JP3609777B2 - 薄膜形成方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜形成室内で基板と基材とを相互に押し付けることで、基材に予め形成されている絶縁膜などの薄膜を基板に転写して形成する薄膜形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路の高密度化に伴い、多層配線技術は、必須なものとなっている。多層配線を実現するために、配線層間を分離する絶縁膜や、金属配線層の平坦化技術が開発されてきた。この平坦化技術のうち、転写を用いた方法としてＳＴＰ法が提案されている（Ｋ．Ｍａｃｈｉｄａ ｅｔ ａｌ．，“Ｎｏｖｅｌ Ｇｌｏｂａｌ Ｐｌａｎａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓ ｕｓｉｎｇ Ｓｐｉｎ ｏｎ Ｇｌａｓｓ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｆｅｒ ａｎｄ Ｈｏｔ Ｐｒｅｓｓｉｎｇ”Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ１６（３），Ｍａｙ／Ｊｕｎｅ，１０９３（１９９８））。この技術は、形成したい薄膜を予め基材に形成し、これを減圧環境の中で加熱加圧することで上記薄膜を半導体などの基板上に転写するものである。
【０００３】
上記ＳＴＰ法について図７，図８を用いて簡単に説明する。まず、図７（ａ）に示すように、密閉可能な真空容器７０１に配置された温度調整可能な上プレート７０２に、半導体基板７０３を装着する。一方、予め薄膜７０４が形成されている基材７０５を用意し、これを下プレート７０７上方に配置されている基材装着機構７０６に装着する。基材７０５としては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などからなるシートフィルムを用いる。
【０００４】
つぎに、真空排気ポンプ７０８により、真空容器７０１内を真空に減圧するとともに、プレート駆動装置７０９により、下プレート７０７を上プレート７０２に向けて上昇させる。この過程において、まず下プレート７０７のみを上昇させて基材７０５に接触させ、下プレート７０７の上昇により基材７０５を伸張させる（図７（ｂ））。この後、下プレート７０７と基材７０５（基材装着機構７０６）とが所定の位置関係に達した時点で、基材装着機構７０６と下プレート７０７の位置関係を一定に保ったままさらに上昇させ、基材７０５上の薄膜７０４を上プレート７０２によって保持された半導体基板７０３に当接させる。このとき、下プレート７０７および上プレート７０２は、各々の温度調節機構により所定の温度にしておく。
【０００５】
ここで、下プレート７０７により上プレート７０２が受ける加重が、加重センサ７１０により検出される。加重センサ７１０により、上プレート７０２すなわち半導体基板７０３への加重を測定し、この測定値が所望の値となるようにプレート駆動装置７０９を制御する。この当接させ所定の圧力を加えた状態を所定時間保持した後、基材装着機構７０６と下プレート７０７とを下降させて加重を解放し、半導体基板７０３より基材７０５を離間させ、半導体基板７０３に薄膜７０４が形成された状態を得る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、下プレート７０７を上昇させて基材７０５上の薄膜７０４を半導体基板７０３に当接させる過程で、下プレート７０７と基材７０５の間にわずかに残留していた気体は、真空容器７０１への逃げ道がなく、下プレート７０７と基材７０５の間に閉じ込められた状態となる。一方、この過程の最中においても、真空排気ポンプ７０８は真空排気を続けていて真空容器７０１内部の圧力は徐々に低下していく。この結果、図８（ａ）に示すように、下プレート７０７と基材７０５の間に形成された閉空間内部の気体は、基材７０５を上方に盛り上がらせてしまう。
