JP4701815B2

JP4701815B2 - 成膜装置

Info

Publication number: JP4701815B2
Application number: JP2005127842A
Authority: JP
Inventors: 晴邦古瀬; 豊司内山; 智広山田; 和彦外岡; 直人菊地
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Ulvac Inc
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Ulvac Inc
Priority date: 2005-04-26
Filing date: 2005-04-26
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2025-04-26
Also published as: JP2006307247A

Description

本発明は、基板表面に成膜を行い得る成膜装置に関し、特に、マスクを通して基板に任意のパターンで成膜できるようにした成膜装置に関する。

蒸着装置やスパッタリング装置を用いて、基板に任意のパターンで成膜する場合、基板表面の一部を覆うように金属製などのマスクを取付けることが従来からよく行われている。この場合、例えばＴＭＲ（トンネル磁気抵抗）素子やＥＬ（エレクトロルミネッセンス）素子の製造のように、成膜プロセスによっては、パターンの異なるマスクに交換しつつ基板上に同一または相互に異なる材料を積層して形成するものがある。

この場合、基板を覆うマスクや成膜すべき材料の相違のために、ある層を形成した基板を成膜装置から一旦大気中に取り出したのでは、基板表面に形成された薄膜が改質されるなどの問題が生じる。また、層毎にパターンの異なるマスクをかえて薄膜を積層する場合、基板の適切な箇所にのみ成膜するには、基板に対し、精度よく位置決めしてマスクを取付ける必要がある。

このことから、真空チャンバである成膜室を挟んで両側に、ロードロックチャンバである予備室を配置すると共に、これら両予備室に、所定のマスクを保持したマスクホルダーを予め配置しておき、成膜時に、いずれか一方の予備室から、マスクホルダーで保持されたマスクを成膜室に移動し、成膜室に配置した基板に対してマスクを位置決めして、成膜を行うことで、マスクの交換を可能とした成膜装置が知られている（例えば、特許文献１）。

この場合、両予備室には、ボールプランジャーとコンタクトホールから構成される位置合わせ手段が配置され、この位置合わせ手段によって、基板に対しマスクを正確かつ再現性よく配置できるようにしている。
特開２００４−５５１９８号公報（例えば、特許請求の範囲の記載参照）。

しかしながら、上記のものでは、予備室に交換用のマスクを予めストックするため、複数のパターンで基板上に多層膜を形成する場合に、各成膜に利用するマスクの数だけ、予備室を設けたり、一つの予備室に複数枚のマスクを収納しておく必要があり、これでは装置自体が大型化すると共に、コスト高を招くという問題がある。

そこで、上記点に鑑み、本発明の目的は、パターンの相違するマスクに交換しつつ基板上に同一または相互に異なる材料を積層する場合に、基板に対しマスクを正確かつ再現性よく配置でき、装置自体が大型化せずに低コストで製作できるようにした成膜装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の成膜装置は、成膜室内に、蒸発源と、同一円周上に所定の間隔を置いて開口部が形成された回転自在なステージと、基板の搬送を可能とする搬送手段とを備え、前記ステージの基板が臨む前記開口部に載置されたマスクホルダーに、相互にパターンが同一または異なるマスクがセットされ、前記搬送手段によって、いずれかのマスク上にこのマスクに対し位置決めして基板を設置した後、ステージを回転させて蒸発源に対向した位置に搬送し、マスクを通して基板への成膜を可能としたことを特徴とする。

本発明によれば、成膜室内のステージに、同一円周上で所定の間隔を置いて相互にパターンが異なるマスクを配置しておき、搬送手段によって、成膜の際に用いるいずれかのマスクに対し基板を設置し、ステージを回転させて、上下に重ねたマスクと基板とを一体に蒸発源に対向した位置に搬送して成膜する。この場合、成膜室内のステージに複数枚のマスクをストックしたため、数種のマスクを用いて成膜する場合でも、マスクの数だけ予備室を設ける必要はない。

前記基板は、前記マスクホルダーとの嵌合により組付自在な基板ホルダーにセットしたものとすることが好ましい。この場合、マスクホルダー内でマスクを、基板ホルダー内で基板をそれぞれ位置決しておけば、基板ホルダー及びマスクホルダーを組付けるだけで基板とマスクとが位置決めされるため、基板に対しマスクを正確かつ再現性よく配置できる。

前記搬送手段を前記成膜室内に設け、同一の成膜室においてマスク相互の間で基板の載せかえを可能としておけば、成膜室内で成膜を行う真空雰囲気を継続したままマスク交換ができてよい。

