JP3547916B2 - クライオポンプ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造工程等での高真空の生成に供されるクライオポンプに係り、詳しくは再生用シースヒータの交換や組付けの容易化を図る技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体製造ラインの各種処理装置等には、処理空間を高真空状態に維持するべく、機械式真空ポンプ(以下、粗引ポンプと記す)と伴にクライオポンプが付設されている。クライオポンプは、粗引ポンプにより粗引きされた処理空間内を排気して真空度を更に高めるもので、極低温をつくりだす冷凍機、冷凍機のコールドシリンダに保持されたコールドパネル、コールドパネルの表面に貼着された活性炭、コールドシリンダやコールドパネルを収納する真空チャンバ等から構成されている。クライオポンプによる排気は、極低温に冷却したコールドパネルの表面に気体分子を凝縮・固化させたり、活性炭の吸着面に気体分子を吸着させることにより行われる。
【0003】
さて、クライオポンプでは、長時間に亘る排気運転を行った場合、コールドパネルの表面や活性炭の吸着面への気体分子の凝縮や吸着が徐々に進行し、排気効率が低下して終には排気が殆ど行えなくなる。そのため、凝縮あるいは吸着した気体分子を放出させる再生作業を適宜行う必要があり、この際には、真空チャンバ内に再生ガス(一般には、窒素ガス)を導入すると共に、コールドパネルやコールドシリンダの温度を常温近くまで上昇させることになる。
【0004】
ところで、クライオポンプでは、排気運転中にコールドシリンダ等の温度が極低温(20K程度)となり、常温(25℃(=298K)程度)との温度差は非常に大きく(280℃程度)なる。したがって、常温の再生ガスを導入するだけで昇温させた場合、再生作業開始後に気体分子が放出されるまでに長時間を要するため、半導体製造ラインも長時間に亘って休止せざるを得ず、生産効率の低下を余儀なくなれていた。そこで、特公平8−30466号公報等には、コールドシリンダにヒータを装着し、このヒータと真空チャンバの外部に設けた電源とを電線により接続した装置が開示されている。この装置では、再生作業時にヒータに通電を行うことで、コールドシリンダが常温まで速やかに加熱され、再生作業時間が大幅に短縮される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の装置では、ヒータとコールドシリンダとを電線により接続することにより、次のような不具合が生じていた。例えば、半導体製造ラインでは種々の腐食性ガス等が用いられるため、合成樹脂や合成ゴム等からなる電線の被覆が比較的短時間で浸食され、芯線間の接触による短絡や芯線の腐食による断線が生じやすい。また、温度変化によって被覆の収縮・膨張が繰り返されるため、電線が真空チャンバを貫通する部位のシーリングが破損しやすく、外気が浸入して真空が維持できなくなる虞もあった。
【0006】
この種の不具合を解消するべく、金属製のシースにヒータ本体と電線とを封入してシースヒータを製作し、これをロウ付け等によりコールドシリンダに一体化させた装置も出現している。しかし、この装置では、シースヒータ内でヒータ本体や電線に断線や短絡が生じた場合、コールドシリンダ全体を交換しなければならず、真空チャンバからのコールドシリンダの取外しや再組立に大きな作業工数が必要となる。また、このような事態に備えるべく、予備のコールドシリンダを常に用意しておく必要があり、設備コストの増大が避けられなかった。尚、クライオポンプ用のヒータは、極低温から高温までの広い温度領域で使用されるため、ヒータ本体の絶縁破壊等が起こりやすく、比較的高い頻度で交換される。
【0007】
本発明は上記状況に鑑みなされたもので、再生時におけるコールドシリンダの加熱にシースヒータを用いながら、シースヒータの組付作業や交換作業の容易化を実現したクライオポンプを提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項1の発明は、真空チャンバ内にコールドシリンダを配置してなるクライオポンプにおいて、前記コールドシリンダに着脱自在に取り付けられる加熱部を有すると共に、前記真空チャンバに形成された貫通孔を挿脱自在に貫通するシースヒータを備えたものを提案する。
【0009】
この発明によれば、シースヒータ内でヒータ本体や電線の断線や短絡が生じた場合には、コールドシリンダから加熱部を着脱させること等により、真空チャンバに対してシースヒータのみを交換することができる。
【0010】
また、請求項2の発明は、真空チャンバ内にコールドシリンダを配置してなるクライオポンプにおいて、前記コールドシリンダに着脱自在に取り付けられる加熱部を有すると共に、前記真空チャンバに形成された貫通孔を挿脱自在に貫通するシースヒータと、位置および角度の少なくとも一方を調整できるように、前記コールドシリンダと前記シースヒータの加熱部とを結合する加熱部結合手段とを備えたものを提案する。
