JP4490008B2 - 真空処理装置及び真空処理方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、真空処理装置の分野にかかり、特に、ガス雰囲気中で真空処理を行う真空処理装置の技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、基板上に薄膜を成膜するために、図３の符号１１０に示すような真空処理装置が用いられている。
真空処理装置１１０は真空槽１１１を有しており、真空槽１１１外部にはガス導入系１３０と、電源１２５と、真空排気系１２０とが配置されている。
【０００３】
ガス導入系１３０はガスボンベ１３１と、マスフローコントローラ１３５と、開閉バルブ１３６とを有している。ガスボンベ１３１はマスフローコントローラ１３５と開閉バルブ１３６とを介して真空槽１１１に気密に接続されており、開閉バルブ１３６を開けると、マスフローコントローラ１３５によって所定流量に調整されたガスが真空槽１１１内に導入されるようになっている。
【０００４】
真空排気系１２０は可変流動弁１２２と真空ポンプ１２１とを有している。真空ポンプ１２１は可変流動弁１２２を介して真空槽１１１に気密に接続されており、真空ポンプ１２１を起動すると可変流動弁１２２によって排気速度を調節しながら真空槽１１１内を真空排気されるようになっている。
真空槽１１１内の天井近傍にはターゲット１１５が配置されており、真空槽１１１外の電源１２５はターゲット１１５に接続されている。真空槽１１１内の底壁には載置台１１９が配置されている。
【０００５】
ガス導入系１３０の開閉バルブ１３６を閉じた状態で、真空排気系１２０によって真空槽１１１内が所定圧力の真空雰囲気になるよう真空排気しておき、該真空雰囲気を維持しながら真空槽１１１内に処理対象物である基板１１７を搬入し、基板１１７を載置台１１９上に載置する。
【０００６】
更に真空排気を続け、真空槽１１１内の圧力が所定圧力（例えば１０^-4Ｐａ）に達したところで、可変流動弁１２２を絞って排気速度を低下させ、ガス導入系１３０の開閉バルブ１３６を開け、真空槽１１１内にスパッタリングガスを導入する。
【０００７】
例えば、真空槽１１１内に圧力１Ｐａのガス雰囲気を形成する場合、ガスボンベ１３１から供給されるスパッタリングガスの圧力を１Ｐａより高めに設定し、マスフローコントローラ１３５によって流量を１００ｓｃｃｍに調整しながら、真空槽１１１内にガスを導入し、真空槽１１１内のガス圧力を１Ｐａまで上昇させる。
【０００８】
真空排気系１２０の排気速度は、流量１００ｓｃｃｍのガスが導入されるときに、真空雰囲気内のガス圧力を１Ｐａに保つよう可変流動弁１２２によって調整されているので、真空槽１１１内のガス雰囲気はマスフローコントローラ１３５と可変流動弁１２２によって１Ｐａに維持される。
【０００９】
その状態で、電源１２５を起動してターゲット１１５に通電し、スパッタリングを行えば、載置台１１９上の基板１１７表面にターゲット１１５の種類に応じた種類の薄膜が形成される。
このように、マスフローコントローラ１３５と可変流動弁１２２を用いれば、真空槽１１１内のガス雰囲気の調圧が容易であり、所定圧力のガス雰囲気でスパッタリングを行うことができる。
【００１０】
しかしながら、高真空状態の真空槽１１１にスパッタリングガスを導入するため、真空槽１１１内のガス圧力が所定圧力まで上昇するのに時間を要し、結果、真空処理装置１１０の生産性が低くなってしまう。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、真空槽内に所望圧力のガス雰囲気を短時間で形成することによって真空処理装置の生産性を向上させることである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、真空槽と、前記真空槽に接続され、前記真空槽内を真空排気する真空排気系と、マスフローコントローラと主開閉バルブを有し、前記マスフローコントローラと前記主開閉バルブを介して、ガスボンベから前記真空槽内にガスを導入するガス導入系と、バッファタンクと第一、第二の開閉バルブを有し、前記第一の開閉バルブを介して前記バッファタンクと前記真空槽とを接続し、前記第二の開閉バルブを介して前記ガスボンベと前記バッファタンクとを接続し、前記第二の開閉バルブを閉、前記第一の開閉バルブを開にすると、前記バッファタンク内のガスは前記マスフローコントローラを通さずに前記真空槽に導入されるガス緩衝系と、が設けられ、前記バッファタンクと前記第二の開閉バルブの間にはガス圧力計が接続され、真空排気された前記バッファタンク内の圧力を前記ガス圧力計で測定できるように構成された真空処理装置の、前記真空槽に接続された前記真空排気系によって前記真空槽内を真空排気して、前記真空槽内に真空雰囲気を形成し、前記真空槽内に前記ガスを導入して前記真空槽内に所定の目標圧力Ｐ ₀ のガス雰囲気を形成し、処理対象物表面に薄膜を形成する真空処理方法であって、前記第一、第二の開閉バルブと前記主開閉バルブとを閉じ、前記真空槽内を所定圧力に真空排気したところで前記第一の開閉バルブを開けて前記バッファタンクを前記真空槽に接続し、前記バッファタンクを真空排気した後、前記第一の開閉バルブを閉じ、前記第二の開閉バルブを開けて前記バッファタンク内に前記ガスボンベから前記ガスを導入し、前記バッファタンクの圧力Ｐ ₁ を、前記真空槽の容積Ｖ ₀ と前記バッファタンクの容積Ｖ ₁ との比（Ｖ ₀ ／Ｖ ₁ ）に前記目標圧力Ｐ ₀ を乗じた圧力（Ｐ ₁ ＝Ｖ ₀ ／Ｖ ₁ ・Ｐ ₀ ）にして前記第二の開閉バルブを閉じ、前記真空排気系で前記真空槽内を真空排気しながら、前記真空槽に接続された前記第一の開閉バルブを開け、前記バッファタンクと前記真空槽とを接続して前記バッファタンク内の前記ガスを前記真空槽内に導入して前記真空槽内の圧力を目標圧力Ｐ ₀ にすると同時に、前記主開閉バルブを開け、前記マスフローコントローラと前記主開閉バルブを介して、前記真空槽内に流量制御しながら前記ガスを導入し、真空排気される前記ガスを補うことにより、前記真空槽内を前記目標圧力Ｐ ₀ に制御して前記薄膜を形成する真空処理方法である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の真空処理装置と、該真空処理装置を用いて成膜を行う工程とを詳細に説明する。図１の符号１０はスパッタリング装置であり、本発明の真空処理装置を示している。真空処理装置１０は真空槽１１を有しており、真空槽１１外部には真空排気系２０と、ガス導入系３０と、ガス緩衝系４０と、電源２５とがそれぞれ配置されている。真空槽１１内の天井近傍にはターゲット１５が配置されており、真空槽１１外の電源２５はターゲット１５に接続されている。
【００１４】
ガス導入系３０は第一の配管３２と、ガスボンベ３１と、マスフローコントローラ３５と、主開閉バルブ３６とを有している。第一の配管３２の一端はガスボンベ３１に接続されており、他端は真空槽１１に接続されている。
【００１５】
主開閉バルブ３６とマスフローコントローラ３５はそれぞれ第一の配管３２に取りつけられている。主開閉バルブ３６はマスフローコントローラ３５よりも真空槽１１側に位置し、主開閉バルブ３６を閉じるとマスフローコントローラ３５とガスボンベ３１とが真空槽１１から切り離されるようになっている。
ガス緩衝系４０は第二の配管４２と、バッファタンク４１と、第一、第二の開閉バルブ４４、４６とを有している。
【００１６】
ここでは、第二の配管４２の一端は第一の配管３２の主開閉バルブ３６と真空槽１１の間の位置に接続されており、第二の配管４２は第一の配管３２を介して真空槽１１に接続されている。また、第二の配管４２の他端は第一の配管３２のガスボンベ３１とマスフローコントローラ３５の間の位置に接続されており、第二の配管４２は第一の配管３２を介してガスボンベ３１に接続されている。
【００１７】
バッファタンク４１と、第一、第二の開閉バルブ４４、４６はそれぞれ第二の配管４２に設置されており、バッファタンク４１は第一、第二の開閉バルブ４４、４６の間に位置する。第一の開閉バルブ４４は真空槽１１側に位置しており、第一の開閉バルブ４４を閉じるとバッファタンク４１が真空槽１１から切り離されるようになっている。他方、第二の開閉バルブ４６はガスボンベ３１側に位置し、第二の開閉バルブ４６を閉じると、バッファタンク４１がガスボンベ３１から切り離されるようになっている。
【００１８】
上記真空処理装置１０を用いて処理対象物を処理するには、主開閉バルブ３６と、第一、第二の開閉バルブ４４、４６とを閉じた状態で、可変流動弁２２を全開し、真空ポンプ２１を起動して、真空槽１１内の真空排気を開始する。
真空槽１１には、真空槽１１内の圧力を測定可能な真空計２８が取りつけられており、真空計２８により測定される圧力が所定の値に達したところで第一の開閉バルブ４４を開け、バッファタンク４１を真空槽１１に接続するとバッファタンク４１内も真空排気される。
