专利名称：真空处理装置、真空处理方法以及微细加工装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及在真空气氛下使硅基材的表面部多孔质化的技术。
背景技术：
近些年，对硅基材进行纳米级的微细加工的技术在热超声(Thermosonic)元件、 太阳能电池、生物基材等各种领域受到注目，作为其中之一现正研究锂离子二次电池的负电极材料的应用。作为锂离子二次电池的负电极材料，一直以来使用的是碳。但是最近，要求锂离子二次电池更进一步的高容量化，作为取代碳的负电极材料，能够实现容量密度比碳还高一个数量级的更高容量化的硅受到注目。但是，硅在与锂离子形成合金时具有膨胀的性质，因此在将硅作为负电极材料使用的情况下，还需要克服如下的耐久性的问题如由于膨胀引起的电池的破坏、充放电的反复引起的体积变化而产生的负电极的劣化等。另外，存在通过在硅表面上形成锂膜可以实现更高容量化。但是，为此需要形成高品质的锂薄膜，以使其可跟随充放电时的硅负电极的体积变化。作为该耐久性问题的解决方法研究了以下的方法通过在作为负电极材料的硅基材上实施多孔质加工，设置微细的空隙使该空隙吸收充电时的体积的增加量，实现负电极的内部应力的缓和。一般地作为对基材进行多孔质加工的方法，公知有阳极氧化法。但是阳极氧化法是在基材与电解液接触的状况下进行的，因此必须将基材暴露于大气气氛下。从而，通过大气中的水分、氧气，使硅基材的表面氧化，另外电解液或电极材料中的杂质、甚至大气中的杂质的附着可产生污染，可能无法得到在后面的工序中的形成高品质的锂膜所需要的硅基材表面的洁净度。在专利文献1中记载了利用激光光束对硅基板表面进行纳米级微细加工的方法， 但是对上述提及的课题未作任何的讨论。专利文献1 日本特开2006-231376号公报
发明内容
本发明是基于这样的背景而做出的，其目的在于提供一种能够通过微细加工使硅基材的表面部多孔质化，且还能够使表面部维持高洁净度的技术。本发明的真空处理装置的特征在于，具备第1真空室，其在内部配置有用于保持硅基材的第1保持部；喷嘴部，其用于通过将压力比该第1真空室内的压力高的处理气体向该第1真空室内喷出而使该处理气体绝热膨胀来形成作为处理气体的原子或者分子的集合体的气体团簇，为了使所述第1保持部所保持的硅基材多孔质化，对该硅基材上喷射所述气体团簇；第2真空室，其经由隔离阀与所述第1真空室连接，该第2真空室的内部配置有用于保持硅基材的第2保持部；
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成膜处理部，其用于在该第2真空室内对多孔质化的硅基材在真空气氛下进行成膜处理；和真空搬送区域，其具备搬送机构，该搬送机构在不破坏真空气氛的情况下将在所述第1真空室内多孔质化后的硅基材从所述第1真空室搬送到第2真空室，所述气体团簇未被离子化。另外，本发明的真空处理方法的特征在于，包含使真空室内的保持部保持硅基材的步骤，和通过使压力比该真空室内的压力高的处理气体从喷嘴部向该真空室内喷出，而使该处理气体绝热膨胀来形成作为处理气体的原子或者分子的集合体的气体团簇，该气体团簇在未离子化的情况下，被喷射到所述硅基材喷射而使所述硅基材多孔质化的步骤。而且，本发明的微细加工装置的特征在于，具备第1真空室，其在内部配置有用于保持硅基材的第1保持部；和喷嘴部，其用于通过将压力比该第1真空室内的压力高的处理气体向该第1真空室内喷出，而使该处理气体绝热膨胀来形成作为处理气体的原子或者分子的集合体的气体团簇，为了使所述第1保持部所保持的硅基材多孔质化，对该硅基材喷射所述气体团簇；所述气体团簇未被离子化。本发明利用在真空气氛下气体团簇的微细加工，对硅基材的表面部进行多孔质化，所以不必担忧硅的氧化或杂质的残渣附着之类，能够对表面部维持高洁净度。另外，而且还存在下述效果通过保持真空气氛连续地对该表面部进行成膜处理，可抑制成膜的加工品的劣化，得到希望的材料特性。
