(57)【要約】【課題】基板の成膜面全面に亘って原料ガスを効果的に吸着させることができるという機能を損なうことなく、装置自体の設置面積の大型化を防止することができる真空成膜装置を提供する。【解決手段】真空チャンバ１内で基板を保持するステージ２と、基板Ｗに対しガスを交互に供給するガス供給手段３と、真空チャンバ内のガスを排気する排気手段７とを備える。ステージで保持された前記基板の成膜面側を上とし、ガス供給手段は、ステージの一側に配置されて基板の一側から他側に向けてかつこの基板上面に沿って前記ガスのいずれかを噴射する少なくとも１個の噴射ノズル３１を有する。排気手段は、ステージの他側で真空チャンバの下壁に開設される排気口７１と、真空チャンバの下方に設けられて排気口に連通する排気チャンバ７３と、排気チャンバに接続されて排気チャンバ内を真空引きする真空ポンプ７５とを有する。【選択図】図１
2013151720.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空チャンバ内に配置された成膜対象たる基板に対して二種以上のガスを交互に供給して化学反応により所定の薄膜を成膜する真空成膜装置において、
真空チャンバ内で基板を保持するステージと、この基板に対しガスを交互に供給するガス供給手段と、真空チャンバ内のガスを排気する排気手段と、を備え、
前記ステージで保持された前記基板の成膜面側を上とし、前記ガス供給手段は、ステージの一側に配置されて基板の一側から他側に向けてかつこの基板上面に沿って前記ガスのいずれかを噴射する少なくとも１個の噴射ノズルを有し、
前記排気手段は、前記ステージの他側で真空チャンバの下壁に開設される排気口と、この真空チャンバの下方に設けられて排気口に連通する排気チャンバと、排気チャンバに接続されてこの排気チャンバ内を真空引きする真空ポンプとを有することを特徴とする真空成膜装置。
【請求項２】
前記噴射ノズルは、前記ステージの下面に立設される基部と、この基部から連続してステージの一側に向けて屈曲させたノズル部とで構成され、ノズル部は、このノズル部からみて基板部分における最大長と同等以上の長さを有し、ステージ側の端部に、その長手方向に所定間隔を存して複数の噴射口が列設されていることを特徴とする請求項１記載の真空成膜装置。
【請求項３】
前記排気口は、ノズル部からみて基板部分における最大長と同等以上の長さを有することを特徴とする請求項１または請求項２記載の真空成膜装置。
【請求項４】
前記真空チャンバ内に配置される上下一対の上隔壁と下隔壁と、これら上隔壁と下隔壁とを近接・離間可能に相対移動する駆動手段とを更に備え、上隔壁及び下隔壁の少なくとも一方の周縁部に、互いに近接する方向に相対移動させると、噴射ノズルを含むステージの周囲を囲って真空チャンバの容積を小さい容積で真空チャンバから隔絶された成膜空間を画成する周側壁が設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の真空成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空チャンバ内に配置された成膜対象たる基板に対して二種以上の原料ガスを交互に供給して化学反応により所定の薄膜を成膜する真空成膜装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの製造工程においては、ウエハ等の成膜対象たる基板に所定の薄膜を成膜する成膜工程があり、この成膜工程に対しては、近年の半導体デバイスの微細化に伴い、低温度で成膜を実施することが要請されている。このことから、熱履歴の低減や良好な段差被覆性等の特徴を有するＡＬＤ法を利用した成膜方法が注目されている。
【０００３】
上記成膜方法を実施する真空成膜装置は、例えば特許文献１で知られている。このものは、内部を加熱するヒータを有する真空チャンバを備える。真空チャンバの上部にはガス導入口が形成され、このガス導入口に切換弁を介して、ガス毎に設けられる複数の配管が夫々接続されている。また、真空チャンバ内の上部空間には、ガス導入口に連通するシャワーヘッドが設けられ、このシャワーヘッドに対向させて基板を保持するステージが設けられている。真空チャンバの底部には、内部のガスを排気するために真空ポンプに通じる排気口が形成されている。
【０００４】
