JP4847136B2 - 真空処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、真空処理装置に関し、更に詳しくは、真空チャンバ内において回転する基板支持台に対して所要電力を供給する機構を備えた真空処理装置に関する。

従来より、半導体基板やガラス基板等の被処理基板の表面に金属膜や絶縁膜、各種機能性膜を成膜するためにスパッタ装置が用いられている。スパッタ装置においては、基板表面に堆積されるスパッタ膜の膜厚、膜組成等の面内均一性の向上が望まれている。そこで、真空チャンバ内で基板を回転させながら成膜を行うことにより面内均一性を向上させる方法が知られている（例えば下記特許文献１参照）。

一方、真空チャンバ内において基板を支持する基板支持機構として従来より静電チャック機構が知られている。また、基板を加熱するための基板加熱機構が基板支持台に設置される場合もある。これら静電チャック機構あるいは基板加熱機構は、真空チャンバの外部から所要電力の供給を受けることで駆動される。

さて、基板加熱機構や静電チャック機構を備えた基板支持台を真空チャンバの内部で回転させるような場合、回転する基板支持台に対して所要電力を供給するための機構が必要となる。そこで下記特許文献２には、真空チャンバ内で自転又は公転する基板加熱装置へスリップリングと称される集電装置を用いて電力を供給する同軸型真空加熱装置が開示されている。集電装置は、回転体に電気エネルギーや電気信号を供給したり、また逆に回転体から電気エネルギーや電気信号を取り出す機能を有している。

従って、上述した集電装置を用いて回転する基板支持台へ電力を供給する場合、例えば図４に示す真空処理装置１を構成することができる。図４において、２は真空チャンバ、３は基板加熱機構及び静電チャック機構を備えた基板支持台、４は基板支持台３を真空チャンバ２内において回転させる回転軸、５は真空チャンバ２と回転軸３との間の気密を保持する磁性流体シール、６は軸受、７は基板支持台３に対して電力を供給するための集電装置である。

集電装置７は、回転軸４と同心的に設置され回転軸４と共に回転するスリップリングに対して、非回転部に配置されたブラシを接触させることで、回転軸４と電気的に接続される。上記スリップリングに導入された電力は、回転軸４の内部に設置された電気配線を介して基板支持台３に供給され、基板加熱機構及び静電チャック機構を駆動する。

特開２００２−１６７６６１号公報 特開２０００−８７２３７号公報

しかしながら、図４を参照して説明した真空処理装置１においては、集電装置７を大気側に設置する必要がある関係上、磁性流体シール５や軸受６よりも下方位置に集電装置７を設置しなければならない。このため、回転軸４の軸長が長くなって装置全体が大型化してしまい、装置をコンパクトに構成することが困難になるという問題がある。

本発明は上述の問題に鑑みてなされ、装置全体を大型化することなく、回転する基板支持台に対して電力を供給することができる真空処理装置を提供することを課題とする。

以上の課題を解決するに当たり、本発明の真空処理装置は、真空チャンバと、真空チャンバの内部に配置された基板支持手段と、基板支持手段を回転させる回転軸と、基板支持手段に対して所要電力を供給するための集電装置とを備え、当該集電装置は、上記回転軸の内部に配置されていることを特徴とする。

集電装置を上記回転軸の内部に配置することにより、回転軸の軸長を短くでき、装置全体の小型化を図ることが可能となる。回転軸は中空軸で構成することができる。回転軸の軸心部には、回転軸とともに回転し、集電装置から導入された電力を基板支持手段に供給する電気配線や基板支持手段に対して冷却水等の冷却媒体を循環供給するための給排管を収容した軸部材が設置される。

なお、集電装置と基板支持手段との間に、基板支持手段側の電気配線部と集電装置側の電気配線部とを着脱自在に接続するコネクタユニットを設置することで、集電装置を回転軸から容易に取り出すことが可能となり、集電装置や回転軸内部のメンテナンス性を高めることができる。

基板支持手段は、基板加熱機構、静電チャック機構又はその双方を具備した基板支持台で構成することができる。また、基板加熱機構の温度制御の実効を図るために基板支持台に熱電対等の測温素子を配置し、その電気信号を上記集電装置を介して真空チャンバの外部に取り出すことも可能である。

以上のように、本発明の真空処理装置によれば、回転する基板支持手段に電力を供給する集電装置を回転軸の内部に配置したので、回転軸の軸長を短くでき、装置全体の小型化を図ることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明の実施の形態による真空処理装置１１の概略構成を示す側断面図である。本実施の形態の真空処理装置１１は、真空チャンバ１２と、真空チャンバ１２の内部に配置された基板支持台１３と、基板支持台１３を回転（自転）させる回転軸１４と、真空チャンバ１２と回転軸１４との間に設置された磁性流体シール１５と、回転軸１４を支持する軸受１６と、基板支持台１３に対して所要電力を供給するための集電装置１７とを備えている。

