JP4458652B2

JP4458652B2 - 成膜装置

Info

Publication number: JP4458652B2
Application number: JP2000317642A
Authority: JP
Inventors: 俊之太田; 善郎長谷川
Original assignee: Canon Anelva Corp
Current assignee: Canon Anelva Corp
Priority date: 2000-10-18
Filing date: 2000-10-18
Publication date: 2010-04-28
Anticipated expiration: 2020-10-18
Also published as: JP2002124471A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、真空中で被処理基板の成膜処理を行うための成膜装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯端末の送受信回路に使用される移動体通信機器向け電子部品であるＳＡＷ（Surface Acoustic Wave:表面弾性波）フィルタの需要が、無線通信機器のキーデバイスとして飛躍的に高まってきている。
【０００３】
このＳＡＷフィルタを製造するために、プラズマを利用したスパッタリング装置が使用されている。以下にＳＡＷフィルタの動作原理とＳＡＷフィルタの製造時に求められる成膜特性とにつき、図４を参照して説明する。図４は、典型的なＳＡＷフィルタの構成を示す斜視図である。
【０００４】
図４に示す通り、ＳＡＷフィルタは、圧電体基板１０と櫛歯型電極１２ａおよび１２ｂとで構成される。圧電体基板１０は、物質に電場を印加すると歪みを発生するいわゆる圧電特性を有した強誘電体基板である。圧電体基板１０として例えばＬＴＯ（リチウムタンタルオキサイド；ＬｉＴａＯ₃ ）が用いられる。圧電体基板１０の上面にはＡｌやＡｌＣｕ等の材料で形成された櫛歯形状の櫛歯型電極１２ａおよび１２ｂが設けられる。入力側の櫛歯型電極１２ａに高周波電圧を印加すると、この電極１２ａが接触する基板１０の表面に歪みが生じて、表面弾性波１４が発生する。この表面弾性波１４は、圧電体基板１０の表面を伝播し、出力側の櫛歯型電極１２ｂで電圧として出力される。この伝播される表面波の周波数は、入力側および出力側の櫛歯型電極の形状に応じて決定されるので、このような構造はフィルタとして機能する。
【０００５】
このように、表面弾性波の周波数は、櫛歯型電極の膜厚とそのパタン形状により決定される。よって、電極の膜厚均一性が重要な要素になる。
【０００６】
従来、膜厚を均一に成膜するための成膜装置として、文献１「特開平６−２５６９４０」に開示された自公転式の基板ホルダを備えたスパッタリング装置（以下、自公転式成膜装置と称する。）が知られている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の自公転式成膜装置では、その機構的複雑さから基板を冷却するための手段を設けることができなかった。したがって、成膜中の成膜処理室内および基板の温度上昇が避けられず、不純物ガスが発生するといった問題があった。また、回転機構近傍に加熱源を設置する場合には、例えばベアリングの変形による回転運動の不具合や、潤滑剤の涸渇による潤滑機能低下等の回転機構自体のトラブルが多発していた。
【０００８】
また、近年の高周波化に伴い、ＳＡＷフィルタの櫛歯型電極の電極幅を狭くすることが必要になってきている。以前は電極材料として純Ａｌが主体であった。しかし、純Ａｌは、高温に晒されたＡｌ原子が直流電流を担う電子から直接運動エネルギの交換を受けて移動するエレクトロマイグレーションや振動によるストレスマイグレーションが発生しやすいので、電極の断線を引き起こすおそれがある。
【０００９】
一方、純Ａｌに不純物を添加すると上述のエレクトロマイグレーションやストレスマイグレーションが低減することが知られている。そこで、櫛歯型電極材料として、例えば微量なＣｕを添加したＡｌＣｕが使用されている。
【００１０】
