JP7184145B2 - 成膜装置 - Google Patents

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Description

本発明は、原子層堆積法による成膜装置に関する。
半導体ウエハ等の被処理基板上に酸化膜を形成する方法として、原子層堆積（ＡＬＤ）法が知られている。
特許文献１には、ＡＬＤ法により金属酸化膜を成膜する成膜装置が開示されている。特許文献１に記載の成膜装置は、真空保持可能な縦型で筒体状をなす処理容器と、被処理体を複数段に保持した状態で上記処理容器内に保持する保持部材と、上記処理容器の外周に設けられた加熱装置と、成膜原料を上記処理容器内に供給する成膜原料供給機構と、上記処理容器内へ酸化剤を供給する酸化剤供給機構と、上記処理容器内へパージガスを供給するパージガス供給機構と、上記処理容器内を排気する排気機構と、上記成膜原料供給機構、上記酸化剤供給機構、上記パージガス供給機構、および上記排気機構を制御する制御機構とを具備している。
特許第５２２１０８９号公報
特許文献１に記載の成膜装置では、被処理体としてのウエハを多段に載置可能なウエハボードが処理容器内に下方から挿入可能となっている。成膜の際には、複数枚のウエハが搭載された状態のウエハボードを、処理容器内に下方から上昇させることによりロードし、処理容器内を密閉空間とする。
そして、処理容器内を真空引きして所定のプロセス圧力に維持するとともに、加熱装置への供給電力を制御して、ウエハ温度を上昇させてプロセス温度に維持し、ウエハボードを回転させた状態で成膜処理を開始する。
しかし、特許文献１に記載の成膜装置のように、処理容器（以下、チャンバーともいう）が縦型であると、被処理体（以下、ワークともいう）の数量が多くなるほど、成膜装置のサイズが高さ方向に大きくなるため、ワークの着脱が困難となる。さらに、成膜装置のサイズが高さ方向に大きくなると、天井の高い建屋を探す必要があるなど、成膜装置を設置する環境が制限される。また、メンテナンス作業等の際には、作業者がチャンバーの下部に入って作業する必要があるため、危険が伴う。
本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、ワークの着脱が容易であり、かつ、高さ方向のサイズが抑えられた成膜装置を提供することを目的とする。
本発明の成膜装置は、原子層堆積法による成膜装置であって、内部を真空保持可能なチャンバーと、処理対象であるワークを複数段に並べて上記チャンバー内に保持するワークホルダーと、上記チャンバー内を加熱するためのヒーターと、上記ワークホルダーを回転させるための回転機構と、を備え、上記チャンバーは、横型の筒状体からなり、さらに、上記チャンバーは、内部に上記ワークホルダーが設置される内チャンバーと、上記内チャンバーを収容する外チャンバーと、を備え、上記内チャンバーは、第１の蓋と、水平方向において上記第１の蓋とは反対側の第２の蓋と、を有し、上記ワークホルダーは、上記内チャンバーの上記第２の蓋に接続されることなく、上記内チャンバーの上記第１の蓋に片持ちで支持され、上記回転機構は、水平方向に回転軸を備えることを特徴とする。
本発明の成膜装置は、上記外チャンバー内の圧力が上記内チャンバー内の圧力よりも高くなるように制御する制御機構をさらに備えることが好ましい。
本発明の成膜装置において、上記ワークホルダーは、上記ワークの主面が鉛直方向に沿うように上記ワークを複数段に並べて保持することが好ましい。
本発明の成膜装置において、上記ワークホルダーは、上記内チャンバー内に着脱可能に設置されることが好ましい。
本発明の成膜装置において、上記ヒーターは、上記内チャンバーの外壁に着脱可能に取り付けられていることが好ましい。
本発明の成膜装置において、上記チャンバーは、さらに、水平方向に旋回可能であることが好ましい。
本発明によれば、ワークの着脱が容易であり、かつ、高さ方向のサイズが抑えられた成膜装置を提供することができる。
