JP2011139001A - 成膜装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の基板に成膜する際に、基板間での膜厚のばらつきを抑制する。
【解決手段】チャンバ（２）内で複数の基板（１）に膜を形成する成膜装置は、保持機構（３）と、ガス導入管（５）と、を有する。保持機構（３）は、天板（６）と底板（７）とを有し、チャンバ（２）内で天板（６）と底板（７）との間に、複数の基板（１）を該基板の板面に直交する第１の方向（Ｔ）に所定の間隔を空けて保持する。ガス導入管（５）は、第１の方向（Ｔ）に沿って延び、材料ガスを噴射する噴射口（５ａ）が第１の方向（Ｔ）に並べて設けられている。天板（６）と底板（７）のうちの少なくとも一方は、複数の基板（１）を保持する保持機構（３）の領域から、ガス導入管（５）の噴射口（５ａ）が形成された部分を越えて存在している。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の基板の表面に膜を形成する成膜装置に関する。

例えばウエハのような基板上に膜を形成する装置として、化学気相成長（Chemical Vaper Deposition：ＣＶＤ）装置や原子層堆積（Atomic Layer Deposition：ＡＬＤ）装置のような成膜装置などがある。

特許文献１には、縦型の反応炉を備えたＣＶＤ装置が開示されている。図１は、特許文献１に記載のＣＶＤ装置を示している。このＣＶＤ装置は、円柱形状のチャンバ７２と、チャンバ７２内に材料ガスを導入するガス導入管７５と、チャンバ７２内の気体をチャンバ７２外へ排出する排気口７９と、チャンバ７２内を加熱するヒータ８０とを備えている。チャンバ７２内には、複数の基板１が、所定の間隔をあけてボード７３に置かれている。

ガス導入管７５は、ボード７３に置かれた基板１が並んでいる方向Ｔに沿って延びている。材料ガスは、ガス導入管７５に設けられたガス導入口からウエハに向けて噴射される。材料ガスは基板１間の隙間を通って排気口７９へ向けて流動する。そして、ヒータ８０によって材料ガスおよび基板１が加熱されることで、材料ガスが反応し、基板１上に薄膜が形成される。

特開平７−３１２３６４号

図７を用いて、特許文献１に記載のＣＶＤ装置で生じる問題点について説明する。なお、図７は、当該問題点を説明するために、本願発明者によって作成されたものであり、ＣＶＤ装置のボートの天板付近を拡大して示している。

基板１が置かれるボードは、天板７６と底板７７とを有しており、天板７６と底板７７との間に複数の基板１を保持する。ガス導入管７５の噴射口７５ａから噴射された材料ガスの一部は、ガス導入管７５と天板７６との間の隙間Ｙ２から、基板１が配されていない領域、つまり天板７６の上方の領域へ飛散する（図７の矢印Ａ参照。）。これにより、天板７６に近い基板１では、供給される材料ガスの量が低下し、天板７６に近い基板１に堆積される膜の厚みは低下する。このように、基板１に供給される材料ガスの流量が基板１間で不均一となる結果として、基板１に堆積する膜の厚みが基板間で不均一になってしまう。

また、底板７７付近に配置された基板１に対しても、同様な理由のため、堆積される膜の厚みは低下する。そのため、天板７６および底板７７の近くに置かれた基板１では、目標とする膜厚に成膜することができないため、製品として使用できず、成膜された製品の生産性が低下することになる。

特にＡＬＤ装置では、材料ガスが表面反応のみによって基板表面に堆積されるため、材料ガスの流量の差異から生じる膜厚の不均一性の問題が顕著に表れる。

一実施形態における成膜装置は、チャンバ内で複数の基板に膜を形成する成膜装置は、保持機構と、ガス導入管と、を有する。保持機構は、天板と底板とを有し、チャンバ内で天板と底板との間に、複数の基板を該基板の板面に直交する第１の方向に所定の間隔を空けて保持する。ガス導入管は、第１の方向に沿って延び、材料ガスを噴射する噴射口が第１の方向に並べて設けられている。天板と底板のうちの少なくとも一方は、複数の基板を保持する保持機構の領域から、ガス導入管の噴射口が形成された部分を越えて存在している。

