JP2012193438A

JP2012193438A - 成膜方法

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Publication number: JP2012193438A
Application number: JP2011059775A
Authority: JP
Inventors: Masato Kon; 真人今
Original assignee: Toppan Printing Co Ltd
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2011-03-17
Filing date: 2011-03-17
Publication date: 2012-10-11
Anticipated expiration: 2031-03-17
Also published as: JP5733507B2

Abstract

【課題】ロールツーロールによる成膜であっても、多層膜の形成を効率的に行うことができ、ＡＬＤによる成膜では単位時間当たりのサイクル数を増やすことができ、多層化や多サイクル化に伴う設備の大型化や占有面積の増大を抑制することのできる成膜方法を提供すること。
【解決手段】連続的または断続的に基板を搬送しながら、気相状態にある材料を用いて該基板上に薄膜の形成を行う成膜方法であって、回転ドラムの周囲に基板を配置する工程と、該回転ドラムを第一の速度で回転させる工程と、該回転ドラムに少なくとも２つの材料をそれぞれ供給する工程と、上記基板を第二の速度で搬送する工程と、を含み、上記第一の速度と該第二の速度とが異なることを特徴とする成膜方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、成膜方法に関する。さらに詳しくは、気相を用いて基板上に薄膜を形成する成膜方法、特に、基板を搬送しながら成膜を行う成膜方法に関する。

気相を用いて薄膜を形成する方法としては、大別して化学的気相成長法（ＣＶＤ：ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）とおよび物理的気相成長法（ＰＶＤ：ＰｈｙｓｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）がある。

ＰＶＤとして代表的なものには真空蒸着法やスパッタ法などがあり、特にスパッタ法では、一般に装置コストは高いが、膜質および膜厚の均一性に優れた高品質の薄膜が作製できるため、表示デバイスなどの分野に広く応用されている。

ＣＶＤは真空チャンバー内に原料ガスを導入し、熱エネルギーによって基板上で１種類あるいは２種類以上のガスを分解または反応させて、固体薄膜を成長させることを特徴とする。ガスの反応を促進させるため、および／または、ガスの反応温度を下げるため、プラズマや触媒（Ｃａｔａｌｙｓｔ）反応を併用するものもあり、それぞれＰＥＣＶＤ（ＰｌａｓｍａＥｎｈａｎｃｅｄＣＶＤ）、Ｃａｔ−ＣＶＤなどと呼ばれる。ＣＶＤでは成膜欠陥が少ないことが一つの特徴であるため、ゲート絶縁膜の成膜など半導体デバイス製造工程に主に適用される。また、近年は原子層堆積法（ＡＬＤ：ＡｔｏｍｉｃＬａｙｅｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）も注目されている。ＡＬＤは、表面吸着した物質を、表面における化学反応によって原子レベルで１層ずつ成膜していく方法であり、ＣＶＤの１種に分類される。ＡＬＤが一般的なＣＶＤと区別されるのは、ＣＶＤがいわゆる単一のガスまたは複数のガスを同時に用いて基板上で当該ガスを反応させて薄膜を成長させるのに対し、ＡＬＤでは前駆体（またはプリカーサーともいう）と呼ばれる活性に富んだガスと反応性ガス（これもまたＡＬＤでは前駆体と呼ばれる）を交互に用い、基板表面における吸着と、それに続く化学反応によって原子レベルで１層ずつ薄膜を成長させていくという特殊な成膜方法である点にある。具体的には、表面吸着において表面が、ある種のガスで覆われるとそれ以上そのガスの吸着が生じない自己制限（ｓｅｌｆ−ｌｉｍｉｔｉｎｇ）効果を利用して、前駆体が１層を吸着したところで未反応の前駆体を排気する。次いで、反応性ガス（第二の前駆体ともいう）を導入し、先の前駆体を酸化または還元して所望の組成を有する薄膜を１層得たのち反応性ガスを排気する。これらを１サイクルとし、このサイクルを繰り返して薄膜を成長させていくことを特徴とするものである。従って、ＡＬＤでは薄膜は２次元的に成長することとなる。またＡＬＤでは従来の真空蒸着法やスパッタ法などとの比較ではもちろんのこと、一般的なＣＶＤなどと比較しても成膜欠陥が少ないことが特徴であり、様々な分野への応用が期待されている。

また、第二の前駆体を分解し、基板に吸着している第一の前駆体と反応させる工程において、反応を活性化させるためにプラズマを用いる方法があり、これはプラズマ活性化ＡＬＤ（ＰＥＡＬＤ：ＰｌａｓｍａＥｎｈａｎｃｅｄＡＬＤ）または単にプラズマＡＬＤと呼ばれる。

