JP4980181B2 - クライオパネル - Google Patents

Description

本発明は、クライオポンプに用いられるクライオパネルに関する。

半導体製造装置では、高真空を実現するためにクライオポンプが用いられている。クライオポンプは、真空容器内のクライオパネルを冷却し、分子を凝固又は吸着させることによって高真空を実現する。

従来のクライオパネルは、冷却機のステージに結合され、表面がガス流入方向に向けて（水平に）配設される円板状パネルと、この円板状パネルの裏面側に配設されてガス流入方向の下流の方向に延伸する複数の細長板状パネルとを備える。

処理チャンバ内の気体は、真空容器の上部開口より流入し、水分子は主にクライオパネルの上方に配設されるルーバで凝固され、水分子以外のアルゴンや窒素は主に円板状パネルで凝固され、極低温で凍結しない水素やヘリウム等は、細長板状パネルの両面に形成される吸着層に吸着される（例えば、特許文献１参照）。

また、円錐型のパネルをガス流入方向に沿って複数段配設したクライオパネルも提案されている。この円錐型のパネルは、円錐形状の斜面を一定幅で切り取った円環状のパネルであり、このような円錐型のパネルがガス流路方向に沿って複数段配設することが提案されている（例えば、特許文献２参照）
特開平２−３０８９８５号公報 米国特許出願公開第２００６／００６４９９０号明細書

ところで、クライオポンプの主要性能である排気速度を向上させるためには、水素分子が吸着層に吸着される確率を向上させなければならない。

しかしながら、特許文献１記載のクライオパネルでは、吸着層が形成される細長板状パネルは、円板状パネルの裏面側（ガス流入方向において円板状パネルよりも下流側）だけに設けられており、また、平面視において、真空容器内で平板状パネルが占める面積比率が大きいため、構造上、排気速度が制限されていた。また、細長板状パネルは、円板状パネルの陰となる真裏では、特に凝固・吸着効率が低かった。

また、特許文献２記載のクライオパネルは、真空容器の上部開口から見て円環状であるため、ガス流路の上流側から下流側にかけて十分な流路が確保されず、これは特に、円環形状の中央側と、各段のパネルの陰において顕著であった。このため、下流側における通気性が低下し、凝固・吸着効率が低かった。

そこで、本発明は、排気速度と凝固・吸着効率を向上させたクライオパネルを提供することを目的とする。

本発明の一局面のクライオパネルは、ガス流入口を有する真空容器と、前記真空容器内に配設されるステージを有し、当該ステージを冷却する冷凍機とを備え、前記ガス流入口から前記真空容器内に流入する分子を凝固又は吸着させるクライオポンプに用いるクライオパネルであって、前記ステージにより保持されて冷却される伝熱板と、前記伝熱板によって支持され、前記真空容器内のガス流路に配置されるパネル部であって、断面コの字型の複数の板状のパネル片を含むパネル部とを備え、前記パネル片は、平面視長方形の板状パネルが長手方向に均等に折り曲げられた断面コの字型のパネル片である、ことを特徴とする。

また、前記パネル片の前記コの字型の内側の面には、活性層が形成又は貼着されてもよい。

また、前記パネル片は、前記コの字型の中央に位置する第１板部が前記ガス流路の上流側、側方外側、又は下流側のいずれかの方向を向くように配設されてもよい。

また、前記パネル片は、前記第１板部と、当該第１板部の両端に位置する一対の第２板部とで構成されており、一のパネル片の前記第２板部に他のパネル片の前記第１板部を面接続することにより、前記伝熱板から延出するように複数のパネル片が接続されてもよい。

本発明によれば、排気速度と凝固・吸着効率を向上させたクライオパネルを提供できるという特有の効果が得られる。

以下、本発明のクライオパネルを適用した実施の形態について説明する。

「実施の形態１」
図１は、実施の形態１のクライオパネルが用いられるクライオポンプの構造を示す図である。クライオポンプ１は、真空容器２、冷凍機３、シールド４、及びクライオパネル１０を含む。

真空容器２は、断面円形のカップ状の容器であり、上部開口２Ａを介して、例えば、スパッタ装置やイオン注入装置等の半導体製造装置のプロセスチャンバ（図示せず）に接続される。真空容器２の内部には、冷凍機３のシリンダ（符号６及び７）、シールド４、及びクライオパネル１０が配設される。

なお、真空容器２には、粗引き用のポンプ及びパージガス導入用の配管（共に図示せず）が接続され、また、真空容器２とプロセスチャンバとの間にはゲートバルブ（図示せず）が配設される。

