特許 6857046 クライオポンプ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6857046

(24)【登録日】2021年3月23日

(45)【発行日】2021年4月14日

(54)【発明の名称】クライオポンプ

(51)【国際特許分類】

   F04B 37/16 20060101AFI20210405BHJP

   F04B 37/08 20060101ALI20210405BHJP

【ＦＩ】

   F04B37/16 C

   F04B37/08

【請求項の数】11

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2017-29059(P2017-29059)

(22)【出願日】2017年2月20日

(65)【公開番号】特開2017-180451(P2017-180451A)

(43)【公開日】2017年10月5日

【審査請求日】2019年12月16日

(31)【優先権主張番号】特願2016-66196(P2016-66196)

(32)【優先日】2016年3月29日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000002107

【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(74)【代理人】

【識別番号】100116274

【弁理士】

【氏名又は名称】富所 輝観夫

(72)【発明者】

【氏名】及川 健

【審査官】 山崎 孔徳

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭５６−０５２５８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１０／０９７８８８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１４−１７３４２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１４／０２６０３３８（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０４Ｂ ３７／１６

Ｆ０４Ｂ ３７／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

高温冷却ステージと、軸方向先端ステージ面を有する低温冷却ステージと、前記高温冷却ステージから前記低温冷却ステージへと軸方向に延在する冷凍機構造部と、を備える冷凍機と、
前記高温冷却ステージに熱的に結合される放射シールドであって、シールド主開口を定めるシールド前端と、前記軸方向先端ステージ面を前記シールド主開口に向けるよう前記冷凍機構造部を受け入れる冷凍機挿通孔を有するシールド底部と、を備える放射シールドと、
前記軸方向先端ステージ面を非接触に囲み、前記高温冷却ステージに熱的に結合される非接触キャップ部材と、
軸方向に前記非接触キャップ部材と前記高温冷却ステージとの間に配設され、前記低温冷却ステージに熱的に結合される低温クライオパネル部と、を備え、
前記低温クライオパネル部は、前記軸方向に垂直な径方向に延在するトップクライオパネルを含み、前記トップクライオパネルは、前記非接触キャップ部材の径方向外側まで延在していることを特徴とするクライオポンプ。

【請求項2】

前記トップクライオパネルは、軸方向に前記キャップ部材とごく近接して配設され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】

前記軸方向先端ステージ面は、前記シールド前端から前記シールド底部へのシールド深さの上半分に位置し、前記低温クライオパネル部のトップクライオパネルは、前記シールド深さの下半分に位置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】

前記キャップ部材は、前記軸方向先端ステージ面の軸方向上方に位置するキャップ上端と、前記軸方向先端ステージ面の軸方向下方に位置するキャップ下端と、を備え、前記キャップ上端から前記キャップ下端へのキャップ軸長が前記キャップ上端から前記軸方向先端ステージ面への軸方向距離より長いことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のクライオポンプ。

【請求項5】

前記キャップ上端から前記軸方向先端ステージ面への軸方向距離が、前記シールド前端から前記シールド底部へのシールド深さの１／１０未満であ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】

前記シールド前端から前記低温クライオパネル部のトップクライオパネルへの軸方向距離は、前記シールド前端から前記軸方向先端ステージ面への軸方向距離の２倍以上であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のクライオポンプ。

【請求項7】

前記キャップ部材と前記低温冷却ステージとの隙間において前記低温冷却ステージから前記低温クライオパネル部へと延在する低温クライオパネル取付部材をさらに備え、
前記低温クライオパネル取付部材は、前記軸方向先端ステージ面が前記キャップ部材と直接面するよう前記低温冷却ステージの側面に取り付けられていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のクライオポンプ。

【請求項8】

前記シールド主開口に配設され、前記高温冷却ステージに熱的に結合される入口クライオパネルをさらに備え、
前記キャップ部材は、前記入口クライオパネルに取り付けられていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のクライオポンプ。

【請求項9】

前記キャップ部材は、前記高温冷却ステージとは物理的に接触していないことを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のクライオポンプ。