ＡＬＤの技術そのものは１９７４年にフィンランドのＤｒ．ＴｕｏｍｏＳｕｎｔｏｌａによって提唱された。ＡＬＤの技術は、高品質高密度な膜が得られるためゲート絶縁膜の製造など半導体産業で応用が進められており、ＩＴＲＳ（ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｏａｄｍａｐｆｏｒＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ）にも記載がある。また他の成膜法と比較して斜影効果がないなどの特徴があるため、ガスが入り込める隙間があれば成膜が可能であり、高アスペクト比を有するラインやホールの被覆のほか三次元構造物の被覆用途でＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）関連にも応用が期待されている。

しかしながら、ＡＬＤの技術には、欠点も存在する。たとえば特殊な材料を使用する点やそのコスト等が挙げられる。中でも最大の欠点は成膜速度が遅いことである。真空蒸着法やスパッタ法などの成膜法と比較して、成膜速度が５〜１０倍ほど遅い。

以上述べてきたような成膜法を用いて薄膜を形成する対象は、ウェハーやフォトマスクなどの小さな板状の基板、ガラス板などの大面積でフレキシブル性のない基板、フィルムなどの大面積でフレキシブル性のある基板、など様々である。これに対応してこれらの基板に薄膜を形成するための量産設備では、コスト、取り扱いの容易さ、成膜品質などによって様々な基板の取り扱い法が提案され、実用化されている。

たとえばウェハーを成膜する場合には、基板１枚を成膜装置に供給して成膜し、その後次の基板へ入れ換えて再び成膜を行う枚葉式や、複数の基板をまとめてセットし、全てのウェハーに同一の成膜を行うバッチ式などがある。

またガラス基板などを成膜する場合には、成膜源となる部分に対して基板を逐次搬送しながら同時に成膜を行うインライン式などがある。さらに、主にフレキシブル基板に成膜する場合には、ロールから基板を巻き出し、搬送しながら成膜を行い、別のロールに基板を巻き取る、いわゆるロールツーロールによるｗｅｂコーティングがある。なお、ロールツーロールによるｗｅｂコーティングには、フレキシブル基板だけでなく、成膜対象となる基板を連続搬送できるようなフレキシブルなシート、または、一部がフレキシブルとなるようなトレイに載せて連続成膜する方法も含まれる。

いずれの成膜法および基板取り扱い法も、コスト、品質、取り扱いの容易さなどから判断して最適な組み合わせが採用される。

また、光学膜などを成膜する場合には、異なる種類の薄膜を多層成膜する必要がある。ＡＬＤでは、膜厚によっては１００〜２００サイクルに渡って前駆体を曝露して成膜が行われる。このような場合、フレキシブル基板を用いたｗｅｂコーティングでは一層に対して一成膜源が必要となる（たとえば特許文献１、特許文献２を参照）。

国際公開第０６／０９３１６８号特表２００７−５２２３４４号公報

しかしながら、基板を搬送しながら上記した多層膜またはＡＬＤにおける多サイクルの成膜を行う際には、従来の方法では、層数またはサイクル数が増えるに従って設備が大型化し、生産コストおよび設備占有面積が増大するという問題がある。

本発明は、かかる従来の問題に鑑みてなされたものであり、ロールツーロールによる成膜であっても、多層膜の形成を効率的に行うことができ、ＡＬＤによる成膜では単位時間当たりのサイクル数を増やすことができ、多層化や多サイクル化に伴う設備の大型化や占有面積の増大を抑制することのできる成膜方法を提供することを目的とする。

本発明の成膜方法は、連続的または断続的に基板を搬送しながら、気相状態にある材料を用いて該基板上に薄膜の形成を行う成膜方法であって、回転ドラムの周囲に基板を配置する工程と、該回転ドラムを第一の速度で回転させる工程と、該回転ドラムに少なくとも２つの上記材料をそれぞれ供給する工程と、上記基板を第二の速度で搬送する工程とを含み、上記第一の速度と該第二の速度とが異なることを特徴とする。本発明は、かかる構成を有することにより、ロールツーロールによる成膜であっても、多層膜の形成を効率的に行うことができ、ＡＬＤによる成膜では単位時間当たりのサイクル数を増やすことができ、多層化や多サイクル化に伴う設備の大型化や占有面積の増大を抑制することのできる成膜方法を提供することができる。また、高品質の膜をより低コストで製造することができる成膜方法を提供することができる。

