JP2014167152A - 成膜装置及び成膜方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】成膜装置は、基板の搬送機構と、プラズマ生成電極と、空間仕切り壁と、インジェクタと、を有する。プラズマ生成電極は、前記基板の搬送経路に対向するように設けられ、給電により、反応性ガスを用いてプラズマを生成する。空間仕切り壁は、前記搬送経路と前記プラズマ生成電極との間に設けられる。この空間仕切り壁には、前記プラズマの一部あるいは前記プラズマから生成されるラジカルあるいはイオンが通過するスリット状の貫通孔が間隔をあけて複数設けられる。インジェクタは、前記空間仕切り壁と前記搬送経路との間において、前記貫通孔のうち隣接する貫通孔によって前記搬送方向の両側から挟まれるように設けられ、前記成膜用ガスを成膜用ガス供給口から前記基板に向けて供給する。
【選択図】 図1
Description
上記成膜装置は、複数のロール部材を含む、被成膜体としての基材を搬送する搬送機構と、ロール部材に対して対向配置され、原子層堆積を行うための前駆体ガスを基材に対して局所的に出力可能なガス源としての複数のヘッド部と、を備えている。そして、各ヘッド部は、複数種類の前駆体ガスを個別に出力可能に構成されている。
上記成膜装置は、異なるガスを基板に交互に供給することで、供給したガスと、既に供給されたガスのうち基板に形成された成膜成分の層とが反応することで、原子層単位の薄膜が形成される。しかし、このときの上記反応は温度に依存するので、反応を高めるために基板の温度を高める必要がある。しかし、フレキシブルな樹脂系フィルムを基板として用いる場合、その耐熱温度から基板は80〜100℃までしか上げることができない(低温プロセスしかできない)。
ただし、プラズマALDの成膜装置であって、搬送する基板を成膜する成膜装置では、プラズマから生成される反応活性が高いラジカル原子やラジカル分子またはイオンを用いるので、可能な限り、反応する他の成膜用ガスと気相中で混合することは回避しなければならない。
また、搬送する基板に対して成膜するプラズマALD成膜装置であって、成膜を効率よく行うことができ、しかも、簡単な構成でプラズマALDを実現できる装置構成は現在知られていない。
成膜容器と、
前記成膜容器内で成膜用の基板を搬送する搬送機構と、
前記成膜容器内の、搬送中の前記基板の搬送経路に対向するように設けられ、電力の供給を受けることにより、前記成膜空間内の反応性ガスを用いてプラズマを生成するプラズマ生成電極と、
前記成膜容器内の、前記基板の搬送経路と前記プラズマ生成電極との間に設けられ、前記プラズマ生成電極との間でプラズマ生成空間を形成する壁であって、前記プラズマの一部あるいは前記プラズマから生成されるラジカルまたはイオンが通過することのできるスリット状の貫通孔が前記基板の搬送方向に沿って間隔をあけて複数設けられた空間仕切り壁と、
前記空間仕切り壁と前記搬送経路との間において、前記貫通孔のうち隣接する貫通孔によって前記搬送方向の両側から挟まれるように設けられ、前記成膜用ガスを成膜用ガス供給口から前記基板に向けて供給するガスインジェクタと、を有する。
このとき、前記回転ローラは、互いに異なる方向に回転することができ、前記フィルムの前記搬送方向は、異なる2方向に自在に選択される、ことが好ましい。
当該成膜方法は、
成膜時、前記フィルムを前記ロールから引き出して前記フィルムの成膜のために前記フィルムを搬送した後、搬送中成膜されたフィルムを巻き回して成膜処理ロールにする第1ステップと、
前記フィルムの膜厚を厚くするために、前記成膜処理ロールから前記フィルムを再度引き出して搬送し、搬送中成膜されたフィルムを巻き取って新たな成膜処理ロールにする第2ステップと、を含み、
前記第2ステップを繰り返すことにより、形成された膜の膜厚を目標の厚さにする。
もしくは、十分な数のガスインジェクタを並べることにより、第1ステップで形成された膜の膜厚を目標の厚さにすることもできる。
成膜装置10は、以下の構成を備える。
搬送機構14は、成膜容器12内で成膜用の基板を搬送する。
プラズマ生成ユニット16は、プラズマ生成電極を含む。このプラズマ生成電極は、成膜容器12内の、搬送中の基板の搬送経路に対向するように設けられ、電力の供給を受けることにより、成膜空間内の反応性ガスを用いてプラズマを生成する。
