JP2014005494A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電極の冷却性能が低下するという不具合が生じることなく、省エネルギ運転が可能なプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】真空チャンバ１内に設けられるターゲット２と、ターゲットに電力投入する電源Ｅと、ターゲットに冷媒を循環させる冷却手段４とを備える。ターゲットに電力投入して真空チャンバ内にプラズマ雰囲気を形成し、ターゲットを冷却しながら成膜を行う。冷却手段がターゲットに循環させる冷媒の温度を変化させる能力切換機能を有し、ターゲットに投入する電力をモニターし、この投入電力に応じて冷却手段の能力を切り換える。
【選択図】図１

Description

本発明は、真空チャンバ内に設けられる電極と、電極に電力投入する電源と、電極に冷媒を循環させる冷却手段とを備え、この電極に電力投入して真空チャンバ内にプラズマ雰囲気を形成し、電極を冷却しながら所定処理を施すプラズマ処理装置に関する。

例えば半導体装置やＦＰＤの製造工程においては、シリコンウエハやガラス基板等の処理すべき基板に対し、成膜処理やエッチング処理などの各種の処理をプラズマ雰囲気で施すことがあり、このような処理にはプラズマ処理装置が用いられる。プラズマ処理装置として、スパッタリング法により成膜処理を行うものを例に説明すると、プラズマ処理装置は真空チャンバを備え、この真空チャンバ内には、基板に対向する位置に、基板表面に成膜しようする膜の組成に応じて作製された、電極としてのターゲットが配置されている。そして、真空チャンバ内を所定圧力に真空引きした後、アルゴンなどの希ガスを導入し、ターゲットに負の電位を持った直流電力や交流電力を投入し、真空チャンバ内にプラズマ雰囲気を形成し、プラズマ雰囲気中で電離した希ガスのイオンをターゲットに衝突させてスパッタリングすることで、スパッタ粒子を飛散させ、基板表面に付着、堆積させて成膜される。この場合、ターゲットは投入電力の大部分が熱に変わって高温となることから、ターゲットが融解したり、割れたりする虞がある。

ターゲットは、通常、インジウムやスズなどの熱伝導率が高い材料からなるボンディング材を介して、銅製のバッキングプレートにボンディングされ、この状態でスパッタリングカソードに取り付けられる。そして、成膜中、バッキングプレートに冷媒（冷却水）を循環させてターゲットが間接的に除熱される構造としている（例えば、特許文献１参照）。バッキングプレートに対する冷媒循環には、スパッタリング装置とは別置される、冷却手段としてのチラー装置が一般に用いられる。

上記チラー装置は例えば特許文献２で知られている。このものは、圧縮器、凝縮器、膨張弁および熱交換機を有する冷却器と冷媒を循環する循環ポンプとを備えた一次側回路と、一次側回路の冷媒と熱交換する冷媒を循環する循環ポンプを備えた二次側回路と、二次側回路に設けたバッファタンクと、負荷としてのバッキングプレートを冷却する冷媒を循環するポンプを備えた負荷側回路とを備える。

ここで、チラー装置はその稼働を停止した後、再稼働させても所定の冷却能力を発揮するまで数分の時間を要する。このため、ターゲットに対向する位置に基板を順次搬送し、複数枚の基板に成膜を行う量産中、基板交換等でターゲットに電力投入されていないときでも、同一の冷却性能で常時稼働しておくことが一般である一方、ターゲットに電力投入されていないとき、ターゲットへの入熱量は極めて小さい。従って、量産中、上記の如く、チラー装置を稼働させておくと、消費電力が多大になるという問題がある。このことから、ターゲットからチラー装置への戻り配管に冷媒温度を測定する温度センサを設け、この測定温度に応じてチラー装置の冷却能力を低下させたりして省エネルギ運転を行うことが考えられる。

