JP2014020422A

JP2014020422A - 真空処理装置用の断熱材

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Publication number: JP2014020422A
Application number: JP2012158112A
Authority: JP
Inventors: Takafumi Kawaguchi; 崇文川口; Shuji Saito; 修司齋藤
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2012-07-13
Filing date: 2012-07-13
Publication date: 2014-02-03
Anticipated expiration: 2032-07-13
Also published as: JP6030364B2

Abstract

【課題】真空処理室が所定圧力に減圧された状態で高い断熱性を発揮する、再利用にとっても有利な真空処理装置用の断熱材を提供する。
【解決手段】真空雰囲気の形成が可能な真空処理室１ａ内に設けられる本発明の真空処理装置用の断熱材Ｂは、隙間を持って対向配置される一対の保持体２_１，２_２と両保持体間に充填される粒体３とを備える。そして、真空処理室が真空雰囲気であり、両保持体間の空間が１〜１０００Ｐａの範囲内の圧力である状態で、一方の保持体から他方の保持体への伝熱が粒体の固体熱伝導により起こるように構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、真空雰囲気の形成が可能な真空処理室内に設けられる真空処理装置用の断熱材に関し、より詳しくは、所定の圧力範囲に減圧（真空引き）される真空処理室内で、例えば、この真空処理室の壁面や真空処理室に設けられるサセプタ等の構成部品（以下、真空チャンバの壁面を含め、断熱しようするものを「構成部品」という）に取り付けられて断熱するために用いられるものに関する。

この種の断熱材として、構成部品の外表面を二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）粒子または三酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）粒子で被覆したもの、つまり、例えば溶射により構成部品の外表面に対して０．５〜１．０ｍｍ程度の厚さのシリカコートやアルミナコートを施して断熱材とすることが例えば特許文献１で知られている。

然しながら、上記従来例のものでは、構成部品に直接付着している二酸化珪素や三酸化アルミニウムの微粒子による固定熱伝導が良いため、所定圧力の真空雰囲気にて高い断熱性能が求められる箇所での使用に限界がある。また、上記断熱材を設けた真空処理室内で例えばプラズマを用いて所定処理を施すと、この断熱材の外表面にも反応生成物等の汚染物質が付着して汚染される。このため、定期的にクリーニング処理を施す必要があるが、構成部品への二酸化珪素や三酸化アルミニウムの粒子の付着力が必ずしも強いとは言えず、ブラストやケミカルエッチング等の従来のクリーニング方法では、汚染物質と共に二酸化珪素や三酸化アルミニウムの粒子も簡単に脱離してしまうという問題もある。この場合、再利用には再度のシリカコート等が必要となり、不利である。

特開２０１１−９１３８９号公報

本発明は、上記点に鑑み、真空処理室が所定圧力に減圧された状態で高い断熱性を発揮する、再利用にとっても有利な真空処理装置用の断熱材を提供することをその課題とするものである。

上記課題を解決するために、真空雰囲気の形成が可能な真空処理室内に設けられる本発明の真空処理装置用の断熱材は、隙間を持って対向配置される一対の保持体と両保持体間に充填される粒体とを備え、真空処理室が真空雰囲気であり、両保持体間の空間が１〜１０００Ｐａの範囲内の圧力である状態で、一方の保持体から他方の保持体への伝熱が粒体の固体熱伝導により起こるように構成したことを特徴とする。

ここで、１〜１０００Ｐａの圧力範囲の真空雰囲気での断熱、言い換えると、熱伝導を低下させるには、気体による熱輸送（伝熱）を妨げればよい。そこで、本発明では、両保持体間に粒体を充填し、一方の保持体から他方の保持体への伝熱が粒体の固体熱伝導により起こるように構成して、気体の熱輸送が実質的に妨げられる環境としたため、上記真空雰囲気における熱伝導と比較して熱伝導を低下させることができ、ひいては、真空処理室が所定圧力に減圧された状態で高い断熱性を発揮する。この場合、保持体自体に、従来例の如く、シリカコート等の処理を施すものではないため、汚染物質が付着した保持体のみを従来のクリーング処理すれば済み、有利である。

