KR20230079022A

KR20230079022A - 진공 배기 시스템

Info

Publication number: KR20230079022A
Application number: KR1020237007873A
Authority: KR
Inventors: 마나부 노나카
Original assignee: 에드워즈 가부시키가이샤
Priority date: 2020-10-06
Filing date: 2021-10-01
Publication date: 2023-06-05
Also published as: CN116096997A; US20230400868A1; WO2022075230A1; EP4227529A1; EP4227529A4; JP2022061344A

Abstract

[과제] 펌프, 밸브의 소형화 및 배관 직경을 가늘게 할 수 있음과 더불어, 고 진공에서 대유량역에 이르기까지 펌프의 배기 특성을 살린 고효율인 배기를 할 수 있는 진공 배기 시스템을 제공한다.
[해결 수단] 진공 챔버(5) 내에서 사용 완료된 프로세스 가스는 조정 밸브(7)를 통과하여 분기 배관(29)에 이른다. 분기 배관(29)의 도면 중 A로 나타내는 측의 유로는, 제2 펌프의 흡기구에 접속되어 있다. 한편, 분기 배관(29)의 도면 중 B로 나타내는 측의 유로에는, 바이패스용 밸브(23)가 배치되어 있다. 그리고, 제2 펌프의 배기구의 하류와 바이패스용 밸브(23)의 하류에는 분기 배관(27)을 개재하여 제1 펌프가 접속되어 있다. 저중 진공 영역(대유량 배기 시)에서는 바이패스용 밸브(23)를 연다. 이 때, 제2 펌프를 통과한 유로 A와 유로 B 양쪽 모두로 가스를 배기한다. 그리고, 그것보다 낮은 중고(中高) 진공 조건의 배기를 행하는 경우는 바이패스용 밸브(23)를 닫아 유로 A로 배기한다. 이에 의해, 유로 B의 배관은 가늘게 할 수 있다.

Description

진공 배기 시스템

본 발명은 진공 배기 시스템에 관계되며, 특히 펌프, 밸브의 소형화 및 배관 직경을 가늘게 할 수 있음과 더불어, 고(高) 진공에서 대유량역에 이르기까지 펌프의 배기 특성을 살린 고효율인 배기를 할 수 있는 진공 배기 시스템에 관한 것이다.

근년의 일렉트로닉스의 발전에 수반하여, 메모리나 집적 회로와 같은 반도체의 수요가 급격하게 증대하고 있다. 이들 반도체는, 극히 순도가 높은 반도체 기판에 불순물을 도프하여 전기적 성질을 부여하거나, 반도체 기판 상에 미세한 회로 패턴을 형성하고, 이것을 적층하는 등 하여 제조된다.

그리고, 이들 작업은 공기 중의 먼지 등에 의한 영향을 피하기 위해 고 진공 상태의 진공 챔버 내에서 행해질 필요가 있다. 이 진공 챔버의 배기에는, 일반적으로 용적 이송형 진공 펌프나 운동량 이송형 진공 펌프로 구성되는 펌프 장치를 적용한 진공 배기 시스템이 이용되고 있다.

또, 반도체의 제조 공정에서는, 다양한 프로세스 가스를 반도체의 기판에 작용시키는 공정이 많이 있으며, 진공 배기 시스템은 진공 챔버 내를 진공으로 할 뿐만 아니라, 이들 프로세스 가스를 진공 챔버 내로부터 배기하는 데에도 사용된다(예를 들면 특허 문헌 1을 참조). 또한, 진공 배기 시스템은, 전자 현미경 등의 설비에 있어서, 분진 등의 존재에 의한 전자 빔의 굴절 등을 방지하기 위해, 전자 현미경 등의 진공 챔버 내의 환경을 고도의 진공 상태로 하는 데에도 이용되고 있다. 이 종래의 진공 배기 시스템의 구성도를 도 3에 나타낸다.

