(57)【要約】  クライオポンプ（１０）は、気体の凝縮層の収容スペース（６５）を有し、収容スペース（６５）を囲むように配置された第１段クライオパネル内面を有する第１段クライオパネル（１８）と、収容スペース（６５）とともに第１段クライオパネル内面に囲まれて配置された第２段クライオパネル（２０）とを備える。吸気口（１２）を通じてクライオポンプ（１０）の外から第１段クライオパネル内面に第１段熱負荷が入射し、クライオポンプ（１０）の外から収容スペース（６５）に気体が進入する。第１段クライオパネル（１８）は気体の凝縮温度より高い温度に冷却され、第２段クライオパネル（２０）は気体の凝縮温度以下の温度に冷却され気体の凝縮層が堆積する。クライオポンプ（１０）は、第１段熱負荷の変化に基づいて収容スペース（６５）内の凝縮気体量を監視する。
2020049915.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体の凝縮層の収容スペースを有するクライオポンプであって、
前記気体の凝縮温度より高い温度に冷却される第１段クライオパネルであって、前記収容スペースを囲むように配置された第１段クライオパネル内面を有する第１段クライオパネルと、
前記気体の凝縮温度以下の温度に冷却され、前記気体の凝縮層が堆積する第２段クライオパネルであって、前記収容スペースとともに前記第１段クライオパネル内面に囲まれて配置された第２段クライオパネルと、
前記クライオポンプの外から前記第１段クライオパネル内面に入射する第１段熱負荷、および、前記クライオポンプの外から前記収容スペースに進入する前記気体の通過を許容するクライオポンプ吸気口と、
前記第１段熱負荷の変化に基づいて前記収容スペース内の凝縮気体量を監視する第２段クライオパネル監視部と、を備えることを特徴とするクライオポンプ。
【請求項２】
前記第２段クライオパネル監視部は、前記第１段熱負荷が減少した場合に前記凝縮気体量が増加したと判定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３】
前記第１段クライオパネルに熱的に結合された第１冷却ステージと、前記第２段クライオパネルに熱的に結合された第２冷却ステージとを備える冷凍機と、
前記第１段クライオパネルを第１段目標温度に冷却すべく前記冷凍機の運転周波数を制御する第１段温度制御部と、をさらに備え、
前記第２段クライオパネル監視部は、前記冷凍機の運転周波数をしきい値と比較し、前記冷凍機の運転周波数が前記しきい値を下回る場合に前記凝縮気体量が基準値を超えたと判定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】
前記第２段クライオパネル監視部は、前記クライオポンプ吸気口に前記クライオポンプの外から入射する輻射熱が既定値となるタイミングで前記冷凍機の運転周波数を取得し、取得した前記冷凍機の運転周波数を前記しきい値と比較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。
【請求項５】
前記クライオポンプ吸気口を閉鎖するゲートバルブが設けられており、
前記タイミングは、前記ゲートバルブの閉鎖中に設定されることを特徴とする請求項４に記載のクライオポンプ。
【請求項６】
前記凝縮気体量の複数の値それぞれを前記冷凍機の運転周波数の値に対応付けた凝縮気体量テーブルをさらに備え、
前記第２段クライオパネル監視部は、前記冷凍機の運転周波数と前記凝縮気体量テーブルから前記凝縮気体量の推測値を算出することを特徴とする請求項３から５のいずれかに記載のクライオポンプ。
【請求項７】
前記第１段クライオパネルに熱的に結合された第１冷却ステージと、前記第１冷却ステージを加熱するヒータと、前記第２段クライオパネルに熱的に結合された第２冷却ステージとを備える冷凍機と、
前記第１段クライオパネルを第１段目標温度に冷却すべく前記ヒータの出力を制御する第１段温度制御部と、をさらに備え、
前記第２段クライオパネル監視部は、前記ヒータの出力をしきい値と比較し、前記ヒータの出力が前記しきい値を上回る場合に前記凝縮気体量が基準値を超えたと判定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８】
前記第１段クライオパネルに熱的に結合された第１冷却ステージと、前記第２段クライオパネルに熱的に結合された第２冷却ステージとを備える冷凍機と、
前記第１段クライオパネルを第１段目標温度に冷却すべく前記冷凍機の運転パラメータを制御する第１段温度制御部と、をさらに備え、
前記第２段クライオパネル監視部は、前記冷凍機の運転パラメータを前記第１段温度制御部から取得し、前記冷凍機の運転パラメータをしきい値と比較することにより前記凝縮気体量が基準値を超えたか否かを判定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９】
前記第２段クライオパネル監視部は、前記クライオポンプ吸気口に前記クライオポンプの外から入射する輻射熱が既定値となるタイミングで前記冷凍機の運転パラメータを取得し、取得した前記冷凍機の運転パラメータを前記しきい値と比較することを特徴とする請求項８に記載のクライオポンプ。
【請求項１０】
前記凝縮気体量の複数の値それぞれを前記冷凍機の運転パラメータの値に対応付けた凝縮気体量テーブルをさらに備え、
前記第２段クライオパネル監視部は、前記冷凍機の運転パラメータと前記凝縮気体量テーブルから前記凝縮気体量の推測値を算出することを特徴とする請求項８または９に記載のクライオポンプ。
【請求項１１】
前記第１段クライオパネルは第１冷却温度に冷却され、前記第２段クライオパネルは前記第１冷却温度より低い第２冷却温度に冷却され、
前記気体は、前記第１冷却温度では凝縮せず、前記第２冷却温度で凝縮するタイプ２ガスであることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載のクライオポンプ。
【請求項１２】
クライオポンプの監視方法であって、
前記クライオポンプは、気体の凝縮層の収容スペースを囲むように配置された第１段クライオパネル内面を有する第１段クライオパネルと、前記収容スペースとともに前記第１段クライオパネル内面に囲まれて配置された第２段クライオパネルと、を備え、
前記方法は、
前記第１段クライオパネルを前記気体の凝縮温度より高い温度に冷却するとともに、前記第２段クライオパネルを前記気体の凝縮温度以下の温度に冷却することと、
前記クライオポンプの外からクライオポンプ吸気口を通じて前記収容スペースに進入する前記気体の凝縮層を前記第２段クライオパネルに堆積させることと、
前記クライオポンプの外から前記クライオポンプ吸気口を通じて前記第１段クライオパネル内面に入射する第１段熱負荷の変化に基づいて前記収容スペース内の凝縮気体量を監視することと、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、クライオポンプおよびクライオポンプの監視方法に関する。
【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。クライオポンプはいわゆる気体溜め込み式の真空ポンプであるから、捕捉した気体を外部に定期的に排出する再生を要する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−１１８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
