(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空チャンバ内にガスを導入し、該ガスを真空チャンバ内から排気した後、その排気されたガスの一部を再び真空チャンバ内に戻す真空システムで使用される真空排気装置であって、
真空チャンバ内を所定の圧力に保つのに十分な排気速度を有した第一の真空ポンプと、ガスを再び真空チャンバ内に戻すのに必要な圧力まで圧縮する性能を有した第二の真空ポンプとを備え、前記第一の真空ポンプの排気口と第二の真空ポンプの吸気口とを連結し、
前記第一の真空ポンプが、駆動系にも排気系にも潤滑油を用いないオイルフリーなポンプであり、前記第二の真空ポンプは、少なくとも排気系に潤滑油を用いないドライポンプであり、前記第一の真空ポンプは圧縮比を低くしてその高さを低減し、前記第二の真空ポンプは排気速度を低くしてその外径寸法を低減し、全体としての容積を縮小したことを特徴とする真空排気装置。
【請求項２】
前記第一の真空ポンプ及び第二の真空ポンプの双方が、磁気軸受を用いたオイルフリーなポンプであることを特徴とする請求項１に記載の真空排気装置。
【請求項３】
排気されたガスの一部を再び真空チャンバ内に戻す経路内に特定のガス成分を除去する装置を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の真空排気装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスを循環させて再利用する真空システムに用いて好適な真空排気装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の半導体製造装置、例えばエッチング装置や化学気相成長装置（ＣＶＤ）にあっては、図２に示すように、真空チャンバ１の内部に配置されたウエハ２に向けて半導体製造を行うのに必要なガスをシャワーヘッド３から噴出してウエハ２に対する処理を行う。ここでは、真空チャンバ１内の処理後のガスは、全てゲート弁４を介してターボ分子ポンプや複合分子ポンプ等の高真空ポンプ５で真空チャンバ１から排気された後、フォアライン弁６から粗引きポンプ７を介して大気へ放出されていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、最近、半導体製造装置においては、ウエハの大口径化や成膜の高品質化のために多量のガスを使用する傾向にある。半導体製造装置の真空チャンバに導入されるガスは、その一部が反応に寄与しているだけであり、残りの大部分は未反応のまま排出されてしまっている。そこで、将来的には、図３に示すように、ガスの有効利用のために、ターボ分子ポンプ等の高真空ポンプ５によって真空チャンバ１から排気されたガスの一部を再び真空チャンバ１内に戻して、未反応のガスの利用効率を高める工夫をする必要性が高くなる。
【０００４】
即ち、同図に示すように、高真空ポンプ５とフォアライン弁６との間から分岐して真空チャンバ１の入口に戻るガス循環配管８を設け、このガス循環配管８の内部に締切弁９を介装するとともに、前記フォアライン弁６と粗引きポンプ７との間に流量調節弁１０を介装し、この流量調節弁１０と前記締切弁９を介して、前記ガス循環配管８内に流量Ｑ２のガスを循環させることにより、真空チャンバ１内に流量Ｑ１＋Ｑ２のガスを導入し、流量Ｑ１のガスを大気に放出するようにすることが考えられる。
【０００５】
ここで、真空チャンバ内にガスを導入する場合、ウエハに均一にガスが行き渡るようにするため、前述のように、通常シャワーヘッドと称されるガス噴き出し装置が用いられる。循環させるガスもこのシャワーヘッドのようなガス噴き出し装置を介して真空チャンバ内に戻さなければならない。しかしながら、このシャワーヘッドには、直径１mm以下の微小な穴が数十箇所に設けられており、この穴からガスが噴き出すようになっているため、そのコンダクタンスは非常に小さい。例えば、直径０．８mmの穴が５０個設けられたシャワーヘッドのコンダクタンスは、凡そ１×１０-2ｌ／ｓである。よってこのシャワーヘッドを介して循環ガス１０００sccmを真空チャンバ内に戻す場合は２０Torr程度まで圧縮しなければならないことになる。
【０００６】
ところが、従来から一般に使用されているターボ分子ポンプや複合分子ポンプは、圧縮能力が十分でないため、前記図３に示す高真空ポンプ５として使用することができない。また、例えガスを循環させるのに十分な圧縮性能を持たせたとしても、多量のガスを排気するためポンプの口径は大きく、かつ圧縮性能を向上させるための翼の段数を増やしたり、ねじ溝ロータの軸方向長さを大きくしなければならないため、ポンプは外径、高さとも大きくなってしまう。
