JP5773731B2

JP5773731B2 - 真空処理装置

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Publication number: JP5773731B2
Application number: JP2011102872A
Authority: JP
Inventors: 圭介下田; 謙次江藤; 裕子加藤; 裕利中尾; 佐藤　誠一; 誠一佐藤
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2011-05-02
Filing date: 2011-05-02
Publication date: 2015-09-02
Anticipated expiration: 2031-05-02
Also published as: JP2012233234A

Description

本発明は、真空処理装置に関する。

表示装置や半導体デバイスの製造工程においては、例えば、処理すべき基板に対し所定の薄膜を成膜する工程があり、このとき、基板面内の特定範囲のみに成膜範囲を制限して成膜することがある。このように成膜範囲を制限して精度よく基板に対して成膜する真空処理装置は例えば特許文献１で知られている。このものでは、処理室を画成する真空チャンバ内に設けたステージ上に保持された基板の成膜面たる片面の上方に、成膜範囲を制限するマスクを配置すると共に、この真空チャンバの天板外側にＣＣＤカメラ等の撮像手段が設けられている。そして、成膜に先立って、天板に形成した透明窓を通して基板に対するマスクの相対位置を撮像し、この撮像データを基に、基板を保持するステージを移動させてマスクに対する基板を位置決め（アライメント）するようにしている。

上記成膜を行う真空処理装置としては、蒸着装置やスパッタリング装置等のＰＶＤ装置の他、ＣＶＤ装置も用いられる。ここで、ＣＶＤ装置においては、膜厚の面内均一性を高めるために、基板に対向させて処理室上部にシャワープレートを設け、このシャワープレートを介して処理室内にプロセスガスを導入し、基板表面にプロセスガスが均一に供給されるようにすることが多い。この場合、シャワープレートの輪郭は基板の輪郭よりも大きく設定することが通常である。このため、真空チャンバの天板側からその内部をみると、基板がシャワープレートで覆われることとなる。他方、上記ＣＶＤ装置では、基板を加熱するために、処理室内の基板は、シャワープレートに対向配置された、当該基板の輪郭より大きな輪郭の加熱プレートに載置されている。このため、真空チャンバの底板側からその内部をみると、基板が加熱プレートで覆われることとなる。このように真空処理装置によっては、上下方向に重ねられるように配置される基板とマスクとの相対位置を天板や底板に設けた撮像手段で撮像できない、つまり、上記従来例のものをそのまま適用できないという問題がある。

そこで、例えば、処理室内でマスクとシャワープレートとの間に撮像手段を設けたり、または、この撮像手段に通じる光路を形成する部品を設けたりすることも考えられる。然し、これでは、ＣＶＤ装置のようにプロセスガスを基板表面に均一に供給する必要があるものでは、前記部品等によりプロセスガスの流れ（分布）が変わってしまい、膜厚や膜質の面内均一性よく成膜することにとって障害となり、しかも、プロセスガスによっては腐食性のものが用いられることがあるため、耐久性に欠ける。

特開２００６−４５５８３号公報

本発明は、以上の点に鑑み、上下方向で基板の両面が基板よりも大きい輪郭を有する処理手段で覆われる場合でも基板に対するマスクの相対位置を撮像し、基板とマスクとを精度よく位置決めすることができ、しかも、ＣＶＤ装置に適用したときでも、膜厚や膜質の面内均一性よく成膜できるという機能を損なうことがない真空処理装置を提供することをその課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の真空処理装置は、処理室内に設置される基板に対向配置されるマスクと、基板に対してマスクを相対移動させる移動手段と、基板からマスクに向かう方向を上、マスクから基板に向かう方向を下として、基板の上側に配置されて前記基板の片面に対してマスク越しに所定の処理を施す第１の処理手段と、基板の他面を覆うように当該基板の下側に配置される本体を有して前記基板の他面側から所定の処理を施す第２の処理手段と、を備え、前記第２の処理手段の本体下側に撮像手段を設け、前記本体に上下方向の透孔を形成すると共に透孔内に透光性部材を埋め込んで撮像用光路を構成し、撮像用光路を通して前記撮像手段により基板に対するマスクの相対位置を撮像し、この撮像データを基に前記移動手段を制御するように構成したことを特徴とする。

