(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に上流側に設けられたフランジから下流側に設けられたフランジを通る流体通路を有し、流体通路に沿った通路長さよりも、流体通路に直交する通路幅のほうが大きく設定された流体導管と、
流体通路と直交して中央の開口を取り囲み流体通路から凝縮ガスを捕捉する外側リムを有する前記流体導管の内部のクライオポンプアレイとを有し、
流体通路が前記中央の開口を通って貫通して延びており、
前記クライオポンプアレイは、直交方向の幅及び直交方向のリム幅が軸方向の厚さよりも大きく設定され、内径と外径との比が０．６〜０．８である低温捕捉器。
【請求項２】
請求項１において、さらに、前記クライオポンプアレイから前記流体導管を横切って流体通路にまで延び、前記アレイをクライオゼニック冷却源に接続して前記アレイをクライオゼニック温度にまで冷却させる熱伝導性ストラットを有している低温捕捉器。
【請求項３】
請求項１において、上流側に設けられたフランジが低温捕捉器を処理チャンバに接続する低温捕捉器。
【請求項４】
請求項１において、下流側に設けられたフランジが低温捕捉器を真空ポンプに接続する低温捕捉器。
【請求項５】
請求項４において、前記真空ポンプはターボ分子ポンプである低温捕捉器。
【請求項６】
請求項２において、前記クライオゼニック冷却源はクライオゼニック冷凍機である低温捕捉器。
【請求項７】
請求項１において、前記クライオポンプアレイはシートメタルから形成された平坦な環状の部材である低温捕捉器。
【請求項８】
請求項１において、前記クライオポンプアレイは貫通して開口している低温捕捉器。
【請求項９】
内部に上流側に設けられたフランジから下流側に設けられたフランジを通る流体通路を有し、流体通路に沿った長さよりも、流体通路に直交する通路幅の方が大きく設定された流体導管と、
流体通路と直交して中央の開口を取り囲み、流体通路から凝縮ガスを捕捉する外側リムを有する前記流体導管の内部の平坦な環状の部材を有するクライオポンプアレイと、
前記クライオポンプアレイから前記流体導管を横切って前記流体通路にまで延びて前記クライオポンプアレイをクライオゼニック冷凍機に高熱伝導性を保って接続して前記クライオポンプアレイをクライオゼニック温度にまで冷却する熱伝導性ストラットとを備え、
ポンプ本体の上流側に設けられて低温捕捉器を処理チャンバに連結する上流側フランジと、前記低温捕捉器を真空ポンプに連結する下流側フランジとを有しており、
流体通路が前記中央の開口を通って貫通して延びており、
前記クライオポンプアレイは、その直交方向の幅及び直交方向のリム幅が軸方向の厚さよりも大きく設定され、内径と外径との比が０．６〜０．８である低温捕捉器。
【請求項１０】
請求項９において、前記真空ポンプはターボ分子ポンプである低温捕捉器。
【請求項１１】
請求項９において、前記クライオポンプアレイは貫通して開口している低温捕捉器。
【請求項１２】
内部に上流側に設けられたフランジから下流側に設けられたフランジを通る流体通路を有し、流体通路に沿った長さよりも流体通路に直交する通路幅の方が大きく設定された流体導管を備えた低温捕捉器を用いて凝縮ガスを捕捉する方法であって、
流体通路と直交して中央の開口を取り囲む外側リムを有する前記流体導管の内部のクライオポンプアレイを設けて、流体通路が前記中央の開口を通って貫通して延ばし、前記クライオポンプアレイの軸方向の厚さよりも、クライオポンプアレイの直交方向の幅及び直交方向のリム幅の方を大きく設定し、前記クライオポンプアレイの内径と外径との比が０．６〜０．８になるようにして、
凝縮ガスを流体通路から前記クライオポンプアレイの外側リムの上に捕捉する凝縮ガスの捕捉方法。
【請求項１３】
請求項１２において、さらに、前記クライオポンプアレイから前記流体導管を横切って前記流体通路にまで延びる熱伝導性ストラットを用いて、前記クライオポンプアレイを前記クライオゼニック冷却源に高熱伝導性を保って接続することにより、前記クライオポンプアレイをクライオゼニック温度にまで冷却する捕捉方法。
