低溫泵、低溫泵吸留氣體量推測裝置及其推測方法與流程

本申請主張基于2016年3月22日申請的日本專利申請第2016-057049號的優先權。該日本申請的全部內容通過參考援用于本說明書中。

本發明涉及一種低溫泵、低溫泵吸留氣體量推測裝置以及低溫泵吸留氣體量推測方法。

背景技術：

低溫泵是通過冷凝或吸附將氣體分子捕捉于冷卻至超低溫的低溫板從而進行排氣的真空泵。低溫泵通常是為了實現半導體電路制造工藝等中要求的清潔的真空環境而進行利用。

專利文獻1：日本特開平9-14133號公報

由于低溫泵是捕集式真空泵，因此，通過低溫泵的真空排氣運行，氣體會蓄積到低溫泵。隨著氣體的蓄積，低溫泵的排氣速度逐漸下降。因此，為了從低溫泵排出已蓄積的氣體以使排氣速度恢復到初始水平，定期進行低溫泵的再生。上一次再生結束之后到進行下一次再生為止的真空排氣運行期間又稱作再生間隔。由于再生期間無法進行低溫泵的真空排氣運行，因此希望再生間隔盡可能長。

在低溫泵的某一用途中，為了在真空處理工藝中使用而導入的氣體占捕捉于低溫泵的氣體的大部分。通常，對真空處理工藝中導入的氣體進行管理并進行計量。由于通過計算可以從氣體導入量準確地獲取低溫泵的吸留氣體量，因此據此可以容易地設定再生間隔。

相對于此，在另一用途中，為了去除真空處理工藝中的副產氣體(例如，離子注入工藝中產生的較多的氫氣)而使用低溫泵。副產氣體的產生量一般不明確。因此，低溫泵的吸留氣體量也不明確，很難恰當地設定再生間隔。如上所述，不提倡較短的再生間隔。若再生間隔過長，則低溫泵的排氣速度會顯著下降，可能會頻繁出現真空不良現象。

技術實現要素：

本發明是鑒于這種情況而完成的，本發明的一種實施方式的例示性目的之一在于提供有助于恰當地設定低溫泵再生間隔的指標。

根據本發明的一種實施方式方式，低溫泵具備：低溫泵真空容器；真空計，設置于所述低溫泵真空容器，以便測量所述低溫泵真空容器內的真空度，并輸出真空測量信號；以及吸留氣體量推測部，其與所述真空計連接，以便從所述真空計接收所述真空測量信號，并且所述吸留氣體量推測部具備極限壓力確定部和吸留氣體量定量化部，所述極限壓力確定部根據所述真空測量信號確定所述低溫泵真空容器的極限壓力，所述吸留氣體量定量化部具備使所述極限壓力與吸留氣體量推測值建立關聯的吸留氣體量定量化函數，并且將所述極限壓力轉換成所述吸留氣體量推測值。

根據本發明的一種實施方式，低溫泵吸留氣體量推測裝置具備：極限壓力確定部，根據表示低溫泵真空容器內的真空度的真空測量信號，確定所述低溫泵真空容器的極限壓力；以及吸留氣體量定量化部，具備使所述極限壓力與吸留氣體量推測值建立關聯的吸留氣體量定量化函數，并將所述極限壓力轉換成所述吸留氣體量推測值。

根據本發明的一種實施方式，低溫泵吸留氣體量推測方法具備如下步驟：測量低溫泵真空容器內的真空度并生成真空測量信號；根據所述真空測量信號確定所述低溫泵真空容器的極限壓力；以及使用使所述極限壓力與吸留氣體量推測值建立關聯的吸留氣體量定量化函數將所述極限壓力轉換成所述吸留氣體量推測值。

另外，上述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、計算機程序、存儲有計算機程序的存儲介質等之間的互相置換也作為本發明的實施方式而有效。