【０００７】
これは半導体製造装置の排気系コンパクト化の要請を考えると好ましくない。
さらにガス量の多さによっては、ねじ溝ロータでは十分に圧縮できず、ガスを循環させられないことも考えられる。
【０００８】
本発明は、これらの問題点を解決し、ガスを再利用のために循環させる排気系に使用され、このガスの循環をコンパクトな構成で確実に行うことができるようにした真空排気装置を提供することを目的としたものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、真空チャンバ内にガスを導入し、該ガスを真空チャンバ内から排気した後、その排気されたガスの一部を再び真空チャンバ内に戻す真空システムで使用される真空排気装置であって、真空チャンバ内を所定の圧力に保つのに十分な排気速度を有した第一の真空ポンプと、ガスを再び真空チャンバ内に戻すのに必要な圧力まで圧縮する性能を有した第二の真空ポンプとを備え、前記第一の真空ポンプの排気口と第二の真空ポンプの吸気口とを連結し、前記第一の真空ポンプが、駆動系にも排気系にも潤滑油を用いないオイルフリーなポンプであり、前記第二の真空ポンプは、少なくとも排気系に潤滑油を用いないドライポンプであり、前記第一の真空ポンプは圧縮比を低くしてその高さを低減し、前記第二の真空ポンプは排気速度を低くしてその外径寸法を低減し、全体としての容積を縮小したことを特徴とする真空排気装置である。
【００１０】
つまり、所定のガス導入量に対して真空チャンバ内を所定のプロセス圧力に保つのに必要な排気速度性能を第一の真空ポンプに持たせ、第一の真空ポンプによって排気されたガスを真空チャンバ内に戻すのに必要な圧力まで圧縮する能力を第二の真空ポンプに持たせたものである。
【００１１】
このように、第一の真空ポンプと第二の真空ポンプとに分割して、ガスを排気する上での役割を分担することにより、第一の真空ポンプは排気速度達成のため外径は大きくなるが圧縮能力は小さくて良いので高さが小さくなり、第二の真空ポンプは大きな圧縮能力を達成するため高さは大きくなるが排気速度は小さくて良いので外径は小さくすることができる。これを一台のポンプで達成しようとするとポンプ外径と高さの双方が大きくなってしまうので、本発明によって、真空排気装置全体としてのコンパクト化を達成することができる。
【００１２】
例えば、第一の真空ポンプに３０００l/s の排気速度が必要な場合、第一の真空ポンプの外径寸法は約４００mmになるが、圧縮比は１０〜５０程度で良いのでポンプの高さ寸法は３００mm以下にすることができる。そして、第二の真空ポンプは、第一の真空ポンプで圧縮されたガスを排気するので、排気速度は６０〜３００l/s 程度でよいことになり、ポンプの外径寸法は１００〜１７０mmになるので、第二の真空ポンプの径寸法は第一の真空ポンプに比べて大幅に小さくすることができる。そして、第二の真空ポンプの高さ寸法が、必要な圧縮条件から例えば、５００mmだとすると、第一と第二の真空ポンプの占める容積の合計は４２〜４９ｌになる。これに対して、一台の真空ポンプでガスを循環させようとすると、真空ポンプは１００ｌの容積を占めることになり、本発明によって、真空排気装置の容積を５０〜６０％も縮小することが可能になる。
【００１３】
また、本発明では、第一の真空ポンプと第二の真空ポンプを別々に設けてあるため、ガス量が多すぎてターボ分子ポンプや複合分子ポンプでは所定の圧力まで圧縮できない場合には、第二の真空ポンプに、圧縮能力を高くできる排気原理のポンプを採用して必要な圧力まで圧縮することが可能となる。
【００１５】
ここでオイルフリーポンプとは、ルーツ型ポンプ、スクロール型ポンプ、スクリュー型ポンプ、ターボ分子ポンプ、ロータの軸方向下流側にねじ溝を形成したターボ分子ポンプ（複合分子ポンプ）、モレキュラードラッグポンプ、あるいは渦流式ロータを有した真空ポンプなどのドライポンプ（排気系に潤滑油を用いないポンプ）であって、さらに駆動系として磁気軸受等を用いて一切オイルを用いない形式のポンプを指す。
【００１６】
また、本発明の一態様は、前記第一の真空ポンプ及び第二の真空ポンプの双方が、磁気軸受を用いたオイルフリーなポンプであることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の一態様は、排気されたガスの一部を再び真空チャンバ内に戻す経路内に特定のガス成分を除去する装置を設けたことを特徴とする。
