JP2002164594A

JP2002164594A - アルミニウム製チャンバ

Info

Publication number: JP2002164594A
Application number: JP2000360637A
Authority: JP
Inventors: Kazuya Kuriyama; 和也栗山; Natsuyuki Suzuki; 夏志鈴木
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 2000-11-28
Filing date: 2000-11-28
Publication date: 2002-06-07

Abstract

(57)【要約】【課題】高温下にあるチャンバ内の高温ガスの冷却とチ
ャンバ本体の冷却とを積極的に行い、チャンバの熱膨張
に基づく歪みによる変形をなくし、高精度の加工性と耐
久性とが得られる各種の高温下に曝される各種加工機の
アルミニウム製チャンバを合理的な価格で提供する。【解決手段】アルミニウム製のチャンバ本体(10)にヒー
トパイプ構造やスカイビングフィン構造を有する熱交換
ユニット(11,16) を、その受熱部(11a,16a) をチャンバ
内部に臨ませ、その放熱部(12)をチャンバ外に臨ませて
直付けする。この熱交換ユニット(11)の直付けにより、
チャンバ本体(10)を小型化でき、しかもチャンバ内の高
温ガスに対する冷却が効率的に行われると同時に、チャ
ンバ本体(10)の過熱も効果的に防止できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内部が高温の雰囲
気下におかれる各種のレーザ発振器用チャンバ、或いは
半導体製造設備における各種の成膜用やスパッタリング
用チャンバなどに適用可能なチャンバに関し、特にアル
ミニウムから構成される冷却効率に優れた各種のチャン
バに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年の、例えば半導体デバイスの製造機
置における加工精度の向上は目ざましく、サブミクロン
の微細加工が可能となっている。これらの高精度な加工
を実現するには、各種の加工条件の適正な設定が重要で
あることは当然として、高温下に曝されて、放電や各種
の高温ガスによる損傷を受けやすいチャンバの材質に注
目することも重要である。このため、従来は放電による
コンタミネーション（contamination)の発生が少なく、
各種の流体に対する耐食性などに優れたステンレスが主
体として使われてきた。

【０００３】しかして、近年は、例えば特開昭５８−７
７７１２号公報や特開昭６２−１７９８０９号公報にも
記載されているように、電気的特性の改善が容易で、熱
伝導性及び電気伝導性に優れ、加工が容易であり、軽量
であることなどの理由から、粒子加速用ビームチャンバ
としてアルミニウム製の中空押出形材が使われるように
なってきている。これらの公報によれば、押出形材の中
空部内面が成形中に大気と接触しないため、同内面にア
ルミニウムの腐食を助長する水和性酸化物が生成され
ず、逆に緻密な酸化膜が形成されるため、特に高真空度
が要求される粒子加速用ビームチャンバに好適であると
している。

【０００４】しかして、かかるアルミニウム製チャンバ
は、例えば実開平３−１４１４４号公報にも記載されて
いるような、加工時に高温の環境下に置かれるスパッタ
リング用の真空チャンバにも適用され、また例えば特開
平６−１３２５８２号公報、特開平９−２９８３２９号
公報などに記載されているような、反応性ガスの励起時
における放電により高温下に曝されるエキシマレーザ用
チャンバにも使用されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記スパッ
タリング用の真空チャンバやエキシマレーザ用チャンバ
は、高温下にある加工時の影響を避けるべく、その内部
が冷却手段を使って積極的に冷却される。例えば、前記
エキシマレーザ用チャンバであれば、駆動時の過熱を避
けるため、チャンバ内部の高温ガスを冷却する必要があ
り、ガス流路中に熱交換器が設置されている。この熱交
換器の設置はガスの冷却には効果的であるが、チャンバ
自体の冷却には殆ど寄与していない。

【０００６】更に、チャンバ内に独立して熱交換器を設
置することはチャンバの大型化につながるばかりでな
く、チャンバを外部から積極的に冷却していない現状で
は、チャンバ自体が極めて高温となりやすく、その温度
上昇時の熱膨張による歪みに基づく変形の発生は無視で
きない。すなわち、チャンバ自体のこのような変形は、
光学系にずれを生じさせてビーム出射角などが変動し、
ビーム精度に著しく影響する。

【０００７】上記変形を避けるには、アルミニウム製チ
ャンバの本体に冷却水通路を直接形成して同本体を冷却
することが好ましい。しかるに、アルミニウムは一般的
に水に侵されやすく、アルミニウム製のチャンバ本体に
冷却水通路用の孔を直接形成すると、冷却通路用の孔の
内壁が冷却水との接触により腐蝕してしまい、耐久性が
なくなるばかりでなく、例えば半導体製造工場のクリー
ンルームであれば、漏水によるクリーン度への影響も否
定できないことから、その実現がむずかしい。

【０００８】こうした冷却水による腐食を回避するに
は、水にも侵されず熱伝達にも優れた銅を使うことが望
ましい。しかしながら、銅製のチャンバは材料コストが
大幅に上がってしまい、到底、実施化は難しい。そのた
め、チャンバ本体の外面に銅パイプをろう付けして取り
付け、このパイプに冷却水を供給することにより、該冷
却水を上記チャンバ本体に直接接触させることなく冷却
を行うようにしたアルミニウム製真空チャンバも公知で
ある。しかるに、アルミニウムに銅を直接ろう付けする
ことは技術的に困難であることから、中間に介在物を介
してろう付けが行われる。その結果、製造コストを上げ
ざるを得ず、しかも銅パイプがアルミニウムと直接接触
しないため、熱伝達が低くなり冷却効率も低下する。