图1是表示本发明的实施方式的真空处理装置的整体的俯视图。图2是表示在上述实施方式中使用的微细加工装置的概要的纵剖面图。图3是表示团簇喷嘴的概要的纵剖面图。图4是表示成膜装置的概要的纵剖面图。图5是表示本发明的实施方式中，负电极材料的制造步骤的概要的说明图。图6是表示本发明的实施方式中，对硅基材喷射气体团簇的方法的一个例子的说明图。图7是表示上述实施方式的变形例有关的微细加工装置的纵剖面图。图8是表示使用上述实施方式的变形例有关的微细加工装置进行了加工的硅基板的纵剖面图。图9是表示上述实施方式的变形例有关的微细加工装置的一部分的纵剖面图。图10是表示本发明的其它的实施方式的真空处理装置的概要的纵剖面图。图11是本发明的多孔质加工后的硅基板表面的SEM(扫描电子显微镜)照片。附图文字说明C气体团簇，W硅基板，1大气搬送室，15装载互锁室，2真空搬送室，22真空搬送室内的搬送机构，3微细加工模块，31第1真空室，32微细加工模块的载置台，4成膜模块，41 第2真空室，42成膜模块的载置台，5喷嘴部，51喷嘴部的内部(压力室)，52C1F3供给系统，53Ar供给系统，62线圈，64靶，81微细孔，82薄膜。
具体实施例方式如图1所示，作为本发明的实施方式的真空处理装置7具备平面形状是长方形的大气搬送室1。在大气搬送室1的一方的长边侧设置有用于搬入搬出作为硅基材的例如形成为圆形的晶片的硅基板W的搬入搬出口 11。搬入搬出口 11具备载置搬送容器12的多个搬入搬出台13和在各搬入搬出台13上设置的门14，该搬送容器12由容纳了多个硅基板 W的例如前端开口片盒(FOUP)构成。另外，在大气搬送室1的搬入搬出台13的相反侧，经由在左右配置的2个装载互锁室15 (预备真空室)与构成例如平面形状是6边形的真空搬送区域的真空搬送室2连接， 在短边侧还连接有定位模块16，其具备进行硅基板W的位置对准用的定向器(orient)。在大气搬送室1内具备搬送机构12，其用于将硅基板W在搬入搬出台13、装载互锁室15以及定位模块16之间交换。真空搬送室2通过未图示的真空泵将室内保持在真空气氛，与构成微细加工模块 3的处理气氛的第1真空室31以及构成成膜模块4的处理气氛的第2真空室41连接。另外，在该真空搬送室2中具备搬送机构22，其由在装载互锁室15、定位模块16、微细加工模块3以及成膜模块4之间交换硅基板W用的转动伸缩自如的搬送手臂构成。此外，图1中的Gl G3是构成隔离阀的闸阀。另外，该真空处理装置7具备控制部10，通过在该控制部10的存储部中存储的程序以及包含处理配方的软件的执行，进行硅基板W的搬送、各闸阀Gl G3以及门14的开闭，而且进行各真空室31、41中的处理以及真空度的调整。如图2所示，微细加工模块3的第1真空室31使扁平的圆筒部39a的上面中央部向上侧突出，形成比所述圆筒部分的口径小的圆筒状的小筒部39b。另外，第1真空室31具备载置台32，该载置台32为在水平方向上载置保持硅基板W用的第1保持部。该载置台 32能够通过由未图示的升降机构进行升降，经由未图示的支撑销，进行由搬送机构22通过搬入口 38搬送来的硅基板W的交换。该载置台32内置有未图示的温度调整部，可对保持的硅基板W的温度进行调整。 另外，在第1真空室31的底部设置有在X方向上水平地伸展的X导向装置37，并且设置有一边被该X导向装置37导向，一边移动的X移动体36。在X移动体36的上部，设置有在Y 方向(直面的表面和背面方向)上水平地伸展的Y导向装置35，Y移动体34按照一边被该 Y导向装置35导向，一边移动的方式构成。