本発明によれば、基板間で、膜厚のばらつきを抑制することができる。

第１の実施形態における成膜装置の主要構成を示す概略断面図である。 図１の領域Ａ２を拡大した概略斜視図である。 図１の領域Ａ３を拡大した概略斜視図である。 成膜装置の制御タイミングの一例を示すグラフである。 第２の実施形態における成膜装置の主要構成を示す概略断面図である。 特許文献１に記載のＣＶＤ装置の概略断面図である。 本願発明の課題を説明するための模式図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、第１の実施形態における成膜装置を示している。成膜装置は、チャンバ壁（チューブ）４と、保持機構３（例えばウエハボード）と、ガス導入管５とを備えている。チャンバ壁４は、反応室としてのチャンバ２を構成している。保持機構３は、例えばウエハのような基板１を保持する。ガス導入管５は、チャンバ２内に材料ガスを導入する。

チャンバ２は略円柱形状であることが好ましく、この円柱の一端は開放されている。チャンバ２を構成するチャンバ壁４は、一例として、石英ガラス製であることが好ましい。

保持機構３は、天板６および底板７を有し、天板６と底板７との間に、複数の基板１を所定の間隔を空けて保持することができる。具体的には、保持機構３は、基板１の板面に直交する方向Ｔ（第１の方向）に複数の基板１を並べて保持することができる。天板６および底板７は、例えば石英ガラスから成ることが好ましい。

保持機構３は、チャンバ２の開放された端部を介して、チャンバ２の内側からチャンバ２の外側へ移動可能になっていることが好ましい。保持機構３がチャンバ２内に入れられているときには、保持機構３を支える支持台１２によって、チャンバ２内が気密に維持される。このようにして、成膜処理中には、チャンバ２内は気密に保たれる。

チャンバ２を構成するチャンバ壁４の外側面の周りには、チャンバ壁４を包囲するように設置されたヒータ１０が備えられていることが好ましい。このヒータ１０によってチャンバ２内の温度が制御される。また、ヒータ１０およびチャンバ壁４は、筐体１１で覆われていることが好ましい。

ガス導入管５は、筐体１１の底部付近から筐体１１の内部を通り、チャンバ２内に延びている。ガス導入管５は、チャンバ２内において、おおむね基板１が並べられた方向Ｔに沿って延びている。ガス導入管５は、好ましくは、チャンバ２内に置かれた基板１の位置に合わせて形成された複数の噴射口５ａを有している。この噴射口５ａから基板１に向けて材料ガスが噴射される。ガス導入管５は、例えば石英ガラスから成ることが好ましい。ガス導入管５の、チャンバ２の外部側の一端は、材料ガスを供給するための供給口８となっている。ガス導入管５に形成された噴射口５ａは、保持機構３に置かれたウエハ１間の間隔と等しい間隔で配置されることが好ましい。

成膜装置は、チャンバ２内の気体を排気する排気口９を有している。排気口９は、チャンバ２内に置かれた保持機構３に対して、ガス導入管５の噴射口５ａとは概ね反対側に設けられている。排気口９は、チャンバ２内の圧力を調整する圧力調整機構としてスロットルバルブ（不図示）を介して排気装置（不図示）に接続されている。これにより、チャンバ２内の圧力が制御可能になっている。

噴射口５ａから噴射された材料ガスは、基板１間の隙間Ｙ（図２参照。）を通って、陰圧にされた排気口９に向かって流れる。材料ガスは、ヒータ１０によって加熱されることで反応し、反応生成物が基板１の表面と接触して、当該基板１の表面に反応性生物が堆積する。余剰の材料ガスは、排気口９からチャンバ２の外へ排出される。

