JP4430718B2

JP4430718B2 - 原子層成膜装置

Info

Publication number: JP4430718B2
Application number: JP2008074544A
Authority: JP
Inventors: 和俊村田
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Priority date: 2008-03-21
Filing date: 2008-03-21
Publication date: 2010-03-10
Anticipated expiration: 2028-03-21
Also published as: JP2009228059A; US20110017135A1; WO2009116576A1; EP2267183A4; TW200951245A; KR20100119807A; EP2267183A1

Description

本発明は、原子層および分子層単位で薄膜の形成が可能な原子層成膜装置に関する。

近年、３００℃以下の低温で良質な薄膜がより均質な状態で形成可能であるなどの種々の特徴を備える技術として、原子層および分子層単位で薄膜の形成が可能な原子層成長（Atomic Layer Deposition：ＡＬＤ）法が、注目されている。原子層成長法は、形成しようとする膜を構成する各元素の原料を基板に交互に供給することにより、原子層単位で薄膜を形成する技術である。原子層成長法では、各元素の原料を供給している間に１層あるいはｎ層（ｎは２以上の整数）だけを表面に吸着させ、余分な原料は成長に寄与させないようにしている。これを、成長の自己停止作用という。原子層成長法によれば、一般的なＣＶＤに比較して極めて優れた形状適応性と膜厚制御性を併せ持っており、より低温でより広い面積に対して均一な薄膜を再現性よく形成できる技術として、大画面のフラットパネルディスプレイ製造への適用が検討されている。

大型化に対応する原子層成長装置としては、１辺が数十ｃｍを越える矩形の基板が対象となるため、基板に平行にガスを供給する横型の装置が提案されている。横型の装置では、よく知られているように、基板に平行にガスを供給しており、装置の構成が単純であり、基板の大型化に適用しやすい構成となっている。また、原子層成長法は、前述したように成長の自己停止作用を備えており、他の化学的気相成長法に比較し、形成される膜の状態が供給されるガスの分布にあまり影響をされない。このため、基板の大型化に伴い、ガスの供給口からの距離が大きく異なる状態となっていても、基板全域に対して均一な膜の形成が期待できる。

特開２００７−１５７８８５号公報

ところが、上述した横型の薄膜形成装置で原子層成長を行う場合であっても、基板のガスの流れる中心領域と、この領域より離れる基板端部の領域とで、膜の状態に分布が発生することなどのことが、発明者らにより確認されている。この分布は、基板の大型化でより顕著となってきている。これを解消するために、ガスの供給口を増やして一方の側部のより広い領域よりガスを供給する構成とし、ガスが均一に供給される状態として不均一を解消しようとする技術がある（例えば特許文献１参照）。

しかしながら、複数のガス供給口を用い、これらより均一にガスを供給（噴出）しても、均一性が確保されない場合が発生することが、発明者らにより確認された。このように、従来の技術では、複数のガス供給口を用いても、必ずしも均一性が確保できない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、複数のガス供給口を用いた状態において、よりガスの均一性が確保できるようにすることを目的とする。

本発明に係る原子層成膜装置は、薄膜対象の基板が配置される成膜室と、基板に薄膜を形成するための原料を少なくとも含むガスを成膜室の第１側部の側より成膜室に供給するための複数のガス供給配管と、ガス供給配管の各々に設けられた複数のバルブと、成膜室の第１側部に対向する第２側部の側より成膜室の内部を排気するための排気配管と、成膜室の内部に配置されて基板の上における成膜室内の状態を測定する成膜室状態測定手段と、この成膜室状態測定手段が測定した結果をもとにバルブの開度または開放時間を個別に制御する制御手段とを少なくとも備えるものである。

上記原子層成膜装置において、複数の排気配管を備え、排気配管の各々に設けられて排気配管内の状態を測定する複数の排気配管内状態測定手段を備え、制御手段は、成膜室状態測定手段が測定した結果に加え、排気配管内状態測定手段が測定した結果をもとにバルブの開度または開放時間を個別に制御する。

