JP2575285C - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】 この発明は、単一基板用（枚葉式）処理チャンバ内で複数の薄膜を蒸着するた
めの真空システムに関するものである。特に、この発明は、単一基板用処理チャ
ンバをバッチ型の加熱及び冷却チャンバに組み合わせる真空システムに関するも
のである。 【０００２】 【従来の技術】 アクティブマトリックス型の（active matrix）ＴＶやコンピュータモニター
の液晶セル（cells）は、液晶材料の層をその間にサンドイッチする２枚のガラ
ス板から成る。ガラス板は、その板の内面上の薄い導電性のフィルムによって導
電性にされており、液晶分子の方向を変えるために、それらに電源が接続されい
る。1,000,000 までまたはそれ以上の領域すなわち画素（pixels）が分離してア
ドレッシングされる必要があるアクティブマトリックス型のＴＶに関するかぎり
、液晶セルの異なる領域の分離したアドレッシング（addressing）を可能にする
、より大型でより精巧なセルへの要求が高まってきているので、この応用に薄膜
トランジスタが広く使用されるようになってきている。薄膜トランジスタは、上
にアモルファスシリコンのようなゲート絶縁層及び導電層が蒸着され、パターン
を施された金属ゲートを備えている。続いて、ドープされたアモルファスシリコ
ン、エッチストッパーであるシリコン窒化物（etch stopper silicon nitride）
、シリコン酸化物、金属接触層等である適用層（applied layers）も、アモルフ
ァスシリコン薄膜上に蒸着される必要がある。これらの膜の多くは、高品質の膜 を得るためにＣＶＤによって蒸着される。 【０００３】 半導体産業においては、シリコンウエハのような基板は大型化し、ウエハ上に
形成されるデバイスの数を多くすることが可能になり、単一基板処理は数枚のウ
エハを１度に処理するバッチ型処理に主として置き代わっている。単一基板処理
はプロセスの良好な制御を可能とし、使用される真空チャンバを小さくでき、も
し処理中に問題が生じた場合には、バッチ全体のウエハではなく１枚のウエハだ
けがダメージを受け損失される。 【０００４】 各基板が処理された後の処理チャンバの排気及び再加圧を含む、単一基板用真
空処理システムの生産性を向上させるために、１より多い数の処理チャンバ及び
移送チャンバを含むように真空装置が設計されており、複数ステップの処理が、
異なるチャンバ内で１枚の基板に対し真空環境からその基板を取り出すことなく
実行されうる。このようなシステムは、清掃システム（cleaner system）につい
ての付随的な利点も有する。例えば、メイダン（Maydan）らは、そのようなシス
テムを米国特許第4,951,601 号において開示している。それは、種々の処理チャ
ンバに囲まれ接続された中央の移送チャンバを備えたものである。移送チャンバ
内のロボットは、基板を１つのチャンバから別のチャンバに移送する。真空ロー
ドロックを付加することによって、各処理ステップに先立つチャンバの排気が必
要でないようにすることも、装置のスループットを向上させる。 【０００５】 ガラスは、室温から、真空処理に典型的に用いられる約３００〜４５０℃まで
の温度変化における大型ガラス板のひび割れや応力を防ぐためには例えば約５分
かそれ以上のゆっくりとした加熱及び冷却を必要とするもろい絶縁材料である。
実際の薄膜蒸着は、そのための特別の準備を除いた場合には秒単位しかかからな
いため、長い無駄時間が、基板が個々に加熱され冷却される間の真空システムに
生じる。この待ち時間は、失われる反応器時間の点で非常に高コストになり、従
って単一基板用チャンバ内の膜の蒸着は経済的ではない。 【０００６】 単一真空システムにおける単一ガラス基板上の複数層の膜の蒸着は、例えばガ
