説明

真空プロセスにおけるガスハンドリング装置

真空処理プロセスにおけるガス圧−上昇パターンを制御するための装置において、ガス入口(1)は、マスフローコントローラーMFC(2)と動作可能に接続され、前記MFC(2)も第1の弁(5)を介して真空チャンバ(3)、および並列に第2の弁(6)を介してベント−ライン(4)と動作可能なように接続される。前記ベント−ライン(4)との接続は、前記ベント−ライン(4)のポンプ断面を変化させるための手段をさらに備える。別の実施形態において、真空処理プロセスにおけるガス圧−上昇パターンを制御するための装置は、弁(11)を介して真空チャンバ(3)と動作可能に接続されたガス入口(13)を備え、ガス入口(13)と弁(11)との接続は、ダイアフラム(12)をさらに備える。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本出願は、2007年1月4日に出願された米国仮特許出願番号第60/883,348号の利益を主張するものであり、その内容は参照により全体として本明細書に組み込まれる。
【0002】
発明の分野
本出願はガスハンドリング技術に関し、より特定的には真空チャンバにおける高速ガスハンドリング(ガス圧力の増加/減少)に関する。真空スパッタリング装置、特に短いサイクル時間で高スループットの高圧適用例に有益である。
【背景技術】
【0003】
発明の背景
スパッタリングは真空中での物理蒸着(PVD)プロセスであり、エネルギーイオンによる固体のターゲット材料への衝突のため、その材料の原子は気相に放出される。エネルギーイオンは、主としてアルゴンなどの不活性ガスからのイオン化により生じる最先端の技術に属する。スパッタリングは、一般的に分析技術と同様に、薄膜蒸着に使用される。真空チャンバ内で基板のPVD(または化学蒸着(CVD))処理における多くのプロセスは、ガス圧力の正確かつ高速の変化を要求する。1つの典型的な適用例は、複数のチャンバ真空システムにおける高圧スパッタリングであり、チャンバ真空システムでは、あるチャンバから他のチャンバへの移送は周辺のチャンバを阻害しないように大幅に低い圧力で行われる一方、基板は高いガス圧力で処理される。これらの適用例の多く(たとえば光学または磁気的なデータストレージ業のための円盤状の基板の加工)は、高スループットを保証するために短い処理時間が要求される。
【0004】
1つの特定の適用例はPMR(垂直磁気記録)、つまり一般的に知られているLMR(水平磁気記録)と比較してストレージ密度を増加するのに向いている技術のための磁気ディスクの処理である。現在のPMR媒体のストレージ層は、磁気特性を最適化するために非常に高い圧力(1×10-1hPaまで)でスパッタされるRu層上に蒸着されたCoCrRt−SiO2のような粒状の材料からなる。SNR(信号対雑音比)に関する最もよい成果は、2ステップでRu層をスパッタリングすること(“2−step Ru”)により達成されてきた。つまり、第1の層は中圧(10-3hPa領域)までの低い圧力でスパッタされる。第2の層は非常に高い圧力(10-2から10-1hPaの領域)でスパッタされる。Ruの所望のc軸方向になるため、および/あるいはSUL(軟磁性裏打ち層)とストレージ層との間の磁気カップリングを減じるために、第1の層が必要であると推測されてきたのに対し、第2の層は、約6nmのストレージ層上に所望の粒径分布を高圧で生成する。
【0005】
既知の技術
マスフローコントローラ(MFC)は、ガス流量を測定し、かつ制御するために用いられるデバイスである。マスフローコントローラは特定の範囲の流量の特定のタイプのガスを制御するために設計され、かつ調整される。MFCはフルスケールの0〜100%の設定点が与えられるが、一般的には最も正確に実行されるフルスケールの10〜90%で操作される。そのデバイスは与えられた設定点まで流量を制御する。すべてのマスフローコントローラは少なくとも入口、出口、マスフローセンサおよび比例制御弁を有する。MFCは、オペレータ(あるいは外部回路/コンピュータ)による入力信号が与えられ、マスフローセンサからの値と比較して、それに応じて要求されたフローを実現するために比例値を調整する、閉ループのコントロールシステムが取り付けられる。
