JP2006342386A - 真空装置のシール構造 - Google Patents
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Abstract
【課題】比較的簡単な構造で酸素の透過量を低減し確実なシールが得られるようにした真空装置のシール構造を提供する。
【解決手段】冷媒供給口６８と冷媒排出口６９を有する環状の冷却パイプ６５と、この冷却パイプ６５に着脱可能に被冠されるＯリング６４とでシール構造６０を構成する。Ｏリング６４は、耐熱、耐食性に優れた弾性材料によって中空のリングに形成されて外周面にスリット６７が全周にわたって形成されており、中空部６６内に冷却パイプ６５が組み込まれる。固体内部を透過する気体の透過率は温度依存性を有しているため、真空容器を真空引きして使用する際、冷却パイプ６５に冷媒を供給してＯリング６４を内側から冷却し、Ｏリング６４を透過する酸素の透過量を少なくする。
【選択図】 図５
【解決手段】冷媒供給口６８と冷媒排出口６９を有する環状の冷却パイプ６５と、この冷却パイプ６５に着脱可能に被冠されるＯリング６４とでシール構造６０を構成する。Ｏリング６４は、耐熱、耐食性に優れた弾性材料によって中空のリングに形成されて外周面にスリット６７が全周にわたって形成されており、中空部６６内に冷却パイプ６５が組み込まれる。固体内部を透過する気体の透過率は温度依存性を有しているため、真空容器を真空引きして使用する際、冷却パイプ６５に冷媒を供給してＯリング６４を内側から冷却し、Ｏリング６４を透過する酸素の透過量を少なくする。
【選択図】 図５
Description
本発明は、真空装置のシール構造に関し、特に半導体デバイスの製造に用いられる成膜装置、熱処理装置等の真空処理装置に用いて好適なシール構造に関するものである。
半導体デバイスの製造工程においては、成膜処理、パターンのエッチング処理、酸化拡散処理、改質処理、アニール処理等の各種の熱処理が繰り返し行われる（特許文献１，２参照）。
例えば、特許文献１に開示されているＣＶＤ（chemical vaper deposition） 装置は、気相化学反応によって被処理体である半導体ウエハの表面に薄膜を形成する装置であって、加熱ヒータを有する真空容器内にヒータを内蔵したウエハ載置用ステージと、このステージの上方に対向して処理ガス用のシャワーヘッドとを設け、真空容器内を真空排気して所定の真空度にし、ステージを加熱して半導体ウエハを所定の温度に加熱し、シャワーヘッドからＴｉＣｌ4 ，Ｈ2 の処理ガスを供給してプラズマ化することにより、半導体ウエハの表面にＴｉの薄膜を成膜する装置である。このような装置においては、原料であるＴｉＣｌ4 や反応副生成物であるＮＨ4 Ｃｌが真空容器の壁面に付着するのを防ぐため、真空容器壁面を加熱するホットウォールプロセスが用いられている。
このような半導体ウエハの成膜に用いられる成膜装置においては、真空容器の開口部を気密にシールする場合、保守の容易さやコストなどの観点からシール部材としてＯリングを用いてシールしている。Ｏリングの材質としては、耐熱性、耐食性に優れた弾性材料、例えばフッ素／パーフロロエラストマー等が用いられる。
上記したように、従来の成膜装置等の真空装置におけるシール構造としては、保守の容易さやコストなどの観点から耐熱性、耐食性に優れたＯリングを用いて真空容器と蓋体との間のシール面を気密にシールしている。その場合、Ｏリングを透過する気体の透過量が問題となる。すなわち、Ｏリングを透過して真空容器内に侵入する気体（ここでは、酸素）の透過量が多いと、真空容器内の真空度を低下させ、処理時の反応に影響を及ぼす。このため、酸素の透過量が少ないシール構造が要望されている。
