KR100235686B1 - 진공배기장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 진공챔버와 진공펌프 사이의 주밸브를 제거시켜서, 진공증발장치를 단순화시키는 동시에 진공특성을 향상시키는 것이다.

본 발명에 따르면, 진공챔버(1)와 트랩패널을 갖춘 터어보펌프(15)가 도관(16)에 의해서 직접 연결된다. 터어보펌프(15)의 펌프케이스내에는 임펠러가 설치되며, 물분자를 수집하기 위한 트랩패널 및 이 트랩패널을 가열시키는 가열부재가 펌프케이스의 공기유입부에 설치된다.

Description

진공 배기 장치

제1a도는 제1b도에 도시된 트랩패널의 정면도이다.

제1b도는 본 발명의 실시예에 따른 트랩패널을 갖춘 터어보펌프의 부분 단면으로 도시된 측면도이다.

제2a도는 트랩패널의 확대된 사시도이다.

제2b도는 제2a도의 선 II-II를 따라서 절단된 단면도이다.

제3도는 본 발명의 실시예에 따른 진공배기시스템의 개략도이다.

제4도는 종래의 크라이오펌프를 사용한 진공배기시스템의 개략도이다.

제5도는 크라이오펌프의 개략도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 진공챔버 2 : 주밸브

5 : 회전펌프 10 : 챔버통풍밸브

15 : (트랩패널을 갖춘)터어보펌프 16 : 도관

17 : 보조밸브 18 : 펌프케이스

20 : 임펠러 23 : 트랩패널

24 : 환형 트랩패널 25 : 지지프레임

26 : 중앙 트랩패널 27 : 가열부재

28 : 열전도체 29 : 냉동기

본 발명은 스퍼터링 장치, 및 진공공정과 관련된 다른 장치에서 사용되는 진공배기장치에 관한 것이다.

진공장치는 반도체 및 광학등이 산업분야에서 널리 사용되고 있다. PVD(물리증착; physical vapor deposition)방법은 진공공정과 관련된 진공장치의 한응용예이다. PVD방법은 박막을 제조하는 기술이며, 주로 금속의 물리적 증착을 포함한다. 박막의 제조 기술중 하나인 스퍼터링 방법은, 진공내에서 방전을 이용하여 아르곤 이온 등을 가속화시켜서 이를 음전위로 유지된 전극(표적)상에 충돌시키는 공정을 필수적으로 포함하고 있다. 이러한 스퍼터링 방법이 사용될 때, 아르곤 이온의 에너지를 수용하는 표면으로부터 전극 물질이 소모되며(이러한 과정을 소위 '스퍼터링 현상' 이라고 한다), 남겨진 전극 물질이 다른 기판상에 증착되어서 박막을 형성하게 된다.

이와 같은 스퍼터링 장치는 박막 물질을 진공내에서 고도의 에너지를 가지는 이온의 형태로 만들기 위한 진공챔버를 필요로 한다. 이러한 진공챔버내의 기체를 배기시키기 위해서 진공배기장치가 필요하며, 종래에는 이러한 진공배기장치로서 트랩 터어보펌프(trap tubopump)나 크라이오펌프(cryopump)를 사용하였다. 헬륨 기체 냉동기를 사용하는 크라이오펌프 시스템의 예가 제4도에 도시되어 있다. 제4도를 참조하면, 크라이오펌프(3)는 주밸브(고압진공밸프)(2)를 갖춘 도관(8)을 통해서 진공챔버(1)에 연결되어 있다. 또한, 크라이오펌프(3)는 크라이오밸브(4)를 통해서 회전펌프(기계적 펌프)(5)에 연결되어 있다. 이러한 시스템과 분리되어 중간에 챔버형성밸브(6)를 갖추고 있는 도관(7)이 진공챔버(1)로부터 뻗어있다. 이 도관(7)의 일단부는 도관(8a)와 연결되어 있으며, 도관(8a)는 크라이오밸브(4)와 회전펌프(5)를 이어준다. 또한, 진공챔버(1)로부터 다른 시스템으로 이어져 있으며 그 중간에 챔버 통풍 밸브(10)를 갖추고 있는 도관(9)이 제공되어 있다.

제5도에는 크라이오펌프(3)의 구조의 일례가 개략적으로 도시되어 있다.