回転ドラムの周囲において、上記回転ドラムの回転方向が、上記基板の進行方向と反対向きであることが好ましい。これにより、成膜速度をより向上させることが可能となる。

上記基板がフレキシブル基板であることが好ましい。これにより、回転ドラムと基板との隙間を最小限にすることができ、基板の搬送をスムーズに行うことができる。

上記２つの材料が、それぞれ異なる材料であることが好ましい。これにより、異なる材料からなる薄膜を形成し、多層化することができる。

成膜法が、原子層堆積法であり、上記回転ドラムを用い、上記回転ドラムの第一の部位から第一の前駆体を供給し、上記回転ドラムの第二の部位から第二の前駆体を供給することが好ましい。これにより、回転ドラムを１回回転させることで少なくとも一層（一サイクル）の成膜を行うことができる。

上記第一の部位と上記第二の部位との間に第三の部位を設け、当該第三の部位から、薄膜形成材料でない第三のガスを導入することが好ましい。これにより、膜の構成成分には寄与しないが、第一の前駆体放出と第二の前駆体放出の間を隔てるガスとして有効利用することができる。

上記第三のガスが、不活性ガスであり、中でもアルゴンであることが好ましい。これにより、使用可能な前駆体の種類の幅が広がり、多彩な前駆体の中から最適な前駆体を選定することができる。不活性ガスの中でもアルゴンは比較的低コストで導入することができるため、生産性を高めることができる。また、上記第三のガスとして窒素ガスを用いることにより、より低コストで製造することができる。

上記回転ドラムは、その一部にプラズマを発生または照射させる機構を有し、発生または照射された上記プラズマを用いて上記前駆体を変化させて成膜を行うことが好ましい。これにより、効率的に成膜が行えることから成膜時間が短縮できるとともに、膜の品質も高めることができる。

上記回転ドラムは、その一部にフラッシュランプを有し、当該フラッシュランプから供給される熱を用いて上記前駆体を変化させて成膜を行うことが好ましい。これにより、前駆体が吸着した基板を加熱できるとともに、比較的容易に温度制御ができる。また、輻射熱を利用することができるため効率的である。

本発明によれば、回転ドラムが一回転するごとに少なくとも一層の成膜が行えるため、基板の搬送速度よりも速い速度で回転ドラムを回転させることで、ロールツーロールによる成膜であっても、多層膜の形成を効率的に行うことができる。また、ＡＬＤによる成膜では単位時間当たりのサイクル数を増やすことができ、多層化や多サイクル化に伴う設備の大型化や占有面積の増大を抑制するができる。

本発明の成膜方法に用いる前駆体およびパージガスの供給源と、回転ドラムおよびフィルムの位置関係の一例を示す概略断面図本発明の成膜方法に用いる回転ドラムおよびフィルムの位置関係の一例を示す概略図

以下、本発明の成膜方法について、図１および図２を参照しながら具体的に説明する。

ここではＡＬＤによる成膜装置を主として詳細な説明を行うが、ＣＶＤ、スパッタ法その他の方法による成膜装置においても同様に、本発明の成膜方法を採用することができる。また基板１０３としてフレキシブル性を有するフレキシブル基板を例示し、当該フレキシブル基板としてはフィルムを代表に用いているが、ガラスやウェハーなどフレキシブル性のないものであっても、回転ドラムに沿って搬送できる形態であれば本発明を適用することができる。たとえば小さな基板を搬送用シートに固定して搬送する場合などにも適用することができる。ただし、フレキシブル基板を使用する場合に、本発明を最も効果的に実施することができる。

ＡＬＤによる成膜では、成膜は真空中で行われることが多い。しかしながら、大気圧で行うことも可能であり、特に限定されない。本発明では、反応性の高い前駆体を用いるため、実施にはガスを囲うための何らかのチャンバーが必要であり、少なくとも回転ドラムはその中に収められる。

図１は、本発明の成膜方法に用いる前駆体および第三のガス（パージガス）の供給源と、回転ドラムおよびフィルムの位置関係の一例を示す概略断面図であり、図２は、本発明の成膜方法に用いる回転ドラムおよびフィルムの位置関係の一例を示す概略図である。図２のうち、図２（ａ）は、回転ドラムおよびフィルムの位置関係の一例を示す概略図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）の構成に加えて、基板１０３が配置されている。図１および図２（ａ）および図２（ｂ）に示されるように、本発明に用いる回転ドラム１００は、少なくとも、成膜源、すなわち材料を放出する機構を含む。たとえばＡＬＤ成膜装置にあっては第一の前駆体を放出する機構および第二の前駆体を放出する機構を、一つの回転ドラム１００内に含む。さらに、回転ドラム１００は、第三のガスを放出する機構を含んでもよい。また、余剰分の材料または第三のガスを排気する機構を回転ドラム１００に含んでもよい。

