冷阱及冷阱的控制方法
2023-05-15 19:20:56 1
專利名稱：冷阱及冷阱的控制方法
技術領域：
本發明涉及一種冷阱及冷阱的控制方法。
背景技術：
作為通過冷凝或吸附而將氣體分子捕捉在冷卻至超低溫的低溫板上來提高真空度的裝置，已知有低溫泵或冷阱(例如參考專利文獻I)。冷阱通常設置於渦輪分子泵等真空泵的前段，與真空泵協同進行排氣動作。在冷阱中，通常附帶設置有冷卻用流體的供給系統或超低溫制冷機等冷卻裝置，低溫板的表面被冷卻至超低溫。專利文獻1:日本特開2009-262083號公報冷阱中，通常捕捉在低溫板表面的水分等的量越多排氣能力越降低，所以需要定期進行向外部排出被捕捉的水分等的再生處理。該再生處理中，由於水分等從低溫板再氣化，所以通常用閥等從排氣對象切斷開冷阱，或者停止包括冷阱的整個裝置的運行。當為前者時向真空度的不良影響令人擔憂，為後者時存在被安裝冷阱的裝置的利用率降低的可能性。
發明內容
本發明是鑑於這種情況而完成的，其目的在於提供一種能夠連續運行的冷阱及冷阱的控制方法。本發明的一種形態涉及冷阱。該冷阱為具備能夠獨立控制的多個冷卻單元，且配置於將排氣對象容積與真空泵連接的排氣流路內，其中各冷卻單元包含:露出配置於排氣流路的板單元；及與板單元熱連接並對板單元進行冷卻的制冷機。各冷卻單元的板單元遠離其他冷卻單元的板單元而配置。本發明的其他形態為控制方法。該方法為具備多個能夠獨立控制的冷卻單元且配置於將排氣對象容積連接於真空泵的排氣流路的冷阱的控制方法，其中各冷卻單元包含:露出於排氣流路而配置的板單元；及熱連接於板單元並對板單元進行冷卻制冷機。各冷卻單元的板單元遠離其他冷卻單元的板單元而配置。該控制方法包含:在通常運行模式與再生模式之間切換各冷卻單元的控制模式的步驟，其中，通常運行模式使從排氣對象容積通過排氣流路而來到的氣體凍結在板單元的表面來捕捉，再生模式使凍結在板單元的表面的氣體氣化並通過真空泵向外部排出；及當多個冷卻單元中的一部分冷卻單元成為通常運行模式時，將多個冷卻單元中的另一部分冷卻單元設為再生模式的步驟。另外，以上的構成要件的任意組合、或本發明的構成要件或表現在裝置、方法、系統、電腦程式、儲存電腦程式的記錄介質等之間的相互置換，也作為本發明的形態而有效。發明效果根據本發明， 能夠提供一種能夠連續運行的冷阱及其控制方法。
圖1是示意地表示具備實施方式所涉及的冷阱的真空排氣系統的圖。圖2是圖1的冷阱的仰視圖。圖3是表示圖1的第I冷卻單元、第2冷卻單元及渦輪分子泵的動作狀態的轉變的時間圖。圖4是示意地表示第I變形例所涉及的冷阱的圖。圖5是第2變形例所涉及的冷阱的仰視圖。圖中:10_冷阱，12-渦輪分子泵，14-排氣流路，16-真空腔室，18-閘閥，20-第I冷卻單元，22-第2冷卻單元，32-控制部，34-間隙，62-冷阱，68-冷阱。
具體實施例方式以下，對於各附圖所示的相同或同等的構成要件、部件、處理，附加相同的符號，並適當省略重複的說明。並且，為了便於理解，將各附圖中的部件的尺寸適當地擴大、縮小來表示。並且，各附圖中在說明實·施方式的基礎上，對一部分不重要的部件省略表示。實施方式所涉及的冷阱使用多個制冷機。冷阱的低溫板按每個制冷機被分割。被分割的各板單元遠離其他任何板單元而配置。由此，能夠獨立地再生各板單元，所以能夠實現冷阱的連續運行。其結果，利用這種冷阱的生產裝置的生產率提高。