根據本發明，能夠提供有助于恰當地設定低溫泵再生間隔的指標。

附圖說明

圖1是示意地表示一種實施方式所涉及的低溫泵及配套設備的圖。

圖2是示意地表示一種實施方式所涉及的低溫泵吸留氣體量推測裝置的結構的圖。

圖3表示一種實施方式所涉及的吸留氣體量定量化函數。

圖4是表示一種實施方式所涉及的低溫泵吸留氣體量推測方法的流程圖。

圖5是表示一種實施方式所涉及的獲取吸留氣體量定量化函數的例示性方法的流程圖。

圖6表示基于圖5的方法的測量結果。

圖中：10-低溫泵，12-低溫泵真空容器，16-真空計，30-進氣口，52-閘閥，100-推測裝置，102-吸留氣體量推測部，106-輸入部，108-輸出部，110-極限壓力確定部，112-吸留氣體量定量化部，114-閘閥指令生成部，116-吸留氣體量定量化函數，v-真空測量信號，p-極限壓力，g-吸留氣體量推測值，s-吸留氣體量推斷開始指令，c-關閉指令。

具體實施方式

以下，參考附圖對本發明的實施方式進行詳細說明。另外，在以下的說明中，對相同要件標注相同的符號并適當省略重復說明。并且，以下敘述的結構為示例，并不對本發明的范圍作任何限定。

圖1是示意地表示一種實施方式所涉及的低溫泵10及配套設備的圖。低溫泵10例如安裝于離子注入裝置或濺射裝置等的真空腔室，并用于使真空腔室內部的真空度提高至所希望的處理中要求的水平。

閘閥52設置于低溫泵10與真空腔室50之間。構成包括低溫泵10、真空腔室50及閘閥52的真空處理裝置11。

閘閥52具備閘閥凸緣54、閥板56及閥板容納部58。閥板56為閘閥52的閥體，閘閥凸緣54具有閥座60。閥板56與閥座60緊貼在一起時，閘閥52處于完全關閉的狀態。由于閥板56關閉低溫泵10的進氣口30，因此從真空腔室50朝向低溫泵10的氣體流動被切斷。如圖1中的單點劃線所示，在閥板56離開閥座60而容納于閥板容納部58的情況下，閘閥52處于完全開放的狀態。

圖1所示的閥板56位于全開與全關之間的中間位置。如圖1所示，閥板56從閥座60稍微分開，在閥板56與閥座60之間形成有閘閥間隙62。閘閥間隙62通過閥板56的移動而可變。

低溫泵10具備低溫泵真空容器12、低溫泵凸緣14及真空計16。而且，低溫泵10還具備制冷機20、入口低溫板22、放射屏蔽件24及第2低溫板單元26。可以將入口低溫板22及放射屏蔽件24統稱為第1低溫板單元。

低溫泵真空容器12為容納制冷機20、入口低溫板22、放射屏蔽件24及第2低溫板單元26的低溫泵10的框體，其構成為保持低溫泵10的內部空間28的真空氣密。低溫泵真空容器12安裝于制冷機20的室溫部20a。低溫泵真空容器12包圍放射屏蔽件24及入口低溫板22。放射屏蔽件24包圍入口低溫板22以及第2低溫板單元26。

低溫泵凸緣14從低溫泵真空容器12的前端朝向徑向外側延伸。低溫泵凸緣14遍及低溫泵真空容器12的前端的整周而設置。在低溫泵凸緣14的徑向內側劃定有低溫泵10的進氣口30。低溫泵凸緣14安裝于閘閥凸緣54，由此，使低溫泵10安裝于真空腔室50。氣體從真空腔室50通過閘閥52及進氣口30而進入低溫泵10的內部空間28。

真空計16設置在低溫泵真空容器12，以便測量低溫泵真空容器12內的真空度。真空計16為能夠測量10^-5pa的高真空度的電離真空計。真空計16的測定范圍例如可以為從1pa(或者10pa)至10^-5pa(或者10^-6pa)。真空計16也可以是三極管式真空計、ba真空計等熱陰極電離真空計。

接著，對低溫泵10的其他構成要件進行說明。

另外，以下為了更通俗易懂地表示低溫泵10的構成要件之間的位置關系，有時使用“軸向”、“徑向”等術語。軸向表示通過進氣口30的方向(圖1中的縱向)，徑向表示沿著進氣口30的方向(圖1中的橫向)。為了方面起見，有時將軸向上相對靠近進氣口30的一側稱作“上”，相對遠離進氣口30的一側稱作“下”。即，有時將相對遠離低溫泵10底部的一側稱作“上”，相對靠近低溫泵10底部的一側稱作“下”。關于徑向，有時將靠近進氣口30的中心的一側稱作“內”，將靠近進氣口30的周邊的一側稱作“外”。另外，這種表達方式與低溫泵10安裝于真空腔室50時的配置無關。例如，低溫泵10也可以以進氣口30沿鉛垂方向朝下的方式安裝于真空腔室50。

