JP6140539B2

JP6140539B2 - 真空処理装置

Info

Publication number: JP6140539B2
Application number: JP2013124815A
Authority: JP
Inventors: 藤井　佳詞; 佳詞藤井
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2013-06-13
Filing date: 2013-06-13
Publication date: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2033-06-13
Also published as: JP2015000994A

Description

本発明は、真空チャンバ内で実施される処理により受熱して発熱する発熱部品が配置される真空処理装置に関する。

この種の真空処理装置の１つに、例えば半導体デバイスの製造工程にて、シリコンウエハやガラス基板等の基板の表面に導電膜や絶縁膜を成膜するスパッタリング（以下「スパッタ」という）装置がある。スパッタ装置では、真空チャンバ内にターゲットと基板とを対向配置し、真空チャンバ内にプラズマ雰囲気を形成して希ガスイオンをターゲットに衝突させ、これにより生じたスパッタ粒子を基板に付着、堆積させて成膜する。真空チャンバ内には、ターゲット及び基板を囲繞してスパッタ空間を画成すると共に、スパッタ粒子が真空チャンバ内壁に付着することを防止する防着板を配置することが一般である。

スパッタによる成膜中、プラズマの輻射熱やプラズマ中の電子が防着板に流れることで生じるジュール熱により、真空チャンバ内に配置された防着板の温度が上昇する。ここで、防着板の温度が高くなって熱膨張し、熱膨張に起因した防着板の変形が大きくなると、異常放電を誘発したり、防着板から放射される熱線により基板が加熱されたりして、成膜プロセスに悪影響を及ぼす。このため、成膜時間が長い場合等、防着板が高温になる場合には、防着板を冷却する必要がある。

従来、防着板を強制的に冷却するように構成したスパッタ装置が、例えば、特許文献１で知られている。このものでは、真空チャンバの壁面を貫通させて防着板に達する水冷パイプを配設し、この水冷パイプに冷媒を循環させるようにしている。しかし、これでは、冷媒が漏れないように構成する必要があるため、装置構成が複雑になって、設備コストが高くなるという問題がある。

特開２００４−１２８２１０号公報

本発明は、以上の点に鑑み、処理中に防着板等の発熱部品が高温になることを防止できる簡単な構成の真空処理装置を提供することをその課題とする。

上記課題を解決するために、アルミニウム製の真空チャンバを備え、その内部に、真空チャンバ内で実施される処理により受熱して発熱する発熱部品が配置される本発明の真空処理装置は、発熱部品から放射される熱線が照射される真空チャンバの内壁部分に、真空チャンバの内表面の熱放射率よりも高い熱放射率を有する吸熱層を設け、前記発熱部品が真空チャンバ内で実施される処理により受熱する面と異なる面に、前記発熱部品の熱放射率よりも高い熱放射率を有する放射層を設けたことを特徴とする。尚、本発明において、真空チャンバ内表面とは、真空チャンバの内壁のうち吸熱層が設けられていない部分の表面をいうものとする。

本発明によれば、真空チャンバをスパッタ装置にて成膜室を画成するもの、発熱部品を成膜室内部に配置される防着板とした場合を例に説明すると、スパッタによる成膜中、プラズマの輻射熱やジュール熱を受熱して防着板の温度が高くなる。ここで、真空チャンバの内壁部分には、防着板の熱放射率よりも高い熱放射率を有する吸熱層が設けられているため、防着板が発熱したとき、防着板からの熱線が吸熱層へと吸収されて真空チャンバに伝わる。真空チャンバは大気側に水冷または空冷の冷却機構を備えるのが一般であり、冷却機構により強制冷却された真空チャンバを介して、吸熱層から真空チャンバに伝わった熱が外部に放熱される。このように、防着板の熱が吸熱層を介して真空チャンバに除熱されるため、成膜中、防着板が高温になることを防止できる。従って、長時間の成膜が可能となる。また、ターゲットに投入可能な最大電力値を高くでき、これにより成膜レートを上昇させてスループットの向上が図れる。しかも、真空チャンバ内壁に吸熱層を設けるだけでよいため、従来例の如く構成が複雑化することがない。

本発明において、前記発熱部品の前記異なる面は、真空チャンバ内壁と対向する面であることが好ましい。これによれば、発熱部品から効率よく熱線が放射されるため、発熱部品の冷却効率を高めることができる。