冷阱例如用於在真空環境中對物體進行處理的真空處理裝置的真空腔室的真空排氣。真空處理裝置例如為在離子注入裝置或濺射裝置等半導體製造工序中使用的裝置。近幾年，對應於液晶顯示器或有機EL (Electro-Luminescence)顯示器等的大型化,正在推進這些真空處理裝置的大型化。若增大真空處理裝置的真空腔室則使用具有更高的排氣能力的更大型的冷阱的情況變得較多。大型冷阱中，通常通過使用多個制冷機來得到冷卻較大低溫板所需的高冷卻能力。在此，若在這種大型冷阱中應用實施方式所涉及的技術思想，則除了得到高冷卻能力的目的之外，還能夠實現為了冷阱的連續運行的目的而使用多個制冷機。因此，實施方式所涉及的技術思想能夠適當地應用於比較大型的冷阱。圖1是示意地表示具備實施方式所涉及的冷阱10的真空排氣系統的圖。該真空排氣系統具備冷阱10及渦輪分子泵12。渦輪分子泵12通過被真空容器15包圍的排氣流路14連接於真空處理裝置的真空腔室16。冷阱10在排氣流路14中配置於渦輪分子泵12的跟前。冷阱10配置於渦輪分子泵12的鉛垂方向上方。在排氣流路14上設置有為了從真空腔室16隔斷真空排氣系統的閘閥18。閘閥18設置在真空腔室16的開口部與冷阱10之間。通過開啟閘閥18來連通真空排氣系統，以便能夠對真空腔室16進行排氣，通過關閉閘閥18來從真空腔室16隔斷真空排氣系統。另夕卜，閘閥18可構成為真空排氣系統的一部分，也可作為真空處理裝置的一部分而設置於真空腔室16的開口部。真空排氣系統通過開放閘閥18並使渦輪分子泵12動作，對真空腔室16進行排氣並將真空度提高至所希望的水平。此時，冷阱10的至少一部分被冷卻至能夠捕捉在排氣流路14中流動的水蒸氣的溫度(例如100K)。通常渦輪分子泵12的水蒸氣的排氣速度比較慢，但通過與冷阱10共同使用能夠實現更快的排氣速度。
圖2是冷阱10的仰視圖。以下，參考圖1及圖2對冷阱10進行說明。冷阱10具備第I冷卻單元20、能夠與第I冷卻單元20獨立地控制的第2冷卻單元22、以及與第I冷卻單元20及第2冷卻單元22連接的控制部32。第I冷卻單元20與第2冷卻單元22相鄰。第I冷卻單元20包含第I制冷機24及具有百葉窗結構的第I板單元26。第2冷卻單元22包含第2制冷機28及具有百葉窗結構的第2板單元30。第I板單元26、第2板單元30均露出配置於排氣流路14。第I板單元26與第2板單元30在排氣流路14中的氣體流通方向(圖1中為上下方向、圖2中為與紙面正交的方向)正交的方向上相互遠離配置。尤其，第I板單元26及第2板單元30均沿著與氣體流通方向正交的一個面經預定的間隙34配置。第I板單元26及第2板單元30以佔有與排氣流路14的氣體流通方向正交的截面積的例如佔據大半的方式設置有有關氣體流通方向的投影面積。第I板單元26及第2板單元30在與氣體流通方向正交的方向上對置。第I制冷機24熱連接於第I板單元26，對第I板單元26進行冷卻。第2制冷機28熱連接於第2板單元30，對第2板單元30進行冷卻。第I板單元26、第2板單元30分別被第I制冷機24、第2制冷機28冷卻，從而將在排氣流路14中流動的氣體的一部分凍結在表面來捕捉。第I板單元26具有第I殼體36、3個第I傳熱杆38、及16張第I百葉窗板40。第I殼體36構成為劃定第I板單元26在排氣流路14的截面中應佔的區域的外形，尤其形成為半圓形狀。各第I傳熱杆38通過焊接等而與第I殼體36結合。