JP2024067844A - 基板処理装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】基板搬出後の載置台の温度を基板処理のための設定温度まで戻す時間を短縮する。【解決手段】処理容器と、前記処理容器内にて基板を吸着保持する静電チャックを有し、回転可能に構成される載置台と、前記載置台の下部にて前記載置台と接触又は離間し、前記静電チャックを冷却するように構成される冷凍装置と、前記冷凍装置を昇降させる昇降装置と、前記冷凍装置の周辺部材であり、前記周辺部材の母材よりも低い放射率の材料によりコーティングされた前記周辺部材と、を備える基板処理装置が提供される。【選択図】図1

Description

本開示は、基板処理装置に関する。
例えば、特許文献1は、PVD(Physical Vapor Deposition)装置におけるスパッタ法を用いた銅膜の形成方法を提案する。特許文献1は、被加工物の絶縁膜の表面に沿って窒化チタン膜、タングステン膜、または窒化タングステン膜である下地膜を形成する工程と、209ケルビン以下の温度に冷却された下地膜上に銅膜を形成する工程と、を含む方法を提案する。
例えば、特許文献2は、真空内で被処理物を極低温に冷却しながら回転自在に保持することができる保持装置を提供する。
特許第6788393号公報 特許第6559347号公報
本開示は、基板搬出後の載置台の温度を基板処理のための設定温度まで戻す時間を短縮する技術を提供する。
本開示の一の態様によれば、処理容器と、前記処理容器内にて基板を吸着保持する静電チャックを有し、回転可能に構成される載置台と、前記載置台の下部にて前記載置台と接触又は離間し、前記静電チャックを冷却するように構成される冷凍装置と、前記冷凍装置を昇降させる昇降装置と、前記冷凍装置の周辺部材であり、前記周辺部材の母材よりも低い放射率の材料によりコーティングされた前記周辺部材と、を備える基板処理装置が提供される。
一の側面によれば、基板搬出後の載置台の温度を基板処理のための設定温度まで戻す時間を短縮することができる。
一実施形態に係る基板処理装置の載置台の回転時における一例の構成を示す断面図。 一実施形態に係る基板処理装置の載置台の冷却時における一例の構成を示す断面図。 一実施形態に係る載置台(静電チャック)の動作を説明するための図。 一実施形態に係る載置台下部のベローズの部分拡大断面図。 図5(a)は参考例に係る基板処理装置の基板搬出後の静電チャックの温度を示し、図5(b)は一実施形態に係る基板処理装置の基板搬出後の静電チャックの温度を示す。
以下、図面を参照して本開示を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
本明細書において平行、直角、直交、水平、垂直、上下、左右などの方向には、実施形態の効果を損なわない程度のずれが許容される。角部の形状は、直角に限られず、弓状に丸みを帯びてもよい。平行、直角、直交、水平、垂直、円、一致には、略平行、略直角、略直交、略水平、略垂直、略円、略一致が含まれてもよい。
[基板処理装置]
一実施形態に係る基板処理装置1の一例について、図1及び図2を用いて説明する。図1は、一実施形態に係る基板処理装置1の載置台20の回転時における一例の構成を示す断面図である。図2は、一実施形態に係る基板処理装置1の載置台20冷却時における一例の構成を示す断面図である。
なお、基板処理装置1は、例えば、処理容器10内に処理ガスを供給して基板Wに所望の処理(例えば成膜処理等)を施す例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)装置やALD(Atomic Layer Deposition)装置であってよい。また、基板処理装置1は、例えば、処理容器10内に処理ガスを供給し処理容器10内に設けられたターゲットをスパッタして基板Wに所望の処理(例えば成膜処理等)を施す例えばPVD装置であってよい。
基板処理装置1は、処理容器10と、処理容器10の内部において基板Wを載置する載置台20と、冷凍装置30と、載置台20を回転させる回転装置40と、冷凍装置30を昇降させる昇降装置50と、を備える。処理容器10の内部には、基板Wを載置する載置台20が設けられている。また、基板処理装置1は、冷凍装置30、回転装置40、昇降装置50等の各種装置を制御する制御装置80を備える。
