JP4776061B2 - 薄膜形成装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜形成装置に係り、特に、２層以上の積層膜を連続して形成する薄膜形成装置であって、装置の設置面積及びコストを抑えつつ、スループットを向上させる薄膜形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示パネルの生産においては、複数枚の面取りが可能な大型基板が用いられ、基板製造プロセス終了後、切断されてパネルの組立に供される。従って、基板製造装置も大型装置となるが、特に、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）のソース・ドレイン電極のような多層構造膜の薄膜形成装置は、各層ごとに成膜装置が必要となり、しかも安定した生産及びスループット向上の観点からクラスター構造をとるため、薄膜形成装置全体としては極めて大型の装置となる。
【０００３】
例えば、３層構造（Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ）のソース・ドレイン電極の薄膜形成装置は、図７に示すような構成の装置となり、Ｔｉ成膜室７０５、Ａｌ成膜室７０６及びＴｉ成膜室７０７の３つのスパッタ室の他、基板加熱室７０４と２台のロードロック室７０２，７０３とが、基板移送室７０１の周りにゲートバルブ７０８を介して連結されている。基板移送室７０１の中央部には各室間で基板の移送を行うロボットが配置されている。また、各室には、それぞれ別個の真空排気装置が備えられ、ロードロック室には、昇降機構を有するステージ上に基板が複数収納されたカセットが載置されており、カセット単位で処理基板と未処理基板の入れ替えが行われる。
【０００４】
以上の装置により、３層構造膜を形成する場合、まず、ロボットは、第１ロードロック室７０２のカセットから基板を取り出し、基板加熱装置７０４に移送し、そこで基板の加熱処理を行う。加熱処理された基板はロボットにより次の第１成膜室（Ｔｉ膜）７０５に移送され、次の基板が第１ロードロック室７０２から移送される。このようにして、カセット内の基板及び各室の処理済み基板は、ロードロック室７０２から、基板加熱室７０４、第１Ｔｉ成膜室７０５，Ａｌ成膜室７０６、第２Ｔｉ成膜室７０７へと順送りされ、第３層（Ｔｉ膜）の成膜が終了した基板は、ロードロック室７０２のカセットの未収納棚に戻される。カセット内の基板が全て処理されると、第２ロードロック室７０３から基板が取り出され、同様の手順で処理が行われる。一方、第１のロードロック室７０２のカセットは、第２ロードロック室の基板が処理されている間に、次のカセットとの入れ替えが行われる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、以上の装置構成では、バリア用Ｔｉ膜は導電用Ａｌ膜に比べて非常に薄いためＴｉ成膜時間は極めて短時間で終了しまうことから、Ｔｉ成膜装置の実稼働時間は短く、ほとんどの時間が待機状態におかれることになる。このように、無駄な時間が多い装置と実稼働時間の長い装置を共に同じ装置構成とし、同等の大きな設置面積をとるような装置システム構成は、投資効率が低く、また生産性も低くならざるを得ず、これは基板面積がさらに大型化すると一層深刻化する問題である。
【０００６】
また、装置のスループットを上げるためには、各処理時間の中で、最も時間のかかる処理の時間を最小にする必要があるが、図１の装置構成では、処理時間をいくら短くしても、スループットはロボットの移送時間により律速されてしまうという問題がある。即ち、スループットを最大とするには、最長の処理時間を要する処理（例えば、Ａｌ成膜処理）の時間内で、ロボットは、他の４つの装置（第１Ｔｉ成膜室、第２Ｔｉ成膜室、基板加熱室及びロードロック室）との間で、処理基板と未処理基板の移送を行う必要があるが、一つの装置についてロボットが基板を移送するには少なくとも２０数秒かかるのが現状であり、４つの装置ではこの４倍かかることになる。従って、たとえ、Ａｌ成膜処理を短時間で行えるものであっても、結局スループットはロボットによる基板移送により制限されてしまうことになる。
【０００７】
また、基板が大型化し各種製造装置の枚葉処理化が進むとともに、ＴＦＴ基板の生産ラインにおいては、従来のカセット単位の処理ではなく、例えば、洗浄、ソース・ドレイン薄膜形成、フォトリソ等を基板単位で一貫処理できるシステムの要求が強まっている。このためには、基板をロードロック室へ基板単位で搬出入可能なロードロック室が必要となるが、そのためには室内部の排気、基板冷却、ベント等を効率よく短時間で行え、かつ他の処理装置の処理時間に整合できるロードロック室が必要となる。
