JP2020030036A - 多段冷却を有する装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】多段冷却を有する装置を提供すること。【解決手段】本明細書に記載の実施形態は、半導体プロセスで生成された化合物を排除するための熱交換器に関する。高温流出物が熱交換器に流れ込むとき、熱交換器内の熱交換面の壁に冷却剤を流すことができる。熱交換面は、高温流出物が熱交換器を流れ下るように多段十字流路を作り出す湾曲形状とすることができる。この流路は、高温流出物を強制的に熱交換面の低温壁にぶつけ、流出物を著しく冷却し、流出物が真空ポンプに直接流れ込み熱損傷を引き起こすのを防止する。本明細書に記載の実施形態は、さらに、熱交換器を形成する方法に関する。熱交換器は、３Ｄ印刷を使用して、表面上に熱伝導性材料の層を順次堆積させることによって作り出され、非常に小さい占有面積を作り出し、コストを低減することができる。【選択図】図３Ｃ

Description

本明細書に記載の実施形態は、一般に、半導体処理機器に関し、より詳細には、半導体プロセスで生成された化合物を排除するための排除システムおよび熱交換器に関する。
半導体処理設備で使用されるプロセスガスは、規制要件と環境および安全問題とのために、廃棄の前に排除または処置されなければならないペルフルオロカーボン（ＰＦＣ）などの多くの化合物を含む。典型的に、遠隔プラズマ源が、処理チャンバから出てくる化合物を排除するために処理チャンバに結合され得る。試薬が、化合物の排除を支援するためにプラズマ源に注入されてもよい。
ＰＦＣを排除するための従来の排除技術は、試薬として水蒸気を利用しており、それは、良好な分解除去効率（ＤＲＥ）を与える。しかしながら、遠隔プラズマ源内で水蒸気を使用して特定の化合物を排除するのは、利用可能な結合反応時間の少ないことに起因して遠隔プラズマ源内に、ならびに排気ラインおよびポンプなどの遠隔プラズマ源の下流の機器に固体粒子の形成をもたらすことがある。加えて、遠隔プラズマ源を出る排気は高温であることがあり、それは、遠隔プラズマ源の下流のポンプで問題を引き起こすことがある。流出物を再結合させ冷却させようとする当技術分野の既存の解決策は、非常にかさばり非効率的であり、他のメンテナンス問題があることを含んでいる。
その結果、半導体プロセスで生成された化合物を排除するための効果的な熱交換器をもつ改善された排除システムの必要性がある。
本明細書に記載の１つまたは複数の実施形態は、一般に、半導体プロセスで生成された化合物を排除するための熱交換器を提供する。
１つの実施形態では、流動流体と熱を交換するように構成された熱交換器は、第１の取付けフランジであり、第１の取付けフランジの接続面を通って延びる中央開口を有し、接続面が第１の面と平行である、第１の取付けフランジと、第２の取付けフランジであり、第２の取付けフランジの接続面を通って延びる中央開口を有し、第１の方向において第１の取付けフランジから距離を置いて配設される、第２の取付けフランジと、熱交換器の内部領域を囲むように構成された外壁であり、外壁および内部領域が、第１の取付けフランジと第２の取付けフランジとの間に配設される、外壁と、内部領域内に配設された内壁であり、内壁が、内部領域の熱交換領域を内部領域の外側領域から隔離するように位置づけられ、外側領域が、内壁と外壁との間に形成された空間によって画定される、内壁と、熱交換流体入口ポートおよび熱交換流体出口ポートであり、各々が外側領域と流体連結する、熱交換流体入口ポートおよび熱交換流体出口ポートと、内壁内に配設された円錐形トレイであり、第１の取付けフランジの中央開口を通過する粒子を収集するように構成される、円錐形トレイとを含む。
別の実施形態では、流動流体と熱を交換するように構成された熱交換器は、第１の取付けフランジであり、第１の取付けフランジの接続面を通って延びる中央開口を有し、接続面が第１の面と平行である、第１の取付けフランジと、第２の取付けフランジであり、第２の取付けフランジの接続面を通って延びる中央開口を有し、第１の方向において第１の取付けフランジから距離を置いて配設される、第２の取付けフランジと、熱交換器の内部領域を囲むように構成された外壁であり、外壁および内部領域が、第１の取付けフランジと第２の取付けフランジとの間に配設される、外壁と、内部領域内に配設された内壁であり、内部領域の熱交換領域を内部領域の外側領域から隔離するように位置づけられる、内壁と、内壁内に囲まれた円錐形トレイであり、中央開口を通過する粒子を収集するように構成される、円錐形トレイと、外側領域が内壁と外壁との間に形成された空間によって画定され、内壁が熱交換領域に隣接する熱交換面を有し、熱交換流体入口ポートおよび熱交換流体出口ポートであり、各々が外側領域と流体連結する、熱交換流体入口ポートおよび熱交換流体出口ポートとを含む。
本明細書に記載の１つまたは複数の実施形態は、さらに、一般に、熱交換器を形成する方法に関する。