上記原子層成膜装置において、成膜室状態測定手段は、成膜室内の基板の上を流れるガスの量を測定するガス量測定手段，薄膜の膜厚を測定する膜厚測定手段、薄膜の屈折率を測定する屈折率測定手段、および基板上に発生する異物の状態を測定する異物測定手段の少なくとも１つである。また、排気配管内状態測定手段は、排気配管に流れるガスの量を測定するガス量測定手段である。

以上説明したように、本発明によれば、成膜室の内部に配置されて基板の上における成膜室内の状態を測定する成膜室状態測定手段が測定した結果をもとに、制御手段が各バルブの開度または開放時間を個別に制御するようにしたので、複数のガス供給口を用いた状態において、よりガスの均一性が確保できるようになるという優れた効果が得られる。

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。図１は、本発明の実施の形態における原子層成膜装置の構成を示す構成図である。図１は、本実施の形態における原子層成膜装置を平面視したものである。

本実施の形態における原子層成膜装置は、まず、原料ガスやオゾンガスなどの酸化ガスが導入されて薄膜形成対象の基板Ｗ上に薄膜形成を行う成膜室１０１と、薄膜を形成するための原料を含むガスを、成膜室１０１の一方の側部（第１側部）より成膜室１０１の領域に対して供給するためのガス供給配管１２１，ガス供給配管１２２，およびガス供給配管１２３と、ガス供給配管１２１，ガス供給配管１２２，およびガス供給配管１２３に設けられたバルブ１３１，バルブ１３２，およびバルブ１３３とを備える。

なお、図示していないが、ガス供給配管１２１，ガス供給配管１２２，およびガス供給配管１２３には、よく知られているように、液体原料を気化する気化器などを含むガス供給機構が接続し、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）などの原料ガスやオゾンなどの酸化ガス、また、アルゴン（Ａｒ）などのパージガスが供給可能とされている。

また、本実施の形態における原子層成膜装置は、成膜室１０１の内部に配置された成膜室モニター（成膜室状態測定手段）１４１，成膜室モニター１４２，成膜室モニター１４３，成膜室モニター１４４，成膜室モニター１４５，成膜室モニター１４６，成膜室モニター１４７，成膜室モニター１４８，および成膜室モニター１４９を備える。

また、本実施の形態における原子層成膜装置は、成膜室１０１の他方の側部（第２側部）より成膜室１０１の内部を排気するための排気配管１５１および排気配管１５２と、排気配管１５１および排気配管１５２の途中に設けられた排気配管モニター１６１および排気配管モニター１６２とを備える。なお、図示していないが、よく知られているように、排気配管１５１および排気配管１５２には、ドライポンプなどの排気機構が接続され、これらにより成膜室１０１の内部の排気を可能としている。ここで、ガス供給配管１２１，ガス供給配管１２２，ガス供給配管１２３よりなる一連のガス供給部１０２と、排気配管１５１および排気配管１５２よりなる一連の排気部１０５は、成膜室１０１内で対向して配置されている。

加えて、本実施の形態における原子層成膜装置は、成膜室モニター１４１，成膜室モニター１４２，成膜室モニター１４３，成膜室モニター１４４，成膜室モニター１４５，成膜室モニター１４６，成膜室モニター１４７，成膜室モニター１４８，成膜室モニター１４９，排気配管モニター１６１，および排気配管モニター１６２が測定した結果により、バルブ１３１，バルブ１３２，およびバルブ１３３の開度または開放時間を各々個別に制御する制御部１０７を備える。

