JP4008080B2

JP4008080B2 - Differential exhaust type cryopump

Info

Publication number: JP4008080B2
Application number: JP33189797A
Authority: JP
Inventors: 新治降矢; 充級寺島; 秀敏森本; 勉西橋; 和浩樫本; 勇蔵桜田
Original assignee: Ulvac Inc; Ulvac Cryogenics Inc
Current assignee: Ulvac Inc; Ulvac Cryogenics Inc
Priority date: 1997-12-02
Filing date: 1997-12-02
Publication date: 2007-11-14
Anticipated expiration: 2017-12-02
Also published as: JPH11166476A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体成膜装置、荷電粒子入射装置等の真空装置に適用される差動排気型クライオポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、真空装置例えば成膜装置においては、油拡散ポンプやクライオポンプ、ターボ分子ポンプをチャンバーに接続された配管に取り付け、該チャンバー内に必要な真空を得ている。油拡散ポンプの場合はその取付方向が決められており、図１に示すように、チャンバーａから配管ｂ、主バルブｃ及び水冷バッフルｄを介して上下方向に油拡散ポンプｅを取り付け、取付方向が任意であるクライオポンプｆやターボ分子ポンプの場合は、図２に示すように配管ｂ及び主バルブｃを介して取り付けしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように従来のポンプはポンプのための配管が必要で、この配管のためにチャンバーの吸気口での有効排気速度がポンプの持つ排気速度の１／２から１／３にまで減少し、到達真空や目標の真空を得るのに長時間を要していた。図１の場合はチャンバーａからポンプｅまでの距離が長くなるのでコンダクタンスで損をする結果になり、有効排気速度が低下する。また、図２の場合は、配管口径で決まるコンダクタンスで有効排気速度の上限が決まってしまうため、有効排気速度を大きく取れなかった。
【０００４】
本発明は、クライオポンプのための配管を設けることなく排気を必要とする箇所に直接に取り付けでき、クライオポンプの持つ大きな排気速度を十分に発揮させることをその目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明では、ポンプケース内に、冷凍機のコールドヘッド２段に連結されて極低温に冷却されたクライオパネルと該冷凍機のコールドヘッド１段に連結されて超低温に冷却されたシールドと該シールドに連結したバッフルとを設け、該ポンプケースの開口に飛来する気体分子をこれらのクライオパネル、シールド及びバッフルにて捕捉するポンプに於いて、該シールドを中心軸が通る両側面に長方形あるいは円形の開口を備えた角筒型あるいは円筒型の筒型に形成し、該バッフルを両開口を結ぶ該シールドの内部の角筒型あるいは円筒型の通路の対向側面に配置すると共に互いに熱伝導材で連結し、該シールドとバッフルで囲まれた空間内に該中心軸と交叉する方向に延びる多段複数列のクライオパネルを互いに熱伝導材で連結して設けたことにより、上記の目的を達成するようにした。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づき説明すると、図３及び図４は本発明の差動排気型クライオポンプ１をイオン注入装置の長方形断面を有する筒型のビームラインケース２の途中に直接介入させた例を示し、該クライオポンプ１は、ポンプケース３の内部にヘリウムが循環する冷凍機４を収め、該冷凍機４のコールドヘッド１段５にシールド６を熱的に連結し、該シールド６にバッフル９を熱的に連結材９ａで連結支持し、該冷凍機４のコールドヘッド２段７にクライオパネル８が連結材８ａにより連結される。該コールドヘッド１段８は約８０Ｋの超低温に冷却され、これに伴ってシールド６及びバッフル９も約８０Ｋの超低温に冷却される。また、コールドヘッド２段７は約１５Ｋの極低温に冷却され、これに連結したクライオパネル８も極低温に冷却される。そして、ポンプケース３内へ向けて飛来する気体分子は、これらの超低温或いは極低温の面に吸着排気される。
【０００７】
こうした構成は、従来のクライオポンプも備える構成であるが、本発明のものでは、該シールド６を、中心軸１０が通る両側面６ａ、６ｂに開口１１ａ、１１ｂを備えた筒型に形成し、該バッフル９で両開口１１ａ、１１ｂを結ぶ該シールド６の内部の長方形断面の通路１２の上下を対向して囲み、さらに該シールド６とバッフル９とで囲まれた空間１３内に該クライオパネル８を設けるようにした。
【０００８】
図示のものでは該ポンプケース３をコールドヘッドを囲む円筒部３ａとシールド６の外周を囲む角筒部３ｂとで構成し、該角筒部３ｂの開口部周縁にはビームラインケース２の角形フランジと気密に接合する角形フランジ３ｃ、３ｃを設けた。該角筒部３ｂの開口部に面して上記開口１１ａ、１１ｂが開口する。該バッフル９は通路１２の上下に該通路と直交方向に延びる複数のフィン９ｂを配列し、各フィン９ｂを前記連結材９ａでシールド６に連結する構成とした。該フィン９ｂは、図３及び図４に見られるように通路１２の長さ方向の中間部のものを該通路１２に対して直立状態とし、長さ方向の端部にいくにつれ該通路に対して傾斜状態になるようにした。尚、該フィン９ａは通路１２の上下だけでなく左右を囲むように設けることも可能である。
