JP7760397B2

JP7760397B2 - 基板処理装置

Info

Publication number: JP7760397B2
Application number: JP2022014450A
Authority: JP
Inventors: 基山形; 浩曽根; 正人品田; 祐介菊池
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2022-02-01
Filing date: 2022-02-01
Publication date: 2025-10-27
Anticipated expiration: 2042-02-01
Also published as: WO2023149299A1; JP2023112572A; US20250122625A1

Description

本開示は、基板処理装置に関する。

特許文献１には、基板が載置される載置台と、ターゲットを保持するターゲットホルダとを内部に備えている処理容器と、前記載置台の下面との間に隙間を備えて配設され、冷凍機と前記冷凍機に積層される冷凍熱媒体とを備えている冷凍装置と、前記載置台を回転させる回転装置と、前記載置台を昇降させる第一昇降装置と、前記冷凍装置の内部に設けられ、前記隙間に冷媒を供給する冷媒流路と、前記隙間に配設されて、前記載置台と前記冷凍熱媒体の双方に熱伝導自在に接している冷熱伝達材と、を有する、基板処理装置が開示されている。

特開２０２１－１３９０１７号公報

本開示の一態様は、冷却性能を改善する基板処理装置を提供する。

本開示の一態様に係る基板処理装置は、処理容器内に設けられ、基板を載置する載置台と、前記載置台の被接触面と接触または離間する接触面を有し、前記載置台を冷却する冷凍装置と、前記冷凍装置を昇降させ、前記載置台に前記冷凍装置を押し付ける押し付け力を発生させる昇降装置と、回転可能に支持される回転シャフトと、前記回転シャフトを回転自在に支持するハウジングと、前記回転シャフトを回転駆動する回転駆動装置と、前記載置台に固定され、前記回転シャフトと係合することにより前記回転シャフトの回転を前記載置台に伝達する支持部材と、前記ハウジングに固定された係止部材と、を備え、前記冷凍装置の接触面を前記載置台の被接触面に接触させた際、前記支持部材と前記回転シャフトとの係合が解除され、前記支持部材は前記係止部材に係止されるように構成される。

本開示の一態様によれば、冷却性能を改善する基板処理装置を提供することができる。

一実施形態に係る基板処理装置の載置台回転時における一例の構成を示す断面図。一実施形態に係る基板処理装置の載置台冷却時における一例の構成を示す断面図。載置台の温度変化の一例を示すグラフ。載置台回転時における載置台の支持構造の一例の構成を示す断面図。載置台冷却時における載置台の支持構造の一例の構成を示す断面図。参考例における載置台の支持構造の一例の構成を示す断面図。載置台の付勢構造の一例の構成を示す断面図。

以下、図面を参照して本開示を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

＜基板処理装置１＞
一実施形態に係る基板処理装置１の一例について、図１及び図２を用いて説明する。図１は、一実施形態に係る基板処理装置１の載置台２０回転時における一例の構成を示す断面図である。図２は、一実施形態に係る基板処理装置１の載置台２０冷却時における一例の構成を示す断面図である。

なお、基板処理装置１は、例えば、処理容器１０内に処理ガスを供給して基板Ｗに所望の処理（例えば成膜処理等）を施す基板処理装置（例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）装置等）であってもよい。また、基板処理装置１は、例えば、処理容器１０内に処理ガスを供給し処理容器１０内に設けられたターゲットをスパッタして基板Ｗに所望の処理（例えば成膜処理等）を施す基板処理装置（例えばＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）装置等）であってもよい。

基板処理装置１は、処理容器１０と、処理容器１０の内部において基板Ｗを載置する載置台２０と、冷凍装置３０と、載置台２０を回転させる回転装置４０と、冷凍装置３０を昇降させる昇降装置５０と、を備える。また、基板処理装置１は、回転する載置台２０のチャック電極２１に電力を供給するためのスリップリング６０を備える。また、基板処理装置１は、冷凍装置３０、回転装置４０、昇降装置５０等の各種装置を制御する制御装置７０を備える。

処理容器１０は、内部空間１０Ｓを形成する。処理容器１０は、真空ポンプ等の排気装置（図示せず）を作動することにより、その内部空間１０Ｓが超高真空に減圧されるように構成されている。また、処理容器１０は、処理ガス供給装置（図示せず）に連通するガス供給管（図示せず）を介して、基板処理に用いる所望のガスが供給されるように構成されている。

