JP2008202491A - クライオパネル冷却構造とその冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】冷凍能力の高い大型の冷凍機を用いることなく、クライオパネルの冷却時間の短縮、排気速度の向上を図るのに好適な小型のクライオパネル冷却構造を提供する。
【解決手段】真空チャンバー１内のクライオパネル２と真空チャンバー１外の冷凍機３とを熱伝導材４によって連結し、冷凍機３から熱伝導材４を介してクライオパネル２を冷却するクライオパネル冷却構造において、熱伝導材４については、アルミニュウム等のように体積当たりの熱容量が銅より小さい金属母材の内部にカーボンファイバ等のような繊維状の高熱伝導物質を埋め込んだ複合材を使用して作製されるものとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、真空チャンバー内でＨ_２Ｏガス等の気体を吸着保持により排気するクライオパネルの冷却構造とその冷却方法に関する。

例えば、半導体の製造過程では、真空チャンバー内において、半導体ウエハの表面に薄膜を形成する処理や、その薄膜をドライエッチングする処理等を行っている。

従来より、この種の真空チャンバー内を真空にする方式として、真空チャンバー内に設置されたクライオパネルによって真空チャンバー内のＨ_２Ｏガス（水分子）等を排気する方式が知られている（例えば、特許文献１参照）。

図９は、上記方式で真空チャンバー内を真空にする従来装置の概略説明図である。同図の従来装置は、真空チャンバー１内に設置されるクライオパネル２と真空チャンバー１の外部に設けた冷凍機３とを熱伝導材４で連結し、冷凍機３から熱伝導材４を介してクライオパネル２を冷却する構造になっている。

クライオパネル２は、常温から１００Ｋ付近まで冷却されることよって真空ポンプとして動作し、真空チャンバー１内のガスを排気する。そのガス排気動作は、冷却されたクライオパネル２の表面で真空チャンバー１内のＨ_２Ｏガス等を凝縮し、吸着保持するというものである。

ところで、図９の従来装置では、クライオパネル２を常温からその動作開始温度（１００Ｋ付近）まで冷却する時間を短くするため、冷凍機３とクライオパネル２を連結している熱伝導材４として熱伝導のよい純銅を利用している。

しかしながら、銅は体積当たりの熱容量が大きい。このため、純銅製の熱伝導材４を使用し、熱伝導度を良くするため熱伝導体４の体積を増大させても、その熱伝導体４を冷却する時間がかかるため、クライオパネル２の冷却時間を短縮する効果は小さい。この問題を解決するために、冷却能力の高い大型の冷凍機を使用すれば、それだけクライオパネル冷却構造が大型になるという問題がある。

さらに、図９の従来装置によると、常温の真空チャンバー壁１Ａからの輻射熱がクライオパネル２に流入する。そのため、クライオパネル２の排気速度を高めることを目的としてクライオパネル２の面積を拡大すると、それだけ真空チャンバー壁１Ａからクライオパネル２への輻射熱の流入量が増えることから、冷凍機３の能力も同時に拡大しなければならず、冷凍能力の高い大型の冷凍機が必要となり、クライオパネル冷却構造が大型になるという問題がある。

また、真空チャンバー１内の圧力上昇に従い、真空チャンバー壁１Ａからの熱輻射に加えて、真空チャンバー１内の気体の移動による熱伝導も加わり、熱輻射と熱伝導とによってクライオパネル２の温度上昇が生じる。そのため、クライオパネル２の面積を拡大した場合には、クライオパネル２の温度を動作開始温度（１００Ｋ付近）に維持するために、より一層冷凍能力の高い大型の冷凍機が必要となる。

特開平６−３４１３７５号公報

本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、その目的とすることは、冷凍能力の高い大型の冷凍機を用いることなく、クライオパネルの冷却時間の短縮、排気速度の向上を図るのに好適な小型のクライオパネル冷却構造を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、真空チャンバー内のクライオパネルと真空チャンバー外の冷凍機とを熱伝導材によって連結し、冷凍機から熱伝導材を介してクライオパネルを冷却するクライオパネル冷却構造であって、上記クライオパネル冷却構造は、上記熱伝導材として、体積当たりの熱容量が銅より小さい金属母材の内部に繊維状の高熱伝導物質を埋め込んだ複合材を使用したことを特徴とするものである。

上記本発明において、上記繊維状の高熱伝導物質は熱伝導方向に沿って埋め込まれるように構成してもよい。

上記本発明においては、上記クライオパネルと上記真空チャンバー壁との間に、表面輻射率が常温で０．１から０．０１である超低輻射率の中間シールド板を介在させた構成を採用することもできる。

