JP4187323B2 - 真空成膜処理装置および方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、真空雰囲気中で基板に各種の薄膜の形成やエッチング加工等の成膜処理を行うための真空成膜処理装置および方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
磁気記録装置用の薄膜磁気ヘッドや各種の半導体装置等のような薄膜応用素子の製造工程では、スパッタリング装置等のドライプロセスによる成膜装置が多用されている。この種の成膜装置については、例えば、特開平2−282474号公報に記載がある。この公報に記載の成膜装置は、スパッタリング成膜装置として構成されたもので、導入室、ウェハクリーニング室および成膜室に加えて、搬送装置を有する搬送室を備えている。
【0003】
この成膜装置の例では、ウェハクリーニング室としてのエッチング室および成膜室が各1つずつ設けられているが、一般的には、成膜室やエッチング室は、形成する薄膜の種類に応じてそれぞれ複数設けられる場合が多い。ここで、成膜室は、被薄膜形成物である基板に対して薄膜形成処理を行うためのものであり、エッチング室は、一般に、基板(ウェハ)のクリーニングや、形成された薄膜に対してエッチング処理を施すためのものである。また、導入室は基板およびターゲットを大気中から装置内に導入するためのものである。
【0004】
この成膜装置では、薄膜の形成やエッチング等の処理(以下、成膜処理と総称する。)は、各処理工程に対応して、基板を、対応する成膜室またはエッチング室に順次搬送して行われるようになっている。この基板搬送を行うのが、搬送室における搬送装置である。ここで、導入室は、新たな一群の基板の導入(入れ換え)ごとに、大気圧状態と真空状態との間を遷移し、また、搬送室は、常時、真空状態に保たれるようになっている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、従来の成膜装置では、基板は、搬送室を必ず経由して成膜室またはエッチング室に搬送されるようになっていた。このため、搬送室内において搬送装置の動きに伴って生ずるごみや汚れが基板に付着し、膜質に悪影響を与えたり、膜質の再現性(安定性)を悪化させる等の問題があった。
【0006】
また、上記の成膜装置では、搬送室を真空状態に保つようになっているが、この搬送室は搬送装置を含んでいるので、その容積を小さくすることは困難である。さらに、成膜室は、成膜に必要なすべての部材や機構、すなわち、基板に関連する部分およびターゲットに関連する部分の双方を備えているので、その容積を小さくすることも困難である。このため、搬送装置の保守等のために搬送室を大気圧に戻したり、ターゲットの交換等のために成膜室を大気圧に戻す場合には、大気開放および排気に要する時間が長くなる。これを短縮するためには、排気能力の大きい真空ポンプが必要となり、コストアップとなる。
【0007】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、基板に対するごみや汚れの影響が少なく、しかも、排気容積を小さくすることができる真空成膜処理装置および方法を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の真空成膜処理装置は、成膜処理の対象である基板を収容保持する第1の真空室と、成膜材料を収容保持する少なくとも1つの成膜材料用真空室を含む複数の第2の真空室と、第1の真空室と第2の真空室とを相対的に移動させることが可能な移動手段とを備え、第2の真空室のいずれかと第1の真空室とを選択的に連結して各室内空間同士を連通させて1つの成膜処理室を形成し、第1の真空室内に保持された状態の基板に対する成膜処理を行うようにしたものである。
【0009】
本発明の真空成膜処理方法は、成膜処理の対象である基板を第1の真空室の内部に収容保持し、複数の第2の真空室に含まれる少なくとも1つの成膜材料用真空室の内部に成膜材料を収容保持し、第1の真空室と第2の真空室とを相対的に移動させることにより、第2の真空室のいずれかと第1の真空室とを選択的に連結して各室内空間同士を連通させて1つの成膜処理室を形成し、第1の真空室内に保持された状態の基板に対する成膜処理を行うようにしたものである。
【0010】
ここで、成膜処理には、薄膜を形成すること、および形成した薄膜を除去しまたは所定の形状に加工することの双方が含まれるものとする。また、真空とは、厳密な意味での真空のみを意味するのではなく、大気圧よりも圧力の低い空間または状態をも意味するものとする。以下の説明中においても同義である。
【0011】
本発明の真空成膜処理装置または方法では、基板を収容保持する第1の真空室と、成膜材料を収容保持する少なくとも1つの成膜材料用真空室を含む複数の第2の真空室との間で、相対的な移動動作が行われて、第2の真空室のいずれかと第1の真空室とが選択的に連結され、各室内空間同士が連通されて1つの成膜処理室が形成される。そして、この状態で、第1の真空室内に保持された状態の基板に対する成膜処理が行われ
る。
【0012】
本発明の真空成膜処理装置または方法では、複数の第2の真空室を所定の方向に沿って配列し、これらの複数の第2の真空室の全体を一体として所定の方向に移動させるようにすることが可能である。
【0013】
また、本発明の真空成膜処理装置または方法では、上記の所定の方向が、水平方向に延びる直線に沿ったものであるようにし、または、水平方向に延びる円に沿ったものであるようにすることが可能である。これらの場合には、第1の真空室を、第2の真空室の配列を包含する水平面内に配置することが可能である。さらに、この場合には、第1の真空室を第2の真空室に向かって水平方向に移動させるようにすることが可能である。
【0014】
