JP2016009724A - 成膜装置および成膜方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】ガス供給量を増大させることなく、かつ、生産タクトの低下を極力抑制し、処理ガスの利用効率を高め、排気経路における反応生成物の生成を抑制して、バッチ式のALD成膜を行う。【解決手段】バッチ式の成膜装置100は、複数の処理室15と、ガス供給ユニット2と、排気ユニット3と、制御部4とを具備する。排気ユニット3は、第1の処理ガスおよび第2の処理ガスのそれぞれに対応した2つの排気経路と、2つの排気経路を切り替える排気経路切替部34,35とを有し、制御部4は、ガス供給ユニット2から処理室15へ第1の処理ガスおよび第2の処理ガスを供給する際に、一つの処理ガスについて、各処理室へ時間差をつけて順次供給されるようにガス供給ユニット2を制御し、かつ各処理室15へ供給された処理ガスに対応する排気経路を介して排気されるように排気経路切替部34,35を制御する。【選択図】 図1

Description

本発明は、バッチ式のALD成膜処理を行う成膜装置および成膜方法に関する。
液晶ディスプレイや有機ELディスプレイなどのフラットパネルディスプレイ(FPD)や、太陽電池モジュールなどの製造過程においては、ガラス基板等の被処理基板に対し、配線等を形成するために成膜処理やエッチング処理が行われる。
FPD等に用いられる基板は大面積のものが多く、また、成膜処理やエッチング処理はプラズマを用いるものが多用されており、これら処理を行うための処理装置は、大型化および複雑化を避けるため、基板を一枚ずつ処理する枚葉式のものが主流であるが、効率やスループットを重視して、複数の基板を一括して処理するバッチ式のものも提案されている(例えば、特許文献1)。
一方、近時、成膜処理を行うための成膜手法として、薄い膜を良好なステップカバレッジで成膜することが可能な原子層堆積法(ALD法)が注目されている。ALD法は、被処理基板が配置された処理容器内に、複数、典型的には2つの処理ガスを交互に供給して、被処理基板の表面に一原子層(またはそれに近い厚さの層)ごとに堆積し、これらの処理ガスを被処理基板上で反応させることにより所定の膜を成膜する手法である。
しかし、上記特許文献1のように、単純に大型の処理容器内に複数の基板を上下方向に並べて配置して処理を行う処理装置を大面積の基板のバッチ式ALD成膜に用いる場合には、処理容器内に大量の処理ガスを短時間で切り替えて導入する必要があり、処理ガスを複数の基板の表面に均一に供給し、かつ均一に排気することが困難となって、均一な膜が得難いという問題がある。
そこで、特許文献2には、複数の基板にそれぞれ対応するように複数の処理室(処理用小空間)を設け、これら複数の処理室に各処理ガスを導入してALD法による成膜を行うことが提案されている。
特開平8−8234号公報 特開2013−030751号公報
しかしながら、近時、バッチ式のALD成膜装置において、処理の効率性を向上するために、基板のさらなる大型化および1バッチ処理あたりの基板枚数の増加が要求されており、そのため、処理ガスの供給量を著しく増大させる必要がある。処理ガスの供給量を増大させる手法として、ガス供給ユニットを大型化して処理ガス供給能力を増大させることが考えられるが、その場合は、装置コストが上昇してしまう。一方、ガス供給ユニットを大型化できない場合は、処理ガスの供給時間を延ばすことで必要なガス供給量を確保することが考えられるが、その場合には生産タクトが悪化してしまう。また、処理ガスの供給量を増大させると、処理ガスの利用効率が低下してしまう。さらに、排気経路には複数の処理ガスが流れるため、その中で複数の処理ガスが混合して反応生成物が生成されるが、処理ガスの供給量が多い場合には反応生成物が多量に発生し、排気経路のメンテナンス周期が悪化してしまう。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、ガス供給量を増大させることなく、かつ、生産タクトの低下を極力抑制し、処理ガスの利用効率を高め、排気経路における反応生成物の生成を抑制して、バッチ式のALD成膜を行うことができる成膜装置および成膜方法を提供することを課題とする。
上記課題を解決するため、本発明の第1の観点は、複数の処理ガスを順次切り替えて供給して複数の被処理基板上に所定の膜を成膜するバッチ式の成膜装置であって、被処理基板を一枚ずつ収容する複数の処理室と、前記複数の処理室にそれぞれ複数の処理ガスを順次供給するガス供給ユニットと、前記複数の処理室を排気する排気ユニットと、前記複数の処理室に対する処理ガスの供給および排気を制御する制御部とを具備し、前記排気ユニットは、前記複数の処理ガスのそれぞれに対応した複数の排気経路と、前記排気経路を切り替える排気経路切替部とを有し、前記制御部は、前記ガス供給ユニットから前記処理室へ処理ガスを供給する際に、一つの処理ガスについて、各処理室へ時間差をつけて順次供給されるように前記ガス供給ユニットを制御し、かつ前記排気ユニットによる排気の際に、各処理室へ供給された処理ガスに対応する排気経路を介して排気されるように前記排気経路切替部を制御することを特徴とする成膜装置を提供する。
上記第1の観点において、前記ガス供給ユニットは、少なくとも、一つの処理ガスを供給した後、次の処理ガスを供給する前に、前記複数の処理室にそれらの内部をパージするためのパージガスを供給し、前記制御部は、パージガスを供給している間に排気経路を切り替えるように前記排気経路切替部を制御するように構成してもよい。
本発明の第2の観点は、第1の処理ガスおよび第2の処理ガスを交互に切り替えて供給して複数の被処理基板上に所定の膜を成膜するバッチ式の成膜装置であって、被処理基板を一枚ずつ収容する複数の処理室と、前記複数の処理室にそれぞれ第1の処理ガスおよび第2の処理ガスを交互に供給するガス供給ユニットと、前記複数の処理室を排気する排気ユニットと、前記複数の処理室に対する処理ガスの供給および排気を制御する制御部とを具備し、前記排気ユニットは、前記第1の処理ガスおよび前記第2の処理ガスのそれぞれに対応した2つの排気経路と、前記2つの排気経路を切り替える排気経路切替部とを有し、前記制御部は、前記ガス供給ユニットから前記処理室へ前記第1の処理ガスおよび前記第2の処理ガスを供給する際に、一つの処理ガスについて、各処理室へ時間差をつけて順次供給されるように前記ガス供給ユニットを制御し、かつ前記排気ユニットによる排気の際に、各処理室へ供給された処理ガスに対応する排気経路を介して排気されるように前記排気経路切替部を制御することを特徴とする成膜装置を提供する。
