JP3609474B2

JP3609474B2 - クライオポンプ

Info

Publication number: JP3609474B2
Application number: JP02549495A
Authority: JP
Inventors: 秀敏森本
Original assignee: Ulvac Cryogenics Inc
Current assignee: Ulvac Cryogenics Inc
Priority date: 1995-02-14
Filing date: 1995-02-14
Publication date: 2005-01-12
Anticipated expiration: 2020-01-12
Also published as: JPH08219019A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、例えばスパッタリング装置やイオンプレーティング装置に適用され気体分子を極低温のパネルに凝縮して排気することにより高真空を得るクライオポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、クライオポンプは、図１に示すように、外部へ向けて開放された吸気口ａを有するポンプケースｂの内部に、小型のヘリウム冷凍機ｃの第１段ステージｄと第２段ステージｅを設け、該第１段ステージｄに該吸気口ａと対向したバッフルｆを設けたシールドｇを固定し、該第２段ステージｅの周囲を覆うように有底筒形のクライオパネルｈを固定した構成を一般とする。該クライオポンプは、その吸気口ａを例えばスパッタリング装置の真空処理室に連通させて取り付け、該ヘリウム冷凍機ｃを作動させてその第１段ステージｄにより該シールドｇ及びバッフルｆを７０Ｋ程度に冷却すると共に第２段ステージｅによりクライオパネルｈを１５Ｋ程度に冷却し、真空処理室内の気体中の水のように蒸気圧の低い気体を該シールドｇやバッフルｆに凝縮させて排気し、窒素、酸素、アルゴン等の更に蒸気圧の高い気体をクライオパネルｈの外面に凝縮させて排気する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来のクライオポンプでは、排気速度を大きくとるために、シールドｇとバッフルｆの間を開けてそこのコンダクタンスを大きくとるようにしている。気体の多くは矢印のようにクライオパネルｈに入射し、斜線で示すように凝縮する。
【０００４】
しかし、従来のクライオポンプの構造では、気体はクライオパネルｈの外面の上部の角部ｉに多くが凝縮し、クライオパネルｈの全体に均一に凝縮することがないため、排気容量を大きくすることが困難であった。
【０００５】
排気容量を大きくするためには、凝縮層の厚さを厚くとれるような構造が必要であるが、そのためにはクライオパネルｈの形状を円錐形にしたり、クライオパネルｈとバッフルｆまでの距離Ｘを大きく取ることが必要である。しかし、Ｘを大きくとっても凝縮層が厚くなると凝縮層内に温度勾配が発生し、凝縮層の表面温度が高くなるため、距離Ｘにも限界がある。
【０００６】
凝縮層の厚さの限界は、気体の種類や流量、バッフルｆの温度・構造に依存し、一般的に何ミリメートルと決定することはできないが、純粋なアルゴンであれば、凝縮層の熱伝導率が大きく、凝縮熱も比較的小さいために最大の厚さは４０〜５０ｍｍ程度とすることも可能である。しかし、窒素や空気のように凝縮層の熱伝導率が小さく蒸気圧の高い気体では、Ｘを大きくしても凝縮層がバッフルｆに接触する以前に排気の限界に達してしまう。
【０００７】
すなわち、クライオパネルｈの気体が凝縮する部分の幾何学的表面積をＡとし、凝縮層の限界の厚さをｔとすると、凝縮層の体積Ｖ（ｃｍ^３）は近似的に、
Ｖ＝αＡｔ ………………………（１）
で与えられる。αは比例係数である。クライオポンプの排気量をＣ（リットル）とすると、排気量は、
Ｃ＝２２．４ρＶ／Ｍ …………（２）
となる。ρは凝縮層の密度（ｇ／ｃｍ^３）、Ｍは気体の分子量（ｇ／ｍｏｌ）である。
