CN101091006B - 真空装置的密封结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种使真空容器(2)和与真空容器(2)的开口部连接并封闭该开口部的部件的盖体(3)之间密封的密封结构。在存在于真空容器(2)与盖体(3)之间的弹性体制的O形环(64)的内部形成有空腔(66)，在空腔(66)内配置有冷却管(65)。制冷剂在冷却管(65)内流动，冷却O形环(64)。因为透过固体内部的气体的透过率随温度而变化，因此，通过冷却O形环(64)能够减少透过O形环(64)的气体、特别是氧气的透过量，能够维持真空容器(2)内的高的真空度。因为O形环(64)从内侧冷却，所以能够局部地只冷却O形环(64)，O形环(64)的冷却不会对真空装置其它部分的温度控制产生影响。

Description

真空装置的密封结构
技术领域
本发明涉及真空装置的密封结构，尤其涉及适用于制造半导体设备所使用的成膜装置、热处理装置等真空装置的密封结构。
背景技术
在半导体设备的制造工序中，要反复进行成膜处理、图案的蚀刻处理、氧化扩散处理、改性处理、退火处理等各种热处理。
作为上述热处理装置的一个示例，在JP2002-327274A中公开了利用气相化学反应，在被处理体半导体晶片的表面上形成薄膜的装置，即CVD(chemical vapor deposition：化学气相沉积)装置。该CVD装置包括具有加热器的真空容器，在该真空容器内，设置有内置加热器的晶片载置用的载置台和在该载置台上方与该载置台相对的喷头。在进行处理时，使真空容器内真空排气，达到规定的真空度，通过对载置台进行加热，将半导体晶片加热至规定的温度，从喷头供给作为处理气体的TiCl4气体和H2气体，使该处理气体等离子体化，用该等离子体在半导体晶片的表面形成Ti薄膜。在这种情况下，为了防止作为原料的TiCl4和作为反应副产物的NH4Cl附着在真空容器的壁面，使用加热真空容器壁面的热壁工艺。
通常，真空容器的上端具有开口部，该开口部由盖体封闭。为了使真空容器的开口部与盖体之间气密地密封，在两者之间夹入密封部件。从保守的容易程度和成本等观点出发，使用O形环作为密封部件。典型的O形环的材质是耐热性、耐腐蚀性优异的弹性体，例如氟/全氟弹性体。
在成膜处理时，如果不希望的外部气体(例如氧气)侵入真空容器内，则真空容器内的真空度降低，对成膜反应会产生恶劣的影响。为了防止这种现象，需要使这种不希望的气体不能侵入的密封结构。
气体透过密封部件侵入真空容器内。固体的温度与透过固体内部的气体的透过率之间存在相关关系，若温度低，气体的透过量少；若温度升高，气体的透过量则增多。因此，作为用于降低气体透过量的方法之一，可以考虑冷却密封部件的方法。此外，作为其它的方法，可以考虑使用气体透过量少的金属而不使用弹性体作为密封部件材料的方法。
然而，在进行热壁工艺时，如果冷却密封部件(尤其是弹性体制的O形环)，一方面要将真空容器壁体加热到规定的温度(例如170℃)，而另一方面必须只冷却真空容器壁体上配置有密封部件的部分，因此很难控制温度。
此外，利用弹性变形确保密封性的金属制的密封部件，由于反复升降温度导致反复膨胀和收缩，产生塑性变形，有可能无法确保弹性变形而产生的密封性。此外，在密封部件的材料和真空容器壁体的材料不同的情况下，由于两者之间热膨胀率的差异，有可能使密封面在膨胀和收缩时受到损伤，导致密封性能恶化。并且，与弹性体制的密封部件相比，金属制的密封部件价格高，且不能再利用。综上所述，金属制的密封部件不适于上述的用途。
发明内容
因此，本发明的目的在于，利用比较简单的密封结构，降低透过密封部件的气体(特别是氧气)的量，达到可靠的密封。
为了实现上述目的，本发明的真空装置的密封结构的特征在于，包括：收纳被处理体的真空容器；封闭上述真空容器开口部的封闭部件；和由弹性体制成的环状的密封部件，以弹性变形的状态夹持在上述真空容器和上述封闭部件之间，使上述真空容器和上述封闭部件之间气密地密封。在上述密封部件的内部，形成有沿上述密封部件的周缘方向延伸的空腔，制冷剂在其内部流通的冷却管被插入上述空腔中。