【0011】
この発明によれば、シースヒータの寸法や形状に製作上の誤差が存在しても、加熱部結合手段によるコールドシリンダと加熱部との結合が行える。
【0012】
また、請求項3の発明は、真空チャンバ内にコールドシリンダを配置してなるクライオポンプにおいて、前記コールドシリンダに着脱自在に取り付けられる加熱部を有すると共に、前記真空チャンバに形成された貫通孔を挿脱自在に貫通するシースヒータと、位置および角度の少なくとも一方を調整できるように、前記真空チャンバと前記シースヒータの貫通部とを結合する貫通部結合手段とを備えたものを提案する。
【0013】
この発明によれば、シースヒータの寸法や形状に製作上の誤差が存在しても、加熱部結合手段による真空チャンバとシースヒータの貫通部との結合が行える。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。
【0015】
図1に示すように、本実施形態のクライオポンプ1は、ギフォード・マクマホーンサイクルを用いた極低温用の冷凍機3や円筒状の真空チャンバ5等からなっており、半導体ウエーハ製造ラインの真空処理槽7の下面に付設されている。図中、9はゲートバルブであり、摺動式の弁体11により真空処理槽7とクライオポンプ1との連通を遮断する。
【0016】
冷凍機3は、真空チャンバ5の下面に締結されたボディ15、真空チャンバ5内に配置されたコールドシリンダ17、コールドシリンダ17内を軸方向に摺動するディスプレーサ19、クランク機構21やコネクティングロッド23を介してディスプレーサ19を駆動する電動機25等から構成されている。
【0017】
冷凍機3のボディ15は、冷媒導入管27と冷媒排出管29とを介して、図示しないコンプレッサユニットに接続されており、冷媒であるヘリウムガスが冷凍機3とコンプレッサユニットとの間で循環する。また、ボディ15には、粗引配管31を介して図示しない粗引ポンプに接続しており、この粗引ポンプにより真空チャンバ5の粗引きが行われる。
【0018】
コールドシリンダ17には、上下方向の略中間位置に比較的マスの大きい第1コールドヘッド33が形成され、上端に比較的マスの小さい第2コールドヘッド35が形成されている。第1コールドヘッド33の上端には、上方に開口したラジエーションシールド37が取り付けられている。ラジエーションシールド37は、真空チャンバ5より若干小径の円筒状に形成されており、真空チャンバ5の上端近傍まで延設された開口部の内側に複数枚のバッフルリング39を保持している。
【0019】
また、第2コールドヘッド35の上端には、下方に開口したコールドパネルホルダ41が取り付けられている。コールドパネルホルダ41は、比較的小径の円筒状に形成されており、その上端面および外周面に複数枚のコールドパネル43を保持している。コールドパネル43には、最も上方に位置するものを除き、その上面に活性炭45が貼着されている。
【0020】
一方、真空チャンバ5は、コールドシリンダ17やラジエーションシールド37等を収納する胴部51と、ゲートバルブ9に締結されるフランジ53と、冷凍機3のボディ15に締結される底板55とからなっている。胴部51には、図示しない再生ガス供給源に接続した再生ガス導入管57が接続・開口すると共に、図示しない排気処理装置に接続した再生ガス排出管59が貫通している。再生ガス導入管57は、真空チャンバ5内で上方に屈曲した後、ラジエーションシールド37内に開口している。
【0021】
また、底板55には貫通孔61が形成されており、この貫通孔61を図示しない電源装置に接続したシースヒータ63の貫通部64が貫通している。シースヒータ63は、第1,第2コールドヘッド33,35に対応する位置にそれぞれ第1,第2加熱部65,67を有しており、両加熱部65,67が両コールドヘッド33,35にクランプ69を介して締結されている。図中、71は第1,第2コールドヘッド33,35の温度計測に供される温度センサであり、両コールドヘッド33,35にねじ止めされている。
【0022】
シースヒータ63は、図2に示したように、第1,第2加熱部65,67に対応する位置にヒータ本体73を内蔵したステンレス鋼管製のシース部75と、底板55に当接するステンレス鋼製のフランジ部77とをロウ付けにより一体化したものである。シースヒータ63は、図3に示したように、底板55の外周側に成形された貫通孔61を貫通した後、略正六角形に形成された第1コールドヘッド33の一辺に締結され、更に略正方形に形成された第2コールドヘッド35の一辺に締結されている。そのため、貫通部64に対して、第1加熱部65はオフセット量Mをもってオフセットし、第2加熱部67はオフセット量Nをもってオフセットしている。
【0023】