クライオポンプにはたいてい、温度の異なる二種類のクライオパネルが設けられている。低温のクライオパネルはその表面に例えばアルゴンや窒素などの比較的蒸気圧の高い気体を凝縮するように例えば約２０Ｋ以下の冷却温度に冷却され、高温のクライオパネルはそうした気体が凝縮しないように例えば約８０Ｋ以上の冷却温度に冷却される。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気体の凝縮層が成長し、いずれは高温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気体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、接触の時点で低温クライオパネル上に存在する凝縮層が、クライオポンプに溜め込むことのできる気体の最大量（吸蔵限界または最大吸蔵量とも呼ばれる）を与えることになる。【０００５】
本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、クライオポンプに溜め込まれた気体の量が吸蔵限界に近づいていることをクライオポンプの使用中に予測するための技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のある態様によると、気体の凝縮層の収容スペースを有するクライオポンプが提供される。クライオポンプは、前記気体の凝縮温度より高い温度に冷却される第１段クライオパネルであって、前記収容スペースを囲むように配置された第１段クライオパネル内面を有する第１段クライオパネルと、前記気体の凝縮温度以下の温度に冷却され、前記気体の凝縮層が堆積する第２段クライオパネルであって、前記収容スペースとともに前記第１段クライオパネル内面に囲まれて配置された第２段クライオパネルと、前記クライオポンプの外から前記第１段クライオパネル内面に入射する第１段熱負荷、および、前記クライオポンプの外から前記収容スペースに進入する前記気体の通過を許容するクライオポンプ吸気口と、前記第１段熱負荷の変化に基づいて前記収容スペース内の凝縮気体量を監視する第２段クライオパネル監視部と、を備える。【０００７】
本発明のある態様によると、クライオポンプの監視方法が提供される。前記クライオポンプは、気体の凝縮層の収容スペースを囲むように配置された第１段クライオパネル内面を有する第１段クライオパネルと、前記収容スペースとともに前記第１段クライオパネル内面に囲まれて配置された第２段クライオパネルと、を備える。前記方法は、前記第１段クライオパネルを前記気体の凝縮温度より高い温度に冷却するとともに、前記第２段クライオパネルを前記気体の凝縮温度以下の温度に冷却することと、前記クライオポンプの外からクライオポンプ吸気口を通じて前記収容スペースに進入する前記気体の凝縮層を前記第２段クライオパネルに堆積させることと、前記クライオポンプの外から前記クライオポンプ吸気口を通じて前記第１段クライオパネル内面に入射する第１段熱負荷の変化に基づいて前記収容スペース内の凝縮気体量を監視することと、を備える。【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、クライオポンプに溜め込まれた気体の量が吸蔵限界に近づいていることをクライオポンプの使用中に予測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ある実施の形態に係るクライオポンプを概略的に示す図である。
【図２】図１に示されるクライオポンプに関する制御ブロック図である。
【図３】図３（ａ）および図３（ｂ）は、ある実施の形態に係るクライオポンプの監視方法を原理的に説明するための図である。
【図４】クライオポンプの真空排気運転中における冷凍機の運転周波数の変化を示す図である。
【図５】ある実施の形態に係るクライオポンプの監視方法を示すフローチャートである。
【図６】図５に示される監視工程を、より詳細に示すフローチャートである。
【図７】ある実施の形態に係るクライオポンプを概略的に示す図である。
【図８】ある実施の形態に係る凝縮気体量テーブルの一例を概略的に示す図である。
【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。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施の形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
【００１２】
図１は、ある実施の形態に係るクライオポンプ１０を概略的に示す図である。クライオポンプ１０は、例えばスパッタリング装置、蒸着装置、またはその他の真空プロセス装置の真空チャンバ９０に取り付けられて、真空チャンバ９０内部の真空度を所望の真空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、排気されるべき気体を真空チャンバから受け入れるためのクライオポンプ吸気口（以下、吸気口ともいう）１２を有する。吸気口１２を通じて気体がクライオポンプ１０の内部空間１４に進入する。
【００１３】
クライオポンプ１０は、図示の向き、すなわち吸気口１２を上方に向けた姿勢で真空チャンバに設置され使用されることが意図されていてもよい。ただし、クライオポンプ１０の姿勢はそれに限定されず、クライオポンプ１０は他の向きで真空チャンバに設置されてもよい。
【００１４】
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」、「径方向」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、吸気口１２の中心を通るクライオポンプ中心軸Ｃに沿う方向）を表し、径方向は吸気口１２に沿う方向（中心軸Ｃ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。径方向に関しては、吸気口１２の中心（図１において中心軸Ｃ）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。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。
【００１５】
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。
【００１６】
クライオポンプ１０は、冷凍機１６、第１段クライオパネル１８、第２段クライオパネル２０、及び、クライオポンプハウジング７０を備える。第１段クライオパネル１８は、高温クライオパネル部または１００Ｋ部とも称されうる。第２段クライオパネル２０は、低温クライオパネル部または１０Ｋ部とも称されうる。
【００１７】
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、二段式の冷凍機である。そのため、冷凍機１６は、第１冷却ステージ２２及び第２冷却ステージ２４を備える。冷凍機１６は、第１冷却ステージ２２を第１冷却温度に冷却し、第２冷却ステージ２４を第２冷却温度に冷却するよう構成されている。第２冷却温度は第１冷却温度よりも低温である。例えば、第１冷却ステージ２２は６５Ｋ〜１２０Ｋ程度、好ましくは８０Ｋ〜１００Ｋに冷却され、第２冷却ステージ２４は１０Ｋ〜２０Ｋ程度に冷却される。
【００１８】
