特開 2024-85232 クライオポンプおよびクライオポンプ再生方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024085232

(43)【公開日】2024-06-26

(54)【発明の名称】クライオポンプおよびクライオポンプ再生方法

(51)【国際特許分類】

   F04B 37/08 20060101AFI20240619BHJP

【ＦＩ】

F04B37/08

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022199650

(22)【出願日】2022-12-14

(71)【出願人】

【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】高橋 走

【テーマコード（参考）】

3H076

【Ｆターム（参考）】

3H076AA26

3H076AA27

3H076BB11

3H076BB28

3H076BB35

3H076BB43

3H076CC41

3H076CC54

(57)【要約】

【課題】クライオポンプの再生中にクライオポンプから排出される危険ガス濃度を抑制する。
【解決手段】クライオポンプ再生方法は、冷却運転の最中にクライオポンプ１０に希釈ガスを供給することと、クライオポンプ１０内の極低温面に希釈ガスを蓄積することと、極低温面に捕捉されている他のガスを希釈ガスとともに再気化することと、再気化されたガスおよび希釈ガスの混合ガスをクライオポンプ１０から排出することと、を備える。希釈ガスは、パージガスであってもよい。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

クライオポンプ容器と、
前記クライオポンプ容器内に配置されるクライオパネルと、
前記クライオポンプ容器に設置され、前記クライオパネルと熱的に結合される冷凍機と、
前記クライオポンプ容器にパージガスを供給するボディパージバルブと、
前記クライオパネルを冷却する前記冷凍機の冷却運転の最中に、パージガスが前記クライオポンプ容器に供給されるように前記ボディパージバルブを制御するように構成される再生コントローラと、を備えることを特徴とするクライオポンプ。

【請求項2】

前記再生コントローラは、前記冷凍機の前記冷却運転の最中に、パージガスが間欠的に前記クライオポンプ容器に供給されるように前記ボディパージバルブを制御するように構成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】

前記再生コントローラはさらに、前記冷凍機の前記冷却運転の終了後にも、パージガスが前記クライオポンプ容器に供給されるように前記ボディパージバルブを制御するように構成され、
前記冷却運転の最中に供給されるパージガスの流量が、前記冷却運転の終了後に供給されるパージガスの流量に比べて少ない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4】

前記再生コントローラは、パージガスが供給されるとき、前記冷凍機の冷凍能力をパージガスの供給前に比べて増加させるように前記冷凍機を制御するように構成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5】

前記クライオパネルの温度を測定する温度センサをさらに備え、
前記再生コントローラは、
前記温度センサによる前記クライオパネルの測定温度を取得し、
前記測定温度を極低温の温度しきい値と比較し、
前記測定温度が前記極低温の温度しきい値を下回るときパージガスが供給されるように前記ボディパージバルブを制御するように構成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6】

クライオポンプに希釈ガスを、前記クライオポンプの冷凍機の冷却運転の最中に供給することと、
前記クライオポンプ内の極低温面に前記希釈ガスを蓄積することと、
前記極低温面に捕捉されている他のガスを前記希釈ガスとともに再気化することと、
再気化された前記ガスおよび前記希釈ガスの混合ガスを前記クライオポンプから排出することと、を備えることを特徴とするクライオポンプ再生方法。

【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再生方法に関する。

【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】特表２００７－５２１４３８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

半導体製造プロセスでは、爆発性、腐食性、有毒性などさまざまな危険性をもつ危険ガスが使用されることがある。クライオポンプ内に溜め込まれた危険ガスは、再生によりクライオポンプから排出される。再生開始直後はクライオポンプの昇温により、溜め込まれた危険ガスが急速に再気化し、クライオポンプ内で危険ガスの濃度が顕著に高まりうる。

【0005】

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、クライオポンプの再生中にクライオポンプから排出される危険ガス濃度を抑制することにある。

【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、クライオポンプ容器と、クライオポンプ容器内に配置されるクライオパネルと、クライオポンプ容器に設置され、クライオパネルと熱的に結合される冷凍機と、クライオポンプ容器にパージガスを供給するボディパージバルブと、クライオパネルを冷却する冷凍機の冷却運転の最中に、パージガスがクライオポンプ容器に供給されるようにボディパージバルブを制御するように構成される再生コントローラと、を備える。

【0007】

本発明のある態様によると、クライオポンプ再生方法は、クライオポンプに希釈ガスを、前記クライオポンプの冷凍機の冷却運転の最中に供給することと、クライオポンプ内の極低温面に希釈ガスを蓄積することと、極低温面に捕捉されている他のガスを希釈ガスとともに再気化することと、再気化されたガスおよび希釈ガスの混合ガスをクライオポンプから排出することと、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、クライオポンプの再生中にクライオポンプから排出される危険ガス濃度を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施の形態に係るクライオポンプシステムを模式的に示す。

【図2】実施の形態に係るクライオポンプシステムを模式的に示す。

【図3】実施の形態に係る例示的なクライオポンプ再生方法を示すフローチャートである。

【図4】図３に示されるクライオポンプ再生方法の一例を示すフローチャートである。

【図5】実施の形態に係る例示的なクライオポンプ再生方法を示すフローチャートである。

【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および図２は、実施の形態に係るクライオポンプシステムを模式的に示す。図１にはクライオポンプ１０の外観が模式的に示され、図２にはクライオポンプ１０の内部構造が模式的に示される。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１００に取り付けられて、真空チャンバ１００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。例えば１０^－５Ｐａ乃至１０^－８Ｐａ程度の高い真空度が真空チャンバ１００に実現される。

