JPWO2008156031A1 - 真空処理装置 - Google Patents
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Abstract
真空処理チャンバー2の蓋体3には、ガス流路となる開口部の周縁に沿って環状に溝150が形成されており、この溝150内に、全体形状が環状(Oリング状)で二重構造とされたメタルシール140が設けられている。蓋体3には、溝150の外側部分に溝150の周囲を囲むように環状の凹部160が形成されている。一方、フランジ部130側には、凹部160に対応した環状の凸部170が形成されており、凹部160に、凸部170を嵌合させる嵌合機構180が構成されている。
Description
本発明は、真空雰囲気とされた真空処理チャンバー内で、被処理物に所定の処理を行う真空処理装置に関する。
従来から、例えば、半導体装置の製造工程等においては、真空雰囲気とされた真空処理チャンバー内で、半導体ウエハ等の被処理物に、加熱して成膜処理等の所定の処理を行う真空処理装置が用いられている。
例えば、上記の真空処理装置の1つとして、真空雰囲気とされた真空処理チャンバー内に所定の処理ガスを導入するとともに、この真空処理チャンバー内にマイクロ波を導入して処理ガスのプラズマを発生させ、CVDによる成膜処理等を施すプラズマ処理装置が知られている(特許文献1参照。)。
上記のようなマイクロ波プラズマ処理装置等では、真空処理チャンバーを例えばアルミニウム合金等の金属部材で構成する場合がある。一方、この真空処理チャンバー内に処理ガスを導入するための配管系等は、ステンレス鋼によって形成する場合が多い。このため、これらの異種の材料からなる金属部材同士が、真空シール部材を介して当接される当接部が形成される場合がある。
また、例えば、メタル成膜を行うプラズマ処理装置等では、酸素、水素等の不純物の存在が成膜処理に悪影響を与えるため、真空処理チャンバー内を高真空、例えば10-6Paの桁まで高真空とすることが望まれている。そして、このような高真空とする場合、通常の樹脂製のO−リングを用いた場合、大気等の外部からに酸素、水素等がO−リングを透過して真空処理チャンバー内に導入されてしまう。このため、真空シール部材として金属製のメタルシールを用いることが行われている。
ところが、例えば、前記したアルミニウム合金とステンレス鋼との当接部等の異種の材料からなる金属部材の当接部にメタルシールを使用した場合、加熱を伴う処理等の際に、これらの金属部材の熱膨張率の差から金属部材同士の相対位置がずれ、メタルシールがこれらの金属部材によって擦られるため、メタルシールが損傷を受けて真空漏れが発生するという課題がある。
特開2006−342386公報
本発明は、上記のような従来の事情に対処してなされたもので、常温とは異なる温度範囲で使用する場合においても、メタルシールに損傷が発生することを抑制することができ、真空漏れの発生する可能性を従来に比べて低減することのできる真空処理装置を提供しようとするものである。
(課題を解決するための手段)
本発明の真空処理装置の一態様は、被処理物を収容し、内部を真空雰囲気として前記被処理物に所定の処理を施す真空処理チャンバーと、前記真空処理チャンバーの開口部を閉塞するように設けられ、前記真空処理チャンバーとは熱膨張率が異なる金属材料から構成された真空処理装置構成部材と、を具備した真空処理装置であって、前記真空処理チャンバーと、前記真空処理装置構成部材との当接部に、当該当接部を気密封止するメタルシールと、前記真空処理装置構成部材を前記真空処理チャンバーに拘束して熱膨張差により前記真空処理装置構成部材と前記真空処理チャンバーとに位置のずれが発生することを抑制する嵌合機構とを有する。
本発明の真空処理装置の一態様は、被処理物を収容し、内部を真空雰囲気として前記被処理物に所定の処理を施す真空処理チャンバーと、前記真空処理チャンバーの開口部を閉塞するように設けられ、前記真空処理チャンバーとは熱膨張率が異なる金属材料から構成された真空処理装置構成部材と、を具備した真空処理装置であって、前記真空処理チャンバーと、前記真空処理装置構成部材との当接部に、当該当接部を気密封止するメタルシールと、前記真空処理装置構成部材を前記真空処理チャンバーに拘束して熱膨張差により前記真空処理装置構成部材と前記真空処理チャンバーとに位置のずれが発生することを抑制する嵌合機構とを有する。