冷凍機３には、圧縮機５が接続される。

圧縮機５は、ヘリウムガス等の冷媒ガスを昇圧して冷凍機３に送り、また冷凍機３で断熱膨張した冷媒ガスを回収して再び昇圧する。

冷凍機３は、２段式のＧＭ（Gifford-McMahon）型冷凍機であり、第１段シリンダ６、第２段シリンダ７、及びモータ（図示せず）を含む。第１段シリンダ６と第２段シリンダ７には、互いに連結される第１段ディスプレーサ６Ａ及び第２段ディスプレーサ７Ａがそれぞれ内蔵されており、モータによって図中上下方向に往復動されることにより、断熱膨張による寒冷が発生される。

第１段シリンダ６の外周には、第１段冷凍ステージ８Ａがろう付される。シールド４は、この第１段冷凍ステージ８Ａによって保持される。

このシールド４は、真空容器２の輻射熱からクライオパネル１０を保護するための断面円形のカップ形状の部材であり、上部開口にルーバ９が配設される。また、このルーバ９は、真空容器２の上部開口２Ａに近接して配設される。シールド４及びルーバ９は、第１段冷凍ステージ８Ａによって３０〜１００Ｋに冷却される。

また、第２段シリンダ７の外周には、第２段冷凍ステージ８Ｂがろう付される。クライオパネル１０は、この第２段冷凍ステージ８Ｂによって保持され、１０〜２０Ｋレベルに冷却される。

ここでは、プロセスチャンバ内に、水分子、アルゴン、窒素、水素、ネオン、及びヘリウムが存在するものとして説明する。シールド４及びルーバ９を３０〜１００Ｋに冷却すると共に、クライオパネル１０を１０〜２０Ｋレベルに冷却すると、水分子は主にシールド４及びルーバ９で凝固され、水分子以外のアルゴンや窒素は主にクライオパネル１０で凝固される。また、水素、ネオン、ヘリウム等は主にクライオパネル１０の表面に形成される活性層（層状の活性炭、以下同様）に吸着される。これにより、プロセスチャンバは排気されて高真空に保持される。

また、プロセスチャンバ内のガスは、上部開口２Ａを介して真空容器２内に流入する。ここでは、ガスの流入方向とは、真空容器２の上部開口２Ａから下に向かう方向とし、この方向にガス流路が形成される。このガス流路において、上部開口２Ａの側を上流側、シールド４の底部の側を下流側と称する。また、ガス流路の側方外側とは、ガス流入方向に対する側方であって、真空容器２（又はシールド４）の外側を称するものとする。これらは、すべての図面において共通である。

なお、図１に示すクライオポンプは、第１段冷凍ステージ８Ａ及び第２段冷凍ステージ８Ｂが真空容器２の下方向から挿入される、いわゆる縦型のクライオポンプである。

図２は、実施の形態１のクライオパネルを示す図であり、（ａ）は真空容器２の上部開口２Ａの側から見た平面図、（ｂ）は斜視図、（ｃ）はパネル片を示す斜視図である。

図２に示すように、クライオパネル１０は、伝熱板１１とパネル部１２とを含む。伝熱板１１は、断面がコの字型になるように折り曲げられた板状の支持部材であり、その頂部には第２段冷凍ステージ８Ｂにネジ止めするための孔部１１ａが２つ形成されている。

図２（ａ）及び（ｂ）に示すパネル部１２は、複数のパネル片をモザイク状に接続したものであり、各パネル片１２Ａは、図２（ｃ）に示すように断面コの字型の板状の部材である。

パネル片１２Ａは、コの字型の中央に位置する第１板部１２ａと、第１板部１２ａの両端に位置する一対の第２板部１２ｂとで構成され、第１板部１２ａ及び第２板部１２ｂは、例えば、縦３０ｍｍ、横３０ｍｍの正方形の面を有する厚さ０．５ｍｍの銅板である。

このような伝熱板１１及びパネル部１２（パネル片１２Ａ）は、共に銅製であり、めっき仕上げがなされる。パネル片１２Ａのコの字型の内側の面には、活性層が形成される。ここでは、活性層をドットで示す。なお、伝熱板１１には活性層は形成されない。

次に伝熱板１１へのパネル片１２Ａの取り付け方について説明する。パネル片１２Ａは、上部開口２Ａから見た平面視において、伝熱板１１の一対の側壁１１Ａに対称に取り付けられるため、ここでは、一方の側壁１１Ａへの取り付け方を説明する。なお、ここでは、各パネル片１２Ａは半田付けによって接続されるものとする。

伝熱板１１の側壁１１Ａには、ガス流入方向の上流側から下流側に３つのパネル片１２Ａが並べて取り付けられる。３つのうちの中央に位置するパネル片１２Ａは、第１板部１２ａが伝熱板１１の側壁１１Ａに面接続するように取り付けられる。また、この中央に位置するパネル片１２Ａの上流側及び下流側に位置するパネル片１２Ａは、第１板部１２ａが中央のパネル片の第２板部１２ｂに面接続されるとともに、第２板部１２ｂが伝熱板１１の側壁１１Ａに面接続されるように取り付けられる。