また、本発明の真空成膜処理装置または方法では、第1の真空室を、第2の真空室の上方または下方に配置するようにしてもよい。この場合には、第1の真空室を第2の真空室に向かって鉛直方向に移動させるようにすることが可能である。
【0015】
また、本発明の真空成膜処理装置または方法では、上記の所定の方向が、鉛直方向に延びる直線に沿ったものであるようにしてもよい。この場合には、第1の真空室を、第2の真空室の配列を包含する鉛直面内に配置することが可能である。さらに、この場合には、第1の真空室を第2の真空室に向かって水平方向に移動させるようにすることが可能である。
【0016】
また、本発明の真空成膜処理装置または方法では、成膜材料用真空室が、成膜材料としてスパッタリング用のターゲットを収容保持するスパッタリング用真空室であるようにしてもよい。
【0017】
また、本発明の真空成膜処理装置または方法では、複数の第2の真空室に、エッチング用電極を収容保持するエッチング用真空室が含まれるようにしてもよい。
【0018】
また、本発明の真空成膜処理装置または方法では、スパッタリング用のターゲットの極性を、スパッタリング処理を行う場合と逆極性となるように設定して、エッチング電極を実現することが可能である。
【0019】
また、本発明の真空成膜処理装置または方法では、第1の真空室と第2の真空室とを連通させる以前の成膜処理を行っていない待機状態において、第1の真空室が成膜処理に適した真空度を維持するように制御し、第2の真空室が第1の真空室の真空度以上の高真空状態を維持するように制御することが可能である。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図1〜図5は、本発明の一実施の形態に係る真空成膜処理装置の構成を表すものである。ここで、図1は真空成膜処理装置の全体を俯瞰したときの外観構成を表す。図2は、図1におけるターゲット側機構部1を正面側(図1の矢印A1の方向)から見た場合の構成を表し、図3は、ターゲット側機構部1を側面側(図1の矢印B1の方向)から見た場合の構成を一部破断にて表す。図4は、図1における基板側機構部2を正面側(図1の矢印A2の方向)から見た状態を一部破断にて表し、図5は、基板側機構部2を側面側(図1の矢印B2の方向)から見た場合の構成を一部破断にて表す。
【0021】
なお、本実施の形態に係る真空成膜処理方法は、本実施の形態に係る真空成膜処理装置によって具現化されるので、以下併せて説明する。
【0022】
まず、図1を参照して、真空成膜処理装置の全体構成について説明する。本実施の形態では、真空成膜処理装置の例として、直流電界印加方式によるスパッタリングおよびエッチングを連続的に行うことを可能とする装置について説明する。但し、直流電界印加方式のみならず、高周波電界印加方式、あるいはその他の方式にも適用は可能である。
【0023】
図1に示したように、この真空成膜処理装置は、ターゲット側機構部1と基板側機構部2とを備えている。ターゲット側機構部1は、スパッタリングターゲットをそれぞれ収容する3つのターゲット室11a〜11cと、1つのエッチング室12と、移動機構部13とを有している。ターゲット室11a〜11cおよびエッチング室12の正面側には、それぞれ、ターゲット室11a〜11cおよびエッチング室12の各室内を外部空間から遮断したり開放するために駆動されるゲートバルブ14a〜14dが設けられている。ターゲット室11a〜11cおよびエッチング室12は、移動機構部13の移動プレート130上に固設されており、これらが一体となって、移動機構部13により、図のX方向に直線移動可能である。ここで、ターゲット室11a〜11cおよびエッチング室12が本発明における「第2の真空室」に対応する。特に、ターゲット室11a〜11cが本発明における「成膜材料用真空室」としての「スパッタリング用真空室」に対応し、エッチング室12が本発明における「エッチング用真空室」に対応する。また、移動機構部13が本発明における「移動手段」の一部に対応する。
【0024】
移動機構部13は、基台17上に固設されたベースプレート131と、ベースプレート131上に固設されたレール132a,132bと、ベースプレート131の一端側にその上面から立ち上がるようにして設けられた肩部131aに取り付けられたモータ133とを有している。レール132a,132bは、移動プレート130の下面のレール溝(図示せず)に嵌合し、移動プレート130の移動を案内する機能を有する。モータ133の図示しない回転軸は、肩部131aを貫くようにして設けられたボールねじ134の一端側に連結されている。ボールねじ134の他端側は、移動プレート130のボールねじ穴に螺入されている。モータ133が回転駆動することでボールねじ134が回転し、これにより、移動プレート130は、レール132a,132bにより案内されながら、ターゲット室11a〜11cおよびエッチング室12を載せてX方向に移動するようになっている。
【0025】
基板側機構部2は、基板室21と、この基板室21の下側に設けられ、多数の基板を収容可能な基板収容室22と、基板室21と基板収容室22との間に設けられたゲートバルブ23と、基板室21の正面側に設けられたゲートバルブ24と、移動機構部25とを有している。ゲートバルブ24は、基板室21の内部を外部空間から遮断したり開放するためのものである。基板収容室22、ゲートバルブ23および基板室21は、基台を兼ねた移動機構部25の移動プレート250上に固設されており、これらが一体となって、移動機構部25により、図のY方向に直線移動可能である。ゲートバルブ23は、基板室21と基板収容室22との間を遮断したり開放するためのものである。ここで、基板室21が本発明における「第1の真空室」に対応し、移動機構部25が本発明における「移動手段」の他の一部に対応する。
【0026】