上記第2の観点において、前記ガス供給ユニットは、少なくとも、第1の処理ガスを供給した後、第2の処理ガスを供給する前、および第2の処理ガスを供給した後、第1の処理ガスを供給する前に、前記処理室内をパージするためのパージガスを供給し、前記制御部は、パージガスを供給している間に排気経路を切り替えるように前記排気経路切替部を制御するように構成してもよい。また、前記ガス供給ユニットは、前記第1の処理ガスを前記複数の処理室へ供給する第1処理ガス供給配管と、前記第2の処理ガスを前記複数の処理室へ供給する第2処理ガス供給配管と、前記第1処理ガス供給配管に設けられた第1供給バルブと、前記第2処理ガス供給配管に設けられた第2供給バルブとを有し、前記制御部は、前記第1供給バルブおよび前記第2供給バルブの開閉動作に連動させて、前記排気経路切替部による排気経路の切り替えを制御する構成としてもよい。
また、上記第2の観点において、前記排気経路切替部は、前記2つの排気経路にそれぞれ設けられた、開閉可能な排気制御バルブを有する構成であってもよく、前記2つの排気経路の分岐部に設けられた切替バルブを有する構成であってもよい。
さらに、上記第1および第2の観点において、前記各処理室は、被処理基板を載置するための載置台と、前記載置台の上の被処理基板を覆うカバーとに囲まれた領域に形成され、前記複数の処理室は、処理容器内に垂直方向に配列されている構成とすることができる。
本発明の第3の観点は、被処理基板を一枚ずつ収容する複数の処理室と、前記複数の処理室にそれぞれ複数の処理ガスを順次供給するガス供給ユニットと、前記複数の処理室を排気する排気ユニットとを有するバッチ式の成膜装置において被処理基板上に所定の膜を成膜する成膜方法であって、前記排気ユニットとして、前記複数の処理ガスのそれぞれに対応した複数の排気経路を有するものを用い、前記ガス供給ユニットから前記処理室へ処理ガスを供給する際に、一つの処理ガスについて、各処理室へ時間差をつけて順次供給されるようにし、かつ前記排気ユニットによる排気の際に、各処理室へ供給された処理ガスに対応する排気経路を介して排気されるように排気経路を切り替えることを特徴とする成膜方法を提供する。
上記第3の観点において、少なくとも、一つの処理ガスを供給した後、次の処理ガスを供給する前に、前記ガス供給ユニットから前記複数の処理室にそれらの内部をパージするためのパージガスを供給し、パージガスを供給している間に排気経路を切り替えるようにすることができる。
本発明の第4の観点は、被処理基板を一枚ずつ収容する複数の処理室と、前記複数の処理室にそれぞれ第1の処理ガスおよび第2の処理ガスを交互に供給するガス供給ユニットと、前記複数の処理室を排気する排気ユニットとを有するバッチ式の成膜装置において被処理基板上に所定の膜を成膜する成膜方法であって、前記排気ユニットとして、前記第1の処理ガスおよび前記第2の処理ガスのそれぞれに対応した2つの排気経路を有するものを用い、前記ガス供給ユニットから前記処理室へ前記第1の処理ガスおよび前記第2の処理ガスを供給する際に、一つの処理ガスについて、各処理室へ時間差をつけて順次供給されるようにし、かつ前記排気ユニットによる排気の際に、各処理室へ供給された処理ガスに対応する排気経路を介して排気されるように排気経路を切り替えることを特徴とする成膜方法を提供する。
上記第4の観点において、少なくとも、第1の処理ガスを供給した後、第2の処理ガスを供給する前、および第2の処理ガスを供給した後、第1の処理ガスを供給する前に、前記処理室内をパージするためのパージガスを供給し、パージガスを供給している間に排気経路を切り替えるようにすることができる。
本発明においては、バッチ式ALD成膜処理において、時分割供給方式と、処理ガスにより排気経路を切り替えることの両方を採用することにより、ガス供給量を増大させず、かつ、生産タクトの低下を極力抑制し、処理ガスの利用効率を高め、排気経路における反応生成物の生成を抑制するといった効果を奏する。
本発明の一実施形態に係る成膜装置を示す概略構成図である。 従来の枚葉式ALD成膜装置のガス供給系および排気系を示す模式図である。 従来のバッチ式ALD成膜装置のガス供給系および排気系を示す模式図である。 枚葉式ALD成膜を行う際のバルブの開閉のタイミングと従来のバッチ式ALD成膜を行う際のバルブの開閉タイミングを比較して示すタイミングチャートである。 従来の枚葉式ALD成膜を行う際のバルブの開閉のタイミングと従来のバッチ式ALD成膜装置において時分割処理を行う際のバルブの開閉タイミングを比較して示すタイミングチャートである。 本発明の一実施形態に係る成膜装置のガス供給系および排気系を示す模式図である。 枚葉式ALD成膜を行う際のバルブの開閉のタイミングと本実施形態のバッチ式ALD成膜を行う際のバルブの開閉タイミングを比較して示すタイミングチャートである。 排気ユニットの他の例を示す概略図である。
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る成膜装置を示す概略構成図である。この成膜装置100は、複数の被処理基板に対しALD法により所定の膜を成膜するバッチ式ALD成膜装置として構成されている。被処理基板としては、FPD用ガラス基板あるいは太陽電池用ガラス基板として用いられる大面積の矩形基板が好適であるが、これに限定されるものではない。
成膜装置100は、複数の被処理基板Sに対し、それぞれ独立した処理室で成膜処理を行う処理ユニット1と、処理ユニット1内の各処理室内にガスを供給するためのガス供給ユニット2と、処理ユニット1内の各処理室内を排気する排気ユニット3と、制御部4とを有している。