【0013】

クライオポンプ１０は、圧縮機１２と、冷凍機１４と、クライオポンプ容器１６とを備える。クライオポンプ容器１６は、クライオポンプ吸気口１７を有する。また、クライオポンプ１０は、ラフバルブ１８と、ボディパージバルブ２０と、排出バルブ２２と、排出パージバルブ２４とを備え、これらはクライオポンプ容器１６に設置されている。

【0014】

圧縮機１２は、冷媒ガスを冷凍機１４から回収し、回収した冷媒ガスを昇圧して、再び冷媒ガスを冷凍機１４に供給するよう構成されている。冷凍機１４は、膨張機またはコールドヘッドとも称され、圧縮機１２とともに極低温冷凍機を構成する。圧縮機１２と冷凍機１４との間の冷媒ガスの循環が冷凍機１４内での冷媒ガスの適切な圧力変動と容積変動の組み合わせをもって行われることにより、寒冷を発生する熱力学的サイクルが構成され、冷凍機１４は極低温冷却を提供することができる。冷媒ガスは、通例はヘリウムガスであるが、適切な他のガスが用いられてもよい。理解のために、冷媒ガスの流れる方向を図１に矢印で示す。極低温冷凍機は、一例として、二段式のギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機であるが、パルス管冷凍機、スターリング冷凍機、またはそのほかのタイプの極低温冷凍機であってもよい。

【0015】

図２に示されるように、冷凍機１４は、室温部２６、第１シリンダ２８、第１冷却ステージ３０、第２シリンダ３２、および第２冷却ステージ３４を備える。冷凍機１４は、第１冷却ステージ３０を第１冷却温度に冷却し、第２冷却ステージ３４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３０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３４は１０Ｋ～２０Ｋ程度に冷却される。第１冷却ステージ３０及び第２冷却ステージ３４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。このように第１冷却ステージ３０と第２冷却ステージ３４がそれぞれの目標冷却温度に冷却されることで、クライオポンプ１０は真空排気運転をすることができる。

【0016】

第１シリンダ２８は第１冷却ステージ３０を室温部２６に接続し、それにより第１冷却ステージ３０は室温部２６に構造的に支持される。第２シリンダ３２は第２冷却ステージ３４を第１冷却ステージ３０に接続し、それにより第２冷却ステージ３４は第１冷却ステージ３０に構造的に支持される。第１シリンダ２８と第２シリンダ３２は径方向に沿って同軸に延在しており、室温部２６、第１シリンダ２８、第１冷却ステージ３０、第２シリンダ３２、及び第２冷却ステージ３４は、この順に直線状に一列に並ぶ。

【0017】

冷凍機１４が二段式のＧＭ冷凍機の場合、第１シリンダ２８及び第２シリンダ３２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モータ２６ａなど駆動機構（図示せず）を有する。駆動機構は、冷凍機１４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。

【0018】

また、クライオポンプ１０は、放射シールド３６とクライオパネル３８を備える。放射シールド３６は、放射シールド３６は、クライオポンプ１０の外部またはクライオポンプ容器１６からの輻射熱からクライオパネル３８を保護するための極低温表面を提供するために、第１冷却ステージ３０に熱的に結合され、第１冷却温度に冷却される。

【0019】

放射シールド３６は、例えば筒型の形状を有し、クライオパネル３８と第２冷却ステージ３４を包囲するように配置されている。クライオポンプ吸気口１７側の放射シールド３６の端部は開放されており、クライオポンプ１０の外からクライオポンプ吸気口１７を通じて進入する気体を放射シールド３６内に受け入れることができる。クライオポンプ吸気口１７と反対側の放射シールド３６の端部は閉塞され、または開口を有し、または開放されていてもよい。放射シールド３６はクライオパネル３８との間に隙間を有しており、放射シールド３６はクライオパネル３８と接触していない。放射シールド３６はクライオポンプ容器１６とも接触していない。

【0020】

クライオポンプ吸気口１７に、またはクライオポンプ吸気口１７とクライオパネル３８の間には、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１００内の熱源）からの輻射熱からクライオパネル３８を保護するために、入口バッフル３７が設けられてもよい。入口バッフル３７は、放射シールド３６の開放端に固定され、放射シールド３６を介して冷凍機１４の第１冷却ステージ３０に熱的に結合されてもよい。あるいは、入口バッフル３７は、第１冷却ステージ３０に取り付けられてもよい。入口バッフル３７は放射シールド３６と同温度に冷却され、その表面にいわゆるタイプ１ガス（水蒸気などの比較的高温で凝縮する気体）を凝縮することができる。

【0021】

クライオパネル３８は、タイプ２ガス（例えばアルゴン、窒素などの比較的低温で凝縮する気体）を凝縮する極低温表面を提供するために、第２冷却ステージ３４に熱的に結合され、第２冷却温度に冷却される。また、クライオパネル３８には、タイプ３ガス（例えば水素などの非凝縮性気体）を吸着するために、少なくとも一部の表面（例えばクライオポンプ吸気口１７とは反対側の表面）に例えば活性炭またはその他の吸着材が配置されている。クライオポンプ１０の外からクライオポンプ吸気口１７を通じて放射シールド３６内に進入する気体はクライオパネル３８に凝縮または吸着により捕捉される。放射シールド３６やクライオパネル３８の配置や形状など、これらがとりうる形態は、種々の公知の構成を適宜採用することができるので、ここでは詳述しない。

