JP2007107398A

JP2007107398A - 真空排気装置および真空排気方法

Info

Publication number: JP2007107398A
Application number: JP2005296413A
Authority: JP
Inventors: Toshinobu Aki; 年信安芸
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2005-10-11
Filing date: 2005-10-11
Publication date: 2007-04-26

Abstract

【課題】水素ガスの排気速度を大きくするとともに、メンテナンスの作業性を簡略化した真空排気装置を提供すること。
【解決手段】真空排気装置１００に水素濃度センサ７と圧力センサ８を設け、ターボ分子ポンプ３０の吸気側配管３内の水素分圧をモニターし、水素分圧を変化させる各種パラメータをパラメータ制御部９により制御する。すなわち、パラメータ制御部９から水素分圧に比例する電気信号を、開閉バルブ制御部１１、調整バルブ制御部２１およびモータ制御部３１の各制御部へ出力し、開閉バルブ１０、調整バルブ２０およびターボ分子ポンプ３０のモータをそれぞれ独立に制御する。これにより、ターボ分子ポンプ３０の吸気口側の水素分圧を増加させ、水素ガスの排気速度を大きくすることが可能となる。また、水素濃度センサ７、圧力センサ８のメンテナンス作業は簡単である。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体デバイス製造装置などで用いられる真空容器内のガスを排気する真空排気装置に関する。

真空容器内を真空排気する場合、高真空においては全圧に占める水素分圧が真空度を大きく左右するので、水素に対する排気速度を大きくする必要がある。高真空排気に用いられるターボ分子ポンプは、その構造上、質量の軽いガスに対する圧縮比が小さい。特に水素ガスに対する圧縮比は、アルゴンガスや窒素ガスの場合に比べて小さいので、真空容器内の水素分圧が低い状態では水素ガスに対する排気速度が低下する。従来、ターボ分子ポンプの排気口側の排気管壁の一部にパラジウム材料を用い、水素ガスを選択的に透過させることにより排気口側の水素分圧を下げ、結果的にターボ分子ポンプの吸気口側の水素分圧がより低い圧力になるまで排気できる真空排気装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平７−３１０６５７号公報（第２頁、図１，２）

特許文献１の装置では、水素ガスの排気能力は向上するが、パラジウム材料を用いた排気管壁が腐食性ガスを含む各種のガスに曝されるため、メンテナンスや消耗品交換が必要であり、これらの作業は大掛かりで煩雑である。

（１）本発明の請求項１による真空排気装置は、真空容器内を排気する真空ポンプと、真空ポンプの吸気側の水素分圧を測定する水素分圧測定部と、水素分圧測定部で測定される水素分圧を上昇させるように、真空ポンプの排気能力に関わる各種パラメータを制御するパラメータ制御部とを設けたことを特徴とする。
（２）請求項２による真空排気装置は、請求項１に記載の真空排気装置において、真空ポンプは、ターボ分子ポンプであることを特徴とする。
（３）請求項３の発明は、請求項１または２に記載の真空排気装置において、水素分圧測定部による水素検出位置よりも真空ポンプに対して上流側に、真空容器から真空ポンプへ流入するガス流量を調整する開閉弁が配設され、パラメータ制御部は、開閉弁の開度を絞って流入ガス流量を減少させることを特徴とする。
（４）請求項４の発明は、請求項１または２に記載の真空排気装置において、真空ポンプの排気側に、真空ポンプから排出するガス流量を調整する調整弁が配設され、パラメータ制御部は、調整弁の開度を絞って排出ガス流量を減少させることを特徴とする。
（５）請求項５の発明は、請求項１または２に記載の真空排気装置において、パラメータ制御部は、真空ポンプのモータ回転数を下げて排気能力を減少させることを特徴とする。
（６）請求項６による真空排気方法は、真空排気する気体中の水素分圧を測定し、検出される水素分圧を増大させるように真空排気条件を変更することを特徴とする。

