JP5027667B2 - 超大面積基板用真空処理チャンバ - Google Patents

Description

本発明は、超大面積基板用真空処理装置に関し、特に平面からの偏りを補償する手段を備えたＰＥＣＶＤプロセスチャンバ（個別には内部反応器）に関する。

発明の背景
本発明は、一般に大面積ＰＥＣＶＤプロセスチャンバに関し、特にそれ自体がこれを取り囲む第２の真空チャンバ内に密封されるこのようなチャンバに関する。

このような「箱の中の箱」（Ｐｌａｓｍａ Ｂｏｘ（商標））は当該分野では既知であり、米国特許出願第４，７９８，７３９号に記載されている。このような「箱の中の箱」の主な利点は、制御ガス流が内部チャンバから外部チャンバへと維持されるように、外部気密チャンバ内が内部反応器チャンバ内より低い圧力に維持され得る（「差動排気」）ことである。このような「箱の中の箱」システムのさらなる利点は、内部チャンバが、典型的には２５０〜３５０℃の一定のプロセス温度に維持され得る（等温反応器）ことである。このようにプロセス温度に一定に保持されることによって、このような内部反応器は均一な温度分布、従って全体にわたって均一な堆積速度が可能となる。しかし、益々大きな基板（２ｍ×２ｍ超）が現れてくるに従って、内部反応器を実質的に平坦に保つこと、従って要求される製造仕様に適合し得ること、そして基板の装着および取り外しをすることが益々困難となっている。

ＰＥＣＶＤに含まれる化学薬剤の攻撃的な性質ゆえに、アルミニウム合金は特に優れた経済的な材料である。アルミニウムは、フッ素含有ガスおよび化学種などの、ＰＥＣＶＤプロセスで用いられる化学薬剤の攻撃に抵抗し得るとして知られている数少ない材料の１つである。しかし不幸なことに、アルミニウム合金は高温でクリープ変形を示す傾向があり、クリープ耐性合金でさえ経時にわたるこのような変形を完全に除去することはできない。

変形および反応器の平面からの偏りはまた、基板上の堆積が不均一となる原因となる。何故なら、堆積速度は（他の要因の中でも）プラズマ間隔、すなわち反応器の上部および底部電極間の距離の関数である。さらに、基板の装着および取り外しのために、外部チャンバおよび内部チャンバの両方を開けることおよび装着ロックを通してこれらに近づくことが可能でなければならない。このような開口部は、漏洩を避けるために、実際の堆積プロセスのために気密を保つやり方で直ちにそして確実に再び密封しなければならない。

先行技術
当該分野で既知の「箱の中の箱」タイプのＰＥＣＶＤ反応器（米国特許第４，７９８，７３９号）では、「補剛材」として知られるステンレススチール製の棒を用いて内部反応器を外部チャンバから吊るす。内部反応器自体（例えば、Ｕｎａｘｉｓ ＫＡＩ １２００システムの反応器）は、気密性がありほぼ対称をなす２つの半部から加工形成され、これら半部はメンテナンス目的で開けるのみであって、装着および取り外し目的では開けられない。装着および取り外しのためには、内部反応器の側壁にスリットが形成されており、スリットは気密性を保つやり方でスリット弁によって開閉され得る。基板を保持するフォークがスリットを通って内部チャンバ内へと導入される。基板は次に１組の垂直ピンによって収容される。フォークが退却すると、これら（持ち上げ）ピンは、基板がその指定位置に置かれるまで垂直方向に退却し得る。次にスロットは当該分野で既知のスリット弁によって密封される。

先行技術の欠点
現在の反応器設計の最大の欠点は、上述のような側部スリット／フォーク／ピンタイプの基板装着および取り外し方法である。これにはフォークおよびピンを収容するために反応器の内部高さを均一にする必要がある。しかし基板のサイズが超大の場合は、フォークはそれ自体の重さと基板の重さとにより湾曲する傾向がある。この従来の装着／取り外しメカニズムでは反応器の内部高さをさらに高くし、またスリットの高さを高くする必要がある。