【0022】

クライオポンプ容器１６は、容器胴体１６ａと冷凍機収容筒１６ｂを有する。クライオポンプ容器１６は、クライオポンプ１０の真空排気運転中に真空を保持し、周囲環境の圧力（例えば大気圧）に耐えるように設計された真空容器である。容器胴体１６ａは、その一端にクライオポンプ吸気口１７を有し、他端が閉じられた筒型の形状を有する。容器胴体１６ａには、放射シールド３６が収容され、上述のように放射シールド３６内にはクライオパネル３８が第２冷却ステージ３４とともに収容されている。冷凍機収容筒１６ｂは、一端が容器胴体１６ａに結合され他端が冷凍機１４の室温部２６に固定されている。冷凍機収容筒１６ｂには、冷凍機１４が挿入され、第１シリンダ２８が収容されている。

【0023】

この実施の形態では、クライオポンプ１０は、冷凍機１４が容器胴体１６ａの側部に設けられたいわゆる横型のクライオポンプである。容器胴体１６ａの側部には、冷凍機挿入口が設けられ、冷凍機収容筒１６ｂは、この冷凍機挿入口で容器胴体１６ａの側部に結合されている。同様に、容器胴体１６ａの冷凍機挿入口に隣接して、放射シールド３６の側部にも冷凍機１４を通す穴が設けられている。これらの穴を通じて冷凍機１４の第２シリンダ３２と第２冷却ステージ３４が放射シールド３６の中に挿入され、放射シールド３６はその側部の穴の周囲で第１冷却ステージ３０と熱的に結合されている。

【0024】

クライオポンプ１０は、使用される現場で様々な姿勢で真空チャンバ１００に設置されうる。一例として、クライオポンプ１０は、図示される横向きの姿勢、すなわちクライオポンプ吸気口１７を上方に向けた姿勢で設置されることができる。このとき、容器胴体１６ａの底部がクライオポンプ吸気口１７に対して下方に位置し、冷凍機１４は水平方向に延在する。

【0025】

クライオポンプ１０は、第１冷却ステージ３０の温度を測定するための第１温度センサ４０と、第２冷却ステージ３４の温度を測定するための第２温度センサ４２と、を備える。第１温度センサ４０は、第１冷却ステージ３０に取り付けられている。第２温度センサ４２は、第２冷却ステージ３４に取り付けられている。第１温度センサ４０によって測定される第１冷却ステージ３０の温度は、放射シールド３６の温度とみなすことができ、第２温度センサ４２によって測定される第２冷却ステージ３４の温度は、クライオパネル３８の温度とみなすことができる。よって、第１温度センサ４０は、放射シールド３６の温度を測定し、放射シールド３６の測定温度を示す第１測定温度信号を出力することができる。第２温度センサ４２は、クライオパネル３８の温度を測定し、クライオパネル３８の測定温度を示す第２測定温度信号を出力することができる。また、クライオポンプ容器１６の内部に圧力センサ４４が設けられている。圧力センサ４４は例えば、冷凍機収容筒１６ｂに設置され、クライオポンプ容器１６の内圧を測定し、測定圧力を示す測定圧力信号を出力することができる。

【0026】

また、クライオポンプ１０は、クライオポンプ１０を制御するコントローラ４６を備える。コントローラ４６は、クライオポンプ１０に一体に設けられていてもよいし、クライオポンプ１０とは別体の制御装置として構成されていてもよい。

【0027】

コントローラ４６は、クライオポンプ１０の真空排気運転においては、放射シールド３６及び／またはクライオパネル３８の冷却温度に基づいて、冷凍機１４を制御してもよい。コントローラ４６は、第１温度センサ４０からの第１測定温度信号を受信するよう第１温度センサ４０と接続され、第２温度センサ４２からの第２測定温度信号を受信するよう第２温度センサ４２と接続されていてもよい。

【0028】

また、コントローラ４６は、クライオポンプ１０の再生コントローラとして動作可能である。コントローラ４６は、クライオポンプ１０の再生運転においては、クライオポンプ容器１６内の圧力に基づいて（または、必要に応じて、クライオパネル３８の温度およびクライオポンプ容器１６内の圧力に基づいて）、冷凍機１４、ラフバルブ１８、ボディパージバルブ２０、排出バルブ２２、排出パージバルブ２４を制御してもよい。コントローラ４６は、圧力センサ４４からの測定圧力信号を受信するよう圧力センサ４４と接続されていてもよい。

【0029】

コントローラ４６の内部構成は、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。

【0030】

たとえば、コントローラ４６は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、マイコンなどのプロセッサ（ハードウェア）と、プロセッサ（ハードウェア）が実行するソフトウェアプログラムの組み合わせで実装することができる。ソフトウェアプログラムは、クライオポンプ１０の再生をコントローラ４６に実行させるためのコンピュータプログラムであってもよい。

【0031】

ラフバルブ１８は、クライオポンプ容器１６、例えば冷凍機収容筒１６ｂに設置されている。ラフバルブ１８は、クライオポンプ１０の外部に設置されたラフポンプ（図示せず）に接続される。ラフポンプは、クライオポンプ１０をその動作開始圧力まで真空引きをするための真空ポンプである。コントローラ４６の制御によりラフバルブ１８が開放されるときクライオポンプ容器１６がラフポンプに連通され、ラフバルブ１８が閉鎖されるときクライオポンプ容器１６がラフポンプから遮断される。ラフバルブ１８を開きかつラフポンプを動作させることにより、クライオポンプ１０を減圧することができる。

【0032】

ボディパージバルブ２０は、クライオポンプ容器１６の容器胴体１６ａにパージガスを供給する「ボディパージ」を可能とする。例示的な構成として、ボディパージバルブ２０は、クライオポンプ容器１６、例えば容器胴体１６ａに設置されている。また、ボディパージバルブ２０は、クライオポンプ１０の外部に設置されたパージガス源４８またはパージガス供給装置に接続される。