また、冷凍機１６は、第２冷却ステージ２４を第１冷却ステージ２２に構造的に支持するとともに第１冷却ステージ２２を冷凍機１６の室温部２６に構造的に支持する冷凍機構造部２１を備える。そのため冷凍機構造部２１は、径方向に沿って同軸に延在する第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２６を第１冷却ステージ２２に接続する。第２シリンダ２５は、第１冷却ステージ２２を第２冷却ステージ２４に接続する。室温部２６、第１シリンダ２３、第１冷却ステージ２２、第２シリンダ２５、及び第２冷却ステージ２４は、この順に直線状に一列に並ぶ。
【００１９】
第１シリンダ２３及び第２シリンダ２５それぞれの内部には第１ディスプレーサ及び第２ディスプレーサ（図示せず）が往復動可能に配設されている。第１ディスプレーサ及び第２ディスプレーサにはそれぞれ第１蓄冷器及び第２蓄冷器（図示せず）が組み込まれている。また、室温部２６は、第１ディスプレーサ及び第２ディスプレーサを往復動させるための駆動機構（図１には図示しないが、例えば冷凍機モータ８０）を有する。駆動機構は、冷凍機１６の内部への作動気体（例えばヘリウム）の供給と排出を周期的に繰り返すよう作動気体の流路を切り替える流路切替機構を含む。
【００２０】
第１冷却ステージ２２は、冷凍機１６の第１段低温端に設置されている。第１冷却ステージ２２は、室温部２６と反対側で第１シリンダ２３の端部を外包し、作動気体の第１膨張空間を取り囲む部材である。第１膨張空間は、第１シリンダ２３の内部において第１シリンダ２３と第１ディスプレーサとの間に形成され、第１ディスプレーサの往復動に伴って容積が変化する可変容積である。第１冷却ステージ２２は、第１シリンダ２３よりも高い熱伝導率をもつ金属材料で形成されている。例えば、第１冷却ステージ２２は銅で形成され、第１シリンダ２３はステンレス鋼で形成される。
【００２１】
第２冷却ステージ２４は、冷凍機１６の第２段低温端に設置されている。第２冷却ステージ２４は、室温部２６と反対側で第２シリンダ２５の端部を外包し、作動気体の第２膨張空間を取り囲む部材である。第２膨張空間は、第２シリンダ２５の内部において第２シリンダ２５と第２ディスプレーサとの間に形成され、第２ディスプレーサの往復動に伴って容積が変化する可変容積である。第２冷却ステージ２４は、第２シリンダ２５よりも高い熱伝導率をもつ金属材料で形成されている。第２冷却ステージ２４は銅で形成され、第２シリンダ２５はステンレス鋼で形成される。
【００２２】
冷凍機１６は、作動気体の圧縮機（図示せず）に接続されている。冷凍機１６は、圧縮機により加圧された作動気体を内部で膨張させて第１冷却ステージ２２及び第２冷却ステージ２４を冷却する。膨張した作動気体は圧縮機に回収され再び加圧される。冷凍機１６は、作動気体の給排とこれに同期した第１ディスプレーサ及び第２ディスプレーサの往復動とを含む熱力学的サイクルを繰り返すことによって寒冷を発生させる。
【００２３】
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の中心軸Ｃ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。冷凍機１６の第１冷却ステージ２２及び第２冷却ステージ２４は、クライオポンプ中心軸Ｃに垂直な方向（図１において水平方向であり、冷凍機１６の中心軸Ｄの方向）に配列されている。
【００２４】
第１段クライオパネル１８は、放射シールド３０と入口クライオパネル３２とを備え、第２段クライオパネル２０を包囲する。第１段クライオパネル１８は、クライオポンプ１０の外部またはクライオポンプハウジング７０からの輻射熱から第２段クライオパネル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段クライオパネル１８は第１冷却ステージ２２に熱的に結合されている。よって第１段クライオパネル１８は第１冷却温度に冷却される。第１段クライオパネル１８は第２段クライオパネル２０との間に隙間を有しており、第１段クライオパネル１８は第２段クライオパネル２０と接触していない。放射シールド３０および入口クライオパネル３２は、例えば銅などの高熱伝導率の金属材料で形成され、例えばニッケルなどのめっき層またはその他の被覆層で被覆されていてもよい。
【００２５】
放射シールド３０は、クライオポンプハウジング７０の輻射熱から第２段クライオパネル２０を保護するために設けられている。放射シールド３０は、クライオポンプハウジング７０と第２段クライオパネル２０との間にあり、第２段クライオパネル２０を囲む。放射シールド３０は、クライオポンプ１０の外部から内部空間１４に気体を受け入れるためのシールド主開口３４を有する。シールド主開口３４は、吸気口１２に位置する。
【００２６】
放射シールド３０は、シールド主開口３４を定めるシールド前端３６と、シールド主開口３４と反対側に位置するシールド底部３８と、シールド前端３６をシールド底部３８に接続するシールド側部４０と、を備える。シールド前端３６は、シールド側部４０の一部をなす。シールド側部４０は、軸方向にシールド前端３６からシールド主開口３４と反対側へと延在し、周方向に第２冷却ステージ２４を包囲するよう延在する。放射シールド３０は、シールド底部３８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。シールド側部４０と第２段クライオパネル２０との間には、環状隙間４２が形成されている。
【００２７】
なお、シールド底部３８は、シールド側部４０とは別個の部材であってもよい。例えば、シールド底部３８は、シールド側部４０とほぼ同じ径をもつ平坦な円盤であってもよく、シールド主開口３４と反対側でシールド側部４０に取り付けられていてもよい。また、シールド底部３８は、その少なくとも一部が開放されていてもよい。例えば、放射シールド３０は、シールド底部３８によって閉塞されていなくてもよい。すなわち、シールド側部４０は、両端が開放されていてもよい。
【００２８】
シールド側部４０は、冷凍機構造部２１が挿入されるシールド側部開口４４を有する。シールド側部開口４４を通じて放射シールド３０の外から第２冷却ステージ２４及び第２シリンダ２５が放射シールド３０の中に挿入される。シールド側部開口４４は、シールド側部４０に形成された取付穴であり、例えば円形である。第１冷却ステージ２２は放射シールド３０の外に配置されている。
【００２９】
シールド側部４０は、冷凍機１６の取付座４６を備える。取付座４６は、第１冷却ステージ２２を放射シールド３０に取り付けるための平坦部分であり、放射シールド３０の外から見てわずかに窪んでいる。取付座４６は、シールド側部開口４４の外周を形成する。取付座４６は、軸方向においてはシールド前端３６よりもシールド底部３８に近い。第１冷却ステージ２２が取付座４６に取り付けられることによって、放射シールド３０が第１冷却ステージ２２に熱的に結合されている。
【００３０】
入口クライオパネル３２は、クライオポンプ１０の外部の熱源からの輻射熱から第２段クライオパネル２０を保護するためにシールド主開口３４に設けられている。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９０内の熱源である。入口クライオパネル３２は、輻射熱だけではなく気体分子の進入も制限することができる。入口クライオパネル３２は、シールド主開口３４を通じた気体流入を所望量に制限するようにシールド主開口３４の開口面積の一部を占有する。入口クライオパネル３２とシールド前端３６との間には、環状の開放領域４８が形成されている。
【００３１】