図１は、本発明の一実施形態に係る成膜装置を模式的に示す斜視図である。 図２は、図１に示す成膜装置において、チャンバーを開放した状態を模式的に示す斜視図である。 図３は、ワークが保持された状態のワークホルダーの一例を模式的に示す斜視図である。 図４は、内チャンバーの外壁に取り付けられるヒーターの一例を模式的に示す斜視図である。 図５は、図１に示す成膜装置において、内チャンバーを水平方向に移動させた状態の斜視図である。 図６は、図１に示す成膜装置において、内チャンバーを水平方向に旋回させた状態の斜視図である。
以下、本発明の成膜装置について説明する。
しかしながら、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において適宜変更して適用することができる。なお、以下において記載する個々の望ましい構成を２つ以上組み合わせたものもまた本発明である。
本明細書において、「水平方向」とは、厳密な水平方向でなくてもよく、例えば、水平方向に対して±１０°程度傾いていてもよい。同様に、「鉛直方向」とは、厳密な鉛直方向でなくてもよく、例えば、鉛直方向に対して±１０°程度傾いていてもよい。
本発明の成膜装置は、原子層堆積（ＡＬＤ）法による成膜装置であって、内部を真空保持可能なチャンバーと、処理対象であるワークを複数段に並べて上記チャンバー内に保持するワークホルダーと、上記チャンバー内を加熱するためのヒーターと、を備える。本発明の成膜装置は、さらに、各種ガスを上記チャンバー内に供給するガス供給機構と、上記チャンバー内を排気する排気機構と、を備える。本発明の成膜装置は、さらに、上記ワークホルダーを回転させるための回転機構を備えることが好ましい。
図１は、本発明の一実施形態に係る成膜装置を模式的に示す斜視図である。図２は、図１に示す成膜装置において、チャンバーを開放した状態を模式的に示す斜視図である。
図１及び図２に示す成膜装置１は、内部を真空保持可能なチャンバー１０と、ワークＷを複数段に並べてチャンバー１０内に保持するワークホルダー２０と、チャンバー１０内を加熱するためのヒーター３０と、を備えている。成膜装置１は、さらに、各種ガスをチャンバー内に供給するガス供給管群４０と、チャンバー内を排気する排気管５０と、ワークホルダー２０を回転させるための回転機構６０と、を備えている。
本発明の成膜装置において、チャンバーは、横型の筒状体からなる。図１では、チャンバー１０は、内部にワークホルダー２０（図２参照）が設置される内チャンバー１１と、内チャンバー１１を収容する外チャンバー１２と、を備えている。
図２では、内チャンバー１１は、筒状体の一方側面を構成する第１の蓋１１ａと、筒状体の他方側面を構成する第２の蓋１１ｂと、筒状体の周面を構成するチャンバー本体１１ｃと、から構成される。第１の蓋１１ａは、成膜装置１に固定され、第２の蓋１１ｂは、チャンバー本体１１ｃのフランジ部に着脱可能に接続されている。チャンバー本体１１ｃは、第１の蓋１１ａに着脱可能に接続されるものであり、第２の蓋１１ｂとともに水平方向に移動することが可能である（図２参照）。
同様に、外チャンバー１２は、筒状体の一方側面を構成する第１の蓋１２ａと、筒状体の他方側面を構成する第２の蓋１２ｂと、筒状体の周面を構成するチャンバー本体１２ｃと、から構成される。第１の蓋１２ａは、成膜装置１に固定され、第２の蓋１２ｂは、チャンバー本体１２ｃのフランジ部に着脱可能に接続されている。チャンバー本体１２ｃは、第１の蓋１２ａに着脱可能に接続されるものであり、第２の蓋１２ｂとともに水平方向に移動することが可能である（図２参照）。
成膜装置１にはガイド１３が設けられており、内チャンバー１１の第２の蓋１１ｂ及びチャンバー本体１１ｃは、外チャンバー１２の第２の蓋１２ｂ及びチャンバー本体１２ｃとともに、ガイド１３上をモーター（図示せず）による駆動にて水平方向に移動することが可能である。これらを所定の位置まで移動させた後、駆動を停止することで、チャンバー１０が開放される。