図２は、保持機構３の底板７付近の拡大斜視図である。図２に示すように、底板７は、複数の基板１を保持する保持機構３の領域から、ガス導入管５の噴射口５ａが形成された部分を越えて存在している。つまり、噴射口５ａは、底板７の縁部はよりも基板１に近い位置にある。したがって、底板７付近に設けられた噴射口５ａから噴射された材料ガスは、底板７によって基板１へ導かれる。これにより、底板７の下方の領域、つまり基板１が設けられていない領域に、材料ガスが飛散することが抑制される。したがって、底板７付近に置かれた基板１に供給される材料ガスの量の低下が抑制され、その結果、基板１間での膜厚のばらつきが抑制される。

天板６も、底板７と同様に、複数の基板１を保持する保持機構３の領域から、ガス導入管５の噴射口５ａが形成された部分を越えて存在していることが好ましい。この場合、天板６付近に置かれた基板１に供給される材料ガスの量の低下が抑制される。

なお、天板６と底板７のうちの少なくとも一方が、複数の基板１を保持する保持機構３の領域から、ガス導入管５の噴射口５ａが形成された部分を越えて存在していれば、基板１間に形成される膜の厚みを均一化させる効果が生じる。

上述したように、ガス導入管５の噴射口５ａが底板７の縁部よりも基板１の近くに位置するため、ガス導入管５は、図１に示すように、クランク形状に屈曲した屈曲部５ｂを有している。具体的には、底板７の下方から上方に延びているガス導入管５は、底板７の表面に沿って、保持機構３に保持されている基板１に近づく方向に屈曲しており、さらに、基板１が並べられた方向Ｔ１に屈曲している。

保持機構３は、天板６および底板７の板面に直交する軸を中心に回転可能に構成されていることが好ましい。これにより、成膜装置は、成膜処理中に、基板１を一定方向に回転させて、基板１の全周に対して均等に材料ガスを供給することができる。このようにして、各々の基板１に形成される膜の厚みが均一化される。

この場合、保持機構３がチャンバ２内で回転しているときに、天板６と底板７のうちの少なくとも一方が、常に、複数の基板１を保持する保持機構３の領域から、ガス導入管５の噴射口５ａが形成された部分を越えて存在していることが好ましい。このために、天板６および底板７は、同一の中心軸Ｓを有し、当該中心軸Ｓを中心として回転する円板からなることが好ましい。

基板１を保持する保持機構３は、チャンバ２の外部に設置された不図示の昇降機構（エレベータ）によって、ガス導入管５が延びている方向Ｔに沿って移動可能になっていることが好ましい。保持機構３は、チャンバ２の中から外に移動することで、基板１を出し入れすることができるようになっている。

天板６のより好ましい一形態について図３を参照して説明する。上記のように、保持機構３がガス導入管５に沿って移動可能になっている場合、保持機構３の移動時に天板６が円板形状であると、天板６がガス導入管５と衝突してしまう。そこで、天板６の縁部には、保持機構３の移動時に天板６がガス導入管５に衝突しないように、切り欠き部２１が形成されていることが好ましい。具体的には、天板６には、ガス導入管５の直径φ２よりも大きな直径φ１を有する略円形状の切り欠き部２１が形成されていることが好ましい。

天板６に切り欠き部２１が存在したとしても、噴射口５ａからの材料ガスが天板６の上方に飛散することは抑制される。実際に、本願発明者は、天板６に近い基板１への材料ガスの流量の低下が抑制されることを確認している。

また、成膜処理中に天板６は回転するため、切り欠き部２１が噴射口２１から遠くに位置しているときには、明らかに、天板６に近い基板１への材料ガスの流量の低下が抑制される。