しかし、Ａｌ中へのＣｕの溶解度は、温度依存性が非常に大きく、基板温度が上昇すると溶解度は大きくなることが知られている。図５に、Ａｌ中への各種元素の溶解度と温度の関係を示す（出典：金属便覧改訂３版，日本金属学会編，丸善株式会社発行）。図５に示す通り、室温状態でのＣｕのＡｌへの溶解度は非常に少なく、室温（１０００／Ｔ≒３．３）ではほとんど溶解しない。このことは、Ｃｕ原子はＡｌグレインの中には入れず、グレインのまわり、すなわちバウンダリ部分に集まった状態で存在することを意味する。しかし基板温度が上昇するとバウンダリ部分のＣｕがＡｌグレインの中に溶解し、ＡｌとＣｕの合金が形成されるようになる。詳細は未だ解明されていないが、一般的には上述のように考えられている。
【００１１】
また、プラズマ放電によるスパッタリング法によって、基板にＡｌＣｕ膜を堆積させると、ターゲットからの輻射熱やターゲットから放出された加速２次電子による衝撃によって、基板温度は数百度になると言われている。これによって、室温ではほとんど溶解しなかったＣｕは、Ａｌ中に１０^-4ａｔ％から１０^-3ａｔ％溶解するようになる。このとき、基板温度に１０％前後の温度ムラがあった場合、図５からＣｕ溶解度は数倍異なることが分かる。Ｃｕの電気抵抗値はＡｌに比べて小さいので、Ｃｕに電気が流れやすい。したがって、グレインバウンダリに存在するＣｕの量に応じて、ＡｌＣｕ膜全体としてのシート抵抗値に変化が起こる。つまり、基板温度分布が生じることにより、ＡｌＣｕ膜の比抵抗値ρの分布を０．５％以下にすることが困難になる。
【００１２】
したがって、基板冷却を行えない従来の自公転式成膜装置では、成膜される膜の電気的特性が不均一になってしまうという問題があった。
【００１３】
また、強誘電体であるＬＴＯ基板は、前述のように圧電効果を持つとともに、焦電効果も併せ持っている。焦電効果とは、温度上昇によって自発分極が大きくなる現象である。ＬＴＯの焦電係数はそれほど大きくはないが、２００（１０^-6Ｃｍ^-2Ｋ^-1）であり、温度上昇による分極増大によって電圧を発生する。この性質によって、水冷できなかった従来の自公転式成膜装置では、ＡｌＣｕ膜堆積中の基板温度上昇によって基板が基板ホルダに貼り付いてしまい、その搬送に不具合を生じていた。
【００１４】
この問題を解決するために、スパッタリング電力を小さくする方法も考えられる。しかし、この方法は堆積速度の低下を意味し、堆積中に不純物ガスの混入率が増加する結果を招く。真空処理室内に残留している不純物ガスが少ないほど堆積膜の比抵抗が低いことは公知である。したがって、不純物ガスの増加は、比抵抗ρの上昇すなわちＡｌＣｕ膜の膜質の低下につながり、推奨できない。
【００１５】
また、基板とターゲットとの間の空間に、冷却したシールド材を配置して、ターゲットから入射する輻射熱を防ぐ方法もある。しかし、この方法では、基板近傍のシールド材から発生するごみ（堆積膜の剥がれ）が基板上に落ちてしまう問題がある。
【００１６】
以上説明したように、従来の自公転式成膜装置では、基板が冷却できないために基板温度の上昇を避けられない。この結果、ＡｌＣｕ膜の比抵抗分布の不均一、膜質の低下、および基板搬送の不具合が生じる。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
そこで、この発明の成膜装置によれば、真空室内に保持された被処理基板の成膜処理を行う装置であり、真空室内に、公転軸を中心に回転自在のホルダ保持部と、ホルダ保持部により公転軸の周囲に保持され、自転軸を中心に回転自在の基板ホルダと、ホルダ保持部および基板ホルダを回転駆動するための回転駆動部と、基板ホルダにより保持される被処理基板を冷却するための冷却部とを備えることを特徴とする。
【００１８】
この構成によれば、自公転式の基板ホルダに保持された被処理基板の冷却が行えるので、膜質の優れた膜を良好な生産性でもって作成することが可能になる。
【００１９】
この発明の成膜装置において、好ましくは、冷却部は、ホルダ保持部および基板ホルダの内部に配設され、冷却媒体を循環させるための流路により構成されると良い。
【００２０】
また、前述の流路は、基板ホルダ内の第１の流路と、第１の流路に接続され、自転軸に沿って配設された第２の流路と、冷却媒体の導入および排出が行われる部分である冷媒導入部と、冷媒導入部に接続され、公転軸に沿って配設された第３の流路と、第２の流路と第３の流路とを接続する第４の流路とで構成され、第２の流路と第４の流路、および第３の流路と冷媒導入部が、それぞれ回転導入機構を介して接続されると良い。
また、第３の流路と第４の流路は、接続治具を介して接続されている。
また、第４の流路は、接続治具から各基板ホルダに向かって放射状に配置されている。
また、ホルダ保持部は、内部に第３の流路が配設されている第１の管と収納チャンバとで構成されている。
