JP6905474B2 - ガス供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、パージガスを多段真空ポンプに供給するためのパージガス装置に関する。本発明はまた、多段真空ポンプパージガス供給装置及びパージガス供給装置を含む多段真空ポンプに関する。

真空ポンプは、鉄鋼業、精製、科学計器、及び半導体又は電子構成要素製造（以下に限定されるものではないが、Ｌｉイオンバッテリ生成、太陽電池、トランジスタ、集積回路、及びフラットパネルディスプレイ製造を含む）のような多くの産業用途に使用される。本発明は、半導体製造に関連して以下に説明するが、本発明は、この分野で専ら使用される真空ポンプに限定されないことは理解される。

半導体ツールからガス状流体をポンピングするのに使用する真空ポンプは、典型的には、多段容積型ポンプを補助ポンプとして使用する。そのような半導体真空ポンプは、一般的に、処理ガスを大気圧よりも僅かに高い圧力でそれを排出するまで徐々に圧縮するいくつかのポンピング段を有する。パージガスも、典型的には、特定のポンプ段の圧縮比に比例してポンプ段の中に徐々に導入される。

化学気相蒸着処理のような半導体処理では、蒸着ガスが処理チャンバに供給されて基板の面上に蒸着層を形成する。蒸着ガスのチャンバ内の滞留時間は比較的短いので、チャンバに供給されるガスの一部分のみが蒸着処理中に消費される。その結果、真空ポンプによってチャンバからポンピングされる未消費ガス分子は、反応性の高い状態でポンプを通過する可能性がある。その結果、ポンプ構成要素が、攻撃的な未消費ガス分子のポンピングからもたらされる腐食及び劣化に起因して損傷を受ける可能性がある。

処理ガスが、ポンプを通過する時にこれら処理ガスを希釈するために、窒素（又は適用可能な場合にクリーン乾燥空気（ＣＤＡ））のような不活性パージガスをポンプに供給することができる。窒素パージは、安全性、信頼性、及び性能の理由でフラットパネル及び半導体産業に使用される多くの真空乾式ポンプに対して推奨され、一方、ＣＤＡは、ポンプを通過するガス種が比較的低い反応状態を有する場合に使用することができる。ポンプ機構段を通して徐々にパージを導入することは、有効性及び性能の最適な組合せを提供する。パージガスの量は、ポンピング信頼性問題に至る可能性があるので処理ガスの希釈不足と、不要な費用及びポンピング性能の損失に至る可能性があるので処理ガスの過剰希釈との両方を回避するように注意深く制御しなければならない。

パージガスがそれを通ってポンプ機構に入ることができるいくつかの出口を有する加圧マニホルド又はパイプ配置から典型的に構成される流れセレクタ装置を有することは公知である。これに加えて、ＷＯ ２００７／１０７７８１号公報は、流れセレクタ内へ又はそこからのガスの流量を変化させることができる流れセレクタを説明している。出口の各々は、マニホルド圧力に依存する既知の流量を与えるサイズにされた開口を有する。マニホルドは、マニホルド入口を異なる出口セットに結合するように回転される。そのようなデバイスは、選択された量に従って固定量のパージを供給する。

更に、環境及び経済的理由のために窒素消費を最小にすることが望ましい場合がある。ガスパージ流量の段階的変化は、様々な組合せで起動弁を開閉することによって達成することができる。多段ポンプに対して、これは、多数の弁を必要とする可能性があると考えられる。得られるパージ速度の組合せも、処理ガス流れに恐らくは理想的に適合しない。これに代えて、制限器の手動調節を行うことができる。これは、時間を消費し、かつ必要なパージレベルが達成されたことを保証するのに各段パージの個々の測定を必要とする。ＷＯ ２０１３／１４４５８１号公報は、多段真空ポンプのためのパージガス供給を説明しており、供給装置は、比例的に固定されたガス流量でそれぞれのポートにガスを供給するための複数の出口を含む。制御信号に応答して入口へのガス流れを制御し、それによって効率的なパージガス分布を提供するための制御モジュールが提供されている。