前記成膜室に、所定の真空度に保持可能なロードロックチャンバをゲートバルブを介して接続しておけば、例えば、成膜室を一旦大気に戻すことなく、成膜室への基板の搬入、成膜室からの搬出ができてよい。

前記蒸発源を、前記ステージと同心である円周上に複数配置し、同一または相互に異なる材料の複数の基板への同時成膜を可能としておけば、相互に異なる材料を積層する場合、一つの成膜室内で成膜処理ができてよい。また、パターンの異なるマスクに交換しつつ同一の材料を積層する場合、複数の基板を同時に成膜処理できてよい。

前記ステージに駆動手段を設け、前記ステージの回転方向に対し直角な方向に移動自在としておけば、マスクホルダーへの基板ホルダーの着脱に利用できるだけなく、例えば、成膜を行う際に蒸発源に向かってステージを移動させて、成膜室の雰囲気とは隔絶された成膜空間を作ることができる。

前記蒸発源は、例えば、スパッタリング法による成膜を可能とするスパッタカソードとすればよい。

以上説明したように、本発明の成膜装置は、本発明の目的は、パターンの異なるマスクに交換しつつ基板上に同一または相互に異なる材料を積層する場合、基板に対しマスクを正確かつ再現性よく配置でき、装置自体が大型化せず、低コストで製作できるという効果を奏する。

図１及び図２を参照して説明すれば、１は、本発明の成膜装置である。成膜装置１は、スパッタリング装置として構成され、ロータリポンプ、ターボ分子ポンプなどの真空排気システム１１が接続されたチャンバ１２を有し、このチャンバ１２が成膜室を構成する。このチャンバ１２内には、ステージ２が設けられている。

ステージ２は、後述の回転軸及び駆動軸に連結された中央回転板２１と、この中央回転板２１で挟持されたドーナツ状の周辺回転板２２とから構成されている。周辺回転板２２上には、同一円周上に等間隔で９個の円形の開口部２３が形成され、この開口部２３が、後述のマスクホルダーの載置を可能とする載置部を構成する。回転軸２４は、チャンバ１２内に突出させて設けた中空の駆動軸３１内を貫通しており、回転軸２４は、継手２５を介してチャンバ１２の上方に設けたフレーム２６に固定されたモータなどの駆動手段２７に連結されている。

駆動軸３１のチャンバ１２から外側に突出した部分の周辺に位置して、チャンバ１２の天板には、垂直方向に延びる２本のガイドロッド３２が設けられ、このガイドロッド３２は、駆動軸３１の所定位置に固着されたスライダ３１ａに形成した開口を貫通している。ガイドロッド３２にはまた、スライド３１ａの表面に当接してスライド３１ａの上下方向の移動を制限する上下一対のストッパ３２ａが設けられ、スライダ３１ａを上方向に向かって付勢するようにスライダ３１ａとチャンバ１２の天板との間にベローズ３３が伸縮自在に設けられ、真空と大気を気密にしている。

そして、図示しないエアーシリンダなどの駆動装置によって、フレーム２６を上下方向に移動させると、駆動軸３１が上下方向に移動し、これに連結されたステージ２がチャンバ１２内で昇降自在となる。この場合、ステージ２の上下方向の移動ストロークは、ストッパ３２ａの形成位置を適宜設定することで調節自在である。

ステージ２の下側には、ステージ２と同心である円周上に所定の間隔を置いて３個のスパッタリングカソード４が設けられ、蒸発源を構成する。スパッタリングカソード４は、例えばマグネトロン方式であって公知の構造を有し、ステージ２と対向して配置されたターゲット（図示せず）を有する。この場合、スパッタリングカソード４の各ターゲットは、基板Ｓ上に成膜しようする薄膜の組成に応じて公知の方法で作製され、同一または相互に異なる材料とすることができる。

そして、ステージ２を回転させて、開口部２３をターゲット４１と対向した位置に移動し、ガス導入手段（図示せず）を介して所定のスパッタガスを導入すると共に、ターゲットに、スパッタ電源（図示せず）を介して負の直流電圧または高周波電圧を印加すると、ターゲットの前方にプラズマが発生してターゲットがスパッタリングされる。