ここで、成膜室１０１の内部において、各成膜室モニターは、例えば、図２に示すように、成膜室１０１の内部において、基板Ｗの上の天井１０１ａの部分に配置されている。図２は、本実施の形態における原子層成膜装置を断面視したものである。また、成膜室モニター１４１，成膜室モニター１４２，成膜室モニター１４３は、成膜室１０１内のガス供給部１０２の側に配置されている。また、成膜室モニター１４７，成膜室モニター１４８，成膜室モニター１４９は、成膜室１０１内の排気部１０５の側に配置されている。また、成膜室モニター１４４，成膜室モニター１４５，成膜室モニター１４６は、成膜室内のガス供給側と排気側との中間位置に配置されている。

また、成膜室モニター１４１，成膜室モニター１４４，成膜室モニター１４７は、ガス供給側から排気側へのガスの流れ方向の例えば左側（左列）に配列され、成膜室モニター１４２，成膜室モニター１４５，成膜室モニター１４８は、ガス供給側から排気側へのガスの流れ方向の中央部（中央列）に配列され、成膜室モニター１４３，成膜室モニター１４６，成膜室モニター１４９は、ガス供給側から排気側へのガスの流れ方向の右側（右列）に配列されている。従って、成膜室１０１の内部では、この天井に、３行３列に配列された９個の成膜室モニターが配置され、基板Ｗに形成される薄膜を含めて基板Ｗの上における成膜室１０１の内部の状態をモニター可能としている。

また、排気配管モニター１６１は、排気配管１５１内の状態を測定し、排気配管モニター１６２は、排気配管１５２内の状態を測定する。

ここで、成膜室モニターは、例えば、水晶発振式のモニター（例えば、株式会社アルバック製水晶発振式膜厚モニターＣＲＴＭ−９０００）である。このモニターによれば、水晶振動子からなる検出部に基板Ｗの上と同様に堆積する膜の質量を測定可能であり、測定した質量により膜厚が測定可能である（膜厚測定手段）。なお、このモニターは、モニターの配置場所に流れるガスの量が間接的に測定されることにもなる（ガス量測定手段）。

このような成膜室モニター１４１〜１４９を備えた本実施の形態における原子層成膜装置によれば、成膜室１０１において基板Ｗの上に形成される薄膜と同様の薄膜が検出部に形成されるようになるため、基板Ｗの上に形成される薄膜の膜厚を間接的に測定することができる。従って、成膜室モニター１４１〜１４９により、基板Ｗの上に形成される薄膜の膜厚の分布が間接的に測定されることになる。また、成膜室モニター１４１〜１４９により、基板Ｗの上に流れるガスの量の分布が間接的に測定されることになる。

このようにして測定された結果により、制御部１０７は、バルブ１３１，バルブ１３２，およびバルブ１３３の開度または開放時間を個別に制御する。例えば、左列に配列された成膜室モニター１４１，成膜室モニター１４４，成膜室モニター１４７による測定結果（膜厚）が、他の列の成膜モニターにより測定される膜厚より厚い場合、制御部１０７は、バルブ１３１の開度を小さくしまたは開放時間を短くし、ガス供給配管１２１により供給されるガスの量を減少させる。

また、制御部１０７は、例えば、左列に配列された成膜室モニター１４１，成膜室モニター１４４，成膜室モニター１４７による測定結果（ガス量）が、他の列の成膜モニターにより測定される結果より多い場合、制御部１０７は、バルブ１３１の開度を小さくしまたは開放時間を短くし、ガス供給配管１２１により供給されるガスの量を減少させる。

また、成膜室モニターは、例えば、エリプソメータである。エリプソメータによれば、基板Ｗの上に形成される薄膜の膜厚および屈折率が測定可能である（膜厚測定手段）。このような成膜室モニター１４１〜１４９を備えた本実施の形態における原子層成膜装置によれば、成膜室１０１において基板Ｗの上に形成される薄膜の膜厚を直接測定することができる。従って、成膜室モニター１４１〜１４９により、基板Ｗの上に形成される薄膜の膜厚の分布が測定されることになる。

