クライオパネルの製造方法およびクライオポンプ
【課題】低温脆性や部材の変形の問題が生じず、クライオパネルを製作する際に、各部材同士を適正に接合することが可能なクライオパネルの製造方法を提供する。
【解決手段】冷媒ガスを高圧にする圧縮機と、２段式の冷却ステージを有する蓄冷式冷凍機とを有するクライオポンプ内の、前記冷却ステージの高温段側に設けられ、外部から流体が進入する際の入熱を抑制する入熱抑制部材が設けられたクライオパネルの製造方法であって、当該製造方法は、前記入熱抑制部材を構成する部品同士を接合するステップを有し、該部品同士を接合するステップは、低融点ろう材を用いて、部品同士の接合を行うステップを有することを特徴とするクライオパネルの製造方法が提供される。
【解決手段】冷媒ガスを高圧にする圧縮機と、２段式の冷却ステージを有する蓄冷式冷凍機とを有するクライオポンプ内の、前記冷却ステージの高温段側に設けられ、外部から流体が進入する際の入熱を抑制する入熱抑制部材が設けられたクライオパネルの製造方法であって、当該製造方法は、前記入熱抑制部材を構成する部品同士を接合するステップを有し、該部品同士を接合するステップは、低融点ろう材を用いて、部品同士の接合を行うステップを有することを特徴とするクライオパネルの製造方法が提供される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クライオパネルの製造方法およびクライオポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、半導体等を製造する際等に必要となる高真空排気処理には、２段式の冷却ステージを備えた小型の蓄冷式冷凍機（例えば、ＧＭ（ギフォード・マクマホン）冷凍機等）によって冷却されるクライオポンプが使用される。このクライオポンプ１０は、図１に示すように、筒型のポンプ容器２を、第１冷却ステージ１５および第２冷却ステージ１６を有する冷凍機３に取り付け、ポンプ容器２のポンプ室７内に第１の（高温側）クライオパネル４を設け、この内方に第２の（低温側）クライオパネル５を設けた構造となっている。また、第２のクライオパネル５には、活性炭等の吸着剤６が設置されている。
【０００３】
このようなクライオポンプにおいて、稼働時には、第１のクライオパネル４は、例えば約８０Ｋ（ケルビン）程度に冷却され、真空室９内の水蒸気、炭酸ガス等の、比較的沸点の高いガスを捕獲し、固定化する。第２のクライオパネル５は、例えば約１０Ｋ（ケルビン）程度に冷却され、より沸点の低い、例えばアルゴン等のガスを捕獲し、固定化する。さらに水素、ヘリウム等の固定化できない希ガス成分は、吸着剤６に捕獲される。
【０００４】
なお、外部（真空室９）からポンプ室７内に進入した流体が、直接第２のクライオパネル５に到達して、第２のクライオパネル５の冷却効率が低下することを回避するため、通常の場合、第１の（高温側）クライオパネル４は、入熱抑制部材２０を備えている。すなわち、真空室９からポンプ室７内に進入した流体は、この入熱抑制部材２０と接触した際に、第１のクライオパネル４と同等の温度にまで冷却され、これにより、比較的高温の流体が、直接第２のクライオパネル５と接触することが回避される。
【０００５】
これまでに、このようなクライオパネルの製造方法に関して、吸着剤６を第２のクライオパネル５に設置する際に、活性ろう材を溶融させて、第２のクライオパネルと吸着剤６とを接合する方法等が提案されている（特許文献１）。
【特許文献１】特開平７−１８９９０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、前述のクライオパネル４、５には、通常、熱伝導性の良い銅または銅合金等が使用されている。また、例えば、入熱抑制部材２０を製作する際など、クライオパネルを構成する各部材を製作する際に、部品同士を接合する必要がある場合、通常は、接合材として鉛入りのハンダが使用される。
【０００７】
しかしながら、鉛入りのハンダは、環境的な配慮から、使用が抑制される方向にあり、近い将来使用することができなくなるものと予想される。また、既存のハンダに代わる低温接合用の候補材料として注目されている鉛フリーハンダは、主成分がＳｎ（スズ）であるため、低温で使用される部材同士の接合に使用した場合、低温脆性が生じる危険がある。従って、この材料は、使用時に８０Ｋ以下の温度に冷却されるクライオパネル４、５のような低温部材の接合箇所には適用することはできない。
【０００８】
また、ハンダの代わりに、いわゆる銀ろう材のようなろう材を使用した場合、銀ろう材の融点は、通常〜１０００℃程度であるため、接合時に、部材を構成する銅の温度が軟化点（〜４００℃程度）を超えてしまう。例えば、前述の特許文献１によるクライオパネルと吸着剤との接合では、ろう材を〜８００℃程度まで昇温する必要があり、この接合方法では、パネルが変形する恐れがある。
【０００９】
本発明は、このような問題に鑑みなされたものであり、低温脆性や部材の変形の問題が生じず、クライオパネルを製作する際に、各部材同士を適正に接合することが可能なクライオパネルの製造方法、およびそのような接合箇所を有するクライオポンプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明では、冷媒ガスを高圧にする圧縮機と、２段式の冷却ステージを有する蓄冷式冷凍機とを有するクライオポンプ内の、前記冷却ステージの高温段側に設けられ、外部から流体が進入する際の入熱を抑制する入熱抑制部材が設けられたクライオパネルの製造方法であって、
当該製造方法は、前記入熱抑制部材を構成する部品同士を接合するステップを有し、
該部品同士を接合するステップは、低融点ろう材を用いて、部品同士の接合を行うステップを有することを特徴とするクライオパネルの製造方法が提供される。
【００１１】
また本発明では、冷媒ガスを高圧にする圧縮機と、２段式の冷却ステージを有する蓄冷式冷凍機と、前記冷却ステージの高温段側に設けられたクライオパネルとを有するクライオポンプであって、
