JP4016071B2

JP4016071B2 - 冷却手段を備えた装置及び冷却方法

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Publication number: JP4016071B2
Application number: JP2004144538A
Authority: JP
Inventors: 昌行瀧本; 豊布施; 辰弥阿部; 弘之小室; 一仁青名端
Original assignee: 株式会社昭和真空
Priority date: 2004-05-14
Filing date: 2004-05-14
Publication date: 2007-12-05
Anticipated expiration: 2024-05-14
Also published as: KR100884161B1; CN1946871A; CN1946871B; KR20070012424A; JP2005325410A; WO2005111258A1

Description

本発明は冷媒経路構成、特に真空蒸着等の成膜を行なう際に用いる真空槽の冷媒経路の構造に関するものである。

一般に真空蒸着等の成膜を行なう際に用いる真空槽は槽内の加熱機構や蒸発源の温度上昇に伴い、真空槽の表面温度が７０〜８０℃程度まで上昇する。この温度上昇による周辺設備や配線などの破損を防止するために真空槽壁面に銅パイプやステンレス管などを銀ろう付けや溶接により直接取付け、この中に冷却水や液化ガス等の冷媒を循環させることで真空槽壁面の冷却を行なう。また、真空槽内外の回転機構や蒸発源機構などにおいても温度上昇による不具合が発生するため、冷却の必要のある内外機構にはチューブなどにより冷媒を送り、これにより冷却を行なう。この様に真空蒸着等による成膜装置には冷却の必要な部位が多数存在するので冷却用チューブが大量に必要となり、また、これを施工するのに多大な工事時間を必要としていた。

図３は真空蒸着装置であり、以下同様による薄膜形成の概要を説明する。
真空槽本体２０には真空排気のために真空槽開口２１が設けられ、ここにメインポンプ２２、メインバルブ２４、粗引ポンプ２３、粗引バルブ２５や補助バルブ２６などで構成される排気系が取付けられる。真空槽本体２０内の下部には蒸着材料２９を入れる坩堝２８や蒸着材料２９を蒸発温度まで加熱する電子銃３０、蒸着完了時に閉じ、蒸着材料２９を遮蔽するシャッター２７などが配置される。これらは真空槽本体２０の外から坩堝機構導入部４６や電子銃導入部４７などによって真空槽内に導入される。また、図３では基板３２を加熱する際に昇温時間を短縮させるためのハロゲンヒーター３１が配置されている。真空槽本体２０内の上部には基板３２を搭載する基板ドーム３３や基板３２を加熱するための基板加熱用ヒーター３４が配置される。真空槽本体２０の外には基板ドーム回転機構３５や基板加熱用ヒーター導入部３６などが配置される。

同図に示す装置は、真空槽本体及び冷却の必要のある内外機構に冷媒を循環させ、本体及び各機構の昇温を防ぐ手段を有する。冷媒には冷却水を用い、冷却水はチラー３７などの冷却水循環器から冷媒入側マニホールド３８へ流入しチューブ４２を通り、各冷却が必要な部位へ送られる。各冷却が必要な部位で温度上昇した冷却水はチューブ４２を通り、冷媒出側マニホールド３９からチラー３７へ戻される。また、冷却水の分岐点にはメンテナンス時に冷却水を各部ごとに停止させられるようにバルブ４０が設置され、冷却水経路の詰まりなどで冷却水流量が減少もしくは停止した際に警報信号を取れるように冷媒出側マニホールド３９にはフローメーター４１などが設置される。真空槽本体２０の冷却は真空槽本体２０に直接銀ろう付けや溶接により取付けられた銅製やステンレス製の真空槽本体冷却管４３内を流れる冷却水によって行なわれる。

図４に、真空槽本体２０の壁面の冷却用に取付ける真空槽本体冷却管４３及び各部の冷却部の概略を示す。真空槽本体２０には真空槽本体冷却管４３が真空槽本体冷却管入口側継手４４部から引廻され、真空槽側面、真空槽上面、真空槽底面、排気系接続部を経由し真空槽本体冷却管出口側継手４５部へ戻ってくる。この冷却管内を冷却水が流れることにより、真空槽本体２０の冷却を行なっている。冷却管の経由順序などは装置毎に異なるが、基本構造はどのような真空装置においても同様である。また、その他基板ドーム回転機構３５や基板加熱用ヒーター導入部３６、坩堝機構導入部４６及び電子銃導入部４７へはチューブ４２を用いて冷却水が流される。真空槽本体冷却管入口側継手４４及び真空槽本体冷却管出口側継手４５へは上記の各部機構と同様のチューブ４２によって冷却水が流される。これらのチューブ４２は冷媒マニホールドへ接続される。