処理ユニット1は、複数の基板Sを収容するための処理容器11と、処理容器11内で複数の基板それぞれに対応した処理室15を形成する複数の処理部12とを有する。複数の処理部12(処理室15)は、処理容器11内において垂直方向に配列されている。なお、図1においては、処理部12(処理室15)を便宜上4つ描いているが、処理部12(処理室15)の数、すなわち、一度に処理する基板Sの数は、これに限るものではない。
各処理部12は、被処理基板Sを載置するための載置台13と、載置台13の上の被処理基板Sを覆うカバー14とを有しており、載置台13とカバー14に囲まれた部分に処理室15が形成される。載置台13とカバー14の少なくとも一方は上下動可能に構成されており、載置台13とカバー14を離間させた状態で、搬送機構(図示せず)により載置台13に対する被処理基板Sの搬送動作を行うことが可能となっている。搬送機構は、複数の被処理基板Sを一括して搬送するものであっても、一枚ずつ搬送するものであってもよい。また、載置台13とカバー14との間にはシール部材(図示せず)が設けられており、カバー14を閉じた状態で気密な処理室15が形成されるようになっている。また、図示していないが、処理容器11の側壁には、被処理基板Sを搬入および搬出するための搬入出口が設けられており、この搬入出口はゲートバルブで開閉可能となっている。
載置台13内にはヒーター(図示せず)が内蔵されており、成膜処理に際しては、載置台13上の被処理基板Sが成膜に適した所望の処理温度に加熱される。
ガス供給ユニット2は、第1の処理ガスを供給する第1処理ガス供給源21と、第2の処理ガスを供給する第2処理ガス供給源22と、パージガスを供給するパージガス供給源23と、第1処理ガス供給源21から各処理室15内に第1の処理ガスを供給する第1処理ガス供給配管24と、第2処理ガス供給源22から各処理室15内に第2の処理ガスを供給する第2処理ガス供給配管25と、パージガス供給源23から各処理室15内にパージガスを供給するパージガス供給配管26と、第1処理ガス供給配管24に設けられた第1供給バルブ27と、第2処理ガス供給配管25に設けられた第2供給バルブ28と、パージガス供給配管26に設けられた第3供給バルブ29とを有する。第1処理ガス供給配管24は、第1処理ガス供給源21から延びるメイン配管24aと、メイン配管24aから分岐して各処理室15に接続される分岐配管24bとを有し、第2処理ガス供給配管25は、第2処理ガス供給源22から延びるメイン配管25aと、メイン配管25aから分岐して各処理室15に接続される分岐配管25bとを有し、パージガス供給配管26は、パージガス供給源23から延びるメイン配管26aと、メイン配管26aから分岐して各処理室15に接続される分岐配管26bとを有している。第1供給バルブ27、第2供給バルブ28、第3供給バルブ29は、それぞれ分岐配管24b、25b、26bに設けられている。分岐配管24b、25b、26bは、処理室15を構成するカバー14の一方の側壁に接続されている。
ガス供給ユニット2においては、第1供給バルブ27と第2供給バルブ28とを交互に間欠的に開閉することにより、第1の処理ガスと第2の処理ガスを交互に間欠的に各処理室15内に供給可能となっている。このとき、第1の処理ガスおよび第2の処理ガスは常時供給され、第1供給バルブ27と第2供給バルブ28の開閉によりパルス状に処理室15に供給されるが、処理室15へ供給されていない処理ガスは、図示しないバイパス配管により処理室15を介さずに排気系に流され廃棄される。また、成膜処理中には、第3供給バルブ29が常時開かれ、処理室15内にパージガスが常時供給される。各処理室15において、第1供給バルブ27が開かれて第1の処理ガスが供給される期間と、第2供給バルブ28が開かれて第2の処理ガスが供給される期間との間の期間は、第1供給バルブ27および第2供給バルブ28が閉じられて、パージガスのみが供給されて各処理室15内がパージされる。また、第1供給バルブ27または第2供給バルブ28が開かれて第1の処理ガスまたは第2の処理ガスが供給される際には、パージガスは、これら処理ガスのキャリアガスとしての役割も有する。なお、図示していないが、第1処理ガス供給配管24、第2処理ガス供給配管25、およびパージガス供給配管26には、流量制御器(図示せず)が設けられている。
排気ユニット3は、各処理室15に接続された複数の排気配管31と、複数の排気配管31からそれぞれ分岐した第1分岐配管32および第2分岐配管33と、第1分岐配管32および第2分岐配管33にそれぞれ設けられた第1排気バルブ34および第2排気バルブ35と、複数の第1分岐配管32に接続された第1共通排気配管36と、複数の第2分岐配管33に接続された第2共通排気配管37と、第1共通排気配管36および第2共通排気配管37にそれぞれ設けられた第1真空ポンプ38および第2真空ポンプ39と、第1共通排気配管36および第2共通排気配管37の第1真空ポンプ38および第2真空ポンプ39の下流側にそれぞれ設けられた第1排ガス処理設備40および第2排ガス処理設備41とを有している。各排気配管31には、自動圧力制御バルブ(APC)42が設けられている。排気配管31は、処理室15を構成するカバー14の、分岐配管24b,25b,26bが接続された側壁とは反対側の側壁に接続されている。
第1分岐配管32および第1共通排気配管36は、第1処理ガスの排気経路を構成し、第2分岐配管33および第2共通排気配管37は、第2処理ガスの排気経路を構成する。
第1排ガス処理設備40および第2排ガス処理設備41は、排ガス中の有害成分を無害化するための処理を施すものであり、加熱触媒式、燃焼式、吸着式、プラズマ反応式等、従来公知の方式のものを採用することができる。排気配管31の周囲にはヒーター(図示せず)が設けられており、これにより、排気配管31を加熱して不要な堆積物の生成を抑制する。なお、第1および第2分岐配管32、33および第1および第2共通排気配管36、37にヒーターを設けてもよい。
第1真空ポンプ38および第2真空ポンプ39は、メカニカルブースターポンプやターボポンプ等の高真空排気が可能な前段真空ポンプと、前段真空ポンプの背圧を所定の真空度にするためのドライポンプ等の粗引きポンプからなる後段真空ポンプを有するものを好適に用いることができる。
