JP3540064B2

JP3540064B2 - ドライ真空ポンプ前段用のトラップ

Info

Publication number: JP3540064B2
Application number: JP25183395A
Authority: JP
Inventors: 辰也三浦; 健太郎下坂; 浩司柴山
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 1995-09-04
Filing date: 1995-09-04
Publication date: 2004-07-07
Anticipated expiration: 2015-09-04
Also published as: JPH0972291A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は真空排気ラインにおけるドライ真空ポンプの前段に設置されるトラップに関するものであり、更に詳しくは排気ガス中の未反応ガスをドライ真空ポンプに至る前の段階で加熱し反応させて、生成する固形分を補集するためのトラップに関するものである。
【０００２】
【従来の技術及びその問題点】
半導体製造プロセスのうち、ＣＶＤ（化学的気相蒸着）法による成膜装置の排気ラインや、得られた薄膜に配線パターンを形成させるエッチング装置の排気ラインにおける低真空領域の真空ポンプとして、圧縮室に油を使用しないドライ真空ポンプが採用されている。ドライ真空ポンプは油を持たないことから排気ガスの圧縮熱で高温（例えば１００〜３００℃）になるので、通常の油回転真空ポンプではポンプ内部で凝縮していたガス、例えば減圧ＣＶＤ法によってＳｉ₃ Ｎ₄ （窒化シリコン）膜を形成させる場合に副生するＮＨ₄ Ｃｌ（塩化アンモニウム）ガスや、Ｃｌ（塩素）を含有するエッチングガスによってＡｌ（アルミニウム）膜を反応性イオンエッチングする場合に副生するＡｌＣｌ₃ （塩化アルミニウム）ガスなど、常温・常圧またはその近辺で固化する性質を持つガスを気体状態のままで排出することができるという特性を有している。
【０００３】
しかし一方、低温ＣＶＤ法によってＷＦ₆ （６フッ化タングステン）ガスとＳｉＨ₄ （シラン）ガスとを原料として反応させ基板上にＷ（タングステン）膜を形成させる場合には、排気ガス中に含まれる未反応ガスが高温のドライ真空ポンプによって加熱されて反応が生起し、生成する固形分がドライ真空ポンプ内に凝着堆積してドライ真空ポンプを短期間で運転不能に至らしめることが多い。すなわち、ＷＦ₆ とＳｉＨ₄ とが反応し、固形分として主としてＷ、およびＳｉが一部生成し、ガス分として熱に安定なＨＦ（フッ化水素）ガスおよびＳｉＦ₄ （４フッ化シリコン）ガスが生成する。ＨＦガス、ＳｉＨ₄ ガスは他の排気ガスと共に排出されるが、Ｗは一部のＳｉと共にドライ真空ポンプの内面に析出し、あたかもＷで鍍金したような状態で凝着するのである。
【０００４】
一般に、ＣＶＤ法による成膜では反応ガスの利用効率が数％程度と低く、上記の場合も原料ガスの大半が未反応ガスとして排出され、ドライ真空ポンプに吸引されて反応し同ポンプ内に詰まりを生ずる。この詰まりを発生させないように、従来は排気ガスに大量の不活性ガスを流し込み、ドライ真空ポンプを極力冷却することによって対処しているが、ドライ真空ポンプはその構造上、冷却には限度があり、詰まりを発生させないようにすることは実質的に不可能である。
【０００５】
【発明が解決しようとする問題点】
本発明は上述の問題に鑑みてなされ、ドライ真空ポンプによって加熱され反応して固形分を生じ、ドライ真空ポンプを運転不能に至らしめる未反応ガスをドライ真空ポンプの前段において処理し、ドライ真空ポンプへ送り込まないトラップを提供することを目的とする。
【０００６】
【問題点を解決するための手段】