処理容器１０の内部には、基板Ｗを載置する載置台２０が設けられている。載置台２０は、熱伝導性の高い材料（例えば、Ｃｕ）により形成されている。載置台２０は、静電チャックを含む。静電チャックは、誘電体膜内に埋設されたチャック電極２１を有する。チャック電極２１には、後述するスリップリング６０及び配線６３を介して所定の電位が与えられるようになっている。この構成により、基板Ｗを静電チャックにより吸着し、載置台２０の上面に基板Ｗを固定することができる。

載置台２０の下方には、冷凍装置３０が設けられている。冷凍装置３０は、冷凍機３１と、冷凍熱媒体３２と、を積層して構成される。なお、冷凍熱媒体３２は、コールドリンクと称することもできる。冷凍機３１は、冷凍熱媒体３２を保持し、冷凍熱媒体３２の上面を極低温に冷却する。冷凍機３１には、冷却能力の観点から、ＧＭ（Gifford-McMahon）サイクルを利用する形態が好ましい。冷凍熱媒体３２は、冷凍機３１の上に固定されており、その上部が処理容器１０の内部に収容されている。冷凍熱媒体３２は、熱伝導性の高い材料（例えば、Ｃｕ）等により形成されており、その外形は略円柱状を呈している。冷凍熱媒体３２は、載置台２０の中心軸ＣＬにその中心が一致するように配置されている。

また、載置台２０は、回転装置４０によって回転自在に支持されている。回転装置４０は、回転駆動装置４１と、固定シャフト４５と、回転シャフト４４と、ハウジング４６と、磁性流体シール４７，４８と、スタンド４９と、を有する。

回転駆動装置４１は、ロータ４２及びステータ４３を有するダイレクトドライブモータである。ロータ４２は、回転シャフト４４と同軸に延在する略円筒状を有し、回転シャフト４４に固定されている。ステータ４３は、その内径がロータ４２の外径よりも大きい略円筒状を有する。回転駆動装置４１は、ダイレクトドライブモータ以外の形態であってもよく、サーボモータと伝達ベルトを備えている形態等であってもよい。

回転シャフト４４は、載置台２０の中心軸ＣＬと同軸に延在する略円筒状を有する。回転シャフト４４の径方向内側には、固定シャフト４５が設けられる。固定シャフト４５は、載置台２０の中心軸ＣＬと同軸に延在する略円筒状を有する。回転シャフト４４の径方向外側には、ハウジング４６が設けられる。ハウジング４６は、載置台２０の中心軸ＣＬと同軸に延在する略円筒状を有し、処理容器１０に固定される。

また、固定シャフト４５の外周面と回転シャフト４４の内周円との間には、磁性流体シール４７が設けられている。磁性流体シール４７は、固定シャフト４５に対して回転シャフト４４を回転自在に支持するとともに、固定シャフト４５の外周面と回転シャフト４４の内周円との間を封止して、減圧自在な処理容器１０の内部空間１０Ｓと処理容器１０の外部空間とを分離する。また、ハウジング４６の内周面と回転シャフト４４の外周円との間には、磁性流体シール４８が設けられている。磁性流体シール４８は、ハウジング４６に対して回転シャフト４４を回転自在に支持するとともに、ハウジング４６の内周面と回転シャフト４４の外周円との間を封止して、減圧自在な処理容器１０の内部空間１０Ｓと処理容器１０の外部空間とを分離する。これにより、回転シャフト４４は、固定シャフト４５及びハウジング４６によって回転自在に支持されている。

また、固定シャフト４５の径方向内側には、冷凍熱媒体３２が挿通する。

スタンド４９は、回転シャフト４４と載置台２０との間に設けられ、回転シャフト４４の回転をスタンド４９に伝達するように構成されている。なお、スタンド４９の構造は、図４，及び図５を用いて後述する。

以上の構成により、回転駆動装置４１のロータ４２が回転すると、回転シャフト４４、スタンド４９及び載置台２０が、冷凍熱媒体３２に対して相対的にＸ１方向に回転する。

また、冷凍装置３０は、昇降装置５０によって昇降自在に支持されている。昇降装置５０は、エアシリンダ５１と、リンク機構５２と、冷凍装置支持部５３と、リニアガイド５４と、固定部５５と、ベローズ５６と、を有する。