【請求項10】

前記冷凍機構造部は、前記高温冷却ステージを前記低温冷却ステージに接続するシリンダを備え、
前記キャップ部材と前記シリンダとの径方向距離は、前記シリンダの径より小さいことを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載のクライオポンプ。

【請求項11】

前記シールド主開口に配設され、前記高温冷却ステージに熱的に結合される入口クライオパネルをさらに備え、
前記キャップ部材は、前記軸方向先端ステージ面の軸方向上方に位置するキャップ上端と、前記軸方向先端ステージ面の軸方向下方に位置するキャップ下端と、を備え、前記キャップ上端から前記キャップ下端へのキャップ軸長が、前記入口クライオパネルから前記低温クライオパネル部のトップクライオパネルへの軸方向距離より短い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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、クライオポンプに関する。

【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ガスを凝縮または吸着により捕捉する真空ポンプである。こうしてクライオポンプは、それが取り付けられた真空チャンバを排気する。

【0003】

クライオポンプは通例、ある温度に冷却される第１クライオパネルとそれより低い温度に冷却される第２クライオパネルを備える。第１クライオパネルには放射シールドが含まれる。クライオポンプの使用につれて第２クライオパネル上にガスの凝縮層が成長する。凝縮層は、放射シールドに、または第１クライオパネルのある部分に、いずれは接触しうる。そうすると、その接触部位でガスは再び気化され、クライオポンプ内部の圧力が上昇してしまう。それ以降クライオポンプは真空チャンバの排気という本来の役割を充分に果たすことができない。したがって、凝縮層が第１クライオパネルに接触する時点でのガス吸蔵量がクライオポンプの吸蔵限界を与える。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第４４３００４２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、クライオポンプの吸蔵限界を向上することにある。

【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、クライオポンプは、高温冷却ステージと、軸方向先端ステージ面を有する低温冷却ステージと、前記高温冷却ステージから前記低温冷却ステージへと軸方向に延在する冷凍機構造部と、を備える冷凍機と、前記高温冷却ステージに熱的に結合される放射シールドであって、シールド主開口を定めるシールド前端と、前記軸方向先端ステージ面を前記シールド主開口に向けるよう前記冷凍機構造部を受け入れる冷凍機挿通孔を有するシールド底部と、を備える放射シールドと、前記軸方向先端ステージ面を非接触に囲み、前記高温冷却ステージに熱的に結合される非接触キャップ部材と、軸方向に前記キャップ部材と前記高温冷却ステージとの間に配設され、前記低温冷却ステージに熱的に結合される低温クライオパネル部と、を備える。

【0007】

なお、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】

【0008】

本発明によれば、クライオポンプの吸蔵限界を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】第１実施形態に係るクライオポンプを概略的に示す上面図である。

【図2】図１に示されるクライオポンプのＡ−Ａ線断面を概略的に示す。

【図3】第１実施形態に係るクライオパネル取付部材を概略的に示す斜視図である。

【図4】第１実施形態に係るトップクライオパネルを概略的に示す上面図である。

【図5】あるクライオポンプの運転中の様子を概略的に示す。

【図6】第１実施形態に係るクライオポンプの運転中の様子を概略的に示す。

【図7】第２実施形態に係るクライオポンプを概略的に示す上面図である。

【図8】図７に示されるクライオポンプのＢ−Ｂ線断面を概略的に示す。

【発明を実施するための形態】

【0010】

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。

【0011】

図１は、第１実施形態に係るクライオポンプ１０を概略的に示す上面図である。図２は、図１に示されるクライオポンプ１０のＡ−Ａ線断面を概略的に示す。

【0012】

クライオポンプ１０は、例えばイオン注入装置、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に取り付けられて、真空チャンバ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、排気されるべきガスを真空チャンバから受け入れるための吸気口１２を有する。吸気口１２を通じてガスがクライオポンプ１０の内部空間１４に進入する。

【0013】

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２において上下方向）を表し、径方向は吸気口１２に沿う方向（図２において左右方向）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。

【0014】

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。

【0015】

クライオポンプ１０は、冷凍機１６、１段クライオパネル１８、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。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。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。

【0016】

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。よって、第１冷却ステージ２２及び第２冷却ステージ２４はそれぞれ、高温冷却ステージ及び低温冷却ステージとも称しうる。