当該分野で既知のＴ形またはＨ形の棒などの簡単なステンレススチール製補剛材では、超大サイズの反応器の変形および偏りを、特にこれら反応器の側面長さが２メートルを超える場合は、十分に補償することができない。簡単な補剛材は、室温で平坦な反応器を提供できないだけではなく、ステンレススチールであっても高温では強度が失われる傾向にあるため、動作温度において特にそうである。簡単な補剛材による解決策は、室温でおよび約３００℃の動作温度で、反応器の重さおよびそれ自体の重さによりたるむ傾向がある。

上述の問題は、主に側面長さが２メートルを超える大きな反応器を用いるときに直面する、異なる形状精度の問題から生じるものであり、このため新規の反応器設計が求められている。

これまでのところ内部反応器は先行技術では一体型の真空チャンバであると考えられている。反応器の装着および取り外しは側壁に加工形成された側部スリットを通して行われる。新規の反応器設計は、基板処理中の最適な高さ、および装着フォークが湾曲することから生じる上述の装着の問題という要件を満たさなければならない。これらの要件は従来の反応器設計によってはもはや満たされない。加えて、反応器は寸法が益々大きくなっており、増え続ける変形および膨張の問題に対応しなければならない。

発明の概要
本発明による大型基板をＰＥＣＶＤ処理するためのプラズマ反応器は、外部チャンバとしての真空プロセスチャンバ１９と、プロセスガス供給装置２２およびＲＦアンテナとして働く電極シャワーヘッド２５に電気接続されたＲＦ供給装置２４を備えた少なくとも１つの内部反応器とを備え、前記内部反応器は、少なくともプラズマ反応器内での基板の処理中には密封状態で接続されかつ少なくとも基板の装着／取り外し中は分離される反応器底部６と反応器上部２とを備えている。さらなる有用な実施形態および特徴は、以下におよびそれぞれの従属請求項において記載される。

発明の詳細な説明
従って、本発明は新規の反応器の概念に基づく。反応器は２つの部分、すなわち反応器底部６と反応器上部２とに分割される（図１参照）。反応器上部２は、好ましくは補剛材１によって外部真空プロセスチャンバ１９に接着される（図１には結合部は示していない）。反応器底部６（または単一の外部チャンバ内に多数の反応器システムがある場合は複数の底部）は、スリットが反応器側壁１１と封止板９との間で開くように垂直方向に移動可能である。反応器が十分に開くと、スリットは広くなり、上昇ピン８が突き出てくる。そのあと装着フォーク（図１には示さず）が装着のために上昇ピンの上に基板を配置するか、または基板を下から持ち上げることによって基板を上昇ピン８からチャンバゲート弁２０を通って退却させることができる。この「逆さ靴箱」タイプの開口部は、反応器壁１
１の高さ、従ってプラズマ間隔を比較的小さくすることができるという主な利点を有する。スリット弁を（本発明とは反対にそして当該分野で既知のように）反応器壁内に収容することによって装着／取り外しの解決策が選択されるならば、大きな基板によって湾曲したり振動したりするかもしれない装着／取り外しフォークの入口に対応するために壁１１の高さをかなり大きくしなければならないであろう。従って、経済的な堆積プロセスは非常に制限されることになる。

新規の反応器の概念の他に、プラズマ装置の適切な稼動を確実にするために追加の措置を講じてもよい。本発明のさらなる実施形態は、２つの部分よりなる反応器の密封の問題の原因となる、反応器の変形および膨張を補償する措置を含む。本発明による平面からの偏りを補償する第１のステップは、補償スペーサ（図２、参照番号４）を使用することである。

