JPH0774635B2 - 真空排気装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、アークイオンプレーティングをはじめとする
イオンプレーティングやスパッタリング等の真空成膜操
作の際に用いられる真空排気装置に関するものである。

〔従来の技術〕

第７図は、アークイオンプレーティング等に用いられる
従来の真空排気装置の一例を示したものである。

図において、各工程が行われるプロセスチャンバ80の内
部には、開閉弁81,82をそれぞれ介してためこみ式クラ
イオポンプ83およびターボ分子ポンプ（吐出し式高真空
ポンプ）84が並列に接続されている。

ためこみ式クライオポンプ83は、ヘリウムガスコンプレ
ッサ86を有するガス冷凍機85と、このガス冷凍機85によ
り80K（ケルビン）および20Kまでそれぞれ冷却される図
略の80Kパネルおよび20Kパネルとを備え、上記80Kパネ
ルでプロセスチャンバ80内のガス中の主に水（H₂O）を
凝縮、除去し、20Kパネルでその他のガス（N₂,O₂,Ar
等）を凝縮、除去するように構成されており、通常、水
（H₂O）については同口径のターボ分子ポンプ84の７〜
８倍の排気速度を有している。ターボ分子ポンプ84は、
補助引きポンプ87とともに、上記水（H₂O）に限らず、
ほとんど全種のガスを吸引、除去することが可能なもの
である。

また、プロセスチャンバ80内において、上記クライオポ
ンプ83による吸引口を内方から覆う位置には冷却バッフ
ル88が設けられ、これによって、上記プロセスチャンバ
80内の熱源からの輻射熱からクライオポンプ83の極低温
面が保護されている。

次に、この装置で行われる反応性アークイオンプレーテ
ィングのサイクル工程の一例を第８図に基づいて説明す
る。

まず、プロセスチャンバ80内にワークをセットする（プ
ロセスP₁）とともに、双方の仕切り弁81,82を開き、ク
ライオポンプ83およびターボ分子ポンプ84の双方でプロ
セスチャンバ80内を10^-5Torr台まで真空排気し（プロセ
スP₂）、さらにヒータの加熱によってワークの予熱を行
う（プロセスP₃）。

次に、仕切り弁81を閉じてターボ分子ポンプ84のみの排
気を行ないながら、イオンボンバード（プロセスP₄）お
よびコーティング（プロセスP₅）を行い、その後、仕切
り弁81を開いて上記ターボ分子ポンプ84およびクライオ
ポンプ83の双方で排気しながらワークを冷却する（プロ
セスP₆）。上記プロセスP₄,P₅でターボ分子ポンプ84の
みの排気を行っているのは、このプロセスP₄,P₅で大量
のプロセスガス（例えばTiN薄膜コーティングを行う場
合はN₂ガス）が導入されるので、上記仕切り弁81を開く
と上記大量のプロセスガスがクライオポンプ83の20Kパ
ネルに短時間で凝縮され、直ぐにオーバーロードしてし
まい、クライオポンプの再生が必要になるためである。

ワーク冷却後は、プロセスチャンバ80内をベントし（プ
ロセスP₇）、ワークを取出して（プロセスP₈）プロセス
チャンバ80内の清掃を行う（プロセスP₉）。

従来装置の他の例を第９図に示す。

この装置は、プロセスチャンバ90の内部に単一の仕切り
弁91を介してコールドトラップ92、ターボ分子ポンプ9
6、および補助引きポンプ97が直列に接続されており、
コールドトラップ92およびターボ分子ポンプ96は上下に
並べて配列されている。コールドトラップ92は、ドーナ
ツ型の容器93を有し、この容器93内に収容された液体窒
素94によって、中央に配された多数のシェブロン95を冷
却し、これらシェブロン95によって、通過する排ガス中
の水分を凝縮、除去するように構成されている。

〔発明が解決しようする課題〕

上記第７図に示される装置では、クライオポンプ83にお
ける20Kパネルのオーバーロードを防ぐために、上記プ
ロセスP₄,P₅においてクライオポンプ83を使用すること
ができず、クライオポンプの特徴である、水に対する高
排気能力を活かすことができない。すなわち、このクラ
イオポンプ83は水に関して同口径のターボ分子ポンプ84
の７〜８倍の排気速度を有する一方、基板（ワーク）表
面の汚染、ひいては膜質の低下の原因となる重要な要素
である。この水分を強力に排気する上記クライオポンプ
83の使用を制限することは多大なロスとなる。

