JPH06244124A - 改良されたスループットを有する真空処理装置 - Google Patents

改良されたスループットを有する真空処理装置

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JPH06244124A
JPH06244124A JP6008703A JP870394A JPH06244124A JP H06244124 A JPH06244124 A JP H06244124A JP 6008703 A JP6008703 A JP 6008703A JP 870394 A JP870394 A JP 870394A JP H06244124 A JPH06244124 A JP H06244124A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 大型ガラス基板を連続的な単一基板処理チャ
ンバ40、42、44、46内で処理することができ、
加熱及び冷却の遅れ時間の問題を解決する、改良された
スループットを有する真空システムを得ることを目的と
する。 【構成】 複数のガラス基板の加熱及び冷却のためのバ
ッチ処理を、単一基板用チャンバの処理に組み合わせる
ものであり、複数の単一基板処理チャンバ40、42、
44、46並びに中央の移送チャンバ12に接続された
バッチ型の加熱チャンバ28及び冷却チャンバ14A、
14Bを備えている。移送チャンバ12は、種々のチャ
ンバ間で任意の予め選択された順序で基板を移送する。
これにより、ガラス基板の加熱及び冷却のための適当な
時間を許容しつつ、連続的ですばやい基板処理の流れが
提供される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、単一基板用(枚葉
式)処理チャンバ内で複数の薄膜を蒸着するための真空
システムに関するものである。特に、この発明は、単一
基板用処理チャンバをバッチ型の加熱及び冷却チャンバ
に組み合わせる真空システムに関するものである。
【0002】
【従来の技術】アクティブマトリックス型の(active m
atrix )TVやコンピュータモニターの液晶セル(cell
s )は、液晶材料の層をその間にサンドイッチする2枚
のガラス板から成る。ガラス板は、その板の内面上の薄
い導電性のフィルムによって導電性にされており、液晶
分子の方向を変えるために、それらに電源が接続されい
る。1,000,000 までまたはそれ以上の領域すなわち画素
(pixels)が分離してアドレッシングされる必要がある
アクティブマトリックス型のTVに関するかぎり、液晶
セルの異なる領域の分離したアドレッシング(addressi
ng)を可能にする、より大型でより精巧なセルへの要求
が高まってきているので、この応用に薄膜トランジスタ
が広く使用されるようになってきている。薄膜トランジ
スタは、上にアモルファスシリコンのようなゲート絶縁
層及び導電層が蒸着され、パターンを施された金属ゲー
トを備えている。続いて、ドープされたアモルファスシ
リコン、エッチストッパーであるシリコン窒化物(etch
stopper silicon nitride)、シリコン酸化物、金属接
触層等である適用層(applied layers)も、アモルファ
スシリコン薄膜上に蒸着される必要がある。これらの膜
の多くは、高品質の膜を得るためにCVDによって蒸着
される。
【0003】半導体産業においては、シリコンウエハの
ような基板は大型化し、ウエハ上に形成されるデバイス
の数を多くすることが可能になり、単一基板処理は数枚
のウエハを1度に処理するバッチ型処理に主として置き
代わっている。単一基板処理はプロセスの良好な制御を
可能とし、使用される真空チャンバを小さくでき、もし
処理中に問題が生じた場合には、バッチ全体のウエハで
はなく1枚のウエハだけがダメージを受け損失される。
【0004】各基板が処理された後の処理チャンバの排
気及び再加圧を含む、単一基板用真空処理システムの生
産性を向上させるために、1より多い数の処理チャンバ
及び移送チャンバを含むように真空装置が設計されてお
り、複数ステップの処理が、異なるチャンバ内で1枚の
基板に対し真空環境からその基板を取り出すことなく実
行されうる。このようなシステムは、清掃システム(cl
eaner system)についての付随的な利点も有する。例え
ば、メイダン(Maydan)らは、そのようなシステムを米
国特許第4,951,601 号において開示している。それは、
種々の処理チャンバに囲まれ接続された中央の移送チャ
ンバを備えたものである。移送チャンバ内のロボット
は、基板を1つのチャンバから別のチャンバに移送す
る。真空ロードロックを付加することによって、各処理
ステップに先立つチャンバの排気が必要でないようにす
ることも、装置のスループットを向上させる。
【0005】ガラスは、室温から、真空処理に典型的に