入口クライオパネル３２は、適宜の取付部材によってシールド前端３６に取り付けられ、放射シールド３０に熱的に結合されている。入口クライオパネル３２は、放射シールド３０を介して第１冷却ステージ２２に熱的に結合されている。入口クライオパネル３２は、例えば、複数の環状または直線状の羽板を有する。あるいは、入口クライオパネル３２は、一枚の板状部材であってもよい。
【００３２】
第２段クライオパネル２０は、第２冷却ステージ２４を囲むようにして第２冷却ステージ２４に取り付けられている。よって、第２段クライオパネル２０は、第２冷却ステージ２４に熱的に結合されており、第２段クライオパネル２０は第２冷却温度に冷却される。第２段クライオパネル２０は、第２冷却ステージ２４とともにシールド側部４０に包囲されている。
【００３３】
第２段クライオパネル２０は、シールド主開口３４に対面するトップクライオパネル６０と、トップクライオパネル６０とシールド底部３８との間に配置されたクライオパネル部材６２と、クライオパネル取付部材６４と、を備える。クライオパネル部材６２は、クライオポンプ中心軸Ｃを挟んで第２冷却ステージ２４の両側に配置されている。クライオパネル部材６２は、クライオポンプ中心軸Ｃに垂直な平面に沿って配置されている。トップクライオパネル６０およびクライオパネル部材６２は、クライオパネル取付部材６４を介して第２冷却ステージ２４に取り付けられている。
【００３４】
トップクライオパネル６０及びクライオパネル部材６２とシールド側部４０との間には環状隙間４２が形成されているので、トップクライオパネル６０及びクライオパネル部材６２は両方とも放射シールド３０に接触していない。クライオパネル部材６２は、トップクライオパネル６０によって覆われている。
【００３５】
トップクライオパネル６０は、第２段クライオパネル２０のうち入口クライオパネル３２に最も近接する部分である。トップクライオパネル６０は、軸方向においてシールド主開口３４または入口クライオパネル３２と冷凍機１６との間に配置されている。トップクライオパネル６０は、軸方向においてクライオポンプ１０の内部空間１４の中心部に位置する。そのため、トップクライオパネル６０の前面と入口クライオパネル３２との間に凝縮層の収容スペース６５が広く形成されている。凝縮層の収容スペース６５は、内部空間１４の上半分を占めている。収容スペース６５の軸方向高さは、放射シールド３０の軸長の１／３〜２／３の範囲にあってもよい。
【００３６】
トップクライオパネル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。つまりトップクライオパネル６０は、径方向及び周方向に延在する。トップクライオパネル６０は、入口クライオパネル３２より大きい寸法（例えば投影面積）を有する円板状パネルである。ただし、トップクライオパネル６０と入口クライオパネル３２の寸法の関係はこれに限定されず、トップクライオパネル６０のほうが小さくてもよいし、両者がほぼ同じ寸法を有してもよい。
【００３７】
トップクライオパネル６０は、冷凍機構造部２１との間に隙間領域６６を形成するよう配置されている。隙間領域６６は、トップクライオパネル６０の裏面と第２シリンダ２５との間で軸方向に形成された空所である。トップクライオパネル６０およびクライオパネル部材６２は、例えば銅などの高熱伝導率の金属材料で形成され、例えばニッケルなどのめっき層で被覆されていてもよい。
【００３８】
クライオパネル部材６２には活性炭等の吸着材７４が設けられている。吸着材７４は例えばクライオパネル部材６２の裏面に接着されている。クライオパネル部材６２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。クライオパネル部材６２の前面に吸着材７４が設けられていてもよい。同様に、トップクライオパネル６０は、その前面及び／または裏面に吸着材７４を有してもよい。あるいは、トップクライオパネル６０は、吸着材７４を備えなくてもよい。
【００３９】
クライオポンプ１０は、シールド主開口３４から流入する気体の流れを冷凍機構造部２１から偏向させるよう構成されている気体流れ調整部材５０を備える。気体流れ調整部材５０は、入口クライオパネル３２または開放領域４８を通じて収容スペース６５に流入する気体流れを第２シリンダ２５から偏向させるよう構成されている。気体流れ調整部材５０は、冷凍機構造部２１または第２シリンダ２５の上方でそれに隣接して配置された気体流れ偏向部材または気体流れ反射部材であってもよい。気体流れ調整部材５０は、周方向においてシールド側部開口４４と同じ位置に局所的に設けられている。気体流れ調整部材５０は、上から見て矩形状である。気体流れ調整部材５０は、例えば一枚の平坦プレートであるが、湾曲していてもよい。
【００４０】
気体流れ調整部材５０は、シールド側部４０から延出し、隙間領域６６に挿入されている。ただし、気体流れ調整部材５０は、トップクライオパネル６０、第２シリンダ２５、およびそのほか隙間領域６６を囲む第２冷却温度の部位には接触していない。気体流れ調整部材５０は、放射シールド３０を介して第１冷却ステージ２２に熱的に結合されている。したがって、気体流れ調整部材５０は、第１冷却温度に冷却される。
【００４１】
クライオポンプハウジング７０は、第１段クライオパネル１８、第２段クライオパネル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。クライオポンプハウジング７０は、第１段クライオパネル１８及び冷凍機構造部２１を非接触に包含する。クライオポンプハウジング７０は、冷凍機１６の室温部２６に取り付けられている。
【００４２】
クライオポンプハウジング７０の前端によって、吸気口１２が画定されている。クライオポンプハウジング７０は、その前端から径方向外側に向けて延びている吸気口フランジ７２を備える。吸気口フランジ７２は、クライオポンプハウジング７０の全周にわたって設けられている。クライオポンプ１０は、吸気口フランジ７２を用いて真空チャンバ９０に取り付けられる。
【００４３】
クライオポンプハウジング７０は、放射シールド３０と非接触に放射シールド３０を囲むクライオパネル収容部７６と、冷凍機１６の第１シリンダ２３を囲む冷凍機収容部７７とを備える。クライオパネル収容部７６と冷凍機収容部７７は一体的に形成されている。
【００４４】
クライオパネル収容部７６は、一端に吸気口フランジ７２が形成され、他端がハウジング底面７０ａとして閉塞された円筒状またはドーム状の形状を有する。吸気口フランジ７２をハウジング底面７０ａに接続するクライオパネル収容部７６の側壁には、吸気口１２とは別に、冷凍機１６を挿通する開口が形成されている。冷凍機収容部７７はこの開口から冷凍機１６の室温部２６へと延びる円筒状の形状を有する。冷凍機収容部７７は、クライオパネル収容部７６を冷凍機１６の室温部２６に接続する。
【００４５】
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９０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冷却ステージ２２及び第２冷却ステージ２４がそれぞれ第１冷却温度及び第２冷却温度に冷却される。よって、これらに熱的に結合されている第１段クライオパネル１８、第２段クライオパネル２０もそれぞれ第１冷却温度及び第２冷却温度に冷却される。
【００４６】