本発明によれば、基板に対するマスクの相対位置の撮像に必要な光路を、第２の処理手段の本体に形成された透孔内に透光性部材を埋め込んだ構成を採用したため、処理室内で上下方向に重ねられるように配置される基板とマスクとの相対位置を、その上下方向に位置する天板や底板に設けた撮像手段で撮像することが可能となる。そして、本発明の真空処理装置がＣＶＤ装置であるような場合でも、シャワープレートとマスクまたは基板との間に撮像用の部品等がなく、しかも、上記透孔に透光性部材を埋め込んでいることで、シャワープレートから導入されたガスは、外乱の影響がなく、シャワープレートを介して基板面内に供給されるプロセスガスの流れは変化するものではない。このため、膜厚や膜質の面内均一性よく成膜できるという機能は損なわれない。

また、本発明においては、第２の処理手段は、例えば、基板の他面に面接触して伝熱により当該基板を所定温度に加熱する加熱プレートとすることができる。ここで、加熱プレートの重量（例えば数百ｋｇ以上）は一般にマスク支持体よりも重いため、加熱プレートを移動させることで基板を移動させる場合には、動力の大きな駆動源が必要となる等、コスト高を招く。そこで、基板とマスクとをアライメントする場合に、比較的軽量なマスクを相対移動させることが好ましい。

更に、本発明においては、透光性部材をサファイヤ製とすることが好ましい。これにより、例えばＮＦ_３ガスのような腐食性ガスをプロセスガスとして用いる場合でも、耐久性のよい真空処理装置を実現できる。

本発明の実施形態のプラズマＣＶＤ装置の構成を模式的に示す図。基板に対するマスクの位置合わせを説明する模式図。成膜範囲を制限するマスクを示す平面図。

以下、図面を参照して、処理すべき基板をガラス基板Ｓとし、真空処理装置をプラズマＣＶＤ装置とし、プラズマＣＶＤ法によりガラス基板Ｓ表面に窒化シリコン膜や酸窒化シリコン膜等のバリア膜を成膜する場合を例として、本発明の実施形態の真空処理装置を説明する。以下においては、ガラス基板ＳからマスクＭに向かう方向を上、マスクＭからガラス基板Ｓに向かう方向を下として説明する。また、ガラス基板Ｓには、その周縁部の所定位置にアライメントマークＳｍが形成されているものとする。

図１及び図２に示すように、プラズマＣＶＤ装置は、処理室１ａを画成する筒状の真空チャンバ１を備える。真空チャンバ１の底板には、排気管１１を介して図示省略の真空ポンプが接続され、処理室１ａを所定の圧力に減圧保持できる。真空チャンバ１内の下側には、処理室１ａ内で基板を位置決め保持する役割を兼用する加熱プレート２が設けられている。加熱プレート２は、ガラス基板Ｓよりも大きな輪郭を有し、ガラス基板Ｓの他面に面接触する、平面視矩形の本体２１を備える。本体２１の内部には温媒循環路が設けられ、この温媒循環路に図外の温媒供給手段から温媒を流すと、本体２１が加熱され、加熱された本体２１と面接触するガラス基板Ｓが伝熱により所定温度に加熱される。この場合、本実施形態では、加熱プレート２が第２の処理手段を構成する。なお、本体２１内に抵抗加熱式のヒータを埋設し、このヒータに通電することで本体２１を加熱してもよい。また、本体２１の下面には駆動源２３を備えた昇降軸２３ａが連結され、ガラス基板Ｓの加熱プレート２への受け取り、受け渡しとガラス基板Ｓに対するマスクＭの位置合わせとを行う下動位置と、成膜処理が行われる上動位置との間で本体２１を昇降するようになっている。

ここで、加熱プレート２の周縁部には、加熱プレート２でガラス基板Ｓを位置決め保持したとき、ガラス基板ＳのアライメントマークＳｍの下方に位置するように、アライメントマークＳｍの輪郭よりも大きい輪郭を有する透孔２４ａが形成されている。そして、この透孔２４ａには、透光性部材２４ｂが埋め込まれており、この透光性部材２４ｂが撮像用光路２４を構成する。この場合、透光性部材２４ｂとしては、サファイヤ、ソーダガラス等を用いることができるが、プロセスガスとして、フッ素系ガス等の腐食性ガスを用いる場合には、耐腐食性の高いサファイヤが用いられる。

