JP4564570B2 - 原子層堆積装置 - Google Patents

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Description

本発明は、基板上に薄膜を形成する原子層堆積（以下、省略してＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）ともいう）装置に関する。
ＡＬＤ法は、形成しようとする膜を構成する元素を主成分とする２種類のガスを成膜対象基板上に交互に供給し、基板上に原子層単位で薄膜を形成することを複数回繰り返して所望厚さの膜を形成する薄膜形成技術である。例えば、基板上にＳｉＯ2膜を形成する場合、Ｓｉを含む原料ガスとＯを含む酸化ガスが用いられる。また、基板上に窒化膜を形成する場合、酸化ガスの代わりに窒化ガスが用いられる。
ＡＬＤ法では、原料ガスを供給している間に１層あるいは数層の原料ガス成分だけが基板表面に吸着され、余分な原料ガスは成長に寄与しない、いわゆる成長の自己停止作用（セルフリミット機能）を利用する。
ＡＬＤ法は、一般的なＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法と比較して高い段差被覆性と膜厚制御性を併せ持ち、メモリ素子のキャパシタや、「high-kゲート」と呼ばれる絶縁膜の形成への実用化が期待されている。また、３００℃〜４００℃の温度で絶縁膜が形成可能であるため、液晶ディスプレイなどのように、ガラス基板を用いる表示装置の薄膜トランジスタのゲート絶縁膜の形成への適用なども期待されている。
下記特許文献１には、一つの反応容器の反応室内で原料ガスを反応させて基板上に薄膜を形成する成膜装置であって、反応容器の反応室の容積が可変に構成される成膜装置が記載されている。基板を載置するヒータを鉛直上方に移動し、このヒータをストッパーに当接させることにより、反応室の容積を小さくする。
特開２００６−３１０８１３号公報
上記特許文献１の成膜装置は、一つの反応容器を用いて、成膜プロセスの一サイクルに要する時間を短縮することができ、かつ略均一な膜質の薄膜を形成することができる。現在、このような成膜装置には、２ｍ×２ｍを超える第８世代や第９世代のガラス基板などのように、成膜対象基板の大型化に伴い、より均一な膜質の薄膜を形成することが強く求められている。
本発明は、従来に比べて、より均一な膜質の薄膜を基板上に成膜する原子層堆積装置を提供することを目的とする。
本発明の原子層堆積装置は、基板上に薄膜を形成する原子層堆積装置であって、第１の内部空間を形成する第１の容器と、前記第１の容器の内部に設けられ、第２の内部空間を形成する筒形状の容器であって、該第２の内部空間内に向けて、基板上に薄膜を形成する原料ガスが流れる第１の開口を筒形状の一端に備え、前記第２の内部空間内のガスが該第２の内部空間外に流れる第２の開口を筒形状の他端に備え、筒形状の長手方向に移動可能な第２の容器と、前記原料ガスを、前記第１の開口を通して前記第２の内部空間に供給するガス供給口を備え、かつ、前記長手方向に該第２の容器を押える押え部材と、を備え、前記押え部材が前記長手方向に前記第２の容器を押えることにより、前記押え部材が前記第１の開口の縁と当接し、かつ、前記第２の開口の縁が前記第１の容器と当接し、前記第１の内部空間に対して前記第２の内部空間を隔てることを特徴とする。
本発明の原子層堆積装置によれば、従来に比べて、より均一な膜質の薄膜を基板上に成膜することができる。
本発明の原子層堆積装置の一実施形態の概略の装置構成を示す断面図である。 （ａ）は、図１に示す原子層堆積装置の第２の容器の概略構成図である。（ｂ）は、基板の搬入及び搬出方法を説明する図である。 （ａ）は、図１に示す原子層堆積装置の押え部材の構成を示す断面図である。（ｂ）は、（ａ）に示す押え部材の右側面図である。 図１に示す原子層堆積装置の第１の容器の上側部分と下側部分とを分離した状態を示す断面図である。
以下、本発明の原子層堆積装置を、一実施形態に基づいて、詳細に説明する。
（原子層堆積装置の概略構成）