また、収納チャンバの周囲には、固定ギアが環状に配置され、また、基板ホルダを構成する第２の管には、固定ギアと噛合する遊星ギアが取り付けられている。
【００２１】
また、この発明の成膜装置において、好ましくは、ホルダ保持部を構成する第１の管が、真空室に対しシール機構を介して、公転軸を中心に回転自在に設けられており、基板ホルダを構成する第２の管が、ホルダ保持部に対しシール機構を介して、自転軸を中心に回転自在に設けられると良い。
【００２２】
また、前述のシール機構が磁性流体シールであると良い。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照して、この発明の実施の形態につき説明する。なお、図は、この発明を理解できる程度に形状、大きさおよび配置関係を概略的に示すものに他ならない。よって、この発明は図示例に限定されることがない。
【００２４】
図１は、実施の形態の成膜装置の要部構成を示す断面図である。図中、断面を示すハッチングを一部省略している。また、図２は、基板ホルダとホルダ保持部との配置関係を示す斜視図である。
【００２５】
この実施の形態の成膜装置は、真空室内に保持された被処理基板の成膜処理を行うスパッタリング装置である。真空室は、図１中のベースプレート１６の上側に、不図示の真空チャンバによって画成される。この真空室内に、ホルダ保持部１８と、基板ホルダ２０と、回転導入機構６８と、冷却部２４とが設けられる。
【００２６】
ホルダ保持部１８は、管状部材（第１の管）２６と収納チャンバ２８とで構成される。管状部材２６は、ベースプレート１６の開口１６ａを通るごとく配置される。この管状部材２６は、真空室すなわちベースプレート１６に対してシール機構３０を介して取り付けられる。シール機構３０と管状部材２６との間にベアリング３２が挿入されているので、管状部材２６は図１中の公転軸３４を中心に回転自在である。収納チャンバ２８は、管状部材２６の真空室側の端部に接続されている。収納チャンバ２８の内部は大気となる。
【００２７】
基板ホルダ２０は、管状部材（第２の管）２０ａと円盤形状の部材２０ｂとより構成される。管状部材２０ａは、収納チャンバ２８の、管状部材２６とは反対側の面に形成された開口を通るごとく配置される。この管状部材２０ａは、ホルダ保持部すなわち収納チャンバ２８に対してシール機構３６を介して取り付けられる。シール機構３６と管状部材２０ａとの間にベアリング３８が挿入されているので、管状部材２０ａは図１中の自転軸４０を中心に回転自在である。自転軸４０は、公転軸３４と平行である。このように基板ホルダ２０は、ホルダ保持部１８により公転軸３４の周囲に保持され、自転軸４０を中心に回転自在である。収納チャンバ２８の外側における管状部材２０ａの端部に円盤形状の部材２０ｂが接続されており、この部材２０ｂ上にウエハ等の被処理基板４２が載置される。
【００２８】
図２に示すように、この実施の形態では、４個の基板ホルダ２０が公転軸３４の周囲に配置されている。各基板ホルダ２０の自転軸４０は、公転軸３４から等しい距離だけそれぞれ離間しており、公転軸３４を中心に９０°おきに配置されている。
【００２９】
なお、基板ホルダ２０の個数は４個に限らず、例えば５個にしても良い。本願の出願人による特願２０００−６５４２８には、５個の基板ホルダを備えた自公転式のスパッタリング装置において、サイズおよび配置関係等の幾何学的条件を最適化した例が示されている。この装置によれば、基板上の面内膜厚分布を±０．５％以下にすることができる。
【００３０】
また、上述したシール機構３０および３６としては磁性流体シールを用いるのが好適である。
【００３１】
回転駆動部２２は、回転モータ２２を駆動源とし、下記の要素から構成される伝達系を具備する。回転モータ２２は、モータ支持台４４に取り付けられている。回転モータ２２の駆動力は、回転伝達連結器４６を介してプーリー４８に伝達される。プーリー４８の回転運動は、歯付きベルト５０によって、ホルダ保持部を構成する管状部材２６に接続されたプーリー５２に伝達される。プーリー５２が回転すると、管状部材２６は公転軸３４を中心に回転運動を行う。それに応じて収納チャンバ２８が公転する。一方、基板ホルダを構成する管状部材２０ａには遊星ギア５４が取り付けられている。この遊星ギア５４は収納チャンバ２８の周囲に環状に配置された固定ギア５６と噛合している。この固定ギア５６は真空チャンバのベースプレート１６に固定されている。
【００３２】