そして、基板表面に第１原料ガスを供給し、この第１原料ガスを基板表面に化学吸着させて第１原料ガスの原子の層を形成する。次に、基板表面のガス雰囲気を不活性ガスにより置換した後、基板表面に第２反応ガスを供給し、基板表面に吸着されている第１反応ガスと反応させ、第２原料ガスの原子の層を形成する。次に、基板表面のガス雰囲気を不活性ガスにより更に置換した後、第１原料ガスを再度吸着し、上記同様、置換後に第２原料ガスを再度供給する。この一連の操作を繰り返し、二種以上の原料ガスを交互に供給して化学反応により所定の薄膜が成膜される。
【０００５】
然しながら、上記従来例の真空成膜装置では、基板表面、つまり、基板の成膜面に対して直交する方向から原料ガスを供給しているため、基板の成膜面全面に亘って原料ガスを効果的に吸着させることが困難であるという問題がある。そこで、基板の成膜面の一側から他側に向けてかつこの基板表面に沿って前記ガスを噴射するように原料ガスのガス供給手段を構成すると共に、この他側から真空チャンバ内に導入された原料ガス等を真空引きすることが考えられる。この場合、真空チャンバの側壁に、ガス供給手段としての切換弁や配管及び排気手段としての真空ポンプに通じる排気管等の部品をこの壁面から側方に延出させて設ける必要が生じ、装置の設置面積が大きくなるばかりか、場合によっては、これらの部品で制約されて中央の搬送室を備えたクラスターツール用の成膜モジュールとして利用できないという問題が生じ得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−３１８１７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、以上の点に鑑み、基板の成膜面全面に亘って原料ガスを効果的に吸着させることができるという機能を損なうことなく、装置自体の設置面積の大型化を防止することができる真空成膜装置を提供することをその課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、真空チャンバ内に配置された成膜対象たる基板に対して二種以上の原料ガスを交互に供給して化学反応により所定の薄膜を成膜する本発明の真空成膜装置は、真空チャンバ内で基板を保持するステージと、この基板に対しガスを交互に供給するガス供給手段と、真空チャンバ内のガスを排気する排気手段と、を備え、前記ステージで保持された前記基板の成膜面側を上とし、前記ガス供給手段は、ステージの一側に配置されて基板の一側から他側に向けてかつこの基板上面に沿って前記ガスのいずれかを噴射する少なくとも１個の噴射ノズルを有し、前記排気手段は、前記ステージの他側で真空チャンバの下壁に開設される排気口と、この真空チャンバの下方に設けられて排気口に連通する排気チャンバと、排気チャンバに接続されてこの排気チャンバ内を真空引きする真空ポンプとを有することを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、噴射ノズルにより、ステージの一側に配置されて基板の一側から他側に向けてかつこの基板上面に沿って所定のガスを供給すると共に、真空チャンバの圧力より低い圧力となる排気チャンバに通じる排気口をステージの他側に設けて基板を通過したガスが積極的に排気口を介して排気チャンバに排気されるため、基板の成膜面に亘って原料ガスを効果的に吸着させることができる。この場合、排気チャンバが真空チャンバの下方に設けられ、しかも、噴射ノズルを真空チャンバ内に配置して、この噴射ノズルに所定のガスを供給するガス供給管を真空チャンバの下方から接続することができる構成としたため、配管や排気管等の部品を真空チャンバの壁面から側方に延出させて設ける必要がなく、装置の設置面積が大きくなることはなく、その上、クラスターツール用の成膜モジュールとする場合でも特段の制約は受けない。
【００１０】
また、本発明においては、前記噴射ノズルは、前記ステージの下面に立設される基部と、この基部から連続してステージの一側に向けて屈曲させたノズル部とで構成され、ノズル部は、このノズル部からみて基板部分における最大長と同等以上の長さを有し、ステージ側の端部に、その長手方向に所定間隔を存して複数の噴射口が列設されていることが好ましい。また、前記排気口は、ノズル部からみて基板部分における最大長と同等以上の長さを有することが好ましい。これによれば、基板の成膜面全面に亘って一様にガスが流れるため、基板の成膜面全面に亘って原料ガスを吸着させることができ、しかも、成膜面で吸着されないガスが基板を通過すると直ちに排気することができる。
