JP2012219286A

JP2012219286A - 成膜処理装置および成膜方法

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Publication number: JP2012219286A
Application number: JP2011083323A
Authority: JP
Inventors: Takekazu Sugimoto; 武和杉本; Masayoshi Ueno; 真義上野
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2011-04-05
Filing date: 2011-04-05
Publication date: 2012-11-12
Anticipated expiration: 2031-04-05
Also published as: JP5598407B2

Abstract

【課題】スループット（単位時間当たりの生産量）を向上させることができる成膜処理装置の提供。
【解決手段】成膜処理装置(1)は、成膜用ガス（N2，SiH4，NH3）を用いて基板(W0)への成膜処理が行われる成膜室(20)と、成膜室(20)に成膜用ガスを導入する成膜ガス導入手段としてのマスフローコントローラ(204A〜204C)と、成膜室(20)へ搬送するための基板(W0)が準備されるロードロック室(10)と、成膜室(20)とロードロック室(10)との間を仕切るゲートバルブ(G2)と、ゲートバルブ(G2)を開いて基板(W0)をロードロック室(10)から成膜室(20)へ搬送してゲートバルブ(G2)を閉じるまでの搬送期間に、圧力調整用ガスを成膜室(20)に導入する調整ガス導入手段としてのマスフローコントローラ(204A)と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板準備室と成膜室とを備えたインライン式の成膜処理装置、および該成膜処理装置における成膜方法に関する。

インライン式の成膜処理装置として、特許文献１に記載のようにロードロック室と成膜室とを備えたものが知られている。そのような成膜処理装置では、ワークをロードロック室と成膜室との間で搬送する場合には、互いのチャンバ内圧力を同程度（数Ｐａ以下の高真空）にしてから搬送を行うようにしている。搬送後、ロードロック室と成膜室との間のゲートバルブを閉じて、成膜室での成膜に必要な圧力への調整を行った後に、成膜を行う。

特開２００６−９６４９８号公報

しかしながら、成膜室にワークを搬送した後に、ゲートバルブを閉じた後に成膜室の圧力調整を行っているため、成膜処理装置にワークを搬入してからワークが搬出されるまでの時間が長いという問題があった。

請求項１の発明による成膜処理装置は、成膜用ガスを用いて基板への成膜処理が行われる成膜室と、成膜室に前記成膜用ガスを導入する成膜ガス導入手段と、成膜室へ搬送するための基板が準備される基板準備室と、成膜室と基板準備室との間を仕切るゲートバルブと、ゲートバルブを開いて基板を基板準備室から成膜室へ搬送してゲートバルブを閉じるまでの搬送期間に、圧力調整用ガスを成膜室に導入する調整ガス導入手段と、を備えたことを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載の成膜処理装置において、成膜室に基板が搬送されてゲートバルブが閉じられると、調整ガス導入手段による圧力調整用ガスの導入を停止し成膜ガス導入手段による成膜用ガスの導入を開始するガス制御手段を、さらに備えたものである。
請求項３の発明は、請求項１に記載の成膜処理装置において、圧力調整用ガスに成膜用ガスを用いたものである。
請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の成膜処理装置において、基板準備室を真空排気する真空排気装置と、調整ガス導入手段による成膜室への圧力調整用ガスの導入時に、真空排気装置による基板準備室の真空排気を停止する排気制御手段と、を備えたものである。
請求項５の発明は、成膜用ガスを用いて基板への成膜処理が行われる成膜室と、成膜室へ搬送するための基板が準備される基板準備室と、成膜室と基板準備室との間を仕切るゲートバルブとを備えた成膜処理装置における成膜方法であって、ゲートバルブを開いて基板を基板準備室から成膜室へ搬送してゲートバルブを閉じる搬送工程と、成膜用ガスを成膜室に導入して基板に成膜を行う成膜処理工程とを有し、ゲートバルブを開いてからゲートバルブを閉じるまでの搬送工程において、圧力調整用ガスを成膜室に導入する圧力調整処理を行うようにしたものである。