このようにして測定された結果により、制御部１０７は、バルブ１３１，バルブ１３２，およびバルブ１３３の開度または開放時間を個別に制御する。例えば、左列に配列された成膜室モニター１４１，成膜室モニター１４４，成膜室モニター１４７による測定結果（膜厚）が、他の列の成膜モニターにより測定される膜厚より厚い場合、制御部１０７は、バルブ１３１の開度を小さくしまたは開放時間を短く、ガス供給配管１２１により供給されるガスの量を減少させる。

また、成膜室モニターは、例えば、基板Ｗの上部空間における発塵の状態を測定するパーティクルモニター（例えば、HACH Ultra Analytics社）である。このような成膜室モニター１４１〜１４９を備えた本実施の形態における原子層成膜装置によれば、成膜室１０１において基板Ｗの上部において発生しているパーティクル（発塵）の状態を測定することができる。発塵の状態は、基板Ｗの上に流れるガスの量に影響され、例えば、必要以上にガスが供給されている領域においては、パーティクルが発生しやすい状態となる。従って、成膜室モニター１４１〜１４９により、基板Ｗの上に流れているガスの分布が間接的に測定されることになる。

このようにして測定された結果により、制御部１０７は、バルブ１３１，バルブ１３２，およびバルブ１３３の開度または開放時間を個別に制御する。例えば、左列に配列された成膜室モニター１４１，成膜室モニター１４４，成膜室モニター１４７による測定結果（発塵量）が、他の列の成膜モニターにより測定される発塵量より多い場合、制御部１０７は、バルブ１３１の開度を小さくしまたは開放時間を短くし、ガス供給配管１２１により供給されるガスの量を減少させる。

また、排気配管モニター１６１および排気配管モニター１６２は、例えば、水晶発振式のモニターである。このモニターによれば、前述したように、水晶振動子からなる検出部に基板Ｗの上と同様に堆積する膜の質量を測定可能であり、測定した質量により膜厚が測定可能である。このような排気配管モニター１６１および排気配管モニター１６２を備えた本実施の形態における原子層成膜装置によれば、排気配管１５１および排気配管１５２に流れるガスにより、基板Ｗの上に形成される薄膜と同様の薄膜が検出部に形成されるようになる。従って、排気配管モニター１６１および排気配管モニター１６２により、排気配管１５１および排気配管１５２に流れるガスの量が間接的に測定されることになる（ガス量測定手段）。

このようにして測定された結果により、制御部１０７は、バルブ１３１，バルブ１３２，およびバルブ１３３の開度または開放時間を個別に制御する。例えば、排気配管モニター１６１による測定結果（ガス量）が、排気配管モニター１６２により測定される量より多い場合、制御部１０７は、バルブ１３１の開度を小さくしまたは開放時間を短くし、ガス供給配管１２１により供給されるガスの量を減少させる。

以上に説明したように、本実施の形態における原子層成膜装置では、制御部１０７が、成膜室モニター１４１などの成膜室に配置されたモニターにより、基板Ｗの上における成膜室１０１内の状態を測定し、この測定結果をもとにバルブ１３１，バルブ１３２，およびバルブ１３３の開度または開放時間を個別に制御するようにした。例えば、各成膜室モニターの測定結果より、供給されるガスの流れていく方向に対する幅方向の左側において、膜厚が厚く形成されるという分布が確認されると、この左側におけるガスの流量が減少するように、バルブ１３１の開度または開放時間を小さくする。また、右側におけるガスの流量が増加するように、バルブ１３３の開度を大きくしまたは開放時間を長くする。この結果、本実施の形態における原子層成膜装置によれば、成膜室モニターにより測定された成膜室１０１内におけるガスの流量分布や基板Ｗの上に形成される膜厚の分布に対応し、この分布の偏りが解消されるようになる。