【0017】

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、軸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。

【0018】

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（図示せず）を有する。駆動機構は、冷凍機１６の内部への作動ガス（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ガスの流路を切り替える流路切替機構を含む。

【0019】

冷凍機１６は、作動ガスの圧縮機１７に接続されている。冷凍機１６は、圧縮機１７により加圧された作動ガス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。膨張した作動ガスは圧縮機１７に回収され再び加圧される。冷凍機１６は、作動ガス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サイクルを繰り返すことによって寒冷を発生させる。

【0020】

図示されるクライオポンプ１０は、いわゆる縦型のクライオポンプである。一般に、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の中心軸に沿って配設されているクライオポンプをいう。

【0021】

クライオポンプハウジング７０は、１段クライオパネル１８、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、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。

【0022】

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。吸気口フランジ７２が吸気口１２を画定する。クライオポンプ１０は、吸気口フランジ７２を用いて真空排気対象の真空チャンバに取り付けられる。

【0023】

図示されるように、入口クライオパネル３１は、軸方向に吸気口フランジ７２の上方に位置してもよい。ただし、入口クライオパネル３１は、クライオポンプ１０が取り付けられる真空チャンバ（または真空チャンバとクライオポンプ１０との間のゲートバルブ（図示せず））に干渉しないように定められている。

【0024】

１段クライオパネル１８は、２段クライオパネル２０を包囲する。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２段クライオパネル２０を保護するための極低温表面を提供する。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１段クライオパネル１８は第１冷却温度に冷却される。１段クライオパネル１８は２段クライオパネル２０との間に隙間を有しており、１段クライオパネル１８は２段クライオパネル２０と接触していない。１段クライオパネル１８はクライオポンプハウジング７０とも接触していない。

【0025】

１段クライオパネル１８は、放射シールド３０、入口クライオパネル３１、及び非接触キャップ部材（以下、キャップ部材ともいう）３２を備える。

【0026】

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２段クライオパネル２０との間にあり、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にガス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。

【0027】

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。シールド側部４０は、第２冷却ステージ２４を包囲するよう周方向に延在する。

【0028】

シールド底部３８は、その中心部に、冷凍機構造部２１を受け入れる冷凍機挿通孔４２を有する。冷凍機挿通孔４２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。冷凍機挿通孔４２は、シールド底部３８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】

放射シールド３０は、伝熱スリーブ４４を介して第１冷却ステージ２２に熱的に結合されている。伝熱スリーブ４４の一端が冷凍機挿通孔４２を囲むようにシールド底部３８に取り付けられ、伝熱スリーブ４４の他端が第１冷却ステージ２２に取り付けられている。なお、放射シールド３０は、第１冷却ステージ２２に直接取り付けられてもよい。

【0030】

図示される実施形態においては、放射シールド３０は一体の筒状に構成されている。これに代えて、放射シールド３０は、複数のパーツにより全体として筒状の形状をなすように構成されていてもよい。これら複数のパーツは互いに間隙を有して配設されていてもよい。例えば、放射シールド３０は軸方向に２つの部分に分割されていてもよい。

【0031】

冷凍機１６には、第２シリンダ２５を包囲する第２シリンダカバー２７が設けられている。第２シリンダカバー２７は、第２冷却ステージ２４から第１冷却ステージ２２に向けて放射シールド３０を貫通して延びている。第２シリンダカバー２７は、放射シールド３０と接触せずに冷凍機挿通孔４２を通過する。第２シリンダ２５の露出を最小化するように第２シリンダカバー２７の端部は第１冷却ステージ２２に近接しているが接触はしていない。第２シリンダカバー２７は第２冷却ステージ２４に熱的に結合されているので、第２冷却温度に冷却される。

【0032】

また、第２冷却ステージ２４は、軸方向先端ステージ面（以下、先端ステージ面ともいう）２４ａを備える。冷凍機挿通孔４２は、先端ステージ面２４ａがシールド主開口３４を向くよう冷凍機構造部２１（第２シリンダ２５）を受け入れる。よって、先端ステージ面２４ａは、冷凍機１６のうち軸方向に最も上方に位置する部位である。