本発明によれば、成膜処理装置のスループット（単位時間当たりの生産量）を向上させることができる。

本発明による成膜処理装置の一実施の形態を示すブロック図。搬送動作を説明する図。搬送動作を説明する図。搬送動作を説明する図。未処理基板Ｗ０の搬入から成膜処理された処理済基板Ｗ１の搬出までにおける、成膜室２０内圧力およびロードロック室１０内圧力の変化を示す図。従来の装置の場合の、成膜室２０内圧力およびロードロック室１０内圧力の変化を示す図。ロードロック室１０，成膜室２０およびアンロード室４０を備える成膜処理装置のブロック図。成膜室２０の圧力が１００Ｐａになる前にゲートバルブＧ２を閉じた場合の圧力変化を示す図。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図１は、本発明による成膜処理装置の一実施の形態を示すブロック図である。図１に示す成膜処理装置１はプラズマＣＶＤ装置であって、成膜室２０と、基板準備室としてのロードロック室１０と、装置全体の制御を行う制御装置３０とを備えている。ロードロック室１０は、成膜室２０を大気に開放することなく成膜室２０への基板Ｗの搬入および搬出を行うために設けられた真空室であり、成膜室２０との間はゲートバルブＧ２で仕切られている。ロードロック室１０は、バルブＶ１を介して真空ポンプＰ１により真空排気される。成膜室２０はバルブＶ２を介して真空ポンプＰ２により真空排気される。バルブＶ２には、コンダクタンスを変化させることができる可変バルブが用いられる。なお、以下では、成膜されていない未処理の基板を未処理基板Ｗ０と呼び、成膜された基板を処理済基板Ｗ１と呼ぶことにする。

図１に示す成膜処理装置１では、ロードロック室１０には２つの搬送機構１００Ａ，１００Ｂが上下に設けられている。ロードロック室に搬送機構が２段設けられた構成は、例えば、特開２００６−９６４９８号公報に記載されている。上側の搬送機構１００Ａは、未処理基板Ｗ０が載置されたカート１０１をロードロック室１０から成膜室２０へと搬送するためのものである。一方、下側の搬送機構１００Ｂは、処理済基板Ｗ１が載置されたカート１０１を成膜室２０からロードロック室１０へと搬送するためのものである。成膜室２０にも搬送機構１００Ｃが設けられておいる。各搬送機構１００Ａ〜１００Ｃは図１に示す水平状態と、二点鎖線で示すような傾斜状態との間で切り換えることができる。後述するように、搬送動作時には、各搬送機構を傾斜状態にしてカート１０１の移動を行わせる。

ロードロック室１０には、基板搬入時に開閉されるゲートバルブＧ１と、基板搬出時に開閉されるゲートバルブＧ３とを備えている。また、ロードロック室１０は予備加熱室を兼ねており、搬入された未処理基板Ｗ０を加熱するためのヒータ１０２を備えている。なお、図１では図示を省略したが、ロードロック室１０に未処理基板Ｗ０を供給し、ロードロック室１０から搬出された処理済基板Ｗ１を一時的に保管するための外部ステーションが設けられる。ロードロック室１０を大気開放する際には、バルブＶ３を介してパージガスがロードロック室１０内に供給される。

成膜室２０内には、マスフローコントローラ２０４Ａ〜２０４Ｃを介して成膜用の材料ガスが供給される。例えば、窒化シリコン膜を成膜する装置の場合には、材料ガスとして窒素（N2）、シラン（SiH4）、アンモニア（NH3）が供給される。１０５，２０５は、ロードロック室１０および成膜室２０の圧力を計測する真空計である。

成膜室２０の室外にはＲＦアンテナ２０１が設けられており、ＲＦアンテナ２０１には高周波電源２０２が接続されている。ＲＦアンテナ２０１に高周波電力を供給することにより、電磁波が成膜室２０に入射する。成膜室２０内に入射された電磁波は、成膜室２０内のガスをイオン化してプラズマを発生させる。

次いで、基板搬送動作について、図２〜５を参照しながら説明する。図１に示す成膜処理装置１では、基板をカート１０１に載置した状態のまま搬送、成膜、搬出等が行われ、基板Ｗとカート１０１とは一体で搬送されることになる。図２〜４は成膜処理装置１におけるカート１０１の位置を示したものであり、図１に示した構成の内、説明に不要な構成については図示を省略した。また、図５は、各工程におけるロードロック室１０（図５（ｂ））および成膜室２０（図５（ａ））の圧力を説明する図である。

成膜処理装置１では、（装置外からの搬入）→（予備加熱）→（成膜）→（装置外への搬出）の一連の処理が繰り返される。ここでは、成膜処理装置１への基板搬入が完了した時点、すなわち、図５のＡ点から順に動作を説明する。ゲートバルブＧ１を開閉することにより、未処理基板Ｗ０が載置されたカート１０１が、装置外から上側の搬送機構１００Ａに搬入される（図２（ａ）参照）。そして、図５のＡ点においてバルブＶ１を開いて、ロードロック室１０を真空ポンプＰ１により真空排気する。なお、バルブＶ３は閉じられている。その結果、図５に示すように、ロードロック室１０は大気圧から高真空状態へと排気される。ここでは、５Ｐａ程度まで排気されるものとする。