【0006】
1)ガス流量を制御するために一般的に使用されるMFCは、ガス流量の設定値を大幅に変化させた後安定させるためにはかなりの時間を必要とする。図1は、ガス入口1、MFC2、真空チャンバ3、ベント−ライン4、および弁5および6を有する従来技術の配置を示す。MFC2からのガスフローが真空チャンバ3に向けられるか、あるいはいわゆるベントライン4(たとえば真空システムの前方の真空ライン)にパージされるような構成を用いることは一般的な実務である。このようにMFC2は常に一定フローを供給することができる。この構成は“ガスパージ”と呼ばれる。
【0007】
2)十分に高圧のガス(“膨張ガス”)で満たされた容積から膨張ガスによりガス圧力ピークを作ることも、常識であるとみなされている。典型的な構成は、切替可能な2つの弁8および9の組み合わせを使用した図2に示される。すなわち、弁8が開で、かつ弁9が閉のときに、膨張容積7はガス入口1(ガスの入口圧力により決定される圧力)からのガスで満たされる。その後弁8を閉じ、弁9を開くことにより真空チャンバ4へのガス容量は大きくなる。
【0008】
3)高圧スパッタリングのためにポンプ断面を狭くするための機械的部品を使用することも常識である(“スロットル弁”)。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
技術の課題
あるチャンバから他のチャンバへの移送は大幅に低い圧力で行われるべきであるが、基板は高いガス圧力で処理されることが必要な場合、すべての既知の現在のアプローチでは、圧力を安定させるためにかなりの時間(数秒の範囲)を必要とする。2−step Ruプロセスという特定の場合では、現在では、第1のチャンバは中圧までの低い圧力であり、第2のチャンバは高圧で操作される、2つの連続した真空チャンバにおいて、この積層膜は蒸着される。このように2つのプロセス工程が占められ、2つのスパッタリングターゲットが必要であり、両方がプロセスコストを増加する。
【課題を解決するための手段】
【0010】
発明の概要
本発明の1の局面は、短い圧力パルスを作り、かつガス圧力の安定化のための一般解決手段に関し、特に真空プロセス適用例における高圧適用例に向けられている。本発明の他の局面において、正確にかつ高速のガス安定化とともに、1つの真空チャンバで異なる圧力(たとえば2−step Ruプロセス)で2−ステッププロセスを行なうための解決手段は、短いサイクル時間を可能とするために記載されている。
【0011】
真空処理プロセスにおけるガス圧−上昇パターンを制御するための装置であって、ガス入口(1)はマスフローコントローラーMFC(2)と動作可能なように接続され、前記MFC(2)も第1の弁(5)を介して真空チャンバ(3)、および並列に第2の弁(6)を介してベント−ライン(4)と動作可能なように接続される。前記ベント−ライン(4)との接続は、前記ベント−ライン(4)のポンプ断面を変化させるための手段をさらに備える。別の実施形態において、真空処理プロセスにおけるガス圧−上昇パターンを制御するための装置は、弁(11)を介して真空チャンバ(3)と動作可能に接続されたガス入口(13)を備え、ガス入口(13)と弁(11)との接続は、ダイアフラム(12)をさらに備える。
【0012】
真空処理プロセスにおけるガス圧−上昇パターンを制御するための装置についての別の実施形態は、弁(18)を介して真空チャンバ(3)と動作可能に接続されたガス入口(
14)と、真空チャンバ(3)と動作可能に接続された真空ポンプ(17)とを備え、真空チャンバ(3)と真空ポンプ(17)との接続は、スロットル弁(16)をさらに備える。
【0013】
さらに、適用例は上述した形態と示された図面との組み合わせを含む。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】真空処理プロセスにおいて安定した圧力あるいはガスパルスを作るための公知技術の配置を示す。