【0033】

コントローラ４６の制御によりボディパージバルブ２０が開放されるときパージガスがパージガス源４８からクライオポンプ容器１６に供給され、ボディパージバルブ２０が閉鎖されるときクライオポンプ容器１６へのパージガス供給が遮断される。ボディパージバルブ２０を開きパージガスをクライオポンプ容器１６に導入することにより、クライオポンプ１０を昇圧することができる。また、クライオポンプ１０を極低温から室温またはそれより高い温度に昇温することができる。あるいは、後述のように、ボディパージバルブ２０によりパージガスの流量を調節することにより、クライオポンプ１０内の圧力および温度を維持し、または顕著な上昇を抑えつつ、クライオポンプ１０にパージガスを供給することができる。

【0034】

パージガスは例えば窒素ガス、またはその他の乾燥したガスであってもよく、パージガスの温度は、たとえば室温（０℃より高く、例えば１５℃～３０℃）に調整され、または室温より高温（例えば５０℃以下または８０℃以下）に加熱されていてもよい。あるいは、パージガスの温度は、室温より低温（例えば、０℃より低い温度）に冷却されていてもよい。パージガスの冷却は、後述のように、冷凍機１４の冷却運転の最中にパージガスがクライオポンプ容器１６に供給される場合に、クライオパネル３８の温度上昇を抑制するうえで好適でありうる。

【0035】

排出バルブ２２は、クライオポンプ容器１６、例えば冷凍機収容筒１６ｂに設置されている。排出バルブ２２は、クライオポンプ１０の内部から外部に流体を排出するために、クライオポンプ容器１６の出口として設けられている。排出バルブ２２は、後述する排出ライン５０への入口でもある。コントローラ４６の制御により排出バルブ２２が開放されるときクライオポンプ容器１６から流体が排出され、排出バルブ２２が閉鎖されるときクライオポンプ容器１６からの流体排出が遮断される。排出バルブ２２から排出される流体は基本的にはガスであるが、液体または気液の混合物であってもよい。排出バルブ２２は、例えば常閉型の制御弁であってもよい。

【0036】

加えて、排出バルブ２２は、ベントバルブまたは安全弁として機能してもよく、所定の差圧が作用したときに機械的に開放されるよう構成されてもよい。その場合、クライオポンプ内部が何らかの理由で高圧となったときに制御を要することなく排出バルブ２２は機械的に開放される。それにより内部の高圧を排出ライン５０に逃がすことができる。

【0037】

排出パージバルブ２４は、排出ライン５０にパージガスを供給する「排出パージ」を可能とする。例示的な構成として、排出バルブ２２と排出パージバルブ２４が別々に設けられ、排出パージバルブ２４が排出バルブ２２の下流に配管で接続されてもよい。あるいは、排出パージバルブ２４は、排出バルブ２２またはその下流にパージガスを供給するように排出バルブ２２と一体に設けられてもよい。排出パージバルブ２４は、クライオポンプ容器１６、例えば冷凍機収容筒１６ｂに設置されてもよい。排出パージバルブ２４は、パージガス源４８または別のパージガス源に接続される。

【0038】

コントローラ４６の制御により排出パージバルブ２４が開放されるときパージガスがパージガス源４８から排出ライン５０に供給され、排出パージバルブ２４が閉鎖されるとき排出ライン５０へのパージガス供給が遮断される。なお、排出パージバルブ２４から供給されるパージガスは、通例、ボディパージバルブ２０から供給されるパージガスと同種のガス（例えば、窒素ガス）であるが、適する異種のガスが使用されてもよい。

【0039】

排出ライン５０は、排出流体をクライオポンプ１０から処理装置６０に排出するために設けられ、その上流端で排出バルブ２２および排出パージバルブ２４に接続され、下流端で処理装置６０に接続される。

【0040】

処理装置６０は例えば、排出流体に含まれる危険ガス（例えば水素ガス、または爆発性をもつ他のガス、または、例えばフッ素系ガスまたはハロゲン系ガスなど腐食性または有毒性をもつ他のガス）を処理して無害なガスを生成する除害装置であってもよく、または、危険ガスを処理してその危険性を低減する処理装置であってもよい。こうした処理装置６０としては、公知の除害装置または処理装置を適宜採用することができるので、ここではその詳細は述べない。

【0041】

クライオポンプ１０の真空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。クライオポンプ１０の再生は一般に、昇温工程、排出工程、及びクールダウン工程を含む。

【0042】

クライオポンプ１０と真空排気される真空チャンバ１００との間にはゲートバルブ１０２が設置されており、クライオポンプ１０の再生を開始する際にゲートバルブ１０２が閉鎖され、クライオポンプ１０は真空チャンバ１００から切り離される（クライオポンプ１０の内部容積は真空チャンバ１００から隔離される）。

【0043】

昇温工程は、クライオポンプ１０に捕捉されているガスのうち危険ガスの沸点またはそれを超える温度にクライオポンプ１０を昇温することと、クライオポンプ１０を再生温度までさらに昇温することと、を含む。危険ガスは典型的に、例えばタイプ２ガスまたはタイプ３ガスであり、危険ガスの沸点は、例えば１００Ｋ以下である。再生温度は、例えば室温またはそれより高い温度である。よって、多くの場合危険ガスは、昇温工程の前半、とくに開始直後に再気化しクライオポンプ１０から排出され処理装置６０に流入する。危険ガスは昇温工程でクライオポンプ１０から除去される。