このように、チャンバーが横型であり、かつ、水平方向に移動可能であると、ワークを設置するスペースを確保することができるため、ワークの着脱が容易になる。また、ワークの数量が多い場合であっても、成膜装置のサイズを高さ方向に抑えることができるため、成膜装置を設置する環境の制限を受けにくくなる。
なお、「チャンバーが水平方向に移動可能である」とは、チャンバーの全部が水平方向に移動可能である場合だけでなく、チャンバーの一部が成膜装置に固定されている場合も含まれる。そのため、図２では、内チャンバー及び外チャンバーは、いずれも水平方向に移動可能であると言える。
また、チャンバーが内チャンバーと外チャンバーとを備えていると、成膜原料又は改質剤を含む成膜ガス等の有害ガスの漏洩を抑制することができる。その結果、チャンバー内の成膜ガス環境が安定する。
図１及び図２には示されていないが、本発明の成膜装置は、外チャンバー内の圧力が内チャンバー内の圧力よりも高くなるように制御する制御機構をさらに備えることが好ましい。
外チャンバー内の圧力が内チャンバー内の圧力よりも高いと、内チャンバーから外チャンバーへガスが流れにくくなるため、成膜作業時の安全が確保され、また、外チャンバーの内面に成膜原料等が付着しにくくなる。
例えば、チャンバーが閉じた状態において、外チャンバーと内チャンバーとで独立して排気量やガス供給量を調整することにより、外チャンバー内の圧力を内チャンバー内の圧力よりも高くすることができる。
本発明の成膜装置において、ワークホルダーは、内チャンバー内に着脱可能に設置されることが好ましい。図２では、ワークホルダー２０は、内チャンバー１１の第１の蓋１１ａに着脱可能に接続されている。ワークホルダー２０は、内チャンバー１１の第２の蓋１１ｂには接続されないため、第１の蓋１１ａに片持ちで支持される。なお、ワークホルダーは、チャンバー内に直接設置されてもよいし、チャンバー内に固定された治具サポートを介して設置されてもよい。
ワークホルダーがワークを保持する方向は特に限定されないが、図２に示すように、ワークホルダーは、ワークの主面が鉛直方向に沿うようにワークを複数段に並べて保持することが好ましい。この場合、複数のワークは、主面同士が対向し、かつ、互いに離間するように配置される。
ワークの主面が鉛直方向に沿うようにワークを置いて成膜を行うことにより、ワークの主面に不純物となるパーティクルが残りにくくなる。また、ワークを鉛直方向に積み重ねる場合と比べて、チャンバーの上部からワークが落下する危険性がないため、安全に作業することができる。
図３は、ワークが保持された状態のワークホルダーの一例を模式的に示す斜視図である。
図３に示すワークホルダー２０は、一対の支え板２０ａ及び２０ｂと、支え板２０ａ及び２０ｂに連結された複数の支柱２０ｃ１、２０ｃ２、２０ｃ３及び２０ｃ４と、を備える。支柱２０ｃ１、２０ｃ２、２０ｃ３及び２０ｃ４には複数の溝２５がそれぞれ形成されており、溝２５によりワークＷが保持されるように構成されている。ワークＷは、主面が鉛直方向に沿うように保持される。なお、支柱２０ｃ１は着脱可能である。
本発明の成膜装置においては、チャンバー内を加熱することができる限り、ヒーターが設けられる位置は特に限定されないが、ヒーターは、内チャンバーの外壁に取り付けられていることが好ましい。特に、ヒーターは、内チャンバーの外壁に着脱可能に取り付けられていることが好ましい。
内チャンバーの外壁にヒーターを取り付けることにより、内チャンバー内が安定した温度となるため、成膜を均一化することができる。特に、ヒーターが着脱可能である場合には、メンテナンスが容易になる。
図４は、内チャンバーの外壁に取り付けられるヒーターの一例を模式的に示す斜視図である。