気体の透過量を低減するための方法としては、固体の温度と固体内部を透過する気体の透過率との間には相関関係があり、温度が低いと気体の透過量が少なく、温度が高くなると気体の透過量が多くなることからシール部を冷却するか、または気体の透過量が少ない金属製のシール部材を用いることが考えられる。
しかしながら、シール部を冷却する場合、ホット ウォール プロセスでは、真空容器壁面を所定温度に加熱（例えば、１７０℃）する一方、シール部については冷却することになるので、相反する温度制御を行わなければならず、温度制御が難しいという問題がある。
一方、金属製のシール部材を用いたシール構造の場合は、昇降温を繰り返すヒートサイクルによりシール部材が膨張、収縮を繰り返すため、収縮時にシール部に隙間が生じてシール性能が低下する。特に、異種金属どうしの場合は、材料間で熱膨張率が異なるため、膨張、収縮によりシール面を傷つけ易く、確実なシールが得られなくなるという問題がある。また、金属製のシール部材は弾性材料からなるシール部材に比べて高価で、しかも再利用することができず、半導体デバイスの製造に用いられる真空装置には不適である。
本発明は上記した従来の問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、比較的簡単な構造で酸素の透過量を低減し確実なシールが得られるようにした真空装置のシール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、被処理体を収納する真空容器と、この真空容器の開口部を閉塞する部材とのシール面間に弾性材料からなるシール部材を介在させ、このシール部材を前記真空容器と前記部材とで挟持し弾性変形させることにより前記開口部を気密に封止する真空装置のシール構造において、前記シール部材を内部に中空部を有するリング状に形成し、前記中空部内に冷媒供給口と冷媒排出口を有し冷媒が供給される環状の冷却パイプを組み込んだものである。
また、本発明は、シール部材の外周にスリットを全周にわたって形成し、前記シール部材を冷却パイプに着脱可能に被覆したものである。
また、本発明は、シール部材がフッ素樹脂からなるものである。
また、本発明は、真空容器と、この真空容器の開口部を閉塞する部材とのシール面間であって、前記冷却パイプが組み込まれたシール部材より内側に、弾性部材からなり中空部を有さない中実のリング状シール部材をさらに配設したものである。
さらに、本発明は、前記冷却パイプが組み込まれたシール部材と弾性部材からなる中実のリング状シール部材が組み込まれる環状溝を仕切壁によって仕切ったものである。
本発明においては、冷却パイプに供給される冷媒によってシール部材を内部から冷却しているので、シール部材を透過する酸素の透過量を極限まで低減することができる。冷却パイプに冷媒を供給するだけでよいので、シール構造が簡単で、装置自体の温度制御とは無関係にシール部材を冷却することが可能である。冷媒としては、常温の空気または冷却した空気や、水を用いることができる。
シール部材は冷却パイプに対して着脱可能に取付けられているので、経年変化等によって劣化した場合、新しいものと容易に交換することができる。
フッ素樹脂製のシール部材は耐熱性、耐食性に優れ、昇降温を繰り返す半導体デバイス製造用の成膜装置、熱処理装置等の真空装置のシール構造に用いて好適である。
シール部材は冷却パイプに対して着脱可能に取付けられているので、経年変化等によって劣化した場合、新しいものと容易に交換することができる。
フッ素樹脂製のシール部材は耐熱性、耐食性に優れ、昇降温を繰り返す半導体デバイス製造用の成膜装置、熱処理装置等の真空装置のシール構造に用いて好適である。