【0033】

入口クライオパネル３１は、クライオポンプ１０の外部の熱源（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内の熱源）からの輻射熱から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。入口クライオパネル３１は、輻射熱だけではなくクライオポンプ１０へのガス分子の進入も制限する。入口クライオパネル３１は、放射シールド３０内へのガス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（例えば大部分）を占有する。また、入口クライオパネル３１の冷却温度で凝縮するガス（例えば水分）がその表面に捕捉される。

【0034】

入口クライオパネル３１はジョイントブロック４６を介してシールド前端３６に取り付けられる。こうして入口クライオパネル３１は放射シールド３０に固定され、放射シールド３０に熱的に接続されている。入口クライオパネル３１はシールド主開口３４の中心部に配置されている。

【0035】

入口クライオパネル３１は、複数の羽板３１ａから形成されており、各羽板３１ａはそれぞれ径の異なる円すい台側面の形状に形成されて同心円状に配列されている。図１では各羽板３１ａの間に隙間があるが、隣接する羽板３１ａが互いに重なり合って上から見たときに隙間のないよう各羽板３１ａが密に配列されてもよい。各羽板３１ａは十字形状の支持部材３１ｂの上面に取り付けられ、この支持部材３１ｂがジョイントブロック４６に取り付けられている。

【0036】

ジョイントブロック４６は、シールド前端３６から径方向内側に突き出す凸部であり、周方向に等間隔（例えば９０°おき）に形成されている。入口クライオパネル３１は適切な手法でジョイントブロック４６に固定される。例えば、ジョイントブロック４６及び支持部材３１ｂはそれぞれボルト孔（図示せず）を有し、支持部材３１ｂがジョイントブロック４６にボルト留めされる。

【0037】

入口クライオパネル３１は、吸気口１２に配設される平面的な構造を備える。よって、入口クライオパネル３１は、同心円状ではなく、格子状等他の形状に形成されていてもよい。また、入口クライオパネル３１は、平板（例えば円板）のプレートを備えてもよい。

【0038】

キャップ部材３２は、先端ステージ面２４ａを非接触に囲む。キャップ部材３２は、入口クライオパネル３１の中心部から吊下され、軸方向下方に向けて延びている。キャップ部材３２は、先端ステージ面２４ａを覆う箱状の非接触カバー（または蓋）である。キャップ部材３２は例えば、下端が開放された直方体形状であるが、円筒状などその他の形状を有してもよい。

【0039】

キャップ部材３２は、入口クライオパネル３１に取り付けられている。よって、キャップ部材３２は、入口クライオパネル３１および放射シールド３０を介して第１冷却ステージ２２に熱的に結合される。キャップ部材３２は、第１冷却ステージ２２とは物理的に接触していない。また、キャップ部材３２は、放射シールド３０とも物理的に接触していない。キャップ部材３２を第１冷却ステージ２２（または放射シールド３０）と物理的に直接取り付けて熱的に結合する場合に比べて、キャップ部材３２の形状をより単純にすることができる。

【0040】

キャップ部材３２は、キャップ上端３２ａ、キャップ側部３２ｂ、及びキャップ下端３２ｃを備える。キャップ上端３２ａは、支持部材３１ｂの下面に取り付けられ、先端ステージ面２４ａの軸方向上方に位置する。キャップ上端３２ａは、先端ステージ面２４ａに面する板状部分である。キャップ側部３２ｂは、キャップ上端３２ａの外周部から軸方向下方に延びる筒状部分（例えば矩形の筒状）であり、キャップ下端３２ｃで終端する。キャップ下端３２ｃは、先端ステージ面２４ａの軸方向下方に位置する。キャップ下端３２ｃは開放されているから、キャップ部材３２はキャップ下端３２ｃに底板を有しない。

【0041】

キャップ上端３２ａは、先端ステージ面２４ａと軸方向にごく近接して配設される。

【0042】

本書において、ある部材と他の部材とが「ごく近接して配設される」との言及は、それら２つの部材の温度差が保たれるよう非接触に配設されることを指す。２つの部材間には、例えば、少なくとも３ｍｍ、または少なくとも５ｍｍ、または少なくとも７ｍｍの隙間がある。隙間は、例えば、２０ｍｍ以内、または１５ｍｍ以内、または１０ｍｍ以内であってもよい。

