JP2011117085A - ロードロック室及びそれを備えた薄膜形成装置 - Google Patents

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Abstract


【課題】 本発明は、基板の冷却効果及び、加熱効率を高めた、省スペースのロードロック室を提供する。
【解決手段】 ロードロック室は、未処理基板を搬入し、処理基板を搬入するロードロック室であって、ロードロック室内部の上方に設けられた基板加熱手段と、ロードロック室内部であって、かつ基板加熱手段の下方に対向配置された、基板冷却手段と、ロードロック室を区画するように設けられ、基板加熱手段に接近可能な第1ステージと、第1ステージに設けられ、基板を支持する複数の第1ピンと、基板冷却手段を備えた第2ステージと、前記第2ステージに設けられ、基板を支持する複数の第2ピンと、を備え、基板加熱手段によって基板を加熱する際には、第1ピンは第1ステージ内に収納されず、基板冷却手段によって基板を冷却する際には、第2ピンは第2ステージ内に収納されることを特徴とする。
【選択図】 図4

Description

本発明は、ロードロック室及びそれを備えた薄膜形成装置に関する。
液晶表示パネルの生産においては、複数枚の面取りが可能な大型基板が用いられ、基板製造プロセス終了後、切断されてパネルの組立に供される。従って、基板製造装置も大型装置となるが、特に、薄膜トランジスタ(TFT)のソース・ドレイン電極のような多層構造膜の薄膜形成装置は、各層ごとに成膜装置が必要となり、しかも安定した生産及びスループット向上の観点からクラスター構造をとるため、薄膜形成装置全体としては極めて大型の装置となる。
例えば、3層構造(Ti/Al/Ti)のソース・ドレイン電極の薄膜形成装置は、図7に示すような構成の装置となり、Ti成膜室705、Al成膜室706及びTi成膜室707の3つのスパッタ室の他、基板加熱室704と2台のロードロック室702,703とが、基板移送室701の周りにゲートバルブ708を介して連結されている。基板移送室701の中央部には各室間で基板の移送を行うロボットが配置されている。また、各室には、それぞれ別個の真空排気装置が備えられ、ロードロック室には、昇降機構を有するステージ上に基板が複数収納されたカセットが載置されており、カセット単位で処理基板と未処理基板の入れ替えが行われる。
以上の装置により、3層構造膜を形成する場合、まず、ロボットは、第1ロードロック室702のカセットから基板を取り出し、基板加熱装置704に移送し、そこで基板の加熱処理を行う。加熱処理された基板はロボットにより次の第1成膜室(Ti膜)705に移送され、次の基板が第1ロードロック室702から移送される。このようにして、カセット内の基板及び各室の処理済み基板は、ロードロック室702から、基板加熱室704、第1Ti成膜室705,Al成膜室706、第2Ti成膜室707へと順送りされ、第3層(Ti膜)の成膜が終了した基板は、ロードロック室702のカセットの未収納棚に戻される。カセット内の基板が全て処理されると、第2ロードロック室703から基板が取り出され、同様の手順で処理が行われる。一方、第1のロードロック室702のカセットは、第2ロードロック室の基板が処理されている間に、次のカセットとの入れ替えが行われる。
特開平11−343574号公報
しかしながら、以上の装置構成では、バリア用Ti膜は導電用Al膜に比べて非常に薄いためTi成膜時間は極めて短時間で終了しまうことから、Ti成膜装置の実稼働時間は短く、ほとんどの時間が待機状態におかれることになる。このように、無駄な時間が多い装置と実稼働時間の長い装置を共に同じ装置構成とし、同等の大きな設置面積をとるような装置システム構成は、投資効率が低く、また生産性も低くならざるを得ず、これは基板面積がさらに大型化すると一層深刻化する問題である。