제5도를 참조하면, 소형의 헬륨 기체 냉동기(도시 안됨)에 연결되어 있는 회전축(11)이 펌프 케이스(12)안으로 돌출하여 있으며, 이 회전축(11)의 첨단부에는 냉각용 블레이드(13)가 제공되어 있다. 펌프케이스(12)의 공기 유입부에는 배플(14)이 제공되어 있으며, 공기유입부에 도관(8)이 연결되어 있다.

이와 같은 크라이오펌프(3)에 있어서, 배플(14)과 냉각용 블레이드(13)등의 부재들은 모두 매우 낮은 온도로 냉각되며, 기체상으로부터 도관(8)을 통해서 분사되는 기체 분자들중에서 수증기보다 높은 증기압을 갖는 기체들과 수증기(분자상태의)는 응축된 후에, 펌프 유입구에서 배플(14)등의 부재들에 의해서 배기된다.

냉각용 블레이드(13)에 부착된, 질소, 산소 및 아르곤 등과 같이 낮은 증기압을 갖는 기체, 및 냉각패널(도시 안됨)에 부착된, 훨씬 더 낮은 증기압을 갖는 기체들은 각각 흡착제에 의해서 포집된다.

이와 같은 크라이오펌프(3)를 사용하여 제4도에 도시된 진공배기시스템에 의해 배기공정을 수행함에 있어서, 먼저 챔버통풍밸브(10), 주밸브(2) 및 크라이오밸브(4)를 닫고, 챔버형성밸브(6)를 개방한 후에, 회전펌프(5)를 작동시켜서 진공 챔버(1)의 내부에 대충적인 진공을 형성시킨다. 그 후에, 챔버형성밸브(6)를 닫고 크라이오펌프(3)를 작동시켜서 진공챔버(1)내에 고도의 진공을 발생시킨다. 이와 같은 진공배기시스템에 있어서, 주밸브(2)와 크라이오밸브(4)는 크라이오펌프(3)의 성능을 위해서 절대적으로 필요하며, 또한 진공챔버(1)내부를 대충적으로 배기시키기 위해서 챔버형성밸브(6)도 필수적이다. 챔버통풍밸브(10)는 사용되는 진공펌프의 유형에 관계없이 필수적인 것이다.

이와 같은 방식의 크라이오펌프는 수용조(reservoir)유형의 펌프이기 때문에, 크라이오펌프의 전원을 최초로 켠 순간으로부터 작동을 시작하기까지의 약1 내지 2시간 정도 시동기간(크라이오펌프를 소정의 온도로 냉각시키는데 필요한 시간)이 지속되고 전원을 끈 순간으로부터 크라이오펌프가 작동을 중지하기까지의 약1내지 2시간 정도의 작동정지기간(크라이오펌프를 소정의 온도로 끌어올리는데 필요한 시간)이 지속되며; 진공챔버의 내부가 크라이오펌프와 연통하는 경우에는 이기간동안 진공배기시스템으로부터 공기를 배출시킬수 없다.

주밸브(2)로서 고도의 진공식 벨로우즈 밸브 등이 사용되고 있다. 일반적으로, 주밸브의 구조는 고진공 부분과 대기압부분간의 공기압의 차이가 크고 진공배기 시스템이 밀폐된 상태로 유지되어야 하기 때문에 복잡한 구조로 구성된다. 그러나, 주밸브의 구조가 복잡할 경우에 밸브를 구성하는 여러 부품들의 표면적이 증가하고 밸브가 고도의 진공상태로 있게 되기 때문에, 이러한 여러 부품들의 표면영역에 부착되는 먼지가 떨어지며, 여러 부품들의 구성재료로부터 기체들이 방출되어서 이러한 재료들이 진공챔버 안으로 유입되어 고 진공의 형성을 방해하는 문제가 발생한다. 요약하면, 진공챔버내에 고도의 진공을 발생시키기 위한 가장 이상적인 방법은 진공챔버와 크라이오펌프 사이에 주밸브를 설치하지 않는 것이지만, 문제는 크라이오펌프를 사용하는 제4도의 진공배기시스템에서 주밸브가 필수적이라는 것이다.

