JP4980179B2 - クライオパネル - Google Patents

Description

本発明は、クライオポンプに用いられるクライオパネルに関する。

半導体製造装置では、高真空を実現するためにクライオポンプが用いられている。クライオポンプは、真空容器内のクライオパネルを冷却し、分子を凝固又は吸着させることによって高真空を実現する。

従来のクライオパネルは、冷却機のステージに結合され、表面がガス流入方向に向けて（水平に）配設される円板状パネルと、この円板状パネルの裏面側に配設されてガス流入方向の下流の方向に延伸する複数の細長板状パネルとを備える。

処理チャンバ内の気体は、真空容器の上部開口より流入し、水分子は主にクライオパネルの上方に配設されるルーバで凝固され、水分子以外のアルゴンや窒素は主に円板状パネルで凝固され、極低温で凍結しない水素やヘリウム等は、細長板状パネルの両面に形成される吸着層に吸着される（例えば、特許文献１参照）。

また、円錐型のパネルをガス流入方向に沿って複数段配設したクライオパネルも提案されている。この円錐型のパネルは、円錐形状の斜面を一定幅で切り取った円環状のパネルであり、このような円錐型のパネルがガス流路方向に沿って複数段配設することが提案されている（例えば、特許文献２参照）
特開平２−３０８９８５号公報 米国特許出願公開第２００６／００６４９９０号明細書

ところで、クライオポンプの主要性能である排気速度を向上させるためには、水素分子が吸着層に吸着される確率を向上させなければならない。

しかしながら、特許文献１記載のクライオパネルでは、吸着層が形成される細長板状パネルは、円板状パネルの裏面側（ガス流入方向において円板状パネルよりも下流側）だけに設けられており、また、平面視において、真空容器内で平板状パネルが占める面積比率が大きいため、構造上、排気速度が制限されていた。また、細長板状パネルは、円板状パネルの陰となる真裏では、特に凝固・吸着効率が低かった。

また、特許文献２記載のクライオパネルは、真空容器の上部開口から見て円環状であるため、ガス流路の上流側から下流側にかけて十分な流路が確保されず、これは特に、円環形状の中央側と、各段のパネルの陰において顕著であった。このため、下流側における通気性が低下し、凝固・吸着効率が低かった。

そこで、本発明は、排気速度と凝固・吸着効率を向上させたクライオパネルを提供することを目的とする。

本発明の一局面のクライオパネルは、ガス流入口を有する真空容器と、前記真空容器内に配設されるステージを有し、当該ステージを冷却する冷凍機とを備え、前記ガス流入口から前記真空容器内に流入する分子を凝固又は吸着させるクライオポンプに用いるクライオパネルであって、前記ステージにより保持されて冷却される伝熱板と、前記伝熱板によって支持され、前記ガス流入口に向けて配置される円弧板状又は環状板状の複数のパネル片を含むパネル部であって、前記ガス流入口の開口面から見た平面視において、各パネル片が同心状に配置されるパネル部とを備え、前記パネル部は、前記ガス流入口の開口面から見た平面視において、放射状に分割される複数のパネル片によって構成される、ことを特徴とする。

また、前記パネル片は、ガス流入方向に幅を有する円弧状又は環状の薄板で構成されてもよい。

また、前記パネル部の各パネル片は、前記ガス流入口の開口面から見た平面視において、等間隔に配置されてもよい。

また、前記パネル部は、ガス流入方向に複数段配設されてもよい。

また、前記ガス流入口の開口面から見た平面視において、前記パネル部に含まれる各パネル片の曲率は、前記複数段のパネル部のうちの一の段と他の段とで異なってもよい。

本発明によれば、排気速度と凝固・吸着効率を向上させたクライオパネルを提供できるという特有の効果が得られる。

以下、本発明のクライオパネルを適用した実施の形態について説明する。

「実施の形態１」
図１は、実施の形態１のクライオパネルが用いられるクライオポンプの構造を示す図である。クライオポンプ１は、真空容器２、冷凍機３、シールド４、及びクライオパネル１０を含む。

真空容器２は、上部開口２Ａを介して、例えば、スパッタ装置やイオン注入装置等の半導体製造装置のプロセスチャンバ（図示せず）に接続される。真空容器２の内部には、冷凍機３のシリンダ（符号６及び７）、シールド４、及びクライオパネル１０が配設される。

なお、真空容器２には、粗引き用のポンプ及びパージガス導入用の配管（共に図示せず）が接続され、また、真空容器２とプロセスチャンバとの間にはゲートバルブ（図示せず）が配設される。

