JP5609014B2 - 成膜装置 - Google Patents

Description

本発明は、成膜炉内にパージガスを導入して成膜炉内を清浄化する成膜装置に関する。

成膜装置は成膜炉内に配置された基板上に成膜を行う装置である。基板上に成膜するにあたり、成膜材料であるガス材料が必要となる。ガス材料を成膜炉に導入する方法は次の２つの方法に大別される。

第１の方法は、成膜炉と連結されたガス材料導入管からガス材料を導入する方法である。この方法は、ガス材料を基板上に成膜する材料に分解することを要する。すなわち、成膜のためには高周波発生装置などにより熱エネルギー供給を行うことが必要となる。このような成膜方法で代表的なものとしてはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法が挙げられる。

第２の方法は、成膜炉内に固体材料を配置し当該固体材料を融解し成膜炉内で蒸気を発生させる方法である。この方法は、蒸気発生のための電子線発生装置や抵抗加熱線などの熱源が必要である。一方ガス材料導入管は要しない。このような成膜方法で代表的なものとしてはスパッタリング法、真空蒸着法、あるいは真空蒸着法の一種であるＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法が挙げられる。

所望の膜質で薄膜形成を行うためには成膜炉内は清浄であり、パーティクル（異物）が少ないことが好ましい。特許文献１−６にはパーティクルを抑制もしくはパーティクル数を考慮して行われる成膜に関する技術が開示されている。

特開平６−１２４９０２号公報 特開２００９−１４７４０号公報 特開昭６１−２４５０４１号公報 特開平１−３０１１４５号公報 特開２００２−２２８５７４号公報 特開昭６３−２６５５３号公報

スパッタリング法、ＭＢＥ法を除いた真空蒸着法などの成膜方法では、成膜していないときに成膜炉内にＨ２やＮ２などの不活性ガス（以後パージガスと称する）を導入することが一般的である。パージガス導入について図１０を参照して簡単に説明する。図１０は成膜炉５００に接続されたパージガス導入管５１２を備える。成膜炉５００内の基板フォルダー５０６に固定された基板５０８は、材料ガス導入管５１４から導入される材料ガスまたは、ヒーター５０２あるいは電子線供給源５１０から熱供給を受けて蒸気を発生する固体材料５０４により成膜が行われる。材料ガスは材料ガス排気管５１８を経由して排気される。また、パージガスはパージガス排気管５１６を経由して排気される。これらの排気は排気ポンプ５３０、逆止弁５３２、排気ガス処理装置５３４を用いることが多い。また、それぞれの配管はバルブ５２２、５２４、５２６、５２８により開閉が制御される。

どのような成膜方法であっても成膜炉の炉壁や、成膜炉の後段にある排気管の壁面にはデポ物（成膜時に生成する物質）などが堆積する。このようなデポ物の堆積が進むと前述の炉壁あるいは壁面から当該デポ物が剥がれ落ちパーティクルが発生する。パーティクルのなかでも比較的サイズの大きいものは、清掃やパージガスの導入で取り除くことがきる。ところが、大きさが数μｍ程度の微小なパーティクルについては成膜炉内から除去することが難しい。つまり、このような微小なパーティクルは成膜炉内へのパージガスの導入によっても除去されず成膜炉内やパージガス排気管内に滞留し成長雰囲気を汚染することがあった。その結果基板上に成膜された薄膜にパーティクルが混入し、白濁などの成膜異常を生じさせる問題があった。

また、そのような成膜異常の結果製品の歩留まりを低下させる問題もあった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、成膜炉内のパーティクル数を抑制できる成膜装置を提供することを目的とする。

本願の発明にかかる成膜装置は、成膜炉内に基板を配置し該基板上に成膜を行う成膜装置であって、該成膜炉と、該成膜炉に接続されたパージガス導入管と、該成膜炉に接続されたパージガス排気管と、該成膜炉内のパーティクル数を測定する成膜炉内測定手段と、該パージガス排気管内のパーティクル数を測定する排気管内測定手段と、該成膜炉内測定手段と該排気管内測定手段により測定されたパーティクル数が多いほど、該成膜前に該パージガス導入管から該成膜炉へ導入するパージガスの量を増加させる手段とを備えたことを特徴とする。
本願の発明にかかる他の成膜装置は、成膜炉内に基板を配置し該基板上に成膜を行う成膜装置であって、該成膜炉と、該成膜炉に接続されたパージガス導入管と、該パージガス導入管に設けられた、該成膜炉へ導入するパージガスの量を調整する流量制御機と、該成膜炉に接続されたパージガス排気管と、該成膜炉内のパーティクル数を測定する成膜炉内測定手段と、該パージガス排気管内のパーティクル数を測定する排気管内測定手段と、該成膜炉内のパーティクル数か該排気管内のパーティクル数が目標値より大きい場合に、該流量制御機を制御し、該成膜炉へパージガスを導入させるＰＣとを備えたことを特徴とする。

