JP5132959B2 - 真空処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体・薄型ディスプレイ・太陽電池デバイス製造における薄膜形成プロセスに係る真空処理装置に関する。

従来、この種の真空処理装置としては、例えば図５の符号１０１に示すようなものが知られている。
この真空処理装置１０１は、真空槽１０２と、シャワーヘッド１０４と、基板ホルダ１０５とを有している。真空槽１０２は、ここでは有底の容器状に形成されている。

シャワーヘッド１０４は、上部電極１２０と、電極枠１２１と、シャワープレート１２２とを有している。上部電極１２０とシャワープレート１２２は板状であり、電極枠１２１はリング状である。ここでは、上部電極１２０は真空槽１０２の開口よりも大きく形成されており、真空槽１０２の開口の上端に絶縁部材１０３を介して上部電極１２０が気密に載せられている。

電極枠１２１の材料は導電性を有しており、例えばニッケル系耐熱合金が用いられている。電極枠１２１の表面と裏面のうち、片側の面は上部電極２０ａの表面と接触されており、反対側の面はシャワープレート２２ａと接触されており、電極枠１２１によって上部電極１２０とシャワープレート１２２は電気的に接続されている。

上部電極１２０は高周波電源１１７に接続されており、高周波電源１１７から上部電極１２０に電圧を印加すると、電極枠１２１を通してシャワープレート１２２に電圧が印加されるように構成されている。
シャワープレート１２２の鉛直下方位置であって、真空槽１０２の内側の底面上には基板ホルダ１０５が配置されている。基板ホルダ１０５の内部には加熱手段１１８が設けられており、処理対象物１３５を加熱できるように構成されている。

この真空処理装置１０１を使ってＣＶＤ成膜処理をする場合、基板ホルダ１０５の加熱手段１１８に通電し、処理対象物１３５を加熱する。処理対象物１３５が高温になると、処理対象物１３５から熱が放射され、シャワープレート１２２の基板ホルダ１０５側の表面が加熱される。

このような構成では、シャワープレート１２２に伝導した熱の大部分は、電極枠１２１を通してシャワープレート１２２から上部電極１２０に伝導し、上部電極１２０から放熱されるから、電極枠１２１に接しているシャワープレート１２２の周辺部が中心部に比べて冷却されやすい。従って、シャワープレート１２２は中心部が高温で、周辺部が低温の状態になり、シャワープレート１２２における面内温度分布が不均一になる。シャワープレート１２２の面内温度分布が不均一になると、シャワープレート１２２には内部応力が生じ、シャワープレート１２２を変形させる原因となっている。

上部電極１２０と絶縁部材１０３との間にはＯリング１２６が配置されている。上部電極１２０の外周内部には、流路１２５が設けられている。Ｏリング１２６の熱による劣化を防ぐために、流路１２５には冷媒が流され、冷媒は上部電極１２０の外周部付近の熱を吸収し、Ｏリング１２６は冷やされる。この場合、シャワープレート１２２から上部電極１２０への熱流が大きくなり、シャワープレート１２２の中心部と周辺部の温度差はますます大きくなる。
特開２００６−３２４０２３号公報

本発明は、このような従来の技術の課題を考慮してなされたもので、その目的とするところは、シャワープレートの面内温度分布を高温で均一に保ち、不均一な温度分布が原因で生じる内部応力によるシャワープレートの変形を防いだシャワーヘッドを有する真空処理装置を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明は、有底の容器状に形成され底面を下方に開口を鉛直上方に向けた真空槽と、シャワーヘッドとを有し、前記シャワーヘッド内部に配置された充満空間にプロセスガスが導入されると、前記プロセスガスは、前記シャワーヘッドの表面の前記真空槽底壁側に位置するシャワープレートから前記真空槽の内部に噴出されるように構成された真空処理装置であって、前記シャワーヘッドは、前記シャワープレートに密着して配置され、断熱性を有する電気絶縁性材料で構成されたリング形状の絶縁枠と、前記絶縁枠に密着して配置され、前記シャワープレートとは離間された上部電極とを有し、前記絶縁枠の表面には、前記シャワープレートと前記上部電極を電気的に接続する通電手段が配置され、前記上部電極は、前記真空槽の開口の上端に気密に載せられ、前記真空槽の前記上部電極と接する部分には電気絶縁性の絶縁部材が設けられ、前記上部電極と前記絶縁部材の間にはＯリングが配置され、前記上部電極には前記Ｏリングを冷却する冷媒用の流路が設けられた真空処理装置である。
また、本発明では、前記通電手段は、リング状に形成され、前記リングの一辺が前記シャワープレートに接続され、反対側の辺が前記上部電極に接続された真空処理装置である。
また、本発明では、前記充満空間は、前記上部電極と、前記絶縁枠と、前記シャワープレートで取り囲まれた真空処理装置である。