原子層堆積装置１０は、ＴＭＡ（Tri-Methyl-Aluminium）等の原料ガスと、オゾンＯ3等の酸化ガスを交互に供給して、原子単位で堆積して薄膜を形成する装置である。
図１は、基板１２上に薄膜を形成する原子層堆積装置（以降、ＡＬＤ装置という）１０の概略の装置構成を示す断面図である。
ＡＬＤ装置１０は、主に、第１の容器２０と、第２の容器４０と、押え部材６０と、を有する。第１の容器２０は、所定の圧力を維持する第１の内部空間２２を形成する外側容器である。第２の容器４０は、第１の容器２０の内部に設けられ、所定の圧力を維持する第２の内部空間４２を形成する内側容器である。押え部材６０は、水平方向に第２の容器４０を押えることにより、第１の内部空間２２に対して第２の内部空間４２を隔てる部材であるとともに、第２の内部空間４２に供給する原料ガスが流れるガス供給口６２（図３参照）を備える部材である。
以下、これらの構成について、より詳細に説明する。
（第１の容器）
第１の容器２０は、ＳＵＳ等の金属材料で構成されている。第１の容器２０の上壁には、Ｎ２ガス（あるいは不活性ガス）を第１の内部空間２２に導入するガス導入口が設けられている。また、第１の容器２０の側壁には、排気管３８が接続される排気口が設けられており、ターボ分子ポンプなどの排気部３９により、第１の内部空間２２内のガスは、第１の容器２０の外部に排気される。これにより、第１の内部空間２２内は、導入されたＮ２ガスの雰囲気で、所定の圧力に維持される。第１の内部空間２２を所定の圧力に減圧することにより、後述するヒータ２４、２５が酸化するのを抑制することができる。また、第１の容器２０の側壁には、後述する押え部材６０、ガス導入管６４がそれぞれ貫通する貫通孔が設けられている。
第１の容器２０の内部に設けられる第２の容器４０の上方には、第２の容器４０に隣接してヒータ２４が設けられている。ヒータ２４は、第２の容器４０を通して、第２の内部空間４２に供給される原料ガスおよび、第２の容器４０の内部に載置される基板１２を加熱する。ヒータ２４の配線等は、第１の容器２０の上部に設けられた貫通孔を通して外部に引き出され、不図示の電源に接続されている。
また、第１の容器２０の内部に設けられる第２の容器４０の下方には、第２の容器４０に隣接してヒータ２５が設けられている。ヒータ２５は、後述する支持機構３４により支持されている。ヒータ２５は、第２の容器４０を通して、第２の容器４０の内部に載置される基板１２を加熱する。ヒータ２５の配線等は、不図示の貫通孔を通して第１の容器２０の外部に引き出され、不図示の電源に接続されている。
第１の容器２０の側壁部２６には、基板１２の搬入及び搬出を行う貫通孔が設けられている。この貫通孔は、後述する第２の容器４０の第２の開口４６（図２（ａ）参照）と対向するように構成される。また、この貫通孔から第２の容器４０の外側に向けて水平方向に延長した部分に、第１の容器２０の外部に繋がるシャッタ２７が設けられている。したがって、基板１２を搬入、搬出するときは、シャッタ２７を開き、第２の開口４６を通して、第２の容器４０内に基板１２を搬入し、あるいは第２の容器４０内から基板１２を搬出することができる。
第１の容器２０の底部２８の上には、第２の容器４０を支持する支持機構３４が設けられている。支持機構３４は、車輪（キャスタ）等の移動機構３５を備えており、第１の容器２０の底部２８の面内方向に移動することができる。支持機構３４は、第２の容器４０を支持するとともに、ヒータ２５も支持する。
第１の容器２０の底部２８は、第１の容器２０の側壁及び上壁と分離可能になっている。第１の容器２０の底部２８には、図中下方に延びる２つのロッドが設けられ、この２つのロッドに油圧シリンダ等の昇降機構３６が設けられている。昇降機構３６は、第１の容器２０の底部２８と、支持機構３４と、支持機構３４が支持する第２の容器４０及びヒータ２５を鉛直方向に昇降させる。第１の容器２０の底部２８と側壁部との間にはＯリング２９が設けられており、昇降機構３６が底部２８を上昇させることで、第１の内部空間２２が外部に対して閉じる構成となっている。
（第２の容器）
