JP2020199451A

JP2020199451A - 成膜装置及び成膜方法

Info

Publication number: JP2020199451A
Application number: JP2019107697A
Authority: JP
Inventors: 晃平山本; Kohei Yamamoto; 僚也北沢; Ryoya KITAZAWA; 拓司山本; Takuji Yamamoto
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2019-06-10
Filing date: 2019-06-10
Publication date: 2020-12-17

Abstract

【課題】極めて速い成膜レートでの成膜が可能な成膜装置を提供する。【解決手段】被成膜物Ｓｗに対して所定の薄膜を成膜する成膜装置ＣＭは、被成膜物が設置される、真空排気手段Ｐを備える第１チャンバ１と、成膜材料Ｐｍを溶解させた超臨界流体Ｓｆを格納する第２チャンバ２と、第１チャンバと第２チャンバとを連通する連通手段３とを備え、真空排気手段により第１チャンバ内を大気圧より低い圧力に減圧し、第１チャンバと第２チャンバとの圧力差によって、第１チャンバ内の被成膜物に向けて、成膜材料を溶解させた超臨界流体が供給されるように構成した。【選択図】図１

Description

本発明は、被成膜物に対して所定の薄膜を成膜する成膜装置及び成膜方法に関し、より詳しくは、超臨界流体を利用して、例えば有機ＥＬ素子の製造に利用される有機膜といった高分子膜を乾式で成膜するものに関する。

上記種の成膜装置は例えば特許文献１で知られている。このものは、ガラス基板などの被成膜物が設置される、真空排気手段を備える第１チャンバと、成膜材料を溶解させた二酸化炭素の超臨界流体を格納する第２チャンバと、第１チャンバと第２チャンバとを連通する連通手段とを備える。そして、第１チャンバ内を超臨界圧力以上の圧力にし、第１チャンバ内に高分子膜を構成するモノマー材料を溶解させた超臨界流体を第２チャンバから導入し、被成膜物表面にてモノマー材料を重合反応させて高分子材料を合成することで、被成膜物に高分子膜が成膜される。

然しながら、上記従来例のものでは、被成膜物に対して成膜するときの成膜レート（成膜速度）が、被成膜物表面にて重合反応させるときの重合反応速度に依存する。このため、成膜レートを効果的に高めることができず、これでは、量産性に不向きであるという問題がある。

特開２０１４−３３０５６号公報

本発明は、以上の点に鑑み、速い成膜レートでの成膜が可能な成膜装置及び成膜方法を提供することをその課題とするものである。

上記課題を解決するために、被成膜物に対して所定の薄膜を成膜する本発明の成膜装置は、被成膜物が設置される、真空排気手段を備える第１チャンバと、成膜材料を溶解させた超臨界流体を格納する第２チャンバと、第１チャンバと第２チャンバとを連通する連通手段とを備え、真空排気手段により第１チャンバ内を大気圧より低い圧力に減圧し、第１チャンバと第２チャンバとの圧力差によって、第１チャンバ内の被成膜物に向けて、成膜材料を溶解させた超臨界流体が供給されるように構成したことを特徴とする。

また、上記課題を解決するために、被成膜物に対して所定の薄膜を成膜する本発明の成膜方法は、被成膜物を設置した第１チャンバ内を大気圧より低い圧力に減圧する工程と、成膜材料を設置した第２チャンバ内に超臨界流体を供給し、この成膜材料を溶解させた超臨界流体を生成する工程と、第１チャンバと第２チャンバとを連通して、第１チャンバと第２チャンバとの圧力差によって第１チャンバ内の被成膜物に向けて、成膜材料を溶解させた超臨界流体を供給する工程とを含むことを特徴とする。