【０００９】そこで、例えば上記実開平３−１４１４４
号公報により提案されているように、チャンバ本体にド
リルなどの機械加工によって圧縮空気通路孔を穿設し、
明記されてはいないが、その途中の一部開口を閉塞する
と共に、残る連続する両端開口に圧縮空気の供給管と排
出管を接続して、チャンバ本体に圧縮空気を圧送してシ
ーズヒータの輻射熱によるチャンバ本体の過熱を防止し
ようとしている。しかして、所詮は空冷であるに過ぎ
ず、冷却効率は低く、過熱を防ぐに止まり、上述のごと
きレーザ用チャンバのような、チャンバ本体の変形によ
るビーム精度の低下が防止できるまでには到らない。

【００１０】更に、例えばエキシマレーザ用チャンバで
あれば、チャンバの内部には高温のフッ素ガスが循環す
る。このフッ素ガスはアルミニウムに対する腐食性が高
く、短時間でアルミニウムを侵食する。そこで、従来も
アルミニウム製のエキシマレーザ用チャンバには、その
表面にニッケル−燐メッキなどを施してフッ素ガスに対
する耐腐食性を確保している。

【００１１】また、例えばレーザチャンバ本体に冷却用
通路を形成し、その内壁面に直接冷却用フィンを突設す
ることも考えられるが、チャンバ内を循環する高温ガス
の冷却を優先させると、冷却用フィンの高温ガスに対す
る接触面積を増やすため、冷却用フィンの突出長さを可
能な限り長くしなければならない。一方、冷却用フィン
の有効な熱交換能力は、その断面積、熱伝導長さ及び熱
伝導率により決まるため、必然的に前記突出長さにも制
限があり、ある一定以上の長さになると熱交換能力は飽
和する。

【００１２】本発明は、各種の有利な電気的或いは機械
的特性を有し、安価で優れた加工性を有するアルミニウ
ムを使用して、高温ガスとチャンバ本体とが効果的に冷
却され、高温ガスの影響を受けずに各種の加工が可能で
あり、更には高温による熱変形などの弊害がなく、高精
度の加工性と耐久性とが確保された高温下に曝される各
種加工機用のアルミニウム製チャンバを合理的な価格を
もって提供することを目的としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段及び作用効果】上記課題に
鑑みて多面的に検討を行った結果、成形のしやすさと、
その物性から、チャンバ本体はアルミニウムの押出しに
より成形することが好ましく、更には熱交換効率に優れ
た熱交換器をチャンバ本体に直接取り付けることが、チ
ャンバ内を循環する高温ガスの冷却と同時にチャンバ自
体の冷却にも効果を上げることができるため好ましいと
の結論に達した。

【００１４】チャンバ本体をアルミニウム材を押出しに
より成形することにより、一般的には切削や研削などの
機械加工により形成されるガス通過路や冷却媒体の通過
路をチャンバ本体の押出しと同時に成形でき、しかも高
精度に成形することが可能なため、滑らかな表面が得ら
れるので表面研磨などの仕上げも不要となる。

【００１５】請求項１に係る発明は、こうした利点を合
理的に活かした基本的な構成を備えている。すなわち、
請求項１に係る発明は、高温雰囲気下に置かれる各種の
アルミニウム製チャンバ本体と、受熱部及び放熱部とを
有する熱交換ユニットとを有し、前記熱交換ユニットの
受熱部を前記チャンバ本体の内部に配すると共に、その
放熱部を外部に配して、同熱交換ユニットをチャンバ本
体に直付けしてなることを特徴とするアルミニウム製チ
ャンバにある。

【００１６】この発明におけるチャンバ本体は、上述の
ように生産能率が高く、高精度に成形されることから、
押出しにより成形されることが好ましい。しかし、通常
のボルトにより組み立てることもできる。しかして、本
発明ではチャンバ内を循環する高温ガスの冷却とチャン
バ本体との冷却を、別途製造される受熱部及び放熱部を
有する熱交換ユニットにより構成する。この熱交換ユニ
ットは市販されているものを適用することもできるが、
それらの熱交換ユニットをチャンバに直付けするに適し
た構造に改造して使うことが好ましい。

【００１７】この種のチャンバには、例えば放電電極ユ
ニットや各種フィルタ等の他の付帯装置を独立して取り
付ける必要がある。そのため、チャンバ本体にはそれら
の装置を取り付けるための窓や配線孔等が形成される。
本発明では、それらの装置の一つとして上述のような受
熱部及び放熱部を有する熱交換ユニットを加え、この熱
交換ユニットをチャンバ本体に予め形成した熱交換ユニ
ット設置用窓に受熱部をチャンバ本体の内部に臨ませる
と共に放熱部を外部に露呈させて直付けする。

【００１８】前記直付けの方法には、通常のボルトによ
る固設、ろう付け、後述する「摩擦攪拌接合方法」など
が採用できる。この種のヒートパイプ構造を備えた熱交
換ユニットは、その殆どがアルミニウム素材から構成さ
れている。この点は、チャンバ本体をアルミニウムによ
り構成しており、同一の材質から構成されるため、熱交
換ユニットをチャンバ本体に固設するにあたっても、前
述のろう付けや摩擦攪拌接合方法が容易に採用し得る。

【００１９】ヒートパイプは、広く知られているとおり
通常の金属による熱交換効率と較べると熱の交換が極め
て高い効率で行われる。通常のフィンによる冷却は、既
述したとおり、フィンの断面積、熱伝導率及びフィンの
突出長さにより決まり、単にフィンを長く突出させれば
冷却効率が高まるものではない。その点、ヒートパイプ
構造を採用すると、受熱範囲の自由度が増し、しかもそ
の熱の搬送が作動液の気化により行われるため、極めて
効率的に熱交換が行えるばかりでなく、その放熱部との
距離を任意に決めることができる。

