JP2009062891A - クライオパネル - Google Patents

Abstract

【課題】排気速度と凝固・吸着効率を向上させたクライオパネルを提供することを課題とする。
【解決手段】クライオパネル１０は、真空容器２の上部開口２Ａから見た平面視において、伝熱板１１を中心とする放射状に配置されるパネル片１２Ａを含む。６つのパネル片１２Ａは、すべて同一形状であり、各パネル片１２Ａの対称軸は、伝熱板１１を中心として放射状に等間隔で配置される。すなわち、各パネル片１２Ａは、真空容器２の上部開口２Ａから見た平面視において、カップ型のシールド４の中心軸を中心として放射状に等間隔で配置される。この１２枚のパネル片１２Ａを含むパネル部１２は、ガス流入方向に３段配設され、支持部材１１によって３６枚のパネル片１２Ａが支持される。
【選択図】図１

Description

本発明は、クライオポンプに用いられるクライオパネルに関する。

半導体製造装置では、高真空を実現するためにクライオポンプが用いられている。クライオポンプは、真空容器内のクライオパネルを冷却し、分子を凝固又は吸着させることによって高真空を実現する。

従来のクライオパネルは、冷却機のステージに結合され、表面がガス流入方向に向けて（水平に）配設される円板状パネルと、この円板状パネルの裏面側に配設されてガス流入方向の下流の方向に延伸する複数の細長板状パネルとを備える。

処理チャンバ内の気体は、真空容器の上部開口より流入し、水分子は主にクライオパネルの上方に配設されるルーバで凝固され、水分子以外のアルゴンや窒素は主に円板状パネルで凝固され、極低温で凍結しない水素やヘリウム等は、細長板状パネルの両面に形成される吸着層に吸着される（例えば、特許文献１参照）。

また、円錐型のパネルをガス流入方向に沿って複数段配設したクライオパネルも提案されている。この円錐型のパネルは、円錐形状の斜面を一定幅で切り取った円環状のパネルであり、このような円錐型のパネルがガス流路方向に沿って複数段配設することが提案されている（例えば、特許文献２参照）
特開平２−３０８９８５号公報 米国特許出願公開第２００６／００６４９９０号明細書

ところで、クライオポンプの主要性能である排気速度を向上させるためには、水素分子が吸着層に吸着される確率を向上させなければならない。

しかしながら、特許文献１記載のクライオパネルでは、吸着層が形成される細長板状パネルは、円板状パネルの裏面側（ガス流入方向において円板状パネルよりも下流側）だけに設けられており、また、平面視において、真空容器内で平板状パネルが占める面積比率が大きいため、構造上、排気速度が制限されていた。また、細長板状パネルは、円板状パネルの陰となる真裏では、特に凝固・吸着効率が低かった。

また、特許文献２記載のクライオパネルは、真空容器の上部開口から見て円環状であるため、ガス流路の上流側から下流側にかけて十分な流路が確保されず、これは特に、円環形状の中央側と、各段のパネルの陰において顕著であった。このため、下流側における通気性が低下し、凝固・吸着効率が低かった。

そこで、本発明は、排気速度と凝固・吸着効率を向上させたクライオパネルを提供することを目的とする。

本発明の一局面のクライオパネルは、ガス流入口を有する真空容器と、前記真空容器内に配設されるステージを有し、当該ステージを冷却する冷凍機とを備え、前記ガス流入口から前記真空容器内に流入する分子を凝固又は吸着させるクライオポンプに用いるクライオパネルであって、前記ステージにより保持されて冷却され、前記ガス流入口の開口面に向けて配置される伝熱板と、前記伝熱板によって支持され、一方の面が前記ガス流入口の開口面に向けて配置される複数の板状のパネル片を含むパネル部であって、前記ガス流入口から見た平面視において、各パネル片が前記伝熱板を中心とする放射状に配置されるパネル部とを備える。

また、前記パネル部の各パネル片は、左右線対称であるとともに、すべて同一形状であり、各パネル片の対称軸は、前記伝熱板を中心として放射状に配置されてもよい。

また、前記パネル部の各パネル片は、等間隔で放射状に配置されてもよい。

また、前記クライオポンプの前記ステージは、前記ガス流入口から見た平面視における横方向から前記真空容器内に導入されており、前記パネル部の各パネル片は、前記ステージと干渉しない領域において、放射状に等間隔で配置されてもよい。

