JP2013067832A

JP2013067832A - 原子層堆積法によるフレキシブル基板への成膜方法及び成膜装置

Info

Publication number: JP2013067832A
Application number: JP2011207046A
Authority: JP
Inventors: Masato Kon; 真人今
Original assignee: Toppan Printing Co Ltd
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2011-09-22
Filing date: 2011-09-22
Publication date: 2013-04-18
Anticipated expiration: 2031-09-22
Also published as: JP5803488B2

Abstract

【課題】装置全体を小型化すると共に、作業効率を向上させて生産性を向上させることができる成膜方法及び成膜装置を提供する。
【解決手段】複数のガイドローラーユニット２００は、フレキシブル基板１０７を適宜屈曲させ該フレキシブル基板１０７の内側に第１空間部２０１と、この第１空間部２０１に隣接する第２空間部２０３とが形成される。また、フレキシブル基板１０７と、チャンバー１００の壁部とで第３空間部２０３、第４空間部２０４が形成される。第１空間部２０１に第１の前駆体ガスが供給される。第２空間部２０２に第１のパージガスが供給される。第３空間部２０３に第２の前駆体ガスが供給される。第４空間部２０４に第２のパージガスが供給される。
【選択図】図２

Description

本発明は、フレキシブル基板上に薄膜を形成する成膜方法及び成膜装置に関する。より詳しくは、原子層堆積法（ＡＬＤ：ＡｔｏｍｉｃＬａｙｅｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）による成膜法を用い、フレキシブル基板を断続的または連続的に搬送しながら該フレキシブル基板上に薄膜を形成する成膜方法及び成膜装置に関する。

気相を用いて薄膜を形成する方法は、大別して化学的気相成長法（ＣＶＤ：ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）と物理的気相成長法（ＰＶＤ：ＰｈｙｓｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）とがある。

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と膜厚の均一性に優れた高品質の薄膜の作製が行えるため、表示デバイスなど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ものである。反応を促進させたり、反応温度を下げたりするため、プラズマや触媒（Ｃａｔａｌｙｓｔ）反応を併用するものもある。プラズマを併用するものをＰＥＣＶＤ（ＰｌａｓｍａＥｎｈａｎｃｅｄＣＶＤ）、触媒反応を併用するものをＣａｔ−ＣＶＤ（ＣａｔａｌｙｔｉｃＣＶＤ）と呼ぶ。化学的気相成長法は成膜欠陥が少ない特徴を有し、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ている。

原子層堆積法（ＡＬＤ：ＡｔｏｍｉｃＬａｙｅｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）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に分類される。ＡＬＤが一般的なＣＶＤと区別されるのは、一般的なＣＶＤが単一のガスまたは複数のガスを同時に用いて基板上で反応させて薄膜を成長させるのに対して、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特殊な成膜方法にある。

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、表面が前駆体を１層吸着したところで未反応の前駆体を排気する。続いて反応性ガスを導入して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。これを１サイクルとしこのサイクルを繰り返して、１サイクルで１層ずつ、薄膜を成長させていくものである。従ってＡＬＤでは薄膜は二次元的に成長する。ＡＬＤでは、従来の蒸着法やスパッタ法などとの比較ではもちろん、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、様々な分野に応用が期待されている。

ＡＬＤでは、第２の前駆体を分解し、基板に吸着している第１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は他の成膜法と比較して斜影効果が無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３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。

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が無い基板、またはフィルムなどの大面積でフレキシブル性がある基板、など様々に存在する。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方法が提案され、実用化されている。

例えばウェハーでは基板一枚を成膜装置に供給して成膜して、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等がある。

また、ガラス基板などに成膜を行う方法には、成膜の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や、さらには、主にフレシキブル基板に対して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ウェブコーティング方式がある。フレシキ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シキブルとなるようなトレイに載せて連続成膜する方式も、ウェブコーティング方式に含まれる。

いずれの成膜法、基板取り扱い方法も、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ている。

ＡＬＤの欠点として特殊な材料を使用する点やそのコスト等が挙げられるが、最大の欠点は、ＡＬＤは１サイクルで１層ずつ原子レベルの薄膜を成長させていく方法であるため、蒸着やスパッタ等の成膜法と比較しても５〜１０倍ほど成膜速度が遅いことにある。

