JP2671191B2

JP2671191B2 - 薄膜作製装置の基板加熱機構

Info

Publication number: JP2671191B2
Application number: JP3523094A
Authority: JP
Inventors: 和男平田
Original assignee: アネルバ株式会社
Priority date: 1994-02-09
Filing date: 1994-02-09
Publication date: 1997-10-29
Anticipated expiration: 2012-10-29
Also published as: JPH07224382A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はスパッタリング装置、蒸
着装置、ＣＶＤ装置等の薄膜作製装置の基板加熱機構に
関し、特に、複数の基板を同時に移動させながら加熱す
るとともに基板温度を常時モニターして温度制御できる
基板加熱機構に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、薄膜作製技術の進歩と共に多くの
高機能デバイスが開発されており、その薄膜作製技術と
して、スパッタリング法、蒸着法（ＭＢＥ法を含む）、
化学気相成長法（ＣＶＤ法）等が用いられている。特
に、高機能性薄膜を得る観点から、５００℃以上の高基
板温度で成膜するプロセスが要求されている。その幾つ
かの代表例をあげると、ＩＣ配線に利用するアルミニウ
ムをコンタクトホールへ埋め込むために、基板温度を５
００℃にしてアルミニウムにリフローを起こさせて穴埋
め特性を良好にするものがある。また、６４メガＤＲＡ
Ｍ以降のキャパシタ絶縁膜に利用しようとしているＳｒ
ＴｉＯ₃膜や（Ｂａ、Ｓｒ）ＴｉＯ₃膜では、高比誘電率
を得るために、基板温度を４００〜６００℃の高温にし
て成膜している。さらに別の例としては、分極反転を利
用した不揮発性の高速ＲＡＭのキャパシタ絶縁膜に利用
しようとしているＰＺＴ膜では、高比誘電率の強誘電体
特性を得るために、６００℃以上の基板温度で成膜する
必要がある（参考文献：K. Hirata et al, Jpn. J. App
l. Phys. 31 (1992) P.3021 ）。このような高基板温度
で成膜を行うには基板加熱機構が重要になる。

【０００３】その基板加熱機構に要求される主要な機能
としては次の５つの機能が挙げられる。（１）量産性の
観点から一度に複数枚の基板を加熱できる。（２）ヒー
ターが耐腐食性があり、長寿命である。（３）高基板温
度に容易にできる。（４）成膜中の基板の温度モニター
が可能であり、基板の温度制御ができる。（５）基板面
内の温度均一性が良好である。

【０００４】上記の条件を満たす基板加熱機構としてラ
ンプ加熱方式を利用した基板加熱機構があり、その従来
例として、特開平５−１４８６３３号公報に記載された
ものがある。この基板加熱機構は、基板ホルダーに複数
枚の基板を設置でき、耐腐食性があるランプ加熱方式を
利用して、これらの複数の基板を一度に加熱できる。ま
た、基板に熱線を直接照射して基板を高温に加熱でき、
さらに、成膜中の基板温度をモニターするためにダミー
基板を用いている。

【０００５】ところで、上述の従来の公報は、基板面内
の温度分布の均一性に関しては特に言及していない。ラ
ンプ加熱方式では、基板に熱線を直接照射して基板を高
温に加熱しているので、ランプの形状、大きさ、及び配
置が、基板面内の温度分布の均一性に非常に影響するこ
とになる。そこで、以下に、棒状ランプヒーターとサー
クル状ランプヒーターを用いた従来例を挙げて、基板面
内の温度分布の状況を説明する。

【０００６】まず、棒状ランプヒーターについて説明す
る。図１１の（Ａ）は、カルーセル型の移動式の基板ホ
ルダーに対する基板加熱機構の正面断面図であり、
（Ｂ）はその平面断面図である。（Ａ）は（Ｂ）のＡ−
Ａ線断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図で
ある。円筒状の基板ホルダー１０の内部では、６個の棒
状ランプヒーター１２が円板状ランプベース台１４の同
一円周上に設置されている。円筒状の基板ホルダー１０
には６個の基板取り付け板１６が取り付けられ、その基
板取り付け板１６に基板１８が取り付けられる。基板１
８は棒状ランプヒーター１２によって直接加熱される。

【０００７】図１６の（Ａ）は、この棒状ランプヒータ
ー１２と基板１８との位置関係を示す正面断面図であ
る。棒状ランプヒーター１２は水平方向に延びており、
これに対して、基板１８は鉛直姿勢の状態で水平面内を
回転する。すなわち、基板１８は矢印２０の方向に移動
し、棒状ランプヒーター１２は基板１８の移動方向に平
行に延びている。棒状ランプヒーター１２の高さ位置は
基板１８の中央の高さ位置に等しい。

【０００８】図１６の（Ｂ）は、（Ａ）の側面断面図で
あり、（Ｃ）は基板の上下方向の面内温度分布を示すグ
ラフである。（Ｃ）から分かるように、基板の移動方向
に対して垂直な方向すなわち上下方向においては、基板
面内で大きな温度分布が生じる。すなわち熱線２２が強
く照射される基板中央部は、基板上端および下端よりも
加熱されて温度が高くなってしまう。基板中央部が６０
０℃になるように加熱した場合、基板上端と下端の温度
はいずれも５５０℃にとどまり、基板面内の最大温度差
は５０℃にもなる。

【０００９】また、図１６の（Ａ）において、ランプ碍
子部２４，２５とリード線２６，２７は円筒状の基板ホ
ルダーの内部にあるため、これらの部品が非常に加熱さ
れることになる。したがって、ランプ碍子部２４，２５
の内部で断線したり、これらの部品からガスが発生した
りする構造上の欠点がある。

【００１０】図１６の（Ａ）は棒状ランプヒーター１２
ａを上下方向に延びるように配置した状態の従来例の正
面断面図である。この場合は、棒状ランプヒーター１２
ａが基板１８の移動方向２０に対して垂直に述びてい
る。この棒状ランプヒーター１２ａの中央の高さ位置は
基板１８の中央の高さ位置と等しい。棒状ランプヒータ
ー１２ａをこのように配置すると、図１６に示す従来例
よりも基板面内の上下方向の温度分布が改善される可能
性がある。