用いられる約300〜450℃までの温度変化における
大型ガラス板のひび割れや応力を防ぐためには例えば約
5分かそれ以上のゆっくりとした加熱及び冷却を必要と
するもろい絶縁材料である。実際の薄膜蒸着は、そのた
めの特別の準備を除いた場合には秒単位しかかからない
ため、長い無駄時間が、基板が個々に加熱され冷却され
る間の真空システムに生じる。この待ち時間は、失われ
る反応器時間の点で非常に高コストになり、従って単一
基板用チャンバ内の膜の蒸着は経済的ではない。
【0006】単一真空システムにおける単一ガラス基板
上の複数層の膜の蒸着は、例えばガレゴ(Gallego )に
よる米国特許第4,592,306 号によって開示されている。
ガレゴによって開示された真空システムは、中央移送チ
ャンバロードチャンバ及び出口(exit)チャンバに接続
された4あるいはそれ以上の蒸着チャンバを備えてい
る。基板がシステムの排気されたロードチャンバ内にロ
ードされ、その基板は中央移送チャンバ内のロボットに
よって、種々の層が蒸着される2またはそれ以上の蒸着
チャンバに連続的に移送される。出口チャンバは、金属
蒸着チャンバの2倍でありうる。連続的な薄膜が、蒸着
チャンバ内に1度に1枚ずつロードされた基板上に蒸着
される。システムは、太陽光電池の製造のために、本来
の及びドープされたアモルファスシリコン層を連続的に
蒸着するように設計されている。蒸着はシラン及び適当
なドーパントガスのグロー放電(glow discharge)によ
る。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】このシステムは、単一
真空システムにおいて真空を破ることなく大型ガラス基
板上に連続的な層を蒸着するには効果的であるが、各基
板を処理するために必要な長い時間のために非経済的で
あり、それは基板材料の加熱及び冷却装置を備えていな
い。ガレゴは、本来のアモルファスシリコンの蒸着に2
個のチャンバを提供することにより、この問題について
部分的に扱っているが、そのアモルファスシリコンの層
は厚く、従って薄いドープされたアモルファスシリコン
層よりも長い蒸着時間を要する。しかし、ガレゴは、全
体の蒸着時間を減らす方法や、基板温度をいかに反応温
度(270℃)にするのか、また、基板を真空システム
から取り出すのに先立ってその基板を周囲温度に冷却す
るのに要する時間については扱っていない。
【0008】シランのグロー放電によって作られたアモ
ルファスシリコン膜は水素を多く含んでおり、膜が不安
定になり従ってトランジスタデバイスも不安定になるの
で、膜トランジスタはグロー放電技術を用いたのでは作
ることができない。CVD処理は、グロー放電蒸着より
も高温、すなわち350〜450℃のオーダーを必要と
し、アクティブマトリックスTVモニターに使用される
ガラス基板は、典型的に非常に大型、すなわち例えば3
50×450mmであるから、基板を処理温度まで加熱
し、膜処理完了後にそれを再び周囲温度まで下げるには
数分もかかる。この加熱及び冷却の遅れは、失われた反
応器時間の点で非常に高コストになる。従って、数個の
チャンバによる蒸着は、長い加熱及び冷却時間が扱われ
ないかぎり待ち時間のない効果的な動作にはならない。
【0009】このように、大型ガラス基板を連続的な単
一基板処理チャンバ内で処理することができ、加熱及び
冷却の遅れ時間の問題を解決する、改良されたスループ
ットを有する真空システムが、非常に望まれている。
【0010】
【課題を解決するための手段】この発明の真空システム
は、複数のガラス基板の加熱及び冷却のためのバッチ処
理を、単一基板用チャンバの処理に組み合わせる。この
発明の真空システムは、複数の単一基板処理チャンバ及
び中央の移送チャンバに接続されたバッチ型の加熱及び
冷却チャンバを備えている。移送チャンバは、種々のチ
ャンバ間で任意の予め選択された順序で基板を移送する
ことができる。
【0011】バッチ型の加熱及び冷却チャンバと単一基
板処理チャンバとの組み合わせは、ガラス基板の加熱及
び冷却のための適当な時間を許容しつつ、連続的ですば
やい基板処理の流れを提供する。このように、この発明
の装置は、効果的かつ経済的な方法でガラス基板上に複
数の高品質薄膜を形成するために、経済的で有利な処理
方法を提供する。
【0012】
【実施例】この発明の従って、大型ガラス基板を処理す
るための真空システム10が、図1に示されている。真
空システム10は、図1に示すように、2個のロードロ
ック(load lock )/冷却チャンバ14A及び14Bが
接続された中央移送チャンバ12を含んでいる。ロード
ロック/冷却チャンバ14A及び14Bは、それぞれ処
理されるガラス基板をシステム10に移送するためのも
のである。ロードロック/冷却チャンバ14A及び14
Bは、それぞれロードドア16A及び16Bを外側壁に