上記本発明において、上記クライオパネルは、上記熱伝導材の上端面に取り付けられたパネル本体と、このパネル本体の外周部に一体に連結された変形パネル部とからなり、上記クライオパネルがその動作開始温度まで低下するに従い、上記変形パネル部が、上記真空チャンバー壁に相対しているクライオパネルの立体角を増大させるように変形するように構成してもよい。

本発明は、真空チャンバー内のクライオパネルと真空チャンバー外の冷凍機とを熱伝導材によって連結し、冷凍機から熱伝導材を介してクライオパネルを冷却するクライオパネル冷却方法であって、上記クライオパネル冷却方法は、上記熱伝導材として、体積当たりの熱容量が銅より小さい金属母材の内部に繊維状の高熱伝導物質を埋め込んだ複合材料を使用し、この複合材料からなる熱伝導体を介してクライオパネルを冷却することを特徴とするものである。

本発明によれば、上記のように、冷凍機とクライオパネル間の熱伝導材として、体積当たりの熱容量が銅より小さい金属母材の内部に繊維状の高熱伝導物質を埋め込んだ複合材を使用したため、冷凍機からクライオパネルへの熱伝導が向上し、冷凍能力の高い大型の冷凍機を用いることなく、クライオパネルの冷却時間を短縮することができ、クライオパネルの排気速度の向上を図れるという作用効果が得られる。

特に、本発明では、クライオパネルと真空チャンバー壁との間に、表面輻射率が常温で０．１から０．０１である超低輻射率の中間シールド板を介在させた構成を採用した。このような構成によると、真空チャンバー壁からクライオパネルへの輻射熱の流入量が減ることから、冷凍能力の高い大型の冷凍機を用いることなく、より排気性能の高い大面積のクライオパネルを冷却することが可能となるという作用効果が得られる。

また、本発明においては、クライオパネルは、熱伝導材の上端面に取り付けられたパネル本体と、このパネル本体の外周部に一体に連結された変形パネル部とからなり、クライオパネルがその動作開始温度まで低下するに従い、上記変形パネル部が、真空チャンバー壁に相対しているクライオパネルの立体角を増大させるように変形するという構成を採用した。

このような構成によると、クライオパネルがその動作開始温度になるまでの間は、上記のようなクライオパネルの立体角は小さく、常温の真空チャンバー壁からクライオパネルへ流入する輻射熱量が減少するから、気体の移動による熱伝導が増えても、クライオパネルを十分に冷却することができ、冷凍能力の高い大型の冷凍機を採用することなく、クライオパネルを短時間で動作開始温度まで冷却することが可能となる。また、クライオパネルが動作し始め真空チャンバー内の圧力が低下すると気体の移動による熱伝導はほぼ零になるため、クライオパネルの真空チャンバー壁への立体角が最大になりクライオパネルへの輻射熱が増大してもクライオパネル温度を維持できることになる。クライオパネルの排気速度の向上を図れ、また、真空チャンバー内の圧力変化に対してクライオパネルの温度を一定に保つこともできる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付した図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は本発明の一実施形態であるクライオパネル冷却構造とその冷却方法の説明図、図２（ａ）は図１のクライオパネル冷却構造とその冷却方法で採用した熱伝導材の拡大縦断面図、図２（ｂ）はその横断面図である。

本実施形態のクライオパネル冷却構造とその冷却方法は、図１に示したように、真空チャンバー１内のクライオパネル２と真空チャンバー１外の冷凍機３とを熱伝導材４によって連結し、冷凍機３から熱伝導材４を介してクライオパネル２を冷却するものである。

熱伝導材４については、図２（ａ）（ｂ）のように、体積当たりの熱容量が銅より小さい金属母材４Ａ内に繊維状の高熱伝導物質４Ｂを熱伝導方向（図１、図２（ａ）矢印Ａの方向）に埋め込んだ複合材料を使用して作製されている。

上記のような金属母材４Ａや繊維状の高熱伝導物質４Ｂの具体例として、本実施形態では、母材４Ａについてはアルミニュウム、繊維状の高熱伝導物質４Ｂについてはカーボンファイバ又はカーボンナノチューブファイバを採用した。

クライオパネル２は、上記のような熱伝導材４の上端面に取り付けられたパネル本体２０１と、パネル本体２０１の外周部に一体に連結された変形パネル部２０２とからなり、クライオパネル２の温度が動作開始温度（クライオパネル２が真空ポンプとして動作を開始する温度（１００Ｋ付近））まで低下するに従い、その変形パネル部２０２が、真空チャンバー壁１Ａに相対しているクライオパネル２の立体角Ω（図３参照）を増大させるように変形する構造になっている。なお、図３ではクライオパネル２の立体角Ωが最大である状態を示した。