本発明の真空処理装置の一態様は、上記の真空処理装置において、前記真空処理チャンバーがアルミニウム合金から構成され、前記真空処理装置構成部材がステンレス鋼から構成されている。
本発明の真空処理装置の一態様は、上記の真空処理装置において、前記真空処理チャンバー内に所定の処理ガスを供給するガス供給機構と、高周波電力の印加により前記真空処理チャンバー内に前記処理ガスのプラズマを発生させるプラズマ発生機構とを具備している。
本発明の真空処理装置の一態様は、上記の真空処理装置において、前記真空処理装置構成部材が、前記真空処理チャンバー内に前記処理ガスを導入するためのガス配管構成部材である。
本発明の真空処理装置の一態様は、上記の真空処理装置において、前記真空処理装置構成部材が、前記真空処理チャンバー内から排気するための排気部構成部材である。
本発明の真空処理装置の一態様は、上記の真空処理装置において、加熱機構を具備し、前記真空処理チャンバー内を常温より高い温度に設定可能とされている。
本発明の真空処理装置の一態様は、上記の真空処理装置において、前記所定の処理が金属膜を形成する成膜処理である。
以下、本発明の詳細を、実施の形態について図面を参照して説明する。
図1、2は、本発明の真空処理装置を、CVD成膜装置に適用した実施形態の構成を示している。図1に示すように、このCVD成膜装置1は、略円筒状に形成され上下に開放する真空処理チャンバー2と、この真空処理チャンバー2の上部に開口する上方側開口部4と底部に開口する下方側開口部5をそれぞれ閉塞する部材としての蓋体3およびステージ保持部材6とを備えている。ステージ保持部材6は、真空処理チャンバー2内の排気を一旦集合する排気室6aを構成しており、排気室6aの下部側壁部分には、真空処理チャンバー2内を真空排気する排気部構成部材である真空排気配管70の一端が接続されており、この真空排気配管70の他端は、排気装置7に接続されている。
真空処理チャンバー2の内部には、被処理体である半導体ウエハ(以下、処理基板という)8を水平に載置するためのステージ10が設けられている。このステージ10は、排気室6aの内部に立設した支柱11上に設置されており、処理基板8を支持する上下動自在な複数本の支持ピン12と、処理基板8を加熱する加熱手段13と、プラズマの生成を安定させるリング14と、メッシュ電極15等を備えている。支持ピン12は、例えばエアシリンダ16等の昇降手段によって昇降される支持板17上に立設されており、上端部が前記ステージ10を貫通している。
真空処理チャンバー2の一側壁には、処理基板8の搬入搬出を行うための搬入出口20と、この搬入出口20を開閉するゲートバルブ21が設けられている。また、真空処理チャンバー2の側壁には、真空処理チャンバー2の側壁を加熱するためのカートリッジヒータ23が内装されており、これにより原料ガスの凝結や副生成物が付着しない温度に制御されている。
蓋体3の内側には、処理ガス吐出用のシャワーヘッド25がステージ10に対向するように絶縁部材24を介して取付けられている。このシャワーヘッド25は、円板状に形成された3枚のプレート、すなわち上段プレート25a、中段プレート25bおよび下段プレート25cを備えている。
上段プレート25aはベース部材として機能し、この上段プレート25aの外周下部に中段プレート25bの外周部がねじ止めされている。上段プレート25aには、円板状の内側ヒータ26と環状の外側ヒータ27が配設されている。これらのヒータ26,27は図示していない電源にそれぞれ接続されている。
中段プレート25bの下面には、下段プレート25cが密接されねじ止めされている。上段プレート25aの下面と中段プレート25bとの間には空間28が気密に形成されている。また、中段プレート25b、下段プレート25cには、これらを貫通するように多数のガス流路30が形成されている。これらのガス流路30は、2系統設けられており、これらの2系統のガス流路から、交互に2種類のガス(第1のガスと第2のガス)を供給することによって、ALD(Atomic Layer Deposition)法によって原子層レベルの薄膜を形成できるようになっている。ここでは2系統のガスを別々に供給するポストミックスタイプのシャワーヘッドであるが、2系統のガスを一緒に供給するプリミックスタイプのシャワーヘッドでもよい。
また、上段プレート25aの上面には、上記した2種類のガスを供給するための第1のガス導入管35aと第2のガス導入管35bの一端がそれぞれ接続されている。