前記クライオパネルを構成する部品同士の接合箇所に、低融点ろう材が設置されていることを特徴とするクライオポンプが提供される。
【００１２】
さらに本発明では、ポンプ室内にクライオパネルを有するクライオポンプであって、
前記クライオパネルは、外部からの流体がポンプ室に進入する際の入熱を抑制する入熱抑制部材を備え、
前記入熱抑制部材を構成する部品同士の接合箇所に、低融点ろう材が設置されていることを特徴とするクライオポンプが提供される。
【００１３】
ここで、前記入熱抑制部材は、寸法の異なる中空部材を複数個、配置して構成されるフィンと、該フィンを支持する梁材とで構成され、前記フィンと梁材との接合箇所に、前記低融点ろう材が設置されても良い。
【００１４】
あるいは、前記入熱抑制部材は、表面に複数の貫通孔が形成され、外周に沿って設置された鍔部を有するディスク板で構成され、該ディスク板の外周部と前記鍔部の接合箇所に、前記低融点ろう材が設置されても良い。
【００１５】
また、前記低融点ろう材は、４００℃未満の融点を有しても良い。
【００１６】
特に、前記低融点ろう材は、モル比が８８：１２のＡｕ（金）−Ｇｅ（ゲルマニウム）、モル比が８１．２：１８．８のＡｕ（金）−Ｓｉ（シリコン）およびモル比が８０：２０のＡｕ（金）−Ｓｎ（スズ）の中から選定されるいずれかの材料であっても良い。
【発明の効果】
【００１７】
本発明では、低温脆性や部材の変形の問題が生じず、クライオパネルを製作する際に、各部材同士を適正に接合することが可能なクライオパネルの製造方法、およびそのような接合箇所を有するクライオポンプが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面により本発明の態様の一構成例を説明する。
【００１９】
図２には、本発明のクライオポンプの概略構成図を示す。図２に示すように、本発明のクライオポンプ２００は、ヘリウム圧縮機２１０と、ガス配管２３０を介してこのヘリウム圧縮機２１０に接続された極低温冷凍機１３０とを備え、この冷凍機１３０には、ポンプ室１７０を定形するポンプ容器１２０が接続されている。クライオポンプ２００の稼働時には、ポンプ容器１２０は、スパッタ装置等、高真空が必要な装置の真空容器（図示されていない）と連結される。冷凍機１３０は、第１冷却ステージ２５０と、第２冷却ステージ２６０とを有し、これらの冷却ステージは、ポンプ容器１２０内に収容されている。
【００２０】
ガス配管２３０は、ヘリウム圧縮機２１０において圧縮されたヘリウムガスを冷凍機１３０に供給するためのガス配管２３０ａと、冷凍機１３０のガスを再度圧縮機に送るためのガス配管２３０ｂとを有する。
【００２１】
ポンプ容器１２０内には、それぞれ、前述の２つの冷却ステージ２５０および２６０によって熱伝導により冷却される、第１および第２のクライオパネル１４０、１５０が設けられている。両クライオパネルは、熱伝導性の良好な無酸素銅もしくはタフピッチ銅のような高純度銅、または銅合金で構成される。第１のクライオパネル１４０は、カップ状に形成され、開口部が下向きとなるようにして、第１冷凍ステージ２５０に配設されている。また、第２のクライオパネル１５０は、カップ状に形成され、開口部が上向きとなるようにして、その底部が第２冷凍ステージ２６０に配設されている。第２のクライオパネル１５０は、第１のクライオパネル１４０の内方に位置する。また、第２のクライオパネル１５０の内方には、活性炭またはモレキュラーシーブス等の吸着剤１６０が設けられている。
【００２２】
さらに、第１のクライオパネル１４０は、開口部に入熱抑制部材２０５を備えている。この入熱抑制部材２０５は、クライオポンプ２００と接続される被真空装置（図示されていない）側からポンプ室１７０に進入する流体が、直接第２のクライオパネル１５０に到達して、第２のクライオパネル１５０の冷却効率が低下することを回避する役割を有する。
【００２３】
ここで、本発明のクライオポンプ２００では、クライオパネル１４０、１５０を構成する各部材同士の接合、例えば、入熱抑制部材２０５を構成する各部品同士の接合に、低融点ろう材が使用されている点に特徴がある。なお、本願において、「低融点ろう材」とは、融点が４００℃未満であって、鉛を含まず、Ｓｎ（スズ）が３０ｍｏｌ％未満のろう材を意味することに留意する必要がある。
【００２４】
以下、本発明の特徴について詳しく説明する。なお、以下の記載では、入熱抑制部材２０５を構成する各部品同士の接合に、低融点ろう材が使用されている場合を例に、本発明の特徴を説明する。また、以下の説明において、入熱抑制部材２０５は、ルーバー３００である。
【００２５】
図３には、第１のクライオパネル１４０の開口部に設置されるルーバー３００の上面図（図３（ａ））およびそのＡ−Ａ断面図（図３（ｂ））を示す。
【００２６】
図に示すように、ルーバー３００は、フィン３３０と、このフィンを支持するための梁材３１０とで構成される。これらの部材は、いずれも無酸素銅もしくはタフピッチ銅のような高純度銅、または銅合金で構成される。図３の例では、梁材３１０は、十字型である。すなわち、梁材３１０は、全長が第１のクライオパネル１４０の開口幅とほぼ等しい、２本の短冊状板３１１ａ、３１１ｂを相互に直交するように組み合わせることにより構成される。一つの短冊状板３１１ａには、その長手方向に垂直な方向、すなわち図のＸ方向に沿って、多数の溝３１２ａが形成されており、他方の短冊状板３１１ｂには、その長手方向に垂直な方向、すなわち図のＹ方向に沿って、多数の溝３１２ｂが形成されている。
【００２７】
フィン３３０は、複数の台錐形部材３２０で構成されている。台錐形部材３２０は、上端（図のＺ方向上側）および下端（図のＺ方向下側）が開口されており、内部が中空になっている。台錐形部材３２０の厚さは、例えば、０．７ｍｍ程度である。また、それぞれの台錐形部材３２０は、内径が異なっており、これらを同心円状に組み合わせることにより、水平な高さを有するフィン３３０が構成される。また、各台錐形部材３２０を重ね合わせた際には、各台錐形部材３２０同士の間に、小さな隙間３２５が形成される。この隙間３２５の断面形状は、図３のＺ方向に対して傾斜している。このため、Ｚ方向と平行な方向に沿って、外部から進入した比較的高温の流体は、ルーバー３００を構成する各台錐形部材３２０と接触し、ここで熱が奪われることになる。従って、外部から進入した比較的高温の流体が直接第２のクライオパネルに到達して、第２のクライオパネルの冷却効率が低下することを回避することができる。
