JP5034578B2

JP5034578B2 - 薄膜処理装置

Info

Publication number: JP5034578B2
Application number: JP2007066112A
Authority: JP
Inventors: 光宏吉永; 総一郎増井; 斉山西; 剛小岩崎; 正治楠本
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-03-15
Filing date: 2007-03-15
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2027-03-15
Also published as: JP2008223110A

Description

本発明は、ワークの自公転機構を有するスパッタリング装置に関し、特に、高品質膜が要求される電子部品や光学部品などに適用可能なスパッタリング装置に関するものである。

スパッタリング法による薄膜形成技術は、高品質な膜が得られしかも高速成膜が可能であることから、様々な分野で実用化されている。近年では、半導体デバイスや電子部品だけでなく、レンズや導光板などの製造においても例外ではなく、これらデバイス等の特性を左右する重要な技術として位置付けられているのが現状である。

これらのデバイスは、近年、その高性能化や微細化が急速に進み、膜厚及びその形成条件などについてもより厳しい要求がなされ、例えば、ワークや薄膜自体の制約から成膜時の膜厚均一性や再現性の高度化が求められ、具体的には膜厚分布に関しては、高品質の生産を行うには、±０．５％又はそれ以下の均一性が望まれており、また、ワークの低コスト化も求められ、これらの要求を満たした上で、更に高スループットの生産性が望まれている。

このような状況下、従来よりスパッタ室内でのスパッタリングなどの成膜処理を行うための真空成膜用の搬送装置として、ワークをキャリアに搭載してロードロックへ搬入し、そのロードロック室を真空引きして真空状態にした後、ロードロック室とスパッタ室との間のバルブを開いて、ワークを載せたキャリアを仕込み室から真空処理室に搬送し、上記バルブを閉じた状態でスパッタ室にてワークに対する各種の成膜処理を行う一方、その成膜が終了するとスパッタ室とロードロック室との間のバルブが開いて、成膜後のワークを載せたキャリアをスパッタ室からロードロック室へ搬送するという装置が一般的に知られている。

上記の高均一膜形成を実現するには、図５に示すように、バッチ式のスパッタ室５１内に、複数のワーク５２をターゲット５３に対向させて回転させると共に、ターゲット５３の周りに公転させる成膜方式を採用し、ターゲット５３とワーク５２との位置関係及び公転軌道を最適化することで、ワーク５２上に±０．５％以下の膜厚均一性を有する成膜装置が挙げられる。

以下、従来の成膜装置の具体的な構成及び動作について詳述する。

図５のように、スパッタ室５１には、ターゲット５３が取り付けたカソード５４と、ワーク５２を保持し自公転する複数のワークホルダ５５とが配置されている。カソード５４は、絶縁体５６を介してスパッタ室５１に固定され、電源５７に接続されている。カソード５４の内部には、ターゲット５３表面に環状の水平磁界を発生させるマグネット５８が配置されている。

一方、ワークホルダ５５はベアリング５９を介してパレット６０に保持され、パレット６０は磁性流体シール６１によりスパッタ室５１のベース板に支持される公転軸６２に連結されている。公転軸６２には、固定ギヤ６３が取り付けられ、固定ギヤ６３と噛合するように各ワークホルダ回転軸６３に遊星ギヤ６４が取付られている。このような構成であるため、モータ（図示せず）により公転軸６３を回転させるとパレット６０は回転してワークホルダ５５は公転運動するとともに、回転運動が固定ギヤ６３、遊星ギヤ６４を介して伝達され、ワークホルダ５５は自転する。この結果、ワーク５２上に膜厚均一性の優れた薄膜が形成される。
特開２００２−２２０６６３号公報