処理容器10は、内部空間10Sを形成する。処理容器10は、真空ポンプ等の排気装置(図示せず)を作動することにより、その内部空間10Sが超高真空に減圧されるように構成されている。また、処理容器10は、処理ガス供給装置(図示せず)に連通するガス供給管(図示せず)を介して、基板処理に用いる所望のガスが供給されるように構成されている。
載置台20は、熱伝導性の高い材料(例えば、Cu)により形成されている。載置台20は、静電チャック21を含む。静電チャック21は、誘電体膜内に埋設されたチャック電極21aを有する。基板処理装置1は、回転する載置台20のチャック電極21aに電力を供給するためのスリップリング60を備える。チャック電極21aには、スリップリング60及び配線63を介して所定の電位が与えられるようになっている。この構成により、基板Wを静電チャック21により載置面に吸着保持し、載置台20の上面(載置面)に基板Wを固定することができる。
冷凍装置30は、載置台20の下部にて載置台20と接触又は離間し、載置台20(静電チャック21)を冷却するように構成される。冷凍装置30は、冷凍機31と、冷凍熱媒体32と、を積層して構成される。なお、冷凍熱媒体32は、コールドリンクと称することもできる。冷凍機31は、冷凍熱媒体32を保持し、冷凍熱媒体32の上面を極低温に冷却する。冷凍機31には、冷却能力の観点から、GM(Gifford-McMahon)サイクルを利用する形態が好ましい。冷凍熱媒体32は、冷凍機31の上に固定されており、その上部が処理容器10の内部に収容されている。冷凍熱媒体32は、熱伝導性の高い材料(例えば、Cu)等により形成されており、その外形は略円柱状を呈している。冷凍熱媒体32は、載置台20の中心軸CLにその中心が一致するように配置されている。
また、載置台20は、回転装置40によって回転自在に支持されている。回転装置40は、回転駆動装置41と、固定シャフト45と、回転シャフト44と、ハウジング46と、磁性流体シール47,48と、スタンド49と、を有する。
回転駆動装置41は、ロータ42及びステータ43を有するダイレクトドライブモータである。ロータ42は、回転シャフト44と同軸に延在する略円筒状を有し、回転シャフト44に固定されている。ステータ43は、その内径がロータ42の外径よりも大きい略円筒状を有する。回転駆動装置41は、ダイレクトドライブモータ以外の形態であってもよく、サーボモータと伝達ベルトを備えている形態等であってもよい。
回転シャフト44は、載置台20の中心軸CLと同軸に延在する略円筒状を有する。回転シャフト44の径方向内側には、固定シャフト45が設けられる。固定シャフト45は、載置台20の中心軸CLと同軸に延在する略円筒状を有する。回転シャフト44の径方向外側には、ハウジング46が設けられる。ハウジング46は、載置台20の中心軸CLと同軸に延在する略円筒状を有し、処理容器10に固定される。
また、固定シャフト45の外周面と回転シャフト44の内周円との間には、磁性流体シール47が設けられている。磁性流体シール47は、固定シャフト45に対して回転シャフト44を回転自在に支持するとともに、固定シャフト45の外周面と回転シャフト44の内周円との間を封止して、減圧自在な処理容器10の内部空間10Sと処理容器10の外部空間とを分離する。また、ハウジング46の内周面と回転シャフト44の外周円との間には、磁性流体シール48が設けられている。磁性流体シール48は、ハウジング46に対して回転シャフト44を回転自在に支持するとともに、ハウジング46の内周面と回転シャフト44の外周円との間を封止して、減圧自在な処理容器10の内部空間10Sと処理容器10の外部空間とを分離する。これにより、回転シャフト44は、固定シャフト45及びハウジング46によって回転自在に支持されている。また、固定シャフト45の径方向内側には、略円筒状の第1のシールド部材71を介して冷凍熱媒体32が挿通する。
スタンド49は、回転シャフト44と載置台20との間に上下方向に設けられ、回転シャフト44の回転を載置台20に伝達するように構成されている。スタンド49の内周側には略円筒状の第2のシールド部材72が設けられている。なお、スタンド49の外周側に略円筒状の第3のシールド部材72'が設けられてもよい(図1。図2に点線にて表示)。第1のシールド部材71、第2のシールド部材72、第3のシールド部材72'は少なくともいずれかが配置されることが好ましい。