第1排気バルブ34および第2排気バルブ35は、排気経路を切り替える排気経路切替部として機能し、第1排気バルブ34および第2排気バルブ35の一方を開いて他方を閉じることにより、第1分岐配管32および第2分岐配管33のいずれかに選択的に排ガスを流すことができるようになっている。詳細には、第1排気バルブ34を開いて第2排気バルブ35を閉じた場合には、排気経路として第1分岐配管32および第1共通排気配管36が選択され、第1真空ポンプ38によりこれらを経て排気され、第2排気バルブ35を開いて第1排気バルブ34を閉じた場合には、排気経路として第2分岐配管33および第2共通排気配管37が選択され、第2真空ポンプ39によりこれらを経て排気される。なお、パージガスを排気する際には、それぞれの処理ガスが処理室15および排気配管31から十分に除去された後であれば、第1排気バルブ34および第2排気バルブ35の両方を開いて両方の排気経路を介して排気することも可能である。
制御部4は、バルブ、真空ポンプ、ヒーター等、成膜装置100の各構成部を制御するためのものであり、マイクロプロセッサ(コンピュータ)を有している。制御部4は、成膜装置100で所定の処理を実行するためのプログラムである処理レシピをその中の記憶媒体に格納しており、任意の処理レシピを呼び出して、成膜装置100に所定の処理を実行させる。
特に、制御部4は、ALD法による成膜に際し、各処理室15に対応する第1供給バルブ27と第2供給バルブ28とを交互に間欠的に開放して、第1の処理ガスと第2の処理ガスとを順次交互に各処理室15内に供給するように制御する。この際の繰り返し数は、成膜する材料および膜厚等により任意であるが、通常数百サイクルまたはそれ以上である。このとき、各処理室15へ第1の処理ガスおよび第2の処理ガスを供給する際に、一つの処理ガスについて、各処理室15へ時間差をつけて順次供給されるように、複数の第1供給バルブ27および第2供給バルブ28の開閉タイミングを制御する(以下、時分割供給方式と称す)。また、成膜期間は第3供給バルブ29を常時開放して、パージガスが常時流れるように制御する。したがって、第1供給バルブ27を開放している期間と第2供給バルブ28を開放している期間の間の期間は、第1供給バルブ27および第2供給バルブ28が閉じられてパージガスだけが流れ、処理室15内がパージされる。
また、制御部4は、各処理室15において、ガス供給ユニット2から供給する処理ガスに応じて排気経路を切り替えるように、第1排気バルブ34および第2排気バルブ35の開閉を制御し、排気経路の切替制御を行う。すなわち、制御部4は、各処理室15において、第1供給バルブ27を開いて第1の処理ガスを供給している際には、第1排気バルブ34を開くとともに第2排気バルブ35を閉じて排ガスが第1分岐配管32側に流れるように制御し、第2供給バルブ28を開いて第2の処理ガスを供給している際には、第1排気バルブ34を閉じるとともに第2排気バルブ35を開いて排ガスが第2分岐配管33側に流れるように制御する。すなわち、第1供給バルブ27および第2供給バルブ28の開閉動作に連動させて、排気経路切替部として機能する第1排気バルブ34および第2排気バルブ35の開閉を制御する。なお、排気経路を第1分岐配管32と第2分岐配管33との間で切り替えるタイミングは、処理室15内をパージしている期間とすることが好ましい。
次に、このように構成される成膜装置の動作について説明する。
まず、複数の被処理基板Sを処理容器11内に搬入し、各処理部12の載置台13の上に載置し、パージガス供給源23からパージガスを供給するとともに、排気ユニット3により各処理室15内を排気して、各処理室15内を所定の圧力に調整し、ALD成膜を開始する。
本実施形態のALD成膜においては、各処理室15に対応する第1供給バルブ27と第2供給バルブ28とを交互に間欠的に開放して、各処理室15内に第1の処理ガスを供給する工程と、第2の処理ガスを供給する工程とを交互に間欠的に行い、成膜期間においては、第3供給バルブ29を常時開放して、パージガスが常時流れるようにし、第1供給バルブ27を開放している期間と第2供給バルブ28を開放している期間の間の期間に処理室15内をパージするパージ工程を実施する。一方、各処理室15の排気は、第1供給バルブ27を開いて第1の処理ガスを供給している際には、第1排気バルブ34を開くとともに第2排気バルブ35を閉じて排ガスが第1分岐配管32側に流れるようにし、第2供給バルブ28を開いて第2の処理ガスを供給している際には、第1排気バルブ34を閉じるとともに第2排気バルブ35を開いて排ガスが第2分岐配管33側に流れるようにする。
このようなALD成膜は、例えば、第1の処理ガスとしてトリメチルアルミニウム(TMA)、第2の処理ガスとしてHOのような酸化剤、パージガスとしてNなどの不活性ガスを用い、被処理基板S上に、第1の処理ガスを供給する工程によりTMAを吸着させ、パージ工程を実施した後、第2の処理ガスを供給する工程によりHOを吸着させ、これらの反応により一原子層(またはそれに近い厚さの層)のアルミナ(Al)単位膜を成膜し、次いでパージ工程を実施するというサイクルを所定回数実施し、所定の膜厚のアルミナ膜を成膜するものを挙げることができる。
このとき、本実施形態では、以下に説明するように、バッチ式のALD成膜処理に際して、時分割供給方式と、排気経路の切り替えとを行う。これにより、従来のバッチ式ALD成膜装置では得られない大きな効果を得ることができる。
その点を詳細に説明するため、まず、従来の枚葉式ALD成膜および従来のバッチ式成膜について説明する。
図2は従来の枚葉式ALD成膜装置のガス供給系および排気系を示す模式図、図3は従来のバッチ式ALD成膜装置のガス供給系および排気系を示す模式図、図4は枚葉式ALD成膜を行う際のバルブの開閉のタイミングと従来のバッチ式ALD成膜を行う際のバルブの開閉タイミングを比較して示すタイミングチャート、図5は従来の枚葉式ALD成膜を行う際のバルブの開閉のタイミングと従来のバッチ式ALD成膜装置において時分割処理を行う際のバルブの開閉タイミングを比較して示すタイミングチャートである。なお、便宜上、図2および図3では、パージガスの供給系および自動圧力制御バルブ(APC)を省略しており、また、図3のバッチ式の成膜装置では、処理室を4つ有する場合について示し、複数の処理室、ガス供給弁、排気弁等に異なる符号を付している。また、図4、図5のタイミングチャートでは、ALD成膜の3サイクル分を示している。