１つの実施形態では、熱交換器を形成する方法は、中央開口を有する第１の取付けフランジを形成することであり、熱伝導性材料の層を第１の表面上に順次堆積させることを含む、第１の取付けフランジを形成することと、第１の取付けフランジ上に熱交換体を形成することであり、熱交換体が、第１の表面に垂直な方向に延びる熱交換領域を囲む熱交換セクションを有し、熱交換体を形成することが、形成された第１の取付けフランジの表面上に熱伝導性材料の層を順次堆積させることを含み、熱交換セクション内に配設されている順次堆積された層が、各々、外壁の少なくとも一部分と、内壁の少なくとも一部分とを含み、外壁が、熱交換体の内部領域を囲むように構成され、内部領域が、第１の表面に実質的に垂直な中心軸を有し、内壁が内部領域内に配設され、熱交換領域を内部領域の外側領域から隔離するように位置づけられ、外側領域が、内壁と外壁との間に形成された空間によって画定され、内壁が、熱交換領域に隣接する熱交換面を有し、熱交換面が、中心軸と平行な方向に変化する湾曲を有し、熱交換面の任意の点における湾曲の接線が、中心軸に対して、４５度以下の角度を有する、熱交換体を形成することと、熱交換体上に第２の取付けフランジを形成することであり、第２の取付けフランジが、熱交換体上に熱伝導性材料の層を順次堆積させることを含む、第２の取付けフランジを形成することとを含む。
本開示の上述で列挙した特徴を詳細に理解できるようにするために、上述で簡単に要約した本開示についてのより詳細な説明を、実施形態を参照して行うことができ、実施形態のいくつかを添付図面に示す。しかしながら、添付図面は、本開示の典型的な実施形態のみを示しており、それゆえに、本開示が他の同等に効果的な実施形態を認めることができるので本開示の範囲を限定すると考えるべきでないことに留意されたい。
本明細書に記載の少なくとも１つの実施形態による、処理システム、ならびに遠隔プラズマ源および熱交換器を含む排除システムの概略図である。 図１の熱交換器の少なくとも１つの実施形態の概略斜視図である。 図２Ａに示した線２Ｂ−２Ｂと一致する水平面（Ｘ−Ｙ面）に沿って切断されている、図１の熱交換器の少なくとも１つの実施形態の上面断面図である。 図１の熱交換器の少なくとも１つの実施形態の概略断面図である。 図２Ｂに示した線２Ｄ−２Ｄと一致する垂直面（Ｙ−Ｚ面）に沿って切断されている、図１の熱交換器の少なくとも１つの実施形態の別の概略断面図である。 図２Ａ〜図２Ｄの熱交換面の少なくとも１つの実施形態の概略断面図である。 図２Ｅに示した熱交換面の一部分の拡大概略断面図である。 図１の熱交換器の少なくとも１つの実施形態の概略側面図である。 図３Ａに示した線３Ｂ−３Ｂと一致する水平面（Ｘ−Ｙ面）に沿って切断されている、図１の熱交換器の少なくとも１つの実施形態の上面断面図である。 図１の熱交換器の少なくとも１つの実施形態の概略断面図である。 図３Ｂに示した線３Ｄ−３Ｄと一致する垂直面（Ｙ−Ｚ面）に沿って切断されている、図１の熱交換器の少なくとも１つの実施形態の別の概略断面図である。 図３Ａ〜図３Ｄの熱交換面の少なくとも１つの実施形態の概略断面図である。 図３Ｅに示した熱交換面の一部分の拡大概略断面図である。 本明細書に記載の少なくとも１つの実施形態に従って熱交換器を形成するための方法の流れ図である。
理解しやすくするために、同一の参照番号が、可能であれば、図に共通する同一の要素を示すために使用されている。１つの実施形態の要素および特徴を、さらなる詳述なしに、他の実施形態に有益に組み込むことができることが意図されている。
以下の説明では、本開示の実施形態のより完全な理解を可能にするために、非常に多くの特定の詳細が記載される。しかしながら、本開示の実施形態のうちの１つまたは複数がこれらの特定の詳細のうちの１つまたは複数なしに実践され得ることが当業者には明らかであろう。他の例では、よく知られている特徴は、本開示の実施形態のうちの１つまたは複数を不明瞭にするのを避けるために説明されていない。
本明細書に記載の実施形態は、一般に、流出物の流れから半導体プロセスで生成された不要な化合物を取り除くための排除システムおよび熱交換器の実施形態に関する。プラズマゾーンを出て、熱交換器に入った後、流体および固体の流出物は、再結合し、かなりの量のエネルギーを放出し、既に高温の流出物の温度を上昇させる。温度上昇を抑制するために、冷却機構が熱交換器内に設計される。冷却機構は、熱交換面を有する複数のフィン構造を含むことができる。熱交換面の壁を冷却するために、冷却剤が熱交換器の一部の内に流されてもよい。熱交換面は、高温流出物が熱交換器を流れ下るように多段十字流路を作り出す湾曲形状を有する。この流路は、高温流出物が熱交換面の冷水壁と接触するように残留時間を増加させ、熱交換器の冷却効率を向上させる。追加として、流路は、流出物の大部分が熱交換面の壁と確実に接触するようにし、流出物を著しく冷却し、流出物が真空ポンプに直接流れ込み熱損傷を引き起こすのを防止する。
本明細書に記載の実施形態は、さらに、一般に、熱交換器を形成する方法に関する。熱交換器は、表面に熱伝導性材料の層を順次堆積させて熱交換器の１つまたは複数の壁を形成することによって作り出すことができる。順次堆積には、第１の表面に形成された第１の取付けフランジと、形成された第１の取付けフランジの表面に形成された熱交換体とが含まれる。第２の取付けフランジが、熱交換体の表面に形成されてもよい。層は、３Ｄ印刷などのような積層造形プロセスを使用することによって堆積されることができる。これは、非常に小さい占有面積で非常に高い効率の再結合および段階的冷却を可能にし、コストを低減するという利点を提供する。