冷凍機３には、圧縮機５が接続される。

圧縮機５は、ヘリウムガス等の冷媒ガスを昇圧して冷凍機３に送り、また冷凍機３で断熱膨張した冷媒ガスを回収して再び昇圧する。

冷凍機３は、２段式のＧＭ（Gifford-McMahon）型冷凍機であり、第１段シリンダ６、第２段シリンダ７、及びモータ（図示せず）を含む。第１段シリンダ６と第２段シリンダ７には、互いに連結される第１段ディスプレーサ６Ａ及び第２段ディスプレーサ（図示せず）がそれぞれ内蔵されており、モータによって図中上下方向に往復動されることにより、断熱膨張による寒冷が発生される。

第１段シリンダ６の外周には、第１段冷凍ステージ８Ａがろう付される。シールド４は、この第１段冷凍ステージ８Ａによって保持される。

このシールド４は、真空容器２の輻射熱からクライオパネル１０を保護するためのカップ形状の部材であり、上部開口にルーバ９が配設される。また、このルーバ９は、真空容器２の上部開口２Ａに近接して配設される。シールド４及びルーバ９は、第１段冷凍ステージ８Ａによって３０〜１００Ｋに冷却される。

また、第２段シリンダ７の外周には、第２段冷凍ステージ８Ｂがろう付される。クライオパネル１０は、この第２段冷凍ステージ８Ｂによって保持され、１０〜２０Ｋレベルに冷却される。

ここでは、プロセスチャンバ内に、水分子、アルゴン、窒素、水素、ネオン、及びヘリウムが存在するものとして説明する。シールド４及びルーバ９を３０〜１００Ｋに冷却すると共に、クライオパネル１０を１０〜２０Ｋレベルに冷却すると、水分子は主にシールド４及びルーバ９で凝固され、水分子以外のアルゴンや窒素は主にクライオパネル１０で凝固される。また、水素、ネオン、ヘリウム等は主にクライオパネル１０の表面に形成される活性層（層状の活性炭、以下同様）に吸着される。これにより、プロセスチャンバは排気されて高真空に保持される。

また、プロセスチャンバ内のガスは、上部開口２Ａを介して真空容器２内に流入する。ここでは、ガスの流入方向とは、真空容器２の上部開口２Ａから下に向かう方向とし、上部開口２Ａの側を上流側、シールド４の底部の側を下流側と称する。これは、すべての図面において共通である。

なお、図１に示すクライオポンプは、第１段冷凍ステージ８Ａ及び第２段冷凍ステージ８Ｂが真空容器２の下方向から挿入される、いわゆる縦型のクライオポンプである。

図２は、実施の形態１のクライオパネルを示す図であり、（ａ）は真空容器２の上部開口２Ａの側から見た平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は斜視図である。図３は、実施の形態１のクライオパネルを真空容器２内に取り付けた状態を示す正面図である。なお、この図３では、説明の便宜上、クライオパネル１０以外の要素を断面で示す。

図２及び図３に示すように、クライオパネル１０は、伝熱板１１とパネル部１２とを含む。伝熱板１１は、コの字型に折り曲げられた板状体で構成される支持部材１１Ａと、取付板１１Ｂとを含む。支持部材１１Ａの頂部には、第２段冷凍ステージ８Ｂにネジ止めするための孔部１１ａが４つ形成されている。また、取付板１１Ｂは、パネル部１２を取り付けるための部材であり、支持部材１１Ａにネジ止めされる。

パネル部１２は、４つのパネル片１２Ａで構成される。各パネル片１２Ａは、環状の薄板で構成され、それぞれの直径は、直径差が均等になるように設定されている。各パネル片１２Ａは、同心状に配置された状態で取付板１１Ｂに半田付けされる。また、このパネル部１２は、図２（ｃ）及び図３に示すように、伝熱板１１には、ガス流入方向にパネル部１２が４段配設される。

このようなクライオパネル１０は、第２段冷凍ステージ８Ｂによって冷却される。すなわち、第２段冷凍ステージ８Ｂによって発生される冷熱は、支持部材１１Ａ及び取付板１１Ｂを伝導し、各パネル片１２Ａが冷却される。

また、クライオパネル１０は、平面視における中心が、カップ型のシールド４の中心軸上に位置するように第２段冷凍ステージ８Ｂに取り付けられており、すべてのパネル片１２Ａの中心は、カップ型のシールド４の中心軸上に位置される。

ここで、伝熱板１１及びパネル部１２は、共に銅製であり、めっき仕上げがなされる。パネル片１２Ａの表面及び裏面には、水素、ネオン、ヘリウム等を吸着させるための活性層が形成されるが、ここでは図の簡略化のために省略する。なお、伝熱板１１には活性層は形成されない。