도 3에 있어서, 가스 실린더(1)로부터 공급된 프로세스 가스는 가스 유량 컨트롤러(3)로 유량이 조정된 후, 진공 챔버(5)에 투입된다. 그 후, 진공 챔버(5) 내에서 사용 완료된 프로세스 가스는 진공 챔버(5)로부터 토출되어, 가스 유량을 조정하는 조정 밸브(7)를 통과하여 분기 배관(9)에 이른다. 분기 배관(9)의 도면 중 A로 나타내는 측의 유로는, 유로 전환용 밸브(11)를 통해 제2 펌프의 도시하지 않는 흡기구에 접속되어 있다. 한편, 분기 배관(9)의 도면 중 B로 나타내는 측의 유로에는, 유로 전환용 밸브(13)가 배치되어 있다.

그리고, 제2 펌프의 도시하지 않는 배기구에는 유로 전환용 밸브(15)가 배치되며, 이 유로 전환용 밸브(15)의 하류와 유로 전환용 밸브(13)의 하류에는 분기 배관(17)을 개재하여 제1 펌프가 접속되어 있다.

이러한 구성에 있어서, 진공 챔버(5)에서 행해지는 프로세스의 조건으로서, 가스 유량이 많은 저중(低中) 진공역의 프로세스와, 그것보다 낮은 압력 조건이 필요한 중고(中高) 진공역의 프로세스 양쪽 모두의 조건이 필요한 경우에 대해서 설명한다.

이 경우, 종래, 가스 유량이 많은 저중 진공역의 프로세스에서는, 유로 전환용 밸브(11) 및 유로 전환용 밸브(15)를 폐지하고, 유로 전환용 밸브(13)를 열어 유로 B를 통해 배기를 행하고 있었다. 한편, 그것보다 낮은 압력 조건이 필요한 중고 진공역의 프로세스에서는, 유로 전환용 밸브(13)를 폐지하고, 유로 전환용 밸브(11) 및 유로 전환용 밸브(15)가 열리도록 전환하여, 유로 A를 통해 배기를 행하고 있었다.

일본국 특허공개 평8-74737호 공보

그런데, 이 진공 배기 시스템에 있어서, 대유량 배기 시에 진공 챔버(5)의 압력을 내리기 위해서는 유로 B의 배관이나 유로 전환용 밸브(13)의 구경을 크게 할 필요가 있다. 이 때문에, 진공 배기 시스템이 대형화되어 설치 공간의 확보가 곤란해지거나 비용이 비싸질 우려가 있었다.

또, 진공 챔버(5)로부터 흐르는 프로세스 가스가 대유량인 경우에는 도 4에 나타내는 바와 같이 진공 챔버(5)에 대해서 직접 바이패스 배관(21)을 접속하는 경우도 있는데, 전술과 동일하게 진공 배기 시스템이 대형화되어 설치 공간의 확보가 곤란해지거나 비용이 비싸질 우려가 있었다. 또한, 도 4에 있어서, 도 3과 동일 요소인 것에 대해서는 동일 부호를 붙이고 설명은 생략한다(이하, 같은 취지).

또한, 도 5에는, 제2 펌프가 중(中) 진공역에서도 운전 가능한 경우이며, 이 제2 펌프가 제1 펌프와 직렬로 접속된 예를 나타낸다.

그러나, 이 경우에는 제2 펌프의 배기 효율이 중 진공 영역에서는 저하하여 시스템의 배기 성능이 저하할 우려가 있었다. 이 제2 펌프의 배기 특성이 이 중 진공 영역에서 저하할 때의 상태를 도 6에 나타낸다. 즉, 제2 펌프는, 0.1[Pa]보다 압력이 높은 중 진공 영역에서는, 압력이 높아짐에 따라 점점 실효 배기 속도가 저하하고 있는 것을 알 수 있다.

그것을 보충하기 위해서는, 제2 펌프를 대형화하거나 배관이나 밸브를 사이즈 업 시킬 필요가 있어, 진공 배기 시스템이 대형화된다. 이 때문에, 전술과 동일하게 설치 공간의 확보가 곤란해지거나 비용이 비싸질 우려가 있었다.

