JP2005213551A - 成膜装置及びそのクリーニング方法 - Google Patents

成膜装置及びそのクリーニング方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 基板の大型化に伴ってこれを支持する基板支持部や成膜室が大型化しても、効率的なクリーニングを行える成膜装置及びそのクリーニング方法を提供すること。
【解決手段】 成膜装置30は、成膜室10と、成膜室10内に配設された略四角形状の基板支持部3aと、基板支持部3aに対向して配設され成膜ガスを成膜室10内に導入するための多数の小孔を有するシャワープレート5と、シャワープレート5を介さずに直接成膜室10内に連通されたガス導入口20a〜20dを有し、各ガス導入口20a〜20dが基板支持部3aの四隅A〜Dにそれぞれ向けられた少なくとも4本のクリーニングガス導入管23a〜23dと、成膜室10の外部に設けられ各クリーニングガス導入管23a〜23dに接続されたラジカル生成源21a〜21dとを備える。
【選択図】 図2

Description

本発明は、成膜室の外部でクリーニングガスを励起してラジカルを生成させ、そのラジカルを含んだクリーニングガスを、シャワープレートを介さずに直接成膜室内に導入する構成を備えた成膜装置及びそのクリーニング方法に関する。
例えば、プラズマCVD装置などの成膜装置において、成膜工程を繰り返していくと、成膜対象である基板以外の部分(基板を載置支持する支持部や成膜室の内壁など)にも膜が付着堆積していく。そこで、この膜を取り除くクリーニングが成膜工程とは別に行われる。
例えば特許文献1では、ラジカルを含むクリーニングガスを、成膜時に使うシャワープレートを介さずに直接成膜室内に導入することで、シャワープレートの小孔をラジカルが通過する際のラジカルの消滅を防いでクリーニング効率の向上を図るようにしている。
特開2002−60949号公報
例えば、特許文献1には、一実施形態として、図5に示すように、ラジカル生成源21と接続された1本のクリーニングガス導入管51を真空槽2の側壁部2cの中央部に接続させ、ラジカルを含むクリーニングガスを、基板9を支持するために成膜室10内に配設されている基板支持部3aの1辺部13c側から導入するようにした構成が示されている。
また、他の実施形態として、図6に示すように、ラジカル生成源21aと接続されたクリーニングガス導入管52aを側壁部2aにおける側壁部2b寄りの位置に接続させ、ラジカル生成源21bと接続されたクリーニングガス導入管52bを側壁部2cにおける側壁部2d寄りの位置に接続させ、ラジカルを含むクリーニングガスを、基板支持部3aの対向する2辺部13a、13c側からそれぞれ導入するようにした構成が示されている。
図5に示すように、クリーニングガス導入管51から成膜室10内に導入されたラジカルを含むクリーニングガスは、ガス導入口に近い部分からクリーニングを進行させ、時間経過とともにa→b→c→dで示すようにクリーニング領域を広げていく。この場合、基板支持部3aの四隅にあたる部分A、B、C、Dは、ラジカルを含むクリーニングガスが到達しにくく、基板支持部3aにおいて最後にクリーニングされる箇所になる。この傾向は成膜室10が大型化するほど大きくなり、クリーニング時間を増大させる原因になっている。
なお、基板9の大型化に伴って成膜室10の平面寸法も大型化されるが、高さ方向の寸法は平面寸法と同じ割合で大きくならない。したがって、真空槽2の側壁部に形成するガス導入口は、成膜室10の高さの制約からそれほど大口径にできずガス導入量もそれほど大きくできない。また、1箇所から入れるガス量を増やしても大型化された成膜室10では全体に行き渡るまでに時間がかかる。このため、ラジカルが消滅してしまう場合がある。
また、図6の構成では、四隅A〜Dのうちでクリーニングガス導入管52a、52bのガス導入口近くの部分A、Cにおけるクリーニング速度の低下は防げるが、ガス導入口から離れた部分B、Dにおいてはやはりクリーニング速度は低下してしまう。
