JPH10103235A - 温度センサおよびこの温度センサを備えたクライオポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 大きな温度変化によるセンサ本体の損傷や脱
落等を防止した温度センサとこの温度センサを備えたク
ライオポンプとを提供する。 【解決手段】 センサ本体は、温度センサ７１を構成す
るブロック８５に形成されたスリット９３内の所定の位
置に配設された後、接着材８７によりブロック８５に接
着されている。クライオポンプの排気処理によりコール
ドヘッド３３，３５の温度が常温から極低温まで低下す
ると、温度センサ７１内ではセンサ本体８１のモールド
部８２が比較的大きな収縮量をもって収縮し、ブロック
８５に接着されたモールド部８２には引張応力が作用す
る。ところが、センサ本体８１がスリット９３内に配設
されているため、ブロック８５のスリット形成部分８５
ａ，８５ｂが内側に弾性変形するため、引張応力はごく
小さいものとなり、モールド部８２に亀裂が生じなくな
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、クライオポンプの
コールドシリンダ等に取り付けられる温度センサに係
り、詳しくは真空チャンバ内での温度変化によるセンサ
本体の損傷や脱落等を防止する技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造ラインの各種処理装置等に
は、処理空間を高真空状態に維持するべく、機械式真空
ポンプ（以下、粗引ポンプと記す）と伴にクライオポン
プが付設されている。クライオポンプは、粗引ポンプに
より粗引きされた処理空間内を排気して真空度を更に高
めるもので、極低温をつくりだす冷凍機、冷凍機のコー
ルドシリンダに保持されたコールドパネル、コールドパ
ネルの表面に貼着された活性炭、コールドシリンダやコ
ールドパネルを収納する真空チャンバ等から構成されて
いる。クライオポンプによる排気は、極低温に冷却した
コールドパネルの表面に気体分子を凝縮・固化させた
り、活性炭の吸着面に気体分子を吸着させることにより
行われる。

【０００３】クライオポンプでは、コールドパネル等の
温度が排気性能に大きく影響するため、コールドヘッド
の温度を温度センサにより常時検出し、フィードバック
制御等を行う必要がある。温度センサのセンサ本体に
は、１０Ｋ程度の極低温を計測する都合上、シリコンダ
イオードセンサが一般に用いられており、図６に示した
ように、このセンサ本体８１を熱伝導率のよい銅合金等
からなるブロック８５の表面に接着・一体化させて温度
センサ７１を製作し、ビス７３等を用いてコールドヘッ
ド３３に締結する。尚、センサ本体８１の締結をブロッ
ク８５を介して行う理由は、エポキシ樹脂等でモールデ
ィングされたセンサ本体８１の機械的強度がごく小さく
いため、センサ本体８１をコールドヘッド３３に直に締
結できないことによる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述したクライオポン
プでは、短期間の使用で温度センサが損傷し、温度検出
が行えなくなる不具合があった。

【０００５】これは、真空チャンバ内において、コール
ドヘッド３３の表面温度が常温から１０Ｋ程度の極低温
まで変化するため、温度センサ７１に大きな熱応力が作
用することによる。すなわち、ブロック８５の素材であ
る銅合金の熱膨張係数が比較的小さく、センサ本体８１
のモールド部（エポシキ樹脂等）８２の熱膨張係数が比
較的大きいため、極低温域ではモールド部８２の収縮量
がブロック８５の収縮量より大きくなる。そのため、図
７に示したように、モールド部８２とブロック８５との
接着面に大きな剪断応力が作用し、最終的には接着剤８
７が破断してブロック８５からセンサ本体８１が脱落し
て、温度検出が行えなくなる。

【０００６】また、センサ本体の脱落を防止するべく、
図８に示したように、ブロック８５に穿設した矩形断面
のセンサ保持穴８９にセンサ本体８１を挿入し、接着材
８７で接着させる方法も試みられた。ところが、この方
法を採った場合、図９に示したように、極低温ではモー
ルド部８２に大きな引張応力が作用するため、モールド
部８２に亀裂９１が生じることが多かった。この場合、
モールド部８２内のシリコンダイオードが破壊された
り、回路の短絡が起こることにより、やはり温度検出が
行えなくなる。更に、上述したように、クライオポンプ
はシリコンダイオード素子製造用の半導体製造ラインに
付設されることが多いため、センサ本体８１が露出して
いた場合、シリコンダイオード素子を保護するための腐
食性ガスによりセンサ本体８１が損傷される虞もあっ
た。