【００２０】本発明によれば、アルミニウム製チャンバ
本体に、受熱部及び放熱部からなる熱交換ユニットを、
その受熱部をチャンバ内に臨ませると共に、その放熱部
をチャンバ外に露呈させて直付けするため、チャンバ内
を循環する高温ガスから素早く熱を奪い、これを効率的
にチャンバ外に放出するため、チャンバ内を効果的に冷
却すると同時に、チャンバ本体の直付け部分に冷却媒体
を配するようにすれば、チャンバ本体の冷却をも効果的
に行うことができる。

【００２１】本発明にあって、チャンバ本体をアルミニ
ウムの押出しにより成形する場合には、例えば本体の押
出しと同時に、その冷却媒体通路に別途冷却媒体を供給
すればチャンバ本体が直接冷却されるため、更にチャン
バ本体の過熱が防止される。一方、前記熱交換ユニット
はチャンバ本体の製造とは別途に製造されるため、品質
の確保がしやすいばかりでなく、チャンバ製造の能率を
向上させることができる。また本発明にあっては、前記
チャンバ本体を押出しにより成形することなく、機械的
な組立てと機械加工によって製作することも可能であ
る。

【００２２】請求項２に係る発明は、前記熱交換ユニッ
トの前記受熱部はヒートパイプ構造を有し、前記放熱部
は冷却配管を有する基台からなることを特徴とする請求
項１記載のアルミニウム製チャンバにある。

【００２３】ヒートパイプは、広く知られているとお
り、通常の金属による熱交換効率と比べると熱の交換が
極めて高い効率で行われる。通常のフィンによる冷却
は、前述のとおり、フィンの断面積、熱伝導率及びフィ
ンの突出長さにより決まり、単にフィンを長く突出させ
れば冷却効率が高まるものではない。ヒートパイプ構造
を採用すると、受熱範囲の自由度が増し、しかもその熱
の搬送が作動液の気化により行われるため、極めて効率
的に熱交換が行えるばかりでなく、その放熱部との距離
を任意に決めることができる。

【００２４】本発明によれば、アルミニウム製チャンバ
本体に、受熱部をヒートパイプで構成し、このヒートパ
イプをもってアルミニウム製フィンを覆う構造とし、放
熱部を冷却配管を設けた基材とした熱交換ユニットを、
その受熱部をチャンバ本体内に臨ませると共に、その放
熱部をチャンバ本体の外部に露呈させて直付けするた
め、チャンバ内を循環する高温ガスから素早く熱を奪
い、これを効果的に冷却するためにチャンバ本体に直付
けする基材にも冷却配管を設けて、冷却媒体を循環させ
ることにより、チャンバ本体の冷却をも効果的に行うこ
とができる。

【００２５】請求項３に係る発明は、前記熱交換ユニッ
トの前記受熱部はスカイビングフィン構造を有し、前記
放熱部は冷却配管を有する基材からなることを特徴とす
る請求項１記載のアルミニウム製チャンバにある。

【００２６】一般的なフィン構造は、連続板状のルーバ
ータイプや所定形状の板を接着又はろう付けにより、幾
重に連続したものが知られている。また、細密な箇所に
設ける熱交換器では、ピンタイプとされることが多い。
しかし、受熱面積を広く確保するためには、広幅で長い
フィンにする必要が或る。

【００２７】受熱部に用いるスカイビングフィン構造
は、アルミニウム材をシェーパ（形削り盤）で削ぐよう
に順次切削し（スカイビング加工）、フィン状に製作し
たものである。市販品としては、スカイブヒートシンク
（昭和アルミニウム社製（商品名））が知られており、
例えば、幅が１０〜２０ｍｍ、長さが３０〜５０ｍｍの
ものを得ることができる。

【００２８】請求項４に係る発明は、前記熱交換ユニッ
トのチャンバ本体に対する直付けが、摩擦熱に基づく塑
性流動化による母材同士の組織攪拌をもってなされてな
る請求項１〜３のいずれかに記載のアルミニウム製チャ
ンバにある。

【００２９】摩擦熱を利用して、接合しようとする母材
同士の組織を塑性流動化させると同時に、同組織を攪拌
させることにより接合させる方法は知られている。この
接合方法が、上述の「摩擦攪拌接合方法」と呼ばれるも
のである。この摩擦攪拌接合方法は、例えば先端中心に
ピン状のツールを有する回転ドリルのツールを母材の境
界面に沿って高速で回転させながら走行させると、ツー
ルの回転摩擦により生じる母材の境界面の温度が約４０
０℃以上に達する。この温度に達すると境界面の内部組
織は変形抵抗を失い、塑性流動が起こり母材同士の組織
が攪拌される。この結果、境界面はなくなり母材同士が
接合できる。

【００３０】この摩擦攪拌接合方法による利点は、接合
時の熱の影響による強度低下が小さく、母材の熱歪も非
常に小さいため、熱歪を好まない本発明のチャンバ本体
の加工には最適である。更に、前述のように母材の溶融
を伴わない固相の接合方法であるため、チャンバとして
有害なガスの発生が通常の溶融溶接やろう付けと比較し
て著しく少ない。なお、本発明にあっては、チャンバ本
体に対する上記熱交換ユニットの直付け手段として、前
記摩擦攪拌接合方法による以外にも、当然に従来からよ
く知られているろう付け、或いはボルトとＯリングを併
用する固着手段を採用することも可能である。