変形パネル部２０２は、例えば、図４のようにパネル本体２０１の外周部にバイメタル材からなるブレード２０２Ａを放射状に複数設けた構造とするとともに、クライオパネル２の温度が設定温度まで低下したときに、そのバイメタル材の変形動作によって自動的に当該ブレード２０２Ａがクライオパネル２の立体角Ωを増大させるように変形するように構成してもよい。

図５（ａ）は、クライオパネル２の温度が動作開始温度（１００Ｋ付近）まで低下したときのクライオパネル２の変形状態を示したもの、図５（ｂ）は、真空チャンバー１内が常温（３００Ｋ）あるいは高圧（１Ｔｏｒｒ）であるときのクライオパネル２の変形状態を示したものである。

図５（ａ）のように、クライオパネル２の温度が動作開始温度（１００Ｋ付近）になると、クライオパネル２の変形パネル部２０２はパネル本体２０１の中心から外側に向かって開き、クライオパネル２の立体角Ωが大となり（図３の立体角Ωと等しい）、クライオパネル２は真空ポンプとして最大排気速度で動作する。すなわち、クライオパネル２の表面で真空チャンバー１内のＨ_２Ｏガス等を凝縮し、吸着保持する。

一方、真空チャンバー１内が動作開始温度（１００K 付近）より高温あるいは気体による熱伝導が無視できない程の高圧（１Ｔｏｒｒ）という条件下では、図５（ｂ）のように、クライオパネル２には真空チャンバー壁１Ａからの熱輻射に加えて、真空チャンバー１内の気体の移動による熱伝導も加わるが、このとき、クライオパネル２のパネル変形部２０２は同図（ｂ）のようにパネル本体２０１の中心に向かって内側に閉じ、クライオパネル２の立体角Ωは小さくなる。

このため、クライオパネル２が真空ポンプとして動作しないときは、常温の真空チャンバー壁１Ａからクライオパネル２へ流入する輻射熱量が減少するため、気体の移動による熱伝導が増えても、クライオパネル２を十分に冷却でき、冷凍能力の高い大型の冷凍機を採用することなく、クライオパネル２を短時間で動作開始温度（１００Ｋ付近）まで冷却することが可能となり、クライオパネル２の排気速度が向上する。

上記のような構成からなるクライオパネル２もまた、上記熱伝導材４と同じ複合材料によって形成することができる。すなわち、クライオパネル２は、図４のように体積当たりの熱容量が銅より小さい金属母材２Ａ内に繊維状の高熱伝導物質２Ｂを熱伝導方向（図４矢印Ｂの方向）に埋め込んだ複合材料を使用して作製することができる。

図１のように、クライオパネル２と真空チャンバー壁１Ａとの間には、表面輻射率（以下「輻射率ε」と略称する）が常温で０．１から０．０１である超低輻射率の中間シールド板５が介挿されている。

超低輻射率の中間シールド板５の一例として、本実施形態では、図６のように厚さ１ｍｍのアルミニュウム製の中間シールド板本体５Ａを厚さ１〜２μｍの超高純度・ダメージフリーＡｌ（アルミニュウム）膜５Ｂでコーティングし、更にその表面に１０Å程度の酸化Ａｌ(アルミニュウム)膜５Cでおおわれたものを採用した。超高純度・ダメージフリーＡｌ膜５Ｂは、３００Ｋでの輻射率εが０．０２であって、例えば、特開平６−１７２９８２号公報に開示された金属膜生成装置によって生成することができる。

上記のような中間シールド板５の効果を数式で説明する。

図７のように、真空チャンバー壁１Ａからの輻射熱（熱負荷）をＱとすると、Ｑは下記の式（１）で表される。

従って、上記式（１）から、Ｑはε_ｒに比例（Ｑ∝ε_ｒ）する。

＜考察１＞
考察１では、中間シールド板５が存在しないときのε_ｒについて考察する。図７のように真空チャンバー壁１Ａの温度をＴ_ｈ（Ｔ_ｈ＝300K）とし、Ｔ_ｈ＝300Kでの真空チャンバー壁１Ａの輻射率をε_２（ε_２＝0.3）とする。そして、クライオパネル２の温度をＴ_Ｌ（Ｔ_Ｌ＝100K）、Ｔ_Ｌ＝100Kでのクライオパネル２の輻射率をε_１（ε_１＝0.1）とすると、中間シールド板５がないときのε_ｒは、上記式（２）より
ε_ｒ＝（0.1×0.3）／（0.3＋(1-0.3)×0.1）＝0.081
となる。

＜考察２＞
考察２では、中間シールド板５が存在するときのε_ｒについて考察する。図８のように真空チャンバー壁１Ａの温度を300Kとすると、真空チャンバー壁１Ａからの輻射熱流入とクライオパネル２ヘの輻射熱流出によって中間シールド板５の温度は３００Kより少し低く、例えば290Kとなる。