【０００７】本発明は上記状況に鑑みなされたもので、
大きな温度変化や腐食性ガスによるセンサ本体の損傷や
脱落等を防止した温度センサおよびこの温度センサを備
えたクライオポンプとを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１の発明では、金属製のブロックにセンサ本
体を接着させてなる温度センサであって、前記センサ本
体が前記ブロックの一部を二分割するスリット内に配設
されたものを提案する。

【０００９】この発明によれば、極低温時等において、
熱膨張率の相違からセンサ本体の収縮量がブロックの収
縮量より大きくなった場合、スリットの形成された部位
でブロックが撓むことで、センサ本体の損傷を引き起こ
す引張応力が吸収される。

【００１０】また、請求項２の発明では、金属製のブロ
ックにセンサ本体を接着させてなる温度センサであっ
て、前記センサ本体が前記ブロックに形成されたセンサ
保持穴内に配設され、且つ当該センサ保持穴と当該セン
サ本体との間には接着剤の充填に供される空隙が形成さ
れたものを提案する。

【００１１】この発明によれば、極低温時等において、
熱膨張率の相違からセンサ本体の収縮量がブロックの収
縮量より大きくなっっても、引張応力がセンサ保持穴に
充填された接着剤により負担されるため、センサ本体の
損傷が起こりにくくなる。そして、センサ本体がブロッ
クと接着剤とにより囲繞されることになるため、センサ
本体が腐食性ガスにより損傷されることもなくなる。

【００１２】また、請求項２の発明では、請求項１また
は２記載の温度センサがコールドシリンダに取り付けら
れたことを特徴とするクライオポンプを提案する。

【００１３】この発明によれば、温度センサの耐久性が
向上するため、長期に亘って安定した排気作業が行える
ようになる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の二つの実施形態を
図面に基づき詳細に説明する。

【００１５】図１に示すように、本実施形態のクライオ
ポンプ１は、ギフォード・マクマホーンサイクルを用い
た極低温用の冷凍機３や円筒状の真空チャンバ５等から
なっており、半導体ウエーハ製造ラインの真空処理槽７
の下面に付設されている。図中、９はゲートバルブであ
り、摺動式の弁体１１により真空処理槽７とクライオポ
ンプ１との連通を遮断する。

【００１６】冷凍機３は、真空チャンバ５の下面に締結
されたボディ１５、真空チャンバ５内に配置されたコー
ルドシリンダ１７、コールドシリンダ１７内を軸方向に
摺動するディスプレーサ１９、クランク機構２１やコネ
クティングロッド２３を介してディスプレーサ１９を駆
動する電動機２５等から構成されている。

【００１７】冷凍機３のボディ１５は、冷媒導入管２７
と冷媒排出管２９とを介して、図示しないコンプレッサ
ユニットに接続されており、冷媒であるヘリウムガスが
冷凍機３とコンプレッサユニットとの間で循環する。ま
た、ボディ１５には、粗引配管３１を介して図示しない
粗引ポンプに接続しており、この粗引ポンプにより真空
チャンバ５の粗引きが行われる。

【００１８】コールドシリンダ１７には、上下方向の略
中間位置に比較的マスの大きい第１コールドヘッド３３
が形成され、上端に比較的マスの小さい第２コールドヘ
ッド３５が形成されている。第１コールドヘッド３３の
上端には、上方に開口したラジエーションシールド３７
が取り付けられている。ラジエーションシールド３７
は、真空チャンバ５より若干小径の円筒状に形成されて
おり、真空チャンバ５の上端近傍まで延設された開口部
の内側に複数枚のバッフルリング３９を保持している。

【００１９】また、第２コールドヘッド３５の上端に
は、下方に開口したコールドパネルホルダ４１が取り付
けられている。コールドパネルホルダ４１は、比較的小
径の円筒状に形成されており、その上端面および外周面
に複数枚のコールドパネル４３を保持している。コール
ドパネル４３には、最も上方に位置するものを除き、そ
の上面に活性炭４５が貼着されている。

【００２０】一方、真空チャンバ５は、コールドシリン
ダ１７やラジエーションシールド３７等を収納する胴部
５１と、ゲートバルブ９に締結されるフランジ５３と、
冷凍機３のボディ１５に締結される底板５５とからなっ
ている。胴部５１には、図示しない再生ガス供給源に接
続した再生ガス導入管５７が接続・開口すると共に、図
示しない排気処理装置に接続した再生ガス排出管５９が
貫通している。再生ガス導入管５７は、真空チャンバ５
内で上方に屈曲した後、ラジエーションシールド３７内
に開口している。

