JP2007049028A

JP2007049028A - 真空処理装置

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Publication number: JP2007049028A
Application number: JP2005233378A
Authority: JP
Inventors: Yoshi Watabe; 嘉渡部
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2005-08-11
Filing date: 2005-08-11
Publication date: 2007-02-22

Abstract

【課題】圧力を支配している排気速度を小さくしてオイルバック防止ガスの流量を節減できる真空処理装置を提供する。
【解決手段】ＣＶＤ装置に用いられる真空チャンバ１０に真空配管１１を接続し、その真空配管１１に二段油回転ポンプ１２を接続し、その二段油回転ポンプ１２の吸込側の真空配管１１に不活性ガスを供給するオイルバック防止ガス供給配管１５を接続し、上記二段油回転ポンプ１２をインバータ装置１６で駆動し、スタンバイ状態のとき、オイルバック防止ガス供給配管１５から不活性ガスを供給しつつインバータ装置１６で二段油回転ポンプ１２の能力を下げて運転する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体製造装置に使用される真空処理装置に関するものである。

半導体製造においては、真空チャンバ内を真空排気するために油回転ポンプ等の、油を使用した真空ポンプが使用される。

従来、油回転ポンプ等を使用する場合、特許文献１に示されるように、吸込側の圧力を１３Ｐａ以上に維持するために、吸込側配管に窒素などのパージガス（オイルバック防止ガス）を僅かに流して吸込側圧力が１３Ｐａ以上になるようにして、真空チャンバ内の油汚染を防止している。

一般にオイルバック防止ガスとしては、安価な窒素ガスが用いられることが多い。窒素は、水素やヘリウムに比べて質量が大きいためにオイルバック防止の効果が高いばかりでなく、安価なために、多くの場合、この用途のための適当な選択肢となる。

特公平７−３２１３３号公報

しかしながら、大流量システムでは、ガス量を多く必要とするため単価が低い窒素とはいえ、そのコストが問題となる。さらに、窒素は、ウェハにとっては不活性ガスではないため、真空内で行われる処理工程に悪影響を及ぼすことがある。例えば、スパッタリング装置で反応系内に多量の窒素が残留していると、得られる薄膜が窒化することがある。このように真空処理が残留ガスの影響を受けやすい場合、Ａｒ等の不活性ガスを使用することになる。

真空チャンバ内へ各種の動作ガスが供給されるときには、これら動作ガスによって圧力が上昇するためにオイルバックの問題は生じないが、真空チャンバを大気圧から到達圧力まで真空排気するとき、或いは到達圧力のまま動作ガスが導入されていないとき、すなわち、工程（プロセッシング）前後のスタンバイ状態に保つときなどには、Ａｒ等の高価な不活性ガスを大量に使用しなければならない。

オイルバック量は、流速によってその程度が変化するものの、上述のように圧力に対する依存性の方がずっと大きいため、スタンバイ状態が長く続くとそれだけ高価な不活性ガスを大量に使用しなければならないという問題がある。

本発明の目的は、圧力を支配している排気速度を小さくしてオイルバック防止ガスの流量を節減できる真空処理装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために請求項１の発明は、真空処理装置において、真空チャンバに、油を用いた機械的真空ポンプを接続し、その機械的真空ポンプの吸込側に気体を供給するオイルバック防止ガス供給配管を接続し、上記機械的真空ポンプをインバータ装置で駆動し、スタンバイ状態のとき、オイルバック防止ガス供給配管から気体を供給しつつインバータ装置で油を用いた機械的真空ポンプの能力を下げて運転するようにした真空処理装置である。

請求項２の発明は、ＣＶＤ装置に用いられる真空チャンバに真空配管を介して油回転ポンプ等を接続して真空排気する真空処理装置において、真空チャンバに一段目ルーツブロワを接続し、二段目ルーツブロアと一段油回転ポンプを接続し、一段目ルーツブロワの上流側に、アルゴンガス等の不活性ガスを供給するオイルバック防止ガス供給配管を接続し、上記一段目と二段目ルーツブロワをそれぞれインバータ装置で駆動し、スタンバイ状態のとき、オイルバック防止ガス供給配管から不活性ガスを供給しつつインバータ装置で上記一段目と二段目ルーツブロワの能力を下げて運転するようにした真空処理装置である。

