JP6075611B2 - 成膜装置 - Google Patents

Description

本発明は成膜装置に関する。

従来、成膜装置としては、スパッタリング室を備えスパッタリング法により透明電極膜を形成する成膜装置が知られている。（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１にかかる成膜装置では、スパッタリング時の成膜温度を上昇させるために、基板のストッカーにおいて予備加熱を行っており、このストッカーで基板を加熱し基板温度を上昇させてからスパッタリング室へ搬送する。

特開２００９−１４９９４５号公報

しかしながら、近年では基板が厚いため、一度スパッタリング室に搬入する前に加熱したとしてもスパッタリング中に基板温度が低下してしまう。このように基板温度が低下すると、所望の膜質の膜を得ることができないという問題がある。さらに、基板の一方面のみ（もしくは基板の端部のみ）基板温度が低下して、基板に応力が生じて基板の割れが生じる場合もある。

そこで、本発明の課題は、上記従来技術の問題点を解決することにあり、成膜中の基板温度を保持して所望の膜質の膜を形成することができる成膜装置を提供しようとするものである。

本発明の成膜装置は、複数の成膜室を備え、基板上に複数層を形成するインライン式の成膜装置であって、前記複数の成膜室よりも上流側に設けられ、搬送された前記基板を加熱する第１加熱室と、前記複数の成膜室間に設けられ、搬送された前記基板を加熱する第２加熱室とを少なくとも備え、前記第２加熱室の前記基板の搬送位置よりも天井面側及び床面側にそれぞれターボ分子ポンプが設けられていることを特徴とする。第２加熱室を備えることで、成膜中に基板温度が低下したとしても加熱することができ、基板温度を保持して第２加熱室よりも下流側の成膜室における膜の膜質を向上させることができる。また、ターボ分子ポンプが設けられていることで、真空アニールを行うことができ、これにより膜の膜質を向上させることができる。

本発明の好ましい実施形態としては、前記基板の厚みが２．８ｍｍ以上であることが挙げられる。

本発明の好ましい実施形態としては、前記成膜室には、スパッタリング法により成膜を行う成膜手段が設けられていることが挙げられる。

本実施形態にかかる成膜装置の構成を示す模式図である。 本実施形態にかかる成膜装置により形成される積層構造の断面を示す模式図である。 比抵抗と加熱温度との関係を示すグラフである。 比抵抗と真空アニール温度との関係を示すグラフである。 比抵抗とアニール条件との関係を示すグラフである。

本発明の成膜装置について図１を用いて説明する。

図１に示すように、成膜装置１は、複数の処理室を有する。本実施形態では、成膜装置１は、基板搬入室１１、第１加熱室１２、第１成膜室１３、第２成膜室１４、第２加熱室１５、第３成膜室１６、及び基板搬出室１７をこの順で備えたインライン式の成膜装置である。

成膜装置１には、基板搬送手段２０が設けられている。基板搬送手段２０は、複数のローラーであり、各ローラーは図示しない駆動手段によって回転駆動される。基板搬入室１１に搬入された基板Ｓは、このローラー上に載置され、搬送される。この基板搬送手段２０は、基板搬入室１１〜基板搬出室１７に亘って設けられており、基板Ｓは、この基板搬送手段２０によって各処理室に順次搬入され、ローラー上を移動する間に所定の処理が成されて次の処理室へ搬送され、基板Ｓ上に所定の積層構造が形成される。この基板Ｓはガラス基板である。また、基板Ｓの厚みは２．８ｍｍ以上（本実施形態では、３．２ｍｍ）である。

基板搬入室１１及び基板搬出室１７は、いわゆるロードロック室である。ロードロック室では、各処理室（加熱室、成膜室）内を真空に保持し大気に開放しないことを目的に、各処理室への処理前、処理後の基板Ｓの出し入れを行うために設置されている。ロードロック室と各処理室とはゲートバルブで仕切られ、基板搬入室１１及び基板搬出室１７内が真空になった状態で、ゲートバルブを開いて各処理室へ基板Ｓを搬入、あるいは搬出する。

第１加熱室１２は、成膜前に所定の加熱処理を行う加熱室である。第１加熱室１２には、基板Ｓの搬送される位置（ローラーである基板搬送手段２０の設置位置）よりも天井側に第１加熱手段２１が設けられると共に、底壁側に第２加熱手段２２が設けられている。即ち、本実施形態では、第１加熱室１２において基板Ｓはその両面から加熱される。

第１加熱手段２１は、天井面のほぼ全域を覆うことができるような大型のものである。第２加熱手段２２は、第１加熱手段２１よりも小さなものであり、底壁側に二つ設けられており、互いに離間して設けられている。そして、この第２加熱手段２２間には、排気手段としてのターボ分子ポンプ２３が設けられている。