【０００９】
また、該空間１３は通路１２の上下に夫々形成され、長手板状のクライオパネル８をその上下の各空間１３に多段複数列に熱伝導材１４で連結して配置し、該熱伝導材１４を前記連結材８ａを介してコールドヘッド２段７へ連結した。図示のものは上下の各空間１３に４枚ずつ配置したもので、各空間１３に於いてクライオパネル８を２枚ずつ重ね、通路１２の長さ方向に２群に分けて配置した。
【００１０】
本発明のクライオポンプは、ビームラインケース２などのチャンバーの内部に直接にクライオパネル８やバッフル９の低温面を存在させることができるから、該ケース２内の気体分子が低温面に入射する頻度が高くなり、有効排気速度を大きくできる。また、これら低温面は該ケース２の空間を介して対向して存在するので、該ケース２に露出したバッフル部分の面積が大きくてもその割には外部からの輻射熱が少なく、排気速度が低下しない。しかも、低温面同士が対向していて外部よりの輻射熱を考慮する必要がなく、クライオパネル８への入熱はシールド６やバッフル９からの輻射熱だけを考慮すればよいから、バッフル９のフィン９ａの間隔を拡げることが可能になり、その結果、ＣＯ₂、Ｎ₂、Ｈ₂等の凝縮温度の低い気体分子がクライオパネル８へ到達しやすくなってこれらの気体分子の排気速度を上げることができる。とくに、該ケース２の断面積が小さいければその壁面で気体分子が反射される確率が高く、このようなときには広い低温面に飛び込む気体分子が多くなり、従来のようにビームラインケースにバルブを介してクライオポンプを設けた場合に比べ、エンドステーションでの有効排気速度を約１０倍に上げることができる。
【００１１】
該ビームラインケース２の内部で例えばイオン源から引き出したイオンビームを導き、エンドステーション１５に用意したレジストを塗布した基板へイオン注入する場合、本発明のクライオポンプを図３に見られるように該ケース２の途中に設ける。イオンビームが該基板に入射することに伴いレジストからガスが発生し、そのガスが該ケース２をイオン源の方へ拡散するが、このガスは該ケース２に低温面を直接露出させて設けた本発明のクライオポンプにより差動排気され、該ケース２内の圧力を十分に下げることができる。これによりビームラインケース内の不純物ガスが減少するので、イオン電流の設定精度を上げることができ、しかもイオンビームと不純物ガスとの衝突による不純物イオンの発生も少なくなって品質の良いイオン注入を行える。この場合該ケース２のエンドステーション側で圧力が高まっても、そのイオン源側では圧力が上がらず、エネルギーコンタミネーションを生じるイオンの荷電変換効率は図６に見られるように例えば２価が１価にあるいは２価が３価に変換する効率を従来のものより数十分の１にまで減少できた。尚、本発明のクライオポンプは、その冷凍機４を作動させることによりシールド６及びバッフル９は約８０Ｋに冷却され、クライオパネル８は約１５Ｋに冷却される。ビームラインケース２が円形である場合、これに合せてシールド６も円筒型に形成される。
【００１２】
【発明の効果】
以上のように本発明によるときは、クライオポンプのシールドを中心軸が通る両側面に長方形あるいは円形の開口を備えた角筒型あるいは円筒型の筒型に形成し、該バッフルを両開口を結ぶ該シールドの内部の角筒型あるいは円筒型の通路の対向側面に配置すると共に互いに熱伝導材で連結し、該シールドとバッフルで囲まれた空間内に該中心軸と交叉する方向に延びる多段複数列のクライオパネルを互いに熱伝導材で連結して設けるようにしたので、配管を使用せずしかも熱輻射を少なくして直接にクライオポンプを所要の排気箇所に取り付けることができ、クライオポンプの持つ排気速度を損なうことなく有効に利用できる等の効果があり、特に荷電粒子を使用する真空装置の排気に好都合に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の油拡散ポンプによる排気手段の説明図
【図２】従来のクライオポンプによる排気手段の説明図
【図３】本発明の実施の形態を示す截断側面図
【図４】図３の４−４線部分の側面図
【図５】図３の要部の分解斜視図
【図６】イオン注入装置に本発明ポンプを適用した場合のエネルギーコンタミネーションの測定図
【符号の説明】
１差動排気型クライオポンプ、２ビームラインケース、３ポンプケース、４冷凍機、６シールド、６ａ・６ｂ側面、８クライオパネル、９バッフル、１０中心軸、１１ａ・１１ｂ開口、１２通路、１３空間、１４熱伝導材、[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a differential exhaust type cryopump applied to a vacuum apparatus such as a semiconductor film forming apparatus or a charged particle injection apparatus.