図2に示すように、従来の枚葉式ALD成膜装置は、単一の処理室15に対して第1処理ガス供給源21および第2処理ガス供給源22から、それぞれ第1処理ガス供給配管24および第2処理ガス供給配管25を介して、第1の処理ガスおよび第2の処理ガスが処理室15に供給される。このとき、第1供給バルブ27と第2供給バルブ28とを交互に間欠的に開閉することにより、第1の処理ガスと第2の処理ガスとが交互に間欠的に処理室15内に供給される。処理室15内の排ガスは、真空ポンプ53により排気配管51を介して排気され、排ガスは排ガス処理設備54により処理される。排気配管51には排気バルブ52が設けられており、成膜処理中は開放される。
この従来の枚葉式ALD成膜装置では、図4(a)に示すように、ALD成膜の期間中、常時パージガスを処理室15に供給しつつ、第1供給バルブ27と第2供給バルブ28とを交互に間欠的に開閉する。これにより、第1の処理ガスを供給する工程(S1)と、第2の処理ガスを供給する工程(S2)が交互に間欠的に実施され、これらの間の第1供給バルブ27および第2供給バルブ28が閉じられている期間は、パージガスのみが供給され、処理室15内をパージする第1パージ工程(S3)、第2パージ工程(S4)が実施される。そして、所望の膜厚が得られるまで、第1処理ガスおよび第2処理ガスの交互供給を例えば数百サイクル以上繰り返す。
一方、図3に示す従来のバッチ式ALD成膜装置は、第1処理室15−1、第2処理室15−2、第3処理室15−3、第4処理室15−4の4つの処理室を有し、各処理室に対して第1処理ガス供給源21および第2処理ガス供給源22から、それぞれ第1処理ガス供給配管24および第2処理ガス供給配管25を介して、第1の処理ガスおよび第2の処理ガスが供給される。第1処理ガス供給配管24は、第1処理ガス供給源21から延びるメイン配管24aと、メイン配管24aから分岐して第1処理室15−1〜第4処理室15−4に接続される分岐配管24b−1、24b−2、24b−3、24b−4とを有し、第2処理ガス供給配管25は、第2処理ガス供給源22から延びるメイン配管25aと、メイン配管25aから分岐して第1処理室15−1〜第4処理室15−4に接続される分岐配管25b−1、25b−2、25b−3、25b−4とを有する。このとき、第1処理室15−1〜第4処理室15−4に対応した分岐配管24b−1〜24b−4には、それぞれ第1供給バルブ27−1、27−2、27−3、27−4が設けられ、第1処理室15−1〜第4処理室15−4に対応した分岐配管25b−1〜25b−4には、それぞれ第2供給バルブ28−1、28−2、28−3、28−4が設けられており、第1供給バルブ27−1、27−2、27−3、27−4および第2供給バルブ28−1、28−2、28−3、28−4を、同期して交互に間欠的に開閉することにより、第1の処理ガスと第2の処理ガスとが交互に間欠的に第1処理室15−1〜第4処理室15−4内に供給される。第1処理室15−1〜第4処理室15−4にはそれぞれ排気配管51−1〜51−4が接続され、これら排気配管51−1〜51−4には共通排気配管55が接続されていて、共通排気配管55に接続された真空ポンプ53により、各処理室が排気配管51−1〜51−4および共通排気配管55を介して排気され、排ガスは排ガス処理設備54により処理される。排気配管51−1〜51−4には、それぞれ排気バルブ52−1〜52−4が設けられており、成膜処理中は開放される。
この従来のバッチ式ALD成膜装置では、図4(b)に示すように、ALD成膜の期間中、第1供給バルブ27−1、27−2、27−3、27−4と、第2供給バルブ28−1、28−2、28−3、28−4とを、同期して交互に間欠的に開閉する。また、ALD成膜の期間中、パージガスを常時供給する。これにより、第1処理室15−1〜第4処理室15−4内に第1の処理ガスを供給する工程(S1)と、第2の処理ガスを供給する工程(S2)が交互に間欠的に実施され、これらの間の第1供給バルブ27および第2供給バルブ28が閉じられている期間は、パージガスのみが供給され、処理室15内をパージする第1パージ工程(S3)、第2パージ工程(S4)が実施される。また、成膜処理中には排気バルブ52−1〜52−4が開放されており、第1処理室15−1〜第4処理室15−4内は、排気配管51−1〜51−4および共通排気配管55を介して排気される。
このとき、処理ガスの必要供給量は、枚葉式の成膜装置に比べて処理室の数の分だけ増加する。また、近時、基板の大型化および一度に処理する基板の枚数の増加の傾向があり、それによって一回に供給する処理ガスの必要量が著しく増大する。これに対応して、図4(b)の例では、処理ガスの供給時間を延ばすことにより、必要なガス供給量を確保している。しかし、図4(a)、(b)から明らかなように、第1の処理ガスおよび第2の処理ガスの供給時間を延ばすと、その分だけ生産タクト(スループット)が悪化してしまう。しかもこの生産タクトの悪化はALDのサイクル数だけ累積される。
生産タクトの悪化を抑制するためには、原料ガス供給能力を増大させることが必要であるが、その場合には、ガス供給ユニットを大型化するために装置コストが上昇するとともに、以下に説明するように、処理ガスの利用効率が低下してしまう。
ALD成膜の際には、処理室に第1の処理ガスおよび第2の処理ガスが交互にパルス状に供給されるが、処理ガスが処理室に供給されて成膜に利用される時間帯(パルスON)と、処理室や排気経路のパージなどのために処理ガスが処理室に供給されることなく成膜に利用されない時間帯(パルスOFF)がある。一方、処理ガスの供給方式は、成膜原料の種類等によって種々のものがあり、例えば、気体原料をそのままマスフローコントローラ(MFC)で流量制御して処理ガスを供給する方式、液体原料に不活性ガスを通し、加圧して処理ガスを供給するバブリング方式、オゾナイザのようにプラズマ機構により原料ガスを活性させて処理ガスとして供給する方式等があるが、いずれの方式の場合にも安定したガス供給量、濃度を維持するためには、ALD処理の実行時にガス供給ユニットから処理ガスを常時供給する必要があり、成膜に利用しない時間帯(パルスOFF)は、処理ガスは処理室を経由させずに廃棄せざるを得ない。この廃棄量は処理ガス供給量が多いほど多くなり、原料ガス供給能力を増大させると処理ガスの利用効率が低下してしまう。