図４では、内チャンバーの第１の蓋１１ａの外壁を覆うようにヒーター３０ａが、内チャンバーの第２の蓋１１ｂの外壁を覆うようにヒーター３０ｂが、内チャンバーのチャンバー本体１１ｃの外壁を覆うようにヒーター３０ｃ１及び３０ｃ２がそれぞれ取り付けられる。ヒーター３０ｃ１及び３０ｃ２には、ヒーター線３５が、チャンバー本体１１ｃの長手方向の両端及び中央の３ブロックに分かれて設けられており、それぞれ独立して制御することが可能となっている。
本発明の成膜装置は、各種ガスを内チャンバー内に供給するガス供給機構をさらに備えることが好ましい。特に、図２に示すガス供給管群４０のように、各種ガスを内チャンバー内に供給するガス供給管をさらに備えることが好ましい。それぞれのガス供給管には、通常、複数のガス吹き出し口が設けられている。
図２では、ガス供給管群４０は、内チャンバー１１の第１の蓋１１ａに接続されている。ガス供給管群４０は、内チャンバー１１の第２の蓋１１ｂには接続されないため、第１の蓋１１ａに片持ちで支持される。
ガス供給管としては、例えば、成膜原料供給管、改質剤供給管及びキャリアガス供給管の３種類が挙げられる。
図２に示すガス供給管群４０のうち、どの種類のガス供給管がそれぞれ何本あるかは限定されるものではないが、キャリアガス供給管が最も多くあることが好ましい。
成膜原料供給管は、ＡＬＤ法による成膜において、成膜目的の化合物の前駆体である成膜原料のガスを供給するためのガス供給管である。
ＡＬＤ法により、例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、シリカ（ＳｉＯ２）等の金属酸化物；窒化チタン（ＴｉＮ）等の金属窒化物；白金（Ｐｔ）等の金属を成膜することができる。
成膜原料としては、例えば、アルミナを成膜するために用いられるＴＭＡ（トリメチルアルミニウム：Ａｌ（ＣＨ３）３）、シリカを成膜するために用いられるトリスジメチルアミノシラン（ＳｉＨ［Ｎ（ＣＨ３）２］３）、窒化チタンを成膜するために用いられる四塩化チタン（ＴｉＣｌ４）、白金を成膜するために用いられるＭｅＣｐＰｔＭｅ３（（トリメチル）メチルシクロペンタジエニル白金）等が挙げられる。
成膜原料供給管には、成膜原料とともにキャリアガスも供給されることが好ましい。
この場合、成膜装置の外で成膜原料とキャリアガスの混合ガスを調製して、混合ガスを成膜原料供給管からチャンバー内に供給することが好ましい。
改質剤供給管は、ＡＬＤ法による成膜において、成膜目的の化合物の前駆体を改質して成膜目的の化合物とするための改質剤となるガスを供給するためのガス供給管である。
改質剤としてのガスとしては、オゾン、酸素、水（水蒸気）、アンモニア等が挙げられる。
アルミナを成膜する場合、ＴＭＡを前駆体として、オゾンガスや水を改質剤として使用することによって、アルミナをワーク上に成膜することができる。
シリカを成膜する場合、トリスジメチルアミノシランを前駆体として、オゾンガスを改質剤として使用することによって、シリカをワーク上に成膜することができる。
窒化チタンを成膜する場合、四塩化チタンを前駆体として、アンモニアガスを改質剤として使用することによって、窒化チタンをワーク上に成膜することができる。
白金を成膜する場合、ＭｅＣｐＰｔＭｅ３を前駆体として、酸素ガスを改質剤として使用することによって、白金をワーク上に成膜することができる。
改質剤供給管には、改質剤とともにキャリアガスも供給されることが好ましい。
この場合、成膜装置の外で改質剤とキャリアガスの混合ガスを調製して、混合ガスを改質剤供給管からチャンバー内に供給することが好ましい。
キャリアガス供給管は、ＡＬＤ法による成膜において、成膜原料をワーク上に堆積させた後のパージガス、及び、改質剤と成膜原料を反応させて成膜目的の化合物をワーク上に堆積させた後のパージガスとして、キャリアガスを供給するためのガス供給管である。
キャリアガスとしては、窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガスが挙げられる。
成膜原料供給管及び改質剤供給管にも、キャリアガス供給管から供給されるキャリアガスと同じ種類のキャリアガスを流すことが好ましく、３種類のガス供給管からキャリアガスを常時流すことが好ましい。