在上述密封部件上形成有狭缝，可相对于上述密封部件装拆上述冷却管。
上述密封部件能够由氟树脂形成。
根据本发明的密封结构，在上述真空容器与上述封闭部件之间，还包括没有插入冷却管的环状的密封部件，配置在比插入上述冷却管的上述密封部件更靠近上述真空容器的内部空间的一侧。
在一种实施方式中，插入有上述冷却管的上述密封部件和没有插入冷却管的上述密封部件，分别收容在形成于上述密封部件或上述封闭部件上的两个环状槽内，两个环状槽由分隔壁分隔。
附图说明
图1是包括本发明一种实施方式的密封结构的CVD成膜装置(真空装置)的截面图。
图2是表示图1所示的CVD成膜装置的喷头上部的平面图。
图3是图2所示的喷头的截面图。
图4是图1所示的密封结构的放大截面图。
图5是切断表示图4所示的密封结构的一部分的平面图。
图6是带有狭缝的密封部件的截面图。
图7是包括本发明其它实施方式的密封结构的CVD成膜装置的截面图。
图8是图7的A部的放大截面图。
具体实施方式
下面，根据附图所示的实施方式，详细说明本发明。
在图1～图3中，作为适用本发明的密封结构的真空装置的示例的实施方式，显示了Ti薄膜形成用的CVD成膜装置。该CVD装置1包括：腔室(真空容器)2，形成为上下具有开口部4、5的大致圆筒状，向上下开放；盖体3，分别封闭该腔室2的上方侧开口部4和下方侧开口部5；和载置台保持部件6。载置台保持部件6的内部空间与使腔室2内真空排气的排气装置7连接。
在腔室2的内部，设置有用于水平载置被处理体半导体晶片(下面称为“基板”)8的载置台10。该载置台10设置在立设于载置台保持部件6内部的支柱11上。载置台10包括多个支撑基板8的上下自由移动的支撑销12、加热基板8的加热器13、使等离子体稳定生成的环14和网状电极15等。支撑销12立设在由气缸16进行升降的支撑板17上。在载置台10上形成有可贯通支撑销12的支撑销插通孔。
在腔室2侧壁的一侧，设置有用于进行基板8的搬入搬出的搬入搬出口20和开闭该搬入搬出口20的闸阀21。此外，在腔室2的侧壁，内装有筒式加热器23，用于将腔室2的侧壁加热到原料气体和反应副产物不发生附着的温度。
在盖体3的内侧，隔着绝缘部件24，以与载置台10相对的方式安装有处理气体喷出用的喷头25。该喷头25包括三个形成为圆板状的板，即，上段板25a、中段板25b和下段板25c。
上段板25a是喷头25的基础(base)部件，中段板25b的外周部与该上段板25a的外周部下部螺纹连接。在上段板25a上配设有圆板状的内侧加热器26和环状的外侧加热器27。这些加热器26、27分别与未图示的电源连接。
下段板25c与中段板25b的下面紧密地螺纹连接。在上段板25a的下面与中段板25b之间形成有气密的空间28。在中段板25b的下面形成有多个凹部(空间)29。在中段板25b上形成有多个第一气体通路30和第二气体通路31。第一气体通路30由贯通中段板25b的贯通孔组成，其上端与空间28连通。第二气体通路31形成于中段板25b的大致中央位置，其下端与各空间29连通。
在下段板25c上形成有多个分别与第一气体通路30连通的第一气体喷出孔33和多个分别与各空间29连通的第二气体喷出孔34。
此外，在上段板25a的上面，分别连接有第一气体导入管35a和第二气体导入管35b的一端。第一气体导入管35a与空间28连通，第二气体导入管35b通过中段板25b的第二气体通路31与空间29连通。
第一和第二气体导入管35a、35b插入上段板25a的凹部内，穿过覆盖加热器26、27的隔热部件38和气体导入部件39延伸，两气体导入管35a、35b的另一端与气体供给源40连接。