また、装置のスループットを上げるためには、各処理時間の中で、最も時間のかかる処理の時間を最小にする必要があるが、図1の装置構成では、処理時間をいくら短くしても、スループットはロボットの移送時間により律速されてしまうという問題がある。即ち、スループットを最大とするには、最長の処理時間を要する処理(例えば、Al成膜処理)の時間内で、ロボットは、他の4つの装置(第1Ti成膜室、第2Ti成膜室、基板加熱室及びロードロック室)との間で、処理基板と未処理基板の移送を行う必要があるが、一つの装置についてロボットが基板を移送するには少なくとも20数秒かかるのが現状であり、4つの装置ではこの4倍かかることになる。従って、たとえ、Al成膜処理を短時間で行えるものであっても、結局スループットはロボットによる基板移送により制限されてしまうことになる。
また、基板が大型化し各種製造装置の枚葉処理化が進むとともに、TFT基板の生産ラインにおいては、従来のカセット単位の処理ではなく、例えば、洗浄、ソース・ドレイン薄膜形成、フォトリソ等を基板単位で一貫処理できるシステムの要求が強まっている。このためには、基板をロードロック室へ基板単位で搬出入可能なロードロック室が必要となるが、そのためには室内部の排気、基板冷却、ベント等を効率よく短時間で行え、かつ他の処理装置の処理時間に整合できるロードロック室が必要となる。
本発明は、以上述べた従来の積層膜の薄膜形成装置の問題を解決し、各装置での処理時間及びロボット移送の適正化を行い、よりスループットの高い薄膜形成装置を提供することを目的とする。また、装置の小型化により設置面積を小さくするとともに、装置コストの低減する薄膜形成装置の提供を目的とする。
本発明のロードロック室は、未処理基板を搬入し、処理基板を搬入するロードロック室であって、該ロードロック室内部の上方に設けられた基板加熱手段と、該ロードロック室内部であって、かつ前記基板加熱手段の下方に対向配置された、基板冷却手段と、該ロードロック室を区画するように設けられ、前記基板加熱手段に接近可能な第1ステージと、前記第1ステージに設けられ、基板を支持する複数の第1ピンと、前記基板冷却手段を備えた第2ステージと、前記第2ステージに設けられ、基板を支持する複数の第2ピンと、を備え、前記基板加熱手段によって基板を加熱する際には、前記第1ピンは前記第1ステージ内に収納されず、前記基板冷却手段によって基板を冷却する際には、前記第2ピンは前記第2ステージ内に収納されることを特徴とする。
薄膜形成装置は、基板上に積層膜を連続して形成する薄膜形成装置であって、複数のターゲットを有するスパッタ室2つと、鉛直方向に移動可能な基板加熱処理部と基板冷却処理部とを有するロードロック室2つとが、該スパッタ室及びロードロック室との間で基板の移送を行う2つの基板把持ハンドを有するロボットを配置した基板移送室の周りに、連結されていることを特徴とする。
かかる構成とすることにより、1つのスパッタ室で2種又は3種類の膜の多層構造膜を形成することが可能となり、従来の積層膜形成装置における各構成膜の処理時間の違いに起因する各構成装置の非稼働状態の無駄をなくすとともに、装置全体の小型化及び設置面積の低減をはかることが可能となる。また、ロードロック室に基板の加熱処理部を設けることにより従来の基板加熱室を省略でき、装置全体の一層の小型化、低コスト化が可能となる。さらに、加熱処理部と冷却処理部とを上下に設け、昇降自在とすることにより、ロードロック室を小型化でき、排気、ベント、加熱、冷却に要する時間の短縮化が可能となる。
薄膜形成装置は、以上のスパッタ室2つと、ロードロック室2つを配置することにより、各室における非稼働時間の無駄をなくして各室での処理時間の整合性をはかることができ、さらに、2つのハンドを有するロボットを用いることにより、基板移送時のハンド回転時間及び基板の取り出し、送り込み時間を短縮できることから、各室での処理時間が適合し、従来装置に比べて、極めて高いスループットを達成することが可能となる。
また、他の薄膜形成装置は、基板上に積層膜を連続して形成する薄膜形成装置であって、複数のターゲットを有するスパッタ室2つと、ロードロック室2つと、基板加熱室とが、該スパッタ室、ロードロック室及び基板加熱室との間で基板の移送を行う2つの基板把持ハンドを有するロボットを配置した基板移送室の周りに、連結されていることを特徴とする。