【００２８】
各台錐形部材３２０の下端は、梁材３１０の各短冊状板３１１ａ、３１１ｂの溝３１２ａ、３１２ｂに挿入されており、これによりフィン３３０と梁材３１０とが一体化され、ルーバー３００が構成される。また、各台錐形部材３２０は、溝３１２ａ、３１２ｂと接触する箇所で、低融点ろう材３５０により短冊状板３１１ａ、３１１ｂと接合されており、これによりフィン３３０と梁材３１０とが相互に固定される。このように構成されたルーバー３００は、各短冊状板３１１ａ、３１１ｂの先端側に設けられた２箇所の穴３１６、すなわち合計４箇所の穴３１６を利用して、第１のクライオパネル１４０の開口部にネジ等の設置手段を用いて取り付けられる。
【００２９】
このようにして、ガス流制御部材としてルーバー３００を備える第１のクライオパネル１４０が構成される。
【００３０】
本発明では、フィン３３０と梁材３１０との接合に、低融点ろう材が使用される。このような低融点ろう材を使用することにより、通常銅または銅合金で構成される台錐形部材３２０の接合の際に、台錐形部材３２０の温度が軟化点（〜４００℃）を超え、台錐形部材３２０が変形することが回避される。また、本発明に使用される低融点ろう材は、Ｓｎ（スズ）を全く含まず、あるいは僅かしか含まない。従って、このようにして製作されたクライオパネルでは、クライオポンプの稼働時に、クライオパネルが例えば８０Ｋ以下の温度まで冷却されても、接合部において、低温脆性が発生する可能性が著しく抑制される。さらに、この低融点ろう材は、Ｐｂ（鉛）を含んでおらず、環境規制に対応することができため、このようにして製作されたクライオパネルは、将来にわたって使用することができる。
【００３１】
本発明の低融点ろう材は、融点が４００℃未満のろう材であれば良く、例えば、モル比が８８：１２のＡｕ−Ｇｅ（融点３５６℃）、モル比が８１．２：１８．８のＡｕ−Ｓｉ（融点３６３℃）およびモル比が８０：２０のＡｕ−Ｓｎ（融点２７８℃）を使用することができる。なおこれらの材料は、一例であって、Ｐｂを含まず、低温脆性が生じない他の組成の材料を使用しても良いことは明らかであろう。
【００３２】
前述の例では、開口部に入熱抑制部材としてルーバを備えるクライオパネルの製作の際に、本発明を適用する場合について説明した。しかしながら本発明は、このような実施例に限られるものではない。以下、本発明の別の実施例を説明する。
【００３３】
図４には、ルーバの代わりに入熱抑制部材として使用されるシェブロンの概略断面図を示す。
【００３４】
シェブロン４００は、前述のルーバーと同様に、フィン４３０と、このフィン４３０を支持するための梁材４１０とで構成される。これらの部材は、いずれも無酸素銅もしくはタフピッチ銅のような高純度銅、または銅合金で構成される。
【００３５】
フィン４３０は、外周の中央部分が山形に突出したシェブロン部材４２０を複数配設することにより構成されている。シェブロン部材４２０は、上端（図のＺ方向上側）および下端（図のＺ方向下側）が開口されており、内部が中空になっている。シェブロン部材４２０の厚さは、例えば、０．７ｍｍ程度である。また、それぞれのシェブロン部材４２０は、内径が異なっており、これらを同心円状に組み合わせることにより、水平な高さを有するフィン４３０が構成される。各シェブロン部材４２０を重ね合わせた際には、各シェブロン部材４２０同士の間に、小さな隙間４２５が形成される。
【００３６】
各シェブロン部材４２０の下端は、梁材４１０の各短冊状板４１１の溝４１２に挿入されており、これによりフィン４３０と梁材４１０とが一体化され、シェブロン４００が構成される。また、各シェブロン部材４２０は、溝４１２と接触する箇所で、低融点ろう材４５０により短冊状板４１１と接合されており、これによりフィン４３０と梁材４１０とが相互に固定される。このように構成されたシェブロン４００は、各短冊状板４１１の先端側に設けられた２箇所の穴４１６、すなわち合計４箇所の穴４１６を利用して、第１のクライオパネル１４０の開口部にネジ等の設置手段を用いて取り付けられる。
【００３７】
このようにして、シェブロン４００を備える第１のクライオパネル１４０が構成される。なお、シェブロンの場合は、シェブロン部材４２０の重ね合わせの際に形成される隙間４２５の断面形状が、「く」の字状になっている。このため、Ｚ方向に沿って進行する流体のみならず、Ｚ方向に対して傾斜した方向に進行する流体も、シェブロンと接触させることができる。従って、このようなシェブロンを入熱抑制部材として使用することにより、第２のクライオパネルへの入熱抑制効果をより一層高めることができる。
【００３８】
シェブロン４００の場合も、前述のルーバーと同様、フィン４３０と梁材４１０との接合に低融点ろう材が使用されるため、接合の際に、各シェブロン部材４２０が軟化して、変形が生じるという問題を回避することができる。
【００３９】
次に、本発明のさらに別の実施例を説明する。この実施例では、入熱抑制部材２０５として被覆部材が使用される。すなわち、第１のクライオパネル１４０の開口面には、この開口面を覆うように設置された被覆部材５００が設置される。
【００４０】
図５には、被覆部材５００の上面図（ａ）およびそのＢ−Ｂ断面図（ｂ）を示す。被覆部材５００は、主表面５３０を有するディスク板５２０を備える。このディスク板５２０は、無酸素銅もしくはタフピッチ銅のような高純度銅、または銅合金で構成される。ディスク板５２０の主表面５３０には、ガスの流路となる、多数の微細な貫通孔５２５が形成されている。なお、真空装置側からの吸引ガスが、貫通孔５２５を通らずに、ディスク板５２０の外側を通ってクライオポンプのポンプ室１７０に侵入した場合、ポンプの排気速度が低下するという問題が生じる。従って、このような排気速度の低下を防止するため、被覆部材５００には、ディスク板５２０の外周に沿って、第１のクライオパネル１４０の開口面よりも内径の大きな鍔部材５１０が設置されている。通常の場合、鍔部材５１０は、ディスク板５２０の主表面５３０に対して、５〜９０℃程度傾斜させて設置される（図５の角度α）。