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in a vacuum apparatus such as a film forming apparatus, an oil diffusion pump, a cryopump, or a turbo molecular pump is attached to a pipe connected to a chamber to obtain a necessary vacuum in the chamber. In the case of an oil diffusion pump, the mounting direction is determined. As shown in FIG. 1, the oil diffusion pump e is mounted from the chamber a through the pipe b, the main valve c and the water-cooled baffle d in the vertical direction. In the case of a cryopump f or a turbo molecular pump in which is optional, it is attached via a pipe b and a main valve c as shown in FIG.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the conventional pump requires piping for the pump, and due to this piping, the effective exhaust speed at the inlet of the chamber is reduced from 1/2 to 1/3 of the exhaust speed of the pump, It took a long time to achieve the ultimate vacuum or the target vacuum. In the case of FIG. 1, the distance from the chamber a to the pump e is increased, resulting in a loss in conductance, and the effective exhaust speed is reduced. In the case of FIG. 2, the effective exhaust speed cannot be increased because the upper limit of the effective exhaust speed is determined by the conductance determined by the pipe diameter.
[0004]
An object of the present invention is to make it possible to directly attach to a place where exhaust is required without providing piping for the cryopump, and to sufficiently exhibit the large exhaust speed of the cryopump.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, a cryopanel that is connected to two stages of the cold head of the refrigerator and cooled to a cryogenic temperature, a shield that is connected to the first stage of the refrigerator and cooled to an ultra-low temperature, and the shield in the pump case In a pump that captures gas molecules flying to the opening of the pump case with these cryopanels, shields, and baffles, a rectangular or circular shape is formed on both sides through which the central axis passes . It is formed into a square tube type or cylindrical tube type with an opening, and the baffle is arranged on the opposite side surface of the square tube type or cylindrical passage inside the shield that connects both openings and is connected to each other by a heat conductive material. and, Moketako by connecting cryopanel multistage plurality of rows extending in a direction crossing the central axis in a space surrounded by the shield and baffle of a thermally conductive material with each other Was thus to achieve the above object.