また、この装置では、上記オーバーロードを防ぐため、
クライオポンプ83とターボ分子ポンプ84とを並列に接続
して２つの仕切り弁81,82を設けなければならないの
で、構造および操作が複雑となり、コスト高にもなり易
い。

これに対し、第９図に示される装置では、コールドトラ
ップ92が水分しか吸着しないので、このコールドトラッ
プ92とターボ分子ポンプ96を直列に接続して仕切り弁91
を１つで済ますことが可能だが、上記コールドトラップ
92は液体窒素を扱うものであるため、全体の配置は第９
図に示されるような垂直方向の配置、すなわちドーナツ
型の容器92の中にガスを通し、その下方からターボ分子
ポンプ96で吸引を行う完全な直列配置に自ずと限定され
ることになる。

このような配置では、排ガスがターボ分子ポンプ96に到
達するまでに、このガス中に含まれる水分の略100％が
コールドトラップ92で凝縮されてしまうので、ターボ分
子ポンプ96を水分の除去に寄与させることができない。
従って、上記第７図に示される装置のようにクライオポ
ンプ83とターボ分子ポンプ84の双方で水分の除去を行う
ものに比べ、この水分の除去に関しては効率が悪くな
る。

本発明は、このような事情に鑑み、簡単な構造で効率良
く真空排気を行うことができる装置を提供することを目
的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、プロセスチャンバの内部に接続され、その排
気を行う吐出し式真空ポンプと、この吐出し式真空ポン
プと上記プロセスチャンバとの間の通路を開閉する開閉
弁とを備えるとともに、この開閉弁と上記吐出し式真空
ポンプの間の位置で、かつ上記プロセスチャンバと吐出
し式真空ポンプとを直結する通路から側方へ外れた位置
に、運転圧力下での水（H₂O）の凝縮温度よりも低くか
つ水（H₂O）以外の使用ガスの凝縮温度よりも高い冷却
温度をもつトラップを設け、このトラップに、同トラッ
プ内で液化した水分を取り出すためのドレン口を設けた
ものである（請求項１）。

さらに、上記トラップを、上記プロセスチャンバ内から
見て死角となる位置に設けることにより、後述のよう
に、より優れた効果が得られる（請求項２）。

〔作 用〕 上記構成によれば、プロセスチャンバ内の水分は、トラ
ップによって凝縮され、除去されるとともに、吐出し式
真空ポンプによっても直結通路を通じて排気される。す
なわち、上記水分は、常時トラップおよび吐出し式真空
ポンプの双方で排気されることになり、その他の成分は
吐出し式真空ポンプで排気される。しかも、上記トラッ
プにおける冷却温度は水分以外のガスの凝集温度よりも
高く設定されているので、大量のプロセスガス等が導入
されても、これによってトラップにオーバーロードが生
じることがない。また、上記トラップは上記直結通路か
ら側方に逃がされているため、停電発生時等、上記トラ
ップの冷却能力がなくなった時に、このトラップで液化
した水分が吐出し式真空ポンプ側に滴下することが防が
れ、この水分はドレン口を通じてトラップ外へ取り出さ
れる。

さらに、請求項２の装置によれば、プロセスチャンバ内
のヒータ等の熱源からの輻射熱がトラップまで届かない
ので、このトラップを保護するための水冷バッフル等が
不要になる。

〔実施例〕

本発明の第１実施例を第１図〜第３図に基づいて説明す
る。

第１図および第２図において、10はイオンプレーティン
グやスパッタリング等の工程が実行されるプロセスチャ
ンバであり、このプロセスチャンバ10の内部には、仕切
り弁（開閉弁）12およびＬ型マニホールド14を介してタ
ーボ分子ポンプ16および補助引きポンプ18が接続されて
いる。上記Ｌ型マニホールド14は下向きに配されてお
り、このＬ型マニホールド14の下端部に上記ターボ分子
ポンプ16が取付けられている。

そして、このＬ型マニホールド14のコーナー部に、側方
に延びる導出管22を介してクライオトラップ20が接続さ
れている。

このクライオトラップ20は、第４図に示されるようなト
ラップケース24、１段冷凍機（１段膨脹室および１段蓄
冷器のみを備えた冷凍機）25、および伝熱リング27を備
え、上記トラップケース24が上記導出管22に接続された
状態で、このトラップケース24の中に伝熱リング27が収
納されている。この伝熱リング27は、上記１段冷凍機25
に接続されており、この伝熱リング27の内側面には多数
の凝縮パネル28が周方向に沿って配設されている。

