JP5433702B2

JP5433702B2 - 真空処理装置

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Publication number: JP5433702B2
Application number: JP2011534068A
Authority: JP
Inventors: 直人鈴木; 行男増田; 理山口
Original assignee: Ulvac Inc; Ulvac Cryogenics Inc
Current assignee: Ulvac Inc; Ulvac Cryogenics Inc
Priority date: 2009-09-29
Filing date: 2010-09-28
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2030-09-28
Also published as: TW201118250A; CN102667156A; KR20120048689A; JPWO2011040002A1; WO2011040002A1

Description

本発明は、真空中で気体分子を捕捉するクライオパネルを備えたクライオポンプに関する。

クライオポンプは、高真空ポンプの一つとして知られており、膜形成、表面改質、パターン描画、分析、蒸発乾燥等を目的とした真空処理装置に用いられている。クライオポンプは、真空チャンバ内に配置されるパネルと、このパネルを極低温に冷却する冷凍機とを有し、上記パネルに気体分子を凝縮又は凝結させて排気する、捕集式ポンプである。パネルの冷却温度は、到達目標圧力、捕集すべき気体分子の種類等に応じて設定され、水分子（水蒸気）を排気する場合、例えば８０Ｋの超低温又は極低温に冷却される（例えば下記特許文献１参照）。

特開２００２−７０７３８号公報（段落[０００２]、図１）

しかしながら、水蒸気と、水蒸気よりも飽和蒸気圧の高い気体分子（二酸化炭素、塩素、アンモニア等）との混合ガスの雰囲気下で水蒸気を凝縮排気する場合、パネル表面上の凝縮体（氷膜）にクラックが発生し、これが原因で凝縮体が剥離することがある。剥離した凝縮体は昇華（再気化）し、昇華したガスはパネル表面で捕捉されることで再凝縮する。このような凝縮体の昇華及び再凝縮は、排気圧力の変動を招き、安定した排気動作を維持することが困難になる。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、パネル表面での凝縮体の剥離を防止し、安定した排気動作を維持することが可能なクライオポンプを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係るクライオポンプは、真空チャンバを目標圧力に排気するためのクライオポンプであって、パネルと、冷凍機とを具備する。
上記パネルは、上記真空チャンバ内の排気すべきガスを凝縮させる凝縮面と、上記凝縮面に形成され上記凝縮面を独立した複数の分割面に区画する境界部とを有する。
上記冷凍機は、上記パネルを上記目標圧力下での上記ガスの露点以下に冷却することが可能である。

本発明の一実施形態に係るクライオポンプを備えた真空処理装置の構成を示す部分破断側面図である。上記クライオポンプに係るクライオパネルの概略平面図である。上記クライオパネルの要部の部分破断斜視図である。従来のクライオパネルの凝縮面上に堆積した凝縮体の剥離のメカニズムを説明する模式図である。本実施形態に係るクライオパネルの凝縮面に堆積した凝縮体の様子を説明する模式図である。クライオポンプの排気圧力の時間変化を示す実験結果であり、（Ａ）は比較例を示し、（Ｂ）は本発明の実施形態を示している。本発明の実施形態に係るクライオパネルの凝縮面の構成の変形例を示す模式断面図である。本発明の実施形態に係るクライオパネルの凝縮面の構成の変形例を示す模式断面図である。本発明の他の実施形態に係るクライオポンプを備えた真空処理装置の構成を示す部分破断側面図である。本発明のさらに他の実施形態に係るクライオポンプを備えた真空処理装置の構成を示す部分破断側面図である。

本発明の一実施形態に係るクライオポンプは、真空チャンバを目標圧力に排気するためのクライオポンプであって、パネルと、冷凍機とを具備する。
上記パネルは、上記真空チャンバ内の排気すべきガスを凝縮させる凝縮面と、上記凝縮面に形成され上記凝縮面を独立した複数の分割面に区画する境界部とを有する。
上記冷凍機は、上記パネルを上記目標圧力下での上記ガスの露点以下に冷却することが可能である。

上記クライオポンプにおいて、パネルは、真空チャンバ内あるいは真空チャンバの排気通路内等に設置され、冷凍機によって、目標圧力下における真空チャンバ内の排気すべきガスの露点以下に冷却される。真空チャンバ内のガスは、パネルの凝縮面上に凝縮することで捕捉され、これにより真空チャンバは真空排気される。