各第I百葉窗板40通過焊接等與第I傳熱杆38結合。各第I百葉窗板40分別形成為直徑不同的圓錐臺側面的形狀並排列成同心圓狀。第2板單元30也 同樣具有第2殼體42、3個第2傳熱杆44、及16張第2百葉窗板46。另外，第I板單元26、第2板單元30可形成為人字形形狀，也可形成為格子狀等其他形狀。排氣流路14中在分別與第I制冷機24、第2制冷機28對應的位置形成有開口，其各開口中分別安裝有容納第I制冷機24、第2制冷機28的第I缸48、第2缸52的第I連接殼體50、第2連接殼體54。第I制冷機24是吉福德-麥克馬洪式制冷機(所謂的GM制冷機)。並且第I制冷機24是單級式制冷機，具有第I缸48及第I制冷機馬達56。在第I缸48的一端安裝第I殼體36，另一端設置有第I制冷機馬達56。第I缸48中內置有置換器(未圖示)，且置換器內部組裝有蓄冷材料(未圖示)。第I制冷機馬達56以使置換器能夠在第I缸48的內部往返移動的方式連接於置換器。並且，第I制冷機馬達56以能夠使設置於第I制冷機24內部的可動閥(未圖示)正反旋轉的方式連接於該閥。第I制冷機24上，經高壓配管及低壓配管連接有壓縮機(未圖示)。第I制冷機24通過反覆使從壓縮機供給的高壓工作氣體(例如氦)在內部膨脹並吐出的熱循環，從第I板單元26吸收熱。為了實現該熱循環，第I制冷機馬達56使可動閥朝向預定方向旋轉。壓縮機回收從第I制冷機24吐出的工作氣體並再次加壓來供給於第I制冷機24。並且，通過第I制冷機馬達56使可動閥向反方向旋轉，實現使上述熱循環逆轉的熱循環，第I板單元26被加熱。另外，也可代替第I制冷機24的逆轉運行或與逆轉運行共同使用加熱器等加熱機構來加熱第I板單元26。在第I制冷機24的第I缸48的一端設置有溫度傳感器(未圖示)。溫度傳感器周期性測定第I缸48的一端的溫度，並向控制部32輸出表示測定溫度的信號。溫度傳感器以能夠通信該輸出的方式連接於控制部32。由於第I缸48的一端與第I板單元26熱性地構成為一體，所以溫度傳感器的測定溫度表示第I板單元26的溫度。另外也可在第I板單元26設置溫度傳感器。在第I連接殼體50的內部設置有壓力傳感器(未圖示)。壓力傳感器周期性測定第I連接殼體50的內部壓力即排氣流路14的壓力，並向控制部32輸出表示測定壓力的信號。壓力傳感器以能夠通信該輸出的方式連接於控制部32。可設為壓力傳感器僅在冷阱的再生處理的執行期間測定壓力並向控制部32輸出。壓力傳感器的測定值表示第I板單元26的周圍的壓力即環境壓力。另外也可在排氣流路14設置壓力傳感器。壓力傳感器具有大氣壓至約OPa的廣泛的測定範圍。希望該測定範圍至少包含可在再生處理期間發生的壓力範圍。希望壓力傳感器為在排氣流路14中的氣體流動至少為粘性流時能夠測定壓力的壓力 傳感器。壓力傳感器可以是在排氣流路14中的氣體流動為粘性流時或為分子流時都能夠測定壓力的壓力傳感器。通常，排氣流路14中的壓力大於數Pa時氣體流動成為粘性流，壓力小於KT1 10_2Pa時成為分子流。作為這種壓力傳感器例如可使用晶體壓力計。晶體壓力計是利用水晶振子的振動阻力隨壓力而變化的現象來測定壓力的傳感器。另外還能夠使用膜壓真空計。並且，也可使用只能測定分子流級別的壓力的壓力傳感器(例如T/C計)。第2制冷機28與第I制冷機24相同地構成，具有第2缸52及第2制冷機馬達58。在第2缸52的一端安裝有第2殼體42，在另一端設置有第2制冷機馬達58。