[0006]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIGS. 3 and 4 show that the differential evacuated cryopump 1 of the present invention directly intervenes in the middle of a cylindrical beam line case 2 having a rectangular cross section of an ion implantation apparatus. The cryopump 1 includes a refrigerator 4 in which helium circulates inside a pump case 3, a shield 6 is thermally connected to the first stage 5 of the cold head 4, and the shield 6, the baffle 9 is thermally connected and supported by a connecting member 9a, and the cryopanel 8 is connected to the second stage 7 of the cold head 4 by the connecting member 8a. The first stage 8 of the cold head is cooled to an ultra-low temperature of about 80K, and the shield 6 and the baffle 9 are also cooled to an ultra-low temperature of about 80K. The cold head second stage 7 is cooled to a cryogenic temperature of about 15K, and the cryopanel 8 connected thereto is also cooled to a cryogenic temperature. Gas molecules flying toward the pump case 3 are adsorbed and exhausted to these ultra-low or extremely low-temperature surfaces.
[0007]
Such a configuration is also a configuration including a conventional cryopump. In the present invention, the shield 6 is formed in a cylindrical shape having openings 11a and 11b on both side surfaces 6a and 6b through which the central axis 10 passes, The cryopanel 8 is enclosed in a space 13 surrounded by the shield 6 and the baffle 9 so that the baffle 9 surrounds the upper and lower sides of the passage 12 having a rectangular cross section inside the shield 6 connecting the openings 11a and 11b. It was made to provide.
[0008]
In the illustrated case, the pump case 3 is composed of a cylindrical portion 3a surrounding the cold head and a rectangular tube portion 3b surrounding the outer periphery of the shield 6, and a rectangular flange of the beam line case 2 is provided at the periphery of the opening of the rectangular tube portion 3b. And square flanges 3c and 3c which are airtightly joined. The openings 11a and 11b are opened facing the opening of the rectangular tube portion 3b. The baffle 9 has a structure in which a plurality of fins 9b extending in a direction orthogonal to the passage are arranged above and below the passage 12, and each fin 9b is connected to the shield 6 by the connecting member 9a. As shown in FIGS. 3 and 4 , the fin 9 b has an intermediate portion in the lengthwise direction of the passage 12 in an upright state with respect to the passage 12, and with respect to the passage toward the end in the lengthwise direction. To be in an inclined state. The fins 9a can be provided so as to surround not only the upper and lower sides of the passage 12 but also the left and right sides.
[0009]
The spaces 13 are respectively formed above and below the passage 12, and the longitudinal plate-like cryopanels 8 are arranged in the upper and lower spaces 13 connected in a plurality of rows by the heat conductive material 14. Was connected to the cold head second stage 7 through the connecting member 8a. In the figure, four pieces are arranged in each of the upper and lower spaces 13, and two cryopanels 8 are stacked in each space 13 and arranged in two groups in the length direction of the passage 12.
[0010]
In the cryopump of the present invention, the low temperature surface of the cryopanel 8 and the baffle 9 can exist directly inside the chamber such as the beamline case 2, so the frequency of gas molecules in the case 2 entering the low temperature surface. And the effective exhaust speed can be increased. In addition, since these low-temperature surfaces are opposed to each other through the space of the case 2, even if the area of the baffle portion exposed to the case 2 is large, there is little radiant heat from the outside, and the exhaust speed is reduced. do not do. In addition, since the low-temperature surfaces are opposed to each other, it is not necessary to consider the radiant heat from the outside, and the heat input to the cryopanel 8 only needs to consider the radiant heat from the shield 6 and the baffle 9. it is possible to expand the spacing, so that is possible to increase the pumping speed of the gas molecules CO _2, N _2, low gas molecules condensation temperature of the H ₂ and the like becomes easier to reach the cryopanel 8 it can. In particular, if the cross-sectional area of the case 2 is small, there is a high probability that gas molecules will be reflected on the wall surface. In such a case, more gas molecules will jump into a wide low-temperature surface, and a valve is attached to the beam line case as in the conventional case. As compared with the case where a cryopump is provided, the effective exhaust speed at the end station can be increased about 10 times.