すなわち、従来のクリーニングガス導入口の配置では、特に1m2を超えるような大型化した基板に対応する成膜室を効率的にクリーニングするには不十分である。特に、基板支持部3aの四隅A〜Dは、成膜時に基板9で覆われる中央部に比べて汚れが激しく、この四隅A〜Dのクリーニング速度を向上させることが成膜室全体のクリーニング時間の短縮につながる。
本発明は上述の問題に鑑みてなされ、その目的とするところは、基板の大型化に伴ってこれを支持する基板支持部や成膜室が大型化しても、効率的なクリーニングを行える成膜装置及びそのクリーニング方法を提供することにある。
以上の課題を解決するにあたり、本発明の成膜装置は、成膜室と、この成膜室内に配設された略四角形状の基板支持部と、この基板支持部に対向して配設され、成膜ガスを成膜室内に導入するための多数の小孔を有するシャワープレートと、このシャワープレートを介さずに直接成膜室内に連通されたガス導入口を有し、ガス導入口が基板支持部の四隅にそれぞれ向けられた少なくとも4本のクリーニングガス導入管と、成膜室の外部に設けられクリーニングガス導入管に接続されたラジカル生成源とを備えることを特徴としている。
また、以上の課題を解決するにあたり、本発明の成膜装置のクリーニング方法は、成膜室の外部でクリーニングガスを励起してラジカルを生成する工程と、ラジカルを含むクリーニングガスを、成膜室内に配設された略四角形状の基板支持部の四隅に向けて、成膜ガス導入用のシャワープレートを介さずに直接成膜室内に導入する工程とを有することを特徴としている。
本発明では、成膜時に基板によって覆われる中央部よりも汚れやすい部分であり、また基板の大型化に伴って基板支持部が大型化した場合にはクリーニングガスが行き届きにくい部分である四隅からクリーニングを開始させるようにしているので、その四隅におけるクリーニング速度の低下を防止できる。
なお、成膜室が大型化するにつれ、基板支持部における四隅間の部分である辺部(特に辺部の中央部)にクリーニングガスが行き届きにくくなる傾向にある。したがって、四隅に加えて、辺部に向けてもクリーニングガスを導入するようにしてもよい。
また、成膜室に導入される前のラジカルの搬送中における消滅を抑制する観点からは、ラジカルをなるべくガス導入口の近くで生成させたいので、ラジカル生成源を各クリーニングガス導入管ごとに用意し、各クリーニングガス導入管のガス導入口の近くにそれぞれのラジカル生成源を設けることが好ましい。
本発明の成膜装置または成膜装置のクリーニング方法によれば、ラジカルを含むクリーニングガスを基板支持部の四隅に向けて導入することで、従来は低下しがちだった四隅のクリーニング速度を向上させて、結果として、成膜室全体のクリーニング時間を短縮できる。特に大型基板対応の成膜室を効果的にクリーニングできる。
[第1の実施形態]
(成膜装置の構成)
図1及び図2に、本発明の第1の実施形態に係る成膜装置の一例としてプラズマCVD装置を示す。図1は真空槽2の縦断面図を、図2は成膜室10を上から見た図を示す。
本実施形態に係る成膜装置30は、内部空間が成膜室10として機能する真空槽2を備えている。真空槽2の上壁部にはカソード電極4が設けられ、このカソード電極4と対向して、成膜室10内にアノード電極3が配設されている。カソード電極4は高周波電源8と接続され、アノード電極3は接地されている。
アノード電極3の上面は、図2に示すように略四角形状(正方形でもよいし長方形でもよい)を呈し、基板支持部3aとして機能する。また、略四角形状とは、図示のように角が直角に限らない。また、角が多少丸くなった(曲線状になった)ものも含む。
カソード電極4の上部を貫くように成膜ガス導入管15が接続されている。カソード電極4の下部には、多数の小孔が形成されたシャワープレート5が取り付けられている。シャワープレート5は基板支持部3a及びこれに載置される基板9と対向される。シャワープレート5の平面形状は、例えば四角形状の基板9に合わせて四角形状を呈している。また、シャワープレート5の平面寸法は基板9の平面寸法より大きい。