図２ａ〜ｃは、補剛材１の、従って反応器上部２の重力によるたわみを補償スペーサ４によってどのように補償することができるかを示す。ネジ５が（アルミニウム合金よりなる）反応器上部２を補剛材１と接合させる。補剛材クリップ３が例えば補剛材１に加工形成された溝と係合する。様々な厚さの補償スペーサ４が補剛材（１）と反応器上部（２）との間に配置され、高温でのプラズマ反応器の動作中に補剛材１がたるむのを補償することを可能にする。補剛材１はまた端部（図示せず）でクロスプレートに接着される。端部が外部チャンバに支持され接着されている反応器上部補剛材１を用いることによって、また補償スペーサ４の厚さを慎重に選択することによって、動作温度でのたるみを補償する
ことができる。補償スペーサは補剛材の端部でより厚く（図２ｂ）中央部に向かって薄くなり（図２ｃ）中心部ではなくなるようにされる。反応器上部のたるみは、図２ａの補剛材１の湾曲によって示されるように端部より中央部において補償がより必要となる。従って、反応器の底部（底側）での補剛材もまた中心に向かって僅かな下向きの湾曲を示すが、最も厚い補償スペーサを補剛材の中心部の補剛材（１）と反応器底部（６）との間に配置させる。補剛材１内および補剛材クリップ３内に加工形成された溝がさらに、反応器上部と補剛材との間の熱膨張を吸収することができる。

図３は平面性の偏りを、板バネ１０を備えた封止板９ａを用いることによって補償するさらなる手段を示す。反応器底部６に対する反応器側壁１１の平面からの偏りは、補剛材補償スペーサによっては補償できず、反応器の気密性に悪影響を及ぼし得る。封止板９ａは、ある程度は弾性があり反応器の内側の反応器底部６に押し付けられるため、この偏りを補償するものと考えられる。さらに、封止板（図４）の中心部の下の封止スペーサ９ｂが、封止板が反応器壁１１と反応器底部６との間で全長にわたって挟まれるのを避ける働きをする。従って、実際の密封は２箇所で、すなわち封止板９ａと内側の反応器底部との間、および封止板９ａと反応器の外側（上側）の反応器壁１１との間で実現される。

封止スペーサ９ｂは良好に画定された閉鎖位置を提供する。これらは、板バネ１０によって壁１１に十分に押し付けられる封止板９ａが中心から離れる方向に自由に収縮または膨張するのを可能にする。従って、反応器の側部長さが約２．５メートルの場合は、最大約２ｍｍの偏りを補償することができる。

動作中は内部反応器および外部容器の両方が真空状態にあるため、密封は両者間の圧力差に対する気密が必要となるだけであり、これは典型的には１０^−２から１０^−３ｍｂａｒの範囲である。

図４では、細い矢印は封止板の熱膨張がどのように生じるかを示すものである。一般に、封止板９ａは中心部で接着され、隅部に向かって収縮または膨張し得る。

図５は、封止板９ａの端部の詳細を示す。封止板は隅部で別の封止板９ａに接合し、熱膨張を補償するためにリップが配備されている。

別の好適性がより低い実施形態では、密封は代わりに反応器壁１１の下側（底部）の台形溝に収容される弾性Ｏリングによって実現され得る。反応器が数千回も開閉されるよう意図されているため、反応器内の温度が高いため、またプラズマ内の化学種が非常に攻撃的であるため、このようなＯリングの材料は強い応力を受ける。このようなＯリング用の現在の材料は上記のような要件をほとんど満たさない。

図６は、熱膨張の補償が必要とされる反応器の別の部分、すなわち高周波（ＲＦ）アンテナ１２の懸垂装置を示す。図６の矢印は収縮／膨張が自由であることを示す。懸垂装置はアンテナを定位置に保持するもので、実際のＲＦパワーを供給するものではない。ＲＦパワーはアンテナを通してプラズマへと供給され、これによりプラズマは相当熱くなりこのため熱膨張する。懸垂装置がプラズマ反応器内で用いられないのであれば、反応器上部２（接地）と懸垂装置１４との間に矢印で示すように膨張溝を設け、次に懸垂装置の適切な部分に絶縁性セラミックを用いることによって反応器上部をアンテナから電気的に絶縁することによって、膨張／収縮問題は容易に解決され得る。しかし、反応器は真空状態で動作されるため、寄生プラズマが発火するのを防ぐために、隙間や大きな電位降下は避けなければならない。この場合、熱膨張／収縮のために反応器上部２と懸垂装置１４との間の隙間は避けることができないため、懸垂装置の下部１７（ＲＦアンテナ１２と電位が同じである）を、懸垂装置の上部１４と下部１７とを互いに接着させるために内部にネジ山を持つセラミックシリンダ（中央部、１６）によって絶縁することによって、懸垂装置の上部１４を反応器上部２と同じ電位にすることによって、電圧降下を避けるようにされる。懸垂装置の上部１４および下部１７はさらに、小さな隙間によって分離される。この隙間は小さいため寄生プラズマを受け入れることはない。さらに、反応器上部２とアンテナ１２との間のスペースに寄生プラズマが入るのを避けるために、浮遊電位を有するＲＦスペーサ１８がアンテナ上方に用いられる。