これを解決するため、一つのチャンバーで前駆体の供給と排気を繰り返す従来の方法（これを時間分割型という）から、チャンバーを幾つかに分割しそれぞれのチャンバーには単一の前駆体またはパージガスを供給して、各チャンバー間を基板が行き来する空間分割型が提案されている（例えば特許文献１）。

ＷＯ２００７／１１２３７０Ａ１

しかし空間分割型において、従来の方法及び装置では隔壁によって接続される複数のチャンバーが必要になるか、あるいは一つのチャンバーを隔壁によって複数の領域に分割する必要があるため、装置構造は複雑になる。

また、例えば、ローラーによってフレキシブル基板の進行方向を変化させる機構を用いて各前駆体及び／またはパージガスが存在する各チャンバーへ基板を搬送、往復させる空間分割型成膜装置では、各チャンバーを隔てる隔壁に基板を通過させるための開口部を設け、該開口部に基板を通してローラーに引っかけ、これを繰り返していく成膜前の準備工程を含む（これを通紙という）。開口部の両側のチャンバーに存在するガスが互いに混合しないよう、開口部の寸法は必要最小限の大きさに設計されている。このため該開口部へ基板を通していく工程は作業効率が悪く従って生産性も低いものであった。

本発明の目的は、フレキシブル基板上に薄膜を形成する成膜装置及び成膜方法であって、装置全体を小型化すると共に、作業効率を向上させて生産性を向上させることができる成膜方法及び成膜装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、連続して延在するフレキシブル基板をガイドローラーに掛装させてチャンバー内を搬送させ、前記搬送中に原子層堆積法により前記フレキシブル基板上に薄膜を形成する成膜方法であって、前記複数のガイドローラーにより、搬送中の前記フレキシブル基板を適宜屈曲させることで該フレキシブル基板の内側に第１空間部と、この第１空間部に隣接する第２空間部とが形成されるガイドローラーユニットを複数設け、さらに、前記フレキシブル基板が搬送される方向で前記各ガイドローラーユニットよりも上流側および下流側に位置するフレキシブル基板と、前記チャンバーの壁部とにより前記第２空間部に隣接する第３空間部を形成し、前記第１空間部に第１の前駆体ガスを供給し、前記第２空間部に前記第１の前駆体ガスおよび第２の前駆体ガスをパージする第１のパージガスを供給し、前記第３空間部に前記第２の前駆体ガスを供給することを特徴とする成膜方法。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の成膜方法において、前記各ガイドローラーユニットよりも上流側および下流側に位置するフレキシブル基板と、前記チャンバーの壁部とにより第４空間部を形成し、前記第４空間部に第２のパージガスを供給することを特徴とする。
請求項３記載の発明は、連続して延在するフレキシブル基板上に原子層堆積法により薄膜を形成する成膜装置であって、前記フレキシブル基板が挿入される挿入口と前記フレキシブル基板が排出される排出口と複数のガイドローラーとが設けられたチャンバーと、前記フレキシブル基板を前記挿入口から前記チャンバー内に挿入し前記複数のガイドローラーに掛装して前記チャンバー内を搬送させ前記排出口から排出させる搬送手段と、前記複数のガイドローラーに搬送中の前記フレキシブル基板が掛装されることで前記フレキシブル基板を適宜屈曲させ該フレキシブル基板の内側に第１空間部と、この第１空間部に隣接する第２空間部とが形成される複数のガイドローラーユニットと、前記フレキシブル基板が搬送される方向で前記各ガイドローラーユニットの上流側および下流側に位置するフレキシブル基板と、それらフレキシブル基板に対向する前記チャンバーの壁部とで前記第２空間部に隣接する箇所に形成される第３空間部と、前記第１空間部に第１の前駆体ガスを供給する第１の前駆体ガス供給手段と、前記第２空間部に前記第１の前駆体ガスおよび第２の前駆体ガスをパージする第１のパージガスを供給する第１のパージガス供給手段と、前記第３空間部に前記第２の前駆体ガスを供給する第２の前駆体ガス供給手段とを備えることを特徴とする。
請求項４記載の発明は、請求項３記載の成膜装置において、前記複数のガイドローラーユニットに掛装されたフレキシブル基板と、前記各ガイドローラーユニットの上流側および下流側に位置するフレキシブル基板と、前記チャンバーの壁部とで第４空間部が形成され、前記第４空間部に第２のパージガスを供給する第２のパージガス供給手段を備えることを特徴とする。
請求項５記載の発明は、請求項３または請求項４記載の成膜装置において、前記第３空間部にプラズマを誘起させるプラズマ誘起手段を備えることを特徴とする。