본 발명은 이러한 종래의 과제를 감안하여 이루어진 것이므로, 펌프, 밸브의 소형화 및 배관 직경을 가늘게 할 수 있음과 더불어, 고 진공에서 대유량역에 이르기까지 펌프의 배기 특성을 살린 고효율인 배기를 할 수 있는 진공 배기 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이 때문에 본 발명(청구항 1)은, 대기압으로부터 중 진공역의 진공 배기를 행하는 제1 펌프와, 당해 제1 펌프에 대해서 직렬로 접속되고, 상기 제1 펌프보다 도달 압력이 낮은 제2 펌프와, 당해 제2 펌프의 흡기구와 배기구에 연통하는 배관을 통해 상기 제2 펌프와 병렬로 배치된 바이패스용 밸브를 구비한 진공 배기 시스템에 있어서, 상기 제2 펌프의 유로와 상기 바이패스용 밸브의 유로 쌍방을 통해, 진공 챔버로부터의 배기 가스를 배기하는 것을 특징으로 한다.

제1 펌프의 흡인에 더하여, 제2 펌프의 유로와 바이패스용 밸브의 유로 쌍방을 통해, 진공 챔버로부터의 배기 가스를 배기한다. 이에 의해, 제2 펌프의 유로와 바이패스용 밸브의 유로를 전환하여 흡인한 경우나, 제1 펌프와 제2 펌프를 직렬로 접속하여 흡인한 경우에 비해, 이 진공 배기계에서는, 제2 펌프의 사이즈를 확대하지 않고, 제2 펌프와 제1 펌프 양쪽 모두의 배기 특성을 살린 진공 배기가 가능해진다. 바이패스용 밸브나 배관 직경도 작게 구성할 수 있다.

또, 본 발명(청구항 2)은, 저중 진공 영역에서는 상기 제1 펌프와 상기 제2 펌프를 운전하면서 상기 바이패스용 밸브를 열고, 중고 진공 영역에서는 상기 제1 펌프와 상기 제2 펌프를 운전하면서 상기 바이패스용 밸브를 닫는 것을 특징으로 한다.

이에 의해, 제2 펌프, 바이패스용 밸브 및 배관 직경의 소형화가 도모됨과 더불어, 고 진공에서 대유량역에 이르기까지, 제1 펌프 및 제2 펌프의 배기 특성을 살린 고효율인 배기가 가능해진다.

또한, 본 발명(청구항 3)은, 상기 진공 챔버를 흐르는 상기 배기 가스의 유량을 계측하는 유량 계측 수단과, 당해 유량 계측 수단으로 계측된 유량의 크기에 의거하여 상기 바이패스용 밸브를 열리게 하거나 혹은 닫히게 하는 개폐 제어 수단을 구비하여 구성했다.

유량 계측 수단으로 계측된 유량의 크기에 의거하여 바이패스용 밸브를 열리게 하거나 혹은 닫히게 한다. 이에 의해, 진공 챔버를 흐르는 배기 가스의 유량이 대유량일 때와 진공 챔버에서 고 진공이 필요한 소유량(혹은 가스 유량 0)일 때를 전환하여 효율적으로 제어를 할 수 있다.

또한, 본 발명(청구항 4)은, 상기 바이패스용 밸브의 개도를 제어하는 개도 제어 수단을 구비하고, 당해 개도 제어 수단에 의해 상기 개도가 상기 진공 챔버를 흐르는 상기 배기 가스의 유량 및 배기계 내의 압력 중 적어도 어느 하나에 따라 제어되는 것을 특징으로 한다.