図５（ａ）及び図５（ｂ）は真空槽本体冷却管４３の取付け部の断面図である。図５（ａ）は真空槽壁面４８に銅パイプ４９を銀ろう付け５０にて取付けた例であり、図５（ｂ）は真空槽壁面４８にステンレス製角パイプ５１を溶接５２にて取付けた例である。このように管を真空槽壁面４８に密着して設備することで真空槽本体２０の冷却を行なっている。ここで挙げた管の材質や形状、取付け方法はあくまで例であり、その他さまざまな方法によって設備することが可能であるが基本的概念は同様であるので説明は省略する。

図６は真空槽本体冷却管入口部継手４４及び真空槽本体冷却管出口部継手４５の概略図である。真空槽壁面４８にソケット５３を銀ろう付け５０もしくは溶接５２し、該ソケット５３と銅パイプ４９との接続部に穴を空けておく。この穴に銅パイプ４９を接続し、銀ろう付け５０などを行なう。ソケット５３にチューブ４２の継手などを取付けることでチューブ４２が接続される。

図３乃至図６に示す装置により蒸着を行なう場合は、まず基板ドーム３３に蒸着を行なう基板３２を設置する。そして蒸着材料２９を坩堝２８に入れる。そして粗引ポンプ２３及び粗引きバルブ２５を用い真空槽内を数Pa程度の圧力まで真空引きした後メインポンプ２２やメインバルブ２４及び補助バルブ２６などを用い、高真空まで真空排気を行なう。真空槽内が真空状態となり次第基板ドーム回転機構３５により基板ドーム３３を回転させながら基板用ヒーター３４やハロゲンヒーター３１を用いて基板３２を加熱する。真空度及び基板温度が目標値に到達したら電子銃３０から電子ビームを蒸着材料２９へ照射し、蒸着材料２９を蒸発温度まで昇温させる。シャッター２７を開くと蒸着材料２９は真空槽内を飛散し、これが基板３２上に堆積することで薄膜を形成する。膜厚が目標値に到達したらシャッター２７を閉じ、電子銃３０やハロゲンヒーター３１及び基板加熱用ヒーター３４などを停止させ、冷却後真空槽内に大気を導入した後薄膜が形成された基板３２を取り出す。

上記のように真空蒸着を行なう上では基板加熱用ヒーター３４や電子銃３０などの蒸発源により真空槽内外機構の温度は上昇し、これに伴い真空槽本体２０の温度も上昇してしまう。よって図３で示すように冷媒を用いて各機構及び真空槽本体２０を冷却する必要がある。

真空槽本体の大きさはさまざまであるが、生産性を向上させるためには基板を一度に多く入れることが必要となるため真空槽本体は大きくなっていく傾向にある。真空槽本体が大きくなると各部に配置させる機構と冷媒マニホールドとの距離は長くなっていくのでチューブの使用量は増え、配管作業時間も長くなってしまう。また、一般に冷媒用のチューブは各部のメンテナンス時に邪魔にならないように極力束ねられて配管されるためさらにチューブの使用量は増えてしまう。

現在、真空装置はより一層のメンテナンス性の向上及び冷却効率の向上が求められている。また、コストダウンのために工事時間の削減が追及され、資源保護の観点からもチューブの大量な使用は好ましくない。このような問題に対処するため、二次元配管を用いるものが提案されている（例えば、特許文献１又は２）。特許文献１及び特許文献２は、冷蔵庫や空気清浄機等の冷凍サイクルに組み込まれる配管ユニットにおいて、凹部を有する成形板をプレス加工して構成される集積配管を二次元配管の例として開示している。
特開昭６０−１４１３６５号公報特開平１１−７５９号公報

しかしながら上記のような二次元配管は、装置自体の形状が複雑であり、冷却が必要な部位が多岐に渡る真空装置には適せず、活用しようとすると装置を取り囲むように該二次元配管パネルを配置しなければならないため使用する数量も増えコストダウンには繋がらない。

