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スーパートラップの応用と効果的な使用例

1.はじめに

通常の真空裝置では、排出ガスの主成分は水であるため、裝置の排気時(shí)間や到達(dá)圧力はその裝置に使用されている真空ポンプの水に対する排気速度で決定される。
例えば、ターボ分子ポンプの場(chǎng)合は水に対する排気速度は大きくないため、大気にさらされた狀態(tài)から排気を行った場(chǎng)合には、所定の圧力に達(dá)するまで長(zhǎng)時(shí)間を要することになる。拡散ポンプの場(chǎng)合は油蒸気の逆流防止のため冷水バッフルが使用されるため、やはり水に対する排気速度が低下することになる。
また、油蒸気の逆流防止効果を兼ねて液體窒素で冷卻されるトラップが使用されるが、この場(chǎng)合は、水に対する排気速度はクライオポンプと同じ最大値が得られる。しかし、液體窒素の消耗による運(yùn)転コストの増大が問(wèn)題となる。
液體窒素の代わりにフレオン冷凍機(jī)を使用した冷凍バッフルや冷凍トラップが使用される場(chǎng)合もあるが、フレオンは地球環(huán)境に対する影響から使用が制限されつつあり、いずれは使用が困難になってくるものと考えられる。また、フレオン冷凍機(jī)は、冷凍能力は大きいが到達(dá)溫度が140K程度であるため高真空領(lǐng)域では性能が低下してくる。
スパートラップは小型ヘリウム冷凍機(jī)を使用しており、環(huán)境破壊の問(wèn)題を起こす心配が全くなく、80K以下の溫度まで冷卻でき、低真空領(lǐng)域から超高真空領(lǐng)域まで広い範(fàn)囲で使用することができるなどの特徴があるため、ターボ分子ポンプの排気性能の改善や拡散ポンプのトラップとして、また、水排気専用の真空ポンプとして使用されている。
ここでは、スーパートラップの構(gòu)造と性能、およびスーパートラップの使用例とその効果について説明する。

2.スーパートラップの構(gòu)造と排気の原理
スーパートラップに使用されている冷凍機(jī)システムは、クライオポンプに使用されている2段式冷凍機(jī)を1段に改造したG-Mサイクルの小型ヘリウム冷凍機(jī)とコンプレッサで構(gòu)成されてる。
冷凍機(jī)の1段ステージは80K以下の溫度に冷卻され、ここに取り付けられた80Kクライオパネルにより、水などの蒸気圧の低い気體を凝縮し排気する。
80Kのクライオパネルの溫度は、CA熱電対によって知ることができる。
スーパートラップには2つのタイプがあり、拡散ポンプの液體窒素トラップのように気體を通過(guò)させることのできる通過(guò)型と、直接真空裝置に取り付けられる直付け型とがある。
通過(guò)型（図1）は、クライオポンプや拡散ポンプと直列に使用され、真空ポンプの水に対する排気能力をアップすることに使用される。
この場(chǎng)合は、窒素やアルゴンなどの80Kクライオパネルでは排気されない気體に対しては、排気抵抗となるため、適切なコンダクタンスに設(shè)定することが必要である。
一方、直付け型（図2）は、排気系とは獨(dú)立して真空容器の壁に直接、またはバルブを介して取り付けられるタイプであり、排気系とは並列に設(shè)置されるタイプである。
この場(chǎng)合は、排気系の排気速度はそのまま生かし、水に対する排気速度のみを増大させることが可能となる。すなわち、水に関しては、クライオポンプを1臺(tái)増?jiān)O(shè)した場(chǎng)合と全く同じ排気性能が達(dá)成できることになり、最も効率よく水を排気することができる。また、コンダクタンスなどの問(wèn)題も発生しないため、構(gòu)造、取扱も簡(jiǎn)単である。

図1：通過(guò)型スーパートラップの構(gòu)造	図2：直付け型スーパートラップの構(gòu)造 /td>

3.スーパートラップの再生
80Kクライオパネルに凝縮した水は、その量が多くなってくると、氷の表面溫度が高くなってくる。氷の表面溫度が130Kを超えると排気性能が低下してくるため、氷を除去する再生が必要となる。再生は、冷凍機(jī)を停止させ80Kクライオパネルの溫度を室溫まで昇溫させて氷を溶かし、外部に排出することにより行うことができる。
再生時(shí)の昇溫は、真空を破った後の自然昇溫で行われるが、昇溫時(shí)間を短縮したい場(chǎng)合は、スーパートラップの真空容器の外側(cè)にバンドヒーターを取り付け加熱する方法がある。氷を外部に排出したら、スーパートラップを真空排気し、起動(dòng)?冷卻する。クライオパネルの溫度が130K以下に低下したら再び水を排気することができる。