スパッタリングカソード４のターゲットとステージ２との間には、モータなどの駆動手段４１によって、ステージ２に対し回転自在なシャッター４２が設けられ、このシャッター４２によってターゲットの前方を遮蔽することで、必要に応じて基板Ｓへの成膜が可能になる。ステージ２の上側には、スパッタリングカソード４にそれぞれ対向させて３個の加熱手段５が設けられている。加熱手段５は、例えばハロゲンランプを有するものであり、成膜プロセスに応じて基板Ｓを所定温度に加熱できる。

また、チャンバ１２の側壁には、外側に突出させて収納室１３が形成され、収納室１３には、後述の基板ホルダーのマスクホルダーへの載せかえを行う搬送手段６が設けられている。この搬送手段６は、収納室１３に突出させた支軸６１を有し、この支軸６１の先端にはフォーク状の先端部を有するアーム６２が連結されている。この場合、アーム６２は、エアーシリンダーなどの駆動手段６３によって、収納室１３からチャンバ１２に向かって伸縮自在である。

図３乃至図５に示すように、基板保持具Ｈは、基板ホルダー７とマスクホルダー８とを上下方向に組付けて構成され、ステージ２の開口部２３の周縁で支持されるように載置される。この場合、基板ホルダー７は、アルミなどの金属から構成され、円筒形状の外周壁を有する皿状に形成されている。基板ホルダー７の底板の中央部には、開口部７１が形成され、この開口部７１の最下端には内側に向かって延出させて環状の延出部材７２が形成されている。

この場合、開口部７１の形状は、基板Ｓの形状に略一致させており（本実施の形態では、正方形の基板Ｓに対応して開口部７１の形状を正方形としている）、この開口部７１の上側から開口部７１内に基板Ｓを落とし込むだけで、延出部材７２で支持された基板Ｓが基本ホルダー７の所定の位置にセットされる（つまり、基板が位置決めされる）。基板ホルダー７の上端には、外側に向かって延出させて環状のフランジ部７３が形成され、このフランジ部７３を介して搬送手段６によって基板Ｓがセットされた基板ホルダー７が搬送される。

下側に位置するマスクホルダー８は、アルミなどの金属から構成され、円筒形状に形成されている。マスクホルダー８の中央には、鉛直方向に伸びる貫通孔８１が開設されている。貫通孔８１は、上面から略中央部までマスクホルダー８の外周面に略平行に形成され、下面に向かって拡大するように傾斜させて形成されている。そして、基板ホルダー７の外周壁を段付きに加工すると共に（図２参照）、マスクホルダー８の上面に、基板ホルダー７の小径の外周壁７４が嵌合する第１の凹部８２を形成し、基板ホルダー７の下部とマスクホルダー８の上部とを嵌合して組付けられるようにしている。

ところで、加熱手段５で基板Ｓを所定温度に加熱する場合、基板保持具１自体が加熱さて、形状の違いによる基板ホルダー２及びマスクホルダー３相互の熱膨張の差に起因して嵌合した部分でかじりが生じる虞がある。このため、基板ホルダー７の下側に突出した小径の外周壁７４の一部を、その先端方向内側に向かって傾斜したテーパ面７５として形成すると共に、このテーパ面７５に対応させて、外周壁７４が嵌合する第１の凹部８２の側壁にテーパ面８３を形成している。また、基板ホルダー７の底面に、マスクホルダー８に向かって突出する１本のピン７６を設けると共に、マスクホルダー８の上面にこのピン７６が嵌挿するピン孔８４を形成した。

また、マスクホルダー８の上面には、第１の凹部８２の内側に位置して、マスク収納部を構成する第２の凹部８５が形成され、貫通孔８１の上端の周縁より外側に位置する第２の凹部８５の平坦面８６によって、マスクＭが保持されるようにしている。この場合、第２の凹部８５の形状は、マスクＭの形状に略一致させており、第２の凹部８５の上側からマスクＭを落とし込むだけで、平坦面８６で支持されたマスクＭがマスクホルダー８の所定の位置にセットされる（つまり、基板が位置決めされる）。マスクＭをセットした場合、マスクＭの上面が平坦面８６と面一になるように深さ方向の寸法を設定している。

マスクホルダー８の上端には、上記基板ホルダー７と同様、外側に向かって延出させて環状のフランジ部８７が形成され、このフランジ部８７を介して、搬送手段６によって、マスクＭがセットされたマスクホルダー８単体で、または、マスクホルダー８の上部に、基板Ｓがセットされた基板ホルダー８を組付けた状態で搬送できる。