従来のバッチ式ALD成膜装置において、処理ガスの供給能力を従来の枚葉式ALD成膜装置と同等にするためには、第1処理室15−1〜第4処理室15−4へ第1の処理ガスおよび第2の処理ガスを供給する際に、処理室ごとに第1の処理ガスおよび第2の処理ガスの供給タイミングをずらす時分割供給方式が有効である。すなわち、図5(b)に示すように、最初に、第1供給バルブ27−1、27−2、27−3、27−4を順次開いて、第1の処理ガスを供給する工程(S1)を第1処理室15−1〜第4処理室15−4に対して時間差をつけて順次行い、次いで、第2供給バルブ28−1、28−2、28−3、28−4を順次開いて、第2の処理ガスを供給する工程(S2)を第1処理室15−1〜第4処理室15−4に対して時間差をつけて順次行い、これらを交互に繰り返す。
しかし、従来のバッチ式ALD成膜装置により時分割供給方式を行う場合には、図5(b)に示すように、各処理室に対する一回の処理ガス供給の際には、各処理室に対してそれぞれ時間差を設けてその処理ガスを供給し、全ての処理室にその処理ガスを供給し終えるまで次の処理ガスを供給することができず、かつ、第1の処理ガスの時分割供給と第2の処理ガスの時分割供給との間は一定の時間を空ける必要があるため、生産タクトは著しく悪化し、この生産タクトの悪化はALDのサイクル数だけ累積される。そして、図4(b)と図5(b)とを比較しても明らかなように、この際の生産タクトの悪化は、従来のバッチ式ALD成膜装置で時分割供給方式を行わない場合よりも顕著である。また、このように生産タクトが悪化することにより、処理ガスの廃棄量も多くなる。
このように、一回の処理ガス供給の際に全ての処理室へのその処理ガスの供給が終わるまで次の処理ガスを供給せず、また、第1の処理ガスの時分割供給と第2の処理ガスの時分割供給との間に一定の時間を設けるのは、排気経路において第1の処理ガスと第2の処理ガスとが混合することにより反応生成物が生成することを極力防止するためである。
しかし、従来のバッチ式ALD成膜装置は、排気経路が一つであるため、このような回避策を講じても、一方の処理ガスが残留した状態で他方の処理ガスが供給されて両者が混合されることは避けられず、処理ガスの供給方式にかかわらず、反応生成物は不可避的に発生する。排気経路における反応生成物は、処理ガスの供給量の増加にともなって増加し、それが紛体化して排気配管を閉塞したり、バルブやポンプに悪影響を与えたりして、メンテナンス周期が悪化する。また、バルブやポンプの短命化につながる。
そこで、本実施形態では、バッチ式ALD成膜装置において、時間あたりの処理ガスの必要供給量を枚葉式ALD成膜装置と同等とし、生産タクトや処理ガスの利用効率を極力低下させず、排気経路における反応生成物の生成を抑制して、バッチ式のALD成膜を行えるようにした。
以下、図6および図7を参照して、従来の枚葉式ALD成膜装置および従来のバッチ式ALD成膜装置における成膜処理と比較しつつ本実施形態の成膜装置による成膜処理について詳細に説明する。
図6は本実施形態に係る成膜装置のガス供給系および排気系を示す模式図、図7は枚葉式ALD成膜を行う際のバルブの開閉のタイミングと本実施形態のバッチ式ALD成膜を行う際のバルブの開閉タイミングを比較して示すタイミングチャートである。なお、便宜上、図6では、パージガスの供給系および自動圧力制御バルブ(APC)を省略しており、また、処理室を4つ有する場合について示し、複数の処理室、ガス供給弁、排気弁等に異なる符号を付している。その他は図1と同様の符号を付している。また、図7のタイミングチャートでは、図4、図5と同様、ALD成膜の3サイクル分を示している。
図6に示すように、本実施形態の成膜装置は、排気経路が2つある点について、図3の従来のバッチ式ALD成膜装置と異なっている。すなわち、ガス供給系は図3と同様であるが、第1処理室15−1〜第4処理室15−4に接続された排気配管31−1、31−2、31−3、31−4が、第1分岐配管32−1、32−2、32−3、32−4および第2分岐配管33−1、33−2、33−3、33−4に分岐しており、第1分岐配管32−1〜32−4には、それぞれ第1排気バルブ34−1、34−2、34−3、34−4が設けられ、第2分岐配管33−1〜33−4には、それぞれ第2排気バルブ35−1、35−2、35−3、35−4が設けられている。
本実施形態の成膜装置では、図7(b)に示すように、最初に、第1供給バルブ27−1、27−2、27−3、27−4を順次開いて、第1の処理ガスを供給する工程(S1)を第1処理室15−1〜第4処理室15−4に対して時間差をつけて順次行い、次いで、第2供給バルブ28−1、28−2、28−3、28−4を順次開いて、第2の処理ガスを供給する工程(S2)を第1処理室15−1〜第4処理室15−4に対して時間差をつけて順次行い、これらを交互に繰り返す時分割供給方式を採用する。これらの工程の間の期間は、パージガスのみが供給され、処理室がパージされるパージ工程(S3、S4)である。そして、第1処理室15−1〜第4処理室15−4の排気は、第1供給バルブ27−1〜27−4を開いて第1の処理ガスを供給している際には、第1排気バルブ34−1〜34−4を開くとともに第2排気バルブ35−1〜35−4を閉じて排ガスが第1分岐配管32−1〜32−4側(一方の排気経路側)に流れるようにし、第2供給バルブ28−1〜28−4を開いて第2の処理ガスを供給している際には、第1排気バルブ34−1〜34−4を閉じるとともに第2排気バルブ35−1〜35−4を開いて排ガスが第2分岐配管33−1〜33−4側(他方の排気経路側)に流れるようにする。この排気経路の切替は、パージ工程(S3、S4)の途中に実施される。