図1に示すように、真空槽2の底部には排気口7が形成されている。排気口7は、図示しない真空ポンプや配管などからなる真空排気系に接続されている。
真空槽2の外部には、4個のラジカル生成源21a〜21dが設けられている(図2参照)。ラジカル生成源21aは、真空槽2の側壁部2aと側壁部2bとで形成される角部の近傍に配設されている。ラジカル生成源21bは、側壁部2bと側壁部2cとで形成される角部の近傍に配設されている。ラジカル生成源21cは、側壁部2cと側壁部2dとで形成される角部の近傍に配設されている。ラジカル生成源21dは、側壁部2dと側壁部2aとで形成される角部の近傍に配設されている。
各ラジカル生成源21a〜21dは、それぞれ、クリーニングガス導入管23a〜23dに接続されている。各ラジカル生成源21a〜21dには、図示しないクリーニングガス供給源からクリーニングガスが供給される。
各ラジカル生成源21a〜21dは、具体的には、クリーニングガス供給源から流れてくるクリーニングガスを一時的に収容するチャンバであり、このチャンバ内でクリーニングガスは、例えば400kHzの高周波により活性化される。
クリーニングガス導入管23aは真空槽2の側壁部2aと側壁部2bとで形成される角部を貫通し、そのガス導入口20aは、基板支持部3aの四隅A〜Dのうちの(図2において)左上隅Aに向けられている。また、ガス導入口20aと、ラジカル生成源21aの出口との間にはバルブ24が設けられている。ガス導入口20aは、上述した成膜用のシャワープレート5を介さずに、直接成膜室10内に連通している。
クリーニングガス導入管23bは真空槽2の側壁部2bと側壁部2cとで形成される角部を貫通し、そのガス導入口20bは、基板支持部3aの四隅A〜Dのうちの(図2において)右上隅Bに向けられている。また、ガス導入口20bと、ラジカル生成源21bの出口との間にはバルブ24が設けられている。ガス導入口20bは、上述した成膜用のシャワープレート5を介さずに、直接成膜室10内に連通している。
クリーニングガス導入管23cは真空槽2の側壁部2cと側壁部2dとで形成される角部を貫通し、そのガス導入口20cは、基板支持部3aの四隅A〜Dのうちの(図2において)右下隅Cに向けられている。また、ガス導入口20cと、ラジカル生成源21cの出口との間にはバルブ24が設けられている。ガス導入口20cは、上述した成膜用のシャワープレート5を介さずに、直接成膜室10内に連通している。
クリーニングガス導入管23dは真空槽2の側壁部2dと側壁部2aとで形成される角部を貫通し、そのガス導入口20dは、基板支持部3aの四隅A〜Dのうちの(図2において)左下隅Dに向けられている。また、ガス導入口20dと、ラジカル生成源21dの出口との間にはバルブ24が設けられている。ガス導入口20dは、上述した成膜用のシャワープレート5を介さずに、直接成膜室10内に連通している。
なお、図1では、クリーニングガス導入管23a、23bの延在方向が、基板支持部3aの面方向に対して平行に図示されているが、1点鎖線で示すようにクリーニングガスの吹き出し方向がシャワープレート5に向くように傾いていてもよい。成膜時、シャワープレート5には全面にわたって膜が付くが、基板支持部3aに関しては基板9が載っているため中央部分には膜が付かないので、クリーニングガス導入管を傾ける場合にはシャワープレート5に向くように傾けるのが好ましい。
また、真空槽2の側壁部2a〜2dの周囲にラジカル生成源の設置スペースが確保できない場合には、図4に示すように、ラジカル生成源21bを真空槽2の下方に配置して、クリーニングガス導入管23bを折り曲げることで側壁部側にガス導入口を導くようにしてもよい。
(成膜工程)
