JP4967594B2 - クライオポンプ及びそれを用いた真空装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガス分子を吸着して排気するクライオポンプ及びそれを用いた真空装置に関する。

一般にフラットパネルディスプレーや半導体素子等の電子部品薄膜形成で用いられる真空プロセスではチャンバー内の高真空を得る為にクライオポンプを用いた真空装置が用いられている。
クライオポンプは、各種冷凍機等で低温化された金属製内部パネルに各種気体を凝縮させることで高真空を得ている。金属製パネルは熱伝導率が高い材料、例えば銅などが通常用いられる。また、凝縮温度が低い一部気体はパネルに接着させた活性炭等で吸着させている。

図４に、従来のクライオポンプの一例を示す。
クライオポンプ３００は、ポンプケース１１０、８５Ｋシールド１２０、８５Ｋバッフル１３０、１５Ｋパネル１４０、第１段コールドヘッド１５１、第２段コールドヘッド１５２、冷凍機１６０、排気及び排出を行う口（以下排気・排出口１７０と記す）及び粗引き・水抜き配管１８１とＮ2（窒素）ガス等の不活性ガス導入管１８２とからなる配管１８０とで構成されている。
ポンプケース１１０は、真空槽（特に、図示せず）に連結されており、排気・排出口１７０を介して配管１８０に接続されている
クライオポンプ３００は、通常、超高真空を得るために使用され、排気・排出口１７０を介して真空槽に連通した気体の流入開口を備えたポンプケース１１０の内部に、外部の
冷凍機により駆動されて８０Ｋ程度に冷却された第１段コールドヘッド１５１と１５Ｋ程度に冷却された第２段コールドヘッド１５２とを備えている。そして、第１段コールドヘッド１５１には、上記流入開口に対応した開口を有する筒状の金属製シールド１２０を取り付け、シールド１２０の開口部に金属製のバッフル１３０が取り付けられている。

また、第２段コールドヘッド１５２には、クライオパネル１４０が取り付けられている。ポンプケース１１０の流入開口から流入する気体分子のうち水蒸気等の凝縮温度の高い気体は、シールド１２０を介して８０Ｋ程度に冷却されたバッフル１３０に凝縮して排気され、窒素等の凝縮温度の低い気体分子は１５Ｋ程度に冷却されたクライオパネ１４０ルに凝縮して排気される。
シールド１２０、バッフル１３０及びクライオパネル１４０は、熱伝導率が高い材料、例えば銅などが通常用いられる。また、凝縮温度が低い一部気体はパネルに接着させた活性炭等で吸着させる。

クライオポンプはターボ分子ポンプ等の気体輸送式真空ポンプとは異なり、溜め込み式ポンプであることから、バッフル１３０やクライオパネル１４０に凝縮した気体分子の量が多くなると、排気性能が低下するので、適当な時期に常温に戻すか加熱（ベークアウト）して吸着ガスの開放・吐出を行う必要がある。
こうした一連の再生作業を一般に再生処理（リジェネレーション）と称し、装置稼働を効率的に運用するために、再生処理は真空チャンバー内の定期クリーニング時と同時に実施するのが理想である。

再生処理では、まず低温を得る為に運転していた冷凍機１６０を停止させ、ポンプケース１１０の内部を室温まで昇温させる。昇温を補助する為に不活性ガスを導入して補助することも有効である。凝縮していた物質は液化したり、さらに気化したりして排気・排出
口１７０から配管１８０を経由して放出される。吸着ガスの内Ａｒ、Ｎ₂等は気体になって放出されるが、一部物質、特に水蒸気は液体（液化物質）になりポンプ内部（シールド１２０）に落ちてしまう。