Ｘ＞ｔの時の排気量は、凝縮層自身の厚さｔできまり、凝縮層の体積は、（１）式となり、Ｘ＜ｔの時の凝縮層の限界体積は、
Ｖ＝αＡＸ ………………………（３）
である。
通常のクライオポンプでは、Ｘ＝２０〜３０ｍｍ程度であるので、純粋なアルゴンの場合には凝縮層の限界体積は（３）式で計算される。
更に、このようなクライオパネルｈの外面に気体を凝縮により排気する場合は、凝縮層の厚さが厚くなるに従って排気面が大きくなるため、排気速度も大きくなり、排気速度が変化してしまうという欠点がある。スパッタリング装置などでは、プロセス圧を一定に保つ必要があるため、クライオポンプと真空処理室との間にコンダクタンスを調節するためのコンダクタンスバルブを設け、排気速度の変化を相殺するように調節することが必要になっている。
【０００８】
本発明は、大きな排気容量が得られるクライオポンプを提供することを第１の目的とする。本発明の他の目的は、安定した排気速度で排気できるクライオポンプを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明では、外部へ向けて開放された吸気口を有するポンプケースの内部に、冷凍機の第１段ステージと第２段ステージを設け、該第１段ステージに取り付けた筒形のシールドの該吸気口と対向した開口部にバッフルを固定し、該第２段ステージに該バッフルを介して該吸気口と対向した有底筒形のクライオパネルを固定したクライオポンプに於いて、該クライオパネルの筒形の一端の開口部を該吸気口に向けた状態でその底部を該第２段ステージに固定し、バッフルの後部の径を、少なくとも気体分子通過方向の中間部から漸次小径に形成することにより、上記の目的を達成するようにした。また、これらの目的は、該シールドの開口部の口径よりも該クライオパネルの開口部の径を大きく形成し、該クライオパネルの開口部を介してクライオパネルの筒形の内部へ該バッフルの後部を進入させることによって好適に達成される。
【００１０】
【作用】
該クライオパネルは、その開口部を該吸気口に向けた状態で第２段ステージに固定されているため、該吸気口からクライオポンプ内へ流入する気体分子は該クライオパネルの筒形の内部に凝縮することになる。従って、該クライオパネルの外周面には凝縮層が形成されず、該クライオパネルの外周面とシールドの内周面との間に、従来のような凝縮層形成のための隙間が不要になり、その分、該クライオパネルの径を増大させることができるから、上記式（１）のＡが大きくなり、また該クライオパネルの軸方向の長さを大きくとることによっても該クライオパネルの内面に均一に凝縮できるようにＡを大きくすることができ、排気容量を増大できる。該軸方向の長さを大きくすれば、同一の排気容量でも凝縮層の厚さを薄くすることができるため、凝縮層の表面温度を低くすることができ、排気性能は安定する。
【００１１】
また、該吸気口の口径を該クライオパネルが該吸気口と対向する径よりも小さくすることにより、クライオパネルの筒形の内部へ該バッフルの後部を進入させることにより、気体分子をクライオパネルの筒形の内部へ確実に導いてその全てを凝縮させることができるから、排気速度はバッフルのコンダクタンスのみで決定され、排気済みの気体の量すなわち凝縮量に左右されることがないから安定した排気速度で排気できる。
【００１２】
【実施例】
本発明の実施例を図面に基づき説明すると、図２に於いて符号１は、外部へ向けて開放された円形の吸気口２を有する円筒形のポンプケースを示し、該ポンプケース１の内部に、外部に設けた公知の小型のヘリウム冷凍機３から延びる第１段シリンダー４の端部の第１段ステージ５及び該第１段シリンダー４に連続した第２段シリンダー６の端部の第２段ステージ７が設けられる。該ヘリウム冷凍機３の作動により該第１段ステージ５は７０Ｋ程度に冷却され、第２段ステージ７は１５Ｋ程度に冷却される。該第１段ステージ５には、該吸気口２と対向した円形の開口部８を有する筒形のシールド９が取り付けられ、該開口部８にバッフル１０が取り付け固定される。また、該第２段ステージ７には該吸気口２と対向させて有底で筒形のクライオパネル１１が取り付け固定される。該シールド９、バッフル１０、クライオパネル１１は、熱良導体の例えば銅材にて製作される。バッフル１０は、図示のように直径の異なる複数の環状のバッフル部材１０ａを同心状に固定したもので、各バッフル部材１０ａはクライオパネル１１側の後方を漸次小径に形成して該環状の中心に向けて気体分子を誘導する構成とした。