【請求項１４】
請求項１２において、さらに、前記低温捕捉器を処理チャンバに接続する捕捉方法。
【請求項１５】
請求項１４において、さらに、前記低温捕捉器に真空ポンプを接続し、この真空ポンプを用いて前記処理チャンバから前記流体通路を通ってガスを排出する捕捉方法。
【請求項１６】
請求項１において、凝縮ガスが水蒸気を含む低温捕捉器。
【請求項１７】
請求項９において、凝縮ガスが水蒸気を含む低温捕捉器。
【請求項１８】
請求１２において、前記クライオポンプアレイが平坦な環状の部材である凝縮ガスの捕捉方法。
【請求項１９】
請求項１２において、凝縮ガスが水蒸気を含む凝縮ガスの捕捉方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、寸法を小さくしたインライン型クライオゼニック水ポンプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】
ターボ分子真空ポンプのような真空ポンプは、製造設備で使用される真空処理チャンバとしてしばしば用いられる。このターボ分子ポンプは、処理チャンバから種々のガスを除去するのに効率的ではあるが、水蒸気を除去するのには効率的でない。その結果、水蒸気の排出能力を改善するために、複数の低温捕捉器がターボ分子ポンプと処理チャンバとの間にインライン型に設置される。そのように配置された低温捕捉器は、流体の通路に配置されたクライオポンプアレイ（クライオポンプ列）上に水蒸気を凝縮させることによって、処理チャンバから水蒸気を除去する。
【０００３】
通常、低温捕捉器は、処理チャンバとターボ分子ポンプとの間に装着される両端フランジ付きの流体導管を有している。クライオポンプアレイは、前記流体導管の内部に設けられて、クライオポンプ冷凍機によって冷却される。米国特許５，４８３，８０３号に記載の低温捕捉器は、薄肉の管状クライオポンプアレイを用いることによって、そこを通過する窒素及びアルゴンのような非凝縮ガスに対して最小の流れ抵抗を持つように設計されている。最も一般的な管状クライオポンプアレイは、直径が８インチで、長さが６インチである。このサイズの管状クライオポンプアレイを用いると、長さ約９インチの流体導管を有する低温捕捉器となってしまう。管状のクライオポンプアレイの表面に沿って水蒸気が凝縮する一方で、非凝縮ガスを、前記クライオポンプアレイの開いた中央部を通ってほぼ制約を受けることなく通過させる。
【０００４】
しかしながら、場合によっては、設置空間が限られていて、従来のインライン型低温捕捉器をターボ分子ポンプと処理チャンバとの間に装着する十分な空間がない場合がある。
本発明は、そのような場合に適したコンパクトな低温捕捉器を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の低温捕捉器は、流体通路を形成する流体導管を有している。流体導管は、流体の流れ方向に沿ってある長さを持ち、かつ流れ通路と直交する方向にある幅を持っている。流体導管の上記幅は、その長さよりも大きい。クライオポンプアレイは中央の開口を囲む外側リムを有しており、流体導管の内部に流体の流れ方向と直交するように配置されて、流体通路が前記アレイの中央開口を通って延びるように設定されている。前記外側リムが流体通路から水蒸気を捕捉する。前記アレイは、ある厚さと横幅とリム幅とを有している。前記横幅及びリム幅は前記厚さよりも大きい。
【０００６】