成膜装置は、成膜処理前および成膜処理後の基板１の出し入れを行うためのロードロックチャンバ（不図示）を備えていることが好ましい。ロードロックチャンバと成膜処理用のチャンバ２とは、ゲートバルブで仕切られている。真空に維持されたロードロックチャンバ内で基板１の出し入れを行うことで、基板１を出し入れする際にもチャンバ２内を真空に維持することができる。

次に、図４を参照して、材料ガスの供給、圧力制御および温度制御のタイミングの一例について説明する。図４では、２種類の材料ガスを使用する例について説明する。材料ガスとしては、例えばテトラキスエチルメチルアミノジルコニウム（ＴＥＭＡＺ：Ｚｒ［Ｎ（ＣＨ₃）ＣＨ₂ＣＨ₃］₄）のような第１の材料ガスと、オゾン（Ｏ₃）のような第２の材料ガスとを用いることができる。

成膜処理を開始すると、基板１はロードロックチャンバから保持機構３に置かれる。基板１を保持すると、保持機構３をチャンバ２内に挿入して、チャンバ２内の温度を上昇させる（時刻ｔ１）。チャンバ２内の温度が所定の温度Ｔ２に達した後（時刻ｔ２）、さらに温度が安定するまで待機する（時刻ｔ３）。

時刻ｔ３において、ＴＥＭＡＺをチャンバ２内に導入するとともに、チャンバ２内の圧力を所定の値Ｐ２に上昇させる。このとき、ＴＥＭＡＺは、ガス導入管５の噴射口５ａから噴射され、基板１間の隙間に十分に供給され、基板１に吸着する。上記実施形態の成膜装置を用いることで、複数の基板１の夫々に、ＴＥＭＡＺを行き渡らせることができるため、基板１間でのＴＥＭＡＺの吸着分布が均一になる。

十分にＴＥＭＡＺが吸着されると、ＴＥＭＡＺの供給を停止して圧力を所定の値Ｐ３まで下げて、チャンバ２内を排気する（時刻ｔ４）。これにより、基板１に吸着していないＴＥＭＡＺがチャンバ２外へ排出される。その後、オゾンの供給を開始して、圧力を所定の値Ｐ２に戻して、ＴＥＭＡＺの酸化を開始する（時刻ｔ５）。オゾンも、ＴＥＭＡＺと同様に、基板１間の隙間に十分供給されるので、酸化ムラが低減され、基板１間で均一な酸化膜を形成することができる。

オゾンの導入による酸化処理が終了すると、オゾンの供給を停止して圧力を所定の値Ｐ３に低下させ、不要なオゾンの排出を開始する（時刻ｔ６）。オゾンの排出を十分に終えると、１回目の成膜処理が終了し、基板１上に所望の酸化薄膜が形成される（時刻ｔ７）。

以後、時刻ｔ３から時刻ｔ７までの間に行った成膜処理を繰り返すことで、所望の膜厚を有する酸化膜を形成することができる。図４では、３回の成膜処理を繰り返した例が示されている。なお、２回目の成膜処理は、時刻ｔ７から時刻ｔ１１までの期間に相当し、３回目の成膜処理は、時刻ｔ１１から時刻ｔ１５までの期間に相当する。本例に限定されず、成膜処理の回数は、薄膜の厚みなどに応じて適宜変更可能である。

所定の回数の成膜処理が終了した後、温度を下げ始め（時刻ｔ１６）、所定の温度Ｔ１になった時刻ｔ１７に一連の処理が終了する。

図５は、第２の実施形態における成膜装置の概略断面図である。第２の実施形態における成膜装置では、チャンバ２内へ材料ガスを導入するガス導入管５の形状が第１の実施形態におけるものと異なっている。その他の構成は、第１の実施形態と同様であるため、その説明を省略する。

