JP5815743B2 - 真空処理装置 - Google Patents

Description

本発明は真空処理装置に関する。特に、真空容器内で傾斜可能に設けられた基板ホルダーに保持された基板を冷却できる真空処理装置に関する。

基板ホルダーに保持された基板を冷却する成膜装置の冷凍機に、ＧＭ式の冷凍機を用いたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この成膜装置では、基板ホルダー内に冷凍機を配置し、基板を効率よく冷却できるように構成されている。冷凍機との間でヘリウムガスをやり取りする圧縮装置を真空容器の外部に配置し、冷凍機と圧縮装置とは、冷媒としてのヘリウムを移送するホースで接続されている。

特開２０１１−１４９１００号公報

特許文献１の技術では、基板ホルダーに冷凍機が内蔵されている構造のため、基板ホルダーを傾けるためには冷凍機をも傾けなければならない。冷凍機を傾ける場合は、冷凍機に連結されているホースが、基板ホルダーの傾きに応じて屈曲することになる。ここで、ホースはフレキシブルな素材で構成されているものの、内部のヘリウムガスによる高圧力に耐えられる構造になっている。すなわち、ホースは所定の曲率半径より小さな曲率半径での屈曲に対して弱い性質を持っている。そのため、冷凍機を傾ける場合にはホースの距離率半径を所定値以上に抑える必要がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、真空容器内で傾斜する基板ホルダーに保持された基板を冷却できる真空処理装置を提供することを目的にする。

本発明の真空処理装置は、内部で真空処理を可能とする真空容器と、ターゲットを取り付け可能なターゲットホルダーと、基板が保持される基板ホルダーと、ターゲットホルダーにターゲットが取り付けられた際に、基板ホルダーを回動軸まわりに回動させることで、基板ホルダーに保持された基板を前記ターゲットに対して傾斜させる傾斜手段と、基板ホルダーに設けられ、真空容器の外側に設けられた圧縮装置とともに作用することで、基板ホルダーに保持された基板を冷却する冷却装置と、圧縮装置と冷却装置との間で冷媒が移送される移送部と、真空容器の外側に設けられ、所定の曲率半径を越えない状態で移送部が収容される収容手段と、を備え、収容手段は、冷却装置と一端部が連結され、回動軸から所定距離離間した位置で他端部が移送部と連結され、基板ホルダーの回動動作に伴って回動する連結部と、連結部の回動動作に伴って、移送部を所定の曲率半径を越えない範囲で屈曲させて案内する第1のガイド部とを有することを特徴とする。

本発明の真空処理装置によれば、真空容器内で傾斜する基板ホルダーに保持された基板を冷却できる真空処理装置を提供できる。特に、ＧＭ式の冷凍機を用いて基板を冷却する基板ホルダーを備えているため、熱流入の比較的大きな真空プロセスや装置構成においても基板を傾けながら十分に冷却できる。

本発明のその他の特徴及び利点は、添付図面を参照とした以下の説明により明らかになるであろう。なお、添付図面においては、同じ若しくは同様の構成には、同じ参照番号を付す。

添付図面は明細書に含まれ、その一部を構成し、本発明の実施の形態を示し、その記述と共に本発明の原理を説明するために用いられる。
本発明の第１実施形態に係る真空処理装置の概略図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 図１のＢ−Ｂ断面図である。 本発明の第１実施形態に係る基板ホルダーを傾けたときのホースの状態を示す説明図である。 本発明の第２実施形態に係る真空処理装置の概略図である。 本発明の第２実施形態に係る基板ホルダーを傾けたときのホースの状態を示す説明図である。

以下に、本発明の各実施形態について図面に基づいて説明する。なお、以下に説明する部材、配置等は発明を具体化した一例であって本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨に沿って各種改変することができることは勿論である。各実施形態において、真空処理装置１としてスパッタリング装置を例にとって説明するが、他の蒸着装置やエッチング装置にも本発明を適用できることはもちろんである。

（第１実施形態）
第１実施形態に係る真空処理装置を図１〜４に基づいて説明する。図１は真空処理装置１の概略図、図２は図１のＡ−Ａ断面図であり、ホルダー回動軸Ｏに垂直な面での真空処理装置１中央部の断面概略図、図３は図１のＢ−Ｂ断面図であり、ホルダー回動軸Ｏに平行な重力方向の面での基板ホルダー１０の断面概略図である。また、図４は基板ホルダー１０を傾けたときのホース１７の状態を示す説明図である。