【００１３】
以上の構成は、従来のクライオポンプでも備えるところであるが、本発明では該筒形のクライオパネル１１を、その円形の開口部１２を該吸気口２に向けた状態で底部１３を第２段ステージ７に取り付け、該吸気口２から流入する気体分子をその筒形の内面１４に凝縮させて排気するものとし、この構成により該筒形の外面１５に気体の凝縮層が形成されなくなるから該クライオパネル１１の外面１５をシールド９の内面へ接近させてその直径を増大させることができ、その筒形の軸線方向の長さを増大させることもできる。そのため該クライオパネル１１の表面積が増大して排気容量の増大が得られ、しかも該内面１４の全体に略均一な厚さで凝縮層を形成させて安定した排気速度が得られるようになる。
【００１４】
また、符号Ｄ_Ｂで表される該吸気口２の口径を、該クライオパネル１１が該吸気口２と対向する径すなわち開口部１２の内径Ｄ_Ｃよりも小さく形成し、該吸気口２から該クライオパネル１１の内部への気体分子の誘導を確実ならしめ、更に該クライオパネル１１の筒形の軸線方向の長さＨ_Ｃよりも該クライオパネル１１の底部１３からバッフル１０までの距離Ｈ_Ｂを短くすることにより、該クライオパネル１１の該開口部１２を介してクライオパネルの筒形の内部へ該バッフル１０の後部を進入させ、該吸気口２からの気体分子を同様に確実にクライオパネル１１の内部へ誘導するようにした。
【００１５】
該シールド９の開口部８を、その周壁から延長した閉鎖部材９ａにて覆い、該閉鎖部材９ａの内縁にバッフル１０の周縁を気密に取り付け、該クライオパネル１１の内部へは、バッフルを通過した気体のみが進入するようにした。
【００１６】
本発明のクライオポンプは、図２の実施例に於いて、該ポンプケース１の吸気口２を例えばスパッタリング装置の真空処理室に排気管を介して接続し、該真空処理室が油回転ポンプ等の荒引きポンプにより適当な真空度になったところでヘリウム冷凍機３を作動させ、第１段ステージ５を７０Ｋ程度に冷却すると共に第２段ステージ７を１５Ｋ程度に冷却すると、該真空処理室内の気体分子のうちの水や空気の蒸気圧の低い気体分子はシールド９やバッフル１０に凝縮し、アルゴン等の蒸気圧の高い気体分子はクライオパネル１１に凝縮して該真空処理室の排気を行うが、該クライオパネル１１は筒形の開口部１２を吸気口２に向けて取り付けられているので、主として蒸気圧の高い気体分子は該クライオパネル１１の内面１４に凝縮し、図示のように凝縮層１６が形成され、該内面１４は該吸気口２に向かって広がるので、内面１４の全体に略均一の厚さで凝縮層１５が形成される。該クライオパネル１１の外周面は気体の凝縮に不要になるから、該シールド９の内面とクライオパネル１１の外面１５との間の隙間１７を、該クライオパネル１１の径を増大させて気体分子が進入しにくい狭い幅に形成でき、その径の増大で凝縮面積が増大するから、排気容量を増大させることができる。また、従来のクライオパネルでは、その筒形の軸線方向の長さを増大させて凝縮面積を増大させても、シールドの内面とクライオパネルの外周面の間の隙間は、排気の進行で図１のように角部ｉに於いて多く凝縮する現象により狭まり、隙間の奥部へ気体分子の進入が阻まれるので実質的な凝縮面積は小さいが、本発明のものでは、クライオパネル１１の開口部１２が吸気口２へ向いて大きく開いているので、該クライオパネル１１の筒形の軸線方向の長さを延ばせば、そのまま有効な凝縮面積の増大になり、排気容量が増大する。また、その長さが長いと、同一排気量を排気する場合に凝縮層の厚さが薄くなり、そのため凝縮層の表面温度が低くなり、安定した排気速度が得られる。
【００１７】