以上のことから中間シールド板５の温度をＴ_ｉ（Ｔ_ｉ＝290K）とし、Ｔ_ｉ＝290Kでの中間シールド板５の輻射率をε_ｉ（ε_ｉ＝0.02）とする。そして、考察１と同じく、クライオパネル２の温度をＴ_Ｌ（Ｔ_Ｌ＝100K）、Ｔ_Ｌ＝100Kのクライオパネル２の輻射率をε_１（ε_１＝0.1）とすると、中間シールド板５があるときのε_ｒは、上記式（２）中のε_２をε_ｉで置換した式より、
ε_ｒ＝（0.1×0.02）／（0.02＋(1-0.02)×0.1）＝0.017
となる。

考察１、２から分かるように、真空チャンバー壁１Ａとクライオパネル２との間に中間シールド板５を設けた場合には、輻射率ε_ｒが減少する。クライオパネル２への輻射熱流入量、即ち中間シールド板５からの輻射熱Ｑは上述のように輻射率ε_ｒに比例するから、輻射率ε_ｒの減少によりクライオパネル２への輻射熱流入量も減少する。従って、冷凍能力の高い大型の冷凍機を採用しなくても排気性能の高い大面積のクライオパネル２を十分に冷却することができる。本実施例図１ではクライオパネル２の下方にのみ中間シールド板５を挿入したが、クライオパネル２の上方にも中間シールド板５を挿入すれば、更に真空チャンバー壁１Aからの輻射熱Qのクライオパネル２への流入を減少させる事ができる。

本発明の一実施形態であるクライオパネル冷却構造とその冷却方法の説明図。 （ａ）は図１のクライオパネル冷却構造とその冷却方法で採用した熱伝導材の縦断面図、（ｂ）はその横断面図。 クライオパネルの立体角の説明図。 変形可能なクライオパネルの構造例の説明図。 （ａ）はクライオパネルの温度が設定温度（１００Ｋ付近）まで低下しているときのクライオパネルの変形状態の説明図、（ｂ）は真空チャンバー内が常温（３００Ｋ）あるいは高圧（１Ｔｏｒｒ）であるときのクライオパネル２の変形状態の説明図。 中間シールド板の詳細説明図。 中間シールド板が存在しないときにクライオパネルに流入する輻射熱の状態説明図。 中間シールド板が存在するときにクライオパネルに流入する輻射熱の状態説明図。 クライオパネルによってＨ_２Ｏガス（水分子）等を排気する方式で真空チャンバー内を高真空にする従来装置の説明図。

符号の説明

１ 真空チャンバー
１Ａ 真空チャンバー壁
２ クライオパネル
２Ａ 母材
２Ｂ 繊維状の高熱伝導物質
２０１ パネル本体
２０２ 変形パネル部
２０２Ａ ブレード
３ 冷凍機
４ 熱伝導材
４Ａ 母材
４Ｂ 繊維状の高熱伝導物質
５ 中間シールド板

Claims (5)

1. 真空チャンバー内のクライオパネルと真空チャンバー外の冷凍機とを熱伝導材によって連結し、冷凍機から熱伝導材を介してクライオパネルを冷却するクライオパネル冷却構造であって、
   上記クライオパネル冷却構造は、上記熱伝導材として、体積当たりの熱容量が銅より小さい金属母材の内部に繊維状の高熱伝導物質を埋め込んだ複合材を使用したこと
   を特徴とするクライオパネル冷却構造。
2. 上記繊維状の高熱伝導物質は熱伝導方向に沿って埋め込まれたこと
   を特徴とする請求項１に記載のクライオパネル冷却構造。
3. 上記クライオパネルと上記真空チャンバー壁との間に、表面輻射率が常温で０．１から０．０１である超低輻射率の中間シールド板を介在させたこと
   を特徴とする請求項１に記載のクライオパネル冷却構造。
4. 上記クライオパネルは、上記熱伝導材の上端面に取り付けられたパネル本体と、このパネル本体の外周部に一体に連結された変形パネル部とからなり、
   上記クライオパネルがその動作開始温度まで低下するに従い、上記変形パネル部が、上記真空チャンバー壁に相対しているクライオパネルの立体角を増大させるように変形すること
   を特徴とする請求項１に記載のクライオパネル冷却構造。
5. 真空チャンバー内のクライオパネルと真空チャンバー外の冷凍機とを熱伝導材によって連結し、冷凍機から熱伝導材を介してクライオパネルを冷却するクライオパネル冷却方法であって、
   上記クライオパネル冷却方法は、上記熱伝導材として、体積当たりの熱容量が銅より小さい金属母材の内部に繊維状の高熱伝導物質を埋め込んだ複合材料を使用し、この複合材料からなる熱伝導体を介してクライオパネルを冷却すること
   を特徴とするクライオパネル冷却方法。

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