入口クライオパネル３２は、真空チャンバ９０からクライオポンプ１０に向かって飛来する気体を冷却する。入口クライオパネル３２の表面には、第１冷却温度で蒸気圧が充分に低い（例えば１０−８Ｐａ以下の）気体が凝縮する。この気体は、第１種気体（タイプ１ガスとも言われる）と称されてもよい。第１種気体は例えば水蒸気である。こうして、入口クライオパネル３２は、第１種気体を排気することができる。第１冷却温度で蒸気圧が充分に低くない気体の一部は、入口クライオパネル３２または開放領域４８を通過して、収容スペース６５へと進入する。あるいは、気体の他の一部は、入口クライオパネル３２で反射され、収容スペース６５に進入しない。
【００４７】
収容スペース６５に進入した気体は、第２段クライオパネル２０によって冷却される。第２段クライオパネル２０の表面には、第２冷却温度で蒸気圧が充分に低い（例えば１０−８Ｐａ以下の）気体が凝縮する。この気体は、第２種気体（タイプ２ガスとも言われる）と称されてもよい。なお第２種気体は、第１冷却温度では凝縮せず気体である。第２種気体は例えばアルゴン、窒素、酸素である。こうして、第２段クライオパネル２０は、第２種気体を排気することができる。収容スペース６５に直接面しているので、トップクライオパネル６０の前面には、第２種気体の凝縮層が大きく成長しうる。クライオポンプ１０は収容スペース６５が広いので、多量の第２種気体を溜め込むことができる。
【００４８】
第２冷却温度で蒸気圧が充分に低くない気体は、第２段クライオパネル２０の吸着材７４に吸着される。この気体は、第３種気体（タイプ３ガスとも言われる）と称されてもよい。第３種気体は例えば水素である。こうして、第２段クライオパネル２０は、第３種気体を排気することができる。したがって、クライオポンプ１０は、種々の気体を凝縮または吸着により排気し、真空チャンバ９０の真空度を所望のレベルに到達させることができる。
【００４９】
排気運転が継続されることによりクライオポンプ１０には気体が蓄積されていく。蓄積した気体を外部に排出するために、クライオポンプ１０の再生が行われる。再生が完了すれば、再び排気運転を始めることができる。
【００５０】
このようにして、クライオポンプ１０は、気体（例えば第２種気体）の凝縮層の収容スペース６５を有するように構成されている。第１段クライオパネル１８は、収容スペース６５を囲むように配置され、第２種気体の凝縮温度より高い温度に冷却される。第２段クライオパネル２０は、収容スペース６５とともに第１段クライオパネル内面（例えば、シールド側部４０の内面）に囲まれて配置され、第２種気体の凝縮温度以下の温度に冷却される。第２段クライオパネル２０（例えば、トップクライオパネル６０）には、第２種気体の凝縮層が堆積する。吸気口１２は、クライオポンプ１０の外（すなわち真空チャンバ９０）から第１段クライオパネル内面に入射する第１段熱負荷（例えば輻射熱）、および、クライオポンプ１０の外から収容スペース６５に進入する気体の通過を許容する。
【００５１】
また、ゲートバルブ９２がクライオポンプ１０と真空チャンバ９０との間に設置されている。ゲートバルブ９２は、吸気口１２に隣接して配置されている。吸気口フランジ７２がゲートバルブ９２の片側に取り付けられ、真空チャンバ９０の開口部がゲートバルブ９２の反対側に取り付けられている。ゲートバルブ９２が開いているときは、真空チャンバ９０から吸気口１２を通じて収容スペース６５へと第１段熱負荷および第２種気体が進入できる。ゲートバルブ９２が閉じているときは、吸気口１２が閉鎖される。よって、第１段熱負荷および第２種気体は収容スペース６５に進入しない。ゲートバルブ９２は、クライオポンプ１０の製造業者とは別の供給業者から提供されてもよいし、あるいは、クライオポンプ１０の製造業者によってクライオポンプ１０とともに提供されてもよい。
【００５２】
また、ゲートバルブ９２を制御するゲートバルブコントローラ９４が設けられていてもよい。ゲートバルブコントローラ９４は、ゲートバルブ９２の開閉を制御するように構成されている。ゲートバルブコントローラ９４は、真空チャンバ９０を有する真空プロセス装置の制御装置の一部を構成してもよい。ゲートバルブコントローラ９４は、クライオポンプ１０を制御するクライオポンプコントローラ（以下ではＣＰコントローラとも称する）１００と通信可能に接続されていてもよい。ゲートバルブコントローラ９４は、ゲートバルブ９２の開閉状態を表す信号（例えば、ゲートバルブ９２が閉じていることを表すゲートバルブ閉鎖信号Ｇ）をＣＰコントローラ１００に出力するように構成されていてもよい。なお、ゲートバルブコントローラ９４は、クライオポンプ１０を制御するクライオポンプコントローラ（以下ではＣＰコントローラとも称する）１００の一部を構成してもよいし、あるいは、単体で設けられていてもよい。
【００５３】
図２は、図１に示されるクライオポンプ１０に関する制御ブロック図である。
【００５４】
こうしたクライオポンプ１０の制御構成は、ハードウェア構成としてはコンピュータのＣＰＵやメモリをはじめとする素子や回路で実現され、ソフトウェア構成としてはコンピュータプログラム等によって実現されるが、図２では適宜、それらの連携によって実現される機能ブロックとして描いている。これらの機能ブロックはハードウェア、ソフトウェアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、当業者には理解されるところである。
【００５５】
クライオポンプ１０は、ＣＰコントローラ１００を備える。ＣＰコントローラ１００は、各種演算処理を実行するＣＰＵ、各種制御プログラムを格納するＲＯＭ、データ格納やプログラム実行のためのワークエリアとして利用されるＲＡＭ、入出力インターフェース、メモリ等を備える。また、ＣＰコントローラ１００は、クライオポンプ１０が取り付けられる真空プロセス装置を制御するための上位のコントローラ（図示せず）とも通信可能に構成されている。
【００５６】
冷凍機１６は、冷凍機１６の熱力学的サイクルを駆動する駆動源としての冷凍機モータ８０と、外部電源例えば商用電源から供給される規定の電圧及び周波数の電力を調整し冷凍機モータ８０に供給する冷凍機インバータ８２とを備える。冷凍機インバータ８２は、ＣＰコントローラ１００により制御される冷凍機１６の運転周波数に従って、外部電源からの入力電力を変換して冷凍機モータ８０に出力する。こうして冷凍機モータ８０は、ＣＰコントローラ１００によって決定され冷凍機インバータ８２から出力された運転周波数で駆動される。冷凍機モータ８０及び冷凍機インバータ８２は、図１に示される室温部２６に搭載されていてもよい。
【００５７】
冷凍機１６の運転周波数（運転速度ともいう）とは、冷凍機モータ８０の運転周波数または回転数、冷凍機インバータ８２の運転周波数、冷凍機１６の熱力学的サイクル（例えばＧＭサイクルなどの冷凍サイクル）の周波数、または、これらのいずれかを表す。熱力学的サイクルの周波数とは、冷凍機１６において行われる熱力学的サイクルの単位時間あたりの回数である。
【００５８】
また、冷凍機１６は、クライオパネル温度センサ８４を備える。クライオパネル温度センサ８４は、第１冷却ステージ２２に装着され、第１段クライオパネル１８の温度を測定する。クライオパネル温度センサ８４は、第１段クライオパネル１８に装着されていてもよい。クライオパネル温度センサ８４は、第１段クライオパネル１８の温度を周期的に測定し、測定温度値を示す信号をＣＰコントローラ１００に出力するように、ＣＰコントローラ１００と通信可能に接続されている。
【００５９】
ＣＰコントローラ１００は、第１段クライオパネル１８を第１段目標温度に冷却すべく冷凍機１６の運転周波数を制御する第１段温度制御部１０２を備える。第１段温度制御部１０２は、第１段目標温度と第１段クライオパネル１８の測定温度との偏差の関数として（例えばＰＩＤ制御により）冷凍機１６の運転周波数を決定するよう構成されている。
【００６０】