【０００７】
この状態で、下プレート７０７が上昇を続けて基材７０５上の薄膜７０４を半導体基板７０３に当接させるため、薄膜７０４は中心部から半導体基板７０３に接する。最終的には、図８（ｂ）に示すように、下プレート７０７は上プレート７０２に完全に押し付けられ、所定の加重の加わった状態で停止する。
この後、前述したように、加重を解放し上プレート７０２より半導体基板７０３を取り外し、半導体基板７０３より基材７０５を剥離すると、図９に示すように、転写不良が発生する。
【０００８】
基材７０５の中央部が盛り上がった状態で半導体基板７０３に当接してから、薄膜７０４全域が半導体基板７０３に密着した場合、均一な接触状態が得られなくなり、例えば、図９（ａ），（ｂ）に示すように、枠状の転写不良領域９０１が発生し、堅さや膜質の異なる領域７０４ａ，７０４ｂが形成される場合がある。また、図９（ｃ）に示すように、領域７０４ｃにだけ薄膜が転写される場合，図９（ｄ）に示すように、領域７０４ｄにだけ薄膜が転写される場合などの不良が発生する。
【０００９】
以上のように、前述した従来の薄膜形成方法では、部分的に転写がされない領域が発生するなど、転写不良が発生するという問題があった。
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、転写不良などがない状態で、転写対象の基板全域に薄膜が転写できるようにすることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる薄膜形成方法は、可撓性を有するシート状の基材に薄膜を形成する工程と、真空容器内に配置された第１のプレートに基板を固定する工程と、基材装着機構に基材を展着して固定する工程と、真空容器内を真空排気手段により第１の圧力に真空排気する工程と、真空容器内を第１の圧力とした状態で、真空容器内に第１のプレートに対向して配置された第２のプレートの主表面を基材に密着させる工程と、真空排気手段を制御して真空容器内を第１の圧力以上の第２の圧力とした状態で、基材が密着した第２のプレートを、第１のプレートに近接させ、基材の上に形成された薄膜の表面を基板表面に当接する工程と、第１のプレートと第２のプレートとの間に加重することで、基板に当接した薄膜を基板に圧着する工程とを備えたものである。
この薄膜形成方法によれば、基材が第２のプレートに密着した後は、基材と第２のプレートとの間の圧力より、この外側真空容器内の圧力の方が高い状態となっている。したがって、たとえ基材と第２のプレートとの間に気体が閉じ込められたとしても、この気体が膨張することが抑制され、基材が第１のプレートに向かって盛り上がることが抑制される。
上記薄膜形成方法において、第１の圧力は、真空排気手段により真空容器内を真空排気したときの最低圧力であればよい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
＜実施の形態１＞
はじめに、本発明の第１の実施の形態について説明する。図１，２は、本発明の薄膜形成方法を実施可能とするための薄膜形成装置の概略的な構成とともに、薄膜形成方法を説明するための工程図である。図１に示す薄膜形成装置は、まず、密閉可能な真空容器１０１と、真空容器１０１内の上部に固定された上プレート（第１のプレート）１０２と、転写対象の薄膜１０４が形成された基材１０５を展着する基材装着機構１０６と、上プレート１０２に対向して真空容器１０１内の下部に配置された下プレート（第２のプレート）１０７とを備えている。
【００１２】
基材装着機構１０６は、図１（ａ’）に示すように、円形の枠状に形成され、平面視円形の下プレート１０７と同様に、真空容器１０１内を上下に移動可能にされている。なお、基材装着機構１０６は、枠状に限るものではない。下プレート１０７および基材装着機構１０６は、プレート駆動装置１０９により上下方向に移動する。また、上プレート１０２は、真空容器１０１上部に配置された加重センサ１１０に連通し、上プレート１０２に対する加重が測定可能な状態とされている。なお、基材装着機構１０６とプレート駆動装置１０９との接続関係は、図示していない。