図１は、本明細書に記載の少なくとも１つの実施形態による、処理システム１００、ならびにプラズマ源１０４および熱交換器１０６を含む排除システム１０２の概略図を示す。処理システム１００は、少なくとも処理チャンバ１０１および排除システム１０２を含む。排除システム１０２は、少なくともプラズマ源１０４、熱交換器１０６、およびプロセス真空ポンプ１０８を含む。処理チャンバ１０１は、一般に、堆積プロセス、エッチングプロセス、プラズマ処置プロセス、前洗浄プロセス、イオン注入プロセスなどの少なくとも１つの集積回路生産プロセスまたは別の類似の集積回路生産プロセスを実行するように構成される。いくつかの実施形態では、処理チャンバ１０１は、ディスプレイまたはソーラー用途のための基板を処理するように構成される。処理チャンバ１０１内で実行されるプロセスは、プラズマ支援されてもよい。例えば、処理チャンバ１０１内で実行されるプロセスは、シリコンベース材料を堆積させるためのプラズマ堆積プロセスまたはシリコンベース材料を除去するためのプラズマエッチングプロセスとすることができる。
処理チャンバ１０１は、排気フォアライン１１４を介して排除システム１０２の熱交換器１０６に結合されるチャンバ排気ポート１１２を有する。熱交換器１０６は、プラズマ源１０４を出る排気を冷却し、処理チャンバ１０１から出る排気フォアライン１１４に形成された二酸化ケイ素粒子などの粒子を収集するために、処理チャンバ１０１に結合される。熱交換器１０６は、排気導管１１６およびプロセス真空ポンプ１０８に結合される。排気導管１１８は、プロセス真空ポンプ１０８を設備排気１１０に結合させる。プロセス真空ポンプ１０８は、一般に、処理チャンバ１０１を真空にするために利用され、一方、設備排気１１０は、一般に、処理チャンバ１０１の流出物が大気に入るように準備するために、スクラバまたは他の排気洗浄装置を含む。
熱交換器１０６は、排気フォアライン１１４内の排気の温度を低下させ、排気フォアライン１１４内の粒子を収集するために、処理チャンバ１０１とプロセス真空ポンプ１０８との間に結合される。１つの例では、熱交換器１０６は排除システム１０２の一部である。処理チャンバ１０１を出る排気は、熱交換器１０６の内部の低温表面（排気の温度よりも実質的に低い温度を有する表面）に堆積することができる。熱交換器１０６に収集され得る材料の一例は、顆粒または微粒形態で形成され得る二酸化ケイ素である。
いくつかの実施形態では、処理チャンバ１０１は、フッ素ラジカルなどの洗浄ラジカルを発生させるための遠隔プラズマ源１２０を含み、洗浄ラジカルは、処理チャンバ１０１の処理領域１２２に流れ込んで処理チャンバ１０１を洗浄する。未反応洗浄ラジカルは、処理チャンバ１０１を出て、排気フォアライン１１４および熱交換器１０６に入り、排気フォアライン１１４および熱交換器１０６に集積回路生産プロセスの間に以前に堆積した材料を除去することができる。いくつかの実施形態では、処理チャンバ１０１内で実行される洗浄プロセスは効率的に実行され、それにより、最小量の未反応洗浄ラジカルが、処理チャンバ１０１を出て、排気フォアライン１１４に入る。処理チャンバ１０１を効率的に洗浄する洗浄プロセスは、一般に、通常の使用中に熱交換器１０６を効果的に洗浄するのに十分な洗浄ラジカルを供給しないことになる。
それゆえに、十分な未反応洗浄ラジカルが熱交換器１０６に達し、熱交換器１０６を効率的に洗浄するのを確実にするために、排除システム１０２は、熱交換器１０６を洗浄するために洗浄プラズマを供給するのに使用することができるプラズマ源１０４を含む。プラズマ源１０４を利用して、処理チャンバ１０１を出るガスおよび／または他の材料に排除プロセスを実行し、その結果、そのようなガスおよび／または他の材料は、その後、トラップされるか、または環境に優しいおよび／またはプロセス機器に害を与えない組成物に変換され得る。プラズマ源１０４は、例えば、誘導結合プラズマ源、容量結合プラズマ源、直流プラズマ源、またはマイクロ波プラズマ源とすることができる。プラズマ源１０４は、排除システム１０２に結合されて、洗浄、パージ、キャリア、または他のプロセスガスをイオン化してイオン化されたガスを排除システム１０２に供給し、そして洗浄ラジカルを発生させて、表面と、熱交換器１０６に見いだされるトラップされた材料とを洗浄することができる。例えば、第１のガス供給源１２４は、プラズマ源１０４に結合されて、それを通してアルゴン（Ａｒ）などの不活性または非反応性ガスを排除システム１０２に供給することができる。例えば、第２のガス供給源１２６は、プラズマ源１０４に結合されて、それを通してＮＦ3などの洗浄ガスを排除システム１０２に供給することができる。考えられる他の洗浄ガスには、ＮＦ2Ｈ、ＣＨＦ3、ＣＦ4などが含まれる。追加として、第３のガス供給源１２８は、プラズマ源１０４に結合されて、それを通してＯ2などの反応剤を排除システム１０２に供給することができる。
プラズマ源１０４は、図１に示すように、導管１１７を介して排気フォアライン１１４に結合され得る。反応性ガスは、排除システム１０２の内部から蓄積堆積物を除去しやすくし、それにより、洗浄のために排除システム１０２を分解する必要性を低減または除去する。１つの実施形態では、プラズマ源１０４で発生されたＮＦ3プラズマなどの洗浄ラジカルは、排気フォアライン１１４および熱交換器１０６に流れ込んで、熱交換器１０６に形成または収集された固体副生成物材料または粒子を除去することができる。