以上の構成により、回転駆動装置41のロータ42が回転すると、回転シャフト44、スタンド49及び載置台20が、冷凍熱媒体32に対して相対的にX1方向(図1)に回転する。
また、冷凍装置30は、昇降装置50によって昇降自在に支持されている。昇降装置50は、エアシリンダ51と、リンク機構52と、冷凍装置支持部53と、リニアガイド54と、固定部55と、ベローズ56と、を有する。
エアシリンダ51は、空気圧によりロッドが直線運動する機械装置である。リンク機構52は、エアシリンダ51のロッドの直線運動を冷凍装置支持部53の昇降運動に変換する。また、リンク機構52は、一端がエアシリンダ51と連結され、他端が冷凍装置支持部53と連結された、てこ構造を有する。これにより、エアシリンダ51の小さな推力で、大きな押し付け力を発生させることができる。冷凍装置支持部53は、冷凍装置30(冷凍機31、冷凍熱媒体32)を支持する。また、冷凍装置支持部53は、リニアガイド54によって移動方向が昇降方向にガイドされる。
固定部55は、固定シャフト45の下面に固定される。固定部55の下面と冷凍装置支持部53の上面との間には、冷凍機31を包囲する略円筒状のベローズ56が設けられている。ベローズ56は、上下方向に伸縮自在な金属製の蛇腹構造体である。これにより、固定部55、ベローズ56及び冷凍装置支持部53は、固定シャフト45の内周面と冷凍熱媒体32の外周円との間を封止して、減圧自在な処理容器10の内部空間10Sと処理容器10の外部空間とを分離する。また、冷凍装置支持部53の下面側は、処理容器10の外部空間に隣接し、冷凍装置支持部53の上面側のうちベローズ56で囲まれた領域は、処理容器10の内部空間10Sに隣接する。
基板処理装置1は、チャック電極21aに直流電圧(直流電圧、DC電圧)を供給するために、回転シャフト44及びハウジング46の下方に金属から構成されたスリップリング60を有する。
スリップリング60は、金属リングを含む回転体61と、ブラシを含む固定体62と、を有する。回転体61は、回転シャフト44と同軸に延在する略円筒状を有し、回転シャフト44の下面に固定されている。固定体62は、その内径が回転体61の外径よりも僅かに大きい略円筒状を有し、ハウジング46の下面に固定されている。スリップリング60は、直流電源(図示せず)と電気的に接続されており、直流電源から供給される電力を、固定体62のブラシと回転体61の金属リングを介して、配線63に供給する。この構成により、配線63にねじれ等を発生させることなく、直流電源からチャック電極21aに電位を与えることができる。なお、スリップリング60の構造は、ブラシ構造以外の構造であってもよく、例えば、非接触給電構造や、無水銀や導電性液体を有する構造等であってもよい。
処理容器10の上部には、載置台20に対向して設けられ、複数のターゲットをスパッタするように構成されるカソード部(図示せず)を有する。カソード部に接続する電源は、DC(直流)電源、RF(高周波)電源のいずれかであってもよく、DC電源及びRF電源であってもよいが、これに限定しない。直流電源及び/又は高周波電源から直流電圧及び高周波電圧の少なくともいずれかがカソード部に印加されてもよい。
載置台20の下面と処理容器10の底面との間には、冷凍装置30を覆うようにベローズ70が設けられている。ベローズ70は、上下方向に伸縮自在な金属製の蛇腹構造体である。これにより、載置台20、ベローズ70及び処理容器10は、冷凍装置30がある載置台20下の空間とベローズ70よりも外側の減圧自在な処理容器10の内部空間10Sとを分離する。ベローズ70、第1のシールド部材71,第2のシールド部材72、第3のシールド部材72'、ベローズ56は、冷凍装置30の周辺部材の一例であり、周辺部材の母材よりも低い放射率の材料によりコーティングされた部材である。これらの冷凍装置30の周辺部材については後述する。