【００１１】
ここで、上記の如く、真空チャンバ内に配置された成膜対象たる基板に対して二種以上の原料ガスを交互に供給して化学反応により所定の薄膜を成膜する場合、ガス種を切り換える際に先のガスを排気することを考慮すれば、真空チャンバの容積は小さい方が排気時間を短くできて生産性を向上できる。他方、真空チャンバ内の容積を小さくし過ぎると、真空ロボットによるステージへの基板の搬送や搬出が困難になる。そこで、真空チャンバ内に配置される上下一対の上隔壁と下隔壁と、これら上隔壁と下隔壁とを近接・離間可能に相対移動する駆動手段とを更に備え、上隔壁及び下隔壁の少なくとも一方の周縁部に、互いに近接する方向に相対移動させると、噴射ノズルを含むステージの周囲を囲って真空チャンバの容積を小さい容積で真空チャンバから隔絶された成膜空間を画成する周側壁が設けられている構成を採用すれば、成膜時には容積の小さい成膜空間にすることができる一方で、基板の搬送時には十分な搬送空間を確保することができ、有利である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】（ａ）は、本発明の真空成膜装置の構成を示す模式断面図。（ｂ）は、（ａ）のIｂ−Iｂ線に沿った断面図。
【図２】噴射ノズルの正面図。
【図３】原料ガスの供給を説明するブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、成膜対象を矩形でガラス製の基板Ｗとし、この基板Ｗに対し二種類のガスのうち第１原料ガスをトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、第２原料ガスを水蒸気ガスとし、これらの原料ガスを交互に供給して基板表面に酸化アルミニウム (Ａｌ２Ｏ３)を成膜する場合を例に本発明の実施形態の真空成膜装置を説明する。以下において、図１中の基板Ｗの成膜面側を上とし、これに準じて左、右、下、前、後といった方向を示す用語を用いるものとする。
【００１４】
図１を参照して、Ｍは、本実施形態の真空成膜装置である。真空処理装置Ｍは、所定容積の真空チャンバ１を備える。真空チャンバ１内の下壁内面には、この内面の面積より小さい下隔壁１１が設けられている。下隔壁１１の周縁部には、上方に向かって突設させて周側壁１２が一体に形成されている。下隔壁１１の周側壁１２の内側部分には、基板Ｗをその成膜面側を上にして保持するステージ２が設けられている。ステージ２には抵抗加熱式のヒータ２１が組み込まれて、成膜時に基板Ｗを所定温度に加熱できるようにしている。
【００１５】
下隔壁１１の周側壁１２の内側部分でステージ２の右側には、ガス供給手段３としての第１及び第２の両噴射ノズル３１，３２が設けられている。両噴射ノズル３１、３２は略同一の形態を有し、図２に示すように、噴射ノズル３１（３２）は、真空チャンバ１の下壁及び下隔壁１１を貫通して立設された筒状の基部３１ａ（３２ａ）と、この基部３１ａを上方に向かうに従い拡径させながら連続して一体に形成され、その先端部をステージ２側に向けて屈曲させたノズル部３１ｂ（３２ｂ）とで構成されている。ノズル部３１ｂの前後方向の長さＬ１は、これに対向する基板Ｗの一辺の長さＬ２と同等以上の長さを有するように形成される。この場合、基板Ｗの上記一辺が、ノズル部３１ｂからみた基板Ｗ部分における最大長となる。なお、基板Ｗが円形である場合、その直径がノズル部３１ｂに向かい合う基板Ｗ部分における最大長となる。また、ノズル部３１ｂのステージ２側の端部には、複数の仕切板３１ｃ（３２ｃ）が等間隔で配置され、その長手方向に所定間隔を存して複数の噴射口が列設されるように複数の噴射口３１ｄ（３２ｄ）に分割されている。そして、基部３１ａの下端に原料ガスが供給されると、この基部３１ａの上部で一旦拡散され、各噴射口３１ｄから略均等に噴射される。
【００１６】
第１及び第２の両噴射ノズル３１，３２は、各噴射口３１ｄが鉛直方向の同一平面内に位置するようにノズル部３１ｂ，３２ｂを上下に重ねて配置される。この場合、下側に位置する第１の噴射ノズル３１の各噴射口３１ｄが基板Ｗ上面と同一平面上に位置するように設けられる。基部３１ａの真空チャンバ１の下面から突出した部分には、第１原料ガスのガス源からの第１ガス供給管４ａと、第２原料ガスのガス源からの第２ガス供給管４ｂとが夫々接続されている。