【００１３】
以下、本実施の形態における薄膜形成方法について説明する。まず、図１（ａ）に示すように、上プレート１０２の下面に、図示していない基板装着機構によって、半導体基板１０３を主面を下側に向けて装着する。一方、塗布法などにより予め薄膜１０４が形成されている基材１０５を、薄膜１０４の形成面を上側（上プレート側）に向け、基材装着機構１０６に装着（展着）する。基材１０５は、例えば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などの、可撓性を有し、また可塑性を有する有機材料からなるシートフィルムである。
【００１４】
つぎに、真空排気ポンプ（真空排気手段）１０８の真空排気により真空容器１０１内の圧力を低下させるとともに、プレート駆動装置１０９により、下プレート１０７のみを上昇させる。この動作により、下プレート１０７が基材１０５に接触し、図１（ｂ）に示すように、基材１０５を伸張させる。下プレート１０７が上昇することで、下プレート１０７により基材１０５の一部（中央部分）が押し上げられるが、基材１０５周囲は基材装着機構１０６により固定されている。このため、基材装着機構１０６と下プレート１０７の位置関係によって、基材１０５には、水平方向に引き伸ばす張力と、下プレート１０７による上向きの力が印加され、この結果、基材１０５は伸張する。
【００１５】
本実施の形態では、上述した下プレート１０７が基材１０５に接触した時点で、例えば、真空排気ポンプ１０８による真空容器１０１内の真空排気動作を停止させ、この後は基材１０５が下プレート１０７に接触した時点と同一となる一定の状態、もしくは、これより高い状態となるように、真空容器内の圧力を保つ。
【００１６】
例えば、真空排気ポンプ１０８により真空容器１０１内を真空排気し、真空容器１０１内を、薄膜１０４の半導体基板１０３に対する転写に適した圧力Ｐ０より低い状態の圧力Ｐ１にする。
この後、上述したように、下プレート１０７を上昇させて基材１０５に接触させ、接触したら、真空容器１０１内の真空排気状態を制御し、真空容器１０１内の圧力Ｐ１が維持できる状態、もしくは、真空容器１０１内の圧力が、Ｐ１より大きくＰ０以下の状態に制御する。
【００１７】
このような圧力状態とし、前述したように下プレート１０７の突き上げにより基材１０５が伸張した状態となった後、下プレート１０７と基材装着機構１０６との上下関係を保持したまま、プレート駆動装置１０９により、これらをより上昇させる。
【００１８】
以上のことにより、基材１０５上に形成した薄膜１０４を半導体基板１０３に当接させ、プレート駆動装置１０９の駆動により下プレート１０７を上プレート１０２側に所定の加重で押し付けることで、半導体基板１０３上に薄膜１０４を接着させる（図２）。このとき、上プレート１０２および下プレート１０７は所定の温度とする。また、加重センサ１１０により上プレート１０２に対する加重を測定し、下プレート１０７の上昇による上プレート１０２に対する加重が、所定の範囲内となるようにプレート駆動装置１０９を制御する。
【００１９】
下プレート１０７を上プレート１０２側に押し付けることで、所定の時間、半導体基板１０３表面に薄膜１０４を押し付けて接着させた後、まず、従来と同様にし、上プレート１０２に対する半導体基板１０３の固定状態を解放する。次いで、プレート駆動装置１０９を制御し、基材装着機構１０６および下プレート１０７を上プレート１０２側より降下させ、上プレート１０２から離間させる。最後に、真空容器１０１の内圧を大気圧に戻し、基材１０５を半導体基板１０３から剥離すれば、薄膜１０４が半導体基板１０３に転写された状態を得ることができる。
【００２０】
