JP2013237900A - 薄膜形成装置、薄膜形成方法および薄膜測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストによる膜厚測定と、高精度な膜厚制御とを可能とする薄膜形成装置、薄膜形成方法および薄膜測定方法を得ること。
【解決手段】薄膜形成の対象とする被処理基板２が載置されているトレイ１に対し、被処理基板２が載置されている載置領域と、載置領域以外の領域とについて成膜処理を実施する成膜チャンバー６と、成膜処理を経て成膜チャンバー６から搬出されたトレイ１が搬送される搬送ルートのいずれかの位置に設置され、成膜処理によって形成された薄膜の膜厚を測定する膜厚測定部４と、を有し、膜厚測定部４は、トレイ１のうち載置領域以外の領域に設けられている測定対象部３に形成されている薄膜を、膜厚の測定の対象とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、被処理基板へ薄膜を形成する薄膜形成装置および薄膜形成方法と、形成した薄膜の膜厚を測定する薄膜測定方法に関する。

薄膜形成装置としては、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition、化学気相成長）装置やＰＶＤ（Physical Vapor Deposition、物理気相成長）装置などがある。これらは、化学反応や物理的手法により被処理基板に薄膜を形成する蒸着法を採用する。薄膜形成装置は、被処理基板への成膜を実施する成膜チャンバーのほか、ロードロックチャンバー、移載機などを備える。ロードロックチャンバーは、成膜チャンバーを大気にさらさずに、被処理基板を搬送する。移載機は、被処理基板を交換する。

近年、ＣＶＤ装置やＰＶＤ装置は、生産性向上のため、チャンバーを大面積化させる傾向にある。成膜チャンバーの大面積化により、面内における膜厚分布の発生が課題となる。膜厚分布は、成膜を繰り返すことによって変化することにもなる。

従来、被処理基板に形成された薄膜の膜厚を測定するには、エリプソメーターがよく用いられている。エリプソメーターは、サンプル表面での入射光と反射光の偏光状態の変化を検出し、膜厚や屈折率を非接触および非破壊により算出する。

例えば、特許文献１には、生産時のタクトタイムの遅れや、オフラインでの分析による被処理基板の汚染を低減可能とするために、成膜チャンバーとは別に分析用のチャンバーを用意するシステムが提案されている。得られた分析条件は、プロセス条件にフィードバックされ、プロセスの安定化が図られている。

国際公開第２００８／００５７７３号

上記従来の技術によれば、分析のための各種測定が問題無く行えることが前提であるが、測定が現実的に行えるかが問題となる。例えば太陽光発電セルとして、太陽光を効率良く取り込むため基板表面を凹凸形状に加工しているものがある。表面に凹凸形状を備える被処理基板に形成された薄膜についての膜厚の測定は、非破壊の薄膜測定方法としてよく用いられているエリプソメーターによる方法ではオフライン上であっても困難であり、測定方法自体が研究対象となっている状況である。

現在、透過型電子顕微鏡（Transmission Electron Microscope；ＴＥＭ）による膜厚の測定には、例えば１サンプル当たり１０万円程度の費用が発生する。ＴＥＭによる測定は、価格競争が激化している太陽光発電セルにおいては、製造コスト上、適用が困難である。

他の測定方法としては、製品基板とは別に用意されたモニター用基板に薄膜を形成し、回収されたモニター用基板について膜厚を測定する方法がある。しかし、膜厚分布の傾向や変化の推移を正確に把握するには、モニター用基板を載置する測定ポイントを多くし、かつ高い頻度でサンプリングを実施することが必要となる。特に、一度に複数枚の被処理基板を一括処理するために成膜チャンバーを大面積化し、かつ高い稼働率で薄膜形成装置を運用した場合、多くのポイントでの測定を高い頻度で行う必要があるため、コスト高の要因となる。近年の太陽光発電事業の競争激化により、低コストで高い変換効率の太陽光発電セルが求められている。変換効率の高い太陽光発電セルの製造には、高精度な膜厚制御が要求されている。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、低コストによる膜厚測定と、高精度な膜厚制御とを可能とする薄膜形成装置、薄膜形成方法および薄膜測定方法を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、薄膜形成の対象とする被処理基板が載置されているトレイに対し、前記被処理基板が載置されている載置領域と、前記載置領域以外の領域とについて成膜処理を実施する成膜チャンバーと、前記成膜処理を経て前記成膜チャンバーから搬出された前記トレイが搬送される搬送ルートのいずれかの位置に設置され、前記成膜処理によって形成された薄膜の膜厚を測定する膜厚測定部と、を有し、前記膜厚測定部は、前記トレイのうち前記載置領域以外の領域に設けられている測定対象部に形成されている薄膜を、前記膜厚の測定の対象とすることを特徴とする。