すなわち、中央のパネル片１２Ａは、コの字型がガス流路の側方外側を向くように配設され、上流側のパネル片１２Ａは、コの字型がガス流路の上流方向を向くように配設され、下流側のパネル片１２Ａは、コの字型がガス流路の下流方向を向くように配設される。

また、上流側及び下流側のパネル片１２Ａの第２板部１２ｂには、それぞれ、さらに別のパネル片１２Ａの第１板部１２ａが面接続される。すなわち、このパネル片１２Ａは、コの字型がガス流路の側方外側を向くように配設される。

さらに、このパネル片１２Ａの一対の第２板部１２ｂには、さらに別のパネル片１２Ａの第１板部１２ａが面接続される。このパネル片１２Ａのコの字型は、真空容器２（及びシールド４）の側方外側を向くように配設される。

以上、図２（ｂ）に示すように、伝熱板１１には１８個のパネル片１２Ａを含むパネル部１２が取り付けられる。すべてのパネル片１２Ａは、コの字型がガス流路の上流方向、側方外側、又は下流方向のいずれかの方向を向くように配設され、伝熱板１１から延出するようにモザイク状に互いに接続される。

このようなクライオパネル１０を有するクライオポンプで真空引きを行う際に、クライオパネル１０は、第２段冷凍ステージ８Ｂによって冷却される。すなわち、第２段冷凍ステージ８Ｂによって発生される冷熱は、伝熱板１１を伝導し、各パネル片１２Ａが１０〜２０Ｋレベルに冷却される。そして、アルゴン、窒素、水素、ネオン、ヘリウム等パネル片１２Ａに形成された活性層に凝固又は吸着される。

ここで、クライオパネル１０は、真空容器２の上部開口２Ａから見た平面視において、中心側からシールド４に近い側にわたって全体的に流路が確保されており、また、活性層が形成される十分な表面積を有する。このため、従来のように中心部の円板状パネルによって流路は制限されず、また、パネルの陰となる部分に活性層が配置されることもない。

以上のように、本実施の形態のクライオパネル１０によれば、ガス流路の陰になる部分を少なくすることができ、また、活性層が形成されるパネル部１２の表面積も十分に確保できるため、従来のように円板状パネルの下流側にしか板状パネルを有しないクライオパネルよりも排気速度を向上させることができる。また、従来のような円錐型のパネルに比べると、コの字型のパネル片１２Ａがモザイク状に接続されることにより、ガス流路の上流側から下流側にかけて十分な流路を確保でき、排気速度を向上させることができる。特に、１０〜２０Ｋレベルでは凝縮しない水素、ネオン、ヘリウム等の排気速度を向上させることができる。

また、活性層はパネル片１２Ａのコの字型の内側にのみ形成されているため、パネル片１２Ａの両面に活性層が形成される場合に比べて、クライオパネル１０を囲むように配設されるシールド４から受ける輻射熱の影響を低減することができる。

また、本実施の形態では、パネル片１２Ａは、コの字型に折り曲げられた板状部材であり、このパネル片１２Ａをモザイク状に接合パネル部１２を構成しているので、パネル片１２Ａの製造が容易であり、クライオパネルの製造コストを大幅に低減することができる。

また、以上の説明では、すべてのパネル片１２Ａのコの字型の内側の面に、活性層が形成される形態について説明したが、上流側に配設されるパネル片１２Ａには、活性層を形成しないようにしてもよい。クライオパネル１０のガス流路における上流側には、シールド４に接続されるルーバ９が配設されるため、ルーバ９側からの輻射熱の影響が大きい場合には、活性層が形成されていないパネル片１２Ａを上流側に配設することにより、輻射熱の影響を低減することができる。なお、この場合、上流側を向いている面のみに活性層を形成しないようにしてもよい。

また、以上では、図２に示すように１８個のパネル片１２Ａをモザイク状に接合したパネル部１２を有するクライオパネル１０について説明したが、パネル部１２の形状は図２に示す形状に限られず、断面コの字型のパネル片１２Ａをランダムに組み合わせて実現される他の形状であってもよい。

なお、クライオポンプが接続されるプロセスチャンバの容量やプロセスの種類に応じて、各パネル部１２に含まれるパネル片１２Ａの数を変更してもよい。

また、各パネル部１２に含まれるパネル片１２Ａの数を増減するのと同様に、真空容器２の深さや内部形状に応じて、ガス流入方向にパネル部１２を複数段配設してもよく、この場合も同様の効果を得ることができる。

また、以上では、パネル片１２Ａを半田付けする形態について説明したが、図３に示すように、第１板部１２ａ及び第２板部１２ｂの中央に孔部を形成し、パネル片１２Ａ同士をネジ止めしてもよい。