以上のように、本実施の形態によれば、基材１０５が下プレート１０７に密着してから後は、真空容器１０１内の圧力を一定か、もしくはこれ以上に高くしておき、この後、薄膜１０４を半導体基板１０３に当接させるようにした。このことにより、本実施の形態によれば、図３（ａ）の断面図および図３（ｂ）の平面図に示すように、転写不良のない均一な薄膜の形成が実現できる。
【００２１】
つぎに、上述した薄膜形成方法について、圧力に着目して図４，図５を用いて考察する。まず、真空容器１０１の減圧開始時刻を０とし、下プレート１０７が上昇して基材１０５に接触し始めた時刻をＴ１とする。また、下プレート１０７が上昇して基材１０５を伸張させ、下プレート１０７と基材１０５とが少なくとも下プレート１０７の周縁部において密着した時刻をＴ２とする。
時刻Ｔ２において、下プレート１０７と基材１０５の間に気体が残留していた場合は、真空容器１０１内への気体の逃げ道が閉ざされ、この気体は、下プレート１０７と基材１０５との間の閉空間に閉じ込められた状態となる。
【００２２】
この状態の後、さらに下プレート１０７が上昇し、時刻Ｔ３に基材１０５上の薄膜１０４が半導体基板１０３に接触し始めるとする。また、真空容器１０１内の圧力をＰ（ｔ）、下プレート１０７と基材１０５との間の空間の圧力をＱ（ｔ）、張力により基材１０５を下プレート１０７方向に押し付けようとする下向きの圧力をＲ（ｔ）、下プレート１０７と基材１０５が接触しているときに下プレート１０７が基材１０５に及ぼす上向きの圧力をＳ（ｔ）とする。ここで、下プレート１０７と基材１０５との間に空間があるときは、図４（ａ）、下プレートと基材が接触しているときは図４（ｂ）で示す状態となる。
【００２３】
基材に加わる力を考え、Ｕ（ｔ）≡Ｑ（ｔ）＋Ｓ（ｔ）−Ｒ（ｔ）−Ｐ（ｔ）と定義する。時刻ｔが、０＜ｔ＜Ｔ１のときは、上記閉空間が形成されていないためＱ（ｔ）＝Ｐ（ｔ）であり、下プレート１０７と基材１０５が接触していないため、Ｓ（ｔ）＝Ｒ（ｔ）＝０である。
つぎに、Ｔ１≦ｔ＜Ｔ２のときは、上記閉空間が形成されていないため、Ｑ（ｔ）＝Ｐ（ｔ）のままであるが、下プレート１０７と基材１０５との接触が始まるため、Ｒ（ｔ）が増加していく。
【００２４】
この状態のとき、基材１０５の張力による下向きの力（Ｒ（ｔ）に対応）を支えるように、下プレート１０から基材１０５への抗力（Ｓ（ｔ）に対応）が働き、Ｓ（ｔ）＝Ｒ（ｔ）を満たすように、Ｓ（ｔ）が変化していく。言い換えると、下プレート１０７が上昇するにつれ、Ｕ（ｔ）＝０となる「つりあいの位置」になるようにＲ（ｔ）とＳ（ｔ）が増えていく。
【００２５】
また、Ｔ２≦ｔ＜Ｔ３のときは、下プレート１０７と基材１０５とが下プレート１０７の周縁部において密着することにより下プレート１０７と基材１０５との間に閉空間が形成される。このときも、Ｕ（ｔ）＝０を満たすように、各圧力が変化していく。まず、本実施の形態にかかる方法を用いなかった場合について、図５（ａ）を用いて説明する。閉空間が形成される場合、下プレート１０７が基材１０５に接触した後、Ｐ（ｔ）が減少していく。このため、Ｕ（ｔ）＞０となるが、Ｕ（ｔ）＝０とするように下プレート１０７と基材１０５との間の閉空間内の気体が膨張し、Ｑ（ｔ）を小さくし、Ｒ（ｔ）を大きくする。
【００２６】
真空容器１０１内の圧力Ｐ（ｔ）が、時間ｔの経過とともに低下すると、各力が釣り合う位置を保つため、閉空間内の一定量の気体の体積を増加させることで圧力Ｑ（ｔ）が小さくなり、気体の体積増加により基材１０５が伸張され、これによるさらに大きな張力によって下向きの圧力Ｒ（ｔ）が増加する。また、気体の膨張によって、基材１０５と下プレート１０７が完全に接触を失った場合、Ｓ（ｔ）＝０となる。このようにして、Ｕ（ｔ）＝０を満たすように、基材１０５と下プレート１０７との間の閉空間が膨張していく。
【００２７】