図２（ａ）は、第２の容器４０の概略構成図である。
第２の容器４０は、第１の容器２０の内部に設けられ、第２の内部空間４２を形成する筒形状の容器である。第２の容器４０は、安定した材質の点から石英が好適に用いられる。基板１２をガラス基板とした場合、材料自体が略同じであるため、基板１２に異なる成分が付着する心配がないという利点がある。
第２の容器４０は、第１の容器２０の内部に水平に位置するように、支持機構３４に支持されている。筒形状の一端には、基板１２上に薄膜を形成する原料ガスが流れる第１の開口４４が設けられている。図２（ａ）に示す例では、２つの第１の開口４４ａ，４４ｂが設けられている。第１の開口４４ａは、後述する基板支持部４７が設けられる高さ方向の位置よりも鉛直上方の位置に設けられている。
第１の開口４４を備える側と反対側の端には、第２の内部空間４２内のガスが第２の内部空間４２外に流れる第２の開口４６が設けられている。第２の開口４６は、第１の容器２０の側壁部２６に設けられた貫通孔と対向するように構成されている。
図２（ｂ）は、基板１２の搬入及び搬出方法を説明する図である。基板１２は、搬送台車の基板載置先端のフォーク部７０に載置され、シャッタ２７を開いて、第２の開口４６を通って第２の容器４０に搬入及び搬出される。
第２の容器４０の内部には、基板１２を載置するための基板支持部４７が設けられている。基板支持部４７の第２の開口４６側の形状は、基板１２を搬入及び搬出する搬送台車の基板載置先端のフォーク部７０に対応した櫛歯状である。
このように、第２の開口４６側の形状をフォーク部７０に対応した櫛歯状としたことにより、筒形状の高さの低い第２の内部空間４２に大きな基板１２を搬入、搬出する場合でも、薄膜を形成する面が第２の容器４０の内面と触れることなく、基板１２を搬入及び搬出することができる。
第２の容器４０は、筒形状の長手方向（図１の水平方向）に押え部材６０により押えられる。押え部材６０と第２の容器４０との間にはＯリング４５ａが設けられている。また、第２の容器４０と第１の容器２０の側壁部２６との間にはＯリング４５ｂが設けられている。第２の容器４０は移動機構３５を備える支持機構３４に支持されているため、第２の容器４０は筒形状の長手方向に移動する自由度を持つ。そのため、筒形状の長手方向に、押え部材６０が第２の容器４０を押えることで、第２の容器４０は、Ｏリング４５ａ，４５ｂを通して第１の容器２０に押し付けられ、第２の内部空間４２は第１の内部空間２２に対して隔てられる。すなわち、押え部材６０が第２の容器４０の筒形状の長手方向に第２の容器４０を押えることにより、押え部材６０は第１の内部空間２２に対して第２の内部空間４２を隔てる。
一般に、Ｏリングを用いて空間を密閉する場合、Ｏリングの周の長さが短いほど、より確実に２つの空間を隔てることができる。図１に示す例では、第２の容器４０の筒形状の長手方向に第２の容器４０を押える構成としたため、第２の容器４０の筒形状の短手方向（鉛直方向）に第２の容器を押える構成と比較して、第２の内部空間４２を第１の内部空間２２に対して隔てるために必要なＯリングの周の長さを短くすることができる。
このように、第２の容器４０の筒形状の長手方向に第２の容器４０を押える構成とすることにより、第２の容器４０の第２の内部空間４２を第１の内部空間２２に対してより確実に隔てることができる。そのため、第２の内部空間４２から第１の内部空間２２へ原料ガスが漏れ出ることを抑制する。
第２の内部空間４２から第１の内部空間２２へ原料ガスが漏れ出ることを抑制することにより、第１の内部空間２２へ漏れる原料ガスにより第１の内部空間２２内に生成されるパーティクルを低減することができる。さらに、第２の内部空間４２を第１の内部空間２２に対してより確実に隔てることにより、第１の内部空間２２に存在するパーティクルが第２の内部空間４２に混入することを抑制することができる。第２の内部空間４２に混入したパーティクルが、第２の容器４０の内部に載置される基板１２に付着すると、膜質の低下につながる。したがって、図１に示す例のように、第２の容器４０の筒形状の長手方向に第２の容器４０を押える構成とすることで、より均一な膜質の薄膜を成膜することができる。