なお、本発明において、「粒体」とは、粒径が０．０１〜１ｍｍ程度の微粒子の集合体をいい、また、「粒体の固体熱伝導により起こる」とは、微粒子同士の接触による固体熱伝導が支配的となっていて、気体熱伝導（気体による熱輸送）が実質的に無視できる状態をいう。この場合、固体熱伝導が支配的となるようにするには、両保持体間に充填されている各微粒子の間隙の距離（例えば、その平均値として算出すればよい）が、上記圧力範囲にある両保持体間の空間における気体の平均自由行程以下となるように微粒子の粒径や形状を選択すればよい。微粒子としては、熱伝導が低い材質であって、真空処理室を真空引きしたとき、ガス放出し難いものが適しており、例えばガラスビーズ、アルミナやシリカ等の焼結体、または、ポリイミド樹脂から構成することができる。

また、本発明においては、前記微粒子の各々は、球状の輪郭を持つことが好ましい。これによれば、保持体間に粒体を充填したとき、微粒子相互が点接触し、固体熱伝導が小さくなることで一層高い断熱性能を発揮する。なお、本発明において、「球状の輪郭」には、例えば、微細な凹凸形状がその外表面全面に亘ってまたは局所的に付与されたものを含み、また、中実のものだけでなく、中空のものを含む。更に、微粒子が中空の場合、その外表面に開口する孔を複数形成したものでもよい。このように微粒子を中空とし、外表面に微細な凹凸形状を付与し、または、孔を形成しておけば、微粒子同士の接触による固体熱伝導するとき、各微粒子表面で、その外表面の凸部や孔を避けて伝熱することで伝熱経路が長くなり、一層高い断熱性を発揮する。

本発明の断熱材を真空チャンバの壁面に取り付けた状態で示す模式断面図。断熱材の一部を拡大して説明する模式図。本発明の他の実施形態の断熱材を適用した巻取式スパッタリング装置の一部を拡大して説明する模式図。

以下、図面を参照して、真空処理装置を真空加熱装置とし、真空チャンバの壁面に取り付けて断熱する場合を例に本発明の真空装置用の断熱材の実施形態を説明する。

図１を参照して、１は、真空処理室１ａを画成する、真空加熱装置の真空チャンバである。真空チャンバ１の上壁には透孔１１が開設され、透孔１１には石英製の窓材１２が気密に嵌着されている。窓材１２の上方には赤外線ランプ等の光源１３が設けられている。光源１３に対向させて真空チャンバ１の底面には、加熱しようとする基板やウエハなどの処理対象物Ｗが設置されるステージ１４が設けられている。真空チャンバ１の底壁には、ステージ１４の周囲に位置させて複数個の排気孔１５が開設され、この排気孔１５には排気管１６が接続され、真空排気手段Ｐに通じている。

真空排気手段Ｐとしては、ターボ分子ポンプ等で構成される高真空用ポンプＰ１と、この高真空用ポンプＰ１の背圧側に設けられるロータリーポンプ等の低真空用ポンプＰ２とで構成されている。上記真空加熱装置では、ステージ１４上に処理対象物Ｗが設置した後、真空処理室１ａ内を真空排気手段Ｐにより真空引きし、所定圧力に達すると、光源１３を作動して処理対象物Ｗが加熱される。この場合、真空処理室１ａに通じる図示省略のガス管を接続し、アルゴンや窒素ガス等の不活性ガスを適宜導入して加熱処理するようにしてもよい。そして、処理対象物Ｗを加熱する際に、その内部を断熱して効果的に処理対象物Ｗが加熱されるように、真空チャンバ１の内側壁及び上壁の内面に本実施形態の断熱材Ｂが設けられている。