바이패스용 밸브의 개도를 제어함으로써, 펌프에 가해지는 압력 부하를 저감시켜 펌프를 안정적으로 운전할 수 있게 된다. 또, 배기의 맥동에 의해 프로세스 조건이 변동하거나, 진공 챔버 내의 가공 대상의, 압력 변동이나 진동에 의한 위치 어긋남을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명(청구항 5)은, 상기 제1 펌프가 중 진공역에서의 배기 속도가 큰 용적 이송형 진공 펌프로 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명(청구항 6)은, 상기 제2 펌프가 고 진공 영역에서의 배기 속도가 높고, 도달 압력이 고 진공 내지 그보다도 낮은 압력에 이르는 운동량 이송형 진공 펌프로 구성된 것을 특징으로 한다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 제1 펌프의 흡인에 더하여, 제2 펌프의 유로와 바이패스용 밸브의 유로 쌍방을 통해, 진공 챔버로부터의 배기 가스를 배기하도록 구성했으므로, 이 진공 배기계에서는, 제2 펌프의 사이즈를 확대하지 않고, 제2 펌프와 제1 펌프 양쪽 모두의 배기 특성을 살린 진공 배기가 가능해진다. 바이패스용 밸브나 배관 직경도 작게 구성할 수 있다.

도 1은, 본 발명의 실시형태인 진공 배기 시스템의 구성도이다.
도 2는, 도 1의 구성에 있어서의 진공 배기 시스템의 배기 특성도이다.
도 3은, 종래의 진공 배기 시스템의 구성도(그 1)이다.
도 4는, 종래의 진공 배기 시스템의 구성도(그 2)이다.
도 5는, 종래의 진공 배기 시스템의 구성도(그 3)이다.
도 6은, 제2 펌프의 배기 특성이 중 진공 영역에서 저하할 때의 상태를 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명의 실시형태에 대해서 설명한다. 본 발명의 실시형태인 진공 배기 시스템의 구성도를 도 1에 나타낸다.

도 1에 있어서, 진공 챔버(5) 내에서 사용 완료된 프로세스 가스는 조정 밸브(7)를 통과하여 분기 배관(29)에 이른다. 분기 배관(29)의 도면 중 A로 나타내는 측의 유로는, 제2 펌프의 도시하지 않는 흡기구에 접속되어 있다. 한편, 분기 배관(29)의 도면 중 B로 나타내는 측의 유로에는, 바이패스용 밸브(23)가 배치되어 있다.

그리고, 제2 펌프의 도시하지 않는 배기구의 하류와 바이패스용 밸브(23)의 하류에는 분기 배관(27)을 개재하여 제1 펌프가 접속되어 있다.

이러한 구성에 있어서, 제1 펌프로서, 예를 들면 루츠식, 스크루식, 클로식 등의 용적 이송형 진공 펌프를 이용한다. 제1 펌프의 특성으로서는 중 진공역의 배기 속도가 크고, 대유량의 가스의 배기에 적절한 펌프가 바람직하다. 그리고, 보다 높은 배기 속도를 얻기 위해서는 이들을 다단화해도 된다. 제1 펌프는 펌프 사이즈가 커지기 때문에, 크린 룸의 밖에 설치되어도 된다.

한편, 제2 펌프로서, 예를 들면 터보 분자 펌프, 분자 펌프(나사 홈식, 시그반식, 게데식 등의 드래그 펌프) 등의 운동량 이송형 진공 펌프를 이용한다. 제2 펌프의 특성으로서는 고 진공 영역의 배기 속도가 높고, 도달 압력은 고 진공 내지 그보다도 낮은 압력에 이르는 펌프가 바람직하다. 운동량 이송형 진공 펌프는, 일반적으로 기체 분자에 효과적으로 운동량을 부여할 수 있도록 고회전수로 운전되므로, 중 진공역의 대유량의 가스의 배기에는 발열이나 큰 전력을 필요로 하기 때문에 적합하지 않다. 또, 배기 원리에 의해 중 진공 영역에서는 배기 속도가 저하한다.

또한, 제2 펌프는 고 진공 성능을 얻기 위해서 진공 챔버(5)의 근방에 설치되는 것이 바람직하다.

다음에, 본 발명의 실시형태의 작용에 대해서 설명한다.