ポンプケース１の吸気口２から流入する気体分子は、バッフル１０を介してクライオパネル１１の内部へ導かれるが、該バッフル１０の開口部８の口径よりもクライオパネル１１の開口部１２の径が大きいので、気体分子は該クライオパネル１１の筒内へ確実に誘導され、該筒内には障害物がないのでその内面１４全体に略均一な厚さで凝縮する。また、該バッフル１０の後部をクライオパネル１１の筒内へその開口部１２を介して進入させておくことで、気体分子が該開口部１２の上縁を迂回する方向に流れることがなくなり、確実に該クライオパネル１１の筒内へ誘導できる。
【００１８】
上記の実施例はポンプケース１の軸線上に冷凍機３を取り付けたが、クライオポンプの全高を低くするために、図３のようにポンプケース１の側方に延長筒１ａを設け、その内部を介して冷凍機３の第１段、第２段ステージ５、７を挿入し、該第２段ステージ７に伝熱アングル部材１８を介してクライオパネル１１を設けてもよい。また、バッフル１０は、Ｈ_Ｃ≧Ｈ_Ｂ、Ｄ_Ｃ≧Ｄ_Ｂの条件を満足する状態にあればよく、図４のように、気体分子通過方向の中間部に於いて径が大きくなったバッフル部材１０ｂを用いて気体分子を反射させてクライオパネル１１の筒内へ誘導する構造にすることも可能である。尚、バッフルの形状で排気速度、凝縮層の厚さ分布が決定されるため、その設計には注意を払う必要がある。
【００１９】
【発明の効果】
以上のように本発明によるときは、クライオポンプのポンプケースの内部に設けた第２段ステージに固定される筒形のクライオパネルを、その筒形の開口部を該吸気口に向けた状態でその底部を該第２段ステージに固定したので、ポンプケースの吸気口から流入する気体分子は該クライオパネルの筒形の内部に凝縮し、該クライオパネルの外周面には凝縮層が形成されないから、該クライオパネルの外周面をシールドの内面に接近させて該クライオパネルの径を増大させることができ、或いは該クライオパネルの軸方向の長さを大きくしてその凝縮面積を大きくすることができ、従って排気容量を増大でき、該軸方向の長さを大きくすれば、同一の排気容量でも凝縮層の厚さを薄くすることができるから凝縮層の表面温度が低くなって排気性能を安定させることが可能になり、該シールドの開口部の口径よりも上記クライオパネルの開口部の径を大きく形成し、該クライオパネルの内部へ該バッフルの後部を進入させることにより、確実に気体分子をクライオポンプの筒内へ誘導できる等の効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来例の截断側面図
【図２】本発明の実施例の截断側面図
【図３】本発明の他の実施例の截断側面図
【図４】本発明の更に他の実施例の截断側面図
【符号の説明】
１ポンプケース２吸気口３冷凍機
５第１段ステージ７第２段ステージ８開口部
９シールド９ａ閉鎖部材１０バッフル
１１クライオパネル１２開口部１３底部
１４内面１５外面

Claims

外部へ向けて開放された吸気口を有するポンプケースの内部に、冷凍機の第１段ステージと第２段ステージを設け、該第１段ステージに取り付けた筒形のシールドの該吸気口と対向した開口部にバッフルを固定し、該第２段ステージに該バッフルを介して該吸気口と対向した有底筒形のクライオパネルを固定したクライオポンプに於いて、
該クライオパネルの筒形の一端の開口部を該吸気口に向けた状態でその底部を該第２段ステージに固定し、
バッフルの後部の径を、少なくとも気体分子通過方向の中間部から漸次小径に形成したことを特徴とするクライオポンプ。
上記シールドの開口部の口径よりも上記クライオパネルの開口部の径を大きく形成したことを特徴とする請求項１に記載のクライオポンプ。
上記クライオパネルの開口部を介してクライオパネルの筒形の内部へ上記バッフルの後部を進入させたことを特徴とする請求項１に記載のクライオポンプ。
上記シールドの内部へは、バッフルを通過した気体のみが進入するように該バッフルの周縁と該シールドの開口部の内縁を気密に取り付けたことを特徴とする請求項１乃至３に記載のクライオポンプ。