前駆体としては、使用時に気相になっているものであればよく、成膜種および成膜温度によって適宜選択される。前駆体は、使用時に気相となっていればよいため、前駆体の保管状態は気相以外にも液相あるいは固相であってもよい。たとえば前駆体が液相の場合は、加熱やバブリングなどの方法によって気相化された後、回転ドラム１００に導入される。

また第三のガスは膜の構成成分には寄与しないが、第一の前駆体放出と第二の前駆体放出の間を隔てるガスとして用いられることが好ましい。第三のガスの種類としては、成膜により得られる薄膜を構成する成分とならない限り、特に制限されない。第三のガスとして、窒素ガスを使用すると、高品質の膜をより低コストで製造することができ好ましい。また、第三のガスとして、不活性ガスである希ガスを用いると、使用できる前駆体の種類の幅が広がり、多彩な前駆体の中から最適な前駆体を選定することができる。中でもアルゴンは不活性ガスとしては比較的低コストで導入できるため、生産性を高める観点から好ましい。なお、本発明では、上記のとおり、窒素ガスを不活性ガスと区別して定義している。

回転ドラム１００の、前駆体またはバージガス放出部には、凹部１０１が設けられていてもよい。凹部１０１を設けることにより、放出したガスの濃度を凹部１０１に沿って均一に分散させることができる。

図１に示される回転ドラム１００では、複数の凹部１０１が設けられ、該凹部１０１の底面から第一の前駆体２０１、第二の前駆体または第三のガス２０２が供給されるように設計されている。第一の前駆体２０１、第三のガス２０２、第二の前駆体２０３、第三のガス２０２（以下、この繰り返し）の順に各凹部１０１にそれぞれの気体が充填されるように構成されている。

また回転ドラム１００は加熱機構（図示せず）を含んでいてもよい。回転ドラム１００が加熱機構を備える場合には、前駆体が吸着した基板１０３を加熱することによって前駆体と基板１０３との反応を促進し、基板１０３の表面における薄膜の成長を促すことができる。熱源としては、フラッシュランプ（図示せず）を用いると、温度制御が比較的容易であり、また輻射熱を利用することができるため効率的である。なお、熱を伝えたくない部分には、水冷機構を設けて温度を制御してもよい。

また回転ドラム１００はプラズマを発生または照射させる機構（図示せず）を含んでいてもよい。回転ドラム１００が当該機構を備える場合には、前駆体の反応を促進し薄膜の成長を促すことができる。なお、プラズマの発生方法として特に制限されず、高周波（ＲＦ）放電やＤＣ放電のほか、誘導結合によるプラズマ生成（ＩＣＰ）など、公知の方法を採用することができる。また、プラズマを発生または照射させる機構は、上記した凹部１０１に組み込むこともできる。
ＡＬＤにおいて、第一の前駆体２０１が基板１０３に吸着し、第二の前駆体２０３が先の基板１０３に吸着した第一の前駆体２０１と反応して薄膜を形成する場合には、基板１０３が、第二の前駆体２０３に曝露された後または曝露中に、その基板１０３がプラズマに曝露されることが望ましい。

基板１０３は、回転ドラム１００に沿って搬送されるため、成膜装置はこれに即した基板搬送機構１０２を有する。基板搬送機構１０２は回転ドラム１００とは独立に回転できるように設計される。

回転ドラム１００と基板１０３との間の隙間（クリアランス）は、できる限り狭い（すなわち基板１０３が回転ドラム１００にできるだけ近い）方が好ましい。また、基板を搬送するために、基板１０３の一部は基板搬送機構１０２に接触するようにする。基板１０３の成膜面に傷が入ることを避けるため、基板１０３が接触する基板搬送機構１０２は回転ドラム１００の両端となることが好ましいが、基板１０３の大きさによっては基板搬送機構１０２を回転ドラム１００の中央にも配置して基板１０３が撓むのを防止するなどの方法を採ることもできる。

回転ドラム１００は、基板１０３の搬送速度と異なる速さで回転させる。具体的には、回転ドラム１００の回転速度が基板１０３の搬送速度よりも速くなるように両者の速度を調整することが好ましい。これにより、成膜速度を上げることができる。基板１０３の搬送速度とは、基板搬送機構１０２の回転速度である。なお、回転ドラム１００の回転速度および基板１０３の搬送速度に関する最適な速度は、前駆体やガスの圧力、温度などによって左右されるため、定量的に定めることはできない。