ロードロック室１０内の圧力が十分低下したならば（例えば、１５Ｐａ程度）、ヒータ１０２をオンして未処理基板Ｗ０の予備加熱を行う。ロードロック室１０で未処理基板Ｗ０の予備加熱が行われている時、成膜室２０では成膜処理が行われている。成膜処理中は、成膜室２０に窒素（N2）、シラン（SiH4）、アンモニア（NH3）の混合ガスを導入するとともに、バルブＶ２の開度（コンダクタンス）を調整して、成膜室２０内の圧力を所定の成膜圧力（ここでは１００Ｐａ）に維持する。

成膜室２０における成膜処理が終了すると、成膜室２０内への混合ガス導入を停止するとともにバルブＶ２の開度を大きくして、成膜室２０内が高真空状態となるように真空排気する。成膜室２０の圧力がロードロック室１０の圧力（５Ｐａ）と同一または同程度となったＢ点（図５（ａ）参照）において、図２（ｂ）に示すようにゲートバルブＧ２を開いて搬送動作を開始する。

また、搬送動作と並行して、成膜室２０への窒素（Ｎ２）ガス（圧力調整用ガス）の導入を開始して、成膜室２０およびロードロック室１０の圧力が成膜時の圧力と同一の１００Ｐａとなるように圧力調整動作を行う。この圧力調整動作においては、マスフローコントローラ２０４Ａでガス流量を調整すると共に、バルブＶ２の開度を絞り（例えば、成膜時と同じ開度とする）、より短時間に圧力調整が行われるようにする。なお、バルブＶ１は閉状態とされる。

なお、圧力調整動作時にバルブＶ１が開状態であると、成膜室２０に導入された圧力調整用ガス（Ｎ２ガス）の一部が真空ポンプＰ１によって排気されてしまうため、１００Ｐａへ圧力上昇させる調整時間が長くなる。そのため、圧力調整動作時にはバルブＶ１を閉状態とするのが好ましい。もちろん、開状態であっても構わない。

圧力調整と並行して行われる搬送動作では、まず、ゲートバルブＧ２を開き、図２（ｂ）に示すように搬送機構１００Ｂ，１００Ｃを傾斜させ、成膜室２０内のカート１０１をロードロック室１０の搬送機構１００Ｂへと移動させる。これにより、成膜された処理済基板Ｗ１がロードロック室１０に搬送される。次いで、図３（ａ）に示すように搬送機構１００Ａ，１００Ｃを傾斜させ、ロードロック室１０内のカート１０１を成膜室２０の搬送機構１００Ｃへと移動させる。その後、ゲートバルブＧ２を閉じる。これにより、予備加熱された未処理基板Ｗ０が成膜室２０に搬送されることになる。図５に示した例では、搬送動作に要する時間（Ｔ１とする）よりも圧力調整に要する時間（Ｔ２とする）の方が短く、搬送動作の間に圧力調整動作が完了することになる。

搬送動作が完了したならば、成膜室２０に混合ガスを導入して成膜室２０内の窒素ガスを成膜に使用する混合ガスに置換する動作を行う。なお、成膜室２０に窒素ガスを導入するか混合ガスを導入するかの切換は、図１に示すマスフローコントローラ２０４Ａ〜２０４Ｃを制御することにより行う。ガス置換が完了したならば、成膜処理を開始する。ガス置換の完了の管理は、予め試験して決定された置換時間に基づいて行っても良いし、成膜室２０のガス成分を分析するガス分析装置を設け、その分析結果に基づいて行っても良い。

一方、ロードロック室１０においては、搬送動作が完了したならば、図３（ｂ）に示すようにバルブＶ３を開いてパージガスを導入し、ロードロック室１０内の圧力を大気圧に戻す。その後、図４に示すようにゲートバルブＧ１，Ｇ３を開いて、未処理基板Ｗ０が載置されたカート１０１を装置外よりロードロック室１０の搬送機構１００Ａに搬入するとともに、処理済基板Ｗ１が載置されたカート１０１を搬送機構１００Ｂから装置外へと搬出する。

次に、本実施の形態における作用効果を、従来の装置における搬送動作と比較しながら説明する。従来の装置では、図６に示すように、高真空状態（５Ｐａ）でロードロック室１０と成膜室２０との間の搬送動作を行い、ゲートバルブＧ２を閉じた後、混合ガスを導入して成膜室２０内の圧力調整を行うようにしている。そのため、搬送動作の開始から成膜処理が開始されるまでに必要な時間は、搬送動作に要する時間Ｔ１と圧力調整に要する時間Ｔ２との和（Ｔ１＋Ｔ２）になる。