上記で説明した通り、真空槽本体及び冷却が必要となる各部位で用いる冷媒はチューブを大量に用いて配管されるため、多大な作業時間がかかる上、チューブを束ねて配管するために冷媒の経路が長くなってしまう。これにより冷媒の流量低下にも繋がってしまう。流量の低下は冷媒に含まれる不純物が冷媒経路内で堆積することを促進してしまう。不純物が堆積するとさらに流量は低下し、経路の詰まりに至る。また、性能面以外においても、チューブが大量に引廻されるので外観を損ねてしまうという問題があった。

本発明は、従来のチューブを大量に使用した冷媒の引廻しによる、メンテナンス性の低下、配管工事時間の増大化、冷媒経路が長くなることによる冷媒流量低下、さらには外観の悪化という問題を槽壁に設けた冷却管を応用利用することにより解決するものである。

本発明の第１の側面は、槽壁に覆われた槽、槽内部に配置された内機構又は槽外部に配置された外機構、内機構又は外機構を冷却するための少なくとも１本以上の冷媒経路からなる装置において、冷媒経路の少なくとも一部分が槽壁の一部分を形成する構成とした。さらに、槽壁のみを冷却する少なくとも１本以上の冷媒経路を設ける構成とした。また、各冷媒経路に独立して冷媒を循環させる冷媒循環器を設けるようにした。またさらに、冷媒循環器から各冷媒経路へ冷媒を導入する冷媒入側マニホールド、及び、各冷媒経路から該冷媒循環器へ冷媒を導入する冷媒出側マニホールドを設けるようにした。

上記本発明の第１の側面において、各冷媒経路の個別の始端をなし、冷媒入側マニホールドからチューブを介して各冷媒経路へ冷媒を導入する冷媒導入部、及び、各冷媒経路の終端をなし、各冷媒経路からチューブを介して冷媒出側マニホールドへ冷媒を導出する冷媒導出部を槽壁の一部に設ける構成とした。また、冷媒導入部において、各冷媒経路が独立した状態で、かつ、総括して配置され、冷媒導出部において、各冷媒経路が独立した状態で、かつ、総括して配置されるように構成した。さらに、冷媒導入部及び冷媒導出部が槽壁の同一側面に配置される構成とした。

上記本発明の第１の側面において、内機構又は外機構を冷却するための冷媒経路は、槽壁の一部を形成する配管、及び、配管と内機構又は外機構とを接続するチューブからなる構成とした。また、冷媒経路の少なくとも一部分が槽壁の表面又は内面に配置される構成とした。さらに、冷媒を冷却水とした。

本発明の第２の側面は、上記第１の側面のいずれかを有し、槽内部に成膜基板及び蒸発源を備え、蒸発源から蒸発する蒸発物質を成膜基板に堆積させる薄膜形成用真空槽である。

本発明の第３の側面は、内機構又は外機構を有する槽からなる装置の冷却方法において、少なくとも１本以上の冷媒経路を用いて内機構又は外機構を冷却し、該冷媒経路を用いて槽壁を冷却する方法である。さらに、槽壁のみを冷却する少なくとも１本以上の冷媒経路を用いて槽壁を冷却する方法である。

本発明により真空装置の各部冷媒用配管の作業時間は短縮され、チューブの使用量も大幅に削減される。また、経路を最短距離にすることが可能となるため冷媒の流量低下をも防止することが可能となる。さらに真空装置の外観を向上させ、作業者毎の個人差をも防止することが可能となる。

図１に本発明実施例を説明する概略図を示す。以下、本発明に係る冷却手段は、図３及び図４に示される装置と同様の真空装置に搭載されるものとするが、本発明を実施可能な装置はこれに限られるものではない。

図中１は冷媒経路用冷却管であり、冷却すべき内部機構及び冷却すべき外部機構に冷媒を循環させるための経路となる。２は集中接続部であり、冷媒入側マニホールド３８から導出する複数のチューブ４２に接続する冷媒導入部と、冷媒出側マニホールド３９から導出する複数のチューブ４２に接続する冷媒導出部により構成される。冷媒導入部及び冷媒導出部においては、各々の冷媒経路を独立に保ったまま冷媒が流入及び流出されるものとし、冷媒入側マニホールド３８及び冷媒出側マニホールド３９へは集中接続部２のみを用いて配管されるものとする。なお、図１において、集中接続部２の冷媒導入部及び冷媒導出部は一箇所にまとめられているものを示したが、冷媒導入部と冷媒導出部を別個に配置するようにしてもよいし、必要に応じて一部の冷媒経路の始点又は終点を集中接続部２から別個に配置するようにしてもよい。

