JPS6176674A - 薄膜製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、真空中で薄膜及び半導体の生成及び加工を行
なう、たとえばイオノミリング装置、イオンビームスパ
ッタ装置、反応性イオンヒームエッチング装置、プラズ
マエツチング装置等の薄膜製造装置に関する。

〔発明の背景〕

従来か呟イオン打込み装置やスパッタリング装置におい
ては、基板やターゲットを水で冷却する方法が用いられ
てきた。ところが、近年それらの装置の処理能力は徐々
に増大しておシ、従来の冷却方法では簸板温度の上昇を
抑えることが難しくなっている。このような問題の解決
策のひとつとして、特開昭５０−４５７８７号公報にみ
られるように、所定の圧力以上の水圧で冷却水を大流量
流すことにより基板温度の上昇を抑えるスパッタリング
装置が提案されている。しかしこの方法は、ある程度有
効であるが、加圧機構を必要とするので装置が大形化す
るという問題がある。また、基板から冷却水に取り去ら
れる熱量は、基板から冷、門、水にかけての温度勾配で
決ってくるため、冷却水の温度が上昇すると、冷却の効
率が低下するという問題がある。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、小型で効率的な基板あるいはターゲッ
トの冷却域構を採用することによジ、基板やターゲット
の過熱を防ぎ、高速で高品質な薄膜及び半導体の生成及
び加工のできる薄膜製造装置を提供するにある。

〔発明の概要〕

水冷を行なっている基板やターゲット等の被冷却物から
除かれる熱は、被冷却物から冷却水にかけての温度勾配
で制限される。そこで、被冷却物と冷却水の間にペルチ
エ効果を有する半導体素子（以下、ペルチエ素子と呼ぶ
）を介在させることに層目した。これにより、ペルチェ
系子の高温側と冷却水の間の温度勾配を大きくすること
ができるため、被冷却物から能率的に熱を除くことがで
き、ペルチエ素子の低温側にある被冷却物を著しく低温
に保つことができるＬうになる。また、ペルチエ素子は
小型であシ、この素子を駆動するために必要なのは電気
配線のみであるから、薄膜製造装置の外囲器となる真空
容器中に入れることは容易となる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を、第１図、及び第２図を用い
て説明する。同図において１はアーク室と呼ばれる。フ
ィラメント３からの電子放出と、フィラメント（陰極）
とアーク室の壁（陽極）とのアーク放電により、アーク
室にガス導入口５から導入された気体の電離気体が生成
される。更に、電極群４のそれぞれに所定の電圧を加え
ることによシ、イオンビーム６が引出される。このイオ
ンビーム６中の各々のイオン粒子は、基板７にぶつかっ
て基板７表面の粒子をはじき出すことによシ、基板７を
物理的に彫る（ミリングする）ことができる。この際、
イオンのもっている運動エネルギーの一部は熱エネルギ
ーに変わり、基板７の温度が上昇する。通常イオンビー
ム６の強度は空間的に均一でないから、基板７を回転し
て、ミリング速度を均一化する方法がとられている。基
板７を支持する構造は次のようである。基板７を固定す
る基板ホールダ８の下にペルチエ効果をもつビスマス・
テルルの半導体素子及び支持体９が取付けられている。

この素子を駆動するための直光電流Ｉは、ブラシ１０．
１１で供給される。ペルチエ素子の高温側には、この素
子で吸熱された熱を真空容器外に輸送するための水冷却
の配管１２が取り付けられておシ、これら構造体全体が
真空容器２の外側に設置されているモータで、駆動され
、自転している。冷却水は導入口１５から入り、配管１
２を流れ、基板を冷却した後、放水口１６から放出され
る。次に、ペルチエ素子及びその支持体の詳細な構造に
ついて説明する。第２図は、基板７を基板ホールダ８と
ペルチエ効果を示す半導体素子及び支持体９を取り出し
て示したもので、（ａンは断面図を（ｂ）は平面図を示
している。ペルチエ効果を示す半導体素子のモジュール
２５が、支持体２８の中に埋め込まれていて、モジュー
ル２５と集電リング２７の間は、導線２６で電気的につ
ながっている。ペルチェ菓子を駆動する電流工は、大気
側にある電ＴＭ（図では省略）から、ブラシ１０．１１
及び集電リング２７を経てモジュール２５に供給される
。

第３図は本実施例の効果を説明するためのグラフで、第
１図中α−βの各位置における温度の分布を示している
。第３図の縦軸は位置を、横軸はそれぞれの位置での温
度を示している。実線は不実施列、即ちペルチエ素子を
使った場合で、破線は、第１図のペルチエ素子を挿入し
た部分を基板ホールダと同じ材質で置換えた場合の温度
分布である。なお、ＴＷは冷却水の温反を、ＴＩ　＋　
Ｔ。