本発明によれば、真空ポンプの吸気側の水素分圧を測定し、その水素分圧を上げるように各種パラメータを制御するようにしたので、水素ガスの排気速度を大きくするとともに、装置のメンテナンスの作業性を簡略化することができる。

以下、本発明の実施の形態による真空排気装置について、図１〜６を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施の形態による真空排気装置の概略構成を示すブロック図である。真空排気装置１００は、真空容器１内を大気圧から低真空まで排気し、その後、真空容器１内を所定の高真空まで排気する排気システムである。真空排気装置１００は、真空容器１側（上流）から順に、真空容器１と排気システムとの連通、遮断を切り換えるゲートバルブ２と、真空容器１から排気システムへのガス流入量を調節するための開度が可変の開閉バルブ１０と、ターボ分子ポンプ３０と、ターボ分子ポンプ３０からのガス排出量を調節するための開度が可変の調整バルブ２０と、補助ポンプ５とを備える。吸気側配管３は、ターボ分子ポンプ３０の吸気口３３Ａに配管接続され、排気側配管４は、ターボ分子ポンプ３０の排気口３４Ａに配管接続されている。

さらに、真空排気装置１００は、水素濃度センサ７と、圧力センサ８と、パラメータ制御部９と、開閉バルブ制御部１１と、調整バルブ制御部２１と、モータ制御部３１とを備える。水素濃度センサ７は、吸気側配管３内の水素の濃度を測定し、圧力センサ８は、吸気側配管３内の全ガス圧を測定する。水素濃度センサ７としては、公知のＦＴ−ＩＲ法を利用した機器、質量分析法を原理とする機器などを用いることができる。また、圧力センサ８としては、例えば広く利用されている電離真空計を用いることができる。水素濃度センサ７で測定される水素濃度（例えば、単位ｐｐｍ）と圧力センサ８で測定される全ガス圧（単位Ｐａ）から水素分圧（単位Ｐａ）を測定することができる。開閉バルブ１０は、これらの各センサ７，８による検出位置よりも上流側にある。

なお、真空容器１には、材料ガス用マスフローコントローラ（材料ガスＭＦＣ）５１を介して材料ガスを導入するための材料ガス導入ライン５２と、水素ガス用マスフローコントローラ（水素ガスＭＦＣ）６１を介して水素ガスを導入するための水素ガス導入ライン６２とが接続されている。材料ガスとしては、例えば半導体製造工程で用いられるプラズマＣＶＤ装置による成膜では、ＳｉＨ_４ガス、ＮＨ_３ガス等が用いられる。

パラメータ制御部９は、水素濃度センサ７、圧力センサ８、開閉バルブ制御部１１、調整バルブ制御部２１、モータ制御部３１、材料ガスＭＦＣ５１および水素ガスＭＦＣ６１にそれぞれ接続されている。

開閉バルブ制御部１１は、開閉バルブ１０に接続され、その開度を制御する。調整バルブ制御部２１は、調整バルブ２０に接続され、その開度を制御する。モータ制御部３１は、ターボ分子ポンプ３０に接続され、そのモータの回転数を制御する。つまり、パラメータ制御部９は、開閉バルブ制御部１１、調整バルブ制御部２１、モータ制御部３１を介して上記の各種パラメータを制御する。各種パラメータとは、（１）開閉バルブ１０の開度、（２）調整バルブ２０の開度、（３）ターボ分子ポンプ３０のモータの回転数である。また、材料ガスＭＦＣ５１は、真空容器１内への材料ガス導入量を制御し、水素ガスＭＦＣ６１は、真空容器１内への水素ガス導入量を制御する。つまり、パラメータ制御部９は、材料ガスＭＦＣ５１を介して材料ガス導入量を制御し、水素ガスＭＦＣ６１を介して水素ガス導入量を制御する。