控制部32構成為包含CPU的微處理器，除了 CPU之外具備存儲各種程序的ROM、暫時儲存數據的RAM、輸入輸出埠及通信埠等。控制部32以能夠與真空處理裝置的控制部通信的方式連接，還能夠根據來自真空處理裝置的控制部的指令執行適當的控制。控制部32根據從溫度傳感器及壓力傳感器輸入的測定值獨立控制第I制冷機24、第2制冷機28。控制部32以能夠與第I制冷機馬達56及第2制冷機馬達58通信的方式連接。在控制部32與第I制冷機馬達56之間例如設置有逆變器(未圖示)，通過控制部32向逆變器提供指令，控制第I制冷機馬達56的轉速。通過第I制冷機馬達56的轉速的改變，第I制冷機24中的熱循環的頻率發生變化，第I板單元26的溫度發生變化。在控制部32與第2制冷機馬達58之間也同樣設置有逆變器(未圖示)。第I冷卻單元20的控制模式，至少有以下2個。 (I)通常運行模式，以使從真空腔室16通過排氣流路14來到的氣體凍結並捕捉在第I板單元26的表面的方式進行控制。通常運行模式中，控制部32根據溫度傳感器的測定溫度控制第I制冷機馬達56，以便第I板單元26的溫度與目標溫度(例如100K) —致。控制部32例如以使溫度傳感器的測定溫度接近於目標溫度的方式確定第I制冷機馬達56的轉速。控制部32例如在測定溫度超過目標溫度時使第I制冷機馬達56的轉速增加，測定溫度低於目標溫度時使第I制冷機馬達56的轉速減少。如此，第I板單元26的溫度維持在目標溫度附近。(2)再生模式，以使凍結於第I板單元26的表面的氣體氣化並通過渦輪分子泵12向外部排出的方式進行控制。通過持續進行通常運行模式，第I板單元26上逐漸蓄積被凍結的氣體。本實施方式中，主要是水蒸氣固化而形成的冰的量逐漸增大。因此，為了向外部排出蓄積的冰，從開始通常運行模式後經過了預定運行時間時進行第I冷卻單元20的再生。控制部32將第I冷卻單元20設為再生模式時事先將第2冷卻單元22設為通常運行模式，所以即使在保持打開閘閥18的狀態下再生第I冷卻單元20，對真空腔室16的真空度的影響也比較小。再生模式中，使第I板單元26升溫至比通常運行模式時的第I板單元26的目標溫度高的再生溫度，並使凍結在表面的氣體再氣化。再氣化後的氣體中的一部分被成為通常運行模式的第2冷卻單元22的第2板單元30捕捉，剩餘的大部分通過渦輪分子泵12向外部排出。另外，還能夠將渦輪分子泵以外的真空泵設為再生處理用，通過該真空泵向外部排出氣體。第2冷卻單元22的控制模式也同樣包含通常運行模式和再生模式。控制部32在通常運行模式與再生模式之間獨立切換各冷卻單元20、22的控制模式。控制部32以尤其不會出現第I冷卻單元20及第2冷卻單元22同時成為再生模式的情況的方式控制那些冷卻單元。·即，控制部32以一方的冷卻單元已成為通常運行模式作為條件之一來將另一方的冷卻單元設為再生模式。也可以說控制部32以持續第I冷卻單元20及第2冷卻單元22中的至少一方成為通常運行模式的狀態的方式控制那些冷卻單元。對基於以上結構的冷阱10的動作進行說明。圖3是表示第I冷卻單元20、第2冷卻單元22及渦輪分子泵12的動作狀態的轉變的時間圖。渦輪分子泵12始終為開的狀態。在時刻tl，控制部32檢測出第I冷卻單元20的運行時間已結束，將第I冷卻單元20的控制模式從通常運行模式切換為再生模式。控制部32使第2冷卻單元22維持通常運行模式的狀態。