JP4540830B2 - 基板加熱機構付シャッタを有する成膜装置及び成膜方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板加熱機構付シャッタを有する成膜装置及び成膜方法に係り、特に、基板加熱時の脱ガスに起因する成膜雰囲気の汚染を防止し、高品質の薄膜を形成可能とする成膜装置及び成膜方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の成膜方法をスパッタ法について説明する。
プラズマ放電によってターゲット物質を基板に堆積するスパッタ装置においては、ターゲット表面には残留ガスが吸着した層、あるいは複数ターゲットを備えた成膜室の場合には、他のターゲットから飛来した物質などの本来成膜したいものとは異なる物質（以降汚染物と記す）が存在する。従って、基板上への堆積前に、これら汚染物質を除去する必要がある。このため、従来から基板を保持する基板ホルダをシャッタで覆い、汚染物が除去されるまでターゲットをスパッタリングするいわゆるプリスパッタが行なわれる。
【０００３】
一方、基板に関しては、大気から成膜室に直接持ち込まれるために、その表面には大気中の水分が付着したり、大気成分ガスが吸着している。これらは、堆積する薄膜との密着性を悪くするだけでなく、ターゲットの材質によっては、化学変化を起こし、膜質を低下させる原因となる。従って、成膜前に、これら汚染物を除去する基板加熱処理が行われる。
基板加熱処理の方法としては、成膜室内で基板ホルダに配設されたヒータにより基板を加熱して処理する方法や、成膜室とは別の真空室（加熱室）で予め基板を加熱処理し、その後成膜室に搬送する方法が用いられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、基板ホルダのヒータにより基板を加熱すると、基板ホルダ自体も加熱されるため、基板ホルダからの脱ガスにより成膜雰囲気が汚染されてしまうという問題がある。特に、複数基板を同時処理する場合は、基板ホルダ全体が大型化し、熱容量も増大して、基板ホルダのみならず成膜室内壁等からの脱ガスも問題となる。さらに、基板回転機構を有する装置ではその傾向は一層顕著となり、また、加熱機構が複雑化して装置コストを引き上げるという問題もある。
【０００５】
そこで、特に、複数基板を同時処理する生産性の高い装置や膜厚均一性の高い薄膜を得るために基板回転機構を設けた装置では、別途加熱室を設け、そこで基板加熱処理を行い、これをロボット等で成膜室の基板ホルダ上に搬送し、シャッタで基板を覆った状態で所定時間プリスパッタを行い、その後シャッタを開けて成膜を行う方法が用いられる。この方法は装置全体が大型化するという欠点はあるものの、ある程度良質の膜が生産性良くで得ることができるため、主に量産装置に採用されてきた。
【０００６】
しかしながら、電子デバイスや半導体デバイスの高密度化・高性能化に伴い、構成薄膜の一層の高品質化・薄層化が要求されてくると、種々の問題があることが明らかになってきた。即ち、この方法は、基板クリーニング後に基板を搬送する構成としたため、搬送中の不純物の再付着、ロボット等との接触による汚染の問題がある。
また、基板加熱処理を行った後にプリスパッタを行うと、ターゲットに吸着した汚染物が回り込んで基板上に付着してしまうという問題がある。これを避けるため、基板加熱を行っている間に成膜室でプリスパッタを同時に行うと、基板を搬送する際に、加熱室の雰囲気ガスが成膜室に入り込み、ターゲット表面を再び汚染するという問題もある。
【０００７】
さらに、高品質膜を得るために基板を所定の温度に加熱して成膜する必要がある場合には、搬送中の温度低下を見込んで成膜温度よりも高い温度に加熱して搬送するが、この場合、最初に搬送される基板と最後に搬送される基板では成膜時の温度が異なり、高品質膜が得られる成膜温度範囲からはずれてしまう場合がある。
【０００８】