本発明によれば、シャワープレートの面内温度分布が高温で均一に保たれ、シャワープレートの変形が起こりにくい。

図１は、本発明の真空処理装置１０の断面図である。
この真空処理装置１０は、真空槽１１と、シャワーヘッド１２ａとを有している。真空槽１１は、ここでは有底の容器状に形成されており、底面を下方に、開口を鉛直上方に向けられている。
シャワーヘッド１２ａは、上部電極２０ａと、絶縁枠２１ａと、シャワープレート２２ａとを有している。
上部電極２０ａは板状で、ここでは真空槽１１の開口よりも大きく形成されており、真空槽１１の開口の上端に気密に載せられている。

絶縁枠２１ａはリング形状（ここでは円筒形状）であり、円筒の両端のうち一端が、上部電極２０ａの表面のうち真空槽１１の底面に向けられた表面に上部電極２０ａと平行な状態で固定されており、他端にはシャワープレート２２ａが絶縁枠２１ａと平行な状態で固定されている。従って、シャワープレート２２ａは、絶縁枠２１ａによって上部電極２０ａからつり下げられている。絶縁枠２１ａは、セラミック等の熱伝導率の低い材質である。

絶縁枠２１ａの上部は上部電極２０ａと密着されていて、下部はシャワープレート２２ａと密着されており、上部電極２０ａとシャワープレート２２ａの間の空間は、絶縁枠２１ａによって取り囲まれて、充満空間２４が形成されている。充満空間２４には、ガス供給系１６が接続されている。ガス供給系１６のバルブを開けると、充満空間２４にプロセスガスが充満され、シャワープレート２２ａの厚み方向を貫通する孔２３より真空槽１１内にプロセスガスが噴出される。

真空槽１１と上部電極２０ａの間には絶縁部材１３が設けられている。絶縁部材１３は枠状で、真空槽１１の開口と同程度の大きさに形成されている。絶縁部材１３によって、シャワーヘッド１２ａと真空槽１１は電気的に離されている。
絶縁枠２１ａのリング外周の表面には、通電手段３０ａが配置されている。通電手段３０ａは導電性を有しており、厚さができるだけ薄く形成されている。通電手段３０ａは、ここでは円筒形状にされたアルミニウムの薄板で、内側には絶縁枠２１ａが配置されている。

通電手段３０ａの上端は上部電極２０ａと接触し、下端はシャワープレート２２ａと接触しており、上部電極２０ａとシャワープレート２２ａとは通電手段３０ａによって電気的に接続され、シャワープレート２２ａに電圧が均等にかかるようにされている。

この通電手段３０ａの上端と下端には、通電手段３０ａとは垂直に第一、第二の接続部３１ａ、３２ａが取り付けられている。第一の接続部３１ａは、真空槽１１の外側に向いており、上部電極２０ａと絶縁部材１３の間に挿入されて固定されている。第二の接続部３２ａは、真空槽１１の内側に向いており、絶縁枠２１ａとシャワープレート２２ａの間に挿入されて固定されている。第一、第二の接続部３１ａ、３２ａは通電手段３０ａと同じ材料であり、一体に形成されている。従って、通電手段３０ａは、第一、第二の接続部３１ａ、３２ａにおいても、上部電極２０ａとシャワープレート２２ａとは電気的に接続されている。
上部電極２０ａは高周波電源１７に接続されている。高周波電源１７から上部電極２０ａに電圧を印加すると、上部電極２０ａから通電手段３０ａを通してシャワープレート２２ａに電圧が印加できる。

本発明の真空処理装置１０を用いて成膜処理をする場合について説明する。
真空槽１１には、真空排気系１５が接続されている。真空排気系１５によって、真空槽１１内部を真空排気する。
シャワープレート２２ａの鉛直下方位置であって、真空槽１１の内側の底面上には、基板ホルダ１４が配置されている。基板ホルダ１４は加熱手段１８を有しており、加熱手段１８に通電し、予め基板ホルダ１４を加熱しておく。

符号３５は、基板ホルダ１４上に配置された処理対象物であり、基板ホルダ１４で加熱されている。
処理対象物３５が所望の温度になったところで、ガス供給系１６のバルブを開けると、充満空間２４ａがプロセスガスで充満され、孔２３を通じて真空槽１１内部にプロセスガスが導入される。