载置台32在Y移动体34之上经由支撑部件33 被设置，因此能够在X、Y方向上移动。此外，虽然仅对X导向装置37以及Y导向装置35进行了说明，但是实际上，在X、Y方向上分别设置有能够一边高精度地进行位置控制一边移动的滚珠丝杠机构，在图中省略了记载。另外，如图2以及图3所示，在微细加工模块3中，按照与载置的硅基板W对置的方式，在微细加工模块3的顶部设置有喷嘴部5。该喷嘴部5具备圆筒状的压力室51，在该喷嘴部5的基端侧连接有由各个配管构成的第1气体流路Ma以及第2气体流路Mb。在第1气体流路Ma的基端侧连接有ClF3气体供给源，夹设有例如由质量流量计构成的流量调整部59a以及阀门57a。另外，在第2气体流路54b的基端侧连接有Ar气体供给源，夹设有例如由质量流量计构成的流量调整部59b以及阀门57b。此外，虽未图示，但设置有检测压力室51内的压力的压力计，通过流量调节部59a、59b以及压力计，能够调整压力室51内的压力和ClF3气体以及Ar气体的流量比。另外，喷嘴部5的顶端侧呈喇叭状地扩展，从该扩开部的根部(喷出口)到硅基板 W的距离被设定为例如6. 5mm,喷嘴部5的喷出口呈例如口径L为0. Imm的节流孔形状。如后所述，从该喷嘴部5喷出的气体由于遭遇急剧的减压，进行绝热膨胀，处理气体的原子或分子通过范德华力结合成为集合体(气体团簇)C，被喷射到硅基板W上。在第1真空室31 的底部，连接有排气管58，在该排气管58上经由压力调整部55设置有真空泵56，可调整第 1真空室31内的压力。此外，为了便于进行喷嘴部5的喷出口附近的压力控制，也可以在圆管状的小筒部39b的侧面配置真空泵。该喷嘴部5的轴方向被调整为与硅基板W正交，以使从这里喷射的气体团簇C垂直地照在载置台32上的硅基板W上。如图4所示，成膜模块4具备由例如筒体的处理容器构成的第2真空室41。该第 2真空室41被接地，另外，从在底部设置的排气口 46a经由压力调整部46b设置有真空泵 46c。在该第2真空室41内，设置有圆盘状的载置台42。对于该载置台42，在其上面通过静电力吸附保持硅基板W，并且能够施加离子引入用的规定的偏置电力。另外，在该载置台42的内部设置有温度调整单元，可对载置台42上保持的硅基板W进行温度调整。载置台42被从其下面中心部向下方延伸的支撑部件43支撑，该支撑部件43通过升降机构44 升降自如。43a是波纹管。在第2真空室41的底部，例如3根支撑销45朝向上方直立地设置，与支撑销45 对应地在载置台42中形成有销插通孔45a。由此，当使载置台42降下时，则支撑销45贯通销插通孔4 从载置台42向上方突出。由此，在载置台42上保持的硅基板W在支撑销45 的上端部被接收，并向上抬起。所以能够在从位于第2真空室41的下部侧壁的搬送口 48 进入的搬送机构22之间进行交换。G3是作为隔离阀的闸阀。在第2真空室41的顶部设置有由电介质构成的窗部61。62是高频率发生源的线圈，63是使高频率扩散的挡板。在该挡板63的下部，设置有包围处理空间67的上部侧方， 例如截面朝向内侧倾斜，呈环状的例如由锂构成的靶64，能够向该靶64供给吸引Ar离子用的电压。另外，在靶64的外周侧设置有向其施加磁场用的磁铁65。66是保护罩。从设置在第2真空室41的底部的气体导入口 47a通过气体供给部47b供给例如 Ar气体或其它的必要的气体例如N2气体作为等离子体励起用气体。此外，靶64、作为高频率发生源的线圈62以及气体供给部47b相当于成膜处理部。接下来，对上述实施方式的作用进行说明。首先将容纳了硅基板W的例如由FOUP 构成的搬送容器12载置在搬入搬出台13上，门14与搬送容器12的盖体一起被打开。