한편, 이러한 크라이오펌프 대신에 트랩패널(trap panel)을 갖춘 터어보펌프가 사용되기도 하는데, 이때 트랩패널은 펌프의 공기 유입부에 제공되며 부착된 물분자를 냉각시키고 이러한 물분자를 제거시킨다. 그러나, 이와 같은 트랩패널을 갖춘 터어보펌프에 있어서도, 트랩에 부착되는 물분자를 기화에 의해서 제거시킨 후 펌프를 다시 작동시킬 수 있기까지는 거의 1시간 정도가 소요된다. 특히, 진공챔버의 내부를 대기압으로 통풍시키기 위해서는, 이러한 트랩패널을 크라이오펌프를 사용했을때와 마찬가지로 고정 온도(즉, 물분자의 부착이 발생할 수 있는 약 100°K정도의 온도)로부터 실온(예를 들어서 300°K)까지 상승시켜야 하는데, 이러한 과정에서 약1시간 정도가 소요된다.

이러한 이유로 인해서, 트랩패널을 갖춘 터어보펌프를 사용하는 경우에도 진공챔버와, 트랩패널을 갖춘 터어보펌프 사이에 주밸브를 설치할 필요가 있으며, 따라서 크라이오펌프를 사용하는 경우와 마찬가지로 주밸브로부터 먼지나 기체등이 방출되는 문제는 여전히 남아있게 된다.

본 발명의 목적은 진공펌프로서 사용되는, 트랩패널을 갖춘 터어보펌프의 시동시간을 감소시키고 주밸브와 관련된 문제점을 제거시킴으로써 종래기술에서의 앞서 언급한 문제점들이 해결된 진공배기장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 진공배기장치는 진공펌프에 의해서 진공챔버내의 기체를 배기시키는 진공배기장치로서, 상기 진공펌프가 트랩패널을 갖춘 터어보펌프로 구성되고, 상기 트랩패널이 공기유입부에 가열부재를 갖추고 있는 것을 특징으로 하는 진공배기장치이다. 또한, 트랩패널을 갖춘 터어보펌프를 도관을 통해서 진공챔버에 직접 연결시킬 수 있다.

이와 같은 본 발명의 구조에 따라서, 트랩패널을 갖춘 터어보펌프의 트랩패널에 부착된 물분자를 가열부재에 의해서 단시간내에 강제적으로 기화시킨 후, 터어보펌프를 작동시켜 급속하게 배기시킬 수가 있다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 진공배기장치의 일실시예를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

제1b도는 본 발명에 따른 트랩패널을 갖춘 터어보펌프(15)를 도시한 것이며, 제3도는 이러한 터어보펌프(15)를 사용하는 진공배기시스템을 도시한 것이다. 제3도에서, 진공챔버(1)와 트랩패널을 갖춘 터어보펌프(15)가 도관(16)에 의해서 직접 연결되어 있다. 트랩패널을 갖춘 터어보펌프(15)는 보조밸브(17)를 통해서 회전펌프(5)에 연결되어 있다. 진공챔버(1)로부터 챔버통풍밸브(10)를 지나서 도관(9)이 연장하여 있다.

이와 같은 진공배기시스펨에 사용되는 트랩 패널을 갖춘 터어보펌프(15)는 제1a도 및 제1b도에 도시된 바와 같이 구성되었다. 제1b도는 터어보펌프(15)의 부분 절단된 측면도이고, 제1a도는 트랩패널의 정면도이다. 이들 도면에서, 주 샤프트(19) 및 이에 일체로 구성된 임펠러(20)가 펌프케이스(18)내에 설치되어 있고, 펌프케이스(18)의 일단부에는 공기유입부(21)가 제공되어 있으며 그 타단부에는 배기구가 제공되어 있다. 공기유입부(21)의 주위에는 이 공기유입부를 도관(16)에 연결시키기 위한 플랜지(22)가 제공되어 있다.

트랩패널(23)은 펌프케이스(18)에 연결되어 있는 공기유입부(21)의 내부면상에 제공되어 있다. 제2a도 및 제2b도에 잘 도시되어 있는 바와 같이, 트랩패널(23)은 환형 트랩패널(24)를 갖추고 있으며, 지지프레임(25)의 바깥쪽 가장 자리들이 공기유입부(21)의 중앙에서 교차되도록 배열되어 있으며 정면에서 볼 때 대략 십자형상으로 환형 트랩패널(24)의 내부면에 고정된 모습으로 나타난다.