備えた閉じうる開口部を有している。ロードドア16A
及び16Bは、処理されるガラス基板を大気中から真空
システム10内に移送するためのものである。
【0013】ロードロック/冷却チャンバ14A及び1
4Bは、それぞれ、大型ガラス基板を支持し冷却するた
めの複数の棚、すなわちプラットホームが取り付けられ
たカセット17を備えている。熱は、真空中のガラス基
板から、放射、及びガラス基板から支持棚に向かってガ
ラス基板の上下にガスを導くことによって取り去られ
る。ガラス基板の加熱または冷却速度は、棚の材料の放
射率(emissivity)、ガラスの放射率及びチャンバの真
空の圧力によって決定される。2個の平行な平面に対す
る熱移送に関するステファン−ボルツマンの式は、以下
の式1)で与えられる。
【0014】
【数1】
【0015】ここで、Er は、ワット/cm2 で表現さ
れた移送されたエネルギ量、T1 は、K0 で表現された
棚の温度、T2 は、K0 で表現されたガラスの温度、ε
1 は、棚の放射率、ε2 は、ガラスの放射率、σは、ス
テファン−ボルツマンの定数であり、そして、ガス導入
によって移送された熱はガス圧力に比例し、以下の式
2)で与えられる。
【0016】
【数2】
【0017】ここで、Ecは、ワット/cm2 で表現さ
れた加熱エネルギ、Λは、K0 で表現された平均伝導率
(mean conductivity )、dは、cmで表現された平面
間の間隔、βは、ガス適応係数(gas accommodation co
efficient )、cは、ミクロンで表現されたガスの平均
自由行程、Pは、ミリトールで表現された圧力、T1
びT2 は、式1)について上記のように与えられた意味
をもつ。
【0018】棚に取入れられた熱は、その後、例えば水
のような冷却用熱移送媒体に運ばれることによって取り
除かれうる。
【0019】ロードロック/冷却チャンバ14内のカセ
ット17は、カセット17を1個の棚の高さの分ずつ上
下させる上下移動用装置(elevator assembly )(図示
せず)に取り付けられている。チャンバ12Aにロード
するには、ロードドア16Aが開かれ、1個のガラス基
板がカセット17内の棚上に置かれる。上下移動用装置
はカセット17を1個の棚の高さの分だけ持ち上げ、空
の棚がロードドア16Aに向き合う。別の基板がその棚
などの上に置かれ、カセット17のすべての棚が満たさ
れる。このとき、ロードドア16Aは閉じられ、チャン
バ14Aは真空システム10内の所定の圧力まで高めら
れる。
【0020】移送チャンバ12に隣接するロードロック
/冷却チャンバ14Aの内壁上のスリットバルブ(slit
valve)20Aが、その後、開かれる。ガラス基板が、
移送チャンバ12内のロボット22によって加熱チャン
バ28まで移送される。
【0021】ロボット22はマイックロプロセッサコン
トロールシステム、ディスプレイスクリーン及びキーボ
ード(図示せず)によって制御され、これらは、ロボッ
ト22にガラス基板を支持させ、以下の動作を行わせる
ように設計されている。すなわち、ロードロック/冷却
チャンバ14Aのカセット17から基板を抜き出し、基
板を加熱チャンバ28内のカセット29の空の棚に載せ
るために回転し、基板を加熱チャンバカセット29内の
空の棚上に挿入し、基板を加熱チャンバカセット29内
の棚の上に置いて、そこから出る。加熱チャンバカセッ
ト29は、上下移動用装置にも取り付けられ、1個の棚
をロードした後、加熱チャンバカセット29は上下に移
動し、別の空の棚がロボット22によってアクセスされ
るようにする。ロボット22は、その後再び回転して、
ロードロック/冷却チャンバ14Aのカセット17から
別の基板を回収する。同様の方法で、ロボット22は、
すべてまたは一部の基板を加熱チャンバカセット29か
ら、4個の単一基板処理チャンバ40、42、44及び
46の各々の同様のスリットバルブに、予め選択された
方法で移送しうる。基板が薄膜処理を待つ間に、ガラス
が処理温度に達するための適当な時間がある。
【0022】加熱チャンバカセット29は、棚を加熱す
る手段とともに以下で詳細に説明される複数の棚すなわ
ちプラットホームを備えており、上下移動用装置にも取
り付けられている。加熱チャンバカセット29は、ガラ
ス基板を1度に1個だけ真空状態においてロードされ
る。ガラス基板は、その後、処理を待つ間に加熱チャン
バカセット29内で望ましい蒸着温度まで加熱される。
【0023】最後のガラス基板が加熱カセット29内に
ロードされた後、最初のガラス基板は処理温度に達して
いる。加熱されたガラス基板がロボット22によって、
単一基板処理チャンバ40、42、44及び46の一つ
に移送された後、それは加熱されるべき冷えた基板によ
って常に置き換えられる。処理チャンバ40、42、4
4及び46が、ガラス基板上に1またはそれ以上の薄膜
層を蒸着させるために適用される。薄膜チャンバ40、