真空チャンバ内のガスが飽和蒸気圧の異なる複数の混合ガスである場合、凝縮面に堆積した凝縮体は、内部応力によってクラックが発生することがある。上記パネルの凝縮面は、境界部によって独立した複数の分割面に区画されており、個々の分割面は、孤立した島として凝縮面上に点在する。このため、ある分割面上で発生したクラックは、上記境界部によって隣接する他の分割面への伝播が抑制され、クラックの発生領域を当該分割面内にとどめさせることが可能となる。また、凝縮面上の凝縮体の内部応力が各分割面に分散されることで緩和され、分割面上における凝縮体の剥離が阻止される。これにより、凝縮面からの凝縮体の剥離及びその後の再凝縮を原因とする真空チャンバ内の圧力変動が防止され、安定した排気圧力が維持される。

上記境界部は、上記凝縮面に凹設された溝部で構成することができる。これにより、各分割面を上記溝部で孤立させた島状に形成することができる。溝部は、直線形状でもよいし曲線形状でもよい。溝部は規則的に形成されてもよいし、不規則的に形成されてもよい。溝部の形成本数、形成パターン等は特に限定されず、形成すべき分割面の大きさに応じて適宜設定することが可能である。例えば、溝部は格子状に形成されてもよく、これにより分割面を容易に形成することが可能となる。溝部の断面形状も特に限定されず、三角形状（Ｖ字形状）、矩形状、湾曲形状等であってもよい。

上記境界部は、上記凝縮面に突設された壁部で構成されてもよい。この場合も、各分割面を上記壁部で孤立させた島状に形成することができる。壁部は、直線形状でもよいし曲線形状でもよい。壁部は規則的に形成されてもよいし、不規則的に形成されてもよい。壁部の形成本数、形成パターン等は特に限定されず、形成すべき分割面の大きさに応じて適宜設定することが可能である。例えば、壁部は格子状に形成されてもよく、これにより分割面を容易に形成することが可能となる。壁部の断面形状も特に限定されず、三角形状（Ｖ字形状）、矩形状、湾曲形状等であってもよい。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るクライオポンプを備えた真空処理装置の構成を示す部分破断側面図である。真空処理装置１は、真空チャンバ１０と、主ポンプ２０と、クライオポンプ３０とを有する。

真空チャンバ１０は、内部を真空排気可能な密閉構造を有しており、例えばアルミニウム合金、ステンレス鋼等の金属材料で構成されている。真空チャンバ１０の内部には、図示せずとも、半導体ウエハやガラス基板等の被処理基板を支持するステージ、被処理基板を加熱、プラズマ照射、エッチング、成膜等の各種真空処理を実行するための加熱源、プラズマ源、成膜源等が設置されている。

主ポンプ２０には、例えば、ターボ分子ポンプやルーツ型ポンプ等のドライポンプが用いられるが、これ以外にも拡散ポンプ等の他の真空ポンプが用いられてもよい。主ポンプ２０は、真空チャンバ１０の底部に設置されており、真空チャンバ１０の内部を所定の第１の真空度（例えば１×１０^−４Ｐａ）にまで排気する。

クライオポンプ３０は、真空チャンバ１０の内部に存在する水蒸気（Ｈ_２Ｏ）を凝縮排気するためのもので、第１の真空度よりも高真空の第２の真空度（例えば１×１０^−５Ｐａ）にまで真空チャンバ１０の内部を排気する。本実施形態において、クライオポンプ３０は、主ポンプ２０によって真空チャンバの内部が上記第１の真空度に達した後、駆動される。

クライオポンプ３０は、真空チャンバ１０の内部に位置するクライオパネル３１と、真空チャンバ１０の外部に位置するクライオパネル３１を冷却する冷凍機３２とを有する。冷凍機３２は、真空チャンバ１０の底部１０ａを気密に貫通するコールドヘッド３２ａを有し、コールドヘッド３２ａはその先端部でクライオパネル３１を支持する。冷凍機３２は、図示しないヘリウム圧縮機から送り込まれるヘリウムをコールドヘッド３２ａにおいて膨張させ、クライオパネル３１を例えば８０Ｋ以下の超低温または極低温に冷却する。

クライオパネル３１の冷却温度は特に限定されず、クライオポンプ３０の到達目標圧力下において、クライオパネル３１上で水蒸気を凝縮できる温度（露点）以下であればよい。

次に、クライオパネル３１の詳細について説明する。図２は、クライオパネル３１の平面図、図３は、クライオパネル３１の部分斜視図である。

クライオパネル３１は、銅やアルミニウム等の熱伝導性の高い金属材料の円盤で構成されている。クライオパネル３１は、真空チャンバ１０の内部に対向する上面が、排気対象である水蒸気を凝縮させる凝縮面３１０とされている。なお、クライオパネル３１は、円盤形状に限られず、矩形状であってもよい。また、クライオパネル３１は平板である場合に限られず、湾曲板、円筒形状等であってもよい。