【図2】真空処理プロセスにおいて安定した圧力あるいはガスパルスを作るための公知技術の配置を示す。
【図3】ニードル弁を使用した本発明の実施形態を示す。
【図4】図3にしたがった実施形態の実験結果を示す。
【図5】ダイアフラムを有する別の発明の実施形態を示す。
【図6】図5にしたがった実施形態の実験結果を示す。
【図7】図5にしたがった実施形態の実験結果を示す。
【図8】周期的な2−ステップ−蒸着−プロセスの圧力パターンを表示する。
【図9】真空チャンバと真空ポンプとの間のスロットル弁を使用する構成を示す。
【図10】真空ポンプの前に適用されたスロットル弁とともに2つのMFCを使用する(ガスパージを有する第2のガスライン)2−ステッププロセスの基本的な構成を示す。
【図11】真空ポンプの前に適用されたスロットル弁とともに1つのMFCとガス圧上昇ラインの基本的な構成を示す。
【図12】図10において示された構成のガス圧上昇パターンを示す。
【発明を実施するための形態】
【0015】
発明の詳細な説明
1)高速ガス圧力の上昇および安定化のための手段
a)ベントラインのポンプ断面を可変としたガスパージ
本発明の実施形態は、図3を用いて説明されるだろう。この形態は図1から生じる配置を示す。しかし、ベントライン4のポンプ断面を変えることによって(たとえば、ニードル弁10によって)、ベント−ライン4から真空チャンバ3へのガスフローを切り替えた後、ガス圧力の開始を制御することが可能となる(図4参照)。
【0016】
ベントライン4の断面が真空チャンバ3へのガスラインに比べて大幅に小さい場合には、ベント−ラインの圧力はより高くなり、したがってガスフローがチャンバ3に切り替えられる(つまり、ベント−ラインへの弁6が閉で、かつ同時に真空チャンバへの弁5が開である)場合、ガス圧力ピークを導く(“ガスオーバーシュート”)。
【0017】
一方、ベントライン4の断面が真空チャンバ3へのガスラインに比べて大幅に大きい場合には、ベント−ライン4中のより小さな圧力はガス圧力の緩やかな増加を導く(“ガスアンダーシュート”)。
【0018】
ベントラインのポンプ断面として適した設定が選ばれるなら、ガス圧力信号の上昇は0.1秒程度と短くすることができる(図4におけるニードル弁の5ターン)。
【0019】
図4は、図3の構成に起因した実験結果を示し、アルゴン(Ar)ガス圧力に対するニードル弁10の異なる設定のための時間を示す。“ターン”とはCCWのターン数を意味し、ゼロは“ニードル弁が完全な閉”に対応し、“1ターン”は最も高いピークに対応し、“2ターン”は2番目に高いピークに対応し、その他も同様である。“ガスON”は階
段状のグラフにより表される。示されるように、ニードル弁10によってベント−ラインの断面を変えることにより、ガス圧力の挙動はガス圧力ピーク(ガスオーバーシュート、たとえば“1ターン”)とガス圧力の緩やかな増加(ガスアンダーシュート、たとえば“7ターン”)との間に定められ得る。
【0020】
b)ダイアフラムおよびバルブの組み合わせを使用したガス圧上昇
非常に短い再現可能なガス圧力パルスも図5に示された構成により実現され得る。
【0021】
可変の入口圧力を有する分離したガス入口13(たとえば圧力調整器に適用)は、ダイアフラム12(非常に小さなオリフィスを有する)と切替弁11との間の容積にガスを常に供給する。真空チャンバ3における周期的なプロセス(真空装置における基板のプロセス)のためのガス圧上昇構成の通常の操作中、弁11を開にすることにより真空チャンバへのこのガス容積は拡大される。
【0022】
オリフィスの絞りは、バルブ11が常に開であれば、所望のプロセス圧力を比較して、絞りを通って真空チャンバ3へのガスフローは無視できる(たとえば10-4hPaの範囲)ようなものから選ばれる。このように、ガス圧力パターンは、弁11が開である時間と実質的に独立している。ダイアフラム12の隙間を設定するための唯一の制約は、所望のサイクル時間、ダイアフラム12の絞りと弁11との間の容積を満たすために絞りを通るフローが充分に高い必要があるということである。