真空チャンバ１の側壁上部には、加熱プレート２に対向させてガス導入部３が絶縁部材１２を介して設けられている。ガス導入部３は、天板３１と、天板３１の内側で加熱プレート２に向けて突設した環状の周壁部３２と、周壁部３２の下端に装着され、ガラス基板Ｓよりも大きな輪郭を有するシャワープレート３３とから構成される。ガス導入部３の天板３１には、天板３１と周壁部３２とシャワープレート３３とにより画成される拡散空間３４にプロセスガスたる原料ガス及び反応ガスを供給する、図示省略のマスフローコントローラを介設したガス供給管４が接続されている。なお、シャワープレートについては、公知のものが利用できるため、ここでは詳細な説明を省略する。そして、成膜中、マスフローコントローラを制御して各ガスを所定流量で拡散空間３４に供給すると、拡散空間３４にて各ガスが拡散し、シャワープレート３３の各開口３３ａを介して反応室１ａ内へと導入される。

例えば、窒化シリコン膜を形成する場合には、原料ガスとしてＳｉＨ_４やＴＥＯＳ等のシラン系ガスが用いられ、反応ガスとして窒素ガスやアンモニアガス等の窒素含有ガスが用いられる。また、酸窒化シリコン膜を形成する場合には、原料ガスとして上記シラン系ガスが用いられ、反応ガスとして一酸化二窒素ガスが用いられる。

ガス導入部３の天板３１には、高周波電源５からの出力５１が接続されている。本実施形態では、ガス導入部３及び高周波電源５等の各部品が第１の処理手段を構成する。そして、上記原料ガス及び反応ガスを反応室１ａ内に導入した状態でガス導入部３に所定の高周波電力を投入すると、反応室１ａ内でプラズマが発生する。当該プラズマ中で原料ガス及び反応ガスが分解されて、加熱プレート２上のガラス基板Ｓに供給されて気相からの析出によりバリア膜が成膜される。このガラス基板Ｓの成膜範囲を制限するマスクＭをその下面から支持するマスク支持体６が、ガス導入部３のシャワープレート３３と加熱プレート２との間に設けられている。

マスク支持体６は、平面視矩形で所定の厚さを有する板状部材で構成されている。マスク支持体６の下面には、複数本の駆動軸６１の上端が連結され（本実施形態ではマスク支持体６の４隅に４本の駆動軸６１が連結されている）、駆動軸６１の下端がベローズ６２を通って真空チャンバ１の外部まで延出し、公知のＸＹθステージ６３に連結されている。このＸＹθステージ６３により、駆動軸６１で支持されたマスク支持体６が、真空下の処理室１ａ内でＸ方向及びＹ方向の少なくとも一方に移動でき、また、θ方向に回転できる。なお、駆動軸６１にエアーシリンダ等の駆動源を別途設け、マスク支持体６をＺ方向（図１中、上下方向）にも移動自在としてもよい。

マスク支持体６の中央部には矩形開口６４が形成され、この矩形開口６４にマスクＭの段差部Ｍｓを係止させれば、マスクＭがマスク支持体６上に位置決め保持される。マスクＭとしては、例えば、図３に示すように、平面視矩形のアルミナ製の枠体Ｍｆと、この枠体Ｍｆの中央の矩形開口に形成されたインバー又は４２合金（Ｆｅ−Ｎｉ合金）からなる格子状のパターンＭｐとから構成されるものを用いることができる。パターンＭｐは、ガラス基板Ｓへの成膜範囲に応じて種々の形態とされる。マスクＭの周縁部には、当該マスクＭをマスク支持体６上に位置決め保持させたとき、上記加熱プレート２に設けられた撮像用光路２４上に位置させて透孔Ｍｍが少なくとも２個形成されている。この透孔Ｍｍは、ガラス基板Ｓに形成されたアライメントマークＳｍと略同一の輪郭を有し、ガラス基板Ｓに対してマスクＭをアライメントする場合のアライメントマークとして機能する。