また、前記パネル片は、前記ガス流入口から見た平面視に対する側面視において互いに角度を有するように複数片が重ねられてもよい。

また、前記パネル部の各パネル片は、前記ガス流入口から見た平面視において、放射方向に複数列接続されてもよい。

また、前記パネル部は、前記ガス流入方向に複数段配設されてもよい。

本発明によれば、排気速度と凝固・吸着効率を向上させたクライオパネルを提供できるという特有の効果が得られる。

以下、本発明のクライオパネルを適用した実施の形態について説明する。

「実施の形態１」
図１は、実施の形態１のクライオパネルが用いられるクライオポンプの構造を示す図である。クライオポンプ１は、真空容器２、冷凍機３、シールド４、及びクライオパネル１０を含む。

真空容器２は、上部開口２Ａを介して、例えば、スパッタ装置やイオン注入装置等の半導体製造装置のプロセスチャンバ（図示せず）に接続される。真空容器２の内部には、冷凍機３のシリンダ（符号６及び７）、シールド４、及びクライオパネル１０が配設される。

なお、真空容器２には、粗引き用のポンプ及びパージガス導入用の配管（共に図示せず）が接続され、また、真空容器２とプロセスチャンバとの間にはゲートバルブ（図示せず）が配設される。

冷凍機３には、圧縮機５が接続される。

圧縮機５は、ヘリウムガス等の冷媒ガスを昇圧して冷凍機３に送り、また冷凍機３で断熱膨張した冷媒ガスを回収して再び昇圧する。

冷凍機３は、２段式のＧＭ（Gifford-McMahon）型冷凍機であり、第１段シリンダ６、第２段シリンダ７、及びモータ（図示せず）を含む。第１段シリンダ６と第２段シリンダ７には、互いに連結される第１段ディスプレーサ６Ａ及び第２段ディスプレーサ（図示せず）がそれぞれ内蔵されており、モータによって図中上下方向に往復動されることにより、断熱膨張による寒冷が発生される。

第１段シリンダ６の外周には、第１段冷凍ステージ８Ａが接続される。シールド４は、この第１段冷凍ステージ８Ａによって保持される。

このシールド４は、真空容器２の輻射熱からクライオパネル１０を保護するためのカップ形状の部材であり、上部開口にルーバ９が配設される。また、このルーバ９は、真空容器２の上部開口２Ａに近接して配設される。シールド４及びルーバ９は、第１段冷凍ステージ８Ａによって３０〜１００Ｋに冷却される。

また、第２段シリンダ７の外周には、第２段冷凍ステージ８Ｂが接続される。クライオパネル１０は、この第２段冷凍ステージ８Ｂによって保持され、１０〜２０Ｋレベルに冷却される。

ここでは、プロセスチャンバ内に、水分子、アルゴン、窒素、水素、ネオン、及びヘリウムが存在するものとして説明する。シールド４及びルーバ９を３０〜１００Ｋに冷却すると共に、クライオパネル１０を１０〜２０Ｋレベルに冷却すると、水分子は主にシールド４及びルーバ９で凝固され、水分子以外のアルゴンや窒素は主にクライオパネル１０で凝固される。また、水素、ネオン、ヘリウム等は主にクライオパネル１０の表面に形成される活性層（層状の活性炭、以下同様）に吸着される。これにより、プロセスチャンバは排気されて高真空に保持される。

また、プロセスチャンバ内のガスは、上部開口２Ａを介して真空容器２内に流入する。ここでは、ガスの流入方向とは、真空容器の上部開口２Ａから下に向かう方向とし、上部開口２Ａの側を上流側、シールド４の底部の側を下流側と称する。これは、すべての図面において共通である。