然しながら、上記省エネルギ運転では、ターゲットに電力投入することでターゲットに入熱し、冷媒温度が上昇し、これが戻り配管の温度センサで検出されて初めて、チラー装置の冷却性能がアップされることになるので、十分に冷却された冷媒がターゲットに供給されるまでの間にタイムロスが生じ、ターゲットを十分に除熱できない、つまり、ターゲットの冷却性能が低下する虞がある。

特開２００５−２９８９６６号公報 特許第３０９５３７７号公報

本発明は、以上の点に鑑み、電極の冷却性能が低下するという不具合が生じることなく、省エネルギ運転が可能なプラズマ処理装置を提供することをその課題とするものである。

上記課題を解決するために、真空チャンバ内に設けられる電極と、電極に電力投入する電源と、電極に冷媒を循環させる冷却手段とを備え、この電極に電力投入して真空チャンバ内にプラズマ雰囲気を形成し、電極を冷却しながら所定処理を施す本発明のプラズマ処理装置は、前記冷却手段が電極に循環させる冷媒の温度を変化させる能力切換機能を有し、電極に投入する電力をモニターし、この投入電力に応じて冷却手段の能力を切り換えるように構成されることを特徴とする。

本発明によれば、電極に電力投入されていない間、冷却手段の性能を低下させて省エネルギ運転が行われる。そして、電極に投入される電力（電圧または電流のいずれか一方の場合を含む）をモニターしていることで、電極に電力投入が開始されると、電極への入熱量が変化し得ることが可及的速やかに判断され、これに応じて冷却手段の性能をアップさせることができる。このため、電極が昇温してチラー装置に戻る冷媒の温度が上昇したことを戻り管に設けた温度センサで検出する前に、電極には冷却された冷媒を供給することができ、結果として、電極の冷却性能が低下するという不具合が生じることなく、省エネルギ運転が可能となり、有利である。

なお、本発明において、前記電極がスパッタリング用のターゲットであれば、ターゲットへの電力投入を行わないときに冷却性能を低下させる省エネルギ運転を行っても、ターゲットが融解したり、割れたりする、という不具合が発生することを確実に防止できる。

本発明の実施形態のプラズマ処理装置の構成を説明する模式図。 図１に示す冷却手段の内部構造を示す模式図。

以下、図面を参照して、プラズマ処理装置をスパッタリング装置、電極をスパッタリング用のターゲットとした場合を例に本発明の実施形態について説明する。

図１を参照して、ＳＭは、本実施形態のスパッタリング装置の一例を示す。スパッタリング装置ＳＭは、マグネトロン方式のものであり、真空処理室１ａを画成する真空チャンバ１を備える。真空チャンバ１の天井部にカソードユニットＣが取付けられている。以下においては、図１中、真空チャンバ１の天井部側を向く方向を「上」とし、その底部側を向く方向を「下」として説明する。

カソードユニットＣは、ターゲット２と、このターゲット２の上方に配置された磁石ユニット３とから構成されている。ターゲット２は、チタン、アルミニウム、タンタルやこれらの酸化物等、処理すべき基板Ｗに成膜しようとする膜の組成に応じて適宜選択された材料製で、基板Ｗの輪郭に対応する平面視形状に形成されたものである。ターゲット２の上面（スパッタ面２ａと背向する面）には、スパッタリングによる成膜中、ターゲット２を冷却する銅製のバッキングプレート２１がインジウムやスズなどの熱伝導率が高い材料からなる図示省略のボンディング材を介して接合されており、そのスパッタ面２ａを下側にして図外の絶縁体を介して真空チャンバ１に取り付けられている。バッキングプレート２１内には、冷却水（冷媒）の循環路２１ａが形成され、この循環路２１ａの両自由端には、チラー装置たる冷却手段４からの往き管５ａと戻り管５ｂとが夫々接続されている。