以上構成により、同様に、従来型装置に比べて、装置の小型化、低コスト化とともに、スループットを向上させることができる。
なお、前記スパッタ室は、側面の少なくとも2つにターゲットが取り付けられ、底面に水平方向に回転可能で、しかも垂直方向に回転しかつ水平及び垂直状態間の任意の角度に保持可能な基板ホルダを有する構成とするのが好ましい。
この基板ホルダを用いることにより、各構成膜のスパッタ間での基板移動時間を短縮することができ、特に、基板ホルダを回転して次のターゲットに基板を対向させる際に、基板ホルダを水平な位置まで戻す必要がなくなることから、一層の時間短縮を図ることができ、より高いスループットに対応したスパッタ室となる。
上述したように、本発明により、積層膜の連続形成装置を小型化し、設置面積の省スペース化が可能となる上に、より高いスループットの薄膜形成装置を実現できることから、製造設備の投資効率を大幅に改善することが可能となる。
本発明の薄膜形成装置の一構成例を示す模式的平面図である。 本発明の基板移送ロボットの一例を示す模式的平面図である。 基板起立機構及び回転機構を示す模式図である。 図1のB−B’矢視図である 各装置の処理状況を示すタイムチャートである。 本発明の薄膜形成装置の他の構成例を示す模式的平面図である 従来の薄膜形成装置の構成例を示す模式的平面図である。
以下に、図面を参照して、本発明の薄膜形成装置の実施の形態を説明する。
図1は本発明の薄膜形成装置の一構成例を示す模式的平面図である。図に示すように、薄膜形成装置は、2つのロードロック室200,300と2つのスパッタ装置400,500が基板移送装置100の周りにゲートバルブ201,301、401,501を介して連結されている。なお、各室には、それぞれ、独立した真空排気装置(不図示)が取り付けられている。
基板移送装置100の内部には、図2の模式的平面図で示す基板移送ロボット101が配設されている。ロボット101は、回転台102の上に、2つの基板把持ハンド104,104’がその向きを互いに逆方向にして取り付けられており、アーム103の動作により、ハンドは前進、後退して、ステージ上の基板の取出し及びステージ上への基板の載置を行うことができる。なお、本発明において、回転とは、両方向に回転することを意味する。
第1スパッタ装置400の3つの側壁には、3つのターゲットを備えたマグネトロンカソード402,403,404が取り付けられており、底壁には、図3に示す水平方向に回転可能で、鉛直方向に起立できる基板ホルダ411が取り付けられている。第2スパッタ装置500も同様である。基板ホルダの回転及び起立の機構を図3を参照して説明する。
図3(a)は、図1のA−A’矢視図であり、図3(b)は基板ホルダの起立動作を説明する模式図で、A−A’線に垂直な方向から見た図である。
基板ホルダ411は、回転シャフト410に固定され、回転シャフトの回転により、基板ホルダは水平姿勢から起立姿勢へと相互に変化する。
基板ホルダ411及び回転シャフト410は円筒状支持体413により支持されており、この支持体413により囲まれた内部空間414は大気圧にあり、内部にモータ423等が配設されている。なお、この空間414は、磁性流体シール415,415’により成膜室との気密が保たれ、成膜室を高真空雰囲気に維持することができる。また、円筒状支持体413はその下部で、磁性流体シール416を介して、スパッタ装置底壁417に固定されている。なお、支持体413はモータ(不図示)に水平方向で回転可能に連結されている。
回転シャフト410に固定された回転駆動アーム412は、ボールネジ422と螺合するトラベラー421にピン420を介して接続されている。また、モータ423は、ピン424を介して固定台425と接続されている。従って、基板が水平の位置にあるときは、トラベラー421はボールネジの端部にあるが、モータを回転するとトラベラーはモータの方向に移動すると共に、モータ、ボールネジはピン424のまわりに回転する。さらにトラベラーが移動して回転駆動アーム412が90゜回転した位置が基板ホルダの起立状態に対応し、図3(b)の破線がその状態を示している。また、この状態から、モータを逆方向に回転することにより、基板を水平状態に倒すことができ、途中の所望の角度で停止することも可能である。本例では、モータにサーボモータを用いているため、基板ホ