上記１段冷凍機25には第２図に示されるようなヘリウム
ガスコンプレッサ30が接続され、この１段冷凍機25によ
って上記伝熱リング27が冷却されることにより、この伝
熱リング27に固定された各吸着パネル28が所定温度に保
持されるようになっている。

この凝縮パネル28の冷却温度は、運転圧力下での水分の
凝縮温度よりも低く、かつ他の使用ガスの凝縮温度より
も高い温度に設定される。具体的に、この実施例では、
TiN薄膜等、窒化物プロセスの場合、水分の平衡蒸気圧
が約10^-9〜10^-10Torrとなる温度（約130゜Ｋ）よりも低
く、かつ窒素ガス（N₂）の平衡蒸気圧が約10^-9〜10^-10T
orrとなる温度（約25〜30K）よりも高い温度に設定され
る。

このクライオトラップ20の配設位置は、プロセスチャン
バ10内から見て死角となる位置に設定されている。すな
わち、第３図に示されるように、吸引口11からどのよう
な角度で外側を覗いても上記クライオトラップ20の凝縮
パネル28が見えることのないように上記導出管22の導出
寸法ｌ（第３図）が設定されている。

なお、第２図において26は、クライオトラップ20におい
て、停電時等、冷却能力が無くなった場合に液化した水
分を取出すためのドレン口である。

このような装置において、仕切り弁12を開き、ターボ分
子ポンプ16を作動させてプロセスチャンバ10内のガスを
吸引すると、このガス中の水分が導出管22を介してクラ
イオトラップ20により凝縮、除去されるが、上記プロセ
スチャンバ10とターボ分子ポンプ16とを直結する通路も
確保されているので、上記クライオトラップ20のみによ
り水分が除去されるわけではなく、一部の水分はターボ
分子ポンプ16によっても直接吸引、除去される。すなわ
ち、ガス中の水分はクライオトラップ20およびターボ分
子ポンプ16の双方で除去される。

これに対し、水分以外の使用ガス成分は、クライオトラ
ップ20で凝縮されずにこれをす通りし、専らターボ分子
ポンプ16によって吸引、除去される。クライオトラップ
20の凝縮パネル28の温度は水分しか凝縮しない温度に設
定されているためである。従って、プロセスチャンバ10
内に大量のプロセスガスが導入されている場合でも、ク
ライオトラップ20にオーバーロードが生じることはな
い。

よって、この装置によれば、例えば前記第８図に示され
るようなアークイオンプレーティング工程を実行する場
合でも、同図のプロセスP₂〜P₆までの工程でターボ分子
ポンプ16およびクライオトラップ20の双方によって不都
合なく真空排気を行うことができ、真空排気効率および
水分除去の大幅な向上を図ることができる。また、この
配置では仕切り弁12が一つで十分であるため、構造およ
び操作手順が簡略化される。

さらに、この実施例では、プロセスチャンバ10内から見
て死角となる位置にクライオトラップ20があるので、プ
ロセスチャンバ10内のヒータ等により発生する熱はクラ
イオトラップ20に輻射伝達されず、このため、水冷バッ
フル等の特別な手段を用いなくてもクライオトラップ20
を熱的に保護することができる。

なお、クライオトラップ20における水分の凝縮が進行す
ると、これに伴って同トラップ20の表面温度が上昇する
ので、この温度が、水の平衡蒸気圧が10^-8Torr台に達す
る温度（約130℃以上の温度）となった時点で、クライ
オトラップ20の再生を行うことが望ましい。その具体的
な手順としては、例えばまずヘリウムガスコンプレッサ
30および１段冷凍機25をオフに切換えてクライオトラッ
プ20を昇温させ、次いでターボ分子ポンプ16および補助
引きポンプ18を作動させて、トラップ面から再放出され
るガス（すなわち水蒸気）を吸引、排出するようにすれ
ばよい。