真空チャンバ１の底板には、加熱プレート２の撮像用光路２４の下方に位置させて透明窓１３が設けられている。透明窓１３としては、サファイヤを用いることが好ましい。透明窓１３の下方には公知のＣＣＤカメラ等の撮像手段７が設けられ、撮像手段７により、撮像用光路２４を通してガラス基板Ｓ越しにマスクＭのアライメントマークＭｍ、すなわち、ガラス基板Ｓに対するマスクＭの相対位置を撮像できるようになっている。この場合、撮像手段７からガラス基板Ｓまでの距離は例えば６００ｍｍに設定することができる。撮像手段７には画像処理手段８が付設され、画像処理手段８にて処理した画像データが制御部Ｃに入力されるようになっている。制御部Ｃは、マイクロコンピュータやシーケンサ等を備え、高周波電源５、撮像手段７、ＸＹθステージ６３、マスフローコントローラ、真空ポンプ、温媒供給手段等の作動が統括制御されるようになっている。以下、本実施形態のプラズマＣＶＤ装置の動作について、ガラス基板に対してマスクを位置合わせした後にガラス基板の成膜面の特定領域に窒化シリコン膜を形成する場合を例として説明する。

真空チャンバ１を真空引きして所定圧力まで減圧した状態で、図外の搬送ロボットによりガラス基板Ｓを搬送し、下動位置にある加熱プレート２の上面にガラス基板Ｓを、その成膜面を上側にしてセットする。この場合、ガラス基板Ｓに形成されたアライメントマークＳｍが、加熱プレート２の光路２４上に位置する。ここで、マスクＭはマスク支持体６により予め支持されていてもよく、ガラス基板Ｓの搬送前後にマスクＭを搬送してマスク支持体６に支持させてもよい。

加熱プレート２上にガラス基板Ｓを保持した後、ガラス基板Ｓに対するマスクＭの位置合わせ（アライメント）を行う。この場合、撮像手段７により、加熱プレート２に形成した撮像用光路２４を通してガラス基板Ｓ越しにマスクＭを撮像する。このとき、ガラス基板ＳのアライメントマークＳｍとマスクＭのアライメントマークＭｍとが同時に撮像される。撮像手段７により撮像された画像は画像処理手段８に送られ、画像処理手段８により画像処理してガラス基板Ｓに対するマスクＭのずれ量が検出される。検出されたずれ量は制御部Ｃに入力され、制御部Ｃは、入力されたずれ量に基づいてＸＹθステージ６３の移動量を算出し、ＸＹθステージ６３をＸ方向及びＹ方向の少なくとも一方に移動させ、またはθ方向に回転させることでマスクＭの姿勢を変更する。これにより、ガラス基板Ｓに対するマスクＭの位置合わせが行われる。

位置合わせが終了すると、加熱プレート２を下動位置から上動位置に上昇させる。加熱プレート２を上昇させると、マスク支持体６からガラス基板ＳにマスクＭが受け渡され、ガラス基板Ｓの成膜面がマスクＭのパターンＭｐで覆われる。加熱プレート２が上動位置に達した後、マスフローコントローラを制御してシランガスからなる原料ガスとアンモニアガス及び窒素ガスからなる反応ガスとをプロセスガスとして拡散空間３４に供給するとともに（例えばシランガス流量：１ｓｃｃｍ〜１００ｓｌｍ、アンモニアガス流量：１ｓｃｃｍ〜１００ｓｌｍ、窒素ガス流量：１ｓｃｃｍ〜１００ｓｌｍ、真空チャンバ内圧力：０．０１Ｐａ〜１０ｋＰａ）、高周波電源５からガス導入部３に高周波電力を投入すると（例えば１００Ｗ〜１０ｋＷ）、シャワープレート３３とマスク支持体６との間でプラズマが形成され、ガラス基板ＳのマスクパターンＭｐで覆われていない成膜面に窒化シリコン膜が所定膜厚で成膜される。