好ましい実施形態では、熱伝導性のストラット（支持材）が前記クライオポンプアレイから前記流体通路に直交する方向に流体導管を貫通し、前記アレイをクライオゼニック冷却源に熱伝導可能に接続して、前記アレイをクライオゼニック温度、つまり気体を凝縮して捕捉できる温度にまで冷却する。前記クライオポンプアレイは、シートメタル（金属の薄板）から形成されて、貫通した開口を有する平坦な環状の部材である。前記流体導管は、前記低温捕捉器を処理チャンバに連結するための上流側フランジと、前記低温捕捉器を真空ポンプに連結するための下流側フランジとを有している。前記真空ポンプは、好ましくはターボ分子ポンプであり、前記クライオゼニック冷却源は、好ましくはクライオゼニック冷凍機である。
【０００７】
本発明の低温捕捉器は、ターボ分子ポンプのような真空ポンプの水排出速度を増大させる一方で、流体通路の長さの増大を最小限にとどめ、同時に、非凝縮ガスがターボ分子ポンプに流れ込む際の抵抗を極力抑制する。これにより、以前は低温捕捉器を用いることが出来なかったような狭い空間にも、低温捕捉器を用いることが出来る。従来の低温捕捉器は、大きな表面積のアレイが必要であるとの考えに基づいて設計されていた。例えば、米国特許５，４８３，８０３号は、細長い導管の内部に設けた長い円筒体、または導管を越えて延びた平坦なシートを用いていた。これに対し、本発明は導管の内部に設けた平坦なシートを用いている。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の前記目的及び他の目的、構成及び効果は、添付の図面に示された好ましい実施形態の記述から明らかとなるであろう。図面において、同様な符号は同一部分を示す。
図１〜３において、本発明の低温捕捉器は水ポンプ１０として構成されている。水ポンプ１０は、上流側フランジ１１ａと下流側フランジ１１ｂを有するポンプ本体１０ａを備えている。流体導管２２（図２）は、ポンプ本体１０ａを通って延びる流体通路を有している。クライオゼニック冷凍機１６は、ポンプ本体１０ａの側部に装着されて、ポンプ本体１０ａから側方、つまり径方向に延びている。
【０００９】
図２に示すように、冷凍機１６は、低温フィンガー３０を有しており、このフィンガー３０が、中央に貫通した開口を有する平坦な、つまり平板状の環状クライオポンプアレイ２０に熱伝導性を保って連結されて、このアレイ２０をクライオゼニック温度、つまり気体を凝縮させる温度にまで冷却する。前記クライオポンプアレイ２０は流体導管２２の流れ方向中間部に位置しており、流体導管２２の周面に沿って延びて水蒸気をその上に凝縮させる。前記クライオポンプアレイ２０の主面は、流体導管２２の流れ通路に対して直交する方向に位置しており、前記アレイ２０の中の開口２４（図３）を通って流体通路が延びるようになっている。開口２４は大きなもので、流体導管の中心部に位置しており、これによって、流体導管を通るガスの流れに対してほとんど流れ抵抗を示さないようになっている。
【００１０】
ポンプ本体１０ａは、下流側フランジ１１ｂに設けられて流体導管２２と同心状に位置する多数のクランプ１８によって、図１に示すターボ分子真空ポンプ１２に装着されている。ポンプ本体１０ａの上流側フランジ１１ａは、処理チャンバ１４ａのフランジ１４に装着されている。こうして、処理チャンバ１４ａから水ポンプ１０を通ってターボ分子ポンプ１２に至るインライン型の流体通路が形成されている。
【００１１】
次に、上記構成の動作を説明する。
処理チャンバ１４ａを真空排気するために、冷凍機１６が駆動され、前記クライオポンプアレイ２０をクライオゼニック温度にまで冷却する。ターボ分子ポンプ１２が駆動され、ターボ分子ポンプ１２の回転するタービン翼が、ガスを処理チャンバ１４ａから水ポンプ１０を通して取り込みはじめる。非凝縮ガスは前記クライオポンプアレイ２０を通過する一方で、水蒸気は前記アレイ２０の表面に凝縮する。窒素及びアルゴンのような残留する非凝縮ガスは、ターボ分子ポンプ１２によって、このシステムから排出される。クライオポンプアレイ２０が凝縮した水蒸気によって飽和したとき、周期的に水ポンプ１０が再駆動されて、クライオポンプアレイ２０に捕捉された水蒸気を除去する。
【００１２】