本発明において、前記吸熱層と前記放射層は、溶射もしくは陽極酸化処理により形成されるアルミナ膜、Ｔｉ膜、及び、Ｔｉを含む合金膜の中から選択されたものであることが好ましい。これによれば、吸熱層及び放射層の耐熱性を高めることができ、真空チャンバ内の処理に悪影響を及ぼす放出ガスの放出を防止できる。

本発明の実施形態の真空処理装置を示す概略断面図。本発明の実験結果を示すグラフ。

以下、図面を参照して、真空チャンバをスパッタ装置にて成膜室を画成するもの、発熱部品を成膜室内部に配置される防着板とした場合を例に、本発明の真空処理装置の実施形態について説明する。

図１を参照して、ＳＭは、本実施形態のスパッタ装置である。スパッタ装置ＳＭは、所定容積を有するアルミニウム製の真空チャンバ１を備える。真空チャンバ１の天井部にカソードユニットＣが取付けられている。真空チャンバ１の大気側（外側）には、水冷または空冷の冷却機構（例えば、冷却水を循環させるジャケット）が設けられ、真空チャンバ１を強制冷却できるようにしている。冷却機構としては、上記ジャケット等の公知のものを用いることができるため、ここでは図示及び詳細な説明を省略する。尚、真空チャンバ１を自然冷却してもよい。以下においては、図１中、真空チャンバ１の天井部側を向く方向を「上」とし、その底部側を向く方向を「下」として説明する。

カソードユニットＣは、ターゲット２と、このターゲット２の上方に配置された磁石ユニット３とから構成されている。ターゲット２としてアルミニウム製のものを例に説明するが、これに限定されるものではなく、銅やチタン等の他の金属、酸化物や窒化物等、基板Ｗ表面に成膜しようとする膜の組成に応じて適宜選択された材料製で構成され、基板Ｗの輪郭に対応して形成される。そして、ターゲット２の上面（スパッタ面２２と背向する面）には、スパッタによる成膜中、ターゲット２を冷却する銅製のバッキングプレート２１がインジウムやスズなどの熱伝導率が高い材料からなる図示省略のボンディング材を介して接合され、そのスパッタ面２２を下側にして絶縁体Ｉ_１を介して真空チャンバ１天井部に取り付けられている。

ターゲット２には、スパッタ電源としての公知の構造のＤＣ電源Ｅからの出力が接続され、スパッタリング時、負の電位を持った直流電力（例えば、３０ｋＷ）が投入されるようにしている。なお、スパッタ電源Ｅは、ターゲット２の材質に応じて適宜選択され、例えば、アルミナ製のターゲット２の場合には、アースとの間で所定周波数（例えば、１３．５６ＭＨｚ）の高周波電力を投入する高周波電源を選択できる。ターゲット２の上方に配置される磁石ユニット３は、ターゲット２のスパッタ面２２の下方空間に磁場を発生させ、スパッタ時にスパッタ面２２の下方で電離した電子等を捕捉してターゲット２から飛散したスパッタ粒子を効率よくイオン化する公知の閉鎖磁場若しくはカスプ磁場構造を有するものであり、ここでは詳細な説明を省略する。

真空チャンバ１の底部中央には、ターゲット２に対向させてステージ４が配置されている。ステージ４は、例えば基板Ｗの輪郭に対応した上面形状を持つ金属製の基台４１と、この基台４１上面に接着されるチャックプレート４２とで構成されている。基台４１は、真空チャンバ１の底面に設けた開口に気密に装着された絶縁体Ｉ_２で支持されている。基台４１には、図示省略する冷媒循環用の通路やヒータが内蔵され、スパッタリングによる成膜中、基板Ｗを所定温度に制御できるようになっている。他方、チャックプレート４２は、基台４１の上面より一回り小さい外径を有し、特に図示して説明しないが、チャック電源から電圧が印加される静電チャック用の電極が埋設されて静電チャックを構成している。静電チャックの構造については、単極型や双極型等の公知のものが広く利用できるため、ここでは詳細な説明を省略する。

また、真空チャンバ１内には、ターゲット２と基板Ｗとを囲繞して真空チャンバ１内に当該真空チャンバ１の容積より小さい隔絶されたスパッタ空間Ｓｐを画成すると共に、真空チャンバ１の内壁面へのスパッタ粒子の付着を防止する防着板５が設けられている。防着板５は、ターゲット２の周囲を囲うように真空チャンバ１上部に吊設した環状の第１の防着板５１と、基台４１の周縁部に立設した第３の防着板５３と、これら第１及び第３の防着板５１，５３と水平方向に所定間隔の隙間を夫々存して、かつ、上下方向に所定長さだけ夫々オーバーラップするように配置された第２の防着板５２とで構成されている。尚、第２の防着板５２は、基板Ｗを搬送する際に上昇できるように構成されている。これら第１〜第３の防着板５１，５２，５３は、例えば、ＳＵＳ製である。