真空処理装置１は、スパッタリング装置であり、基板ホルダー１０がカソード５（ターゲットホルダー）に対して傾斜することにより、カソード５の対象ターゲットＴＧからスパッタされた被成膜物質（スパッタ粒子）が基板Ｗに入射する角度（入射角）を変化させることができる。真空処理装置１は、基板ホルダー１０とカソード５を真空容器３内に有している。

ターゲットホルダーとしてのカソード５は、カソード回転軸Ｃを回転軸として回転する回転カソードである。外周部に３つのターゲットＴＧを取り付けて、基板ホルダー１０に対向させることで成膜に使用するターゲットＴＧを選択することができる。ターゲットＴＧ表面に磁場を生じさせるマグネットがカソード５の内部に備えられている。基板ホルダー１０に対向させたターゲットＴＧに不図示の電源からの電力を印加することにより選択したターゲットＴＧをスパッタすることができる。また、カソード５を回転させて、基板ホルダー１０に保持された基板Ｗに対向するターゲットＴＧの相対角度を変化させることもできる。従って、カソード５の回転によっても、選択したターゲットＴＧからスパッタされた被成膜物質が基板Ｗに入射する角度を調整することができる。スパッタ粒子を基板Ｗに角度を付けて入射させることにより膜厚の均一化などが図れる。カソード５の周囲にはプロセスガスを導入する不図示のガス導入装置が設けられている。

基板ホルダー１０は、基板Ｗを保持するステージ１１（基板ステージ）を有しており、ホルダー回動軸Ｏ（回動軸）のまわりに回動する傾斜装置によって傾斜可能に構成されている。傾斜装置によって基板ホルダー１０は、ホルダー回動軸Ｏのまわりに回動され、ステージ１１上の基板ＷがターゲットＴＧと対向する相対角度を調整することができる。傾斜装置は、基板ホルダー１０をホルダー回動軸Ｏのまわりに回動動作させる装置であり、基板ホルダー１０と連結され、真空容器３に対して回動する回動部材１２を有している。傾斜装置は、回動部材１２の他に、回動部材１２を真空容器３に支持するベアリング、回動部材１２と真空容器３の接続部分をシールするシール機構、回動部材１２を回動させる駆動源、駆動源の回動角度を検知することで基板ホルダー１０の傾斜角度を検知するセンサー、センサーからの信号と予め入力された設定値とから駆動源を制御する制御装置を有して構成されている。カソード５の回転角度調整と傾斜装置によって、ターゲットＴＧから基板Ｗに入射するスパッタ粒子の相対角度（入射角度）を自由に調整することができる。

基板ホルダー１０の内部にはステージ１１を冷却する冷却装置としての冷凍機１３が備えられている。冷凍機１３は基板ホルダー１０内に取り付けられており、傾斜装置によって基板ホルダー１０とともに回動（傾斜）する。なお、基板ホルダー１０は内部が気密に構成されており、真空容器３内が真空雰囲気であっても基板ホルダー１０内部は大気圧に保持できる。

冷凍機１３（冷却装置）は、ＧＭ式の冷凍機である。ＧＭ式冷凍機は、冷凍機内部の蓄冷剤の入ったシリンダ内のピストン（ディスプレーサ）を上下駆動させてヘリウムガスを断熱膨張させることで極低温まで冷却できる冷凍機であり、圧縮装置２７とともに使用（作用）する。本実施形態では冷媒としてヘリウムガスを用いている。真空容器３の外側には図３に模式的に示すように圧縮装置２７が配置されている。冷凍機１３のシリンダ内で、圧縮装置２７から供給された高圧ヘリウムガス（高圧冷媒）を膨張させて冷凍機１３に連結されたステージ１１を介して基板Ｗを冷却する。冷凍機内で膨張した低圧ヘリウムガス（低圧冷媒）は圧縮装置に回収され、圧縮装置内で高圧ヘリウムガスとして圧縮される。