【００４１】
被覆部材５００においても、外部からポンプ室に進入する流体は、その大部分がまずディスク板５２０と接触し、ここで熱が奪われる。従って、比較的高温の流体による第２のクライオパネルへの入熱が抑制される。
【００４２】
このような被覆部材において、ディスク板５２０の外周部に鍔部材５１０を設置する際にも、本発明による接合方法が適用できる。すなわち、前述の低融点ろう材５５０を用いて、ディスク板５２０の外周部に鍔部材５１０が接合される。
【００４３】
従ってこの場合も、前述のルーバーおよびシェブロンと同様、ディスク板５２０への鍔部材５１０の接合の際に、ディスク板５２０または鍔部材５１０が軟化して、変形が生じるという問題を回避することができる。
【００４４】
以上示したように、本発明によるクライオパネルの製造方法では、接合に使用される低温ろう材は、融点が４００℃未満であるため、クライオパネルを構成する、例えば入熱抑制部材を構成する部材同士の接合の際に、それらの部材が軟化点を超える温度に達して、これにより部材が変形するという問題を回避することができる。
【００４５】
また、接合に使用される低温ろう材は、Ｓｎを主体とする材料ではないため、この低温ろう材を用いて製作されたクライオパネルを備えるクライオポンプでは、使用時に、接合箇所での低温脆性の発生を抑制することができる。
【００４６】
さらに、この低温ろう材には、Ｐｂが含まれていないため、環境規制に対応したクライオポンプを提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、半導体製造装置等の被真空装置を高真空に処理するクライオポンプおよびその製造方法に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】典型的なクライオポンプの概略構成図である。
【図２】本発明による入熱抑制部材を備えるクライオパネルを有するクライオポンプの概略構成図である。
【図３】本発明による方法で製作されたルーバーの上面図および断面図である。
【図４】本発明による方法で製作されたシェブロンの断面図である。
【図５】本発明による方法で製作された被覆部材の上面図および断面図である。
【符号の説明】
【００４９】
１２０ ポンプ容器
１３０ 冷凍機
１４０ 第１のクライオパネル
１５０ 第２のクライオパネル
１６０ 吸着剤
１７０ ポンプ室
２００ クライオポンプ
２０５ 入熱抑制部材
２１０ ヘリウム圧縮機
２３０ 配管
２５０ 第１冷却ステージ
２６０ 第２冷却ステージ
３００ ルーバー
３１０ 梁材
３１１ａ、３１１ｂ 短冊状板
３１２ａ、３１２ｂ 溝
３２０ 台錐形部材
３２５ 隙間
３３０ フィン
３５０ 低融点ろう材
４００ シェブロン
４１０ 梁部材
４１１ 短冊状板
４２０ シェブロン部材
４２５ 隙間
４３０ フィン
４５０ 低融点ろう材
５００ 被覆部材
５１０ 鍔部材
５２０ ディスク版
５２５ 貫通孔
５３０ 主表面
５５０ 低融点ろう材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クライオパネルの製造方法およびクライオポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、半導体等を製造する際等に必要となる高真空排気処理には、２段式の冷却ステージを備えた小型の蓄冷式冷凍機（例えば、ＧＭ（ギフォード・マクマホン）冷凍機等）によって冷却されるクライオポンプが使用される。このクライオポンプ１０は、図１に示すように、筒型のポンプ容器２を、第１冷却ステージ１５および第２冷却ステージ１６を有する冷凍機３に取り付け、ポンプ容器２のポンプ室７内に第１の（高温側）クライオパネル４を設け、この内方に第２の（低温側）クライオパネル５を設けた構造となっている。また、第２のクライオパネル５には、活性炭等の吸着剤６が設置されている。
【０００３】
このようなクライオポンプにおいて、稼働時には、第１のクライオパネル４は、例えば約８０Ｋ（ケルビン）程度に冷却され、真空室９内の水蒸気、炭酸ガス等の、比較的沸点の高いガスを捕獲し、固定化する。第２のクライオパネル５は、例えば約１０Ｋ（ケルビン）程度に冷却され、より沸点の低い、例えばアルゴン等のガスを捕獲し、固定化する。さらに水素、ヘリウム等の固定化できない希ガス成分は、吸着剤６に捕獲される。
【０００４】
なお、外部（真空室９）からポンプ室７内に進入した流体が、直接第２のクライオパネル５に到達して、第２のクライオパネル５の冷却効率が低下することを回避するため、通常の場合、第１の（高温側）クライオパネル４は、入熱抑制部材２０を備えている。すなわち、真空室９からポンプ室７内に進入した流体は、この入熱抑制部材２０と接触した際に、第１のクライオパネル４と同等の温度にまで冷却され、これにより、比較的高温の流体が、直接第２のクライオパネル５と接触することが回避される。
【０００５】
これまでに、このようなクライオパネルの製造方法に関して、吸着剤６を第２のクライオパネル５に設置する際に、活性ろう材を溶融させて、第２のクライオパネルと吸着剤６とを接合する方法等が提案されている（特許文献１）。
【特許文献１】特開平７−１８９９０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、前述のクライオパネル４、５には、通常、熱伝導性の良い銅または銅合金等が使用されている。また、例えば、入熱抑制部材２０を製作する際など、クライオパネルを構成する各部材を製作する際に、部品同士を接合する必要がある場合、通常は、接合材として鉛入りのハンダが使用される。