空間仕切り壁17は、成膜容器12内の、基板の搬送経路とプラズマ生成電極との間に設けられ、プラズマ生成電極との間でプラズマ生成空間を形成する壁である。この壁は、プラズマの一部あるいはプラズマから生成されるラジカル又はイオンが通過することのできるスリット状の貫通孔が、基板の搬送方向に沿って間隔をあけて複数設けられている。
インジェクタユニット18は複数のガスインジェクタ(以降、単にインジェクタという)を含む。それぞれのインジェクタは、成膜用ガスを成膜用ガス供給口から出力し、基板に向けて供給する。それぞれのインジェクタは、空間仕切り壁17と搬送経路との間において、空間仕切り壁17に設けられた上記貫通孔のうち隣接する貫通孔によって基板の搬送方向の両側から挟まれるように設けられている。
以下、成膜装置10の各構成を詳細に説明する。なお、本実施形態では、成膜用基板として、極めて薄いガラス板や樹脂フィルムであって、ロール状に巻くことのできる長尺状のフレキシブルな基板を対象として説明する。しかし、本発明で用いる成膜用基板は、フレキシブルな基板に限定されない。例えば、板状の硬い1枚の基板を成膜用基板とすることもできる。
成膜容器12内のプラズマ生成電極16aは、板状の電極であり、フィルムFの搬送経路の上方で、フィルムFの搬送経路に沿って搬送経路に対向するように設けられている。プラズマ生成電極16aは、電力の供給を受けることにより、成膜空間内の反応性ガスを用いてプラズマを生成する。具体的には、プラズマ生成電極16aは、給電線により、成膜容器12の天井面からマッチングボックス16cを介して高周波電源16dに接続されている。高周波電源16dは、例えば13.56MHzの高周波電圧をプラズマ生成電極16aに供給する。
接地電極16bは、空間仕切り壁17の面にプラズマ生成電極16aと対向するように設けられている。すなわち、空間仕切り壁17のプラズマ生成電極16aと対向する対向面は、接地電極16bによって構成されている。
プラズマ生成電極16aに高周波電圧が印加されることにより、プラズマ生成電極16aと接地電極16bとの間の空間に供給された反応性ガスを用いてプラズマPが生成される。すなわち、プラズマ生成電極16aと接地電極16bとの間の空間はプラズマ生成空間となる。
なお、高周波電源16aに高周波電力を供給する給電線は、成膜容器24の天井面に設けられた孔を通して成膜容器24外のマッチングボックス16cに接続される。このとき、孔は、絶縁体16eでシールされる。また、プラズマ生成電極16aの外周には、セラミックス板等を用いた絶縁体板16fが設けられている。これにより、プラズマ生成空間はプラズマ生成電極16aの上方の空間から画されている。
空間仕切り壁17は、板状の絶縁部材から構成されている。空間仕切り壁17は、、フィルムFの搬送経路の上方で、搬送経路とプラズマ生成電極16aとの間に設けられ、プラズマ生成電極16aと対向し、プラズマ生成電極16aとの間でプラズマ生成空間を形成する。プラズマ生成電極16aと対向する空間仕切り壁17の面は、接地電極16bにより構成されている。空間仕切り壁17には、スリット状の貫通孔17aがフィルムFの搬送方向に沿って間隔をあけて設けられている。貫通孔17aは、フィルムFの搬送方向と直交する方向に延びることが好ましい。貫通孔17aには、後述するように、プラズマの一部あるいはプラズマから生成されるラジカル原子あるいはラジカル分子が通過する。
複数のインジェクタ18aの列の両側には、ダミーインジェクタ18bが設けられている。ダミーインジェクタ18bは、成膜用ガスを供給する機能を有しない。ダミーインジェクタ18bは、隣に位置するインジェクタ18aとの間に、2つのインジェクタ18a間に作られる隙間と同様の隙間を作り、この隙間からラジカル原子やラジカル分子をフィルムFに供給するために、設けられている。
さらに、インジェクタ18aのそれぞれには、後述する成膜用ガス源20bと接続されたガス供給管と不活性ガス源20dと接続されたガス供給管が接続されている。
反応性ガス源20aが供給する反応性ガスとして、例えば、O2,O3,H2O,N2O,N2,NH3等が用いられる。成膜用ガス源20bが供給する成膜用ガスとして、例えばTMA(トリメチルアルミニウム)、TEMAZ(テトラエチルメチルアミノジルコニウム)、TEMAHf(テトラエチルメチルアミノハフニウム)、アミノシラン等を含む有機金属化合物ガスが用いられる。パージガス源20cが供給するパージガスとして、窒素ガス、アルゴンガス、ネオンガス、ヘリウムガス等の不活性ガスが用いられる。不活性ガス源20dが供給する不活性ガスとして、窒素ガス、アルゴンガス、ネオンガス、ヘリウムガス等の不活性ガスが用いられる。不活性ガスとは、反応性ガスと成膜用ガスに対して反応しないガスをいう。