クライオポンプアレイ２０は、「流体導管２２及びクライオポンプアレイ２０の中央開口２４を通るガスは、分子流れとなって流れる」という原理に従って作動する。分子流の中のガス分子はすべての方向にダンラムに移動するので、水ポンプ１０を通る水蒸気分子は、クライオポンプアレイ２０の上流側及び下流側の主面の両方に、同一の確率で衝突する。クライオポンプアレイ２０は、水ポンプ１０を通過する水蒸気の約９０％を捕捉する能力を持つ。例えば、もし４インチのターボ分子ポンプ１２を水ポンプ１０無しで使用した場合、水排気速度は、１０-5torrの圧力で毎秒約２５０リッターに過ぎない。ターボ分子ポンプ１２に水ポンプ１０を付加することにより、水排気速度が１０-5torrの圧力で毎秒１３００リットルにまで向上する。
【００１３】
次に、水ポンプ１０をより詳しく説明する。
冷凍機１６は、一般的な１段のギフォード・マクマーホン（Gifford-MacMahon）冷凍機を使用するのが好ましい。低温フィンガー３０の内部でディスプレーサがモータ駆動機構によって駆動されて、その中の冷媒を膨張させて低温フィンガー３０を冷却する。冷媒は、通常、高圧ヘリウムガスである。高圧の冷媒ガスは、図１の供給口３２から冷凍機１６に供給され、排出口３４から排出される。
【００１４】
冷凍機１６の低温フィンガー３０は、図２に示す熱伝導性のストラット（支持材）２８に、高熱伝導性が保たれるように接続されている。このストラット２８は、ポンプ本体１０ａの側部に設けた開口１３を通って、流体導管２２の内部に延びている。開口１３の内面は、ストラット２８から離れており、これによって両者間の熱的な短絡を防止している。ストラット２８は、前記アレイ２０に高熱伝導性が保たれるように連結されており、孔２６に通したボルトによってアレイ２０に固定されている。ストラット２８は、好ましくは、銅のような高熱伝導性のシートメタルから形成され、約０．２５インチの厚さに設定されている。ストラット２８は、低温フィンガー３０に直接ボルト止めするか、又は、取り付けスリーブを介して低温フィンガー３０に取り付けることもできる。
【００１５】
前記クライオポンプアレイ２０は、ストラット２８によって流体導管２２の内部に保持されており、前記アレイ２０の主面が流体導管の流体通路に対して直交している。クライオポンプアレイ２０の外周面は、好ましくは、流体導管の内周面から０．１２５〜０．２５インチ離れて、流体導管２２との間で熱的な短絡を防止する。クライオポンプアレイ２０は、大きな中心開口２４を有することによって、貫通して開口したタイプとなっており、クライオポンプアレイ２０を通って流れるガスに対してほとんど抵抗を示さないので、ターボ分子ポンプ１２の排気速度はほとんど悪影響を受けない。クライオポンプアレイ２０の開口２４は、アレイ２０の外縁を形成する外径面と同心状に設けられて、この開口２４を通るガスの流量を最大にする。前記外縁と一定の幅Ｗ（図３）をもって、クライオポンプアレイ２０の外側リム２０ａが形成されている。水を排出するために、冷凍機１６は前記アレイ２０を、９０ｋから１３０ｋの温度範囲、最も好ましくは１０７ｋの温度にまで冷却するのが好ましい。
【００１６】
クライオポンプアレイ２０は、好ましくは、銅のような高熱伝導性の金属のシートから形成され、０．０８３インチから０．２５インチまでの厚さｔ（図２）を有する。前記アレイは、薄く形成するのが好ましい。その理由は、薄いアレイの方が、厚いアレイよりも早く冷却され、かつ、ガスとの間に大きな熱伝導率を有するからである。アレイ２０の厚さｔは、好ましくは０．２５インチ程度であるが、適切な温度勾配を与える必要がある場合には、０．２５インチを越える厚さｔとしてもよい。開口２４は、好ましくは円形であるが、多角形としてもよい。さらに、アレイ２０は傾斜した、又は波うった表面を有していてもよい。しかしながら、クライオポンプアレイ２０を平坦なものとして、水ポンプ１０を通る流体導管２２の長さが最小になるようにするのが最も好ましい。
【００１７】
