特許 7552555 成膜装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-09

(45)【発行日】2024-09-18

(54)【発明の名称】成膜装置

(51)【国際特許分類】

   C23C 14/56 20060101AFI20240910BHJP

【ＦＩ】

C23C14/56 D

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2021179734

(22)【出願日】2021-11-02

(65)【公開番号】P2023068542

(43)【公開日】2023-05-17

【審査請求日】2023-11-08

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100103894

【弁理士】

【氏名又は名称】家入 健

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 貴康

【審査官】神▲崎▼ 賢一

(56)【参考文献】

【文献】特開昭４６－０２７６４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－０４９０２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５３－１００９３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－２８８５７１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ２３Ｃ １４／５６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

減圧された処理容器内に、基板に真空成膜を行う成膜室と、前記成膜室と連通し、前記基板を冷却する冷却室とが設けられた成膜装置であって、
前記冷却室は、
前記基板が移動する通路と、
前記処理容器の内壁に配置され、前記通路に対向する表面積拡大構造部と冷媒の冷媒流路とを含む冷却装置を備え、
前記表面積拡大構造部は、前記処理容器の内壁から前記通路に向かって突設された複数の突出部を含み、
前記冷媒流路は、前記突出部に沿って形成され、
前記突出部は、断面が前記通路に向かって凸の三角形状であり、側面の延在する方向が前記成膜室から前記冷却室へと移動する前記基板の移動方向に垂直である、三角柱状の基部を含み、
前記突出部は、前記基部から突出する枝部を備える、
成膜装置。

【請求項2】

前記突出部の表面は、粗面処理されている、
請求項１に記載の成膜装置。

【請求項3】

前記表面積拡大構造部は、開気孔を含む発泡金属を備える、
請求項１に記載の成膜装置。

【請求項4】

前記表面積拡大構造部の前記成膜室側の端部には、前記通路の幅を狭める方向に張り出した張出部が設けられている、
請求項１～３のいずれか１項に記載の成膜装置。

【請求項5】

前記冷却室における前記処理容器の内壁及び前記表面積拡大構造部は黒色である、請求項１～４のいずれか１項に記載の成膜装置。

【請求項6】

減圧された処理容器内に、基板に真空成膜を行う成膜室と、前記成膜室と連通し、前記基板を冷却する冷却室とが設けられた成膜装置であって、
前記冷却室は、
成膜材と同じ又は該成膜材を含む材料からなる複数の金属球が充填され、前記基板を複数の前記金属球によって包囲された状態で保持する、冷却容器と、
前記冷却容器を冷却する冷却装置と、
を備える、
成膜装置。

【請求項7】

複数の前記金属球は、複数の異なる直径の金属球を含む、
請求項６に記載の成膜装置。

【請求項8】

前記冷却容器及び前記基板の少なくともいずれか一方に、超音波を印加する超音波発生装置をさらに備え、
前記冷却容器及び前記基板の少なくともいずれか一方に超音波が印加された状態で、複数の前記金属球への前記基板の出し入れが行われる、
請求項６に記載の成膜装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、成膜装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、真空容器中に配置した基板に膜を形成する真空成膜装置が開示されている。この真空容器には、開閉可能なシャッタ２４で区切られる、基板配置部と成膜材料滞留部とが設けられている。真空容器の内部の基板配置部には、基板への膜の形成が行われる成膜ゾーンと、成膜ゾーンの両端に配置され、基板を成膜ゾーンから退避させ、基板の冷却処理を行う冷却ゾーンが設けられている。

【0003】

冷却ゾーンでは、成膜により温度が上昇した基板が、冷却水等の冷媒が循環する冷却プレートと挟持プレートとの間に挟持され、冷却される。また、特許文献１には、冷却方法として、冷却プレートを基板に押し付けて冷却する方法と、放冷による冷却方法とを適宜組合せてもよいことが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００３－２４７０６７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１の真空成膜装置では、冷却ゾーンは真空容器の内部に設けられており、真空状態となっている。真空中では、大圧力中に比べて冷却効率が低下するため、所望の温度まで基板を冷却するのに時間がかかる。また、冷却ゾーンでの滞留時間を長くするために、冷却室の設備長を長くすると、設備全体が大きくなってしまう。

【0006】

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、冷却効率を高めることが可能な成膜装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

一態様に係る成膜装置は、減圧された処理容器内に、基板に真空成膜を行う成膜室と、前記成膜室と連通し、前記基板を冷却する冷却室とが設けられた成膜装置であって、前記冷却室は、前記基板が移動する通路と、前記処理容器の内壁に配置され、前記通路に対向する表面積拡大構造部と冷媒の冷媒流路とを含む冷却装置を備えるものである。