移動機構部25は、支持盤251と、支持盤251上に固設されたレール252a,252bと、支持盤251の一端側の側面に取り付けられたモータ253とを有している。レール252a,252bは、移動プレート250の下面のレール溝(図示せず)に嵌合し、移動プレート250の移動を案内する機能を有する。モータ253の図示しない回転軸は、支持盤251の一端側の側面を貫くようにして設けられたボールねじ254の一端側に連結されている。このボールねじ254の他端側は、移動プレート250の下側に設けられた突起部250a(図1では図示せず、図5で図示)のボールねじ穴に螺入されている。モータ253が回転駆動すると、ボールねじ254が回転する。これにより、移動プレート250は、レール252a,252bにより案内されながら、基板収容室22、ゲートバルブ23および基板室21を載せて、図のY方向に直線移動するようになっている。
【0027】
次に、図2および図3を参照して、ターゲット側機構部1の構造を詳細に説明する。
【0028】
図3に示したように、ターゲット室11aは、チャンバ本体110と、このチャンバ本体110の前面側(正面側)に形成された開口部111と、チャンバ本体110の背面側からチャンバ内部に突出するように設けられたターゲットアッセンブリ部112とを備えている。ターゲットアッセンブリ部112の前面側には、スパッタリング用成膜材料としてのターゲット114が脱着可能に固設されている。ターゲット114としては、例えば、タンタル(Ta)、チタニウム(Ti),パーマロイ(FeNi)、コバルト白金(CoPt)、白金マンガン(PtMn)等の金属材料が用いられる。このターゲット114は、スパッタリング時において陰極となるものである。ターゲットアッセンブリ部112には冷却管113a,113bが接続されている。これらの冷却管の内部を循環する冷却水によってターゲットアッセンブリ部112の内部、ひいてはターゲット114が冷却されるようになっている。なお、必要に応じて、ターゲットアッセンブリ部112の内部にサマリウムコバルト(SmCo)磁石を設けるようにしてもよい。
【0029】
チャンバ本体110の背面側には、排気管115a〜115cが接続されている。排気管115a、115bおよび115cは、それぞれ、ターゲット側機構部1専用のクライオポンプ、ターボ分子ポンプおよびロータリーポンプ(いずれも図示せず)に接続されている。これらのポンプを選択的にシーケンシャルに駆動し、あるいは組み合わせて駆動することにより、チャンバ本体110の内部を高真空状態に保つことができるようになっている。ここで、クライオポンプは、冷凍機を運転することにより極低温の固体表面を作り、その面で気体を凝縮させて気体分子を空間から排除する形式の真空ポンプであり、超高真空を得ることができるものである。ターボ分子ポンプは、互いに逆向きの角度のついた固定羽根車(ステータ)と回転羽根車(ロータ)とを交互に配置し、気体分子がこの構造を通過する確率がその通過の方向により異なることを利用して排気作用を得るようにした真空ポンプであり、10-9Torr以下の超高真空を得ることができる。ロータリーポンプは、ロータを回転させて機械的に空気をかき出す方式の真空ポンプであり、大気圧から10-2Torr程度までの真空が得られる。
【0030】
図3に示したように、ターゲット室11aは、ターゲット114およびその保持に関わる部材または機構のみを含んでおり、従来の成膜室のように基板の保持に関わる部材または機構を含んではいないので、チャンバ本体110の容積は、従来の成膜室に比べて十分小さい。このため、ターゲット側機構部1におけるすべての真空室、すなわち、ターゲット室11a〜ターゲット室11cおよびエッチング室12によって1つの排気系(すなわち、一組のクライオポンプ、ターボ分子ポンプおよびロータリーポンプ)を共有するように構成することが可能である。
【0031】
図2および図3に示したように、ゲートバルブ14aは、ハウジング部141と、このハウジング部141の内部に摺動可能に設けられたバルブプレート142と、油圧または空気圧等によってスピンドル143aを往復運動させることが可能なシリンダ143と、スピンドル143aとバルブプレート142との間に伸縮自在に設けられたパンタグラフ144とを有している。ハウジング部141には、ターゲット室11aの開口部111に対応する位置に、開口部111とほぼ同大の開口部145が、ハウジング部141を表から裏まで貫通するようにして形成されている。パンタグラフ144は、ハウジング部141におけるある点を支点147(図2)として伸縮可能になっている。支点147を境として短いアームの側にスピンドル143aが接続され、長いアームの側にバルブプレート142が接続されている。このような構造により、シリンダ143のスピンドル143aの僅かのストローク運動によって、バルブプレート142の大きなストロークを得ることができるようになっている。開口部145は、バルブプレート142によって遮断され、または開放される。
【0032】
図3に示したように、ゲートバルブ14aの前面側における開口部145の周囲部分は一段高く形成され、この段部分の上端面および下端面に、それぞれ連結位置決め溝146a,146bが形成されている。これらの連結位置決め溝146a,146bには、後述するようにターゲット室11aと基板室21とを連結する際に、基板室21側のゲートバルブ24に設けられた連結位置決め爪241a〜241d(図5)が係止して、ターゲット室11aと基板室21との相互間の位置決めがなされるようになっている。
【0033】
なお、他のターゲット室11b,11cは、ターゲット室11aと同様の構造を有し、また、他のゲートバルブ14b〜14dは、ゲートバルブ14aと同様の構造を有している。また、エッチング室12は、ターゲット114が陰極でなく陽極とされる点を除き、ターゲット室11aの構造と同様である。
【0034】
次に、図4および図5を参照して、基板側機構部2の構造を詳細に説明する。
【0035】