凝縮面３１０は、相互に独立した複数の分割面３１０ａを有する。各分割面３１０ａは、凝縮面３１０に格子状に形成された複数本の溝部３１０ｂ（境界部）によって区画されている。これにより、各分割面３１０ａは、相互に孤立した島として凝縮面３１０上に点在する。なお、図２は理解容易のため簡略化して示されており、実際には、分割面３１０ａは図示の例よりも微細に形成されている。

溝部３１０ｂは、隣接する複数の分割面３１０ａの境界を構成する。溝部３１０ｂは、略三角形状（Ｖ字形状）の断面形状を有する。本実施形態において溝部３１０ｂは、各々の分割面３１０ａが正方形となるように、面内で直交する二軸方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向）にそれぞれ直線的に複数形成されている。溝部３１０ｂの幅、深さ、形成間隔は特に制限されず、各分割面３１０ａの大きさ（面積）、間隔等に応じて適宜設定される。例えば、クライオパネル３１の直径が４７０ｍｍの場合、溝部３１０ｂの幅、深さ、形成間隔はそれぞれ１ｍｍ、０．５ｍｍ、５ｍｍとすることができる。

以上のように構成される本実施形態のクライオポンプ３０において、クライオパネル３１は、冷凍機３２によって８０Ｋ以下に冷却される。真空チャンバ１０内の残留ガス（あるいは放出ガス）は、クライオパネル３１の凝縮面３１０上に凝縮することで捕捉され、これにより真空チャンバ１０は上記第２の真空度にまで排気される。

本実施形態においてクライオポンプ３０は、主として、真空チャンバ１０内の水蒸気（Ｈ_２Ｏ）を排気するように運転される。ここで、真空チャンバ１０内に水蒸気よりも飽和蒸気圧の高いガス（例えば、二酸化炭素、塩素、アンモニア）が存在する場合、これらのガスも水蒸気と共にクライオパネル３１に捕捉され、水蒸気との混合ガスの凝縮体として凝縮面３１０上に堆積する。上記混合ガスの凝縮体は、凝縮熱や凝縮時の体積膨張率の相違などにより内部応力が比較的大きいため、クライオパネル３１上でクラックが発生することがある。

ここで、凝縮体に発生したクラックが所定以上にわたって成長すると、凝縮面からの凝縮体の剥離が誘発される。図４は、凝縮面上における凝縮体の剥離のメカニズムを説明する模式図である。凝縮面Ｓ上の凝縮体（氷膜）Ｆに発生するクラックＣ１は、任意の位置で発生し（図４（Ａ））、成長と合体を経て比較的大きなクラックＣ２を発生させる（図４（Ｂ））。クラックＣ２は凝縮面Ｓから剥離し（図４（Ｃ））、最終的に剥離片Ｃ３を発生させる（図４（Ｄ））。凝縮面Ｓからの凝縮体Ｆの剥離は、ポンプ排気能力の低下を招くとともに、剥離片Ｃ３の昇華（再気化）によって真空チャンバ内の圧力を上昇させる。また、昇華したガスは凝縮面Ｓで再凝縮し、これにより真空チャンバ内の圧力が低下する。これらの現象が繰り返されることで、排気圧力が変動し、安定した高真空度を維持することが困難となる。

一方、本実施形態においては、クライオパネル３１は、凝縮面３１０が溝部３１０ｂによって独立した複数の分割面３１０ａに区画されている。図５（Ａ）は、クライオパネル３１の凝縮面３１０上に堆積した凝縮体Ｆを示している。凝縮体Ｆは、分割面３１０ａと溝部３１０ｂの表面形状にならって凝縮面３１０上に堆積される。

図５（Ｂ）は、凝縮体Ｆにクラックが発生したときの様子を示す模式図である。個々の分割面３１０ａは、孤立した島として凝縮面３１０上に点在している。したがって、ある分割面３１０ａで発生したクラックＣは、溝部３１０ｂによって大きな伝播抵抗を受けることで、隣接する他の分割面への伝播と、分割面３１０ａ相互間のクラックＣの合体が抑制される。すなわち、凝縮面に形状的な異方性を付与する境界部を形成することにより、クラックＣの伝播の態様を制御することが可能となる。したがって、個々の分割面３１０ａの大きさをクラックＣによる当該分割面からの剥離を生じさせない大きさに設定することで、クラックの発生領域を当該分割面内にとどめさせることができる。