接下来搬送容器11内的硅基板W通过大气搬送室1内的搬送机构12向定位模块16搬送，在这里硅基板W的朝向被调整为预先设定的朝向。然后，硅基板W经由搬送机构12、装载互锁室15、真空搬送室2内的搬送机构22被搬入到微细加工模块3的第1真空室31内的载置台32 ο接下来，将第1真空室31内通过压力调整部55维持在例如11 IOOPa的真空气氛下，从气体流路讨分别将ClF3气体以及Ar气体通过例如压力调整部57a、57b以0. 3MPa 2. OMPa的压力供给到喷嘴部5。对于ClF3气体以及Ar气体的流量比，通过流量调整部59a、59b，例如将C1F3/Ar的流量比设定为0. 5% 20%。以上述那样的高压状态， 向喷嘴部5内供给的ClF3气体以及Ar气体从该喷嘴部5内向第1真空室31的真空气氛内一举喷出，并进行绝热膨胀，气体的温度变为凝缩温度以下，在该例中，Ar原子以及ClF3分子通过范德华力结合，形成作为原子以及分子的集合体的气体团簇C。该气体团簇C从喷嘴部5在该喷嘴部5的轴方向上直进地喷出，如图5 (a)、(b)所示向硅基板W垂直地冲撞。象这样的气体团簇C在喷嘴部5的轴方向上直进地喷出的情况在后述的实验中进行确认。从而，如图5(c)所示，硅基板W的表面部被气体团簇C挖掘而打开孔81，被多孔质化。这时硅微粒子从硅基板W的表面部飞散，但是与硅基板W相冲撞而分解的气体的原子、分子一起从排气管58被排出。此外，图5是表示通过气体团簇C使硅基板W多孔质化的情形的示意图。这种情形在宏观上是例如0. 5mm 5mm的气束从喷嘴部5向硅基板W喷射的状态，通过使载置台32移动，使束斑301对硅基板W进行相对地扫描。对于该扫描的方法，如图6所示能够举出将束斑301从硅基板W的一端侧在X方向上沿着扫描线300进行扫描， 再在Y方向上移动规定的距离，使其从硅基板W的端部到端部进行移动，这样可以说是按照一笔画的要领对硅基板W的整面进行扫描的方法。该情况下作为束斑301的相对地移动的时机，可以举出例如一边喷射气束，一边使其间隔束斑301的半径尺寸地顺次移动，在各位置上停止规定时间这一方法。在以上的微细加工中，对于硅基板W的温度，例如能够以常温进行，对于温度没有特别的限定，但是从处理控制性的理由来看优选例如从0°c到100°C。另外作为处理气体， 不限于上述的气体，还能够使用HF气体、F2气体、NH4OH气体等。这样硅基板W的整面被进行微细加工而多孔质化后，闸阀G3打开，通过该真空搬送室2的搬送机构22从第1真空室31被搬出，并被搬入到成膜模块4的第2真空室41的载置台42上。被搬入预先抽真空的第2真空室41内的硅基板W被放置到支撑销45上后，被通过升降机构44上升起来的载置台42吸附保持。搬送口 48通过闸阀G3被密闭了后，通过气体供给部47b向第2真空室41内供给Ar气体，控制压力调整部46b将第2真空室41内维持在规定的真空度。随后，在锂构成的靶64上施加直流电力，进而在等离子体发生源62上施加高频率电力(等离子体电力)。与此同时，在载置台42上，通过未图示的加热器将硅基板W调整为规定的温度，并且在载置台42上施加规定的偏置电力。通过这样设置，通过对等离子体发生源62施加的等离子体电力，氩气体被等离子体化而生成氩离子，这些离子被施加到靶64上的电压吸引而向靶64冲撞，该靶64被溅射而喷出锂(Li)粒子。接下来，从靶64溅射出的锂粒子与离子化的锂离子、电气上呈中性的锂原子形成混在一起的状态向下方飞散。特别是，第2真空室41内的压力被维持在例如 0. 67mPa(5mTorr)程度，由此能够提高等离子体密度，以高效率对锂粒子进行离子化。接下来，当锂离子进入到通过对载置台42施加的偏置电力而产生的硅基板W上的厚度数mm程度的离子鞘的区域时，以强指向性向硅基板W侧加速吸引而在硅基板W上堆积。