このように、各処理室に対して2つの排気経路を設けたことにより、一方の排気経路を第1の処理ガスの排気用とし、他方の排気経路を第2の処理ガスの排気用とすることができ、排気経路において第1の処理ガスと第2の処理ガスとが混合することを極力抑制することができるため、各処理室への処理ガス供給および排気動作は他の処理室とは無関係に行うことができる。このため、時分割供給方式において、例えば第1の処理ガスを供給してから第2の処理ガスを供給する際に、従来のバッチ式ALD成膜装置のように、全ての処理室に第1の処理ガスを供給し終えるまで第2の処理ガスを供給することができないというようなことがなく、複数の処理室において、両処理ガスの供給時間が重なっても構わない。また、第1の処理ガスの時分割供給と第2の処理ガスの時分割供給との間に一定の時間を設ける必要もない。また、時分割供給方式であることから、処理ガスの供給能力は枚葉式ALD成膜装置と同等でよい。
したがって、図7(b)に示すように、各処理室において、図7(a)の枚葉式ALD成膜処理と同様のタイミングで第1の処理ガスおよび第2の処理ガスを供給することができ、枚葉式に対する生産タクトの悪化も、初期の時分割にともなう時間だけであり、累積されないため、図4(b)や図5(b)に比べて生産タクトの悪化を大幅に抑制することができる。また、図4(b)や図5(b)に比べて、時間当たりのパルスONの回数が増加し、パルスOFFの時間が減少し、しかも処理ガスの供給量は枚葉式成膜装置と同様であることから、処理ガスの廃棄量が減少し、処理ガスの利用効率を高めることができる。さらに、処理室に供給される処理ガスに対応して異なる排気経路を用いて分流するようにしたので、排気経路で2つの処理ガスが混合して反応生成物を生成することを効果的に抑制することができ、排気経路のメンテナンス周期が悪化することを防止することができる。
なお、ALD成膜の開始前、終了後は、第1排気バルブ34−1〜34−4(図1では第1排気バルブ34)および第2排気バルブ35−1〜35−4(図1では第2排気バルブ35)の両方を開放して、両方の排気経路から排気し、より高い排気能力を得るようにしてもよい。また、ALD成膜中であっても、パージ工程(S3、S4)の際に、排気量を多くする必要がある場合等には、それぞれの処理ガスが処理室15−1〜15−4(図1では処理室15)および排気配管31−1〜31−4(図1では排気配管31)から十分に除去された後であれば、これら工程の途中で第1排気バルブ34−1〜34−4および第2排気バルブ35−1〜35−4の両方を開放して、両方の排気経路から排気するようにしてもよい。また、排気経路の分流効果をより高め、第1の処理ガスと第2の処理ガスの混合防止効果を高いものにするために、排気に用いていない排気経路にNガス等の不活性ガスを供給してその中の圧力を相対的に高めるようにしてもよい。さらに、第1排気バルブ34−1〜34−4および第2排気バルブ35−1〜35−4としては、開閉動作機構やシール性に対する耐久性の観点から、Oリングなどのシール材を使用しないコンダクタンス可変バルブを使用してもよい。このようなシール材を使用しないバルブであっても、大部分の排ガス(処理ガス)は意図する排気経路に流れるため、所期の効果は得られる。
以上のように、本実施形態は、バッチ式ALD成膜処理において、時分割供給方式と、処理ガスにより排気経路を切り替えることの両方を採用することにより、ガス供給量を増大させず、かつ、生産タクトの低下を極力抑制し、処理ガスの利用効率を高め、排気経路における反応生成物の生成を抑制するといった顕著な効果を奏するものである。
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されることなく種々変形可能である。例えば、上記実施の形態においては、排気流路を切り替える排気流路切替部として、2つの分岐配管にそれぞれ設けられた排気バルブを用い、これらの開閉により排気流路を切り替える例を示したが、これに限らず、図8に示すように、各処理室の排気流路切替部として第1分岐配管32と第2分岐配管33との分岐部に単一の切替バルブ(三方バルブ)45を設けてもよい。これによりバルブの数をより少なくすることができる。
また、上記実施の形態では、2つの処理ガスを交互に供給する場合について示したが、供給する処理ガスの数は限定されず、複数の処理ガスを時分割供給する場合に適用可能であり、処理ガスの数だけ分岐配管を設けて処理ガスに応じて排気流路を切り替えるようにすればよい。
さらにまた、被処理基板としては、FPD用の基板や半導体ウエハ等、ALD成膜が行われるものであれば特に限定されない。
1;処理ユニット
2;ガス供給ユニット
3;排気ユニット
4;制御部
11;処理容器
12;処理部
13;載置台
14;カバー
15,15−1,15−2,15−3,15−4;処理室
21;第1処理ガス供給源
22;第2処理ガス供給源
23;パージガス供給源
24;第1処理ガス供給配管
25;第2処理ガス供給配管
26;パージガス供給配管
27,27−1,27−2.27−3,27−4;第1供給バルブ
28,28−1,28−2,28−3,28−4;第2供給バルブ
29;第3供給バルブ
31,31−1,31−2,31−3,31−4;排気配管
32,32−1,32−2,32−3,32−4;第1分岐配管
33,33−1,33−2,33−3,33−4;第2分岐配管
34,34−1,34−2,34−3,34−4;第1排気バルブ
35,35−1,35−2,35−3,35−4;第2排気バルブ
36;第1共通排気配管
37;第2共通排気配管
38;第1真空ポンプ
39;第2真空ポンプ
40;第1排ガス処理設備
41;第2排ガス処理設備
42;自動圧力制御バルブ
45;切替バルブ
100;成膜装置
S;被処理基板

Claims (12)

  1. 複数の処理ガスを順次切り替えて供給して複数の被処理基板上に所定の膜を成膜するバッチ式の成膜装置であって、
    被処理基板を一枚ずつ収容する複数の処理室と、
    前記複数の処理室にそれぞれ複数の処理ガスを順次供給するガス供給ユニットと、
    前記複数の処理室を排気する排気ユニットと、