ＷＯ ２００７／１０７７８１ ＷＯ ２０１３／１４４５８１

公知のシステムを改良する必要性が今日、存在する。現時点で、パージシステムは、真空ポンプが作動状態の間で循環するのでパージ供給手段内へのガスの逆流を受ける可能性がある。例えば、パージガス供給は、ポンプがその最高点での圧力状態で作動する時の条件に対して最適化される場合があると考えられる。しかし、粗引き作動中に、真空ポンプのポンピングチャンバの内側のガスの圧力は、閾値圧力を超えて増加し、ポンプへの無効なパージ供給をもたらす場合がある。

本発明は、公知のシステム及び処理に関連付けられた欠点のうちの一部に対処するか又はそれを改善することを求めるものである。

最も広範な意味で、本発明は、公知のシステムの欠点を受けにくい改善されたパージガス供給を提供することを目標とする。本発明のパージ供給は、真空ポンプがその最高点での圧力レジームの外側で作動している時に多段真空ポンプ上のパージポートが逆流に抵抗するのに十分な圧力でパージガスを閉じ込める配置を提供することにより、パージ供給装置内へのポンピングされたガスの逆流又は再循環を低減することを目標とする。本発明者は、以下に説明する実施形態が、不要なポンプガス逆流に抵抗するのに逆止め弁を必ずしも必要としないことを見出している。

より詳細には、第１の態様では、本発明は、多段真空ポンプのそれぞれのパージポートにガスを供給するための複数のガス出口に流体連通するガス入口と、ガス出口のすぐ上流に配置され、ガスを受け入れるための入口、与えられた圧力でガスを閉じ込めるための容積部、及びその容積部と出口の各々の間に配置され、第１及び第２の流量の間で出口の各々に比例したガスの流れの連続変動を容易にするために容積部に対して移動可能である可変流れ制限器を含む流れコントローラとを含む多段真空ポンプパージガス供給装置を提供する。

第２の態様では、本発明は、多段真空ポンプのそれぞれのポートにガスを供給するための複数のガス出口に流体連通するガス入口と、ガス出口のすぐ上流に配置されて、ガスを受け入れるための入口、与えられた圧力でガスを閉じ込めるための容積部、及びその容積部と出口の間に配置された可変流れ制限器を含む流れコントローラとを含む多段真空ポンプパージガス供給装置を提供し、作動中に、容積部内のガスの圧力は、多段ポンプのポートのいずれか１つでの多段真空ポンプのいずれのポンプチャンバ内のガスの圧力よりも高い。

第１及び第２の態様の両方は、最高点での圧力作動特性の外側での高圧作動中に真空ポンプによってポンピングされているガスの逆流又は再循環にパージ供給が抵抗することを可能にする多段真空ポンプのための改善されたパージガス供給装置を提供する。

制御オリフィスは、出口の前に配置することができ、かつガスを比例的に固定されたガス流量でそれぞれのパージポートに供給することができるように配列することができる。

更に、可変流れ制限器は、第１及び第２の流量の間の流量の連続範囲を与えるように配列することができる。第１の流量は、出口を通る予め決められた最大流量とすることができる。換言すると、最大流量は、出口又は他のオリフィスのサイズによって決定することができる。第２の流量は、予め決められた最小流量とすることができ、又は第２の流量はゼロとすることができる。すなわち、連続可変流量は、特定の多段真空ポンプに対して必要であるような与えられた流れの範囲内の極値の間で提供される。

これに加えて、可変流れ制限器は、容積部を出口の各々に接続するように配列された第１のセクションを含むことができ、第１のセクションは、容積部に対して移動可能である。移動可能であることにより、第１のセクションが容積部に対して回転可能又は直線移動可能のいずれかであることを意味する。移動は、制限することにより、又は制限を開放する、すなわち、ガスを流すことによって流れを調節することを可能にする。第１のセクションは、長手軸の周りに回転可能であるドラム状特徴要素を含むことができ、このドラムは、出口を容積部と接続し、従って、ガスがパージポートに流れることを可能にするように各々が配列された一連の貫通孔を含むことができる。換言すると、各貫通孔は、容積部に対する第１のセクションの移動が第１及び第２の流量の間の流量の連続範囲の規定を可能にするように容積部内の開口と協働してガスが容積部を出ることを可能にする。

