JP6053117B2

JP6053117B2 - 真空処理装置

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Publication number: JP6053117B2
Application number: JP2012200895A
Authority: JP
Inventors: 嘉規大胡; 太田　淳; 淳太田
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2012-09-12
Filing date: 2012-09-12
Publication date: 2016-12-27
Anticipated expiration: 2032-09-12
Also published as: JP2014056944A

Description

本発明は、真空状態で基板を処理する真空処理室を備えた真空処理装置に関する。

従来から、例えば、半導体製造工程等において、種々の真空処理装置が利用されている。真空処理装置の一例としては、スパッタリング法や蒸着法等により膜を形成するための真空処理室を備えた真空成膜装置が挙げられる。また真空成膜装置としては、高タクト且つ真空一貫での成膜が可能であり、また設置面積を小さくすることができる等の理由から、インライン式、インターバック式又はマルチチャンバー式のものが生産現場において多く用いられている。

ところで、真空成膜装置においては、基板の温度制御が重要な要素である。例えば、成膜時の基板温度は、膜質に大きな影響を及ぼす。具体的には、酸化物透明半導体で知られているＩＴＯは、成膜温度によって薄膜構造がアモルファスから微結晶まで変化し、それに伴って硬度や比抵抗等の物理特性が変化する。したがって、真空処理装置において、基板温度は高精度に制御されていることが望ましい。

真空成膜装置において基板等の温度を制御する方法としては、近赤外線ランプによる輻射熱によって加熱する、シースヒーターによってチャンバー全体を加熱する、加熱ガスの導入による伝熱によって温調する、冷媒を金属物に流すことによって冷却する等の様々な方法がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−０４４５３７号公報

しかしながら、上記のような方法では、真空成膜装置における基板温度の制御が難しい場合がある。真空下における熱伝導は大気中に比べて劣るため、真空成膜装置において基板温度を所定温度に変化させるためには、大気中における基板温度の制御に比べて多くの電力量や時間を要するという問題がある。したがって、高タクトになると基板温度を制御するのが難しくなってしまう。

またインライン式やインターバック式等の装置には、１枚または複数枚の基板をトレイに搭載した状態で搬送するものがある。このような装置においては、トレイの温度が基板の温度に影響するため、特に、基板温度を制御するのが難しい。

勿論、このような問題は、基板に対して成膜処理を行う真空成膜装置だけでなく、基板に対して他の処理を行う真空処理装置においても、同様に生じる虞がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、基板温度を比較的容易且つ高精度に制御することができる真空処理装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の第１の態様は、基材に対して真空状態で所定の処理を行う真空処理室と、所定間隔で配された複数の回転部材を有し該回転部材を回転させることで前記回転部材上に載置された前記基材を少なくとも含む被処理部材を前記真空処理室内に搬送する搬送手段と、を備える真空処理装置において、前記真空処理室に設けられる温度制御部材を有し、該温度制御部材に前記被処理部材を接触させることで前記基材を加熱又は冷却する温度制御手段を備え、前記搬送手段が、回転中心から端面までの距離が変化する外形を有するカム状部材を前記回転部材として備え、当該カム状部材の回転に伴って前記被処理部材が前記温度制御部材に対して接離するように構成され、且つ前記回転部材に対向して設けられ、前記カム状部材の回転に伴って前記被処理部材が前記温度制御部材から離間した状態で当接するガイド部材を備えることを特徴とする真空処理装置にある。

本発明の第２の態様は、前記温度制御部材が、前記被処理部材の下面に当接するように前記真空処理室内に設けられていることを特徴とする第１の態様の真空処理装置にある。

本発明の第３の態様は、前記温度制御部材が前記カム状部材間に設けられ、前記温度制御部材の前記カム状部材の回転中心に対する下面の高さが、前記カム状部材の回転中心から端面までの最短距離以上最長距離以下であることを特徴とする第２の態様の真空処理装置にある。

本発明の第４の態様は、前記温度制御部材は、その内部に温調媒体が供給される供給路を備えていることを特徴とする第１〜３の何れか一つの態様の真空処理装置にある。

かかる本発明の真空処理装置によれば、真空下においても、基板の温度を短時間で所定温度に変化させることができる。したがって、高タクトになっても、基板温度を高精度に制御することができる。