【０００７】
しかしながら、鉛入りのハンダは、環境的な配慮から、使用が抑制される方向にあり、近い将来使用することができなくなるものと予想される。また、既存のハンダに代わる低温接合用の候補材料として注目されている鉛フリーハンダは、主成分がＳｎ（スズ）であるため、低温で使用される部材同士の接合に使用した場合、低温脆性が生じる危険がある。従って、この材料は、使用時に８０Ｋ以下の温度に冷却されるクライオパネル４、５のような低温部材の接合箇所には適用することはできない。
【０００８】
また、ハンダの代わりに、いわゆる銀ろう材のようなろう材を使用した場合、銀ろう材の融点は、通常〜１０００℃程度であるため、接合時に、部材を構成する銅の温度が軟化点（〜４００℃程度）を超えてしまう。例えば、前述の特許文献１によるクライオパネルと吸着剤との接合では、ろう材を〜８００℃程度まで昇温する必要があり、この接合方法では、パネルが変形する恐れがある。
【０００９】
本発明は、このような問題に鑑みなされたものであり、低温脆性や部材の変形の問題が生じず、クライオパネルを製作する際に、各部材同士を適正に接合することが可能なクライオパネルの製造方法、およびそのような接合箇所を有するクライオポンプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明では、冷媒ガスを高圧にする圧縮機と、２段式の冷却ステージを有する蓄冷式冷凍機とを有するクライオポンプ内の、前記冷却ステージの高温段側に設けられ、外部から流体が進入する際の入熱を抑制する入熱抑制部材が設けられたクライオパネルの製造方法であって、
当該製造方法は、前記入熱抑制部材を構成する部品同士を接合するステップを有し、
該部品同士を接合するステップは、低融点ろう材を用いて、部品同士の接合を行うステップを有することを特徴とするクライオパネルの製造方法が提供される。
【００１１】
また本発明では、冷媒ガスを高圧にする圧縮機と、２段式の冷却ステージを有する蓄冷式冷凍機と、前記冷却ステージの高温段側に設けられたクライオパネルとを有するクライオポンプであって、
前記クライオパネルを構成する部品同士の接合箇所に、低融点ろう材が設置されていることを特徴とするクライオポンプが提供される。
【００１２】
さらに本発明では、ポンプ室内にクライオパネルを有するクライオポンプであって、
前記クライオパネルは、外部からの流体がポンプ室に進入する際の入熱を抑制する入熱抑制部材を備え、
前記入熱抑制部材を構成する部品同士の接合箇所に、低融点ろう材が設置されていることを特徴とするクライオポンプが提供される。
【００１３】
ここで、前記入熱抑制部材は、寸法の異なる中空部材を複数個、配置して構成されるフィンと、該フィンを支持する梁材とで構成され、前記フィンと梁材との接合箇所に、前記低融点ろう材が設置されても良い。
【００１４】
あるいは、前記入熱抑制部材は、表面に複数の貫通孔が形成され、外周に沿って設置された鍔部を有するディスク板で構成され、該ディスク板の外周部と前記鍔部の接合箇所に、前記低融点ろう材が設置されても良い。
【００１５】
また、前記低融点ろう材は、４００℃未満の融点を有しても良い。
【００１６】
特に、前記低融点ろう材は、モル比が８８：１２のＡｕ（金）−Ｇｅ（ゲルマニウム）、モル比が８１．２：１８．８のＡｕ（金）−Ｓｉ（シリコン）およびモル比が８０：２０のＡｕ（金）−Ｓｎ（スズ）の中から選定されるいずれかの材料であっても良い。
【発明の効果】
【００１７】
本発明では、低温脆性や部材の変形の問題が生じず、クライオパネルを製作する際に、各部材同士を適正に接合することが可能なクライオパネルの製造方法、およびそのような接合箇所を有するクライオポンプが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面により本発明の態様の一構成例を説明する。
【００１９】
図２には、本発明のクライオポンプの概略構成図を示す。図２に示すように、本発明のクライオポンプ２００は、ヘリウム圧縮機２１０と、ガス配管２３０を介してこのヘリウム圧縮機２１０に接続された極低温冷凍機１３０とを備え、この冷凍機１３０には、ポンプ室１７０を定形するポンプ容器１２０が接続されている。クライオポンプ２００の稼働時には、ポンプ容器１２０は、スパッタ装置等、高真空が必要な装置の真空容器（図示されていない）と連結される。冷凍機１３０は、第１冷却ステージ２５０と、第２冷却ステージ２６０とを有し、これらの冷却ステージは、ポンプ容器１２０内に収容されている。
【００２０】
ガス配管２３０は、ヘリウム圧縮機２１０において圧縮されたヘリウムガスを冷凍機１３０に供給するためのガス配管２３０ａと、冷凍機１３０のガスを再度圧縮機に送るためのガス配管２３０ｂとを有する。
【００２１】
ポンプ容器１２０内には、それぞれ、前述の２つの冷却ステージ２５０および２６０によって熱伝導により冷却される、第１および第２のクライオパネル１４０、１５０が設けられている。両クライオパネルは、熱伝導性の良好な無酸素銅もしくはタフピッチ銅のような高純度銅、または銅合金で構成される。第１のクライオパネル１４０は、カップ状に形成され、開口部が下向きとなるようにして、第１冷凍ステージ２５０に配設されている。また、第２のクライオパネル１５０は、カップ状に形成され、開口部が上向きとなるようにして、その底部が第２冷凍ステージ２６０に配設されている。第２のクライオパネル１５０は、第１のクライオパネル１４０の内方に位置する。また、第２のクライオパネル１５０の内方には、活性炭またはモレキュラーシーブス等の吸着剤１６０が設けられている。
【００２２】
さらに、第１のクライオパネル１４０は、開口部に入熱抑制部材２０５を備えている。この入熱抑制部材２０５は、クライオポンプ２００と接続される被真空装置（図示されていない）側からポンプ室１７０に進入する流体が、直接第２のクライオパネル１５０に到達して、第２のクライオパネル１５０の冷却効率が低下することを回避する役割を有する。
【００２３】