本発明によれば、フレキシブル基板によって、前駆体ガスまたは／及びパージガスを互いに隔離するようにしたので、成膜前の準備工程でフレキシブル基板を成膜装置にセットする工程を短時間で効率的に行えるので、作業効率を向上させて生産性を向上させることができる。

また従来は、各前駆体または／及びパージガスゾーンを仕切る隔壁が必要で有ったが、本発明による成膜装置はこれが不要になるため、構成の簡素化を図れひいては装置全体の小型化を実現することができる。

本発明の実施の形態に係る成膜装置の主要部の概略図である。本発明の実施の形態に係る成膜装置にフレキシブル基板を設置した状態を示す概略図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について、詳細に説明する。

本実施の形態の成膜装置は、連続して延在するフレキシブル基板上に原子層堆積法により薄膜を形成するものである。
図１、図２に示すように、成膜装置は、チャンバー１００と、不図示の搬送手段と、複数のガイドローラーユニット２００と、第１の前駆体ガス供給手段１０３と、第１のパージガス供給手段１０４と、第２の前駆体ガス供給手段１０５と、第２のパージガス供給手段１０６などを含んで構成されている。
チャンバー１００は、フレキシブル基板１０７が挿入される挿入口１００Ａと、フレキシブル基板１０７が排出される排出口１００Ｂと、複数のガイドローラー１０１とが設けられている。

前記の搬送手段は、フレキシブル基板１０７を挿入口１００Ａからチャンバー１００内に挿入し複数のガイドローラーに掛装してチャンバー１００内を搬送させ排出口１００Ｂから排出させるものである。
なお、チャンバー１００には、挿入口１００Ａおよび排出口１００Ｂを設けず、チャンバー１００内にフレキシブル基板１０７を巻き出すための巻出し部やフレキシブル基板１０７を巻き取るための巻き取り部を設けても良い。

複数のガイドローラーユニット２００は、複数のガイドローラー１０１に搬送中のフレキシブル基板１０７が掛装されることでフレキシブル基板１０７を適宜屈曲させ該フレキシブル基板１０７の内側に第１空間部２０１と、この第１空間部２０１に隣接する第２空間部２０３とが形成されるものである。
より詳細には、複数のガイドローラー１０１は、それらの順に並べられた互いに近接する一対の第１ガイドローラー１０と、互いに対向する一対の第２ガイドローラー１２と、互いに近接する一対の第３ガイドローラー１４と、方向転換用の第４ガイドローラー１６とを有している。
フレキシブル基板１０７が、一対の第１〜第３ガイドローラー１０，１２，１４のうちの一方のガイドローラーに掛装され第４ガイドローラー１６に掛装されたのち、一対の第１〜第３ガイドローラー１０，１２，１４のうちの他方のガイドローラーに掛装される。
これにより、一対の第３ガイドローラー１４と第４ガイドローラー１６との間に第１空間部２０１が形成される。
また、一対の第１ガイドローラー１０と第３ガイドローラー１４との間に第２空間部２０２が形成される。

また、フレキシブル基板１０７が搬送される方向で各ガイドローラーユニット２００の上流側および下流側に位置するフレキシブル基板１０７と、それらフレキシブル基板１０７に対向するチャンバー１００の壁部とで第２空間部２０３に隣接する箇所に第３空間部２０３が形成される。

また、複数のガイドローラーユニット２００に掛装されたフレキシブル基板１０７と、各ガイドローラーユニット２００の上流側および下流側に位置するフレキシブル基板１０７と、チャンバー１００の壁部とで第４空間部２０４が形成される。

第１の前駆体ガス供給手段１０３は、第１空間部２０１に第１の前駆体ガスを供給するものである。
第１のパージガス供給手段１０４は、第２空間部２０２に第１の前駆体ガスおよび第２の前駆体ガスをパージする第１のパージガスを供給するものである。
第２の前駆体ガス供給手段１０５は、第３空間部２０３に第２の前駆体ガスを供給するものである。
第２のパージガス供給手段１０６は、第４空間部２０４に第１の前駆体ガスおよび第２の前駆体ガスに対して不活性な第２のパージガスを供給するものであり、第２のパージガスは、第１の前駆体ガスおよび第２の前駆体ガスをパージする第１のパージガスを補佐するものである。
これらガス供給手段１０３、１０４，１０５，１０６は、単一の孔からなるガス導入口で構成されていても、複数の孔からなるガス導入口で構成されていてもよい。
また、ガス供給手段１０３、１０４，１０５，１０６は、ガスの空間濃度分布を改善するために前記の孔に孔空きパイプなどを接続した形態としてもよい。