一方、本実施の形態では、ゲートバルブＧ２を開いて未処理基板Ｗ１をロードロック室１０から成膜室２０へ搬送してゲートバルブＧ２を閉じるまでの搬送期間に、成膜室２０の圧力を成膜時圧力（１００Ｐａ）とするための圧力調整用ガス（Ｎ２ガス）を成膜室２０に導入するようにした。図５に示す例では、（搬送時間Ｔ１）＞（圧力調整時間Ｔ２）のように記載しているが、図１に示すような２段構成のロードロック室１０を有する装置の場合の時間Ｔ１，Ｔ２の一例を示すと、搬送時間Ｔ１は約４０秒であるのに対して、圧力調整時間Ｔ２は約２０秒と搬送時間Ｔ１よりも短い。そのため、本実施の形態における搬送動作の開始から成膜処理開始までの時間は、搬送時間Ｔ１とガス置換に要する時間Ｔ３との和（Ｔ１＋Ｔ３）になる。また、同一圧力でガスを置換する場合に比べて、ガスを導入して圧力を上昇させて安定的に１００Ｐａになるまでの圧力調整の方が一般的により長い時間を要するため、（ガス置換時間Ｔ３）＜（圧力調整時間Ｔ２）となる。すなわち、搬送動作の開始から成膜処理開始までの所要時間を比較すると、（従来の所要時間）と（本実施の形態での所要時間）との差ΔＴはΔＴ＝Ｔ２−Ｔ３となり、差ΔＴだけ搬送動作の開始から成膜処理開始までの時間を短縮することができることが分かる。すなわち、成膜処理装置１への未処理基板の搬入から、その未処理基板に成膜処理が施されて成膜処理装置１から搬出されるまでの処理時間の短縮が図れ、成膜処理装置１のスループット（単位時間当たりの生産量）を向上させることができる。

なお、図５に示したように、上述した実施の形態では、搬送動作時の圧力調整の際には窒素（Ｎ２）ガスを導入し、ロードロック室１０と成膜室２０との間のゲートバルブＧ２を閉じた後に混合ガスへのガス置換を行うようにした。これは、安全性の観点からこのような処理を行ったものである。例えば、最初から混合ガスを用いて圧力調整を行った場合、搬出・搬入のためにロードロック室１０を大気開放したときに、大気中の酸素と混合ガスに含まれるシランとが急激に反応するという問題が生じることになる。

そのため、仮に、大気解放時に問題とならないような材料ガスを用いる成膜処理装置であれば、最初から混合ガスを用いて圧力調整を行っても良い。その場合、図５に示すようなガス置換動作が不要となるので、搬送動作開始時から成膜処理開始までの時間をＴ１＋Ｔ３からＴ１へとさらに短縮することができる。

上述した実施の形態では、図１に示したようにロードロック室１０に搬送機構１００Ａ，１００Ｂを上下二段設けたが、搬送機構が一つしか設けられていない場合でも、本発明を同様に適用することができる。その場合、処理済基板Ｗ１の搬送と、未処理基板Ｗ０の搬送とを同時に行うような搬送機構を備えるようにする。また、図７に示すように、成膜室の両側にロードロック室とアンロード室４０とを備え、処理済基板Ｗ１をアンロード室４０へ搬送するような構成の成膜処理装置にも適用できる。アンロード室４０には、搬出用のゲートバルブＧ４、真空排気用の真空ポンプＰ３およびバルブＶ５、ガスパージ用のバルブＶ４が設けられている。

いずれの場合も、未処理基板Ｗ０を成膜室に搬送するのに要する搬送時間をＴ１０とすると、Ｔ１０＞Ｔ２であれば、従来の場合の所要時間はＴ１０＋Ｔ２となり、上述のように搬送動作と圧力調整動作とを並列に行う場合の所要時間はＴ１０＋Ｔ３となる。

また、Ｔ１０＜Ｔ２であった場合には、図８に示すように、搬送動作が完了したならば圧力調整が完了していなくともゲートバルブＧ２を閉じ、直ちに混合ガスによるガス置換を開始して１００Ｐａまでの圧力調整を行うようにすれば良い。そのような制御を行うことで、Ｔ１０＜Ｔ２であった場合でも、搬送動作開始時から成膜処理開始までの時間を確実に短くすることができる。