지지프레임(25)의 중앙에는 중앙 트랩패널(26)이 설치되어 있다. 이 중앙 트랩패널(26)은 임펠러(20)의 주축(19)의 횡단면과 동일한 원판형상으로 배열되어 있으며 주축(19)의 직경과 대략 동일한 직경을 가진다. 또한, 중앙 트랩패널(26)과 주축(19)은 동일축상에 설치되어 있다. 환형 트랩패널(24), 지지프레임(25) 및 중앙 트랩패널(26)은 모두 물분자만을 포집할 수 있는 냉각용 패널이며, 물분자를 급속하게 배기시킴으로써 배기시간을 감소시킬 수 있다. 다른 기체분자들은 터어보펌프의 임펠러(20)에 의해서 강제적으로 배출된다.

본 발명의 이 실시예에서는, 가열코일 등으로 이루어진 가열부재(27)가 펌프케이스(18)의 공기유입부(21)와 상기 트랩패널(23) 사이의 틈새에 배열되어 있다.

가열부재(27)는 트랩패널(23)에 부착된 물분자를 짧은 시간내에 급속히 강제적으로 배기시킨다. 따라서, 이러한 가열부재(27)의 구조 및 배열위치는 도시된 실시예로만 제한되는 것이 아니다.

더욱이, 열전도성이 큰 구리 등의 재료로 구성된 열전도체(28)가 사용되며 이는 환형 트랩 패널(24)에 연결되어 있고, 그의 단부는 냉동기(29)의 냉동대역(30)에 연결되어 있다(제1b도 참조). 냉동기(29)에 의해서 발생되는 저온열원은 열전도체(28)에 의해서 트랩패널(23)로 이어져서 이러한 트랩패널(23)을 냉각시킨다. 트랩패널(23)의 냉각온도는 냉각성능과, 트랩패널(23)에 대한 열 부하간의 균형에 근거하여 결정된다. 냉동기(29)는 펌프케이스(18)와 일체인 고정케이스(31)의 단부에 설치되어 있다. 냉동기(29)의 냉동대역(30)과 열전도체(28)는 고정케이스(31)내에 수용되어 있다.

이제, 본 발명의 실시예의 작동을 설명한다.

제3도에 도시된 진공배기시스템을 사용하여 배기공정을 수행함에 있어서, 먼저 챔버통풍밸브(10)를 닫고 보조밸브(17)를 개방한 후에, 회전펌프(5)를 작동시켜서 진공챔버(1)의 내부에 대충적인 진공을 발생시킨다. 이와 동시에, 트랩 패널(23)을 갖춘 터어보펌프(15)와 트랩패널(23)의 냉동기(29)를 작동시킨다. 터어보펌프는 수분내에 고정 온도에 도달하여 진공챔버(1)의 내부를 배기시키며, 이때 트랩패널(23)은 약 1시간만에 고정 온도에 도달하여 진공챔버(1)내에 고도의 진공을 생성시킬 수 있다.

제1b도에 도시된 바와 같이, 트랩패널을 갖춘 터어보펌프(15)가 작동하면 임펠러(20)가 회전하여서 진공챔버(1)내의 기체 분자들이 공기유입부(21)로부터 펌프케이스(18)안으로 유입되어 배기구를 통해서 배기된다. 동시에, 기체 분자의 대부분을 구성하는 물분자가 환형 트랩패널(24), 지지 프레임(25) 및 중앙 트랩패널(26)에 의해서 펌프케이스(18)의 유입구에서 냉각되고 응축되며, 그 결과 효율적인 배기가 이루어진다.

진공챔버(1)내의 진공에 의한 작동이 수행되고 나면, 진공챔버(1)의 내부를 청소하기 위해서, 예를 들어 챔버통풍밸브(10)를 개방시켜서 진공챔버(1)를 대기압으로 통풍시킬 수도 있다. 이러한 경우에, 터어보펌프(15)의 트랩패널(23)의 온도를 고정 온도(예를 들면 100°K)로부터 실온(300°K)까지 상승시켜야만 한다.

트랩패널(23)이 고정 온도에서도 여전히 외부공기와 접촉하게 되면, 얼음으로 변하여 들러붙은 물분자가 급속히 기화되거나 액화되어서 진공챔버(1)내로 재유입되게 되는 등의 문제가 생긴다. 이 때문에, 일반적으로 트랩패널(23)을 고정 온도에서 실온으로 상승시키는데 약 1시간 정도의 시간이 필요하다. 그러나, 본 발명에 따르면, 가열부재(27)가 터어보펌프(15)의 공기유입부(21)부근에 설치되어 있기 때문에, 트랩패널(23)을 수분안에 고정 온도에서 실온으로 상승시킬 수가 있다.