図２は、実施の形態による真空排気装置に設けられるターボ分子ポンプの構成を模式的に示す縦断面図である。ターボ分子ポンプ３０は、ターボ分子ポンプ部３１とねじ溝ポンプ部３２とを備え、真空容器１（図１参照）からのガスを吸気側ベース３３の吸気口３３Ａから取り入れ、排気側ベース３４の排気口３４Ａから外部、すなわち、図１の補助ポンプ５側へ排気するように構成されている。

ロータ３５は、複数段に形成された動翼（ロータ翼）３７を有し、高周波モータ３６で回転駆動される回転軸３５ａに固設され、ラジアルセンサ３５ｂおよびラジアル電磁石３５ｃを有するラジアル磁気軸受と、スラストセンサ３５ｄおよびスラスト電磁石３５ｅを有するスラスト磁気軸受とによって非接触で支持されている。ターボ分子ポンプ部３１は、ケーシング３１ａに設けられた複数段の静翼（ステータ翼）３８と、ロータ３５に形成された複数段の動翼３７とで構成される。静翼３８は、スペーサ３１ｂにより、動翼３７と交互に所定の隙間を保って配置されている。ねじ溝ポンプ部３２には、ロータ３５の下部に形成された円筒状部に近接して一対のねじステータ３９が配置されている。ロータ３５の下部、ねじステータ３９のいずれか一方にはらせん溝が形成されている。

ターボ分子ポンプ３０は、ロータ３５を２００００〜４００００ｒｐｍで高速回転させることにより排気を行うが、排気能力は、ロータ３５の回転数を増やすほど大きくなる。ロータ３５の回転数は、上述したモータ制御部３１によりモータ３６をコントロールすることで制御される。このように、ターボ分子ポンプ３０は、機械式真空ポンプの一種であり、真空排気装置１００の主ポンプとして用いられる。なお、ラジアル磁気軸受やスラスト磁気軸受などが腐食性ガスに曝されて腐食されるのを防止するために、パージガスがターボ分子ポンプ部３１の排気側へ供給される。

再び図１を参照して、上述のように構成された真空排気装置１００による排気プロセスを説明する。真空容器１を大気圧から排気する初期段階では、真空容器１から不図示のバイパスを通して補助ポンプ５のみで排気する。その後、ターボ分子ポンプ３０と補助ポンプ５を直列とする排気経路で高真空に排気するが、真空容器１内を高真空とするためには、水素ガスに対するターボ分子ポンプ３０の排気性能が良好であることが必要である。排気性能を評価する指標の１つとして各ガスに対する圧縮比がある。

図３は、実施の形態による真空排気装置に設けられているターボ分子ポンプの各種ガスに対する圧縮比の一例を示すグラフである。このグラフでは、横軸にターボ分子ポンプ３０の排気口圧力、縦軸に窒素ガス、ヘリウムガスおよび水素ガスに関する圧縮比Ｃが示されている。圧縮比Ｃはターボ分子ポンプ３０の排気口圧力を吸気口圧力で除した値であり、圧縮比Ｃが大きいガスほど低圧（高真空）まで有効に排気することができる。窒素ガスの圧縮比Ｃは排気口圧力が１０^２Ｐａ以下の領域で１０^９台、ヘリウムガスの圧縮比Ｃは排気口圧力が数１０Ｐａ以下の領域で１０^５、水素ガスの圧縮比Ｃは排気口圧力が数１０Ｐａ以下の領域で１０^４であり、水素ガスの圧縮比Ｃが最も小さく、真空容器１内のガス濃度を低下させることが最も困難であることが分かる。これは、水素ガス分子は、軽く、拡散速度が非常に大きいためである。なお、図３から分かるように、各圧縮比曲線が急激に低下する大気圧近くの圧力領域では、各ガス種に対するポンプの排気性能は定格よりも低下する。