また、本実施形態によれば、凝縮面３１０上の凝縮体Ｆの内部応力が各分割面３１０ａに分散されることで緩和され、分割面３１０ａ上における凝縮体Ｆの剥離を有効に阻止することが可能となる。これにより、凝縮面３１０からの凝縮体Ｆの剥離及びその後の再凝縮を原因とする真空チャンバ内の圧力変動を防止でき、安定した排気圧力を維持することが可能となる。

なお、凝縮体ＦのクラックＣは、溝部３１０ｂ内においても発生し得る。しかし、溝部３１０ｂと分割面３１０ａとの間に形状上の等方性が失われているため、溝部３１０ｂと分割面３１０ａとの間にわたるクラックの伝播及び合体は効果的に阻止される。

図６（Ａ）、（Ｂ）は、排気圧力の時間変化を示しており、（Ａ）は凝縮面が連続平面で形成された比較例（図４）に係るクライオパネルを用いたときの実験結果、（Ｂ）は凝縮面が境界部で区画された複数の分割面で形成された本実施形態に係るクライオパネル３１を用いたときの実験結果である。実験では、真空チャンバを１×１０^−５Ｐａまで排気した後、真空チャンバに水蒸気（Ｈ_２Ｏ）を１３０ｓｃｃｍ、二酸化炭素（ＣＯ_２）を１００ｓｃｃｍそれぞれ導入し続けながら圧力を測定した。クライオパネルの冷却温度は７０Ｋとした。

図６（Ａ）に示すように、比較例に係るクライオパネルでは運転を開始してから約１時間経過後に圧力の変化が現れ始め、以後、継続して圧力の変動が認められた。これに対して本実施形態によれば、図６（Ｂ）に示すように、運転開始から圧力の変動は認められず、長時間にわたって安定した排気圧力を維持できることが確認された。また図示せずとも、本実施形態によれば、２４時間の排気時間にわたって排気圧力を安定に維持できることが確認された。このように排気圧力を安定に維持できる要因は、クライオパネルからの凝縮体の剥離を確実に防止できることにある。従来技術であれば凝縮体が剥離を起こす厚みである３ｍｍ堆積した場合でも、本実施形態によれば、クライオパネルからの剥離がないことが確認されている。

以上のように、本実施形態によれば、クライオパネル３１の凝縮面３１０が溝部３１０ｂによって複数の分割面３１０ａで形成されているので、凝縮面３１０上における凝縮体の剥離を防止することができる。これにより、クライオポンプ３０による安定した排気動作を実現でき、真空チャンバ内の圧力変動を防止することができる。また、真空チャンバ内における成膜等の真空プロセスを長時間にわたって安定して実施することが可能となる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、勿論本発明はこれに限定されることはなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

例えば以上の実施形態では、クライオパネル３１の凝縮面３１０を構成する複数の分割面３１０ａを平面形状とし、また、各分割面３１０ａを区画する溝部３１０ｂの断面形状を三角形状（Ｖ字形状）としたが、これらに限られない。また、溝部３１０ｂの幅を分割面３１０ａの溝よりも小さくしたが、溝部３１０ｂの幅を分割面３１０ａの幅と同等以上の大きさとしてもよい。上記のような構成例においても、上述と同様な作用効果を得ることができる。

図７（Ａ）〜（Ｃ）は、凝縮面の構成の変形例を示すクライオパネルの模式断面図である。図７において、（Ａ）は、断面形状が矩形状の溝部４１０ｂで分割面４１０ａを形成した例を示している。溝部４１０ｂは分割面４１０ａと同等以上の幅を有する。（Ｂ）は、断面三角形状の溝部５１０ｂを連続的に形成することで、溝部５１０ｂの斜面を分割面５１０ａとした構成例を示している。（Ｃ）は、溝部６１０ｂの幅を分割面６１０ａの幅と同等以上に形成した例を示している。

また、以上の実施形態では、クライオパネルの凝縮面を複数の分割面に区画する境界部を溝部で構成したが、上記境界部を壁部で構成してもよい。この場合にも、個々の分割面を孤立した島として凝縮面上に点在させることができる。この構成の一例は、例えば図７（Ａ）の構成例に対応し、この場合、溝部４１０ｂは分割面に相当し、分割面４１０ａは壁部に相当する。