一方、フィルムFの搬送時、プラズマ生成空間に反応性ガスが供給され、高周波電圧が印加されたプラズマ生成電極16aと接地電極16bとの間で反応生成ガスを用いたプラズマPが生成される。このプラズマPあるいはプラズマPから生成されるラジカル原子、ラジカル分子、あるいはイオンが空間仕切り壁17の貫通孔17a及びインジェクタ18a間の隙間を通過することにより、フィルムF上に到達する。したがって、インジェクタ18aによる成膜用ガスの供給によってフィルムF上に吸着した原子層単位の成膜成分と上記ラジカル分子、ラジカル原子あるいはイオンとが反応して薄膜を形成する。インジェクタ18aとインジェクタ18a間の隙間は複数交互に設けられているので、フィルムFの搬送中、徐々にフィルムFに形成される薄膜は厚くなる。
このように、フィルムFをロール(回転ローラ14aあるいは回転ローラ14bに巻かれたロール)から引き出してフィルムFの成膜のためにフィルムFを搬送した後、搬送中成膜されたフィルムFを巻き回して成膜処理ロールにする(第1ステップ)。さらに、フィルムFの膜厚を厚くするために、成膜処理ロールからフィルムFを再度引き出して搬送し、搬送中成膜されたフィルムFを巻き取って新たな成膜処理ロールにする(第2ステップ)。そして、第2ステップを繰り返すことにより、膜の膜厚を目標の厚さにすることができる。
このようにして、成膜装置10は、フィルムFに薄膜を形成することができる。
図3(a)は、インジェクタ18aの概略斜視図である。図3(a)は、フィルムFに対向する基板対向面30を上方に向くように図示している。図3(b)は、インジェクタ18aの基板対向面30を説明する図である。
基板対向面30に設けられた開口32は、図3(b)に示すように、成膜用ガス供給口50と、第1ガス排気口52,52と、不活性ガス供給口54,54と、第2ガス排気口56,56と、を含む。
成膜用ガス供給口50は、成膜用ガスをフィルムFに向けて出力し供給する開口である。第1ガス排気口52,52は、成膜用ガス供給口50に対してフィルムFの搬送方向の両側に設けられ、フィルムF上の余分なガスを吸引する開口である。不活性ガス供給口54,54は、第1ガス排気口52,52のそれぞれに対してフィルムFの搬送方向のうち成膜用ガス供給口50から遠ざかる側に設けられ、成膜成分に対して不活性なガスを供給する。
ガス供給ポート34には、図3(a)に示すように、不活性ガス供給管42と接続されている。不活性ガス供給管42は、マスフローコントローラ20fを介して不活性ガス源20dと接続されている。マスフローコントローラ20fは、不活性ガスの成膜空間内への供給量を制御する。
ガス供給ポート36には、図3(a)に示すように、成膜用ガス供給管44と接続されている。成膜用ガス供給管44は、マスフローコントローラ20eを介して成膜用ガス源20bと接続されている。マスフローコントローラ20eは、成膜用ガスの成膜空間内への供給量を制御する。
ガス排気ポート38,40のそれぞれには、図3(a)に示すように、排気管46,48と接続されている。排気管46,48は、排気装置22bと接続されている。
本実施形態では、ガス供給ポート34,36とガス排気ポート38,40は、インジェクタ18aの基板対向面30に設けられているが、これに限られない。ガス供給ポート34,36とガス排気ポート38,40は、インジェクタ18aの他の面に設けられてもよい。
図4(a)に示すように、インジェクタ18aの内部において、成膜用ガス供給管44と接続したガス供給ポート36から延びる管状の成膜用連続孔が設けられる。この成膜用連続孔は、インジェクタ18aの高さ方向Hに沿って上昇する上昇部60aと、上昇部60aと接続されて、インジェクタ18a内部でインジェクタ18aの幅方向Lに延びる細長い空間を形成する収容部60bと、収容部60bから成膜用ガス供給口50に向けて、高さ方向Hに沿って下降する下降部60c(図4(b)参照)と、を有する。