ここで、本発明のクライオポンプ２００では、クライオパネル１４０、１５０を構成する各部材同士の接合、例えば、入熱抑制部材２０５を構成する各部品同士の接合に、低融点ろう材が使用されている点に特徴がある。なお、本願において、「低融点ろう材」とは、融点が４００℃未満であって、鉛を含まず、Ｓｎ（スズ）が３０ｍｏｌ％未満のろう材を意味することに留意する必要がある。
【００２４】
以下、本発明の特徴について詳しく説明する。なお、以下の記載では、入熱抑制部材２０５を構成する各部品同士の接合に、低融点ろう材が使用されている場合を例に、本発明の特徴を説明する。また、以下の説明において、入熱抑制部材２０５は、ルーバー３００である。
【００２５】
図３には、第１のクライオパネル１４０の開口部に設置されるルーバー３００の上面図（図３（ａ））およびそのＡ−Ａ断面図（図３（ｂ））を示す。
【００２６】
図に示すように、ルーバー３００は、フィン３３０と、このフィンを支持するための梁材３１０とで構成される。これらの部材は、いずれも無酸素銅もしくはタフピッチ銅のような高純度銅、または銅合金で構成される。図３の例では、梁材３１０は、十字型である。すなわち、梁材３１０は、全長が第１のクライオパネル１４０の開口幅とほぼ等しい、２本の短冊状板３１１ａ、３１１ｂを相互に直交するように組み合わせることにより構成される。一つの短冊状板３１１ａには、その長手方向に垂直な方向、すなわち図のＸ方向に沿って、多数の溝３１２ａが形成されており、他方の短冊状板３１１ｂには、その長手方向に垂直な方向、すなわち図のＹ方向に沿って、多数の溝３１２ｂが形成されている。
【００２７】
フィン３３０は、複数の台錐形部材３２０で構成されている。台錐形部材３２０は、上端（図のＺ方向上側）および下端（図のＺ方向下側）が開口されており、内部が中空になっている。台錐形部材３２０の厚さは、例えば、０．７ｍｍ程度である。また、それぞれの台錐形部材３２０は、内径が異なっており、これらを同心円状に組み合わせることにより、水平な高さを有するフィン３３０が構成される。また、各台錐形部材３２０を重ね合わせた際には、各台錐形部材３２０同士の間に、小さな隙間３２５が形成される。この隙間３２５の断面形状は、図３のＺ方向に対して傾斜している。このため、Ｚ方向と平行な方向に沿って、外部から進入した比較的高温の流体は、ルーバー３００を構成する各台錐形部材３２０と接触し、ここで熱が奪われることになる。従って、外部から進入した比較的高温の流体が直接第２のクライオパネルに到達して、第２のクライオパネルの冷却効率が低下することを回避することができる。
【００２８】
各台錐形部材３２０の下端は、梁材３１０の各短冊状板３１１ａ、３１１ｂの溝３１２ａ、３１２ｂに挿入されており、これによりフィン３３０と梁材３１０とが一体化され、ルーバー３００が構成される。また、各台錐形部材３２０は、溝３１２ａ、３１２ｂと接触する箇所で、低融点ろう材３５０により短冊状板３１１ａ、３１１ｂと接合されており、これによりフィン３３０と梁材３１０とが相互に固定される。このように構成されたルーバー３００は、各短冊状板３１１ａ、３１１ｂの先端側に設けられた２箇所の穴３１６、すなわち合計４箇所の穴３１６を利用して、第１のクライオパネル１４０の開口部にネジ等の設置手段を用いて取り付けられる。
【００２９】
このようにして、ガス流制御部材としてルーバー３００を備える第１のクライオパネル１４０が構成される。
【００３０】
本発明では、フィン３３０と梁材３１０との接合に、低融点ろう材が使用される。このような低融点ろう材を使用することにより、通常銅または銅合金で構成される台錐形部材３２０の接合の際に、台錐形部材３２０の温度が軟化点（〜４００℃）を超え、台錐形部材３２０が変形することが回避される。また、本発明に使用される低融点ろう材は、Ｓｎ（スズ）を全く含まず、あるいは僅かしか含まない。従って、このようにして製作されたクライオパネルでは、クライオポンプの稼働時に、クライオパネルが例えば８０Ｋ以下の温度まで冷却されても、接合部において、低温脆性が発生する可能性が著しく抑制される。さらに、この低融点ろう材は、Ｐｂ（鉛）を含んでおらず、環境規制に対応することができため、このようにして製作されたクライオパネルは、将来にわたって使用することができる。
【００３１】
本発明の低融点ろう材は、融点が４００℃未満のろう材であれば良く、例えば、モル比が８８：１２のＡｕ−Ｇｅ（融点３５６℃）、モル比が８１．２：１８．８のＡｕ−Ｓｉ（融点３６３℃）およびモル比が８０：２０のＡｕ−Ｓｎ（融点２７８℃）を使用することができる。なおこれらの材料は、一例であって、Ｐｂを含まず、低温脆性が生じない他の組成の材料を使用しても良いことは明らかであろう。
【００３２】
前述の例では、開口部に入熱抑制部材としてルーバを備えるクライオパネルの製作の際に、本発明を適用する場合について説明した。しかしながら本発明は、このような実施例に限られるものではない。以下、本発明の別の実施例を説明する。
【００３３】
図４には、ルーバの代わりに入熱抑制部材として使用されるシェブロンの概略断面図を示す。
【００３４】
シェブロン４００は、前述のルーバーと同様に、フィン４３０と、このフィン４３０を支持するための梁材４１０とで構成される。これらの部材は、いずれも無酸素銅もしくはタフピッチ銅のような高純度銅、または銅合金で構成される。
【００３５】
フィン４３０は、外周の中央部分が山形に突出したシェブロン部材４２０を複数配設することにより構成されている。シェブロン部材４２０は、上端（図のＺ方向上側）および下端（図のＺ方向下側）が開口されており、内部が中空になっている。シェブロン部材４２０の厚さは、例えば、０．７ｍｍ程度である。また、それぞれのシェブロン部材４２０は、内径が異なっており、これらを同心円状に組み合わせることにより、水平な高さを有するフィン４３０が構成される。各シェブロン部材４２０を重ね合わせた際には、各シェブロン部材４２０同士の間に、小さな隙間４２５が形成される。
【００３６】