これに代えて、第１のセクションは、出口を容積部と接続するように各々が配列された一連のニードル弁を含むことができる。各ニードル弁を通るガスの流量は、互いに独立に設定されて各出口を通る相対的ガス流れを互いに独立にかつそれぞれに制御することを可能にすることができる。一連のニードル弁は、ガスが出口を通ることを可能にする一連の開口と、開口と協働して開口を通るガス流れを制限するように各々が配列された一連の調節可能ストップ又は先細ニードルとを有するプレートセクションを含むことができる。プレート及びストップは、各又は全ての開口を通るガスの流量の調節を可能にするために互いに対して移動可能とすることができる。換言すると、各ニードル弁は、各ニードル弁を通る流れが予め決定され、かつ他のニードル弁に比例するように、与えられた流量に事前設定することができる。

ここで添付の図を参照して本発明の好ましい実施形態を単に一例として以下に説明する。

パージガス供給を含む公知のポンプシステムの概略図である。 本発明を具現化するパージガス供給装置の実施形態の概略図である。 本発明の実施形態の別の概略図である。 本発明の代替実施形態の概略図である。 本発明の別の代替実施形態の概略フローチャートである。

処理ツール３に流体連通するポンプシステム１の概略は、図１に概略的に示されている。ポンプシステム１は、本発明に従って作動可能な可変パージシステム５に結合される。

可変ポンプシステム１は、ポンプ入口９と、ポンプ（排出）出口１１と、複数のパージポート１３とを有する多段真空ポンプ７を備えている。電気ポンプモータ１５が、システムコントローラ１７からの制御信号に応答して真空ポンプ７を駆動する。システムコントローラ１７は、ポンプモータ１５の作動電流を測定して真空ポンプ７のステータスをモニタするように構成されたデジタルプロセッサ（図示せず）を有している。

本発明の実施形態では、処理ツール３は、真空チャンバ（図示せず）を含む化学気相蒸着装置であるが、勿論、本発明は、ＣＶＤ装置に限定されず、他の処理又は用途に適用することができる。真空チャンバは、前方ライン１９を通じてポンプ入口９と流体連通している。ガスセンサ２１を前方ライン１９に設けて、ポンプ入口９に存在するガスのタイプを検出し、かつ対応するガス検出信号をシステムコントローラ１７に出力することができる。

可変パージシステム５は、パージガス入口２５と各々がポート１３に接続された複数のパージガス出口とを有するマニホルド２３を含む。マニホルド２３の作動は、システムコントローラ１７によって制御される。この例では、パージポート１３は、真空ポンプ７の３／４段間パージ、４／５段間パージ、低真空（ＬＶ）、シャフトシール（ＳＳ）、及び排気（Ｅｘｈ）段に対して設けられる。パージガスは、典型的には窒素（Ｎ₂）である。

典型的には、公知のシステムでは、多段真空ポンプ内への流量は、製造及び試運転フェーズ中に顧客要件に対して設定される。ポンプの要件に従ってパージガス供給速度をそれがその最高点で達成可能な圧力（「最高点で稼働している」として公知の条件）で処理サイクルに対して稼働している間に設定することが通例である。この条件で作動させると、ポンプによって排出される処理チャンバからの反応処理ガスはポンプを通過し、すなわち、パージガスがポンプの使用寿命を改善することが必要である。

しかし、パージモジュールは、最高点条件の外側の稼働条件中に、例えば、ポンプチャンバの内側のガスの圧力が大きく増加する可能性がある時のポンプダウンフェーズ（いわゆる「粗引き」）中にパージガスをポンプに供給するのに適切でない場合があると考えられる。その結果、パージガスの圧力は、パージポートで越えられる可能性があり、ポンピングされたガスは、ポンプ容積部を逃れてパージガスモジュールに入り、望ましくない結果をもたらす可能性がある。本発明の概念の実施形態は、追加の逆止め弁（この問題に対して高価なソリューションであると考えられる）の必要なく不要なパージガスモジュール汚染のリスクを低減することを目標にする。