真空容器１内を高真空（例えば、１０^−２〜１０^−８Ｐａ）にするためには、真空容器１内で水蒸気が分解して発生する水素に対する排気速度を大きくする必要がある。高真空中の水素の排気速度を大きくするためには、ターボ分子ポンプ３０の吸気側の水素分圧を上昇させ、水素ガスの圧縮比を考慮してターボ分子ポンプ３０の排気性能を維持することが有用である。本実施の形態では、ターボ分子ポンプ３０の吸気側配管３の水素分圧をモニターし、水素分圧を上昇させるように各種パラメータを制御する。すなわち、水素濃度センサ７および圧力センサ８で測定された吸気側配管３内の水素分圧の値に基づいて、水素分圧を上昇させるための電気信号を、パラメータ制御部９から開閉バルブ制御部１１、調整バルブ制御部２１およびモータ制御部３１の各制御部へ出力し、開閉バルブ１０、調整バルブ２０およびターボ分子ポンプ３０のモータをそれぞれ独立に制御する。

以下、パラメータ毎に制御動作と結果を説明する。ここでは、水素ガスと対比するガスとして、窒素ガスと同程度の圧縮比をもつアルゴンガス（Ａｒガス）を用い、説明の便宜上、１つのパラメータのみを変動させ、他のパラメータは変動させず所定の値に固定とする。例えば、開閉バルブ１０の開度を変動させるときは、ゲートバルブ２、ターボ分子ポンプ３０、調整バルブ２０などは所定の状態にセットし、また、真空容器１内への材料ガスと水素ガスの導入は行わないものとする。

図４は、水素ガスおよびアルゴンガスについて、吸気口側での各ガスの圧力と開閉バルブ１０の開度との関係を示すグラフである。縦軸は各ガス単独の圧力値である。開閉バルブ１０を全開としたときの開度を１００％とし、開閉バルブ１０の開度を１０％から５％に絞った場合を考える。すなわち、水素ガスの圧力をＰ１からＰ２へ増加させて水素分圧を上昇させるように、開閉バルブ１０の開度を絞る指令がパラメータ制御部９から開閉バルブ制御部１１へ送出される。開閉バルブ１０を絞ると、吸気側配管３の水素ガス圧力、アルゴンガス圧力はともに増加する。しかし、圧力の増加量は同じではなく、水素ガスの圧力増加ΔＰ１はアルゴンガスの圧力増加ΔＱ１よりも大きい。したがって、水素ガスとアルゴンガスの混合ガスを排気する場合は、開度を１０％から５％に絞ったことにより、水素分圧が上昇し、水素ガスに対する排気速度が増加する。

図５は、水素ガスおよびアルゴンガスについて、吸気口側での各ガスの圧力と調整バルブ２０の開度との関係を示すグラフである。縦軸は各ガス単独の圧力値である。調整バルブ２０の開度を１０％から５％に絞った場合を考える。すなわち、水素ガスの圧力をＰ３からＰ４へ増加させるように、調整バルブ２０の開度を絞る指令がパラメータ制御部９から調整バルブ制御部２１へ送出される。調整バルブ２０を絞ると、排気口圧力が上昇するため、圧縮比の関係から吸気側配管３の水素ガス圧力、アルゴンガス圧力も増加する。しかし、圧力の増加量は同じではなく、水素ガスの圧力増加ΔＰ２は、アルゴンガスの圧力増加ΔＱ２よりも大きい。したがって、水素ガスとアルゴンガスの混合ガスを排気する場合は、開度を１０％から５％に絞ったことにより、水素分圧が上昇し、水素ガスに対する排気速度が増加する。

図６は、水素ガスおよびアルゴンガスについて、吸気口側での各ガスの圧力とターボ分子ポンプ３０のモータ回転数との関係を示すグラフである。縦軸は各ガス単独の圧力値である。ターボ分子ポンプ３０の定格回転数を１００％としたとき、ポンプ回転数を１００％から９０％に落とした場合を考える。すなわち、水素ガスの圧力をＰ５からＰ６へ増加させるように、ポンプ回転数を下げる指令がパラメータ制御部９からモータ制御部３１へ送出される。ポンプ回転数を定格の９０％に減少させると、吸気側配管３の水素ガス圧力、アルゴンガス圧力も増加する。しかし、圧力の増加量は同じではなく、水素ガスの圧力増加ΔＰ３は、アルゴンガスの圧力増加ΔＱ３よりも大きい。したがって、水素ガスとアルゴンガスの混合ガスを排気する場合は、ポンプ回転数を定格の９０％に減少させたことにより、水素分圧が上昇し、水素ガスに対する排気速度が増加する。