【００１１】しかし、図１６の（Ｂ）の側面断面図に示
すように、棒状ランプヒーター１２ａは円筒状の基板ホ
ルダー１０の内部に設置されるので、ランプ碍子部２４
ａ，２５ａとリード線２６ａ，２７ａはやはり非常に加
熱されことになり、ランプ碍子部２４ａ，２５ａの内部
で断線したり、これらの部品からガスが発生したりする
欠点は改善されていない。

【００１２】このような欠点の改善策として、図１６に
示すように円筒状の基板ホルダー１０の外側にある真空
容器２８に棒状ランプヒーター１２ｂを取り付けること
が考えられる。この棒状ランプヒーター１２ｂは、基板
移動方向に対して垂直に延びているので、基板面内の上
下方向の温度分布は図１６の場合と同様に改善される。
また、円筒状の基板ホルダー１０の外部にランプヒータ
ーがあるので、ランプ碍子部やリード線の温度があまり
高くならない、という利点もある。しかし、このような
配置にすると、基板温度が高温に上がりにくいし、ま
た、成膜源としてのスパッタリングターゲットなどを設
置するスペースがなくなってしまう、という欠点があ
る。

【００１３】そこで、棒状ランプヒーターの代わりにサ
ークル状ランプヒーターを用いる従来例が知られてい
る。図１６の（Ａ）は、カルーセル型の移動式の基板ホ
ルダーに対してサークル状ランプヒーターを用いた基板
加熱機構を示す正面断面図であり、（Ｂ）はその平面断
面図である。（Ａ）は（Ｂ）のＡ−Ａ線断面図であり、
（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。円筒状の基板
ホルダー１０の内部には、６個のサークル状ランプヒー
ター３０が円板状ランプベース台１４の同一円周上に設
置されている。円筒状の基板ホルダー１０には６個の基
板取り付け板１６が取り付けられ、その基板取り付け板
１６に基板１８が取り付けられる。基板１８はサークル
状ランプヒーター３０によって直接加熱される。

【００１４】図１６の（Ａ）は、このサークル状ランプ
ヒーター３０と基板１８との位置関係を示す正面断面図
である。サークル状ランプヒーター３０は基板１８に対
向可能な平面内（この例では鉛直面内）に配置され、基
板１８は鉛直姿勢で水平面内を回転する。すなわち、基
板１８は矢印２０の方向に移動する。サークル状ランプ
ヒーター３０のサークル部の中心の高さ位置は基板１８
の中央の高さ位置に等しい。

【００１５】図１６の（Ｂ）は（Ａ）の側面断面図であ
り、（Ｃ）は基板面内の上下方向の温度分布を示すグラ
フである。上下方向の温度分布は、図１６に示す棒状ラ
ンプヒーター１２の場合と比較すると改善されている。
ところで、サークル状ランプヒーター３０の場合、サー
クル部の下端は端子に接続するためにフィラメントが途
切れているが、上端はフィラメントが連続している。し
たがって、ヒーターの上部３２から放射される熱線３３
は、ヒーターの下部３４から放射される熱線３５よりも
強くなる。そのため、基板１８の下端の方が基板の上端
よりも温度が低くなる。基板中央部が６００℃になるよ
うに加熱した場合、基板上端は５８０℃になるが、下端
は５７０℃にとどまり、基板面内の最大温度差は３０℃
になる。このように、サールル状ランプヒーター３０で
は上端の方が下端よりも加熱されやすく、基板面内の上
下方向の温度分布を一様にするのが難しい。

【００１６】なお、図１６の（Ａ）に示すように、サー
クル状ランプヒーター３０は、ランプ碍子部３６，３７
とリード線３８，３９を円板状のランプベース台１４の
下側に配置できるので、これらの部品をフィラメントか
ら隔てることができる。したがって、ランプ碍子部とリ
ード線の温度はあまり高くならず、碍子部内の断線やガ
ス発生といった問題は改善されている。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】サークル状ランプヒー
ターは、全体としては棒状ランプヒーターよりは優れて
いるが、上述のように基板面内の温度分布を改善しにく
い問題がある。その理由は、ランプヒーターの形状と配
置にある。すなわち、基板の移動方向に垂直な方向にお
いて、熱線の強度が均一でないことにある。それゆえ
に、基板移動方向に対して垂直方向の基板面内で大きな
温度差が生じてしまう。このような基板面内の温度差
は、膜厚や膜組成を精密に制御する場合には特に大きな
問題となる。

【００１８】本発明はこのような問題点を解決するため
になされたものであり、その目的は、基板面内の温度分
布を改善できる基板加熱機構を提供することにある。本
発明の別の目的は、ランプヒーターの碍子部とリード線
があまり高温にならないような基板加熱機構を提供する
ことにある。本発明のさらに別の目的は、正確な基板温
度制御が可能な基板加熱機構を提供することにある。本
発明のさらに別の目的は、複数の基板を同時に移動させ
ながら、基板を直接的にランプヒーターで加熱して高基
板温度を容易に得ることのできる基板加熱機構を提供す
ることにある。本発明のさらに別の目的は、基板の温度
を常に一定に保ち、膜組成や膜厚の、再現性と制御性を
改善できる基板加熱機構を提供することにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明は、基板を取り付
け可能な基板ホルダーと、基板を加熱するためのランプ
ヒーターとを備え、ランプヒーターに対して基板ホルダ
ーを相対的に移動させながら基板を加熱するようにした
薄膜作製装置の基板加熱機構において、ランプヒーター
の形状および配置に特徴を有する。すなわち、本発明に
おけるランプヒーターは、基板に対向可能な平面内に配
置されて、基板ホルダーの相対移動方向（以下、Ｘ方向
という。）に垂直な方向（以下、Ｙ方向という。）にお
ける一方側に一対の端子を備えるとともに他方側に非発
熱の接続線を備え、前記一対の端子と前記接続線との間
に少なくとも２個のフィラメントが接続され、このフィ
ラメントと接続線が共通の封入管の内部に配置されてい
るものである。