また、第２の前駆体ガスによる反応を活性化させるため、第３空間部２０３にプラズマを誘起させるプラズマ誘起手段１０２を設けても良い。
また、第４空間部２０４に第１の排気口１１１を設け、第３空間部２０３に第２の排気口１１２を設けると、第１，第２の前駆体ガスの混合がよりいっそう妨げられて好適である。
また、第１空間部２０１に第３の排気口１１３を設けても良く、この場合、第１，第２の前駆体ガスの混合がよりいっそう妨げられて好適である。

以上のような構成によれば、フレキシブル基板１０７によって第１，第２の前駆体ガスまたは／及び第１、第２のパージガスが混合することを妨げる様に、チャンバー内１００を、第１空間部２０１（第１の前駆体領域）、第２空間部２０２（第１のパージ領域）、第３空間部２０３（第２の前駆体領域）、第４空間部２０４（第２のパージ領域）に分けることができる。
すなわち、フレキシブル基板１０７によって、前駆体ガスまたは／及びパージガスを互いに隔離するようにした。
また、各前駆体ガスまたは／及びパージガスを隔離できればよいので、ガイドローラー１０１の配置やフレキシブル基板１０７の経路はこのとおりでなくともよい。
フレキシブル基板１０７については、薄膜を形成する部分はなるべくガイドローラー１０１に接触させないことが薄膜を安定して形成する上で望ましい。
ガスを導入する際には、本実施形態では第１の前駆体領域２０１と第１のパージ領域２０２が隣接する部分の二つのローラー１０１の幅を、可能な限り狭めておくことが要求される。第１のパージ領域２０２と第２の前駆体領域２０３が隣接する部分のローラー１０１の幅も同様である。
このようにすることで、第１の前駆体ガスと第２の前駆体ガスとの混合を抑制することができる。

次に本成膜装置を使って成膜を実施する方法を詳細に述べる。

フレキシブル基板１０７を成膜装置にセットする。この時成膜装置のチャンバー１００には前述の各領域を隔てる隔壁が無いためフレキシブル基板１０７のセットはスムーズに行える。フレキシブル基板１０７を正しくセットすると、絶妙に配置されたガイドローラー１０１によってチャンバー１００は該基板１０７を隔壁として第１の前駆体領域２０１、第１のパージ領域２０２、第２の前駆体領域２０３、第２のパージ領域２０４に隔離される。続いてチャンバー１００を真空状態にする。求められる真空度は製造する膜の膜質や許される処理速度などによって変わってくるため、一義的に決定することは適当ではない。続いて前駆体ガス及びパージガスを導入する。この時、第１のパージ領域２０２のガス圧が、他の領域のガス圧よりも最も高く、そして第２のパージ領域２０４のガス圧が次いで高くなるように設定する。
これにより第１の前駆体ガスと第２の前駆体ガスがチャンバー１００内で直接混合する確率を低くすることができる。これはパーティクルの発生による膜質の低下を避けるために重要である。

続いて前記の搬送手段によりフレキシブル基板１０７の搬送を開始する。搬送のスピードは膜質からの要求及び許容されるスループットによって制限されるため、規定することは好適ではない。
フレキシブル基板１０７は、チャンバー１００内で複数のガイドローラーユニット２００に掛装されて搬送される過程において、以下の１）、２）の工程が繰り返して実施されることにより、フレキシブル基板１０７の表面に１層ずつ成膜がなされる。
１）第１空間部２０１において第１の前駆体ガスにより前駆体をフレキシブル基板１０７の表面に吸着させる工程。
２）第３空間部２０３において第２の前駆体ガスにより前記前駆体に化学反応を生じさせる工程。

チャンバー１００の排出口１００Ｂから排出されたフレキシブル基板１０７を巻き取ったあとは、前駆体ガス及びパージガスの供給を止め、チャンバー１００を真空引きしてチャンバー１００内に残った前駆体ガスを完全に排気した後、チャンバー１００をベントしてフレキシブル基板１０７を取り出す。

