JP7712349B2 - クライオポンプ - Google Patents

Description

本発明の分野は、クライオポンプに関し、詳細には、水蒸気などのＩ型ガスを捕捉するための温度の第１ステージと、窒素などのＩＩ型ガスを捕捉するための及びいくつかの実施形態では水素などのＩＩＩ型ガスをクライオ吸着するための低温の第２ステージとを有する、２段式クライオポンプに関する。

２段式クライオポンプは、４－２５Ｋの範囲で動作する低温の第２ステージクライオパネルアレイで形成されており、これは、チャコールなどの捕捉材料でコーティングすることができる。このクライオパネルアレイは、一次ポンプ面として機能し、４０－１３０Ｋのような高温範囲で動作し、低温アレイに輻射シールドを提供し、これらのガス分子をシールドに接触する場所で捕捉することによって水蒸気などのＩ型ガスから遮蔽する第１ステージ輻射シールドによって取り囲まれている。

動作時、ガスが入口からポンプ容器に入ると、水蒸気などのＩ型ガスの少なくとも一部は、第１ステージの輻射シールドの一部を形成する前面アレイ上で凝縮される。低沸点ガスは、前面アレイを通り、輻射シールド内の容積に入る。一方で、水素、ヘリウム、ネオンなど、４Ｋでかなりの蒸気圧を有するＩＩＩ型ガスは、第２ステージのクライオパネルを覆う、活性炭、ゼオライト、分子ふるいなどの吸着剤で吸着される。

このようにして、チャンバからポンプに流入するガスが捕捉され、真空は、ポンプ容器の中に発生する。クライオポンプの１つの問題点は、動作時、ガス分子が捕捉面で飽和し、捕捉能力が低下することである。従って、クライオポンプは、定期的に再生して、捕捉した気体分子を放出する必要がある。

再生の間の動作時間が長い２段式クライオポンプを提供することが望ましいであろう。

第１の態様は、クライオポンプを提供し、このクライオポンプは、ポンプ入口と、２段式冷凍機と、２段式冷凍機の第１ステージに熱的に結合された第１ステージアレイと、２段式冷凍機の第２ステージに結合され、複数のクライオパネルを含むクライオパネル構造体と、を備え、複数のクライオパネルの各々は、２つの表面を含み、２つの表面は、吸着剤でコーティングされた表面と、吸着剤でコーティングされていない更なる表面とを含み、第１ステージアレイは、複数のクライオパネルに対応する複数の要素を含み、複数の要素は、ポンプ入口と複数のクライオパネルと間に取り付けられるように構成され、複数の要素の各々は、対応するクライオパネルとポンプ入口との間の位置から隣接するクライオパネルに向かって延び、ポンプ入口に向かって傾斜しており、複数の要素の各々は、隣接するクライオパネルのコーティングされた表面を、ポンプ入口を通過するガス分子の直接的な衝突から少なくとも部分的に遮蔽するようになっている。

本発明の発明者は、クライオポンプにおける吸着剤コーティング表面の問題は、経時的にガス分子が吸着され、効果が低下することであることを認識している。吸着剤は、ＩＩＩ型ガスを捕捉するために設けられており、これらのガスがこれらの表面に接触して捕捉されることが重要である。しかし、再生サイクル間の時間を長くするためには、他の表面で凝縮する可能性のある他のガスが吸着剤に捕捉されるのを抑制することが望ましいことになる。例えば、フォトレジストは、クライオポンプを使用して半導体プロセスチャンバを排気する際に存在する可能性のあるガスであり、これは衝突で吸着剤表面に吸着され、再生サイクル間の時間を短くする。

本発明の発明者は、第２ステージクライオパネルの表面の一部がコーティングされておらず、フォトレジストなどのガスがこれらの表面に最初に衝突すると、吸着剤コーティング表面に到達する前に非コーティング表面で凝縮され、結果として吸着剤コーティング表面の寿命が長くなることを認識している。一般に、ポンプの設計者は、クライオパネルの全表面をコーティングしようとするが、これにより、吸着剤で覆われる面積が増え、ポンピング速度が高くなり、再生の間の時間が長くなる。しかしながら、吸着剤で覆われる表面積は、吸着できる水素の量を反映し、安全機能の意味を有するので、ポンプの設計は吸着剤で覆われる表面積を考慮する必要がある。

