bed）からのＨ２ガスの急速な放出を遅らせるのに役立たせるため、増大されたサーマルマス（蓄熱容量をもつ熱キャパシター）５１０が追加されている。これらのサーマルマス５１０は、冷凍機シリンダ５２０の端の上下において、冷凍機の第２段のヒートステーション（heat station）に連結される。サーマルマス５１０は、第２段のアレイのトップキャップのバッフル（baffles of second stage array top cap ）に、または直接第２段に追加できる。前述の特許にて説明されるように、下側のサーマルマスは、クライオパネル５３０を支持するＬ字型ブラケットの間に配置することができる。
【００１８】
Ｈ２をゆっくり放出させるために、第２段のアレイの熱慣性は、アレイ５３０のあまりに急速な暖機を回避可能であるべきである。水素処理クライオポンプは、例えば少なくとも約５標準リットル等、少なくとも２標準リットルの水素吸着容量、および、例えば少なくとも約１２，０００ジュール、少なくとも約１５，０００ジュール等、少なくとも約１０，０００ジュールの蓄熱容量を必要とする。その結果、蓄熱容量と水素吸着容量との比は、約１０Ｋ〜約５０Ｋの温度範囲において、少なくとも約１０００ジュール／リットルとなる。全負荷状態のＣＴＩ−８Ｆクライオポンプは、クライオポンプによって捕捉された約１２ａｔｍ−ＬのＨ２を含む。また、全負荷状態のＣＴＩ−８Ｆクライオポンプは、安全要求事項を満たしつつ約１５〜２０分をかけてクライオポンプの温度を約１０Ｋから約５０〜６０Ｋ（ΔＴ＝４０Ｋ）まで上昇させるために、例えば約１５，０００Ｊ±３，０００Ｊ（すなわち１２，０００Ｊ、１５，０００Ｊまたは１８，０００Ｊ）等の、少なくとも約１０，０００ジュールの蓄熱容量を必要とする。標準的な第２段のヒートステーションの質量は約１ポンド（ｌｂ）であり、約１０Ｋから約６０Ｋまでの温度範囲においてわずか１，２００ジュールの蓄熱容量しか提供しない。所望のゆっくりした暖機のために１５，０００ジュールを達成するには、銅の質量は、１２．５倍増大させる必要があるであろう。熱キャパシターとして選択される物質が異なれば、熱容量は変化することになる。したがって、ある熱キャパシターが当該必要な蓄熱容量を提供するために必要とする物質の質量および体積も、変化することになる。より大きな水素吸着容量をもつクライオポンプ（例えばＣＴＩ−３２０）は、それに応じてより大きな蓄熱容量を必要とすることになる。熱キャパシター５１０は、クライオポンプ１３０内部に収まるために、大きさが十分に小さいことが必要であり、したがって、例えば鉛（Ｐｂ）、錫−アンチモン（Ｓｎ  Ｓｂ）合金等の、高比熱容量を有する物質で作製される。一実施形態では、図５に示す熱キャパシター５１０は、合計質量が約８．２ポンドの２片の錫−アンチモン合金を含む。上述の熱キャパシター５１０を使用した水素再生では、図６Ａに示す結果が得られ、水素排気流量は２．１ＳＬＭ（すなわち、所望の２．０ＳＬＭにほぼ等しい）であった。次に、より速い排気速度の粗引きポンプ１２０（クライオポンプにおける７リットル／ｓに対し１３．９リットル／ｓ）を採用することによって、図６Ｂに示すように、水素排気流量は所望の２．０ＳＬＭに低減された。これは、水素排気流量＝排気速度×水素圧力の関係にしたがって、粗引きポンプ１２０のより速い排気速度が、排気ライン内の水素ガス圧力を著しく減少させたからである。粗引きポンプ１２０の排気速度は、クライオポンプにおける十分な粗引き排気速度（すなわち、接続配管からの排気速度損失を埋め合わせる）を提供することによって、水素の脱離速度に適合するように設定される。
【００１９】
好ましい実施形態では、ソフトウェアの設計変更により、熱キャパシター５１０を使用してＨ２ガスを安全に脱離させるように、制御部１９０のＯｎ−Ｂｏａｒｄ（登録商標）ＩＳクライオポンプ制御論理を修正する。一実施形態では、図１に示す処理ツール１０５を、図７に示すフローチャートにしたがって作動させる。その結果、図８に示す圧力、温度および冷凍機ＲＰＭの曲線が得られる。いったんチャンバー粗引き弁１２５（ＶＢ）およびゲート弁１２８（ＶＥ１）が閉じられる（図１）と、ステップ７１０において、冷凍機をその通常の動作速度７２ＲＰＭで作動させながら、水素再生処理７００を開始する。次に、ステップ７２０で、クライオポンプ（Ｔ２）の第２段の温度が３５Ｋ以下であることを確認する。上述のように、Ｔ２が３５Ｋよりも高い場合には、ポンプ内に吸着される水素はほとんどない。したがって、他のいかなるガスの予定された再生も、安全に実行できる。次にステップ７２５において、制御部は弁１６５（Ｇ８３）を開き、窒素が安全排気１８０に流れ込むのを５秒待つ。更なる安全性確認には、ステップ７３０において、安全排気１８０について圧力計１５３（Ｐ２）が１５ｐｓｉ以上であることを確認することと、圧力計１７３（Ｐ３）が５０ミリトル以下を示していることを確認することとが含まれる。これによって、粗引きポンプ１２０が適切な真空を提供していることを確実にし、そうでない場合は再生を中止する。
