JP7117396B2 - 成膜装置および成膜方法 - Google Patents

Description

本発明は、エネルギ線硬化樹脂からなる樹脂層を形成する成膜装置および成膜方法に関する。

紫外線硬化樹脂等のエネルギ線硬化樹脂を硬化して樹脂層を基板上に形成する際、典型的には、以下の２工程が行われる。すなわち、冷却ステージによって基板を支持し、当該樹脂を含む原料ガスを冷却ステージに支持された基板上に供給する工程と、基板上に紫外線等の光を照射し、基板上に硬化した樹脂層を形成する工程とである。

特に最近では、このような複数の工程をそれぞれ別の真空チャンバで行うことはせず、基板上に原料ガス供給する工程と、紫外線等によって基板上に硬化した樹脂層を形成する工程とを１つの真空チャンバ内で行う成膜装置が提供されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１３－０６４１８７号公報

この種の成膜装置においては、チャンバの天板に紫外線を透過する窓部が設けられており、当該窓部を介して成膜室へ紫外線を照射することで、ステージ上の基板に堆積した紫外線硬化樹脂の硬化物層が形成される。一方、成膜処理の繰り返しに伴い、天板に付着する樹脂の量が増すことで、窓部を透過する紫外線の光量が低下し、ステージ上の基板に十分な量の紫外線を照射することができなくなる。このため、チャンバを大気に開放して天板を洗浄し、あるいは交換する作業が頻繁化し、生産性の向上を図ることが困難であった。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、生産性の向上を図ることができる成膜装置および成膜方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る成膜装置は、チャンバと、ステージと、光源ユニットと、ガス供給部と、クリーニングユニットとを具備する。
前記チャンバは、成膜室を有するチャンバ本体と、窓部を有し前記チャンバ本体に取り付けられた天板とを有する。
前記ステージは、前記成膜室に配置され、基板を支持する支持面を有する。
前記光源ユニットは、前記天板に設置され、前記窓部を介してエネルギ線を前記支持面に照射する照射源を有する。
前記ガス供給部は、前記エネルギ線の照射を受けて硬化するエネルギ線硬化樹脂を含む原料ガスを前記成膜室に供給する。
前記クリーニングユニットは、前記チャンバに接続され、前記天板に付着した前記エネルギ線硬化樹脂を除去するクリーニングガスを前記成膜室へ導入する。

上記成膜装置は、天板に付着したエネルギ線硬化樹脂を除去するクリーニングユニットを備えているため、チャンバを大気に開放することなく天板のクリーニングを行うことが可能となり、これにより生産性の向上を図ることができる。

前記クリーニングユニットは、前記クリーニングガスとして酸素プラズマを発生させるプラズマ発生器を含んでもよい。

前記ガス供給部は、前記天板に対向して配置され前記エネルギ線を透過させる材料で構成されたシャワープレートと、前記天板と前記シャワープレートとの間に形成され前記原料ガスが導入される空間部とを有してもよい。この場合、前記クリーニングユニットは、前記クリーニングガスを前記空間部へ導入する。これにより、天板だけでなく、シャワープレートのクリーニングも行うことができる。

前記クリーニングユニットは、前記クリーニングガスとして酸素プラズマを発生させるプラズマ発生器を含んでもよい。

前記プラズマ発生器は、前記ガス供給部の周囲の複数個所に設けられてもよい。

前記ステージは、前記支持面を冷却可能な冷却源を有してもよい。

前記天板は、前記窓部を支持する枠部と、前記枠部を加熱する加熱源をさらに有してもよい。

前記照射源は、紫外線ランプであってもよい。

本発明の一形態に係る成膜方法は、前記ガス供給部から前記支持面に支持された基板上に原料ガスを供給することで、前記基板上にエネルギ線硬化樹脂を堆積させることを含む。
前記照射源から前記窓部を介してエネルギ線を照射することで、前記エネルギ線硬化樹脂の硬化物層が形成される。
前記天板に付着したエネルギ線硬化樹脂がクリーニングガスで除去される。