従って、ポンプに非コーティング表面を設けることで、ＩＩＩ型でないガスが非コーティング表面に衝突して凝縮し、ＩＩＩ型ガスは非コーティング表面に衝突すると跳ね返り、吸着されることになる。このように、吸着剤表面は主にＩＩＩ型ガスを吸着することになり、その効果が大きくなり、再生の間の時間が長くなることになる。実際には、ガスの少なくとも一部が非コーティング表面に衝突することを可能にすることによって、フォトレジストなどのガスの一部は、コーティング表面には到達せず、コーティング表面はこれらのガスから保護され、非コーティング表面から跳ね返るＩＩＩ型ガスをほぼ例外なくポンプとして使用することができ、再生の間の時間が長くなり、ポンピング速度が経時的に過度に低下しないポンプを提供することができる。

さらに、パネルの一方の表面に吸着剤をコーティングし、他方の表面にはコーティングしないことで、製造が簡単な構成が提供される。加えて、この構成自体は、入口から入ってくる分子が衝突する可能性のある表面と、前面アレイによって遮蔽される他の表面を提供するのをうまく助ける。これに関連して、コーティング表面は、第１ステージアレイの要素をクライオパネルと入口との間にあるように配置することによって、入口に入る分子から少なくとも部分的に遮蔽される。それぞれのクライオパネルに最も近い第１ステージ要素の一部（側面又は縁部）は、クライオパネルと実質的に同じ長手方向平面内にあり、隣接するクライオパネルの半径方向位置に向かって半径方向に延びるように角度付けすることができる。このように、要素は、クライオパネルと入口との間でクライオパネルの一方の側面（コーティングされた側面）に広がり、その側面を入口から入るガス分子から保護する。

ポンプは、クライオパネルの全表面がコーティングされる場合と比較して、コーティングされた表面積が減少するため、表面に吸着される水素の理論上の最大量が減少する。ポンプは、吸着できる水素の最大量に関連する安全機能を有しているので、この最大値を小さくすることは、設計された安全機能の負担を少なくする。吸着できる水素の理論的最大量は減少するが、フォトレジストなどのＩＩＩ型以外のガスの少なくとも一部は、吸着剤表面ではなく、覆われていない表面上で凝縮することになるので、動作時にポンプが吸着する実際の水素量は、完全にコーティングされた表面を有するポンプと同じになる可能性がある。

従って、表面の一部のみがコーティングされる場合、ポンピング速度が経時的に過度に低下しない改良されたポンプを提供することができる。

第１ステージアレイは第２ステージアレイと同じ温度とすることができるが、いくつかの実施形態では、第１ステージアレイは第２ステージアレイよりも暖かい温度であり、水蒸気などのガスをポンピングするために構成され、第２ステージアレイは窒素などの低温で凝縮するガスをポンピングする。

いくつかの実施形態では、クライオパネル構造体は、クライオポンプに入る分子が最初に衝突する可能性が最も高いクライオパネル構造体の表面が、クライオパネル構造体の表面の更なる部分であるように、構成されて取り付けられる。

クライオパネル構造体が、吸着剤でコーティングされていない表面がポンプに入る分子によって最初に衝突する可能性が最も高いように、配置されている場合、この構造体上で凝縮するフォトレジスト分子のような分子は、吸着剤表面に到達しないが、ＩＩＩ型ガスは、覆われていない表面から跳ね返ることになり、その後、コーティング表面に衝突した場合に吸着剤表面によって捕捉されることになる。このように、吸着剤表面は、これらの温度で凝縮しない分子をほぼ例外なく捕捉するために使用することができ、吸着剤表面の有効寿命は長くなることになる。

いくつかの実施形態では、第１ステージアレイ及びクライオパネル構造体は、ポンプ入口とクライオパネルの表面のコーティングされた部分との間に見通し線経路が存在しないように構成されている。

有利には、クライオパネル構造体は、ポンプ入口と表面のコーティングされた部分との間に見通し線経路がないように配置することができ、ポンプに入る分子が衝突する最初の表面がクライオパネルのコーティング構造である可能性は非常に低くなる。従って、コーティング構造は、一般に、すでに非コーティング表面に衝突した分子のみを受け取ることになり、このようにして、これはフォトレジストなどの非コーティング表面上で凝縮するガスから保護されることになる。