なお、図１に示すクライオポンプは、第１段冷凍ステージ８Ａ及び第２段冷凍ステージ８Ｂが真空容器２の下方向から挿入される、いわゆる縦型のクライオポンプである。

図２は、実施の形態１のクライオパネルを示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）及び（ｃ）は要部を示す斜視図、（ｄ）及び（ｅ）は要部を示す平面図及び側面図である。図２（ａ）において、クライオパネル１０の上方にルーバ９（図１参照）が配設され、下方にシールド４（図１参照）の底部が位置する。

図３は、図２に示すクライオパネルを示す平面図である。この図３は、真空容器２（図１参照）の上部開口２Ａから見た平面視におけるクライオパネル１０を示す。

図２（ａ）に示すように、クライオパネル１０は、伝熱板１１とパネル部１２とを含む。伝熱板１１は、第２段冷凍ステージ８Ｂによって保持され、冷却される。パネル部１２は、複数のパネル片１２Ａによって構成されており、各パネル片１２Ａは、伝熱板１１にリベット及びネジ止め、又は半田付けにより固定される。

図２（ｂ）に示すように、伝熱板１１は、コの字型に折り曲げられた板状体で構成される支持部材１１Ａと、取付台１１Ｂとを含む。図２（ｂ）には、パネル片１２Ａを取り付けるための取付台１１Ｂが３段配設される形態を示す。支持部材１１Ａの頂部には、第２段冷凍ステージ８Ｂにネジ止めするための孔部１１ａが２つ形成されている。また、取付台１１Ｂは、支持部材１１Ａに溶接されており、パネル片１２Ａをリベット及びネジ止めするための孔部１１ｂを有する環状の部材である。孔部１１ｂは、１つのパネル片１２Ａに対して２つ形成されている。

なお、伝熱板１１は、平面視における中心が、カップ型のシールド４の中心軸上に位置するように第２段冷凍ステージ８Ｂに取り付けられており、また、すべての取付台１１Ｂの中心もカップ型のシールド４の中心軸上に位置される。

図２（ｃ）乃至（ｅ）に示すように、パネル片１２Ａは、基部１２ａ及び延出部１２ｂを有し、延出部１２ｂは、基部１２ａに対して角度θだけ折り曲げられている。この角度θは、例えば、２０度に設定される。このパネル片１２Ａは、平面視において左右線対称であり、基部１２ａには、取付台１１Ｂにネジ止めするための孔部１２ｃが形成されている。

なお、伝熱板１１及びパネル部１２は、共に銅製で、めっき仕上げが施される。パネル片１２Ａの表面及び裏面には、水素、ネオン、ヘリウム等を吸着させるための活性層が形成されるが、ここでは図の簡略化のために省略する。伝熱板１１には活性層は形成されない。

図３に示すように、クライオパネル１０は、真空容器２の上部開口２Ａから見た平面視において、伝熱板１１を中心とする放射状に配置されるパネル片１２Ａを含む。６つのパネル片１２Ａは、すべて同一形状であり、各パネル片１２Ａの対称軸は、伝熱板１１を中心として放射状に等間隔で配置される。すなわち、各パネル片１２Ａは、真空容器２の上部開口２Ａから見た平面視において、カップ型のシールド４の中心軸を中心として放射状に等間隔で配置される。

また、図２（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、パネル片１２Ａは、２枚ずつ重ねられた状態で支持部材１１に取り付けられる。このように重ねられる一対のパネル片１２Ａは、基部１２ａ同士が当接した状態で、互いの延出部１２ｂが角度を有するように配設される。

さらに、図２（ａ）に示すように、パネル部１２は、ガス流入方向に３段配設されている。

すなわち、各取付台１１Ｂには、１２枚のパネル片１２Ａが取り付けられ、この１２枚のパネル片１２Ａを含むパネル部１２がガス流入方向に３段配設される。これにより、支持部材１１によって３６枚のパネル片１２Ａが支持される。

以上のように、実施の形態１のクライオパネル１０は、真空容器２の上部開口２Ａから見た平面視において、伝熱板１１を中心とする放射状に等間隔で配置される複数のパネル片１２Ａを有する。また、このパネル片１２Ａは、ガス流入方向に３段配設されている。