冷却手段４は、図２に示すように、筐体４ａを備え、この筐体４ａ内には、戻り管５ｂが接続される貯水タンク４１が設けられている。この場合、戻り管５ｂの貯水タンク４１への接続箇所近傍には、戻り管５ｂ内を流れる冷却水の温度を測定する温度センサ４２が設けられている。また、貯水タンク４１の側面には、循環ポンプＰ１が介設された循環路４３が接続されている。循環路４３には、液−液熱交換器４４が介設され、所定温度（例えば１８℃）に冷却された循環水との熱交換で貯水タンク４１内の冷却水を所定温度に保持できるようにしている。この場合、液−液熱交換器４４に通じる循環水の管路には、公知の流量制御弁４４ａが介設され、流量制御弁４４ａの開度を制御することで、循環路４３を介して貯水タンク４１に戻される冷却水の温度を段階的（例えば、二段階）に変化させることができるようにしている。

また、貯水タンク４１の下面には、往き管５ａに通じる、循環ポンプＰ２が介設された供給管４５が接続されている。供給管４５には、循環ポンプＰ２の上流側に位置させて冷却器４６が介設されている。冷却器４６は、コンプレッサとしての冷媒の圧縮器４６ａから凝縮器４６ｂと膨張弁４６ｃと熱交換器４６ｄとを介して圧縮器４６ａに戻す閉回路で構成されるものである。そして、冷媒が、圧縮器４６ａで圧縮されて高温・高圧状態となる。高温・高圧状態となった一次側冷媒が、凝縮器４６ｂにより液化された後、膨張弁４６ｃによりガス化され、熱交換器４６ｄが供給管４５を流れる冷却水を冷却してこの冷却水が所定温度（２０℃以下の任意の温度）に調節され、供給管４５から往き管５ａを通してバッキングプレート２１の循環路２１ａに供給される。この場合、図外のインバータによりコンプレッサ４６ｂのモータ（図示せず）への出力周波数（例えば、６０Ｈｚ以内の周波数で連続的または段階的に切り換える）を制御すれば、冷却効率を変化させて往き管５ａを流れる冷却水の温度を変化させることができる。なお、冷却水の循環路４７を設け、圧縮過程で発生する熱を除去できるようにしてもよい。

本実施形態の冷却手段４は、コンプレッサとしての圧縮器４６ａのモータへの出力停止及び出力周波数を二段階に切換えると共に、流量制御弁４４ａの開度を二段階（流量小と流量大）に切り換えることで、冷却水の温度を４段階に変化させる能力切換機能を有する。即ち、循環ポンプＰ１，Ｐ２で一定の吐出量で運転させた状態で、上記モータへの出力を停止すると共に、流量制御弁４４ａの開度を絞って液−液熱交換器４４への冷媒の流量を小とした状態の小能力運転、上記モータへの出力停止状態で流量制御弁４４ａの開度を開けて液−液熱交換器４４への冷媒の流量を大とした第１中能力運転、液−液熱交換器４４への冷媒の流量を大とした状態で上記モータへの出力周波数を比較的低く設定した第２中能力運転、及び、上記モータへの出力周波数を比較的高く設定した大能力運転との間で能力切換が可能である。

また、ターゲット２には、直流電力や交流電力を投入するスパッタ電源（電源）Ｅからの出力が接続され、成膜時、例えば、ターゲット２に負の電位を持った直流電力（例えば、５〜２０ｋＷ）が投入されるようにしている。ターゲット２の上方に配置される磁石ユニット３は、ターゲット２のスパッタ面２ａの下方空間に磁場を発生させ、スパッタ時にスパッタ面２ａの下方で電離した電子等を捕捉してターゲット２から飛散したスパッタ粒子を効率よくイオン化する公知の構造を有するものであり、ここでは詳細な説明を省略する。