第１段クライオパネル１８への熱負荷が増加したとき第１段クライオパネル１８の温度が高まりうる。クライオパネル温度センサ８４の測定温度が第１段目標温度よりも高温である場合には、第１段温度制御部１０２は、冷凍機１６の運転周波数を増加させる。その結果、冷凍機１６における熱力学的サイクルの周波数も増加され（すなわち冷凍機１６の冷凍能力は高まり）、第１段クライオパネル１８は第１段目標温度に向けて冷却される。逆にクライオパネル温度センサ８４の測定温度が目標温度よりも低温である場合には、冷凍機１６の運転周波数は減少され冷凍能力は低下し、第１段クライオパネル１８は第１段目標温度に向けて昇温される。こうして、第１段クライオパネル１８の温度を第１段目標温度の近傍の温度範囲に留めることができる。第１段熱負荷に応じて冷凍機１６の運転周波数を適切に調整することができるので、こうした制御はクライオポンプ１０の消費電力の低減に役立つ。
【００６１】
また、ＣＰコントローラ１００は、第１段熱負荷の変化に基づいて収容スペース６５内の凝縮気体量を監視する第２段クライオパネル監視部１０４を備える。第２段クライオパネル監視部１０４は、ゲートバルブ９２の開閉状態を表す信号（例えば、ゲートバルブ閉鎖信号Ｇ）ゲートバルブコントローラ９４から受信するように構成されていてもよい。第２段クライオパネル監視部１０４の詳細は後述する。
【００６２】
図３（ａ）および図３（ｂ）は、ある実施の形態に係るクライオポンプ１０の監視方法を原理的に説明するための図である。図３（ａ）は、第２種気体の凝縮層が無い初期の状況を示し、図３（ｂ）は、クライオポンプ１０の真空排気運転中に第２種気体の凝縮層６８がトップクライオパネル６０上に成長した状況を示す。凝縮層６８は、第２種気体などの気体の氷または霜である。輻射熱８６ａ、８６ｂと第２種気体の気体分子８８がクライオポンプ１０の外から吸気口１２の開放領域４８を通じて収容スペース６５へと進入する。輻射熱８６ａ、８６ｂと第２種気体の気体分子８８は、真空チャンバ９０からクライオポンプ１０へと直線経路に沿って進入する。進入角度は真空チャンバ９０内の熱源および気体入口の位置を含む真空チャンバ９０の設計に応じて定まりうる。便宜上、輻射熱８６ａ、８６ｂの例示的な入射経路を実線矢印で図示し、第２種気体の気体分子８８の例示的な入射経路を破線矢印で図示する。
【００６３】
図３（ａ）に示されるように、一部の輻射熱８６ａは、第１段クライオパネル内面たとえば放射シールド３０の内面に入射し、第１段熱負荷となる。図においては輻射熱８６ａはシールド側部４０の内周面に入射しているが、輻射熱８６ａの入射角度に依存して、輻射熱８６ａは、シールド前端３６の内周面またはシールド底部３８の上面にも入射しうる。他の一部の輻射熱８６ｂは、第２段クライオパネル２０たとえばトップクライオパネル６０の上面に入射し、第２段熱負荷となる。上述のように、第１段熱負荷は冷凍機１６の第１冷却ステージ２２によって除去され、第２段熱負荷は冷凍機１６の第２冷却ステージ２４によって除去される。
【００６４】
第２種気体は第２段クライオパネル２０によって冷却され凝縮されるから、第２種気体の気体分子８８は、図３（ｂ）に示されるように、第２種気体の凝縮層６８としてトップクライオパネル６０上に堆積する。凝縮層６８はクライオパネル部材６２上にも堆積しうるが、ここでは図示しない。吸気口１２の中心部には入口クライオパネル３２が配置され、その周囲に開放領域４８が形成されているので、凝縮層６８の成長速度およびその結果生じる凝縮層６８の厚さ（軸方向高さ）は、外縁部で大きく中心部で小さくなる。そのため、凝縮層６８は、図示されるように、開放領域４８の下方で盛り上がり、入口クライオパネル３２の下方に凹みを有する形状となる。
【００６５】
凝縮層６８がさらに成長すると、最終的には凝縮層６８は第１段クライオパネル１８のいずれかの部位（例えば、シールド前端３６、シールド側部４０、及び／または入口クライオパネル３２）に接触する。第１段クライオパネル１８の冷却温度は第２種気体の凝縮温度より高く、第１段クライオパネル１８は第２種気体を凝縮し得ないので、凝縮層６８は第１段クライオパネル１８との接触部位で再気化される。凝縮層６８としてクライオポンプ１０に溜め込まれていた第２種気体が再放出されることとなり、これ以降、クライオポンプ１０は第２種気体の排気機能を提供することができない。すなわち、クライオポンプ１０は、第１段クライオパネル１８と凝縮層６８の接触の時点で、吸蔵限界を迎える。
【００６６】
仮に、クライオポンプハウジング７０にビューポートまたはその他ののぞき窓が設けられていれば、作業者は、凝縮層６８をクライオポンプ１０の外からのぞき窓を通じて目視することにより、吸蔵限界へとまもなく到達するか否かを予測しうる。しかしながら、一般に、既存のクライオポンプ１０は、そうしたのぞき窓を有しない。クライオポンプ１０の真空排気運転中に凝縮層６８を目視することはできない。別の手法として、真空チャンバ９０に導入された第２種気体の累積量から吸蔵限界への到達時期を知ろうとする試みがなされている。しかしながら、吸蔵限界は、第１段クライオパネル１８と凝縮層６８の物理的接触によるから、凝縮層６８の具体的な形状に依存する。そのため、真空チャンバ９０への第２種気体の累積導入量のみから吸蔵限界の到達時期を正確に予測するのは難しい。
【００６７】
そこで、本書では、クライオポンプ１０に溜め込まれた第２種気体の量が吸蔵限界に近づいていることをクライオポンプ１０の真空排気運転中にリアルタイムに予測するための新たな技術が提案される。実施の形態においては、第１段熱負荷の変化に基づいて収容スペース６５内の凝縮気体量が監視される。
【００６８】
このコンセプトは、吸気口１２を通じてクライオポンプ１０に入射する第１段熱負荷と第２段熱負荷の比率が凝縮層６８の体積及び／または形状に応じて変化することに基づく。凝縮層６８の体積及び／または形状が変化すると、第１段熱負荷と第２段熱負荷がそれぞれ変化し、冷凍機１６による第１段クライオパネル１８と第２段クライオパネル２０の冷却バランスが変わる。したがって、第１段熱負荷の変化を検知することにより、凝縮層６８の体積及び／または形状の変化を表す情報を取得することができる。
【００６９】
図３（ａ）を参照して上述したように、凝縮層６８が無い状況では、一部の輻射熱８６ａが第１段熱負荷となり、他の一部の輻射熱８６ｂが第２段熱負荷となっている。凝縮層６８が成長すると、図３（ｂ）に示されるように、輻射熱８６ａ、８６ｂはともに、凝縮層６８に入射しうる。凝縮層６８は、第１段クライオパネル内面に向かう輻射熱８６ａを遮蔽するいわば壁となる。凝縮層６８はトップクライオパネル６０上に堆積しているから、凝縮層６８に入射する輻射熱８６ａ、８６ｂは第２段熱負荷となる。このように、凝縮層６８の成長につれて凝縮層６８の軸方向高さが大きくなるほど、第１段熱負荷が減り第２段熱負荷が増える傾向がある。凝縮層６８に溜め込まれた第２種気体の量は第１段熱負荷（または第２段熱負荷）と相関すると言える。
【００７０】
したがって、第１段熱負荷が減少した場合には、収容スペース６５内の凝縮気体量が増加したと判定することができる。また、第１段熱負荷が増加した場合には（一般にクライオポンプ１０の真空排気運転中には凝縮気体量は徐々に増えていくから、そうした状況は起こりにくいが）、収容スペース６５内の凝縮気体量が減少したと判定することができる。このようにして、第１段熱負荷の変化に基づいて収容スペース６５内の凝縮気体量を監視することができる。
【００７１】