【００３１】請求項５に係る発明にあっては、上記アル
ミニウム製チャンバがレーザチャンバである場合を、請
求項６に係る発明にあっては、前記アルミニウム製チャ
ンバが半導体製造装置用チャンバである場合を特徴とし
ている。

【００３２】

【発明の実施形態】以下、本発明の典型的な実施形態で
あるエキシマレーザ発振器のチャンバに基づいて図面を
参照しながら具体的に説明する。なお、以下に述べる実
施形態にあっては、チャンバ本体に配されるパイプを水
冷用パイプとして銅パイプを使用している。これは、既
述したとおりアルミニウムは水に浸食されるがため、直
接接触させることができないためである。

【００３３】また、本発明における流体通路は、必ずし
も冷却用に限定されず、例えばエキシマレーザ発振器用
チャンバにあってはフッ素ガスなどの反応性ガスの給排
出用通路をも含むものである。

【００３４】図１はエキシマレーザ発信器の一般的な構
造例を示している。なお、図中の矢印はレーザ媒質ガス
の流れ方向を示している。符号１はエキシマレーザ発振
器のチャンバ、２はファン、３，４は主電極、５は熱交
換器、６は絶縁部材である。この他に、図示は省略する
が主電極４，５を挟むようにして予備励起用の予備電極
が配されている。

【００３５】レーザ媒質ガスはファン２の駆動により放
電を持続する主電極３，４の間を流れ、主電極３，４間
のガスを吹き払ったのち、熱交換器５で冷却されて再び
ファン２に戻る。このファン２によって生じる圧力さを
利用してダストフィルタケース７内に流れを発生させ
る。この流れに乗って、レーザ媒質ガスはダストフィル
タケース７内に配された図示せぬフィルタを通って濾過
され、清浄なレーザ媒質ガスがチャンバ１に戻される。

【００３６】本発明のチャンバ１はアルミニウム合金を
使って、例えば特開昭６２−１７９８０９号公報に開示
された押出技術に倣って押出成形される。従って、本明
細書ではその具体的な成形方法の説明は省略する。本実
施形態で使用されるアルミニウム合金としては、ＪＩＳ
Ａ６０６３又はＡ６０６１のビレットが使用される。

【００３７】図２は、本発明の第１実施形態を示してい
る。この実施形態によるチャンバ本体１０は略卵形の横
断面を有するアルミニウム合金からなる中空押出形材に
より構成される。チャンバ本体１０の天井部及び図面の
右側壁部は、のちに機械加工により窓が明けられ、上記
主電極４を支持する絶縁部材６が固設される平坦壁部１
０ｂと本発明の特徴部をなすヒートパイプ構造を有する
熱交換ユニット１１が固設される弧面壁部１０ｃとを有
している。図示は省略したが、図面の左上側にはチャン
バ本体の成形と同時にレーザ媒質ガスの給排通路を成形
することもできる。このガス給排通路には、のちに内外
と通じる図示せぬガス供給口及び排出口が機械加工によ
って形成される。

【００３８】本実施形態にあっては、上記熱交換ユニッ
ト１１を設置する他に、チャンバ本体１０の図面左側の
外側面と底部１０ａの外面とには、複数の略半円形断面
をもつ隆起状突条１０ｅが一体に成形されている。こう
して、チャンバ本体１０の外側表面と外気との接触面積
を増やして、空冷効果を上げる。

【００３９】前記専用の熱交換ユニット１１は市販され
ているヒートポンプ構造を有する熱交換ユニットに僅か
な機械加工を加えるだけで容易に製作できる。本実施形
態では、同熱交換ユニット１１は、図３に示すように、
内部にフロリナート（商品名：米国、スリーエム社製）
のような作動流体が封入されたアルミニウム製の図示せ
ぬ押出管を内部に収容して得られる薄板体１１ａを屈曲
させ、その屈曲空間に、同じくアルミニウム製の薄板材
１１ｂをジグザグ状に屈曲して収容一体化して得られる
受熱部であるヒートパイプ部１１ｃを、放熱部である厚
手のアルミニウム製基板１２にろう付けして一体化した
ものである。

【００４０】アルミニウム製基板１２には、外部から給
排される、例えば水やガス等の冷却媒体を流すようにし
てもよい。ただし、アルミニウムは水に侵食されること
から、アルミニウム製基板１２の内部に直接水を流すこ
とはできないため、水冷の場合には銅パイプを介して流
すようにする。

【００４１】いま、前記熱交換ユニット１１を上記チャ
ンバ本体１０に直付けするには、図２に示すように、先
ずチャンバ本体１０の高温ガスの循環路に相当する領域
に、前記アルミニウム製基板１２の外周面取付部と略同
一形状の窓部１３を機械加工により形成する。この窓部
１３に、前記熱交換ユニット１１の受熱部であるヒート
ポンプ部１１ｃをチャンバ本体１０の内部に臨ませると
共に、その放熱部であるアルミニウム製基板１２をチャ
ンバ本体１０の外部に露呈させるようにして嵌め込み、
適宜手段により仮止めする。

【００４２】次いで、窓部１３及びアルミニウム製基板
１２の各嵌合面に同一材質のアルミニウム片をあてがう
と共に、図４に示すような回転ツール１４の先端中央部
から突出するピン部材１４ａを挿入して、ツール１４を
窓部１３及びアルミニウム製基板１２の各嵌合面に外側
から押圧しながらピン部材１４ａと一緒に高速で駆動回
転させて、前記嵌合面に沿って移動させる。このときの
回転摩擦により、窓部及びアルミニウム製基板１２の各
嵌着面が４００℃以上に昇温し、そこにあてがわれたア
ルミニウム片と一緒に各母材も塑性流動化して、互いの
組織が攪拌されて一体化し、これを冷却することによ
り、図５（ａ）に示すごとく強固に接合一体化する、い
わゆる摩擦攪拌接合法を採用している。