この液体（液化物質）を外に排出するためには、液体のまま配管１８０へ流れ出させるか、気化させるまで内部を昇温させるかどちらかが必要になる。
液体（液化物質）が残ってしまうとその後のポンプ再立上げ時の粗引き（別途、補助粗引きポンプで４０Ｐａほどまで排気する工程）時間が長くなることがある。
これは液体（液化物質）の蒸発に伴って蒸発潜熱が奪われて水の温度が低下して氷になる。氷はシールド１２０底部や配管１８０内部に停滞する。その氷からの蒸発速度が遅くなり粗引き時間が長くなってまう。

それを防止するために液体を排出させるための処置が行われることがある。例えば、事前に粗引き前に配管を外し、シールド１２０内部にパージ等を実施して液体を排出させたり、一度粗引きを停止させて一旦シールド１２０内圧を大気圧に戻した後、粗引き配管等に残った氷を取り除く等の処置を行っているのが現状である。

カラーフィルタ基板の透明導電膜等を作製するためのクライオポンプを用いたインライン型真空装置では、金属製の基板トレイを搭載した複数のキャリアを用いて運転される。そのため一度大気中に暴露された金属製の基板トレイおよびマスクパターニング用として用いられているメタルマスクは大気中のガスを吸着してしまう。それらは再度チャンバーにもち込まれる。またカラーフィルタの構成樹脂等が多様化していることから、チャンバーに持ち込まれるガスも多様化している。

そのため成膜室（スバッタ室）の前に設けられる粗引き室および調圧室で用いられるクライオポンプにはこれらの吸着ガスを排気しなくてはならないので、シールド１２０内部には液体（液化物質）の溜め込み量が多くなる傾向がある。
その結果、再生処理時にシールド１２０に液体（液化物質）が残留しやすい傾向となる。

成膜チャンバーへ持ち込まれるガスは被処理基板から持ち込まれるガスに加えて、基板トレイやメタルマスクからの吸着ガス、放出ガス等も含まれる。それらからの放出ガスのうち、水分はクライオポンプのバッフル１３０及びシールド１２０で凝縮される。

それらは再生処理（パージ）時に大部分が液体になってポンプケース１１０内部のシールド１２０の底部に溜まる。これらの液体はシールド１２０に設けられた排気・排出口１７０からポンプケース１１０に取りつけられた配管１８０に落ちる構造になっていることが多い。

クライオポンプを用いた真空装置では、真空槽とポンプ間を仕切り弁にて接続する場合が多いが、この仕切り弁の形状によりクライオポンプの設置姿勢が決定する。クライオポンプが縦置きになった場合、シールド１２０底部に水分が溜まる。
シールド１２０底部に設けた排気・排出口１７０周辺はポンプケース１１０底面に対して水平であることが多く、溜まった液体は表面張力により排気・排出口１７０からなかなか落ちないことが有る。

排気・排出口１７０付近の液体が排出されないと、さらに排気・排出口１７０から遠い部分の液体は行き場を失い、シールド１２０底部に溜まったままになる。そのため配管１８０をポンプ本体から外して、エアーパージガス等を吹き付けることでシールド１２０底部に溜まった液体を排除する試みが再生処理時に行われることが有る。しかしその為には多大な労力を必要とする。

上記シールド１２０底部に溜まった液体を効率的に集めるために、シールド底部をほんの少しだけ傾けることができる旨の記載がある（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、シールド底部に単に傾斜をつけただけでは液体うまく排気・排出口１７０に導くことができず、排出口位置、形状の関係を考慮しないと液体抜き効果を発揮しないことが判明した。

また、クライオポンプとチャンバー間のコングクタンス悪化による排気速度障害を解消するため、クライオポンプを横方向に取り付ける場合がある。この場合シールド１２０側面に液体が溜まる。
これらの液体も同様にシールドにあるパージガス導入用の排気・排出口１７０を通じて、ポンプケースに取り付けられた配管から排出する仕組みになっている場合がある。この場合も排気・排出口１７０周辺の水分が効率よく排出されないと、粗引き到達圧までの時間が長くなる。