図5に示したように、基板室21は、チャンバ本体210と、このチャンバ本体210の前面側(正面側)に形成された開口部211と、チャンバ本体211の背面側からチャンバ内部に突出するように設けられた基板ホルダアッセンブリ部212とを備えている。基板ホルダアッセンブリ部212の前面側には、図示しない陽極が形成されており、ここに、後述する図6に示したように、基板収容室22から成膜処理対象である基板(ウェハ)221(図5)が搬送されて、クランプ爪213aにより保持されるようになっている。このクランプ爪213aは、基板ホルダアッセンブリ部212の背面外側に設けられたアクチュエータ部213bによって駆動される。基板ホルダアッセンブリ部212の基板取り付け面の裏側には、基板加熱用のヒータ214が配設されている。また、基板ホルダアッセンブリ部212には、冷却管215a,215bが接続され、これらの冷却管の内部を循環する冷却水によって基板ホルダアッセンブリ部212の内部、ひいては基板221の過熱が防止されるようになっている。
【0036】
チャンバ本体210の上面には、基板室21専用のクライオポンプ216が直付けされている。チャンバ本体210の背面には、基板室21専用のターボ分子ポンプ(図示せず)に接続された排気管217aが接続され、また、チャンバ本体210の一方の側面には、排気管217bが接続されている。この排気管217bは、バルブ219を介して、基板室21および基板収容室22により共用されるロータリーポンプ(図示せず)に接続されている。そして、クライオポンプ216、ターボ分子ポンプおよびロータリーポンプを選択的にシーケンシャルに駆動し、あるいは組み合わせて駆動することにより、チャンバ本体210の内部を高い真空度まで排気できるようになっている。また、基板室21の一側面には、スパッタリングの際に使用する所定のガス(例えば、アルゴン(Ar))を導入するためのガス導入管218が接続されている。
【0037】
基板収容室22は、本体部220の底面上に設けられたレール222a,222b上を移動可能に設けられ、多数の基板221を保持する基板ストッカー223と、本体部220の底面上に設けられたモータ224と、一端側がモータ224の回転軸(図示せず)に連結されたボールねじ225とを備えている。ボールねじ225の他端側は、基板ストッカー223の側面に設けられた突起部223a(図4)のボールねじ穴に螺入されている。モータ224が回転駆動されると、ボールねじ225が回転し、これにより、基板ストッカー223全体が、レール222a,222bによって案内されながら、図5に示したy方向に直線移動するようになっている。
【0038】
基板収容室22の本体部220の下面には、油圧または空気圧によってスピンドル227を鉛直方向(図のz方向)に沿って往復移動させることが可能なシリンダ226が取り付けられている。スピンドル227の上端側は本体部220の底面を貫いて本体部220の内部にまで延びており、その先端には、基板221を把持することが可能な溝を有する把持部228が取り付けられている。なお、シリンダ226は、支持盤251の中央部にy方向に沿って設けられた切欠き部251aにより、支持盤251との干渉が回避されている。
【0039】
図4に示したように、基板ストッカー223の中央部分は、上下方向に完全に切り欠かれている。この切欠き部の両側部分には、図示しない多数の溝がy方向に一定間隔で形成されており、これらの各溝に基板221が挿入配置されている。把持部228は、シリンダ226が駆動されると、基板ストッカー223の上記の切欠き部の内側を上昇移動して、基板ストッカー223に収容された一枚の基板221を把持することが可能である。基板221を把持した把持部228は、さらに、ゲートバルブ23が開いた状態で基板室21の内部にまで移動し、基板221を基板ホルダアッセンブリ部212の位置まで搬送できるようになっている。
【0040】
基板収容室22の一側面には、排気管229が接続されている。この排気管229は、バルブ229aを介して、基板室21および基板収容室22により共用される上記のロータリーポンプ(図示せず)に接続されている。そして、バルブ229aを開けることによって、基板収容室22の内部が所定の真空度まで排気されるようになっている。
【0041】
ゲートバルブ24の上下端には、基板室21とターゲット室11aとを連結させたときにターゲット室11a側の連結位置決め溝146a,146bに噛み合うこととなる連結位置決め爪241a〜241dが設けられている。また、ゲートバルブ24の前面側には、開口部242の周囲に沿って円形溝が形成され、ここにOリング243が埋設されている。このOリング243によって、基板室21とターゲット室11aとを連通させたときに外気がチャンバ内に漏れ込んでくるのを防止できるようになっている。なお、ゲートバルブ24のその他の構造は、ターゲット側機構部1のゲートバルブ14a等と同様であり、その説明を省略する。また、ゲートバルブ23の構造もゲートバルブ14a等と同様であり、その説明を省略する。
【0042】
次に、図6〜図8を参照して、このような構成の真空成膜処理装置の動作を説明する。
【0043】
ここでは、まず、基板収容室22内に収容された基板を基板室21内に搬送してセットしたのち、この基板に、ターゲット室11a内に収容保持されたターゲットを成膜材料として用いて成膜処理を行う場合の一連の動作を例示して説明する。なお、ここでは、基板側機構部2における基板収容室22には既に基板221が収容されており、基板室21および基板収容室22の内部はそれぞれ所定の真空度(例えば、4×10-2Torr程度)に保たれているものとする。また、ターゲット側機構部1のターゲット室11aは、所定の高真空度(1×10-5Torr程度)に保たれているものとする。
【0044】
まず、基板収容室22のモータ224を回転駆動させて、基板ストッカー223を移動させることにより、処理対象の基板221を搬送起点位置(すなわち、把持部228の真上の位置)に位置決めする。
【0045】