并且，有時將圍繞軸向的方向稱作“周向”。周向為沿進氣口30的第2方向，是與徑向正交的切線方向。

制冷機20例如為吉福德-麥克馬洪式制冷機(所謂的gm制冷機)等超低溫制冷機。制冷機20為二級式制冷機。因此，制冷機20除了具備室溫部20a以外還具備第1缸體20b、第1冷卻臺20c、第2缸體20d及第2冷卻臺20e。

制冷機20構成為，將第1冷卻臺20c冷卻至第1冷卻溫度，將第2冷卻臺20e冷卻至第2冷卻溫度。第2冷卻溫度為比第1冷卻溫度更低的溫度。例如，第1冷卻臺20c冷卻至65k～120k左右，優選冷卻至80k～100k，第2冷卻臺20e冷卻至10k～20k左右。

第1缸體20b以及第2缸體20d構成制冷機結構部，所述制冷機結構部將第2冷卻臺20e結構性地支撐于第1冷卻臺20c并且將第1冷卻臺20c結構性地支撐于制冷機20的室溫部20a。第1缸體20b以及第2缸體20d沿著徑向以同軸方式延伸。第1缸體20b將制冷機20的室溫部20a連接于第1冷卻臺20c，第2缸體20d將第1冷卻臺20c連接于第2冷卻臺20e。室溫部20a、第1缸體20b、第1冷卻臺20c、第2缸體20d以及第2冷卻臺20e依次以直線狀排列成一列。

在第1缸體20b及第2缸體20d的內部，以能夠往返移動的方式分別配設有第1置換器及第2置換器(未圖示)。在第1置換器及第2置換器中分別組裝有第1蓄冷器及第2蓄冷器(未圖示)。并且，室溫部20a具有用于使第1置換器及第2置換器往返移動的驅動機構(未圖示)。驅動機構包括流路切換機構，該流路切換機構切換工作氣體的流路以便周期性地重復向制冷機20的內部供給工作氣體(例如氦)及從制冷機20的內部排出工作氣體。

制冷機20連接于工作氣體的壓縮機(未圖示)。制冷機20使通過壓縮機加壓的工作氣體在制冷機20的內部膨脹從而冷卻第1冷卻臺20c以及第2冷卻臺20e。膨脹的工作氣體回收至壓縮機并重新被加壓。制冷機20通過重復進行包括工作氣體的供給和排出及與該工作氣體的供給和排出同步的第1置換器及第2置換器的往返移動的熱循環，從而產生寒冷。

圖示的低溫泵10為所謂的臥式低溫泵。臥式低溫泵通常是指制冷機20配設成其中心軸與放射屏蔽件24的中心軸正交并且第2冷卻臺20e配置于放射屏蔽件24的中心部的低溫泵。

放射屏蔽件24是為了從低溫泵真空容器12的輻射熱保護第2低溫板單元26而設置的。放射屏蔽件24與第1冷卻臺20c熱連接。因此，第1低溫板單元被冷卻至第1冷卻溫度。在放射屏蔽件24與低溫泵真空容器12之間具有間隙32，放射屏蔽件24并未與低溫泵真空容器12接觸。

為了從來自低溫泵10的外部熱源(例如，真空腔室50內的熱源)的輻射熱保護第2低溫板單元26，入口低溫板22配設成覆蓋放射屏蔽件24的主開口的至少一部分。入口低溫板22不僅限制輻射熱進入，還限制氣體進入內部空間28。入口低溫板22經由放射屏蔽件24與第1冷卻臺20c熱連接。在第1冷卻溫度下冷凝的氣體(例如水分)捕捉于入口低溫板22的表面。

第2低溫板單元26具備多個低溫板，這些低溫板以包圍第2冷卻臺20e的方式安裝在第2冷卻臺20e。第2低溫板單元26未與第1低溫板單元接觸。第2低溫板單元26與第2冷卻臺20e熱連接，第2低溫板單元26被冷卻至第2冷卻溫度。