図４〜図６で説明した３項目のパラメータ制御のいずれでも、ターボ分子ポンプ３０の吸気口側で水素分圧が上昇し、水素ガスの排気速度を大きくすることができる。上記の３項目のパラメータは、独立変数であり、１項目の制御のみでも水素ガスの効率的な排気が可能であるが、３項目のパラメータのうち、任意の２つ以上を組み合わせて制御することにより、一層大きな効果が得られる。また、水素濃度センサ７、圧力センサ８のメンテナンス作業は簡単である。

本発明は、その特徴を損なわない限り、以上説明した実施の形態に何ら限定されない。すなわち、真空排気する気体中の水素分圧を測定し、検出される水素分圧を増大させるように真空排気条件を変更するものであれば、本発明が適用できる。また、上記の実施の形態では、真空排気装置１００の主ポンプとして用いられるターボ分子ポンプ３０について説明したが、回転翼により排気する真空ポンプであればターボ分子ポンプのみの限らず、本発明が適用できる。

本発明の実施の形態に係る真空排気装置の概略構成を示すブロック図である。実施の形態に係る真空排気装置に設けられるターボ分子ポンプの構成を模式的に示す縦断面図である。実施の形態に係る真空排気装置に設けられるターボ分子ポンプの各種ガスに対する圧縮比の一例を示すグラフである。実施の形態に係る真空排気装置の吸気口側での各ガスの圧力と開閉バルブ１０の開度との関係を示すグラフである。実施の形態に係る真空排気装置の吸気口側での各ガスの圧力と調整バルブ２０の開度との関係を示すグラフである。実施の形態に係る真空排気装置の吸気口側での各ガスの圧力とターボ分子ポンプ３０のモータ回転数との関係を示すグラフである。

符号の説明

１：真空容器２：ゲートバルブ
３：吸気側配管４：排気側配管
５：補助ポンプ７：水素濃度センサ
８：圧力センサ９：パラメータ制御部
１０：開閉バルブ１１：開閉バルブ制御部
２０：調整バルブ２１：調整バルブ制御部
３０：ターボ分子ポンプ３１：モータ制御部
１００：真空排気装置

Claims

真空容器内を排気する真空ポンプと、
前記真空ポンプの吸気側の水素分圧を測定する水素分圧測定部と、
前記水素分圧測定部で測定される水素分圧を上昇させるように、前記真空ポンプの排気能力に関わる各種パラメータを制御するパラメータ制御部とを設けたことを特徴とする真空排気装置。
請求項１に記載の真空排気装置において、
前記真空ポンプは、ターボ分子ポンプであることを特徴とする真空排気装置。
請求項１または２に記載の真空排気装置において、
前記水素分圧測定部による水素検出位置よりも前記真空ポンプに対して上流側に、前記真空容器から前記真空ポンプへ流入するガス流量を調整する開閉弁が配設され、
前記パラメータ制御部は、前記開閉弁の開度を絞って前記流入ガス流量を減少させることを特徴とする真空排気装置。
請求項１または２に記載の真空排気装置において、
前記真空ポンプの排気側に、前記真空ポンプから排出するガス流量を調整する調整弁が配設され、
前記パラメータ制御部は、前記調整弁の開度を絞って前記排出ガス流量を減少させることを特徴とする真空排気装置。
請求項１または２に記載の真空排気装置において、
前記パラメータ制御部は、前記真空ポンプのモータ回転数を下げて排気能力を減少させることを特徴とする真空排気装置。
真空排気する気体中の水素分圧を測定し、検出される水素分圧を増大させるように真空排気条件を変更することを特徴とする真空排気方法。