本発明によれば、薄膜形成装置は、トレイ上の載置領域以外の領域に測定対象部を適宜設け、膜厚の測定の対象とすることで、トレイ面内の膜厚分布の十分な把握が可能となる。膜厚測定部は、搬送ルートのいずれかにおいて膜厚を測定することで、成膜処理がなされるごとに膜厚を測定可能とする。薄膜形成装置は、膜厚分布の推移を、成膜処理の都度把握することができる。薄膜形成装置は、製品基板を測定対象としていないため、製品基板表面の加工状態によって測定が困難になるということを回避できる。これにより、低コストによる膜厚測定と、高精度な膜厚制御とを実現できるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態にかかる薄膜形成装置の概略構成を示すブロック図である。 図２は、トレイおよび膜厚測定部を示す斜視図である。 図３は、トレイおよび膜厚測定部の変形例を示す図である。 図４は、トレイおよび膜厚測定部の変形例を示す図である。

以下に、本発明にかかる薄膜形成装置、薄膜形成方法および薄膜測定方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下に示す図面においては、理解の容易のため、各部材の縮尺が実際とは異なる場合がある。各図面間においても同様である。また、平面図であっても、図面を見易くするためにハッチングを付す場合がある。

実施の形態．
図１は、本発明の実施の形態にかかる薄膜形成装置の概略構成を示すブロック図である。薄膜形成装置は、成膜チャンバー６、ロードロックチャンバー７、移載機８、膜厚測定部４および制御部１０を有する。

被処理基板２は、トレイ１上に載置される。成膜チャンバー６は、薄膜形成の対象とする被処理基板２への成膜を実施する。ロードロックチャンバー７は、成膜チャンバー６を大気にさらさずに、被処理基板２が載置されているトレイ１を搬送する。移載機８は、成膜を終えたトレイ１上の被処理基板２を、成膜前の被処理基板２へと交換する。

トレイ１の上面には、複数、例えば６枚の被処理基板２が載置される。トレイ１の上面のうち被処理基板２が載置されている領域を載置領域とすると、トレイ１の上面のうち載置領域以外の領域に、測定対象部３が設けられている。トレイ１の上面には、複数、例えば９個の測定対象部３が設けられている。成膜チャンバー６では、被処理基板２と測定対象部３とを含むトレイ１の全体に対し成膜が実施される。

図示する例において、６枚の被処理基板２は、トレイ１において互いに間隔を設けて載置されている。各被処理基板２は、トレイ１の上面のうちトレイ１の搬送方向に対して垂直な方向において、２つの測定対象部３の間に位置する。なお、被処理基板２および測定対象部３の数および配置態様は、図示する例のとおりである場合に限られず、適宜変更しても良い。

膜厚測定部４は、例えば移載機８上に設置されている。膜厚測定部４は、成膜チャンバー６での成膜処理によって形成された薄膜の膜厚を測定する。膜厚測定部４は、測定対象部３に形成されている薄膜を、膜厚の測定の対象とする。

制御部１０は、薄膜形成装置全体の駆動を制御する。制御部１０は、成膜条件調整部１１を有する。成膜条件調整部１１は、成膜チャンバー６での成膜処理における成膜条件を調整する。

図２は、トレイおよび膜厚測定部を示す斜視図である。移動機構５は、膜厚測定部４を移動させる機構である。移動機構５は、トレイ１の上面に平行な二次元方向のうち、トレイ１の搬送方向と、その搬送方向に対して垂直な方向とに膜厚測定部４を移動させる。膜厚測定部４は、移動機構５によって、トレイ１上の各測定対象部３と対向する各位置の間を移動する。図中、移動機構５は、膜厚測定部４を移動させる方向を示す両矢印として表すこととし、具体的な構造の図示を省略している。

膜厚測定部４を設置する位置は、適用する薄膜形成装置の構造等に応じて適宜変更可能であるものとする。膜厚測定部４は、成膜処理を経て成膜チャンバー６から搬出されたトレイ１が搬送される搬送ルートのいずれかの位置に配置されていれば良いものとする。また、薄膜形成装置は、１つの膜厚測定部４の稼働により全ての測定対象部３を測定するほか、複数の膜厚測定部４を測定に使用することとしても良い。

図３および図４は、トレイおよび膜厚測定部の変形例を示す図である。この変形例は、基板表面を下向きとするいわゆるデポアップ方式におけるトレイ１および膜厚測定部４の配置を表している。トレイ１のうち載置領域には、開口が形成されている。被処理基板２は、薄膜を形成する表面を下向きとして、トレイ１の上面側から開口を塞ぐように載置されている。成膜処理は、トレイ１の下面側から開口を通じて実施される。

