JP5025492B2 - 改善されたクライオポンプ - Google Patents

Description

本発明の目的は、半導体ウエハの製造用のような製造プロセスにおけるスパッタリング用に用いられるクライオポンプの高速な再生を提供することである。

スパッタリングは、典型的には、２×１０^−７トールより低い基本圧まで圧力が降下する間にガス流れを停止させることが後続する、約１分間で１００から２００ｓｃｃ／ｍのアルゴンの流れを用いて発生する。新たなウエハのローディングは、約１分内で生じ、プロセスが繰り返される。

クライオポンプの前のスロットルプレートは、スパッタリング中の室内の圧力を約１×１０^−２トールに維持する一方、クライオポンプの入口側の圧力は、１から２×１０^−３トールの範囲内である。クライオポンプは、気体アルゴンを、第２段（低温）クライオパネル上で凍結させることによって除去するので、ポンプは、アルゴン低温付着物を融解及び除去するために温められ、その後、通常の動作温度まで冷却されなければならない。非常に少ない量で蓄積する水や水素のような他のガスは、また、周期的に除去されなければならない。

クライオポンプを冷却させるために現在用いられる２段ＧＭ冷凍機は、第１段クライオパネルを５０から１００Ｋまで冷却し、第２段クライオパネルを約１５Ｋまで冷却する。エクスパンダは、通常、段付きのシリンダとして構成され、第１段の高温端にバルブ組立体、大径の第１段から小径の第２段への遷移点に第１段低温ステーション（５０から１００Ｋ）、及び、遠い側の端に第２段低温ステーション（約１５Ｋ）を備える。

クライオポンプは、典型的には、ときどき“インライン式”と称されるように、エクスパンダシリンダの軸上に入口を備えるものや、ときどき“ロープロフィール式”と称されるように、シリンダの軸に垂直に入口を備えるものが製造されている。スパッタリング用に用いられるクライオポンプは、通常、ロープロフィール式である。というのは、ロープロフィール式のクライオポンプは、半導体処理室の下方若しくは側部に搭載されるときによりコンパクトであるからである。

この用途用の最も一般的なサイズのクライオポンプは、２００ｍｍＩＤ入口ポートを有する。インライン式クライオポンプ用のクライオパネルは、典型的には、低温フィンガーまわりに軸対称である。このパネル設計は、特許文献１に記載されるように、エクスパンダシリンダ用の低温パネルに切り欠きを有することによって、しばしばロープロフィール式クライオポンプに適合される。クライオポンプは、ガスを凍結させる観点からは全ての向きで同等に良好に動作するが、再生中、融解する低温付着物は、クライオポンプの設計及び向きに依存して異なる方向に流れ出る。

特許文献２は、２軸対称型クライオパネルを冷却するために２段ＧＭ冷凍機を用いる典型的なクライオポンプを開示する。第１段は、入口（高温）パネルを冷却し、この入口パネルは、Ｈ_２ＯやＣＯ_２のようなグループＩの気体を吸引し、相当な量の放射が第２段（低温）パネルに到達することを阻止するが、ＡｒやＮ_２のようなグループＩＩの気体、及び、Ｈ_２やＨｅのようなグループＩＩＩの気体の通過を許容する。グループＩＩの気体は、カップ状のパネルの前側で凍結し、グループＩＩＩの気体は、低温パネルの背後の吸着剤に吸着される。

特許文献３は、入口領域からハウジングの背後まで径が増加する一連の同心のリングからなる低温パネル設計を開示する。この設計は、アルゴンを収集するのにより多くの空間を有し且つアルゴンが分布されるより大きい表面積を有するので、スパッタリングに対して良好である。

半導体ウエハのスループットは、ａ）基本圧への迅速な回復時間、ｂ）再生間のサイクル数の最大化、及びｃ）迅速な加熱、迅速な低温付着物の除去及び迅速な冷却からなる迅速な再生に依存する。

基本圧への迅速な回復に始まる、多くの因子（ファクター）が、スパッタリングにおいて重要である。２×１０^−７トールの基本圧は、２９Ｋの固体アルゴンの表面上の最大温度に対応する。アルゴンが流れている期間中、固体アルゴンの表面は、入力ガスの凝縮／凍結により加熱される。熱は、固体アルゴンを介した伝導により表面から除去される。第２段クライオパネルは、その表面上に十分なアルゴンを有していないとき、表面温度は、２９Ｋまで加熱されない。この場合、回復時間は、主に室からクライオポンプ内へのガス流れパターンの関数である。しかし、固体アルゴンの層が厚さを増加するにつれて、表面はより高温となり、表面の最も高温の部分を２９Ｋより小さくなるように冷却して戻すのに掛かる時間は重要な因子となる。