【００２０】本発明におけるランプヒーターは、一対の
端子の間がすべてフィラメントになっているのではなく
て、途中に非発熱の接続線が形成されている。そして、
一対の端子がＹ方向の一端側に配置される。例えば、基
板ホルダーの移動方向（Ｘ方向）が水平方向であると仮
定すると、Ｙ方向は上下方向となり、その一方側、例え
ば下方側に一対の端子がまとめられている。したがっ
て、ランプヒーターの一対の碍子部をランプヒーターの
下方側にまとめて配置することができ、ランプベース台
の一方側にフィラメントを他方側に碍子部を配置するこ
とが可能になる。さらに、Ｙ方向の他方側、例えば上方
側に非発熱の接続線を形成してあるので、Ｙ方向の一方
側と他方側における投入パワーがほぼ対称的になり、基
板面内のＹ方向の温度分布を改善できる。

【００２１】非発熱の接続線は、全く発熱しない材質で
形成する必要はなく、フィラメント部分と比較して、単
位長さ当たりの発熱量が各段に小さくなっていれば、非
発熱の接続線として利用することができる。

【００２２】本発明におけるフィラメントの最も簡単な
構成としては、一対の端子の間に、２個のフィラメント
と、これらをつなぐ一つの接続線とを形成したものであ
る。しかし、これに限定されず、４個または６個のフィ
ラメントと、それらの間の３個または５個の接続線と
を、一対の端子の間に形成してもよい。

【００２３】フィラメントはＹ方向に平行に延びるよう
にするのが一般的であるが、Ｙ方向に対して傾斜させて
もよいし、曲線にしてもよい。また、接続線はＸ方向に
平行に配置するのが好ましい。ランプヒーターの最適な
形状は、概略Ｕ字形である。すなわち、Ｘ方向に延びる
一つの非発熱の接続線と、Ｙ方向に延びる平行な一対の
フィラメントとを備えるものである。

【００２４】フィラメントのＹ方向の寸法は基板のＹ方
向の寸法の１．１倍以上とするのが好ましい。１．１倍
以下であると、基板加熱時に、基板のＹ方向の上端及び
下端の温度が中央よりも低くなる傾向が大きくなり、あ
まり好ましくない。一方、フィラメントのＹ方向の寸法
は、長ければ長いほど基板面内のＹ方向の温度分布が均
一になるが、必要な温度分布均一性が確保できる限りに
おいて、フィラメントの寸法を短くするのが経済的であ
る。

【００２５】本発明は、複数の基板を取り付ける基板ホ
ルダーに対して特に効果的であり、その場合は、ランプ
ヒーターも複数個配置するのが好ましい。さらに、基板
ホルダーは回転可能な円筒状または円形状とすることが
できる。

【００２６】基板はその両面が露出した状態で基板ホル
ダーに取り付けるのが好ましい。その場合、基板の片面
を堆積物質供給源（例えばスパッタリング装置のターゲ
ット）に対向させ、基板の他面をランプヒーターに対向
させる。これにより、ランプヒーターからの熱線が基板
全面に直接的にかつ均一に放射される。また、高基板温
度を容易に得ることができる。

【００２７】基板は基板取り付け板に取り付けることが
でき、この基板取り付け板を基板ホルダーに着脱可能に
取り付けることができる。この基板取り付け板には基板
と実質的に同じ大きさの貫通孔を形成する。この基板取
り付け板を基板交換機構によって成膜室とロードロック
室との間で運搬するようにすれば、基板交換の際に成膜
室を大気に開放しなくてすむ。これにより、基板ホルダ
ーが高温に加熱された場合でも、基板ホルダーを大気に
露出させることなく、基板のみを大気中に取り出せるよ
うになり、基板ホルダーを酸化させることがない、ま
た、基板ホルダーを室温付近まで冷却する必要がないの
で、基板交換時間も短縮できる。

【００２８】基板を基板取り付け板に取り付けるに当た
っては、基板の片面の外周近傍と基板取り付け板との間
に複数の石英片を挟むことができる。基板取り付け板
（一般に金属で形成される。）と比較して、石英片は熱
伝導率が小さいので、基板から基板取り付け板に逃げる
熱を少なくできる。石英片自体は小さくすることができ
るので、基板と石英片との接触面積を小さくすることが
できて、これによっても、基板から基板取り付け板に逃
げる熱を少なくできる。基板はランプヒーター側から石
英片に接触させて、基板のランプヒーター側の表面に爪
部材を接触させるのが好ましい。これにより、基板はそ
の外周部までランプヒーターで加熱され、また、爪部材
自体もランプヒーターで加熱されるので、基板はその全
面が一様に加熱される。

【００２９】本発明においては、ダミー基板を用いて基
板温度を制御できる。すなわち、基板ホルダーにダミー
基板を取り付け、基板と基板ホルダーとの位置関係と、
ダミー基板と基板ホルダーとの位置関係とが、幾何学的
に同等になるように、ダミー基板を配置して、このダミ
ー基板の温度を検出して、その検出結果に基づいてラン
プヒーターへの供給電力を制御する。このような温度制
御方法を用いると、高精度の基板温度制御が可能とな
る。この場合、ダミー基板を基板と同一の材質で形成す
るのが好ましい。また、ダミー基板の片面の少なくとも
３箇所に熱電対を取り付けるのが好ましい。

【００３０】さらに、ダミー基板の、堆積物質供給源に
対向する面の側に、ダミー基板より大きな透明石英ガラ
ス窓を配置するのが好ましい。これにより、ダミー基板
に堆積膜が付着することがない。成膜した基板を交換す
る場合にも、ダミー基板は交換しなくてもすむ。このガ
ラス窓は着脱可能にするのが好ましく、ガラス窓に所定
量以上の膜が堆積がした場合には、このガラス窓を交換
する。ガラス窓に膜が堆積し過ぎると、堆積物質供給源
からの放射熱の影響が、成膜基板とダミー基板とで異な
ってくるからである。ガラス窓の交換には上述の基板交
換機構を用いることができる。このようなガラス窓を設
けることにより、ダミー基板の状態を、成膜する基板と
ほぼ同じ状態に保つことができる。