【0008】

他の態様に係る成膜装置は、減圧された処理容器内において、基板に真空成膜を行う成膜室と、前記成膜室と連通し、前記成膜室の圧力よりも高い、前記基板を冷却する冷却室とを備えるものである。

【0009】

他の耐用に係る成膜装置は、減圧された処理容器内に、基板に真空成膜を行う成膜室と、前記成膜室と連通し、前記基板を冷却する冷却室とが設けられた成膜装置であって、前記冷却室は、成膜材と同じ又は該成膜材を含む材料からなる複数の金属球が充填され、前記基板を複数の前記金属球によって包囲された状態で保持する冷却容器と、前記冷却容器を冷却する冷却装置とを備えるものである。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、冷却効率を高めることが可能な、成膜装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】実施形態１に係る成膜装置の構成を示す図である。

【図2】図１の冷却室に設けられる冷却装置の第１例を示す図である。

【図3】図１の冷却室に設けられる冷却装置の第２例を示す図である。

【図4】図１の冷却室に設けられる冷却装置の第３例を示す図である。

【図5】実施形態２に係る成膜装置の構成を示す図である。

【図6】実施形態３に係る成膜装置の構成を示す図である。

【図7】図６の冷却室に設けられる冷却容器の一例を示す図である。

【図8】実施形態１～３の成膜装置を用いた場合の、ワーク温度の変化を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。なお、特許請求の範囲に係る発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、実施形態で説明する構成の全てが課題を解決するための手段として必須であるとは限らない。

【0013】

実施形態１．
図１は、実施形態１に係る成膜装置１０の構成を示す図である。成膜装置１０は、真空中でワーク（基板）Ｗ上に膜を形成する真空成膜装置である。このような真空成膜装置としては、イオンプレーティング装置やスパッタリング装置等の物理的蒸着装置、又は化学的蒸着装置がある。例えば、スパッタリング装置を用いてチタン膜を形成する場合、真空チャンバ（処理容器）内に不活性ガス（例えば、Ａｒガス）を導入しながらワークとターゲット（成膜材Ｔｉ）間に直流電圧を印加し、イオン化したＡｒをターゲットに衝突させて、はじき飛ばされたチタン粒子をワークの表面に付着・堆積させる。

【0014】

図１に示す例は、インライン方式の成膜装置１０である。この成膜装置１０では、ホルダ２０に保持された複数のワークＷに同時に成膜が行われる。図１に示すように、成膜装置１０は、成膜室１１Ａ、１１Ｂ、冷却室１２を含む。図１中矢印で示す、ホルダ２０の移動方向に沿って上流側から順に、成膜室１１Ａ、冷却室１２、成膜室１１Ｂが配置されている。なお、ここでは図示していないが、成膜室１１Ａの前段にはロードロック室や前処理室等が設けられていてもよく、成膜室１１Ｂの後段には後処理室やロードロック室等が設けられていてもよい。

【0015】

成膜室１１Ａ、１１Ｂ、冷却室１２は、減圧された処理容器Ｃ内に設けられる。冷却室１２は、成膜室１１Ａ、１１Ｂとそれぞれ連通している。ホルダ２０が図１中の矢印で示す方向に移動して、成膜室１１Ａ及び成膜室１１Ｂを通過することで、複数のワークＷ上に膜が形成される。

【0016】

例えば、物理的蒸着装置では２００～６００℃程度の温度で処理されるため、ワークの温度も成膜処理過程において次第に上昇する。インライン方式の真空成膜装置では、処理時間の短縮のために、蒸発源１３を複数設置したり、蒸発源の出力を上げることが行われており、ワークの温度上昇が顕著となる。

【0017】

ワークにステンレスやアルミ等の材料を用いた場合、温度の上昇によって、鋭敏化（耐食性の低下）や軟質化、また結晶粒子の粗大化等による剛性の低下が引き起こされるという問題がある。また、高いワーク温度では、樹脂等への成膜が事実上困難となる。そのため、成膜処理の前後にワーク温度を低下させる時間が必要となる。冷却室１２は、このようなワークの温度を低下させるために設けられている。

【0018】

一般的には、冷却室は、同じ処理容器内に配置され、成膜室と連通して、真空状態となっている。しかし、真空状態の冷却室は、魔法瓶と同じで冷却効率が悪く、ワークＷの温度を所定の温度に低下させるのに時間がかかる。そのため、冷却室を大きく（長く）する必要があり、該冷却室を含む処理容器（真空チャンバ）の設置面積が大きくなる。よって設備投資費が大きくなり、すなわち製品処理コストが増加するという問題があった。