別の好適性がより低い実施形態では、懸垂装置の中央部のセラミック部に等価のものとして、２つのネジ山が両端部で突き出たセラミックシリンダが用いられる。しかしセラミックのネジは容易に壊れやすい。

発明の利点
本発明による反応器は超大サイズの基板（液晶ディスプレイの基板など）用であり、また外部真空チャンバ（Ｐｌａｓｍａ Ｂｏｘ（商標）など）で使用するためのものである。サイズが大きいため、熱膨張（これはメートル単位の長さの反応器に対してセンチメートル単位となり得る）および一般の変形（クリープ変形など）が、気密性および外部チャンバに接着する必要のある部材の懸垂に対して厳しい問題をもたらす。本発明の主な利点は、反応器が周囲温度から動作温度（約３００℃）に至るまで気密であることである。別の主な利点は、反応器の「逆さ靴箱」式開口部の原理を用いることによって、（当業分野で既知のように）反応器壁に大きなスリットを形成するのを避けることができ、従って、反応器の生産性にとって重要となるプラズマ間隔を小さく保つことが可能となることである。

よって本発明による反応器は効率的であり安価、且つ製造およびメンテナンスが容易である。

本発明の１つの実施形態による反応器を、開口状態（１ａ）および閉鎖状態（１ｂ）で示す。 補鋼材を側面図（２ａ）で、および縦方向に２つの異なる断面（２ｂおよび２ｃ）で示す。 本発明による反応器を密封閉鎖するのに用いられる封止板を示す。 本発明の封止板／封止スペーサの組み合わせの具現例を示す。 封止板の端部の詳細である。 本発明のさらなる実施形態によるＲＦアンテナ用の懸垂装置を示す。

符号の説明

１ 補剛材（例えばステンレススチール製）
２ 反応器上部（例えばアルミニウム合金製）
３ 補剛材クリップ
４ 補償スペーサ
５ ネジ
６ 反応器底部
７ 基板
８ 基板支持用（上昇）ピン
９ ９ａ 封止板
９ｂ 封止スペーサ
１０ 板バネ
１１ （反応器）側壁
１２ ＲＦアンテナ（例えばアルミニウム製）
１３ 懸垂装置の蓋
１４ 懸垂装置上部（例えばアルミニウム製）
１５ 摩擦および粒子除去リング（例えばセラミック製）
１６ 懸垂装置中央部（例えばセラミック製）
１７ 懸垂装置底部（例えばアルミニウム製）
１８ ＲＦスペーサ
１９ 真空プロセスチャンバ
２０ チャンバ弁ゲート
２１ 懸垂装置
２２ プロセスガス供給装置
２３ ポンピンググリッド
２４ ＲＦ供給装置
２５ 電極シャワーヘッド
２６ 排出

Claims (14)