第１段熱負荷の変化は、冷凍機１６の少なくとも１つの運転パラメータの変化として検知されうる。第１段クライオパネル１８を第１段目標温度に冷却するように冷凍機１６の運転周波数が制御されるクライオポンプ１０においては、第１段熱負荷の変化は、冷凍機１６の運転周波数の変化として検知されうる。
【００７２】
図４は、クライオポンプ１０の真空排気運転中における冷凍機１６の運転周波数の変化を示す。図４において、縦軸は冷凍機１６の運転周波数［Ｈｚ］を表し、横軸は真空チャンバ９０に供給した第２種気体（アルゴンガス）の量［std L］を表し、これは図３（ｂ）に示される凝縮層６８に凝縮した第２種気体の量（吸蔵量ともいう）に相当する。
【００７３】
図４に示されるように、吸蔵量が増加するにつれて冷凍機１６の運転周波数は低下する傾向をとる。吸蔵量が増加し凝縮層６８が成長すると、上述のように、第１段熱負荷が減少する。第１段熱負荷が減少すれば、クライオパネル温度センサ８４によって測定される第１段クライオパネル１８の温度は低下しうる。しかしながら、第１段クライオパネル１８は第１段目標温度に温度制御されているから、実際には、冷凍機１６の運転周波数が減少され、冷凍機１６の冷凍能力が低下され、第１段クライオパネル１８は第１段目標温度に保持される。なお、図示されるのは、ある特定の設計を有するクライオポンプ１０についての本発明者による試験結果であるが、種々のクライオポンプ１０についても同様の傾向をとることが確認されている。
【００７４】
図４の縦軸には、第１しきい値Ｓ１および第２しきい値Ｓ２が示され、横軸には設計上の吸蔵限界の値ＶＬが示されている。第１しきい値Ｓ１は、クライオポンプ１０による第２種気体の吸蔵量が設計上の吸蔵限界の値ＶＬに到達するときに取りうる冷凍機１６の運転周波数に相当する。第２しきい値Ｓ２は、クライオポンプ１０による第２種気体の吸蔵量が許容吸蔵量ＶＡに到達するときに取りうる冷凍機１６の運転周波数に相当する。ここで、許容吸蔵量ＶＡは、設計上の吸蔵限界の値ＶＬから所定のマージンを控除した値である。マージンは、設計上の吸蔵限界の値ＶＬの例えば２０％以内、または１０％以内、または５％以内の大きさであってもよく、設計上の吸蔵限界の値ＶＬの例えば１％より大きくてもよい。第１しきい値Ｓ１および第２しきい値Ｓ２は、実験的にまたは経験的に適宜定めることができる。
【００７５】
したがって、クライオポンプ１０の真空排気運転中に冷凍機１６の運転周波数が第１しきい値Ｓ１または第２しきい値Ｓ２まで低下した場合には、第２種気体の吸蔵量が吸蔵限界に近づいているとみなすことができる。冷凍機１６の運転周波数は、第２種気体の吸蔵量、すなわち収容スペース６５内の凝縮気体量をリアルタイムに表す指標として利用できる。このように、冷凍機１６の運転周波数を監視することにより、第２種気体の吸蔵量が吸蔵限界に近づいていることをクライオポンプ１０の真空排気運転中にリアルタイムに予測することができる。
【００７６】
図５は、ある実施の形態に係るクライオポンプ１０の監視方法を示すフローチャートである。この方法は、冷却工程（Ｓ１０）と、堆積工程（Ｓ１２）と、監視工程（Ｓ１４）とを備える。
【００７７】
冷却工程（Ｓ１０）は、第１段クライオパネル１８を第２種気体の凝縮温度より高い温度に冷却するとともに、第２段クライオパネル２０を第２種気体の凝縮温度以下の温度に冷却することを含む。例えば、冷却工程（Ｓ１０）は、ＣＰコントローラ１００の第１段温度制御部１０２によって、第１段クライオパネル１８を第１段目標温度に冷却すべく冷凍機１６の運転周波数を制御することを含む。
【００７８】
堆積工程（Ｓ１２）は、図３（ｂ）に示されるように、クライオポンプ１０の外から吸気口１２を通じて収容スペース６５に進入する第２種気体の凝縮層６８を第２段クライオパネル２０に堆積させることを含む。
【００７９】
監視工程（Ｓ１４）は、クライオポンプ１０の外から吸気口１２を通じて第１段クライオパネル１８の内面に入射する第１段熱負荷の変化に基づいて収容スペース６５内の凝縮気体量を監視することを含む。上述のように、収容スペース６５内の凝縮気体量は主として、トップクライオパネル６０上に凝縮した凝縮層６８に捕捉された第２種気体の量に相当する。
【００８０】
例えば、監視工程（Ｓ１４）は、ＣＰコントローラ１００の第２段クライオパネル監視部１０４によって、第１段熱負荷が減少した場合（例えば冷凍機１６の運転周波数が低下した場合）に凝縮気体量が増加したと判定することを含む。また、第２段クライオパネル監視部１０４は、第１段熱負荷が増加した場合（例えば冷凍機１６の運転周波数が増加した場合）に凝縮気体量が減少したと判定してもよい。
【００８１】
図６は、図５に示される監視工程（Ｓ１４）を、より詳細に示すフローチャートである。まず、第２段クライオパネル監視部１０４は、第１段温度制御部１０２から冷凍機１６の運転周波数を取得する（Ｓ１６）。
【００８２】
冷凍機１６の運転周波数は、真空チャンバ９０から吸気口１２を通じたクライオポンプ１０への入熱量の変化に伴って変わりうる。真空チャンバ９０からの入熱量は例えば、真空チャンバ９０で行われる真空プロセスに依存しうる。このような真空チャンバ９０での熱的条件の変化は、冷凍機１６の運転周波数に基づいて凝縮気体量を見積もるうえで誤差をもたらしうる。そこで、第２段クライオパネル監視部１０４は、吸気口１２にクライオポンプ１０の外から入射する輻射熱が既定値となるタイミングで冷凍機１６の運転周波数を取得することが好ましい。このようにすれば、真空チャンバ９０での熱的条件の変化の影響を低減または防止することができる。
【００８３】
タイミングは、例えば、ゲートバルブ９２の閉鎖中に設定される。したがって、第２段クライオパネル監視部１０４は、ゲートバルブ閉鎖信号Ｇに応答して冷凍機１６の運転周波数を取得してもよい。ゲートバルブ９２の閉鎖によって吸気口１２が閉じられ、真空チャンバ９０からクライオポンプ１０の内部空間１４が隔離される。そのため、真空チャンバ９０から吸気口１２を通じたクライオポンプ１０への入熱は、制限されまたは実質的に遮断される。このようにしてクライオポンプ１０から真空チャンバ９０を熱的に分離することにより、第２段クライオパネル監視部１０４は、真空チャンバ９０での熱的条件の変化による影響が低減または防止された冷凍機１６の運転周波数を取得することができる。
【００８４】
第２段クライオパネル監視部１０４は、冷凍機１６の運転状態が安定化されているときに第１段温度制御部１０２から冷凍機１６の運転周波数またはその他の運転パラメータを取得してもよい。例えば、第２段クライオパネル監視部１０４は、ゲートバルブ閉鎖信号Ｇの受信またはその他の上記タイミングから所定時間が経過したときに冷凍機１６の運転周波数を取得してもよい。あるいは、第２段クライオパネル監視部１０４は、上記タイミング以降において冷凍機１６の運転周波数の変化速度が所定しきい値以内となったときに冷凍機１６の運転周波数を取得してもよい。このようにすれば、ゲートバルブ９２の閉鎖直後など過渡的な状態で冷凍機１６の運転周波数を取得することを避けることができる。
【００８５】
続いて、第２段クライオパネル監視部１０４は、取得した冷凍機１６の運転周波数をしきい値Ｓと比較する（Ｓ１８）。しきい値Ｓは、図４に示される第１しきい値Ｓ１または第２しきい値Ｓ２のいずれかであってもよい。
【００８６】
冷凍機１６の運転周波数がしきい値Ｓを下回る場合には（Ｓ１８のＹ）、第２段クライオパネル監視部１０４は、凝縮気体量が基準値を超えたと判定する（Ｓ２０）。しきい値Ｓが第１しきい値Ｓ１である場合には、基準値は、設計上の吸蔵限界の値ＶＬに相当する。しきい値Ｓが第２しきい値Ｓ２である場合には、基準値は、許容吸蔵量ＶＡに相当する。第２段クライオパネル監視部１０４は、凝縮気体量が基準値を超えたことを出力するように構成されていてもよい。例えば、第２段クライオパネル監視部１０４は、凝縮気体量が基準値を超えたことを画像、音声、またはその他の適切な形式により作業者に提示するように構成されていてもよい。