以上によれば、第１チャンバ内を大気圧より低い圧力（例えば、１００Ｐａ〜１×１０^−６Ｐａ）まで減圧した後、第１チャンバと第２チャンバとを連通させると、第１チャンバ内と第２チャンバ内との圧力差によって成膜材料を溶解させた超臨界流体が第１チャンバ内に導入されて、第１チャンバ内の被成膜物に向けて超臨界流体が供給される。このとき、第１チャンバ内に導入された超臨界流体の圧力が急激に低下し、超臨界流体が気化する一方で、超臨界流体に溶解している成膜材料が析出（または結晶化）し、この析出した成膜材料が被成膜物の表面に付着、堆積する。また、成膜材料が超臨界流体に溶解した状態で被成膜物の表面まで輸送（供給）され、輸送された分子レベルサイズ（数ｎｍ〜数μｍ）の成膜材料が被成膜物の表面に堆積する場合もある。このように被成膜物表面に成膜材料が堆積することで、被成膜物表面にて重合反応させて成膜する上記従来例のものと比較して、速い成膜レートで成膜することができる。この場合、成膜レートは、第１チャンバ内の圧力と超臨界流体の圧力との圧力差で調整でき、例えば、第１チャンバ内の圧力が低い程、成膜レートを高めることができる。ここで、超臨界流体は、比較的低温（例えば二酸化炭素の超臨界流体の場合は約４０℃〜５０℃）にて成膜材料（例えば、オリゴマー材料やポリマー材料）を溶解できるため、熱的安定性の低い成膜材料を成膜する場合でも、熱分解や熱変性によって成膜材料が劣化するのを抑制することができる。しかも、超臨界流体は、成膜材料を一律に溶解するため、成膜材料ごとに成膜設備や成膜条件を変更する必要がなく、また、複数の成膜材料を同時に成膜できる点で、有利である。

本発明において、前記第１チャンバの圧力を調整する圧力調整手段を更に備えることが好ましい。これによれば、圧力調整手段により前記第１チャンバ内の圧力を調整することで成膜レートを容易に制御することができるため有利であり、また、本発明においては、前記連通手段は供給管で構成され、真空チャンバ内に突出する供給管の一端に、成膜材料を溶解させた超臨界流体を噴射する噴射ノズルが設けられ、噴射ノズルに対して被成膜物を相対移動させる移動手段が設けられることが好ましい。これによれば、比較的大面積の基板に対して成膜するような場合でも、移動手段により被成膜物を噴射ノズルに対して相対移動させることで、被成膜物の全面に亘って成膜材料を膜厚の均一性よく成膜することができる。

本実施形態の成膜装置の構成を説明する模式断面図。

以下、図面を参照して、被成膜物を矩形の輪郭を持つ所定厚さのガラス基板（以下、「基板Ｓｗ」という）、成膜材料をポリマー材料Ｐｍとし、基板Ｓｗの片面にポリマー材料Ｐｍからなる所定の薄膜を成膜する場合を例に本発明の成膜装置及び成膜方法の実施形態を説明する。以下においては、基板Ｓｗから噴射ノズルＩｎに向かう方向を上とし、「上」、「下」、「右」、「左」といった方向を示す用語は図１を基準として説明する。

図１を参照して、ＣＭは、本実施形態の成膜装置である。成膜装置ＣＭは、第１チャンバである真空チャンバ１と、第２チャンバである圧力チャンバ２とを備える。真空チャンバ１と圧力チャンバ２は、連通手段としての供給管３で接続されている。供給管３の両端は、真空チャンバ１と圧力チャンバ２の上壁１ａ，２ａを貫通してその内部に突設されている。真空チャンバ１内に突設する供給管３の先端には、後述の超臨界流体を所定の噴射角で噴射する噴射ノズルＩｎが設けられている。供給管３には、開閉バルブ３１が介設され、真空チャンバ１と圧力チャンバ２を選択的に連通できるようにしている。

真空チャンバ１には、排気管Ｐ１を介してロータリーポンプ、ターボ分子ポンプ等の真空ポンプＰが接続されている。排気管Ｐ１には、圧力調整手段としてのコンダクタンスバルブＣｖが介設され、また、真空チャンバ１には、真空チャンバ１内に所定のガスを導入する圧力調整手段としての第１ガス導入手段４が設けられ、真空チャンバ１を所定圧力（真空度）に適宜制御できるようにしている。第１ガス導入手段４としては、真空チャンバ１内のガス導入部４１に接続されるガス管４２を有し、ガス管４２にはマスフローコントローラ４３が介設されたものが利用できる。一方、導入するガスとしては、不活性ガスや、後述の超臨界流体と同一の炭酸ガスが利用でき、炭酸ガスを利用する場合には、成膜後にこれを回収して再利用することもできる。

真空チャンバ１内の下部空間には移動手段５が設けられ、移動手段５は、成膜面としての上面を開放した状態で基板Ｓｗを保持するホルダ５１と、駆動手段５２とを備える。ホルダ５１には、駆動手段５２の駆動軸５２ａが連結され、ホルダ５１ひいては基板Ｓｗを噴射ノズルＩｎに対して左右方向（Ｘ軸方向）に相対移動できるようにしている。移動手段５としては公知のものが利用できるため、これ以上の説明は省略する。