ルダを水平方向に対する任意の角度で停止させ、その状態を保持することができる。
なお、図には示していないが、基板ステージには、基板加熱用ヒータが内蔵されており、所望の温度で成膜することが可能である。また、基板取り出し及び載置時に基板を上方に押し上げる複数のピン及びそのアクチュエータ、並びに基板を基板ホルダに固定するための基板押さえ板及びそのアクチュエータからなる基板押さえ機構が設けられている。なお、これらのアクチュエータはエアシリンダにより駆動される。
ロードロック室は、図4に示すように、内部に、基板搬入時に基板を加熱し吸着ガス等を脱離させる基板加熱処理部210と、処理済みの基板を装置外に搬出する前に基板を冷却する基板冷却処理部211とを有し、これらは昇降可能な支持棒213に固定されている。内部を真空に保った状態で各ステージを昇降できるように、ロードロック室の底壁203には、支持棒213が貫通する開口が設けられ、この開口を囲んで伸縮性のベローズ215が、底壁203と支持棒213が固定された上下移動板216との間に取り付けられている。なお、217は移動板のガイド、218はボールネジ、219はモータであり、移動板216はボールネジと螺合して結合している。従って、モータ219が回転すると、ボールネジ218の回転を介して、これと螺合する移動板216がガイドにそって上
下に移動する。
なお、図には示していないが、スパッタ室の基板ホルダと同様に、基板加熱処理部及び冷却処理部のステージには、基板の取り出し及び載置時に、ロボットハンドが進入できるように基板を上方に押し上げるピンが複数取り付けられている。冷却処理部のピンは、基板載置後はピンはステージ内に収納され、ステージと基板との熱伝導による基板冷却効果を高める構成としているが、加熱処理部のステージに設けられたピンは、基板載置後も完全には収納されず、基板がステージ直接接触しない構成として、ランプ214による基板加熱効率を高めている。
次に、図1の装置を用いて、Ti/Al/Ti積層膜を形成する手順を説明する。各室での処理手順のタイムチャートを図5に示す。図において、「閉」はゲートバルブが閉じている状態、即ち処理が行われている状態を示している。一方、「開」は、ゲートバルブが開き、ロボットによる基板の取り出し及び載置等の動作を行っている状態を示している。図5においてAで示した時点以降の薄膜形成装置の動作を以下に説明する。
このAの時点では、例えば、第1スパッタ室(SP1)400は成膜処理中であり、第2スパッタ室(SP2)500では成膜が終了し基板の取り出し可能な状態にある。また、第1の基板把持ハンドには第1ロードロック室(LL1)200の基板加熱部から取り出された未処理の基板が載置されて、第2のハンドは空の状態で、この空のハンドが第2スパッタ室に向けられている。第1ロードロック室200では基板冷却処理部に処理後の基板が載置されている状態である。第2ロードロック室300では未処理の基板が加熱されている状態にある。
この状態から、第2スパッタ室500のゲートバルブ501が開けられ、空の第2ハンドが前進してスパッタ室に進入し、基板を把持して元の位置まで後退する。次にロボットは180゜回転し、基板の載った第1ハンドがスパッタ室面に向けられる。ハンドが延びて基板を基板ホルダー上に載置し、元に位置に戻る。
この時点でゲートバルブ501は閉じられ、基板の交換を終了する。
続いて、ロボットは回転し、空の第1ハンドが第2ロードロック室300に向けられると同時に、第2ロードロック室のゲートバルブ301が開けられる。ハンドを前進させ、加熱処理部に載置された未処理基板を把持し、元の位置に後退させる。続いて、ロボットを180゜回転させるとともに、第2ロードロック室の昇降機構により冷却部をロボットハンドの位置まで上昇させる。第2のハンドを前進させ、冷却処理部に処理済み基板を載せ、元の位置までハンドを後退させる。