本実施の形態において、真空処理装置１１はスパッタ装置として構成されており、真空チャンバ１２の内部には処理室１８が形成され、基板支持台１３の上方に単数又は複数のスパッタカソード（ターゲット）が図示せずとも設置されている。真空チャンバ１２には図示せずとも真空排気ポンプ等に接続される排気ポートが形成されており、内部が所定の減圧雰囲気に真空排気可能とされている。

基板支持台１３は、回転軸１４の上端に固定されており、半導体ウェーハ等の被処理基板（以下単に「基板」という。）Ｗが載置される載置面は、ホットプレート２０で構成されている。ホットプレート２０は基板Ｗを所定温度範囲において加熱するためのもので、本発明に係る基板加熱機構を構成する。また、ホットプレート２０の表面近傍には静電チャック機構を構成する静電チャック用電極が配置されている。これら基板支持台１３、ホットプレート２０及び静電チャック機構により本発明に係る「基板支持手段」が構成される。

基板支持台１３の内部には、冷却水等の冷却媒体が循環供給されるための冷却ジャケット（図示略）が形成されており、ホットプレート２０による加温操作と組み合わせて基板Ｗの温調制御が行われる。なお、基板支持台１３には、ホットプレート２０の加熱温度を測定する熱電対等の測温素子が内蔵されている。

回転軸１４は、上端が閉塞し下端が開放された中空軸で構成されている。回転軸１４の上端は、真空チャンバ１２の底部に形成された開口を介して基板支持台１３の底面に一体固定されている。回転軸１４は、真空チャンバ１２の底部に気密に取り付けられた筒状の隔壁２１の内部に回転自在に収容されている。

回転軸１４の内部は大気に開放されており、その軸心位置には、基板支持台１３上のホットプレート２０及び静電チャック用電極へ所要電力を供給したり熱電対の出力信号を外部へ引き出すための電気配線、及び基板支持台１３に対して冷却水を循環供給するための給排管を収容した筒状の軸部材２２が配置されている。この軸部材２２の上端は、回転軸１４上端の中心部に固定されており、軸部材２２の下端は、外部に設置された図示しない冷却水の給排ポンプと連結されるユニバーサルジョイント２３に対して回転自在に取り付けられている。

軸部材２２は、隔壁２１の下端を閉塞する底板２３の中心部を貫通しているとともに、底板２３の中心開口部に設置された軸受部材２４によって回転自在に軸支されている。底板２３から下方に突出する軸部材２２の周囲にはプーリ２５が設けられており、このプーリ２５と駆動モータ２６の駆動プーリ２７との間にベルト２８が架け渡されている。これにより、駆動モータ２６の回転駆動力がベルト２８を介して軸部材２２に伝達され、回転軸１４が軸部材２２を中心として回転可能とされている。

磁性流体シール１５は、本発明に係る「シール手段」に対応し、回転軸１４の側周部と隔壁２１との間に設置されている。磁性流体シールはフェローシールとも称されており、磁性流体層が複数段にわたって配置されることで処理室１８を所定の真空度に維持する機能を有している。なお、必要に応じて磁性流体層の排気システムを別途設けてもよい。また、所定の真空シール機能が得られるものであれば、磁性流体シールに限らず、他の真空シールを用いてもよい。

軸受１６は、隔壁２１に対して回転軸１４を回転可能に支持するためのもので、磁性流体シール１６の下方側すなわち大気側に配置されている。最下段の軸受１６には、回転軸１４の下端に形成されたフランジ部１４ａが係合されており、これにより処理室１８と外気との圧力差によって回転軸１４が処理室１８側へ移動することが規制されている。

集電装置１７は、回転する基板支持台１３上のホットプレート２０及び静電チャック機構に所要電力を供給したり、ホットプレート２０の温度モニタリング用の熱電対の検出信号を真空チャンバ１２の外部へ導き出す機能を有している。本実施の形態において、集電装置１７はスリップリング型集電装置で構成されている。

集電装置１７は、回転軸１４の中空状の内部に配置されている。特に本実施の形態では集電装置１７の上部が磁性流体シール１５の設置部位と同等の高さとされている。従って集電装置１７は回転軸１４の内部にほぼ完全に収容されている。なお、集電装置１７は底板２３に対して支持具３０を介して取り付けられている。

集電装置１７の中心部には軸部材２２が貫通している。集電装置１７は、軸部材２２と同心的に設置され軸部材２２と共に回転するスリップリングに対して、非回転部に配置されたブラシを接触させることで、軸部材２２と電気的に接続される。上記スリップリングに導入された電力は、軸部材２２の内部に設置された電気配線を介して基板支持台１３に供給され、基板加熱機構及び静電チャック機構を駆動する。