ひとたび設定されると、公知のシステム上の可変流れ制限器は、定位置に維持され、それ以上は調節されない。従って、予め決められたガス流れは、これらのオリフィスのサイズ及びそれらにわたる圧力低下によって決定される。オリフィスの上流のガス圧力が不十分である場合に、ポンプを通過する処理ガスは、パージガス供給システムに入ってパージ装置内で再循環する可能性がある。これは、取りわけ、処理ガス中の粒子が流れオリフィスを遮断又は制限する可能性があると考えられ、又は腐食性ガスがパージシステムに入ってパージ供給の損害又は機能不良を引き起こす可能性があるという多くの理由のために非常に望ましくない。

図２は、本発明の概念を具現化するパージガス供給モジュール３５の実施形態を示している。モジュールは、パージガス、典型的には適切なソースからの窒素の供給を受け入れるための入口３６を含む。逆止め弁３８は、ガスがモジュール入口から漏れないことを保証する。モジュール内へのガス流れを測定して制御し、システム内の圧力を調整するのにレギュレータ４０が使用される。流れラインは、次に、２つのライン４１及び４２に分かれ、それによって第１のパージライン４１は、多段真空ポンプの段間パージポートにガスを供給するのに使用され、第２のパージライン４２は、ガスをシャフトシール（ＳＳ）及び排気ポート（Ｅｘｈ）に供給する。この例では、それぞれ第４及び第５の段、第５及び第６の段、及び第６及び第７の段の間に配置された３つの段間パージポートが存在する。複数の固定流れ制限器オリフィス４３がモジュールの各々に対して使用され、効率的なパージ供給に関して規定された要件に従って、パージポートへの異なる速度での比例的ガス流れを可能にする。弁４５及び４７は、ガス供給の各ライン上に配置され、必要であればラインが供給装置から隔離されることを可能にする。

ガス供給ライン４１は、可変流れ制限器５０の上流で３つの分枝４１Ａ、４１Ｂ、及び４１Ｃに分かれる。可変流れ制限器５０は、パージガスを段間パージポートに供給する固定制限器４３の全てに対してガス流れを変化させるのに使用され、可変流れ制限器は、固定制限器オリフィス及び段間パージポートのすぐ上流に配置される。可変制限器５０は、単一調節を使用して可変制限器によって供給される全ての段間パージポートへのガス流れが調節されるように可変制限器５０内の流れ弁の全てにリンクされた調節デバイス５１を含む。この調節デバイスは、パージシステムの望ましい必要性に従って手動又はコンピュータで作動させることができる。

この配置は、固定制限器４３の上流（すなわち、可変制限器５０のすぐ下流）のガスの圧力が真空ポンプによってポンピングされているガスの再循環を制限するのに十分であるような流れ制限器配置にわたる圧力低下を与える。更に、可変制限器５０の上流のガスの圧力は、少なくとも部分的にレギュレータによって決定され、かつ処理ガスの再循環を容易にすることができるパージシステム内の位置にポンプからパージシステム内への処理ガスの逆流を制限又は防止するように配置することができる。換言すると、図２に示す配置によるシステムの具備は、処理ガスがパージシステムに入り、オリフィス４３、可変コントローラ５０、及び３つの供給ライン４１Ａ〜Ｃを通過し、処理ガスが処理ガス進入の発生が許されたものとは異なるラインに沿ってガスと混合かつ再循環することができる位置（単一供給ライン４１）に移動するリスクを低減するのにパージ供給圧力を使用する。流れは、可変流れ制限器のいずれかの側に配置されたゲージ５２及び５４から取られた圧力ゲージ読取値から推定することができるが、これらのゲージは、システムの作動に必須ではなく、むしろシステムの性能の評価に有用な読取値を提供する。

図３は、ガス供給アセンブリ１０２を含む本発明の概念の第１の実施形態１００を示している。アセンブリは、質量流れコントローラ４０からパージガスを受け入れる単一入口１０４と、それぞれ３つの出口１０６、１０８、及び１１０とを含む。出口の各々は、多段真空ポンプの適切なそれぞれのパージポートに結合される。固定オリフィス４３が、出口の上流に配置される。入口は、与えられたパージ供給圧力にパージガスを維持することができるマニホルド容積部１１２の中に開いている。ポートへのガス流れは、３つの貫通孔１１６を含む流れアジャスタバレル１１４によって制御される。各貫通孔には、マニホルド１１２とガス連通しているそれぞれライン４１Ａ、４１Ｂ、及び４１Ｃによって供給される。貫通孔は、半径方向にバレルを通過し、各々は、それぞれの供給ライン４１Ａ〜Ｃの開口部によって与えられた３つの開口のうちの１つと協働するように配置される。