冷却パイプが組み込まれたシール部材のみによってシールした場合、処理容器内のプロセスガスが拡散してシール部材に接触すると、冷却されることによりシール部材に副生成物や液化したプロセスガスが付着する可能性がある。そこで、このシール部材の内側にさらに中実のシール部材を配設した発明においては、処理容器の外部からの酸素の透過は外側のシール部材を冷却することにより低減し、処理容器内側のプロセスガスの拡散については内側のシール部材により防ぎ、仕切壁によって冷却された外側のシール部材と隔離することにより内側シール部材への付着物の発生を抑制する。
以下、本発明を図面に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明に係るシール構造を備えた真空装置の断面図、図２は同装置のシャワーヘッド上部を示す平面図、図３は同シャワーヘッドの断面図、図４は同シール構造の拡大断面図、図５は同シール構造の一部を破断して示す平面図、図６はシール部材の断面図である。
図１は本発明に係るシール構造を備えた真空装置の断面図、図２は同装置のシャワーヘッド上部を示す平面図、図３は同シャワーヘッドの断面図、図４は同シール構造の拡大断面図、図５は同シール構造の一部を破断して示す平面図、図６はシール部材の断面図である。
図１〜図３において、本実施の形態では、真空装置としてＴｉ薄膜形成用のＣＶＤ成膜装置に適用した例を示している。このＣＶＤ成膜装置１は、略円筒状に形成され上下に開放するチャンバー（真空容器）２と、このチャンバー２の上方側開口部４と下方側開口部５をそれぞれ閉塞する部材としての蓋体３およびステージ保持部材６とを備えている。ステージ保持部材６は、チャンバー２内を真空排気する排気装置７に接続されている。
前記チャンバー２の内部には、被処理体である半導体ウエハ（以下、処理基板という）８を水平に載置するためのステージ１０が設けられている。このステージ１０は、前記ステージ保持部材６の内部に立設した支柱１１上に設置されており、前記処理基板８を支持する上下動自在な複数本の支持ピン１２と、処理基板８を加熱する加熱手段１３と、プラズマの生成を安定させるリング１４と、メッシュ電極１５等を備えている。支持ピン１２は、エアシリンダ１６によって昇降される支持板１７上に立設されており、上端部が前記ステージ１０を貫通している。
チャンバー２の一側壁には、処理基板８の搬入搬出を行うための搬入出口２０と、この搬入出口２０を開閉するゲートバルブ２１が設けられている。また、チャンバー２の側壁は、チャンバー２の側壁を加熱するためのカートリッジヒータ２３が内装されており、これにより原料ガスや副生成物が付着しない温度で制御されている。
前記蓋体３の内側には、処理ガス吐出用のシャワーヘッド２５が前記ステージ１０に対向するように絶縁部材２４を介して取付けられている。このシャワーヘッド２５は、円板状に形成された３枚のプレート、すなわち上段プレート２５ａ、中段プレート２５ｂおよび下段プレート２５ｃを備えている。
上段プレート２５ａはベース部材として機能し、この上段プレート２５ａの外周下部に中段プレート２５ｂの外周部がねじ止めされている。上段プレート２５ａには、円板状の内側ヒータ２６と環状の外側ヒータ２７が配設されている。これらのヒータ２６，２７は図示していない電源にそれぞれ接続されている。
前記中段プレート２５ｂの下面には、下段プレート２５ｃが密接されねじ止めされている。上段プレート２５ａの下面と中段プレート２５ｂとの間には空間２８が気密に形成されている。また、中段プレート２５ｂの下面側には、複数の凹陥部（空間）２９が形成されている。さらに中段プレート２５ｂには、複数の第１のガス流路３０と、第２のガス流路３１が形成されている。第１のガス流路３０は、中段プレート２５ｂを貫通する貫通孔からなり、上端が前記空間２８に連通している。第２のガス流路３１は、中段プレート２５ｂの略中央に形成され、下端側が前記各空間２９と連通している。
