JPH0714472B2

JPH0714472B2 - 高真空装置

Info

Publication number: JPH0714472B2
Application number: JP1299918A
Authority: JP
Inventors: ニールファイファーローレン; ウィリアムウェストケニース
Original assignee: アメリカンテレフォンアンドテレグラフカムパニー
Priority date: 1988-11-23
Filing date: 1989-11-20
Publication date: 1995-02-22
Anticipated expiration: 2010-02-22
Also published as: US4873833A; DE68907565D1; EP0370702A1; DE68907565T2; EP0370702B1; JPH02245232A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、高真空システムを有する装置に関し、特に、
クライオポンプを用いた可焼高真空システムに関する。

［従来技術の説明］多数の技術的な重要なプロセスが高真空中で実施されて
いる。そのような例として分子線ビームエピタキシ（MB
E）技術がある。このようなプロセスにより生成された
製品の品質は真空処理室の残留圧力に依存する。これは
第３−５族半導体についてもあてはまり、ある主の材料
中のキャリア移動速度は真空処理室の残留圧力に大きく
依存する。

このような真空システムには、真空室と真空ポンプがあ
る。多数の真空ポンプが公知である。高真空を作り出す
真空ポンプはクライオポンプ、イオンスパッタポンプ、
ゲッタポンプ、ターボモルキュラポンプである。この中
で最も有望なのがクライオポンプである。

クライオポンプの動作については、J.F.O′Hanlon,A Us
er′s Guide to Vacuum Technology,John Wiley and So
ns,New York,1980.を参照のこと。

10^-9Paレベルの超真空を達成するためには、真空システ
ムは可焼クライオポンプを採用する必要がある。このク
ライオポンプを可焼にするには、熱抵抗性機械部品を一
時的に除去する必要がある。これについては、M.Michau
d and L.Sanche,″Characteristics of a Bakeable Ion
-CRYOpunped UHV System″J.Vac.Sci.Technol.,17
（１）,Jn./Feb.1980,pages274-276と米国特許第4.514,
204号を参照のこと。

この米国特許に開示されているクライオポンプは低温冷
却装置を含み、その端部は真空を失わずに、そのハウジ
ングから除去できる。ベークアウトの間、除去された低
温冷却装置は非加熱部分を介して使用され、ポンプ動作
を継続する。かくして、ベークアウトの間、真空を維持
するために、独立のイオンポンプを必要としない。

除去可能な冷却装置を有する従来の可焼クライオポンプ
は、非可焼クライオポンプに比較して、利点があるが、
補助真空ポンプを必要とし、高価である。この為、ベー
クアウトの間可焼クライオポンプが動作するような真空
システムが必要とされている。

（発明の概要）本発明の真空システムは、真空室、クライオポンプ、補
助冷却手段を有し、この補助冷却手段はクライオポンプ
主ポンプ段から熱を除去する。この熱は、クライオポン
プの動作中、真空システムの関連表面の大部分が焼成さ
れる際に発生する。

クライオポンプは、その通常動作中、室温Tp以下の温度
に維持される主ポンプ段を有する。補助冷却手段は、ク
ライオポンプの主ポンプ段近傍の冷却液を制御する手段
を有する。この制御手段は、高伝熱性を有し、クライオ
ポンプの主ポンプ段を制御手段に熱的に結合する手段を
有し、真空室内のベークアウトの間、主ポンプ段温度を
Tp以下に維持するようにする。

この補助冷却手段は、真空システム外壁に組み込まれる
外部部材（フランジ載置リングとも呼称される）を有す
る。この補助冷却手段は、更に、冷却剤（例えば、液体
窒素）をクライオポンプの主ポンプ段に熱的に有効に連
結させるチューブ（銅等の高伝熱性材料製）を有する。
フランジ載置リングを貫通する通路が具備され、冷却流
体が真空システムの外部からチューブの一端に導入さ
れ、そして、チューブの他端から真空システムの外部へ
排出する。ブロックが、このチューブを主ポンプ段に伝
熱姓よく連結する為に具備されている。