真空槽１１と基板ホルダ１４を同じ接地電位に置き、上部電極２０ａに交流電圧を印加すると、通電手段３０ａを通じてシャワープレート２２ａに交流電圧が印加され、シャワープレート２２ａと基板ホルダ１４との間に放電が起き、処理対象物３５側にプロセスガスのプラズマが発生する。

プラズマが発生すると、シャワープレート２２ａに電流が流れる。シャワープレート２２ａの外周は全周で円筒状の通電手段３０ａに接触されている。従って、電流はシャワープレート２２ａの外周の全周から流入、又は流出する。シャワープレート２２ａに電流が流れると、基板ホルダ１４側に均一なプラズマが形成される。

プラズマが形成されると、処理対象物３５の表面上に薄膜が成長し始める。
薄膜が成長している間、高温の処理対象物３５から熱が放射され、シャワープレート２２ａの基板ホルダ１４側の表面に伝導し、プラズマを長時間形成し続けると、シャワープレート２２ａが高温に加熱される。

絶縁枠２１ａは断熱性を有しているから、シャワープレート２２ａの周辺部から絶縁枠２１ａを通して上部電極２０ａへほとんど熱は流れない。また、通電手段３０ａは厚さをできるだけ薄くされており、熱抵抗が大きいから、この部分での熱の伝導は僅かである。従って、シャワープレート２２ａの周辺部では温度がほとんど低下せず、全体で面内温度が概ね均一に保たれるから、シャワープレート２２ａは変形しない。

薄膜が所定の膜厚に成長したところで上部電極２０ａへの交流電圧の印加を停止し、ガス供給系１６からのプロセスガスの供給を停止し、成膜された処理対象物３５を搬出し、成膜処理を終了する。
絶縁枠２１ａには、熱伝導率が低く、プロセスガスによって腐食されにくいものであることが望ましく、アルミナセラミックスやセラミックの内部に気泡を多く生成させたポーラス系材料等を用いることができる。

通電手段３０ａには金属薄板を用いることができ、その厚さは、使用する金属の導電率と周波数から計算される表皮深さよりも厚いものであればよい。例えばアルミニウムを用いた場合、周波数は２７．１２ＭＨｚとして表皮深さは５μｍ程度である。従って、通電手段３０ａは少なくともこの厚さ以上が必要である。断熱の観点から、通電手段３０ａの断面積は小さい方が望ましい。しかし、あまりに薄い、例えば箔状であると取り付け時に破損するおそれがあるから、０．１〜３ｍｍ程度の厚さにすることが望ましい。シャワープレート２２ａは絶縁枠２１ａによって支持されているから、通電手段３０ａは、機械的強度が低くてもよく、薄く形成できる。
通電手段３０ａは、ここではアルミニウムの薄板を用いたが、上記実施例に限らず、プロセスガスによって腐食されにくく、導電率のよい材料を用いることができる。

なお、絶縁部材１３上に位置する上部電極２０ａの外周内部には、流路２５が設けられている。上部電極２０ａと絶縁部材１３との間にはＯリング２６が配置されている。Ｏリング２６の熱による劣化を防ぐため、流路２５には冷媒が流され、冷媒は上部電極２０ａの外周部付近の熱を吸収し、Ｏリング２６が冷やされる。冷媒によって上部電極２０ａの温度は低下する。本発明の場合、絶縁枠２１ａによって上部電極２０ａとシャワープレート２２ａは断熱されているから、流路２５に冷媒を流しても、シャワープレート２２ａの周辺部は冷やされない。

なお、上記実施例では、通電手段３０ａは絶縁枠２１ａのリング外周の表面に配置したが、それに限らず、絶縁枠２１ａのリング内周の表面に配置してもよい。
また、上記実施例では、真空槽１１と基板ホルダ１４を接地電位に置き、シャワーヘッド１２ａに電圧を印加していたが、シャワーヘッド１２ａを接地電位に置いて、基板ホルダ１４に交流電圧を印加してもよい。

上記実施例では、上部電極２０ａから円筒形の絶縁枠２１ａによってシャワープレート２２ａがつり下げられていたが、本発明ではそれに限らず、図２に示すように、真空槽１１の側壁面に、リング形状の絶縁枠２１ｂのリング外周を固定し、リングの内周に板状のシャワープレート２２ｂの表面が露出するようにリング内周付近の側面に固定してもよい。ここではシャワープレート２２ｂの外周の表面が絶縁枠２１ｂのリング内周の表面に固定されている。