【００８７】
冷凍機１６の運転周波数がしきい値Ｓを超える場合には（Ｓ１８のＮ）、第２段クライオパネル監視部１０４は、凝縮気体量が基準値を下回ると判定する（Ｓ２２）。同様に、第２段クライオパネル監視部１０４は、凝縮気体量が基準値を下回ることを出力するように構成されていてもよい。
【００８８】
このようにして、監視工程（Ｓ１４）は終了する。監視工程（Ｓ１４）は、ゲートバルブ９２を閉鎖することが許容されるたびに、または定期的に、またはその他適切な頻度で、繰り返し行われてもよい。
【００８９】
図７は、ある実施の形態に係るクライオポンプ１０を概略的に示す図である。図示されるように、冷凍機１６は、第１冷却ステージ２２を加熱する出力可変のヒータ９６、例えば電気ヒータを備えてもよい。ヒータ９６は、第１冷却ステージ２２に装着されていてもよい。あるいは、ヒータ９６は、第１段クライオパネル１８のいずれかの部位に取り付けられていてもよい。
【００９０】
この場合、第１段温度制御部１０２は、第１段クライオパネル１８を第１段目標温度に冷却すべくヒータ９６の出力（例えば、ヒータ９６に供給される電圧及び／または電流）を制御してもよい。第１段温度制御部１０２は、第１段目標温度と第１段クライオパネル１８の測定温度との偏差の関数として（例えばＰＩＤ制御により）ヒータ９６の出力を決定するよう構成されていてもよい。
【００９１】
第１段クライオパネル１８への熱負荷が増加したとき第１段クライオパネル１８の温度が高まりうる。クライオパネル温度センサ８４の測定温度が第１段目標温度よりも高温である場合には、第１段温度制御部１０２は、ヒータ９６の出力を低下させる。その結果、第１段クライオパネル１８は第１段目標温度に向けて冷却される。逆にクライオパネル温度センサ８４の測定温度が目標温度よりも低温である場合には、第１段温度制御部１０２は、ヒータ９６の出力を増加させる。その結果、第１段クライオパネル１８は第１段目標温度に向けて昇温される。こうして、第１段クライオパネル１８の温度を第１段目標温度の近傍の温度範囲に留めることができる。
【００９２】
第２段クライオパネル監視部１０４は、第１段熱負荷の変化に基づいて収容スペース６５内の凝縮気体量を監視し、より具体的には、第１段熱負荷が減少した場合に収容スペース６５内の凝縮気体量が増加したと判定する。そのため、第２段クライオパネル監視部１０４は、第１段温度制御部１０２からヒータ９６の出力を取得し、ヒータ９６の出力をしきい値と比較するように構成されていてもよい。第２段クライオパネル監視部１０４は、ヒータ９６の出力が当該しきい値を上回る場合に凝縮気体量が基準値を超えたと判定してもよい。第２段クライオパネル監視部１０４は、ヒータ９６の出力が当該しきい値に満たない場合に凝縮気体量が基準値を下回ると判定してもよい。
【００９３】
第２段クライオパネル監視部１０４は、吸気口１２にクライオポンプ１０の外から入射する輻射熱が既定値となるタイミングでヒータ９６の出力を第１段温度制御部１０２から取得してもよい。タイミングは、ゲートバルブ９２の閉鎖中に設定されてもよい。
【００９４】
以上説明したように、実施の形態に係るクライオポンプ１０においては、第１段熱負荷の変化に基づいて収容スペース６５内の凝縮気体量が監視される。第１段熱負荷の変化は凝縮層６８の形状の変化を反映するから、真空チャンバ９０に導入された第２種気体の累積量のみから吸蔵限界への到達を予測する既存の試みに比べて、クライオポンプ１０内の凝縮気体量をより正確に見積もることが可能となる。クライオポンプ１０に溜め込まれた気体の量が吸蔵限界に近づいていることをクライオポンプの使用中に予測することができる。
【００９５】
より具体的には、冷凍機１６の運転周波数またはヒータ出力といった冷凍機１６の運転パラメータの変化として第１段熱負荷の変化を検知し、検知された運転パラメータの変化に基づいて収容スペース６５内の凝縮気体量が監視される。このようにして、第２種気体の吸蔵量が吸蔵限界に近づいていることをクライオポンプ１０の真空排気運転中にリアルタイムに予測することができる。
【００９６】
従来に比べて吸蔵量が吸蔵限界により接近するまでクライオポンプ１０を使い続けることが可能となり、クライオポンプ１０の再生インターバル（前回の再生から次の再生までの期間）を長くすることができる。クライオポンプ１０が搭載される真空プロセス装置のスループット向上につながるように、クライオポンプ１０の再生スケジュールを真空プロセス装置における生産計画に適合させることがより容易となる。
【００９７】
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。
【００９８】
ある実施の形態においては、図８に示されるように、第２段クライオパネル監視部１０４は、凝縮気体量の複数の値それぞれを冷凍機１６の運転パラメータ（例えば、運転周波数またはヒータ９６の出力）の値に対応付けた凝縮気体量テーブル１０６を備えてもよい。凝縮気体量テーブル１０６は、ルックアップテーブル、関数、またはそのほか任意の形式を有してもよい。第２段クライオパネル監視部１０４は、冷凍機１６の運転パラメータを第１段温度制御部１０２から取得してもよい。第２段クライオパネル監視部１０４は、冷凍機１６の運転パラメータと凝縮気体量テーブル１０６から凝縮気体量の推測値を算出してもよい。第２段クライオパネル監視部１０４は、算出された凝縮気体量の推測値を画像、音声、またはその他の適切な形式により出力するように構成されていてもよい。このようにすれば、クライオポンプ１０は、凝縮気体量をリアルタイムに推測することができる。
【００９９】
上記の説明においては横型のクライオポンプを例示したが、本発明は、縦型その他のクライオポンプにも適用可能である。なお、縦型のクライオポンプとは、冷凍機１６がクライオポンプ１０のクライオポンプ中心軸Ｃに沿って配設されているクライオポンプをいう。また、クライオパネルの配置や形状、数などクライオポンプの内部構成は、上述の特定の実施形態には限られない。種々の公知の構成を適宜採用することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１００】
本発明は、クライオポンプおよびクライオポンプの監視方法の分野における利用が可能である。
【符号の説明】
【０１０１】
１０  クライオポンプ、  １２  吸気口、  １６  冷凍機、  １８  第１段クライオパネル、  ２０  第２段クライオパネル、  ２２  第１冷却ステージ、  ２４  第２冷却ステージ、  ６５  収容スペース、  ６８  凝縮層、  ８６ａ，８６ｂ  輻射熱、  ９２  ゲートバルブ、  ９６  ヒータ、  １０２  第１段温度制御部、  １０４  第２段クライオパネル監視部、  １０６  凝縮気体量テーブル。
【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】
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【図８】
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【国際調査報告】
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