しかしながら、上記従来の成膜装置では、ワークを自公転させる回転機構がスパッタ室５１内にあり、品質安定性が低く、成膜の生産性が低くなるという問題を有することになる。詳しく述べると、膜厚均一性を向上させるために、自公転させているワークの保持回転機構がスパッタ室５１内にあり、成膜処理が完了するごとにスパッタ室５１の真空状態を破壊することが必要となり、スパッタ室５１内の真空破壊時間及び真空引き時間を要することから、生産能力を低下させることになる。

その対策として、光デスク向けの成膜装置などでは、大型のステージに基板を複数搭載し、そのステージを仕込み室より真空処理室へ搬送する形態が取られていたが、成膜装置自体が必然的に大型となることや回転機構が複雑となることから、ワークを高速に回転することが難しいと言った問題も生じる。

また、品質安定性の点では、ワークの処理ごとにスパッタ室５１を真空破壊することにより、スパッタ室５１内に大気が混入し、真空処理室内面への水分付着や、膜剥がれの発生などにより、ワーク上の成膜面の特性の変化やダストの付着などの問題もあった。

更に、ワーク内の膜厚均一性を最適化するために、ワークの回転半径や自公転比などを変更するには、成膜室内での大掛かりな改造が必要であり、コスト及び生産性低下の点で課題となっていた。

本発明は、上記問題を鑑み、ワークの自公転ステージを小型モジュール化することで、高均一膜と高生産性を同時に達成することが可能な薄膜処理装置を提供することを目的としている。

本願の請求項１に係る薄膜処理装置は、スパッタ室と、ターゲットを保持するカソードと、前記カソードに接続された電源と、前記スパッタ室と隣接しかつ気密的に仕切るバルブ機構を介して設けられたロードロック室と、前記スパッタ室内に配置されかつ複数のワークを保持可能な機構を有すると共に着脱可能なモジュールと、前記モジュールを前記スパッタ室とロードロック室との間で搬送する搬送機構とで構成される薄膜処理装置であって、前記モジュールは前記カソードと対向して配置されかつ複数のワークをそれぞれ自公転させる回転ギヤ機構を具備し、前記スパッタ室は前記モジュールを保持する保持機構を有すると共に前記ワークを自公転させる回転駆動を伝達可能な回転機構を具備しことを特徴とするものである。

このような構成により、高均一膜と高生産性を同時に達成することができる。

なお、本願の請求項２に係る薄膜処理装置は、上記本願の請求項１に係る薄膜処理装置において、モジュールの幅長は、カソードのうちターゲットを保持する面の幅長と略同一としても良い。その結果、高均一膜と高生産性を同時に達成することができる上に、更に、薄膜処理装置の小型化も可能となる。

また、本願の請求項３に係る薄膜処理装置は、上記本願の請求項１又は２に係る薄膜処理装置において、モジュールは固定ステージ側に外輪ギヤ、ワーク搭載側に内輪ギヤを具備していると好適である。

また、本願の請求項４に係る薄膜処理装置は、上記本願の請求項１〜３の何れか一項に係る薄膜処理装置において、モジュールのワークホルダ部に絶縁部材が用いられていると好適である。

また、本願の請求項５に係る薄膜処理装置は、上記本願の請求項１〜４の何れか一項に係る薄膜処理装置において、モジュールのワークを保持する表面はアルマイト処理が施されていていると好適である。

更に、本願の請求項６に係る薄膜処理装置は、上記本願の請求項１〜５の何れか一項に係る薄膜処理装置において、モジュールはワークの公転半径または自公転比をワークの自公転回転機構のみ交換可能されても好適である。

以上のように、本願発明に係る薄膜処理装置によれば、高均一膜と高生産性を同時に達成することが可能な薄膜処理装置を提供することができる。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１について、図１〜３を参照して説明する。

図１に、本発明の実施の形態１において用いたスパッタリング装置の断面図を示す。

図１において、スパッタ室１と、ロードロック室２は、真空仕切りバルブ３にて接続され、両室間は搬送機構４により自公転モジュール５が移動可能のように接続されている。自公転モジュール５にはラック６が搭載され、両室間は、回転するピニオンギア７からの駆動により搬送できる。また、ロードロック室２には、処理済みモジュールと処理前モジュールを同時に搭載できるように２段の搬送機構８が用意されている。