冷凍機１３と圧縮装置の間は、高圧ヘリウムガスを移送できるホース（移送部）１７を介して接続されている。ホース１７は圧縮装置から冷凍機１３に高圧ヘリウムガスを供給する供給ホースと、冷凍機１３から圧縮装置にヘリウムガスを戻す回収ホースとから構成されている。また、冷凍機１３には２つのホース１７とそれぞれ連結される連結部１５が設けられている。具体的には、連結部１５は冷凍機１３のシリンダ内に通じる不図示の移送口に連結されている。そして、連結部１５を介して、移送口からシリンダ内に高圧ヘリウムガスを供給し、シリンダ内で膨張した低圧ヘリウムガスを他の移送口から冷凍機１３の外部に排出する。連結部１５は剛性の金属製管状部材であり、基板ホルダー１０に伴って回動（傾斜）する。

なお、ホース１７の屈曲使用時に耐久できる曲率半径は、固定使用時に耐久できる曲率半径と比較して大きくなる。そのため、繰り返しの屈曲される用途で使用されるホースは、所定の範囲で曲率半径を制御する必要がある。すなわち、真空処理装置１においてホース１７を屈曲させて使用する際には、耐久使用できる所定の曲率半径を越えない範囲の曲率半径で使用することが望ましい。

真空容器３の大気側の側面には、ホース１７をホルダー回転軸Ｏの回りに渦巻状に配置して収容する収容装置（収容手段）が設けられている。ホース１７は、基板ホルダー１０の傾斜する動作に伴って回転屈曲などして動く。そのため、収容装置は、ホース１７の曲率半径や引回しの道筋を規制し、基板ホルダー１０の傾き状態に係らず、ホース１７が所定の曲率半径を越えて屈曲されないようにする装置である。また、収容装置は、ホース１７が動く際の摩擦や外部応力も低減する。

収容装置は、連結部１５とローラーガイド（第１のガイド部）１９とを少なくとも備えている。ホース１７は、基板ホルダー１０の回動方向にならって屈曲されて渦巻き状に巻かれている。図１の配置では、基板ホルダー１０がターゲットＴＧに対して傾斜される際の回動方向は右方向なのでホース１７は右巻きである。なお、ホルダー回動軸Ｏが通過する真空容器３の逆側面に収容装置を配置した場合には回動方向は左方向になるのでホース１７は左巻きになる。このような方向にホース１７を屈曲させることで、真空容器３の側壁の寸法に合わせてホース１７を収容できる。また、基板ホルダー１０の傾き角度が０°のときにホース１７に弛みが少ない配置になるためホース１７のメンテナンス作業が容易になる。

連結部１５は、上述のように冷凍機１３に連結された管状部材であり、ホース１７の引回しの始点位置Ｓを決定する部材である。また、連結部１５は、基板ホルダー１０の傾斜する動作の際に発生する曲げや捩れ方向の応力に耐えられる強度を有している。連結部１５の一端には冷凍機１３が連結され、他端部にはホース１７が連結されている。なお、冷凍機１３とは真空容器３の内側で連結され、ホース１７とは真空容器３の外側で連結されている。

ローラーガイド１９を構成する各ローラーは、ベアリングを介して真空容器３の外壁面に支持された円筒部材である。ホース１７が接触移動した際にローラーが滑らかに回転し、ホース１７との抵抗を小さくする。そのため、基板ホルダー１０の傾斜する動作を滑らかに行うことができる。ローラーの一部にはホース１７の支持溝が形成してあり、ホース１７が所定の道筋から外れないようになっている。

第１のガイド部としてのローラーガイド１９は、真空容器３の外壁にホース１７を引回して収容する道筋に沿って並べて設けられる複数のローラーを有している。ローラーガイド１９によって、基板ホルダー１０の回動に伴って移動するホース１７は、所定の曲率半径を越えない状態で屈曲され、渦巻状に案内されて収容される。

ホース１７の一端部は、ホルダー回転軸Ｏから径方向に所定距離離間した位置（始点位置Ｓ）で連結部１５と連結されている。このため、ホース１７の一端部は連結部１５から回動方向に力が伝達される。従って、収容装置に収容されるホース１７は、始点位置Ｓとホルダー回転軸Ｏとの距離以上の曲率半径となる。ここで、ホース１７が十分耐久使用できる曲率半径となるように、始点位置Ｓとホルダー回転軸Ｏの距離（所定距離）が決定される。