なお、ターゲット表面の水分を除去するため、プリスパッタの代わりにシャッタ等に配設した加熱機構を用いるスパッタ装置が特開平５−５１７３４号公報に開示されているが、このターゲット処理方法は変質層等を除去できないためターゲット材料に制約がある。また、基板表面のクリーニングに関しては上記の事情と変わるところはなく、同様の問題がある。
【０００９】
本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、基板表面及び薄膜材料源のクリーニングを効果的に行うとともに、クリーニング時の脱ガスに起因する成膜空間の汚染を防止して、密着性が高くかつ高品質の薄膜を形成可能な成膜装置及び成膜方法を提供することを目的とする。
【００1０】
【課題を解決するための手段】
従来の成膜装置にかかる問題点を解決し、上記目的を解決するために、本発明の成膜装置は、基板を保持する基板ホルダと、薄膜材料源と、該基板ホルダと薄膜材料源との間に退避可能に配置されるシャッタと、が成膜室内に配置された成膜装置において、前記シャッタの前記基板ホルダに対向する側に基板加熱用の面状ヒータを設置し、かつ、前記シャッタは、冷媒流路となる冷媒流通空間が形成されたシャッタベース板と、該シャッタベース板とともに前記冷媒流路を形成するシャッタ蓋板と、該シャッタ蓋板に固定部材を介して取り外し可能に取り付けられたシールド板とを有し、前記シャッタベース板に前記面状ヒータが固定されていることを特徴とする。
【００１１】
このように基板加熱用のヒータをシャッタに取り付け、しかも基板と１対１に対応した面状ヒータとしたため、基板表面全体を均一に加熱することができるとともに、基板以外の基板ホルダ等の温度上昇が抑えられ、脱ガスの発生を大幅に減少させることが可能となる。しかも、薄膜材料源のクリーニングと基板クリーニングとを同時に行うことができるため、各々の表面に付着した汚染物質等がシャッタを回り込んで他の表面に再付着することはなく、基板及び薄膜材料源を清浄にした状態で基板上への成膜を開始することができる。
さらに、複数の基板に同時成膜する場合も、各基板について成膜中の基板温度を所望の温度に維持することが容易となり、基板ごとに膜質のバラツキがない高品質薄膜を形成することが可能となる。
【００１２】
本発明の成膜装置において、前記面状ヒータの周辺に冷媒流路を設け、前記面状ヒータ以外のシャッタ構成部材を冷却する構成とするのが好ましい。このような冷却機構を設けることにより、基板加熱及び薄膜材料源のクリーニング時のシャッタの温度上昇が抑えられ、脱ガスの発生をより効果的に抑制することが可能となる。
さらに、前記面状ヒータは、絶縁性基板上に所定の形状の通電抵抗体を形成したものとするのが好ましい。このような構成とすることにより、ヒータを薄く形成することができ、ヒータの熱容量は小さくなるため、脱ガスをより少なくすることができる。
【００１３】
以上の装置構成はスパッタ装置や蒸着装置等に適用できるが、特に、基板ホルダが自公転する構成としたスパッタ装置に好適に適用される。基板ホルダを自公転させる複雑な基板ホルダ構成であっても、複雑な加熱機構は必要とせず、しかも脱ガスの発生を抑えて高品質、高密着性の薄膜形成が可能となるとともに、極めて膜厚均一性の高い薄膜を形成することが可能となる。
【００１４】
本発明の成膜方法は、上記成膜装置の成膜室内に基板を搬入し、シャッタを前記基板と前記薄膜材料源との間に挿入し、前記面状ヒータにより基板を面加熱して該基板表面に付着した汚染物を除去する工程と、プラズマ又は熱により前記薄膜材料源表面の汚染物を除去する工程とを同時に行い、その後前記シャッタを退避させて前記基板上に成膜を行うことを特徴とする。また、前記基板加熱を行う工程において、前記シャッタの前記面状ヒータ以外の部分に冷媒を循環させて冷却するのが好ましい。上述したように、薄膜材料源のクリーニングと基板クリーニングとを同時に行うことにより、各々の表面に付着した汚染物質等を効果的に除去し、また、基板ホルダ等から脱ガスを抑えることができ、高清浄な雰囲気で成膜を行うことが可能となる。その結果、密着性に優れた高品質の薄膜を複数の基板上に形成することが可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１はマグネトロンスパッタによる成膜装置の概略構成を示す模式的側面断面図であり、図２及び３は、それぞれシャッタ及び面状ヒータの構成を示す模式的断面図及び底面図である。