図２も参照して、断熱材Ｂは、一方の保持体２_１を真空チャンバ１の壁面として、この一方の保持体２_１と、真空処理室１ａ内で所定の隙間を持って対向配置される、所定材質の板材からなる他の保持体２_２と、両保持体２_１、２_２間に充填される粒体３とを備える。粒体３は、粒径が０．０１〜１ｍｍ程度の微粒子３１の集合体である。微粒子３１としては、球状の輪郭を持つように形成されたものであり、その材質は熱伝導が低いものであって真空処理室を真空引きしたとき、ガス放出し難いものが適しており、例えばガラスビーズ、アルミナやシリカ等の焼結体、または、ポリイミド樹脂から構成することができる。なお、微粒子３１として多孔質のものを用いることもできる。また、微粒子３１は、例えば、微細な凹凸形状がその外表面全面に亘ってまたは局所的に付与されたものを含み、また、中実のものだけでなく、中空のものを含む。微粒子３１が中空の場合、その外表面に開口する孔を複数形成したものでもよい。このように微粒子３１を中空とし、外表面に微細な凹凸形状を付与し、または、孔を形成しておけば、微粒子同士の接触による固体熱伝導するとき、各微粒子表面で、その外表面の凸部や孔を避けて伝熱することで伝熱経路が長くなり、一層高い断熱性を発揮する。他方、保持体２_１，２_２としては、ガス放出し難く、真空チャンバ内で広く用いられるものであれば特に制限ではなく、ステンレス、アルミナやアルミ等のものが用いられる。また、一定の間隔を保持できる強度を持つものであればその板厚も制限はなく、箔状のものであってもよい。

本実施形態では、透孔１１を除く真空チャンバ１の上壁からその側壁の全面に亘るように保持体２_２が、真空チャンバ１の壁面から一定の間隔をおいて設置されている。そして、両保持体２_１，２_２間に粒体３が充填されて両保持体間２_１，２_２の空間２ａが１〜１０００Ｐａの範囲内の圧力である状態で、真空処理室１ａ内に存する他の保持体２_１から真空チャンバ１の壁面への伝熱が粒体３の固体熱伝導により起こるように構成されている。この場合、保持体２_２の両自由端には、両保持体間２_１，２_２の空間２ａを塞ぐ蓋板２ｂが設置され、この蓋板２ｂには、微粒子３１を保持しつつ真空処理室１ａ内と連通を許容する透孔（図示せず）が開設されている。また、両保持体２_１，２_２間に充填されている各微粒子３１の間隙の距離Ｄ（その平均値として算出すればよい）が、上記圧力範囲にある両保持体２_１，２_２間の空間２ａにおける気体の平均自由行程以下となるように、微粒子３１の粒径に加えて、両保持体２_１，２_２の間隔と粒体３の充填率とが設定される。例えば、両保持体２_１，２_２の間隔は、例えば、０．３〜６ｍｍの範囲に設定され、また、粒体３の充填率が、４０〜５０％の範囲、好ましくは４５％とすればよい。なお、「固体熱伝導により起こる」とは、固体熱伝導が支配的となっていて、気体熱伝導（気体による熱輸送）が実質的に無視できる状態をいう。

ここで、両保持体間２_１，２_２の空間２ａに粒体３を充填した場合、真空チャンバ１の下方に位置する微粒子３１が粒体３の重量で変形して微粒子３１相互の接触面積が増えて局所的に固体熱伝導がよくなり過ぎる虞がある。このような場合には、例えば、両保持体間２_１，２_２の空間２ａを仕切板で複数の空間に仕切り、夫々の空間に粒体３を充填するようにしてもよい。また、両保持体間２_１，２_２の空間２ａに粒体３を充填した場合、この空間２ａ内のコンダクタンスが悪く、真空処理室１ａ内を介した真空引きでは、空間２ａを１〜１０００Ｐａの範囲に真空引きするのに時間を要する虞がある。このため、低真空用ポンプＰ２に通じる排気管１７を両保持体間２_１，２_２の空間２ａに接続し、空間２ａを効率よく１〜１０００Ｐａの範囲に真空引きできるようにすることが好ましい。なお、断熱材Ｂにより断熱する際、真空処理室１ａ内の圧力は、空間２ａの圧力と同等以下であれば、問わない。