在第2低溫板單元26中，在其至少一部分表面形成有吸附區域26a。吸附區域26a是為了通過吸附而捕捉非冷凝性氣體(例如氫)而設置的。吸附區域26a形成于在上方相鄰的低溫板的背陰處，從而無法從進氣口30觀察到。即，吸附區域26a形成于各個低溫板的上表面的中心部和下表面的整個區域。但是，在直接與入口低溫板22面對的頂部低溫板的上表面并未設置有吸附區域26a。吸附區域26a例如通過將吸附材料(例如活性炭)粘結于低溫板表面而形成。

并且，在第2低溫板單元26的至少一部分表面上形成有用于通過冷凝而捕捉冷凝性氣體的冷凝區域26b。冷凝區域26b例如為低溫板表面中的沒有吸附材料的區域，因此在冷凝區域26b中露出有低溫板基材表面，例如金屬面。

以下，對上述結構的低溫泵10的動作進行說明。在使低溫泵10工作時，首先，在其工作之前利用其它適當的粗抽泵將真空腔室內部粗抽至1pa左右。之后，使低溫泵10工作。第1冷卻臺20c及第2冷卻臺20e通過制冷機20的驅動而分別冷卻至第1冷卻溫度及第2冷卻溫度。因此，分別與第1冷卻臺20c及第2冷卻臺20e熱連接的第1低溫板單元及第2低溫板單元26也分別冷卻至第1冷卻溫度及第2冷卻溫度。

入口低溫板22冷卻從真空腔室向低溫泵10飛來的氣體。在第1冷卻溫度下蒸氣壓充分降低的(例如10^-8pa以下的)氣體在入口低溫板22的表面冷凝。該氣體也可稱作第1種氣體。第1種氣體例如為水蒸氣。如此，入口低溫板22能夠排出第1種氣體。在第1冷卻溫度下蒸氣壓未充分降低的氣體的一部分從進氣口30進入到內部空間28。或者，氣體的另一部分被入口低溫板22反射而未進入內部空間28。

進入到內部空間28的氣體被第2低溫板單元26冷卻。在第2冷卻溫度下蒸氣壓充分降低的(例如10^-8pa以下的)氣體在第2低溫板單元26的表面冷凝。該氣體也可稱作第2種氣體。第2種氣體例如為氬氣。如此，第2低溫板單元26能夠排出第2種氣體。

在第2冷卻溫度下蒸氣壓未充分降低的氣體被第2低溫板單元26的吸附材料吸附。該氣體也可稱作第3種氣體。第3種氣體例如為氫氣。如此，第2低溫板單元26能夠排出第3種氣體。因此，低溫泵10通過冷凝或者吸附來排出各種氣體，從而能夠使真空腔室的真空度達到所希望的水平。

圖2是示意地表示一種實施方式所涉及的低溫泵吸留氣體量推測裝置(以下還稱作推測裝置)100的結構的圖。這種推測裝置通過硬件、軟件或者它們的組合來實現。并且，圖2中示意地表示了相關真空處理裝置11的一部分結構。

推測裝置100可以是低溫泵10的一部分。例如，推測裝置100可以與控制低溫泵10的控制裝置一體地設置。推測裝置100也可以是與低溫泵10分體設置的另一裝置。例如，推測裝置100可以構成為與低溫泵控制裝置分體設置的運算裝置。推測裝置100也可以是真空處理裝置11的一部分。

推測裝置100具備吸留氣體量推測部102、存儲部104、輸入部106以及輸出部108。吸留氣體量推測部102具備極限壓力確定部110、吸留氣體量定量化部112及閘閥指令生成部114。極限壓力確定部110具備極限壓力確定步驟111。吸留氣體量定量化部112具備吸留氣體量定量化函數116。

真空計16構成為，周期性地測量低溫泵真空容器12內的真空度，并輸出表示真空度的真空測量信號v。吸留氣體量推測部102與真空計16連接，以便從真空機16接收真空測量信號v。

存儲部104構成為，存儲與吸留氣體量推測處理相關的數據。例如，存儲部104預先存儲吸留氣體量定量化函數116和/或用于確定極限壓力的待機時間及閾值。

輸入部106構成為，接收來自用戶或者其他裝置的輸入。例如，輸入部106構成為，接收吸留氣體量推斷開始指令s。輸入部106例如包括用于接收來自用戶的輸入的鼠標或鍵盤等輸入機構和/或用于與其他裝置進行通信的通信機構。