成膜は次の手順で行う。

図１および図２（ｂ）に示されるように、基板１０３を、回転ドラム１０２の周囲を覆うように配置する。この時、基板１０３は、基板搬送機構１０２に接触する。基板１０３への傷を避けるため、基板１０３は回転ドラム１００には接触しないようにすることが望ましい。

成膜のために加熱が必要な前駆体を使用する場合において、回転ドラム１００に加熱機構を設けた場合は、加熱機構を使用して回転ドラム１００の一部を加熱し、回転ドラム１００の外部（チャンバー壁面など）に加熱機構を設けた場合は、加熱機構を使用して加熱を開始する。

前駆体および第三のガスを回転ドラム１００に供給する。回転ドラム１００に供給された前駆体および第三のガスのうち、余剰分は排気する。

基板１０３の搬送を開始するとともに、回転ドラム１００の回転を開始する。この時、上記したとおり、回転ドラム１００の回転速度が基板１０３の搬送速度よりも速くなるように両者の速度を調整する。これにより、成膜速度を上げることができる。

回転ドラム１００の回転方向と基板搬送機構１０２の回転方向は、同一方向であってもよく、また相対的に反対方向であってもよい。両者の回転方向が相対的に反対方向である場合、成膜速度を上げることができ、好適である。

なお、回転ドラム１００の回転速度と基板搬送機構１０２の回転速度が同一である場合、回転方向も同一であると、成膜できない。

基板１０３の搬送は、連続的であっても、あるいは断続的であってもよい。

本発明により、たとえば図１に示される構成を使用して、たとえば回転ドラム１００を１００回転させる間に、基板１０３が回転ドラムの周囲を１回通過する（すなわち基板搬送機構１０２が１回転する）場合には、基板１０３が回転ドラム１００の周囲を通過する間に基板上には２００層分（２００サイクル分）の成膜が進行する。

本発明は、気相を用いて基板上に薄膜を形成する成膜方法、特に、基板を搬送しながら成膜を行う成膜方法であり、回転ドラムが一回転するごとに少なくとも一層の成膜が行えるため、基板の搬送速度よりも速い速度で回転ドラムを回転させることで、ロールツーロールによる成膜であっても、多層膜の形成を効率的に行うことができ、また、ＡＬＤによる成膜では単位時間当たりのサイクル数を増やすことができ、多層化や多サイクル化に伴う設備の大型化や占有面積の増大を抑制するができるため、たとえば気相を用いて薄膜を形成する技術分野に好適に使用することができる。

１００回転ドラム
１０１凹部
１０２基板搬送機構
１０３基板
１１０ローラー
２０１第一の前駆体
２０２第三のガス
２０３第二の前駆体

Claims

連続的または断続的に基板を搬送しながら、気相状態にある材料を用いて該基板上に薄膜の形成を行う成膜方法であって、
回転ドラムの周囲に基板を配置する工程と、
該回転ドラムを第一の速度で回転させる工程と、
該回転ドラムに少なくとも２つの前記材料をそれぞれ供給する工程と、
前記基板を第二の速度で搬送する工程とを含み、
前記第一の速度と該第二の速度とが異なることを特徴とする成膜方法。
前記回転ドラムの周囲において、前記回転ドラムの回転方向が、前記基板の進行方向と反対向きであることを特徴とする請求項１記載の成膜方法。
前記基板がフレキシブル基板であることを特徴とする請求項１または２記載の成膜方法。
前記２つの材料が、それぞれ異なる材料であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の成膜方法。
成膜法が、原子層堆積法であり、
前記回転ドラムを用い、前記回転ドラムの第一の部位から第一の前駆体を供給し、前記回転ドラムの第二の部位から第二の前駆体を供給することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の成膜方法。
前記第一の部位と前記第二の部位との間に第三の部位を設け、当該第三の部位から、薄膜形成材料でない第三のガスを導入することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の成膜方法。
前記第三のガスが、不活性ガスであることを特徴とする請求項６記載の成膜方法。
前記不活性ガスが、アルゴンであることを特徴とする請求項７記載の成膜方法。
前記第三のガスが、窒素ガスであることを特徴とする請求項６記載の成膜方法。
前記回転ドラムは、その一部にプラズマを発生または照射させる機構を有し、発生または照射された前記プラズマを用いて前記前駆体を変化させて成膜を行うことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の成膜方法。
前記回転ドラムは、その一部にフラッシュランプを有し、当該フラッシュランプから供給される熱を用いて前記前駆体を変化させて成膜を行うことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の成膜方法。