請求項３の発明は、真空チャンバに複数の一段目ルーツブロワが接続されると共に排気側が合流されて二段目ルーツブロアに接続される請求項２記載の真空処理装置である。

請求項４の発明は、真空チャンバに、窒素を定量供給する定量供給機構を接続し、二段目ルーツブロワと一段油回転ポンプ間の真空配管に補助バルブを接続し、緊急時に補助バルブを閉じると共に一段油回転ポンプを大気圧まで復圧すると共に定量供給機構から真空チャンバに窒素ガスを供給して一段目ルーツブロワの吸込側圧力を１００Ｐａ以上になるようにした請求項２記載の真空処理装置である。

本発明は、スタンバイ状態のときに、気体（不活性ガス）を供給してオイルバックを防止する際に、機械的真空ポンプの回転数を下げて排気速度を遅くすることにより、オイルバック防止が行え、オイルバック防止のためのガス代を節約できる利点がある。

以下本発明の実施形態を添付図面により説明する。

図１は本発明の第１実施の形態を示し、図において１０はウェハを収容し、そのウェハにプラズマＣＶＤにて成膜するなどの工程を行うことによって半導体装置を製造するための真空チャンバで、その真空チャンバ１０に、真空配管１１を介して或いは真空チャンバ１０に直接、機械的真空ポンプとしての二段油回転ポンプ１２が接続され、その二段油回転ポンプ１２の排気側に排気用配管１３が接続される。

真空配管１１にはメインバルブ１４が接続され、またメインバルブ１４と二段油回転ポンプ１２間の真空配管１１には、アルゴンやヘリウムなどのオイルバック防止ガス（気体）を供給するオイルバック防止ガス供給管１５が接続される。

二段油回転ポンプ１２は、翼型回転ポンプを２段直列に接続したもので、１段目の排気口を二段目の吸気口に接続して構成される。

この二段油回転ポンプ１２は、到達圧力が低いので対策を打たない場合、容易に大量の油で汚染される。

この第１実施の形態では、従来と同様にオイルバック防止ガス供給管１５からオイルバック防止ガスを導入することによって、油汚染を防止している。

しかし、真空チャンバ１０がスタンバイ状態のときには、オイルバック防止ガスを多量に必要とする。

このため、第１実施の形態では、二段油回転ポンプ１２をインバータ装置１６で能力可変に駆動する。インバータ装置１６は制御装置１７の指令周波数に基づいて二段油回転ポンプ１２を駆動する。

また、メインバルブ１４の上流側の真空配管１１には圧力センサ１８ａが設けられ、さらに二段油回転ポンプ１２の吸込側には圧力センサ１８ｂが設けられ、これら圧力センサ１８ａ、１８ｂの検出圧力が制御装置１７に入力される。

制御装置１７は、圧力センサ１８ａ、１８ｂからの検出圧力を基に、オイルバック防止ガス供給管１５に接続した流量調整弁１９を制御し、インバータ装置１６の運転周波数を決定して、二段油回転ポンプ１２の能力を調整するようになっている。

このように、制御装置１７は、スタンバイ状態のとき、真空配管１１内の圧力を適正に保つように、インバータ装置１６で二段油回転ポンプ１２の能力を決定すると共に、その吸込圧力がオイルバックしないように、例えば１３Ｐａ程度になるよう流量調整弁１９にてオイルバック防止ガス量を制御することで、オイルバック防止ガスを最少にしつつ、真空配管１１内の圧力を適正に保つことができる。

すなわちオイルバック量は、流量によってその程度が変化するものの、圧力に対する依存性の方がずっと大きい。このため、圧力を支配している二段油回転ポンプ１２の排気速度（能力）を小さくすれば、オイルバック防止ガスの流量を節減しつつ真空配管１１の圧力も適正に保つことが可能となる。

図２は本発明の第２実施の形態を示したものである。

この第２実施例においては、真空チャンバ１０の真空配管１１に主ポンプとなるルーツブロア２０と一段油回転ポンプ２１とを接続したものである。

一段油回転ポンプ２１は、機種によっては到達圧力が高く、それ単独で使用する場合には、オイルバックを問題視する必要が無いものもある。しかし、この実施の形態では、補助ポンプである一段油回転ポンプ２１のほかに主ポンプとなるルーツブロア２０を使用して排気速度を高めるようにしている。