【0044】

昇温のための熱源は、例えば、冷凍機１４である。冷凍機１４は、昇温運転（いわゆる逆転昇温）を可能とする。すなわち、冷凍機１４は、室温部２６に設けられた駆動機構が冷却運転とは逆方向に動作する（つまりモータ２６ａが逆回転する）とき作動気体に断熱圧縮が生じるよう構成されている。こうして得られる圧縮熱で冷凍機１４は第１冷却ステージ３０及び第２冷却ステージ３４を加熱する。放射シールド３６とクライオパネル３８はそれぞれ第１冷却ステージ３０及び第２冷却ステージ３４を熱源として加熱される。また、ボディパージバルブ２０からクライオポンプ容器１６内に供給されるパージガスもクライオポンプ１０の昇温に寄与しうる。あるいは、クライオポンプ１０には、例えば電気ヒータなどの加熱装置が設けられてもよい。例えば、冷凍機１４の運転から独立して制御可能な電気ヒータが冷凍機１４の第１冷却ステージ３０及び／または第２冷却ステージ３４に装着されていてもよい。

【0045】

排出工程においてはクライオポンプ１０に捕捉された気体が再気化または液化され、気体、液体または気液の混合物として、排出ライン５０を通じて、またはラフバルブ１８を通じて排出される。タイプ２ガスおよびタイプ３ガスは既に昇温工程でクライオポンプ１０から容易に排出されうるので、排出工程は主にタイプ１ガスを排出するための工程である。排出工程が完了すれば、クールダウン工程が開始される。クールダウン工程においてはクライオポンプ１０が真空排気運転のための極低温に再冷却される。こうして再生が完了すれば、ゲートバルブ１０２が再び開かれ、クライオポンプ１０は再び真空排気運転を始めることができる。

【0046】

ところで、クライオポンプ１０の主な用途の１つにイオン注入装置の真空排気がある。この場合、クライオポンプ１０には主として水素ガスが溜め込まれる。クライオパネル３８に捕捉されていた水素ガスは、再生中、とりわけ再生（昇温工程）の開始直後に一挙に再気化しうる。既存の再生方法では、水素ガスはクライオポンプ容器１６内でボディパージによって希釈されるが、それでも、クライオポンプ容器１６から排出ライン５０を処理装置６０へと流れる排出流体は一時的にかなり高い濃度で水素ガスを含有しうる。

【0047】

高濃度の水素ガスには爆発または燃焼のリスクがあるから、クライオポンプ１０および排出ライン５０の安全管理上、排出流体における水素ガスの濃度ピークをなるべく低く抑えることが望まれる。水素ガスの濃度ピークは、例えば、爆発限界を考慮して４％未満に抑えることが望まれうる。あるいは、安全率を考慮して、水素ガスの濃度ピークは、より低い値、例えば２％未満に抑えることが望まれうる。このような低い濃度までボディパージによってクライオポンプ容器１６内を希釈するには、再生開始直後にかなり大きな流量（例えば毎分数百リットル）のパージガスが必要となり得る。他の種類の危険ガスについても同様に、再生開始直後の濃度ピークを抑えるために、一時的に大流量のパージガスが必要となり得る。しかし、このような対処は、必要となるコスト増加を考慮すると、現実的ではないかもしれない。

【0048】

図３は、実施の形態に係る例示的なクライオポンプ再生方法を示すフローチャートである。クライオポンプ再生方法は、クライオポンプ１０に希釈ガスを供給することと（Ｓ１０）、冷却運転の最中にクライオポンプ１０内の極低温面に希釈ガスを蓄積することと（Ｓ１１）、極低温面に捕捉されている他のガスを希釈ガスとともに再気化することと（Ｓ１２）、再気化されたガスおよび希釈ガスの混合ガスをクライオポンプ１０から排出することと（Ｓ１３）、を備える。ガスの再気化（Ｓ１２）および混合ガスの排出（Ｓ１３）は、上述の昇温工程に含まれてもよい。本方法は、さらに、上述の排出工程（Ｓ１４）およびクールダウン工程（Ｓ１５）を備えてもよい。

【0049】

このようにすれば、クライオポンプ１０内の極低温面に希釈ガスをあらかじめ蓄えることができる。そのため、クライオポンプ１０内に危険ガスが吸蔵されていたとしても、再生において危険ガスとともに希釈ガスが再気化することになる。クライオポンプ１０内で危険ガスを希釈することができ、クライオポンプ１０の再生中にクライオポンプ１０から排出される危険ガス濃度を抑制することができる。これにより、クライオポンプ１０の再生の安全性を向上することができる。

【0050】

希釈ガスは、パージガスであってもよい。極低温面は、希釈ガスが凝縮する温度に冷却された表面であり、例えば、クライオパネル３８または第２冷却ステージ３４の表面であってもよい。あるいは、極低温面は、希釈ガスが凝縮する温度に冷却されている限り、クライオポンプ１０内の他の表面であってもよく、例えば、放射シールド３６、入口バッフル３７、または冷凍機１４（例えば、第１冷却ステージ３０、第２シリンダ３２）の表面であってもよい。極低温面に捕捉されている他のガスは、危険ガス（例えば水素ガス）を含んでもよい。

【0051】

図３に示される再生方法のクライオポンプ１０への例示的な実装においては、クライオポンプ１０の冷却下で、すなわち冷凍機１４の冷却運転の最中に、ボディパージが行われる。それによりクライオパネル３８など極低温面にパージガスを凝縮させ、クライオポンプ１０に吸蔵することができる。このようにして、クライオポンプ１０の再生における昇温工程の前に多量のパージガスをクライオポンプ１０内にあらかじめ導入し、固体または液体状態でクライオポンプ容器１６内に一時的に保存することができる。昇温工程では、クライオポンプ１０の真空排気運転によりクライオパネル３８に捕捉されていた危険ガスなど他のガスとともに多量のパージガスも再気化される。