【０００８】
本発明は、以上述べた従来の積層膜の薄膜形成装置の問題を解決し、各装置での処理時間及びロボット移送の適正化を行い、よりスループットの高い薄膜形成装置を提供することを目的とする。また、装置の小型化により設置面積を小さくするとともに、装置コストの低減する薄膜形成装置の提供を目的とする。
【００１０】
本発明の他の薄膜形成装置は、基板を移送する移送手段と、前記移送手段によって移送された基板上に積層膜を連続して形成する手段と、前記積層膜が形成される前の基板を加熱する手段と、前記積層膜が形成された基板を冷却する手段を備えた薄膜形成装置であって、昇降可能に設けられ、前記基板を載置可能なステージと、前記ステージに設けられ、基板を押し上げ可能な複数のピンとを備え、前記基板を冷却する手段によって基板を冷却する際には、前記ピンは前記ステージ内に収納され、前記基板を加熱する手段によって基板を加熱する際には、前記ピンは前記ステージ内に収納されないことを特徴とする。
【０００１１】
なお、前記スパッタ室は、側面の少なくとも２つにターゲットが取り付けられ、底面に水平方向に回転可能で、しかも垂直方向に回転しかつ水平及び垂直状態間の任意の角度に保持可能な基板ホルダを有する構成とするのが好ましい。
この基板ホルダを用いることにより、各構成膜のスパッタ間での基板移動時間を短縮することができ、特に、基板ホルダを回転して次のターゲットに基板を対向させる際に、基板ホルダを水平な位置まで戻す必要がなくなることから、一層の時間短縮を図ることができ、より高いスループットに対応したスパッタ室となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して、本発明の薄膜形成装置の実施の形態を説明する。
図１は本発明の薄膜形成装置の一構成例を示す模式的平面図である。図に示すように、薄膜形成装置は、２つのロードロック室２００，３００と２つのスパッタ装置４００，５００が基板移送装置１００の周りにゲートバルブ２０１，３０１、４０１，５０１を介して連結されている。なお、各室には、それぞれ、独立した真空排気装置（不図示）が取り付けられている。
【００１３】
基板移送装置１００の内部には、図２の模式的平面図で示す基板移送ロボット１０１が配設されている。ロボット１０１は、回転台１０２の上に、２つの基板把持ハンド１０４，１０４’がその向きを互いに逆方向にしして取り付けられており、アーム１０３の動作により、ハンドは前進、後退して、ステージ上の基板の取出し及びステージ上への基板の載置を行うことができる。なお、本発明において、回転とは、両方向に回転することを意味する。
【００１４】
第１スパッタ装置４００の３つの側壁には、３つのターゲットを備えたマグネトロンカソード４０２，４０３，４０４が取り付けられており、底壁には、図３に示す水平方向に回転可能で、鉛直方向に起立できる基板ホルダ４１１が取り付けられている。第２スパッタ装置５００も同様である。基板ホルダの回転及び起立の機構を図３を参照して説明する。
【００１５】
図３（ａ）は、図１のＡ−Ａ’矢視図であり、図３（ｂ）は基板ホルダの起立動作を説明する模式図で、Ａ−Ａ’線に垂直な方向から見た図である。
基板ホルダ４１１は、回転シャフト４１０に固定され、回転シャフトの回転により、基板ホルダは水平姿勢から起立姿勢へと相互に変化する。
基板ホルダ４１１及び回転シャフト４１０は円筒状支持体４１３により支持されており、この支持体４１３により囲まれた内部空間４１４は大気圧にあり、内部にモータ４２３等が配設されている。なお、この空間４１４は、磁性流体シール４１５，４１５’により成膜室との気密が保たれ、成膜室を高真空雰囲気に維持することができる。また、円筒状支持体４１３はその下部で、磁性流体シール４１６を介して、スパッタ装置底壁４１７に固定されている。なお、支持体４１３はモータ（不図示）に水平方向で回転可能に連結されている。
【００１６】
回転シャフト４１０に固定された回転駆動アーム４１２は、ボールネジ４２２と螺合するトラベラー４２１にピン４２０を介して接続されている。また、モータ４２３は、ピン４２４を介して固定台４２５と接続されている。従って、基板が水平の位置にあるときは、トラベラー４２１はボールネジの端部にあるが、モータを回転するとトラベラーはモータの方向に移動すると共に、モータ、ボールネジはピン４２４のまわりに回転する。さらにトラベラーが移動して回転駆動アーム４１２が９０゜回転した位置が基板ホルダの起立状態に対応し、図３（ｂ）の破線がその状態を示している。また、この状態から、モータを逆方向に回転することにより、基板を水平状態に倒すことができ、途中の所望の角度で停止することも可能である。本例では、モータにサーボモータを用いているため、基板ホルダを水平方向に対する任意の角度で停止させ、その状態を保持することができる。