【００１７】
図３に示すように、第１ガス供給管４ａには、バッファタンク４１ａと、このバッファタンク４１ａの上流側及び下流側の開閉弁４２ａ，４２ｂと、真空計Ｇとが夫々介設され、第１原料ガスのガス源４３ａに連通している。他方、第２ガス供給管４ｂもまた、バッファタンク４１ｂと、このバッファタンク４１ｂの上流側及び下流側の開閉弁４２ｃ，４２ｄと、真空計Ｇとが夫々介設され、第２原料ガスのガス源４３ｂに連通している。そして、各バッファタンク４１ａ，４１ｂ内に予め充填されている第１原料ガスと第２原料ガスとが交互に供給されるようになっている。なお、ガス源４３ａ、４３ｂにおいては、気相状態の原料ガスを収納することができ、液相及び固相の原料を気化して原料ガスを得るようにしてもよい。
【００１８】
また、第１ガス供給管４ａと第２ガス供給管４ｂとには、窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガスを導入する、開閉弁５１ａ，５１ｂとマスフローコントローラ５２とが介設された不活性ガス源５３からの不活性ガス導入管５が接続されており、成膜中、常時不活性ガスが真空チャンバ１内に導入され、例えば、第１原料ガスを基板Ｗに供給した後、第２原料ガスを基板Ｗに供給するのに先立ち、不活性ガスにより真空チャンバ１を一旦不活性ガス雰囲気に置換できるようにしている。なお、第２ガス供給管４ｂを、バッファタンク４１ｂと下流側の開閉弁４２ｄとの間で分岐し、この分岐されたバイパス管６を、開閉弁６１を介して後述の排気チャンバに接続してもよい。
【００１９】
下隔壁１１の周側壁１２の内側部分でステージ２の左側には、真空チャンバ１の下壁及び下隔壁１１を貫通させて排気手段７としての排気口７１が開設されている。排気口７１の前後方向の長さＬ３は、これに対向する基板Ｗの一辺の長さＬ２と同等以上の長さを有するように形成される。そして、この排気口７１は、真空チャンバ１の下壁外側に設けた排気チャンバ７２に連通している。排気チャンバ７２には、他の排気管７３を介して真空ポンプ７４が接続されている。真空ポンプ７４としては、ターボ分子ポンプやロータリーポンプなどの公知のものが利用され、また排気管７３には、排気速度を調節する調節弁を備えていてもよい。また、排気チャンバ７２としては筒状部材で構成されるものが利用され、鉛直方向にのびるように排気管７３が吊設される。この場合、排気チャンバ７２は、ガス流量等を考慮してその容積が設定される。
【００２０】
真空チャンバ１内の上部には、下隔壁１１に対向する上隔壁１３が設けられている。上隔壁１３は、真空チャンバ１の上壁を貫通して設けた複数本の駆動軸８１に吊設され、その内部には図示省略のヒータが内蔵されている。真空チャンバ１外にのびる駆動軸８１の部分にはベローズ８２が外挿され、直動モータ等の駆動手段８３に接続されている。この駆動手段８３により、上隔壁１３は、真空チャンバ１内の上側に退避して基板Ｗの搬送時に十分な搬送空間が確保できる搬送位置と、この上壁部１３の周縁部が周側壁１２の上面１２ａに密接して、噴射ノズル３１，３２および排気口７１を含むステージ２の周囲を囲って真空チャンバ１の容積より小さい容積で真空チャンバ１から隔絶された成膜空間を画成する成膜位置との間で上下動される。なお、基板Ｗをステージ２に搬出、搬入するため、真空チャンバ１の側面にはゲートバルブＧＶが設けられると共に、ステージ２には、このステージから基板Ｗを持ち上げる図示省略のリフトピンが設けられ、図外のロボットハンドを備えた搬送ロボットで基板Ｗが搬送できるようになっている。
【００２１】
次に、本実施形態の真空処理装置による基板への成膜処理を説明する。図１に示す状態で、真空処理装置Ｍは、全ての開閉弁４２ａ〜４２ｄが閉弁され、上隔壁１３が搬送位置にある状態で真空ポンプ７４によりその内部が所定圧力まで真空排気されて待機状態となっている。次に、図示省略の搬送ロボットにより基板Ｗがステージ２の直上まで搬送され、リフトピンに受け渡された後、ステージ２上に載置される。この場合、静電チャック等により吸着してもよい。基板Ｗがステージ２上に載置されると、駆動手段８３により上隔壁１３を下動させ、成膜位置に移動する。このとき、バッファタンク４１ａ，４１ｂには、上流側の開閉弁４２ａ，４２ｃのみ開弁して第１原料ガスと第２原料ガスとが夫々充填され、真空計Ｇの測定値が所定値に達すると、両開閉弁４２ａ，４２ｃが閉弁される。