以上のように構成される成膜装置30を用いた成膜時には、成膜室10内を排気口7を介して排気して減圧した後、成膜ガス(SiH4 ガス、NH3 ガスなど)を成膜ガス導入管15を介してシャワープレート5に供給し、このガスはシャワープレート5の多数の小孔を通って、基板9に対して均一に噴出される。そして、高周波電源8によってカソード電極4に高周波電力を印加して、導入された成膜ガスを分解・反応させて、基板9上に薄膜(例えばSiNX 膜)を堆積させる。このとき、クリーニングガス導入管23a〜23dのバルブ24は閉じられている。なお、基板9に形成する膜はSiNX 膜に限らず、他の材質の膜、例えばSiO2 膜などであってもよい。
(クリーニング工程)
成膜室10内のクリーニング時には、排気口7を介して成膜室10内を減圧した後、クリーニングガスとして例えばNF3 ガスとキャリアガスとしてArガスを各ラジカル生成源21a〜21dに供給し、例えば400kHzの高周波を利用してここでNF3 ガスに高周波を印加して、フッ素ラジカルを生成させる。このフッ素ラジカルを含んだガスは、開とされたバルブ24、及び各クリーニングガス導入管23a〜23dを通って成膜室10内に直接導入され、フッ素ラジカルが被クリーニング物質(例えばSiNX 膜)と化学反応することにより、成膜室10内をクリーニングする。取り除かれた被クリーニング物質はクリーニングガスと共に排気口7から排気される。
ラジカルは、コンダクタンスが小さいシャワープレート5を通らずに、直接被クリーニング空間である成膜室10内に導入されるので、生成されたラジカルが成膜室10に至る前に消滅するのを防いで、効率よくクリーニングを行うことができる。
さらに、本実施形態では、ラジカルを含むクリーニングガスは、図2において矢印で示されるように、真空槽2の四隅方向から導入される。
すなわち、クリーニングガス導入管23aのガス導入口20aからは、基板支持部3aの(図2において)左上隅Aに向けてラジカルを含むクリーニングガスが導入され、このガス導入口20aからのクリーニングガスによるクリーニング領域は時間経過につれて左上隅Aから、図2においてa→b→cで示されるように徐々に広がっていく。
同様に、クリーニングガス導入管23bのガス導入口20bからは、基板支持部3aの(図2において)右上隅Bに向けてラジカルを含むクリーニングガスが導入され、このガス導入口20bからのクリーニングガスによるクリーニング領域は時間経過につれて右上隅Bから、図2においてa→b→cで示されるように徐々に広がっていく。
同様に、クリーニングガス導入管23cのガス導入口20cからは、基板支持部3aの(図2において)右下隅Cに向けてラジカルを含むクリーニングガスが導入され、このガス導入口20cからのクリーニングガスによるクリーニング領域は時間経過につれて右下隅Cから、図2においてa→b→cで示されるように徐々に広がっていく。
同様に、クリーニングガス導入管23dのガス導入口20dからは、基板支持部3aの(図2において)左下隅Dに向けてラジカルを含むクリーニングガスが導入され、このガス導入口20dからのクリーニングガスによるクリーニング領域は時間経過につれて左下隅Dから、図2においてa→b→cで示されるように徐々に広がっていく。
このように、本実施形態では、成膜時に基板9によって覆われる中央部よりも厚く成膜される部分であり、また基板9の大型化に伴って基板支持部3aが大型化した場合にはクリーニングガスが届きにくい部分である四隅A〜Dからクリーニングを開始させるようにしているので、四隅A〜Dにおけるクリーニング速度の低下を防止でき、結果として、成膜室10全体のクリーニング時間を短縮できる。
また、本実施形態では、ラジカル生成源を4本のクリーニングガス導入管23a〜23dで共用させることなく、各クリーニングガス導入管23a〜23dごとに個別のラジカル生成源21a〜21dをそれぞれ接続させ、かつその接続位置を各ガス導入口20a〜20dの近くにしている。これにより、成膜室10に導入前のラジカルの搬送距離を無駄に長くしてしまうことを回避でき、成膜室10に導入前のラジカルの消滅を抑制できる。このことも、クリーニング効率の向上に貢献する。