【００１７】
なお、図には示していないが、基板ステージには、基板加熱用ヒータが内蔵されており、所望の温度で成膜することが可能である。また、基板取り出し及び載置時に基板を上方に押し上げる複数のピン及びそのアクチュエータ、並びに基板を基板ホルダに固定するための基板押さえ板及びそのアクチュエータからなる基板押さえ機構が設けられている。なお、これらのアクチュエータはエアシリンダにより駆動される。
【００１８】
ロードロック室は、図４に示すように、内部に、基板搬入時に基板を加熱し吸着ガス等を脱離させる基板加熱処理部２１０と、処理済みの基板を装置外に搬出する前に基板を冷却する基板冷却処理部２１１とを有し、これらは昇降可能な支持棒２１３に固定されている。内部を真空に保った状態で各ステージを昇降できるように、ロードロック室の底壁２０３には、支持棒２１３が貫通する開口が設けられ、この開口を囲んで伸縮性のベローズ２１５が、底壁２０３と支持棒２１３が固定された上下移動板２１６との間に取り付けられている。なお、２１７は移動板のガイド、２１８はボールネジ、２１９はモータであり、移動板２１６はボールネジと螺合して結合している。従って、モータ２１９が回転すると、ボールネジ２１８の回転を介して、これと螺合する移動板２１６がガイドにそって上下に移動する。
なお、図には示していないが、スパッタ室の基板ホルダと同様に、基板加熱処理部及び冷却処理部のステージには、基板の取り出し及び載置時に、ロボットハンドが進入できるように基板を上方に押し上げるピンが複数取り付けられている。冷却処理部のピンは、基板載置後はピンはステージ内に収納され、ステージと基板との熱伝導による基板冷却効果を高める構成としているが、加熱処理部のステージに設けられたピンは、基板載置後も完全には収納されず、基板がステージ直接接触しない構成として、ランプ２１４による基板加熱効率を高めている。
【００１９】
次に、図１の装置を用いて、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ積層膜を形成する手順を説明する。各室での処理手順のタイムチャートを図５に示す。図において、「閉」はゲートバルブが閉じている状態、即ち処理が行われている状態を示している。一方、「開」は、ゲートバルブが開き、ロボットによる基板の取り出し及び載置等の動作を行っている状態を示している。図５においてＡで示した時点以降の薄膜形成装置の動作を以下に説明する。
このＡの時点では、例えば、第１スパッタ室（ＳＰ１）４００は成膜処理中であり、第２スパッタ室（ＳＰ２）５００では成膜が終了し基板の取り出し可能な状態にある。また、第１の基板把持ハンドには第１ロードロック室（ＬＬ１）２００の基板加熱部から取り出された未処理の基板が載置されて、第２のハンドは空の状態で、この空のハンドが第２スパッタ室に向けられている。第１ロードロック室２００では基板冷却処理部に処理後の基板が載置されている状態である。第２ロードロック室３００では未処理の基板が加熱されている状態にある。
【００２０】
この状態から、第２スパッタ室５００のゲートバルブ５０１が開けられ、空の第２ハンドが前進してスパッタ室に進入し、基板を把持して元の位置まで後退する。次にロボットは１８０゜回転し、基板の載った第１ハンドがスパッタ室面に向けられる。ハンドが延びて基板を基板ホルダー上に載置し、元に位置に戻る。この時点でゲートバルブ５０１は閉じられ、基板の交換を終了する。
【００２１】
続いて、ロボットは回転し、空の第１ハンドが第２ロードロック室３００に向けられると同時に、第２ロードロック室のゲートバルブ３０１が開けられる。ハンドを前進させ、加熱処理部に載置された未処理基板を把持し、元の位置に後退させる。続いて、ロボットを１８０゜回転させるとともに、第２ロードロック室の昇降機構により冷却部をロボットハンドの位置まで上昇させる。第２のハンドを前進させ、冷却処理部に処理済み基板を載せ、元の位置までハンドを後退させる。
【００２２】
次に、第１スパッタ室４００の処理済み基板と、第１のハンドが把持する未処理基板との交換を行う。空の第２ハンドを第１スパッタ室４００に向くようにロボットを回転し、第１スパッタ室のゲートバルブ４０１を開ける。以下同様に処理基板の取り出し、ロボットの１８０゜回転、未処理基板の載置を行い、ゲートバルブ４０１を閉じる。その後、ロボットは第１ロードロック室２００との間で処理基板及び未処理基板の移送を行う。以上の操作が連続して続けられる。
【００２３】