气体供给源40包括：供给清洗气体ClF3气体的ClF3气体源41、供给成膜气体TiCl4气体的TiCl4气体源42、供给载气Ar气体的Ar气体源43、供给还原气体H2气体的H2气体源44和供给Ti膜氮化时使用的NH3气体的NH3气体源45。第二气体导入管35b与ClF3气体源41、TiCl4气体源42和Ar气体源43连接。另一方面，第一气体供给管35a分别与H2气体源44和NH3气体源45连接。因此，由ClF3气体源41、TiCl4气体源42和Ar气体源43供给的气体依次经过第二气体供给管35b、第二气体通路31和空间29，从第二气体喷出孔34喷出到腔室2内。并且，来自H2气体源44和NH3气体源45的气体依次经过第一气体供给管35a、空间28和第一气体通路30，从第一气体喷出孔33喷出到腔室2内。这样，通过第一气体导入管35a供给的气体和通过第二气体导入管35b供给的气体不会在喷头25内混合，而各自地向腔室2内供给。
在基板8的成膜处理时，向腔室2内供给TiCl4气体和H2气体，使这些气体等离子体化，通过发生预期的反应，在基板8的表面上形成Ti膜。此外，通过从高频电源51向设置在喷头25上的供电棒52供给高频电力，与网状电极15之间形成高频电场，供给至腔室2内的TiCl4气体和H2气体被等离子体化，这样，促进了Ti的成膜反应。此外，喷头25可通过供给干燥气体而被冷却。
在盖体3的上面，设置有使喷头25的上端外周缘部125保温的环状绝缘板53和覆盖喷头25上方的封闭箱54。在封闭箱54的上部，设置有排气口55，用于排出为了冷却喷头25而供给的、从喷头25夺取热量的干燥气体。此外，至此所述的CVD成膜装置1的构造实质上与JP2002-327274A所公开的成膜装置相同。
下面，详细说明本发明的密封结构。如图4～图6所示，腔室2与盖体3相互紧密接合的接合面61a、61b之间，利用本发明的密封结构60气密地密封。
密封结构60具有：O形环(密封部件)64，嵌入在腔室2的上端开口部上面的接合面61a上形成的环状槽62内；和从内侧冷却该O形环64的冷却管65。O形环64由耐热性和耐腐蚀性优异的弹性材料形成，特别是弹性体材料，优选由氟树脂形成。O形环64具有整体的环形形状。其中，这里“环形形状”应理解为并不仅意味着真正的圆形形状，也意味着椭圆形状或多边形形状等各种闭合的环形形状。此外，沿着O形环64的几乎全部周面，在O形环64的内部形成有空腔66。该空腔66通过沿O形环64外周的几乎全部周面形成的狭缝67向O形环64的外部开放，利用该狭缝67，可以向O形环64的空腔66内插入冷却管65(O形环64包覆冷却管65)和从冷却管65上取下O形环64。O形环64截面的外径大于环状槽62的深度、小于环状槽62的宽度。
优选冷却管65为金属制造，具有与O形环64的空腔66的直径大致相等的外径。冷却管65具有制冷剂供给口68和制冷剂排出口69。制冷剂供给口68与未图示的制冷剂供给源连接，制冷剂排出口69与CVD成膜装置1的外部连通。作为向冷却管65供给的制冷剂，能够使用常温空气、冷空气、常温水、冷水等。为了保证在冷却管65内形成从制冷剂供给口68向制冷剂排出口69的一个方向的流动，冷却管65内的制冷剂通路，在制冷剂供给口68和制冷剂排出口69之间的区域内具有不连续部分(图5中的虚线65a、65b之间的部分)。该不连续部分可以通过在冷却管65内的虚线65a、65b之间配置分隔部件而形成。取而代之，不连续部分也可以通过去除冷却管65的虚线65a、65b之间的部分，同时阻塞虚线65a、65b的部分而形成。
为了在O形环64内插入冷却管65，可以使O形环发生弹性变形，扩展狭缝67，同时将冷却管65压入O形环64的空腔66内。如果完全将冷却管65压入空腔66内、从O形环64上除去外力，O形环64恢复原来的形状，O形环64的内周面与冷却管65的外周面紧密接合。在这种状态下，将O形环64与冷却管65一同安装在环状槽62中，将盖体3载置到腔室2的接合面61a上，利用螺栓等将盖体3固定到腔室2上。于是，作为盖体3下面的接合面61b挤压O形环64，O形环64弹性变形成椭圆形，O形环64的下面与环状槽62的底面压接，O形环64的两侧面与环状槽62的两侧壁压接，这样，腔室2与盖体3之间气密地密封。当将腔室2抽真空并在基板8的表面形成Ti膜时，O形环64由供给至冷却管65的制冷剂从内侧冷却。