次に、基板収容室22と基板室21の真空度が一致するように排気系を制御する。これらの2つの室の真空度が一致すると、ゲートバルブ23を開き、シリンダ226を駆動させる。これにより、把持部228は上昇して基板221を把持したまま基板室21内へと移動して、基板221を基板ホルダアッセンブリ部212の所定位置まで搬送する。ここで、基板221は、クランプ爪213によって基板ホルダアッセンブリ部212に固定される。次に、シリンダ226を駆動させて、把持部228を元の位置まで戻し、ゲートバルブ23を閉じる。
【0046】
一方、ターゲット側機構部1では、移動機構部13のモータ133を回転駆動させて、ターゲット室11a〜ターゲット室11cおよびエッチング室12の全体をX方向に移動させて、ターゲット室11aを所定の位置に位置決めする。
【0047】
次に、基板側機構部2では、移動機構部25のモータ253を回転駆動させて、基板室21および基板収容室22等からなるユニットをターゲット側機構部1の方向に移動させ、基板室21を、ターゲット室11aと連結可能な位置まで進める。この位置で、基板側機構部2のゲートバルブ24に設けられた連結位置決め爪241a〜241dを駆動して、ターゲット側機構部1のゲートバルブ14aに設けられた連結位置決め溝146a,146bにそれぞれ噛み合わせ、両者間の相対的位置決めを完了する。なお、連結位置決め爪241a〜241dの駆動は、例えば、図示しないモータ等のアクチュエータによって行うことが可能である。
【0048】
図6は、ターゲット室11aに対する基板室21の位置決めが完了した状態を表すものである。この図は、図1における矢印B1,B2 の方向から見た状態を示している。この図に示したように、ターゲット側機構部1のゲートバルブ14aの表面と基板側機構部2のゲートバルブ24の表面とがOリング243を挟んで当接している。連結位置決め爪241a,241bおよび241c,241dは、ターゲット側機構部1の連結位置決め溝146aおよび146bにそれぞれ噛み合っている。
【0049】
次に、ターゲット室11aの内部に、所定のガス(例えば、アルゴン)を導入して、その真空度を基板室21の真空度に一致させる。ここで、まず基板側機構部2のゲートバルブ24を開ける。これにより、ゲートバルブ14aとゲートバルブ24との間に存在していた僅かな空気が基板室21の側に移動して排気される。次に、ゲートバルブ14aを開ける。これにより、図7に示したように、ターゲット室11aの内部と基板室21の内部とが連通し、1つの成膜室30が形成される。なお、この図は、図6と同様に、図1における矢印B1,B2 の方向から見た状態を示している。
【0050】
ここで、成膜室30内は外気に対して負圧となっているので、ターゲット室11aと基板室21とは互いに強く引き合い、また、ゲートバルブ14aとゲートバルブ24との当接面にはOリング243が介在している。このため、形成された成膜室30内の気密は十分に保たれる。
【0051】
次に、基板室21のガス導入管218(図4)からアルゴンガスを導入して、成膜室30内の真空度を、例えば1〜2×10-2Torr程度にしたのち、ターゲット114と基板221との間に直流電界を印加することにより、スパッタリングを行う。具体的には、アルゴンガス雰囲気においてグロー放電が発生し、プラズマ中の正イオンがターゲット114の表面に衝突してターゲット原子をはじき出す。そのはじき出されたターゲット原子が、電界に引かれて陽極上の基板221の表面に堆積し、そこに薄膜が形成される。
【0052】
こうしてスパッタリングが終了すると、ゲートバルブ14aおよびゲートバルブ24を閉じる。次に、これらの2つのゲートバルブにより挟まれた空間内に、図示しないリーク弁によって空気を導入し、この空間を大気圧に戻す。これにより、次のステップで行うターゲット室11a〜11cと基板室21との分離が容易となる。次に、連結位置決め爪241a〜241dを連結位置決め溝146a,146bからリリースする。
【0053】
次に、基板側機構部2のモータ253を回転駆動させて、基板室21および基板収容室22等からなるユニットをターゲット側機構部1から離れる方向に移動させて元の位置に戻す。
【0054】
一方、ターゲット側機構部1では、移動機構部13によってターゲット室11a〜11cおよびエッチング室12の全体を移動させ、次の成膜工程で用いるターゲット室(例えば、ターゲット室11b)を定位置まで移動させる。
【0055】
そして、ターゲット側機構部1におけるターゲット室の移動が完了すると、基板側機構部2は、基板室21等を再びターゲット側機構部1の方向に移動させて、上記と同様の連結および連通動作を行い、しかるのちスパッタリング処理を行う。
【0056】
以下同様にして、ターゲット室11a〜11cおよびエッチング室12と、基板室21との相互位置関係を変えながら、両者を連結、連通させて成膜室を形成し、順次、スパッタリングまたはエッチングを行う。なお、基板221上に形成された薄膜のエッチング、または成膜処理前の基板クリーニングは、エッチング室12と基板室21とを連結・連通させて形成される成膜室によって行う。この場合には、エッチング室12のターゲット114は陽極とされ、エッチング電極として機能する。
【0057】
基板221に対するすべての成膜処理が終了すると、基板側機構部2は、基板室21および基板収容室22を含むユニットを元の定位置に戻した上で、基板室21と基板収容室22の真空度を一致させ、ゲートバルブ23を開く。そして、シリンダ226を駆動させて把持部228を移動させ、基板221を基板収容室22の基板ストッカー223における元の位置に戻す。さらに、未処理の基板がある場合には、基板ストッカー223を所定量移動させて、次の基板を搬送起点位置に位置決めする。以下の動作は上記と同様である。
【0058】