【0019】

そこで、本発明者は、冷却室１２の冷却効率を高めることが可能な構成を考案した。熱の伝わり方には（１）放射、（２）対流、（３）伝導がある。この３つの方法の単独、もしくは組合せによってワークＷの温度を低減させることができる。実施形態では、インライン方式の真空成膜装置において、成膜室１１Ａと成膜室１１Ｂとの間に（１）～（３）の工夫を取り入れた冷却室１２を設けている。以下、冷却室１２の具体的な構成について説明する。

【0020】

実施形態１では、冷却室１２は、放射によりワークＷの冷却を行う。図２は、図１の冷却室１２に設けられる成膜装置１０の第１例を示す図である。図２では、成膜装置１０を上からみた図が示されている。なお、ここでは、成膜室１１Ａと冷却室１２のみが図示されている。

【0021】

図２に示すように、成膜室１１Ａには、２つの蒸発源１３が設けられている。ホルダ２０の移動方向に沿って順に、右の内壁に１つの蒸発源１３が配置され、左の内壁に１つの蒸発源１３が配置されている。

【0022】

冷却室１２は、通路１と冷却装置２とを備えている。冷却室１２において、処理容器Ｃの内壁には、冷却装置２が配置されている。図２に示す例では、冷却装置２は、ホルダ２０の移動方向から見て、左右の内壁にそれぞれ配置されている。なお、冷却装置２は、処理容器Ｃの上下の内壁に配置されていてもよく、通路１を囲むように上下左右に配置されてもよい。

【0023】

冷却装置２間には、通路１が形成されている。成膜室１１Ａにおいて成膜処理された後の複数のワークＷを保持するホルダ２０は、通路１を通って、成膜室１１Ｂに向けて移動する。ワークＷは、通路１を通過することによって、冷却装置２により冷却される。

【0024】

冷却装置２は、冷媒流路３、突出部４、張出部５を含む。冷却装置２は、冷却水等の冷媒を冷媒流路３内で循環させる。外部から冷媒流路３の一端に供給された冷媒は、冷媒流路３を通ってその他端から外部に排出される。冷媒流路３内を循環する冷媒とワークＷとが熱交換することで、ワークＷの熱が冷媒を介して外部に放出され、それによってワークＷが冷却される。

【0025】

冷却装置２には、通路１に対向する面に突出部４及び張出部５が形成されている。突出部４及び張出部５は表面積拡大構造部を構成する。突出部４、張出部５は、表面積を拡大してワークＷの冷却効率を高めるために設けられている。複数の突出部４は、処理容器Ｃの内壁から通路１に向かって突設されている。冷媒流路３は、複数の突出部４に沿って蛇行して形成される。

【0026】

このように、表面積拡大構造部により表面積を増加させ、表面積拡大構造部に沿って冷媒流路３を設けることにより、冷却装置２の冷却室１２内の温度を吸熱する効果を増大させることができる。これにより、設備長を長くすることなく、冷却室１２におけるワークＷの冷却効率を高めることが可能となる。

【0027】

張出部５は、表面積拡大構造部の成膜室１１Ａ、１１Ｂ側の端部に形成されている。張出部５は、通路１の幅を狭める方向に張り出している。すなわち、張出部５は、突出部４よりもその高さが高い。これにより、成膜室１１Ａ、１１Ｂの蒸発源１３からの成膜粒子を、張出部５によりトラップすることができ、冷却室１２内に成膜粒子が付着するのを防止することができる。なお、表面積拡大構造部は、迷路が生じるラビリンス構造となっていてもよい。

【0028】

図３は、図１の冷却室に設けられる冷却装置の第２例を示す図である。図３において、図２と異なる点は、突出部４の代わりに開気孔を含む発泡金属６を設けた点である。開気孔を含む発泡金属６により、表面積を拡大することができる。これにより、冷却装置２の冷却能力を改善することが可能となる。なお、発泡金属６は、閉気孔を含んでいてもよい。

【0029】

図４は、図１の冷却室に設けられる冷却装置の第３例を示す図である。図４では、突出部４の他の例を詳細に示している。図４に示すように、突出部４は、基部７、枝部８を含む。

【0030】

基部７は、断面が通路１に向かって凸の三角形状である三角柱である。基部７の側面の延在する方向は、成膜室１１Ａ、１１Ｂから冷却室１２へと移動するホルダ２０の移動方向に垂直である。突出部４の側面は、ワークＷの面に対して斜めになっている。また、基部７からは複数の枝部８が突設されている。