以上説明したように、上述した本発明の成膜処理装置では、成膜用ガス（混合ガス）を用いて基板への成膜処理が行われる成膜室２０と、成膜室２０に成膜用ガスを導入する成膜ガス導入手段（例えば、マスフローコントローラ２０４Ａ〜２０４Ｃ）と、成膜室２０へ搬送するための基板Ｗ０が準備される基板準備室（例えば、ロードロック室１０）と、成膜室２０と基板準備室との間を仕切るゲートバルブＧ２と、ゲートバルブＧ２を開いて基板を基板準備室から成膜室２０へ搬送してゲートバルブＧ２を閉じるまでの搬送期間に、圧力調整用ガス（例えば、Ｎ２ガス）を成膜室２０に導入する調整ガス導入手段（例えば、マスフローコントローラ２０４Ａ）とを備える。このような圧力調整用ガスの導入により、搬送期間に成膜室２０の圧力が上昇されるため、次いで行われる成膜室内圧力を成膜時圧力まで上昇させる昇圧作業時間を短縮することができる。その結果、搬送動作開始時から成膜処理開始までの時間が従来より短縮され、成膜処理装置のスループット（単位時間当たりの生産量）を向上させることができる。

さらに、成膜室２０に基板Ｗ０が搬送されてゲートバルブＧ２が閉じられると、調整ガス導入手段（例えば、Ｎ２ガスを導入するためのマスフローコントローラ２０４Ａ）による圧力調整用ガスの導入を停止し成膜ガス導入手段（例えば、混合ガスを導入するためのマスフローコントローラ２０４Ａ〜２０４Ｃ）による成膜用ガスの導入を開始する制御装置３０を、備えるようにしても良い。圧力調整用ガスとして、大気に放出されても安全なガスを用いることで、安全性の向上が図れる。

また、成膜に用いられる成膜用ガスが、大気放出された場合であっても安全なガスであれば、圧力調整用ガスに成膜用ガスを用いても良い。

さらに、基板準備室を真空排気する真空排気装置と、圧力調整手段による成膜室への圧力調整用ガスの導入時に、真空排気装置による基板準備室の真空排気を停止するのが好ましい。その結果、成膜室の圧力上昇が速くなり、搬送動作開始時から成膜処理開始までの時間が、より短縮されることになる。

上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

１：成膜処理装置、１０：ロードロック室、２０：成膜室、３０：制御装置、４０：アンロード室、１００Ａ〜１００Ｃ：搬送機構、１０１：カート、２０４Ａ〜２０４Ｃ：マスフローコントローラ、Ｇ１〜Ｇ４：ゲートバルブ、Ｐ１〜Ｐ３：真空ポンプ、Ｖ１〜Ｖ５：バルブ、Ｗ０：未処理基板、Ｗ１：処理済基板

Claims

成膜用ガスを用いて基板への成膜処理が行われる成膜室と、
前記成膜室に前記成膜用ガスを導入する成膜ガス導入手段と、
前記成膜室へ搬送するための基板が準備される基板準備室と、
前記成膜室と前記基板準備室との間を仕切るゲートバルブと、
前記ゲートバルブを開いて基板を前記基板準備室から前記成膜室へ搬送して前記ゲートバルブを閉じるまでの搬送期間に、圧力調整用ガスを前記成膜室に導入する調整ガス導入手段と、を備えたことを特徴とする成膜処理装置。
請求項１に記載の成膜処理装置において、
前記成膜室に基板が搬送されて前記ゲートバルブが閉じられると、前記調整ガス導入手段による圧力調整用ガスの導入を停止し前記成膜ガス導入手段による成膜用ガスの導入を開始するガス制御手段を、さらに備えたことを特徴とする成膜処理装置。
請求項１に記載の成膜処理装置において、
前記圧力調整用ガスに前記成膜用ガスを用いたことを特徴とする成膜処理装置。
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の成膜処理装置において、
前記基板準備室を真空排気する真空排気装置と、
前記調整ガス導入手段による前記成膜室への前記圧力調整用ガスの導入時に、前記真空排気装置による前記基板準備室の真空排気を停止する排気制御手段と、を備えたことを特徴とする成膜処理装置。
成膜用ガスを用いて基板への成膜処理が行われる成膜室と、前記成膜室へ搬送するための基板が準備される基板準備室と、前記成膜室と前記基板準備室との間を仕切るゲートバルブとを備えた成膜処理装置における成膜方法であって、
前記ゲートバルブを開いて基板を前記基板準備室から前記成膜室へ搬送して前記ゲートバルブを閉じる搬送工程と、
前記成膜用ガスを前記成膜室に導入して基板に成膜を行う成膜処理工程とを有し、
前記ゲートバルブを開いてから前記ゲートバルブを閉じるまでの前記搬送工程において、圧力調整用ガスを前記成膜室に導入する圧力調整処理を行うことを特徴とする成膜方法。