レゴ（Gallego）による米国特許第4,592,306 号によって開示されている。ガレ
ゴによって開示された真空システムは、中央移送チャンバロードチャンバ及び出
口（exit）チャンバに接続された４あるいはそれ以上の蒸着チャンバを備えてい
る。基板がシステムの排気されたロードチャンバ内にロードされ、その基板は中
央移送チャンバ内のロボットによって、種々の層が蒸着される２またはそれ以上
の蒸着チャンバに連続的に移送される。出口チャンバは、金属蒸着チャンバの２
倍でありうる。連続的な薄膜が、蒸着チャンバ内に１度に１枚ずつロードされた
基板上に蒸着される。システムは、太陽光電池の製造のために、本来の及びドー
プされたアモルファスシリコン層を連続的に蒸着するように設計されている。蒸
着はシラン及び適当なドーパントガスのグロー放電（glow discharge）による。 【０００７】 【発明が解決しようとする課題】 このシステムは、単一真空システムにおいて真空を破ることなく大型ガラス基
板上に連続的な層を蒸着するには効果的であるが、各基板を処理するために必要
な長い時間のために非経済的であり、それは基板材料の加熱及び冷却装置を備え
ていない。ガレゴは、本来のアモルファスシリコンの蒸着に２個のチャンバを提
供することにより、この問題について部分的に扱っているが、そのアモルファス
シリコンの層は厚く、従って薄いドープされたアモルファスシリコン層よりも長
い蒸着時間を要する。しかし、ガレゴは、全体の蒸着時間を減らす方法や、基板
温度をいかに反応温度（２７０℃）にするのか、また、基板を真空システムから
取り出すのに先立ってその基板を周囲温度に冷却するのに要する時間については
扱っていない。 【０００８】 シランのグロー放電によって作られたアモルファスシリコン膜は水素を多く含
んでおり、膜が不安定になり従ってトランジスタデバイスも不安定になるので、
膜トランジスタはグロー放電技術を用いたのでは作ることができない。ＣＶＤ処
理は、グロー放電蒸着よりも高温、すなわち３５０〜４５０℃のオーダーを必要
とし、アクティブマトリックスＴＶモニターに使用されるガラス基板は、典型的 に非常に大型、すなわち例えば３５０×４５０ｍｍであるから、基板を処理温度
まで加熱し、膜処理完了後にそれを再び周囲温度まで下げるには数分もかかる。
この加熱及び冷却の遅れは、失われた反応器時間の点で非常に高コストになる。
従って、数個のチャンバによる蒸着は、長い加熱及び冷却時間が扱われないかぎ
り待ち時間のない効果的な動作にはならない。 【０００９】 このように、大型ガラス基板を連続的な単一基板処理チャンバ内で処理するこ
とができ、加熱及び冷却の遅れ時間の問題を解決する、改良されたスループット
を有する真空システムが、非常に望まれている。 【００１０】 【課題を解決するための手段】 この発明の真空システムは、複数のガラス基板の加熱及び冷却のためのバッチ
処理を、単一基板用チャンバの処理に組み合わせる。この発明の真空システムは
、複数の単一基板処理チャンバ及び中央の移送チャンバに接続されたバッチ型の
加熱及び冷却チャンバを備えている。移送チャンバは、種々のチャンバ間で任意
の予め選択された順序で基板を移送することができる。 【００１１】 バッチ型の加熱及び冷却チャンバと単一基板処理チャンバとの組み合わせは、
ガラス基板の加熱及び冷却のための適当な時間を許容しつつ、連続的ですばやい
基板処理の流れを提供する。このように、この発明の装置は、効果的かつ経済的
な方法でガラス基板上に複数の高品質薄膜を形成するために、経済的で有利な処
理方法を提供する。 【００１２】 【実施例】 この発明の従って、大型ガラス基板を処理するための真空システム１０が、図
１に示されている。真空システム１０は、図１に示すように、２個のロードロッ
ク（load lock）／冷却チャンバ１４Ａ及び１４Ｂが接続された中央移送チャバ
１２を含んでいる。ロードロック／冷却チャンバ１４Ａ及び１４Ｂは、それぞれ