バッファタンク４１にはガス圧力計４７が接続されており、ガス圧力計４７によって測定されるバッファタンク４１の圧力が所定の真空度まで低下したところで第一の開閉バルブ４４を閉じる。
【００１９】
ガスボンベ３１にはアルゴンガス（気体密度２ｋｇ／ｃｍ³）がスパッタリングガスとして充填されており、第一の開閉バルブ４４を閉じた状態で第二の開閉バルブ４６を開けて、真空状態にされたバッファタンク４１をガスボンベ３１に接続すると、ガスボンベ３１からバッファタンク４１にスパッタリングガスが流入し、該スパッタリングガスによってバッファタンク４１内の圧力が上昇する。バッファタンク４１内の圧力が後述する設定値（Ｐ₁）まで上昇したところで第二の開閉バルブ４６を閉じると、バッファタンク４１内の圧力が設定値に維持される。
【００２０】
次に、真空槽１１内の真空雰囲気を維持したまま処理対象物である基板１７を真空槽１１内に搬入する。真空槽１１内の底壁には載置台１９が配置されており、真空槽１１内に搬入された基板１７を載置台１９上に載置する。
その状態で真空排気を継続し、基板１７搬入により一旦圧力が上昇した真空槽１１内が高真空状態となったところで可変流動弁２２を絞って排気速度を落とし、第一の開閉バルブ４４を開けてバッファタンク４１を真空槽１１に接続すると、圧力差によりバッファタンク４１のスパッタリングガスが真空槽１１に流れ込む。
【００２１】
ここでは、真空槽１１の容積が１ｍ³、バッファタンク４１の容積が１．４×１０^-4ｍ³にされており、バッファタンク４１の容積は真空槽１１の容積の１／１０００以下と充分に小さくされているので、バッファタンク４１の容積を無視することができる。従って、バッファタンク４１のスパッタリングガスが全て真空槽１１に流れ込むと見なすことができる。
【００２２】
スパッタリング等の処理時に形成すべきガス雰囲気の圧力（目標圧力：Ｐ₀）は予め分かっており、高真空状態の真空槽１１内のガス量をゼロとすると、真空槽１１と接続する前のバッファタンク４１内の圧力を、真空槽１１の容積Ｖ₀とバッファタンク４１の容積Ｖ₁との比（Ｖ₀／Ｖ₁）に目標圧力Ｐ₀を乗じた値（設定値：Ｐ₁＝Ｖ₀／Ｖ₁・Ｐ₀）に設定しておけば、真空槽１１の容積と理想圧力との積と等しいガス量（Ｐ₁・Ｖ₁＝Ｐ₀・Ｖ₀）がバッファタンク４１から真空槽１１に流れ込むので、真空槽１１内の圧力が目標圧力Ｐ₀に上昇する。
【００２３】
このとき、真空排気系２０による真空排気が継続されており、真空槽１１内に移行したスパッタリングガスは真空槽１１から排気される。しかし、排気速度と目標圧力とから排気されるスパッタリングガスの流量が分かるので、第一の開閉バルブ４４を開けると同時に主開閉バルブ３６を開けておき、マスフローコントローラ３５で流量を制御して、排気されるスパッタリングガスをガスボンベ３１から補うようにすれば、真空槽１１内の圧力が目的圧力に維持される。
【００２４】
真空槽１１内の圧力と時間との関係を図２のグラフに示す。図２のグラフの縦軸は真空槽１１内の圧力を、横軸は第一の開閉バルブ４４と主開閉バルブ３６とを開けた時からの時間をそれぞれ示している。図２の符号Ｌ₁、Ｌ₂に示す曲線は、上記の工程で真空槽１１内の圧力をそれぞれ１．４Ｐａ、０．２Ｐａまで上昇させた場合の圧力変化を示している。他方、図２の符号Ｌ₃、Ｌ₄に示す曲線は、主開閉バルブ３６のみを開け、ガスボンベ３１から一定流量（１００ｓｃｃｍ）のスパッタリングガスを供給することによって真空槽１１内の圧力を０．２Ｐａ、１．４Ｐａにそれぞれ上昇させた場合である。
【００２５】
図２から明らかなように、バッファタンク４１を真空槽１１に接続した場合（Ｌ₁、Ｌ₂）は、２秒以下の短時間で真空槽１１内の圧力が目標圧力に達し、その後は目標圧力が維持されている。他方、バッファタンク４１を接続しなかった場合（Ｌ₃、Ｌ₄）は１５０秒以上の時間がかかった。これらの結果から、バッファタンク４１によって昇圧時間が大幅に短縮されることが分かる。
【００２６】
真空槽１１内の圧力が目標圧力に維持された状態で、主開閉バルブ３６を開けたまま、ガス緩衝系４０の第一の開閉バルブ４４を閉じ、バッファタンク４１を真空槽１１から切り離す。
その状態で電源２５を起動してターゲット１５に通電し、スパッタリングを行えば、ターゲット１５がスパッタリングされ、基板１７表面に薄膜が形成される。