以上によれば、両保持体２_１，２_２間に粒体３を充填し、真空処理室１ａに存する他方の保持体２_２から真空チャンバ１の壁面たる一方の保持体２_１への伝熱が粒体３の各微粒子３１による固体熱伝導により起こり、気体の熱輸送が実質的に妨げられる環境としたため、１〜１０００Ｐａの圧力範囲における真空中の熱伝導と比較して熱伝導を低下させることができ、その結果、高い断熱性を発揮する。この場合、保持体２_１，２_２自体に、従来例の如く、シリカコート等の処理を施すものではないため、汚染物質が付着した保持体２_１，２_２のみを従来のクリーニング処理すれば済み、有利である。しかも、微粒子３１の各々が、球状の輪郭を持つため、保持体２_１，２_２間の空間２ａに粒体３を充填したとき、微粒子３１相互が点接触し、固体熱伝導が小さくなることで一層高い断熱性能を発揮する。本発明者の実験によれば、本発明の断熱材を用いれば、特に１〜１０００Ｐａの圧力範囲において、同じ圧力範囲の真空雰囲気と比較して、０．０１Ｗ／ｍＫの極めて低い熱伝導率となることが確認された。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記のものに限定されるものではない。上記実施形態では、真空チャンバ１の壁面に設けるものを例に説明したが、ステージ１４の周囲を囲って断熱するような場合にも本発明は適用することができる。また、上記実施形態では、真空チャンバ１の壁面を一方の保持体２_１，２_２とする場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、両保持体２_１，２_２間に粒体３を充填したものを予め用意し、これを真空チャンバ１の壁面や構成部品に取り付けるようにしてもよい。この場合、両保持体２_１，２_２間に粒体を充填した後、両保持体２_１，２_２間の空間を密閉して１〜１０００Ｐａの圧力範囲に予め減圧しておくこともできる。

また、上記実施形態では、真空処理装置を真空加熱装置としたものを例に説明したが、例えば、１〜１０００Ｐａの圧力範囲の真空処理室内にプラズマを発生させ、所定の処理を施すものにも本発明を適用することができる。ここで、図３に示すように、ドラム１００の周囲にシート状の基材ＳＷを巻き掛けてこの基材ＳＷを走行させながら、ドラム１００の周面に所定間隔を置いて配置されるターゲット１０１に、スパッタ電源１０２により負の電位を持つ電力を投入することでこのターゲット１０１をスパッタリングして基材ＳＷ表面に連続的に成膜する巻取り式のスパッタリング装置では、樹脂製等の基材ＳＷが、ドラム１００の周面とターゲット１０１との間の空間１０ａに発生させたプラズマの輻射熱でダメージを受けないように、ドラム１００を冷却構造とすることが一般であるが、これでは、装置構成が複雑になる等の不具合が生じる。

そこで、ドラム１００の外周に沿って湾曲された２枚の板材を保持体２０_１，２０_２とし、両保持体２０_１，２０_２間に、上記の如く、粒体３を充填すると共に、両保持体２０_１，２０_２の両自由端にこれら保持体間２０_１，２０_２の空間を塞ぐ蓋板２０_３を設けて他の実施形態の断熱材Ｂ_１とする。そして、ターゲット１０１が臨む空間を残して、ドラム１００の周面に沿って、断熱材Ｂ_１を設置するようにすれば、ドラム１００の冷却構造を省略でき、有利である。

Ｂ，Ｂ_１…断熱材、１…真空チャンバ（保持体）、１ａ，１０ａ…真空処理室、２_１，２_２…保持体、３…粒体、３１…微粒子、Ｗ…基板、ＳＷ…シート状の基材。

Claims

真空雰囲気の形成が可能な真空処理室内に設けられる真空処理装置用の断熱材であって、
隙間を持って対向配置される一対の保持体と両保持体間に充填される粒体とを備え、
真空処理室が真空雰囲気であり、両保持体間の空間が１〜１０００Ｐａの範囲内の圧力である状態で、一方の保持体から他方の保持体への伝熱が粒体の固体熱伝導により起こるように構成したことを特徴とする真空処理装置用の断熱材。
前記粒体を構成する微粒子の各々は、球状の輪郭を持つことを特徴とする請求項１記載の真空処理装置用の断熱材。