エアシリンダ５１は、空気圧によりロッドが直線運動する機械装置である。リンク機構５２は、エアシリンダ５１のロッドの直線運動を冷凍装置支持部５３の昇降運動に変換する。また、リンク機構５２は、一端がエアシリンダ５１と連結され、他端が冷凍装置支持部５３と連結された、てこ構造を有する。これにより、エアシリンダ５１の小さな推力で、大きな押し付け力を発生させることができる。冷凍装置支持部５３は、冷凍装置３０（冷凍機３１、冷凍熱媒体３２）を支持する。また、冷凍装置支持部５３は、リニアガイド５４によって移動方向が昇降方向にガイドされる。

固定部５５は、固定シャフト４５の下面に固定される。固定部５５の下面と冷凍装置支持部５３の上面との間には、冷凍機３１を包囲する略円筒状のベローズ５６が設けられている。ベローズ５６は、上下方向に伸縮自在な金属製の蛇腹構造体である。これにより、固定部５５、ベローズ５６及び冷凍装置支持部５３は、固定シャフト４５の内周面と冷凍熱媒体３２の外周円との間を封止して、減圧自在な処理容器１０の内部空間１０Ｓと処理容器１０の外部空間とを分離する。また、冷凍装置支持部５３の下面側は、処理容器１０の外部空間に隣接し、冷凍装置支持部５３の上面側のうちベローズ５６で囲まれた領域は、処理容器１０の内部空間１０Ｓに隣接する。

回転シャフト４４及びハウジング４６の下方には、スリップリング６０が設けられている。スリップリング６０は、金属リングを含む回転体６１と、ブラシを含む固定体６２と、を有する。回転体６１は、回転シャフト４４と同軸に延在する略円筒状を有し、回転シャフト４４の下面に固定されている。固定体６２は、その内径が回転体６１の外径よりも僅かに大きい略円筒状を有し、ハウジング４６の下面に固定されている。スリップリング６０は、直流電源（図示せず）と電気的に接続されており、直流電源から供給される電力を、固定体６２のブラシと回転体６１の金属リングを介して、配線６３に供給する。この構成により、配線６３にねじれ等を発生させることなく、直流電源からチャック電極２１に電位を与えることができる。なお、スリップリング６０の構造は、ブラシ構造以外の構造であってもよく、例えば、非接触給電構造や、無水銀や導電性液体を有する構造等であってもよい。

制御装置７０は、例えばコンピュータであり、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、補助記憶装置等を備える。ＣＰＵは、ＲＯＭ又は補助記憶装置に格納されたプログラムに基づいて動作し、基板処理装置１の動作を制御する。制御装置７０は、基板処理装置１の内部に設けられていてもよく、外部に設けられていてもよい。制御装置７０が基板処理装置１の外部に設けられている場合、制御装置７０は、有線又は無線等の通信手段によって、基板処理装置１を制御できる。

基板Ｗに所望の処理を施す際、図１に示すように、制御装置７０は、昇降装置５０（エアシリンダ５１）を制御して載置台２０と冷凍熱媒体３２とを離間させ、回転装置４０（回転駆動装置４１）を制御して基板Ｗを載置した載置台２０を回転させる。これにより、基板Ｗの基板処理（例えば、成膜処理等）の面内均一性を向上させることができる。

また、載置台２０及び載置台２０に載置された基板Ｗを冷却する際、図２に示すように、制御装置７０は、回転装置４０（回転駆動装置４１）を停止させ載置台２０の回転を停止させるとともに、昇降装置５０（エアシリンダ５１）を制御して載置台２０と冷凍熱媒体３２とを接触させる。これにより、載置台２０に載置された基板Ｗを冷却することができる。

ここで、載置台２０に冷凍熱媒体３２を押し付ける押し付け力が不足すると、熱伝導にロスが発生し、載置台２０への冷却能力が不足する。

これに対し、基板処理装置１では、冷凍熱媒体３２の上面（接触面）が載置台２０の下面（被接触面）と直接接触し、冷凍熱媒体３２が載置台２０に当接して当たり止まりされる。これにより、冷凍熱媒体３２が載置台２０と直接接することにより、載置台２０への冷却性を向上させることができる。

また、処理容器１０の内部空間１０Ｓを減圧して真空雰囲気とすることにより、真空雰囲気となる冷凍装置支持部５３の上面と大気雰囲気となる冷凍装置支持部５３の下面との間に生じる差圧（真空差圧）が生じ、冷凍熱媒体３２を載置台２０に向けて押し付ける押し付け力を生じる。このため、冷凍熱媒体３２は、エアシリンダ５１の推力と、冷凍装置支持部５３の上面と下面との間に生じる差圧（真空差圧）と、によって押し付け力が付与されている。これにより、冷凍熱媒体３２を載置台２０に接触させて載置台２０を冷却する際、載置台２０が熱収縮した場合であっても、押し付け力によって、載置台２０の熱収縮に追随して冷凍熱媒体３２を上昇させることができる。