一方、第1および第2のガス導入管35a,35bの他端側は、上段プレート25aの凹陥部内に組み込まれヒータ26,27を覆う断熱部材38とガス導入部材39を通ってガス供給源40,41に接続されている。
ガス供給源40からは、第1のガスとして、例えばTaCl5ガスが供給される。また、ガス供給源41からは、第2のガスとして、例えばH2ガスが供給される。これらのガスをプラズマ化して所望の反応を生じさせることにより、処理基板8の表面上にTa膜等が形成される。
真空処理チャンバー2内に供給されたTaCl5ガスとH2ガスは、シャワーヘッド25に接続した給電棒52に高周波電源51からマッチング回路51aを介して高周波電力を供給し、真空処理チャンバー2内の処理基板8に高周波電界を形成することによりプラズマ化され、Taの成膜反応が促進される。なお、シャワーヘッド25は、冷却時にドライエアの供給によって冷却されるように構成されている。
蓋体3の上面側には、シャワーヘッド25の上端外周縁部125を保温する環状の絶縁プレート53と、シールドボックス54が設置されている。このシールドボックス54は、蓋体3の上方を覆っており、その上部にはシャワーヘッド25に供給されたドライエアの熱排気を行う排気口55が設けられている。
図1に矢印Aで示す部位は、上記した第1のガス導入管35a及び第2のガス導入管35bを構成するガス配管構成部材と、真空処理チャンバー2の蓋体3に設けられたガス流路との接続部分である。この接続部分Aのガス配管構成部材側には、図3に拡大して示すようにフランジ部130が設けられ、このフランジ部130を蓋体3に当接させて接続を行うようになっている。このフランジ部130は、第1のガス導入管35a及び第2のガス導入管35bを構成する配管部材と同様にステンレス鋼から構成されており、このフランジ部130と蓋体3との当接部分には、真空シール部材としてのメタルシール140が設けられている。このメタルシール140は、二重構造になっており、中にバネの機能を有するスパイラル状部材140bのメタルOリングで構成され、このスパイラル状部材140bを覆い一部切り欠いた構造の外側部材140aのメタルCリングが設けられている。外側部材140a、スパイラル状部材140bは、インコネル(商品名)、ハステロイ(商品名)、Ni、Al、SUS等の同じ材料又は別材料から構成される。このメタルシール140としては、例えばヘリコフレックスメタル(商品名)等を使用することができる。このメタルシール140は、シールの弾性を利用して密封を維持するものであり、シールの過剰締め付けを防ぐことができる。また、メタルシール140は、シールの弾性復元によって、温度サイクルや圧力サイクルによる部材の小さなひずみを吸収できるようになっている。
図3に示すように、真空処理チャンバー2の蓋体3には、ガス流路となる開口部の周縁に沿って環状に溝150が形成されており、この溝150内に、全体形状が環状(Oリング状)とされたメタルシール140が設けられている。また、真空処理チャンバー2の蓋体3には、溝150の外側部分に溝150の周囲を囲むように環状の凹部160が形成されている。一方、フランジ部130側には、凹部160に対応した環状の凸部170が形成されており、凹部160に、凸部170を嵌合させる嵌合機構180が構成されている。
この嵌合機構180は、真空処理チャンバー2及び蓋体3を常温より高い温度、例えば数十℃〜200℃に昇温した際に、アルミニウム合金製の真空処理チャンバー2の蓋体3とステンレス鋼製のフランジ部130の熱膨張率の差により真空処理チャンバー2の蓋体3とフランジ部130に位置ずれが生じ、メタルシール140の表面が擦られて損傷が発生することを防止するためのものである。この嵌合機構180を設けることによって、例えば300℃以上好ましくは400℃以上の処理温度で処理を行った際、真空処理チャンバー2や蓋体3が常温より高い温度、例えば数十℃〜200℃になったとしてもメタルシール140の損傷に起因する真空漏れの発生可能性を従来に比べて非常に低減することができる。この場合上限の処理温度は900℃以下である。