このようなクライオパネル１０を有するクライオポンプで真空引きを行うと、水分子は、３０〜１００Ｋに冷却されるシールド４及びルーバ９（図１参照）によって凝固され、水分子以外のアルゴン、窒素、水素、ネオン、ヘリウム等は、１０〜２０Ｋレベルに冷却されるクライオパネル１０の表面に凝固又は吸着される。

ここで、クライオパネル１０は、真空容器２の上部開口２Ａから見た平面視において、中心側からシールド４に近い側にわたって全体的に流路が確保されており、また、活性層が形成される十分な表面積を有する。このため、中心部の流路は制限されず、また、パネルの陰となる部分に活性層が配置されることもない。

以上のように、本実施の形態のクライオパネル１０によれば、ガス流路の陰になる部分を少なくすることができ、また、活性層が形成されるパネル部１２の表面積も十分に確保できるため、従来のように円板状パネルの下流側にしか板状パネルを有しないクライオパネルよりも排気速度を向上させることができる。また、従来のような円錐型のパネルに比べると、同心状に配置されるパネル片１２Ａにより、ガス流路の上流側から下流側にかけて十分な流路を確保することができ、排気速度を向上させることができる。特に、１０〜２０Ｋレベルでは凝縮しない水素、ネオン、ヘリウム等の分子の捕獲確率を向上させることができる。

また、以上では、各パネル部１２が４つのパネル片１２Ａを含む形態について説明したが、パネル片１２Ａの数は、真空容器２の内径に合わせて適宜変更することができる。図４に示すクライオポンプの真空容器２は、図２（ｃ）に示す真空容器２よりも内径が小さいため、図４に示すクライオパネル１０では、各パネル部１２に含まれるパネル片１２Ａは３つである。これは、図２に示すクライオパネル１０に含まれる４つのパネル片１２Ａのうち、径方向において最も外側のパネル片１２Ａを取り除いただけであり、中心よりの３つのパネル片１２Ａは、図２に示すものと同一である。このため、パネル片１２Ａの数の変更を容易に行うことができ、また、パネル片１２Ａの共通化により製造コストの低減を図ることができる。

このように図４に示すクライオパネル１０によっても、ガス流路の陰になる部分を少なくすることができ、また、活性層が形成されるパネル部１２の表面積も十分に確保できるため、従来のクライオパネルよりも排気速度を向上させることができる。特に、１０〜２０Ｋレベルでは凝縮しない水素、ネオン、ヘリウム等の分子の捕獲確率を向上させることができる。

なお、クライオポンプが接続されるプロセスチャンバの容量やプロセスの種類に応じて、各パネル部１２に含まれるパネル片１２Ａの数を５つ以上にしてもよい。

また、各パネル部１２に含まれるパネル片１２Ａの数を増減するのと同様に、真空容器２の深さや内部形状に応じて、ガス流入方向におけるパネル部１２の段数を増減させても同様の効果を得ることができる。

また、伝熱板１１は、複数の環状のパネル片１２Ａを同心状に保持できるのであれば、上述の構成に限られるものではなく、他の構成であってもよい。

なお、以上では、パネル片１２Ａに活性層が形成される形態について説明したが、シート状の活性層をパネル片１２Ａの表裏面に貼着してもよい。

「実施の形態２」
図５は、冷凍機３の第１段冷凍ステージ８Ａ及び第２段冷凍ステージ８Ｂが真空容器２の横方向から挿入される、いわゆる横型のクライオポンプを示す図である。このような横型のクライオポンプでは、第２段冷凍ステージ８Ｂの導入方向に存在するパネル片が第２段冷凍ステージ８Ｂに干渉することを防ぐため、パネル片の配置を変更する必要が生じる場合がある。なお、図５には、図１では省略した第２段ディスプレーサ７Ａを示す。

図６は、実施の形態２のクライオパネルの構成を示す図であり、（ａ）は、パネル部及び取付板を示す平面図、（ｂ）はパネル部及び取付板を示す正面図である。なお、この実施の形態２のクライオパネル２０の構成は、実施の形態１のクライオパネルの構成に準ずるため、同一又は同等の構成要素には、同一の符号を付し、その説明を省略する。

図６（ａ）に示すように、実施の形態２のクライオパネル２０では、真空容器２の上部開口２Ａから見た平面視において、パネル片２２ＡがＣ字型の円弧状である点が実施の形態１と異なる。クライオパネル２０は、このＣ字型の切れ目で第２段冷凍ステージ８Ｂを避けて干渉しないように真空容器２内に配設される。