本発明に係る真空処理装置の全体構成を示す概略図である。本発明に係る基板トレイを示す概略斜視図である。本発明に係る回転部材を示す概略図である。本発明に係る搬送室の構成を示す概略図である。本発明に係る成膜室の変形例を示す概略図である。本発明に係る搬送室の変形例を示す概略図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１に示すように、本実施形態に係る真空処理装置１０は、いわゆるインライン方式の真空成膜装置であり、複数の処理室を備えている。具体的には、真空処理装置１０は、基板（基材）Ｓを保持する基板トレイ（被処理部材）５０の搬送方向上流側（図中左側）から順に、ロードロック室１２と、加熱室１３と、成膜室１４と、搬送室１５と、アンロード室１６とを備えている。ロードロック室１２の上流側及びアンロード室１６の下流側、並びにロードロック室１２と、加熱室１３と、成膜室１４と、搬送室１５との間にはそれぞれゲートバルブ１７が設けられている。

ここで、真空成膜装置１０は、真空状態で基板Ｓに対して成膜処理を施すものであり、各室には、室内を真空状態に保持するための真空ポンプ１８がそれぞれ接続されている。加熱室１３、成膜室１４及び搬送室１５は、真空成膜装置１０が稼働されている間は常に真空状態に保たれている。

このような真空成膜装置１０では、まず基板Ｓが固定された基板トレイ５０をロードロック室１２の上流側のゲートバルブ１７を開いてロードロック室１２に搬送し、ゲートバルブ１７を閉じて真空ポンプ１８を稼働させロードロック室１２内を真空状態にする。次いで、ロードロック室１２の下流側のゲートバルブ１７を開いて加熱室１３へ基板トレイ５０を搬送する。この加熱室１３において各種ヒーター（例えば、シースヒーター）により基板トレイ５０に保持された基板Ｓを所定温度、例えば、２００℃程度まで加熱する。その後、基板トレイ５０を成膜室１４内に搬送して、例えば、スパッタリング法により基板Ｓの表面に薄膜を形成する。成膜処理が終了すると、基板トレイ５０を、搬送室１５に搬送する。詳しくは後述するが、本実施形態では、この搬送室１５において基板トレイ５０に保持された基板Ｓを所定温度、例えば、１００℃程度まで冷却している。その後、基板トレイ５０をアンロード室１６に搬送してアンロード室１６を大気圧に戻し、アンロード室１６の下流側のゲートバルブ１７を開放して基板トレイ５０を外部に取り出す。これにより真空成膜装置１０における一連の成膜処理が終了する。

なお基板Ｓが保持される基板トレイ５０は、例えば、図２に示すように、マトリクス状に配された複数の凹部５１を備え、各凹部５１に基板Ｓが保持されるように構成されている。つまり基板トレイ（被処理部材）５０が、ロードロック室１２からアンロード室１６まで順次搬送されることで、複数枚の基板Ｓに対して一度に成膜処理が施されることになる。

また真空成膜装置１０は、基板トレイ５０を各室に搬送するための搬送手段を備えている。本実施形態では、真空成膜装置１０を構成する成膜室１４等の各室内に、図３及び図４に示すように、シャフト１９によって支持された複数の回転部材２０が、基板トレイ５０の搬送方向に沿って所定の間隔で配されている。これらの回転部材２０は、図示しないモーター等の駆動手段に接続され、駆動手段の駆動力によって回転する。基板トレイ５０は、これらの回転部材２０上に載置され、駆動手段によって回転部材２０を回転させることで、ロードロック室１２からアンロード室１６まで連続的に搬送される。

ここで、ロードロック室１２、加熱室１３及び成膜室１４及びアンロード室１６の各室には、図３に示すように、回転部材２０として、略円形の外形を有するローラー２０Ａが設けられている。このローラー２０Ａの回転によって、基板トレイ５０は搬送方向（図中左右方向）に沿ってのみ移動することになる。

これに対して、搬送室１５内には、図４に示すように、回転部材２０として、回転中心から端面までの距離が変化する外形を有するカム状部材２０Ｂが設けられている。このため搬送室１５内においては、カム状部材２０Ｂの回転に伴って、基板トレイ５０は搬送方向（水平方向）に沿って移動すると共に、搬送方向とは交差する方向（上下方向）にも移動することになる。

また真空成膜装置１０は、成膜処理が施された基板Ｓの温度を冷却する温度制御手段を備えている。温度制御手段は、具体的には、冷却可能に構成された温度制御部材２１を搬送室１５内に備え、基板Ｓが保持された基板トレイ５０を温度制御部材２１に所定時間だけ接触させることで基板Ｓを所定温度に冷却する。