これにより、基板ホルダー７及びマスクホルダー８を組付ける際、嵌合する部分の一部をテーパ面７５、８３を重ね合わせる構造としたため、ピン７６を基準として基板ホルダー７及びマスクホルダー８が位置決めされ、基板Ｓ及びマスクＭがそれぞれ基板ホルダー７及びマスクホルダー８に位置決めされるようにしたことと相俟って、基板Ｓに対しマスクを正確かつ再現性よく配置される。

また、各テーパ面７５、８３を重ね合わせる構造とすると共に、ピン７６とピン孔８４とが嵌合する部分を一箇所としたため、成膜の際に基板保持具１自体が加熱され、基板ホルダー７とマスクホルダー８との間に熱膨張の差が生じたとしても、この熱膨張の差が重ね合わせたテーパ面７５、８３で吸収されることで、嵌合した部分でのかじりの発生が防止され、その上、このピン７６に近接してテーパ面７５、８３が存在することで、ピン孔８４へのピン７６のかじりの発生が防止できる。このため、成膜後に、搬送手段６によってフランジ部７３を介して基板ホルダー２を持ち上げるだけで、マスクホルダー８から基板ホルダー７を簡単に分離できる。

次に、本発明のスパッタ装置１の作動を説明する。搬送手段６によって、ステージ２の各開口２３の周縁で支持されるように、成膜の際に使用すべきマスクＭがそれぞれセットされたマスクホルダー８を載置する。この場合、各開口２３には、上方に向かって延びる位置決めピン（図示せず）が設けられ、この位置決めピンが嵌挿するピン孔（図示せず）をマスクホルダー３の底面に設け、ステージ２上でマスクホルダー８が位置決めされるようにしている。

次いで、真空排気システム１１を作動させて、チャンバ１２を所定の真空度まで排気する。チャンバ１２内の圧力が所定値に達すると、基板Ｓをセットした基板ホルダー７をチャンバ１２内に搬入する。この場合、成膜処理が行われるチャンバ１２と対向させて収納室１３に、所定の真空度に保持可能なロードロックチャンバ（図示せず）をゲートバルブを介して接続しておき、基板Ｓをセットした基板ホルダー７の予めストックしておくのがよい。これにより、チャンバ１２を一旦大気に戻すことなく、チャンバ１２への基板Ｓの搬入、チャンバ１２からの搬出ができてよい。

そして、ゲートバルブを開位置に移動させた後、搬送手段６によって、ロードロックチャンバから基板ホルダー７を受取り、アーム６３を伸ばしてチャンバ１２に移動し、最初の成膜の際に使用すべきマスクＭをセットしたマスクホルダー８の上方に位置させる。この場合、マスクホルダー８が収納室１３の正面に位置するようにステージ２を回転させておく。そして、駆動軸３１を介してステージ２を上昇させて基板ホルダー７とマスクホルダー８とを組付け、搬送手段６のアーム６３を収納室１３に戻す。

次いで、ステージ２を回転させてスパッタリングカソード４のうち、最初の成膜すべき材料から形成されたターゲットを有するものと対向した位置まで移動する。この場合、シャッター４２は、ターゲットを遮蔽する閉位置にあり、この状態で、ガス導入手段を介して所定のスパッタガスを導入すると共に、ターゲットに、スパッタ電源を介して負の直流電圧または高周波電圧を印加すると、ターゲットの前方にプラズマが発生してターゲットがスパッタリングされ、シャッター４２を開位置に移動させると、マスクホルダー８にセットしたマスクＭを通して基板Ｓに成膜され、所定時間経過すると、シャッター４２を再度閉位置に移動する。

次いで、成膜された層上に他のマスクＭを介して積層する場合、基板ホルダー７が組付けられたマスクホルダー８が収納室１３の正面に位置するまでステージ２を回転させる。この場合、ステージ２は正逆転可能に構成しておくのがよい。そして、上記と逆の操作で搬送手段６によって一旦その基板ホルダー７を受取り、ステージ２の上方に待機させる。そして、次に成膜の際に使用すべきマスクＭをセットしたマスクホルダー８が収納室１３の正面に位置するまでステージ２を回転させた後、ステージ２を上昇させて基板ホルダー７と他のマスクホルダー８とを組付けて載せかえを行う。

次いで、ステージ２を回転させてスパッタリングカソード４のうち、次の成膜すべき材料から形成されたターゲットを有するものと対向した位置まで移動し、シャッター４２を開位置に移動させて、マスクホルダー８にセットしたマスクＭを通して基板Ｓに成膜される。上記手順を繰り返し、パターンの異なるマスクに交換したり、成膜すべき材料を代えて所望の材料を積層する。