集電装置１７は、真空処理装置１１のメンテナンス作業の際、回転軸１４から取り出される。特に本実施の形態では、軸部材２２が基板支持台１３と集電装置１７との間で上下に２つに分割されており、その各々の分割端はコネクタユニット３１を介して着脱自在に接続されている。コネクタユニット３１は、基板支持台１３側の電気配線部と集電装置１７側の電気配線部とを着脱自在に接続する機能を有しており、メンテナンス時は両電気配線部を離脱させることで、集電装置１７及び回転軸１４の内部のメンテナンス作業性が高められる。集電装置１７と外部の電力源との間は外部接続配線部３２を介して接続されている。

次に、基板支持台１３に設けられた基板Ｗのリフター機構について説明する。図２及び図３は基板支持台１３の構成を示す側断面図及び平面図である。

基板支持台１３の内部には、ホットプレート２０の上面から基板Ｗを上方へリフトさせるためのリフターピン３４が収納されている。リフターピン３４は本実施の形態では３本有するが、勿論本数は限定されない。上述したように基板支持台１３は回転軸１４とともに回転（自転）する構成であるため、リフターピン３４を上下移動させる機構が別途必要となる。そこで本実施の形態では、以下のようにリフター機構を構成している。

図３に示すように各リフターピン３４は、ホットプレート２０の中心部から一定距離隔てた半径位置にそれぞれ等角度間隔で配置されている。各リフターピン３４の下端はホットプレート２０の直径以上に亘って延在する軸状のピン支持部材３５に支持されており、リフターピン３４の軸部はホットプレート２０の形成された貫通孔２０ａに上下移動自在に挿通されている。

基板支持台１３の内部にはピン支持部材３５の上下移動を可能とするためのガイド溝３６が、ピン支持部材３５の平面視形状に対応して形成されている。ピン支持部材３５の両端部には、基板支持台１３の周縁から外方へ突出する突出片３７がそれぞれ設けられている。これら突出片３７は、基板支持台１３の周縁外方に配置されたリフターピン駆動機構４０と係合することでピン支持部材３５に対して相対的に上下移動可能とされ、これにより各リフターピン３４が各々ホットプレート２０の上面から突出可能とされている。

基板支持台１３の周縁部には、ピン支持部材３５の両端の突出片３７と対向する部位に一対の翼部３８が設けられており、これら突出片３７と翼部３８との間にガイドピン３９を立設させて、基板支持台１３に対するピン支持部材３５の直線的な上下移動が確保されている。

リフターピン駆動機構４０は、図１に示すように、処理室１８において基板支持台１３の周縁外方に配置されており、真空チャンバ１２の底部外方に設置された駆動シリンダ（図示略）により上下方向に駆動可能とされている。リフターピン駆動機構４０は一対配置されており、その各々にはピン支持部材３５両端の突出片３７の下面に係合可能な係合片４１が設けられている。

リフターピン駆動機構４０には更に、防着板４２が取り付けられており、リフターピン３４の上下移動に伴って当該防着板４２も上下方向に移動可能に構成されている。防着板４２は、真空チャンバ１２の内壁面へのスパッタ物の付着を防止するためのもので、成膜時は基板Ｗの周縁直上位置に配置され、基板Ｗの載せ替えの際は、基板支持台１３の上面から所定距離隔てた上方位置に待機されるようになっている。

以上のように構成される本実施の形態の真空処理装置１１においては、ホットプレート２０に載置された基板Ｗは静電チャック機構によって吸着保持されるとともに、ホットプレート２０の加熱操作と基板支持台１３に導入される冷却水による冷却作用との組み合わせによって所定温度に維持される。そして、駆動モータ２６の駆動により軸部材２２を介して回転軸１４を回転させることで基板支持台１３を基板Ｗとともに回転させた状態で所定のスパッタ成膜処理が行われる。

本実施の形態によれば、基板支持台１３上のホットプレート２０及び静電チャック機構に所要電力を供給する集電装置１７を備えているとともに、軸部材２２を介して基板支持台１３に冷却水を導入することができるので、回転する基板支持台１３上の基板Ｗを適正に吸着保持できると同時に所定の基板温度を維持しながら面内均一性に優れた成膜処理を行うことができる。

特に、本実施の形態によれば、集電装置１７を回転軸１４の内部に配置しているので、回転軸１４の軸長を従来よりも短くして、装置全体の小型化を図ることが可能となる。

基板Ｗの成膜処理の終了後、駆動モータ２６による回転軸１４の回転操作が解除されるとともに、ピン支持部材３５の突出片とリフターピン駆動機構４０の係合片４１とが互いに対向する位置で基板支持台１３の回転が停止される。そして、リフターピン駆動機構４０を図１に示す下方位置から上方位置へ上昇させる。これにより、突出片３７と係合片４１とが互いに係合することでピン支持部材３５が上方へリフトされ、リフターピン３４がホットプレート２０の上面から突出される。同時に、防着板４２が基板支持台１３の直上から更に上方に隔てた位置に待機される。