【0052】

よって、このようなパージガスの事前導入が無かった既存の再生方法に比べて、実施の形態に係る再生方法は、クライオポンプ１０内の危険ガス濃度を低下させることができる。これにより、クライオポンプ１０から排出されて排出ライン５０を流れるガスにおける危険ガス濃度も低下させることができる。

【0053】

したがって、コントローラ４６は、クライオパネル３８を冷却する冷凍機１４の冷却運転の最中に、パージガスがクライオポンプ容器１６に供給されるようにボディパージバルブ２０を制御するように構成されてもよい。コントローラ４６は、冷凍機１４の運転状態を把握するように構成されてもよく、例えば、冷凍機１４の運転状態を示す冷凍機状態信号を受信または生成するように構成されてもよい。冷凍機状態信号は、冷凍機１４の冷却運転、停止、逆転昇温運転を含む複数の状態のなかから冷凍機１４の現在の状態を示すものであってもよい。あるいは、コントローラ４６は、第１温度センサ４０及び／または第２温度センサ４２の測定温度を受信し、この測定温度に基づいて、冷凍機１４が冷却運転をしているか否かを判定してもよい。コントローラ４６は、冷凍機状態信号に基づいて、または測定温度に基づいて、冷凍機１４が冷却運転をしているときボディパージバルブ２０を開くように構成されてもよい。

【0054】

一般に、ボディパージバルブ２０は、再生の昇温工程および排出工程のために望まれる比較的大きなパージガス流量を可能とするように構成されている。パージガスは上述のように室温付近の温度を有し、冷却下のクライオパネル３８に比べてかなり高温であるため、冷凍機１４が冷却運転をしているにもかかわらず、ボディパージによってクライオパネル３８が昇温されうる。過剰な昇温は、クライオパネル３８へのパージガスの凝縮を妨げうる。

【0055】

そこで、コントローラ４６はさらに、冷凍機１４の冷却運転の終了後にも（すなわち昇温工程及び／または排出工程において）、パージガスがクライオポンプ容器１６に供給されるようにボディパージバルブ２０を制御するように構成されてもよく、冷却運転の最中に供給されるパージガスの流量が、冷却運転の終了後に供給されるパージガスの流量に比べて少なくてもよい。このようにすれば、望ましいことに、実施の形態に係る希釈のためのパージガス事前導入でのパージガス流量を、通常（すなわち昇温工程及び／または排出工程）のボディパージに比べて抑制することができる。これにより、パージガス事前導入に伴うクライオポンプ１０への入熱を抑制することができる。

【0056】

例示的なクライオポンプ１０では、低コスト化の観点から、ボディパージバルブ２０は、オンオフ弁であってもよく、ボディパージバルブ２０のパージガス流量は一定である。この場合、パージガス流量の抑制のために、コントローラ４６は、冷凍機１４の冷却運転の最中に、パージガスが間欠的にクライオポンプ容器１６に供給されるようにボディパージバルブ２０を制御するように構成されてもよい。

【0057】

また、コントローラ４６は、パージガスが供給されるとき、冷凍機１４の冷凍能力をパージガスの供給前に比べて増加させるように冷凍機１４を制御するように構成されてもよい。冷凍能力を調整可能な冷凍機１４の例示的な構成として、冷凍機１４を駆動するモータ２６ａは、運転周波数を可変とするように構成されてもよく、このモータ２６ａの運転周波数を制御するインバータが設けられてもよい。この場合、コントローラ４６は、パージガスが供給されるとき、モータ２６ａの運転周波数をパージガスの供給前に比べて増加させるようにインバータを制御してもよい。このようにすれば、パージガスが供給されるとき冷凍機１４の冷凍能力を増加することができ、それにより、パージガス事前導入に伴うクライオポンプ１０の温度上昇を抑制することができる。

【0058】

図４は、図３に示されるクライオポンプ再生方法の一例を示すフローチャートである。図４に示されるパージガス事前導入処理は、再生開始指令を受けて、コントローラ４６によって実行されてもよい。再生開始指令は、クライオポンプ１０のユーザーからコントローラ４６に入力されてもよいし、あるいは、クライオポンプ１０が搭載された真空プロセス装置の制御装置など上位コントローラからコントローラ４６に入力されてもよい。

【0059】

図４に示されるように、本処理が開始されるとまず、冷凍機１４の冷凍能力が増加される（Ｓ２０）。例えば、コントローラ４６は、冷凍機１４を駆動するモータ２６ａの運転周波数を増加させるようにモータ２６ａを制御してもよい。一般に、クライオポンプ１０の再生開始前においては、冷凍機１４は比較的低い（例えば、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚよりも低い）運転周波数で運転されることで、極低温に冷却されたクライオパネル３８の温度を安定的に維持することができる。よって、コントローラ４６は、このような比較的低い運転周波数を超える運転周波数までモータ２６ａの運転周波数を増加させてもよい。モータ２６ａの運転周波数は、例えば、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚよりも高い運転周波数、または、モータ２６ａがとりうる最大の運転周波数に増加されてもよい。モータ２６ａの最大の運転周波数は、例えば、７０Ｈｚから１００Ｈｚの範囲にあってもよい。

【0060】

そして、ボディパージバルブ２０が所定時間開かれる（Ｓ２２）。コントローラ４６は、ボディパージバルブ２０を開き、この所定時間にわたり開状態を継続し、所定時間を経過するときボディパージバルブ２０を閉じるように、ボディパージバルブ２０を制御する。