この場合、通電手段３０ｂは、基板ホルダ１４とは反対側の絶縁枠２１ｂの表面上であって、上部電極２０ｂとシャワープレート２２ｂを接続する位置に配置することができる。通電手段３０ｂはリング状であり、絶縁枠２１ｂのリング外周は全周で上部電極２０ｂと接触され、リング内周は全周でシャワープレート２２ｂと接触され、シャワープレート２２ｂに均等に電圧がかけることができる。
なお、基板ホルダ１４側の絶縁枠２１ｂの表面であって、上部電極２０ｂとシャワープレート２２ｂを接続する位置に通電手段３０ｂを配置してもよい。

上記実施例おいて、シャワープレート２２ｃの中心部に対して周辺部の温度が低くなってしまう場合、図３のように、シャワープレート２２ｃの外周内部、特に絶縁枠２１ｃの内周よりも外側であって、絶縁枠２１ｃと接続された部分に発熱体３６を配置してもよい。発熱体３６に通電し、発熱体３６が発熱すると、シャワープレート２２ｃの周辺部が加熱され、シャワープレート２２ｃの周辺部の温度が上がり、シャワープレート２２ｃの中心部と周辺部の温度差を小さくできる。本発明では、シャワープレート２２ｃと上部電極２０ｃの間に絶縁枠２１ｃが配置されているから、発熱体３６の定常出力を小さくできる。

また、シャワープレート２２ｄから上部電極２０ｄへの熱の輻射が大きい場合は、図４のように、上部電極２０ｄの充満空間２４ｄに面する表面上に鏡からなる反射板５０を配置してもよい。反射板５０は、充満空間２４ｄに露出された上部電極２０ｄの表面と同程度の大きさに形成されている。反射板５０はシャワープレート２２ｄで輻射された熱をシャワープレート２２ｄ側に反射し、シャワープレート２２ｄから上部電極２０ｄへの熱の伝導を抑制することができる。
なお、上記実施例では、上部電極２０ａ〜２０ｄによって真空槽１１の天井が構成されていたが、上部電極２０ａ〜２０ｄとは別に天井を設け、真空槽１１の内部にシャワーヘッド１２ａ〜１２ｄ全体を配置してもよい。

本発明の真空処理装置を説明するための断面図 絶縁枠を真空槽の側壁面に配置した場合の真空処理装置を説明するための断面図 発熱体を設けたシャワーヘッドを説明するための部分拡大図 反射板を設けたシャワーヘッドを説明するための部分拡大図 従来の真空処理装置を説明するための断面図

符号の説明

１０…真空処理装置 １１…真空槽 １２ａ〜１２ｄ…シャワーヘッド ２０ａ〜２０ｄ…上部電極 ２１ａ〜２１ｄ…絶縁枠 ２２ａ〜２２ｄ…シャワープレート ２４ａ〜２４ｄ…充満空間 ３０ａ〜３０ｄ…通電手段

Claims (3)

1. 有底の容器状に形成され底面を下方に開口を鉛直上方に向けた真空槽と、シャワーヘッドとを有し、
   前記シャワーヘッド内部に配置された充満空間にプロセスガスが導入されると、前記プロセスガスは、前記シャワーヘッドの表面の前記真空槽底壁側に位置するシャワープレートから前記真空槽の内部に噴出されるように構成された真空処理装置であって、
   前記シャワーヘッドは、前記シャワープレートに密着して配置され、断熱性を有する電気絶縁性材料で構成されたリング形状の絶縁枠と、前記絶縁枠に密着して配置され、前記シャワープレートとは離間された上部電極とを有し、
   前記絶縁枠の表面には、前記シャワープレートと前記上部電極を電気的に接続する通電手段が配置され、
   前記上部電極は、前記真空槽の開口の上端に気密に載せられ、
   前記真空槽の前記上部電極と接する部分には電気絶縁性の絶縁部材が設けられ、
   前記上部電極と前記絶縁部材の間にはＯリングが配置され、前記上部電極には前記Ｏリングを冷却する冷媒用の流路が設けられた真空処理装置。
2. 前記通電手段は、リング状に形成され、前記リングの一辺が前記シャワープレートに接続され、反対側の辺が前記上部電極に接続された請求項１記載の真空処理装置。
3. 前記充満空間は、前記上部電極と、前記絶縁枠と、前記シャワープレートで取り囲まれた請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の真空処理装置。

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