本発明により、成膜炉内のパーティクル数を抑制できる。

実施形態１の成膜装置の概念図である。 実施形態１の具体的構成を説明する図である。 図２の成膜装置の処理工程を説明するフローチャートである。 反射鏡を備えた成膜装置を説明する図である。 実施形態２の成膜装置の概念図である。 パージガス排気管のパーティクル数を測定する手段を備えた成膜装置を説明する図である。 図６の成膜装置の処理工程を説明する図である。 パージガス流量の制御の要否判定について説明する図である。 反射鏡を備えた成膜装置を説明するである。 製膜炉へのパージガスの導入について説明する図である。

実施の形態１
本実施形態は図１−４を参照して説明する。なお、同一材料または同一、対応する構成要素には同一の符号を付して複数回の説明を省略する場合がある。他の実施形態でも同様である。

図１は本実施形態の成膜装置の概念図である。図１に示されるように、本実施形態の成膜装置は成膜炉１０におけるパーティクル数を測定１２する。測定されたパーティクル数はパージガス流量の制御１４に反映される。パージガス流量の制御１４により成膜炉１０内のパーティクル数を低減するのに十分な流量となるように制御されたパージガスが成膜炉に導入される。そして、パージガスの排出に伴い成膜炉内のパーティクルが成膜炉１０から排除される。この一連のパーティクル低減のための処理は成膜炉内で成膜が行われていないときに実施されるものである。これにより、成膜異常および歩留まり低下の問題を解消する。

図２は図１で説明した成膜装置の概念を具体化した一例である。図２に示される成膜装置は、成膜炉内に基板を配置し当該基板上に成膜を行う成膜装置であるが、説明の便宜上基板フォルダーなどは省略している。この成膜装置は、成膜炉２０を備える。成膜炉２０には、成膜炉２０内に材料ガスを供給するための材料ガス導入管２４が接続される。また、材料ガスを排出するための材料ガス排気管２８も接続される。材料ガス導入管２４にはバルブ３４およびＭＦＣ（Mass Flow Controller：流量制御機）４２が設けられる。材料ガス排気管２８にはバルブ３８および排気ポンプ４４が設けられる。

さらに成膜炉２０には、成膜炉２０内にパージガスを供給するためにパージガス導入管２２が接続される。また、パージガスを排出するためのパージガス排気管２６も接続される。パージガス導入管２２にはバルブ３２およびＭＦＣ４０が設けられる。ＭＦＣ４０はＰＣ（Personal Computer）５４による制御を受ける。パージガス排気管２６にはバルブ３６および逆止弁４８が設けられる。逆止弁４８および排気ポンプ４４の後段には排ガス処理装置４６が接続され、両者を経由して排気されるガスを処理する。

さらに、成膜炉２０内のパーティクル数を測定する手段としてレーザ素子５０と受光素子５２を備える。図２から明らかなようにレーザ素子５０と受光素子５２は成膜炉２０を挟むように配置される。図２に示す成膜装置は上述の構成を備える。以後この成膜装置の動作について図３を参照して説明する。

図３は図２に示す成膜装置の動作について説明するフローチャートである。このフローチャートで説明するすべての工程は成膜装置が成膜を行っていないとき、つまり成膜を行う前に実施される。まずステップ６０にてレーザ素子５０からシングルモードのレーザ光が出射される。レーザ光の出射はレーザ光が成膜炉２０内を通過するように行われる。次いで、ステップ６２にて成膜炉２０を通過したレーザ光が受光素子５２により受光される。受光素子５２は受光したレーザ光の強度とレーザ素子５０出射時のレーザ光の強度の変化を観察できる。