測定対象部３は、トレイ１の下面のうち開口が形成されている部分以外の部分に設けられている。なお、図４に示す被処理基板２、トレイ１および測定対象部３は、図３のＡ−Ａ断面を示している。膜厚測定部４は、例えば移載機８のうちトレイ１より下側の位置に設置されている。膜厚測定部４は、トレイ１より下側において、各測定対象部３と対向する各位置の間を移動する。以下の説明は、図２に示す構成と、図３および図４に示す変形例とのいずれにも適用されるものとする。

膜厚測定部４は、例えばエリプソメーターとする。膜厚測定部４は、レーザー送信部１２およびレーザー受信部１３を有する。レーザー送信部１２は、測定対象部３へレーザー光を送信する。レーザー受信部１３は、測定対象部３で反射したレーザー光を受信する。膜厚測定部４は、測定対象部３での反射による偏光状態の変化を検出し、膜厚や屈折率を算出する。なお、膜厚測定部４は、膜厚や屈折率を算出する本体、およびレーザー発振器（いずれも図示省略）を備える。

トレイ１の材料としては、アルミニウムやステンレス鋼（ＳＵＳ）などのメタル系、等方性カーボン（ＣＩＰ材）やカーボン／カーボン複合材（Ｃ／Ｃコンポジット材）などのカーボン系、ＳｉＮ、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３などのセラミック系などがある。測定対象部３の表面は、鏡面加工が施されている。測定対象部３に鏡面加工を施すことで、膜厚測定部４は、膜厚の正確な測定を容易に実施することができる。

測定対象部３は、例えば数ｃｍ程度の長辺を持つ長方形をなしている。測定対象部３は、いずれの形状をなすものであっても良い。測定対象部３は、コスト面の観点からは、トレイ１と同一の材料で形成されたものであることが望ましい。ただし、トレイ１の材料が、Ｃ／Ｃコンポジット材など、鏡面加工が困難な材質であるなどの場合に、測定対象部３は、トレイ１とは異なる材料で形成されたものとしても良い。この場合の測定対象部３の材料は、成膜の材料にもよるが、ガラス、アルミニウムおよびケイ素のうちのいずれかとすることが望ましい。この場合も、測定対象部３は、鏡面加工を施すことで、膜厚測定部４による正確かつ容易な測定を可能とする。

次に、薄膜形成装置による動作の手順を説明する。被処理基板２は、移載機８にてトレイ１に配置される。被処理基板２を載せたトレイ１は、ロードロックチャンバー７内での真空引きを経て、成膜チャンバー６にて成膜処理が施される（成膜処理工程）。成膜処理後、トレイ１は、ロードロックチャンバー７内で大気圧に戻されてから、移載機８へ搬送される。

成膜処理が完了し移載機８に戻されたトレイ１上の被処理基板２は、次の成膜処理の対象とする被処理基板２と交換される。その際に、膜厚測定部４は、測定対象部３に形成された薄膜の膜厚を測定する（膜厚測定工程）。膜厚測定部４は、成膜チャンバー６での成膜処理を実施するごとに、測定対象部３の膜厚を測定し、測定結果を成膜条件調整部１１へ出力する。

例えば膜厚分布に規定より大きい偏りが生じた場合や、膜厚の中心値が規定の範囲から外れた場合に、成膜条件調整部１１は、膜厚測定部４による測定結果に応じて、成膜ガス比、ガス流量、成膜時間などの成膜条件を修正する。薄膜形成装置は、成膜処理を実施するごとに、膜厚の測定結果に応じて成膜条件を修正することで、規定を満たす膜厚の薄膜を被処理基板２に形成するための高精度なフィードバックを可能としている。薄膜形成装置は、安定した製造プロセスによって不良の発生を抑制可能とする。太陽光発電セルの製造においては、高精度な膜厚制御によって、高い変換効率を実現できる。

制御部１０は、膜厚測定部４による測定結果から、トレイ１上に堆積した薄膜の合計膜厚があらかじめ設定された制限値を超えたか否かを判断する。トレイ１上における合計薄膜が制限値を超えたことを検知した場合、制御部１０は、次の成膜処理の対象とする被処理基板２をトレイ１に載せずに、トレイ１を成膜チャンバー６へ搬送する。

トレイ１を成膜チャンバー６へ導入すると、制御部１０は、成膜チャンバー６内およびトレイ１に対するクリーニング処理により、薄膜を除去する。クリーニング処理は、例えばドライガスクリーニングとする。クリーニング処理の後、制御部１０は、トレイ１を移載機８に戻す。