制御装置80は、例えばコンピュータであり、CPU(Central Processing Unit)、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、補助記憶装置等を備える。CPUは、ROM又は補助記憶装置に格納されたプログラムに基づいて動作し、基板処理装置1の動作を制御する。制御装置80は、有線又は無線等の通信手段によって、基板処理装置1を制御できる。
上記構成の基板処理装置1における載置台20(静電チャック21)の動作について、図3を参照しながら説明する。図3は、一実施形態に係る載置台20(静電チャック21)の動作を説明するための図である。図3(a)に示す基板Wの搬入時、制御装置80は、載置台20を冷凍装置30に接触させる。この状態で載置台20の温度は、基板処理のための設定温度である極低温に冷却されている。基板Wの搬入後、制御装置80は、直流電源(図示しない)から直流電圧をチャック電極21aに印加し、図3(b)に示すように、基板Wを静電チャック21に静電吸着させる。更に、基板Wと載置台20との間に伝熱ガスを供給し、伝熱効率を上昇させてもよい。
基板Wの処理時、図3(c)及び図1に示すように、制御装置80は、昇降装置50(エアシリンダ51)を開放して載置台20と冷凍装置30とを離間させる。制御装置80は、回転装置40(回転駆動装置41:図1)を制御して基板Wを吸着保持した載置台20(静電チャック21)を回転させる。これにより、基板Wの処理(例えば、Cu膜等の成膜処理等)の面内均一性を向上させることができる。
基板Wの処理後、制御装置80は、回転装置40(回転駆動装置41)を停止させ載置台20の回転を停止させる。これとともに、直流電源(図示しない)からチャック時とは正負が逆の直流電圧をチャック電極21aに印加して基板Wをデチャックし、図3(d)に示すように、支持ピンにより基板Wを静電チャック21から剥がして、図示しない搬送アームにより搬出する。
次の基板Wの処理の待ち時間に載置台20を冷却する。その際、図3(e)及び図2に示すように、昇降装置50(エアシリンダ51)を制御して冷凍装置30を載置台20に押し付けることで、載置台20の冷却効率を上げることができる。図3(d)に示す載置台20の回転を停止させた後、基板Wの搬出前に昇降装置50(エアシリンダ51)を制御して冷凍装置30を載置台20に接触させてもよい。
基板Wを冷却する際、基板Wは72K(ケルビン)程度、すなわち-200℃程度の極低温に冷却される。ただし、極低温は-200℃に限られず、-233℃~-123℃であってもよい。例えば基板Wを極低温に冷却した状態で基板W上にCu膜を成膜すると、Cu粒子の凝集を減少させることができ、Cu膜のシート抵抗及び表面粗さを室温成膜時と比較して低減させることができ、良質なCu膜を形成することができる。
Cu膜以外においても、MRAM、HDD Headに用いられるMTJ(磁気トンネル接合)素子では、数種類に及ぶ材料を使った多層薄膜中のMRAMの特性を決定づける磁性層の結晶構造のアモルファス化を促進するために極低温まで基板Wを冷却する。そして、極低温に冷却した基板Wに成膜を施す。
しかしながら、載置台20(静電チャック21)と冷凍装置30(冷凍熱媒体32)との接触面の接触率によっては、載置台20(及び基板W)を極低温まで冷却するのに時間がかかり生産性を低下させてしまう。冷却時間を短縮するために、載置台20と冷凍装置30との接触面の接触率を上げることが好ましいが、現状以上に接触率を上げるように接触面の構造(ハードウェア)を改造することは難しい。
図3(d)に示す基板Wの搬出時、基板Wからの入熱、成膜処理時のカソード部(図示しない)のスパッタによる入熱、及び外部からの室温ガスの流入により、載置台20の温度が基板Wの搬入前より1.5K(ケルビン)程度上がることが実験からわかった。図3(e)において次の基板Wの処理を開始する前に載置台20の温度を設定温度である極低温まで冷却しきれずに図3(a)の次の基板Wの処理を開始すると、載置台20に熱が蓄積され、一定枚数の基板Wを処理する間、載置台20の温度が上昇し続ける。このため、基板W毎の膜品質を一定に保つことができなくなる。
そのため、基板W毎の膜品質を一定に保つために、図3(e)に示すように、図3(a)の基板Wを搬入する前に載置台20の温度を基板処理のための設定温度である極低温まで戻す必要がある。しかしながら図3(e)の冷却中も冷凍装置30には周囲に設置している周辺部材から放射熱(輻射熱)が伝わり続けている。