なお、上述では、成膜室１０１の一方の側部（第１側部）に、３つのガス供給配管１２１，ガス供給配管１２２，およびガス供給配管１２３を備えるようにしたが、これに限るものではなく、２つのガス供給配管を設けるようにしてもよく、また、４つ以上のガス供給配管を設けるようにしてもよい。また、上述では、左列，中央列，および右列に、各々３個の成膜室モニターを配置するようにしたが、これに限るものではなく、例えば、各列に１つの成膜室モニターを配置するようにしてもよい。また、左側と右側との２箇所に成膜室モニターを設けるようにしてもよい。また、ガスの流れる方向に平行な４つ以上の複数の列を設定し、これら各列に各々成膜室モニターを配置または配列させるようにしてもよい。

また、図３に示すように、成膜室１０１の一方の側部（第１側部）のガス供給部において、成膜室１０１の上下方向に、ガス供給配管１２２ａおよびガス供給配管１２２ｂを設けるなど、複数のガス供給配管を設けるようにしてもよい。例えば、ガス供給配管１２２ａからは酸化ガスが供給され、ガス供給配管１２２ｂからは原料ガスが供給されるようにすればよい。なお、各ガス供給配管１２２ａ，１２２ｂに、各々バルブ１３２ａ，１３２ｂを設ける。同様に、成膜室１０１の他方の側部（第２側部）の排気部において、成膜室１０１の上下方向に、排気配管１５２ａおよび排気配管１５２ｂを設けるなど、複数の排気配管を設けるようにしてもよい。例えば、酸化ガスの排気は排気配管１５２ａで行い、原料ガスの排気は排気配管１５２ｂで行うようにすればよい。

また、制御部１０７の制御により、各排気配管による排気量の制御を各々個別に行うようにしても、上述と同様の効果が得られる。

本発明の実施の形態における原子層成膜装置の構成を示す構成図である。本発明の実施の形態における原子層成膜装置の構成を示す構成図である。本発明の実施の形態における他の原子層成膜装置の構成を示す構成図である。

符号の説明

１０１…成膜室、１０２…ガス供給部、１０５…排気部、１０７…制御部、１２１，１２２，１２３…ガス供給配管、１３１，１３２，１３３…バルブ、１４１，１４２，１４３，１４４，１４５，１４６，１４７，１４８，１４９…成膜室モニター、１５１，１５２…排気配管、１６１，１６２…排気配管モニター。

Claims

薄膜対象の基板が配置される成膜室と、
前記基板に薄膜を形成するための原料を少なくとも含むガスを前記成膜室の第１側部の側より前記成膜室に供給するための複数のガス供給配管と、
前記ガス供給配管の各々に設けられた複数のバルブと、
前記成膜室の前記第１側部に対向する第２側部の側より前記成膜室の内部を排気するための複数の排気配管と、
前記成膜室の内部に配置されて前記基板の上における前記成膜室内の状態を測定する成膜室状態測定手段と、
この成膜室状態測定手段が測定した結果をもとに前記バルブの開度または開放時間を個別に制御する制御手段と、
前記排気配管の各々に設けられて前記排気配管内の状態を測定する複数の排気配管内状態測定手段を備え、
前記制御手段は、前記成膜室状態測定手段が測定した結果に加え、前記排気配管内状態測定手段が測定した結果をもとに前記バルブの開度または開放時間を個別に制御する
ことを特徴とする原子層成膜装置。
請求項１記載の原子層成膜装置において、
前記成膜室状態測定手段は、
前記成膜室内の前記基板の上を流れるガスの量を測定するガス量測定手段，前記薄膜の膜厚を測定する膜厚測定手段、前記薄膜の屈折率を測定する屈折率測定手段、および前記基板上に発生する異物の状態を測定する異物測定手段の少なくとも１つである
ことを特徴とする原子層成膜装置。
請求項１または２記載の原子層成膜装置において、
前記排気配管内状態測定手段は、前記排気配管に流れるガスの量を測定するガス量測定手段である
ことを特徴とする原子層成膜装置。