在本发明中，着眼于透过固体内部的气体透过率与温度的依存关系，在利用CVD成膜装置1在基板8上成膜时，通过供给至冷却管65的制冷剂冷却O形环64。由此，能够将透过O形环64的氧气的透过量抑制到最少，能够降低侵入腔室2内的氧气的量。因此，能够维持使腔室2内稳定的真空度。
此外，O形环64与金属制密封部件相比价格低廉，不会由于因温度变化产生的膨胀和收缩而使接合面61a、61b的密封面受到损伤，且能够反复使用。
此外，因为O形环64可装拆地安装在冷却管65的外周，因此，在由于长期使用等而劣化时，能够简单地更换新的O形环。
此外，因为O形环从内侧被冷却，能够只局部冷却O形环64，O形环64的冷却不会对CVD成膜装置1的其它部分的温度控制产生影响。
下面，参照图7和图8对本发明的其它实施方式进行说明。在本实施方式中，特别如图8所示，在腔室2的接合面61a上形成有两个环状槽62a、62b，与图4所示相同，在外侧环状槽62a中插入内装有冷却管65的O形环64，在内侧的环状槽62b中插入通常的中间实心(没有空腔)的O形环70，利用两个O形环64、70，气密地密封腔室2与盖体3之间。O形环70整体具有环形形状，由弹性材料形成，特别是弹性体，例如橡胶、氟树脂等形成。两个环状槽62a、62b由分隔壁71相互隔开。此外，图7所示的CVD成膜装置1除密封结构以外与图1所示的相同，省略重复说明。
图8所示的密封结构与图4所示的密封结构相比，有利于在腔室2内使用一旦冷却即发生液化或生成生成物的处理气体的情况。即，在图4所示的密封结构中，从腔室2内侵入接合面61a、61b之间的处理气体最初接触的是被冷却的O形环64，因此，可能会在O形环64的表面附着液化后的处理气体或来自处理气体的生成物。与此相对，在图8所示的密封结构中，从腔室2内侵入接合面61a、61b之间的处理气体最初接触的是没有被冷却的内侧O形环70，因此，不会产生上述问题。当然，从腔室2外部侵入腔室内部的氧气被冷却后的外侧O形环64阻止。此外，因为O形环70由分隔壁71而与O形环64隔开，所以能够抑制由于冷却O形环64而引起的O形环70的冷却，能够抑制来自处理气体的物质附着在O形环70上。
根据本发明的密封结构，不限于上述的CVD成膜装置，也适用于各种真空装置，例如进行在半导体设备制造工序中使用的氧化扩散处理、改性处理或退火处理等各种热处理的热处理装置等。

Claims (7)

1.一种真空装置的密封结构，在所述真空装置的密封结构中，包括：收纳被处理体的真空容器；封闭所述真空容器开口部的封闭部件；和由弹性体制成的环状密封部件，以弹性变形的状态夹持在所述真空容器和所述封闭部件之间，使所述真空容器和所述封闭部件之间气密地密封，并且，在所述密封部件的内部，形成有沿所述密封部件的周缘方向延伸的空腔，制冷剂在其内部流通的冷却管被插入所述空腔中，其特征在于：
在所述真空容器与所述封闭部件之间，还包括没有插入冷却管的环状密封部件，配置在比插入有所述冷却管的所述密封部件的更靠近所述真空容器的内部空间的一侧。
2.如权利要求1所述的真空装置的密封结构，其特征在于，
在所述密封部件中形成有狭缝，可相对于所述密封部件装拆所述冷却管。
3.如权利要求1所述的真空装置的密封结构，其特征在于，
所述密封部件由氟树脂形成。
4.如权利要求1所述的真空装置的密封结构，其特征在于，
插入有所述冷却管的所述密封部件和没有插入冷却管的所述密封部件，分别收容在形成于所述密封部件或所述封闭部件的两个环状槽内，两个环状槽由分隔壁分隔。
5.如权利要求1所述的真空装置的密封结构，其特征在于，
向所述真空容器内供给一旦冷却即发生液化或生成生成物的处理气体。
6.如权利要求1所述的真空装置的密封结构，其特征在于，
在所述真空容器的侧壁内装有加热机构。
7.如权利要求1所述的真空装置的密封结构，其特征在于，
所述冷却管为金属制造。
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