そこで、本実施形態に係る基板処理装置1では、冷凍装置30の周辺部材を、その周辺部材の母材よりも低い放射率の材料によりコーティングする。これにより、冷凍装置30を囲む周辺部材から冷凍装置30への輻射熱を低減する。
例えば、放射率の低い材料を冷凍装置30の周辺部材の母材の表面に塗布することにより、周辺部材から冷凍装置30への輻射伝熱量を下げ、冷凍装置30と載置台20との冷却効率を上げる。これにより、基板Wの搬出後、次の基板Wの処理を開始する前に載置台20の温度を設定温度の極低温まで戻す時間(以下、「リカバリー時間」という。)を短縮し、生産性を高めることができる。
例えば、冷凍装置30の周辺部材の一例として、図4には、載置台20下部に配置され、冷凍装置30の周囲を囲むベローズ70の部分拡大断面図が示されている。ベローズ70は、その母材70aがステンレス(SUS)等の金属で形成されている。ベローズ70は、母材よりも低い放射率の材料によりコーティングされている。具体的には、ベローズ70の母材70aは、金によりコーティングされている(金メッキ加工)。金は酸化膜を作りにくく、メッキ材料の中では安定して輻射伝熱を低減することができる。ベローズ70は、載置台20の下面と処理容器10の底面との間に設けられている。よって、ベローズ70の母材を介してベローズ70の外部から冷凍装置30へ伝わる輻射熱を、母材よりも放射率の低い金メッキにより低減することができる。これにより、冷凍装置30による載置台20の冷却効率を上げ、載置台20の温度のリカバリー時間を短縮することができる。
本実施形態では、冷凍装置30に隣接する第1のシールド部材71にも金メッキ加工が施されている。第1のシールド部材71の母材はステンレスで形成され、その母材よりも低い放射率の材料である金によりコーティングされている。
また、本実施形態では、回転装置40の回転を載置台20に伝達するスタンド49の内周を囲む第2のシールド部材72及び/又は外周を囲む第3のシールド部材72'の母材はステンレスで形成されている。そして、その母材よりも低い放射率の材料である金によりコーティングされている。
このため、第1のシールド部材71、第2のシールド部材72及び/又は第3のシールド部材72'の母材を介して外部から冷凍装置30へ伝わる輻射熱を各シールド部材の金メッキにより低減することができる。これにより、冷凍装置30による載置台20の冷却効率を上げ、載置台20の温度のリカバリー時間を短縮することができる。
更に、本実施形態では、回転装置40を固定する固定部55と、冷凍装置30を支持する冷凍装置支持部53との間にて、冷凍装置支持部53にねじ止めされているベローズ56の母材が金でコーティングされてもよい。これによっても、ベローズ56内の空間へベローズ56の外部から伝わる輻射熱をベローズ56の金メッキにより低減することができる。
2平板間の輻射熱の式は、式(1)で示される。
Figure 2024067844000002
ここで、Qは熱量、Aは対向する2平板の各平板の表面積、σはステファン・ボルツマン定数、εは放射率、Tは温度、hは高温面、cは低温面を示す。例えば第1のシールド部材71の場合、Aは第1のシールド部材71と冷凍装置30との対向する面の表面積である。金の放射率は、ステンレスや銅の放射率よりも十分に低く、周辺部材に金メッキを施した場合、周辺部材に金メッキを施さない場合と比較して、式(1)のεhをεcよりも十分に小さくできる。これにより、周辺部材に金メッキを施すことにより、周辺部材に金メッキを施さない場合と比較して、式(1)により示される熱量Q(輻射熱)を充分に低減させることができる。
図5(a)は、周辺部材に金メッキを施していない参考例に係る基板処理装置の基板W搬出後の載置台(静電チャック21)の温度を示し、図5(b)は本実施形態に係る基板処理装置1の基板W搬出後の載置台(静電チャック21)の温度を示す。
図5(a)の参考例に係る基板処理装置1は、冷凍装置30の周辺部材(ベローズ70、ベローズ56、第1のシールド71、第2のシールド部材72及び第3のシールド部材72')に金メッキが施されていない場合である。図5(b)の一実施形態に係る基板処理装置1は、周辺部材(ベローズ70、ベローズ56、第1のシールド71、第2のシールド部材72及び第3のシールド部材72')のうちベローズ70に金メッキが施されている場合である。