次いで、ステップ６４にて成膜炉２０内のパーティクル数が読み取られる。この読み取りは受光素子５２を包含する受光器によって行われても良いし、受光素子５２から出力情報を取得するＰＣ５４により行われても良い。そして、ＰＣ５４は前述のパーティクル数が多いほど成膜炉２０内に導入するパージガスの量が多くなるように ＭＦＣ４０を制御する（ステップ６６）。ここで、ＰＣ５４にはあらかじめ成膜炉２０のパーティクル数の目標値が設定されている。そして、パーティクル数が当該目標値未満となるようにパージガス流量を増加させるＭＦＣ４０制御を実施する。目標値は成膜の際にパーティクルに起因して異常成長などの弊害が生じない値である。

ステップ６６では上述のようにＭＦＣ４０が制御され、パージガス導入管２２から成膜炉２０へパージガスが導入される。次いで、ステップ６８にてパージガス排気管２６を経由したパージガスの排気が行われる。次いで、ステップ７０にてレーザ光の出射および受光が行われ、成膜炉２０内のパーティクル数が目標値未満であることを確認する。目標値未満であればフローを終了し、目標値以上であれば再度ステップ６０に戻りパージガスが導入される。なお、このステップ７０の工程は成膜炉内のパーティクル数を確認するものにすぎないため省略可能であり、必須ではない。

上述した成膜装置の構成によれば、基板の成膜前に成膜炉内のパーティクル数を目標値未満に低減できるため、成膜された薄膜にパーティクルが混入し、白濁などの成膜異常を生じさせる問題を解消できる。その結果、成膜炉で成膜された製品の歩留まりを向上させることができる。

本実施形態の成膜装置は成膜炉に導入するパージガス量を、パーティクル数に応じて積極的に制御し成膜炉内のパーティクル数を目標値未満に低減することが特徴である。そして、本実施形態はこの特徴を失わない限りにおいて様々な変形を成しうる。例えば材料ガス導入管２４などは固体材料に置き換えが可能である。

また、図４に記載のようなパーティクル数の測定手段を備えれば本発明の効果を高めることができる。すなわち、図４に記載のとおり、成膜炉２０内を通過したレーザ光を反射し再度成膜炉２０内を通過させる反射鏡８０と、反射鏡８０により反射され再度成膜炉２０内を通過したレーザ光を受光する受光素子５２を備える。これによりレーザ光の光路を図２の場合と比較して２倍とすることができるため、成膜炉２０内のパーティクルの検出感度を高めることができる。よって精度良くＭＦＣ４０の制御を行い歩留まり向上ができる。

また、レーザ光の波長を変化させることで検出するパーティクルの大きさの下限を調整することができる。そこで、レーザ素子５０から出射されるレーザ光を、その光源において波長が３００ｎｍ−８００ｎｍであるようにすると歩留まり低下要因となるパーティクルの検出感度を高めることができる。このように歩留まりに悪影響を与えないほど微小なパーティクルの検出を回避することで、歩留まり向上に直結した制御を行うことができる。

また、本実施形態で「パーティクル数を測定する測定手段」として記載したレーザ素子５０と受光素子５２のペアを複数備えることとしてもよい。当該ペアを複数有し、それらを成膜炉内のパーティクル数の測定に利用することによりパーティクル数の測定（読み取り）精度と感度を高めることができる。

実施の形態２
本実施形態は図５−９を参照して説明する。図５は本実施形態の成膜装置の概念図である。図５に示されるように、本実施形態の成膜装置は成膜炉１０におけるパーティクル数を測定１０２する。また、パージガス排気管におけるパーティクル数の測定１０４も行う。これらの成膜装置の２箇所で測定された測定結果は差分値の演算などが行われ、パージガス流量の制御１０８に反映される。パージガス流量の制御１０８により成膜炉１００内のパーティクル数を低減するのに十分な流量となるように制御されたパージガスが成膜炉１００に導入される。そして、パージガスの排出に伴い成膜炉１００内のパーティクルが成膜炉１００から排除される。この一連のパーティクル低減のための処理は成膜炉１００内で成膜が行われていないときに実施されるものである。これにより、成膜異常および歩留まり低下の問題を解消する。

図６は図５で説明した成膜装置の概念を具体化した一例である。図６に示される成膜装置については図２の構成との相違点を中心に説明する。図６に示される成膜装置はパーティクル数を測定する手段を２箇所に有する。具体的には、成膜炉２０内のパーティクル数を測定する成膜炉内測定手段と、パージガス排気管２６内のパーティクル数を測定する排気管内測定手段とを備える。