更に、スパッタ室１には、搬送機構４により到着したモジュールを保持する外串９があり、その内側にモジュール内のワーク１０を自公転させる回転駆動を伝達するための回転駆動部１１がある。回転駆動部１１には、回転機構ごと上下できるようシリンダーが接続されている。

また、スパッタ室１には排気用としてポンプ２１が接続され、プラズマ放電ガス導入用としてガス供給ライン２２が接続されている。スパッタ室１の上部には、ターゲット３１が取り付けたカソード３２があり、カソード３２は、絶縁体３３を介してスパッタ室１に固定され、電源３４に接続されている。

カソード３２の内部には、ターゲット３３表面に環状の水平磁界を発生させるマグネット３５が配置されている。カソード３２の位置については、ワーク１０内の膜厚均一性を向上させるため、自公転モジュール５の中心とカソード３２の中心をあえてずらす構造も可能である。

図３は、ワーク１０の自公転回転機構を具備したステージの詳細図である。

ワーク１０は、キャップ１２に取り付けられており、３００ｒｐｍ以上の高速回転時にもワーク１０が飛び出ないよう固定されている。また、自公転モジュール５内には、固定ベース１３に固定されて回転することのない外輪１４と、複数のワーク１０それぞれと回転する内輪１５が搭載され、それぞれの回転部にはベアリング１６が用いられている。回転ベース１７上には、内外輪ギヤなどへの膜付着とプラズマ回りこみを防止する天板１８が設置され、回転ベース１７と共に回転する。天板１８には絶縁処理と防着機能を持たすため、ＡＬメタリコン膜を溶射後、天板全体をアルマイト処理を実施してある。

上記の構成により、自公転モジュール５は小型にすることができると共に、自公転モジュール５まるごとロードロック室２とスパッタ室１を容易な搬送効機構４にて移動させることもでき、その結果、スパッタリング装置全体としても小型化が図れる。

なお、スパッタリング装置サイズ例としては、自公転モジュール５は、２００ｍｍ×２００ｍｍ、ターゲット３１のサイズは、Φ２００ｍｍ、スパッタ室１のサイズは、６００×８００×Ｈ３００などが挙げられる。今回の図では、ターゲットとして丸型を示したが、角型でも良い。例えば１２５×３００などが挙げられる。

また、カソード３２についても、今回は１カソードにしているが、複数のカソードをスパッタ室１上に搭載することにより、多層膜の形成などにも本スパッタリング装置を用いることができる。また、キャップ１２の下部及び天板１８の取り付け面には、セラミックなど絶縁ブッシュ１９が設置されており、ワーク１０部のフローティング化や内輪ギヤ１５などへのプラズマ熱の防止をすることにより、ベアリング１６などが高温になることがなく膨張などが少ない為、高速回転を実施しても安定した回転が得られる。

また、図４は、図３に比べワーク１０を搭載するキャップ１２の公転半径を変更した図である。図４で示したように、自公転モジュール５内の外輪ギヤ１４‘と内輪ギヤ１５’および回転ベース１７‘を変更することにより、容易にキャップ１２の公転半径を容易に変更することができる。これにより、ワーク１０上に形成させる膜の均一性の制御を装置内の構成部品を変更することなく、実施することができる。
１８

１４‘

以上の装置構成とし、動作について図１〜３を用いて詳しく説明する。

処理前ワーク１０を搭載した自公転モジュール５があるロードロック室２はポンプ（図示せず）により真空排気され、数Ｐａ以下まで減圧される。そして高真空に排気されたスパッタ室１間の真空仕切りバルブ３が開き、自公転モジュール５は、ラックピニオンの搬送機構４によりスパッタ室１へ搬送される。停止位置まで搬送された自公転モジュール５は、まず、回転駆動部１１が上昇し、固定ステージ１３は外串により回転しないよう固定される。そして回転駆動部１１がさらに上昇し、回転ベース１７下部に接続され、回転駆動が回転ベース１７へ伝達される。外輪ギヤ１４を搭載した固定ベース１３は回転をせず、内輪ギヤ１５を搭載した回転ベース１７のみが回転するため、ワーク１０自身は、自公転を開始する。