輸出部108構成為，輸出與吸留氣體量推測處理相關的數據，并且包括顯示器或打印機等輸出機構。例如，輸出部108構成為，輸出吸留氣體量推測值g。輸出部108也可以構成為，輸出根據吸留氣體量推測值g來運算出的值。

存儲部104、輸入部106以及輸出部108分別與吸留氣體量推測部102以能夠通信的方式連接。由此，吸留氣體量推測部102能夠根據需要從存儲部104讀取數據和/或將數據存儲于存儲部104。并且，吸留氣體量推測部102能夠從輸入部106接收數據的輸入和/或將數據輸出到輸出部108。

極限壓力確定部110構成為，按照規定的極限壓力確定步驟111來確定低溫泵真空容器12的極限壓力p。極限壓力確定步驟111包括如下步驟：在關閉閘閥52之后待機規定時間；在待機規定時間之后測量低溫泵真空容器12內的真空度并生成真空測量信號v；根據真空測量信號v來確定低溫泵真空容器12的極限壓力p。待機時間例如設定為與獲取吸留氣體量定量化函數116時使用的待機時間相同的時間。極限壓力確定部110構成為，向吸留氣體量定量化部112輸出所確定的極限壓力p。

如上所述，極限壓力p的確定是根據真空測量信號v進行的。例如，極限壓力確定部110在閘閥52被關閉的期間從真空測量信號v運算出低溫泵真空容器12內的壓力及其下降速度。極限壓力確定部110判斷運算出的壓力下降速度是否低于閾值，并在壓力下降速度低于閾值的情況下，將低溫泵真空容器12內的壓力確定為極限壓力p。

換言之，極限壓力確定部110在低溫泵10的排氣運行期間且在閘閥52被關閉的期間執行壓力下降速度測試。在此，壓力下降速度測試是指如下處理：若從判定開始時刻的壓力開始的壓力上升梯度未超過閾值，則判定為合格，若壓力上升梯度超過閾值，則判定為不合格。極限壓力確定部110對低溫泵真空容器12內的壓力執行壓力下降速度測試，并且在合格的情況下，將此刻的壓力確定為極限壓力p。

吸留氣體量定量化部112構成為，參考吸留氣體量定量化函數116將極限壓力p轉換成吸留氣體量推測值g。吸留氣體量定量化部112構成為，向輸出部108輸出吸留氣體量推測值g。

吸留氣體量定量化部112可以具備運算出吸留氣體量推測值g相對于低溫泵10的吸留氣體容量的比率的比率運算部118。吸留氣體容量可以是低溫泵10的規格上的最大吸留氣體量(例如，氫氣的最大吸留氣體量)。此時，輸出部108可以輸出吸留氣體量推測值g相對于低溫泵10的吸留氣體容量的比率。使用比率具有如下有點：容易直觀地了解低溫泵10中蓄積了多少氣體。

閘閥指令生成部114構成為，接收吸留氣體量推斷開始指令s后向閘閥52輸出關閉指令。閘閥52與吸留氣體量推測部102連接，以便從吸留氣體量推測部102接收由閘閥指令生成部114生成的關閉指令c。閘閥52構成為，按照關閉指令c對進氣口30進行關閉。

并且，閘閥指令生成部114可以構成為，在吸留氣體量推測處理結束時生成閘閥52的開放指令。閘閥52可以構成為，按照開放指令開放進氣口30。

圖3表示一種實施方式所涉及的吸留氣體量定量化函數116。吸留氣體量定量化函數116構成為，使極限壓力p與吸留氣體量推測值g建立關聯。吸留氣體量定量化函數116例如為用于從極限壓力p運算出吸留氣體量推測值g的查找表或者逼近函數。

如圖3所例示，在將吸留氣體量推測值g設為縱軸，將極限壓力p以對數形式設為橫軸時，吸留氣體量定量化函數116描繪出緩慢單調遞增的圖表。極限壓力p越高(即變壞)，吸留氣體量推測值g越大。