ホルダ５１に保持された基板Ｓｗと噴射ノズルＩｎとの間には、板状のマスクプレートＭｐが設けられている。本実施形態では、マスクプレートＭｐは、基板Ｓｗと一体に取り付けられて基板Ｓｗと共に移動手段５によって相対移動できるようになっている。マスクプレートＭｐには、板厚方向に貫通する複数の開口Ｍｏが形成され、これら開口Ｍｏがない位置にてポリマー材料Ｐｍの基板Ｓｗに対する付着範囲が制限されることで、所定のパターンで基板Ｓｗに成膜される。マスクプレートＭｐとしては、公知のものが利用できるため、これ以上の説明は省略する。

圧力チャンバ２には、第２ガス導入手段６が設けられ、第２ガス導入手段６は、圧力チャンバ２内のガス導入部６１に接続されるガス管６２を有し、ガス管６２にはマスフローコントローラ６３が介設され、圧力チャンバ２内の圧力が所定の圧力（臨界圧力以上、例えば７ＭＰａ）になるまで炭酸ガスを導入できるようになっている。圧力チャンバ２の下部には、ポリマー材料Ｐｍを収容する坩堝７を有する。ポリマー材料Ｐｍとしては、ポリイミド、ポリウレタン等の他、基板Ｓｗに成膜しようとする薄膜に応じて適宜選択したものが用いられる。圧力チャンバ２内の側壁部には、加熱手段８が設けられ、圧力チャンバ２内に導入された二酸化炭素を臨界温度以上（例えば、４０℃以上）に加熱できるようなっている。加熱手段８としては、シースヒータやランプヒータ等の公知のものが利用できるため、これ以上の説明は省略する。

成膜装置ＣＭは、マイクロコンピュータやシーケンサ等を備えた図示省略の制御手段を有し、コンダクタンスバルブＣｖ、マスフローコントローラ４３，６３、駆動手段５２、加熱手段８、開閉バルブ３１の開閉や真空ポンプＰの稼働が統括制御される。以下に、上記成膜装置ＣＭを用いた本実施形態の成膜方法を説明する。

基板Ｓｗ及びマスクプレートＭｐをホルダ５１にセットした後、開閉バルブ３１を完全に閉じて、真空ポンプＰを稼働させて真空チャンバ１内を所定圧力（例えば、１０^−５Ｐａ）まで減圧する。ポリマー材料Ｐｍを坩堝７に収容した後、第２ガス導入手段６により圧力チャンバ２内の圧力が７Ｍｐａ以上になるまで炭酸ガスを導入し、導入された炭酸ガスを加熱手段８により４０℃〜５０℃の温度になるまで加熱する。これにより、圧力チャンバ２内の二酸化炭素が超臨界状態となり、坩堝７内のポリマー材料Ｐｍが二酸化炭素の超臨界流体Ｓｆに溶解される。そして、開閉バルブ３１を開放し、真空チャンバ１と圧力チャンバ２とを連通させると、両チャンバ１，２の圧力差により、ポリマー材料Ｐｍが溶解した二酸化炭素の超臨界流体Ｓｆが供給管３を介して真空チャンバ１へと導入され、噴射ノズルＩｎから真空チャンバ１内の基板Ｓｗに向けて、ポリマー材料Ｐｍを溶解させた超臨界流体Ｓｆが供給される。

以上の実施形態によれば、真空チャンバ１と圧力チャンバ２との圧力差によって、ポリマー材料Ｐｍを溶解させた超臨界流体Ｓｆが噴射ノズルＩｎから基板Ｓｗに向けて供給（噴射）される。この時、真空チャンバ１内に導入された超臨界流体Ｓｆの圧力が急激に低下し、超臨界流体が気化する一方で、超臨界流体Ｓｆに溶解しているポリマー材料Ｐｍが析出（または結晶化）し、この析出したポリマー材料Ｐｍが基板Ｓｗの表面に付着、堆積することで、速い成膜レートで成膜される。ここで、二酸化炭素は約４０℃〜５０℃の臨界温度で超臨界流体Ｓｆとなるため、熱分解等し易いオリゴマー材料やポリマー材料を成膜する場合でも、材料の劣化を抑制できる。