[0011]
For example, when an ion beam extracted from an ion source is guided inside the beam line case 2 and ion implantation is performed on a substrate coated with a resist prepared in the end station 15, the cryopump of the present invention can be seen as shown in FIG. Provided in the middle of case 2. As the ion beam is incident on the substrate, a gas is generated from the resist, and the gas diffuses the case 2 toward the ion source. This gas is provided with the low-temperature surface exposed directly to the case 2. Differential exhaust is performed by the cryopump of the present invention, and the pressure in the case 2 can be sufficiently reduced. As a result, the impurity gas in the beam line case is reduced, so that the setting accuracy of the ion current can be increased, and the generation of impurity ions due to the collision between the ion beam and the impurity gas is reduced, and high-quality ion implantation can be performed. . In this case, even if the pressure increases on the end station side of the case 2, the pressure does not increase on the ion source side, and the charge conversion efficiency of ions that cause energy contamination is, for example, bivalent is monovalent as shown in FIG. In addition, the efficiency of conversion of divalent to trivalent could be reduced to 1 which is several tenths of the conventional one. In the cryopump of the present invention, by operating the refrigerator 4, the shield 6 and the baffle 9 are cooled to about 80K, and the cryopanel 8 is cooled to about 15K. When the beam line case 2 is circular, the shield 6 is also formed in a cylindrical shape in accordance with this.
[0012]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the cryopump shield is formed into a rectangular tube shape or a cylindrical tube shape having rectangular or circular openings on both side surfaces through which the central axis passes, and the baffle is connected to both openings. A plurality of multi-stages arranged on opposite sides of the rectangular tube or cylindrical passage inside the shield and connected to each other by a heat conductive material and extending in a direction intersecting the central axis in a space surrounded by the shield and the baffle Since the cryopanels in a row are connected to each other with a heat conductive material , the cryopump can be installed directly at the required exhaust location without using piping and reducing heat radiation. There is an effect that it can be used effectively without impairing the exhaust speed, and it can be advantageously applied particularly to exhaust of a vacuum apparatus using charged particles .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory view of exhaust means by a conventional oil diffusion pump. FIG. 2 is an explanatory view of exhaust means by a conventional cryopump. FIG. 3 is a cutaway side view showing an embodiment of the present invention. FIG. 5 is an exploded perspective view of the main part of FIG. 3. FIG. 6 is a measurement diagram of energy contamination when the pump of the present invention is applied to the ion implantation apparatus.
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Differential exhaust type cryopump, 2 Beamline case, 3 Pump case, 4 Refrigerator, 6 Shield, 6a * 6b Side surface, 8 Cry panel, 9 Baffle, 10 Central axis, 11a * 11b Opening, 12 Passage, 13 Space , 14 heat conduction material,

Claims

Inside the pump case, a cryopanel connected to the second stage cold head of the refrigerator and cooled to a cryogenic temperature, a shield connected to the first stage cold head of the refrigerator and cooled to an ultra-low temperature, and a baffle connected to the shield In the pump that captures gas molecules flying to the opening of the pump case with these cryopanels, shields, and baffles, rectangular or circular openings are provided on both side surfaces through which the central axis passes through the shield. The tube is formed in a rectangular tube shape or a cylindrical tube shape, and the baffle is disposed on the opposite side surface of the rectangular tube or cylindrical passage inside the shield that connects both openings , and is connected to each other by a heat conductive material, and the shield It is characterized by providing by connecting the cryopanel multistage plurality of rows extending in a direction crossing the central axis in a space enclosed by the baffle thermally conductive material with each other and Differential exhaust type cryo pump.