【0043】

キャップ上端３２ａから先端ステージ面２４ａへの軸方向距離３３は、例えば、シールド前端３６からシールド底部３８へのシールド深さ４１の１／１０未満である。軸方向距離３３は、シールド深さ４１の１／２０未満であってもよい。このように第２冷却ステージ２４はキャップ部材３２に近いので、クライオポンプ１０の軸方向の全長を短くすることができる。

【0044】

キャップ上端３２ａからキャップ下端３２ｃへのキャップ軸長３２ｄは、キャップ上端３２ａから先端ステージ面２４ａへの軸方向距離３３より長い。キャップ軸長３２ｄは、軸方向距離３３の２倍より長く、または５倍より長く、または１０倍より長くてもよい。このようにして、キャップ部材３２は第２冷却ステージ２４の全体を覆うことができる。よって、キャップ部材３２は、第２冷却ステージ２４への凝縮物の付着を抑制することができる。

【0045】

ただし、キャップ部材３２は、第２シリンダ２５については一部のみを覆うにすぎない。キャップ下端３２ｃは、第２シリンダ２５のうち第２冷却ステージ２４と隣接する部位を囲んでいる。キャップ部材３２は、冷凍機１６の第２段のうち低温部のみを覆う。ここで、冷凍機１６の第２段は、第２冷却ステージ２４及び第２シリンダ２５を含む。

【0046】

また、キャップ軸長３２ｄは、入口クライオパネル３１からトップクライオパネル５２への軸方向距離より短い。このようにして、入口クライオパネル３１の下方かつトップクライオパネル５２の上方のスペースにキャップ部材３２を収めることができる。キャップ上端３２ａが入口クライオパネル３１の下面に取り付けられており、キャップ部材３２は、入口クライオパネル３１の上方には突き出していない。

【0047】

２段クライオパネル２０は、複数のクライオパネル５０を備える。また、第２冷却ステージ２４から軸方向に下方に向けて延びる低温クライオパネル取付部材（以下、クライオパネル取付部材ともいう）５１が設けられている。２段クライオパネル２０は、クライオパネル取付部材５１を介して第２冷却ステージ２４に取り付けられている。このようにして、２段クライオパネル２０は、第２冷却ステージ２４に熱的に接続されている。よって、２段クライオパネル２０は第２冷却温度に冷却される。

【0048】

複数のクライオパネル５０が、シールド主開口３４からシールド底部３８へと向かう方向に沿って（即ち軸方向に）クライオパネル取付部材５１上に配列されている。複数のクライオパネル５０はそれぞれ軸方向に垂直に延在する平板（例えば円板）であり、互いに平行にクライオパネル取付部材５１に取り付けられている。説明の便宜上、複数のクライオパネル５０のうち最も吸気口１２に近いものをトップクライオパネル５２と呼び、複数のクライオパネル５０のうち最もシールド底部３８に近いものをボトムクライオパネル５３と呼ぶことがある。

【0049】

複数のクライオパネル５０は図示されるようにそれぞれ同一形状を有してもよいし、あるいは異なる形状（例えば異なる径）を有してもよい。また、複数のクライオパネル５０の間隔は図示されるように一定であってもよいし、互いに異なっていてもよい。

【0050】

２段クライオパネル２０においては、少なくとも一部の表面に吸着領域５４が形成されている。吸着領域５４は非凝縮性ガス（例えば水素）を吸着により捕捉するために設けられている。吸着領域５４は、例えば、各クライオパネル５０の下面に形成されている。吸着領域５４は例えば吸着材（例えば活性炭）をクライオパネル表面に接着することにより形成される。

【0051】

２段クライオパネル２０の少なくとも一部の表面には凝縮性ガスを凝縮により捕捉するための凝縮領域５６が形成されている。凝縮領域５６は、例えば、各クライオパネル５０の上面に形成されている。凝縮領域５６は例えば、クライオパネル表面上で吸着材の欠落した区域であり、クライオパネル基材表面例えば金属面が露出されている。