这样由具有高指向性的锂离子堆积而成的薄膜82可得到良好的覆盖性。图5(d)表示了在硅基板W的表面上形成了锂的薄膜82的状态。根据上述实施方式，在真空气氛下形成气体团簇C，未使该气体团簇C离子化地对硅基板W喷射。因此在硅基板W的表面部形成了对应气体团簇C的大小的孔部81，进行了微细加工、即多孔质化。气体团簇C的大小能够通过喷嘴部5的内部51与真空气氛的压力差、导入气体例如(1&气体以及Ar气体的流量比和改变从喷嘴部5的喷出口到硅基板W的距离来调整，因此能够容易地控制硅基板W的表面部的孔部81的大小。另外，不存在如阳极氧化法那样，电解液中的杂质、电极材料中的杂质污染硅基板W的表面的问题，多孔质化的硅基板W的表面是洁净的。而且硅基板W被进行了微细加工(多孔质化)后，不破坏真空气氛地进行锂的成膜，因此不存在硅基板W的表面被大气氧化的问题，在多孔质状态的表面上形成锂的薄膜82，从而可得到高品质的Li-Si负极材料。下面，对上述实施方式的变形例进行描述。对于硅基板W的气体团簇C的喷射方向，也可以取代上述例子那样的垂直而设置为倾斜的。如图7所示，作为实现该方法的构造能够举出在固定于喷嘴部5上的安装部件 71上连接水平的旋转轴72的一端，并且使该旋转轴72的另一端延伸至真空室31的外部与包含马达的旋转驱动部73连接的构成。在图7中，74是安装了磁密封的轴承部，75是固定在真空室3的小筒部的侧壁上的保持部件。而且，从图1所述的控制部10输出旋转驱动部 73的控制信号，使喷嘴部5以旋转轴72为中心进行旋转，能够任意地设定对于硅基板W的表面的来自喷嘴部5的气体团簇C的喷射方向。根据这样的例子，气体团簇C从斜向入射到硅基板W的表面，因此如图8所示孔部 81被向斜下方挖掘而形成。因此与前面的实施方式的情况相比，孔部81的扩展是3维的， 换言之，能够在横向位置观察时空隙的存在位置较多，具有能进一步适应硅基板W的体积变化的优点。另外，为了得到这样的作用，如图9所示那样，也可以形成使载置台32侧为倾斜的结构。对于这样的例子，形成了在Y移动体34上向上突出地设置安装部件91，并且在该安装部件91上安装包含马达的旋转驱动部92，进而在通过旋转驱动部92在水平轴的周围旋转的旋转轴93的顶端部设置支撑部94，通过该支撑部94支撑载置台32的构成。在该情况下，从图1所述的控制部10输出旋转驱动部92的控制信号，使支撑部94以旋转轴93为中心进行旋转，能够任意地设定硅基板W的表面对于喷嘴部5的轴线(喷嘴部5的中心线的延长线)的朝向。进而在图1的例子中，当将进行了微细加工(表面部多孔质化)的硅基板W向成膜模块4的真空室41内搬送时，真空搬送区域是由真空搬送室2构成的，但是本发明不限于这样的构成，例如能够像图10那样构成。在图10的例子中，微细加工模块3的第1真空室31与成膜模块4的第2真空室41经由作为隔离阀的闸阀G3直接连接，并且在第1真空室31内设置有例如连结了 3根手臂的关节手臂型的搬送机构101。102是组合关节手臂的进退机构与升降机构的驱动部。该情况下，搬送机构101从载置台32接受通过气体团簇C 进行了微细加工的硅基板W，从打开闸阀G3而开口的第2真空室41的搬送口 41a放置到载置台42上。随后在真空室41内像已述那样对硅基板W进行锂的溅射成膜处理。此外，也可以将图10所述的搬送机构101设置在第2真空室41侧。该情况下在图10中，在搬送机构101的紧邻的左侧的位置设置有划分气体团簇C的微细加工处理气氛和锂的溅射处理气氛的垂直的隔离壁，在该隔离壁上形成有搬送口，并且设置有闸阀。对于多孔质化的硅基板W不限于形成锂膜，例如也能够形成氧化钛(TiO2)膜、金 (Au)膜，作为催化剂使用。