１つの実施形態では、プラズマ源１０４で発生されたＯ2プラズマなどの酸化剤は、プラズマ源１０４から排気フォアライン１１４に送り出されて、堆積処理の間処理チャンバ１０１からプロセス真空ポンプ１０８に流れる前駆体生成物と反応することができる。酸化剤は、堆積プロセスからの前駆体副生成物と反応し、前駆体ガス副生成物の固体副生成物または粒子への転換を容易にして、熱交換器１０６にトラップされる固体副生成物または粒子の量を増大させる。熱交換器１０６にトラップされる固体副生成物の量の増大は、熱交換器１０６からプロセス真空ポンプ１０８、排気導管１１８、および設備排気１１０へと流れる反応物副生成物ガスの量を減少させ、それによって、プロセス真空ポンプ１０８および排気導管１１８の平均寿命を増加させ、さらに、プロセス真空ポンプ１０８および排気導管１１８のメンテナンス間隔を減少させてツール可用時間の増加に寄与する。
熱交換器１０６は、製造設備のサブ製造場所の処理チャンバ１０１から少なくとも１０〜４０フィート以上などの距離ＤFに配置することができ、壁１３０で分離されてもよい。排除システム１０２の遠隔プラズマ源１０４の出口は、熱交換器１０６の入口点に実質的に隣接する排気フォアライン１１４の場所１３２において排気フォアライン１１４に流れ込むことができる。１つの例では、場所１３２は、排気フォアライン１１４が熱交換器１０６に入る前の距離ＤRに、例えば、６インチと１８インチとの間の距離、または約１２インチの距離に位置づけられる。熱交換器１０６は、プラズマ源１０４によって発生されたＯ2プラズマが、入口点から熱交換器１０６までの距離ＤRで、例えば、６インチと１８インチとの間などで、排気フォアライン１１４に導入された場合に、より多くの固体副生成物材料を捕捉することが見いだされている。
排気導管１１８は、ガスがプロセス真空ポンプ１０８から設備排気１１０まで流れるのを可能にする。排気フォアライン１１４、排気導管１１６、プロセス真空ポンプ１０８、排気導管１１８、および関連するハードウェアは、例えば、アルミニウム、陽極酸化されたアルミニウム、ニッケルメッキされたアルミニウム、ステンレス鋼、ならびにそれらの組合せおよび合金などの１つまたは複数のプロセス適合性材料から形成することができる。熱交換器１０６は、例えば、類似のプロセス適合性材料から形成されるか、または排気ガスの凝集を促す材料で製作されてもよい。設備排気１１０は、例えば、半導体製造産業で知られているような燃焼／湿式排除サブシステムとすることができる。
排除システム１０２は、製造設備内で処理チャンバ１０１から離れた別個の場所に設けられ、壁１３０によって処理チャンバ１０１から分離されてもよい。排除システム１０２を処理チャンバ１０１から分離することにより、厳しいクリーンルーム空気純度クラスの要件を必要としない環境で排除システムをメンテナンスすることが可能になる。
図２Ａ〜図２Ｄは、図１の熱交換器１０６の少なくとも１つの実施形態の概略の上面図および断面図を示す。図２Ａに示すように、熱交換器１０６は、熱交換体２００、第１の端部２０２、第１の端部２０２の反対側の第２の端部２０４、入口ポート２０６、および入口ポート２０６の反対側の出口ポート２０８を含む。図２Ｂは、図２Ａに示した線２Ｂ−２Ｂと一致する水平面（Ｘ−Ｙ面）に沿って切断された熱交換器１０６の上面断面図である。図２Ｃは、図１の熱交換器１０６の概略断面図である。図２Ｄは、図２Ｂに示した線２Ｄ−２Ｄと一致する垂直面（Ｙ−Ｚ面）によって切断された図１の熱交換器１０６の概略断面図である。
熱交換体２００は、入口ポート２０６と出口ポート２０８とを流体的に接続するように構成された内部を有する（以下でさらに説明する）。熱交換体２００は、図２Ａに示すように、円柱状であってもよく、または他の適切な形状であってもよい。熱交換体２００は、１５０ｍｍと２００ｍｍとの間の直径を有することができるが、他の直径も可能である。第１の端部２０２は第１の取付けフランジ２１０を含み、第２の端部２０４は第２の取付けフランジ２２２を含む。第１の取付けフランジ２１０および第２の取付けフランジ２２２は、接続面を介して熱交換体２００に結合され、接続面は中心軸２２４と平行である。熱交換体２００は、第２の取付けフランジ２２２が第１の取付けフランジ２１０から距離を置いて配設されるように第１の取付けフランジ２１０から第２の取付けフランジ２２２まで延びる。この距離は、２００ｍｍと２５０ｍｍとの間とすることができるが、他の距離も可能である。熱交換体２００は、熱交換器１０６の内部領域２１８を囲むように構成された外壁２１６を含み、外壁２１６および内部領域２１８の各々は、第１の取付けフランジ２１０から第２の取付けフランジ２２２まで延びる。参考までに、面２２６（例えば、Ｘ−Ｙ面）は、中心軸２２４に実質的に垂直に配向されるとして定義される。
内部領域２１８は熱交換領域２１３および外側領域２２０を含み、それらは内壁２１４によって分離される。内壁２１４は複数のフィン構造２３３を画定する。１つの例では、図２Ｂに示すように、複数のフィン構造２３３は、６つのフィン構造を含む。一般に、フィン構造２３３は各々半径方向におよび軸方向に延びる形状を有し、さらに、半径方向に対称な設計では、軸方向（Ｚ方向）、半径方向、および／またはシータ方向を含む少なくとも２つの非平行方向に変化する湾曲した熱交換面を有する。