【0052】

トップクライオパネル５２は比較的大型であり、そのため、放射シールド３０との間に比較的狭い径方向隙間５８を形成する。トップクライオパネル５２の径は、例えば、シールド主開口３４の径の７０％以上である。また、トップクライオパネル５２の径はシールド主開口３４の径の９８％以下である。こうして、トップクライオパネル５２が放射シールド３０に確実に非接触とすることができる。

【0053】

トップクライオパネル５２は、軸方向にキャップ下端３２ｃとごく近接して配設される。トップクライオパネル５２がキャップ下端３２ｃから非接触に配設され、トップクライオパネル５２とキャップ部材３２との温度差が保たれる。

【0054】

シールド前端３６からトップクライオパネル５２への軸方向距離は、シールド前端３６から先端ステージ面２４ａへの軸方向距離（または、キャップ上端３２ａから先端ステージ面２４ａへの軸方向距離３３）の２倍以上であってもよい。また、シールド前端３６からトップクライオパネル５２への軸方向距離は、シールド前端３６から先端ステージ面２４ａへの軸方向距離の５倍以上または１０倍以上であってもよい。このようにして、軸方向に比較的広い環状の空きスペース６４が入口クライオパネル３１とトップクライオパネル５２との間に形成される。

【0055】

２段クライオパネル２０は、軸方向においてキャップ部材３２とシールド底部３８との間に配設される。第１冷却ステージ２２がシールド底部３８よりも軸方向に下方にあるから、２段クライオパネル２０は、軸方向にキャップ部材３２と第１冷却ステージ２２との間に配設される。先端ステージ面２４ａは、シールド前端３６からシールド底部３８へのシールド深さ４１の上半分４１ａに位置する。先端ステージ面２４ａには、どのクライオパネル５０も設けられていない。トップクライオパネル５２は、シールド深さ４１の下半分４１ｂに位置する（すなわち、すべてのクライオパネル５０がシールド深さ４１の下半分４１ｂに位置する）。あるいは、トップクライオパネル５２（すなわちクライオパネル５０）は、シールド深さ４１を三等分した領域のうち最下領域に位置してもよい。このことも、空きスペース６４を広くすることに役立つ。

【0056】

キャップ部材３２とシールド側部４０との径方向距離６２は、クライオパネル５０とシールド側部４０の径方向隙間５８より大きい。これにより、空きスペース６４を径方向に広くなる。空きスペース６４は、トップクライオパネル５２上に凝縮して堆積する凝縮物を収容するための何も無い空間である。キャップ側部３２ｂとシールド側部４０との間にはクライオパネルまたはその他の部材は設けられていない。とくに、キャップ側部３２ｂの外周面には、他の部材は取り付けられていない。

【0057】

クライオパネル取付部材５１は、キャップ部材３２と第２冷却ステージ２４との隙間６０において第２冷却ステージ２４から２段クライオパネル２０へと延在する。クライオパネル取付部材５１の上端が第２冷却ステージ２４に取り付けられ、下端がボトムクライオパネル５３に取り付けられている。こうして、クライオパネル取付部材５１は、先端ステージ面２４ａからボトムクライオパネル５３へと延在する。クライオパネル取付部材５１は、径方向にキャップ側部３２ｂとごく近接して配設される。

【0058】

キャップ部材３２（より具体的には、キャップ側部３２ｂ）と第２シリンダ２５との径方向距離（すなわち隙間６０の幅）は、第２シリンダ２５の径より小さい。キャップ部材３２と第２シリンダ２５との径方向距離は、第２シリンダ２５の半径または第２シリンダ２５の径の１／４より小さくてもよい。このようにすれば、キャップ部材３２が第２シリンダ２５に近接して配置されるので、空きスペース６４を広くとることができる。空きスペース６４に所望の容積を確保するために吸気口１２の口径（または、クライオポンプハウジング７０または放射シールド３０の径）を不必要に大きくすることを避けることができる。また、隙間６０を狭くすることにより、隙間６０へのガスの流入を抑制することができる。

【0059】

また、キャップ部材３２の径は、第１シリンダ２３の径と同程度であってもよく、または、第１シリンダ２３の径より小さくてもよい。

【0060】

図３は、第１実施形態に係るクライオパネル取付部材５１を概略的に示す斜視図である。図３においては理解の容易のために、キャップ部材３２を破線で示すとともに、クライオパネル５０の図示は省略する。