下段プレート２５ｃには、前記第１ガス通路３０にそれぞれ連通する多数の第１のガス吐出孔３３と、前記空間２９にそれぞれ連通する多数の第２のガス吐出孔３４が形成されている。
また、前記上段プレート２５ａの上面には、第１のガス導入管３５ａと第２のガス導入管３５ｂの一端がそれぞれ接続されている。第１のガス導入管３５ａは前記空間２８に連通しており、第２のガス導入管３５ｂは中段プレート２５ｂの第２のガス通路３１を介して前記空間２９に連通している。
一方、前記第１および第２のガス導入管３５ａ，３５ｂの他端側は、上段プレート２５ａの凹陥部内に組み込まれ前記ヒータ２６，２７を覆う断熱部材３８とガス導入部材３９を通ってガス供給源４０に接続されている。
前記ガス供給源４０は、クリーニングガスであるＣｌＦ3 を供給するＣｌＦ3 ガス源４１と、成膜ガスであるＴｉＣｌ4 を供給するＴｉＣｌ4 ガス源４２と、キャリアガスであるＡｒを供給するＡｒガス源４３と、還元ガスであるＨ2 を供給するＨ2 ガス源４４およびＴｉ膜の窒化の際に使用するＮＨ3 を供給するＮＨ3 ガス源４５を備えている。ＣｌＦ3 ガス源４１、ＴｉＣｌ4 ガス源４２およびＡｒガス源４３には、前記第２のガス導入管３５ｂがそれぞれ接続されている。一方、Ｈ2 ガス源４４およびＮＨ3 ガス源４５には、前記第１のガス供給管３５ａがそれぞれ接続されている。したがって、ＣｌＦ3 ガス源４１、ＴｉＣｌ4 ガス源４２およびＡｒガス源４３からのガスは、第２のガス供給管３５ｂ−第２のガス通路３１−空間２９を経て、第２のガス吐出孔３４からチャンバー２内に吐出される。また、Ｈ2 ガス源４４およびＮＨ3 ガス源４５からのガスは、第１のガス供給管３５ａ−空間２８−第１のガス通路３０を経て、第１のガス吐出孔３３からチャンバー２内に吐出される。これにより、第１のガス導入管３５ａを介して供給されたガスと第２のガス導入管３５ｂを介して供給されたガスとは、シャワーヘッド２５内で混じり合うことなく別々にチャンバー２内に供給される。
処理基板８の成膜処理に際しては、ＴｉＣｌ4 ガスとＨ2 ガスをチャンバー２内に供給し、これらのガスをプラズマ化して所望の反応を生じさせることにより、処理基板８の表面上にＴｉ膜が成膜される。なお、チャンバー２内に供給されたＴｉＣｌ4 ガスとＨ2 ガスは、シャワーヘッド２５に設けた給電棒５２に高周波電源５１から高周波電力を供給し、前記メッシュ電極１５との間に高周波電界を形成することによりプラズマ化され、Ｔｉの成膜反応が促進される。なお、シャワーヘッド２５は、冷却時にドライエアの供給によって冷却されるように構成されている。
前記蓋体３の上面側には、前記シャワーヘッド２５の上端外周縁部１２５を保温する環状の絶縁プレート５３と、シールドボックス５４が設置されている。このシールドボックス５４は、蓋体３の上方を覆っており、その上部にはシャワーヘッド２５に供給されたドライエアの熱排気を行なう排気口５５が設けられている。なお、このようなＣＶＤ成膜装置１は、上記した特許文献１に開示されている成膜装置と同一構造（ただし、後述のシール構造を除く）である。
次に、本発明に係るシール構造について詳述する。
図４〜図６において、前記チャンバー２と蓋体３の互いに密接する接合面６１ａ，６１ｂはシール面を形成しており、このシール面を本発明に係るシール構造６０によって気密にシールしている。
図４〜図６において、前記チャンバー２と蓋体３の互いに密接する接合面６１ａ，６１ｂはシール面を形成しており、このシール面を本発明に係るシール構造６０によって気密にシールしている。