【００２１】また、底板５５には貫通孔６１が形成され
ており、この貫通孔６１を図示しない電源装置に接続し
たシースヒータ６３の貫通部６４が貫通している。シー
スヒータ６３は、第１，第２コールドヘッド３３，３５
に対応する位置にそれぞれ第１，第２加熱部６５，６７
を有しており、両加熱部６５，６７が両コールドヘッド
３３，３５にクランプ６９を介して締結されている。図
中、７１は第１，第２コールドヘッド３３，３５の温度
計測に供される温度センサであり、両コールドヘッド３
３，３５にビス７３により締結されている。

【００２２】第１実施形態では、図２に示したように、
温度センサ７１の構成部材である銅合金製のブロック８
５に、その一部を二分割するかたちで、スリット９３が
形成されている。センサ本体８１は、スリット９３内の
所定の位置に配設された後、接着材８７によりブロック
８５に接着されている。

【００２３】以下、本実施形態の作用を述べる。

【００２４】半導体ウエーハのスパッタリング処理等に
あたっては、不要な気体分子が半導体ウエーハの表面に
付着することを防止するべく、真空処理槽７内が高真空
状態にされる。先ず、真空チャンバ５を粗引ポンプによ
り粗引きすることで、１０−２Ｔorr 程度の真空が得ら
れる。尚、この時点では、ゲートバルブ９により、真空
チャンバ５と真空処理槽７との連通が遮断されている。

【００２５】次に、クライオポンプ１の冷凍機３を駆動
し、コンプレッサから供給された高圧ヘリウムガスをコ
ールドシリンダ１７内で繰り返し断熱膨張させる。する
と、ディスプレーサ１９内の蓄冷材が徐々に冷却され、
コールドシリンダ１７の温度が低下する。そして、第１
コールドヘッド３３の温度が８０Ｋ程度になり、第２コ
ールドヘッド３５の温度が１５Ｋ程度になったら、ゲー
トバルブ９を開放して真空チャンバ５と真空処理槽７と
を連通させる。この際、真空処理槽７は、図示しない粗
引ポンプにより、クロスオーバ圧以下に粗引きされてい
る。また、コールドヘッド３３，３５の表面温度は温度
センサ７１により常時検出され、その検出信号が、図示
しない制御装置やディスプレイ装置に出力されることに
より、冷凍機３の駆動制御や作業者によるモニター等に
供される。

【００２６】真空チャンバ５と真空処理槽７とが連通さ
れると、真空処理槽７内の気体分子がラジエーションシ
ールド３７内で凝縮あるいは吸着され、高真空が得られ
る。すなわち、水等の凝縮温度の高い気体分子はバッフ
ルリング３９やラジエーションシールド３７の表面で霜
状に凝縮・固化し、アルゴンや酸素、窒素等の気体分子
はコールドパネル４３の表面で霜状に凝縮・固化する。
また、ヘリウムや水素、ネオン等の気体分子は、コール
ドパネル４３に貼着された活性炭４５に吸着される。こ
れにより、真空処理槽７では、１０−３Ｔorr 程度の高
真空が得られる。 さて、排気処理によりコールドヘッ
ド３３，３５の温度が常温から極低温まで低下すると、
温度センサ７１内ではセンサ本体８１のモールド部８２
が比較的大きな収縮量をもって収縮し、ブロック８５に
接着されたモールド部８２には引張応力が作用する。と
ころが、本実施形態では、センサ本体８１がスリット９
３内に配設されているため、図３に示したように、ブロ
ック８５のスリット形成部分８５ａ，８５ｂが内側に弾
性変形し、上述した引張応力はごく小さいものとなる。
その結果、長期間に亘る排気運転を行っても、モールド
部８２に亀裂が生じなくなり、安定した温度検出を行え
るようになった。また、センサ本体８１がブロック８５
と接着材８７とにより囲繞されているため、半導体製造
ラインで用いられる腐食性ガスによりセンサ本体８１が
損傷されることもなくなった。

【００２７】一方、本発明の第２実施形態では、図４に
示したように、ブロック８５に円形断面のセンサ保持穴
８９が穿設されている。センサ保持穴８９は、センサ本
体８１に比して大径であり、その内壁面８９ａとセンサ
本体８１との間には比較的大きな空隙９５が形成されて
いる。そして、センサ本体８１は、センサ保持穴８９内
の所定位置に配設された後、空隙９５内に充填された接
着材８７によりブロック８５に接着されている。