図8は、排気開始からスパッタリングを行う段階に至る、ターゲット室11aおよび基板室21の真空度の変化の様子の一例を表すものである。この図で、(a)はターゲット室11aの真空度の変化を示し、(b)は基板室21の真空度の変化を示す。これらの図で、横軸は排気時間を示し、縦軸は真空度を示す。また、符号Roはロータリーポンプによる排気曲線を示し、符号Crはクライオポンプによる排気曲線を示し、符号Tu+Crはターボ分子ポンプおよびクライオポンプの併用による排気曲線を示す。
【0059】
これらの図に示したように、ターゲット室11aについて見ると、まずロータリーポンプによってC1点(7×10-3Torr程度)まで排気した後、クライオポンプによって1×10-6Torr程度まで排気する。この間、約40分である。一方、基板室21について見ると、まずロータリーポンプによってC2点(7×10-3Torr程度)まで排気した後、クライオポンプによって1×10-6Torrあるいはそれ以上の高真空度まで排気する。この間、約20分である。そして、約40分が経過した時点S1,S2で、ターゲット室11aと基板室21とを連結し、さらにアルゴンガスを導入して、真空度を約1×10-3Torr程度とする。この状態で、スパッタリングを開始する。スパッタリング開始後は、クライオポンプに加えてターボ分子ポンプをも用いて排気を行う。
【0060】
以上のように、本実施の形態に係る真空成膜処理装置によれば、基板を収容保持する基板室21と、ターゲットを収容保持するターゲット室11a〜11cおよびエッチング室12とを相対的に移動させ、ターゲット室11a〜11cおよびエッチング室12のいずれかと基板室21とを選択的に連結・連通させて成膜室30を形成し、この成膜室30内で基板への成膜処理を行って多層膜を形成するようにしたので、従来設けられていた搬送室が不要となる。このため、従来のように基板が搬送室を通過する際に発生していたごみや汚れの問題がなくなり、膜質の品位およびその安定性が向上する。
【0061】
また、ターゲット室は、ターゲットおよびその保持に係る部材のみを収容しているだけなので、その容積は極めて小さくて済み、例えばターゲットの交換や保守のために大気開放を行った場合においても、極めて短時間で元の高真空状態に復帰することができ、生産性が良い。また、排気に必要なポンプの排気能力が従来より小さくてよいので、設備コスト上でも有利である。
【0062】
また、従来のように基板そのものを各成膜室間で移動するという方式ではなく、基板を基板室内に固定し、この基板室とターゲット室との間の相対的位置関係を変化させる方式としたので、ターゲット室と基板室との組み合わせの自由度が大きく、以下に挙げるような様々なレイアウトバリエーションが可能である。
【0063】
すなわち、本実施の形態では、ターゲット側機構部1におけるターゲット室11a〜11cおよびエッチング室12を水平方向の直線上に並ぶように配列すると共に、この配列方向を含む面内(水平面内)に基板室21を配置するようにしたが、そのほか、例えば図9〜図13に示したような様々な変形が考えられる。以下、それぞれの変形例について説明する。なお、これらの図では、ターゲット室と基板室のみを簡略化して図示し、その他の機構部分は省略している。また、これらの図で、ターゲット室Tは、上記実施の形態におけるターゲット室11a〜11cおよびエッチング室12を代表して表すものであり、基板室Sは、上記実施の形態における基板室21に対応するものである。また、ゲートバルブGtは上記実施の形態におけるゲートバルブ14a等に対応し、ゲートバルブGsは上記実施の形態におけるゲートバルブ24に対応するものである。
【0064】
図9は、水平面内に配置されたターンテーブルTA上に、このターンテーブルと同心の円に沿ってターゲット室Tを複数配置すると共に、基板室SをターンテーブルTAの内側に配置した変形例の平面配置構成を表すものである。この変形例では、ターゲット室TはターンテーブルTAの移動により円周方向Rに沿って回転移動可能であり、基板室SはターンテーブルTAの半径方向Yに沿って直線移動可能である。また、ゲートバルブGt,Gsによって開閉される各室の開口面(連通面)は、いずれも、上記実施の形態の場合と同様に水平方向を向くように配置されている。本変形例によれば、多くのターゲット室Tが必要な場合であっても配置スペースをあまりとらず、コンパクトなレイアウトが可能である。なお、例えば図10に示したように、基板室SをターンテーブルTAの外側に配置し、この基板室SをターンテーブルTAの半径方向Xに沿って直線移動させるようにしてもよい。
【0065】
図11は、鉛直方向にターゲット室Tを複数配置すると共に、基板室Sを、上記鉛直方向を含む面内に含まれるように配置した変形例の空間配置構成を表すものである。この変形例では、ターゲット室Tは鉛直方向に昇降移動可能であり、基板室Sは水平方向Yに沿って直線移動可能である。また、ゲートバルブGt,Gsによって開閉される各室の開口面は、いずれも、上記変形例(図9)の場合と同様に水平方向を向くように配置されている。本変形例によれば、多くのターゲット室Tが必要な場合であっても、平面的配置スペースを上記変形例の場合よりもさらに縮小することができる。
【0066】
図12は、水平面内にターゲット室Tを複数配置すると共に、基板室Sを、ターゲット室Tの上方に配置した変形例の空間配置構成を表すものである。この変形例では、ターゲット室Tは水平方向Xに沿って直線移動可能であり、基板室Sは鉛直方向Zに沿って昇降移動可能である。本変形例では、ゲートバルブGtによって開閉されるターゲット室Tの開口面はいずれも上向きであり、ゲートバルブGsによって開閉される基板室Sの開口面は下向きである。
【0067】
図13は、水平面内に配置されたターンテーブルTA上に、このターンテーブルと同心の円に沿ってターゲット室Tを複数配置すると共に、基板室Sをターゲット室Tの上方に配置した変形例の空間配置構成を表すものである。ターゲット室TはターンテーブルTAの移動と共に円周方向Rに沿って回転移動可能であり、基板室Sは鉛直方向Zに沿って昇降移動可能である。なお、ゲートバルブGtによって開閉されるターゲット室Tの開口面がいずれも上向きでゲートバルブGsによって開閉される基板室Sの開口面が下向きである点は、上記変形例(図12)の場合と同様である。