一方、本実施の形態で述べた方法を適用した場合について、図５（ｂ）を用いて説明する。この場合、Ｔ２≦ｔ＜Ｔ３において、Ｐ（ｔ）は減少せず、Ｐ（ｔ）≧Ｐ（Ｔ２）である。Ｐ（ｔ）＝Ｐ（Ｔ２）であれば、状態はｔ＝Ｔ２のときより変化せず基材１０５が、伸張して上に盛り上がるようなことは起きない。また、Ｐ（ｔ）＞Ｐ（Ｔ２）のときは、Ｐ（ｔ）が増加し、Ｕ（ｔ）＜０となる。この場合は、Ｕ（ｔ）＝０となるように、下プレート１０７が基材１０５へ加える上向きの力であるＳ（ｔ）が増加する。従って、基材１０５が、盛り上がることがなく、基材１０５の張力による下向きの圧力Ｒ（ｔ）は変化しない。
【００２８】
以上説明したように、貼り合わせ動作中の真空容器１０１の圧力を制御することにより、下プレート１０７と基板１０５との間の閉空間を膨張させることがなく、基材１０５の中央部が上部に盛り上がった状態となることもない。この結果、本実施の形態によれば、薄膜１０４の中央部と周縁部とが、半導体基板１０３へ接触する時刻が同一となり、半導体基板１０３に対する薄膜１０４の転写を、転写不良なく均質な状態で行うことが可能となる。
【００２９】
なお、上記実施の形態では、真空容器１０１内の減圧を開始してから基材１０５と下プレート１０７とが接触し始めるものとしたが、これに限るものではない。例えば、図６に示すように、基材１０５と下プレート１０７とを予め接触させておいても、基材１０５とプレート１０７との間の空間に、この外部と連通する箇所があれば、接触した後で真空排気を開始するようにしてもよい。本実施の形態では、基材１０５と下プレート１０７との間に閉空間が形成されたら、これ以降は、真空容器１０１内の圧力を低下させないようにしたものである。
【００３０】
＜第２の実施の形態＞
つぎに、本発明の他の形態について説明する。まず、上述した実施形態と同様に、上プレート１０２の下面に、図示していない基板装着機構によって、半導体基板１０３を主面を下側に向けて装着する。一方、予め薄膜１０４が形成されている基材１０５を、薄膜１０４の形成面を上側に向け、基材装着機構１０６に装着する。
【００３１】
つぎに、真空排気ポンプ１０８の真空排気により真空容器１０１内の圧力を低下させるとともに、プレート駆動装置１０９により、下プレート１０７のみを上昇させる。この動作によって下プレート１０７が基材１０５に接触し、図１（ｂ）に示すように、基材１０５を伸張させる。下プレート１０７が上昇することで、下プレート１０７により基材１０５の一部（中央部分）が押し上げられるが、基材１０５周囲は、基材装着機構１０６により固定されている。このため、基材装着機構１０６と下プレート１０７の位置関係によって、基材１０５には、水平方向に引き伸ばす張力と、下プレート１０７による上向きの力が印加され、この結果、基材１０５は伸張する。
【００３２】
ここで、本実施の形態では、上述したことにより基材１０５と下プレート１０７とが完全に密着し、これらの間に閉空間が形成されるまでの間に、真空排気ポンプ１０８による真空容器１０１内の真空排気を、この装置の最大能力まで行い、真空容器１０１内を、到達可能な真空度にまで減圧させておくようにした。これらのことにより、下プレート１０７と基材１０５の間に存在する気体を十分除去して、下プレート１０７と基材１０５間に閉空間ができたとしても、残留している気体量が可能な限り少ない状態としておく。あるいは、真空容器１０１内部の真空度が、到達可能な真空度に達した後に、基材１０５が下プレート１０７に密着した状態とする。
【００３３】
このようにすれば、この後、閉空間内の気体の膨張により、基材１０５の中央部が上方に盛り上がることがない。
これらの後、さらに下プレート１０７を上昇させて、図２（ａ）に示すように、下プレート１０７が基材１０５と薄膜１０４を上プレート１０２に対して押し付ける。次いで、前述した実施形態と同様にし、半導体基板１０３を基板装着機構から解放し、下プレート１０７を下降させて上プレート１０２から離間させ、真空容器１０１の内圧を大気圧に戻し、基材１０５のみを半導体基板１０３から剥離する。このことにより、薄膜１０４が半導体基板１０３に転写されて形成された状態が得られる。
【００３４】