シール構造６０は、前記環状溝６２に嵌着されるＯリング（シール部材）６４と、このＯリング６４を内部側から冷却する冷却パイプ６５とで構成されている。Ｏリング６４は、耐熱性、耐食性に優れた弾性材料、例えばフッ素樹脂によって軸線と直交する断面形状が円形の中空体に形成されることにより、内部にリング状の中空部６６を有している。この中空部６６は、Ｏリング６４の外周の全周にわたって形成したスリット６７によってＯリング６４の外部に開放しており、これによりＯリング６４の中空部６６内への冷却パイプ６５の挿入、言い換えれば冷却パイプ６５へのＯリング６４の被覆を可能にしている。Ｏリング６４の外径は、前記環状溝６２の深さより大きく、溝幅より小さい。
前記冷却パイプ６５は、好ましくは金属製で、前記Ｏリング６４の中空部６６と略同一の大きさのリング状に形成されており、冷媒供給口６８と冷媒排出口６９を有している。冷媒供給口６８は図示していない冷媒供給源に接続され、冷媒排出口６９はＣＶＤ成膜装置１の外部に開放している。冷却パイプ６５に供給される冷媒としては、常温の空気、冷却空気、常温の水、冷却水等を用いることができる。
Ｏリング６４内に冷却パイプ６５を組込むには、スリット６７を弾性変形させながら開いて冷却パイプ６５をＯリング６４の中空部６６に押し込めばよい。冷却パイプ６５を中空部６６内に完全に押し込み、外力をＯリング６４から取り除くと、Ｏリング６４は元の形状に復元して内周面が冷却パイプ６５の外周に密着する。この状態でＯリング６４を冷却パイプ６５とともに環状溝６２に装着し、蓋体３をチャンバー２の接合面６１ａ上に載置し、ボルト等によって蓋体３をチャンバー２に固定すると、シール面６１ｂがＯリング６４を押圧するため、Ｏリング６４は楕円形に弾性変形して下面が環状溝６２の底面に圧接され、両側面が環状溝６２の両側壁に圧接され、これによってチャンバー２と蓋体３の互いに密接するシール面６１ａ，６１ｂを気密にシールする。そして、チャンバー２内を真空引きして処理基板８の表面にＴｉを成膜する際、Ｏリング６４は冷却パイプ６５に供給される冷媒によって内部から冷却される。
このように本発明におけるシール構造６０は、固体内部を透過する気体の透過率の温度依存性に着目し、ＣＶＤ成膜装置１による処理基板８への成膜時において、Ｏリング６４を冷却パイプ６５に供給される冷媒によって冷却するようにしたので、Ｏリング６４を透過する酸素の透過量を極限まで少なく抑えることができ、チャンバー２内に侵入する酸素の量を低減することができる。したがって、チャンバー２内を安定した真空度に維持することができる。
また、Ｏリング６４は金属製のシール部材に比べて安価で、しかも温度変化による膨張、収縮によりシール面６１ａ，６１ｂを傷つけたりすることもなく、繰り返し使用できる。
また、Ｏリング６４は冷却パイプ６５の外周に着脱可能に嵌着されているので、経年変化等によって劣化した場合、新しいＯリングと簡単に交換することができ、取り扱いが容易である。
さらに、冷却パイプ６５に冷媒を供給するだけでよいので、ＣＶＤ成膜装置１の温度制御とは関係なく行うことができ、装置の温度制御が容易である。
図７は本発明の他の実施の形態のシール構造を備えた真空装置の断面図、図８は図７のＡ部の拡大断面図である。
この実施の形態においては、チャンバー２のシール面６１ａに２つの環状溝６２ａ，６２ｂを形成し、外側の環状溝６２ａに図４に示したシール構造６０を組込み、内側の環状溝６２ｂには通常用いられているＯリング７０を組込み、２つのＯリング６４，７０によってチャンバー２と蓋体３のシール面６１ａ，６１ｂを気密にシールするようにしたものである。通常のＯリング７０は、ゴム、フッ素樹脂等の弾性材料によって断面形状が円形で中空部を有さない中実のリング状に形成されている。２つの環状溝６２ａ，６２ｂは、仕切壁７１によって互いに仕切られている。なお、真空装置１自体の構造とシール構造６０は上記した実施の形態と同一であるため、同一構成部品については同一符号をもって示し、その説明を省略する。