【００３１】

【作用】本発明におけるランプヒーターは、Ｙ方向の一
方側に一対の端子があって、他方側に非発熱の接続線が
あるので、次の利点がある。まず、Ｙ方向の一方側に一
対の端子があるので、ランプヒーターの碍子部やリード
線をＹ方向の一方側にまとめて配置することが可能にな
る。これにより、ランプベース台の一方側にフィラメン
トを、他方側に碍子部などを配置できて、碍子部やリー
ド線があまり加熱されないような構成とすることができ
る。したがって、碍子部の内部で断線したり、碍子部や
リード線からガスが発生したりするのを防ぐことができ
る。また、他方側に非発熱の接続線があるので、Ｙ方向
の一方側と他方側における投入パワーがほぼ対称的にな
り、基板面内のＹ方向の温度分布が改善される。

【００３２】本発明では、さらに、ダミー基板を、成膜
する基板と幾何学的に同等な位置に設けて、そのダミー
基板の温度をモニターすることによって基板加熱装置の
制御を行うようにしているので、成膜する基板の温度を
ほぼ正確に把握でき、かつ、精密な温度制御が可能にな
る。また、成膜前から基板温度を常時モニターして基板
温度を制御できるので、ガス導入やシャッターの開閉な
どに起因する基板温度変動要因に確実に対応して、常に
基板温度を一定に保持することができる。さらに、基板
面内の３箇所以上を測定すれば、基板温度分布も常時測
定できる。

【００３３】

【実施例】図１（Ａ）は本発明の第１実施例の正面断面
図であり、（Ｂ）はその平面断面図である。この実施例
は、カルーセル型の移動式の基板ホルダーに対する基板
加熱機構に本発明を適用したものであり、（Ａ）は
（Ｂ）のＡ−Ａ線断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−
Ｂ線断面図である。

【００３４】円筒状の基板ホルダー４０の内部には、６
個のＵ字形ランプヒーター４２が円板状のランプベース
台４４に取り付けられている。Ｕ字形ランプヒーター４
２は、基板ホルダー４０と同心の円周上に等間隔に配置
されている。Ｕ字形ランプヒーター４２は、円筒状の基
板ホルダー４０に囲まれた空間内にあり、加熱効率が良
好である。円筒状の基板ホルダー４０には６個の基板取
り付け板４６が取り付けられている。この基板取り付け
板４６に、膜を堆積するための基板４８が取り付けられ
る。Ｕ字形ランプヒーター４２は基板４８に対向可能な
平面内（すなわち鉛直面内）に配置されている。円筒状
の基板ホルダー４０と円板状のランプベース台４４は互
いに独立しており、円筒状の基板ホルダー４０は矢印４
７の方向に回転する。一方、ランプベース台４４は真空
容器５０に固定され、静止している。したがって、基板
４８は回転しながら加熱され、かつ成膜される。堆積物
質供給源（例えばスパッタリング装置のターゲット）
は、円筒状の基板ホルダー４０よりも外側に配置されて
いる。

【００３５】図２の（Ａ）は、Ｕ字形ランプヒーターと
基板との相対位置関係を示した拡大正面断面図である。
このＵ字形ランプヒーター４２はハロゲンランプであ
り、ガラス製の封入管５２の内部に一対のフィラメント
５４，５５が配置されている。このＵ字形ランプヒータ
ー４２の下端は円板状のランプベース台４４に固定され
ている。基板ホルダーに取り付けられた基板４８は、基
板ホルダーの回転に伴って、Ｕ字形ランプヒーター４２
に対向しながら、矢印５６の方向に移動する。

【００３６】Ｕ字形ランプヒーター４２の一対の端子
は、碍子部５８，５９とリード線６０，６１とから成
る。この一対の端子に、同じ長さの一対のフィラメント
５４，５５が接続されている。そして、一対のフィラメ
ント５４，５５の上端は非発熱の接続線５７で接続され
ている。これらのフィラメント５４，５５と接続線５７
は共通の封入管５２の内部に配置されている。フィラメ
ント５４，５５と接続線５７は、支持リング（図示せ
ず）で支持されていて、封入管５２には接触しない構造
になっている。フィラメント５４，５５は、線径０．１
ｍｍのタングステン線を２重のコイル状にしたものであ
る。一方、接続線５７は線径１ｍｍのタングステン線で
あって、この接続線５７にフィラメント５４，５５をス
ポット溶接で接合してある。接続線５７はフィラメント
の１００倍の断面積を有しているので、電気抵抗が小さ
く、フィラメントと比較して実質的に非発熱の部分とみ
なすことができる。なお、接続線５７はタングステンよ
りも電気抵抗の小さい材質で作ることもできる。

【００３７】Ｕ字形ランプヒーター４２に対する基板４
８の移動方向をＸ方向と定義し、基板に平行な平面内に
おいてＸ方向に垂直な方向をＹ方向と定義すると、一対
のフィラメント５４，５５はＹ方向に延びており、接続
線５７はＸ方向に延びている。この実施例では、Ｘ方向
は水平方向であり、Ｙ方向は上下方向である。Ｕ字形ラ
ンプヒーター４２の一対の端子はＹ方向の一方側すなわ
ち下方側にあり、接続線５７はＹ方向の他方側すなわち
上方側にある。

【００３８】フィラメント５４，５５のＹ方向の長さＨ
Ｌは、基板４８のＹ方向の長さＨＳの１．１倍よりも長
く形成されている。なお、本実施例のように円形基板の
場合は、基板のＹ方向の長さＨＳは、基板の直径に等し
い。この実施例ではＨＬ＝８４ｍｍ，ＨＳ＝７６．２ｍ
ｍであり、ＨＬはＨＳのちょうど１．１倍となってい
る。また、接続線５７の長さは１０ｍｍ以上にするのが
好ましい。