はそれぞれペルチェ菓子を用いた胸合、同素子を用いな
い場合の基板温匿を表わすものとする。ペルチエ水子ｔ
−使った場合には、同素子の低温側と高温側にΔＴの温
肛差を生じるため、同素子の高温側から冷却水にかけて
の温度勾配は同素子を使わない場合に比較してかな９大
きくなる。そのため、ペルチエ素子を用いた時に、同素
子から冷却水側に取）去られる熱Ｑｌは、同菓子を使わ
ない時の熱Ｑｏ　よりも大きくなり、同素子を使った場
合の基板表面温ＫＴｔを、同素子を使わない場合の基板
表面温度Ｔｏ　よシも低く保つことができる。

このような冷却効果を評価するだめの実験では、通常用
いられるミリング条件（加速電圧５００〜６００Ｖ）で
の熱負荷に対して、ペルチエ素子を駆動する電流■を１
２Ａとし、推定で４０Ｗ程の熱を素子の高温側から除去
することにより、ペルチエ素子を用いない時に比較して
、基板表面温度をｌｏ−１２Ｇ低下させることができた
。本実施例の冷却方法を用いることで、従来よシもイオ
ンビームのエネルギーを増しながら、基板温度を所定の
温度に保つことができるため、高速で高精度の加工が可
能である。なお、本実施例のような冷却構造を用いると
欠のような副次的な効果がある。

加工済みの基板を大気に取）出す際、結露を防止するた
めに、基板を加熱することが行なわれるが、第１図のＪ
＆五において、基板？冷却する場合にペルチエ素子に苑
す電流とは逆向きの電流ｔ−流すと、冷却水側（温水を
流すことが多い）に比較して、基板側を高温にすること
かでさ、ペルチエ素子を用いない場合に比較して、短時
間で基板の大気への取９出しが可能となる。

第４図は、本発明による薄膜製造装置の他の実施例を示
す前成図である。同図において、第１図と同符号のもの
は同材料を示している。＄１図と異なる構成は、基板７
の載置部にある。すなわち、固定配置されたステージ１
９があシ、このステージ１９の中には冷却水配管１２が
内設されて、該ステージ１９を低温度に保てるようにな
っている。

そして、このステージ１９のほぼ中央部を軸２９が貫通
し、かつ、図示しないモータで回転される円板４０が前
記ステージ１９上に間隙を有して配置されている。この
円板４０は第５図囚、（５）に示すように、たとえば４
個の孔４１が等間隔に形成されている。また前記円板４
０下の＠２９部には歯車３０が形成されている。前記円
板４０の各孔４１にはスライダ１８が嵌合されておシこ
のスライダ１８は前記円板４０に対して回転し得るよう
になっている。

前記スライダ１８はその軸方向断面が”工”字状となる
円形の糸巻き状となっているものであり、その側面にお
ける凹陥部にて前記円板４０の孔４１に嵌合されている
ものである。そして、前記スライダ１８の大径部のうち
下部に位置するものの側面には歯車３０が形成されてお
り、この歯車３０は円板４０の前記歯車３０と噛み合っ
ている。

このようにして円板４０の孔４１に嵌合されている各ス
ライダ１８の上面部にはペルチエ素子９が配置され、さ
らにその上面には基板ホールダ８が配置されて基板７を
′ｇ置し得るようになっている。

前記ペルチエ副子９は円板４０の中央部にて給電のため
のブラシ１０．１１によって摺接されるようになって２
９、前記ブラシ１０は軸２９に内設されている配線を介
して真空容器２外に配置されている電源に接続されてい
る。

このような構成において、図示しないモータを駆動させ
ることにより、円板４０が回転し、これとともに、歯車
３０を介して配置されたスライダ１８を回転させるよう
になる。

このため、基板７ｔ−載置するスライダ１８は円板４０
の軸２９を中心として公転するとともにスライダ１８自
身も自転するようになる。したがって、基板へのミリン
グは著しい均一化を図ることができるようになる。

この場合、スライダ１８はその回転軸の位置を常時異な
らしめかつそれ自身回転することから、このスライダ１
８下に冷却水配管１２を内設したステージ１９を固定配
置させることは、技術的に困難さをともないしたがって
、前記ステージ１９を真空容器２に固定させるようにし
、スライダ１８はステージ１９上を摺接させる構成を採
らざるを得なくなる。

このため、スライダ１８とステージ１９間の熱伝導効率
は悪くなり、この弊害を補償する意味で前記スライダ１
８にペルチェ効果素子９を内股させることは極めて冷却
効果を大ならしめることとなる。