成膜炉内測定手段は成膜炉２０内を通過するようにレーザ光を出射する成膜炉用レーザ素子２００と、成膜炉２０内を通過したレーザ光を受光する成膜炉用受光素子２０２を備える。一方、排気管内測定手段は、パージガス排気管２６内を通過するようにレーザ光を出射するパージガス排気管用レーザ素子２０４と、パージガス排気管２６内を通過したレーザ光を受光するパージガス排気管用受光素子２０６とを備える。

成膜炉用受光素子２０２とパージガス排気管用受光素子２０６の後段には差分器２０８を備える。差分器２０８は成膜炉用受光素子２０２とパージガス排気管用受光素子２０６から得られたパーティクル数の差分を演算する。差分器２０８の後段にはＰＣ５４が接続される。

図７を参照して図６の成膜装置の動作について説明する。このフローチャートで説明するすべての工程は成膜装置が成膜を行っていないとき、つまり成膜を行う前に実施される。まずステップ３００にて成膜炉用レーザ素子２００およびパージガス排気管用レーザ素子２０４からシングルモードのレーザ光を出射する。次いで、ステップ３０２にて成膜炉用受光素子２０２とパージガス排気管用受光素子２０６がそれぞれレーザ光を受光する。成膜炉用受光素子２０２とパージガス排気管用受光素子２０６は受光したレーザ光の強度とレーザ光出射時のレーザ光の強度の変化を観察するものである。

次いで、ステップ３０４へ処理が進められる。ステップ３０４では差分器２０８により成膜炉２０内のパーティクル数とパージガス排気管２６内の差分値の読み取り（演算）が行われる。そして少なくとも当該差分値と、成膜炉２０内のパーティクル数、パージ排気管２６内のパーティクル数のデータがＰＣ５４へ伝送される。

次いでステップ３０６へ処理が進められる。ステップ３０６ではＰＣ５４においてパージガス流量の制御の要否が判定される。この判定については図８を参照して説明する。図８に示すようにパーティクル数の大小、および差分値の大小に応じて４つのパターンが想定され、ここでは例１−４と表示している。図８における「大」とは目標値以上であることを意味し、「小」とは目標値未満であることを意味する。

例１は、成膜炉内、パージガス排気管内ともに目標値より大きいパーティクル数が測定され、かつ差分値は小さい場合である。この場合差分値は小さいものの成膜炉内、パージガス排気管内のパーティクル数が多いためパージガス流量の制御が必要との判定がなされる。なお、目標値とは実施形態１と同様にパーティクル数が十分抑制されているかの指標として用いるものである。

例２は、成膜炉内のパーティクル数が目標値より大きく、パージガス排気管内のパーティクル数は目標値より小さく、差分値が大きい場合である。この場合パージガス流量の制御は必要と判定される。

例３は、成膜炉内のパーティクル数は目標値より小さいものの、パージガス排気管内のパーティクル数は目標値より大きく、差分値が大きい場合である。この場合は、パージガス排気管内のパーティクルが成膜炉へ逆流することが考えられるのでパージガス流量の制御が必要との判定がなされる。

例４は、成膜炉、パージガス排気管ともにパーティクル数が目標値より小さく、差分値も目標値より小さい場合である。この場合、すでに成膜装置は十分清浄であり、成膜を行うための環境が整っていると判断されるため、パージガス流量の制御は不要と判定される。

例１−３に該当しパージガス流量の制御が必要との判定がなされれば、ステップ３０８に処理が進められＭＦＣ制御が実施される。すなわち、成膜炉内測定手段と排気管内測定手段により測定されたパーティクル数が多いほど、パージガス導入管２２から成膜炉２０へ導入するパージガスの量を増加させるようにＭＦＣ制御を行う。次いで、パージガス排気管２６からパージガスが排出され、実施形態１で説明したとおりパーティクル数が目標値未満であることの確認が実施される（ステップ３１２）。

一方、例４に該当しパージガス流量の制御が不要との判定がなされれば処理を終了する。本実施形態の成膜装置は上述の処理が実施される。

このような制御は、実施形態１の制御方法に加えて、原則として成膜装置内２点のパーティクル数の差分値と差分値の目標値との差を最小とするようにＭＦＣ制御を行うという要素を付加したものであるということができる。