このため、従来のように円板状パネルの下流側にしか板状パネルを有しないクライオパネルに比べて、十分な表面積を確保することができ、これにより、排気速度を向上させることができる。また、従来のような円錐型のパネルに比べると、パネル片１２Ａは、真空容器２の上部開口２Ａから見て、周方向に分割されたように配列されているので、ガス流路の上流側から下流側にかけて十分な流路を確保することができる。

このように、活性層が形成されるパネル部１２の表面積が増大するとともに、ガス流路の上流側から下流側にかけて十分な流路を確保できるため、１０〜２０Ｋレベルでは凝縮しない水素、ネオン、ヘリウム等の排気速度を向上させることができる。

また、活性層が形成されるパネル部１２が伝熱板１１の上流側にも存在することにより、従来のように円板状パネルの下流側で陰になることにより低下していた凝固・吸着効率を改善することができる。

また、各パネル片１２Ａは、互いに離間されているので、各パネル部１２の中心部、及び下流側のパネル部１２においても十分な流路を確保することができる。

「実施の形態２」
図４は、冷凍機３の第１段冷凍ステージ８Ａ及び第２段冷凍ステージ８Ｂが真空容器２の横方向から挿入される、いわゆる横型のクライオポンプを示す図である。このような横型のクライオポンプでは、第２段冷凍ステージ８Ｂの導入方向に存在するパネル片１２Ａが第２段冷凍ステージ８Ｂに干渉することを防ぐため、パネル片１２Ａの配置を変更する必要が生じる場合がある。なお、図４には、図１では省略した第２段ディスプレーサ７Ａを示す。

図５は、実施の形態２のクライオパネルの構成を示す図であり、（ａ）及び（ｂ）は、パネル部及び取付台を示す平面図及び正面図、（ｃ）は支持部材を示す斜視図である。なお、この実施の形態２のクライオパネル２０の構成は、実施の形態１のクライオパネルの構成に準ずるため、同一又は同等の構成要素には、同一の符号を付し、その説明を省略する。

図５（ａ）に示すように、実施の形態２のクライオパネル２０では、真空容器２の上部開口２Ａから見た平面視において、第２段冷凍ステージ８Ｂと干渉しない領域において、５つのパネル片１２Ａが放射状に等間隔で配置される点が実施の形態１と異なる。

具体的には、伝熱板２１の取付台２１Ｂは、平面視Ｃ字型の形状を有しており、また、パネル部１２に含まれるパネル片１２Ａは、第２段冷凍ステージ８Ｂと干渉する領域には配置されていない。取付台２１Ｂに取り付けられる５つのパネル片１２Ａは、実施の形態１のクライオパネル１０からパネル片１２Ａを１つ取り除いた状態と同様に配置される。

なお、このように第２段冷凍ステージ８Ｂを避けるためのパネル１２Ａの配置は、ガス流入方向に配列される３段のパネル部１２のすべてに適用されてもよいし、その一部にのみ適用されてもよい。

このように横型のクライオポンプにおいて、第２段冷凍ステージ８Ｂとの干渉を避けるために、複数のパネル片１２Ａが第２段冷凍ステージ８Ｂと干渉しない領域において、放射状に等間隔で配置される形態であっても、従来のように円板状パネルの下流側にしか板状パネルを有しないクライオパネルに比べて、十分な表面積を確保することができ、これにより、排気速度を向上させることができる。特に、活性層が形成されるパネル部１２の表面積が増大するため、１０〜２０Ｋレベルでは凝縮しない水素、ネオン、ヘリウム等の排気速度を向上させることができる。

「実施の形態３」
図６は、実施の形態３のクライオパネルを示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図である。実施の形態３のクライオパネル３０のパネル部１２は、真空容器２の上部開口２Ａから見た平面視における放射方向において、支持部材１１の取付台１１Ｂに取り付けられるパネル片１２Ａと、このパネル片１２Ａの先端に接続されるパネル片１２Ｂを含む点が実施の形態１のクライオパネル１０と異なる。図６（ａ）に示すクライオパネル３０では、重ねられた一対のパネル片１２Ａのうちの上流側のパネル片１２Ａに、さらに一対のパネル片１２Ｂが接続されている。