いくつかの実施形態では、複数のクライオパネルは、複数の平面クライオパネルからなり、クライオパネルの一方の表面は、コーティング表面からなり、他方の表面は、更なる表面からなる。

他の実施形態では、複数のクライオパネルは、異なる直径の複数の同軸円筒形クライオパネルからなる。

いくつかの実施形態では、円筒形クライオパネルの外面は、コーティング表面からなり、その内面は、更なる表面からなる。

クライオパネル構造体は、平面状とすることができる。いくつかの実施形態では、平面構造は、１つのコーティング表面と１つの非コーティング表面とを有することができる。他の実施形態では、クライオパネル構造体は、同軸円筒形構成を形作ることができる。いくつかの実施形態では、円筒の内面は非コーティング表面であり、外面はコーティング表面であり、クライオパネルは、ポンプ入口に入るガス分子が内面に衝突し、凝縮しない場合に跳ね返り、同軸円筒の対向する外面に衝突するように配置されている。

いくつかの実施形態では、複数の要素は、ガス分子がクライオパネル構造体に衝突する前に複数の要素のうちの１つに衝突するように、入口を通して見た場合に重なるように構成されている。要素の配置は、要素から跳ね返るガス分子が、非コーティング表面の方に向けられることになりコーティング表面のさらなる保護をもたらすようなものである。

いくつかの実施形態では、第１ステージアレイの複数の要素は、異なる直径の複数の同軸裁頭円錐形要素からなる。

クライオパネル構造体が円筒形要素からなる場合、第１ステージアレイの１つの構成は、円筒の一方の表面に対して特に効果的な保護をもたらす。さらに、この構成は、円形のポンプ入口にうまく適合する。

いくつかの実施形態では、吸着剤は、水素、ヘリウム、ネオンなどのＩＩＩ型ガスを吸着するように構成されている。

いくつかの実施形態では、吸着剤は、コーティング表面をコーティングする分子ふるいからなる。

いくつかの実施形態では、吸着剤は、チャコール、活性炭、ゼオライト、又は多孔質金属表面のうちの１つからなる。

吸着剤は、金属とすることができ、いくつかの実施形態では、表面に噴霧することができる多孔質金属、例えば、スポンジアルミニウムを使用することができる。スポンジアルミニウムは、９０％を超える気孔率を有する。

さらなる特定の及び好ましい態様は、独立請求項及び従属請求項に記載されている。従属請求項の特徴は、適宜、独立請求項の特徴と組み合わせること、又は、請求項に明示的に規定されている以外の組み合わせで組み合わせることができる。

装置の特徴が、ある機能を提供するために動作可能であると説明される場合、これは、その機能を提供する、又はその機能を提供するように適合又は構成される装置の特徴を含むことを理解されたい。

本発明の実施形態は、以下に、添付の図面を参照してさらに説明される。

実施形態のクライオポンプのクライオパネル構造体の第２ステージアレイ及び前面アレイを通る断面を示す。 図１のクライオパネル構造体及び前面アレイ構造体を異なる角度から見た断面を示す。 さらなる実施形態による平面クライオパネル構造体を示す。 図３のクライオパネル構造体及び前面アレイを示す。

実施形態を詳細に説明する前に、まず、概要について説明する。

第２ステージクライオパネル構造体が提供され、ここでは、チャコールのような吸着剤は、パネルの一方の側面で表面にコーティングされて水素を収集し、他方の側面は、吸着剤で覆われておらず、クライオパネルの低い温度で凝縮するフォトレジストのような他の分子を収集することになる。

いくつかの実施形態では、ポンプ入口を通して見た場合に重なるように構成された要素からなる、より高温（ほぼ８０Ｋ程度）の前面アレイが存在する。重なり量は、最大水素ポンピング速度を決定することになる。これに関連して、大きな重なりは、ガスの流れを妨げ、前面アレイによってポンピングされないガスのポンピング速度を制限することになるが、これは、第２ステージアレイを保護し、再生の間の時間を長くすることになる。

このクライオポンプは、インプラント用途及びＰＶＤ（物理的気相成長）用途など、半導体プロセスからのガスのポンピングに特に有効である。

実施形態は、平面及び円形の解決策を提供する。従来、ポンプ入口及び真空チャンバへの接合部が円形であるため、前面アレイ構造は、円形であった。平行な傾斜パネルで構成される平面の前面アレイにより、第２ステージの構造体は、前面アレイと一致させることができ、非常に高い水素ポンピング速度を実現することができる。欠点は、入口の面積を有効に利用できない点である。