また、第５図に示されるようにプロセスチャンバ10にＴ
型マニホールド32を配し、その上端にクライオトラップ
20を取付け、下端にターボ分子ポンプ16を取付けるよう
にしても、クライオトラップ20を上記死角に逃がすこと
は可能であるものの、この構造の場合、停電等のアクシ
デントによって冷却源が切られ、クライオトラップ20の
温度が常温近くまで戻ると、このクライオトラップ20に
凝縮されていた水分が液化し、停止しているターボ分子
ポンプ16に滴下するおそれがあるのに対し、第１図〜第
３図に示したようにクライオトラップ20を側方に逃がす
ようにすれば、ドレン口26から水抜きを行うことが可能
となるため、その分有利となる。

次に、第２実施例を第６図に基づいて説明する。

ここでは、本発明におけるトラップとして、上記のよう
な凝縮パネル28を有するクライオトラップ20に代えてク
ライオコイル36を用いている。このクライオコイル36
は、上記実施例と同様の導出管22に接続されたハウジン
グ38内に収納され、その内部には冷凍機34で冷却された
冷媒が循環されるようになっている。

このような手段を用いても、クライオコイル36の温度を
前記と同様の値に設定することにより、同じく優れた効
果を得ることができる。

また、本発明では吐出し式真空ポンプの種類を問わず、
上記ターボ分子ポンプ16の他、油拡散ポンプ等、種々の
ガスを吸引、排気することができるポンプを用いること
により上記効果が得られるものである。

〔発明の効果〕

以上のように本発明は、プロセスチャンバの内部に吐出
し式真空ポンプを接続し、両者の間の位置で、かつ両者
を直結する通路を残す位置にトラップを設け、このトラ
ップの凝縮部の温度を、運転圧力下での水分の凝縮温度
よりも低くかつ水分以外の使用ガスの凝縮温度よりも高
い温度としたものであるので、プロセスガス等の導入に
よるトラップオーバーロードといった不都合を伴うこと
なく、常時トラップと吐出し式真空ポンプの双方でプロ
セスチャンバ内の真空排気を行うことができ、これによ
り真空排気効率および水分除去の大幅な向上を図るとと
もに、開閉弁を単一にすることを可能にして構造および
操作手順の簡略化を図ることができる効果がある。ま
た、上記トラップを上記直結通路から側方へ逃がしてい
るため、停電発生時等、上記トラップの冷却能力がなく
なった時に、このトラップで液化した水分を吐出し式真
空ポンプ側に滴下させずにトラップのドレン口を通じて
逃がすことができ、これにより吐出し式真空ポンプを保
護できる効果もある。

さらに、請求項２記載の構成によれば、上記トラップを
上記プロセスチャンバ内から見て死角となる位置に設け
ることにより、水冷バッフル等の特別な手段を用いるこ
となく、上記トラップをプロセスチャンバ内のヒータ等
の熱源による輻射熱から保護することができる効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における真空排気装置の一部
断面正面図、第２図は第１図のＡ矢視一部断面図、第３
図は第１図のIII−III線断面図、第４図は同装置に設け
られたクライオトラップの断面側面図、第５図は同クラ
イオトラップの配置の比較例を示す一部断面正面図、第
６図は第２実施例における真空排気装置の一部断面正面
図、第７図は従来の真空配置装置の一例を示す断面正面
図、第８図は同装置において実行されるアークイオンプ
レーティングの工程を示すサイクル工程図、第９図は従
来の真空排気装置の他の例を示す断面正面図である。 10……プロセスチャンバ、12……仕切り弁（開閉弁）、
14……Ｌ型マニホールド、16……ターボ分子ポンプ（吐
出し式高真空ポンプ）、20……クライオトラップ、22…
…導出管、26……ドレン口、28……凝縮パネル、36……
クライオコイル（トラップ）。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】プロセスチャンバの内部に接続され、その
   排気を行う吐出し式真空ポンプと、この吐出し式真空ポ
   ンプと上記プロセスチャンバとの間の通路を開閉する開
   閉弁とを備えるとともに、この開閉弁と上記吐出し式真
   空ポンプの間の位置で、かつ上記プロセスチャンバと吐
   出し式真空ポンプとを直結する通路から側方へ外れた位
   置に、運転圧力下での水（H₂O）の凝縮温度よりも低く
   かつ水（H₂O）以外の使用ガスの凝縮温度よりも高い冷
   却温度をもつトラップを設け、このトラップに、同トラ
   ップ内で液化した水分を取り出すためのドレン口を設け
   たことを特徴とする真空排気装置。
2. 【請求項２】請求項１記載の真空排気装置において、上
   記トラップを、上記プロセスチャンバ内から見て死角と
   なる位置に設けたことを特徴とする真空排気装置。