【0031】

成膜室１１Ａから飛来し、冷却室１２の内壁に付着した成膜材Ｍは、厚く堆積すると自然剥離する。図４に示す例では、突出部４の側面は、ワークＷの面に対して斜めになっている。このため、成膜材Ｍが剥離したときに、ホルダ２０の方向へ飛び出すのを防止することができる。これにより、剥離した成膜材ＭがワークＷに付着するのを抑制し、歩留まりを向上することが可能となる。

【0032】

また、図４の例では、基部７の表面は、枝部８が設けられることにより凹凸形状が形成され、粗面処理されている。このように、突出部４の表面が粗面化されていることにより、成膜材Ｍが突出部４の表面から剥離しにくくなる。これにより、成膜材Ｍの剥離頻度が低下して、ワークＷへの成膜材Ｍの付着をさらに抑制することが可能となる。このように、冷却室１２において、剥離した成膜材ＭがワークＷに付着することがないため、成膜後に、形成された膜の平滑処理を省略することが可能となる。また、剥離した成膜材Ｍが基板上に付着し、その後剥離したときに発生する欠陥等、剥離した成膜材Ｍによるマイナス要因を低減することができる。

【0033】

なお、突出部４の粗面処理として、枝部８を形成する代わりに、突出部４の表面にサンドブラスト処理等による梨地面形状を形成してもよい。また、第１例の突出部４の表面に、粗面処理が施されていてもよい。

【0034】

また、冷却室１２において、ワークＷに対向する、処理容器Ｃの内壁及び表面積拡大構造部（突出部４、張出部５）は黒色であることが望ましい。このように、黒色で黒体輻射効果のある材料を使用すれば、冷却室１２における処理容器Ｃの内壁、表面積拡大構造部の熱伝導性が高まり、ワークＷの冷却効率を向上させることができる。なお、張出部５は成膜粒子を補足することから、その部位だけ成膜材（チタン）が堆積して銀色となる場合があるが、成膜材が堆積した箇所以外の表面は黒色を維持することができる。

【0035】

実施形態２．
実施形態２では、冷却室１２は、対流によりワークＷの冷却を行う。図５は、実施形態２に係る成膜装置１０Ａの構成を示す図である。図５において、図１と異なる点は、成膜室１１Ａと冷却室１２との間に圧力調整室１４Ａが設けられ、冷却室１２と成膜室１１Ｂとの間に圧力調整室１４Ｂが設けられている点である。

【0036】

図２に示すように、成膜装置１０は、成膜室１１Ａ、１１Ｂ、冷却室１２、圧力調整室１４Ａ、１４Ｂを含む。図５中矢印で示す、ホルダ２０の移動方向に沿って上流側から順に、成膜室１１Ａ、圧力調整室１４Ａ、冷却室１２、圧力調整室１４Ｂ、成膜室１１Ｂが配置されている。成膜室１１Ａ、１１Ｂ、冷却室１２、圧力調整室１４Ａ、１４Ｂは、減圧された処理容器Ｃ内に設けられる。冷却室１２は、圧力調整室１４Ａ、１４Ｂと連通している。圧力調整室１４Ａは成膜室１１Ａと連通しており、圧力調整室１４Ｂは成膜室１１Ｂと連通している。ホルダ２０が図１中の矢印で示す方向に移動して、成膜室１１Ａ及び成膜室１１Ｂを通過することで、複数のワークＷ上に膜が形成される。

【0037】

なお、ここでは図示していないが、冷却室１２を構成する処理容器Ｃの内壁には、冷媒が循環する冷媒流路が設けられており、処理容器Ｃの内壁自体が冷却装置の機能を果たす。

【0038】

冷却室１２の圧力は、成膜室１１Ａ、１１Ｂの圧力よりも高い。例えば、成膜室１１Ａ、１１Ｂの圧力は１０^－１Ｐａであり、冷却室１２の圧力は１０^３Ｐａである。冷却室１２の圧力は、例えば、不活性気体（アルゴンやヘリウムなどの希ガス、水素、窒素等）を用いて、成膜室１１Ａ、１１Ｂの圧力よりも高くすることができる。

【0039】

このように、冷却室１２の圧力を成膜室１１Ａ、１１Ｂの圧力よりも高くすることで、冷却室が成膜室と同じ真空状態である場合と比較して冷却効率を向上することができ、設備長を長くすることなくワークＷを冷却することが可能になる。