円形の前面アレイは、ポンプと真空チェンバとの接合部の円形入口に上手く適合する。円形の前面アレイによってクライオパネル構造体の表面を効果的に遮蔽するために、円筒形のクライオパネルを使用することができる。円形の前面アレイは、有利には、重なり合う裁頭円錐形要素で形成することができる。円筒形クライオパネルの内面は、コーティングされていない内面とすることができ、これらの表面によって偏向された分子は、隣接する同軸円筒形構造体のコーティングされた外面に衝突することになる。これは、ポンピング速度が経時的に低下しないか又は少なくとも低下が抑制されたポンプをもたらすことになる。

図１は、実施形態による同軸第２ステージ円筒形クライオパネル構造体２０を示し、これは、第１ステージ又は前面アレイ１０によって遮蔽されている。前面アレイ１０は、ポンプ入口５を通して見た場合に重なる複数の同軸裁頭円錐形要素１２を備える。

前面アレイを形成する複数の要素１２は、クライオポンプの第１ステージ冷凍機に熱的に結合され、４０－１３０Ｋの範囲の第１ステージ温度に保持される。ポンプ入口５に向かい合う前面アレイの要素１２の上面は傾斜しており、これらの表面に衝突する分子は、第１ステージ冷凍機の温度で凝縮する場合は捕捉されるか又は外側の隣接する要素の下面に向かって偏向されることになる。第２ステージクライオパネル構造体に向かってポンプに入る第１ステージアレイの要素１２の間の経路は、円筒形クライオパネルの内面に向かって角度が付けられている。従って、これらの経路に沿って移動する分子は、第２ステージクライオパネル構造体に到着すると、クライオパネル構造体の円筒形要素の内面２２に優先的に衝突することになる。分子が第２ステージアレイの温度、すなわち４－２５Ｋの間で凝縮するガス、例えば窒素又はフォトレジストである場合、分子は、矢印９で示す軌道をたどり、内面２２に捕捉される。分子が第２ステージの温度で凝縮しないＩＩＩ型ガス分子である場合、分子は矢印７で示す軌道をたどり、円筒形クライオパネル要素の内面２２によって、隣接する内筒形要素の外面２４に向かって偏向され、内面２４をコーティングする吸着剤表面で捕捉されることになる。

このようにして、同軸円筒形の第２ステージクライオパネル要素の内面２４は、ＩＩＩ型ガス分子以外のガス分子から遮断されるので、クライオパネル構造体の長期的な有効性が向上し、フォトレジストなどの分子の吸着に起因してポンピング速度が過度に低下しない。

図２は、同じクライオパネル構造体を別の角度から示す。ここでは、第１ステージアレイ１０の裁頭円錐形要素１２が、第２ステージクライオパネル構造体を形成する同軸円筒形要素２５の上に広がっていることを一層明瞭に見ることができる。

図３及び図４は、２つのアレイが平面的であり、それぞれが平面要素で形成されている代替の実施形態を示す。クライオパネル構造体は、平行なパネルを有し、その一方の側面は吸着剤でコーティングされ、他方の側面はコーティングされていない。前面アレイは、第２ステージアレイの要素から延び、ポンプ入口に向かって傾斜した要素で構成される。このように、これは、ポンプ入口から侵入する分子による最初の衝突からコーティング表面を保護する。

図３は、入口５を有するポンプ内の第２ステージクライオパネル構造体の平行な平面要素２５を示す。第１ステージの前面アレイは示されていない。

図４は、第２ステージアレイ要素２５及びポンプ入口５に対する前面アレイ要素１２を概略的に示す。図示のように、要素１２は、ポンプ入口５と第２ステージアレイのクライオパネル構造体との間に取り付けられている。これらは、ポンプ入口５から見た場合に重なるように傾斜しており、図１及び図２の実施形態と同様に、前面アレイ要素１２の間の経路は、クライオパネル構造体の覆われていない表面２２に通じるので、ポンプ入口から入る分子は、この非コーティング表面に向かって導かれる。従って、最初の衝突は覆われていない表面２２で起こり、第２ステージ冷凍機の温度で凝縮する何らかの分子は捕捉される。他のＩＩＩ型分子は、表面２２からコーティング表面２４に向かって跳ね返り、衝突時に吸着剤コーティングによって捕捉される。このように、第２ステージ要素のコーティング表面は、傾斜した第１ステージアレイ要素によって、ポンプに入る分子による最初の衝突から遮蔽される。第１ステージアレイ上又は第２ステージアレイ上で凝縮しない分子は、コーティング表面に衝突し、吸着剤によって捕捉される。