【0023】
このガス圧上昇構成を用いることで、ガス圧力の非常に高速の増加が実現され得、ガス入口圧力(図参照)を調整すること、あるいはガス膨張容積の大きさを変化することにより、圧力ピークの高さは変えられ得る。
【0024】
このガス圧上昇方法の効果は従来技術セクション2において述べたガス膨張方法と類似であるが、1つの弁のみを適用することはよりコスト効率がよい。図6は、ガス圧力に対する、ガス入口13からの入口圧力の異なる設定をした図5にしたがった実施形態における時間の結果をそれぞれ示す。“1.0bar”は最も低いピークにより表され、“1.6bar”は最も高いピークにより表され、“ガスON”は階段状のグラフにより表される。
【0025】
図7は、時間に対するガス圧力を示し、この時間は、膨張容積を空にするために必要な特定の時間後に、ガスパターンが弁11の開の時間から独立していることを示す“弁の開”信号の異なるパルス長さのための時間である。図7において、“20ms”は、最も低いピークを表し、40〜160msのグラフは、他のグラフのオーバーレイにより表される。ガスON=階段状のグラフである。
【0026】
2)2-ステッププロセス
本発明の1つの適用例は、以下を使用した2−ステッププロセス(第1のステップと比較して大幅に異なるガス圧力を有する第2のプロセス)である。
【0027】
a)圧力の増加/減少のために閉/開する真空ポンプの前の高速スロットル弁
b)第2のガスを加えること(ガスパージ方式)および/または高圧適用のための高速圧力増加のためのガス圧上昇を適用することを組み合わせたスロットル弁
a)スロットル弁の操作
図8は、図9に示す構成で実現される周期的な2−ステッププロセスの圧力パターンを示す。すなわち、ガスパージを有する1つのガス入口14を使用するプロセスチャンバ3と、真空チャンバ3と真空ポンプ17との間のスロットル弁16。図8においてセクションiは、MFC2のフロー設定値により設定されるガス圧力p1を示す。セクションii
の始めに、スロットル弁16が閉じられて圧力増加がもたらされ、おおよそ1.5s経過後、スロットル弁16の特定の形ともにMFCフローにより圧力p2に調節される。セクションii後、スロットル弁16が再び開となり、送り出すために指定された可変の時間インターバル(セクションiii)後に、新しい基板がチャンバ内に持ち込まれる。(注:このケースでは、システム間の移送中10-3hPaの範囲の不活性ガスの圧力は許容範囲であるので、MFCのアルゴンガスフローが止められなかった)
b)高速圧力上昇時間のためのガスパルスとともにスロットル弁
セクションii(図8)の始めに圧力上昇時間を加速するために、追加の第2のMFC20、および、ガスパージ構成(上述した段落1a)、あるいは/および、ガス圧上昇構成(上述した段落1b)が、ガスマニホールドに加えられる。それぞれの概略図は図10および11に示される。それぞれの第2のガス入口は参照符号15により示される。
【0028】
本発明のさらなる実施形態において、たとえばガスパージ構成のために、ガス入口15を設定するための最適化されたガスオーバーシュートは、外形上瞬間的な圧力上昇を導く。図12は、図10の構成であって異なる適用例のガス圧力挙動を示す。“スロットルを有するガス1”、つまり中央のグラフはガス入口14に接続された分岐の効果を示す。“ガス2(スロットル無し)”は最も低いグラフであり、スロットル弁16の使用がないガス入口15の効果を示す。“スロットルを有するガス1+2”は、最も高いグラフにおいて、両方を組み合わせて使用した効果を示す。
【0029】
本発明のさらなる利点
プロセス中用いられるガスフローから独立して設定され得る非常に短い高圧パルスを保証するので、ガス圧上昇アプローチは、プラズマプロセス(特にRFプロセス)の点火補助としても非常に適している。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
真空処理プロセスにおけるガス圧−上昇パターンを制御するための装置であって、
マスフローコントローラーMFC(2)と動作可能に接続されたガス入口(1)を備え、