以上の目的は、ドライ真空ポンプの前段に設置され、ハウジング内に排気ガスの流路を形成して前記排気ガス中の未反応ガスを凝着させるための複数の凝着板が単独で、または前記ハウジングと共に、加熱可能に取り付けられており、導入される前記未反応ガスが加熱されて反応し、生成する固形分が前記凝着板、または前記凝着板と前記ハウジングの内壁とに凝着して補集されるドライ真空ポンプ前段用のトラップにおいて、前記ハウジングに設けられたガス導入口からガス導出口に至る間において、前記ハウジング内のガス導入口側端面板、前記凝着板、およびガス導出口側端面板の間隔が漸減傾向に設定され、かつ前記凝縮板に形成される流路部分の開口面積が漸減傾向に設定されて、前記流路の抵抗が傾向的に漸増されていることを特徴とするドライ真空ポンプ前段用のトラップ、によって達成される。
【０００７】
【作用】
トラップ内に導入される未反応ガスは加熱されている凝着板、または凝着板とハウジング内壁とに接触することにより化学反応を生起し、生成する固形分は凝着板、または凝着板とハウジング内壁に凝着して補集されるが、ハウジングに設けられたガス導入口からガス導出口に至る間において、ハウジング内のガス導入口側端面板、凝着板、およびガス導出口側端面板の間隔が漸減傾向に設定され、かつ凝着板に形成される流路部分の開口面積が漸減傾向に設定されて、排気ガス流路の抵抗が傾向的に漸増されているので、未反応ガスは渦流を発生し流れを乱され、各凝着板、ハウジングの内壁等への衝突頻度を高め反応性生物を付着させながらガス導出口の方へ流れる。すなわち、未反応ガスの分圧が高いガス導入口側から、反応によって固形分を凝着させて分圧が低くなるガス導出口側までの内部空間において、固形分が比較的偏りなく凝着して成長し凝着物として補集される。
【０００８】
【実施例】
以下、本発明の実施例によるドライ真空ポンプ前段用のトラップについて、図面を参照して説明する。
【０００９】
図１は低温ＣＶＤ（化学的気相蒸着）法によってＷＦ６ガスとＳｉＨ４ガスとを反応させ基板上にＷ膜を形成させる真空装置の排気ラインにおいて、ドライ真空ポンプの前段に設置されるトラップ１０の縦断面図であり、図２は図１における［２］−［２］線方向の断面図である。すなわち、トラップ１０は有底円筒状のハウジング１１の底面に近い側壁部にガス導入口１２が設けられ、上方の開口部にはガス導出口１４を設けた端面板１３が気密に取り付けられている。ハウジング１１内において、底面に固定した中空のセンターシャフト１５にそれぞれ所定の個数のスペーサ１６を挿入、介在させて９枚の凝着板１７₁ 、１７₂ 、１７₃ 、１７₄ 、１７₅ 、１７₆ 、および２７₇ 、２７₈ 、２７₉ がガス導入口１２側から順に取り付け組み立てられており、センターシャフト１５の頂部に螺着したナット１９によって緊締されている。そして、センターシャフト１５の中空部には底面側からセンターシャフト１５のほぼ全長にわたって、電熱ヒータ２１が挿入されており、センターシャフト１５、スペーサ１６および各凝着板１７、２７を所定の温度例えば３００℃に加熱し得るようになっている。また、図３は凝着板１７₁ 、１７₂ 、…、２７₈ 、２７₉ の組み立ての斜視図である。
【００１０】
図２、図３を参照し、凝着板１７₁ は円板から半月形状のガスの流路部分１８₁ を切り欠いた形状とされ、凝着板１７₂ 、１７₃ 、…、１７₆ も同様である。上方の円板形状の３枚の凝着板２７₇ 、２７₈ 、２７₉ はそれぞれにあけた同一面積の円形の穴を流路部分２８₇ 、２８₈ 、２８₉ としている。そして、各凝着板の流路部分１８₁ 、１８₂ 、１８₃ 、１８₄ 、１８₅ 、１８₆ および２８₇ 、２８₈ 、２８₉ はセンターシャフト１５を中心にして交互に反対側に配置されている。
【００１１】