【0068】
以上、いくつかの実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、上記実施の形態および上記各変形例では、ターゲット室Tをその配列方向(X方向)に移動させると共に、基板室Sを、ターゲット室Tの配列の移動方向と直交する方向(Y方向)に移動させるようにしたが、本発明はこれに限定されず、ターゲット室Tの配列と基板室Sとが相対的に移動する態様である限りにおいて、その他の態様で移動させるようにしてもよい。例えば、ターゲット室TをY方向に移動させ、基板室SをX方向に移動させるような構成も可能である。また、ターゲット室Tの側を固定し、基板室SのみをXY方向に移動させるようにしてもよい。あるいは、逆に、基板室Sの側を固定し、ターゲット室Tの側のみをXY方向に移動させるようにしてもよい。
【0069】
また、例えば図12および図13に示した変形例では、基板室Sをターゲット室Tの上方に配置するようにしたが、逆に、基板室Sをターゲット室Tの下方に配置するようにしてもよい。
【0070】
また、上記実施の形態では、真空成膜処理装置が3つのターゲット室と1つのエッチング室とを備える場合について説明したが、これと異なる数のターゲット室またはエッチング室を備えるように構成することも可能である。
【0071】
また、上記実施の形態では、薄膜形成工程をスパッタリングによって行うものとして説明したが、本発明はこれに限定されず、基板と対をなす形で組み合わされる成膜用試料または電極を必要とするような成膜方法である限りにおいて、その他の成膜方法にも適用することが可能である。例えば、真空蒸着による薄膜形成にも適用可能である。但し、真空蒸着の場合には、その原理上、例えば図12または図13に示したように基板室Sをターゲット室Tの上方に配置する必要がある。
【0072】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1ないし15のいずれか1に記載の真空成膜処理装置または請求項16ないし30のいずれか1に記載の真空成膜処理方法によれば、基板を収容保持する第1の真空室と、成膜材料を収容保持する成膜材料用真空室を含む複数の第2の真空室との間で、相対的な移動動作を行い、第2の真空室のいずれかと第1の真空室とを選択的に連結し、各室内空間同士を連通させて1つの成膜処理室を形成した状態で、第1の真空室内に保持された状態の基板に対する成膜処理を行うようにしたので、従来必要であった基板用の搬送装置およびこれを収容していた搬送室が不要となる。したがって、従来のように基板が搬送室を通過する際に発生していたごみや汚れの問題がなくなり、膜質およびその安定性を高めると共に、製品の歩留りを向上させることができるという効果を奏する。
【0073】
また、本発明によれば、第2の真空室における成膜材料用真空室は、成膜材料およびその保持に関わる部材のみを収容しているので、その容積は極めて小さくて済む。このため、例えば成膜材料の交換や保守のために成膜材料用真空室の大気開放を行った場合においても、極めて短時間で元の高真空状態に復帰することができ、生産性を高めることができるという効果を奏する。さらに、排気に必要なポンプの排気能力が従来より小さくてよいことから、設備コスト上でも有利となるという効果を奏する。
【0074】
また、本発明によれば、従来方式とは異なり、基板を第1の真空室内に固定し、この第1の真空室と第2の真空室との間の相対的位置関係を変化させるようにしたので、両真空室の組み合わせの自由度が大きく、状況に応じて多様な装置レイアウトも可能になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態に係る真空成膜処理装置の全体の外観構成を表す斜視図である。
【図2】図1におけるターゲット側機構部の構造を表す正面図である。
【図3】図1におけるターゲット側機構部の構造を表す一部破断側面図である。
【図4】図1における基板側機構部の構造を表す一部破断正面図である。
【図5】図1における基板側機構部の構造を表す一部破断側面図である。
【図6】ターゲット側機構部と基板側機構部との連結後で連通前の状態を説明するための一部破断側面図である。
【図7】ターゲット側機構部と基板側機構部とを連通させたのちの状態を説明するための一部破断側面図である。
【図8】ターゲット室および基板室の真空度の変化例を表す図である。
【図9】本発明の一実施の形態に係る真空成膜処理装置の一変形例を表す平面図である。
【図10】本発明の一実施の形態に係る真空成膜処理装置の他の変形例を表す平面図である。
【図11】本発明の一実施の形態に係る真空成膜処理装置のさらに他の変形例を表す平面図である。
【図12】本発明の一実施の形態に係る真空成膜処理装置のさらに他の変形例を表す平面図である。
【図13】本発明の一実施の形態に係る真空成膜処理装置のさらに他の変形例を表す平面図である。
【符号の説明】
1…ターゲット側機構部、2…基板側機構部、11a〜11c…ターゲット室、12…エッチング室、13…移動機構部、14a〜14d…ゲートバルブ、21…基板室、22…基板収容室、23,24…ゲートバルブ、25…移動機構部、T…ターゲット室、S…基板室、TA…ターンテーブル
Claims (30)
- 成膜処理の対象である基板を収容保持する第1の真空室と、
成膜材料を収容保持する少なくとも1つの成膜材料用真空室を含む複数の第2の真空室と、
前記第1の真空室と前記第2の真空室とを相対的に移動させることが可能な移動手段とを備え、