すなわち、各段の取付台１１Ｂに１２枚のパネル片１２Ａが取り付けられ、さらにその先端に１２枚のパネル片１２Ｂが取り付けられる。これにより、支持部材１１によって７２枚のパネル片（１２Ａ及び１２Ｂ）が支持される。

このようなクライオパネル３０によれば、活性層が形成されるパネル部１２の表面積がさらに増大するため、１０〜２０Ｋレベルでは凝縮しない水素、ネオン、ヘリウム等の排気速度を向上させることができる。

「実施の形態４」
図７は、実施の形態４のクライオパネルを示す正面図である。実施の形態４のクライオパネル４０のパネル部１２は、支持部材１１の取付台１１Ｂに４枚重ねで取り付けられるパネル片を含む点が実施の形態１のクライオパネル１０と異なる。これは、実施の形態１のクライオパネル１０のパネル片１２Ａのさらに上流側及び下流側に、折り曲げ角度のより大きいパネル片１２Ｃがそれぞれ重ねられている。

すなわち、各段の取付台１１Ｂには、１２枚のパネル片１２Ａと、１２枚のパネル片１２Ｃが取り付けられる。これにより、支持部材１１によって７２枚のパネル片（１２Ａ及び１２Ｃ）が支持される。

このようなクライオパネル４０によれば、活性層が形成されるパネル部１２の表面積がさらに増大するため、１０〜２０Ｋレベルでは凝縮しない水素、ネオン、ヘリウム等の排気速度を向上させることができる。

「実施の形態５」
図８は、実施の形態５のクライオパネルを示す正面図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図である。実施の形態５のクライオパネル５０のパネル部１２は、支持部材１１の取付台１１Ｂに重ねられずに１枚ずつ取り付けられる点が実施の形態１のクライオパネル１０と異なる。パネル片１２Ａが重ねられていないため、支持部材１１の取付台１１Ｂの段数を増やすとともに、ガス流入方向における取付間隔を狭めてある。

すなわち、各段の取付台１１Ｂには、６枚のパネル片１２Ａが取り付けられており、ガス流入方向の上流側から下流側にかけて９段配設される。これにより、支持部材１１によって５４枚のパネル片１２Ａが支持される。

このようなクライオパネル５０によれば、活性層が形成されるパネル部１２の表面積がさらに増大するため、１０〜２０Ｋレベルでは凝縮しない水素、ネオン、ヘリウム等の排気速度を向上させることができる。

図９は、実施の形態５の第１変形例（ａ）及び第２変形例（ｂ）のクライオパネル５０Ａ及び５０Ｂを示す正面図である。

図９（ａ）に示すクライオパネル５０Ａは、図８に示すクライオパネル５０とは、ガス流入方向においてパネル片１２Ａが下流側に傾くように取り付けられている点が異なる。なお、この図９（ａ）に示すクライオパネル５０Ａは、５４枚のパネル片１２Ａを含む。

図９（ｂ）に示すクライオパネル５０Ｂは、図８に示すクライオパネル５０とは、ガス流入方向におけるパネル片１２Ａの向きが途中で上流向きから下流向きに変更されるように切り替えられている点が異なる。なお、パネル１２Ａの向きが変わる段では、取付台１１Ｂに２枚のパネル片１２Ａを重ねて取り付けてある。これにより、この図９（ｂ）に示すクライオパネル５０Ｂは、４８枚のパネル片１２Ａを含む。

これらのようなクライオパネル５０Ａ及び５０Ｂによっても、活性層が形成されるパネル部１２の表面積がさらに増大するため、１０〜２０Ｋレベルでは凝縮しない水素、ネオン、ヘリウム等の排気速度を向上させることができる。

以上の実施の形態１乃至５では、様々なパターンで配置されたパネル片（１２Ａ、１２Ｂ，１２Ｃ）を有するクライオパネルを示したが、これらのパターンを様々に組み合わせてもよい。特に、実施の形態２に示す横型のクライオポンプの第２段冷凍ステージ８Ｂを避けるためのパネル１２Ａの配置は、実施の形態３乃至５のクライオパネルにも容易に適用することができる。また、ガス流入方向におけるパネル部１２の段数の変更、放射方向に複数接続されるパネル片の列数、あるいは、パネルの接続パターンは、ここに示す形態に限定されるものではない。