（実施例の説明）第１図に補助冷却手段を有するクライオポンプを示す、
第２図に補助冷却手段の拡大詳細図（天地が逆になって
いる）を示す。

このクライオポンプには、キャニスタ10、このキャニス
タ10の一端は閉鎖されて、他端は開放され、フランジ11
を有している。キャニスタ10内には、主段熱シールド2
2、主コンデンサ列があり、この主コンデンサ列は、複
数のサポートリブ13により保持された複数のシェブロン
12を有する。複数の補助冷却手段は、フランジ載置リン
グ14を有し、その一側はクライオポンプのフランジ11
と、他側は真空室と、密閉状態で係合する。フランジ載
置リング14内でかつほぼ同心状に、冷却剤を導くリング
状チューブ16（以下、クライオポンプとも称する）が載
置される。

このクライオリング16は銅等の高伝熱材料製が好まし
い。クライオリング16の端部はステンレススチール等の
低伝熱材料製チューブ17,18と連結する。チユーブ17,18
は外側に湾曲し、フランジ載置リング14を貫通してこの
真空システムの中から外に伸びる高真空のフィールドス
ルー19を公知の方法で貫通する。

冷却流体（液体窒素が好ましいが、冷却ガスでもよい）
が、チューブ17からクライオリング16の一端内に導入さ
れ、その中を動き、チューブ18を介してクライオリング
16の他端から導出される（相変化を経て）。低温バルブ
（図示せず）が液体窒素のクライオリング16内への流れ
を制御する。液体窒素を使用した後、パージガス（例、
窒素ガス）がクライオリング16を介して残留液体窒素を
除去する為に、強制導入される。ガスバルブ（図示せ
ず）がパージガスのクライオリング16内への流れを制御
する。

クライオリング16と主コンデンサ列を熱的に結合する手
段があり、これらの手段は複数の銅製ブロック20を有
し、このブロック20がクライオリングと主コンデンサ列
を熱的に結合する。各銅製ブロック20はクライオリング
16のチューブ外径と等しい穴を有している。クライオリ
ング16がブロック20の穴を貫通し、クライオリング16の
当接面とブロック20はハンダ付けされる。このハンダ付
けは水素雰囲気でフラックスなしで実施され、その為、
クライオリング16とブロック20との良好な熱的結合が得
られる。このブロック20と主コンデンサ列13とはボルト
21（銅等の高伝熱材料製の）とインジウム製のガスケッ
ト（図示せず）とで熱的に結合される。

上記実施例以外に、クライオリング16はクライオポンプ
に組み込まれ、ステンレススチール製のチューブ17,18
がクライオポンプのキャニスタ壁を貫通する実施例でも
よい。

本発明の他の実施例（クライオポンプのMBEシステム）
が第３図に示される。このMBEシステムは、真空室30、
ラフポンプ31,31、クライオポンプ32、クライオリング3
3、液体窒素貯蔵曹34、低温バルブ（液体窒素のクライ
オリング内への制御をする）35、低温バルブ（使用後の
クライオリングの出口をシールする）35′、窒素パージ
ガス源36、パージガス制御用バルブ37、窒素出口38、液
体窒素充填可能なシュラウド39、チタン昇華ポンプ（TS
P Titanium Sublimation Pump）（主に真空室からの残
留窒素除去用）40、MBE用のソース炉41、高真空の室内
圧力測定用イオンゲージ42、クライオポンプ遮断用高真
空バルブ43、純アルゴンフラッシュガス源44、MBE用の
基板ホルダ45がある。