この実施の形態においては、チャンバー２のシール面６１ａに２つの環状溝６２ａ，６２ｂを形成し、外側の環状溝６２ａに図４に示したシール構造６０を組込み、内側の環状溝６２ｂには通常用いられているＯリング７０を組込み、２つのＯリング６４，７０によってチャンバー２と蓋体３のシール面６１ａ，６１ｂを気密にシールするようにしたものである。通常のＯリング７０は、ゴム、フッ素樹脂等の弾性材料によって断面形状が円形で中空部を有さない中実のリング状に形成されている。２つの環状溝６２ａ，６２ｂは、仕切壁７１によって互いに仕切られている。なお、真空装置１自体の構造とシール構造６０は上記した実施の形態と同一であるため、同一構成部品については同一符号をもって示し、その説明を省略する。
このようなシール構造においては、図４に示す実施の形態によるシール構造に比べてプロセスガスとして冷却されると液化するような原料を用いた場合あるいは副生成物を生じるような場合に有効である。すなわち、図４に示すＯリング６４と冷却パイプ６５とからなるシール構造６０のみによってチャンバー２と蓋体３のシール面６１ａ，６１ｂをシールする場合は、処理容器内のプロセスガスが拡散してＯリング６４に接触すると、冷却されることにより液化や副生成物が付着するおそれがある。これに対して、図８に示すようにＯリング６４と冷却パイプ６５とからなるシール構造６０の内側に通常のＯリング７０を配置した２重シール構造においては、処理容器の外部からの酸素の透過は外側のＯリング６４によって防ぎ、処理容器内側のプロセスガスの拡散については内側のＯリング７０によって防ぐため、プロセスガスが冷却された外側のＯリング６４に接触することによる液化や副生成物の発生のおそれがない。また、Ｏリング７０は仕切壁７１によってシール構造６０から隔離されているので、必要以上に冷却されることがなく、Ｏリング７０への付着物の発生も抑制することができる。
上記した実施の形態においては、ＣＶＤ成膜装置に適用した例を示したが、本発明はこれに何ら特定されるものではなく、各種の真空装置、例えば半導体デバイスの製造工程で用いられる酸化拡散処理、改質処理、アニール処理等の各種の熱処理を行う熱処理装置等にも適用することができる。
１…ＣＶＤ成膜装置、２…チャンバー（真空容器）、３…蓋体、６０…シール構造、６ａ，６１ｂ…シール面、６２，６２ａ，６２ｂ…環状溝、６４…Ｏリング（シール部材）、６５…冷却パイプ、６６…中空部、６７…スリット、６８…冷媒供給口、６９…冷媒排出口、７０…Ｏリング、７１…仕切壁。
Claims (5)
- 被処理体を収納する真空容器と、この真空容器の開口部を閉塞する部材とのシール面間に弾性材料からなるシール部材を介在させ、このシール部材を前記真空容器と前記部材とで挟持し弾性変形させることにより前記開口部を気密に封止する真空装置のシール構造において、
前記シール部材を内部に中空部を有するリング状に形成し、前記中空部内に冷媒供給口と冷媒排出口を有し冷媒が供給される環状の冷却パイプを組み込んだことを特徴とする真空装置のシール構造。 - シール部材の外周にスリットを全周にわたって形成し、前記シール部材を冷却パイプに着脱可能に被覆したことを特徴とする請求項１記載の真空装置のシール構造。
- 前記シール部材がフッ素樹脂からなることを特徴とする請求項１または２記載の真空装置のシール構造。
- 真空容器と、この真空容器の開口部を閉塞する部材とのシール面間であって、前記冷却パイプが組み込まれたシール部材より内側に、弾性部材からなり中空部を有さない中実のリング状シール部材をさらに配設したことを特徴とする請求項１，２，３のうちのいずれか１つに記載の真空装置のシール構造。
- 前記冷却パイプが組み込まれたシール部材と弾性部材からなる中実のリング状シール部材が組み込まれる環状溝は、仕切壁によって仕切られていることを特徴とする請求項４記載の真空装置のシール構造。
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