前記MFC(2)は、第1の弁(5)を介して真空チャンバ(3)とさらに動作可能に接続され、かつ並列に第2の弁(6)を介してベント−ライン(4)と動作可能に接続され、
前記ベント−ライン(4)との接続は、前記ベント−ライン(4)のポンプ断面を変化させるための手段をさらに備える、装置。
【請求項2】
当該ベント−ライン(4)のポンプ断面を変化させるための手段は、ニードル−弁(10)である、請求項1に記載の装置。
【請求項3】
当該ベント−ライン(4)の断面は、真空チャンバ(3)へのガスラインと比べて大幅に小さい、請求項1に記載の装置。
【請求項4】
当該ベント−ライン(4)の断面は、真空チャンバ(3)へのガスラインと比べて大幅に大きい、請求項1に記載の装置。
【請求項5】
真空処理プロセスにおけるガス圧−上昇パターンを制御するための装置であって、
弁(11)を介して真空チャンバ(3)と動作可能に接続されたガス入口(13)を備え、
前記ガス入口(13)と弁(11)との接続は、ダイアフラム(12)をさらに備える、装置。
【請求項6】
当該ガス入口(13)は、可変の入口圧力を可能にする圧力変換調整器を備える、請求項5に記載の装置。
【請求項7】
前記ダイアフラム(12)と弁(11)との接続は、ガスのための容積を備える、請求項5に記載の装置。
【請求項8】
真空処理プロセスにおけるガス圧−上昇パターンを制御するための装置であって、
弁(18)を介して真空チャンバ(3)と動作可能に接続されたガス入口(14)と、当該真空チャンバ(3)と動作可能に接続された真空ポンプ(17)とを備え、
前記真空チャンバ(3)と真空ポンプ(17)との間の接続は、スロットル弁(16)をさらに備える、装置。
【請求項9】
追加のマスフローコントローラ(20)および弁(5)を介して前記真空チャンバ(3)と動作可能に接続された追加のガス入口(15)を備え、
当該ガス入口(15)は、前記MFC(20)および追加の弁(6)を介してベント−ライン(4)と並列に接続され、
前記ベント−ライン(4)との接続は、前記ベント−ライン(4)のポンプ断面を変化させるための手段をさらに備える、請求項8に記載の装置。
【請求項10】
弁(11)を介して前記真空チャンバ(3)と動作可能に接続された追加のガス入口(15)を備え、
前記ガス入口(15)と弁(11)との接続は、ダイアフラム(12)をさらに備える、請求項8に記載の装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図5】
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【図9】
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【図10】
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【図11】
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【図4】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図12】
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【公表番号】特表2010−514941(P2010−514941A)
【公表日】平成22年5月6日(2010.5.6)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−544348(P2009−544348)
【出願日】平成20年1月4日(2008.1.4)
【国際出願番号】PCT/CH2008/000002
【国際公開番号】WO2008/080249
【国際公開日】平成20年7月10日(2008.7.10)
【出願人】(596013501)オー・ツェー・エリコン・バルザース・アクチェンゲゼルシャフト (55)
【氏名又は名称原語表記】OC Oerlikon Balzers AG
【Fターム(参考)】