温度制御部材２１は、例えば、金属等の材料で形成され、図示は省略するが、内部に水（液体）や冷却ガス（気体）等の温調媒体（冷媒）が供給される供給管を備える。すなわち温度制御部材２１は内部に設けられた供給管に冷媒を供給することにより冷却可能に構成されている。勿論、温度制御部材２１は、その表面温度を変化させることができれば、その構造は特に限定されるものではない。

本実施形態では、このような温度制御部材２１は、搬送室１５内の各カム状部材２０Ｂの間にそれぞれ配されている。そして真空成膜装置１０は、カム状部材２０Ｂの回転に伴って基板トレイ５０が各温度制御部材２１に対して接離するように構成されている。すなわち基板トレイ５０は、上述のように搬送室１５内においてカム状部材２０Ｂの回転に伴って上下方向にも移動し、その際、基板トレイ５０の下面が温度制御部材２１に当接する。

より詳細には、温度制御部材２１は、カム状部材２０Ｂの回転中心Ｃ１に対する高さｈ１が、カム状部材２０Ｂの回転中心Ｃ１から端面までの最短距離Ｗ１以上最長距離Ｗ２以下となるように、カム状部材２０Ｂ間に配されている。

すなわち、カム状部材２０Ｂによって基板トレイ５０が搬送される際に、基板トレイ５０が上下方向に移動し、温度制御部材２１の表面位置Ｐ１が、このような基板トレイ５０の上下運動のトップＰ２とボトムＰ３との間に位置している。

温度制御部材２１がこのような位置に設けられていることで、図４（ａ）に示すように、カム状部材２０Ｂの回転に伴って、カム状部材２０Ｂの基板トレイ５０側の幅Ｗが温度制御部材２１の高さｈ１以上となると、カム状部材２０Ｂが基板トレイ５０に接触して基板トレイ５０が移動する。一方、カム状部材２０Ｂの幅Ｗが温度制御部材２１の高さｈ１よりも小さくなると、図４（ｂ）に示すように、基板トレイ５０は複数の各温度制御部材２１上に載置されることになる。この状態で、カム状部材２０Ｂの回転を停止することにより、その間、温度制御部材２１によって基板トレイ５０が冷却され、それと共に基板トレイ５０に保持されている各基板Ｓが所定温度まで急速に冷却される。勿論、カム状部材２０Ｂの回転は、必ずしも停止しなくてもよく、必要に応じて停止すればよい。

このような本実施形態の構成では、基板Ｓを保持した基板トレイ５０を温度制御部材２１に接触させることによって基板Ｓを冷却しているため、例えば、搬送室１５内全体を冷却する方法等に比べて、基板Ｓを効果的に短時間で冷却することができる。したがって、高タクトになっても基板温度を高精度に制御することができる。

なお本実施形態では、温度制御部材２１を搬送室１５に設けるようにしたが、温度制御部材２１は、他の真空処理室に設けられていてもよい。例えば、図５に示すように、天井部にスパッタリングターゲット２３を備える成膜室１４内に、搬送手段を構成するカム状部材２０Ｂと共に、温度制御部材２１が設けられていてもよい。

このように温度制御部材２１を設けた成膜室１４において、図５（ａ）に示すように、基板Ｓを温度制御部材２１に接触させた状態（実施例）と、図５（ｂ）に示すように、基板Ｓを温度制御部材２１に接触させない状態（比較例）とで、基板Ｓに対して成膜処理を施した場合の温度変化について調べた。

（実施例）
到達圧力を５．８×１０^−４Ｐａ、スパッタリングターゲット２３と基板Ｓとの距離ＴＳを７０ｍｍ、パワー密度を４．２Ｗ／ｃｍ^２、Ａｒ流量を１００ｓｃｃｍ、成膜圧力を０．９７Ｐａとし、スパッタリング法により膜厚１０００ｎｍを目標としてアルミニウムの薄膜を成膜した。このとき、温度制御部材２１にはヘリウムを冷媒として供給し、その温度を１１２Ｋとした。また基板トレイ５０としては厚さ５ｍｍのものを使用し、市販のヒートラベルによって基板Ｓの温度測定を行った。