よって、収納チャンバ２８が公転すると、固定ギア５６に沿って遊星ギア５４が公転し、そのときに遊星ギア５４の歯が固定ギア５６の歯と噛み合うことによって、遊星ギア５４は回転する。遊星ギア５４の回転中心は自転軸４０と一致させてあるので、遊星ギア５４の回転に応じて基板ホルダ２０が自転する。図２に示すように、収納チャンバ２８が時計回りに回転すると、基板ホルダ２０は反時計回りに自転する。
【００３３】
図３は、被処理基板とターゲットとの配置関係を示す図である。真空チャンバ７６は、ガス導入系７８およびガス排気系８０を備えている。この真空チャンバ７６内に、ターゲット７２、被処理基板４２およびホルダ保持部１８が配置されている。ターゲット７２は、公転軸３４上に設置されたカソード７４上に、被処理基板４２と対向するように設けられる。各基板４２は、上述したように自転運動を行うとともに、ホルダ保持部１８が回転することによって、公転する。この方式によれば、極めて均一な膜厚分布が得られる。
【００３４】
次に、上述の冷却部２４につき説明する。この冷却部２４は、基板ホルダ２０により保持される被処理基板４２を冷却するためのものである。この冷却部２４は、ホルダ保持部１８および基板ホルダ２０の内部に配設され、冷却媒体を循環させるための流路により構成される。
【００３５】
上述の流路は、第１、第２、第３および第４の流路５８、６０、６２および６４と、冷媒導入部６６とで構成される。
【００３６】
第１の流路５８は基板ホルダ２０内に設けられる。この第１の流路５８は、具体的には被処理基板４２が載置される円盤形状の部材２０ｂの内部空間に仕切り板などを用いて形成され、冷却媒体がよどむことなく全体に行きわたるように工夫されている。
【００３７】
第２の流路６０は、第１の流路５８に接続され、自転軸４０に沿って配設されている。したがって、第２の流路６０は、基板ホルダを構成する管状部材２０ａの内部に配設されている。
【００３８】
冷媒導入部６６は、冷却媒体の導入および排出が行われる部分である。この冷媒導入部６６は、上述したプーリー５２の、ホルダ保持部１８と反対側の端部に結合されている。ただし、冷媒導入部６６はプーリー５２の回転に伴って回転することはない。この冷媒導入部６６は、冷媒導入口６６ａおよび冷媒排出口６６ｂを備えている。
【００３９】
第３の流路６２は、冷媒導入部６６に接続され、公転軸３４に沿って配設されている。この第３の流路６２は、プーリー５２および管状部材２６の内部に配設されている。
【００４０】
第４の流路６４は、第２の流路６０と第３の流路６２とを接続する流路である。第４の流路６４と第３の流路６２とは、接続治具７０をもって接続されている。また、第４の流路６４と第２の流路６０とは、後述する回転導入機構６８を介して接続されている。第４の流路６４は、収納チャンバ２８内に、公転軸３４および自転軸４０と直交する方向に延在するごとく配設されている。この実施の形態では４個の基板ホルダ２０が備えられているので、第４の流路６４は接続治具７０から各基板ホルダ２０に向かって放射状に配置される。
【００４１】
また、第２の流路６０と第４の流路６４とが、回転導入機構６８を介して接続されている。この回転導入機構６８は、通常のＯリング等を用いて構成することができる。この構成によれば、基板ホルダ２０の自転運動、およびホルダ保持部１８の回転運動が行われている最中であっても、第２の流路６０と第４の流路６４との間で冷却媒体の行き来が可能になる。
【００４２】
同様に、第３の流路６２と冷媒導入部６６とが、回転導入機構（冷媒導入部６６内に内在している。）を介して接続されている。この回転導入機構により、ホルダ保持部１８の回転運動が行われている最中であっても、第３の流路６２と冷媒導入部６６との間で冷却媒体の行き来が可能になる。
【００４３】
以上の第２、第３および第４の流路６０、６２および６４は、例えばステンレス製のパイプにより構成される。これらの流路は、導入用と排出用の２系統用意される。冷媒導入部６６の冷媒導入口６６ａに導入された冷却媒体は、導入用のパイプを通って、第３の流路６２、第４の流路６４、第２の流路６０の順に流れて第１の流路５８に到達する。続いて、冷却媒体は第１の流路５８から排出用のパイプに排出され、第２の流路６０、第４の流路６４、第３の流路６２の順に流れて、冷媒排出口６６ｂから外部に排出される。第１の流路５８において冷却媒体と被処理基板４２との間で熱交換が行われ、被処理基板４２が冷却される。
【００４４】