なお、基板ホールダ部の構造によシ、例えばブラシによ
る集電ができない等の理由で、スライダ１８にペルチェ
効果素子９を取付けることができない場合は、非可動の
ステージ１９にペルチェ効果索子９を固定すれば、同素
子をスライダ１８に取付けた場合はどではないが、効率
的に基板７を冷却することができる。

第７図は不発明による薄膜製造装置の他の実施例を示す
構成図である。同図は冷却手段として水を用いないイオ
ンミリング装置の主要断面図であり、この装置が、第１
図に示す装置と異なっている点は、次の点にある。ペル
チエ効果を示す半導体素子及び支持体９の下に放熱フィ
ン２０が取り付けられている。一方、真空容器から支持
されている油だめ２２には、真空中でも蒸発の少ない真
空ポンプ用の油２１が所定の量だけ蓄えられている。油
だめはリング状になっておシ、基板を回転しても、常に
放熱フィンが油の中に浸され、放熱フィン側の熱を旧に
伝達できるようになっている。

油は真空容器の外に置かれたポンプで循環されるととも
に、大気側で放熱され、真空側での効率の良い冷却を可
能にしている。第７図に示した装置においても、第１図
の装置の場合と全く同じ理由で、基板温度を低く保つこ
とができる。

これまで、イオンミリング装置のみについて説明してき
たが、イオンビームスパッタ装置、反応性イオンビーム
エツチング装置、イオン打込み装置、プラズマＣＶＤ装
置、スパッタ装置、プラズマエツチング装置などの薄膜
製造装置あるいは半導体製造装置における基板やターゲ
ットの冷却にペルチエ効果を有する半導体素子を用いる
なら、第１，４．５図の薄膜製造装置で述べたのと同様
の効果があることはもちろんである。

〔発明の効果〕

以上説明したことから明らかなように、本発明による薄
膜製造装置によれば、小型で効率的な基板あるいはター
ゲットの冷却機構を採用することによって、基板やター
ゲットの過熱を防ぎ、高速で高品質な薄膜及び半導体の
生成及び加工ができるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による薄膜製造装置の一実施例を示す
構成図、第２図（ａ）、Φ）は、第１図に示す基板ホー
ルダの詳細を示す側面図及び平面図、第３図は第１図に
示したペルチェ効果素子の特性を示す説明図、第４図は
、本発明による薄膜製造装置の他の実施例を示す構成図
、第５図（ａ）　、Φ）は第４図に示す円板の詳細を示
す平面図及び断面図、第６図（５）、■）は第４図に示
すスライダの詳細を示す平面図及び断面図、第７図は、
不発明による薄膜製造装置の他の実施例を示す構成図で
ある。 １・・・アーク室、２・・・真空容器、３・・・フィラ
メント、４・・・電極、５・・・ガス導入口、６・・・
イオンビーム、７・・・基板、８・・・基板ホールダ、
９・・・ペルチエ効果を有する半導体素子及びその支持
体、１０．１１・・・ブラシ、１２・・・冷却水配管、
１３・・・水の流れ、１４・・・真空ンール、１５・・
・水導入口、１６・・・水排出口、１７・・・排気口、
１８・・・スライダ、１９・・・ステージ、２０・・・
放熱フィン、２１・・・真空ポンプ用油、２２・・・油
だめ、２３・・・油導入口、２４・・・油排出口、２５
・・・ペルチエ効果を有する半導素子のモジュール、２
６・・・４線、２７・−・集電リング、２８・・・モジ
ュール支持体、２９・・・軸、３０・・・歯車、４０・
・・円板、４１・・・円板中の孔。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、真空中での薄膜及び半導体の生成及び加工を行なう
   製造装置において、基板あるいはターゲットの冷却にペ
   ルチエ効果を示す半導体素子を用いたことを特徴とする
   薄膜製造装置。 ２、ペルチエ効果を示す半導体素子の高温側を水冷する
   ことにより、基板あるいはターゲットの熱を除去するこ
   とを特徴とする前記特許請求の範囲第１項記載の薄膜製
   造装置。 ３、基板あるいはターゲットを取り付けたスライダと水
   冷したステージを接触させることによつて、被冷却物の
   熱を冷却水に伝達させることを特徴とする前記特許請求
   の範囲第１項記載の薄膜製造装置。 ４、基板あるいはターゲットの熱を、真空中で蒸発しに
   くい液体に伝達させることを特徴とする前記特許請求の
   範囲第１項記載の薄膜製造装置。 ５、ペルチエ効果を示す半導体素子を、真空容器中の可
   動部分に取付けたことを特徴とする前記特許請求の範囲
   第１項記載の薄膜製造装置。