流れは、容積部に対してアジャスタバレルを回転させることによって制御される。完全流れは、貫通孔の各々がそれぞれの開口又は供給ラインと同軸的に位置合わせされた時に達成される。流れは、貫通孔及び供給ラインがここで僅かに位置がずれて、それによって貫通孔を通るガス流れを制限するようにバレルを捩ることによって低減することができる。流れは、貫通孔がもはや供給ラインに位置合わせされず、ガスの通路が結果として完全に塞がれる角度までバレルが捩られた場合に完全に停止することができる。従って、連続可変ガス流れは、最大流量及びゼロを有する流れの範囲にわたって制限器を通して達成することができる。

この実施形態は、マニホルドがポンプ上のパージポートの近くにある容積部の加圧ガスを提供するので、公知のシステムに勝る、ある一定の利点を有する。その結果、パージガス供給モジュールは、ポンプが最高点で作動している時（すなわち、低圧作動中）にパージガスの最適流量を提供し、ポンプが粗引き又はポンプダウン中に作動している時（すなわち、高圧作動中）にパージモジュール内へのポンピングされたガスの進入を低減又は防止するように設定することができる。容積部１１２は、パージガスが最高点作動中に必要な速度でポンプポートに流入することができるような十分な圧力でガスを保持するように配置することができるが、ポンプからのガスは、それが他の作動条件中に容積部内のガスの圧力を越えない限りパージモジュールに流入することはできない。

図４は、本発明の代替実施形態１４５を示している。この実施形態では、容積部１１２は、一連の流れ制限器１４６の上流に以前と同様に提供される。この実施形態では、制限器は、先細点セクションを有するピン又はストップ１５０と協働するように配置された開口１４８から構成されたニードル弁配置を含む。開口の有効サイズ（及び従ってそれを通るガスの流量）は、どれだけ遠くに先細セクションを開口に挿入するか変化させることによって制御される。先細セクションが開口の外側にある時に、開口を通るパージガスの流れは、開口のサイズによって実質的に決定される。しかし、先細セクションが開口の中に移動する時に、従って、開口の有効サイズは、開口が先細セクションと物理的に係合して閉鎖され、それによって開口を通る流れをゼロに制限するまで連続方式で縮小される。

図示の実施形態では、各々がそれぞれパージポート（Ｂ、Ｃ、Ｄ、及びＥ）に接続されている４つのニードル弁配置が存在する。弁は、２つの弁配置に対してそれぞれの流量を決定するように独立に事前調節することができる。出口及びパージポートを通るガスの全体流れも制御することができるように開口及びニードルの相対移動を可能にするフレーム又は機構１５５が提供される。従って、設定された状態で、システムを通るガス流れは、矢印Ａ又はＺによって示すように、開口に対してニードルを移動することによって制御することができる。これは、捩り可能（１５６）ネジ付きジャッキ又は適切な駆動及び制御手段を有するサーボを含む電気機械配置のような手動制御手段を提供することによって達成することができる。

図５は、上述の第２の実施形態を組み込んだパージシステム２００、又は本発明の概念を具現化するあらゆる代替システムの概略図である。この配置では、上述の他のシステムに共通する特徴には、同じ参照番号が与えられている。図５のシステムは、図２に示すものと類似しているが、図２におけるパージポートと可変レギュレータ５０の間に配置された固定オリフィス４３は、図５の実施形態では必要ない。固定オリフィスの機能は、可変流れレギュレータ配置に使用されたオリフィス５１Ａ、５１Ｂ、及び５１Ｃの中に組み込まれている。上述のかつ図４に示す第２の実施形態は、この配置を容易に組み込むことができ、それによって開口１４８は、他の実施形態に使用された固定開口オリフィス４３と同じ機能を提供するように設計される。