另外，在第I冷卻單元20的運行時間結束時第2冷卻單元22成為再生模式的狀況下，控制部32使第I冷卻單元20維持通常運行模式的狀態，直到第2冷卻單元22成為通常運行模式。若第2冷卻單元22成為通常運行模式，則控制部32將第I冷卻單元20的控制模式從通常運行模式切換為再生模式。從時刻tl至時刻t2的第I冷卻單元再生期間TPl中，控制部32將第I冷卻單元20設為再生模式，將第2冷卻單元22設為通常運行模式。在時刻t2，控制部32將第I冷卻單元20的控制模式從再生模式切換為通常運行模式。在時刻t3，控制部32檢測出第2冷卻單元22的運行時間已結束，將第2冷卻單元22的控制模式從通常運行模式切換至再生模式。控制部32使第I冷卻單元20維持通常運行模式的狀態。另外，在第2冷卻單元22的運行時間結束時第I冷卻單元20成為再生模式的情況，與時刻tl的情況相同。從時刻t3至時刻t4的第2冷卻單元再生期間TP2中，控制部32將第2冷卻單元22設為再生模式，將第I冷卻單元20設為通常運行模式。在時刻t4，控制部32將第2冷卻單元22的控制模式從再生模式切換為通常運行模式。另外，控制部32可調整各冷卻單元的運行時間，以免第I冷卻單元再生期間TPl與第2冷卻單元再生期間TP2重疊。根據本實施方式所涉及的冷阱10，通過利用具備2個制冷機24、28的性質，能夠不在冷阱10本身設置再生期間就使冷阱10連續動作。由此，能夠抑制例如由於冷阱再生時關閉閘閥18而引起的對真空腔室16的真空度的不良影響。並且，在無閘閥18的應用中，無需為了冷阱的再生而停止包括真空腔室16的整個裝置的運轉。這些均有助於裝置的生廣率的提聞。並且，本實施方式所涉及的冷阱10中，在各冷卻單元20、22及渦輪分子泵12之間不存在其他冷卻單元，各冷卻單元20、22與渦輪分子泵12直接對置。因此，對第I冷卻單元20、第2冷卻單元22中的任一個，再生模式中再氣化的氣體的大部分都通過渦輪分子泵12向外部排出。其結果，能夠更有效地進行各冷卻單元20、22的再生。相對於此，在低溫板與真空泵比較遠離配置的低溫泵等系統中，在冷卻低溫板的一部分的同時加熱另一部分時，從被加熱的一部分再氣化後的氣體的大部分被已冷卻的一部分捕捉。因此，低溫板的有效再生並不實際。以上，對實施方式所涉及的冷阱10的結構及動作進行了說明。該實施方式為例示，本行業人員可理解可對其構成要件或各處理的組合進行各種變形例，並且那種變形例也在本發明的範圍內。實施方式中， 第I冷卻單元可以包含與第I殼體36熱連接且從第2板單元30隔開的間隙罩。該間隙罩可以至少局部覆蓋間隙34。圖4是示意地表示第I變形例所涉及的冷阱62的圖。冷阱62具備第I冷卻單元64及第2冷卻單元22，第I冷卻單元64包含第I制冷機24及第I板單元66。第I板單元66具有第I殼體36、3個第I傳熱杆38、16張第I百葉窗板40、及間隙罩60。間隙罩60安裝於規定第I殼體36的間隙34的部分的上端。間隙罩60以從閘閥18側觀察冷阱62時隱藏間隙34的方式覆蓋間隙34。此時，在第I冷卻單元64的通常運行模式中間隙罩60也被冷卻，通過排氣流路14來到的氣體也可被間隙罩60捕捉。因此，能夠相應地增加氣體的捕捉量。另外，還可在第2殼體42安裝間隙罩60。實施方式中，對板單元具有百葉窗的結構的情況進行了說明，但並不限於此，本實施方式的技術思想還能夠適用於具有如美國專利第5483803號公報所述的圓筒狀低溫板的低溫泵。