図１に示すように、成膜室１には、ターゲット３を取り付けたマグネトロンカソード２と、基板１６を保持し自公転する複数の基板ホルダ７と、ターゲット３及び基板ホルダ７の間の空間に挿入・退避可能なシャッタ５と、が配置されている。
【００１６】
基板ホルダの自公転機構は例えば特願２０００−６５４２号、特願２０００−３１７６４２号に記載されたものが好適に用いられる。図１はその一例である。
各基板ホルダ７はベアリング１５を介してパレット６に保持され、パレット６は磁性流体シール１１により成膜室１のベース板に支持される回転軸１０に連結されている。パレット回転軸１０には固定ギア８が取り付けられ、これと噛合するように基板ホルダ回転軸１４に遊星ギア９が取り付けられている。従って、モータ（不図示）の回転によりパレット６は回転し、基板ホルダ７は自公転することになる。この結果、基板１６上に膜厚均一性に優れた薄膜形成が可能となる。
【００１７】
シャッタ５は、その端部には回転軸１２が取り付けられて、シャッタ回転軸１２は磁性流体シール１３を介して成膜室１のベース板に支持され、モータ（不図示）により回転する。図１の破線で表した状態は、シャッタが成膜空間から退避した状態を示し、基板１６上への薄膜形成を行う際のシャッタ位置を示している。
シャッタ５は、図２に示すように、冷媒流通空間２４が形成されたシャッタベース板２１と、シャッタ蓋板２２と、シールド板２３とからなり、シャッタベース板２１とシャッタ蓋板２２とは、冷媒をシールするため溶接又はＯリングを介して固定されている。冷媒はシャッタ回転軸１２中のＳＵＳ製冷媒導入配管及び排出配管を通って冷媒流通空間に導入・排出され、シャッタは所定の温度に冷却される。なお、冷却媒体流通空間２４には、冷媒の流れを淀みなくスムーズとし、シャッタ全体を均一に冷却できるように、適当な形状の仕切り板が取り付けられている。
【００１８】
シャッタベース板２１には、面状ヒータ３０を嵌め込む窪みが形成され、窪みの中心部に面状ヒータ３０を固定するための貫通口が形成されている。この面状ヒータ３０としては、例えば図３に示す構造のものが用いられる。これは、熱分解窒化ホウ素（ＰＢＮ）のような絶縁性基板３１上に熱分解グラファイト（ＰＧ）のような抵抗体が所定のパターンに形成されたもので、抵抗体３２の両端に電流導入部３３、及びその中心部にネジ止め用の貫通口３４が形成されている。
【００１９】
この面状ヒータ３０は、例えば次のようにして作製する。まず、カーボン基板上に、熱分解ＣＶＤ法によって、熱分解窒化ホウ素（ＰＢＮ）３１を０.５〜２ｍｍ、続いて熱分解グラファイト（ＰＧ）を５０μｍ程度形成する。次に、機械加工等によって、ＰＧ膜を所望の形状としてのヒーター部（ＰＧ）３２を形成するとともに、貫通孔３４を穿孔する。その後電流導入部（３３）をマスクして再び熱ＣＶＤ法によりＰＢＮの保護膜を形成する。なお、カーボン基板とＰＢＮとの熱膨張係数の差異からカーボン基板は簡単に取り外すことができる。必要により洗浄処理して面状ヒータは完成する。
【００２０】
面状ヒータは、アルミナ、ＰＢＮ等からなる２つの絶縁性ブロック２５と共にモリブデン（Ｍｏ）製ネジ２６により両側から挟み込むように、シャッタベース板２１に固定される。ここで、ＰＧ抵抗体（電流導入部３３）との接触部にはカーボン製ワッシャ、他端部（電流導入端子２７）にはモリブデン（Ｍｏ）製ワッシャを介在させて、Ｍｏ製ナットで固定する。なお、面状ヒータは、シャッタベース板２１に直接接触しないようにするのが好ましく、また、絶縁性ブロック２５も熱伝導性の小さな材料を用いるのが好ましい。ネジの上部の電流導入端子２７は、電流導入線により端子台２９に接続され、端子台は電流導入線により成膜室外部の電流供給部と接続される。