処理されるガラス基板をシステム１０に移送するためのものである。ロードロ ック／冷却チャンバ１４Ａ及び１４Ｂは、それぞれロードドア１６Ａ及び１６Ｂ
を外側壁に備えた閉じうる開口部を有している。ロードドア１６Ａ及び１６Ｂは
、処理されるガラス基板を大気中から真空システム１０内に移送するためのもの
である。 【００１３】 ロードロック／冷却チャンバ１４Ａ及び１４Ｂは、それぞれ、大型ガラス基板
を支持し冷却するための複数の棚、すなわちプラットホームが取り付けられたカ
セット１７を備えている。熱は、真空中のガラス基板から、放射、及びガラス基
板から支持棚に向かってガラス基板の上下にガスを導くことによって取り去られ
る。ガラス基板の加熱または冷却速度は、棚の材料の放射率（emissivity）、ガ
ラスの放射率及びチャンバの真空の圧力によって決定される。２個の平行な平面
に対する熱移送に関するステファン−ボルツマンの式は、以下の式１）で与えら
れる。 【００１４】 【数１】 【００１５】 ここで、Ｅ_rは、ワット／ｃｍ²で表現された移送されたエネルギ量、 Ｔ₁は、Ｋ°で表現された棚の温度、 Ｔ₂は、Ｋ°で表現されたガラスの温度、 ε₁は、棚の放射率、 ε₂は、ガラスの放射率、 σは、ステファン−ボルツマンの定数であり、 そして、ガス導入によって移送された熱はガス圧力に比例し、以下の式２）で与
えられる。 【００１６】 【数２】 【００１７】 ここで、Ｅ_cは、ワット／ｃｍ²で表現された加熱エネルギ、 Λは、Ｋ°で表現された平均伝導率（mean conductivity）、 ｄは、ｃｍで表現された平面間の間隔、 βは、ガス適応係数（gas accommodation coefficient）、 ｃは、ミクロンで表現されたガスの平均自由行程、 Ｐは、ミリトールで表現された圧力、 Ｔ₁及びＴ₂は、式１）について上記のように与えられた意味をもつ。 【００１８】 棚に取入れられた熱は、その後、例えば水のような冷却用熱移送媒体に運ばれる
ことによって取り除かれうる。 【００１９】 ロードロック／冷却チャンバ１４内のカセット１７は、カセット１７を１個の
棚の高さの分ずつ上下させる上下移動用装置（elevator assembly）（図示せず
）に取り付けられている。チャンバ１２Ａにロードするには、ロードドア１６Ａ
が開かれ、１個のガラス基板がカセット１７内の棚上に置かれる。上下移動用装
置はカセット１７を１個の棚の高さの分だけ持ち上げ、空の棚がロードドア１６
Ａに向き合う。別の基板がその棚などの上に置かれ、カセット１７のすべての棚
が満たされる。このとき、ロードドア１６Ａは閉じられ、チャンバ１４Ａは真空
システム１０内の所定の圧力まで高められる。 【００２０】 移送チャンバ１２に隣接するロードロック／冷却チャンバ１４Ａの内壁上のス
リットバルブ（slit valve）２０Ａが、その後、開かれる。ガラス基板が、移送
チャンバ１２内のロボット２２によって加熱チャンバ２８まで移送される。 【００２１】 ロボット２２はマイックロプロセッサコントロールシステム、ディスプレイス
クリーン及びキーボード（図示せず）によって制御され、これらは、ロボット２
２にガラス基板を支持させ、以下の動作を行わせるように設計されている。すな
わち、ロードロック／冷却チャンバ１４Ａのカセット１７から基板を抜き出し、
基板を加熱チャンバ２８内のカセット２９の空の棚に載せるために回転し、基板
を加熱チャンバカセット２９内の空の棚上に挿入し、基板を加熱チャンバカセッ
ト２９内の棚の上に置いて、そこから出る。加熱チャンバカセット２９は、上下
移動用装置にも取り付けられ、１個の棚をロードした後、加熱チャンバカセット
２９は上下に移動し、別の空の棚がロボット２２によってアクセスされるように
する。ロボット２２は、その後再び回転して、ロードロック／冷却チャンバ１４
Ａのカセット１７から別の基板を回収する。同様の方法で、ロボット２２は、す