圖5是第2變形例所涉及的冷阱68的仰視圖。冷阱68具備配置成同心圓狀且相互非接觸的圓筒狀的4個板70、72、74、76。第I板70、第2板72、第3板74、第4板76從內到外依次排列。第I板70及第3板74構成第I板單元78，均與第I制冷機24熱連接並通過第I制冷機24被冷卻。第2板72及第4板76構成第2板單元80，均與第2制冷機28熱連接且通過第2制冷機28被冷卻。第I板單元78與第2板單元80在與氣體流通方向正交的方向上遠離配置。此時，可得到與通過實施方式所涉及的冷阱10所得到的作用效果同樣的作用效
果O實施方式中，對冷阱10具備2個冷卻單元的情況進行了說明，但並不限於此，冷阱可具備能夠獨立控制的3個以上的冷卻單元。本申請主張基於2012年I月31日申請的日本專利申請第2012-018835號的優先權。其申請的所有內容通過參照援用於該說明書中。
權利要求
1.一種冷阱，其具備能夠獨立控制的多個冷卻單元，且配置於將排氣對象容積與真空泵連接的排氣流路內，其特徵在於， 各冷卻單元包括: 板單元，其露出配置於所述排氣流路；及 制冷機，其與所述板單元熱連接並對所述板單元進行冷卻， 各冷卻單元的板單元與其他冷卻單元的板單元遠離配置。
2.如權利要求1所述的冷阱，其特徵在於， 所述冷阱還具備控制部，所述控制部將各冷卻單元的控制模式在通常運行模式與再生模式之間進行切換，其中，通常運行模式使從所述排氣對象容積通過所述排氣流路而來到的氣體凍結並捕捉在所述板單元的表面，再生模式使凍結在所述板單元的表面上的氣體氣化並通過所述真空泵向外部排出， 當所述多個冷卻單元中的一部分冷卻單元成為所述通常運行模式時，所述控制部將所述多個冷卻單元中的另一部分冷卻單元設為所述再生模式。
3.如權利要求1或2所述的冷阱，其特徵在於， 所述冷阱還具備罩部，且該罩部熱連接於相鄰的2個板單元中的任意一個，並且至少局部性地覆蓋上述2個板單元的間隙。
4.一種冷阱的控制方法，其是權利要求1所述的冷阱的控制方法，該冷阱的控制方法的特徵在於，包括: 在通常運行模式與再生 模式之間切換各冷卻單元的控制模式的步驟，其中，通常運行模式使從所述排氣對象容積通過所述排氣流路而來到的氣體凍結並捕捉在所述板單元的表面，再生模式使凍結在所述板單元的表面的氣體氣化並通過所述真空泵向外部排出；及 當所述多個冷卻單元中的一部分冷卻單元成為所述通常運行模式時，將所述多個冷卻單元中的另一部分冷卻單元設為所述再生模式的步驟。
全文摘要
本發明提供一種冷阱及冷阱的控制方法，其目的在於能夠實現冷阱的連續運行。本發明的冷阱(10)具備2個能夠獨立控制的冷卻單元(20，22)。冷阱(10)配置於將真空腔室(16)連接在渦輪分子泵(12)的排氣流路(14)。第1冷卻單元(20)包含露出於排氣流路(14)而配置的第1板單元(26)；及熱連接於第1板單元(26)並對冷卻第1板單元(26)進行冷卻的第1制冷機(24)。第2冷卻單元(22)包含露出於排氣流路(14)而配置的第2板單元(30)；及熱連接於第2板單元(30)並對第2板單元(30)進行冷卻的第2制冷機(28)。第1板單元(26)遠離第2板單元(30)而配置。
文檔編號B01D8/00GK103223260SQ20131003285
公開日2013年7月31日 申請日期2013年1月28日 優先權日2012年1月31日
發明者田中秀和 申請人:住友重機械工業株式會社