本実施形態の場合、第1,第2コールドヘッド33,35には、図4に示したように、シースヒータ63の加熱部65,67が係合する係合凹部81が形成されている。係合凹部81は、その深さDが加熱部65,67の半径に略等しく形成されているが、幅Wは加熱部65,67の半径より大きく形成されている。したがって、加熱部65,67は、係合凹部81に係合した状態で、幅方向に移動できる。
【0024】
また、クランプ69は、加熱部65,67の半径と略等しい半円状の嵌合凹部83を有すると共に、嵌合凹部83の側方に締結用のスクリュー85が挿通される上下一対のボルト孔87が形成されている。ボルト孔87は幅方向に長い長孔となっており、これにより、クランプ69は、嵌合凹部83に加熱部65,67が嵌合した状態で、幅方向に移動できる。
【0025】
一方、フランジ部77には、図5に示したように、90゜間隔で4ヶ所にボルト孔91が形成されており、これらボルト孔91にフランジ部77を底板55に締結するボルト93が挿通される。各ボルト孔91は、対向するボルト孔91の中心を通る直線と直交する方向に長い長孔に形成されており、これにより、フランジ部77がシース部75を中心として底板55に対して回転できる。図中の符号95は、底板55とフランジ部77との間のシーリングを行うOリングを示している。
【0026】
以下、本実施形態の作用を述べる。
【0027】
半導体ウエーハのスパッタリング処理等にあたっては、不要な気体分子が半導体ウエーハの表面に付着することを防止するべく、真空処理槽7内が高真空状態にされる。先ず、真空チャンバ5を粗引ポンプにより粗引きすることで、10−2Torr程度の真空が得られる。尚、この時点では、ゲートバルブ9により、真空チャンバ5と真空処理槽7との連通が遮断されている。
【0028】
次に、クライオポンプ1の冷凍機3を駆動し、コンプレッサから供給された高圧ヘリウムガスをコールドシリンダ17内で繰り返し断熱膨張させる。すると、ディスプレーサ19内の蓄冷材が徐々に冷却され、コールドシリンダ17の温度が低下する。そして、第1コールドヘッド33の温度が80K程度になり、第2コールドヘッド35の温度が15K程度になったら、ゲートバルブ9を開放して真空チャンバ5と真空処理槽7とを連通させる。この際、真空処理槽7は、図示しない粗引ポンプにより、クロスオーバ圧以下に粗引きされている。
【0029】
真空チャンバ5と真空処理槽7とが連通されると、真空処理槽7内の気体分子がラジエーションシールド37内で凝縮あるいは吸着され、高真空が得られる。すなわち、水等の凝縮温度の高い気体分子はバッフルリング39やラジエーションシールド37の表面で霜状に凝縮・固化し、アルゴンや酸素、窒素等の気体分子はコールドパネル43の表面で霜状に凝縮・固化する。また、ヘリウムや水素、ネオン等の気体分子は、コールドパネル43に貼着された活性炭45に吸着される。これにより、真空処理槽7では、10−3Torr程度の高真空が得られる。
【0030】
一方、クライオポンプ1による排気を連続して行うと、バッフルリング39やコールドパネル43等の表面が凝縮した気体分子によって覆われ、排気効率が低下して高真空が得られなくなる。そこで、第2コールドヘッド35の温度が所定値以下に低下しなくなったり、所定の真空度が得られなくなると、クライオポンプ1の再生が行われる。
【0031】
再生にあたっては、真空チャンバ5および真空処理槽7間の連通をゲートバルブ9により遮断した後、シースヒータ63内のヒータ本体73に通電を行い、第1,第2コールドヘッド33,35を加熱する。すると、バッフルリング39やコールドパネル43等に凝縮していた気体分子が気化するため、この気体分子を再生ガス導入管57から導入した再生ガスと共に再生ガス排出管59から排出する。
【0032】
さて、前述したように、シースヒータ63では、真空チャンバ5内での温度変化等により、ヒータ本体73や電線に断線や短絡が生じやすく、その場合にはシースヒータ63の交換が必要となる。交換用のシースヒータ63は、比較的高い精度で製作されているが、貫通部64に対する第1加熱部65のオフセット量Mや第2加熱部67のオフセット量Nは製造公差の範囲でずれる。また、シース部75とフランジ部77とは、ロウ付けの際等に回転方向での微少なずれが生じることがあり、相対角度が製造公差の範囲でずれる。
【0033】
本実施形態では、交換用のシースヒータ63の組付けにあたり、先ずシースヒータ63を貫通孔61から真空チャンバ5内に挿入する。次に、シースヒータ63の貫通部64を貫通孔61に挿通させて、図6に示したように、底板55にフランジ部77を当接させてボルト93による仮止めを行う。
【0034】
次に、図7に示したように、第1コールドヘッド33の係合凹部81に第1加熱部65を係合させる一方で、クランプ69の嵌合凹部83に第1両加熱部65を嵌合させ、スクリュー85による仮止めを行う。また、図8に示したように、第2コールドヘッド35の係合凹部81に第2加熱部67を係合させる一方で、クランプ69の嵌合凹部83に第2加熱部67を嵌合させ、スクリュー85による仮止めを行う。