なお、以上では、パネル片１２Ａに活性層が形成される形態について説明したが、シート状の活性層をパネル片１２Ａの表裏面に貼着してもよい。

「実施の形態２」
図４は、実施の形態２のクライオパネルの構成を示す図であり、（ａ）は、パネル部及び取付板を示す正面図、（ｂ）はパネル部を示す斜視図である。なお、この実施の形態２のクライオパネル２０の構成は、実施の形態１のクライオパネルの構成に準ずるため、同一又は同等の構成要素には、同一の符号を付し、その説明を省略する。

図４（ａ）に示すように、実施の形態２のクライオパネル２０では、図２に示すクライオパネル１０よりも、伝熱板１１から外側に延出するように、さらに多くのパネル片１２Ａが取り付けられている点が実施の形態１と異なる。このクライオパネル２０は、３４個のパネル片１２Ａを含んでおり、真空容器２の直径が大きい場合に適する。

このように、実施の形態２のクライオパネル２０においても、ガス流路の陰になる部分を少なくでき、また、活性層が形成されるパネル部１２の表面積も十分に確保できるため、従来のように円板状パネルの下流側にしか板状パネルを有しないクライオパネルに比べて、排気速度を向上させることができる。また、従来のような円錐型のパネルに比べると、コの字型のパネル片１２Ａがモザイク状に接続されることにより、ガス流路の上流側から下流側にかけて十分な流路を確保することができる。特に、１０〜２０Ｋレベルでは凝縮しない水素、ネオン、ヘリウム等の排気速度を向上させることができる。

以上の実施の形態１及び２では、図１に示す縦型のクライオポンプに用いるクライオパネルについて説明したが、真空容器２内に側方からステージが導入される横型のクライオポンプに用いてもよい。実施の形態１及び２のクライオパネルでは、伝熱板１１のコの字型の側面にはパネル部１２が取り付けられていないので、真空容器２内に側方から導入される第２段冷凍ステージ８Ｂとパネル部１２とが干渉することなく、クライオパネルを第２段冷凍ステージ８Ｂに取り付けることができる。

また、ガス流入方向におけるパネル部１２の段数の変更、径方向に配置されるパネル片の数、あるいは、パネルの接続パターンは、ここに示す形態に限定されるものではない。

また、以上の説明において半田付けされる部材は、リベット及びネジ止めにより接合されていてもよく、あるいは半田付け及びネジ止めの両方によって接合されていてもよい。

以上、本発明の例示的な実施の形態のクライオパネルについて説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

実施の形態１のクライオパネルが用いられる縦型のクライオポンプの構造を示す図である。 実施の形態１のクライオパネルを示す図であり、（ａ）は真空容器の上部開口の側から見た平面図、（ｂ）は斜視図、（ｃ）はパネル片を示す斜視図である。 実施の形態１の変形例のパネル片を示す斜視図である。 実施の形態２のクライオパネルの構成を示す図であり、（ａ）は、パネル部及び取付板を示す正面図、（ｂ）はパネル部を示す斜視図である。

符号の説明

１ クライオポンプ
２ 真空容器
３ 冷凍機
４ シールド
５ 圧縮機
６ 第１段シリンダ
６Ａ 第１段ディスプレーサ
７ 第２段シリンダ
７Ａ 第２段ディスプレーサ
８Ａ 第１段冷凍ステージ
８Ｂ 第２段冷凍ステージ
９ ルーバ
１０、２０ クライオパネル
１１ 伝熱板
１１ａ 孔部
１２ パネル部
１２Ａ パネル片

Claims (4)

1. ガス流入口を有する真空容器と、前記真空容器内に配設されるステージを有し、当該ステージを冷却する冷凍機とを備え、前記ガス流入口から前記真空容器内に流入する分子を凝固又は吸着させるクライオポンプに用いるクライオパネルであって、
   前記ステージにより保持されて冷却される伝熱板と、
   前記伝熱板によって支持され、前記真空容器内のガス流路に配置されるパネル部であって、断面コの字型の複数の板状のパネル片を含むパネル部と
   を備え、
   前記パネル片は、平面視長方形の板状パネルが長手方向に均等に折り曲げられた断面コの字型のパネル片である、クライオパネル。
2. 前記パネル片の前記コの字型の内側の面には、活性層が形成又は貼着される、請求項１に記載のクライオパネル。
3. 前記パネル片は、前記コの字型の中央に位置する第１板部が前記ガス流路の上流側、側方外側、又は下流側のいずれかの方向を向くように配設される、請求項２に記載のクライオパネル。
4. 前記パネル片は、前記第１板部と、当該第１板部の両端に位置する一対の第２板部とで構成されており、
   一のパネル片の前記第２板部に他のパネル片の前記第１板部を面接続することにより、前記伝熱板から延出するように複数のパネル片が接続される、請求項３に記載のクライオパネル。

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