真空チャンバ１の底部には、ターゲット２のスパッタ面２ａに対向させてステージ６が配置され、図外の搬送ロボットにより基板Ｗを搬送して、この基板Ｗがその成膜面を上側にして位置決め保持されるようにしている。なお、本実施形態では、枚葉式で基板Ｗをステージ６に搬送して成膜処理するものを例に説明するが、ターゲット２に対向する位置に基板Ｗが断続的に供給されるようにしてもよい（所謂インライン式）。また、真空チャンバ１の側壁には、アルゴン等の希ガスたるスパッタガス（場合によっては、希ガスと酸素や窒素ガスとの反応ガス）を導入するガス導入管７が接続されている。ガス導入管７には、マスフローコントローラ７１が介設され、図示省略のガス源に連通している。これにより、流量制御されたスパッタガス（及び反応ガス）が、後述の真空排気手段により一定の排気速度で真空引きされている真空処理室１ａ内に導入でき、成膜中、真空処理室１ａの圧力（全圧）が略一定に保持されるようにしている。

真空チャンバ１の底部には、ターボ分子ポンプやロータリーポンプなどからなる図示省略の真空排気手段に通じる排気管８が接続されている。また、上記スパッタリング装置ＳＭは、マイクロコンピュータやシーケンサ等を備えた公知の制御手段９を有し、スパッタ電源Ｅの稼働、マスフローコントローラ７１の稼働、真空排気装置の稼働及び冷却手段４の稼働及び能力切替等を統括制御するようにしている。

ここで、上記スパッタリング装置ＳＭを用い、基板Ｗをステージ６に順次搬送し、複数枚の基板Ｗに成膜を行う際、基板Ｗ交換等でターゲット２に電力投入されていないとき、ターゲット２への入熱量は極めて小さい。このとき、スパッタリング装置ＳＭの電力は、殆どが冷却手段４で消費される。このため、スパッタリング装置ＳＭの省エネルギ運転を行うには、冷却手段４の稼働を適宜制御する必要があるが、ターゲット２に電力投入されるときには、このターゲット２が確実に除熱されるようにする構成しておく必要がある。そこで、本実施形態では、ターゲット２に投入する電力をスパッタ電源に通信自在に接続されている制御手段９でモニターし、この投入電力に応じて冷却手段４の能力を切り換えるようにした。以下に、冷却手段４の能力切換運転を具体的に説明する。

先ず、真空チャンバ１のステージ６上に図外の搬送ロボットにより基板Ｗを設置し、真空チャンバ１を所定圧力に真空引きする。これに併せて、冷却手段４は、循環ポンプＰ１が稼働されての貯水タンク４１内の冷却水が循環路４３内を循環されて液―液熱交換器４４で熱交換させることで所定の第一温度に冷却されると共に、コンプレッサ４６ｂが起動され、スタンバイ状態となる。この場合、貯水タンク４１内の冷却水の温度に応じて流量制御弁４４ａの開度が制御され、この冷却水の温度が所定温度に保持されるようにしている。そして、真空チャンバ１が所定圧力に達すると、制御手段に入力された設定電力に応じてスパッタ電源Ｅにより所定電力がターゲット２に投入され、基板Ｗに成膜される。成膜中、コンプレッサ４６ｂは比較的高い周波数で稼働されることで冷却手段４が大能力運転とされる。そして、熱交換器４６ｄにより第一温度より低い第二温度に冷却された冷却水が往き管５ａを通じてバッキングプレート２１に供給される。

次に、基板Ｗ交換等にスパッタ電源Ｅによる電力投入が停止されると、電力投入の停止を認識している制御手段９は温度センサ４２の測定値を監視し、所定の第１閾値以下になると、制御手段９からの信号で冷却手段４が第２中能力運転に移行する。更に、温度センサ４２の測定値が、第１閾値より低い温度の第２閾値以下になると、ターゲット２への入熱量が僅かになったと判断し、冷却手段４が第１中能力運転へと移行し、更には小能力運転まで移行する。他方、スパッタ電源Ｅによる電力投入が停止された後、電力投入が再開されると、ターゲット２への入熱量が増加すると可及的速やかに判断され、これに応じて冷却手段４の性能を一段階または二段階アップさせる（つまり、小から第１中または第２中や第１中から大等）。