本発明の代替実施形態は、一般革新的概念から逸脱することなく当業者によって考えられるであろう。例えば、第１の実施形態は、回転バレルの代替として摺動バレルを含むことができる。バレルがその主軸に沿った方向に摺動すると、貫通孔は、もはや開口と同軸的に位置合わせされず、従って、流れは、最大量から制限又は低減される。位置ずれの量は、ゼロから同軸的位置合わせが達成された時の最大流れまでの流量の範囲を通して連続的かつ滑らかに調節することができる。

Claims (14)

1. 多段真空ポンプのそれぞれのパージポートにガスを供給するための複数のガス出口に流体連通するガス入口と、
   前記ガス出口のすぐ上流に配置されガスを受け入れる入口と、与えられた圧力でガスを閉じ込めるための容積部と、該容積部と前記出口の各々の間に配置された可変流れ制限器とを有する流れコントローラと、を備え、
   前記可変流れ制限器は、第１及び第２の流量の間で前記出口の各々に比例したガスの流れの連続変動を容易にするために前記容積部に対して移動可能であり、
   前記可変流れ制限器は、第１及び第２の流量の間で連続した流量の範囲を与えるように構成されている、
   ことを特徴とする多段真空ポンプパージガス供給装置。
2. 多段真空ポンプのそれぞれのポートにガスを供給するための複数のガス出口に流体連通するガス入口と、
   前記ガス出口のすぐ上流に配置されて、ガスを受け入れるための入口と、与えられた圧力でガスを閉じ込めるための容積部を定めるマニホルドと、該マニホルドと該出口の間に配置された可変流れ制限器とを有する流れコントローラと、を備え、
   作動中に、前記容積部内の前記ガスの圧力が、前記多段ポンプの前記ポートのいずれか１つでの前記多段真空ポンプのいずれかのポンプチャンバ内の前記ガスの圧力よりも高く、
   前記可変流れ制限器は、第１及び第２の流量の間で連続した流量の範囲を与えるように構成されている、
   ことを特徴とする多段真空ポンプパージガス供給装置。
3. 前記第１の流量は、前記出口を通る予め決められた最大流量である、
   請求項１または２に記載の装置。
4. 前記第２の流量は、予め決められた最小流量であり、又は
   前記第２の流量は、ゼロである、
   請求項１または２に記載の装置。
5. 可変流れ制限器が、前記容積部を前記出口の各々に接続するように配列された第１のセクションを含み、
   前記第１のセクションは、前記容積部に対して移動可能である、
   請求項１または２に記載の装置。
6. 前記第１のセクションは、前記容積部に対して回転可能又は直線移動可能のいずれかである、
   請求項５に記載の装置。
7. 前記第１のセクションは、長手軸の周りに回転可能なドラムを含み、該ドラムは、出口を前記容積部に接続するように各々が配列された一連の貫通孔を含む、
   請求項５に記載の装置。
8. 各貫通孔が、前記容積部に対する前記第１のセクションの移動が第１及び第２の流量の間の流量の連続範囲の規定を可能にするように前記容積部内の開口と協働してガスが前記容積部を出ることを可能にする、
   請求項５ないし７のいずれか１項に記載の装置。
9. 前記第１のセクションは、出口を前記容積部に接続するように各々が配列された一連のニードル弁を含む、
   請求項５に記載の装置。
10. 各ニードル弁を通るガスの流量を互いに独立に設定することができる、
    請求項９に記載の装置。
11. 前記一連のニードル弁は、ガスが前記出口を通ることを可能にする一連の開口と、開口と協働して該開口を通るガスの流れを制限するように各々が配列された一連の調節可能ストップとを有するプレートセクションを含む、
    請求項９に記載の装置。
12. 前記プレート及びストップは、各開口を通るガスの流量の調節を可能にするために互いに対して移動可能である、
    請求項１１に記載の装置。
13. 各ニードル弁が、各ニードル弁を通る流れが予め決定され、かつ他のニードル弁に対して比例するように、与えられた流量に事前設定することができる、
    請求項９に記載の装置。
14. ガスを比例したガス流量で前記それぞれのパージポートに供給することができるように配列された制御オリフィスを更に含む、
    請求項１又は２に記載の装置。

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