これにより、数種のマスクＭを用いて成膜する場合でも、マスクＭの数だけ予備室を設けたり、一つの予備室に複数枚のマスクを収納しておく必要がないため、成膜装置１の小型化が可能であり、また、成膜室であるチャンバ１２内でのマスクＭの交換及び成膜材料の交換が可能になり、その上、スパッタリングカソード４の作動を停止することなく、基板に膜を積層できるため、積層膜の形成速度を速めることができる。

尚、本実施の形態では、基板保持具Ｈを用いたものを例として説明したが、これに限定されるものではなく、ステージ２に設置したマスクＭに対して位置決めして基板Ｓを配置できるものであれば、その形態を問わない。また、ステージ２の下側にスパッタリングカソード４を設置したものについて説明したが、スパッタリングカソード４などの蒸発源をステージ２上側に設置することもできる。この場合、基板ホルダー７上にマスクホルダー８を装着してもよく、また、ステージ２の下側にマスクホルダー８を吊設しておき、このマスクホルダー８の下側に基板ホルダー７を嵌合して組付けるようにしてもよい。

また、本実施の形態では、ステージ２の回転方向において成膜位置と基板の搬入、搬出位置とが相互に一致していないが、蒸発源での成膜処理中に、基板の搬入、排出が可能となるように、基板の搬入、搬出位置を適宜設定してもよい。また、基板ホルダー８をストックすべくロードロックチャンバを設ける例について説明したが、マスクホルダー８をストックするためのロードロークチャンバを設けてもよい。また、本実施の形態では、ステージ２にマスクホルダー８を設置したものとしてスパッタリング装置１の作動を説明したが、これに限定されるものではなく、例えば基板ホルダー７とマスクホルダー８とを組付けて成膜室１２内に搬入するようにしてもよい。

さらに、本実施の形態では、マスクホルダー８への基板ホルダー７の着脱の際に、ステージを昇降させることとしたが、これに限定されるものではなく、搬送手段６の支軸６１を昇降自在に形成してもよい。また、シャッター４２を設けたものについて説明したが、ステージ２の下側に、開口部２３の周囲を囲うように防着板を設けておき、ステージ２を下降させると、成膜室１２の雰囲気とは隔絶された成膜空間が作くられるようにしてもよい。ステージ２に形成すべき開口部２３の数、及び蒸発源であるスパッタリングカソード４の数は、成膜プロセスに応じて適宜設定される。

本発明の成膜装置の構成を説明する断面図。本発明の成膜装置の構成を説明する断面図。基板保持具を説明する断面図。（ａ）及び（ｂ）は、基板ホルダーを説明する図。（ａ）及び（ｂ）は、マスクホルダーを説明する図。

符号の説明

１成膜装置（スパッタリング装置）
２ステージ
２３開口部
２４回転軸
２７駆動手段
４蒸発源（スパッタリングカソード）
７基板ホルダー
８マスクホルダー
Ｈ基板保持具

Claims

成膜室内に、蒸発源と、同一円周上に所定の間隔を置いて開口部が形成された回転自在なステージと、基板の搬送を可能とする搬送手段とを備え、前記ステージの基板が臨む前記開口部に載置されたマスクホルダーに、相互にパターンが同一または異なるマスクがセットされ、前記搬送手段によって、いずれかのマスク上にこのマスクに対し位置決めして基板を設置した後、ステージを回転させて蒸発源に対向した位置に搬送し、マスクを通して基板への成膜を可能としたことを特徴とする成膜装置。
前記基板は、前記マスクホルダーとの嵌合により組付自在な基板ホルダーにセットしたものであることを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
前記搬送手段を前記成膜室内に設け、同一の成膜室においてマスク相互の間で基板の載せかえを可能としたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の成膜装置。
前記成膜室に、所定の真空度に保持可能なロードロックチャンバをゲートバルブを介して接続したことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の成膜装置。
前記蒸発源を、前記ステージと同心である円周上に複数配置し、同一または相互に異なる材料の複数の基板への同時成膜を可能としたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の成膜装置。
前記ステージに駆動手段を設け、前記ステージの回転方向に対し直角な方向に移動自在としたことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の成膜装置。
前記蒸発源は、スパッタリング法による成膜を可能とするスパッタカソードであることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の成膜装置。