JPH02245232A

JPH02245232A - 高真空装置

Info

Publication number: JPH02245232A
Application number: JP1299918A
Authority: JP
Inventors: Loren N Pfeiffer; ローレン　ニール　ファイファー; Kenneth W West; ケニース　ウィリアム　ウェスト
Original assignee: American Telephone and Telegraph Co Inc
Current assignee: AT&T Inc
Priority date: 1988-11-23
Filing date: 1989-11-20
Publication date: 1990-10-01
Anticipated expiration: 2010-02-22
Also published as: DE68907565T2; EP0370702B1; JPH0714472B2; US4873833A; DE68907565D1; EP0370702A1

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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（Ｍ
ＢＥ）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、ある種の材
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、Ｐ、Ｏ’１ｌａ
ｎｏｎ、＾　Ｕｓｅｒ’ｓ　　Ｇｕｉｄｅ　　ｔｏ　　
Ｖａｃｕｕａ＋　　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、　　Ｊｏｂ
ｎ讐１１ｅｙ　ａｎｄ　５ｏｎｓ、Ｎｅｗ　ＹＯｒｋ、
１９８０．を参照のこと。

１０’Ｐａ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、Ｍｌｅｈａｕｄ　ａｎｄ　Ｌ、５
ａｎｃｈｅ、”Ｃｈａｒａｃｔｅｒ４ｓｔｌｃｓ　ｏｒ
　ａ　Ｂａｋｃａｂｌｃ　Ｉｏｎ−ＣＲＹＯｐｕｎｐｅ
ｄ　ＵＩＩＶＳｙｓｔｅｍ”　Ｊ、Ｖａｃ、Ｓｃ１．　
Ｔｃｃｈｎｏｌ、、１７（１）、Ｊｎ、／Ｆｅｂ。

１９８０、ｐａｇｅｓ２７４−２７６と米国特許箱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、ベータアウトの間、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、真空室内のベータアウトの間、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
性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１Ｇ、このキャニ
スタｌＯ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ＩＯ内には、主段熱シ
ールド２２、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Ｔｐ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−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１Ｂ（以下、クライオリン
グとも称する）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。チュー
ブｉ’ｒ、ｔａは外側に湾曲し、フランジ載置リング１
４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１［ｉ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ｌＢ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ポングｌ
Ｇ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１Ｂ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１Ｂと主コンデンサ列を熱的に結合する
手段が弗り、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１Ｂ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／’％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１Ｂとブロック２
０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Ｍ　Ｂ　Ｅシステムは、真
空室３０、ラフポンプ３１，３１’、クライボンブ３２
、クライオリング３３、液体窒素貯蔵曹３４、低温バル
ブ（液体窒素のタ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３Ｇ、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（Ｔ　Ｓ　Ｐ　Ｔｉ
ｔａｎｉｕｍ　５ｕｂｌｉａａｔｌｏｎ　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、タライオボンブ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
、−船釣に１００Ｐａ以下である。その後、クライオポ
ンプ３２が真空室３ｏ内の圧力を］Ｏ’Ｐａ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’Ｐａ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’ｊ！ｊ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）Ｊの完了後、このシステムは室ｌＨ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が稼動する。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４ｔ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７１１１１定の為に実行される。基板（通常Ｇａ
ＡｓＴＡ）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週間のベークアウトの後、２日でレイボールド（Ｌｅ
ｙｂｏｌｄ）　　Ｉ　Ｍ５２０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線制限読みに従わない）は２．ＯＸ　
１０”Ｐａ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
ニスタのベークアウトせずに、システムの圧力はｔ、ｅ
ｘ　１０’Ｐ　ａ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上段シールドに
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く、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。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）可焼真空室、前記真空室からガスを除去するよう真空室に連通するク
ライオポンプを有し、このクライオポンプは、その通常動作時に室温Ｔ＿ｐ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）クライオポンプの主ポンプ段に冷却剤を導入する高
伝熱性の案内手段、ｂ）真空室のベークアウト（ｂａｋｅ−ｏｕｔ）の間、
主ポンプ段をＴ＿ｐ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案内手段とを熱的に連結
する手段、とを有することを特徴とする高真空装置。
（２）案内手段は、冷却剤を外部源からクライオポンプ
に、および、外部源から真空システムに導入することを
特徴とする請求項１記載の装置。
（３）ａ）案内手段は銅製チューブを、ｂ）熱的連結手段は、銅製チューブに接続される銅製ブ
ロックを、有することを特徴とする請求項２記載の装置。
（４）銅製チューブは、リング状に形成されていること
を特徴とする請求項３記載の装置。
（５）冷却剤は、液体窒素であることを特徴とする請求
項４記載の装置。
（６）ａ）銅製チューブ内の液体窒素流を制御する低温
バルブ、ｂ）銅製チューブから残留冷却剤を排出するパージガス
流を制御するバルブを有することを特徴とする請求項５記載の装置。
（７）クライオポンプは、冷却剤を案内する手段を有す
ることを特徴とする請求項１記載の装置。
（８）可焼真空室と、前記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、このクライオポンプは、フランジと、主ポンプ段を有し
、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、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）液体窒素を主コンデンサ列に案内する銅製チューブ
、この銅製チューブは、第１、第２端を有し、リング状に
形成され、ｃ）銅製チューブ内の液体窒素流を制御する低温バルブ
、ｄ）銅製チューブから残留低温剤を排出するパージガス
流を制御するパージバルブｅ）銅製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、銅製チューブに載置される銅製ブロッ
ク、ｆ）液体窒素を低温バルブから、パージガスをパージバ
ルブから、リングを介して銅製チューブの第１端に案内
するコンジット、ｇ）液体窒素とパージガスをリングを介して銅製チュー
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。