【００２０】
これらの安全性確認に合格すると、ステップ７３５において、制御部１９０は、弁１３５（ＶＥ２）を開き、温度Ｔ２のゆっくりとした上昇をもたらすのに十分な熱量を提供するように設定された加熱時間において、例えば約３，５００ジュールを提供する２５秒間、ヒーターをオンにし、ステップ７４０でタイムアップとなるまで続ける。第２段の温度は、熱キャパシタンスを追加したため、加熱なしでは上昇が遅すぎるであろう。加熱時間が終了すると、ステップ７４５においてヒーターはオフにされる。ステップ７５０において、制御部１９０は、暖機時間だけ、例えば約５分間、待ち、その後ステップ７６０において、Ｔ２が４０Ｋに達したかどうかを確認する。
【００２１】
冷凍機モーターは、４０Ｋよりも上では、最高速度（本冷凍機では１分につき１４４回転（１４４ＲＰＭ））で作動できる。４０Ｋ未満ではヘリウムの密度により過剰な抵抗（トルク）がかかるため、４０Ｋ未満での本冷凍機の最高速度は１００ＲＰＭである。図７に戻って、Ｔ２が４０Ｋ以上の場合には、制御部１９０は、冷凍機の速度を標準の実用速度７２ＲＰＭから１４４ＲＰＭ（この冷凍機モーターでの最大冷凍）まで上昇させる。他の適切な冷凍機では、他のＲＰＭで最大冷凍をもたらすことができる。一方、水素圧力のピークは、例えば約８分等、少なくとも約４分後に起こり、冷凍機モーターを連続して作動させると、図８に示すようにＴ２は低下し始める。いったんＴ２が４０Ｋ未満になると、制御部１９０は、ステップ７７０において、冷凍機の速度を１００ＲＰＭまで減少させる。
【００２２】
図７に戻って、ステップ７６０でＴ２が４０Ｋ未満の場合には、制御部は、ステップ７７５において、冷凍機の速度を１００ＲＰＭに上昇させる。次に、ステップ７８０において、再生時間（例えば３５分）が終了すると、制御部１９０は、弁１３５（ＶＥ２）および弁１６５（Ｇ８３）を閉じ、水素再生処理７００を完了する。次に、ユーザーは、クライオポンプ内に残存する他のガスの予定されたフル再生もしくは高速再生（米国特許第５，３７５，４２４号を参照）を実行でき、または、続けてクライオポンプがその動作温度まで冷却する（冷える、cool down ）のを待って弁１２８（ＶＥ１）を開くことにより、クライオポンプを使用することができる。
【００２３】
水素再生処理７００は、図８に示すように、水素圧力を最高２．６トルに、水素排気流量を最高１．６ＳＬＭに制御し、したがって、上述した両方の必要条件を満たす。しかし、ステップ７４０でクライオポンプの第２段にヒーターによって入る熱量は、図８に示すように、加熱時間中に作動している（したがって、熱を除去している）冷凍機の大きさに依存する。初期の暖機を冷凍機の大きさに依存させないようにするために、図９に示す代替の水素処理９００が開発された。処理９００は、加熱時間中、冷凍機をオフした状態で、水素圧力および排気流量を制御する。
【００２４】
図９ならびに図１０に示す圧力、温度および冷凍機ＲＰＭについて得られた曲線に戻って、水素再生処理９００の大部分のステップは、水素再生処理７００のステップと同じである。ただし、ステップ９３５でタイマーが始動されると極低温の冷凍機がオフにされ、ステップ９５０の暖機時間は、例えば、図９に示すように５分、または図１０で示すように４分であってよい。ステップ７３５（冷凍機オン、シーケンス１）とステップ９３５（冷凍機オフ、シーケンス２）との差を図１１に示す。水素再生処理９００の結果として生じる最大水素圧力は、図１０に示すように約２．８トルである。水素再生処理７００（シーケンス１）および９００（シーケンス２）の結果として生じる水素排気流量（共に２ＳＬＭ未満）を図１２に示す。図３、４、６Ａ、６Ｂ、８および１０に示される結果の、水素の最大圧力結果および最大流量結果、ならびに、クライオポンプ再生中における第２段の温度約２０Ｋから温度約５０Ｋまでの暖機時間を、表１にまとめる。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
水素再生処理９００が終了すると、ユーザーは、クライオポンプ内に残存する他のガスの予定されたフル再生もしくは高速再生（米国特許第５，３７５，４２４号を参照）を実行でき、または、クライオポンプがその動作温度に冷却するのを待って弁１２８（ＶＥ１）を開くことによって、クライオポンプを使用することができる。
【００２７】
すべての特許、公表された出願および本願明細書における引例の教示は、それらの全体が参照により援用される。
【００２８】
本発明をその例示の実施形態を参照して特に図示および説明してきたが、添付の特許請求の範囲に包含される本発明の範囲を逸脱することなく、さまざまな形の変更および詳細がなされ得ることが当業者によって理解されるであろう。
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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