【００２１】
ここで、面状ヒータの大きさは、基板を均一に加熱し、かつ基板以外の部分は加熱しないように、基板と同程度又は若干大きく（１０ｍｍ径程度）するのが良い。本発明の面状ヒータとしては、図３に示した構成のものが、薄く、熱容量を小さくすることができ、ガス放出も少ないため最適であるが、抵抗体の代わりにタングステン等の高融点ワイヤーを用いたものや、場合によってはランプヒータを面状に配置したものも用いることができる。
【００２２】
シャッタ蓋板２２の上部には、電流導入端子等に膜が付着するのを防止するために蓋板を覆うようにシールド板２３が固定部材２８を介して取り外し可能に取り付けられている。シールド板２３は、シャッタ蓋板２２との熱伝導により冷却されるため、プリスパッタ時の温度上昇が抑えられ、シールド板２３からのガス放出が回避できる。なお、シールド板は定期的に取り外し、付着した膜を化学的又は物理的方法により除去する。
【００２３】
なお、図２において、冷媒流通空間をシャッタベース板２１とシャッタ蓋板２２とで形成する構成としたが、これに限らず、例えばシャッタ蓋板を省き、冷媒用の配管をシャッタベース板に取り付ける構成としても良い。また、面状ヒータの固定方法も、図２に示した構成に限ることはなく、電流をヒータに供給できるものであればどのような構成あっても良い。
シャッタの材質は、通常ＳＵＳやＡｌ等が用いられるが、ターゲット材質や冷却媒体に応じて選択してもよい。なお、冷却媒体としては、水やフロリナート（３Ｍ製）などが使用される。
また、シャッタの開閉を回転軸中心の回転動作によって行なっているが、併進直線動作によるスライド式のシャッタを用いても良い。
【００２４】
次に、図１の成膜装置を用い、ＳＡＷフィルタの電極膜の成膜方法を説明する。
まず、不図示の基板収納室からゲートバルブ４を通して基板を搬送し、成膜室１内のパレット６に連結した、例えば５つの基板ホルダ７に順次搭載する。次に、シャッタ回転軸１２を回転して、シャッタ５を基板１６上に移動させ、５つの基板１６と５つの面状ヒータ３０をそれぞれ対向させる。
面状ヒータ３０に通電し、基板を１００℃程度に加熱して基板１６の表面クリーニングを行う。シャッタ５には、予め冷媒が導入され、シャッタベース板２１、シャッタ蓋板２２及びシールド板２３は冷却されている。
【００２５】
上記基板クリーニング開始とほぼ同時にプリスパッタを行いターゲット３のクリーニングを行う。即ち、Ａｒガスを導入し、０.１５Ｐａの圧力になったところでＡｌ−Ｃｕターゲットに１ＫＷの電力を供給して放電を開始し、プリスパッタを行なう。
このクリーニングの際に発生する放出ガスは、基板が加熱されているために基板表面には吸着しない。また、基板はシャッタで覆われているために、ターゲットから飛来する好ましくないターゲット物質が付着することはない。また、プリスパッタ中に起こるＡｒイオン衝撃によるシールド板の温度上昇は、シャッタの冷却による熱伝導によって回避でき、シールドからのガス放出を低減することができる。
基板の加熱処理及びターゲットのプリスパッタを１分間程度行なった後、ヒータへの通電を停止するとともにモーターを回転させて基板１６を自公転させる。
同時にシャッタ５を開いて、基板上に所定時間成膜を行う。
【００２６】
なお、ハードディスク用の磁性膜（ＣｏＣｒＴａ）を成膜する場合には、成膜時の基板温度を２１０℃程度に維持する必要があるが、ターゲット及び基板クリーニング後、２１０℃程度まで基板を加熱し、シャッタを開いて成膜を行なう。
あるいは、基板クリーニングを成膜温度で行っても良い。
【００２７】
以上、本発明をマグネトロンスパッタ装置について説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、イオンビームスパッタ、電子ビーム蒸着等にも適用可能である。