本実施例においては、基板加熱用ヒーター３４、基板ドーム回転機構３５、坩堝２８、電子銃３０などの機構に冷媒を循環させるため、冷媒経路用冷却管１は基板加熱用ヒーター導入部３６、基板ドーム回転機構３５、坩堝機構導入部４６、電子銃導入部４７に接続される。冷媒経路用冷却管１には冷却水を循環させるものとするが、冷媒は液体、気体を問わず冷却可能な物質であればよい。真空槽上部に配置される基板ドーム回転機構３５及び基板加熱用ヒーター３４などへの冷却水は集中接続部２から上部まで設置された冷媒経路用冷却管１を通る。真空槽上部から基板ドーム回転機構３５及び基板加熱用ヒーター導入部３６へは短いチューブ４２を用いて接続される。同様に坩堝２８、電子銃３０など真空槽下部の機構にも冷媒経路用冷却管１は設置され、図示しない短いチューブ４２を用いて坩堝機構導入部４６、電子銃導入部４７に接続される。

冷媒経路用冷却管１は真空槽壁外部の表面にとりつけられたものを図示したが、その設置は、真空槽壁内部の表面であっても壁の内面に埋め込まれるものでも構わない。また、冷媒経路用冷却管１は、その他真空槽本体冷却管４３と材質や構造が同じであっても異なっていても構わない。本実施例により冷媒経路用冷却管１に冷媒を循環させることにより、内外機構を冷却すると同時に真空槽壁の冷却効率を向上させることが可能となる。

図１のように本発明の冷媒経路用冷却管１を使用した場合、図４のような従来の配管方法と比較してチューブ４２の使用量の大幅削減が可能となる。また、冷媒の経路長が最短距離となるため、冷媒流量の減少を抑えることができる。更に、二次元配管のような特別な設備を取付ける必要がないため、装置構成の複雑化といった問題や装置占有面積の拡大といった問題も発生しない。

図４のような従来の方法と比較すると図１の冷媒経路用冷却管１を取付ける分は真空槽の製作のみで考えると若干のコストアップとなってしまう。しかしながら真空装置は通常、組立後に動作確認や性能試験を行なってから解体し、納入場所に搬送され、そこで再度組立が行なわれるため、前述のコストアップはチューブの引廻しの工事時間に比してごく僅かである。すなわち図４に示すような従来方法では、組立・解体・据付時組立というような場面においてその都度長いチューブの引廻しを行なわなければならないということになる。これに比べて図１の本発明の冷媒経路用冷却管１を使用する場合、各部への冷却用配管は僅か数センチ〜十数センチ程度であるため工事が容易である上解体・据付時のチューブの引廻し作業は集中接続部２の脱着のみでよく、著しく作業時間を短縮することができる。図４のような従来の方法においても解体・据付用にチューブの集中中継部を設置すれば解体・据付の作業時間は短縮することができるが、真空槽本体２０の周辺には多数の測定器や制御器が配置されるので配置場所が少なく、またこれらの機器のメンテナンスの妨げにならないようにこれらを避けるようにチューブをレイアウトしなければならない。よって各部から集中中継部までのチューブの配管作業は作業時間がかかる上、チューブの使用量の削減や最短距離での接続は不可能である。また、チューブの長さが長くなると工事作業者毎の個人差などが生じやすいという問題もある。

本発明の冷媒経路用冷却管１は真空槽本体２０に図５（ａ）または図５（ｂ）のように取付けた際、各機構部へ冷媒が到達する前に、この冷媒は若干の温度上昇をしてしまう。真空槽本体２０の壁面温度７０〜８０℃に対してその他機構部の温度は非常に高いため、若干の温度上昇は問題にならず、むしろ真空槽壁の冷却効率向上による効果の方がはるかに大きいが、万が一この数℃の温度上昇が問題になる場合は、本発明の冷媒経路用冷却管１の材質を熱伝導率の低い材料を用いるか、図２（ａ）の真空槽本体冷却管49のように長い距離を銀ろう付けもしくは溶接（50）するのではなく、図２（ｂ）のように銀ろう付けもしくは溶接の箇所を減らしてもよい。または、図２（ｃ）のように真空槽本体２０と本発明の冷媒経路用冷却管１との間に熱伝導率の低い材料（54）を挟んで取付けるなどの方法を用いてもよい。