【００４３】しかして、本発明による前記熱交換ユニッ
ト１１の固設手段としては、前述の接合一体化手段に限
定されず、例えば図５（ｂ）に示すごとく、チャンバ本
体１０の窓部１３の周面に段差を設けると共に、熱交換
ユニット１１のアルミニウム製基板１２の外周取付部に
も前記窓部１３に嵌着する段差を設け、その段差の部分
を接合面にＯリング１５ａを介して気密に密接させ、両
者をボルト１５により固定一体化することもできる。ま
た、例えば図示を省略したが、熱交換ユニット１１のア
ルミニウム製基板１２とチャンバ本体１０の窓部１３と
をろう付けにより一体化することもできる。

【００４４】このヒートパイプ構造を備えた熱交換ユニ
ット１１の設置にあたっては、図５に示すごとくヒート
パイプを内蔵する薄板体１１ａの屈曲空間に収納一体化
されたジグザグに屈曲するアルミニウム製の薄板材１１
ｂの各板面がチャンバ内の高温ガス循環方向と平行にな
るようにして、上記ヒートパイプ部１１ｃをチャンバ本
体１０の内部に臨設させる。

【００４５】このように、本実施形態によれば、チャン
バ本体１０とは別にアルミニウム製のヒートパイプ構造
をもつ熱交換ユニット１１をチャンバ本体１０に直付け
して、チャンバ１内のガス循環路に沿ってヒートパイプ
部１１ｃが臨設されることになるため、従来のごとく独
立した熱交換器をチャンバ内部に設置しないでも済む。
その結果、チャンバ本体１０が小型化でき、しかもヒー
トパイプ構造を採用することにより、前記ヒートパイプ
部１１ｃの受熱面積に対する自由度が大きくなり必要最
大限の臨設長に設定できる。

【００４６】そして、ヒートパイプ構造による冷却であ
るため、当然に熱交換性能も著しく向上する。更に、本
実施形態によると、熱交換ユニット１１によりチャンバ
内の高温ガスの冷却がなされると同時に、チャンバ本体
１０を直接冷却するため、例えばチャンバ本体１０に水
冷用の銅パイプを配する必要がなくなる。

【００４７】勿論、本実施形態のごとく、前記熱交換ユ
ニット１１によるだけではチャンバ本体１０の過熱が生
じるような場合には、チャンバ本体１０の内外に銅パイ
プを密着固定化して、前記熱交換ユニット１１のアルミ
ニウム製基板１２との両面からチャンバ本体１０を積極
的に冷却することも可能である。

【００４８】図６は、本発明の第２実施形態を示してい
る。この実施形態において、熱交換ユニット１１の受熱
部には、市販されているスカイビングフィン構造部材１
６を採用している。このスカイビングフィン構造部材１
６は、アルミニウムの押出材にスカイビング加工、つま
りアルミニウム押出材を削ぐようにして順次切削を施
し、複数枚のフィン１６ａを順次形成して得られる。既
述したと同様の構造をもつ放熱部であるアルミニウム製
基材１２の表面に、上述の摩擦攪拌接合方法により前記
スカイビングフィン構造部材１６を一体化して熱交換ユ
ニットが製作される。

【００４９】アルミニウム製基材１２には、既述したよ
うに、外部から給排される、例えば水やガス等の冷却媒
体を流すようにしてもよい。ただし、アルミニウムは水
に侵食されることから、アルミニウム製基板１２の内部
に直接水を流すことはできないため、水冷の場合には銅
パイプを介して流すようにする。

【００５０】前記熱交換ユニット１１を上記チャンバ本
体１０に直付けするには、図７に示すように、先ずチャ
ンバ本体１０の高温ガスの循環路に相当する側壁部１０
ｄに、前記アルミニウム製基板１２の外周面取付部と略
同一形状の窓部１３を機械加工により形成する。この窓
部１３に、前記熱交換ユニット１１の受熱部であるスカ
イビングフィン構造部材１５をチャンバ１の内部に臨ま
せると共に、その放熱部であるアルミニウム製基板１２
をチャンバ１の外部に露呈させて嵌め込み、適宜手段に
より仮止めする。

【００５１】次いで、窓部１３及びアルミニウム製基板
１２の各嵌合面に同一材質のアルミニウム片をあてがう
と共に、上記実施形態と同様に、図４に示すような回転
ツール１４の先端中央部から突出するピン部材１４ａを
挿入して、ツール１４を窓部１３及びアルミニウム製基
板１２の各嵌合面に外側から押圧しながらピン部材１４
ａと一緒に高速で駆動回転させて、前記嵌合面に沿って
移動させる。このときの回転摩擦により強固に接合一体
化する摩擦攪拌接合法が採用される。しかして、本発明
による前記熱交換ユニット１１の固設手段としては、前
述の接合一体化手段に限定されず、例えば図示は省略す
るがチャンバ本体１０の直付け窓部の周面に段差を設け
ると共に、熱交換ユニット１１のアルミニウム製基板１
２の外周取付部にも前記窓部の段差に嵌着する段差を設
け、上記実施形態と同様、その段差間を接合面にＯリン
グを介して気密に密接させ、両者をボルトにより固定一
体化することもできる。また、例えば熱交換ユニット１
１のアルミニウム製基板１２とチャンバ本体１０の直付
け窓部とをろう付けにより一体化することもできる。