３種類のガス供給管からキャリアガスを常時流すことによってガス供給管の成膜原料又は改質剤による詰まりを防止することができる。
本発明の成膜装置は、内チャンバー内及び外チャンバー内をそれぞれ独立して排気する排気機構をさらに備えることが好ましい。特に、図２に示す排気管５０のように、内チャンバー内を排気する排気管をさらに備えることが好ましい。排気管には、通常、複数の吸気口が設けられており、管の接続先（チャンバーの外）で真空ポンプ等の排気装置に接続されて、内チャンバー内の気体を排気することができるようになっている。
図２では、排気管５０は、内チャンバー１１の第１の蓋１１ａに接続されている。排気管５０は、内チャンバー１１の第２の蓋１１ｂには接続されないため、第１の蓋１１ａに片持ちで支持される。
ガス供給管からチャンバー内に供給されたガスは、ワーク上に滞留させ、その後に排気管に向かうようにするのが好ましい。そのため、図１及び図２には示されていないが、本発明の成膜装置は、ガス供給管から吹き出されるガス流の向きを、排気管に向かう向きに変更する整流部材をさらに備えることが好ましい。
本発明の成膜装置は、図２に示す回転機構６０のように、ワークホルダーを回転させるための回転機構をさらに備えることが好ましい。ワークホルダーが、ワークの主面が鉛直方向に沿うようにワークを複数段に並べて保持する場合、回転機構は、水平方向に回転軸を備える。例えば、モーター等を用いることにより、ワークホルダーを回転させることができる。
チャンバー内でワークホルダーを回転させることにより、チャンバー内のガスの流れが均一になるため、ワークＷの主面内の膜厚を均一にすることができる。
図２では、回転機構６０は、内チャンバー１１の第１の蓋１１ａに設けられており、第１の蓋１１ａに片持ちで支持されるワークホルダー２０を回転させることが可能である。
本発明の成膜装置において、チャンバーは、さらに、水平方向に旋回可能であることが好ましい。
チャンバーが水平方向に旋回可能であると、チャンバーの向きを作業しやすい位置に変えることができるため、メンテナンス作業が容易になる。
図５は、図１に示す成膜装置において、内チャンバーを水平方向に移動させた状態の斜視図である。
図５では、内チャンバーの第２の蓋１１ｂ及びチャンバー本体１１ｃが、外チャンバーの第２の蓋１２ｂとともに水平方向に移動している。一方、内チャンバーの第１の蓋１１ａ（図示せず）、外チャンバーの第１の蓋１２ａ及びチャンバー本体１２ｃは固定されている。この場合、内チャンバーのみが水平方向に移動していると言える。
図６は、図１に示す成膜装置において、内チャンバーを水平方向に旋回させた状態の斜視図である。
図６では、内チャンバーの第２の蓋１１ｂ及びチャンバー本体１１ｃが、外チャンバーの第２の蓋１２ｂとともに水平方向に旋回している。この場合、内チャンバーのみが水平方向に旋回していると言える。
本発明の成膜装置において、チャンバーが水平方向に旋回可能である場合、旋回する角度は特に限定されないが、メンテナンス作業を容易にする観点からは、７０度以上、１１０度以下であることが好ましい。
以下、本発明の成膜装置の使用方法について、成膜作業とメンテナンス作業に分けて説明する。
本発明の成膜装置を用いた成膜作業を説明する前に、ＡＬＤ法による成膜方法を説明する。
ＡＬＤ法による成膜方法は、内部を真空保持可能なチャンバー内にワークをセットし、上記チャンバー内を真空に保持した状態として、上記チャンバー内に成膜原料を供給する工程と、上記チャンバー内に改質剤を供給する工程とを複数回繰り返すことにより、ワークに反応膜を形成する。
次に、本発明の成膜装置を用いた成膜作業の動作フローの一例を以下に示す。
１．モーターとガイドによる水平移動にてチャンバーを開く。
２．予めワークがセットされたワークホルダーをチャンバー内に設置する。
３．水平移動にてチャンバーを元の位置に戻し、チャンバーを閉じる。