【0061】

クライオパネル取付部材５１は、先端ステージ面２４ａがキャップ部材３２と直接面するよう第２冷却ステージ２４の側面２４ｂに取り付けられている。クライオパネル取付部材５１は先端ステージ面２４ａを覆わないので、その分だけ先端ステージ面２４ａをキャップ部材３２に近づけることができる。このこともクライオポンプ１０の軸長の短縮に役立つ。

【0062】

図４は、第１実施形態に係るトップクライオパネル５２を概略的に示す上面図である。上述のように、トップクライオパネル５２の上面は全域が凝縮領域５６であり吸着材は設けられていない。トップクライオパネル５２の下面には破線で図示するように吸着領域５４が設けられている。

【0063】

トップクライオパネル５２には、外周の一部分から中心部へと切欠部５２ａが形成されている。切欠部５２ａは、クライオパネル取付部材５１にトップクライオパネル５２を取り付けるために設けられている。切欠部５２ａが設けられていることにより、トップクライオパネル５２は、横型のクライオポンプと共用することができる（つまり、横型のクライオポンプへの取付が容易である）。

【0064】

なお、トップクライオパネル５２は、切欠部５２ａのうち外周部分を有しなくてもよい。この場合、トップクライオパネル５２は、中心穴を有する円板状またはドーナツ状であってもよい。あるいは、トップクライオパネル５２は、切欠部５２ａを有さず、円板状であってもよい。

【0065】

上記の構成のクライオポンプ１０の動作を以下に説明する。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１段クライオパネル１８、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。

【0066】

入口クライオパネル３１は、真空チャンバからクライオポンプ１０に向かって飛来するガスを冷却する。入口クライオパネル３１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）ガスが凝縮する。このガスは、第１種ガスと称されてもよい。第１種ガスは例えば水蒸気である。こうして、入口クライオパネル３１は、第１種ガス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ガスの一部は、吸気口１２から内部空間１４へと進入する。あるいは、ガスの他の一部は、入口クライオパネル３１で反射され、内部空間１４に進入しない。

【0067】

内部空間１４に進入したガスは、２段クライオパネル２０によって冷却される。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）ガスが凝縮する。このガスは、第２種ガスと称されてもよい。第２種ガスは例えばアルゴンである。こうして、２段クライオパネル２０は、第２種ガスを排気することができる。

【0068】

第２冷却温度で蒸気圧が充分に低くないガスは、２段クライオパネル２０の吸着材に吸着される。このガスは、第３種ガスと称されてもよい。第３種ガスは例えば水素である。こうして、２段クライオパネル２０は、第３種ガス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、種々のガスを凝縮または吸着により排気し、真空チャンバの真空度を所望のレベルに到達させることができる。

【0069】

図５は、あるクライオポンプ８０の運転中の様子を概略的に示す。クライオポンプ８０においては、第２冷却ステージ８１の上面に２段クライオパネル８２が取り付けられている。そのため、２段クライオパネル８２と１段クライオパネル８３との間の空間が比較的狭い。図示されるように、クライオポンプ８０の使用につれて２段クライオパネル８２には第２種ガスが凝縮し、霜状の凝縮物８４が成長する。凝縮物８４が１段クライオパネル８３に接触すると、凝縮物８４からガスが気化する。こうしてクライオポンプ８０は吸蔵限界に達する。

【0070】

図６は、第１実施形態に係るクライオポンプ１０の運転中の様子を概略的に示す。図６においては簡明のため、トップクライオパネル５２に堆積する凝縮物６６を示し、他のクライオパネル５０に堆積する凝縮物の図示を省略する。

【0071】

クライオポンプ１０には上述のように、凝縮物６６を収容するために、広い空きスペース６４が確保されている。先端ステージ面２４ａがキャップ部材３２で覆われているので、先端ステージ面２４ａにはガスがほとんど又は全く凝縮しない。先端ステージ面２４ａだけでなく、第２冷却ステージ２４の全体およびその近傍のクライオパネル取付部材５１もキャップ部材３２で覆われている。このようにして、第２種ガスの吸蔵限界が向上されたクライオポンプ１０を提供することができる。とくに、縦型クライオポンプにおける第２種ガスの吸蔵量を向上することができる。