それらの残留液体は再生処理後のポンプ内粗引き時に氷になって、粗引き時間を著しく阻害する。粗引き完了（４０Ｐａ程度）が長くなることでポンプ立ちあがりが遅れ、結果的に生産効率を低下させ、生産損失を招くことになる。
特表２０００−５０６５８４号公報

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、クライオポンプのシールド底部に溜まった液体（液状物質）を効率よく排気・排出口に排出し、粗引き時間の短縮を行うことができるクライオポンプ及び装置稼働率を向上できる真空装置を提供することを目的とする。

本発明に於いて上記問題を解決するために、まず請求項１においては、少なくともポンプケースと、シールドと、バッフルと、クライオパネルと、前記シールドを冷却するコールドヘッドと、冷凍機と、排気及び排出とを行う口と、前記排気及び排出とを行う口と連結した配管とを備えた縦型クライオポンプであって、前記配管は、粗引き及び水抜きを行う配管と、不活性ガス導入を行う配管とに分岐し、前記排気及び排出とを行う口は前記シールドの周壁と前記コールドヘッドとの接続部の中間に位置する前記シールドの底部に設けられており、前記シールドの底部は、前記排気及び排出とを行う口に向かって低くなるように傾斜し、前記排気及び排出とを行う口の上部周辺に、前記シールドの底部の傾斜より急角度の傾斜加工がされていることを特徴とする縦型クライオポンプとしたものである。

また、請求項２においては、前記排気及び排出とを行う口の上部周辺の傾斜加工が水平面と成す傾斜角度をθとしたとき、傾斜角度θが３０〜６０度になっていることを特徴とする請求項１に記載の縦型クライオポンプとしたものである。

また、請求項３においては、請求項１又は２に記載の縦型クライオポンプと真空槽とから構成されていることを特徴とする真空装置としたものである。

本発明のクライオポンプは、クライオポンプのシールドの底部に設けられた排気・排出口の上部周辺が傾斜加工をしてあり、且つシールドの底部が排気・排出口に向かって傾斜しているので、再生処理時にシールド底部に溜まった液体（液状物質）を効率よく排気・排出口から排出でき、粗引き時間の短縮を行うことができる。
また、本発明のクライオポンプを用いた真空装置の装置稼働率を向上することができる。

以下、本発明の実施形態につき図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明のクライオポンプの一実施例を示す模式構成図である。

本発明のクライオポンプ１００は、ポンプケース１０と、８０Ｋシールド２０と、８０Ｋバッフル３０と、１５Ｋクライオパネル４０と、第１段コールドヘッド５１と、第２段コールドヘッド５２と、冷凍機６０と、排気・排出口７０と、粗引き、水抜き、不活性ガス導入を行う配管８０とで構成されている。

クライオポンプ１００は、通常、超高真空を得るために使用され、排気・排出口７０を介して真空槽に連通した気体の流入開口を備えたポンプケース１０の内部に、外部の冷凍機により駆動されて８０Ｋ程度に冷却された第１段コールドヘッド５１と１５Ｋ程度に冷却された第２段コールドヘッド５２とを備えている。そして、第１段コールドヘッド５１には、上記流入開口に対応した開口を有する筒状の金属製シールド２０を取り付け、シールド２０の開口部に金属製の８０Ｋバッフル３０が取り付けられている。

また、第２段コールドヘッド５２には、１５Ｋクライオパネル４０が取り付けられている。ポンプケース１０の流入開口から流入する気体分子のうち水蒸気等の凝縮温度の高い気体は、シールド２０を介して８０Ｋ程度に冷却された８０Ｋバッフル３０に凝縮して排気され、窒素等の凝縮温度の低い気体分子は１５Ｋ程度に冷却された１５Ｋクライオパネ４０ルに凝縮して排気される。
８０Ｋシールド２０、８０Ｋバッフル３０及び１５Ｋクライオパネル４０は、熱伝導率が高い材料、例えば銅などが通常用いられる。また、凝縮温度が低い一部気体はパネルに接着させた活性炭等で吸着させる。