前記第2の真空室のいずれかと前記第1の真空室とを選択的に連結して各室内空間同士を連通させて1つの成膜処理室を形成し、前記第1の真空室内に保持された状態の前記基板に対する成膜処理を行うことを特徴とする真空成膜処理装置。 - 前記複数の第2の真空室は、所定の方向に沿って配列されており、
前記移動手段は、前記複数の第2の真空室の全体を一体として前記所定の方向に移動させる機構を有することを特徴とする請求項1記載の真空成膜処理装置。 - 前記所定の方向は、水平方向に延びる直線に沿ったものであることを特徴とする請求項2記載の真空成膜処理装置。
- 前記所定の方向は、水平方向に延びる円に沿ったものであることを特徴とする請求項2記載の真空成膜処理装置。
- 前記第1の真空室は、前記第2の真空室の配列を包含する水平面内に配置されていることを特徴とする請求項3または請求項4に記載の真空成膜処理装置。
- 前記移動手段は、前記第1の真空室を前記第2の真空室に向かって水平方向に移動させる機構を有することを特徴とする請求項5記載の真空成膜処理装置。
- 前記第1の真空室は、前記第2の真空室の上方または下方に配置されていることを特徴とする請求項3または請求項4に記載の真空成膜処理装置。
- 前記移動手段は、前記第1の真空室を前記第2の真空室に向かって鉛直方向に移動させる機構を有することを特徴とする請求項7記載の真空成膜処理装置。
- 前記所定の方向は、鉛直方向に延びる直線に沿ったものであることを特徴とする請求項2記載の真空成膜処理装置。
- 前記第1の真空室は、前記第2の真空室の配列を包含する鉛直面内に配置されていることを特徴とする請求項9記載の真空成膜処理装置。
- 前記移動手段は、前記第1の真空室を前記第2の真空室に向かって水平方向に移動させる機構を有することを特徴とする請求項10記載の真空成膜処理装置。
- 前記成膜材料用真空室は、前記成膜材料としてスパッタリング用のターゲットを収容保持するスパッタリング用真空室であることを特徴とする請求項1ないし請求項11のいずれか1に記載の真空成膜処理装置。
- 前記複数の第2の真空室には、エッチング用電極を収容保持するエッチング用真空室が含まれていることを特徴とする請求項1ないし請求項12のいずれか1に記載の真空成膜処理装置。
- 前記エッチング電極は、前記スパッタリング用のターゲットの極性を、スパッタリング処理を行う場合と逆極性となるように設定して実現されるものであることを特徴とする請求項13記載の真空成膜処理装置。
- 前記第1の真空室と前記第2の真空室とを連通させる以前の成膜処理を行っていない待機状態において、前記第1の真空室は成膜処理に適した真空度を維持するように制御され、前記第2の真空室は第1の真空室の前記真空度以上の高真空状態を維持するように制御されることを特徴とする請求項1ないし請求項14のいずれか1に記載の真空成膜処理装置。
- 成膜処理の対象である基板を第1の真空室の内部に収容保持し、
複数の第2の真空室に含まれる少なくとも1つの成膜材料用真空室の内部に成膜材料を収容保持し、
前記第1の真空室と前記第2の真空室とを相対的に移動させることにより、前記第2の真空室のいずれかと前記第1の真空室とを選択的に連結して各室内空間同士を連通させて1つの成膜処理室を形成し、
前記第1の真空室内に保持された状態の前記基板に対する成膜処理を行うことを特徴とする真空成膜処理方法。 - 前記複数の第2の真空室を所定の方向に沿って配列し、
前記複数の第2の真空室の全体を一体として前記所定の方向に移動させることを特徴とする請求項16記載の真空成膜処理方法。 - 前記所定の方向が、水平方向に延びる直線に沿ったものであるようにしたことを特徴とする請求項17記載の真空成膜処理方法。
- 前記所定の方向が、水平方向に延びる円に沿ったものであるようにしたことを特徴とする請求項17記載の真空成膜処理方法。
- 前記第1の真空室を、前記第2の真空室の配列を包含する水平面内に配置するようにしたことを特徴とする請求項18または請求項19に記載の真空成膜処理方法。
- 前記第1の真空室を、前記第2の真空室に向かって水平方向に移動させるようにしたことを特徴とする請求項20記載の真空成膜処理方法。
- 前記第1の真空室を、前記第2の真空室の上方または下方に配置するようにしたことを特徴とする請求項18または請求項19に記載の真空成膜処理方法。
- 前記第1の真空室を、前記第2の真空室に向かって鉛直方向に移動させるようにしたことを特徴とする請求項22記載の真空成膜処理方法。
- 前記所定の方向が、鉛直方向に延びる直線に沿ったものであるようにしたことを特徴とする請求項17記載の真空成膜処理方法。
- 前記第1の真空室を、前記第2の真空室の配列を包含する鉛直面内に配置するようにしたことを特徴とする請求項24記載の真空成膜処理方法。
- 前記第1の真空室を、前記第2の真空室に向かって水平方向に移動させるようにしたことを特徴とする請求項25記載の真空成膜処理方法。
- 前記成膜材料用真空室は、前記成膜材料としてスパッタリング用のターゲットを収容保持するスパッタリング用真空室であることを特徴とする請求項16ないし請求項26のいずれか1に記載の真空成膜処理方法。
- 前記複数の第2の真空室に、エッチング用電極を収容保持するエッチング用真空室を含めるようにしたことを特徴とする請求項16ないし請求項27のいずれか1に記載の真空成膜処理方法。
- 前記スパッタリング用のターゲットの極性をスパッタリング処理の場合と逆極性に設定して前記エッチング電極を実現するようにしたことを特徴とする請求項28記載の真空成膜処理方法。
- 前記第1の真空室と前記第2の真空室とを連通させる以前の成膜処理を行っていない待機状態において、前記第1の真空室を、成膜処理に適した真空度を維持するように制御し、前記第2の真空室を、第1の真空室の前記真空度以上の高真空状態を維持するように制御するようにしたことを特徴とする請求項16ないし請求項29のいずれか1に記載の真空成膜処理方法。
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