大きな領域上に均一にアルゴンを分布させることは、表面での温度上昇を最小化し、表面とクライオパネルとの間の伝導経路の長さを低減する。クライオパネルの温度を１５Ｋより低く維持することも重要である。というのは、熱伝導性ｋは、２０Ｋより下方で顕著に増加し、比熱Ｃｐが減少するからである。低いＣｐは、アルゴンが流れている間、表面温度のより大きな上昇を生み、結果として、表面とクライオパネルの間の温度差ｄＴはより高くなる。大きなｄＴは、高いｋとの組み合わせにより、表面温度のより速い降下を生む。

要約すると、１５Ｋより低いパネル温度及び固体アルゴンの大きな領域上への均一な分散は、迅速な圧力回復をもたらす。

再生間のサイクル数を最大化する能力は、その他の重要な因子である。固体アルゴンは、高い熱伝導性を有するので、ある圧力での吸入速度が劣化する前に、２から３ｃｍほどの厚さまで低温付着物を蓄積させることが可能である。典型的な２００ｍｍＩＤクライオポンプに対して、これは、約１０００から１２００ＳＬのアルゴンに等しい。スパッタリング用途に対して、容量は、基本圧への回復が２分未満で生ずるべきであるという要求により制限され、８００ＳＬの容量が良好であると考えられている。

特許文献３は、相当な量のアルゴンを保持するために良好な構成を有するクライオパネルアレイ上へのアルゴン低温付着物の分布を開示する。特許文献４は、相当な量の固体アルゴンを保持するように設計された構成のその他の一例である。

これらの設計の双方は、低温付着物が堆積するのに十分な空間を提供する。他方、特許文献５は、Ｈ_２が吸引されるために相当な空間を開いたまま維持することが意図されたアルゴン霜濃縮構成を有する。アルゴンを濃縮することは、厚い層のより早い蓄積及びより長い回復時間を引き起こす。

第３の因子は、迅速な再生である。クライオパネルを加熱することは、エクスパンダ加熱ステーション上のヒータ、真空ハウジングの外部のブランケットヒータ、若しくは、特許文献６に開示されるようなエクスパンダの逆動作のいずれによってもなすことができる。最後の選択肢は、ヒータの必要性を無くし、構成を簡易化する。アルゴンは、８３Ｋで融解するが、表面だけは、ハウジングと低温付着物の間のガスを介して熱伝導が実質的な熱源となり固体アルゴンを融解する補助をする前に、４２Ｋに到達しなければならない。典型的にスパッタリング中にアルゴンと共に吸引されるＨ_２の存在は、ガスを介した熱伝導に相当に寄与する。

１０００ＳＬのアルゴンは、１．６３ｋｇの重さである。２０Ｋでの固体アルゴンの量は、約１Ｌの容積を有し、融解に約４５ｋＪの熱を必要とし、気化のために更に約２６３ｋＪ必要とする。ポンプから液体アルゴンをドレインすることは、それを除去するのに必要な時間を低減する。液体アルゴンを除去する手段は、異なる向きのポンプに対して、特許文献７乃至特許文献１１に開示される。

クライオポンプは、アルゴン及びＨ_２のみを除去するために約１８０Ｋの温度まで加熱されることができ、若しくは、吸引されたガスの全てを除去するために約３００Ｋの温度まで加熱されることができる。いずれの場合も、ヒータ若しくは逆動作を介して入力される熱が伝導熱及びパージガス加熱により増大されるので、加熱は比較的迅速である。ある時間が、その後、典型的にはチャコールに吸着された残留のガスを脱着するのに必要とされる。典型的な時間は、３２０Ｋまで加熱するために２５分、チャコールからガス（水）を脱着するために３０分であり、その後、２０Ｋ未満に冷却して戻すために約８０分である。

特許文献１２は、軸対称な第２段クライオパネルがロープロフィール式クライオポンプのハウジングの中間部における第２段熱ステーションに取り付けられるときに典型的となる第１段熱ステーションに対する拡張を開示する。特許文献１は、クライオパネルよりも高い温度でアルゴンが凍結しないようにするために第２段シリンダ上に付加されるべきシールドを開示する。