本発明の例示的な実施形態は、添付の図面を参照して本明細書に詳細に開示されているが、本発明は、正確な実施形態に限定されず、添付の請求項及びその均等物によって定義される本発明の範囲から逸脱することなく、当業者によって様々な変更例及び修正例がもたらされ得ることを理解されたい。

５ ポンプ入口
７ 水素分子の軌道
９ フォトレジスト分子の軌道
１０ 第１ステージアレイ
１２ 第１ステージアレイ要素
２０ クライオパネル構造体
２２ 非コーティング表面
２４ 吸着剤コーティング表面
２５ クライオパネル要素

Claims (10)

1. クライオポンプであって、
   ポンプ入口と、
   ２段式冷凍機と、
   前記２段式冷凍機の第１ステージに熱的に結合された第１ステージアレイと、
   前記２段式冷凍機の第２ステージに結合され、複数のクライオパネルを含むクライオパネル構造体と、
   を備え、
   前記複数のクライオパネルの各々は、２つの側面を含み、前記２つの側面は、吸着剤でコーティングされた側面と、前記吸着剤でコーティングされていない更なる側面とを含み、
   前記第１ステージアレイは、前記複数のクライオパネルに対応する複数の要素を含み、
   前記複数の要素は、前記ポンプ入口と前記複数のクライオパネルと間に取り付けられるように構成され、
   前記複数の要素の各々は、対応するクライオパネルと前記ポンプ入口との間の位置から隣接するクライオパネルに向かって延び、前記ポンプ入口に向かって傾斜しており、前記複数の要素の各々は、前記隣接するクライオパネルのコーティングされた側面を、前記ポンプ入口を通過するガス分子の直接的な衝突から少なくとも部分的に遮蔽するようになっている、クライオポンプ。
2. 前記クライオパネル構造体は、前記クライオポンプに入る分子が最初に衝突する可能性が最も高い前記クライオパネル構造体の表面が、前記クライオパネル構造体の表面の前記更なる部分であるように、構成されて取り付けられる、請求項１に記載のクライオポンプ。
3. 前記第１ステージアレイ及び前記クライオパネル構造体は、前記ポンプ入口と前記クライオパネルの側面の前記コーティングされた部分との間に見通し線経路が存在しないように構成されている、請求項１又は２に記載のクライオポンプ。
4. 前記複数のクライオパネルは、複数の平面クライオパネルからなり、前記クライオパネルの一方の表面は前記コーティングされた側面からなり、他方の表面は前記更なる側面からなる、請求項１から３のいずれか一項に記載のクライオポンプ。
5. 前記複数のクライオパネルは、異なる直径を有する複数の同軸円筒形クライオパネルからなる、請求項１から４のいずれか一項に記載のクライオポンプ。
6. 前記円筒形クライオパネルの外面は、前記コーティングされた側面からなり、前記円筒形クライオパネルの内面は、前記更なる側面からなる、請求項５に記載のクライオポンプ。
7. 前記第１のアレイの前記複数の要素は、異なる直径の複数の同軸裁頭円錐形要素からなる、請求項５又は６に従属する場合の請求項１から６のいずれか一項に記載のクライオポンプ。
8. 前記吸着剤は、水素、ヘリウム、ネオンなどのＩＩＩ型ガスなどのＩＩＩ型ガスを吸着するように構成されている、請求項１から７のいずれか一項に記載のクライオポンプ。
9. 前記吸着剤は、前記コーティングされた側面をコーティングする分子ふるいからなる、請求項１から８のいずれか一項に記載のクライオポンプ。
10. 前記吸着剤は、チャコール、木炭、活性炭、ゼオライト、又は多孔質金属表面のうちの１つからなる、請求項１から９のいずれか一項に記載のクライオポンプ。