べてまたは一部の基板を加熱チャンバカセット２９から、４個の単一基板処理チ
ャンバ４０、４２、４４及び４６の各々の同様のスリットバルブに、予め選択さ
れた方法で移送しうる。基板が薄膜処理を待つ間に、ガラスが処理温度に達する
ための適当な時間がある。 【００２２】 加熱チャンバカセット２９は、棚を加熱する手段とともに以下で詳細に説明さ
れる複数の棚すなわちプラットホームを備えており、上下移動用装置にも取り付
けられている。加熱チャンバカセット２９は、ガラス基板を１度に１個だけ真空
状態においてロードされる。ガラス基板は、その後、処理を待つ間に加熱チャン
バカセット２９内で望ましい蒸着温度まで加熱される。 【００２３】 最後のガラス基板が加熱カセット２９内にロードされた後、最初のガラス基板
は処理温度に達している。加熱されたガラス基板がロボット２２によって、単一
基板処理チャンバ４０、４２、４４及び４６の一つに移送された後、それは加熱
されるべき冷えた基板によって常に置き換えられる。処理チャンバ４０、４２、
４４及び４６が、ガラス基板上に１またはそれ以上の薄膜層を蒸着させるために
適用される。薄膜チャンバ４０、４２、４４及び４６の各々は、それらの内壁４ ０ａ、４２ａ、４４ａ及び４６ａ上に、プロセスガスを分離するためのスリット
バルブ４１、４３、４５及び４７がそれぞれ取り付けられている。１個以上の処
理チャンバが同時に動作しうる。 【００２４】 薄膜の厚さが所定の値になるまで適当な先行（precursor）ガスをチャンバに
供給し、チャンバを浄化（purging）し、さらに先行ガスの第２の組をチャンバ
に供給することにより、１個のチャンバ内で１よりも多いコーティングを蒸着す
ることができる。その代わりに、各チャンバで異なる薄膜を蒸着するために、ガ
ラス基板は１個の処理チャンバから別の処理チャンバに任意の予め選択された順
番で移送しうる。ロボット２２による種々のチャンバ間におけるガラス基板のタ
イミング及び移送は、種々のチャンバ内で望ましい数と厚さの薄膜を蒸着させる
ために、マイクロプロセッサの制御下で予め選択されており、どのチャンバにお
いても無駄な時間が最小になるように保たれている。 【００２５】 上記システムは複数の薄膜蒸着チャンバ（film deposition chambers）を用い
て説明されたが、エッチングチャンバ（etch chambers）、物理的蒸着チャンバ
（physical vapor deposition chambers）、予清掃チャンバ（pveclean chamber
s）等の他の単一基板処理チャンバを含みうるし、置き換えられうる。 【００２６】 薄膜処理の最後に、熱くなったガラス基板の各々は、ロードロック／冷却チャ
ンバ１４Ａの冷却カセット１７に送り戻され、各棚には１枚のガラス基板が置か
れ、上下移動機構がカセット１７を上下させて各基板に対して空の棚を移送ロボ
ット２２に合わせる。新しいガラス基板によって再び満たされた冷却カセット１
７は、冷えたガラス基板を熱いガラス基板に取り替える。ガラス基板の全工程（
batch）に対するロード交換（loading exchange）の完了後には、最初の基板は
既に冷えている。ロードロック及び冷却カセットを開口した（venting）後、最
後の基板も冷却される。 【００２７】 矢印４８、４９及び５０は、それぞれ１つの可能な工程について移送の方向を 示している。矢印４８はロードロック／冷却チャンバ１４Ｂから加熱チャンバ２
８への移送方向を示しており、失印４９は加熱チャンバ２８からＣＶＤチャンバ
４０への基板の移送方向を示しており、矢印５０はロードロックが完全に交換さ
れるまでのＣＶＤチャンバ４０からロードロック／冷却チャンバ１４Ｂに戻る基
板の移送方向を示している。その後、チャンバ１４Ｂが大気圧と通じたときに、
ロードロックチャンバ１４Ａは真空ロボットに利用される状態になり、連続的な