以上のように、バッファタンク４１に必要なガス量を充填しておき、高真空状態の真空槽１１とバッファタンク４１とを接続すると、真空槽１１内に目標圧力のガス雰囲気を短時間で形成することができる。
【００２７】
以上は、第二の配管４２の両端を第一の配管３２に接続し、バッファタンク４１を真空槽１１とガスボンベ３１に第一の配管３２を介して接続する場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、第二の配管４２を直接真空槽１１やガスボンベ３１に直接接続してもよい。また、バッファタンク４１にガス導入系３０のガスボンベ３１とは異なるガスボンベを接続することもできる。
【００２８】
以上は、ガスボンベ３１から真空槽１１とバッファタンク４１にスパッタリングガスを供給し、本発明の真空処理装置１０をスパッタリング装置として用いる場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、スパッタリングガスの代わりに反応性ガスを用い、本発明の真空処理装置１０を反応性蒸着装置として用いる場合や、原料ガスを用いてＣＶＤ装置として用いる場合も本発明には含まれる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、真空槽に所定圧力のガス雰囲気を形成する時間を大幅に短縮することが可能であり、結果、生産性が高くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の真空処理装置の一例を説明するための図
【図２】圧力上昇と時間との関係を説明するための図
【図３】従来技術の真空処理装置を説明するための図
【符号の説明】
１０……真空処理装置
１１……真空槽
１７……基板（処理対象物）
２０……真空排気系
３０……ガス導入系
４１……バッファタンク
４４……第一の開閉バルブ
４６……第二の開閉バルブ

Claims (1)

1. 真空槽と、前記真空槽に接続され、前記真空槽内を真空排気する真空排気系と、マスフローコントローラと主開閉バルブを有し、
   前記マスフローコントローラと前記主開閉バルブを介して、ガスボンベから前記真空槽内にガスを導入するガス導入系と、
   バッファタンクと第一、第二の開閉バルブを有し、前記第一の開閉バルブを介して前記バッファタンクと前記真空槽とを接続し、前記第二の開閉バルブを介して前記ガスボンベと前記バッファタンクとを接続し、前記第二の開閉バルブを閉、前記第一の開閉バルブを開にすると、前記バッファタンク内のガスは前記マスフローコントローラを通さずに前記真空槽に導入されるガス緩衝系と、
   が設けられ、前記バッファタンクと前記第二の開閉バルブの間にはガス圧力計が接続され、真空排気された前記バッファタンク内の圧力を前記ガス圧力計で測定できるように構成された真空処理装置の、
   前記真空槽に接続された前記真空排気系によって前記真空槽内を真空排気して、前記真空槽内に真空雰囲気を形成し、前記真空槽内に前記ガスを導入して前記真空槽内に所定の目標圧力Ｐ ₀ のガス雰囲気を形成し、処理対象物表面に薄膜を形成する真空処理方法であって、
   前記第一、第二の開閉バルブと前記主開閉バルブとを閉じ、前記真空槽内を所定圧力に真空排気したところで前記第一の開閉バルブを開けて前記バッファタンクを前記真空槽に接続し、前記バッファタンクを真空排気した後、前記第一の開閉バルブを閉じ、前記第二の開閉バルブを開けて前記バッファタンク内に前記ガスボンベから前記ガスを導入し、前記バッファタンクの圧力Ｐ ₁ を、前記真空槽の容積Ｖ ₀ と前記バッファタンクの容積Ｖ ₁ との比（Ｖ ₀ ／Ｖ ₁ ）に前記目標圧力Ｐ ₀ を乗じた圧力（Ｐ ₁ ＝Ｖ ₀ ／Ｖ ₁ ・Ｐ ₀ ）にして前記第二の開閉バルブを閉じ、
   前記真空排気系で前記真空槽内を真空排気しながら、前記真空槽に接続された前記第一の開閉バルブを開け、前記バッファタンクと前記真空槽とを接続して前記バッファタンク内の前記ガスを前記真空槽内に導入して前記真空槽内の圧力を目標圧力Ｐ ₀ にすると同時に、前記主開閉バルブを開け、前記マスフローコントローラと前記主開閉バルブを介して、前記真空槽内に流量制御しながら前記ガスを導入し、真空排気される前記ガスを補うことにより、前記真空槽内を前記目標圧力Ｐ ₀ に制御して前記薄膜を形成する真空処理方法。

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