冷却する時間を低減することは、本発明の目的の１つである。これは、冷却されるべき材料のマス、最も重要には第１段熱ステーションのマスを最小化することによって達成される。
米国特許第５，１５６，００７号明細書 米国特許第４，１５０，５４９号明細書 米国特許第４，５３０，２１３号明細書 米国特許第６，１５５，０５９号明細書 米国特許第５，３０１，５１１号明細書 米国特許第５，３６１，５８８号明細書 米国特許第５，２２８，２９９号明細書 米国特許第５，３３３，４６６号明細書 米国特許第５，４００，６０４号明細書 米国特許第５，４６５，５８４号明細書 米国特許第５，５４２，２５７号明細書 米国特許第５，０５６，３１９号明細書

本発明の目的は、低温付着物の蓄積空間を最大化し、１５Ｋ未満の温度に維持される大きな表面上に均一に低温付着物を分布させることによって迅速な圧力回復を達成することである。

冷却するための時間を低減することは、冷却されるべき材料の質量、最も重要には第１段熱ステーションの質量を最小化することによって達成される。低温付着物蓄積スペースが最大化される。加えて、これらの因子の双方は、再生が必要となるまでのサイクル数を増加させる。

本発明は、真空室への入口ポートがエクスパンダシリンダの軸に平行な面内に配置される２段ＧＭタイプの冷凍機を有するクライオポンプに適用する。クライオポンプは、一般的に、スパッタリングプロセス時の半導体ウエハのスループットを最大化するように設計される。２００ｍｍの入口ポートを有するクライオポンプは、典型的には、このプロセス用に用いられる。

本発明は、３つの主要な特徴を有する。先ず、低温（第２段）クライオパネル（複数のクライオパネルを含んでよい。）は、エクスパンダシリンダの軸に平行に合わせられた面内にある（エクスパンダシリンダの軸に平行なラインが、クライオパネル表面上に引くことができる）。第２に、第１段膨脹空間の低温端は、エクスパンダシリンダがクライオパネルを収容する真空室ハウジングに入る場所の近傍にあり、従って、第１段熱ステーションの重量を最小化する。第３に、ドレインシステムは、液体アルゴン及び水の全てが、クライオポンプの２つの向きに対してベントポートを通って流出する結果を生む。

この構成は、比較的大きい表面領域を有するクライオパネル上に固体アルゴンが非常に均一に収集するための大きな容積を可能とする。より多くのアルゴンは、収集でき、しかも、従来の設計で可能な程度を超える回復時間要求を満たすことができる。液体は、加熱中に直接排出される。クライオパネルのジオメトリ（幾何的構成）は、ドレインが２つの向きのいずれのポンプで働くようにされる。第２段熱ステーションは、折り曲げられたクライオパネルが第２段熱ステーションの長さ方向に沿った任意の場所に取り付けられることができるので、ハウジングの中間にある必要が無い。パネルは、第２段シリンダ上に延在し、別のシールドの必要性を無くす。これらの特徴は、再生が要求される前により多くのＡｒを収集することを可能とし、再生中の加熱の時間が最小化され、冷却時間が最小化される。

図１に示すクライオポンプ組立体９の側面視の断面図は、エクスパンダシリンダ組立体１０、真空ハウジング組立体２０、第１段クライオパネル組立体３０、第２段クライオパネル組立体４０、及び、ベント／ドレインバルブ組立体５０を含む主要構成要素を示す。真空ハウジング組立体２０は、入口搭載フランジ２１、クライオパネルハウジング２２、シリンダハウジング２３、エクスパンダ搭載フランジ２４、及びベント／ドレインポート２５からなる。図示されていないのは、圧力ゲージ、温度センサ、パージガス入口及び考えられうるヒータを搭載するための、クライオポンプに一般的に標準的であるシリンダハウジング２３上のマウンチングポートである。第１段クライオパネル組立体３０は、放射シールド３１（しばしば高温パネルと称される）、入口ルーバ３２、液体ダム３３及びドレインポート３４からなる。第２段クライオパネル組立体４０（低温パネル）は、図２に示されるクライオパネル４１,４２,４３等からなる。ポンプは、図示のように、入口搭載フランジ２１を上にして搭載されることができるし、若しくは、第１段シリンダ１２をクライオパネルハウジング２２の下方にして縦置型に搭載されることができる。ベントバルブ組立体５０は、スプリング実装リリーフバルブ５１、Ｏリングシール５２、フィン５４が機械加工されて付けられたバルブ本体５３、上側のチムニー５５及び下側のチムニー５６からなる。