また、冷凍熱媒体３２の昇降は、冷凍装置支持部５３及びリニアガイド５４によってガイドされる。これにより、載置台２０の下面（被接触面）と冷凍熱媒体３２の上面（接触面）との平行を保った状態で、冷凍熱媒体３２を昇降させることができる。

なお、冷凍熱媒体３２には、シム（図示せず）が挿入され、載置台２０の下面（被接触面）に対する冷凍熱媒体３２の上面（接触面）の平行度を調整するように構成されていてもよい。

また、エア駆動するエアシリンダ５１を用いることにより、エア圧により押し付け力を容易に調整することができる。

図３は、載置台２０の温度変化の一例を示すグラフである。横軸は、冷凍熱媒体３２を載置台２０に接触させてからの時間を示す。縦軸は、載置台２０の温度を示す。また、図1及び図２に示す一実施形態に係る基板処理装置１における載置台２０の温度変化を実線３０１で示す。第１参考例に係る基板処理装置における載置台の温度変化を破線３０２で示す。

ここで、第１参考例の基板処理装置では、載置台と冷凍熱媒体との間にバネ等の弾性変形する熱伝導部材が設けられている。また、冷凍装置を昇降する昇降装置は、例えばボールネジ等のストローク量を制御可能な直動機構が用いられている。載置台を冷却する際は、冷凍熱媒体を所定のストローク量で上昇させる。載置台と冷凍熱媒体との間で弾性変形した熱伝導部材の反発力を押し付け力として用いる。第１参考例に係る基板処理装置では、冷凍熱媒体から熱伝導部材を介して載置台を冷却する。

第１参考例の基板処理装置では、押し付け力の不足により伝熱性が不足するおそれがある。また、載置台の冷却収縮時には、押し付け力が更に低下して、伝熱性が低下するおそれがある。

これに対し、一実施形態に係る基板処理装置１によれば、矢印３０３に示すように、所定の温度に冷却するまでの冷却時間を短縮することができる。また、一実施形態に係る基板処理装置１によれば、矢印３０４に示すように、載置台２０の冷却温度を低くすることができる。このように、一実施形態に係る基板処理装置１によれば、第１参考例の基板処理装置と比較して、載置台２０の冷却性能を向上させることができる。

次に、スタンド４９の構造について、図４及び図５を用いて更に説明する。図４は、載置台２０回転時における載置台２０の支持構造の一例の構成を示す断面図である。図５は、載置台２０冷却時における載置台２０の支持構造の一例の構成を示す断面図である。

スタンド４９は、支持部材１１０と、係止部材１２０と、を有する。

支持部材１１０は、例えば柱状の部材であり、載置台２０の周方向に複数設けられている。支持部材１１０の上方は、載置台２０に固定される。支持部材１１０の下方は、回転シャフト４４に載置される。ここで、支持部材１１０が載置される回転シャフト４４の載置面には、凸部４４１が形成されている。また、支持部材１１０の下面には、凸部４４１と係合する凹部１１１が設けられている。また、支持部材１１０は、係止部１１５を有する。

係止部材１２０は、ハウジング４６に固定されている。また、係止部材１２０は、係止部１２５を有する。

図４に示すように、載置台２０の被接触面２０１と冷凍熱媒体３２の接触面３２１とが離間している状態において、回転シャフト４４の上端に設けられた凸部４４１が支持部材１１０の下端に設けられた凹部１１１と係合する。これにより、回転駆動装置４１が回転シャフト４４を回転させることで、スタンド４９（支持部材１１０）が載置台２０に回転駆動力を伝達して、載置台２０が回転する。

一方、図５に示すように、冷凍熱媒体３２の接触面３２１が載置台２０の被接触面２０１を押し付ける状態において、回転シャフト４４の載置面と支持部材１１０の下面とは離間する。そして、支持部材１１０の係止部１１５が係止部材１２０の係止部１１５に係止される。

ここで、第２参考例の基板処理装置について、図６を用いて説明する。図６は、第２参考例における載置台２０の支持構造の一例の構成を示す断面図である。図６に示す載置台２０の支持構造では、スタンド４９Ａは、支持部材１１０Ａを有し、支持部材１１０Ａの上方が載置台２０と固定され、支持部材１１０Ａの下方が回転シャフト４４と固定されている。