ルーツブロア２０は、上流側の気体を圧縮して一段油回転ポンプ２１ヘ送り込む働きをもつため、ルーツブロア２０上流側の圧力は一段油回転ポンプ２１の到達圧力よりも低くなる。

通常のルーツブロア２０には、真空シールと潤滑を目的として油が用いられている。従って、ルーツブロア２０部分の圧力が低下すると、ルーツブロア２０に使用されている油のオイルバックにより真空チャンバ１０が汚染されることになる。

そこで、ルーツブロア２０の上流側とメインバルブ１４間の真空配管１１にオイルバック防止ガス供給管１５を接続し、ルーツブロア２０にオイルバック防止ガスを導入することで、この油汚染を防ぐ。

この第２実施の形態でも第１実施の形態と同様な理由で、排気速度を低下させることが望ましい。しかし、この第２実施の形態では、オイルバックが問題となるような圧力領域における排気速度は、主としてルーツブロア２０の排気速度が支配している。従って、この場合、一段油回転ポンプ２１の排気速度ではなく、ルーツブロア２０の排気速度を抑制するために、ルーツブロア２０をインバータ装置１６で能力可変に制御する。

この第２実施の形態では、第１実施の形態と同様に、圧力センサ１８ａ、１８ｂの検出圧力を基に制御装置１７が、流量調整弁１９とインバータ装置１６の運転周波数を設定することで、オイルバック防止ガス（気体）を最少にしつつ真空チャンバ１０内を適正圧力に保持することができる。

図３は、本発明の第３実施の形態を示したものであり、本実施の形態では、大流量の、しかも毒性を持つガス（ＮＦ₃ ，ホスフィン等）を使用するプラズマＣＶＤ装置に用いられる真空チャンバ１０に適用した例を示したものである。

本実施の形態においては、大排気量システムを構築する例を示しており、大きな排気速度を得るために、主ポンプとして複数の一段目ルーツブロア３０、３０が、メインバルブを介することなく真空チャンバ１０に真空配管３１、３１を介して直接取り付けられている。一段目ルーツブロア３０、３０の背圧側の真空配管３２は、合流され、その真空配管３２に、二段目ルーツブロア３３と一段油回転ポンプ３４とが接続され、一段油回転ポンプ３４の排気側に排気管４６が接続され、また二段目ルーツブロア３３と一段油回転ポンプ３４間の真空配管３２に補助バルブ３５が接続されて、補助排気系３７が構成されている。なお、ルーツブロア３０は、一台であってもよい。

そして各ルーツブロア３０、３０、３３は、インバータ装置３６、３６、３８で駆動され、それぞれルーツブロア３０、３０、３３の吸込側に設けた圧力センサ３９、３９、４０によりインバータ装置３６、３６、３８の運転周波数がフィードバック制御されるようになっている。

プラズマＣＶＤ処理が実施されるときには、真空チャンバ１０内の圧力が一定になるように、インバータ装置３６、３６、３８が、一段目ルーツブロア３０、３０と二段目ルーツブロア３３の排気速度をフィードバック制御する。

スタンバイ状態になり、真空チャンバ１０に材料ガスが導入されないときには、インバータ装置３６、３６、３８がポンプの回転速度を下げると共に間歇運転の状態（省エネモード）となり、また、真空チャンバ１０に接続したオイルバック防止ガス配管４１よりオイルバック防止ガスが導入される。

これにより、少ないガス量で効果的にオイルバックを防止することが可能となる。また、このような大排気量システムでは、インバータ装置３６、３６、３８の使用による省エネ効果と電力料金削減効果も大きい。