真空チャンバ１の側壁上部には、アルゴン等の希ガスたるスパッタガス（場合によっては、希ガスと酸素や窒素ガスとの反応ガス）を導入するガス導入管６が貫通してその先端が第１の防着板５１まで達し、スパッタガスを直接スパッタ空間Ｓｐに導入できるようにしている。ガス導入管６には、真空チャンバ１外側でマスフローコントローラ６１が介設され、図示省略のガス源に連通している。また、真空チャンバ１の側壁下部には透孔１１が開設され、透孔１１にはターボ分子ポンプ等の真空排気手段Ｐに通じる排気管１２が接続され、スパッタ空間Ｓｐを真空引きできるようになっている。

ところで、スパッタによる成膜中、プラズマの輻射熱やプラズマ中の電子が防着板５に流れることで生じるジュール熱により、防着板５の温度が上昇する。防着板５の温度が高くなって熱膨張し、熱膨張に起因した防着板５の変形が大きくなると、第１〜第３の防着板５１〜５３の相互間の隙間が変化して異常放電を誘発したり、防着板５から放射される熱線により基板Ｗが加熱されたりして、成膜プロセスに悪影響を及ぼす。

そこで、本実施形態では、真空チャンバ１の内壁部分に、真空チャンバ１の内表面の熱放射率よりも高い熱放射率を有する吸熱層７を設け、防着板５が発熱したとき、防着板５からの熱線が吸熱層７へと吸収されるようにしている。さらに、防着板５の真空チャンバ１の内壁と対向する面（外周面）に、防着板５の熱放射率よりも高い熱放射率を有する放射層８を設け、防着板５から真空チャンバ１の内壁に向けて熱線を効率よく放射できるようになっている。これらの吸熱層７及び放射層８は、耐熱性が高く、成膜プロセスに悪影響を及ぼす放出ガスを放出しない、例えば、溶射もしくは陽極酸化処理により形成されるアルミナ膜であることが好ましい。なお、上記スパッタリング装置ＳＭは、マイクロコンピュータやシーケンサ等を備えた公知の制御手段を有し、スパッタ電源Ｅの稼働、マスフローコントローラ６１の稼働、真空排気手段Ｐの稼働等を統括制御するようにしている。以下、上記スパッタリング装置ＳＭを用い、スパッタによる成膜中、防着板５の除熱について説明する。

先ず、真空チャンバ１内（スパッタ空間Ｓｐ）を所定の真空度まで真空引きし、図外の搬送ロボットにより真空チャンバ１内に基板Ｗを搬送し、基板ステージ４に基板Ｗを受け渡す。このとき、基板Ｗの搬送前に第２の防着板５２を上昇させておき、搬送後に下降させる。次いで、チャックプレート４２の電極にチャック電圧を印加して基板Ｗを静電吸着させる。成膜中、基板ステージ４内に冷媒を循環させ、基板Ｗを所定温度に制御してもよい。次いで、スパッタガスたるアルゴンガスを所定流量（例えば、１２ｓｃｃｍ）で導入して（このときの圧力は０．１Ｐａ）、ＤＣ電源Ｅからターゲット２に例えば、３０ｋＷの直流電力を投入することにより、スパッタ空間Ｓｐ内にプラズマ雰囲気を形成する。これにより、ターゲット２がスパッタされ、これにより生じたスパッタ粒子が飛散して基板Ｗ表面に付着、堆積してアルミニウム膜が成膜される。

スパッタによる成膜中、防着板５が発熱したとき、防着板５から放射層８を介して放射された熱線が吸着層７へと吸収されて真空チャンバ１に伝わる。真空チャンバ１は、大気側に設けた冷却機構により冷却されているため、冷却された真空チャンバ１を介して、吸熱層７から真空チャンバ１に伝わった熱が外部に放熱される。このように、防着板５の熱が吸熱層７を介して除熱されるため、成膜中、防着板５が高温になることを防止できる。従って、長時間の成膜が可能となる。尚、この長時間の成膜には、１枚の基板Ｗに対する成膜時間が長い場合だけでなく、複数枚の基板Ｗを順次連続処理したときの成膜時間の積算値が長い場合を含むものとする。また、ターゲット２に投入可能な最大電力値を高くでき、これにより成膜レートを上昇させてスループットの向上が図れる。しかも、真空チャンバ１の内壁に吸熱層７を設けるだけでよいため、従来例の如く真空チャンバ内に水冷パイプを設けたりする必要がなく、構成が複雑化しない。