进而本发明也能够用于生物技术领域中的基材的制造，也可以用于使多孔质化的硅基板W吸附功能性材料例如硅烷耦合剂材，进行特殊蛋白质的固定化。实施例使用图2所示的装置，使用ClF3气体以及Ar气体作为处理气体，将喷嘴部内的压力设为0. 8MPa，真空室的气氛设为10Pa，从喷嘴部5的喷出口到硅基板W的距离设定为 6. 5mm,向该硅基板W的表面部喷射气体团簇C。图11是利用SEM对硅基板W的表面进行的观察结果，确认出形成了最小20nm到50nm左右的口径的孔部81。
权利要求
1.一种真空处理装置，其特征在于， 具备第1真空室，其在内部配置有用于保持硅基材的第1保持部； 喷嘴部，其用于通过将压力比该第1真空室内的压力高的处理气体向该第1真空室内喷出，而使该处理气体绝热膨胀来形成作为处理气体的原子或者分子的集合体的气体团簇，为了使所述第1保持部所保持的硅基材多孔质化，对该硅基材喷射所述气体团簇；第2真空室，其经由隔离阀与所述第1真空室连接，该第2真空室的内部配置有用于保持硅基材的第2保持部；成膜处理部，其用于在该第2真空室内对多孔质化后的硅基材在真空气氛下进行成膜处理；和真空搬送区域，其具备搬送机构，该搬送机构在不破坏真空气氛的情况下将在所述第1 真空室内多孔质化后的硅基材从所述第1真空室搬送到所述第2真空室， 所述气体团簇未被离子化。
2.根据权利要求1所述的真空处理装置，其特征在于，所述真空搬送区域是经由各个隔离阀与所述第1真空室以及所述第2真空室连接的真空搬送室，所述搬送机构按照从所述第1真空室经由所述真空搬送室向所述第2真空室搬送的方式动作。
3.根据权利要求1或2的所述的真空处理装置，其特征在于， 所述成膜处理部进行通过溅射来使金属附着到硅基材上的处理。
4.一种真空处理方法，其特征在于，包含 使真空室内的保持部保持硅基材的步骤；和通过使压力比该真空室内的压力高的处理气体从喷嘴部向该真空室内喷出，而使该处理气体绝热膨胀来形成作为处理气体的原子或者分子的集合体的气体团簇，该气体团簇在未离子化的情况下，被喷射到所述硅基材而使所述硅基材多孔质化的步骤。
5.根据权利要求4所述的真空处理方法，其特征在于，包含在执行了使所述硅基材多孔质化的步骤后，在硅基材所处的气氛不破坏真空的情况下对该硅基材进行成膜处理的步骤。
6.一种微细加工装置，其特征在于， 具备第1真空室，其在内部配置有用于保持硅基材的第1保持部；和喷嘴部，其用于通过将压力比该第1真空室内的压力高的处理气体向该第1真空室内喷出，而使该处理气体绝热膨胀来形成作为处理气体的原子或者分子的集合体的气体团簇，为了使所述第1保持部所保持的硅基材多孔质化，对该硅基材喷射所述气体团簇， 所述气体团簇未被离子化。
全文摘要
本发明涉及真空处理装置、真空处理方法以及微细加工装置。在真空室(31)内设置有喷嘴部(5)，按照与喷嘴部(5)的喷出口对置的方式保持硅基板(W)。以0.3MPa～2.0MPa从喷嘴部(5)的基端侧供给例如ClF3气体以及Ar气体，使该混合气体从喷嘴部(5)的顶端侧向1Pa～100Pa的真空气氛喷出。由此混合气体进行绝热膨胀，Ar原子、ClF3的分子结合在一起成为气体团簇(C)。在该气体团簇(C)未离子化的情况下，向硅基板(W)的表面部喷射，使该表面部多孔质化。而且在不破坏真空的情况下，在其它的真空室(41)中对该硅基板(W)的表面进行锂的溅射成膜。
文档编号C23F4/00GK102437001SQ20111028717
公开日2012年5月2日 申请日期2011年9月15日 优先权日2010年9月17日
发明者吉野裕, 土桥和也, 妹尾武彦, 布濑晓志, 星野聪彦 申请人:东京毅力科创株式会社, 岩谷产业株式会社