【００１８】
これは、以下のような意味を有する。真空チャンバ内の材料と反応させることを目的に真空チャンバに導入されたガスは、反応によってガスの成分が変化してしまう。変化したガス成分の中に反応を阻害する成分が混入している場合に、そのままガスの全成分を循環させてしまうと、真空チャンバ内での反応が正しく行われなくなってしまう可能性が考えられる。そこで、第二の真空ポンプの吸気口側または排気口側に、循環するガスに含まれる特定の成分を除去するための装置を設置することによって、真空チャンバ内での反応に悪影響を及ぼす成分を真空チャンバに戻す前に除去することができるので、真空システムが目的とする反応が正しく行われることが可能になる。
【００１９】
なお、この発明の真空排気装置は、真空チャンバ内に導入したガスと真空チャンバ内にある材料を反応させるプロセスを含む真空システムで使用されることを主要な用途としており、さらに以下のような態様で用いることができる。
【００２０】
第一の真空ポンプと第二の真空ポンプを直結するか、または一体のケーシングに組み込むことにより、真空排気装置が占める容積を最小にすることができる。
一方、第一の真空ポンプと第二の真空ポンプを真空配管を介して連結することにより、第一の真空ポンプと第二の真空ポンプを直結したり、一体化した物を収容するための空間が無い場合に、真空配管を介して第二の真空ポンプを適切な場所に設置することができる。
【００２１】
この発明の他の態様では、第一の真空ポンプが、第二の真空ポンプと連結される排気口の他に第二の排気口を有する。これにより、第一の真空ポンプの第二の排気口から、真空チャンバに戻さないガスを排出することができる。さらに、第一の真空ポンプと第二の真空ポンプをつなぐ真空配管が分岐配管を有するようにすることにより、分岐配管から真空チャンバに戻さないガスを排出することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１を参照して説明する。
同図に示すように、真空チャンバ１の内部に配置されたウエハ２に向けて半導体製造を行うのに必要なガスをシャワーヘッド３から噴出してウエハ２に対する処理を行うのであるが、この真空チャンバ１内の処理後のガスは、ゲート弁４を介して真空排気装置２０によって真空チャンバ１から排気される。
【００２３】
前記真空排気装置２０は、真空チャンバ１内を所定の圧力に保つのに十分な排気速度を有する第一の真空ポンプ２１と、ガスを再び真空チャンバ１内に戻すのに必要な圧力まで圧縮する性能を有する第二の真空ポンプ２２とを備え、前記第一の真空ポンプ２１の排出口２１ａと第二の真空ポンプ２２の吸気口２２ａを真空配管２３で連結することによって構成されている。
【００２４】
そして、前記真空配管２３の途中から分岐した分岐管２４にフォアライン弁６及び流量調節弁１０が順次介装されて粗引きポンプ７に接続されている。一方、前記真空排気装置２０の第二の真空ポンプ２２の排気口には、真空チャンバ１の入口に戻るガス循環配管８が接続され、このガス循環配管８内に締切弁９が介装されている。
【００２５】
これによって、第一のポンプ２１及び第二のポンプ２２の駆動に伴って、流量調節弁１０と締切弁９を介して、前記ガス循環配管８内を流量Ｑ２のガスが循環して真空チャンバ１内に流量Ｑ１＋Ｑ２のガスが導入され、流量Ｑ１のガスが大気に放出されるようになっている。
【００２６】
ここに、前記第一の真空ポンプ２１は、例えば磁気軸受を使用することによってオイルフリーを達成したターボ分子ポンプまたはロータの下流側にねじ溝型のロータを備えたオイルフリーのターボ分子ポンプ（複合分子ポンプ）であり、この第一のポンプ２１に所定のガス導入量に対して真空チャンバ１内を所定のプロセス圧力に保つのに必要な排気速度性能を持たせることにより、排気速度達成のため外径は大きくなるものの、圧縮能力は小さくて良いので高さを小さくすることができる。
【００２７】
また、前記第二の真空ポンプ２２は、例えば軸受けやギアの潤滑に用いている油の蒸気が真空側に漏れないような構造を採用した、いわゆるドライ式のルーツ型真空ポンプまたはスクリュー型真空ポンプであり、この第二の真空ポンプ２２に第一の真空ポンプ２１によって排気されたガスを真空チャンバ１内に戻すのに必要な圧力まで圧縮する能力を持たせることにより、大きな圧縮能力を達成するため高さは大きくなるものの、排気速度は小さくて良いので外径を小さくすることができる。