以上述べたように、本発明によれば、生産性の向上を図ることができる。

本発明の一実施形態に係る成膜装置を示す概略断面図である。 上記成膜装置におけるプラズマ発生器の配置例を示すガス供給部の概略平面図である。 本発明の他の実施形態に係る成膜装置を示す概略断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る成膜装置１００を示す概略断面図である。図においてＸ軸方向及びＹ軸方向は互いに直交する水平方向を示し、Ｚ軸方向はＸ軸方向及びＹ軸方向に直交する方向を示している。

成膜装置１００は、基板上に、エネルギ線硬化樹脂である紫外線硬化樹脂からなる層を形成するための成膜装置として構成されている。成膜装置１００は、紫外線硬化樹脂を含む原料ガスを基板Ｗ上に供給した後、基板Ｗ上に紫外線を照射して紫外線硬化樹脂層を形成するための装置である。

［成膜装置］
成膜装置１００は、チャンバ１０を備える。チャンバ１０は、チャンバ本体１１と、チャンバ本体１１の開口部１１ａを気密に閉塞する天板１２とを有する。
成膜装置１００は、ステージ１５と、光源ユニット２０と、ガス供給部３０と、クリーニングユニット４０とをさらに備える。

（チャンバ）
チャンバ本体１１は、上部が開口する金属製の直方体形状の真空容器であり、内部に成膜室１３を有する。成膜室１３は、チャンバ本体１１の底部に接続された真空排気系１９を介して所定の減圧雰囲気に排気または維持することが可能に構成される。

天板１２は、紫外線ＵＶを透過させる窓部１２１と、窓部１２１を支持する枠部１２２とを有する。窓部１２１は、石英ガラス等の紫外線透過性材料で構成され、枠部１２２はアルミニウム合金等の金属材料で構成される。窓部１２１の数は特に限定されず、２つ以上であってもよいし、単数であってもよい。

（ステージ）
ステージ１５は、成膜室１３に配置される。ステージ１５は、基板Ｗを支持する支持面１５１ａを有するステージ本体１５１を有する。

ステージ１５は、支持面１５１ａを所定温度以下に冷却することが可能な冷却源１５３を有する。冷却源１５３は、例えば、ステージ本体１５１に内蔵された冷却水等の冷却媒体が循環する冷却ジャケットで構成される。冷却源１５３による支持面１５１ａの冷却温度は、後述する原料ガス中の紫外線硬化樹脂を凝縮させるのに十分な適宜の温度に設定される。なお、上記所定温度以下に冷却された基板Ｗが成膜室１３に搬送されるように構成されてもよい。

基板Ｗは、ガラス基板であるが、半導体基板であってもよい。基板の形状や大きさは特に限定されず、矩形でもよいし円形でもよい。基板Ｗの成膜面には、あらかじめ素子が形成されていてもよい。この場合、基板Ｗに成膜される樹脂層は、上記素子の保護膜として機能する。

（光源ユニット）
光源ユニット２０は、カバー２１と、照射源２２とを有する。カバー２１は、天板１２の上に配置され、照射源２２を収容する光源室２３を有する。光源室２３は、例えば、大気雰囲気である。照射源２２は、ステージ１５の支持面１５１ａに向けて、天板１２の窓部１２１を介してエネルギ線としての紫外線ＵＶを照射する光源であり、典型的には、紫外線ランプで構成される。これに限られず、照射源２２には、紫外線ＵＶを発光する複数のＬＥＤ（Light Emitting Diode）がマトリクス状に配列された光源モジュールが採用されてもよい。

（ガス供給部）
ガス供給部３０は、紫外線ＵＶの照射を受けて硬化する樹脂（紫外線硬化樹脂）を含む原料ガスを成膜室１３へ供給する。ガス供給部３０は任意に構成可能であり、本実施形態ではシャワープレート３１と、空間部３２とを有する。