次に、第1スパッタ室400の処理済み基板と、第1のハンドが把持する未処理基板との交換を行う。空の第2ハンドを第1スパッタ室400に向くようにロボットを回転し、第1スパッタ室のゲートバルブ401を開ける。以下同様に処理基板の取り出し、ロボットの180゜回転、未処理基板の載置を行い、ゲートバルブ401を閉じる。その後、ロボットは第1ロードロック室200との間で処理基板及び未処理基板の移送を行う。以上の操作が連続して続けられる。
一方、第2スパッタ室では、ゲートバルブ501が閉じられた後、三層構造のソースドレイン膜の形成が行われる。即ち、基板ホルダ上に基板が載置されると、基板押さえ機構により基板が基板ホルダ上に固定され、続いて、図3に示す基板起立機構により基板を垂直に起立させ、基板を第1のターゲット(Ti)に対向させる。この間に、基板とターゲット間の空間にスパッタガスを所定流量導入し、所定の圧力に設定する。ターゲットに給電して放電を発生させ、これを所定時間継続して、基板上に第1の膜(Ti膜)を形成する。
所定のスパッタ時間経過後、電源を切り、スパッタガスの導入を停止する。基板ホルダは基板起立機構により所定の角度倒し、さらに、図3に示す基板回転機構により、基板ホルダを90゜水平方向に回転し、基板面を第2のターゲット方向に向ける。再度、基板起立機構により基板を垂直に起立させ、基板面を第2ターゲットに対向させる。この間に、スパッタ室内をいったん高真空に排気した後、第2ターゲットと基板間の空間にスパッタガスを導入し、所定の圧力に設定してAlスパッタの準備を行う。同様にターゲットに給電し、スパッタを所定時間行い、基板上にAl膜を形成する。ここで、所定の角度とは、基板ホルダ回転時に、基板ホルダがターゲット等の装置構成物に衝突しない角度とすればよく、通常70゜程度の角度とすればよい。このように構成することにより、スパッタ終
了後、次の膜をスパッタ可能状態とするまでの時間は、基板を所定角度まで倒す時間に1秒、基板を水平方向に90゜回転するに要する時間に4秒、及び再び基板を起立させる時間に1秒の計6秒で行うことが可能となり、真空排気、ガス導入等は、これらの時間内で十分行うことができるため、スパッタ室のタクトタイムは大幅に短縮されることになる。
第3層のTi膜の成膜も同様に、基板を所定角度まで倒し、水平方向への90゜回転及び基板の起立動作を行った後、第3のターゲットに電圧を印加してTi膜をAl膜上に所定膜厚形成する。その後、基板起立機構により基板を水平の位置まで倒し、基板押さえ機構を解除して、基板取り出し状態にする。なお、第3層のTi膜の形成を第3のターゲットを用いて行ったが、本例のように、第1層と同じ材質の膜を形成する場合は、Al膜成膜後、基板ホルダを逆方向に90゜回転して第1のターゲットを用いてTi膜を形成してもよい。
このように、ソース・ドレイン用のTl/Al/Ti積層膜の形成を1つのスパッタ室で行うことが可能となり、これにより、ロボットによる基板移送回数を削減することができるととも、装置の小型化を達成することができる。さらに、本発明の基板起立機構、基板回転機構を用いたことにより、各層のスパッタ間の準備時間を短縮でき、スパッタ室のタクトタイムの短縮が可能となる。
また、処理基板が冷却部に載置された第1ロードロック室200では、その後、内部にNガス等を導入して、大気圧に戻し、ゲートバルブ201と反対側に後部に設けられゲートバルブ202を開けて、冷却された処理基板を搬出し、未処理基板を加熱部に搬入する。この基板の搬出入は公知のロボットを用いて行われるが、例えば、ベルト搬送等で行ってもよい。その後、ゲートバルブ202を閉じ、内部を排気すると共に基板の加熱処理を開始する。なお、搬出された処理基板は、次の工程(例えば、フォトレジスト塗布工程)の装置に搬送される。
以上述べたように、図1の装置は、各構成膜のスパッタ時間以外の準備期間を大幅に短縮することができるため積層膜の形成に適しており、積層膜形成装置のスループットをさらに改善することが可能である。即ち、スパッタ室のタクトタイムは、ロボットによる基板の移送に20秒以内、基板起立動作に4秒、次のターゲットへの移動に6秒(2回)、最後の成膜終了後基板を水平に戻す動作に4秒の合計40秒に、正味のスパッタ時間を加えた時間となる。従って、液晶パネルに用いられるTFT基板の場合、タクトタイムを120秒以下にするのは容易となり、マグネトロンカソードを用いた高速スパッタを行う場合には、90秒以下にすることも可能となる。