次に、本発明の装置（第３図のMBEを例に）の動作を説
明する。真空室はクライオポンプの動作圧力範囲の上限
までラフに真空引きされる。この圧力範囲は、クライオ
ポンプの型式やメーカや動作条件によって変化するが、
一般的に100Pa以下である。その後、クライオポンプ32
が真空室30内の圧力を10^-6Paまで低下させる為に用いら
れる。液体窒素の流れがクライオリング33内で開始され
る。真空室30内の壁（クライオポンプも含む）の温度が
均一にかつ徐々に約220℃の温度になる間、10^-6Paの圧
力はクライオポンプ32とクライオリング33の補助冷却手
段とにより維持される。この加熱ステップの期間は、必
要な圧力に依存するが、約５週間になる。この「ベーク
アウト（bake-out）」の完了後、このシステムは室温ま
で低下し、液体窒素のクライオリング33への供給は停止
され、クライオリング33にはパージガスが供給され、シ
ールされる。その後、内部シュラウド39には液体窒素が
充填され、付属のTSP40が稼働する。MBEソース炉41はア
イドル状態になる。エピタキシャル構造形成前に、ソー
ス炉41はその動作温度まで上昇する。予備運転が各ソー
ス炉41について、１秒当りの単層の堆積速度の測定の為
に実行される。基板（通常GaAs製）が真空室30内で加熱
され、揮発により表面の酸化ガリウム層を除去する。そ
の後、この基板は基板ホルダ45内に載置され、ソース材
料の分子線が曝射される。このソース材料の分子線は、
プログラム制御されたシャッターにより調節される。

５週間ベークアウトの後、２日でレイボールド（Leybol
d）IM520抽出イオンゲージ（従来のペイヤードアルパー
ト（Bayard-Alpert）ゲージの内部Ｘ線制御読みに従わ
ない）は2.0×10¹⁰Paを示した。

クライオリングを使用せず、また、クライオポンプキャ
ニスターのベークアウトせずに、システムの圧力は1.6
×10^-9Paが得られた。

本発明の原理は種々のクライオポンプに応用可能で、ク
ライオリングが主コンデンサ列の代りに主段シールドに
熱的に結合してもよい。更にクライオリングはリング以
外の形状、らせん形でもよい。本発明の装置は分子加速
器内の真空形成に用いてもよい。宇宙空間模擬室内に用
いてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、補助冷却手段を有する本発明のクライオポン
プのブロック図、第２図は、本発明の補助冷却手段を示す図、第３図は、MBEに使用される本発明の装置を示す図であ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 21/203 Ｍ 8122−4Ｍ (56)参考文献特開昭55−33059（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】可焼真空室と、この真空室からガスを除去
するよう真空室に連通するクライオポンプとを有し、こ
のクライオポンプは、その通常動作時に室温Tp以下の温
度に維持される主ポンプ段を有する、高真空装置におい
て、（ａ）外部源からクライオポンプの主ポンプ段に、およ
び、外部源から真空システムに、冷却剤を導入する高伝
熱性のチューブと、（ｂ）真空室のベークアウト（bake-out）の間、主ポン
プ段をTp以上にならないよう維持するよう、クライオポ
ンプの主ポンプ段と前記チューブとを熱的に連結するた
めに、そのチューブに接続される高伝熱性のブロック
と、を有することを特徴とする高真空装置。
【請求項２】前記チューブは、リング状に形成されてい
ることを特徴とする請求項１記載の高真空装置。
【請求項３】ａ）前記チューブ内の液体窒素流を制御す
る低温バルブと、（ｂ）前記チューブから残留冷却剤を排出するバージガ
ス流を制御するバルブと、を有することを特徴とする請
求項２記載の高真空装置。
【請求項４】可焼真空室と、この真空室からガスを除去するよう真空室に連通するク
ライオポンプと、を有する高真空装置であって、前記クライオポンプは、フランジと、主ポンプ段とを有
し、この主ポンプ段は主コンデンサ列を有する、高真空装置において、ａ）第１、第２面を有するリングを有し、この第１面は
クライオポンプのフランジ面に密接し、第２面は真空室
に密接し、ｂ）液体冷却剤を主コンデンサ列に案内する高伝熱性の
チューブを有し、このチューブは、第１、第２端を有
し、かつリング状に形成され、ｃ）前記チューブ内の液体冷却剤流を制御する低温バル
ブを有し、ｄ）前記チューブから残留冷却剤を排出するパージガス
流を制御するパージバルブを有し、ｅ）前記チューブを主コンデンサ列に熱的に連結する主
コンデンサ列と、チューブに載置される高伝導性ブロッ
クを有し、ｆ）液体冷却剤を低温バルブから、パージガスをパージ
バルブから、前記リングを介して前記チューブの第１端
に案内するコンジットを有し、ｇ）液体冷却剤とパージガスを前記リングを介して前記
チューブの第２端から案内するコンジットを有する、ことを特徴とする高真空装置。