シャワープレート３１は、矩形の板形状を有し、面内に複数のガス供給孔３１１を有する。複数のガス供給孔３１１は、シャワープレート３１を厚み方向に貫通し、空間部３２と成膜室１３とを相互に連通させる。シャワープレート３１は、石英ガラス等の紫外線透過性材料で構成される。シャワープレート３１は、適宜の固定部材を介してチャンバ本体１１の内壁面に固定される。

空間部３２は、天板１２とシャワープレート３１との間に形成される。空間部３２には、原料ガス生成部１０１を介して上記原料ガスが導入される。

紫外線硬化樹脂材料としては、例えば、アクリル系樹脂を用いることができる。また、上記樹脂には重合開始剤等を添加して用いることも可能である。このような樹脂を含む原料ガスは、チャンバ１０の外部に設置される原料ガス生成部１０１によって生成される。原料ガス生成部１０１は配管１３０を介して、ガス供給部３０の空間部３２へ上記樹脂を含む原料ガスを導入する。

原料ガス生成部１０１は、樹脂材料供給ライン１１０と、気化器１２０と、配管１３０とを有する。

樹脂材料供給ライン１１０は、液状の樹脂材料が充填されたタンク１１１と、タンク１１１から樹脂材料を気化器１２０へ搬送する配管１１２とを有する。タンク１１１から気化器１２０への樹脂材料の搬送には、例えば窒素などの不活性ガスからなるキャリアガスが用いられる。また、配管１１２には、バルブＶ１や、図示しない液体流量制御器等を取り付けることも可能である。

気化器１２０で生成された原料ガスは、配管１３０を介してガス供給部３０の空間部３２へ供給される。配管１３０にはバルブＶ２が取り付けられており、空間部３２へのガスの流入が調節可能である。さらに図示しない流量制御器を取り付けることによって、空間部３２へ流入するガスの流量を制御することも可能である。

ガス供給部３０はさらに、天板１２の枠部１２２を加熱する第１の加熱源３４１と、シャワープレート３１を加熱する第２の加熱源３４２とを有する。

第１の加熱源３４１は、天板１２の枠部１２２に内蔵された温水通路で構成される。第２の加熱源３４２は、シャワープレート３１の表面に固定されたヒータで構成される。第２の加熱源３４２は、図示するようにシャワープレート３１の成膜室１３に対向する面に取り付けられてもよいし、空間部３２に対向する面に取り付けられてもよい。

第１の加熱源３４１および第２の加熱源３４２は、空間部３２に導入された原料ガスに含まれる樹脂材料が空間部３２の内壁に付着するのを防止するためのものであり、当該樹脂材料の気化温度以上の適宜の温度にガス供給部３０を加熱することが可能に構成される。なお、ガス供給部３０に近接するチャンバ１０の上部（開口部１１ａ）にも、第３の加熱源３４３として例えばカートリッジヒータや温水通路が設けられてもよい。

上述のようにガス供給部３０は、第１の加熱源３４１、第２の加熱源３４２および第３の加熱源３４３により、原料ガス中の樹脂材料の気化温度以上に維持される。ところが、例えば天板１２の窓部１２１など、伝熱効率が比較的低い領域は十分な温度に加熱されず、樹脂成分が凝縮、付着することがある。そして、成膜時間（基板の処理枚数）の増大に従い、空間部３２の内面に樹脂が付着する領域やその厚みが増すことで、ガス供給部３０を透過する紫外線の光量が低下し、ステージ１５上の基板Ｗに十分な量の紫外線を照射することができない場合がある。
そこで本実施形態では、天板１２、シャワープレート３１、チャンバ本体１１の開口部１１ａ等に付着した原料ガス中の樹脂成分を除去するためのクリーニングユニット４０を備える。