【0035】
この状態では、シース部75とフランジ部77との相対角度のずれや、貫通部64に対する加熱部65,67のオフセット量M,Nのずれにより、シースヒータ63が設計上の位置からずれることがある。
【0036】
ことろが、本実施形態では、シース部75を中心としてフランジ部77が回転できるため、シース部75とフランジ部77との相対角度のずれが吸収される。また、加熱部65,67が係合凹部81に係合した状態で幅方向に移動でき、クランプ69も嵌合凹部83に加熱部65,67が嵌合した状態で幅方向に移動できるため、貫通部64に対する加熱部65,67のオフセット量M,Nのずれも吸収される。しかる後、スクリュー85やボルト93の締め付けを行うことにより、無理な組付けによるストレスを生じさせることなく、シースヒータ63が確実に固定される。
【0037】
これにより、本実施形態のクライオポンプ1では、交換用のシースヒータ63の組付けが容易となり、ごく短時間で排気運転を再開させることが可能となった。また、シースヒータ63の製作にあたっても、製造公差を比較的大きく設定することが可能となり、製作の容易化や歩留まりの向上を図ることができた。
【0038】
以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、コールドヘッドに形成された係合凹部にシースヒータを係合させた後、クランプにより固定するようにしたが、長孔を有する二分割型のクランプにシースヒータを保持させ、このクランプをコールドヘッドの平坦な取付面に対して摺動させることにより位置調整を行うようにしてもよい。また、シースヒータの形状やクライオポンプの具体的構成等についても、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更可能である。
【0039】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明のクライオポンプによれば、真空チャンバに形成された貫通孔を挿脱自在に貫通するシースヒータを備えたため、シースヒータ内でヒータ本体や電線の断線や短絡が生じた場合には、コールドシリンダから加熱部を着脱させること等により、真空チャンバに対してシースヒータのみを交換することができる。
【0040】
また、コールドシリンダとシースヒータの加熱部との結合や真空チャンバとシースヒータの貫通部との結合にあたり、位置および角度の少なくとも一方を調整できるようにしたものでは、シースヒータに寸法や形状に製作上の誤差が存在しても、その組付けを容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係るクライオポンプを示した縦断面図である。
【図2】シースヒータを示した側面図である。
【図3】シースヒータの組付状態を示した平面図である。
【図4】コールドヘッドとシースヒータとの結合部位を示した分解斜視図である。
【図5】シースヒータのフランジ部を示した斜視図である。
【図6】底板にフランジ部を固定する状態を示した説明図である。
【図7】第1コールドヘッドにシースヒータを固定する状態を示した説明図である。
【図8】第2コールドヘッドにシースヒータを固定する状態を示した説明図である。
【符号の説明】
1 クライオポンプ
3 冷凍機
5 真空チャンバ
7 真空処理槽
33 第1コールドヘッド
35 第2コールドヘッド
55 底板
61 貫通孔
63 シースヒータ
64 貫通部
65 第1加熱部
67 第2加熱部
69 クランプ
75 シース部
77 フランジ部
Claims (3)
- 真空チャンバ内にコールドシリンダを配置してなるクライオポンプにおいて、
前記コールドシリンダに着脱自在に取り付けられる加熱部を有すると共に、前記真空チャンバに形成された貫通孔を挿脱自在に貫通するシースヒータ
を備えたことを特徴とするクライオポンプ。 - 真空チャンバ内にコールドシリンダを配置してなるクライオポンプにおいて、
前記コールドシリンダに着脱自在に取り付けられる加熱部を有すると共に、前記真空チャンバに形成された貫通孔を挿脱自在に貫通するシースヒータと、
位置および角度の少なくとも一方を調整できるように、前記コールドシリンダと前記シースヒータの加熱部とを結合する加熱部結合手段と
を備えたことを特徴とするクライオポンプ。 - 真空チャンバ内にコールドシリンダを配置してなるクライオポンプにおいて、
前記コールドシリンダに着脱自在に取り付けられる加熱部を有すると共に、前記真空チャンバに形成された貫通孔を挿脱自在に貫通するシースヒータと、
位置および角度の少なくとも一方を調整できるように、前記真空チャンバと前記シースヒータの貫通部とを結合する貫通部結合手段と
を備えたことを特徴とするクライオポンプ。
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