一方、第２スパッタ室では、ゲートバルブ５０１が閉じられた後、三層構造のソースドレイン膜の形成が行われる。即ち、基板ホルダ上に基板が載置されると、基板押さえ機構により基板が基板ホルダ上に固定され、続いて、図３に示す基板起立機構により基板を垂直に起立させ、基板を第１のターゲット（Ｔｉ）に対向させる。この間に、基板とターゲット間の空間にスパッタガスを所定流量導入し、所定の圧力に設定する。ターゲットに給電して放電を発生させ、これを所定時間継続して、基板上に第１の膜（Ｔｉ膜）を形成する。
【００２４】
所定のスパッタ時間経過後、電源を切り、スパッタガスの導入を停止する。基板ホルダは基板起立機構により所定の角度倒し、さらに、図３に示す基板回転機構により、基板ホルダを９０゜水平方向に回転し、基板面を第２のターゲット方向に向ける。再度、基板起立機構により基板を垂直に起立させ、基板面を第２ターゲットに対向させる。この間に、スパッタ室内をいったん高真空に排気した後、第２ターゲットと基板間の空間にスパッタガスを導入し、所定の圧力に設定してＡｌスパッタの準備を行う。同様にターゲットに給電し、スパッタを所定時間行い、基板上にＡｌ膜を形成する。ここで、所定の角度とは、基板ホルダ回転時に、基板ホルダがターゲット等の装置構成物に衝突しない角度とすればよく、通常７０゜程度の角度とすればよい。このように構成することにより、スパッタ終了後、次の膜をスパッタ可能状態とするまでの時間は、基板を所定角度まで倒す時間に１秒、基板を水平方向に９０゜回転するに要する時間に４秒、及び再び基板を起立させる時間に１秒の計６秒で行うことが可能となり、真空排気、ガス導入等は、これらの時間内で十分行うことができるため、スパッタ室のタクトタイムは大幅に短縮されることになる。
【００２５】
第３層のＴｉ膜の成膜も同様に、基板を所定角度まで倒し、水平方向への９０゜回転及び基板の起立動作を行った後、第３のターゲットに電圧を印加してＴｉ膜をＡｌ膜上に所定膜厚形成する。その後、基板起立機構により基板を水平の位置まで倒し、基板押さえ機構を解除して、基板取り出し状態にする。なお、第３層のＴｉ膜の形成を第３のターゲットを用いて行ったが、本例のように、第１層と同じ材質の膜を形成する場合は、Ａｌ膜成膜後、基板ホルダを逆方向に９０゜回転して第１のターゲットを用いてＴｉ膜を形成してもよい。
【００２６】
このように、ソース・ドレイン用のＴｌ／Ａｌ／Ｔｉ積層膜の形成を１つのスパッタ室で行うことが可能となり、これにより、ロボットによる基板移送回数を削減することができるととも、装置の小型化を達成することができる。さらに、本発明の基板起立機構、基板回転機構を用いたことにより、各層のスパッタ間の準備時間を短縮でき、スパッタ室のタクトタイムの短縮が可能となる。
【００２７】
また、処理基板が冷却部に載置された第１ロードロック室２００では、その後、内部にＮ_２ガス等を導入して、大気圧に戻し、ゲートバルブ２０１と反対側に後部に設けられゲートバルブ２０２を開けて、冷却された処理基板を搬出し、未処理基板を加熱部に搬入する。この基板の搬出入は公知のロボットを用いて行われるが、例えば、ベルト搬送等で行ってもよい。その後、ゲートバルブ２０２を閉じ、内部を排気すると共に基板の加熱処理を開始する。なお、搬出された処理基板は、次の工程（例えば、フォトレジスト塗布工程）の装置に搬送される。
【００２８】
以上述べたように、図１の装置は、各構成膜のスパッタ時間以外の準備期間を大幅に短縮することができるため積層膜の形成に適しており、積層膜形成装置のスループットをさらに改善することが可能である。即ち、スパッタ室のタクトタイムは、ロボットによる基板の移送に２０秒以内、基板起立動作に４秒、次のターゲットへの移動に６秒（２回）、最後の成膜終了後基板を水平に戻す動作に４秒の合計４０秒に、正味のスパッタ時間を加えた時間となる。従って、液晶パネルに用いられるＴＦＴ基板の場合、タクトタイムを１２０秒以下にするのは容易となり、マグネトロンカソードを用いた高速スパッタを行う場合には、９０秒以下にすることも可能となる。
本発明の薄膜形成装置は、２台のスパッタ室を設け、しかもロードロック室、基板移送室との整合性をとることができるため、スループット６０枚／時間を容易に達成することができ、また、上記タクトタイム９０秒の場合では、スループット８０枚／時間が可能となる。
本発明の薄膜形成装置は、このように高いスループットを達成することができるにもかかわらず、従来型装置に比べて大幅な小型化を達成することができる。例えば、図７に示す構成の装置では設置面積が６．５ｘ８．３ｍであるのに対し、図１の装置では４．５ｘ５．７ｍとなる。
【００２９】