【００２２】
成膜を開始するとき、下流側の開閉弁４２ｂと、不活性ガス用の開閉弁５１ａ、５１ｂとを開弁し、バッファタンク４１ａ内の第１原料ガスと不活性ガスとを基板Ｗ表面に供給し、この第１原料ガスを処理表面に化学吸着させて第１原料ガスの原子の層を形成する。バッファタンク４１ａ内の第１原料ガスが基板Ｗ表面に供給されると、下流側の開閉弁４２ｂのみを閉弁し、基板Ｗ表面のガス雰囲気を不活性ガスにより置換する。次に、基板Ｗ表面のガス雰囲気を不活性ガスにより置換されると、下流側の開閉弁４２ｄを開弁し、バッファタンク４１ｂ内の第２原料ガスと不活性ガスとを基板Ｗ表面に供給し、基板Ｗ表面に吸着されている第１反応ガスと反応させ、第２原料ガスの原子の層を形成する。このとき、バッファタンク４１ａには、上流側の開閉弁４２ａのみ開弁して第１原料ガスが充填され、真空計Ｇの測定値が所定値に達すると、開閉弁４２ａが閉弁される。この一連の操作を繰り返し、二種以上の原料ガスを交互に供給して化学反応により酸化アルミニウムが成膜される。
【００２３】
上記実施形態によれば、噴射ノズル３１，３２により、ステージ２の一側に配置されて基板Ｗの一側から他側に向けてかつこの基板Ｗ上面に沿って所定のガスを供給すると共に、真空チャンバ１の圧力より低い圧力となる排気チャンバ７２に通じる排気口７１をステージ２の他側に設けて基板Ｗを通過したガスが積極的に排気口７１を介して排気チャンバ７２に排気されるため、基板Ｗの成膜面全面に亘って原料ガスを効果的に吸着させることができる。この場合、排気チャンバ７２が真空チャンバ１の下方に設けられ、しかも、噴射ノズル３１，３２を真空チャンバ１内に配置して、この噴射ノズル３１，３２に所定のガスを供給するガス供給管４ａ，４ｂを真空チャンバ１の下方から接続することができる構成であるため、配管や排気管等の部品を真空チャンバ１の壁面から側方に延出させて設ける必要がなく、装置の設置面積が大きくなることはなく、その上、クラスターツール用の成膜モジュールとする場合でも特段の制約は受けない。
【００２４】
また、噴射ノズル３１，３２及び排気手段７を上記の如く構成することで、基板Ｗの成膜面全面に亘って一様にガスが流れるため、基板Ｗの成膜面全面に亘って原料ガスを吸着させることができ、しかも、成膜面で吸着されないガスが基板Ｗを通過すると直ちに排気することができる。
【００２５】
更に、上下動する上隔壁１３及び下隔壁１１を真空チャンバ１内に設けたことで、成膜時には容積の小さい成膜空間にすることができる一方で、基板Ｗの搬送時には十分な搬送空間を確保することができ、有利である。
【００２６】
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、基板Ｗの成膜面全面に亘って一様に原料ガスを供給するため、基板Ｗの最大長と同等以上の噴射口３１ｄ，３２ｄを設けたものを例に説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、基板Ｗの長さ方向に複数本のガス管を列設してもよく、また、ノズル部３１ｂ，３２ｂのステージ２側の端部に、長手方向に等間隔で透孔が列設された板状部材を設け、その長手方向に所定間隔を存して複数の噴射口が列設されるように構成してもよい。また、排気口７１を複数の排気口から構成することもできる。
【００２７】
更に、上記実施形態では、２個の噴射ノズルを設けて２種類の原料ガスを導入するものを例に説明したが、これに限定されるものではなく、単一の噴射ノズルで複数種の原料ガスを導入することもできる。また、上隔壁１３を板状部材としこれを上下動するものを例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、周壁部を上隔壁１３の下面周縁部に形成することができ、この場合、真空チャンバ１の下壁に下隔壁１１としての機能を持たせて省略することもできる。
【符号の説明】
【００２８】
Ｍ…真空成膜装置、１…真空チャンバ、２…ステージ、３…ガス供給手段、３１，３２…噴射ノズル、７…排気手段、７１…排気口、７３…排気チャンバ、７５…真空ポンプ。
【図１】
2013151720.tif 000003
【図２】
2013151720.tif 000004
【図３】
2013151720.tif 000005