処理がなされる。 【００２８】 加熱及び冷却チャンバカセット１５及び２７の詳細が図２に示されている。図
２は冷却チャンバカセット１７の断面図である。 【００２９】 加熱チャンバカセット２９及びロードロック／冷却チャンバカセット１７の両
方における棚６０は、ステンレス鋼で覆われた（clad）銅、ニッケルでコーティ
ングされたステンレス鋼等の熱伝導材料から作られている。カセット１７及び２
９の側壁６２、６４も、アルミニウムまたは銅のような熱伝導材料から作られて
いる。カセット２９の側壁６２、６４内の溝（channel）６６は、電源に接続さ
れた抵抗ヒータを備えている。冷却チャンバカセット１７の側壁内の溝６８は、
水や他の液体のような冷却媒体を循環させるものであり、それらのチャンバの側
壁６２、６４内に組み入れられている。ガラス基板は、棚６０上に載せられるか
取り付けられた複数の絶縁性のマウント７０の上に載せられており、基板と棚６
０との間には隙間がある。ガラス基板は、従って、放射熱によって均一に両面か
ら加熱または冷却されて、すばやく均一な加熱または冷却が可能になり、約４０
０度の温度範囲以上に加熱または冷却されたときでさえ基板のひび割れまたはそ
りが防止される。 【００３０】 基板が冷却されたカセット１７内に置かれた後、冷却が開始し、ローデイング
時間及びチャンバ通風（venting）時間が経過した後、ガラス基板は冷え、基板
を真空システム１０から外壁内のロードドア１６Ａを通して運びうるようになり
、適当な格納カセット７２上に積まれる。 【００３１】 ガラス基板は、入手によってまたは自動的に真空システム１０内にロードされ
うる。図１に示すよぅに、ロードロックチャンバ１４Ａに対向する第１のステー
ションの、真空システム１０の外側のレールフレーム上に取り付けられた市販の
ロボット７４は、空の格納カセット７２Ａからガラス基板を回収することができ
、ガラス基板を１度に１枚ずつ真空システム１０内にロードロック／冷却チャン
バ１４Ａを通してロードする。チャンバ１４Ａが満たされて閉じられたとき、ロ
ボット７４はレールに沿ってロードロックチャンバ１４Ｂに対向する第２のステ
ーションまでスライドすることができ、カセット７２Ｃからの基板で第２のロー
ドロック／冷却チャンバ１４Ｂを満たし始める。基板の第１のロード処理の最後
に、ロボット７４は、処理された基板をロードロックチャンバ１４Ａから回収す
ることができ、今度はコーティングされた基板を空のカセット７２Ｂに置く。 【００３２】 基板の第１の組（batch）が処理され、第１のロードロック／冷却チャンバ１
４Ａ内のカセットに再ロードされている間に、基板の第２の組はロードされ、第
２の、ロードロック／冷却チャンバ１４Ｂのようなものの中のカセット内で真空
にされうる。従って、基板の第１の組が冷却され真空システム１０から運ばれて
いる間に、基板の第２の組は真空にされて加熱されており、この時点でＣＶＤチ
ャンバ４０、４２、４４及び４６内で処理可能な状態になっている。２個のロー
ドロックチャンバが存在することは、真空システム１０内の基板の連続的な処理
を確保している。 【００３３】 大型ガラス基板の上に薄膜トランジスタを製造するためには、ロードロック／
冷却チャンバに対してガラス基板のロード及びアンロードをする平均の時間は、
各工程について約１５秒である。しかるに、ガラス基板を薄膜蒸着温度まで加熱
する平均時間は、約３００秒である。処理または大気圧への通気（venting back
）の順番を待つすでに加熱されているガラス基板の１組を備えることにより、基
板の長い平均加熱時間は、それぞれ処理または通気を待つ時間に含まれて隠され
てしまう（is hidden）。 【００３４】 この真空システムを特定の実施例及び手順（sequences）を用いて説明してき
たが、この発明の本質から逸脱することなくこの装置について種々の変形例を作