（クリーニングユニット）
クリーニングユニット４０は、チャンバ１０に接続され、空間部３２にクリーニングガスを導入する。本実施形態においてクリーニングユニット４０は、クリーニングガスとして酸素プラズマを発生させるプラズマ発生器４１を含む。

プラズマ発生器４１は、ＩＣＰプラズマ装置、ＥＣＲプラズマ装置、ヘリコン波プラズマ発生装置など、酸素プラズマを生成することが可能な装置であれば特に限定されない。酸素プラズマの生成ガスには、例えば、酸素あるいは酸素とアルゴンの混合ガスが用いられる。生成された酸素プラズマ（酸素ラジカル）は、配管４２を介してガス供給部３０の空間部３２に導入され、天板１２、シャワープレート３１、チャンバ本体１１の開口部１１ａ等に付着した樹脂を分解（灰化）、除去する。配管４２にはバルブＶ３が取り付けられており、成膜中はバルブＶ３が閉じられることで、プラズマ発生器４１内への原料ガスの侵入が阻止される。

プラズマ発生器４１は複数設置されるが、単数であってもよい。本実施形態においてプラズマ発生器４１は、ガス供給部３０の周囲の複数個所に設けられる。プラズマ発生器４１の設置数や設置場所は特に限定されず、空間部３２の大きさや形状に応じて、任意に設定することが可能である。

図２は、プラズマ発生器４１の配置例を示すガス供給部３０の概略平面図である。同図に示すように、プラズマ発生器４１は、ガス供給部３０の一辺に沿って配置される一対の第１プラズマ発生器４１１と、当該一辺に隣接する他の２辺にそれぞれ配置される第２プラズマ発生器４１２とを含む。第１プラズマ発生器４１１は、互いに隣接して配置されることで空間部３２のほぼ全領域に向けて酸素プラズマを照射する。一方、第２プラズマ発生器４１２は、互いにオフセットして配置されることで、第１プラズマ発生器４１からの酸素プラズマの上流側および下流側に位置する空間部３２内の領域に酸素プラズマを照射する。これにより、各々のプラズマ発生器４１から照射される酸素プラズマの直進性が高い場合であっても、空間部３２のすべての領域に十分な量の酸素プラズマを導入することができる。

プラズマ発生器４１がガス供給部３０の外部に配置されることで、空間部３２の内部で酸素プラズマを直接発生させる場合と比較して、装置構成の簡素化を図ることができる。また、プラズマ発生器４１を複数備えることで、空間部３２へ十分な量の酸素プラズマを供給することができる。

成膜装置１００は、制御部５０をさらに備える。制御部５０は、典型的には、コンピュータで構成され、成膜装置１００の各部を制御する。

［成膜方法］
続いて、以上のように構成される本実施形態の成膜装置１００を用いた成膜方法について説明する。

（成膜工程）
成膜工程では、紫外線硬化樹脂を含む原料ガスの供給工程と、紫外線樹脂層の硬化工程とを有する。

成膜工程では、成膜室１３は、真空排気系１９によって所定の真空度に調圧されており、基板Ｗは、所定温度以下に冷却された支持面１５１ａに配置されている。ガス供給部３０は、第１～第３の加熱源３４１～３４３によって紫外線硬化樹脂の気化温度以上の温度に加熱されている。

原料ガスの供給工程では、原料ガス生成部１０１で生成された紫外線硬化樹脂を含む原料ガスが、配管１３０を介してガス供給部３０へ導入される。ガス供給部３０に導入された原料ガスは、空間部３２において拡散し、シャワープレート３１の複数のガス供給孔３１１を介してステージ１５上の基板Ｗの全面に供給される。基板Ｗの表面に供給された原料ガス中の紫外線硬化樹脂は、その凝縮温度以下の温度に冷却された基板Ｗの表面で凝縮し、堆積する。