この実施の形態では、基板ホルダ２０の材質を、軽くて熱伝導率の良いＡｌ製にしてある。基板４２は、不図示の基板取り付け治具あるいは静電吸着法によって、良好な密着性をもって基板ホルダ２０に取り付けられる。基板ホルダ２０が冷却媒体によって充分に冷やされるので、基板４２も冷却される。通常、冷却しないでＡｌＣｕ膜を６分間堆積した場合、基板温度は百度程度になる。これに対して、この実施の形態の装置では、冷媒として水を１分当たり１リットル流した場合、基板温度は約５０度程度に抑えられる。
【００４５】
なお、冷却媒体としては水の他に、フロリナート等を用いても良い。
【００４６】
この実施の形態の装置構成は、マグネトロンスパッタリング装置、イオンビームスパッタリング装置、電子ビームスパッタリング装置、蒸着装置などの様々な成膜装置に適用可能である。
【００４７】
また、すでに説明したように、基板ホルダの個数は、プロセスおよび装置構成によって変えることができる。さらに、任意の基板サイズに変更できる。
【００４８】
【発明の効果】
この発明の成膜装置によれば、自公転式の基板ホルダに保持された被処理基板の冷却が行えるので、圧電体の焦電効果を発生させることなく、成膜処理効率を大幅に向上させることができる。したがって、膜質の優れた膜を良好な生産性でもって作成することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態の成膜装置の要部構成を示す図である。
【図２】基板ホルダとホルダ保持部との配置関係を示す図である。
【図３】被処理基板とターゲットとの配置関係を示す図である。
【図４】典型的なＳＡＷフィルタの構成を示す図である。
【図５】Ａｌ中への各種元素の溶解度と温度の関係を示す図である。
【符号の説明】
１０：圧電体基板
１２ａ，１２ｂ：櫛歯型電極
１４：表面弾性波
１６：ベースプレート
１８：ホルダ保持部
２０：基板ホルダ
２０ａ：管状部材
２０ｂ：円盤形状の部材
２２：回転駆動部（回転モータ）
２４：冷却部
２６：管状部材
２８：収納チャンバ
１６ａ：開口
３０，３６：シール機構
３２，３８：ベアリング
３４：公転軸
４０：自転軸
４２：被処理基板
４４：モータ支持台
４６：回転伝達連結器
４８，５２：プーリー
５０：歯付きベルト
５４：遊星ギア
５６：固定ギア
５８：第１の流路
６０：第２の流路
６２：第３の流路
６４：第４の流路
６６：冷媒導入部
６６ａ：冷媒導入口
６６ｂ：冷媒排出口
６８：回転導入機構
７０：接続治具
７２：ターゲット
７４：カソード
７６：真空チャンバ
７８：ガス導入系
８０：ガス排気系

Claims

真空室内に保持された被処理基板の成膜処理を行う装置であり、前記真空室内に、
公転軸を中心に回転自在のホルダ保持部と、
前記ホルダ保持部により前記公転軸の周囲に保持され、自転軸を中心に回転自在の、複数の基板ホルダと、
前記ホルダ保持部および基板ホルダを回転駆動するための回転駆動部と、
前記基板ホルダにより保持される被処理基板を冷却するための冷却部と
を備え、
前記冷却部は、前記ホルダ保持部および基板ホルダの内部に配設され、冷却媒体を循環させるための流路により構成され、
前記流路は、前記基板ホルダ内の第１の流路と、該第１の流路に接続され、前記自転軸に沿って配設された第２の流路と、冷却媒体の導入および排出が行われる部分である冷媒導入部と、該冷媒導入部に接続され、前記公転軸に沿って配設された第３の流路と、前記第２の流路と前記第３の流路とを接続する第４の流路とで構成され、
前記第２の流路と前記第４の流路、および前記第３の流路と前記冷媒導入部が、それぞれ回転導入機構を介して接続され、
前記第３の流路と前記第４の流路が、接続治具を介して接続され、
前記第４の流路は、前記接続治具から各前記基板ホルダに向かって放射状に配置され、
前記ホルダ保持部は、内部に前記第３の流路が配設されている第１の管と収納チャンバとで構成され、
前記収納チャンバの周囲には、固定ギアが環状に配置され、また、前記基板ホルダを構成する第２の管には、前記固定ギアと噛合する遊星ギアが取り付けられている
ことを特徴とする成膜装置。
請求項１に記載の成膜装置において、
前記ホルダ保持部を構成する前記第１の管が、前記真空室に対しシール機構を介して、前記公転軸を中心に回転自在に設けられており、
前記基板ホルダを構成する前記第２の管が、前記ホルダ保持部に対しシール機構を介して、前記自転軸を中心に回転自在に設けられる
ことを特徴とする成膜装置。
請求項１または２に記載の成膜装置において、
前記シール機構が磁性流体シールである
ことを特徴とする成膜装置。
請求項１〜３のいずれか一項に記載の成膜装置において、
前記基板ホルダの材質がＡｌ製である
ことを特徴とする成膜装置。