各第１加熱手段２１及び第２加熱手段２２はそれぞれ独立して温度設定を行うことができ、所望の温度で搬入された基板Ｓを加熱することが可能である。

第１成膜室１３は、第１加熱室１２において所望の温度まで昇温された基板Ｓに対して、成膜を行う。第１成膜室１３における成膜手段は、スパッタリング法を用いた成膜手段であり、第１成膜室１３には、スパッタリングターゲット２４が設けられている。第１成膜室１３には、このスパッタリングターゲット２４を用いて成膜すべく、スパッタリングガスを導入するガス導入手段（図示せず）が設けられている。

本実施形態では、スパッタリングターゲット２４は、酸化亜鉛からなり、さらに酸化アルミニウム、酸化ガリウム等が所定量添加された透明導電膜を形成することができるものである。この他にスパッタリングターゲット２４としては、例えば酸化インジウムや酸化スズ等をターゲット材料として用いることができる。また、ガス導入手段により導入されるガスとしては、通常用いられるスパッタリングガス、例えばアルゴンガスを用いることができる。

さらに、第１成膜室１３には、スパッタリングターゲット２４に対向する位置に第２加熱手段２２が設けられている。この第２加熱手段２２間にもターボ分子ポンプ２３が設けられている。

第２成膜室１４は、第１成膜室１３と同一の構成となっている。この第２成膜室１４においても、第１成膜室１３と同様に基板Ｓに対して、成膜を行う。

第２加熱室１５は、第１加熱室１２とは、第１加熱手段２１の裏面側（天井側）にさらに排気手段としてのターボ分子ポンプ２３が設けられている点で異なる。即ち、第２加熱室１５においては、基板Ｓの搬送位置に対して上下に（天井側及び床面側に）それぞれターボ分子ポンプ２３が設けられている。このように第２加熱室１５を第１加熱室１２にさらにターボ分子ポンプ２３が設けられている構成とすることで、アニール時のパーティクルを減少させることができる。また、基板Ｓが連続搬送された場合には、基板間が数ｍｍ間隔で連続搬送されていることから、基板Ｓの上面側及び下面側でそれぞれガス雰囲気差が生じることが考えられるが、基板Ｓの上下にターボ分子ポンプ２３が設けられていることでそれぞれ別個に排気を行うことができ、基板Ｓの上面側及び下面側におけるガス雰囲気差を低減することが可能である。これにより、均一な膜質で成膜を行うことができる。この第２加熱室１５においても、第１加熱室１２と同様に基板Ｓの加熱を行う。

第３成膜室１６は、第１成膜室１３と同一の構成となっている。この第３成膜室１６においても、第１成膜室１３と同様に基板Ｓに対して、成膜を行う。

このような成膜装置１においては、基板搬送手段２０で基板Ｓを第１成膜室１３から順次搬送する。これにより、基板Ｓ上には図２に示す積層構造が形成される。

ここで、図２を用いて基板上に形成される積層構造について説明する。図２に示す積層構造Ｉは、基板Ｓ上に、第１層３１、第２層３２、第３層３３がこの順で形成されたものである。基板Ｓに対して成膜される第１層３１は、第１成膜室１３において成膜される。この第１層３１上に形成された第２層３２は、第２成膜室１４において成膜される。第２層３２上には、第３成膜室１６で成膜された第３層３３が形成されている。

図１に戻り、かかる積層構造を成膜装置１によりどのように形成するのかを説明する。基板Ｓは、始めに基板搬入室１１から第１加熱室１２に基板搬送手段２０により搬入される。搬送された基板Ｓは、第１加熱室１２において所定の温度（例えば２５０℃）まで加熱される。第１加熱室１２における第１加熱手段２１の設定温度は４１０℃、第２加熱手段２２の設定温度は上流側が４２０℃、下流側が４１０℃である。なお、本実施形態においては、基板Ｓの搬送スピードは８００〜９００ｍｍ／分であるため、例えば基板Ｓが各処理室で加熱される時間は１１０〜１３０秒程度である。このように各成膜室で基板Ｓが搬出されるまでに約２分程度かかるとすれば、上述したような厚い基板Ｓであれば、二つの成膜室を通過するまでに基板温度が低下してしまう。

次いで、基板Ｓは、基板搬送手段２０により第１成膜室１３に搬入される。第１成膜室１３では、例えばガス種：Ａｒガス、成膜室内圧力：０．２〜５Ｐａの条件でスパッタリングを行って基板Ｓ上に第１層３１を形成する。この場合に、第１加熱室１２における加熱と、第１成膜室１３における第２加熱手段２２（設定温度は４１０℃）により基板Ｓの表面の温度が２００〜２５０℃程度となっていることから、所望の比抵抗の低い膜を形成することができる。