紫外線硬化樹脂の硬化工程では、原料ガスの供給が停止し、光源ユニット２０の照射源２２からステージ１５の支持面１５１ａに向けて紫外線ＵＶが照射される。ガス供給部３０は紫外線を透過させる材料で構成されているため、ガス供給部３０を介して支持面１５１ａ上の基板Ｗに十分な量の紫外線ＵＶが照射される。これにより、基板Ｗ上に紫外線硬化樹脂の硬化物層が形成される。

硬化工程の完了後、基板Ｗは成膜室１３から搬出され、新たに未成膜の基板Ｗが成膜室に搬入される。そして上述の各工程が同様に実施される。これにより、一台の成膜装置で、基板Ｗ上に所定厚みの紫外線硬化樹脂層を形成することができる。

以上のような成膜処理を繰り返し実施することにより、ガス供給部３０の空間部３２には、原料ガス中の樹脂成分が徐々に堆積し、天板１２の窓部１２１やシャワープレート３１の紫外線透過率を低下させる場合がある。そこで本実施形態では、クリーニングユニット４０を用いた空間部３２のクリーニング処理が実施される。

（クリーニング工程）
クリーニング工程は、原料ガスの供給が停止した状態で実施される。各プラズマ発生器４１（４１１，４１２）において発生した酸素プラズマ（酸素ラジカル）は、配管４２を介してガス供給部３０の空間部３２へ導入される。空間部３２の内面（天板１２、シャワープレート３１、チャンバ本体１１の開口部１１ａ）に付着した紫外線硬化樹脂の炭素は、酸素ラジカルと結合してＣＯ_２として気化し、分解される。分解した紫外線硬化樹脂は、成膜室１３を介して真空排気系１９により排気される。

このようなクリーニング処理が定期的に実施されることで、空間部３２に堆積した紫外線硬化樹脂が除去され、あるいは、空間部３２に堆積する紫外線硬化樹脂の量が低下する。特に、天板１２の窓部１２１など加熱源により直接加熱されない部位における樹脂の堆積が効果的に抑えられるため、長時間にわたり安定した紫外線の透過量が維持される。これにより、成膜すべき基板の処理枚数が増加するため、生産性に優れた成膜装置を提供することができる。

以上のように本実施形態によれば、天板１２、シャワープレート３１、チャンバ本体１１の開口部１１ａに付着した紫外線硬化樹脂を除去することが可能なクリーニングユニットを備えているため、長期にわたりガス供給部３０を透過する紫外線の光量を十分に確保することが可能となり、これにより生産性の向上を図ることができる。

また本実施形態によれば、成膜室１３の真空状態を支持した状態で天板１２などのクリーニング処理を実施することができるため、成膜室１３を大気に開放することなく、成膜処理の合間で上記クリーニング処理を実施することができる。さらに、樹脂など、傷付けやすい部品の除去作業をクリーニングガスのプラズマを利用したアッシング処理で行うため、樹脂の付着面を傷付けることなく樹脂を除去することができる。

［他の実施形態］
以上の実施形態では、ガス供給部３０をシャワープレート３１で構成したが、これに限られない。例えば図３に示すように、ガス供給部３０'として、天板１２とステージ１５との間に配置された複数のガス供給配管３３が採用されてもよい。

ガス供給配管３３は、Ｙ軸方向に延在し、Ｘ軸方向に等間隔で配列される。ガス供給配管３３の周面部には、ステージ１５上の基板Ｗに向けて原料ガスを吐出する複数のガス供給孔が設けられる。このような構成によっても、基板Ｗの表面全域に均一に原料ガスを供給し、さらには紫外線ＵＶを照射することができる。

この場合、プラズマ発生器４１は、天板１２とガス供給配管３３との間にクリーニングガスとしての酸素プラズマを導入する。これにより、天板１２、ガス供給配管３３に付着した樹脂を除去することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく種々変更を加え得ることは勿論である。

例えば以上の実施形態では、クリーニングユニットとして、ガス供給部３０の空間部３２へ酸素プラズマを導入可能なプラズマ発生器を用いたが、これに限られず、空間部３２の内部で酸素プラズマを直接発生させることが可能なプラズマ源がクリーニングユニットとして備えられてもよい。