【0061】

ここで、ボディパージバルブ２０を開く所定時間は、その間にボディパージバルブ２０を通じてクライオポンプ容器１６に供給されるパージガスの量が、標準状態（例えば０℃１気圧）で、例えば、約１リットル以内、または約０．５リットル以内、または約０．２リットル以内となるようにあらかじめ設定されてもよい。これは、ボディパージバルブ２０を開く所定時間を例えば０．１秒間から２秒間（または例えば０．５秒間から１秒間）の範囲から選択することにより、実現されうる。この所定時間は、クライオポンプ１０の設計者の経験的知見または設計者による実験やシミュレーション等に基づき事前に取得され、コントローラ４６に予め記憶されてもよい。このようにすれば、ボディパージバルブ２０を通じてクライオポンプ容器１６に供給されるパージガスがもたらすクライオパネル３８の温度上昇を実用上十分に小さくすることができるものと期待される。

【0062】

続いて、コントローラ４６は、予め定められたパージガスの供給完了条件が満たされるか否かを判定する（Ｓ２４）。供給完了条件は、クライオポンプ１０内に溜め込まれうる仕様上の最大量の危険ガス（例えば水素ガス）を所望の低濃度に希釈するために必要とされるパージガス量に基づいて設定されうる。例えば、供給完了条件は、この必要パージガス量を供給するためのボディパージバルブ２０の開放回数または開放時間が完了したことであってもよい。例えば、必要パージガス量を供給するために上述の所定時間のボディパージバルブ２０の開放が１０回必要であったとすると、この１０回分のボディパージバルブ２０の開放が行われたとき、供給完了条件が満たされる。あるいは、必要パージガス量を供給するために上述の所定時間のボディパージバルブ２０の開放が合計１０秒間必要であったとすると、合計で１０秒間のボディパージバルブ２０の開放が行われたとき、供給完了条件が満たされる。供給完了条件は、クライオポンプ１０の設計者の経験的知見または設計者による実験やシミュレーション等に基づき事前に取得され、コントローラ４６に予め記憶されてもよい。

【0063】

供給完了条件が満たされない場合（Ｓ２４のＮｏ）、コントローラ４６は、第２温度センサ４２によるクライオパネル３８の測定温度Ｔ２を取得し、測定温度Ｔ２を極低温の温度しきい値Ｔｓと比較する（Ｓ２６）。この温度しきい値Ｔｓは、クライオパネル３８がパージガスを凝縮するために十分に低い温度にあることを確認するために、パージガスの沸点よりも低い温度、例えば１０Ｋから３０Ｋ（または例えば１０Ｋから２０Ｋ）の範囲から予め設定され、コントローラ４６に予め記憶される。

【0064】

コントローラ４６は、測定温度Ｔ２が極低温の温度しきい値Ｔｓを下回るときパージガスが供給されるようにボディパージバルブ２０を制御するように構成される。すなわち、測定温度Ｔ２が温度しきい値Ｔｓ以上の場合（Ｓ２６のＮｏ）、コントローラ４６は、所定時間待機し、その後再び測定温度Ｔ２を取得し、温度しきい値Ｔｓと比較する（Ｓ２６）。一方、測定温度Ｔ２が温度しきい値Ｔｓよりも低い場合（Ｓ２６のＹｅｓ）、コントローラ４６は、ボディパージバルブ２０を再び開く（Ｓ２２）。

【0065】

このようにして、クライオパネル３８の測定温度Ｔ２が温度しきい値Ｔｓより低いことを確認したうえで、ボディパージバルブ２０を開き、クライオポンプ容器１６にパージガスを供給することができる。クライオパネル３８の測定温度Ｔ２が温度しきい値Ｔｓより高い場合には、ボディパージバルブ２０を閉じ、測定温度Ｔ２が温度しきい値Ｔｓを下回るまで待機することができる。

【0066】

その後再び、パージガスの供給完了条件が満たされるか否かが判定される（Ｓ２４）。供給完了条件が満たされない場合には（Ｓ２４のＮｏ）、上述のように温度測定および比較と、パージガスの間欠的な供給が再び行われる。一方、供給完了条件が満たされる場合には（Ｓ２４のＹｅｓ）、本処理は終了する。この場合、冷凍機１４の冷却運転は停止され、上述の昇温工程（図３のＳ１２、Ｓ１３）、排出工程（Ｓ１４）、およびクールダウン工程（Ｓ１５）が行われる。

【0067】

上述の実施の形態では、ボディパージバルブ２０が固定された一定流量でパージガスを供給するオンオフ弁である場合を例として説明しているが、ある実施の形態では、ボディパージバルブ２０は、パージガスの流量を調整可能な流量可変バルブであってもよい。この場合、コントローラ４６は、冷凍機１４の冷却運転の最中に、パージガスが連続的にクライオポンプ容器１６に供給されるようにボディパージバルブ２０を制御するように構成されてもよい。コントローラ４６は、冷却運転の最中に連続的に供給されるパージガスの流量が、冷却運転の終了後（すなわち昇温工程及び／または排出工程）に供給されるパージガスの流量に比べて少なくなるように、ボディパージバルブ２０を制御してもよい。

【0068】

冷却運転の最中に連続的に供給されるパージガスの流量は、冷却運転の終了後に供給されるパージガスの流量の例えば１／２未満、または１／１０未満であってもよい。冷却運転の最中に連続的に供給されるパージガスの流量は、標準状態（例えば０℃１気圧）で、例えば、毎分約３リットル以内、または毎分約２リットル以内、または毎分約１リットル以内であってもよい。このようにすれば、ボディパージバルブ２０を通じてクライオポンプ容器１６に供給されるパージガスがもたらすクライオパネル３８の温度上昇を実用上十分に小さくすることができるものと期待される。