ガス導入管５は、底板７の表面に沿って、保持機構３に保持されている基板１に近づく方向に屈曲したＬ字型の屈曲部５ｃを有している。ガス導入管５は、チャンバ２内において、このような屈曲部５ｃは一箇所だけある。したがって、第２の実施形態におけるガス導入管の形状は、第１の実施形態におけるガス導入管と比較して簡素化される。このように、ガス導入管５の形状が簡素化されるため、成膜装置の製造は容易になり、ガス導入管の破損の可能性が低減するという効果がある。

上述した実施形態における成膜装置は、ＣＶＤ装置やＡＬＤ装置のような成膜装置全般に使用可能であるが、ＡＬＤ装置として使用すると、薄膜を厚みの均一化という観点で得られる効果が大きい。なぜなら、ＡＬＤ法では、基板に形成される薄膜の厚みが、基板表面に供給される材料ガスの量に強く依存するからである。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更および修正が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれるものであることはいうまでもない。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全ての記載および技術的思想に基づいて、当業者であればなし得るであろう各種の変形および修正を含むことは勿論である。

１ 基板
２ チャンバ
３ 保持機構
４ チャンバ壁
５ ガス導入管
５ａ 噴射口
５ｃ 屈曲部
６ 天板
７ 底板
８ 供給口
９ 排気口
１０ ヒータ
１１ 筐体
１２ 台座
２１ 切り欠き部

Claims (8)

1. チャンバ内で複数の基板に膜を形成する成膜装置であって、
   天板と底板とを有する保持機構であって、前記チャンバ内で前記天板と前記底板との間に、複数の基板を該基板の板面に直交する第１の方向に所定の間隔を空けて保持する保持機構と、
   前記第１の方向に沿って延び、材料ガスを噴射する噴射口が前記第１の方向に並べて設けられたガス導入管と、を有し、
   前記天板と前記底板のうちの少なくとも一方が、前記複数の基板を保持する前記保持機構の領域から、前記ガス導入管の前記噴射口が形成された部分を越えて存在している、成膜装置。
2. 前記天板と前記底板の両方が、前記複数の基板を保持する前記保持機構の領域から、前記噴射口が形成された位置を越えて存在している、請求項１に記載の成膜装置。
3. 前記保持機構は、前記天板および前記底板の板面に直交する軸を中心に回転可能に構成されており、
   前記保持機構が前記チャンバ内で回転しているときに、前記天板と前記底板のうちの少なくとも一方が、常に、前記複数の基板を保持する前記保持機構の領域から、前記ガス導入管の前記噴射口が形成された部分を越えて存在している、請求項１または２に記載の成膜装置。
4. 前記天板が、前記複数の基板を保持する前記保持機構の領域から、前記ガス導入管の前記噴射口が形成された部分を越えて存在しており、
   前記保持機構は、前記チャンバに前記基板を出し入れできるように、前記チャンバの中と外との間を前記第１の方向に沿って移動可能に構成されており、
   前記天板の縁部には、前記保持機構の移動時に該天板が前記ガス導入管に衝突しないように、切り欠き部が形成されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の成膜装置。
5. 前記天板および前記底板は、同一の中心軸を有する円板からなり、
   前記保持機構は、前記中心軸を中心として回転可能に構成されており、
   前記噴射口は、前記天板および前記底板の縁部よりも前記中心軸の近くに配されている、請求項１または２に記載の成膜装置。
6. 前記天板は、縁部に切り欠き部が形成された円板からなり、
   前記底板は、前記天板の中心軸と同一の中心軸を有する円板からなり、
   前記保持機構は、前記中心軸を中心として回転可能に構成されており、
   前記噴射口は、前記天板および前記底板を構成する円板の縁部よりも前記中心軸の近くに配されている、請求項１または２に記載の成膜装置。
7. 前記ガス導入管は、前記第１の方向に沿って延びる部分と、前記底板の表面に沿って、前記保持機構が基板を保持する位置に近づくように屈曲した屈曲部とを有している、請求項１から６のいずれか１項に記載の成膜装置。
8. 前記ガス導入管の前記屈曲部は一箇所にある、請求項７に記載の成膜装置。

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