８０Ｋバッフル３０や８０Ｋシールド２０に凝縮されていた気体、特にＨ₂Ｏは再生処理のパージ時に液体になってシールド底部へ落ちる。落ちた液体はその表面張力により、排出口から排出される量は制限されてしまう。
また、その液体が排出口から遠い場所の液体は、排出口から流れることがほとんど不可能なため、リジェネの粗引き時に氷になってしまう場合がある。その場合、所定圧力（４０Ｐａ）に達する時間が遅延する。
本発明のクライオポンプは、このような問題を解決することができるようにしたものである。

請求項１に係る発明では、排気・排出口７０は８０Ｋシールド２０の底部に設けられ、配管８０に連結されており、８０Ｋシールド２０シールドと配管８０との連結部に位置する排気・排出口７０の上部周辺は、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように傾斜角度θで傾斜加工を施してあり、８０Ｋシールド２０の底部に溜まった液体（液状物質）が排気・排出口７０を効率よく流れるようにしたものである。
図３（ａ）は、排気・排出口７０の上部周辺を傾斜角度θでほぼ直線状に加工したもので、図３（ｂ）は、排気・排出口７０の上部周辺を傾斜角度θで湾曲加工したものである。

請求項２に係る発明は、排気・排出口７０の上部周辺の傾斜加工角度θを規定したもの
で、傾斜角度θは、３０〜６０°の範囲が好ましく、３０°以下では傾斜加工では排気・排出口７０への液体（液状物質）の効果的な流れが得られず、６０°以上では、排気・排出口７０上部周辺の傾斜部の距離Ａを確保するのが難しくなる。（一般に距離Ｂはポンプケース１０底までの距離に抑える必要がある：およそ２０ｍｍ程度）。

また、本発明は、排気・排出口７０に位置する８０Ｋシールド２０のシールド底部の状態を規定したものである。
排気・排出口７０は前記シールドの周壁とコールドヘッドとのほぼ中間に位置するシール
ドの底部に設けられ、８０Ｋシールド２０の底部は、８０Ｋシールド２０の周壁部と第１段コールドヘッド５１との接続部とが高くなった２つの領域のシールド底部２０ａとシールド底部２０ｂとからなり、それぞれのシールド底部２０ａとシールド底部２０ｂとが排気・排出口７０に向かって低い位置になるように傾斜を持たせてある（図１参照）。
このような構造にすることにより、クライオポンプの再生処理時に８０Ｋシールド２０の底部に溜まった液体（液状物質）を効率良く排気・排出口７０へ排出することができる。

図２は、本発明のクライオポンプと真空槽とから構成されてなる真空装置の一実施例を示す模式構成図である。
真空装置２００は、ロードロック方式のインラインスパッタリング装置の調圧室に本発明のクライオポンプ１００を縦付けしたもので、クライオポンプ１００と真空槽２２０は仕切りバルブ２１０にて連結されている。

以下に、本発明の真空装置２００を用いたＩＴＯ（透明導電膜）成膜及び再生処理の具体的実施例について説明する。

まず、トレイに載置された処理基板を真空装置２００の前室から調圧室に送り込み、９．９×１０^-3Ｐａ程度まで真空引きした後、スパッター室圧力と同等圧力に調圧するため、ＡｒガスとＯ₂ガス（Ａｒガスの０．２％程の量）を導入し、０．５Ｐａ程度に調圧した。さらに、トレイに載置された処理基板をスパッタ室に送り込み、処理基板上にＩＴＯ膜（透明導電膜）をスパッター成膜し、２３,０００枚の処理を行って、成膜処理を終えた。