内壁２１４は、内部領域２１８の外側領域２２０から熱交換領域２１３を流体的に隔離するために熱交換体２００内に位置づけられる。外側領域２２０は、内壁２１４と外壁２１６との間に形成された空間によって画定される。熱交換領域２１３は、プラズマ源１０４を出る流出物を収集するように設計することができる（図１に示したように）。上述のように、流出物は、プラズマ源１０４を出た後再結合することになり、再結合は、熱交換領域２１３で行われる。この再結合反応は大量のエネルギーを放出し、それは、既に高温の流出物の温度を上昇させる。それゆえに、熱交換領域２１３は、高温流出物の温度で動作するように構成され、摂氏４００度〜８００度にわたることができる。冷却剤は、外側領域２２０を通って内壁２１４の熱交換面２１２に当たって流れることができる（例えば、図２Ｅの冷却剤Ｐ）。冷却剤は、水入口２２８を介して管または流路によって流れることができる。水入口２２８は熱交換体２００の下部の方に配置され、水出口２３０は熱交換体２００の上部の方に配置される。そのため、冷却剤は、熱交換体２００の下部から上部に流れるようにされ、熱交換器１０６の上部から排出される。水入口２２８の開口面積は入口ポート２０６の面積と同じとすることができ、それにより、入口ポート２０６から出口ポート２０８までの圧力降下が最小になる。熱交換面２１２は、熱交換領域２１３に隣接しており、熱交換領域２１３に接触するフィン構造２３３を通って下流に進む流出物を冷却するように作用し、熱交換器１０６の下流に配設されたプロセス真空ポンプ１０８への熱損傷を防止する。
図２Ｅは、図２Ａ〜図２Ｄの熱交換領域２１３の熱交換面２１２の１つの実施形態の概略断面図を示す。熱交換領域２１３は、２つのフィン構造２３３の間に配設される。参照矢印２３２は、熱交換面２１２に衝突して接触する、熱交換領域２１３を通る高温流出物の流路を示す。熱交換面２１２は、湾曲面とすることができ、湾曲は、図２Ｃ〜図２Ｄに示すように中心軸２２４と平行な方向に変化する。熱交換面２１２の任意の点における湾曲の接線は、中心軸２２４に対して、４５度以下とすることができる角度Ａを有しており、それは、再び図２Ｃ〜図２Ｄに最もよく示されている。しかしながら、中心軸２２４に対する角度Ａは、熱交換器１０６を形成するために使用される生産方法および材料に応じて変わることができるので、４５度の角度は本明細書で提供する本開示の範囲に関して限定することを意図されていない。垂直の中心軸に対する任意の点における湾曲が４５度以下であるように熱交換器１０６の内壁の湾曲を構成すると、ステンレス鋼を使用した積層造形プロセスによる熱交換器の製造可能性が改善され、さらに、形成された熱交換デバイスの伝熱特性が改善されることになることが見いだされた。
１つの例では、図２Ｆに示すように、熱交換面２１２の接線Ｔ１、Ｔ２、およびＴ３は、３１６ステンレス鋼などのステンレス鋼材料を使用した場合、常に、中心軸（すなわち、Ｚ軸と平行な）に対して４５度未満の角度を有する。他の実施形態では、ステンレス鋼材料が使用されない場合、角度Ａは、生産方法および材料に応じて中心軸２２４に対して６０度または７０度以下とすることができる。参照矢印２３２は、高温流出物がフィン構造２３３の熱交換面２１２の低温壁にぶつかるとき高温流出物の滞留時間を増加させ、それによって、冷却効率を向上させる多段十字流路を示す。加えて、様々な表面湾曲を有するようにフィン構造２３３を形成することによって、この構成は、高温流出物の一部が内壁２１４の熱交換面２１２を外さないことを確実にし、高温流出物を冷却して高温流出物がプロセス真空ポンプ１０８および／または下流の他の構造を損傷しないようにするために使用することができる。熱交換面２１２の壁の温度は、摂氏２０度〜５０度にわたることができ、高温流出物を、それがプロセス真空ポンプ１０８へと出るまでにその温度範囲内になるように冷却する。
図３Ａ〜図３Ｄは、図１の熱交換器１０６の少なくとも１つの実施形態の概略の上面図および断面図を示す。図３Ａに示すように、熱交換器１０６は、熱交換体３００、第１の端部３０２、第１の端部３０２の反対側の第２の端部３０４、入口ポート３０６、および入口ポート３０６の反対側の出口ポート３０８を含む。図３Ｂは、図３Ａに示した線３Ｂ−３Ｂと一致する水平面（Ｘ−Ｙ面）に沿って切断された熱交換器１０６の上面断面図である。図３Ｃは、図１の熱交換器１０６の概略断面図である。図３Ｄは、図３Ｂに示した線３Ｄ−３Ｄと一致する垂直面（Ｙ−Ｚ面）によって切断された図１の熱交換器１０６の概略断面図である。
この実施形態では、図２Ａ〜図２Ｄに示した実施形態に非常に類似して、熱交換体３００は、入口ポート３０６と出口ポート３０８とを流体的に接続するように構成された内部を有する（以下でさらに説明する）。熱交換体３００は、図３Ａに示すように、円柱状であってもよく、または他の適切な形状であってもよい。熱交換体３００は、１５０ｍｍと２００ｍｍとの間の直径を有することができるが、他の直径も可能である。第１の端部３０２は第１の取付けフランジ３１１を含み、第２の端部３０４は第２の取付けフランジ３２３を含む。第１の取付けフランジ３１１および第２の取付けフランジ３２３は、接続面を介して熱交換体３００に結合され、接続面は中心軸３２６と平行である。熱交換体は、第２の取付けフランジ３２３が第１の取付けフランジ３１１から距離を置いて配設されるように第１の取付けフランジ３１１から第２の取付けフランジ３２３まで延びる。この距離は、２００ｍｍと２５０ｍｍとの間とすることができるが、しかしながら、他の距離も可能である。熱交換体３００は、熱交換器１０６の内部領域３２０を囲むように構成された外壁３１８を含み、外壁３１８および内部領域３２０の各々は、第１の取付けフランジ３１１から第２の取付けフランジ３２３まで延びる。参考までに、面３２８は、中心軸３２６に実質的に垂直に配向されるとして定義される。内部領域３２０は熱交換領域３１３および外側領域３２２を含み、それらは内壁３１６によって分離される。内壁３１６は、内部領域３２０の外側領域３２２から熱交換領域３１３を流体的に隔離するために熱交換体３００内に位置づけられる。外側領域３２２は、内壁３１６と外壁３１８との間に形成された空間によって画定される。