図４のような従来の方法ではチューブ４２が大量に、かつ、至るところに配置されるため外観を損ねてしまっていたが、本発明の冷媒経路用冷却管１を用いた場合、装置の外観が著しく向上する。

上記実施例では蒸着法を用いた成膜について説明したが、本発明装置および方法を実施可能な成膜方法は蒸着法に限られるものではなく、スパッタリング法、イオンプレーティング法等多数あげられる。

本発明の冷媒経路用冷却管の概略図本発明の冷媒経路用冷却管の応用利用を説明する図真空装置の概略図従来の冷媒配管の経路の概略図真空槽本体冷却管の取付け方法の概略図真空槽本体冷却管の継手部の概略図

符号の説明

1 本発明の冷媒経路用冷却管
2 集中接続部
20 真空槽本体
21 真空槽開口
22 メインポンプ
23 粗引きポンプ
24 メインバルブ
25 粗引きバルブ
26 補助バルブ
27 シャッター
28 坩堝
29 蒸着材料
30 電子銃
31 ハロゲンヒーター
32 基板
33 基板ドーム
34 基板加熱用ヒーター
35 基板ドーム回転機構
36 基板加熱用ヒーター導入部
37 チラー
38 冷媒入側マニホールド
39 冷媒出側マニホールド
40 バルブ
41 フローメーター
42 チューブ
43 真空槽本体冷却管
44 真空槽本体冷却管入口側継手
45 真空槽本体冷却管出口側継手
46 坩堝機構導入部
47 電子銃導入部
48 真空槽壁面
49 銅パイプ
50 銀ろう付け
51 ステンレス製角パイプ
52 溶接
53 ソケット
54 熱伝導率の低い材料

Claims

真空装置であって、
槽壁に覆われた槽、該真空装置に搭載された成膜のための機構、及び該機構を冷却するための１本以上の冷媒経路からなり、
前記冷媒経路が前記槽を冷却するように該槽壁の外表面又は内表面に接触配置されたことを特徴とする真空装置。
請求項１記載の真空装置であって、
さらに、前記槽壁のみを冷却する１本以上の冷媒経路からなることを特徴とする真空装置。
請求項１又は２記載の真空装置であって、
前記冷媒経路の各々に独立して冷媒を循環させる冷媒循環器を設けたことを特徴とする真空装置。
請求項３記載の真空装置であって、
該冷媒循環器から前記各冷媒経路へ冷媒を導入する冷媒入側マニホールド、及び、前記各冷媒経路から該冷媒循環器へ冷媒を導入する冷媒出側マニホールドを設けたことを特徴とする真空装置。
請求項４記載の真空装置であって、
前記各冷媒経路の個別の始端をなし、該冷媒入側マニホールドからチューブを介して前記各冷媒経路へ冷媒を導入する冷媒導入部、及び、前記各冷媒経路の終端をなし、前記各冷媒経路からチューブを介して該冷媒出側マニホールドへ冷媒を導出する冷媒導出部を前記槽壁の一部に設けたことを特徴とする真空装置。
請求項５記載の真空装置であって、
該冷媒導入部において、前記各冷媒経路が独立した状態で、かつ、総括して配置され、
該冷媒導出部において、前記各冷媒経路が独立した状態で、かつ、総括して配置されるように構成されたことを特徴とする真空装置。
請求項５又は請求項６記載の真空装置であって、
該冷媒導入部及び該冷媒導出部が前記槽壁の同一側面に配置されたことを特徴とする真空装置。
請求項１から請求項７いずれか一項に記載の真空装置であって、
前記内機構又は前記外機構を冷却するための前記冷媒経路は、前記槽壁の一部を形成する配管、及び、該配管と前記内機構又は前記外機構とを接続するチューブからなることを特徴とする真空装置。
請求項１から請求項８いずれか一項に記載の真空装置であって、
前記冷媒は冷却水からなることを特徴とする真空装置。
請求項１から請求項９いずれか一項に記載の真空装置であって、
前記機構が、成膜基板を加熱するための基板加熱用ヒーター、成膜基板を搭載する基板ドームを回転させる基板ドーム回転機構、蒸発源を保持する坩堝及び該蒸発源を加熱する電子銃のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする真空装置。