りうる。例えば、処理、加熱及び冷却チャンバ、または加熱及び冷却チャンバを
組み合わせたものの数は、それらが中央の移送チャンバにアクセス可能であれば
様々に変更しうる。また、加熱、蒸着及び冷却の順序を、望ましい薄膜及び蒸着
の順序によって様々に変えても実行することができる。さらに、物理的蒸着また
はエッチチャンバ、予清掃（preclean）チャンバ等の付加的な処理チャンバをシ
ステムに付け加えてもよいし、代替してもよい。このような変形及び代替は当業
者には自明であり、この発明は、特許請求の範囲によってのみ限定されることが
意図されている。 【００３５】 【発明の効果】 以上のように、システム１０は、長くかかる加熱及び冷却ステップをバッチ処
理タイプの（batch-type）チャンバで実行することにより連続的ですばやい基板
処理を可能にし、処理チャンバ内で１度に１枚ずつ基板を処理するようにされて
いることにより、そのような単一基板処理のすべての利点を保有する。さらに、
ロードロック機能と冷却機能とを単一の冷却／ロードロックチャンバが合わせ持
つようにすることにより、付加的な冷却チャンバ及び付加的な基板移送が必要で
なくなり、この真空システムの効率は一層向上する。

【図面の簡単な説明】 【図１】 ガラス基板上に薄膜を蒸着させるためのこの発明の真空システムの平面図であ
る。 【図２】 ここで用いるバッチ型の加熱または冷却チャンバの断面図である。 【符号の説明】 １２…移送チャンバ、１４Ａ、１４Ｂ…ロードロック／冷却チャンバ、１７、
２９…カセット、２８…加熱チャンバ、４０、４２、４４、４６…単一基板用処 理チャンバ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 中に入れられた複数のガラス基板を支持し冷却する複数の棚
   を有する１または１を超える数のロードロック（Ioad lock）／冷却チャンバ、 複数のガラス基板を高温に加熱するための加熱チャンバ、 前記ガラス基板上に薄膜を蒸着させるための１または１を超える数の単一基板
   用処理チャンバ、及び すべての前記チャンバにアクセスし、任意の前記チャンバにガラス基板を移送
   する自動化された手段を有する移送チャンバ、 を備えた、ガラス基板上への単一基板用膜処理のための真空システム。 【請求項２】 前記ロードロック／冷却チャンバが、前記棚を有し旦つ上下
   移動用装置（elevator assembly）に取り付けられたカセットを備え、前記加熱
   チャンバが、上下移動用装置（elevator assembly）に取り付けられたカセット
   を備えている請求項１に記載の真空システム。 請求項１記載の真空システム。 【請求項３】 ２個のロードロック／冷却チャンバを備えた請求項１記載の
   真空システム。 【請求項４】 少なくとも２個の処理チャンバを備えた請求項１記載の真空
   システム。 【請求項５】 前記単一基板用処理チャンバが化学気相成長チャンバである
   請求項１記載の真空システム。 【請求項６】 ａ） 複数のガラス基板をロードロック／冷却チャンバ内に
   ロードし、前記チャンバを排気するステップ、 ｂ） すべての前記ガラス基板を、接続する真空移送チャンバを通して前記基
   板を高温に加熱するのに適するチャンバまで移送するステップ、 ｃ） ステップｂ）からの加熱された基板のうちの１枚を、移送チャンバを通
   して、単一基板用処理チャンバまで移送し、その上に薄膜を蒸着するステップ、
   及び ｄ） ステップｃ）からの基板を、前記移送チャンバを通してステップａ）の
   ロードロック／冷却チャンバまで送り戻し、基板を冷却するステップ、 を順番に備えた、ガラス基板上に薄膜を蒸着する方法。 【請求項７】 ステップｃ）に続いて、基板を、その上に付加的な薄膜を蒸
   着するための１または１を超える数の付加的な処理チャンバに移送するステップ
   を行う請求項６記載の方法。