なお、フランジ部130を構成する材料としては、例えばSUS316(L)(熱膨張係数16.0×10-6/℃)、SUS303(L)(熱膨張係数17.2×10-6/℃)、SUS304(L)(熱膨張係数17.3×10-6/℃)、HASTELLOY(商品名)(熱膨張係数11.5×10-6/℃)、INCONEL(商品名)(熱膨張係数11.5×10-6/℃)、Ni(熱膨張係数13.3×10-6/℃)等を使用することができる。また、真空処理チャンバー1を構成するアルミニウム合金としては、例えばA5052(熱膨張係数23.8×10-6/℃)、A5056(熱膨張係数24.3×10-6/℃)、A5083(熱膨張係数23.4×10-6/℃)、A6061(熱膨張係数23.6×10-6/℃)、A6063(熱膨張係数23.4×10-6/℃)、A7075(熱膨張係数23.6×10-6/℃)等を使用することができる。このような材料を使用した場合、線膨張率の差は、6×10-6〜13×10-6/℃程度となる。このため、例えばフランジ部130の径が0.1m程度で、温度を常温から100℃上昇させた場合、フランジ部130の外周部分で6×10-2mm〜13×10-2mm程度の熱膨張差による伸びの差が生じる。この延びの差を抑制することによって、メタルシール140の表面が擦られることを抑制する。
この場合、図3中一点鎖線を記した方向にフランジ部130の中心があるとすると、熱膨張率の大きなアルミニウム合金製の真空処理チャンバー2が図中矢印Bを付した方向に線膨張率の差の分余計に延びようとする。このため、凹部160と凸部170では、図3中一点鎖線を記したフランジ部130の中心側(図中矢印Cを付した部分)が当接して延びを抑制する。このため、常温において矢印Cを付した部分のクリアランスは、少なくとも5×10-2mm〜50×10-2mm以下とする必要があり、例えば10×10-2mm〜20×10-2mm程度とすることが好ましい。なお、上記した材料の他、例えば、Al2O3(熱膨張係数6.5×10-6/℃)、AlN(熱膨張係数5.0×10-6/℃)等を用いる場合がある。溝のサイズは、直径で800mm以下、好ましくは500mm以下である。
なお、図3に示すように、メタルシール140の配置部分より、外側に嵌合機構180を設ければ、嵌合機構180の部分において、部材同士の擦れが抑制されるので、塵埃の発生が防止され、真空処理チャンバー2内に侵入することを防止できる。また、嵌合機構180としては、真空処理チャンバー2の蓋体3側に凸部を設け、フランジ部130側に凹部を設けても良いが、これらの部材の強度を考慮した場合は、より強度の高いフランジ部130側に凸部を設けた図3の構成とすることが好ましい。なお、図4に示すように、上記構成の嵌合機構180及びメタルシール140等は、図1に示した第1のガス導入管35a及び第2のガス導入管35bを構成するガス配管構成部材と、真空処理チャンバー2のシャワーヘッドの上段プレート25aとの接続部(図1の矢印Gの部分)にも設けられている。なお、図4において、第1のガス導入管35a及び第2のガス導入管35bは、フランジ35に接続されている。また、この場合、メタルシール140、凸部170は、上段プレート25a側でなく、フランジ部35側に配置された構成としても良い。
上記の嵌合機構180は、図1に示す前述したステージ保持部材6と真空処理チャンバー2内を真空排気する排気部構成部材である真空排気配管70との接続部(図1の矢印Dの部分)にも設けられている。
図1の矢印Dの部分の嵌合機構180は、アルミニウム合金製のステージ保持部材6と、ステンレス鋼製の真空排気配管70と熱膨張率の差により、これらに位置ずれが生じ、メタルシール140の表面が擦られて損傷が発生することを防止するためのものである。これによって、メタルシール140の損傷に起因する真空漏れの発生可能性を従来に比べて低減することができる。なお、上記のような嵌合機構180は、真空処理チャンバー2の開口部を気密に閉塞する各種の部分に適用することができ、例えば、真空処理チャンバー2の内部を可視化する窓の部分や、真空処理チャンバー2の内部にアクセスしてメンテナンスするためのアクセスポート部分等に対しても同様にして適用することができる。
ところで、図1に示す真空処理チャンバー2と蓋体3との間(図1の矢印Eの部分)には、従来樹脂製のOリングでシールし、真空シールしつつ真空処理チャンバー2と蓋体3との電気的な接続を維持し、真空処理チャンバー2を介して蓋体3を接地電位にしていた。しかし、真空処理チャンバー2及び蓋体3との面接触が不十分で、真空処理チャンバー2とシールド蓋体3との間との電気的な接触抵抗が高くなり、これらの間に電位差が生じていたが、図3に示した本実施形態と同様な構成の嵌合機構180が真空処理チャンバー2と蓋体3との接続部分(図1の矢印Eの部分)に設けられたことにより、接地電位が低く抑制され、効率良くパワーを供給できパワーロスが少なく安定したプラズマを生起できる。