【００２８】
このように、真空排気装置２０を役割を分担した第一のポンプ２１と第二のポンプ２２とで構成することにより、真空排気装置２０の全体としてのコンパクト化を達成することができる。
【００２９】
また、前述のように、第一の真空ポンプ２１にオイルフリーのターボ分子ポンプまたは複合分子ポンプを使用し、第二の真空ポンプ２２にドライ式のルーツ型真空ポンプまたはスクリュー型真空ポンプを使用することによって、ガス循環配管８内を循環するガスに、真空チャンバ１内の反応に悪影響を及ぼす油分子が実質的に混入してしまうことを防止することができる。
【００３０】
なお、前記第二の真空ポンプ２２として、磁気軸受を使用することによってオイルフリーを達成したモレキュラードラッグポンプ、ルーツ型真空ポンプまたはスクリュー型真空ポンプなどを使用することができ、このように、第一及び第二の真空ポンプ２１，２２の双方に、磁気軸受けを採用することによってオイルフリーを達成した真空ポンプを使用することによって、ガス循環配管８内を循環するガスに、真空チャンバ１内の反応に影響を及ぼす油分子が混入することを完全に防止することができる。
【００３１】
また、図示しないが、アルミニウムのエッチングを行う半導体製造装置にあっては、第二の真空ポンプ２２の吸気側に低温トラップを設けることが望ましい。
【００３２】
即ち、このような半導体製造装置では、真空チャンバ１内の反応によって、蒸気圧が低く固化しやすい性質を持った塩化アルミ（０．１Ｔｏｒｒでは約８０度以下で固化する）が生じ、これが循環するガス内に含まれることになる。このため、一般にアルミニウムのエッチングを行う装置では、ポンプ内のガス通路や配管を昇温することによって、塩化アルミがポンプ内で固化して付着しないようにしている。
【００３３】
そこで、第一の真空ポンプ２１に対してはこのような昇温手段を施し、第二の真空ポンプ２２の吸気口の手前に低温面を有するトラップを設けることにより、このトラップの低温面に塩化アルミを付着させることができ、これによって、循環するガスから不要な成分である塩化アルミを除去することができる。
【００３４】
また、不要な成分の蒸気圧が循環させたい成分の蒸気圧より高い場合は、低温トラップで不要な成分を除去することができないが、不要な成分が真空チャンバ１内での反応によって生じた微小粉末である場合には、第二の真空ポンプ２２の吸気側または排気側に静電集塵機を設けることにより、この静電集塵機で不要な微小粉末を除去することができる。
【００３５】
なお、図示の例では、第一の真空ポンプ２１と第二の真空ポンプ２２とを真空配管２３で連結した例を示しており、このように構成することにより、第一の真空ポンプと２１と第二の真空ポンプ２２の配置を任意に選択できるようになっているが、第一の真空ポンプ２１と第二の真空ポンプ２２とを直接接続するようにすることもでき、このように直接接続することによって、接続部分の圧力損失を最小限に抑え、第一の真空ポンプ２１の背圧を低く保って、この負荷を最小限にすることができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、真空チャンバ内にガスを導入し、該ガスを真空チャンバ内から排気した後、その排気されたガスの一部を再び真空チャンバ内に戻す真空システムにおいて、ガスを循環する真空排気装置をコンパクトに実現することができる。また、循環させるガス量が多くても確実に循環させられる真空排気装置を提供することができる。さらに、循環されたガスから不要な成分を除去することによって真空チャンバ内での反応が正しく行われることを可能にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態を示す真空システムの系統図。
【図２】従来例を示す真空システムの系統図。
【図３】仮想的な真空システムを示す系統図。
【符号の説明】
１    真空チャンバ
３    シャワーヘッド
７    粗引きポンプ
８    ガス循環配管
２０    真空排気装置
２１    第一の真空ポンプ
２１ａ  同排気口
２２    第二の真空ポンプ
２２ａ  同吸気口
２３    真空配管
２４    分岐管
【図１】
0003695865.tif 000002
【図２】
0003695865.tif 000003
【図３】
0003695865.tif 000004