次に、例えば停電時などの緊急時について説明する。

この緊急停止には、図１〜図３の実施の形態では、全てのポンプを停止する必要がある。図１、図２のようにメインバルブ１４が搭載されている排気システムでは、ポンプの緊急停止時にはメインバルブ１４を閉鎖し、これと同時に、図には示していないがメインバルブ１４の下流側真空配管１１を大気開放して全てのポンプ１２，２１やブロワ２０を大気圧まで復圧する。これは油回転ポンプ１２，２１の油が圧力差によって真空配管１１内に侵入したり、油回転ポンプ１２，２１やルーツブロア２０に使用されている油によって真空チャンバ１０や真空配管１１が汚染することを防ぐことを目的としている。

第３実施の形態では、毒性を持つガスを使用するため、ポンプ等を大気圧まで復圧する方法をとることができない。また、緊急停止時に真空チャンバ１０と排気系３７全体を大気開放して大気圧まで復圧すると、多量の毒性のガスが作業室内に漏洩するおそれがある。

そこで、油回転ポンプの上流側に補助バルブ３５が取り付けられ、真空チャンバ１０には、定量吐出機構４２が付加されている。

この定量吐出機構４２は、通常運転時に開、緊急停止時に閉となるノーマルクローズ型のバルブ４３と、窒素ガスを一定量溜め込んでおくためのシリンダ（ボンベ）４４と、通常運転時に閉、緊急停止時に開となるノーマルオープン型のバルブ４５とを直列につないで、緊急時にシリンダ４４に溜め込まれた窒素を真空チャンバ１０に定量供給し、真空チャンバ１０とルーツブロア３０、３０内の圧力が粘性流領域、典型的には１００Ｐａ以上になるようにシリンダ４４内の圧力と容量が選定されている。

緊急停止時には、補助バルブ３５が閉鎖されて、油回転ポンプ３４の上流側は大気圧に復圧される。これによって、油回転ポンプ３４の油が圧力差により真空配管３２内に侵入することを防ぐことができる。

補助バルブ３５よりも上流側は、定量吐出機構４２により、すなわちノーマルクローズ型のバルブ４３が閉じ、ノーマルオープン型のバルブ４５が開くことにより、シリンダ４４内に溜め込まれた窒素が真空チャンバ１０内に導入され、圧力が粘性流領域の真空（１０Ｐａ程度以上）に維持される。これによりルーツブロワ３０，３０，３３の油がオイルバックすることを防ぐことが可能となっている。

本発明の第１実施の形態を示す図である。本発明の第２実施の形態を示す図である。本発明の第３実施の形態を示す図である。

符号の説明

１０真空チャンバ
１１真空配管
１２二段油回転ポンプ
１５オイルバック防止ガス供給配管
１６インバータ装置

Claims

真空処理装置において、真空チャンバに、油を用いた機械的真空ポンプを接続し、その機械的真空ポンプの吸込側に気体を供給するオイルバック防止ガス供給配管を接続し、上記機械的真空ポンプをインバータ装置で駆動し、スタンバイ状態のとき、オイルバック防止ガス供給配管から気体を供給しつつインバータ装置で油を用いた機械的真空ポンプの能力を下げて運転することを特徴とする真空処理装置。
ＣＶＤ装置に用いられる真空チャンバに真空配管を介して油回転ポンプ等を接続して真空排気する真空処理装置において、真空チャンバに一段目ルーツブロワを接続し、二段目ルーツブロアと一段油回転ポンプを接続し、一段目ルーツブロワの上流側に、アルゴンガス等の不活性ガスを供給するオイルバック防止ガス供給配管を接続し、上記一段目と二段目ルーツブロワをそれぞれインバータ装置で駆動し、スタンバイ状態のとき、オイルバック防止ガス供給配管から不活性ガスを供給しつつインバータ装置で上記一段目と二段目ルーツブロワの能力を下げて運転することを特徴とする真空処理装置。
真空チャンバに複数の一段目ルーツブロワが接続されると共に排気側が合流されて二段目ルーツブロアに接続される請求項２記載の真空処理装置。
真空チャンバに、窒素を定量供給する定量供給機構を接続し、二段目ルーツブロワと一段油回転ポンプ間の真空配管に補助バルブを接続し、緊急時に補助バルブを閉じると共に一段油回転ポンプを大気圧まで復圧すると共に定量供給機構から真空チャンバに窒素ガスを供給して一段目ルーツブロワの吸込側圧力を１００Ｐａ以上になるようにした請求項２記載の真空処理装置。