第１の内部空間２２に対して隔てられる第２の内部空間４２には、第１の開口４４から基板１２上に薄膜を形成する原料ガスが流れる。第２の内部空間４２内のガスは、第２の開口４６とこれに対向する第１の容器の側壁部２６に設けられた貫通孔を通って、第２の内部空間４２外に流れる。
第２の開口４６とシャッタ２７との間の通路上には排気管５０が接続される排気口が設けられており、ターボ分子ポンプなどの排気部５１により、第２の内部空間４２内のガスは、第２の容器４０の外部に排気される。これにより、第２の内部空間４２内は、導入された原料ガスの雰囲気で、所定の圧力に維持される。第２の内部空間４２の圧力は、前述した第１の内部空間２２の圧力と同じ圧力であってもよいし、異なる圧力であってもよい。
第２の容器４０の内側や第２の開口４６とシャッタ２７との間など、基板１２の搬入及び搬出の際に基板１２が通過する部分には、薄膜を形成すべき基板以外に薄膜が付着するのを防ぐための防着板５２が設けられている。
また、第２の容器４０には、容器を保護するための保護キャップ５４が設けられている。
（押え部材）
図３（ａ）は、押え部材６０の一例の構成を示す断面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す押え部材６０の右側面図である。
押え部材６０には、原料ガスを、第２の容器４０の第１の開口４４を通して第２の内部空間４２に供給するガス供給口６２が設けられている。図３（ａ）に示す例では、２つのガス供給口６２ａ，６２ｂが設けられている。また、押え部材６０には、原料ガスや酸化ガスを第２の内部空間４２に導入するガス導入管６４が接続されている。図３（ａ）に示す例では、２つのガス導入管６４ａ，６４ｂが接続されている。
ガス導入管６４ａは、原料ガス（例えば、ＴＭＡ等の有機金属のガス）やパージガス（例えば、窒素ガス）を、ガス供給口６２ａを通して第２の内部空間４２に導入する。ガス導入管６４ｂは、酸化ガス（例えば、オゾン）やパージガス（例えば、窒素ガス）を、ガス供給口６２ｂを通して第２の内部空間４２に導入する。
図３（ｂ）に示すように、押え部材６０の第２の容器４０を押える側の面は多数のガス供給口６２を備えている。基板１２に原料ガスを均一に供給するため、ガス供給口６２は、基板１２の幅方向（図３（ｂ）の左右方向）に等間隔に設けられている。また、ガス供給口６２は、基板１２の幅方向よりも広い範囲に設けられている。
図３に示す例では、第２の容器４０に設けられた第１の開口４４ａと対向する高さ方向の位置に、ガス供給口６２ａ，６２ｂのいずれもが位置するように、ガス供給口６２が設けられている。そのため、第２の内部空間４２への原料ガスの供給は、基板支持部４７が設けられる高さ方向の位置よりも鉛直上方の位置で行われる。
原料ガスは、基板支持部４７に載置された基板１２上を通過し、その一部分は基板１２に吸着される。また、活性化された酸化ガスは、基板１２に吸着された原料ガスの成分を酸化することができる。
図２、図３に示す例のように、第２の内部空間４２全体に原料ガスを流すのではなく、基板支持部４７が設けられる高さ方向の位置よりも鉛直上方の位置に原料ガスを流すことで、薄膜の成長に必要な部分のみに原料ガスを流すことができるため、原料ガスの使用効率を上げることができる。
なお、第２の容器４０において、第２の容器４０の第１の開口４４ｂは必ずしも必要ではないため、第１の開口４４ｂを設けず、第１の開口４４ａのみを設ける構成としてもよい。
また、図１に示す例の押え部材６０は、第２の容器４０の筒形状の長手方向（水平方向）に移動することができる。押え部材６０を第２の容器４０の筒形状の長手方向に移動して、第２の容器４０を抑えることにより、第１の内部空間２２に対して第２の内部空間４２を隔てることができる。
なお、第１の内部空間２２に対して第２の内部空間４２を隔てるとは、第１の内部空間２２の圧力と第２の内部空間４２の圧力とが個別に制御可能な程度に空間的に分離していることを意味する。
（クリーニング時の原子層堆積装置の概略構成）