4.スーパートラップの用途
水を効率良く排気する必要のある真空裝置では、クライオポンプが使用されるが、水素を大量に排気する必要のある場(chǎng)合は、クライオポンプには排気の限界があること、また、可燃性の気體を大量に溜め込んだ場(chǎng)合、再生時(shí)に安全上の問(wèn)題が発生することなどにより、拡散ポンプやターボ分子ポンプなどのような連続的に排気できるポンプが使用される。また、真空裝置側(cè)から油蒸気等の汚染物質(zhì)を大量に排気しなければならない場(chǎng)合は、拡散ポンプが使用される。しかし、前述のようにターボ分子ポンプや拡散ポンプは水に対する排気速度が小さいために、その點(diǎn)を補(bǔ)うためにスーパートラップが使用される。その主な用途は、

(1) 水排気専用のポンプ

真空ロー付爐、真空熱処理爐、巻取式連続蒸著裝置、蒸著裝置、スパッタ裝置、イオンプレーティング裝置

(2) 排気系の性能アップ

拡散ポンプの性能アップ、拡散ポンプの液體窒素トラップの代替、ターボ分子ポンプの性能アップ

などである。特に、ガラス、プラスチック、セラミックへの成膜の場(chǎng)合は、大量の水が放出されるので、非常に効果的である。スーパートラップは、概設(shè)の裝置でも取り付けスペースがあれば、簡(jiǎn)単に取り付けることができ、大幅な排気時(shí)間の短縮が達(dá)成される。

5.拡散ポンプへの応用
図3は22インチの拡散ポンプ付の真空ロー付爐に22インチのスパートラップCRYO-T22を取り付けた例である。

図3：拡散ポンプへの取付け例

この裝置の場(chǎng)合の目標(biāo)とする圧力は6.7×10^－3Paであるが、スーパートラップを取り付ける前は、この圧力に到達(dá)するのに約160分を必要としていたが、スーパートラップを取り付けることにより、排気時(shí)間は1/2に短縮することが可能となった。（図4參照）

図4：拡散ポンプでのスーパートラップの効果

拡散ポンプにスーパートラップを使用する場(chǎng)合は、スーパートラップと拡散ポンプの間に水冷バッフル等の拡散ポンプからの輻射熱をさえぎるものが必要である。

6.スパッタ裝置への応用
スパッタ裝置では、大流量のアルゴンを?qū)毪贰?0^－1Pa臺(tái)が必要であるため、コンダクタンスバルブで排気速度を制限している。
この場(chǎng)合は、アルゴンに対する排気速度を制限することが目的であるのだが、水に対する排気速度も同時(shí)に制限してしまう。
図5はこの問(wèn)題を解決するためにスーパートラップを使用した例である。この場(chǎng)合は、水 に対する排気速度はコンダクタンスバルブのコンダクタンスの影響を受けないために、水に対しては常に一定で最大の排気速度が得られるため、成膜室の水の分圧を下げることができる。

図5：スパッタ裝置への応用例

図6はこの裝置で、スーパートラップをONにした場(chǎng)合とOFFにした場(chǎng)合の排気特性を調(diào)べたものでスーパートラップをONにすると圧力は約1/4に低下し、排気時(shí)間の短縮、到達(dá)圧力低下にスーパートラップの効果が実証された。

図6：スパッタ裝置での排気特性

7.おわりに
スーパートラップは4～22インチと種類(lèi)が多く、小型?中型の機(jī)種では1臺(tái)のコンプレッサーで複數(shù)のスーパートラップが運(yùn)転できるため、経済的なシステムが可能である。（表1參照）
スーパートラップは、高性能で応用範(fàn)囲が広いため、今後ますます使用されていくものと思われる。

表1：スーパートラップの種類(lèi)

口　徑	機(jī)　種	冷　凍　機(jī)	圧縮機(jī)
4	CRYO-T4	RS5	C10
6	CRYO-T6	RS5/RS10	C10
8	CRYO-T8	RS5/RS10	C10
10	CRYO-T10	RS10	C10
14	CRYO-T14	RS10/RS50	C10/C30
16	CRYO-T16	RS50	C30
20	CRYO-T20	RS50	C30
22	CRYO-T22	RS50	C30