真空容器３の外壁には、終端固定部２１（固定部）が真空容器３の所定位置に固定されている。終端固定部２１は、連結部１５に連結されたホース１７の逆側が接続される部材であり、収容装置内でのホース１７の引回しの終点位置Ｌを決定する部材である。終端固定部２１に固定されたホース１７の終端は、さらに別のホースに接続されて圧縮装置に接続されている。終端固定部２１によってホース１７の終点位置Ｌが固定される。そのため、終点位置Ｌから圧縮装置までに設置されるヘリウムガス移送用のホースは基板ホルダー１０の動作によっては動かないため取り回しが容易になる。

さらに、真空容器３の外壁には、ホース１７を収容する道筋を保護するカバー（カバー部材）２３が設けられている。カバー２３は、ローラーガイド１９の終端ローラー１９ａと終端固定部２１との間に位置するホース１７が、予想外の外部応力で変形しないように保護するものである。

図４に基づいて収容装置の動作を説明する。図４の４ａと４ｂは、それぞれ基板ホルダー１０の傾き角度が、０°と１２０°のときのホース１７の状態を示す説明図である。基板ホルダー１０は、傾き０°から１２０°の任意の角度に設定することができる。基板ホルダー１０の傾き角度によらず、ホース１７の引回しの終点位置Ｌに変化はない。しかし、傾き角度が０°から１２０°になると、ホース１７の引回しの始点位置ＳはＳ１からＳ２に移動する。連結部１５は剛性部材であるため、基板ホルダー１０の傾斜する動作に同期して回動する。そのため、基板ホルダー１０の傾斜する動作に伴ってホース１７の始点位置Ｓには、Ｓ１からＳ２に移動させる応力が加わる。ホース１７の始点位置ＳがＳ１からＳ２に変化するに伴い、ホース１７はローラーガイド１９に沿って屈曲されながら移動する。

ローラーガイド１９の終端ローラー１９ａから終端固定部２１までは、ローラーは配置されておらず、ホース１７が他の部材から応力を受けない部分である。そして、ホース１７の始点位置Ｓの変化に伴い、終端ローラー１９ａから終端固定部２１までに位置するホース１７の長さが変化する。すなわち、基板ホルダー１０の傾きが０°のとき（図４の４ａ参照）は、ホース１７は基準線Ａ（図４参照）を超えない配置であるが、傾きが１２０°のとき（図４の４ｂ参照）は基準線Ａを超える位置までホース１７が展開する。そして、基板ホルダー１０の傾斜角度によらず、終端ローラー１９ａから終端固定部２１までに展開されるホース１７は耐久使用できる曲率半径になっている。また、ローラーガイド１９により案内される部分のホース１７は、耐久使用できる曲率半径とされている。すなわち、基板ホルダー１０の傾き角度に係らず、ホース１７は所定の曲率半径を超えないように屈曲した状態でホース１７を収容することができる。

本発明によれば、真空容器３内でターゲットＴＧに対して傾斜可能に備えられた基板ホルダー１０に保持された基板Ｗを冷却するために、基板ホルダー１０内にＧＭ式の冷凍機１３を備える真空処理装置１を提供することができる。真空処理装置１は、冷凍機１３としてＧＭ式の冷凍機を用いるため、熱流入の比較的大きな真空プロセスや装置構成においても基板Ｗを傾けながら十分に冷却できる。さらに、真空処理装置１は、ホース１７を十分大きな曲率半径で収納することができるためホース１７に負荷をかけることがなく、メンテナンス間隔を長くすることができる。

（第２実施形態）
第２実施形態に係る真空処理装置を図５，６に基づいて説明する。第１実施形態の構成要素と同一の構成要素については同一の参照番号を付して説明を省略する。本実施形態と上述した第１の実施形態との主な違いは、本実施形態に係る真空処理装置２の収容装置がローラーの一部に換えて回転ガイド２５（第２のガイド部）を備えていることである。