以上の実施形態によれば、ターゲット２に電力投入されていない間、冷却手段４の性能を低下させて省エネルギ運転が行われる。そして、ターゲット２に投入される電力（電圧または電流のいずれか一方の場合を含む）をモニターしていることで、ターゲット２に電力投入が開始されると、ターゲット２への入熱量が変化し得ることが可及的速やかに判断され、これに応じて冷却手段４の性能をアップさせることができ、ターゲット２が昇温して冷却手段４に戻る冷却水の温度が上昇したことを温度センサ４２で検出する前に、ターゲット２には冷却された冷却水が供給され、ターゲット２の冷却性能が低下するという不具合が生じることなく、省エネルギ運転が可能となり、有利である。また、ターゲット２への電力投入を行わないときに冷却性能を低下させる省エネルギ運転を行っても、ターゲット２が融解したり、割れたりする、という不具合が発生することを確実に防止できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記のものに限定されるものではない。上記実施形態では、能力切換機能として冷却水（冷媒）の温度を四段階に変化させるものを例に説明したが、その変化させる段数は上記に限られるものではなく、また、循環ポンプＰ２の定常運転時の回転数を変えて往き管５ａを流れる冷却水の流量を段階的に変化させて循環ポンプの消費電力としての省エネルギ運転とすることもでき、また、冷却手段４の構成も上記に限定されるものはない。更に、上記実施形態では、成膜時に一定の電力を投入し、複数の基板Ｗに対して成膜する場合を例に説明したが、投入電力を変えて成膜する場合に、その投入電力に応じて冷却手段４の能力を切り替えることもできる。このような場合、電力に、ターゲット２への入熱量がほぼ比例するため、予め係数ｋを求めておき、ターゲット２への投入電力にこの係数ｋをかけて冷媒に入る熱量を計算し、これに応じて冷却手段４の能力を切り換えるようにしてもよい。また、上記実施形態では、制御手段９により統括制御するものを例に説明したが、図１に示すように、スパッタ電源Ｅからターゲット２に投入する電力を測定する電力計Ｐ（またはカレントトランス）をスパッタ電源Ｅに付設し、この電力計Ｐで測定した電力値（または電流値）を冷却手段４に出力してこの電力値と係数とから熱量を算出し、冷却手段４の能力を設定するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、電極として一枚のスパッタリング用のターゲット２とし、このターゲット２のバッキングプレート２１に冷媒を循環するものを例としたが、一台の冷却手段４により、同一または異なる真空チャンバ内に配置された複数枚のターゲット２のバッキングプレート２１に冷媒を循環するような場合にも本発明は適用できる。更に、真空チャンバ１内に配置される電極としては、ターゲット２に限定されるものではなく、例えば、エッチング装置にて高周波電力が投入されるステージ等、冷却が必要なものであれば本発明を広く適用することができる。複数枚のターゲット２やステージに一台の冷却手段４で冷媒を循環させるような場合、いずれか１つのターゲットへの投入電力にそれに応じた係数ｋ１をかけて熱量を計算し、これと同様に、他のターゲットやステージへの投入電力にそれに応じた係数ｋ２等をかけて熱量を夫々計算し、これらを足して総熱量を計算すればよい。

ＳＭ…スパッタリング装置（プラズマ処理装置）、１…真空チャンバ、２…ターゲット（電極）、２１…バッキングプレート（電極）、４…冷却手段、Ｅ…スパッタ電源（電源）、Ｗ…基板。

Claims (2)

1. 真空チャンバ内に設けられる電極と、電極に電力投入する電源と、電極に冷媒を循環させる冷却手段とを備え、この電極に電力投入して真空チャンバ内にプラズマ雰囲気を形成し、電極を冷却しながら所定処理を施すプラズマ処理装置において、
   前記冷却手段が電極に循環させる冷媒の温度を変化させる能力切換機能を有し、電極に投入する電力をモニターし、この投入電力に応じて冷却手段の能力を切り換えるように構成されることを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記電極は、スパッタリング用のターゲットであることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
   

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