前記アレイ２０の外径（横断方向の幅、つまり横幅）ＴＷは、流体導管２２の内径に依存しており、１０インチから数インチまで、さまざまな大きさを取ることが出来る。クライオポンプアレイ２０の開口２４の直径は、さまざまな大きさに変更して、広いリム幅Ｗ（図３）又は狭いリム幅Ｗを取ることが出来る。広いリム幅Ｗにすると、水の排気速度が大きくなり、ガスとの熱伝導率が低くなる。これとは逆に、狭いリム幅Ｗにすると、水排気速度は遅くなるが、ガスとの熱伝導率が高くなる。いずれの場合でも、アレイ２０の内径及びリム幅Ｗの両方ともが、厚さｔよりも大きいのが好ましい。
【００１８】
クライオポンプアレイ２０は、内径（ＩＤ）と外径（ＯＤ）との比が約０．６〜０．８であるのが好ましい。図４及び図５からわかるように、前記比率にすると、水排出速度が最大値の６０％〜９０％の範囲となり、他方、空気速度は１０％〜２０％低下するのみである。一般に、水蒸気は真空システムから除去するのが困難であるのに対し、空気は容易に除去できる。一例では、クライオポンプアレイ２０の外径が７．６３インチで内径が５．４３インチである。これは、ＩＤとＯＤの比が０．７となり、水蒸気を８０％捕捉し、ターボ分子ポンプ１２の性能を１５％低下させるだけで済む。
【００１９】
水ポンプ１０が小型化する結果、径と長さの比が８．１の流体導管２２を持つポンプ１０が得られる。例えば、内径ＩＤが８インチの流体導管２２は、上流側フランジ１１ａから下流側フランジ１１ｂまで、流体通路に沿って約１インチの長さとなる。こうして、ターボ分子ポンプ１２の水排出能力が大きく改善され、かつ処理チャンバ１４ａとターボ分子ポンプ１２との間の流体通路の長さの増大を極力抑制することが出来る。
【００２０】
均等物
以上のとおり、図面を参照しながら好適な実施例を説明したが、当業者であれば、本件明細書を見て、特許請求の範囲に記載の発明の思想から逸脱しない範囲内で、種々の変更および修正を容易に想定するであろう。また、当業者であれば、日常的な実験程度で、本発明の実施形態と均等な技術を認識できるであろう。本出願は、そのような均等技術も本願の特許請求の範囲に含むことを意図している。例えば、水ポンプ１０、アレイ２０及びストラット２８の寸法は、適用対象に応じて変えることができる。また、もしも流体導管２２が円形でない断面形を有する場合、クライオポンプアレイ２０の外周面も、流体導管２２の断面形状に合わせた形状とすることができる。さらに、クライオポンプアレイ２０は冷凍機１６に直接取り付けることもできる。ターボ分子ポンプを水ポンプ１０と組み合わせて使用するのが好ましいが、水ポンプ１０は、拡散ポンプのような他のタイプの真空ポンプと組み合わせることもできる。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明によれば、流体通路に沿った長さの短いコンパクトなインライン型クライオゼニック水ポンプが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】真空ポンプに連結されて処理チャンバのフランジの上部に配置された本発明の水ポンプを示す斜視図である。
【図２】本発明の水ポンプの拡大した斜視図である。
【図３】本発明の水ポンプに使用された好ましいクライオポンプアレイを示す平面図である。
【図４】クライオポンプアレイの水排出速度を百分率で、ＩＤ／ＯＤ比（内外径比）の関数として示す特性図である。
【図５】クライオポンプアレイの空気排出速度の損失を百分率で、ＩＤ／ＯＤ比の関数として示す特性図である。
【符号の説明】
１０…低温捕捉器（水ポンプ）、１１ａ，１１ｂ…フランジ、１２…ターボ分子ポンプ、１４…処理チャンバ、１６…冷凍機、２０…クライオポンプアレイ、２０ａ…外側リム、２２…流体導管、２４…開口
【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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