移載機８にトレイ１が戻されると、次の成膜処理の対象とする被処理基板２がトレイ１に載せられる。膜厚測定部４は、測定対象部３に対する測定を実施し、薄膜が完全に除去されたことを確認する。膜厚測定部４の測定によって薄膜が完全に除去されたことが確認されると、膜厚測定部４は、合計膜厚をリセットし、ゼロとする。トレイ１は、次の成膜処理のために搬送される。

本発明によると、薄膜形成装置は、表面の加工状態によって直接の測定が困難な被処理基板２についても、形成されている薄膜の膜厚を間接的に把握することができる。薄膜形成装置は、製品基板を測定対象としていないため、製品基板表面の加工状態によって測定が困難になるということを回避できる。

なお、被処理基板２に形成される薄膜の膜厚と、測定対象部３に形成される薄膜の膜厚とに差が生じる場合は、双方の間の相関関係を基礎データとしてあらかじめ取得し、基礎データに応じた補正を実施しても良い。これにより、薄膜形成装置は、被処理基板２に形成される薄膜について、正確な膜厚を求めることができる。

薄膜形成装置は、形成された薄膜の膜厚とその分布を、成膜処理を実施するごとに把握することができるため、膜厚およびその分布が規定から外れた場合は成膜条件を即座に変更することができる。規定どおりの薄膜を得るためのフィードバックにより、常に安定したプロセスを得ることができる。これにより、低コストによる膜厚測定と、高精度な膜厚制御とを実現できるという効果を奏する。

薄膜形成装置は、繰り返しの成膜処理によって、成膜チャンバー６内やトレイ１に堆積した薄膜の合計薄膜が制限値を超えた場合にクリーニング処理を実施する。成膜チャンバー６の壁面やトレイ１から成膜処理前の被処理基板２への薄膜材料の剥落を抑制することで、成膜不良を十分防止することができる。

１ トレイ
２ 被処理基板
３ 測定対象部
４ 膜厚測定部
５ 移動機構
６ 成膜チャンバー
７ ロードロックチャンバー
８ 移載機
１０ 制御部
１１ 成膜条件調整部
１２ レーザー送信部
１３ レーザー受信部

Claims (7)

1. 薄膜形成の対象とする被処理基板が載置されているトレイに対し、前記被処理基板が載置されている載置領域と、前記載置領域以外の領域とについて成膜処理を実施する成膜チャンバーと、
   前記成膜処理を経て前記成膜チャンバーから搬出された前記トレイが搬送される搬送ルートのいずれかの位置に設置され、前記成膜処理によって形成された薄膜の膜厚を測定する膜厚測定部と、を有し、
   前記膜厚測定部は、前記トレイのうち前記載置領域以外の領域に設けられている測定対象部に形成されている薄膜を、前記膜厚の測定の対象とすることを特徴とする薄膜形成装置。
2. 前記測定対象部の表面に、鏡面加工が施されていることを特徴とする請求項１に記載の薄膜形成装置。
3. 前記測定対象部は、ガラス、アルミニウムおよびケイ素のうちのいずれかを材料として形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の薄膜形成装置。
4. 前記成膜処理における成膜条件を調整する成膜条件調整部を有し、
   前記膜厚測定部は、前記成膜処理を実施するごとに前記膜厚を測定し、
   前記成膜条件調整部は、前記膜厚測定部における測定結果に応じて、前記成膜条件を修正することを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の薄膜形成装置。
5. 前記薄膜形成装置の駆動を制御する制御部を有し、
   前記制御部は、前記膜厚測定部による測定結果から、前記トレイ上に堆積した前記薄膜の合計膜厚があらかじめ設定された制限値を超えたことを検知した場合に、前記成膜チャンバー内および前記トレイに対するクリーニング処理により前記薄膜を除去することを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の薄膜形成装置。
6. 薄膜形成の対象とする被処理基板が載置されているトレイに対し、前記被処理基板が載置されている載置領域と、前記載置領域以外の領域とについて成膜処理を実施する成膜処理工程と、
   前記成膜処理工程を経た前記トレイが搬送される搬送ルートのいずれかの位置で、前記成膜処理によって形成された薄膜の膜厚を測定する膜厚測定工程と、を含み、
   前記膜厚測定工程において、前記トレイのうち前記載置領域以外の領域に設けられている測定対象部を、前記膜厚の測定の対象とすることを特徴とする薄膜形成方法。
7. 被処理基板が載置されている載置領域と、前記載置領域以外の領域とへの成膜処理の実施により薄膜が形成されたトレイに対し、前記薄膜の膜厚を測定する膜厚測定工程を含み、
   前記膜厚測定工程は、前記成膜処理を経た前記トレイが搬送される搬送ルートのいずれかの位置で実施され、かつ、
   前記トレイのうち前記載置領域以外の領域に設けられている測定対象部を、前記膜厚の測定の対象とすることを特徴とする薄膜測定方法。

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