また、ラジカル生成源21a〜21d及びクリーニングガス導入管23a〜23dは、真空槽2外部の四隅に配置されているので、真空槽2の何れかの側壁部を介しての基板9の搬出入の妨げにはならない。
次に、上述した第1の実施形態に対応する実施例と、比較例1〜3とで、クリーニング条件を同じにしてクリーニング速度の比較を行った結果について説明する。
比較例1は、図7に示すように、真空槽2の側壁部2cに2本のクリーニングガス導入管53a、53bを接続させ、基板支持部3aの1辺部13cに向けて、ラジカルを含むクリーニングガスを導入するようにした構成である。
比較例2は、上記従来例で説明した構成であり、図6に示すように、真空槽2の対向する2側壁部2a、2cのそれぞれにクリーニングガス導入管52a、52bを接続させ、基板支持部3aの対向する2辺部13a、13cのそれぞれに向けて、ラジカルを含むクリーニングガスを導入するようにした構成である。クリーニングガス導入管52aのガス導入口は側壁部2b側に寄った位置に形成され、クリーニングガス導入管52bのガス導入口は側壁部2d側に寄った位置に形成されている。
比較例3は、図8に示すように、真空槽2のすべての側壁部2a〜2dのそれぞれにクリーニングガス導入管54a〜54dを接続させ、基板支持部3aの4辺部13a〜13dのそれぞれに向けて、ラジカルを含むクリーニングガスを導入するようにした構成である。各クリーニングガス導入管54a〜54dのガス導入口は、それぞれ、側壁部2a〜2dの中央部に形成されている。
実施例及び比較例1〜3の何れの場合も、成膜室10は同サイズ、具体的には(1100mm×1300mm)の基板9の成膜に対応できるサイズとし、成膜室10内にSiN膜を1μm成膜してクリーニングを行った。クリーニングガスはNF3を使用し、またキャリアガスとしてArを使用した。成膜室10内に導入される合計のガス流量はNF3、Arとも4slmとし、また各ガス導入口から均等に導入されるようにした。
クリーニング速度の比較結果を下記表1に示す。表1で示したクリーニング速度は最もクリーニング速度が遅かった部分の値である。
Figure 2005213551
この結果から明らかなように、実施例が最も大きいクリーニング速度が得られている。なお、実施例で得られた780nm/分というクリーニング速度は、基板サイズが400mm×500mmという小型基板に対応した成膜装置のクリーニング(基板支持部の辺部に向けて1箇所からのクリーニングガスの導入)で現在得られている値とほぼ同等である。すなわち、1m2を越えるような大型基板に対応した成膜室であっても、本実施形態では、現在の小型基板に対応した成膜装置で得られている実用上問題のないクリーニング速度と変わりない値を得ることができる。
なお、クリーニングガスとしてNF3を使用したが、ラジカル生成源にて活性種となるフッ素ラジカルを生成することができる例えばF2ガスを用いても同等の効果が得られる。
[第2の実施形態]
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。なお、上記第1の実施形態と同じ構成部分には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
本実施形態では、図3に示すように、さらに大型化した基板、あるいは複数枚の基板を基板支持部103aに載置して成膜を行うことを想定して、四隅からのクリーニングガスの導入に加えて、長方形状の基板支持部103aの長辺側の対向する2辺部113b、113dのそれぞれの中央部に向けてもラジカルを含むクリーニングガスを導入するようにしている。
すなわち、真空槽102の側壁部102bの中央部にクリーニングガス導入管23eが接続され、側壁部102bに対向する側壁部102dの中央部にクリーニングガス導入管23fが接続されている。クリーニングガス導入管23e、23fは、それぞれ、ラジカル生成源21e、21fと接続されている。