【００２８】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明によれば、基板クリーニング及び成膜のための基板加熱をシャッタに取り付けた面状ヒータにより行う構成としたため、加熱に伴う基板ホルダその他からの脱ガスを低減でき、成膜空間をより清浄に保つことができる。また、ターゲットのプリスパッタと基板加熱とを同時に行うことにより、効果的なクリーニングが行え、清浄な表面状態で成膜を開始することができる。このため、密着性が高く、均一な特性の高品質薄膜を再現性良く製造することが可能となる。
また、基板回転機構等を複数有する複雑な構造の基板ホルダを備えた成膜装置であっても、従来の装置のように加熱室を設ける必要がないため、装置の小型化を達成でき、コスト低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の成膜装置の概略断面図である。
【図２】本発明のシャッタの概略断面図である。
【図３】本発明の面状ヒータを示す概略底面図ある。
【符号の説明】
１ 成膜室、
２ マグネトロンカソード、
３ ターゲット、
４ ゲートバルブ、
５ シャッタ、
６ パレット、
７ 基板ホルダ、
８ 固定ギア、
９ 遊星ギア、
１０ パレット回転軸、
１１ 磁性流体シール、
１２ シャッタ回転軸、
１３ 磁性流体シール、
１４ 基板ホルダ回転軸、
１５ ベアリング、
１６ 基板、
２１ シャッタベース板、
２２ シャッタ蓋板、
２３ シールド板、
２４ 冷媒流通空間、
２５ 絶縁性ブロック、
２６ ネジ、
２７ 電流導入端子、
２８ 端子台、
２９ シールド板固定部材、
３０ 面状ヒータ、
３１ 絶縁体基板、
３２ 抵抗体、
３３ 電流導入部、
３４ 貫通口。

Claims (7)

1. 基板を保持する基板ホルダと、薄膜材料源と、該基板ホルダと薄膜材料源との間に退避可能に配置されるシャッタと、が成膜室内に配置された成膜装置において、前記シャッタの前記基板ホルダに対向する側に基板加熱用の面状ヒータを設置し、かつ、前記シャッタは、冷媒流路となる冷媒流通空間が形成されたシャッタベース板と、該シャッタベース板とともに前記冷媒流路を形成するシャッタ蓋板と、該シャッタ蓋板に固定部材を介して取り外し可能に取り付けられたシールド板とを有し、前記シャッタベース板に前記面状ヒータが固定されていることを特徴とする成膜装置。
2. 前記シャッタベース板に、前記面状ヒータを嵌め込む窪みが形成されており、該窪みには前記面状ヒータを固定するための貫通口が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
3. 前記面状ヒータは、絶縁性基板上に所定の形状の通電抵抗体を形成したものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の成膜装置。
4. 前記成膜装置はスパッタ装置であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の成膜装置。
5. 前記基板ホルダは、自公転する構成としたことを特徴とする請求項４に記載の成膜装置。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の成膜装置の前記成膜室内に基板を搬入し、前記シャッタを前記基板と前記薄膜材料源との間に挿入し、前記面状ヒータにより基板を面加熱して該基板表面に付着した汚染物を除去する工程と、プラズマ又は熱により前記薄膜材料源表面の汚染物を除去する工程とを同時に行い、その後前記シャッタを退避させて前記基板上に成膜を行うことを特徴とする成膜方法。
7. 前記基板を自公転させながら成膜することを特徴とする請求項６に記載の成膜方法。

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