また、以上の実施形態では、クライオパネルの凝縮面に境界部を形成することで複数の分割面を形成したが、これに代えて、図８（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、クライオパネルそのものを凝縮面に分割面が形成されるような形状に加工してもよい。例えば図８において（Ａ）は、断面形状が半円形状の壁部７１０ｂで分割面７１０ａを区画したクライオパネル７１を示している。（Ｂ）は、断面形状が三角形状の壁部８１０ｂで分割面８１０ａを区画したクライオパネル８１を示している。そして（Ｃ）は、断面形状が矩形状の溝部９１０ｂで分割面９１０ａを区画したクライオパネル９１を示している。これらのクライオパネル７１、８１、９１は、例えば金属板をプレス加工する等して形成することができる。また、図８（Ａ）、（Ｂ）において、上記壁部７１０ｂ、８１０ｂは分割面であってもよく、分割面７１０ａ、８１０ａは溝部であってもよい。また、図８（Ｃ）において、溝部９１０ｂは分割面であってもよく、分割面９１０ａは壁部であってもよい。

さらに、クライオポンプ３０を備えた真空処理装置は、上述の構成例に限られず、例えば図９に示すように構成されてもよい。図９に示す真空処理装置２は、真空チャンバ１０と、主ポンプ２０と、クライオポンプ３０と、真空チャンバ１０の内部とクライオポンプ３０が設置されるポンプ室とを仕切る仕切弁４０とを有する。なお、図９において図１の構成と同様の部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略するものとする。

図９において、仕切弁４０は、ドアバルブ等の開閉弁で構成されており、真空チャンバ１０の真空排気時、全開状態とされる。また、真空チャンバ１０の内部を大気に開放する際等においては全閉状態とされ、ポンプ室内を真空状態に維持することが可能となっている。このような構成の真空処理装置２においても、上述の実施形態と同様な作用効果を得ることができる。

さらに、クライオポンプ３０を備えた真空処理装置は、上述の構成例に限られず、例えば図１０に示すように構成されてもよい。図１０に示す真空処理装置３は、真空チャンバ１０と、主ポンプ２０と、クライオポンプ３０と、真空チャンバ１０と主ポンプ２０とを接続する排気通路１５とを有する。なお、図１０において図１の構成と同様の部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略するものとする。

図１０において、クライオポンプ３０は、排気通路１５に取り付けられており、真空チャンバ１０から主ポンプ２０へ向かうガス（例えば水蒸気）を排気通路１５の内部において排気する。クライオポンプ３０は、円筒形状のクライオパネル１３１を有しており、排気通路１５の内部に、例えば排気通路１５と同心的に配置される。この円筒形状のクライオパネル１３１の内周面および外周面には、相互に独立した複数の分割面を有する上述と同様の凝縮面が形成されている。

なお、当該凝縮面は、クライオパネル１３１の内周面および外周面の少なくとも一方に形成されていればよい。このような構成の真空処理装置３においても、上述の実施形態と同様な作用効果を得ることができる。また、排気通路１５内に設置されるクライオパネル１３１の数は単一に限られず、複数でもよい。この場合、径の異なる複数の円筒状クライオパネルが相互に同心的に配置されてもよいし、同一径の複数の円筒状クライオパネルが排気通路に沿って直列に配置されてもよい。

さらに、以上の実施形態では、クライオポンプ３０によって排気すべきガスとして水蒸気を例に挙げたが、これに限られず、真空処理に用いられる各種プロセスガス（例えば、窒素やアルゴン）の排気に際しても本発明は適用可能である。例えば、クライオパネルを３０〜４０Ｋに冷却することで、真空チャンバ内の窒素及びアルゴンを凝縮排気することができる。この場合にも、クライオパネル上の凝縮体が内部応力によってクラックが発生するおそれがあるが、本発明に係るクライオパネルを用いることにより、当該凝縮体の剥離を阻止し、排気圧力の変動を防止することが可能となる。

１、２、３…真空処理装置
１０…真空チャンバ
１５…排気通路
２０…主ポンプ
３０…クライオポンプ
３１、６１、７１、８１、９１、１３１…クライオパネル
３２…冷凍機
４０…仕切弁
３１０…凝縮面
３１０ａ、４１０ａ、５１０ａ、６１０ａ、７１０ａ、８１０ａ、９１０ａ…分割面
３１０ｂ、４１０ｂ、５１０ｂ、８１０ｂ、９１０ｂ…溝部
６１０ｂ、７１０ｂ…壁部

Claims

真空チャンバと、
前記真空チャンバの内部を排気する主ポンプと、
前記真空チャンバ内に露出するように配置され、前記真空チャンバ内の排気すべき水蒸気を含むガスを凝縮させる凝縮面と、前記凝縮面に形成され、前記凝縮面を独立した複数の分割面に区画し、一の分割面から隣接する他の分割面への前記ガスの凝縮体に発生したクラックの伝播を抑制する、格子状で断面がＶ字の溝部とを有するパネルと、
前記パネルを前記ガスの露点以下に冷却することが可能な冷凍機と、を有するクライオポンプと
を具備する真空処理装置。