そしてガス導入機構２２からＡｒガスやＯ₂ガス、または混合ガスが導入され、数ｍＴｏｒｒ圧力に調整される。この状態でカソード３２に接続された電源３４よりＤＣまたはＲＦが印加され、スパッタリングが開始される。この時、ワーク１０は高速で自公転しており、現状６００ｒｐｍほどで高速回転しており、ワーク１０内の膜厚均一性±０．５％以下の均一な膜がワーク１０上に形成される。高速回転することにより、１０ｎｍ以下の薄い膜の形成においても高均一膜が、高精度で実現することができる。

また、このスパッタリングプロセス中に、ロードロック室２は、大気圧までもどされ、さらに処理前ワーク１０の搭載されたモジュールが仕込まれ、真空排気を再度開始する。

スパッタ室１にて所定のスパッタリングが終了後、回転駆動部１１が下降し、固定ベース１３を固定していた外串９もはずれ自公転モジュール５はフリーの状態になり、搬送機構４によりラック６ピニオンギア７を介してロードロック室２へ搬送される。ロードロック室２では、搬送機構４が下降し、処理前ワーク１０を搭載した自公転モジュール５が搬送機構４により、スパッタ室１へ搬送され、上記と同様にスパッタリング処理を実施される。

以上述べた本発明の実施の形態において、ワークの自公転機構を具備したモジュールを装置とは独立したモジュールとして搬送することにより、高均一性と高生産性を達成することができる。

本願発明のスパッタリング装置は、高品質膜が要求される電子部品や光学部品などに適用可能である。

本発明の第１の実施形態で用いたスパッタリング装置の断面図本発明の第１の実施形態で用いた自公転モジュール上面図本発明の第１〜４の実施形態で用いたスパッタ室断面図本発明の第５の実施形態を用いたスパッタ室断面図従来例で用いたスパッタリング装置の構成を示す断面図

符号の説明

１スパッタ室
２ロードロック室
３真空仕切りバルブ
４搬送機構
５自公転モジュール
９外串
１０ワーク
１１回転駆動部
１２キャップ
１４外輪ギヤ
１５内輪ギヤ
１８天板
１９絶縁ブッシュ

Claims

スパッタ室と、ターゲットを保持するカソードと、前記カソードに接続された電源と、前記スパッタ室と隣接しかつ気密的に仕切るバルブ機構を介して設けられたロードロック室と、前記スパッタ室内に配置されかつ複数のワークを保持可能な機構を有すると共に着脱可能なモジュールと、前記モジュールを前記スパッタ室とロードロック室との間で搬送する搬送機構とで構成される薄膜処理装置であって、
前記モジュールは前記カソードと対向して配置されかつ複数のワークをそれぞれ自公転させる回転ギヤ機構を具備し、前記スパッタ室は前記モジュールを保持する保持機構を有すると共に前記ワークを自公転させる回転駆動を伝達可能な回転機構を具備し、かつ、モジュールの幅長は、カソードのうちターゲットを保持する面の幅長と略同一であり、前記モジュールの中心と前記カソードの中心とがずれて構成されること
を特徴とする薄膜処理装置。
モジュールは固定ステージ側に外輪ギヤ、ワーク搭載側に内輪ギヤを具備すること
を特徴とする請求項１に記載の薄膜処理装置。
モジュールのワークホルダ部に絶縁部材が用いられること
を特徴とする請求項１または２に記載の薄膜処理装置。
モジュールのワークを保持する表面はアルマイト処理が施されていること
を特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の薄膜処理装置。