追加として、熱交換器１０６は、少なくとも１つののぞき窓（２つ示されている）３０９、デフレクタ３１０、および円錐形トレイ３１２を含む。のぞき窓３０９は、外壁３１８の一部分に対して窓３０９Ｂを密閉するために使用されるクランプ３０９Ａを含む。これにより、熱交換器１０６の外にいるユーザは、熱交換体３００の内部を見て、円錐形トレイ３１２に収集された粒子を観察することができる。円錐形トレイ３１２は、内壁３１６で囲まれ、処理チャンバ１０１の処理シーケンスの間に熱交換器１０６に入る最大数の粒子をトラップし隔離するように設計される。さらに、デフレクタ３１０は、洗浄ガスのうちの一部を偏向させ、その結果、ガスが固体堆積物と相互作用し反応するように設計され、それにより、洗浄効率が改善される。デフレクタ３１０は、粒子が円錐形トレイ３１２に落ちることができるように一体化リップ３１０Ａ（図３Ｃ）とともに設計することができる。
外側領域３２２は、内壁３１６と外壁３１８との間に形成された空間によって画定される。図２Ａ〜図２Ｄで説明した実施形態と同様に、流出物は、プラズマ源１０４を出た後再結合することになる。再結合は、一般に、熱交換領域３１３内で行われることになる。この再結合反応はかなりの量のエネルギーを放出し、それは、既に高温の流出物の温度を上昇させる。それゆえに、熱交換領域３１３は、高温流出物の温度になり、摂氏４００度〜８００度にわたることができる。冷却剤は、外側領域３２２を通っての熱交換面３１４に当たって流れることができる（例えば、図３Ｅの冷却剤Ｐ）。冷却剤は、水入口３３０を介して管または流路によって流れることができる。水入口３３０は熱交換体３００の下部の方に配置され、水出口３３２は熱交換体３００の上部の方に配置される。そのため、冷却剤は、熱交換体３００の下部から上部に流れるようにされ、熱交換器１０６の上部から排出される。水入口３３０の開口面積は入口ポート３０６の面積と同じとすることができ、それにより、入口ポート３０６から出口ポート３０８までの圧力降下が最小になる。熱交換面３１４は、熱交換領域３１３に隣接しており、熱交換領域３１３から下流への流出物を冷却するように作用し、プロセス真空ポンプ１０８への熱損傷を防止する。
図２Ｅに示した実施形態と同様に、図３Ｅは、図３Ａ〜図３Ｄの熱交換領域３１３の熱交換面３１４の１つの実施形態の概略断面図を示す。熱交換領域３１３は、上記の図２Ｅで説明した実施形態に同様に、２つのフィン構造３３３の間に配設される。参照矢印３３４は、熱交換面３１４に衝突して接触する、熱交換領域３１３を通る高温流出物の流路を示す。熱交換面３１４は、湾曲面とすることができ、湾曲は、図３Ｃ〜図３Ｄに示すように中心軸３２６と平行な方向に変化する。熱交換面３１４の任意の点における湾曲の接線は、中心軸３２６に対して、４５度以下とすることができる角度Ａを有しており、それは、再び図３Ｃ〜図３Ｄに最もよく示されている。１つの例では、図３Ｆに示すように、熱交換面３１４の接線Ｔ１、Ｔ２、およびＴ３は、ステンレス鋼材料を使用することによって、常に、中心軸（すなわち、Ｚ軸と平行な）に対して４５度未満の角度を有する。他の実施形態では、ステンレス鋼が使用されない場合、角度Ａは、生産方法および使用される材料に応じて中心軸３２６に対して６０度または７０度以下とすることができる。参照矢印３３４は、高温流出物が熱交換面３１４の低温壁にぶつかるとき高温流出物の滞留時間を増加させ、それによって、冷却効率を向上させる多段十字流路を示す。加えて、様々な表面湾曲を有するように熱交換面３１４を形成することによって、この構成は、高温流出物の一部が内壁３１６の熱交換面３１４を外さないことを確実にし、高温流出物を冷却して高温流出物がプロセス真空ポンプ１０８および／または下流の他の構造を損傷しないようにするために使用することができる。熱交換面３１４の壁の温度は、摂氏２０度〜５０度にわたることができ、高温流出物を、それがプロセス真空ポンプ１０８へと出るまでにその温度範囲内になるように冷却する。円錐形トレイ３１２の温度は、固体および液体の流出物の堆積を可能にするためにガスの温度よりもわずかに低くすることになる。
図４は、本明細書に記載の少なくとも１つの実施形態に従って熱交換器を形成するための方法４００の流れ図である。流動流体と熱を交換するように構成された熱交換器を形成する方法４００。層は、３Ｄ印刷プロセスなどのような積層造形プロセスを使用することによって堆積されてもよい。これは、非常に小さい占有面積で非常に高い効率の再結合および段階的冷却を可能にし、コストを低減するという利点を提供する。この段階は、必要とされる冷却に応じて延ばされてもよい。
より詳細には、いくつかの実施形態では、熱交換器の構築は、熱交換器の３次元バージョンのＣＡＤモデルを作り出すことによって始まる。これは、Ｕｎｉｇｒａｐｈｉｃｓまたは他の同様のソフトウェアなどの既存のＣＡＤ設計ソフトウェアを使用することにより行うことができる。モデリングソフトウェアによって作製された出力ファイルは、次いで、熱交換器設計が設計要件（例えば、気密性、熱交換面の湾曲の角度配向、質量密度）を満たしていることを確実にするために分析プログラムにロードされる。出力ファイルは、次いで、レンダリングされ、３Ｄモデルは、次いで、一連の２Ｄデータビットマップまたはピクセルチャートに「スライスされる」。２Ｄビットマップまたはピクセルチャートを使用して、位置をＸおよびＹ面にわたって画定し、熱交換器の層が構築されることになる。この構成では、積層造形プロセスは、これらの位置を使用して、所望の層フィーチャを形成するためにレーザが適用される場所を画定することになる。