図5(a)及び(b)の横軸は時間であり、縦軸は静電チャック21の温度である。静電チャック21の温度は、基板Wと接触する静電チャック21の載置面の温度である。図5(a)及び(b)の時間0秒は、基板Wの搬出時の静電チャック21の載置面の温度である。図5(a)及び(b)の時間0秒には、基板Wの搬出によって静電チャック21の載置面の温度が約1.5K上がった。そして、図5(a)の参考例に係る基板処理装置では、基板処理のための設定温度に戻るまでのリカバリー時間に20分かかった。つまり、1枚の基板Wを処理する毎に20分のリカバリー時間を要した。
これに対して、図5(b)の本実施形態に係る基板処理装置1では、基板処理のための設定温度に戻るまでのリカバリー時間は12分と短縮された。これにより、本実施形態に係る基板処理装置1では、冷凍装置30と載置台20との冷却効率を上げ、載置台20(静電チャック21)の温度のリカバリー時間を、参考例の基板処理装置の場合のリカバリー時間の約2/3に短縮でき、生産性を上げることができた。
以上に説明したように、本実施形態の基板処理装置1によれば、基板Wの搬出後の載置台20の温度を基板処理のための設定温度まで戻すリカバリー時間を短縮することができる。
今回開示された実施形態に係る基板処理装置は、すべての点において例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。実施形態は、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなく、様々な形態で変形及び改良が可能である。上記複数の実施形態に記載された事項は、矛盾しない範囲で他の構成も取り得ることができ、また、矛盾しない範囲で組み合わせることができる。
W 基板
CL 中心軸
1 基板処理装置
10 処理容器
10S 内部空間
20 載置台
21 静電チャック21
21a チャック電極
30 冷凍装置
31 冷凍機
32 冷凍熱媒体
40 回転装置
41 回転駆動装置
42 ロータ
43 ステータ
44 回転シャフト
45 固定シャフト
46 ハウジング
47,48 磁性流体シール
49 スタンド
50 昇降装置
51 エアシリンダ
52 リンク機構
53 冷凍装置支持部
54 リニアガイド
55 固定部
56、70 ベローズ
60 スリップリング
61 回転体
62 固定体
63 配線
71 第1のシールド部材
72 第2のシールド部材
72' 第3のシールド部材
80 制御装置

Claims (7)

  1. 処理容器と、
    前記処理容器内にて基板を吸着保持する静電チャックを有し、回転可能に構成される載置台と、
    前記載置台の下部にて前記載置台と接触又は離間し、前記静電チャックを冷却するように構成される冷凍装置と、
    前記冷凍装置を昇降させる昇降装置と、
    前記冷凍装置の周辺部材であり、前記周辺部材の母材よりも低い放射率の材料によりコーティングされた前記周辺部材と、
    を備える基板処理装置。
  2. 前記周辺部材の母材よりも低い放射率の材料は、金である、
    請求項1に記載の基板処理装置。
  3. 前記周辺部材は、前記冷凍装置の周囲を囲むベローズである、
    請求項1又は請求項2に記載の基板処理装置。
  4. 前記ベローズは、前記載置台の下面と前記処理容器の底面との間に設けられている、
    請求項3に記載の基板処理装置。
  5. 前記周辺部材は、前記冷凍装置に隣接する筒状のシールド部材である、
    請求項1又は請求項2に記載の基板処理装置。
  6. 前記載置台を回転させる回転装置と、
    前記回転装置と前記載置台との間に設けられ、前記回転装置の回転を前記載置台に伝達するように構成されるスタンドと、を有し、
    前記周辺部材は、前記スタンドの内周及び/又は外周を囲む筒状のシールド部材である、
    請求項1又は請求項2に記載の基板処理装置。
  7. 前記載置台を回転させる回転装置を有し、
    前記ベローズは、前記回転装置を固定する固定部と、前記冷凍装置を支持する冷凍装置支持部との間に設けられている、
    請求項3に記載の基板処理装置。
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