(57)【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、
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、
前記ダイアフラム（１２）と弁（１１）との間の接続はガスのための容積を含み、前記ダイアフラムはオリフィスを有し、このオリフィスの絞りは、前記弁（１１）が開いているときに前記絞りを介する前記真空チャンバ内へのガス流が前記真空チャンバ内の処理圧力に比べて無視し得るように選択される、装置。
【請求項２】
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１に記載の装置。
【請求項３】
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、
第１の弁（１８）を介して真空チャンバ（３）と動作可能に接続された第１のガス入口（１４）と、
第２の弁（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第２のガス入口（１５）とを備え、前記第２のガス入口（１５）と前記第２の弁（１１）との間の接続はダイアフラム（１２）を含み、
前記真空チャンバ（３）と動作可能に接続された真空ポンプ（１７）をさらに備え、
前記真空チャンバ（３）と前記真空ポンプ（１７）との間の接続は、スロットル弁（１６）をさらに備える、装置。
【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。
【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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