【００３９】Ｕ字形ランプヒーター４２に電力を供給す
ると、フィラメント５４，５５は発熱して高温になる
が、接続線５７は高温にならない。したがって、ランプ
ヒーター４２の下方と上方はほぼ対称に発熱し、その結
果、基板４８はランプヒーター４２によってＹ方向にお
いてほぼ均一に加熱される。基板４８はＸ方向に移動す
るので、基板面内のＸ方向の温度分布はほぼ均一であ
る。

【００４０】Ｕ字形ランプヒーター４２の碍子部５８，
５９とリード線６０，６１はランプベース台４４の下側
に配置されている。これにより、フィラメント５４，５
５が高温に発熱しても、碍子部５８，５９とリード線６
０，６１はそれほど高温にならず、碍子部で断線が起こ
ることはなく、また、この部分からのガスの発生も少な
い。

【００４１】図２の（Ｂ）は基板とランプヒーターの位
置関係を示した側面断面図である。基板ホルダー４０に
は基板取り付け板４６が着脱可能に取り付けられ、この
基板取り付け板４６の貫通孔の内面には、断面が３ｍｍ
角の４個の細長い突起６３が、周方向に等間隔で、溶接
により固定されている。そして、基板４８は、爪部材６
４を用いて、断面が３ｍｍ角の４個の石英片６２を介し
て、突起６３に取り付けられる。したがって、基板４８
は石英片６２とだけ接触する。

【００４２】図３は基板取り付け板４６の正面図であ
る。ステンレス鋼製の基板取り付け板４６には、基板４
８とほぼ同じ大きさの貫通孔６６が形成されていて、そ
の内周面に４個の突起６３が等間隔で溶接されている。
基板４８は爪部材６４を用いて石英片を介して突起６３
に取り付けられる。

【００４３】図２の（Ｂ）に示すように、Ｕ字形ランプ
ヒーター４２から放射された熱線６８は基板４８を均一
に加熱する。基板４８の熱は、熱伝導率の小さい石英片
６２を介して逃げるだけであり、基板取り付け板４６に
熱が直接逃げることがない。爪部材６４はランプヒータ
ー４２に対向する位置にあるので、爪部材６４も加熱さ
れることになり、基板４８の熱が爪部材６４から逃げる
のを防いでいる。このような構成により、基板４８はそ
の外縁までほぼ均一な温度分布となる。

【００４４】図２の（Ｃ）はＹ方向の基板面内の温度分
布を示すグラフである。縦軸がＹ方向での基板面内位
置、横軸が基板温度を表わしている。基板の中央が６０
０℃になるように温度制御したとき、基板の上端と下端
はいずれも５９５℃になり、最大温度差は５℃におさま
っている。

【００４５】図４は基板交換機構の側面断面図である。
成膜室７０にはゲートバルブ７２を介してロードロック
室７４が接続され、このロードロック室７４は専用の排
気系で矢印７６の方向に排気される。ロードロック室７
４の扉７８を矢印８０の方向に開いて、基板搬送棒８２
の先端に基板取り付け板４６を取り付ける。扉７８を閉
じてロードロック室７４を排気し、ゲートバルブ７２を
開いて、基板搬送棒８２により基板取り付け板４６を成
膜室７０内に搬入できる。基板取り付け板４６は基板搬
送棒８２に対して垂直に取り付けられていて、この基板
搬送棒８２は、並進運動８４と回転運動８６が可能であ
る。このような運動により、基板取り付け板４６を、成
膜室７０内の基板ホルダーに取り付けることができる。

【００４６】図５の（Ａ）は基板温度制御機構の鉛直断
面図であり、（Ｂ）はダミー基板の正面図である。ダミ
ー基板８８の表面の中心部のＡ点と、上端付近のＢ点
と、下端付近のＣ点に、それぞれ、熱電対９０，９１，
９２が耐熱性無機接着剤（商品名：アロンセラミック，
東亜合成化学工業製）により接着されている。なお、実
際のＢ点とＣ点の位置は、基板の端部から５ｍｍ程度内
側に入ったところである。このダミー基板８８は、成膜
する基板と同様に、基板取り付け板４６に石英片６２を
介して爪部材６４で取り付けられる。すなわち、基板と
ダミー基板は、基板ホルダーに対する位置関係が幾何学
的に互いに同等になるように配置される。Ｕ字形ランプ
ヒーター４２から放射される熱線６８によりダミー基板
８８は裏面側から一様に加熱される。

【００４７】この実施例では、成膜用の基板として、直
径３インチのＰｔ／Ｔｉ／ＳｉＯ₂／Ｓｉ基板（Ｓｉ基
板の上にＳｉＯ₂，Ｔｉ，Ｐｔを順に積層したもの）を
用いており、基板温度モニター用のダミー基板８８も、
この成膜用の基板と全く同じものを用いている。このよ
うなＰｔ／Ｔｉ／ＳｉＯ₂／Ｓｉ基板は、基板上にＰＺ
Ｔ薄膜を堆積することを想定して選択されたものであ
る。

【００４８】３本の熱電対９０〜９２は、円筒状の基板
ホルダー４０の内部を通って、円筒回転軸９４の内部に
導入され、真空容器５０の外部にあるスリップリング９
６に接続される。このスリップリング９６から補助線９
８が引き出され、これが温度モニターに接続されて、ダ
ミー基板８８の各部の温度を常時モニターできる構成と
なっている。基板の温度制御は、基板の中心部Ａ点の温
度に基づいて、ランプヒーターへの供給電力を制御する
ことにより行われる。

【００４９】円筒状の基板ホルダー４０に固定されてい
る円筒回転軸９４は、モーター１００により歯車１０
２，１０３を介して駆動され、矢印１０４に示すように
回転する。円筒回転軸９４は２個のベアリング１０６に
よって回転可能に支持されている。円筒回転軸９４と真
空容器５０との間はオイルシール１０８によって真空シ
ールされている。