次に、基板搬送手段２０により基板Ｓは第２成膜室１４に搬入される。第２成膜室１４では、例えばガス種：Ａｒガス、成膜室内圧力：０．２〜５Ｐａの条件でスパッタリングを行って基板Ｓの第１層３１上に第２層３２を形成する。この場合に、第１加熱室１２における加熱と、第２成膜室１４における第２加熱手段２２（設定温度は４１０℃）により基板Ｓの表面の温度が１８０〜２００℃程度となっていることから、所望の比抵抗の低い膜を形成することができる。

次に、基板搬送手段２０により基板Ｓは第２加熱室１５に搬入される。第２加熱室１５では、第１加熱手段２１の設定温度が３７０℃であり、第２加熱手段２２の設定温度が３７０℃である。これにより、基板Ｓは再度２５０℃程度まで昇温される。

このように第２加熱室１５で再度加熱することで基板Ｓの温度が昇温されて第１層３１及び第２層３２がそれぞれアニールされる。図３は、成膜時の基板温度に対する比抵抗を示しているグラフである。図３中◆で示されているのは、成膜時に各温度で加熱した場合の比抵抗である。図３に示すように、成膜時の温度が高いほど膜の比抵抗は低くなる。従って、本実施形態のように第２加熱室１５を設けて第１成膜室１３、第２成膜室１４を通過して基板温度が低くなった基板Ｓを昇温させて第３成膜室１６での成膜時の基板温度を高めて比抵抗を小さくすることが好ましいのである。

第２加熱室１５で加熱することで、第１層３１と第２層３２の比抵抗を小さくすることができる。この点について、図４を用いて説明する。図４は、真空アニール（２５０℃）を行った場合の成膜温度に対する比抵抗を示しているグラフである。図４中×で示すように、どの成膜温度に対しても、図３に示す真空アニールを行わない場合と比較して比抵抗が低下していることが分かった。特に、本実施形態のように２５０℃で成膜し、真空アニールを２５０℃で一時間行った場合には、比抵抗は約４４０μΩ・ｃｍであった。従って、図４で示すように、高温で真空アニールを行うことで、比抵抗は低下することがわかった。

また、比較として大気中でアニール（２５０℃）を行った場合の比抵抗を図５に示す。アニールを行わなかった場合よりも大気アニールを行った場合の方が比抵抗は低下したが、大気アニールを行った場合よりも真空アニールを行った場合に最も比抵抗は低下した。

即ち、図３から図５に示すように、所望の温度で加熱すると共に、成膜後にアニールを行うことが膜の比抵抗を低くする場合に有用である。特に、真空アニールが好ましい。従って、本実施形態のようなインライン式の成膜装置においては、複数の成膜室を有する場合には、成膜中に下がってしまった基板温度を上昇させると共にアニールを行うために成膜室間に加熱室を設けることで比抵抗を低下させることができるのである。また、第２加熱室１５では、基板Ｓの上下にターボ分子ポンプ２３が設けられていることで、連続搬送時においても膜の面内均一性が良い。

次に、基板搬送手段２０により基板Ｓは第３成膜室１６へ搬入される。この場合に、第２加熱室１５における加熱と、第３成膜室１６における第２加熱手段２２（設定温度は４２０℃）により基板Ｓの表面の温度が２００〜２５０℃程度となっていることから、所望の比抵抗の小さい透明導電膜を形成することができる。

成膜条件は、例えばガス種：Ａｒガス、成膜室内圧力：０．２〜５Ｐａである。即ち、第２加熱室１５における加熱がない場合には、基板Ｓの表面温度が例えば１８０℃よりも低くなってしまうことが考えられ、これにより所望の膜を成膜することができない場合が考えられる。これに対し、本実施形態では、第２加熱室１５を第２成膜室１４と第３成膜室１６との間に設けていることで、上述のように第３成膜室１６での基板Ｓの表面温度を所望の温度まで上昇させることができる。

このように、本実施形態では、基板Ｓの搬送時において基板Ｓの表面温度が成膜中に低下してしまうことを防止するために、第２加熱室１５を成膜室間に設けているのである。かつ、このように第２層３２を形成した後に第２加熱室１５により加熱することで、アニールを簡易に行うことができる。さらには、この第２加熱室１５にもターボ分子ポンプ２３が設けられていることで、アニール中のパーティクルも少なく、これによりアニール時にパーティクルが膜面に付着することを抑制できる。さらにまた、基板Ｓが連続搬送された場合には、基板の上面側及び下面側にそれぞれターボ分子ポンプ２３が設けられていることでそれぞれ別個に排気を行うことができ、基板の上面側及び下面側におけるガス雰囲気差を低減することが可能である。これにより、均一な膜質で成膜を行うことができる。