更にはハウジング１１の底面から上方の端面板１３までの間において、ハウジング１１の底面（本願請求項におけるガス導入口側端面板に相当）と凝着板１７₁ との間にはスペーサ１６が約１１個分の間隔、凝着板１７₁ と凝着板１７₂ との間はスペーサ１６が８個分の間隔、凝着板１７₂ と凝着板１７₃ との間は３個分、凝着板１７₃ から凝着板２７₇ までの間はそれぞれ２個分、凝着板２７₇ から凝着板２７₉ までの間はそれぞれ１個分、凝着板２７₉ と端面板１３との間は約２個分の間隔とされている。すなわち、それらの間隔はガス導入口１２からガス導出口１４へ向かって漸減傾向に取り付けられている。
【００１２】
また、図２を参照して、凝着板１７₁ の流路部分１８₁ における半径方向の最大長さａ１、および凝着板１７₂ 、１７₃ 、…、１７₆ の流路部分１８₂ 、１８₃ 、…、１８₆ について同様に規定されるａ２、ａ３、…、ａ６に関し、
ａ１＞ａ２＞ａ３＝ａ４＝ａ５＝ａ６
の関係を持たせて、流路部分１８₁ 、１８₂ 、…、１８₆ の開口面積は漸減傾向に設定されており、更には、凝着板２７₇ 、２７₈ 、２７₉ における円形穴の流路部分２８₇ 、２８₈ 、２８₉ の開口面積は更に大幅に減少されている。すなわち、このようにして、ガス導入口１２側ではガスの流れを比較的安定させると共に、ガス導出口１４側においては渦流を発生させ乱流を生じ易くさせており、未反応ガスが加熱され反応して凝着し、その分圧が低下するにつれて凝着板１７、２７へ衝突する確率が大となるようにされている。そして、ガス導出口１４側において未反応ガスが凝着板２７の間を素通りすることを防いでいる。
【００１３】
なお、請求項１における「流路の抵抗が傾向的に漸増されている」とは、上述したように、凝着板２７₇ 、２７₈ 、２７₉ の間はスペーサ１６が１個分の等間隔とし、その上の凝着板２７₉ と端面板１３との間はスペーサ１６が約２個分の間隔と増大させていること、また各流路部分１８の開口面積についても等面積の箇所を設けていることなど、部分的には流路の抵抗を同等とし、また減少させている箇所もあるが、ガス導入口１２からガス導出口１４に至る間において全体的には流路の抵抗が漸増されていることを意味する。
【００１４】
実施例のドライ真空ポンプ前段用のトラップ１０は以上のように構成されるが、次にその作用を説明する。
【００１５】
低温ＣＶＤ法によって基板上にＷ膜を形成させる真空装置からの排気ガスはドライ真空ポンプへ至るまでの排気ラインの途中において、図１を参照し、ガス導入口１２からその内径より十分に大きい内径のトラップ１０内へ導入されて減速され、ガス導入口１２に最も近い位置にある高温の凝着板１７₁ 、スペーサ１６に衝突し、熱交換して加熱される。排気ガス中に含まれる未反応のＷＦ₆ ガスとＳｉＨ₄ ガスとは加熱されることによって反応し、生成するＷは一部生成するＳｉを含んで凝着板１７₁ 、スペーサ１６の表面に析出し、あたかもＷを鍍金したように凝着する。一方、反応によって生成するＨＦガス、ＳｉＦ₄ ガスは熱に安定であり、そのままトラップ１０内を上昇する。
【００１６】
続いて、各凝着板１７へ衝突し熱交換して反応を生じながらガスは矢印で示すようにトラップ１０内を蛇行して上昇するが、この間、各凝着板１７の間隔、および半月形状の各流路部分１８の開口面積が狭められていることにより、ガスは渦流を発生し流れを乱されて各凝着板１７、スペーサ１６への衝突頻度が増大され、未反応のＷＦ₆ ガスとＳｉＨ₄ ガスとは反応しＷを凝着させ、分圧を低下させながらガス導出口１４の方へ近付く。
【００１７】
ガス導出口１４側において、３枚の円板状の凝着板２７は更に間隔が狭く、円形穴の流路部分２８は開口面積も更に小さいことから、ガスの衝突頻度は更に高められ、分圧の低下しているＷＦ₆ ガスとＳｉＨ₄ ガスとは更に反応が進められてＷを凝着させ、残る熱に安定なガスのみがガス導出口１４から排出される。
【００１８】