第２のガイド部としての回転ガイド２５は、連結部１５を傾斜する動作に伴って回動する円弧状に湾曲した板状部材であり、基板ホルダー１０の傾きに応じて、湾曲した板状部分にホース１７を接触させて案内できる。回転ガイド２５は、ホース１７が耐久使用できる曲率半径に構成されている。また、回転ガイド２５とホース１７を挟んで対向する位置には、ローラーガイド１９（第１のガイド部）を構成するローラーの一部が設けられており、回転ガイド２５とローラーによってホース１７が案内される。また、回転ガイド２５に対向しない部分のローラーガイド１９であって、終端固定部２１側では第１の実施形態と同様にホース１７を挟み込むようにローラーが配置されている。従って、回転ガイド２５によって、ホース１７は、ローラーガイド（第１のガイド部）１９に案内される。

また、回転ガイド２５に、連結部１５との接続部分近傍のホース１７を固定すると、基板ホルダー１０を傾けた際、ホース１７と連結部１５との接続部分に加わる曲げ応力を緩和することができる。また、ローラーガイド１９の設置ではローラー間に隙間が生じるため、その区間でホース１７の曲率半径が変化するが、回転ガイド２５を用いることにより、ローラー間でのホース１７の曲率半径の変化をなくすことができる。

図６に基づいて回転ガイド２５の効果を説明する。基板ホルダー１０は、傾き０°から１２０°の任意の角度に設定することができる。基板ホルダー１０の傾きが０°のとき（図６の６ａ）には、回転ガイド２５の板状部分の大部分にホース１７が接している。そのため、回転ガイド２５が配置されている部分では、ホース１７は回転ガイド２５の曲率半径を超えない。一方、連結部１５との接続部分近傍のホース１７が回転ガイド２５に固定されている。そのため、基板ホルダー１０の傾きが１２０°のとき（図６の６ｂ）でも、連結部１５との接続部分近傍のホース１７に負荷される応力が変化せず、基板ホルダー１０の傾斜により、連結部１５との接続部分近傍のホース１７の曲率は変化しない。すなわち、基板ホルダー１０の回動動作によるホース１７の局所的な湾曲を防ぐことができる。

本実施形態の真空処理装置２は、上述した真空処理装置１と同様な効果を有している。特に、ホース１７を十分大きな曲率半径で収納することがより確実にできる。また、基板ホルダー１０の回動動作によるホース１７の局所的な湾曲を防ぐことができる。そのため、メンテナンス間隔を長くすることができる。

本発明は上記実施の形態に制限されるものではなく、本発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、本発明の範囲を公にするために、以下の請求項を添付する。

本願は、２０１１年１２月２８日提出の日本国特許出願特願２０１１−２８７４４５を基礎として優先権を主張するものであり、その記載内容の全てを、ここに援用する。

Claims (4)

1. 内部で真空処理を可能とする真空容器と、
   ターゲットを取り付け可能なターゲットホルダーと、
   基板が保持される基板ホルダーと、
   前記ターゲットホルダーにターゲットが取り付けられた際に、前記基板ホルダーを回動軸まわりに回動させることで、前記基板ホルダーに保持された基板を前記ターゲットに対して傾斜させる傾斜手段と、
   前記基板ホルダーに設けられ、前記真空容器の外側に設けられた圧縮装置とともに作用することで、前記基板ホルダーに保持された基板を冷却する冷却装置と、
   前記圧縮装置と前記冷却装置との間で冷媒が移送される移送部と、
   前記真空容器の外側に設けられ、所定の曲率半径を越えない状態で前記移送部が収容される収容手段と、を備え、
   前記収容手段は、
   前記冷却装置と一端部が連結され、前記回動軸から所定距離離間した位置で他端部が前記移送部と連結され、前記基板ホルダーの回動動作に伴って回動する連結部と、
   前記連結部の回動動作に伴って、前記移送部を所定の曲率半径を越えない範囲で屈曲させて案内する第１のガイド部と、を有することを特徴とする真空処理装置。
2. 前記移送部の一端部を前記真空容器の外側の所定位置に固定する固定部を備えることを特徴とする請求項１に記載の真空処理装置。
3. 前記収容手段は、前記基板を傾斜する動作に伴って回動し、前記第１のガイド部に案内されるように前記移送部を案内する第２のガイド部を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の真空処理装置。
4. 前記移送部は、前記基板ホルダーが回動動作する際の回動方向にならって屈曲されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の真空処理装置。

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