【0069】

パージガスが連続的にクライオポンプ容器１６に供給される場合においても、図４のＳ２６と同様に、クライオパネル３８の測定温度Ｔ２がモニタされてもよい。すなわち、コントローラ４６は、第２温度センサ４２によるクライオパネル３８の測定温度Ｔ２を取得し、測定温度Ｔ２を極低温の温度しきい値Ｔｓと比較してもよい。コントローラ４６は、測定温度Ｔ２が極低温の温度しきい値Ｔｓを下回るときパージガスが供給されるようにボディパージバルブ２０を制御する。一方、測定温度Ｔ２が温度しきい値Ｔｓ以上の場合、コントローラ４６は、パージガスの供給を中断するようにボディパージバルブ２０を制御する。このようにして、クライオパネル３８の測定温度Ｔ２が温度しきい値Ｔｓより低いことを確認したうえで、ボディパージバルブ２０を開き、クライオポンプ容器１６にパージガスを供給することができる。クライオパネル３８の測定温度Ｔ２が温度しきい値Ｔｓより高い場合には、ボディパージバルブ２０を閉じ、測定温度Ｔ２が温度しきい値Ｔｓを下回るまで待機することができる。

【0070】

なお、パージガス源４８がパージガス流量の調整機能を有し、それにより、クライオポンプ容器１６に供給されるボディパージの流量が調整されてもよい。この場合、ボディパージバルブ２０を利用したボディパージ流量の調整に代えて、コントローラ４６は、所望のパージガス流量が得られるようにパージガス源４８を制御してもよい。

【0071】

図５は、実施の形態に係る例示的なクライオポンプ再生方法を示すフローチャートである。クライオポンプ再生方法は、クライオポンプ１０に第１希釈ガスを供給しながら、クライオポンプ１０内で再気化されたガスおよび第１希釈ガスの混合ガスをクライオポンプ１０から排出することと（Ｓ３０）、クライオポンプ１０から混合ガスを排出しながら、排出された混合ガスを第２希釈ガスで希釈することと（Ｓ３２）、を備える。両ステップ（Ｓ３０、Ｓ３２）は空間的に異なる場所（Ｓ３０はボディパージバルブ２０およびクライオポンプ容器１６、Ｓ３２は排出バルブ２２）で行われるが、時間的には同時に起こる。

【0072】

このようにすれば、クライオポンプ１０内に危険ガスが吸蔵されていたとしても、まずクライオポンプ１０内で第１希釈ガスによって希釈され、それと同時に、クライオポンプ１０から排出された危険ガスと第１希釈ガスの混合ガスが第２希釈ガスによって希釈される。二段階の希釈により、クライオポンプ１０の再生中にクライオポンプ１０から排出される危険ガス濃度を抑制することができる。

【0073】

図５に示される希釈排出処理（Ｓ３０、Ｓ３２）は、再生の初期段階で行われる。希釈排出処理（Ｓ３０、Ｓ３２）は、冷凍機１４の冷却運転の終了後、すなわち例えば昇温工程（図３のＳ１２、Ｓ１３）に行われてもよい。よって、希釈排出処理（Ｓ３０、Ｓ３２）は、上述のパージガス事前導入処理とともに（つまり、パージガス事前導入処理の後に）行われてもよい。希釈排出処理の後、上述の排出工程（図３のＳ１４）、およびクールダウン工程（Ｓ１５）が行われてもよい。

【0074】

第１希釈ガスは、ボディパージバルブ２０からクライオポンプ容器１６に供給されるパージガスであってもよく、第２希釈ガスは、排出パージバルブ２４から排出ライン５０に供給されるパージガスであってもよい。

【0075】

例示的なボディパージバルブ２０の動作においては、ボディパージバルブ２０は、排出バルブ２２が閉じている間、連続して開かれてもよい。排出バルブ２２が閉じていればクライオポンプ容器１６から排出ライン５０への排出は行われないからである。ボディパージバルブ２０は、排出バルブ２２が開いている間、開閉を繰り返してもよい。ボディパージバルブ２０の開閉サイクルにおける開時間の割合は、一定であってもよい。あるいは、ボディパージバルブ２０の開閉サイクルにおける開時間の割合は、時間とともに変化されてもよい。例えば、排出により時間の経過とともにクライオポンプ容器１６内の危険ガス濃度は下がっていくから、ボディパージバルブ２０の開閉サイクルにおける開時間の割合は、時間とともに増加されてもよく、最終的にボディパージバルブ２０は連続して開かれてもよい。

【0076】

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。ある実施の形態に関連して説明した種々の特徴は、他の実施の形態にも適用可能である。組合せによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態それぞれの効果をあわせもつ。

【0077】

上述の実施の形態では、希釈ガス（例えば第１希釈ガス）は、ボディパージバルブ２０からクライオポンプ容器１６に供給されている。しかし、ある実施の形態においては、他の希釈ガス源を採用しうる。例えば、希釈ガスは、クライオポンプ１０が設置された真空プロセス装置の真空チャンバ１００からゲートバルブ１０２およびクライオポンプ吸気口１７を通じてクライオポンプ容器１６に供給されてもよい。真空プロセス装置は通例、例えばアルゴンガスまたはその他の不活性ガスを真空チャンバ１００に供給するガス源を有するから、これを希釈ガスとして利用してもよい。

【0078】

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

【符号の説明】

【0079】

１０ クライオポンプ、 １４ 冷凍機、 １６ クライオポンプ容器、 ２０ ボディパージバルブ、 ２４ 排出パージバルブ、 ３８ クライオパネル、 ４６ コントローラ、 ５０ 排出ライン。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】