도 1에 있어서, 저중 진공 영역(대유량 배기 시)에서는 바이패스용 밸브(23)를 연다. 이 때, 제2 펌프를 통과한 유로 A와 유로 B 양쪽 모두로 가스를 배기한다. 그리고, 그보다도 낮은 중고 진공 조건의 배기를 행하는 경우는 바이패스용 밸브(23)를 닫고 유로 A로 배기한다.

도 2에는 이 도 1의 구성에 있어서의 진공 배기 시스템의 배기 특성도를 나타낸다. 도 1의 유로 B는 도 3~도 5의 경우에 비해 가는 배관으로 구성되어 있다. 이 때문에, 도 2에 실선으로 나타내는 바와 같이 도 6의 제1 펌프의 산형의 특성에 비해 유로 B의 배기 특성의 산형의 높이는 낮다. 그러나, 유로 A와 유로 B 양쪽 모두로 가스를 배기하기 때문에, 유로 A와 유로 B의 합류점인 도 1 중의 C점에 있어서의 배기 속도는 대개 유로 A와 유로 B의 배기 속도의 합계가 된다. 따라서, C점에 있어서의 저중 진공 영역의 배기 특성으로서는, 도 2 중에 점선의 산형으로 나타내는 바와 같이, 도 3~도 4의 구성일 때에 유로 전환용 밸브(13)를 흐르는 배기 특성과 같은 높이를 갖는 형상이 된다.

이와 같이 유로 A와 유로 B 양쪽 모두로 가스를 배기하기 때문에, 시스템의 배기 특성으로서는 저중 진공 영역에서의 도 2 중에 점선으로 나타내는 산 형상의 배기 특성과, 유로 A 측의 저중 진공 영역에서는 실효 배기 속도가 감쇠하는 한편 고 진공역에서는 플랫이 되는 배기 특성이, 도 2 중에 「가」로 나타내는 연속 천이 부분과 같이 합성된다.

그리고, 도 2 중의 「나」의 위치에서 저중 진공 영역의 운전으로부터 중고 진공의 운전으로 이행하기 위해서, 바이패스용 밸브(23)는 열림으로부터 닫힘으로 전환된다. 이에 의해, 제2 펌프의 흡배기구에 연결되어 있는 바이패스용 밸브(23)가 차단되어, 제2 펌프가 가지고 있는 고 진공에서의 압축 성능을 얻을 수 있다.

만약, 고 진공 영역에 있어서, 제1 진공 펌프의 도달 압력이 고 진공에 이르지 않는 경우, 바이패스용 밸브(23)를 열고 있으면 유로 B를 통해서 역류가 발생하므로 바이패스용 밸브(23)는 닫는 것이 바람직하다. 그 후에는, 이 제2 펌프에 의해 일정한 실효 배기 속도로 천이하여 고 진공 상태에 이른다.

또한, 바이패스용 밸브(23)와 가스 유량 컨트롤러(3)를 연동시켜, 대유량 시에 바이패스용 밸브(23)가 열리고, 고 진공이 필요한 소유량(혹은 가스 유량 0) 일 때에 바이패스용 밸브(23)를 닫도록 하면 바람직하다. 이 바이패스용 밸브(23)를 열거나 혹은 닫는 제어는 개폐 제어 수단에 상당한다.

이상에 의해, 이 진공 배기계에서는, 제2 펌프의 사이즈를 확대하지 않고, 제2 펌프와 제1 펌프 양쪽 모두의 배기 특성을 살린 진공 배기가 가능해진다.

또한, 바이패스용 밸브(23)를 개폐만의 밸브로서 설명했지만, 이 바이패스용 밸브(23)를 개도 제어 가능한 밸브로 하여, 가스의 유량이나 배기계 내의 압력에 따라 개도를 조정하여, 전환을 매끄럽게 행하도록 해도 된다. 이 바이패스용 밸브(23)의 개도를 조정하는 제어는 개도 제어 수단에 상당한다. 여기에, 유량은 예를 들면 가스 유량 컨트롤러(3)로부터 추출하고, 압력은 진공 챔버(5)로부터 추출한다.