その結果、図１に対応するトラップ１０の断面図である図４に示すように、未反応ガスの分圧が高いガス導入口１２側から分圧が低いガス導出口１４側までの内部空間において、Ｗは比較的偏りなく析出し成長して凝着物Ｄとして補集される。従ってトラップ１０の内容積が有効に利用され、Ｗによって閉塞され寿命に至るまでの時間が長い。勿論、本実施例とは異なって、凝着板を等間隔に配置し、流路部分の開口面積を同一にしても、すなわち、流路抵抗を漸増させないトラップとしてもＷの補集は可能であるが、その場合にはガス導入口１２に最も近い凝着板やスペーサに集中的にＷの凝着物Ｄが成長するので、トラップの寿命は短くなる。
【００１９】
以上のようにして、Ｗ膜形成用の未反応ガスが排出される排気ラインのドライ真空ポンプの前段に設置されるトラップ１０において、排気ガス中に含まれるＷ成分が確実に補集されるので、それに続くドライ真空ポンプにおいては、その内面にＷが凝着し運転が短期間で停止されるようなトラブルを回避することができる。
【００２０】
以上、本発明の実施例について説明したが、勿論、本発明はこれに限られることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
【００２１】
例えば、本実施例においては、トラップ１０を未反応のＷＦ₆ ガスとＳｉＨ₄ ガスとが排出される排気ラインにおけるドライ真空ポンプの前段に設置する場合を説明したが、勿論、これ以外の排気ライン、例えばＳｉＨ₄ ガスとＯ₂ （酸素）ガスを原料としＳｉＯ₂ （酸化シリコン）膜を形成させる場合の排気ライン、ＳｉＨ₄ ガスとＮＨ₃ （アンモニア）ガスを原料としてＳｉ₃ Ｎ₄ （窒化シリコン）膜を形成させる場合の排気ライン、その他未反応ガスが高温のドライ真空ポンプ内で反応して凝着物を生成する全ての場合の排気ラインにおいて、本発明のトラップ１０をドライ真空ポンプの前段に設置し、ドライ真空ポンプ内での凝着物の生成を抑制し得る。
【００２２】
また、凝着板の間隔や流路部分の開口面積を漸減させる場合において、漸減させる比率はトラップ１０の内部空間に凝着物が比較的偏りなく成長するように設定される。そして、このことは排気ガス中に含まれる未反応ガスの種類、分圧、流速やトラップ１０の加熱温度によっても異なるので漸減比率は一概には定め得ず、試行錯誤的に最も適した値に設定される。
【００２３】
また、本実施例においては、凝着板１７₁ 、１７₂ 、…、１７は半月形状に切り欠いた流路部分１８₁ 、１８₂ 、…、１８₆ を持つ円板状とし、凝着板２７₇ 、２７₈ 、２７₉ は円形穴の流路部分２８₇ 、２８₈ 、２８₉ を持つ円板状としてこれらを組み合わせたが、凝着板およびその流路部分の形状はこれら以外の如何なる形状としてもよい。また、同一形状の凝着板のみで組み立ててもよい。
【００２４】
また、本実施例においては、中空のセンターシャフト１５内に挿入した電熱ヒータ２１によって各凝着板１７、２７およびスペーサ１６を加熱するようにしたが、ハウジング１１の外壁に電熱ヒータを巻装し、ハウジング１１も同時に加熱するようにしてもよい。
【００２５】
また、本実施例においては、有底円筒状のハウジング１１の底面にセンターシャフト１５を立てて凝着板１７、２７を取り付けたが、図５の断面図に示すように、ハウジング３１の底面をガス導入口側端面板３３で密閉する構造とし、ガス導入口側端面板３３に固定した中空のセンターシャフト１５にスペーサ１６を介して凝着板１７、２７を取り付けると共に、電熱ヒータ２１を挿入する構造のトラップ３０としてもよい。ガス導入口３２、ガス導出口３４は図５に示す位置に設けられる。トラップ３０内が凝着物で閉塞されれば、実線位置にある凝着板１７、２７はガス導入口側端面板３３と共にハウジング３１内から一点鎖線で示すように引き出すことができるので、凝着物の回収、トラップ３０の再生が容易となる。勿論、ハウジング３１の上方を開口して端面板をあてがう構造とし、この端面板にセンターシャフト１５を固定し、取り付けた凝着板１７、２７を上方へ引き出すようにしてもよい。このとき、ガス導出口３４はハウジング３１の側壁へ設けることになる。