各シェブロン部材４２０の下端は、梁材４１０の各短冊状板４１１の溝４１２に挿入されており、これによりフィン４３０と梁材４１０とが一体化され、シェブロン４００が構成される。また、各シェブロン部材４２０は、溝４１２と接触する箇所で、低融点ろう材４５０により短冊状板４１１と接合されており、これによりフィン４３０と梁材４１０とが相互に固定される。このように構成されたシェブロン４００は、各短冊状板４１１の先端側に設けられた２箇所の穴４１６、すなわち合計４箇所の穴４１６を利用して、第１のクライオパネル１４０の開口部にネジ等の設置手段を用いて取り付けられる。
【００３７】
このようにして、シェブロン４００を備える第１のクライオパネル１４０が構成される。なお、シェブロンの場合は、シェブロン部材４２０の重ね合わせの際に形成される隙間４２５の断面形状が、「く」の字状になっている。このため、Ｚ方向に沿って進行する流体のみならず、Ｚ方向に対して傾斜した方向に進行する流体も、シェブロンと接触させることができる。従って、このようなシェブロンを入熱抑制部材として使用することにより、第２のクライオパネルへの入熱抑制効果をより一層高めることができる。
【００３８】
シェブロン４００の場合も、前述のルーバーと同様、フィン４３０と梁材４１０との接合に低融点ろう材が使用されるため、接合の際に、各シェブロン部材４２０が軟化して、変形が生じるという問題を回避することができる。
【００３９】
次に、本発明のさらに別の実施例を説明する。この実施例では、入熱抑制部材２０５として被覆部材が使用される。すなわち、第１のクライオパネル１４０の開口面には、この開口面を覆うように設置された被覆部材５００が設置される。
【００４０】
図５には、被覆部材５００の上面図（ａ）およびそのＢ−Ｂ断面図（ｂ）を示す。被覆部材５００は、主表面５３０を有するディスク板５２０を備える。このディスク板５２０は、無酸素銅もしくはタフピッチ銅のような高純度銅、または銅合金で構成される。ディスク板５２０の主表面５３０には、ガスの流路となる、多数の微細な貫通孔５２５が形成されている。なお、真空装置側からの吸引ガスが、貫通孔５２５を通らずに、ディスク板５２０の外側を通ってクライオポンプのポンプ室１７０に侵入した場合、ポンプの排気速度が低下するという問題が生じる。従って、このような排気速度の低下を防止するため、被覆部材５００には、ディスク板５２０の外周に沿って、第１のクライオパネル１４０の開口面よりも内径の大きな鍔部材５１０が設置されている。通常の場合、鍔部材５１０は、ディスク板５２０の主表面５３０に対して、５〜９０℃程度傾斜させて設置される（図５の角度α）。
【００４１】
被覆部材５００においても、外部からポンプ室に進入する流体は、その大部分がまずディスク板５２０と接触し、ここで熱が奪われる。従って、比較的高温の流体による第２のクライオパネルへの入熱が抑制される。
【００４２】
このような被覆部材において、ディスク板５２０の外周部に鍔部材５１０を設置する際にも、本発明による接合方法が適用できる。すなわち、前述の低融点ろう材５５０を用いて、ディスク板５２０の外周部に鍔部材５１０が接合される。
【００４３】
従ってこの場合も、前述のルーバーおよびシェブロンと同様、ディスク板５２０への鍔部材５１０の接合の際に、ディスク板５２０または鍔部材５１０が軟化して、変形が生じるという問題を回避することができる。
【００４４】
以上示したように、本発明によるクライオパネルの製造方法では、接合に使用される低温ろう材は、融点が４００℃未満であるため、クライオパネルを構成する、例えば入熱抑制部材を構成する部材同士の接合の際に、それらの部材が軟化点を超える温度に達して、これにより部材が変形するという問題を回避することができる。
【００４５】
また、接合に使用される低温ろう材は、Ｓｎを主体とする材料ではないため、この低温ろう材を用いて製作されたクライオパネルを備えるクライオポンプでは、使用時に、接合箇所での低温脆性の発生を抑制することができる。
【００４６】
さらに、この低温ろう材には、Ｐｂが含まれていないため、環境規制に対応したクライオポンプを提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、半導体製造装置等の被真空装置を高真空に処理するクライオポンプおよびその製造方法に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】典型的なクライオポンプの概略構成図である。
【図２】本発明による入熱抑制部材を備えるクライオパネルを有するクライオポンプの概略構成図である。
【図３】本発明による方法で製作されたルーバーの上面図および断面図である。
【図４】本発明による方法で製作されたシェブロンの断面図である。
【図５】本発明による方法で製作された被覆部材の上面図および断面図である。
【符号の説明】
【００４９】
１２０ ポンプ容器
１３０ 冷凍機
１４０ 第１のクライオパネル
１５０ 第２のクライオパネル
１６０ 吸着剤
１７０ ポンプ室
２００ クライオポンプ
２０５ 入熱抑制部材
２１０ ヘリウム圧縮機
２３０ 配管
２５０ 第１冷却ステージ
２６０ 第２冷却ステージ
３００ ルーバー
３１０ 梁材
３１１ａ、３１１ｂ 短冊状板
３１２ａ、３１２ｂ 溝
３２０ 台錐形部材
３２５ 隙間
３３０ フィン
３５０ 低融点ろう材
４００ シェブロン
４１０ 梁部材
４１１ 短冊状板
４２０ シェブロン部材
４２５ 隙間
４３０ フィン
４５０ 低融点ろう材
５００ 被覆部材
５１０ 鍔部材
５２０ ディスク版
５２５ 貫通孔
５３０ 主表面
５５０ 低融点ろう材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒ガスを高圧にする圧縮機と、２段式の冷却ステージを有する蓄冷式冷凍機とを有するクライオポンプ内の、前記冷却ステージの高温段側に設けられ、外部から流体が進入する際の入熱を抑制する入熱抑制部材が設けられたクライオパネルの製造方法であって、
当該製造方法は、前記入熱抑制部材を構成する部品同士を接合するステップを有し、