このように嵌合機構180を設けることによって、真空処理チャンバー2と蓋体3とが異種の金属材料で構成されている場合は、その線膨張率の差によって、あるいはこれらが同一金属材質で形成されている場合は、真空処理チャンバー2と蓋体3との温度差に起因する熱膨張差によって、嵌合機構180の凹部と凸部が強く接触し、真空処理チャンバー2と蓋体3との間の電気的抵抗を減少させることができる。これによって、真空処理チャンバー2を介して蓋体3を接地電位に維持することができる。
上記の嵌合機構180と同様に、真空処理チャンバー2とその下部に設けられたステージ保持部材6との接続部分(図1の矢印Fの部分)にも、部材間の電気的な接触抵抗を減少させる目的で、嵌合機構180が設けられている。これによって、真空処理チャンバー2とステージ保持部材6との間の電気的抵抗を減少させることができ、保持部材6を介してその上部に設けられた真空処理チャンバー2及び蓋体3を接地電位に維持することができる。
以上説明したように、本実施形態では、成膜時に真空処理チャンバー2の壁温度が、常温より高い温度、例えば数十℃から200℃程度となった場合においても、メタルシール140が損傷を受けて真空漏れが発生することを抑制することができる。また、異種材料と真空シール構成をする所に本発明のシール構成を設置する等して適用可能である。
なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、各種の変形が可能であることは、勿論である。例えば、上記実施形態では、本発明を、高周波電力によってプラズマを発生させるプラズマCVD装置に適用した場合について説明したが、本発明は、マイクロ波によってプラズマを発生されせるマイクロ波プラズマCVD装置や、他の真空処理装置についても同様にして適用することができる。
本発明の真空処理装置は、半導体装置の製造分野等で利用することができる。したがって、産業上の利用可能性を有する。
Claims (11)
- 被処理物を収容し、内部を真空雰囲気として前記被処理物に所定の処理を施す真空処理チャンバーと、
前記真空処理チャンバーの開口部を閉塞するように設けられ、前記真空処理チャンバーとは熱膨張率が異なる材料から構成された真空処理装置構成部材と、
を具備した真空処理装置であって、
前記真空処理チャンバーと、前記真空処理装置構成部材との当接部に、
当該当接部を気密封止するメタルシールと、
前記真空処理装置構成部材を前記真空処理チャンバーに拘束して熱膨張差により前記真空処理装置構成部材と前記真空処理チャンバーとに位置のずれが発生することを抑制する嵌合機構と
を有する真空処理装置。 - 請求項1記載の真空処理装置であって、
前記真空処理チャンバーがアルミニウム合金から構成され、前記真空処理装置構成部材がステンレス鋼から構成されている真空処理装置。 - 請求項1記載の真空処理装置であって、
前記真空処理チャンバー内に所定の処理ガスを供給するガス供給機構と、
高周波電力の印加により前記真空処理チャンバー内に前記処理ガスのプラズマを発生させるプラズマ発生機構とを具備した真空処理装置。 - 請求項3記載の真空処理装置であって、
前記真空処理装置構成部材が、前記真空処理チャンバー内に前記処理ガスを導入するためのガス配管構成部材である真空処理装置。 - 請求項1記載の真空処理装置であって、
前記真空処理装置構成部材が、前記真空処理チャンバー内から排気するための排気部構成部材である真空処理装置。 - 請求項1記載の真空処理装置であって、
加熱機構を具備し、前記真空処理チャンバー及び前記真空処理チャンバーの開口を閉塞する蓋体を数十℃〜200℃に設定可能とされている真空処理装置。 - 請求項1項記載の真空処理装置であって、
前記所定の処理が金属膜を形成する成膜処理である真空処理装置。 - 請求項1項記載の真空処理装置であって、
前記嵌合機構は、前記真空処理装置構成部材側に凸部が形成され、前記真空処理チャンバー側に凹部が形成されている真空処理装置。 - 請求項1項記載の真空処理装置であって、
前記嵌合機構は、前記真空処理装置構成部材側に凹部が形成され、前記真空処理チャンバー側に凸部が形成されている真空処理装置。 - 請求項1項記載の真空処理装置であって、
前記メタルシールは、Oリング部とCリング部とで構成されている真空処理装置。 - 請求項1項記載の真空処理装置であって、
前記被処理物は、300℃〜900℃の処理温度で処理される真空処理装置。
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