成膜時の成膜レートは、真空チャンバ１内の圧力と超臨界流体Ｓｆの圧力との圧力差で調製でき、真空チャンバ１内の圧力が低い程、成膜レートが高くなる。この場合、コンダクタンスバルブＣｖにより真空チャンバ１内の実行排気速度を調整したり、第１ガス導入手段４により炭酸ガスを導入して、真空チャンバ１内の圧力を所定圧力に調整（または維持）することで、成膜レートを容易に制御することができる。また、移動手段５により基板Ｓｗを噴射ノズルＩｎに対して左右方向に相対移動させることで、比較的大面積の基板Ｓｗに対して成膜する場合でも、基板Ｓｗの全面に亘ってポリマー材料Ｐｍを膜厚の均一性よく成膜することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の技術思想の範囲を逸脱しない限り、種々の変形が可能である。上記実施形態では、成膜材料としてポリマー材料Ｐｍを用いるものを例に説明したが、これに限定されるものではない。成膜材料は超臨界流体に溶解する有機材料であればよく、例えばモノマー材料等の低分子材料やオリゴマー材料等を用いることもできる。

上記実施形態では、超臨界流体Ｓｆに溶解しているポリマー材料Ｐｍが析出（または結晶化）し、この析出したポリマー材料Ｐｍが基板Ｓｗの表面に付着、堆積する場合を例に説明したが、超臨界流体Ｓｆに溶解している成膜材料がその溶解した状態で基板Ｓｗの表面まで輸送され、輸送された分子レベルサイズ（数ｎｍ〜数μｍ）の成膜材料が基板Ｓｗの表面に堆積する場合にも本発明を適用することができ、この場合も速い成膜レートで成膜することができる。

また、上記実施形態では、移動手段５により基板Ｓｗを噴射ノズルＩｎに対して左右方向（Ｘ軸方向）に相対移動させるものを例に説明したが、例えば、Ｘ軸方向に直交する方向（Ｙ軸方向）またはＸ−Ｙ平面内で基板Ｓｗを相対移動させるようにしてもよい。また、上記実施形態では、超臨界流体Ｓｆとして二酸化炭素を用いるものを例に説明したが、エタンやエチレン等の化合物を用いてもよい。

ＣＭ…成膜装置、Ｓｗ…基板、Ｐｍ…ポリマー材料（成膜材料）、Ｓｆ…超臨界流体、１…真空チャンバ（第１チャンバ）、２…圧力チャンバ（第２チャンバ）、３…供給管（連通手段）、Ｐ…真空ポンプ（真空排気手段）、４…ガス導入手段（圧力調整手段）、Ｃｖ…コンダクタンスバルブ（圧力調整手段）、Ｉｎ…噴射ノズル、５…移動手段。

Claims

被成膜物に対して所定の薄膜を成膜する成膜装置であって、
被成膜物が設置される、真空排気手段を備える第１チャンバと、成膜材料を溶解させた超臨界流体を格納する第２チャンバと、第１チャンバと第２チャンバとを連通する連通手段とを備え、
真空排気手段により第１チャンバ内を大気圧より低い圧力に減圧し、第１チャンバと第２チャンバとの圧力差によって、第１チャンバ内の被成膜物に向けて、成膜材料を溶解させた超臨界流体が供給されるように構成したことを特徴とする成膜装置。
前記第１チャンバの圧力を調整する圧力調整手段を更に備えることを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
前記連通手段は供給管で構成され、第１チャンバ内に突出する供給管の一端に、成膜材料を溶解させた超臨界流体を噴射する噴射ノズルが設けられ、噴射ノズルに対して被成膜物を相対移動させる移動手段が設けられることを特徴とする請求項１または請求項２記載の成膜装置。
被成膜物に対して所定の薄膜を成膜する成膜方法であって、
被成膜物を設置した第１チャンバ内を大気圧より低い圧力に減圧する工程と、
成膜材料を設置した第２チャンバ内に超臨界流体を供給し、この成膜材料を溶解させた超臨界流体を生成する工程と、
第１チャンバと第２チャンバとを連通して、第１チャンバと第２チャンバとの圧力差によって第１チャンバ内の被成膜物に向けて、成膜材料を溶解させた超臨界流体を供給する工程とを含むことを特徴とする成膜方法。