    前記複数の処理室に対する処理ガスの供給および排気を制御する制御部と
    を具備し、
    前記排気ユニットは、前記複数の処理ガスのそれぞれに対応した複数の排気経路と、前記排気経路を切り替える排気経路切替部とを有し、
    前記制御部は、前記ガス供給ユニットから前記処理室へ処理ガスを供給する際に、一つの処理ガスについて、各処理室へ時間差をつけて順次供給されるように前記ガス供給ユニットを制御し、かつ前記排気ユニットによる排気の際に、各処理室へ供給された処理ガスに対応する排気経路を介して排気されるように前記排気経路切替部を制御することを特徴とする成膜装置。
  2. 前記ガス供給ユニットは、少なくとも、一つの処理ガスを供給した後、次の処理ガスを供給する前に、前記複数の処理室にそれらの内部をパージするためのパージガスを供給し、
    前記制御部は、パージガスを供給している間に排気経路を切り替えるように前記排気経路切替部を制御することを特徴とする請求項1に記載の成膜装置。
  3. 第1の処理ガスおよび第2の処理ガスを交互に切り替えて供給して複数の被処理基板上に所定の膜を成膜するバッチ式の成膜装置であって、
    被処理基板を一枚ずつ収容する複数の処理室と、
    前記複数の処理室にそれぞれ第1の処理ガスおよび第2の処理ガスを交互に供給するガス供給ユニットと、
    前記複数の処理室を排気する排気ユニットと、
    前記複数の処理室に対する処理ガスの供給および排気を制御する制御部と
    を具備し、
    前記排気ユニットは、前記第1の処理ガスおよび前記第2の処理ガスのそれぞれに対応した2つの排気経路と、前記2つの排気経路を切り替える排気経路切替部とを有し、
    前記制御部は、前記ガス供給ユニットから前記処理室へ前記第1の処理ガスおよび前記第2の処理ガスを供給する際に、一つの処理ガスについて、各処理室へ時間差をつけて順次供給されるように前記ガス供給ユニットを制御し、かつ前記排気ユニットによる排気の際に、各処理室へ供給された処理ガスに対応する排気経路を介して排気されるように前記排気経路切替部を制御することを特徴とする成膜装置。
  4. 前記ガス供給ユニットは、少なくとも、第1の処理ガスを供給した後、第2の処理ガスを供給する前、および第2の処理ガスを供給した後、第1の処理ガスを供給する前に、前記処理室内をパージするためのパージガスを供給し、
    前記制御部は、パージガスを供給している間に排気経路を切り替えるように前記排気経路切替部を制御することを特徴とする請求項3に記載の成膜装置。
  5. 前記ガス供給ユニットは、前記第1の処理ガスを前記複数の処理室へ供給する第1処理ガス供給配管と、前記第2の処理ガスを前記複数の処理室へ供給する第2処理ガス供給配管と、前記第1処理ガス供給配管に設けられた第1供給バルブと、前記第2処理ガス供給配管に設けられた第2供給バルブとを有し、
    前記制御部は、前記第1供給バルブおよび前記第2供給バルブの開閉動作に連動させて、前記排気経路切替部による排気経路の切り替えを制御することを特徴とする請求項3または請求項4に記載の成膜装置。
  6. 前記排気経路切替部は、前記2つの排気経路にそれぞれ設けられた、開閉可能な排気制御バルブを有することを特徴とする請求項3から請求項5のいずれか1項に記載の成膜装置。
  7. 前記排気経路切替部は、前記2つの排気経路の分岐部に設けられた切替バルブを有することを特徴とする請求項3から請求項5のいずれか1項に記載の成膜装置。
  8. 前記各処理室は、被処理基板を載置するための載置台と、前記載置台の上の被処理基板を覆うカバーとに囲まれた領域に形成され、前記複数の処理室は、処理容器内に垂直方向に配列されていることを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の成膜装置。
  9. 被処理基板を一枚ずつ収容する複数の処理室と、前記複数の処理室にそれぞれ複数の処理ガスを順次供給するガス供給ユニットと、前記複数の処理室を排気する排気ユニットとを有するバッチ式の成膜装置において被処理基板上に所定の膜を成膜する成膜方法であって、
    前記排気ユニットとして、前記複数の処理ガスのそれぞれに対応した複数の排気経路を有するものを用い、
    前記ガス供給ユニットから前記処理室へ処理ガスを供給する際に、一つの処理ガスについて、各処理室へ時間差をつけて順次供給されるようにし、
    かつ前記排気ユニットによる排気の際に、各処理室へ供給された処理ガスに対応する排気経路を介して排気されるように排気経路を切り替えることを特徴とする成膜方法。
  10. 少なくとも、一つの処理ガスを供給した後、次の処理ガスを供給する前に、前記ガス供給ユニットから前記複数の処理室にそれらの内部をパージするためのパージガスを供給し、パージガスを供給している間に排気経路を切り替えることを特徴とする請求項9に記載の成膜方法。
  11. 被処理基板を一枚ずつ収容する複数の処理室と、前記複数の処理室にそれぞれ第1の処理ガスおよび第2の処理ガスを交互に供給するガス供給ユニットと、前記複数の処理室を排気する排気ユニットとを有するバッチ式の成膜装置において被処理基板上に所定の膜を成膜する成膜方法であって、
    前記排気ユニットとして、前記第1の処理ガスおよび前記第2の処理ガスのそれぞれに対応した2つの排気経路を有するものを用い、
    前記ガス供給ユニットから前記処理室へ前記第1の処理ガスおよび前記第2の処理ガスを供給する際に、一つの処理ガスについて、各処理室へ時間差をつけて順次供給されるようにし、
    かつ前記排気ユニットによる排気の際に、各処理室へ供給された処理ガスに対応する排気経路を介して排気されるように排気経路を切り替えることを特徴とする成膜方法。
  12. 少なくとも、第1の処理ガスを供給した後、第2の処理ガスを供給する前、および第2の処理ガスを供給した後、第1の処理ガスを供給する前に、前記処理室内をパージするためのパージガスを供給し、パージガスを供給している間に排気経路を切り替えることを特徴とする請求項11に記載の成膜方法。
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