以上の操作が行われることによって、成膜処理された基板Ｗは図１において二点鎖線で示す位置まで上昇し、図示しない基板搬送ロボットを介して処理室１８の外部へ搬出される。そして、処理室１８に搬入された未処理の基板がリフターピン３４の先端に載置された後、リフターピン駆動機構４０が図１に示す下方位置へ下降することで、基板Ｗがホットプレート２０の上面に載置されるとともに、防着板４２が基板支持台１３の直上位置に対向配置される。その後、上述と同様な作用を経て基板Ｗの成膜処理が行われる。

本実施の形態によれば、上記のような作用を行うリフター機構を構成したことにより、回転可能な基板支持台１３に対して成膜処理前後における基板Ｗのリフト機能を確保することができる。また、リフターピン３４の上下移動と防着板４２の上下移動を連動させたことにより、駆動機構の構成を簡素化し装置構成のコンパクト化を図ることができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、勿論、本発明はこれに限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

例えば以上の実施の形態では、基板支持台１３にホットプレート２０及び静電チャック機構の双方が配置された例を示したが、これに限らず、ホットプレート２０及び静電チャック機構の何れか一方のみ配置した構成例についても本発明は適用可能である。

また、以上の実施の形態では、基板支持台１３に導入される用力として、ホットプレート２０や静電チャック機構等の駆動用電力と基板支持台１３を冷却するための冷却水を例に挙げて説明したが、これだけに限らず、例えばホットプレート２０の上面に供給される冷却ガス（アシストガス）を軸部材２２を介して導入してもよい。更に、基板支持台１３に印加するバイアス電圧を集電装置１７を介して供給することも可能である。

更に、以上の実施の形態では、駆動モータ２６の回転駆動力を軸部材２２に伝達することで回転軸１４を回転させるように構成したが、これに代えて、駆動モータ２６の回転駆動力を回転軸１４に直接伝達することで回転軸１４を回転させるようにしてもよい。

本発明の実施の形態による真空処理装置１１の概略構成を示す側断面図である。 基板支持台１３の要部断面図である。 基板支持台１３の平面図である。 従来技術において説明する真空処理装置の概略構成図である。

符号の説明

１１ 真空処理装置
１２ 真空チャンバ
１３ 基板支持台（基板支持手段）
１４ 回転軸
１５ 磁性流体シール（シール手段）
１６ 軸受
１７ 集電装置
１８ 処理室
２０ ホットプレート（基板支持手段）
２１ 隔壁
２２ 軸部材
２６ 駆動モータ
２８ ベルト
３１ コネクタユニット
３４ リフターピン
３５ ピン支持部材
４０ リフターピン駆動機構
４２ 防着板
Ｗ 基板

Claims (8)

1. 真空チャンバと、
   前記真空チャンバの内部に配置された基板支持手段と、
   前記基板支持手段を回転させる回転軸と、
   前記基板支持手段に対して所要電力を供給するための集電装置とを備え、
   前記集電装置は、前記回転軸の内部に配置されていることを特徴とする真空処理装置。
2. 前記回転軸は、中空軸であることを特徴とする請求項１に記載の真空処理装置。
3. 前記回転軸の軸心部には、前記回転軸とともに回転し、前記基板支持手段に対して電力を供給する電気配線と冷却媒体を循環供給するための給排管を収容した軸部材が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の真空処理装置。
4. 前記基板支持手段と前記集電装置との間には、前記基板支持手段側の電気配線部と前記集電装置側の電気配線部とを着脱自在に接続するコネクタユニットが設置されていることを特徴とする請求項１に記載の真空処理装置。
5. 前記基板支持手段は、基板加熱機構であることを特徴とする請求項１に記載の真空処理装置。
6. 前記基板支持手段は、静電チャック機構であることを特徴とする請求項１に記載の真空処理装置。
7. 前記基板支持手段は、前記回転軸の上端に設置された基板加熱機構及び静電チャック機構を含む基板支持台と、前記基板支持台に支持された基板を上下方向にリフトさせるリフターピンと、前記リフターピンを支持し端部が前記基板支持台の外方に突出するピン支持部材とを備えているとともに、前記基板支持台の周縁外方には、前記ピン支持部材を前記基板支持台に対して上下方向に相対移動させるリフターピン駆動機構が設置されていることを特徴とする請求項１に記載の真空処理装置。
8. 前記基板支持台の周縁部には防着板が配置されており、前記防着板は前記リフターピン駆動機構によって前記リフターピンと共に前記基板支持台に対して上下方向に相対移動されることを特徴とする請求項７に記載の真空処理装置。
   
   
   
   

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