【００５２】このスカイビングフィン構造を備えた熱交
換ユニット１１の設置にあたっては、図７に示すごとく
片側に形成されるフィン１６ａを構成するアルミニウム
製板材の板面がチャンバ内の高温ガス循環方向に平行に
配して、前記フィン１６ａをチャンバ本体１０の内部に
臨設させる。

【００５３】このように、本実施形態によれば、チャン
バ本体１０とは別にアルミニウム製のスカイビングフィ
ン構造をもつ熱交換ユニット１１をチャンバ本体１０に
直付けして、チャンバ１内のガス循環路に沿ってフィン
エレメント１１ｂが配されるため、従来のごとく独立し
た熱交換器をチャンバ内部に設置する必要がない。その
結果、チャンバ本体１０が小型化でき、しかもスカイビ
ングフィン構造を採用することにより、前記フィン１６
ａの受熱面積に対する自由度が大きくなり必要最大限の
臨設長を設定できる。そして、スカイビングフィン構造
による冷却であるため、当然に熱交換性能も著しく向上
する。

【００５４】勿論、本実施形態にあっても、前記熱交換
ユニット１１によるだけではチャンバ本体１０の過熱が
生じるような場合には、チャンバ本体１０の内外に銅パ
イプを密着固定化して、前記熱交換ユニット１１のアル
ミニウム製基板１２との両面からチャンバ本体１０を積
極的に冷却することも可能である。

【００５５】図８は、前述のごとくチャンバ本体１０に
前記熱交換ユニット１１を設置すると共に、チャンバ本
体１０に直接水冷すくための銅パイプを埋設一体化する
場合の本発明における第３実施形態を示している。

【００５６】すなわち、チャンバ本体１０の側壁部１０
ｄには、複数の銅パイプを挿入密嵌せるためのパイプ嵌
着孔１７が押出方向に延びて平行に形成されている。こ
のパイプ嵌着孔１７は機械加工によって形成されるもの
ではなく、チャンバ本体１０の成形と同時に形成され
る。なお、本実施形態では、チャンバ本体１０を水冷す
るため銅パイプを使用しているが、例えばアルミニウム
と親和性のない液体や気体からなる冷却媒体を使用する
場合には、前記パイプ嵌着孔１７がそのまま冷却媒体通
路として使われる。

【００５７】このようにして押出成形されるチャンバ本
体１０の中空内壁面、空洞部１０ｃの内面及びパイプ嵌
着孔１７の内面は、いずれも面粗さが小さく、研磨など
の機械的な仕上加工の必要がない。つまり、チャンバ本
体１０の内面部分に対する機械的な仕上加工は不要であ
って、押出状態のままでチャンバの組立て工程に廻すこ
とが可能である。

【００５８】本実施形態による水冷構造を得るには、上
記パイプ嵌着孔１７に図示せぬ銅パイプを挿入すること
から始まる。銅は熱伝導率に優れ、しかも既述したとお
り水に侵されることもない。一方、アルミニウムは水に
侵されやすく、直接水に接触させると長期の使用に耐え
られない。そこで、本実施形態では、前述のごとく形成
されるパイプ嵌着孔１７に銅パイプを密嵌して、同銅パ
イプを介してチャンバ本体１０を水冷する。

【００５９】銅パイプの外径は前記パイプ嵌着孔１７の
内径よりも僅かに小さく設定され、その肉厚も以降の膨
管加工に耐え得る厚さに設定される。銅パイプの長さ
は、以降の銅パイプ同士の結合のためチャンバ本体１０
の全長より僅かに長く設定される。前記パイプ嵌着孔１
７は押出方向に平行であることから直線状であり、従っ
て銅パイプも格別の折り曲げを行うことなく直線状に準
備される。

【００６０】図９は、前記パイプ嵌着孔１７に銅パイプ
１８を挿入し、これを機械的に膨管させてパイプ嵌着孔
１７に密着固定する過程を示している。同図中の符号２
０は銅パイプ１８の外径を拡大させるための棒状のマン
ドレルを示しており、このマンドレル２０は、図１０に
示すように、先端が前記銅パイプ１８の内径よりも小さ
く設定され、その先端からの基端部に向かう一部の径
を、銅パイプ１８が前記パイプ嵌着孔１７に密着するに
十分な径まで漸増しており、続く基端部までの径は同一
径とされている。

【００６１】いま、銅パイプ１８がパイプ嵌着孔１７に
挿入されると、図９（ａ）に示すように銅パイプ１８と
パイプ嵌着孔１７との間には微小な間隙が存在する。こ
の状態で、同図（ｂ）に示すようにマンドレル２０の先
端を銅パイプ１８に挿入する。次いで、マンドレル２０
を銅パイプ１８の中空部に押し込むと、同図（ｃ）に示
すように銅パイプ１８の内径及び外形が拡大して膨管状
態となり、遂には銅パイプ１８の外径がチャンバ本体１
０に形成されたパイプ嵌着孔１７の内径に密着状態で密
嵌固定される。なお、銅パイプ１８の径を拡大するため
の膨管手段としては、前記マンドレル２０による機械的
な膨管に代えて、油圧や空気圧などを利用して膨管させ
ることも可能である。

【００６２】こうして各パイプ嵌着孔１７に銅パイプ１
８が密嵌固定されると、隣合う銅パイプ１８の開口端に
Ｕ字状銅パイプ１８ａの開口端を突き合わせて、例えば
ろう付けにより、図１１に示すように接合一体化する。
これをチャンバ本体１０の前後両端面において交互に行
うことにより、ジグザグ状の銅パイプ１８がチャンバ本
体１０の側壁部１０ｄに直接取り付けられることにな
る。