また、クリーニングガスとして酸素プラズマが採用されたが、クリーニングガスの種類はエネルギ線硬化樹脂の種類によって適宜設定可能である。

また以上の実施形態では、エネルギ線が紫外線の例を示したが、これに限られない。例えば１３ＭＨｚ、２７ＭＨｚ程度の高周波電源から発生される電磁波を用いることも可能である。この場合、照射源は発振器等とすることができる。また、エネルギ線を電子ビームとし、照射源を電子ビーム源とすることも可能である。

さらに、以上の実施形態に係る成膜装置を、例えば複数のチャンバを有するインライン式あるいはクラスタ式の成膜装置の一部として用いることも可能である。このような装置を用いることで、発光素子のような複数の層を有する素子等を作製することがより容易になる。また、このような装置によって、低コスト化、省スペース化及びさらなる生産性の向上を実現することができる。

１０…チャンバ
１１…チャンバ本体
１２…天板
１３…成膜室
１５…ステージ
２０…光源ユニット
２２…照射源
３０，３０'…ガス供給部
３１…シャワープレート
３２…空間部
４０…クリーニングユニット
４１，４１１，４１２…プラズマ発生器
１００…成膜装置
１５１ａ…支持面
１２１…窓部
１２２…枠部
３１１…ガス供給孔
３４１…第１の加熱源

Claims (3)

1. 成膜室を有するチャンバ本体と、前記チャンバ本体に取り付けられた天板とを有し、前記天板は、窓部と、前記窓部を支持し第１の加熱源を含む枠部とを有するチャンバと、
   前記成膜室に配置され、基板を支持する支持面を有するステージと、
   前記天板に設置され、前記窓部を介してエネルギ線を前記支持面に照射する照射源を有する光源ユニットと、
   前記天板に対向して配置され前記エネルギ線を透過させる材料で構成され、成膜室に対向した面に第２の加熱源が取り付けられたシャワープレートと、前記天板と前記シャワープレートとの間に形成され、前記エネルギ線の照射を受けて硬化するエネルギ線硬化樹脂を含む原料ガスが導入される空間部とを有し、原料ガスを前記空間部から前記シャワープレートを通して前記成膜室に供給するガス供給部と、
   前記チャンバに接続され、前記窓部に堆積した前記エネルギ線硬化樹脂を除去するクリーニングガスを前記原料ガスとは異なる配管から前記空間部へ導入するクリーニングユニットと
   を具備し、
   前記第１の加熱源は、前記枠部を前記エネルギ線硬化樹脂の気化温度以上に加熱し、
   前記第２の加熱源は、前記シャワープレートを前記エネルギ線硬化樹脂の気化温度以上に加熱し、
   前記クリーニングユニットは、前記クリーニングガスとして酸素プラズマを発生させるプラズマ発生器を含み、
   前記プラズマ発生器は、前記ガス供給部の一辺に沿って配置される複数の第１プラズマ発生器と、前記一辺に隣接する他の二辺にそれぞれ配置される複数の第２プラズマ発生器とを含み、
   前記第１プラズマ発生器は、互いに隣接して配置され、
   前記第２プラズマ発生器は、互いにオフセットして配置される
   成膜装置。
2. 請求項１に記載の成膜装置であって、
   前記照射源は、紫外線ランプである
   成膜装置。
3. 請求項１又は２に記載の成膜装置を用いた成膜方法であって、
   前記ガス供給部から前記支持面に支持された基板上に前記原料ガスを供給することで、前記基板上にエネルギ線硬化樹脂を堆積させ、
   前記照射源から前記窓部を介してエネルギ線を照射することで、前記エネルギ線硬化樹脂の硬化物層を形成し、
   前記窓部に堆積したエネルギ線硬化樹脂を前記クリーニングガスで除去する
   成膜方法。

Images