【００２６】
また、本実施例においては、凝着板１７、２７をセンターシャフト１５に取り付けたが、ハウジング１１の内壁に取り付けるようにしてもよい。また、本実施例においては、凝着板１７、２７を円板状としたが、立体的な形状、例えば筒状としてもよく、笠状としてもよい。
【００２７】
また、本実施例においては、凝着板１７、２７をトラップ１０内における下方から上方へのガスの全体的な流れの方向に直交する向きに配置したが、これ以外の如何なる向きに配置してもよい。例えば、図６の概略縦断面図はトラップ５０における全体的なガスの流れ方向（白抜き矢印で示す）に対し、ガスが平行に流れるようにハウジング５１内に凝着板５７を配置した例を示す。図７の概略縦断面図は全体的なガスの流れの方向に対して、ガスがトラップ６０内で順方向と逆方向への流れを繰り返すようにハウジング６１内に凝着板６７を配置した例である。同じく図８の概略縦断面図はトラップ７０のハウジング７１内で凝着板７７が逆円錐面の一部として存在するように配置された例を示し、ガス導入口７２から導入されるガスは全体的なガスの流れ方向と斜交して流れる。また、図９の概略縦断面図はガスがトラップ８０内でジグザグ状に流れるようにハウジング８１内に凝着板８７を配置した例である。なお、図６〜図９における各ガス導入口とガス導出口は実施例のガス導入口１２、ガス導出口１４と下一桁を同一とした符号を付している。
【００２８】
また、本実施例においては、トラップ１０を縦置きとしてガスを下方から上方へ流したが、必要によっては上方から下方へ流すような構造としてもよく、またトラップ１０を横置きとしてもよい。更には、トラップ１０を円筒状としたが、要すれば角筒状としてもよい。
【００２９】
また、本実施例のトラップ１０を二基並列に設置することにより、一方が凝着物で閉塞した時に他方へ切り換えて排気ガスを流し、その間に閉塞したトラップをクリーニングし再生させるような使い方もできる。
【００３０】
【発明の効果】
請求項１のドライ真空ポンプ前段用のトラップによれば、トラップ内に導入される未反応ガスは加熱されている凝着板とスペーサ、または凝着板とスペーサとハウジング内壁に接触することにより化学反応を生起し、生成する固形分は凝着して補修されるが、ハウジングのガス導入口からガス導出口に至る間において、ガス導入口側端面板、凝着板、およびガス導出口側端面板の間隔が漸減傾向に設定され、かつ凝着板の流路部分の開口面積が漸減傾向に設定されて、排気ガス流路の抵抗が傾向的に漸増されているので、未反応ガスは凝着板とスペーサ、または凝着板、スペーサ、ハウジングの内壁への衝突頻度を高め、反応によって生成する固形分を付着させながらガス導出口の方へ流れる結果、未反応ガスの分圧が高いガス導入口側から、反応を生じて分圧が低くなるガス導出口側までの内部空間において固形分が比較的偏りなく凝着して補集されることにより、トラップが固形分で詰まって閉塞されるまでの寿命が遥かに長くなり、トラップを交換する間隔を長期化し得るほか、ドライ真空ポンプ内で固形分が凝着して運転不能になるようなトラブルを回避し得る。
【００３１】
請求項２のドライ真空ポンプ前段用のトラップによれば、スペーサの個数を変えることによって凝着板の間隔を変え得るほか、形状の異なる凝着板を任意に組み合わせることができるので、トラップ内での凝着物の形成を一層偏りの小さいものとしてトラップの寿命を一層長期化することが可能である。
【００３２】
請求項３のドライ真空ポンプ前段用のトラップによれば、センターシャフト内に電熱ヒータが挿入されているので、凝着板と共に、スペーサを加熱することができ、反応によって生ずる固形分を凝着板およびスペーサに付着させることができる。
【００３３】