【００５０】図６は、ダミー基板用の透明石英ガラス窓
と基板取り付け板との位置関係を示す拡大側面断面図で
ある。ダミー基板８８が取り付けられた基板取り付け板
４６の前面側（堆積物質供給源に対面する側）には、ダ
ミー基板よりも大きな透明石英製のガラス窓１１０が取
り付けられている。このガラス窓１１０はダミー基板８
８に堆積膜が付着するのを防止している。また、石英ガ
ラスは熱線を比較的透過しやすいので、窓で熱線が遮蔽
されることの悪影響をできるだけ少なくしている。この
ガラス窓１１０は、図４に示した基板交換機構を用い
て、基板取り付け板４６に対して着脱できるようになっ
ている。そして、ガラス窓１１０に１μｍ程度の膜が堆
積したらガラス窓を交換するのが好ましい。例えば、Ｐ
ＺＴ薄膜を堆積する場合、実用的膜厚が約３００ｎｍな
ので、ＰＺＴ薄膜を堆積する作業において３回程度の基
板交換を実施したら、ガラス窓１１０を交換することに
なる。ガラス窓１１０に膜が堆積し過ぎると、堆積物質
供給源からの放射熱の影響、および、ランプヒーターか
ら放出されてダミー基板８８を透過してきた熱線の影響
が、成膜基板の場合とは異なってくるからである。これ
により、ダミー基板が、成膜する基板にできるだけ近い
状態を保つようにして、基板温度モニターの信頼性を確
保している。

【００５１】図７は、基板温度分布について本発明の実
施例と従来例とを比較して示したグラフである。（Ａ）
は図２に示すＵ字形ランプヒーターを用いたときの基板
温度分布であり、（Ｂ）は図１５に示す従来のサークル
状ランプヒーターを用いたときのの基板温度分布であ
る。横軸は、基板温度が定常状態になってからの経過時
間であり、縦軸は基板温度である。（Ａ）（Ｂ）どちら
のグラフも、次のような同一の条件で測定した。ダミー
基板の中心部Ａ点の温度が６００℃となるようにランプ
ヒーター加熱電源を制御し、そのときに、図５（Ｂ）に
示すＡ，Ｂ，Ｃの各点の基板温度を測定した。ダミー基
板は直径３インチのＰｔ／Ｔｉ／ＳｉＯ₂／Ｓｉ基板で
ある。ダミー基板とランプヒーターとが対面したときの
両者間の最小間隔は４５ｍｍである。基板は回転しなが
ら加熱している。

【００５２】図７の（Ｂ）で用いた６個のサークル状ラ
ンプヒーターのサークル部は、直径５０ｍｍの円形であ
る。この場合、基板中心部Ａ点の６００℃に対して、上
端付近Ｂ点の温度は約５８０℃、下端付近Ｃ点の温度は
約５７０℃となり、最大で３０℃の温度差が生じてい
る。

【００５３】これに対して、図７の（Ａ）では、図２に
示すＵ字形ランプヒーターを６個用いている。Ｕ字形ラ
ンプヒーターのフィラメントの長さは、７６ｍｍと８４
ｍｍの２種類を用いた。すなわち、基板の直径とほぼ同
じ長さのものと、基板の直径の１．１倍の長さのもので
ある。フィラメント長さが７６ｍｍの場合には、基板中
心部Ａ点の６００℃に対して、基板上端および下端付近
は約５９０℃となり、最大温度差は１０℃であった。し
たがって、従来よりもＹ方向の温度分布が改善された。
また、フィラメント長さが８４ｍｍの場合は、図７の
（Ａ）に示すように、基板中心部Ａ点の６００℃に対し
て、基板上端および下端付近は５９５℃となって、最大
温度差は５℃とさらに小さくなった。その理由は、フィ
ラメント長さを８４ｍｍと長くすると、基板を取り付け
ている爪部材まで均一に加熱されるため、基板から基板
取り付け板への熱の逃げが少なくなったためである。

【００５４】なお、本実施例において、熱電対が接着さ
れているダミー基板の取り付け姿勢を変更して、３個の
熱電対がＸ方向に並ぶようにして、Ｘ方向での基板温度
分布を測定してみると、基板中心部Ａ点の６００℃に対
してＸ方向の最大温度差が３℃におさまっている。した
がって、Ｘ方向の基板温度分布は非常に良好である。こ
れは、基板がＸ方向に回転しているため、Ｘ方向では均
一に加熱されるためである。また、基板を石英片を介し
て取り付けたり、爪部材も加熱されるようにしたりし
て、基板の周縁からの熱の逃げを防いでいるために、基
板の周縁での温度低下が小さくなり、このことは、Ｘ方
向でもＹ方向でも温度分布の改善に寄与している。

【００５５】上述の実施例はカルーセル型の移動式の基
板ホルダーについて説明しているが、平行平板型の移動
式の基板ホルダーについても同様の結果が得られる。平
行平板型とカルーセル型では、基板とランプヒーターの
配置関係が異なるが、どちらも複数の基板を円周上で移
動させながら、ランプヒーターで直接的に基板の裏面を
加熱することができる。

【００５６】図８は、本発明の第２実施例の、図１と同
様の図である。この実施例は、平行平板型の移動式の基
板ホルダーに対して本発明を適用したものである。真空
容器に固定された円筒状のランプベース台４４ａには、
６個のＵ字形ランプヒーター４２ａが同一円周上にかつ
同一水平面内に取り付けられている。ランプベース台４
４ａには、Ｕ字形ランプヒーター４２ａを取り囲むよう
に反射板１１２が固定されている。

【００５７】回転可能な円板状の基板ホルダー４０ａに
は、６個の基板取り付け板４６ａが同一円周上にかつ同
一水平面内に取り付けられている。基板取り付け板４６
ａに取り付けられた基板４８は、Ｕ字形ランプヒーター
４２ａに対面しながら水平面内を回転する。

【００５８】Ｕ字形ランプヒーター４２ａは、円筒状の
ランプベース台４４ａと反射板１１２と円板状の基板ホ
ルダー４０ａとで囲まれた空間に配置されることにな
り、加熱効率が良好である。ただし、Ｕ字形ランプヒー
ター４２ａの端子は、円筒状のランプベース台４４ａの
外側に出ることになり、あまり高温に加熱されない。

【００５９】基板４８は基板取り付け板４６ａの上側か
ら取り付けられ、上方から加熱される。基板の取り付け
方法は第１実施例と同じである。一方、基板取り付け板
４６ａの下方には堆積物質供給源が配置される。