図４は、ＡＬＤ装置１０の第１の容器２０の上側部分３２と下側部分３０とを分離した状態を示す断面図である。
第２の容器４０のクリーニングを行う際には、まず、押え部材６０を水平方向（図中左方向）に移動することで、第２の容器４０の押さえを開放する。続いて、昇降機構３６により、第１の容器２０の底部２８を含む下側部分３０を上側部分３２に対して下方に移動することにより、下側部分３０を上側部分３２から分離する。これにより、底部２８の上の支持機構３４に支持される第２の容器４０も上側部分３２から分離する。
図４のように、第１の容器２０の上側部分３２と下側部分３０とを分離し、支持機構３４を水平方向に移動することにより、第２の容器４０を第１の容器の上側部分３２の鉛直下方から移動することができる。第１の容器２０の下側部分３０とともに移動した第２の容器４０は、第１の容器２０の下側部分３０から取り外される。こうして、第２の容器４０は第１の容器２０から取り外される。
図４に示す例では、このように第１の容器２０の内部に設けた第２の容器４０を容易に取り出すことができるため、第２の容器４０のクリーニングを容易に行うことができる。クリーニングの処理としては、ウェットエッチングを行う、防着板５２を取り出して交換またはクリーニングを行う、などがある。
１０ 原子層堆積装置
１２ 基板
２０ 第１の容器
２２ 第１の内部空間
２４，２５ ヒータ
２６ 側壁部
２７ シャッタ
２８ 底部
２９ Ｏリング
３０ 下側部分
３２ 上側部分
３４ 支持機構
３５ 移動機構
３６ 昇降機構
３８ 排気管
３９ 排気部
４０ 第２の容器
４２ 第２の内部空間
４４，４４ａ，４４ｂ 第１の開口
４５ａ，４５ｂ Ｏリング
４６ 第２の開口
４７ 基板支持部
５０ 排気管
５１ 排気部
５２ 防着板
５４ 保護キャップ
６０ 押え部材
６２，６２ａ，６２ｂ ガス供給口
６４，６４ａ，６４ｂ ガス導入管
７０ フォーク部

Claims (4)

  1. 基板上に薄膜を形成する原子層堆積装置であって、
    第１の内部空間を形成する第１の容器と、
    前記第１の容器の内部に設けられ、第２の内部空間を形成する筒形状の容器であって、該第２の内部空間内に向けて、基板上に薄膜を形成する原料ガスが流れる第１の開口を筒形状の一端に備え、前記第２の内部空間内のガスが該第２の内部空間外に流れる第２の開口を筒形状の他端に備え、筒形状の長手方向に移動可能な第２の容器と、
    前記原料ガスを、前記第１の開口を通して前記第２の内部空間に供給するガス供給口を備え、かつ、前記長手方向に該第２の容器を押える押え部材と、を備え、
    前記押え部材が前記長手方向に前記第２の容器を押えることにより、前記押え部材が前記第１の開口の縁と当接し、かつ、前記第２の開口の縁が前記第１の容器と当接し、前記第１の内部空間に対して前記第２の内部空間を隔てることを特徴とする原子層堆積装置。
  2. 前記第２の容器は、基板を載置するための基板支持部を備え、該基板支持部の前記第２の開口側は、基板を搬入及び搬出する搬送台車の基板載置先端のフォーク部に対応した櫛歯状である、請求項１に記載の原子層堆積装置。
  3. 前記第２の容器は、前記長手方向が水平方向となるように設けられ、前記第２の内部空間への前記原料ガスの供給は、前記基板支持部が設けられる高さ方向の位置よりも鉛直上方の位置で行われ、
    前記押え部材は、前記第１の開口と対向する高さ方向の位置に前記ガス供給口を備える、請求項２に記載の原子層堆積装置。
  4. 前記第１の容器は、該第１の容器の底部を含む下側部分と、該下側部分以外の上側部分とに分離可能に構成され、
    前記第２の容器は、前記第１の容器の底部から延びる支持機構を用いて支持され、
    前記第１の容器の底部は、該第１の容器の前記上側部分に対して分離可能に上下方向に移動し、前記下側部分は下降して前記上側部分から分離することにより、前記第２の容器は前記第１の容器から取り外されるように構成されている、請求項１乃至３のいずれかに記載の原子層堆積装置。
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