該部品同士を接合するステップは、低融点ろう材を用いて、部品同士の接合を行うステップを有することを特徴とするクライオパネルの製造方法。
【請求項２】
前記低融点ろう材は、４００℃未満の融点を有することを特徴とする請求項１に記載のクライオパネルの製造方法。
【請求項３】
前記低融点ろう材は、モル比が８８：１２のＡｕ（金）−Ｇｅ（ゲルマニウム）、モル比が８１．２：１８．８のＡｕ（金）−Ｓｉ（シリコン）およびモル比が８０：２０のＡｕ（金）−Ｓｎ（スズ）の中から選定されるいずれかであることを特徴とする請求項２に記載のクライオパネルの製造方法。
【請求項４】
冷媒ガスを高圧にする圧縮機と、２段式の冷却ステージを有する蓄冷式冷凍機と、前記冷却ステージの高温段側に設けられたクライオパネルとを有するクライオポンプであって、
前記クライオパネルを構成する部品同士の接合箇所に、低融点ろう材が設置されていることを特徴とするクライオポンプ。
【請求項５】
ポンプ室内にクライオパネルを有するクライオポンプであって、
前記クライオパネルは、外部からの流体がポンプ室に進入する際の入熱を抑制する入熱抑制部材を備え、
前記入熱抑制部材を構成する部品同士の接合箇所に、低融点ろう材が設置されていることを特徴とするクライオポンプ。
【請求項６】
前記入熱抑制部材は、寸法の異なる中空部材を複数個、配置して構成されるフィンと、該フィンを支持する梁材とで構成され、前記フィンと梁材との接合箇所に、前記低融点ろう材が設置されていることを特徴とする請求項５に記載のクライオポンプ。
【請求項７】
前記入熱抑制部材は、表面に複数の貫通孔が形成され、外周に沿って設置された鍔部を有するディスク板で構成され、該ディスク板の外周部と前記鍔部の接合箇所に、前記低融点ろう材が設置されていることを特徴とする請求項５に記載のクライオポンプ。
【請求項８】
前記低融点ろう材は、４００℃未満の融点を有することを特徴とする請求項５乃至７のいずれか一つに記載のクライオポンプ。
【請求項９】
前記低融点ろう材は、モル比が８８：１２のＡｕ（金）−Ｇｅ（ゲルマニウム）、モル比が８１．２：１８．８のＡｕ（金）−Ｓｉ（シリコン）およびモル比が８０：２０のＡｕ（金）−Ｓｎ（スズ）の中から選定されるいずれかの材料であることを特徴とする請求項８に記載のクライオポンプ。
【請求項１】
冷媒ガスを高圧にする圧縮機と、２段式の冷却ステージを有する蓄冷式冷凍機とを有するクライオポンプ内の、前記冷却ステージの高温段側に設けられ、外部から流体が進入する際の入熱を抑制する入熱抑制部材が設けられたクライオパネルの製造方法であって、
当該製造方法は、前記入熱抑制部材を構成する部品同士を接合するステップを有し、
該部品同士を接合するステップは、低融点ろう材を用いて、部品同士の接合を行うステップを有することを特徴とするクライオパネルの製造方法。
【請求項２】
前記低融点ろう材は、４００℃未満の融点を有することを特徴とする請求項１に記載のクライオパネルの製造方法。
【請求項３】
前記低融点ろう材は、モル比が８８：１２のＡｕ（金）−Ｇｅ（ゲルマニウム）、モル比が８１．２：１８．８のＡｕ（金）−Ｓｉ（シリコン）およびモル比が８０：２０のＡｕ（金）−Ｓｎ（スズ）の中から選定されるいずれかであることを特徴とする請求項２に記載のクライオパネルの製造方法。
【請求項４】
冷媒ガスを高圧にする圧縮機と、２段式の冷却ステージを有する蓄冷式冷凍機と、前記冷却ステージの高温段側に設けられたクライオパネルとを有するクライオポンプであって、
前記クライオパネルを構成する部品同士の接合箇所に、低融点ろう材が設置されていることを特徴とするクライオポンプ。
【請求項５】
ポンプ室内にクライオパネルを有するクライオポンプであって、
前記クライオパネルは、外部からの流体がポンプ室に進入する際の入熱を抑制する入熱抑制部材を備え、
前記入熱抑制部材を構成する部品同士の接合箇所に、低融点ろう材が設置されていることを特徴とするクライオポンプ。
【請求項６】
前記入熱抑制部材は、寸法の異なる中空部材を複数個、配置して構成されるフィンと、該フィンを支持する梁材とで構成され、前記フィンと梁材との接合箇所に、前記低融点ろう材が設置されていることを特徴とする請求項５に記載のクライオポンプ。
【請求項７】
前記入熱抑制部材は、表面に複数の貫通孔が形成され、外周に沿って設置された鍔部を有するディスク板で構成され、該ディスク板の外周部と前記鍔部の接合箇所に、前記低融点ろう材が設置されていることを特徴とする請求項５に記載のクライオポンプ。
【請求項８】
前記低融点ろう材は、４００℃未満の融点を有することを特徴とする請求項５乃至７のいずれか一つに記載のクライオポンプ。
【請求項９】
前記低融点ろう材は、モル比が８８：１２のＡｕ（金）−Ｇｅ（ゲルマニウム）、モル比が８１．２：１８．８のＡｕ（金）−Ｓｉ（シリコン）およびモル比が８０：２０のＡｕ（金）−Ｓｎ（スズ）の中から選定されるいずれかの材料であることを特徴とする請求項８に記載のクライオポンプ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００８−２９７９２７（Ｐ２００８−２９７９２７Ａ）
【公開日】平成２０年１２月１１日（２００８．１２．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１４２３３１（Ｐ２００７−１４２３３１）
【出願日】平成１９年５月２９日（２００７．５．２９）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１２月１１日（２００８．１２．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年５月２９日（２００７．５．２９）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
【Ｆターム（参考）】
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