その結果、基板Ｓの温度は、１２０℃以上１３０℃以下の温度範囲であった。

（比較例）
到達圧力を３．８×１０^−４Ｐａ、スパッタリングターゲット２３と基板Ｓとの距離ＴＳを７０ｍｍ、パワー密度を４．２Ｗ／ｃｍ^２、Ａｒ流量を１００ｓｃｃｍ、成膜圧力を０．９７Ｐａとし、スパッタリング法により膜厚１０００ｎｍを目標としてアルミニウムの薄膜を成膜した。このとき、温度制御部材２１にはヘリウムを冷媒として供給し、その温度を１１１Ｋとした。また基板トレイ５０としては厚さ５ｍｍのものを使用し、市販のヒートラベルによって基板Ｓの温度測定を行った。

その結果、基板Ｓの温度は、１９０℃以上２００℃以下の温度範囲であった。

実施例及び比較例の結果から明らかなように、基板トレイ５０を温度制御部材２１に接触させることにより、基板Ｓを極めて効果的に冷却することができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。

例えば、上述の実施形態では、温度制御部材２１が搬送室１５内に設けられた構成において、搬送室１５内に設けられた複数のカム状部材２０Ｂによって基板トレイ５０を搬送しているが、搬送手段の構成は特に限定されるものではない。搬送手段は、例えば、図６に示すように、カム状部材２０Ｂと、カム状部材２０Ｂに対向して設けられるガイド部材であるガイドローラー２４とを、搬送室１５内に備えていてもよい。ガイドローラー２４を設けることで、基板トレイ５０の傾き等を抑制してカム状部材２０Ｂによって基板トレイ５０をさらに良好に搬送することができる。

また上述の本実施形態では、冷媒が供給された温度制御部材２１によって基板Ｓを冷却するようにした構成を例示したが、温度制御部材２１には温媒を供給することもできる。したがって、温度制御部材２１及びカム状部材２０Ｂを加熱室１３内に設け、カム状部材２０Ｂの回転によって基板トレイ５０を温度制御部材２１に接触させることで基板Ｓを所定温度に加熱するようにしてもよい。

また上述の実施形態では、被処理部材である基板トレイ５０として複数枚の基板Ｓを保持した構成を例示したが、勿論、基板トレイ５０は１枚の基板Ｓを保持するものであってもよい。さらにこの基板トレイ５０は必ずしも使用しなくてもよく、搬送手段によって基板（基材）Ｓ自体を搬送するようにしてもよい。この場合、基板（基材）Ｓ自体が被処理部材にも相当する。また上述の実施形態では、基板Ｓを横置きの状態で搬送する横型の真空成膜装置を例示したが、本発明は、縦型の真空成膜装置（真空処理装置）に採用することもできる。

また本発明は、真空状態で基板（基材）に対して成膜処理を施す真空成膜装置だけでなく、真空状態で基材に対してあらゆる処理を施す真空処理装置にも適用することができるものである。

１０真空処理装置（真空成膜装置）
１２ロードロック室
１３加熱室
１４成膜室
１５搬送室
１６アンロード室
１７ゲートバルブ
１８真空ポンプ
１９シャフト
２０回転部材
２０Ａローラー
２０Ｂカム状部材
２１温度制御部材
２３スパッタリングターゲット
２４ガイドローラー
５０基板トレイ
５１凹部
Ｓ基板

Claims

基材に対して真空状態で所定の処理を行う真空処理室と、
所定間隔で配された複数の回転部材を有し該回転部材を回転させることで前記回転部材上に載置された前記基材を少なくとも含む被処理部材を前記真空処理室内に搬送する搬送手段と、
を備える真空処理装置において、
前記真空処理室に設けられる温度制御部材を有し、該温度制御部材に前記被処理部材を接触させることで前記基材を加熱又は冷却する温度制御手段を備え、
前記搬送手段が、回転中心から端面までの距離が変化する外形を有するカム状部材を前記回転部材として備え、当該カム状部材の回転に伴って前記被処理部材が前記温度制御部材に対して接離するように構成され、且つ前記回転部材に対向して設けられ、前記カム状部材の回転に伴って前記被処理部材が前記温度制御部材から離間した状態で当接するガイド部材を備える
ことを特徴とする真空処理装置。
前記温度制御部材が、前記被処理部材の下面に当接するように前記真空処理室内に設けられている
ことを特徴とする請求項１に記載の真空処理装置。
前記温度制御部材が前記カム状部材間に設けられ、前記温度制御部材の前記カム状部材の回転中心に対する下面の高さが、前記カム状部材の回転中心から端面までの最短距離以上最長距離以下である
ことを特徴とする請求項２に記載の真空処理装置。
前記温度制御部材は、その内部に温調媒体が供給される供給路を備え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真空処理装置。