なお、このように第２段冷凍ステージ８Ｂを避けるためのＣ字型のパネル２２Ａは、ガス流入方向に配列される４段のパネル部２２のすべてに適用されてもよいし、その一部にのみ適用されてもよい。また、図６（ａ）にはパネル部２２に含まれる４つのパネル片２２ＡのすべてがＣ字型である形態を示すが、第２段冷凍ステージ８Ｂを避けられるのであれば、内側のパネル片は、実施の形態１のように環状であってもよい。

このように横型のクライオポンプにおいて、第２段冷凍ステージ８Ｂとの干渉を避けるために、第２段冷凍ステージ８Ｂと干渉しない領域に、Ｃ字型のパネル片２２Ａが配置される形態であっても、ガス流路の陰になる部分を少なくでき、また、活性層が形成されるパネル部１２の表面積も十分に確保できるため、排気速度を向上させることができる。特に、１０〜２０Ｋレベルでは凝縮しない水素、ネオン、ヘリウム等の分子の捕獲確率を向上させることができる。

「実施の形態３」
図７は、実施の形態３のクライオパネルを示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図である。実施の形態３のクライオパネル３０は、径方向寸法の異なるパネル部３２及び３３を有する。パネル部３２の径方向寸法は、パネル部３３の径方向寸法よりも大きく設定されている。これと同様に、パネル部３２に含まれる４つのパネル片３２Ａの各々の径方向寸法は、パネル部３３に含まれる４つのパネル片３３Ａの各々の径方向寸法よりも大きく設定されている。このようなパネル部３２と３３は、ガス流入方向において交互に配設される。

このため、図７（ｂ）に示す平面図では、パネル片３２Ａとパネル片３３Ａとが交互に配設される。

このようなクライオパネル３０によっても、真空容器２の上部開口２Ａから見た平面視において、中心側からシールド４に近い側にわたって全体的に流路が確保されており、また、活性層が形成される十分な表面積を有する。このため、流路は制限されず、また、ガス流路の陰となる部分に活性層が配置されることもない。

このように、実施の形態３のクライオパネル３０によっても、ガス流路の陰になる部分を少なくすることができ、また、活性層が形成されるパネル部１２の表面積も十分に確保できるため、従来のクライオパネルよりも排気速度を向上させることができる。特に、１０〜２０Ｋレベルでは凝縮しない水素、ネオン、ヘリウム等の分子の捕獲確率を向上させることができる。

「実施の形態４」
図８は、実施の形態４のクライオパネルを示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は分解した状態を示す平面図である。図９は、実施の形態４のクライオパネルの要部を示す図であり、（ａ）は支持部材を示す斜視図、（ｂ）はパネル片を拡大して示す平面図である。

実施の形態４のクライオパネル４０は、真空容器２の上部開口２Ａから見た平面視において、図８（ａ）に示すように、パネル部４２に径方向のパネルを付加した形状を有する。このパネル部４２は、図８（ｂ）に示すように、真空容器２の上部開口２Ａから見た平面視において、放射状に分割される１２個のパネル片４３を伝熱板４１に半田付けすることによって実現される。

図９（ａ）に示すように、伝熱板４１は、第１支持部材４１Ａ及び第２支持部材４１Ｂを含む。第１支持部材４１Ａは、コの字型に折り曲げられた板状部材であり、第２支持部材４１Ｂは、第１支持部材４１Ａの長手方向に３段設けられた環状の支持部材である。３つの第２支持部材４１Ｂは、第１支持部材４１Ａの側面に半田付けされる。

図９（ｂ）に示すように、パネル片４３は、円弧状のパネル（以下、円弧状パネル）４３Ａと、径方向に渡される径方向パネル４３Ｂとを含む。３枚の円弧状パネル４３Ａは、１２個のパネル片４３が第２支持部材４１Ｂに取り付けられた状態で、図８（ａ）に示す形状を実現できるように、円弧の長さ及び曲率が設定される。また、径方向パネル４３Ｂは、真空容器２の上部開口２Ａから見た平面視において略コの字型に折り曲げられた板状部材であり、径方向に対して折り曲げられる端部４３ａ及び４３ｂは、それぞれ、円弧状パネル４３Ａ及び第２支持部材４１Ｂに合わせた曲率に設定される。なお、円弧状パネル４３Ａと径方向パネル４３Ｂとが交差する部分４３Ｃでは、円弧状パネル４３Ａ及び径方向パネル４３Ｂに適宜幅方向（図９（ｂ）における紙面を貫く方向）切り欠きが形成される。