트랩패널(23)이 실온에 도달하면, 보조밸브(17)를 닫고, 터어보펌프(15)의 전원을 끄며, 보조밸브(17)를닫고, 챔버통풍밸브(10)를 개방시켜서, 진공챔버(1)를 대기압으로 통풍시킬 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 앞서 언급한 바와 같이 진공챔버(1)를 통풍시킬 수 있는 상태로 만드는데 약 10분 정도가 소요된다. 이 10분의 대기시간은 주밸브를 갖춘 종래의 장치에서는 필요하지 않지만 이 10분의 시간이 주밸브를 제거시키는 것과 구조를 단순화시키는 것을 가능하게 한다. 주밸브를 제거시키는데 따른 잇점은 매우 크다. 특히, 진공성능 및 입자등을 고려할 때 주밸브의 제거 효과는 상당한 것이다.

경우에 따라서, 지금까지 설명한 본 발명의 실시예에서 언급한 각각의 부재들의 구조는 얼마든지 변경될 수가 있다.

지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명의 진공배기장치를 사용하면, 기체분자들을 터어보-분자펌프에 의해서 강제로 배기시키고, 배기시켜야 할 기체분자의 대부분을 구성하는 물분자를 트랩패널에 의해서 배기시킬 수가 있다. 더욱이, 공기유입부에 제공된 가열 부재는 트랩패널상에 응축된 물분자를 급속하게 가회 및 배기시켜서, 터어보-분자펌프의 시동시간 및 작동 정지시간이 단축되어 그 작동효율이 향상된다. 시동시간 및 작동정지시간의 단축이외에, 터어보-분자펌프를 진공챔버에 직접 연결시킬 수가 있어서, 종래의 주 밸브장치 및 그 관련부품들을 제거시켜서 이와 관련된 문제들을 해결할 수가 있다. 따라서, 그 구조도 간단해진다.

또한, 주밸브에 대한 필요성을 제거함으로써 주밸브로부터의 다량의 먼지 및 배출기체가 진공챔버내에 진공을 형성시키는 중에 감소될 수 있으며, 진공챔버의 깨끗한 진공배기가 이루어진다. 더욱이, 배기구의 콘덕턴스가 주밸브의 제거에 상응하는 정도로 증가되어서 진공 성능이 향상된다.

Claims (8)

1. a. 일단부에 기체 유입부가 위치하고 타단부에는 기체 배기부가 위치하여 있는 펌프 케이스; b. 상기 펌프 케이스내에 배치된 펌프; c. 상기 펌프 케이스의 상기 기체 유입부의 내부 둘레를 따라 배치된 가열부재; 및 d. 상기 펌프 케이스의 상기 기체 유입부에 배치된 하나 이상의 트랩 패널을 포함하는 진공 배기 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 펌프가 터어보분자(turbomolecular)펌프인 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 가열 부재가 펌프 케이스의 기체 유입부의 내부 둘레를 따라 배치된 가열 코일을 포함하는 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 트랩패널이 상기 펌프 케이스의 상기 기체 유입부의 내부 둘레에 인접하여 위치한 환상 트랩 패널을 포함함으로써, 환상 트랩패널과 상기 펌프 케이스의 기체 유입부의 내부 둘레 사이에 가열부재가 배치된 장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 트랩 패널이 펌프 케이스의 기체 유입부에 동심원상으로 배치딘 장치.
6. 제2항에 있어서, 상기 펌프가 주축을 따라 정렬된 샤프트를 갖는 임펠러, 내면에 의해 직경이 한정된 환상 트랩 패널, 상기 환상 패널의 직경보다 작은 직경을 갖는 중앙 트랩 패널, 및 상기 중앙 패널과 상기 환상 패널사이에 연결된 지지 프레임(이때 상기 중앙 패널과 상기 환상 패널은 공통의 축을 갖는다)을 포함하는 장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 지지프레임이 트랩 패널인 장치.
8. 제1항에 있어서, 진공 챔버 및 도관을 추가로 포함하고, 이때 상기 도관이 진공 챔버와 펌프 케이스의 기체 유입부를 직접 연결시키는 장치.