さらに、インジェクタ18aの内部において、不活性ガス供給管42と接続したガス供給ポート34から延びる管状の不活性ガス用連続孔が設けられる。この不活性ガス用連続孔は、インジェクタ18aの高さ方向Hに沿って上昇する上昇部64aと、上昇部64aと接続されて、インジェクタ18a内部の上部で環状を成す環状部64bと、環状部64bから不活性ガス供給口54,54に向けて、高さ方向Hに沿って下降する下降部64c(図4(b)参照)と、を有する。
12 成膜容器
14 搬送機構
14a,14b 回転ローラ
16 プラズマ生成ユニット
16a プラズマ生成電極
16b 接地電極
16c マッチングボックス
16d 高周波電源
16e 絶縁体
16f 絶縁体板
17 空間仕切り壁
17a 貫通孔
18 インジェクタユニット
18a インジェクタ
18b ダミーインジェクタ
20 ガス供給ユニット
20a 反応性ガス源
20b 成膜用ガス源
20c パージガス源
20d 不活性ガス源
22 排気ユニット
22a,22b 排気装置
24 加熱ヒータ
30 基板対向面
32 開口
34,36 ガス供給ポート
38,40 ガス排気ポート
42 不活性ガス供給管
44 成膜用ガス供給管
46,48 排気管
50 成膜用ガス供給口
50a,54a 部材
52 第1ガス排気口
54 不活性ガス供給口
56 第2ガス排気口
Claims (8)
- 成膜用ガスと反応性ガスを用いて原子層単位で薄膜を形成する成膜装置であって、
成膜容器と、
前記成膜容器内で成膜用の基板を搬送する搬送機構と、
前記成膜容器内の、搬送中の前記基板の搬送経路に対向するように設けられ、電力の供給を受けることにより、前記成膜空間内の反応性ガスを用いてプラズマを生成するプラズマ生成電極と、
前記成膜容器内の、前記基板の搬送経路と前記プラズマ生成電極との間に設けられ、前記プラズマ生成電極との間でプラズマ生成空間を形成する壁であって、前記プラズマの一部あるいは前記プラズマから生成されるラジカルあるいはイオンが通過することのできるスリット状の貫通孔が前記基板の搬送方向に沿って間隔をあけて複数設けられた空間仕切り壁と、
前記空間仕切り壁と前記搬送経路との間において、前記貫通孔のうち隣接する貫通孔によって前記搬送方向の両側から挟まれるように設けられ、前記成膜用ガスを成膜用ガス供給口から前記基板に向けて供給するガスインジェクタと、を有することを特徴とする成膜装置。 - 前記空間仕切り壁の前記プラズマ生成電極と対向する対向面は、接地電極によって構成されている、請求項1または2に記載の成膜装置。
- 前記ガスインジェクタは、前記空間仕切り壁の前記プラズマ生成電極と対向する対向面と反対側の面上に設けられる、請求項1または2に記載の成膜装置。
- 前記反応性ガスは、前記成膜容器の側壁から前記プラズマ生成空間内に供給される、請求項1〜3のいずれか1項に記載の成膜装置。
- 前記基板の搬送方向の最下流側に位置する最下流ガスインジェクタに対してさらに前記搬送方向の下流側には、前記成膜用ガスを前記基板に向けて供給しないダミーインジェクタが設けられ、前記貫通孔のうち前記搬送方向の最下流側に位置する最下流貫通孔が、前記ダミーインジェクタと前記最下流ガスインジェクタとの間に位置するように、前記ダミーインジェクタは前記最下流ガスインジェクタに対して間隔をあけて設けられる、請求項1〜4のいずれか1項に記載の成膜装置。
- 前記搬送機構は、一対の回転ローラを含み、
前記基板は、長尺状のフレキシブルなフィルムであって、
前記フィルムは、前記回転ローラの一方に巻き回された状態から前記回転ローラの他方に巻き取られる、請求項1〜4のいずれか1項に記載の成膜装置。 - 前記回転ローラは、互いに異なる方向に回転することができ、
前記フィルムの前記搬送方向は、異なる2方向に自在に選択される、請求項6に記載の成膜装置。 - 請求項1〜7のいずれか1項に記載の成膜装置を用いて行う成膜方法であって、
前記基板は、ロールに巻かれたフィルムであり、
成膜時、前記フィルムを前記ロールから引き出して前記フィルムの成膜のために前記フィルムを搬送した後、搬送中成膜されたフィルムを巻き回して成膜処理ロールにする第1ステップと、
前記フィルムの膜厚を厚くするために、前記成膜処理ロールから前記フィルムを再度引き出して搬送し、搬送中成膜されたフィルムを巻き取って新たな成膜処理ロールにする第2ステップと、を含み、
前記第2ステップを繰り返すことにより、形成された膜の膜厚を目標の厚さにする、ことを特徴とする成膜方法。
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