圖4是表示一種實施方式所涉及的低溫泵吸留氣體量推測方法的流程圖。推測裝置100可以在低溫泵10的運行期間執行該處理。

首先，吸留氣體量推測部102判定有無吸留氣體量推斷開始指令s輸入(s10)。若沒有吸留氣體量推斷開始指令s輸入(s10的否)，則不執行本方法。若有吸留氣體量推斷開始指令s輸入(s10的是)，則關閉閘閥52(s12)。如上所述，閘閥指令生成部114生成關閉指令c，并且根據該指令關閉閘閥52。

極限壓力確定部110執行極限壓力確定步驟111(s14)。極限壓力確定部110在關閉閘閥52之后待機一定時間，并在待機一定時間之后周期性地測量低溫泵真空容器12內的真空度，并生成與測量結果相對應的真空測量信號v(s15)。極限壓力確定部110根據真空測量信號v進行壓力下降速度測試。極限壓力確定部110周期性地重復進行壓力下降速度測試直到合格為止，并將合格時的壓力確定為極限壓力p。

另外，在即使重復進行了規定次數的壓力下降速度測試仍為不合格的情況下，極限壓力確定部110可以中斷極限壓力確定步驟111。此時，吸留氣體量推測部102可以中止吸留氣體量推測處理，并將該內容輸出至輸出部108。

吸留氣體量定量化部112運算出低溫泵10的吸留氣體量推測值g(s16)。吸留氣體量定量化部112使用吸留氣體量定量化函數116將極限壓力p轉換成吸留氣體量推測值g。

輸出部108輸出吸留氣體量推測值g(s18)。吸留氣體量推測值g顯示于顯示器等。閘閥指令生成部114生成開放指令，并根據該開放指令開放閘閥52。如此，結束吸留氣體量推測處理。

如此，根據本實施方式，作為有助于恰當地設定低溫泵再生間隔的指標，能夠對低溫泵10的吸留氣體量進行定量化后進行輸出。

圖5是表示一種實施方式所涉及的獲取吸留氣體量定量化函數116的例示性方法的流程圖。該方法在上述低溫泵吸留氣體量推測方法之前進行，從而準備吸留氣體量定量化函數116。

首先，將低溫泵10安裝在試驗用真空腔室(s20)。并且，將真空計16設置于低溫泵10。真空計16也可以設置于真空腔室。

將規定量的氣體(例如，10sccm左右的氫氣)導入到真空腔室(s22)。對導入的氣體進行計量，并且在達到規定量時，停止氣體的導入(s24)。

停止氣體的導入之后，待機規定時間(例如15分左右)(s26)，待機之后用真空計16測量低溫泵10內的壓力(s28)。待機時間設定為導入的氣體量被捕捉于低溫泵10所需的足夠時間。使測量出的壓力與累積的導入氣體量建立關聯(s30)。

重復進行這種氣體導入及壓力測量直至達到規定的總計導入氣體量(s32的否)。若達到了規定的總計導入氣體量(s32的是)，則結束測量。

圖6例示了基于圖5的方法的測量結果120。橫軸表示累積的導入氣體量，縱軸以對數形式表示極限壓力p。導入氣體的期間的壓力略大于10^-3pa。在待機時間中，導入氣體被低溫泵10捕捉，壓力會大幅下降。在測量開始時，壓力下降至10^-6pa左右。棱形的標記表示測量出的極限壓力。測量過后再次導入氣體。該操作重復進行多次。隨著氣體量的增加，極限壓力也會慢慢上升。

圖3所例示的吸留氣體量定量化函數116相當于將測量結果120的縱軸與橫軸互換的數據。

以上，根據實施方式對本發明進行了說明。本發明并不限定于上述實施方式，可以進行各種設計變更，可以存在各種變形例，并且這種變形例也屬于本發明的范圍，這對本領域技術人員來說是可以理解的。

低溫泵10也可以不具備真空計16。真空計16可以設置在真空處理裝置11中的任意部位。真空計16可以設置于真空腔室50。真空計16可以測量真空腔室50內的真空，并輸出真空測量信號v。吸留氣體量推測部102可以連接于真空計16，以便從真空計16接收真空測量信號v。

本發明的吸留氣體量推測方法不僅可以適用于氫氣等第3種氣體，也可以適用于氬氣等第2種氣體。