【００６０】基板ホルダーホルダー４０ａは、その中央
がシャフト１１４に固定されて、矢印１１６に示すよう
に回転する。このシャフト１１４は、円筒状のランプベ
ース台４０の上面板１１８の中央に形成された貫通孔１
２０を通過している。したがって、円板状の基板ホルダ
ー４０ａと円筒状のランプベース台４４ａは同心状に配
置されている。

【００６１】この第２実施例においても基板移動方向に
垂直な方向の基板面内温度分布は第１実施例と同様に改
善された。

【００６２】図９は本発明で使用できるランプヒーター
の変更例を示す正面断面図である。（Ａ）に示すランプ
ヒーターは、４個のフィラメント１２２，１２３，１２
４，１２５と、それらを互いに接続する３個の非発熱の
接続線１２６，１２７，１２８とを備えるものである。
Ｙ方向が上下方向であると仮定すると、このランプヒー
ターは、下方に一対の端子と１個の接続線１２７とを備
えており、上方には２個の接続線１２６，１２８を備え
ている。全体としては概略Ｍ字形の形状をしている。こ
のランプヒーターは図２に示すＵ字形ランプヒーターと
比較して、１個のランプヒーター当たりの発熱量が大き
くなる。図９（Ａ）のランプヒーターは、全体として、
図２のＵ字形ランプヒーターの２倍のフィラメント長さ
を備えているので、フィラメントの単位長さ当たりの最
大発熱量が一定であると仮定すると、図２のＵ字形ラン
プヒーターの約２倍の発熱量を得ることができ、基板加
熱能力が高まる。

【００６３】図９の（Ｂ）に示すランプヒーターは、２
個のフィラメント１３０，１３１と、これらを接続する
１個の接続線１３２とを備えており、この点では、図２
に示すＵ字形ランプヒーターと共通している。ただし、
図２のＵ字形ランプヒーターのフィラメントがＹ方向に
延びているのに対して、図９のランプヒーターのフィラ
メント１３０，１３１はＹ方向に対して傾斜しているの
が異なっている。フィラメント１３０，１３１のＹ方向
の寸法ＨＬは、図２のＵ字形ランプヒーターと同じにし
てある。したがって、各フィラメント１３０，１３１の
長さはＨＬよりも長くなっている。これにより、Ｙ方向
の単位距離当たりの発熱量は、図２のランプヒーターよ
りも大きくなり、基板加熱能力が高まる。

【００６４】図１０は基板取り付け板の着脱機構の一例
を示す斜視図である。基板取り付け板４６には２個の孔
１３２が形成されていて、この孔１３２に、基板搬送棒
８２の先端にある一対の挿入棒１３４を挿入できるよう
になっている。２本の挿入棒１３４はリンク機構１３６
によって開閉動作が可能である。挿入棒１３４を基板取
り付け板４６の孔１３２に挿入した後に、挿入棒１３４
を開けば、挿入棒１３４で基板取り付け板４６をしっか
りと支持できる。基板取り付け板４６の外周面１４４に
は、円弧状の一対の凸部１３８が一体に形成されてい
て、この凸部１３８の周方向の一端には傾斜面１４０が
形成されている。基板取り付け板４６の凸部１３８は、
基板ホルダー４０に設けられた一対の受け部１４２と噛
み合うようになっている。挿入棒１３４で支持した基板
取り付け板４６の外周面１４４を、基板ホルダー４０の
貫通孔１４６に挿入してから、基板搬送棒８２を反時計
方向に回転させると、基板取り付け板４６の凸部１３８
の傾斜面１４０が基板ホルダー４０の受け部１４２の内
部に入っていき、これにより、基板取り付け板４６を基
板ホルダー４０に固定することができる。基板ホルダー
４０から基板取り付け板４６を取り外すときは、上述と
逆の動作を行う。図６に示した透明石英ガラス窓１１０
を基板ホルダーに着脱する機構についても、上述の着脱
機構と同様の構造とすることができる。

【００６５】図１の第１実施例と図８の第２実施例は、
どちらも、６個の基板に対して６個のランプヒーターを
配置しているが、基板とランプヒーターの数はこれに限
定するものではなく任意の個数とすることができる。ま
た、基板は回転しながら加熱されるので、基板とランプ
ヒーターの数は同じにしなくてもよい。

【００６６】

【発明の効果】本発明におけるランプヒーターは、Ｙ方
向の一方側に一対の端子があるので、ランプヒーターの
碍子部やリード線をＹ方向の一方側にまとめて配置する
ことができ、碍子部やリード線があまり加熱されないよ
うな構成とすることができる。したがって、碍子部の内
部で断線したり、碍子部やリード線からガスが発生した
りするのを防ぐことができる。また、Ｙ方向の他方側に
非発熱の接続線があるので、Ｙ方向の一方側と他方側と
における投入パワーがほぼ対称的になり、基板面内のＹ
方向の温度分布が改善される。また、石英片を介して基
板を取り付けることにより、基板から基板取り付け板へ
の熱の逃げを少なくでき、これによっても、基板面内の
温度分布が均一化される。

【００６７】本発明では、さらに、ダミー基板を用いて
基板温度を制御しているので、正確な温度制御が可能で
ある。高基板温度を正確に制御できれば、膜質の再現性
や膜組成の制御性が良好になる。また、新物質を作製す
る場合の結晶化温度を正しく同定することもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の正面断面図と平面断面図
である。