図１に示すクライオポンプハウジングの中心線に沿った端面視の断面が図２に示される。第２段クライオパネル４１，４２，４３等の平らで折り曲げられた特性が示されている。第２段熱ステーション１５は、第２段クライオパネル組立体４０に取り付くための大きな表面を提供するため一の側面に平らな部分を有する。入口ルーバ３２は、第２段クライオパネル組立体４０と平行にポンプ入口ポートを横切って直線に走る。入口ルーバ３２は、組立体４０の中心部を放射から実質的に遮蔽する。この設計は、アルゴンが第２段クライオパネルの表面上に均一に凍結するようにアルゴンを分布させる補助をする。多くのスペースは、固体アルゴンが蓄積するのに利用可能である。第２段クライオパネルの後側は、Ｈ_２を吸着するためにチャコールで被覆される。ベント／ドレインポート３４も示されている。

図３は、第１段ルーバ３２が除去されたクライオパネルの入口を覗き込む態様で第２段クライオパネル組立体４０を示す。放射シールド３１とクライオパネル４１，４２，４３等との間にはクリアランス（隙間）が残されており、従って、Ｈ_２は、パネルまわりを流れてチャコールにたどり着くことができる。この図視は、また、ポンプが縦置型に搭載されるときに入口から流体が流れ出るのを防止する液体ダム３３も示す。第１段熱ステーション１３は、ポンプが縦置型であるときに液体が第２段シリンダ１４まわりを流れることができるように、湾曲されている。放射シールド３１は、また、ポンプが縦置型に搭載されるときに液体が開口を介して第１段シリンダ１２とシリンダハウジング２３の間の領域へと流れることができないように、熱ステーション１３に搭載される。

図１を参照すると、液体ダム３３は、クライオポンプが縦置型であるときに融けてドレインポート３４を介して流れ出る水がクライオポンプの入口から流れ出ることが防止されるように、入口ルーバ３２の前にあることが分かる。液体Ａｒは、再生中にベントバルブ組立体５０を通って流れ出るとき、“Ｏ”リング５２を、真空がクライオポンプで引かれたときに再シールできないような固体状態へと冷却する。加熱中、解放されうる可燃性ガス及び毒性ガスを除去するためにパージガスを流すことが通常である。これは、液体アルゴンが排出された後にも流れ続けるが、“Ｏ”リング５を柔軟になるほど十分に加熱するために利用可能な時間は、迅速な再生サイクルに対して短い。

上記の特許文献１１は、シールの加熱を促進するためのベントバルブ上のヒータを開示する。このバルブ設計は、シールの迅速な加熱を達成する受動的方法を示す。バルブ本体５３は、高い熱伝導性を有するアルミニウムから形成され、内部に機械加工されたフィン５４を有する。フィンを通る周囲空気の流れは、自然対流により促進され、これは、上側のチムニー５５及び下側のチムニー５６への接続により増強される。下側のチムニー５６は、周囲空気よりも密度の高い低温空気を内部に有する。密度の差及び下側のチムニー５６の流れに比例する、フィンを通って空気を流すための駆動力は、チムニーが除去された場合よりもフィンを通るより多い空気流れを促進する。チムニーの配置は、図示される横置型若しくは縦置型の双方に対して駆動力が存在するようにされる。

図１、図２及び図３は、放射シールド３１とクライオパネルハウジング２２の間の比較的小さいギャップを示す。小さいギャップは、加熱中の放射シールドへのハウジングからの伝熱を補助する。米国特許第４，４４９，３７３号は、ハウジング２２から放射シールド３１への熱伝達が非常に小さくなるようにスパッタリング中にギャップ内の圧力を十分低く保つことを促進すべく、ギャップの入口端にてバリアを用いると共に、放射シールドの底部にて一以上の開口を用いることを開示する。本設計では、ドレインポート３４は、ギャップからガスを吸入するのに必要な開口を提供する。