本発明の薄膜形成装置は、2台のスパッタ室を設け、しかもロードロック室、基板移送室との整合性をとることができるため、スループット60枚/時間を容易に達成することができ、また、上記タクトタイム90秒の場合では、スループット80枚/時間が可能となる。
本発明の薄膜形成装置は、このように高いスループットを達成することができるにもかかわらず、従来型装置に比べて大幅な小型化を達成することができる。例えば、図7に示す構成の装置では設置面積が6.5x8.3mであるのに対し、図1の装置では4.5x5.7mとなる。
次に本発明の薄膜形成装置における第2の構成例を図6に示す。図1と異なる点は、加熱処理部を取り外したロードロック室200’、300’を用い、その代わりに基板加熱室600を基板移送室にゲートバルブ601を介して連結したものである。この場合、ロボットによる基板移送回数が一回増加し、3回となるが、本発明の基板移送機構を用いることにより、一回の基板移送を20秒以内で行うことが可能であるため、基板移送に要する時間は60秒以内であるため、60枚/時間以上のスループットを達成することができる。なお、ゲートバルブ901は省略することもできる。
また、ロボットは、図2に示す例では、2つのハンドが互いに逆方向を向いた構造としたが、本発明では、2つのハンドを同じ方向に向け、ハンドの高さをずらした構造のロボットも好適に用いることができる。このようなロボットを用いることにより、ロボットの回転に要する時間を短縮できるとともに、2つのハンドの前進・後退を一部重複させることができ、基板移送時間をさらに短くすることができる。
100 基板移送室、
101 基板移送ロボット、
200,300 ロードロック室、
201,301、401,501 ゲートバルブ、
210 基板加熱処理部、
211 基板冷却処理部、
214 ランプ、
213 支持棒、
215 ベローズ、
216 上下移動板、
217 ガイド、
218 ボールネジ、
219 モータ、
400,500 スパッタ装置、
402,403,404 マグネトロンカソード、
410 回転シャフト、
411 基板ホルダ、
412 回転駆動アーム、
413 円筒状支持体、
415,415’、416 磁性流体シール、
420、424 ピン、
421 トラベラー、
422 ボールネジ、
423 モータ、
600 基板加熱室。

Claims (3)

  1. 未処理基板を搬入し、処理基板を搬入するロードロック室であって、
    該ロードロック室内部の上方に設けられた基板加熱手段と、
    該ロードロック室内部であって、かつ前記基板加熱手段の下方に対向配置された、基板冷却手段と、
    該ロードロック室を区画するように設けられ、前記基板加熱手段に接近可能な第1ステージと、
    前記第1ステージに設けられ、基板を支持する複数の第1ピンと、
    前記基板冷却手段を備えた第2ステージと、
    前記第2ステージに設けられ、基板を支持する複数の第2ピンと、
    を備え、
    前記基板加熱手段によって基板を加熱する際には、前記第1ピンは前記第1ステージ内に収納されず、
    前記基板冷却手段によって基板を冷却する際には、前記第2ピンは前記第2ステージ内に収納されることを特徴とするロードロック室。
  2. 前記ロードロック室の側部に設けられた第1ゲートバルブと、
    前記第1ゲートバルブとは反対側の側部に設けられた第2ゲートバルブと、を備え、
    前記第1ステージ及び第2ステージは、前記第1ゲートバルブ、及び第2ゲートバルブの高さの位置に、昇降可能であることを特徴とする請求項1に記載のロードロック室。
  3. 請求項1又は2に記載のロードロック室と、
    前記ロードロック室で加熱された基板を移送するための移送手段と、
    前記移送手段によって移送された基板に成膜処理を施す成膜手段とを備える薄膜形成装置。
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