ピクセルチャートに見いだされる座標を使用して、レーザエネルギーが焦点を当てることになる位置が画定される。ＸおよびＹの位置と、所与の熱交換器を支持するＺステージ位置とのすべての座標は、ピクセルチャートに基づいて画定されることになる。Ｘ、Ｙ、およびＺ位置の各々は、レーザエネルギーの送出または非送出条件のいずれかを含むことになる。各形成層のピクセルチャートを組み合わせることによって、望ましい形状および構造構成の熱交換器が、層にわたって望ましいパターンでレーザエネルギーを位置づけることにより印刷され得る。このプロセスを使用して、下述のブロックの各々を実行することができる。
ブロック４０２において、中央開口を有する第１の取付けフランジが形成される。第１の取付けフランジは、第１の表面に材料の層を順次堆積させることができる。
ブロック４０４において、熱交換体が、第１の取付けフランジ上に形成される。熱交換体は、第１の表面に垂直な方向に延びる熱交換領域を囲む熱交換セクションを有する。熱交換体は、形成された第１の取付けフランジの表面に熱伝導性材料の層を順次堆積させることができる。いくつかの実施形態では、伝導性材料には、金属（例えば、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｆｅ）、金属合金（例えば、ＳＳＴ）、熱伝導性セラミック材料（例えば、ＡｌＮ、ＡｌＯx、ＢＮ）、または流出物材料に不活性な他の熱伝導性材料が含まれる。熱交換セクション内に配設されている順次堆積された層は、各々、外壁の少なくとも一部分と、内壁の少なくとも一部分とを含むことができる。外壁は、熱交換体の内部領域を囲むように構成することができ、内部領域は、第１の表面に実質的に垂直な中心軸を有する。内壁は、内部領域内に配設することができ、熱交換領域を内部領域の外側領域から隔離するように位置づけられる。外側領域は、内壁と外壁との間に形成された空間によって画定することができる。内壁は、熱交換領域に隣接する熱交換面を有することができる。熱交換面は、中心軸と平行な方向に変化する湾曲を有することができ、熱交換面の任意の点における湾曲の接線は、中心軸に対して、７０度、６０度、４５度、３０度、または２０度以下の角度を有する。しかしながら、他の角度も可能である。
ブロック４０６において、第２の取付けフランジが、熱交換体上に形成される。第２の取付けフランジは、熱交換体に材料の層を順次堆積させることができる。熱交換体は、１５０ｍｍと２００ｍｍとの間の直径を有することができるが、しかしながら、直径は他の長さとすることができる。第１の取付けフランジと第２の取付けフランジとの間の距離は、２００ｍｍと２５０ｍｍとの間とすることができるが、他の距離が可能である。
前述は本開示の実施形態に関するが、本開示の他のおよびさらなる実施形態をその基本的な範囲から逸脱することなく考案することができ、その範囲は以下の特許請求の範囲によって決定される。
１００ 処理システム
１０１ 処理チャンバ
１０２ 排除システム
１０４ プラズマ源
１０６ 熱交換器
１０８ プロセス真空ポンプ
１１０ 設備排気
１１２ チャンバ排気ポート
１１４ 排気フォアライン
１１６ 排気導管
１１７ 導管
１１８ 排気導管
１２０ 遠隔プラズマ源
１２２ 処理領域
１２４ 第１のガス供給源
１２６ 第２のガス供給源
１２８ 第３のガス供給源
１３０ 壁
１３２ 場所
２００ 熱交換体
２０２ 第１の端部
２０４ 第２の端部
２０６ 入口ポート
２０８ 出口ポート
２１０ 第１の取付けフランジ
２１２ 熱交換面
２１３ 熱交換領域
２１４ 内壁
２１６ 外壁
２１８ 内部領域
２２０ 外側領域
２２２ 第２の取付けフランジ
２２４ 中心軸
２２６ 面
２２８ 水入口
２３０ 水出口
２３２ 参照矢印
２３３ フィン構造
３００ 熱交換体
３０２ 第１の端部
３０４ 第２の端部
３０６ 入口ポート
３０８ 出口ポート
３０９ のぞき窓
３０９Ａ クランプ
３０９Ｂ 窓
３１０ デフレクタ
３１０Ａ 一体化リップ
３１１ 第１の取付けフランジ
３１２ 円錐形トレイ
３１３ 熱交換領域
３１４ 熱交換面
３１６ 内壁
３１８ 外壁
３２０ 内部領域
３２２ 外側領域
３２３ 第２の取付けフランジ
３２６ 中心軸
３２８ 面
３３０ 水入口
３３２ 水出口
３３３ フィン構造
３３４ 参照矢印
４００ 方法

Claims (15)

  1. 流動流体と熱を交換するように構成された熱交換器であって、
    第１の取付けフランジであり、前記第１の取付けフランジの接続面を通って延びる中央開口を有し、前記接続面が第１の面と平行である、第１の取付けフランジと、
    第２の取付けフランジであり、前記第２の取付けフランジの接続面を通って延びる中央開口を有し、第１の方向において前記第１の取付けフランジから距離を置いて配設される、第２の取付けフランジと、
    前記熱交換器の内部領域を囲むように構成された外壁であり、前記外壁および前記内部領域が、前記第１の取付けフランジと前記第２の取付けフランジとの間に配設される、外壁と、
    前記内部領域内に配設された内壁であり、前記内壁が、前記内部領域の熱交換領域を前記内部領域の外側領域から隔離するように位置づけられ、前記外側領域が、前記内壁と前記外壁との間に形成された空間によって画定される、内壁と、