이 구성에서는, 펌프에 가해지는 압력 부하를 저감하여 펌프를 안정시켜 운전할 수 있게 됨과 더불어, 배기의 맥동에 의해 프로세스 조건이 변동하거나, 진공 챔버(5) 내의 가공 대상의, 압력 변동이나 진동에 의한 위치 어긋남을 방지할 수 있다.

이상에 의해, 제2 펌프, 바이패스용 밸브(23) 및 배관 직경의 소형화가 도모됨과 더불어, 고 진공에서 대유량역에 이르기까지, 제1 및 제2 펌프의 배기 특성을 살린 고효율인 배기가 가능해진다.

또한, 본 진공 배기 시스템에서는, 제1 펌프로 우선 진공 배기를 행하고, 제2 펌프는 그 내부의 압력이 동작 가능한 조건이 된 후에 기동한다. 도시는 하지 않지만, 제2 펌프의 흡배기구부에 메인터넌스용의 밸브를 설치해도 된다. 또, 도시는 하지 않지만, 진공 챔버(5)를 대기로부터 소정의 압력으로 러프 펌핑하는 배기 경로 및 밸브를 설치해도 된다.

또한, 본 발명은, 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 한 여러 가지의 개변을 이룰 수 있으며, 상술한 실시형태 및 각 변형예는, 여러 가지 조합할 수 있다.

1: 가스 실린더 3: 가스 유량 컨트롤러
5: 진공 챔버 7: 조정 밸브
9, 17, 27, 29: 분기 배관 11, 13, 15: 유로 전환용 밸브
23: 바이패스용 밸브

Claims

대기압으로부터 중(中) 진공역의 진공 배기를 행하는 제1 펌프와,
상기 제1 펌프에 대해서 직렬로 접속되고, 상기 제1 펌프보다 도달 압력이 낮은 제2 펌프와,
상기 제2 펌프의 흡기구와 배기구에 연통하는 배관을 통해 상기 제2 펌프와 병렬로 배치된 바이패스용 밸브를 구비한 진공 배기 시스템에 있어서,
상기 제2 펌프의 유로와 상기 바이패스용 밸브의 유로 쌍방을 통해, 진공 챔버로부터의 배기 가스를 배기하는 것을 특징으로 하는 진공 배기 시스템.
청구항 1에 있어서,
저중(低中) 진공 영역에서는 상기 제1 펌프와 상기 제2 펌프를 운전하면서 상기 바이패스용 밸브를 열고, 중고(中高) 진공 영역에서는 상기 제1 펌프와 상기 제2 펌프를 운전하면서 상기 바이패스용 밸브를 닫는 것을 특징으로 하는 진공 배기 시스템.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 진공 챔버를 흐르는 상기 배기 가스의 유량을 계측하는 유량 계측 수단과,
당해 유량 계측 수단으로 계측된 유량의 크기에 의거하여 상기 바이패스용 밸브를 열리게 하거나 혹은 닫히게 하는 개폐 제어 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 진공 배기 시스템.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 바이패스용 밸브의 개도를 제어하는 개도 제어 수단을 구비하고,
상기 개도 제어 수단에 의해 상기 개도가 상기 진공 챔버를 흐르는 상기 배기 가스의 유량 및 배기계 내의 압력 중 적어도 어느 하나에 따라 제어되는 것을 특징으로 하는 진공 배기 시스템.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 펌프가 중 진공역에서의 배기 속도가 큰 용적 이송형 진공 펌프로 구성된 것을 특징으로 하는 진공 배기 시스템.
청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 펌프가 고(高) 진공 영역에서의 배기 속도가 높고, 도달 압력이 고 진공 내지 그보다도 낮은 압력에 이르는 운동량 이송형 진공 펌프로 구성된 것을 특징으로 하는 진공 배기 시스템.