請求項４のドライ真空ポンプ前段用のトラップによれば、凝着板の取り出し、挿入がガス導入口側端面板またはガス導出口側端面板によって容易に行えるので、寿命に達したトラップからの凝着物の回収、トラップのクリーニング、再生が簡便化される。
【００３４】
請求項６のドライ真空ポンプ前段用のトラップによれば、一方のトラップが凝着で閉塞した時に他方へ切り換えて排気ガス流し，その間に閉塞したトラップをクリーニングして再生させることができ、排気ガスの処理を連続して行なうことができる。
【００３５】
請求項６のドライ真空ポンプ前段用のトラップによれば、低温ＣＶＤ法によって６フッ化タングステン・ガスとシラン・ガスとを原料として反応させ基板上にタングステン膜を形成させる場合に、固形分がトラップ内で比較的偏りなく凝着して補集されるので、トラップが固形分で詰まって閉塞されるまでの寿命を長期化させ、低温ＣＶＤ装置の稼動率を高める。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例のドライ真空ポンプ前段用のトラップの縦断面図である。
【図２】図１における［２］−［２］線方向の断面図である。
【図３】実施例における凝着板の組み立てを示す斜視図である。
【図４】図１に対応する縦断面図であり、凝着物の生成状況を示す。
【図５】凝着板の取り付けの変形例を示す縦断面図である。
【図６】凝着板の配置の変形例を示す概略縦断面図である。
【図７】凝着板の配置の変形例を示す概略縦断面図である。
【図８】凝着板の配置の変形例を示す概略縦断面図である。
【図９】凝着板の配置の変形例を示す概略縦断面図である。
【符号の説明】
１０実施例のドライ真空ポンプ前段用のトラップ
１１ハウジング
１２ガス導入口
１３端面板
１４ガス導出口
１５センターシャフト
１６スペーサ
１７凝着板
１８凝着板の流路部分
２１電熱ヒータ
２７凝着板
２８凝着板の流路部分

Claims

ドライ真空ポンプの前段に設置され、ハウジング内に排気ガスの流路を形成して前記排気ガス中の未反応ガスを凝着させるための複数の凝着板が単独で、または前記ハウジングと共に、加熱可能に取り付けられており、導入される前記未反応ガスが加熱されて反応し、生成する固形分が前記凝着板、または前記凝着板と前記ハウジングの内壁とに凝着して補集されるドライ真空ポンプ前段用のトラップにおいて、
前記ハウジングに設けられたガス導入口からガス導出口に至る間において、前記ハウジング内のガス導入口側端面板、前記凝着板、およびガス導出口側端面板の間隔が漸減傾向に設定され、かつ前記凝着板に形成される流路部分の開口面積が漸減傾向に設定されて、前記流路の抵抗が傾向的に漸増されている
ことを特徴とするドライ真空ポンプ前段用のトラップ。
前記凝着板が単数または複数のスペーサを介在させてセンターシャフトに取り付けられており、前記凝着板の間隔の変更、および前記凝着板の種類の交換が可能とされている請求項１に記載のドライ真空ポンプ前段用のトラップ。
前記凝着板を加熱するための電熱ヒータが前記センターシャフトの内部に挿入されている請求項２に記載のドライ真空ポンプ前段用のトラップ。
前記凝着板が前記ガス導入口側端面板または前記ガス導出口側端面板に固定された前記センターシャフトに取り付けられており、前記ガス導入口側端面板または前記ガス導出口側端面板によって前記ハウジング内への挿入、および前記ハウジングからの引き出しが可能とされている請求項１から請求項３までの何れかに記載のドライ真空ポンプ前段用のトラップ。
前記トラップが切り換え可能に二基並列に設けられている請求項１から請求項４までの何れかに記載のドライ真空ポンプ前段用のトラップ。
前記未反応ガスが６フッ化タングステン・ガスとシラン・ガスとを反応させてタングステン膜を形成させる場合の未反応ガスである請求項１から請求項５までの何れかに記載のドライ真空ポンプ前段用のトラップ。