上述した成膜装置の構成によれば、パーティクルを測定する手段は成膜炉およびパージガス排気管に設けられるため、成膜炉と同様にパーティクル発生源と考えられるパージガス排気管内のパーティクル数も反映したパージガス流量の制御を行うことができる。よって、成膜異常を生じさせる問題解消と製品の歩留まり向上の効果を高めることができる。

また、上述の処理では差分器２０８の演算した差分の大小をパージガス流量の制御の要否判定に利用したが本発明はこれに限定されない。すなわち、差分値を利用することの目的は、成膜炉内のパーティクル数の測定結果にかかわらずパージガス排気管内のパーティクル数が目標値よりも高い限りパージガス流量の制御を行うことである。よって、この発明の範囲を逸脱しない限り他の制御フローを用いることが可能である。

また、図９に示されるように成膜炉用レーザ素子２００から出射されたレーザ光を反射する反射鏡４００と、パージガス排気管用レーザ素子２０４から出射されたレーザ光を反射する反射鏡４０２を備えても良い。これによりそれぞれのレーザ光の光路を２倍とすることができるため、パーティクルの検出感度を高めることができる。

その他少なくとも実施形態１相当の変形が可能である。

１０ 成膜装置、 ２０ 成膜炉、 ２２ パージガス導入管、 ２６ パージガス排気管、 ４０ ＭＦＣ、 ５０ レーザ素子、 ５２ 受光素子、 ５４ ＰＣ、 ８０ 反射鏡

Claims (5)

1. 成膜炉内に基板を配置し前記基板上に成膜を行う成膜装置であって、
   前記成膜炉と、
   前記成膜炉に接続されたパージガス導入管と、
   前記成膜炉に接続されたパージガス排気管と、
   前記成膜炉内のパーティクル数を測定する成膜炉内測定手段と、
   前記パージガス排気管内のパーティクル数を測定する排気管内測定手段と、
   前記成膜炉内測定手段と前記排気管内測定手段により測定されたパーティクル数が多いほど、前記成膜前に前記パージガス導入管から前記成膜炉へ導入するパージガスの量を増加させる手段とを備えたことを特徴とする成膜装置。
2. 成膜炉内に基板を配置し前記基板上に成膜を行う成膜装置であって、
   前記成膜炉と、
   前記成膜炉に接続されたパージガス導入管と、
   前記パージガス導入管に設けられた、前記成膜炉へ導入するパージガスの量を調整する流量制御機と、
   前記成膜炉に接続されたパージガス排気管と、
   前記成膜炉内のパーティクル数を測定する成膜炉内測定手段と、
   前記パージガス排気管内のパーティクル数を測定する排気管内測定手段と、
   前記成膜炉内のパーティクル数か前記排気管内のパーティクル数が目標値より大きい場合に、前記流量制御機を制御し、前記成膜炉へパージガスを導入させるＰＣとを備えたことを特徴とする成膜装置。
3. 前記成膜炉内測定手段は、
   前記成膜炉内を通過するようにレーザ光を出射するレーザ素子と、
   前記成膜炉内を通過した前記レーザ光を受光する受光素子とを備え、
   前記排気管内測定手段は、
   前記パージガス排気管内を通過するようにレーザ光を出射するレーザ素子と、
   前記パージガス排気管内を通過した前記レーザ光を受光する受光素子とを備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の成膜装置。
4. 前記成膜炉内測定手段は、
   前記成膜炉内を通過するようにレーザ光を出射するレーザ素子と、
   前記成膜炉内を通過した前記レーザ光を反射し再度前記成膜炉内を通過させる反射鏡と、
   前記反射鏡で反射され再度前記成膜炉内を通過した前記レーザ光を受光する受光素子とを備え、
   前記排気管内測定手段は、
   前記パージガス排気管内を通過するようにレーザ光を出射するレーザ素子と、
   前記パージガス排気管内を通過した前記レーザ光を反射し再度前記パージガス排気管内を通過させる反射鏡と、
   前記反射鏡で反射され再度前記パージガス排気管内を通過した前記レーザ光を受光する受光素子とを備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の成膜装置。
5. 前記レーザ光は光源において波長が３００ｎｍ−８００ｎｍであることを特徴とする請求項３又は４に記載の成膜装置。

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