このようなクライオパネル４０によれば、活性層が形成されるパネル部１２の表面積が径方向パネル４３Ｂの分だけ増大するため、１０〜２０Ｋレベルでは凝縮しない水素、ネオン、ヘリウム等の分子の捕獲確率をさらに向上させることができ、さらに排気速度を向上させることができる。

また、パネル部４２は、真空容器２の上部開口２Ａから見た平面視において、放射状に分割される複数のパネル片４３によって構成されるので、特に活性層を貼着する作業が容易化になり、製造工程の簡略化を図ることができる。

以上の実施の形態１乃至４では、様々なパターンで配置されたパネル片を有するクライオパネルを示したが、これらのパターンを様々に組み合わせてもよい。特に、実施の形態２に示す横型のクライオポンプの第２段冷凍ステージ８Ｂを避けるためのパネル１２Ａの配置は、実施の形態３及び４のクライオパネルにも容易に適用することができる。また、ガス流入方向におけるパネル部１２の段数の変更、径方向に配置されるパネル片の数、あるいは、パネルの接続パターンは、ここに示す形態に限定されるものではない。

また、以上の説明において半田付けされる部材は、ネジ止めやリベットにより接合されていてもよい。

以上、本発明の例示的な実施の形態のクライオパネルについて説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

実施の形態１のクライオパネルが用いられる縦型のクライオポンプの構造を示す図である。 実施の形態１のクライオパネルを示す図であり、（ａ）は真空容器２の上部開口２Ａの側から見た平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は斜視図である。 実施の形態１のクライオパネルを真空容器２内に取り付けた状態を示す正面図である。 実施の形態１の変形例のクライオパネルを示す図である。 実施の形態２のクライオパネルが用いられる横型のクライオポンプの構造を示す図である。 実施の形態２のクライオパネルの構成を示す図であり、（ａ）は、パネル部及び取付板を示す平面図、（ｂ）はパネル部及び取付板を示す正面図である。 実施の形態３のクライオパネルを示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図である。 実施の形態４のクライオパネルを示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は分解した状態を示す平面図である。 実施の形態４のクライオパネルの要部を示す図であり、（ａ）は支持部材を示す斜視図、（ｂ）はパネル片を拡大して示す平面図である。

符号の説明

１ クライオポンプ
２ 真空容器
３ 冷凍機
４ シールド
５ 圧縮機
６ 第１段シリンダ
６Ａ 第１段ディスプレーサ
７ 第２段シリンダ
７Ａ 第２段ディスプレーサ
８Ａ 第１段冷凍ステージ
８Ｂ 第２段冷凍ステージ
９ ルーバ
１０、２０、３０、４０ クライオパネル
１１、４１ 伝熱板
１１Ａ 支持部材
１１Ｂ 取付板
１１ａ 孔部
１２、２２、３２、４２ パネル部
１２Ａ、２２Ａ、３２Ａ、３３Ａ、４３ パネル片
４１Ａ 第１支持部材
４１Ｂ 第２支持部材
４１Ｃ 円筒パネル
４３Ａ 円弧状パネル
４３Ｂ 径方向パネル
４３Ｃ 交差する部分
４３ａ、４３ｂ 端部

Claims (5)

1. ガス流入口を有する真空容器と、前記真空容器内に配設されるステージを有し、当該ステージを冷却する冷凍機とを備え、前記ガス流入口から前記真空容器内に流入する分子を凝固又は吸着させるクライオポンプに用いるクライオパネルであって、
   前記ステージにより保持されて冷却される伝熱板と、
   前記伝熱板によって支持され、前記ガス流入口に向けて配置される円弧板状又は環状板状の複数のパネル片を含むパネル部であって、前記ガス流入口の開口面から見た平面視において、各パネル片が同心状に配置されるパネル部と
   を備え、
   前記パネル部は、前記ガス流入口の開口面から見た平面視において、放射状に分割される複数のパネル片によって構成される、クライオパネル。
2. 前記パネル片は、ガス流入方向に幅を有する円弧状又は環状の薄板で構成される、請求項１に記載のクライオパネル。
3. 前記パネル部の各パネル片は、前記ガス流入口の開口面から見た平面視において、等間隔に配置される、請求項１又は２に記載のクライオパネル。
4. 前記パネル部は、ガス流入方向に複数段配設される、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のクライオパネル。
5. 前記ガス流入口の開口面から見た平面視において、前記パネル部に含まれる各パネル片の曲率は、前記複数段のパネル部のうちの一の段と他の段とで異なる、請求項４に記載のクライオパネル。

Images