以上で成膜が完了する。

このように、成膜に用いるフレキシブル基板を用いて各前駆体または／及びパージガスを互いに隔離する構成を含む本発明の成膜方法を用いることによって、複数のチャンバーを用いたりチャンバーの内部に隔壁を設けたりすることなく、単一のチャンバーで成膜を行うことができ、装置構成を簡単な構成にすることができる。また装置構成が簡単な本発明の成膜装置を使用することによって、成膜の前工程において基板のセット（組み込み）を容易に行うことができ、生産性向上に寄与する。

本発明は基板を搬送しながら基板上に薄膜を作製する工程において、設備を大規模化することなく成膜を実施することができ、生産コスト低減に貢献する。

１００……チャンバー
１００Ａ……挿入口
１００Ｂ……排出口
１０１……ガイドローラー
１０２……プラズマ誘起手段
１０３……第１の前駆体ガス供給手段
１０４……第１のパージガス供給手段
１０５……第２の前駆体ガス供給手段
１０６……第２のパージガス供給手段
１０７……フレキシブル基板
１１１……第１の排気口
１１２……第２の排気口
１１３……第３の排気口
２００……ガイドローラーユニット
２０１……第１空間部（第１の前駆体領域）
２０２……第２空間部（第１のパージ領域）
２０３……第３空間部（第２の前駆体領域）
２０４……第４空間部（第２のパージ領域）

Claims

連続して延在するフレキシブル基板をガイドローラーに掛装させてチャンバー内を搬送させ、前記搬送中に原子層堆積法により前記フレキシブル基板上に薄膜を形成する成膜方法であって、
前記複数のガイドローラーにより、搬送中の前記フレキシブル基板を適宜屈曲させることで該フレキシブル基板の内側に第１空間部と、この第１空間部に隣接する第２空間部とが形成されるガイドローラーユニットを複数設け、
さらに、前記フレキシブル基板が搬送される方向で前記各ガイドローラーユニットよりも上流側および下流側に位置するフレキシブル基板と、前記チャンバーの壁部とにより前記第２空間部に隣接する第３空間部を形成し、
前記第１空間部に第１の前駆体ガスを供給し、
前記第２空間部に前記第１の前駆体ガスおよび第２の前駆体ガスをパージする第１のパージガスを供給し、
前記第３空間部に前記第２の前駆体ガスを供給する、
ことを特徴とする成膜方法。
前記各ガイドローラーユニットよりも上流側および下流側に位置するフレキシブル基板と、前記チャンバーの壁部とにより第４空間部を形成し、
前記第４空間部に第２のパージガスを供給する、
ことを特徴とする請求項１記載の成膜方法。
連続して延在するフレキシブル基板上に原子層堆積法により薄膜を形成する成膜装置であって、
前記フレキシブル基板が挿入される挿入口と前記フレキシブル基板が排出される排出口と複数のガイドローラーとが設けられたチャンバーと、
前記フレキシブル基板を前記挿入口から前記チャンバー内に挿入し前記複数のガイドローラーに掛装して前記チャンバー内を搬送させ前記排出口から排出させる搬送手段と、
前記複数のガイドローラーに搬送中の前記フレキシブル基板が掛装されることで前記フレキシブル基板を適宜屈曲させ該フレキシブル基板の内側に第１空間部と、この第１空間部に隣接する第２空間部とが形成される複数のガイドローラーユニットと、
前記フレキシブル基板が搬送される方向で前記各ガイドローラーユニットの上流側および下流側に位置するフレキシブル基板と、それらフレキシブル基板に対向する前記チャンバーの壁部とで前記第２空間部に隣接する箇所に形成される第３空間部と、
前記第１空間部に第１の前駆体ガスを供給する第１の前駆体ガス供給手段と、
前記第２空間部に前記第１の前駆体ガスおよび第２の前駆体ガスをパージする第１のパージガスを供給する第１のパージガス供給手段と、
前記第３空間部に前記第２の前駆体ガスを供給する第２の前駆体ガス供給手段と、
を備えることを特徴とする成膜装置。
前記複数のガイドローラーユニットに掛装されたフレキシブル基板と、前記各ガイドローラーユニットの上流側および下流側に位置するフレキシブル基板と、前記チャンバーの壁部とで第４空間部が形成され、
前記第４空間部に第２のパージガスを供給する第２のパージガス供給手段を備える、
ことを特徴とする請求項３記載の成膜装置。
前記第３空間部にプラズマを誘起させるプラズマ誘起手段を備える、
ことを特徴とする請求項３または４記載の成膜装置。