また、以上では、実装効率と排気効率との兼ね合いから、パネル片（１２Ａ、１２Ｂ、及び１２Ｃ）の形状が平面視において台形の板状である場合について説明したが、パネル片の形状は、このような形状に限られるものではなく、適宜変更することができる。

また、以上では、パネル片１２Ａが折り曲げられる角度θが２０度である形態について説明したが、この角度θは、用途や使用目的に応じて適宜変更することができる。

また、伝熱板１１及びパネル部１２は、半田付けの代わりに、リベット及びネジ止めにより接合されていてもよい。

以上、本発明の例示的な実施の形態のクライオパネルについて説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

実施の形態１のクライオパネルが用いられるクライオポンプの構造を示す図である。 実施の形態１のクライオパネルの構成を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）及び（ｃ）は要部を示す斜視図、（ｄ）及び（ｅ）は要部を示す平面図及び側面図である。 図２に示すクライオパネル示す平面図である。 実施の形態１のクライオパネルが用いられる横型のクライオポンプを示す図である。 実施の形態２のクライオパネルの構成を示す図であり、（ａ）及び（ｂ）は、パネル部及び取付台を示す平面図及び正面図、（ｃ）は支持部材を示す斜視図である。 実施の形態３のクライオパネルを示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図である。 実施の形態４のクライオパネルを示す正面図である。 実施の形態５のクライオパネルを示す正面図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図である。 実施の形態５の第１変形例（ａ）及び第２変形例（ｂ）のクライオパネル５０Ａ及び５０Ｂを示す正面図である。

符号の説明

１ クライオポンプ
２ 真空容器
３ 冷凍機
４ シールド
５ 圧縮機
６ 第１段シリンダ
６Ａ 第１段ディスプレーサ
７ 第２段シリンダ
７Ａ 第２段ディスプレーサ
８Ａ 第１段冷凍ステージ
８Ｂ 第２段冷凍ステージ
９ ルーバ
１０、２０、３０、４０、５０，５０Ａ，５０Ｂ クライオパネル
１１ 伝熱板
１２ パネル部
１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ パネル片
１１Ａ、２１Ａ 支持部材
１１ａ、１１ｂ、１２ｃ 孔部
１１Ｂ、２１Ｂ 取付台
１２ａ 基部
１２ｂ 延出部

Claims (7)

1. ガス流入口を有する真空容器と、前記真空容器内に配設されるステージを有し、当該ステージを冷却する冷凍機とを備え、前記ガス流入口から前記真空容器内に流入する分子を凝固又は吸着させるクライオポンプに用いるクライオパネルであって、
   前記ステージにより保持されて冷却され、前記ガス流入口の開口面に向けて配置される伝熱板と、
   前記伝熱板によって支持され、一方の面が前記ガス流入口の開口面に向けて配置される複数の板状のパネル片を含むパネル部であって、前記ガス流入口から見た平面視において、各パネル片が前記伝熱板を中心とする放射状に配置されるパネル部と
   を備える、クライオパネル。
2. 前記パネル部の各パネル片は、左右線対称であるとともに、すべて同一形状であり、各パネル片の対称軸は、前記伝熱板を中心として放射状に配置される、請求項１に記載のクライオパネル。
3. 前記パネル部の各パネル片は、等間隔で放射状に配置される、請求項２に記載のクライオパネル。
4. 前記クライオポンプの前記ステージは、前記ガス流入口から見た平面視における横方向から前記真空容器内に導入されており、
   前記パネル部の各パネル片は、前記ステージと干渉しない領域において、放射状に等間隔で配置される、請求項２に記載のクライオパネル。
5. 前記パネル片は、前記ガス流入口から見た平面視に対する側面視において、互いに角度を有するように複数片が重ねられる、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のクライオパネル。
6. 前記パネル部の各パネル片は、前記ガス流入口から見た平面視において、放射方向に複数列接続される、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のクライオパネル。
7. 前記パネル部は、前記ガス流入方向に複数段配設される、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のクライオパネル。

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