【0040】

また、成膜室１１Ａ、１１Ｂと冷却室１２との間には、それぞれ圧力調整室１４Ａ、１４Ｂを設けられている。圧力調整室１４Ａ、１４Ｂの圧力は、成膜室１１Ａ、１１Ｂの圧力よりも高く、冷却室１２の圧力よりも低い。このように、圧力調整室１４Ａ、１４Ｂを設けることで、冷却室１２内の圧力をさらに高くすることができ、冷却室１２の冷却効率をさらに高めることが可能となる。

【0041】

実施形態３．
実施形態３では、冷却室１２は、伝導によりワークＷの冷却を行う。図６は、実施形態３に係る成膜装置１０Ｂの構成を示す図である。図７は、図６の冷却室１２に設けられる冷却容器の一例を示す図である。図６において、図１と異なる点は、冷却室１２にワークＷを冷却するための冷却容器１５が設けられる点である。

【0042】

冷却容器１５には、冷媒が循環する冷媒流路（不図示）が設けられており、冷却容器１５の壁自体が冷却装置の機能を果たす。図７に示すように、冷却容器１５内には、成膜材と同じ又は該成膜材を含む材料（合金）からなる複数の金属球１６が充填されている。ここでは、チタン膜を成膜するため、金属球１６の材料としてはチタンが用いられる。

【0043】

なお、金属球１６の形状は、必ずしも真球である必要はなく、楕円体や多少の歪みがあっても良い。金属球１６は冷却容器１５内で複数層に重なるが、隣接する金属球１６間に間隙が形成される。金属球１６の直径（又は差し渡し最大寸法）は、ワークＷの形状に合わせて変化させることができる。例えば、ワークＷに溝が設けられている場合、金属球１６の大きさは、該溝よりも大きくすることができる（例えば、１ｍｍ）。

【0044】

複数の金属球１６は、同一の直径であってもよいし、複数の異なる直径の金属球を含んでいてもよい。例えば、複数の金属球１６は、直径１ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍの金属球１６を含み得る。

【0045】

ワークＷを保持するホルダ２０は、冷却容器１５内の複数の金属球１６によって包囲された状態で保持される。複数の金属球１６は拘束されずに、冷却容器１５内を自由に移動可能である。したがって、各金属球１６は自由な配置をとることができる。これにより、ワークＷとの接触面積を大きくとることができ、設備長を長くすることなく、伝熱によりワークＷの冷却が可能になる。

【0046】

また、冷却容器１５及びワークＷを保持するホルダ２０の少なくともいずれか一方に、超音波を印加する超音波発生装置を備えることが好ましい。冷却容器１５及びワークＷの少なくともいずれか一方に超音波が印加された状態で、複数の金属球１６中への基板ワークＷの出し入れが行われる。これにより、ホルダ２０の出し入れ時の抵抗を低減することができ、ワークＷに傷がつくのを抑制することが可能になる。また、ホルダ２０を冷却容器１５から取り出す際には、ホルダ２０に付着した金属球１６を離脱させることができる。

【0047】

図８は、実施形態１～３の成膜装置を用いた場合の、ワーク温度の変化を示す図である。成膜室１１Ａ、１１Ｂには、それぞれ２つの蒸発源１３が設けられているものとする。ホルダ２０の移動方向に沿って、上流側から順に蒸発源Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄであるものとする。なお、冷却室が成膜室と同じ真空状態である場合に、自然冷却する例を比較例とする。

【0048】

図８に示すように、実施形態１～３のいずれも、設備長を長くすることなく、比較例よりもワークＷの温度を低下させることができた。また、予め設定した目標温度を下回る温度まで、最高ワーク温度を低下させることができた。

【0049】

なお、本発明は上記実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、実施形態１と実施形態２とを組み合わせて、表面拡大構造部を含む冷却装置を備えるとともに、冷却室１２の圧力が成膜室１１Ａ、１１Ｂの圧力よりも高くなるようにしてもよい。また、実施形態２と実施形態３とを組み合わせて、金属球を充填した冷却容器を備えるとともに、冷却室１２の圧力が成膜室１１Ａ、１１Ｂの圧力よりも高くなるようにしてもよい。

【符号の説明】

【0050】

１ 通路
２ 冷却装置
３ 冷媒流路
４ 突出部
５ 張出部
６ 発泡金属
７ 基部
８ 枝部
１０ 成膜装置
１１Ａ、１１Ｂ 成膜室
１２ 冷却室
１３ 蒸発源
１４Ａ、１４Ｂ 圧力調整室
１５ 冷却容器
１６ 金属球
２０ ホルダ
Ｃ 処理容器
Ｗ ワーク
Ｍ 成膜材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】