【００６３】銅パイプ１８の取り付けが終了すると、図
示は省略するが、チャンバ本体１０の前後開口面を前後
壁部材により密閉固定する。そのため、図示せぬ前後壁
部材の閉塞面には、チャンバ本体１０の前後面面から露
呈する上記Ｕ字状銅パイプ１８ａを収容するためのＵ字
状溝が形成されている。また、チャンバ本体１０に対す
る前後壁部材の固着は、Ｏリングを介してボルトにより
固定してもよいが、既述した上記摩擦攪拌接合法を採用
して母材同士の接合面を摩擦により昇温させて、塑性流
動を起こさせると同時に、その組織を攪拌して冷却接合
する。

【００６４】こうして製造される本実施形態によるエキ
シマレーザ発振器用のチャンバによれば、チャンバ本体
１０が所要の断面形状を備えた中空押出形材からなるた
め、生産性に優れ、しかもチャンバ本体１０を水冷用銅
パイプ１８を介して直接冷却することができるようにな
る。従って、冷却効率が著しく向上し、レーザ発振時の
放電によるチャンバ本体の過熱を確実に回避することが
でき、熱歪も発生しないため、光学系にずれが生じるこ
ともなく、ビーム出射角などの変動によるビーム精度の
低下を招くこともない。

【００６５】図１２は、本発明の第４実施形態であるエ
キシマレーザ発振器用チャンバの本体を示している。こ
の実施形態によるチャンバ本体１０も略卵形断面を有す
るアルミニウム合金からなる中空押出形材により構成さ
れる。

【００６６】チャンバ本体１０の図面左側の外側面と底
部１０ａの外面には、外気による冷却効率を高めるため
に複数の略半円形断面を有する突条１０ｅが一体に成形
されている。チャンバ本体１０の天井部には、図１に示
した用に主電極４を支持する絶縁部材６を固設するた
め、のちに窓が明けられる平坦壁部１０ｂが形成されて
いる。前記突条１０ｅはチャンバ本体１０の押出し成形
と同時に成形される。

【００６７】また、本実施形態にあっては、チャンバ本
体１０の上記熱交換ユニット１１が設置される側壁部と
は反対側の側壁部の外壁面に、多数本のパイプ支持部１
９が押出し方向に平行に突設されている。このパイプ支
持部１９は、同図に示すように略Ｕ字状断面をもつ複数
の突条からなり、その押出方向に延びる凹溝部１９ａに
は水冷用銅パイプ１８が嵌着される。本実施形態による
水冷構造を得るには、上記パイプ支持部１９に図示せぬ
銅パイプを嵌着することから始まる。従って、凹溝部１
９ａの底面は銅パイプ１８の外径とほぼ等しい径からな
る円弧面として形成されている。

【００６８】なお、前記パイプ支持部１９は、チャンバ
本体１０の外面に形成されていることから、その凹溝部
１９ａに順次銅パイプ１８を嵌着させることができるた
め、銅パイプ１８を凹溝部１９ａの本数と同数の直線部
分と、その隣合う端部を折り曲げて反転させるＵ字部分
とからなるジグザグ状に予め形成しておくことができ
る。銅パイプ１８の前記直線部分の長さはチャンバ本体
１０の長さにほぼ等しい。

【００６９】いま、本実施形態によるチャンバ本体１０
に対する冷却用銅パイプ１８の密着一体化は、図１３に
示す手順でなされる。先ず、図１３（ａ）のように、銅
パイプ１８がパイプ支持部１９の凹溝部１９ａに嵌着す
る。銅パイプ１８がパイプ支持部１９の凹溝部１９ａに
嵌着されると、図１３（ｂ）に示すようにパイプ支持部
１９の凹溝部１９ａを構成する一対の脚片１９ｂ，１９
ｃが機械的にかしめられる。

【００７０】このかしめは、図１４に示すようなローラ
面が円弧状の凹面に形成された鼓状の複数対の自由回転
する成形ローラ群の間を通すことによりなされる。複数
対の成形ローラ２１の円弧状ローラ面は、チャンバ本体
１０の移動方向の下流側に向けて順次小径となり、最終
的には前記脚片１９ｂ，１９ｃを銅パイプ１８の周面に
密着させる径となるように設定されている。

【００７１】各パイプ支持部１９にジグザグ状に屈曲成
形された銅パイプ１８を順次密嵌固定すると、図１５に
示すように、チャンバ本体１０の前後開口面を前後壁部
材２２，２２により密閉固定する。そのため、前記前後
壁部材２２、２２の閉塞面には、チャンバ本体１０の前
後面面から露呈する上記Ｕ字状銅パイプ１８ａを収容す
るためのＵ字状溝が形成されている。また、チャンバ本
体１０に対する前後壁部材２２，２２の固着は、ボルト
による固定でもよいが、第１実施形態と同様の摩擦攪拌
接合法を採用して母材同士の接合面を摩擦により昇温さ
せ、塑性流動を起こさせると同時に組織を攪拌して冷却
接合してもよく、或いはろう付けにより接合一体化す
る。

【００７２】こうして製造される本実施形態によるエキ
シマレーザ発振器用のチャンバによれば、チャンバ本体
１０が所要の断面形状を備えた中空押出形材からなるた
め、生産性に優れ、しかもチャンバ本体１０を水冷用銅
パイプ１８を介して直接冷却することができるようにな
る。従って、冷却効率が著しく向上し、レーザ発振時の
放電によるチャンバ本体の過熱を確実に回避することが
でき、熱歪も発生しないため、光学系にずれが生じるこ
ともなく、ビーム出射角などの変動によるビーム精度の
低下を招くこともない。更には、銅パイプ１８をジグザ
グ状に予め屈曲形成しておけるため、生産性及び品質も
向上する。