表１は、Ａｒスパッタリングプロセス中のクライオポンプの回復時間に影響する上述のファクタを説明する補助をする固体Ａｒの特性の編纂である。温度が１０Ｋに向けて低減されるにつれて、熱伝導率が増加し、比熱Ｃｐが減少すること、及び、固体Ａｒの表面での飽和温度−圧力関係が示されている。クライオポンプの入口で測定される圧力は、最も高い表面温度の関数であることが観測された。迅速な回復を達成するためには、クライオパネルの温度を１５Ｋ未満に保ち、固体Ａｒを均一に大きな領域上に分布させることが重要である。

本発明で説明されたクライオポンプは、スパッタリング用の２００ｍｍＩＤポンプを焦点としていたが、クライオパネル真空ハウジングにて第１段熱ステーションを有し、横置型若しくは縦置型の双方で動作する液体ドレインシステムを有する、ロープロフィール式クライオポンプの第２段シリンダ上に折られる平らなパネルの基本概念は、他のサイズのハウジング及び他の用途にも適用可能である。

本発明の主要な特徴を示すクライオポンプの側面視の断面図である。図１には、エクスパンダ駆動機構が示されていないが、特許文献６において見ることができる。 図１に示すクライオポンプハウジングの中心線に沿った端部の断面図である。 図１の第２段パネルが見えるように、第１段ルーバが除去された、クライオポンプの入口の上面視である。

Claims (12)

1. 真空室を画成するハウジングと、前記ハウジング内に配置される第１段クライオパネル及び少なくとも１つの第２段クライオパネルと、前記真空室への入口ポートであって、冷凍機のエクスパンダシリンダの軸に平行な面内に配置される入口ポートとを含む２段ＧＭタイプの冷凍機により冷却されるクライオポンプであって、
   液体アルゴン及び水を排出するドレインポートを備え、
   前記ドレインポートは、高い熱伝導性を有する材料から構成されるフィン付きベントバルブと、前記フィン付きベントバルブ上に空気流れを方向付ける出力マニホルド及び吸入マニホルドとを含む、クライオポンプ。
2. ２段エクスパンダと、前記エクスパンダシリンダの軸に直角である前記真空室への入口とを有する２段ＧＭタイプの冷凍機により冷却される請求項１に記載のクライオポンプであって、
   前記エクスパンダの第１段熱ステーションに取り付けられ、前記エクスパンダの第２段に取り付けられる第２段クライオパネル組立体を囲む第１段クライオパネル組立体を含み、
   前記第２段クライオパネル組立体は、前記真空室から離れるにつれて広がるように傾斜している複数のプレートを含む、クライオポンプ。
3. 前記エクスパンダシリンダの第２段シリンダの軸に沿って中心化された平らなプレートからなる入口ルーバを含む、請求項２に記載のクライオポンプ。
4. 前記入口ルーバは、少なくとも３ｃｍ、前記第２段クライオパネル組立体から離間される、請求項３に記載のクライオポンプ。
5. 前記第１段熱ステーションは、シリンダハウジングと真空ハウジング組立体内の結合部近傍にある、請求項２に記載のクライオポンプ。
6. 入口が上になる横置型に搭載されることができ、若しくは、第２段熱ステーションが上になる縦置型に搭載されることができる、請求項１に記載のクライオポンプ。
7. 前記第１段クライオパネル組立体の放射シールドは、前記エクスパンダシリンダの第２段シリンダまわりを流体が流れ、該流体が前記ドレインポートを通って流れ出るように、前記第１段熱ステーションに搭載される、縦置型の請求項２に記載のクライオポンプ。
8. 前記第２段クライオパネルは、平らな第２段クライオパネルであり、
   前記エクスパンダシリンダは、第１段熱ステーション、第１段シリンダ、第２段シリンダ、及び第２段熱ステーションからなる、請求項１に記載のクライオポンプ。
9. 前記第１段シリンダの低温端は、前記エクスパンダシリンダが前記クライオパネルを収容する真空室ハウジングに入る場所の近傍にある、請求項８に記載のクライオポンプ。
10. 横置型であるか縦置型であるかに関係なく液体アルゴン及び水がドレインポートを通って流れ出るように配置される、請求項９に記載のクライオポンプ。
11. 前記第２段クライオパネルの中央部を遮蔽する、ポンプ入口ポートを横切って配置される入口ルーバを含む、請求項１０に記載のクライオポンプ。
12. 当該ポンプが縦置型で搭載されるときにクライオポンプ出口から液体が流れ出るのを防止するように配置された液体ダムを含む、請求項１０に記載のクライオポンプ。

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