    熱交換流体入口ポートおよび熱交換流体出口ポートであり、各々が前記外側領域と流体連結する、熱交換流体入口ポートおよび熱交換流体出口ポートと、
    前記内壁内に配設された円錐形トレイであり、前記第１の取付けフランジの前記中央開口を通過する粒子を収集するように構成される、円錐形トレイと
    を含む、熱交換器。
  2. 前記熱交換流体入口ポートの開口の面積が、水入口の面積と実質的に等しい、請求項１に記載の熱交換器。
  3. 前記外壁を通って延びる開口を有するのぞき窓であり、前記開口は、前記外壁の外にいるユーザが前記円錐形トレイの少なくとも一部分を前記のぞき窓を通して見ることができるように配向される、のぞき窓をさらに含む、請求項１に記載の熱交換器。
  4. 前記中央開口を通過するガスを偏向させるように構成されたデフレクタをさらに含む、請求項１に記載の熱交換器。
  5. 前記デフレクタが一体化リップを含む、請求項４に記載の熱交換器。
  6. 流動流体と熱を交換するように構成された熱交換器であって、
    第１の面と平行な接続面を有する第１の取付けフランジと、
    接続面を有する第２の取付けフランジであり、第１の方向において前記第１の取付けフランジから距離を置いて配設される、第２の取付けフランジと、
    前記第１の取付けフランジと前記第２の取付けフランジと間に配設され、前記第１の取付けフランジと前記第２の取付けフランジとに結合された熱交換体であり、前記熱交換体が、
    前記熱交換体の内部領域を囲むように構成された外壁であり、前記内部領域が前記第１の面に実質的に垂直な中心軸を有する、外壁と、
    前記内部領域内に配設された内壁であり、前記内壁が、前記内部領域の熱交換領域を前記内部領域の外側領域から隔離するように位置づけられ、
    前記内壁が、前記熱交換領域に隣接する熱交換面を有し、
    前記熱交換面の少なくとも一部分が、前記中心軸と平行な方向に変化する湾曲を有し、
    前記熱交換面の任意の点における前記湾曲の接線が、中心軸に対して、６０度以下の角度を有する、内壁と
    を含む、熱交換体と
    を含む、熱交換器。
  7. 前記外側領域と流体連結する開口を有し、前記第１の取付けフランジよりも前記第２の取付けフランジに近い位置に配設される熱交換流体入口ポートをさらに含む、請求項６に記載の熱交換器。
  8. 前記外側領域と流体連結する開口を有し、前記第２の取付けフランジよりも前記第１の取付けフランジに近い位置に配設される熱交換流体出口ポートをさらに含む、請求項７に記載の熱交換器。
  9. 前記熱交換面の任意の点における前記湾曲の前記接線が、前記中心軸に対して、４５度以下の角度を有する、請求項６に記載の熱交換器。
  10. 前記熱交換面の任意の点における前記湾曲の前記接線が、前記中心軸に対して、３０度以下の角度を有する、請求項６に記載の熱交換器。
  11. 流動流体と熱を交換するように構成された熱交換器を形成する方法であって、
    中央開口を有する第１の取付けフランジを形成することであり、熱伝導性材料の層を第１の表面上に順次堆積させることを含む、第１の取付けフランジを形成することと、
    前記第１の取付けフランジ上に熱交換体を形成することであり、前記熱交換体が、第１の表面に垂直な方向に延びる熱交換領域を囲む熱交換セクションを有し、
    前記熱交換体を形成することが、前記形成された第１の取付けフランジの表面上に前記熱伝導性材料の層を順次堆積させることを含み、
    前記熱交換セクション内に配設されている前記順次堆積された層が、各々、外壁の少なくとも一部分と、内壁の少なくとも一部分とを含み、
    前記外壁が前記熱交換体の内部領域を囲むように構成され、前記内部領域が前記第１の表面に実質的に垂直な中心軸を有し、
    前記内壁が前記内部領域内に配設され、前記熱交換領域を前記内部領域の外側領域から隔離するように位置づけられ、前記外側領域が前記内壁と前記外壁との間に形成された空間によって画定され、
    前記内壁が、前記熱交換領域に隣接する熱交換面を有し、
    前記熱交換面が、前記中心軸と平行な方向に変化する湾曲を有し、
    前記熱交換面の任意の点における前記湾曲の接線が、中心軸に対して、４５度以下の角度を有する、熱交換体を形成することと、
    前記熱交換体上に第２の取付けフランジを形成することであり、前記第２の取付けフランジが、前記熱交換体上に熱伝導性材料の層を順次堆積させることを含む、第２の取付けフランジを形成することと
    を含む、方法。
  12. 前記熱交換体が１５０ｍｍと２００ｍｍとの間の直径を有する、請求項１１に記載の方法。
  13. 前記第１の取付けフランジと前記第２の取付けフランジとの間の距離が、２００ｍｍと２５０ｍｍとの間にある、請求項１１に記載の方法。
  14. 前記第２の取付けフランジの方に配置された熱交換流体入口ポートと、前記第１の取付けフランジの方に配置された熱交換流体出口ポートとをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
  15. 前記熱交換器が、ステンレス鋼材料を使用した３Ｄ印刷プロセスによって形成される、請求項１１に記載の方法。
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