また、防着板５の真空チャンバ１の内壁との対向面に、防着板５の熱放射率よりも高い熱放射率を有する放射層８を設けることにより、防着板５から効率よく熱線が放射されるため、防着板５の冷却効率を高めることができる。この場合、吸熱層７と放射層８は溶射もしくは陽極酸化処理により形成されるアルミナ膜とすれば、両層の耐熱性を高めることができると共に、真空チャンバ１内での成膜処理に悪影響を及ぼす放出ガスの放出を防止できる。

次に、上記スパッタリング装置ＳＭを用い、本発明の効果を確認するために実験を行った。先ず、実験１として、この高周波スパッタリング装置ＳＭにおいて、スパッタ空間Ｓｐにアルゴンガスを１２ｓｃｃｍ導入し（このときの圧力は０．１Ｐａ）、ターゲット２に対しＤＣ電源Ｅから３０ｋＷの直流電力を投入してプラズマ雰囲気を形成し、ターゲット２をスパッタして基板Ｗ表面にアルミニウム膜を成膜した。成膜中の防着板５の温度変化を測定し、その測定結果を図２に示す。図２には、比較例として、吸熱層７を設けない場合の温度変化を併せて示している。これによれば、吸熱層７を設けない比較例では、成膜開始から１０分経過後には防着板５の温度が４００℃以上にまで上昇するが、吸熱層７を設けた本発明では、３２０℃程度にまで低くできることが判った。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記のものに限定されるものではない。上記実施形態では、真空処理装置としてスパッタリング装置を例に説明したが、エッチング装置や、プラズマ雰囲気を形成しない熱処理装置のような他の真空処理装置に対しても適用可能である。

また、上記実施形態では、真空チャンバ１の内壁の全面に吸熱層７を設けているが、防着板５と対向する部分に吸熱層７を局所的に設ければよく、防着板５１，５２，５３のうちの特に温度上昇が大きい防着板５２と対向する部分にのみ吸熱層７を設けてもよい。

また、上記実施形態では、真空チャンバ１の内壁に直接吸熱層７を設けているが、アルミニウム板の表面に吸熱層を形成したものを、吸熱層が露出するように真空チャンバの内壁にビス等を用いて固定してもよい。

上記実施形態では、吸熱層７と放射層８がアルミナ膜である場合について説明したが、アルミニウムよりも高い熱放射率を有するＴｉ膜やＴｉを含む合金膜とすることもできる。Ｔｉ合金膜としては、例えば、ＴｉＡｌＮ膜が熱放射率の観点から好ましい。また、吸熱層７及び放射層８は、アルミニウムよりも高い熱放射率を有する、工業的に安価なめっき法により形成できるＮｉ膜とすることもできる。これらの場合も、両層の耐熱性を高めることができると共に、成膜に悪影響を及ぼす放出ガスの放出を防止できる。

ＳＭ…スパッタリング装置（真空処理装置）、１…真空チャンバ、５，５１，５２，５３…防着板（発熱部品）、７…吸熱層、８…放射層。

Claims

アルミニウム製の真空チャンバを備え、その内部に、真空チャンバ内で実施される処理により受熱して発熱する発熱部品が配置される真空処理装置において、
発熱部品から放射される熱線が照射される真空チャンバの内壁部分に、真空チャンバの内表面の熱放射率よりも高い熱放射率を有する吸熱層を設け、
前記発熱部品が真空チャンバ内で実施される処理により受熱する面と異なる面に、前記発熱部品の熱放射率よりも高い熱放射率を有する放射層を設けたことを特徴とする真空処理装置。
前記発熱部品の前記異なる面は、真空チャンバ内壁と対向する面であることを特徴とする請求項１記載の真空処理装置。
前記吸熱層と前記放射層は、溶射もしくは陽極酸化処理により形成されるアルミナ膜、Ｔｉ膜、及び、Ｔｉを含む合金膜の中から選択されたものであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の真空処理装置。