次に、上部周辺の傾斜角度を３０°にしたクライオポンプ１００の再生処理を行った。この再生処理時のクライオポンプ内部大気圧から４０Ｐａまでの粗引き時間は約２時間を要した。そのためトータルのポンプ立ちあがり時間はパージ２時間、粗引き２時間、再冷却２時間の計６時間であった。
この再生処理時に配管８０から外部に排出された液体（液状物質）量は約１．１Ｌであった。その大部分は水であった。またパージ終了後、シールド内部を調査したところ、シールド底部には水残りは確認されなかった。

実施例２は比較のための比較例である。
まず、トレイに載置された処理基板を図５に示すクライオポンプ３００と仕切りバルブ２１０と真空槽２２０とからなる真空装置４００の前室から調圧室に送り込み、９．９×１０^-3Ｐａ程度まで真空引きした後、スパッター室圧力と同等圧力に調圧するため、ＡｒガスとＯ₂ガス（Ａｒガスの０．２％程の量）を導入し、０．５Ｐａ程度に調圧した。
この条件で処理基板上にＩＴＯ膜（透明導電膜）をスパッター成膜し、２３,０００枚の処理を行って、成膜処理を終えた。

次に、クライオポンプ３００の再生処理を行った。この再生処理時のクライオポンプ内
部大気圧から４０Ｐａまでの粗引き時間は約４時間を要した。そのためトータルのポンプ立ちあがり時間はパージ２時間、粗引き４時間、再冷却２時間の計８時間であった。
この再生処理時に配管８０から外部に排出された液体（液状物質）量は約１．１Ｌであった。その大部分は水であった。またパージ終了後、シールド内部を調査したところ、シールド底部には水残りが確認された。

このことから、本発明のクライオポンプ１００を用いた真空装置２００では、従来のクライオポンプ３００を用いた真空装置４００に比べて、再生処理時間が短縮でき、装置稼働率アップに寄与できることが確認出来た。

本発明のクライオポンプの一実施例を示す模式構成図である。 本発明のクライオポンプを用いた真空装置の一実施例を示す模式構成図である。 （ａ）及び（ｂ）は、シールドの底部に設けられた排気・排出口の上部周辺の傾斜加工の状態を示す説明図である。 従来のクライオポンプの一例を示す模式構成図である。 従来のクライオポンプを用いた真空装置の一例を示す模式構成図である。

符号の説明

１０、１１０……ポンプケース
２０、１２０……８０Ｋシールド
２０ａ、２０ｂ……傾斜を設けたシールド底部
３０、１３０……８０Ｋバッフル
４０、１４０……１５Ｋクライオパネル
５１、１５１……第１段コールドヘッド
５２、１５２……第２段コールドヘッド
６０、１６０……冷凍機
７０、１７０……排気・排出口
８０、１８０……配管
８１、１８１……粗引き、水抜き配管
８２、１８２……不活性ガス導入管
１００、３００……クライオポンプ
２００、４００……真空装置
２１０……仕切りバルブ
２２０……真空槽

Claims (3)

1. 少なくともポンプケースと、シールドと、バッフルと、クライオパネルと、前記シールドを冷却するコールドヘッドと、冷凍機と、排気及び排出とを行う口と、前記排気及び排出とを行う口と連結した配管とを備えた縦型クライオポンプであって、前記配管は、粗引き及び水抜きを行う配管と、不活性ガス導入を行う配管とに分岐し、前記排気及び排出とを行う口は前記シールドの周壁と前記コールドヘッドとの接続部の中間に位置する前記シールドの底部に設けられており、前記シールドの底部は、前記排気及び排出とを行う口に向かって低くなるように傾斜し、前記排気及び排出とを行う口の上部周辺に、前記シールドの底部の傾斜より急角度の傾斜加工がされていることを特徴とする縦型クライオポンプ。
2. 前記排気及び排出とを行う口の上部周辺の傾斜加工が水平面と成す傾斜角度をθとしたとき、傾斜角度θが３０〜６０度になっていることを特徴とする請求項１に記載の縦型クライオポンプ。
3. 請求項１又は２に記載の縦型クライオポンプと真空槽とから構成されていることを特徴とする真空装置。