以上のことにより、本実施の形態によっても、図３（ａ）の断面図および図３（ｂ）の平面図に示すように、転写不良のない均一な薄膜の形成が実現できる。以下、本実施の形態の場合について、圧力に着目して考察する。図５（ｃ）に示すように、下プレート１０７と基材１０５とが密着して閉空間を形成する時刻Ｔ２においては、真空度が十分に低くなっており、また、Ｔ２以降は、真空容器１０１内部の圧力がほとんど減少しない。従って、閉空間内部の気体の膨張や、これに伴う基材１０５の盛り上がりもなく、良好な薄膜転写が実現できる。
【００３５】
なお、上記実施形態では、真空容器１０１内の減圧を開始してから基材１０５と下プレート１０７が接触し始めるとしたが、重要なのは基材１０５を下プレート１０７に押し付ける力により基材１０５と下プレート１０７との間の空間が外部から閉ざされ閉空間になる時刻であり、図６に示すように、基材１０５と下プレート１０７とが予め接触していても、これらの間の気体の抜け道があれば、本実施の形態が適用できることは言うまでもない。
なお、基材装着機構は、円形に限るものではなく、例えば矩形の枠であってもよい。また、下プレートも平面視円形に限るものではなく、例えば基板が矩形であれば、下プレートを平面視矩形の状態としてもよい。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、第２のプレート上における基材の盛り上がりを抑制するようにしたので、転写不良などがない状態で、転写対象の基板全域に基材上の薄膜が転写できるようになるというすぐれた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における薄膜形成方法を説明するための工程図である。
【図２】本発明の実施の形態における薄膜形成方法を説明するための工程図である。
【図３】本発明の実施の形態における薄膜形成方法により薄膜を形成した状態を示す断面図（ａ）と平面図（ｂ）である。
【図４】転写の状態を説明する説明図である。
【図５】転写前の基材および薄膜周囲の圧力状態を示す特性図である。
【図６】本発明の他の形態における薄膜形成方法の一部を説明するための工程図である。
【図７】従来よりある薄膜形成方法を説明するための工程図である。
【図８】従来よりある薄膜形成方法を説明するための工程図である。
【図９】従来の薄膜形成方法による薄膜形成の状態を示す断面図（ａ）および平面図（ｂ），（ｃ），（ｄ）である。
【符号の説明】
１０１…真空容器、１０２…上プレート（第１のプレート）、１０３…半導体基板、１０４…薄膜、１０５…基材、１０６…基材装着機構、１０７…下プレート（第２のプレート）、１０８…真空排気ポンプ（真空排気手段）、１０９…プレート駆動装置、１１０…加重センサ。

Claims (2)

1. 可撓性を有するシート状の基材に薄膜を形成する工程と、
   真空容器内に配置された第１のプレートに基板を固定する工程と、
   基材装着機構に前記基材を展着して固定する工程と、
   前記真空容器内を真空排気手段により第１の圧力に真空排気する工程と、
   真空容器内を前記第１の圧力とした状態で、前記真空容器内に前記第１のプレートに対向して配置された第２のプレートの主表面を前記基材に密着させる工程と、
   前記真空排気手段を制御して前記真空容器内を前記第１の圧力以上の第２の圧力とした状態で、前記基材が密着した前記第２のプレートを、前記第１のプレートに近接させ、前記基材の上に形成された前記薄膜の表面を前記基板表面に当接する工程と、
   前記第１のプレートと前記第２のプレートとの間に加重することで、前記基板に当接した前記薄膜を前記基板に圧着する工程と
   を備えたことを特徴とする薄膜形成方法。
2. 請求項１記載の薄膜形成方法において、
   前記第１の圧力は、前記真空排気手段により前記真空容器内を真空排気したときの最低圧力であることを特徴とする薄膜形成方法。

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