【0072】

また、第２冷却ステージ２４が入口クライオパネル３１にごく近接して配設される。そのため、クライオポンプ１０の軸方向の全長を短くすることができる。軸長が短縮された縦型クライオポンプを提供することができる。

【0073】

図７は、第２実施形態に係るクライオポンプ１０を概略的に示す上面図である。図８は、図７に示されるクライオポンプ１０のＢ−Ｂ線断面を概略的に示す。第２実施形態において第１実施形態と同様の箇所については冗長を避けるため説明を適宜省略する。

【0074】

第１実施形態と異なり、クライオパネル５０は円すい状の形状を有する。トップクライオパネル５２は、シールド深さ４１の上半分４１ａに位置し、ボトムクライオパネル５３は、シールド深さ４１の下半分４１ｂに位置する。

【0075】

しかし、第１実施形態と同様に、トップクライオパネル５２は、軸方向にキャップ部材３２とごく近接して配設される。シールド前端３６からトップクライオパネル５２への軸方向距離は、シールド前端３６から先端ステージ面２４ａへの軸方向距離の２倍以上である。

【0076】

第１実施形態と同様に、キャップ部材３２は、放射シールド３０及び冷凍機１６の第１冷却ステージとは物理的に接触していない。キャップ部材３２は、入口クライオパネル３１を介して放射シールド３０に取り付けられ、冷凍機１６の第１冷却ステージに熱的に結合されている。また、キャップ部材３２と冷凍機１６の第２シリンダとの径方向距離は、第２シリンダの径より小さい。

【0077】

キャップ部材３２とトップクライオパネル５２との接触を避けるため、第２実施形態においては、軸長が短いキャップ部材３２が用いられる。キャップ部材３２の軸長は、キャップ上端３２ａから先端ステージ面２４ａへの軸方向距離より長い。キャップ上端３２ａから先端ステージ面２４ａへの軸方向距離がシールド深さ４１の１／１０未満であってもよい。また、キャップ部材３２の軸長は、入口クライオパネル３１からトップクライオパネル５２への軸方向距離より短い。

【0078】

クライオパネル取付部材５１は、先端ステージ面２４ａがキャップ部材３２と直接面するよう第２冷却ステージ２４の側面に取り付けられている。

【0079】

入口クライオパネル３１は、プレート部材を備える。プレート部材は、シールド主開口３４を横断する一枚の平板（例えば円板）であり、ジョイントブロック４６を介してシールド前端３６に取り付けられている。プレート部材の下面中心部にはキャップ上端３２ａが取り付けられている。プレート部材には、キャップ上端３２ａを囲むように小孔３１ｃが配列されている。小孔３１ｃはプレート部材を貫通しており、小孔３１ｃを通じてクライオポンプ１０の外から中へのガス流れが許容される。

【0080】

このように、キャップ部材３２は、任意の縦型クライオポンプに適用することができる。

【0081】

第２実施形態においても先端ステージ面２４ａを入口クライオパネル３１にごく近接して配設することができるので、クライオポンプ１０の軸方向の全長を短くすることができる。軸長が短縮された縦型クライオポンプを提供することができる。

【0082】

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。

【符号の説明】

【0083】

１０ クライオポンプ、 １６ 冷凍機、 ２１ 冷凍機構造部、 ２４ａ 先端ステージ面、 ２４ｂ 側面、 ３０ 放射シールド、 ３１ 入口クライオパネル、 ３２ キャップ部材、 ３２ａ キャップ上端、 ３２ｃ キャップ下端、 ３２ｄ キャップ軸長、 ３３ 軸方向距離、 ３４ シールド主開口、 ３６ シールド前端、 ３８ シールド底部、 ４１ シールド深さ、 ４１ａ 上半分、 ４１ｂ 下半分、 ４２ 冷凍機挿通孔、 ５０ クライオパネル、 ５１ クライオパネル取付部材、 ５２ トップクライオパネル。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】