長辺側の辺部113b、113dがさらに長くなる場合には、さらにこれら辺部113b、113dに向けてクリーニングガスを導入するためのクリーニングガス導入管を追加して設けてもよい。
なお、本実施形態では、クリーニングガス導入管が接続されていない短辺側の側壁部102a、102cの何れか側から、基板の搬出入が行われる。
以上、本発明の各実施形態について説明したが、勿論、本発明はこれらに限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
クリーニングガスとしては、NF3 に限らず、F2、CF4 、C26、C33、CHF3 、SF6 などのガスを用いてもよい。また、キャリアガスもArガスに限ることなく他の不活性ガスを用いてもよい。
成膜を受ける基板としては、液晶基板や半導体基板、その他電子デバイス用基板を一例として挙げられる。
本発明の第1の実施形態に係る成膜装置の縦断面図である。 同第1の実施形態に係る成膜装置の横断面図である。 本発明の第2の実施形態に係る成膜装置の横断面図である。 ラジカル生成源の配置位置の変形例を示す図である。 従来例の成膜装置の横断面図である。 他従来例の成膜装置の横断面図である。 比較例1の成膜装置の横断面図である。 比較例2の成膜装置の横断面図である。
符号の説明
2…真空槽、3…アノード電極、3a…基板支持部、4…カソード電極、5…シャワープレート、9…基板、10…成膜室、15…成膜ガス導入管、20a〜20d…ガス導入口、21a〜21f…ラジカル生成源、23a〜23f…クリーニングガス導入管、30…成膜装置、102…真空槽、103…アノード電極、103a…基板支持部、A〜D…基板支持部の四隅。

Claims (8)

  1. 成膜室と、
    前記成膜室内に配設された略四角形状の基板支持部と、
    前記基板支持部に対向して配設され、成膜ガスを前記成膜室内に導入するための多数の小孔を有するシャワープレートと、
    前記シャワープレートを介さずに直接前記成膜室内に連通されたガス導入口を有し、前記ガス導入口が前記基板支持部の四隅にそれぞれ向けられた少なくとも4本のクリーニングガス導入管と、
    前記成膜室の外部に設けられ、前記クリーニングガス導入管に接続されたラジカル生成源と
    を備えることを特徴とする成膜装置。
  2. 前記四隅に加えて、さらに前記基板支持部の対向する2辺部のそれぞれにガス導入口が向けられたクリーニングガス導入管が設けられていることを特徴とする請求項1に記載の成膜装置。
  3. 前記基板支持部は長方形状を呈し、前記2辺部は長尺側の2辺部であることを特徴とする請求項2に記載の成膜装置。
  4. 前記2辺部それぞれの略中央部に前記ガス導入口は向けられていることを特徴とする請求項2に記載の成膜装置。
  5. 前記ラジカル生成源は、複数本の前記クリーニングガス導入管それぞれに対応させて複数個設けられていることを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れかに記載の成膜装置。
  6. 成膜室の外部でクリーニングガスを励起してラジカルを生成する工程と、
    前記ラジカルを含むクリーニングガスを、成膜ガス導入用のシャワープレートを介さずに直接前記成膜室内に導入する工程とを有する成膜装置のクリーニング方法であって、
    前記ラジカルを含むクリーニングガスを、前記成膜室内に配設された略四角形状の基板支持部の四隅に向けて導入するようにしたことを特徴とする成膜装置のクリーニング方法。
  7. 前記四隅に加えて、さらに前記基板支持部の対向する2辺部に向けても前記ラジカルを含むクリーニングガスを導入することを特徴とする請求項6に記載の成膜装置のクリーニング方法。
  8. 前記2辺部それぞれの略中央部に向けて前記ラジカルを含むクリーニングガスを導入することを特徴とする請求項7に記載の成膜装置のクリーニング方法。
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