以上説明したように、本実施形態によれば、加熱プレート２の本体２１に形成された透孔２４ａ内に透光性部材２４ｂを埋め込むことで撮像用光路２４を構成したため、処理室１ａ内で上下方向に重ねられるように配置されるガラス基板ＳとマスクＭの相対位置を、その下方に位置する真空チャンバ１底板に設けた撮像手段７により撮像することができ、ガラス基板Ｓに対するマスクＭの位置決めを精度よく行うことができる。しかも、シャワープレート３３とマスクＭまたはガラス基板Ｓとの間に撮像用の部品等がなく、しかも、上記透孔２４ａ内に透過性部材２４ｂを埋め込んでいることで、シャワープレート３３から導入されるガスは、外乱の影響がなく、シャワープレート３３を介してガラス基板Ｓの面内に供給されるプロセスガスの流れは変化するものではない。このため、膜厚や膜質の面内均一性よく成膜できるという機能を損なうことなく、ガラス基板Ｓの特定領域にのみ精度よく成膜することができる。

ところで、ガラス基板Ｓへの窒化シリコン膜の成膜中には、真空チャンバ１の内壁や処理室１ａ内の部品にも窒化シリコン膜が付着する。付着した酸窒化シリコン膜の厚さが一定以上になると、窒化シリコン膜が剥離してパーティクルとなりガラス基板Ｓ上に付着するため、処理室１ａ内を定期的にクリーニングすることが一般的であり、その際、例えばＮＦ_３等のフッ素含有ガスを用いることができる。然し、フッ素含有ガスのような腐食性ガスをプロセスガスとして用いると、透光性部材２４ｂがエッチングされる虞がある。本実施形態では、透光性部材２４ｂをサファイヤ製としたため、腐食性ガスをプロセスガスとして用いる場合でも、耐久性のよいプラズマＣＶＤ装置を実現できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記のものに限定されるものではない。上記実施形態では、プラズマＣＶＤ装置を例に説明したが、スパッタリング装置やエッチング装置等、基板の両面を処理手段で覆って該両面に所定の処理を施す装置に本発明は適用できる。

また、上記実施形態では、撮像手段による撮像データに基づきマスク支持体６を移動させているが、加熱プレート２を移動させてもよい。但し、加熱プレート２は加熱手段を備えることから、加熱プレート２の重量はマスク支持体６よりも重い。このため、加熱プレート２を移動させることでガラス基板Ｓを移動させる場合には、動力の大きな駆動源が必要となり、コスト高を招く。それに対して、上記実施形態では、マスク支持体６を移動させることで比較的軽量なマスクＭを移動させているため、動力の小さな駆動源を用いることができる。

１ａ…処理室、２…加熱プレート（第２の処理手段）、３…ガス導入部（第１の処理手段）、７…撮像手段、２１…本体、２４…撮像用光路、２４ａ…透孔、２４ｂ…透光性部材、３３…シャワープレート、６３…ＸＹθステージ（移動手段）、Ｓ…ガラス基板（基板）、Ｍ…マスク。

Claims

処理室内に設置される基板に対向配置されるマスクと、基板に対してマスクを相対移動させる移動手段と、基板からマスクに向かう方向を上、マスクから基板に向かう方向を下として、基板の上側に配置されて前記基板の片面に対してマスク越しに所定の処理を施す第１の処理手段と、基板の他面を覆うように当該基板の下側に配置される本体を有して前記基板の他面側から所定の処理を施す第２の処理手段と、を備え、
前記第２の処理手段の本体下側に撮像手段を設け、前記本体に上下方向の透孔を形成すると共に透孔内に透光性部材を埋め込んで撮像用光路を構成し、撮像用光路を通して前記撮像手段により基板に対するマスクの相対位置を撮像し、この撮像データを基に前記移動手段を制御するように構成し、
前記第２の処理手段は、基板の他面に面接触して伝熱により当該基板を所定温度に加熱する、上下方向に昇降自在な加熱プレートであり、加熱プレートを上昇させることにより、移動手段により移動させたマスクを加熱プレートで保持される基板に受け渡すように構成したことを特徴とする真空処理装置。
前記透光性部材をサファイヤ製としたことを特徴とする請求項１記載の真空処理装置。