【図２】Ｕ字形ランプヒーターと基板との位置関係を示
した正面断面図と側面断面図、および基板面内の上下方
向の温度分布を示すグラフである。

【図３】基板取り付け板の正面図である。

【図４】基板交換機構の側面断面図である。

【図５】基板温度制御機構の鉛直断面図と、ダミー基板
の正面図である。

【図６】ガラス窓と基板取り付け板の位置関係を示す拡
大側面断面図である。

【図７】基板温度分布について本発明の実施例と従来例
とを比較して示したグラフである。

【図８】本発明の第２実施例の正面断面図と平面断面図
である。

【図９】ランプヒーターの変更例を示す正面断面図であ
る。

【図１０】基板取り付け板の着脱機構の斜視図である。

【図１１】カルーセル型の基板ホルダーに対する従来の
基板加熱機構の正面断面図と平面断面図である。

【図１２】従来の棒状ランプヒーターと基板との位置関
係を示す正面断面図と側面断面図、および基板面内の上
下方向の温度分布を示すグラフである。

【図１３】棒状ランプヒーターを上下方向に延びるよう
に配置した状態の従来例の正面断面図と側面断面図であ
る。

【図１４】棒状ランプヒーターを備える別の従来例の側
面断面図である。

【図１５】サークル状ランプヒーターを用いた従来の基
板加熱機構の正面断面図と平面断面図である。

【図１６】従来のサークル状ランプヒーターと基板との
位置関係を示す正面断面図と側面断面図、および基板面
内の上下方向の温度分布を示すグラフである。

【符号の説明】

４０基板ホルダー４２Ｕ字形ランプヒーター４４ランプベース台４６基板取り付け板４８基板５０真空容器５２封入管５４，５５フィラメント５７接続線５８，５９碍子部６０，６１リード線６２石英片６４爪部材６６貫通孔６８熱線

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基板を取り付け可能な基板ホルダーと、
基板を加熱するためのランプヒーターとを備え、前記ラ
ンプヒーターに対して前記基板ホルダーを相対的に移動
させながら基板を加熱するようにした薄膜作製装置の基
板加熱機構において、前記ランプヒーターは、前記基板に対向可能な平面内に
配置されて、前記基板ホルダーの相対移動方向（以下、
Ｘ方向という。）に垂直な方向（以下、Ｙ方向とい
う。）における一方側に一対の端子を備えるとともに他
方側に非発熱の接続線を備え、前記一対の端子と前記接
続線との間に少なくとも２個のフィラメントが接続さ
れ、前記フィラメントと前記接続線が共通の封入管の内
部に配置されていることを特徴とする基板加熱機構。
【請求項２】前記ランプヒーターは、前記一対の端子
と、Ｘ方向に延びる１個の前記接続線と、２個のフィラ
メントとを備えることを特徴とする請求項１記載の基板
加熱機構。
【請求項３】前記ランプヒーターはＵ字形であること
を特徴とする請求項２記載の基板加熱機構。
【請求項４】前記２個のフィラメントは、互いに平行
で、かつ、Ｙ方向に対して傾斜していることを特徴とす
る請求項２記載の基板加熱機構。
【請求項５】前記ランプヒーターは、Ｙ方向の一方側
にある一対の端子と、Ｙ方向の他方側にあってＸ方向に
延びる２個の非発熱の接続線と、Ｙ方向の一方側にあっ
てＸ方向に延びる１個の非発熱の接続線と、Ｙ方向に延
びる４個のフィラメントとを備え、全体として概略Ｍ字
形の形状をしていることを特徴とする請求項１記載の基
板加熱機構
【請求項６】前記ランプヒーターの前記フィラメント
のＹ方向の寸法は、前記基板のＹ方向の寸法の１．１倍
以上であることを特徴とする請求項１記載の基板加熱機
構。
【請求項７】前記ランプヒーターはランプベース台に
取り付けられ、ランプベース台の一方の側にランプヒー
ターのフィラメントが配置され、ランプベース台の他方
の側にランプヒーターの碍子部とリード線が配置される
ことを特徴とする請求項１記載の基板加熱機構。
【請求項８】前記基板ホルダーには複数の基板を取り
付け可能であり、前記ランプヒーターは複数個配置され
ていることを特徴とする請求項１記載の基板加熱機構。
【請求項９】前記基板ホルダーは回転する円筒ドラム
状であってこれに複数の基板が同一円周上に取り付けら
れ、複数のランプヒーターは前記基板ホルダーの内側に
おいて前記基板ホルダーの回転中心と同心の円周上に配
置されていることを特徴とする請求項８記載の基板加熱
機構。
【請求項１０】前記基板ホルダーは回転する平板状で
あってこれに複数の基板が同一円周上に取り付けられ、
複数のランプヒーターは前記基板ホルダーの回転中心と
同心の円周上に配置されていることを特徴とする請求項
８記載の基板加熱機構。
【請求項１１】前記基板はその両面が露出した状態で
前記基板ホルダーに取り付けられ、前記基板の片面が堆
積物質供給源に対向可能であり、前記基板の他面が前記
ランプヒーターに対向可能であることを特徴とする請求
項１記載の基板加熱機構。
【請求項１２】前記基板は基板取り付け板に取り付け
られ、この基板取り付け板が前記基板ホルダーに着脱可
能に取り付けられ、前記基板取り付け板には前記基板と
実質的に同じ大きさの貫通孔が形成されていることを特
徴とする請求項１１記載の基板加熱機構。
【請求項１３】前記基板の片面の外周付近と前記基板
取り付け板との間に複数の石英片を挟んだ状態で前記基
板が前記基板取り付け板に取り付けられることを特徴と
する請求項１２記載の基板加熱機構。
【請求項１４】前記基板ホルダーにダミー基板を取り
付け、基板と基板ホルダーとの位置関係とダミー基板と
基板ホルダーとの位置関係とが幾何学的に同等になるよ
うに前記ダミー基板を配置し、このダミー基板の温度を
検出して、その検出結果に基づいて前記ランプヒーター
への供給電力を制御することを特徴とする請求項１記載
の基板加熱機構。
【請求項１５】前記ダミー基板を前記基板と同一の材
質で形成したことを特徴とする請求項１４記載の基板加
熱機構。
【請求項１６】前記ダミー基板の片面の少なくとも３
箇所に熱電対を取り付けることを特徴とする請求項１４
記載の基板加熱機構。
【請求項１７】前記ダミー基板の、堆積物質供給源に
対向する面の側に、ダミー基板より大きな透明石英ガラ
ス窓を配置したことを特徴とする請求項１４記載の基板
加熱機構。
【請求項１８】前記ガラス窓を前記基板ホルダーに対
して着脱可能にしたことを特徴とする請求項１７記載の
基板加熱機構。