【００２８】第２実施形態においても、排気処理により
コールドヘッド３３，３５の温度が常温から極低温まで
低下すると、温度センサ７１内ではセンサ本体８１のモ
ールド部８２が比較的大きな収縮量をもって収縮する。
ところが、本実施形態では、ブロック８５とモールド部
８２との間に接着剤８７が充填されているため、図５に
示したように、モールド部８２の収縮による引張応力の
大部分が接着剤８７に負担される。その結果、長期間に
亘る排気運転を行っても、モールド部８２に亀裂が生じ
なくなり、第１実施形態と同様に、安定した温度検出を
行えるようになった。また、第１実施形態と同様に、セ
ンサ本体８１がブロック８５と接着材８７とにより囲繞
されているため、半導体製造ラインで用いられる腐食性
ガスによりセンサ本体８１が損傷されることもなくなっ
た。

【００２９】このように、上述した二つの実施例では、
センサ本体８１をスリット９３やセンサ保持穴８９内に
確実に保持しながら、極低温時での収縮によるモールド
部８２の亀裂発生の他、腐食性ガスによるセンサ本体８
１の損傷を防止することができた。これにより、温度セ
ンサ７１による長期間に亘って安定した温度検出が行え
ると共に、クライオポンプ１においては、温度センサ７
１の脱落や損傷による排気運転の中断がなくなり、シリ
コンウエーハ製造ライン等における生産効率を高めるこ
とが可能となった。

【００３０】以上で具体的実施形態の説明を終えるが、
本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。
例えば、上記実施形態は、本発明を銅合金製のブロック
とシリコンダイオードとからなる温度センサに適用した
ものであるが、ブロックの素材にアルミ合金等を用いた
ものに適用してもよいし、センサ本体に熱電対等を用い
たものに適用してもよい。また、上記実施形態は、本発
明を極低温で用いられる温度センサに適用したものであ
るが、高温で用いられる温度センサに適用してもよい。
第１実施形態におけるスリットの形状や、第２実施形態
におけるセンサ保持穴の形状をはじめ、クライオポンプ
の具体的構成等についても、本発明の趣旨を逸脱しない
範囲で、適宜変更可能である。

【００３１】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の温度センサ
によれば、センサ本体を金属製のブロックに形成された
スリットやセンサ保持穴内に配置し、センサ本体とブロ
ックとを接着するようにしたため、センサ本体を確実に
保持しながら、温度変化に起因するモールド部の亀裂発
生を防止することができる。また、センサ本体がブロッ
クと接着剤とにより囲繞されたものでは、センサ本体が
腐食性ガスにより損傷されることもなくなる。

【００３２】また、この温度センサを用いたクライオポ
ンプによれば、温度センサの脱落や損傷による排気運転
の中断がなくなり、シリコンウエーハ製造ライン等にお
ける生産効率を高めることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係るクライオポンプを示し
た縦断面図である。

【図２】第１実施形態の温度センサを示した斜視図であ
る。

【図３】第１実施形態の作用を示した説明図である。

【図４】第２実施形態の温度センサを示した斜視図であ
る。

【図５】第２実施形態の作用を示した説明図である。

【図６】従来の温度センサの一例を示した斜視図であ
る。

【図７】センサ本体が脱落する過程を示した説明図であ
る。

【図８】従来の温度センサの一例を示した斜視図であ
る。

【図９】センサ本体のモールド部に亀裂が発生する過程
を示した説明図である。

【符号の説明】

１ クライオポンプ ３ 冷凍機 ５ 真空チャンバ ３３，３５ コールドヘッド ７１ 温度センサ ８１ センサ本体 ８２ モールド部 ８７ 接着材 ８９ センサ保持穴 ９３ スリット ９５ 空隙

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属製のブロックにセンサ本体を接着さ
   せてなる温度センサであって、 前記センサ本体が前記ブロックの一部を二分割するスリ
   ット内に配設されたことを特徴とする温度センサ。
2. 【請求項２】 金属製のブロックにセンサ本体を接着さ
   せてなる温度センサであって、 前記センサ本体が前記ブロックに形成されたセンサ保持
   穴内に配設され、且つ当該センサ保持穴と当該センサ本
   体との間には接着剤の充填に供される空隙が形成された
   ことを特徴とする温度センサ。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載の温度センサがコ
   ールドシリンダに取り付けられたことを特徴とするクラ
   イオポンプ。