1. 大型基板を処理するためのプラズマ化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）用プラズマ反応器であって、
   外部チャンバとしての真空プロセスチャンバ（１９）、および、プロセスガス供給装置（２２）を備えかつ前記真空チャンバ（１９）内に配された少なくとも１つの内部反応器と、
   ＲＦアンテナとして働く電極シャワーヘッド（２５）に電気的に接続されたＲＦ供給装置（２４）とを備え、
   前記内部反応器は、少なくとも前記プラズマ反応器での基板（７）の処理中には密封状態で接続され、かつ、少なくとも基板（７）の装着／取り外し中は垂直方向に互いに分離される、反応器底部（６）と反応器上部（２）とを含み、
   前記基板の装着／取り外し中の互いに分離した状態の前記反応器底部（６）と反応器上部（２）との間の高さの、前記真空チャンバ（１９）の側壁には、基板（７）の出し入れを可能にするチャンバゲート（２０）が設けられた、プラズマ反応器。
2. 前記反応器底部（６）は基板（７）を支える複数の上昇ピン（８）を有し、前記反応器底部（６）と前記上昇ピン（８）とが垂直方向に相対移動することにより、基板（７）の処理中は前記反応器底部（６）が当該基板（７）を支持し、基板（７）の前記チャンバーゲート（２０）を介する出し入れ時は、前記上昇ピン（８）の上端が基板（７）を支持する、請求項１に記載のプラズマ反応器。
3. 前記反応器底部（６）は、反応器上部（２）および反応器底部（６）を分離および密封するために垂直方向に移動可能である、請求項１または２のいずれかに記載のプラズマ反応器。
4. 封止板（９、９ａ）が反応器上部（２）の側壁（１１）と相互作用して、反応器底部（６）に対して密封状態で押し付けられる、請求項１〜３のいずれかに記載のプラズマ反応器。
5. 前記内部反応器の閉鎖状態では、前記封止板（９ａ）はバネ（１０）によって前記反応器底部（６）の内面および前記反応器側壁（１１）に押し付けられるようにされる、請求項４に記載のプラズマ反応器。
6. 封止スペーサ（９ｂ）が前記封止板（９ａ）の中心部の下に配置される、請求項４に記
   載のプラズマ反応器。
7. 補剛材（１）が反応器上部（２）および／または反応器底部（６）を支持する、請求項１〜４のいずれかに記載のプラズマ反応器。
8. 前記補剛材（１）は、動作中の熱膨張を補償するように選択された厚さを有する補償スペーサ（４）を介して、反応器上部（２）および／または反応器底部（６）に接続される、請求項７に記載のプラズマ反応器。
9. 前記補剛材（１）と前記反応器上部（２）との間に配置された前記補償スペーサ（４）は、端部でより厚く前記補剛材（１）の中央部に向かって薄くなる、請求項８に記載のプラズマ反応器。
10. 前記補剛材（１）と前記反応器底部（６）との間に配置された前記補償スペーサ（４）は、前記補剛材（１）の中心部で最も厚い、請求項８に記載のプラズマ反応器。
11. ネジ（５）が前記補剛材（１）をそれぞれ前記反応器上部（２）または前記反応器底部（６）と、補剛材クリップ（３）および補償スペーサ（４）の補助により接合させる、請求項８〜１０のいずれかに記載のプラズマ反応器。
12. 懸垂装置（２１）がＲＦアンテナ（１２）と反応器上部（２）とを接続し、前記懸垂装置は、上部（１４）と中央部（１６）と底部（１７）とを備えており、前記上部（１４）は前記反応器上部（２）と同じ電位であり、前記底部（１７）は前記ＲＦアンテナ（１２）および前記中央部（１６）と同じ電位であり、そして前記中央部（１６）は前記上部（１４）と前記底部（１７）とを接続または電気的に絶縁させる、請求項１〜１１のいずれかに記載のプラズマ反応器。
13. 反応器上部（２）とＲＦアンテナ（１２）との間のスペースにＲＦスペーサ（１８）をさらに備えた、請求項１２に記載のプラズマ反応器。
14. 請求項１に記載のプラズマ反応器内で基板を処理する方法であって、（ａ）前記反応器底部（６）を垂直方向に下げることによって前記内部反応器を開けるステップと、（ｂ）前記内部反応器へのアクセスを与えるチャンバ弁ゲート（２０）を開けるステップと、（ｃ）ピン（６）上に前記基板（７）を載せるステップと、（ｄ）前記内部反応器が閉鎖するまで前記反応器底部（６）を垂直方向に持ち上げるステップと、（ｅ）前記チャンバ弁ゲートを閉鎖するステップと、（ｆ）前記基板を処理するステップとを包含する方法。

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