４．チャンバー内を真空引きする。
５．チャンバー内をヒーターにて加熱する。
６．チャンバー内が所定の圧力になってから、成膜原料を含むガスと改質剤を含むガスを交互にチャンバー内に流す。
７．所定の成膜ができるまで、ガスの供給を繰り返す。
８．チャンバー内の加熱を停止する。
９．大気ベントする。
１０．モーターとガイドによる水平移動にてチャンバーを開く。
１１．ワークホルダーをチャンバー内から取り外す。
また、本発明の成膜装置を用いたメンテナンス作業の動作フローの一例を以下に示す。
１．外チャンバーを残して、モーターとガイドによって内チャンバーのみを水平移動させる。
２．外チャンバー及び内チャンバーのメンテナンスをそれぞれ行う。
３．内チャンバーが旋回可能である場合、メンテナンスが容易になる。また、ヒーターが内チャンバーの外壁に着脱可能に取り付けられている場合、メンテナンスがさらに容易になる。
本発明の成膜装置は、上記実施形態に限定されるものではなく、例えば、成膜装置の構成等に関し、本発明の範囲内において、種々の応用、変形を加えることが可能である。
本発明の成膜装置において、内チャンバー及び外チャンバーは、それぞれ独立して水平方向に移動可能であることが好ましい。例えば、内チャンバー及び外チャンバーが一体となって水平方向に移動してもよいし、内チャンバーのみが水平方向に移動してもよい。
また、本発明の成膜装置において、チャンバーが水平方向に旋回可能である場合、内チャンバー及び外チャンバーが、それぞれ独立して水平方向に旋回可能であることが好ましい。例えば、内チャンバー及び外チャンバーが一体となって水平方向に旋回してもよいし、内チャンバーのみが水平方向に旋回してもよい。
１ 成膜装置
１０ チャンバー
１１ 内チャンバー
１１ａ 内チャンバーの第１の蓋
１１ｂ 内チャンバーの第２の蓋
１１ｃ 内チャンバーのチャンバー本体
１２ 外チャンバー
１２ａ 外チャンバーの第１の蓋
１２ｂ 外チャンバーの第２の蓋
１２ｃ 外チャンバーのチャンバー本体
１３ ガイド
２０ ワークホルダー
２０ａ，２０ｂ 支え板
２０ｃ１，２０ｃ２，２０ｃ３，２０ｃ４ 支柱
２５ 溝
３０，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ１，３０ｃ２ ヒーター
３５ ヒーター線
４０ ガス供給管群
５０ 排気管
６０ 回転機構
Ｗ ワーク

Claims (5)

  1. 原子層堆積法による成膜装置であって、
    内部を真空保持可能なチャンバーと、
    処理対象であるワークを複数段に並べて前記チャンバー内に保持するワークホルダーと、
    前記チャンバー内を加熱するためのヒーターと、
    前記ワークホルダーを回転させるための回転機構と、を備え、
    前記チャンバーは、横型の筒状体からなり、
    さらに、前記チャンバーは、内部に前記ワークホルダーが設置される内チャンバーと、前記内チャンバーを収容する外チャンバーと、を備え、
    前記内チャンバーは、第１の蓋と、水平方向において前記第１の蓋とは反対側の第２の蓋と、を有し、
    前記ワークホルダーは、前記内チャンバーの前記第２の蓋に接続されることなく、前記内チャンバーの前記第１の蓋に片持ちで支持され、
    前記回転機構は、水平方向に回転軸を備えることを特徴とする成膜装置。
  2. 前記回転機構は、前記内チャンバーの前記第１の蓋に設けられている請求項１に記載の成膜装置。
  3. 前記ワークホルダーは、前記ワークの主面が鉛直方向に沿うように前記ワークを複数段に並べて保持する請求項１又は２に記載の成膜装置。
  4. 前記ワークホルダーは、前記内チャンバー内に着脱可能に設置される請求項１～３のいずれか１項に記載の成膜装置。
  5. 前記チャンバーは、水平方向に移動可能である請求項１～４のいずれか１項に記載の成膜装置。
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