因みに、このような基板Ｓの表面温度の低下は、本実施形態のような厚い基板（２．８ｍｍ以上）の基板を用いて、かつ、ローラーにより搬送する場合に生じる問題である。つまり、基板が厚い場合には加熱しても昇温しにくい。また、ローラー搬送の場合には、基板Ｓを例えばキャリアに設置することなく直接成膜することで成膜面積を広くすることはできるものの、昇温させ難い。このような場合には、基板Ｓの表面と裏面とで、また、基板の面内において温度差が生じて基板Ｓが割れてしまうことがある。従って、本実施形態のように成膜室間に加熱室を設けることが好ましいのである。

そして、このように三層形成されてなる積層構造Ｉが形成された基板Ｓは基板搬出室１７へ搬送され、成膜装置１外へ搬送される。

このようにして得られた基板Ｓ上の積層構造Ｉは、比抵抗値が低く、例えば薄膜太陽電池用透明導電膜として有用である。かつ、アニール中におけるパーティクルが少ないことから透明性が高い。

このように、本実施形態の成膜装置１においては、複数の成膜室よりも上流側に一つ加熱室を設けると共に成膜室間にも加熱室を設けることで、所望の成膜を行うことができる。

本実施形態では、第２加熱室は第２成膜室と第３成膜室との間に設けたが、これに限定されない。加熱室の設置位置は、例えば、第１加熱室１２、第１成膜室１３、第２加熱室１５、第２成膜室１４、第２加熱室１５と同一構成の第３加熱室、及び第３成膜室１６の順に設けてもよい。この場合には、成膜後すぐに加熱室で加熱できることにより基板温度が下がりにくいため、比抵抗を低下させることができる。

即ち、膜の比抵抗は、成膜後、基板温度が大幅に低下する前に（例えば１００℃以上低下する前に）アニールを行うことで低下する。例えば、第２加熱室１５を第３成膜室１６の下流側に設けるとすれば、基板温度が低下してしまった後にアニールを行うために、比抵抗は本実施形態のように低下しない。例えば、本実施形態では、比抵抗は４４０μΩ・ｃｍであったが、第２加熱室１５を第３成膜室１６の下流側に設ける場合には、同条件で真空アニールを行ったとしても比抵抗は５３０μΩ・ｃｍであった。このように、真空アニールする場合には、基板温度が大きく低下する前に加熱することで比抵抗を低下させやく、かつ、装置負荷を小さくすることができる。

従って、本実施形態のように基板温度が低下する前に真空アニールを行うことができるように、成膜室間に加熱室を設けることが好ましい。

また、成膜室と加熱室とを同一チャンバで行うことも考えられるが、成膜時の基板条件と加熱条件とが異なり、より高熱で加熱する場合には、搬送している基板を停止させてチャンバ内を加熱する必要がある。この場合には、本実施形態よりもタクトタイムが上昇してしまうことも考えられるので、本実施形態のように成膜室と加熱室とを独立して別個に設けるほうが好ましい。

本実施形態では、成膜方法はスパッタリング法であったが、これに限定されない。例えば他の成膜手段（ＣＶＤ法、蒸着法）でも用いることができるが、本実施形態のようにスパッタリング法での基板の温度低下が一番問題となる。なお、本実施形態では成膜装置１にはスパッタリング法により成膜する成膜室のみ設けられているが、これに限定されない。例えば、他の成膜手段により成膜する成膜室を設けていてもよい。

本実施形態では、透明導電膜を形成したが、これに限定されない。他の電極膜等を形成することも可能である。

１ 成膜装置
１１ 基板搬入室
１２ 第１加熱室
１３ 第１成膜室
１４ 第２成膜室
１５ 第２加熱室
１６ 第３成膜室
１７ 基板搬出室
２０ 基板搬送手段
２１ 第１加熱手段
２２ 第２加熱手段
２３ ターボ分子ポンプ
２４ スパッタリングターゲット
３１ 第１層
３２ 第２層
３３ 第３層

Claims (3)

1. 複数の成膜室を備え、基板上に複数層を形成するインライン式の成膜装置であって、
   前記複数の成膜室よりも上流側に設けられ、搬送された前記基板を加熱する第１加熱室と、
   前記複数の成膜室間に設けられ、搬送された前記基板を加熱する第２加熱室とを少なくとも備え、
   前記第２加熱室の前記基板の搬送位置よりも天井面側及び床面側にそれぞれターボ分子ポンプが設けられていることを特徴とする成膜装置。
2. 前記基板の厚みが２．８ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
3. 前記成膜室には、スパッタリング法により成膜を行う成膜手段が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の成膜装置。

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