このため、冷凍熱媒体３２を載置台２０に押し付けた際、支持部材１１０Ａを介して、回転シャフト４４に負荷がかかる。また、載置台２０の被接触面２０１と、冷凍熱媒体３２の接触面３２１とが非平行である場合、載置台２０は冷凍熱媒体３２から傾いた荷重を受ける。このため、回転シャフト４４が傾いて固定シャフト４５やハウジング４６と接触したり、磁性流体シール４７，４８のシール性が低下して内部空間１０Ｓの真空が破れるおそれがある。

これに対し、図５に示すように、一実施形態に係る基板処理装置１では、冷凍熱媒体３２を載置台２０に押し付けた際、支持部材１１０は回転シャフト４４から離間し、支持部材１１０が係止部材１２０に係止される。これにより、冷凍熱媒体３２を載置台２０に押し付けた際、支持部材１１０及び係止部材１２０を介して、処理容器１０に固定されるハウジング４６に負荷がかかる。これにより、回転シャフト４４が傾いて固定シャフト４５やハウジング４６と接触することを防止するとともに、磁性流体シール４７，４８のシール性が低下することを防止し、内部空間１０Ｓの真空が破れることを防止する。

図７は、載置台２０の付勢構造の一例の構成を示す断面図である。載置台２０の付勢構造は、例えば、軸部材１１２と、付勢部材１１３と、を有する。軸部材１１２は、軸部と、軸部よりも拡径した頭部と、を有し、軸部が支持部材１１０を挿通して、回転シャフト４４に固定される。付勢部材１１３は、例えば押しバネであって、軸部材１１２の頭部と支持部材１１０との間に配置され、支持部材１１０を回転シャフト４４に向けて押し付ける。

これにより、載置台２０の被接触面２０１と冷凍熱媒体３２の接触面３２１とが離間している状態（図４参照）において、付勢部材１１３によって、支持部材１１０は回転シャフト４４に押し付けられる。一方、冷凍熱媒体３２の接触面３２１が載置台２０の被接触面２０１を押し付ける状態（図５参照）において、付勢部材１１３は弾性変形して、回転シャフト４４と支持部材１１０とを離間させることができる。

以上、基板処理装置１について説明したが、本開示は上記実施形態等に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本開示の要旨の範囲内において、種々の変形、改良が可能である。

Ｗ基板
ＣＬ中心軸
１基板処理装置
１０処理容器
１０Ｓ内部空間
２０載置台
２１チャック電極
３０冷凍装置
３１冷凍機
３２冷凍熱媒体
４０回転装置
４１回転駆動装置
４２ロータ
４３ステータ
４４回転シャフト
４５固定シャフト
４６ハウジング
４７，４８磁性流体シール
４９スタンド
５０昇降装置
５１エアシリンダ
５２リンク機構
５３冷凍装置支持部
５４リニアガイド
５５固定部
５６ベローズ
６０スリップリング
６１回転体
６２固定体
６３配線
７０制御装置
１１０支持部材
１１１凹部
４４１凸部
１２０係止部材
１１５係止部
１２５係止部
２０１被接触面
３２１接触面

Claims

処理容器内に設けられ、基板を載置する載置台と、
前記載置台の被接触面と接触または離間する接触面を有し、前記載置台を冷却する冷凍装置と、
前記冷凍装置を昇降させ、前記載置台に前記冷凍装置を押し付ける押し付け力を発生させる昇降装置と、
回転可能に支持される回転シャフトと、
前記回転シャフトを回転自在に支持するハウジングと、
前記回転シャフトを回転駆動する回転駆動装置と、
前記載置台に固定され、前記回転シャフトと係合することにより前記回転シャフトの回転を前記載置台に伝達する支持部材と、
前記ハウジングに固定された係止部材と、を備え、
前記冷凍装置の接触面を前記載置台の被接触面に接触させた際、前記支持部材と前記回転シャフトとの係合が解除され、前記支持部材は前記係止部材に係止されるように構成される、
基板処理装置。
前記処理容器の内部空間と外部空間との差圧により前記冷凍装置を前記載置台に押し付ける押し付け力を発生させるように構成される、
請求項１に記載の基板処理装置。
前記昇降装置は、エアシリンダを有する、
請求項１または請求項２に記載の基板処理装置。
前記昇降装置は、てこ構造を有する、
請求項３に記載の基板処理装置。