【００７３】以上の説明では、エキシマレーザ発振器用
チャンバ１を例に挙げて説明したが、本発明のチャンバ
はレーザ発振器用チャンバに限定されず、例えばスパッ
タリング用真空チャンバ、或いは各種の成膜用チャンバ
など、加工時に高温環境下に置かれる各種チャンバに
も、その基本原理を変更させることなく適用できる。な
お、図示は省略したが、上記第３実施形態におけるパイ
プ支持部１９であるＵ字状の脚片１９ｂ，１９ｃを、予
め銅パイプ１８の外径よりも僅かに小さい径からなるＣ
字状断面に形成することもある。この場合には、銅パイ
プ１８をパイプ支持部１９の弾性を利用して嵌着させる
だけで、銅パイプ１８をチャンバ本体１０に密着させて
十分に支持できる。

【００７４】また、上記実施形態では流体給排用通路と
して水冷用の銅パイプを前記通路に挿嵌して密着固定し
ているが、流体の化学的物性によってはパイプを挿入せ
ずに、前記通路を直接使うこともでき、また本発明にお
いて使用し得るパイプは、例えば各種の反応性ガスや冷
却媒体を使うことがあるため、必ずしも銅パイプに限定
されず、例えばステンレスパイプ等も採用し得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】エキシマレーザ発振器の一般的な内部構造例を
示す断面図である。

【図２】本発明の第１実施形態によるエキシマレーザ発
振器用チャンバの断面図である。

【図３】チャンバ本体に直付けされるヒートパイプ構造
を備えた熱交換ユニットの概略構造を示す立体図であ
る。

【図４】同チャンバに熱交換ユニットを直付けするとき
の代表的な手法である摩擦攪拌接合法の概略説明図であ
る。

【図５】上記第１実施例に適用されるヒートパイプ構造
を備えた熱交換ユニットの直付け態様例を示す要部の断
面図である。

【図６】本発明の第２実施形態に適用されるスカイビン
グフィン構造をもつ熱交換ユニットの概略構成を示す部
分立体図である。

【図７】前記スカイビングフィン構造をもつ熱交換ユニ
ットのチャンバ本体に対する直付け態様例を示す要部の
断面図である。

【図８】本発明の第３実施形態を示すエキシマレーザ発
振器用チャンバのチャンバ本体の断面図である。

【図９】第３実施形態における銅パイプの密嵌固定の手
順を示す説明図である。

【図１０】銅パイプをパイプ嵌着孔に密嵌固定するとき
に使われるマンドレルの先端部を示す立体図である。

【図１１】銅パイプ端部の連結構造を示す断面図であ
る。

【図１２】本発明の第４実施形態であるエキシマレーザ
発振器用チャンバのチャンバ本体の断面図である。

【図１３】前記チャンバ本体の外面に形成されるパイプ
支持部に銅パイプを密嵌固定する固定手順を示す説明図
である。

【図１４】前記パイプ支持部のかしめ機構例の説明図で
ある。

【図１５】チャンバ本体の端部開口の閉塞態様を概略で
示す分解斜視図である。

【符号の説明】

１エキシマレーザ発振器用チャンバ２ファン３，４主電極５熱交換器６絶縁部材７フィルターケース１０チャンバ本体１０ａ底部１０ｂ天井平坦壁部１０ｃ弧面部１０ｄ側壁部１０ｅ（半円形断面）突条１１ヒートパイプ構造を備えた熱交換ユ
ニット１１ａヒートパイプ内蔵のアルミニウム製
薄板体１１ｂアルミニウム製薄板材１１ｃヒートパイプ部１２アルミニウム製基板１３窓部１４回転ツール１４ａピン部材１５ボルト１５ａＯリング１６スカイビングフィン構造を備えた熱
交換ユニット１６ａフィン１７パイプ嵌着孔１８銅パイプ１８ａＵ字状銅パイプ１９パイプ支持部１９ａ凹溝部１９ｂ，１９ｃ脚片２０マンドレル２１成形ローラ２２前後壁部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 5F045 EB03 EJ01 5F071 AA06 DD08 FF05 JJ03 5F072 AA06 FF05 JJ03 TT03 TT04 TT05 TT22 YY08 5F103 AA08 BB60

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高温雰囲気下に置かれる各種のアルミニ
ウム製チャンバ本体と、受熱部及び放熱部をもつ熱交換
ユニットとを有し、前記熱交換ユニットの受熱部を前記チャンバ本体の内部
に配すると共に、その放熱部を外部に配して、同熱交換
ユニットがチャンバ本体に直付けされてなることを特徴
とするアルミニウム製チャンバ。
【請求項２】前記熱交換ユニットの前記受熱部はヒー
トパイプ構造を有し、前記放熱部は冷却配管を有する基
台からなることを特徴とする請求項１記載のアルミニウ
ム製チャンバ。
【請求項３】前記熱交換ユニットの前記受熱部はスカ
イビングフィン構造を有し、前記放熱部は冷却配管を有
する基台からなることを特徴とする請求項１記載のアル
ミニウム製チャンバ。
【請求項４】前記熱交換ユニットのチャンバ本体に対
する直付けが、摩擦熱に基づく塑性流動化による母材同
士の組織攪拌をもってなされてなることを特徴とする請
求項１〜３のいずれかに記載のアルミニウム製チャン
バ。
【請求項５】請求項１〜４のいずれかに記載のアルミ
製チャンバがレーザ発振器用チャンバであることを特徴
とするアルミニウム製チャンバ。
【請求項６】請求項１〜４のいずれかに記載のアルミ
製チャンバが半導体製造装置用チャンバであることを特
徴とするアルミニウム製チャンバ。