次に本発明の薄膜形成装置における第２の構成例を図６に示す。図１と異なる点は、加熱処理部を取り外したロードロック室２００’、３００’を用い、その代わりに基板加熱室６００を基板移送室にゲートバルブ６０１を介して連結したものである。この場合、ロボットによる基板移送回数が一回増加し、３回となるが、本発明の基板移送機構を用いることにより、一回の基板移送を２０秒以内で行うことが可能であるため、基板移送に要する時間は６０秒以内であるため、６０枚／時間以上のスループットを達成することができる。なお、ゲートバルブ９０１は省略することもできる。
【００３０】
また、ロボットは、図２に示す例では、２つのハンドが互いに逆方向を向いた構造としたが、本発明では、２つのハンドを同じ方向に向け、ハンドの高さをずらした構造のロボットも好適に用いることができる。このようなロボットを用いることにより、ロボットの回転に要する時間を短縮できるとともに、２つのハンドの前進・後退を一部重複させることができ、基板移送時間をさらに短くすることができる。
【００３１】
【発明の効果】
上述したように、本発明により、積層膜の連続形成装置を小型化し、設置面積の省スペース化が可能となる上に、より高いスループットの薄膜形成装置を実現できることから、製造設備の投資効率を大幅に改善することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の薄膜形成装置の一構成例を示す模式的平面図である。
【図２】本発明の基板移送ロボットの一例を示す模式的平面図である。
【図３】基板起立機構及び回転機構を示す模式図である。
【図４】図１のＢ−Ｂ’矢視図である
【図５】各装置の処理状況を示すタイムチャートである。
【図６】本発明の薄膜形成装置の他の構成例を示す模式的平面図である
【図７】従来の薄膜形成装置の構成例を示す模式的平面図である。
【符号の説明】
１００ 基板移送室、
１０１ 基板移送ロボット、
２００，３００ ロードロック室、
２０１，３０１、４０１，５０１ ゲートバルブ、
２１０ 基板加熱処理部、
２１１ 基板冷却処理部、
２１４ ランプ、
２１３ 支持棒、
２１５ ベローズ、
２１６ 上下移動板、
２１７ ガイド、
２１８ ボールネジ、
２１９ モータ、
４００，５００ スパッタ装置、
４０２，４０３，４０４ マグネトロンカソード、
４１０ 回転シャフト、
４１１ 基板ホルダ、
４１２ 回転駆動アーム、
４１３ 円筒状支持体、
４１５，４１５’、４１６ 磁性流体シール、
４２０、４２４ ピン、
４２１ トラベラー、
４２２ ボールネジ、
４２３ モータ、
６００ 基板加熱室。

Claims (7)

1. 基板を移送する移送手段と、前記移送手段によって移送された基板上に積層膜を連続して形成する手段と、前記積層膜が形成される前の基板を加熱する手段と、前記積層膜が形成された基板を冷却する手段を備えた薄膜形成装置であって、
   昇降可能に設けられ、前記基板を載置可能なステージと、
   前記ステージに設けられ、基板を押し上げ可能な複数のピンとを備え、
   前記基板を冷却する手段によって基板を冷却する際には、前記ピンは前記ステージ内に収納され、
   前記基板を加熱する手段によって基板を加熱する際には、前記ピンは前記ステージ内に収納されないことを特徴とする薄膜形成装置。
2. 前記ステージは、前記基板を加熱する手段と、前記基板を冷却する手段に対応して別個に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の薄膜形成装置。
3. 前記基板を加熱する手段と、前記基板を冷却する手段は、同一の室内に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の薄膜形成装置。
4. 前記基板を加熱する手段は、ロードロック室の内部の上方に設けられ、
   前記基板を冷却する手段は、前記基板を加熱する手段の下方に対向配置したことを特徴とする請求項１に記載の薄膜形成装置。
5. 前記ステージは、昇降可能に設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の薄膜形成装置。
6. 前記ステージから前記基板を取り出す際には、前記ピンは前記基板を前記ステージから押し上げることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の薄膜形成装置。
7. 前記基板を加熱する手段は、ランプと、加熱処理部を有し、
   前記基板を冷却する手段は、冷却処理部を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の薄膜形成装置。

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