42、44及び46の各々は、それらの内壁40a、4
2a、44a及び46a上に、プロセスガスを分離する
ためのスリットバルブ41、43、45及び47がそれ
ぞれ取り付けられている。1個以上の処理チャンバが同
時に動作しうる。
【0024】薄膜の厚さが所定の値になるまで適当な先
行(precursor )ガスをチャンバに供給し、チャンバを
浄化(purging )し、さらに先行ガスの第2の組をチャ
ンバに供給することにより、1個のチャンバ内で1より
も多いコーティングを蒸着することができる。その代わ
りに、各チャンバで異なる薄膜を蒸着するために、ガラ
ス基板は1個の処理チャンバから別の処理チャンバに任
意の予め選択された順番で移送しうる。ロボット22に
よる種々のチャンバ間におけるガラス基板のタイミング
及び移送は、種々のチャンバ内で望ましい数と厚さの薄
膜を蒸着させるために、マイクロプロセッサの制御下で
予め選択されており、どのチャンバにおいても無駄な時
間が最小になるように保たれている。
【0025】上記システムは複数の薄膜蒸着チャンバ
(film deposition chambers)を用いて説明されたが、
エッチングチャンバ(etch chambers )、物理的蒸着チ
ャンバ(physical vapor deposition chambers)、予清
掃チャンバ(preclean chambers )等の他の単一基板処
理チャンバを含みうるし、置き換えられうる。
【0026】薄膜処理の最後に、熱くなったガラス基板
の各々は、ロードロック/冷却チャンバ14Aの冷却カ
セット17に送り戻され、各棚には1枚のガラス基板が
置かれ、上下移動機構がカセット17を上下させて各基
板に対して空の棚を移送ロボット22に合わせる。新し
いガラス基板によって再び満たされた冷却カセット17
は、冷えたガラス基板を熱いガラス基板に取り替える。
ガラス基板の全工程(batch )に対するロード交換(lo
ading exchange)の完了後には、最初の基板は既に冷え
ている。ロードロック及び冷却カセットを開口した(ve
nting )後、最後の基板も冷却される。
【0027】矢印48、49及び50は、それぞれ1つ
の可能な工程について移送の方向を示している。矢印4
8はロードロック/冷却チャンバ14Bから加熱チャン
バ28への移送方向を示しており、矢印49は加熱チャ
ンバ28からCVDチャンバ40への基板の移送方向を
示しており、矢印50はロードロックが完全に交換され
るまでのCVDチャンバ40からロードロック/冷却チ
ャンバ14Bに戻る基板の移送方向を示している。その
後、チャンバ14Bが大気圧と通じたときに、ロードロ
ックチャンバ14Aは真空ロボットに利用される状態に
なり、連続的な処理がなされる。
【0028】加熱及び冷却チャンバカセット15及び2
7の詳細が図2に示されている。図2は冷却チャンバカ
セット17の断面図である。
【0029】加熱チャンバカセット29及びロードロッ
ク/冷却チャンバカセット17の両方における棚60
は、ステンレス鋼で覆われた(clad)銅、ニッケルでコ
ーティングされたステンレス鋼等の熱伝導材料から作ら
れている。カセット17及び29の側壁62、64も、
アルミニウムまたは銅のような熱伝導材料から作られて
いる。カセット29の側壁62、64内の溝(channel
)66は、電源に接続された抵抗ヒータを備えてい
る。冷却チャンバカセット17の側壁内の溝68は、水
や他の液体のような冷却媒体を循環させるものであり、
それらのチャンバの側壁62、64内に組み入れられて
いる。ガラス基板は、棚60上に載せられるか取り付け
られた複数の絶縁性のマウント70の上に載せられてお
り、基板と棚60との間には隙間がある。ガラス基板
は、従って、放射熱によって均一に両面から加熱または
冷却されて、すばやく均一な加熱または冷却が可能にな
り、約400度の温度範囲以上に加熱または冷却された
ときでさえ基板のひび割れまたはそりが防止される。
【0030】基板が冷却されたカセット17内に置かれ
た後、冷却が開始し、ローデイング時間及びチャンバ通
風(venting )時間が経過した後、ガラス基板は冷え、
基板を真空システム10から外壁内のロードドア16A
を通して運びうるようになり、適当な格納カセット72
上に積まれる。
【0031】ガラス基板は、人手によってまたは自動的
に真空システム10内にロードされうる。図1に示すよ
うに、ロードロックチャンバ14Aに対向する第1のス
テーションの、真空システム10の外側のレールフレー
ム上に取り付けられた市販のロボット74は、空の格納
カセット72Aからガラス基板を回収することができ、
ガラス基板を1度に1枚ずつ真空システム10内にロー
ドロック/冷却チャンバ14Aを通してロードする。チ
ャンバ14Aが満たされて閉じられたとき、ロボット7
4はレールに沿ってロードロックチャンバ14Bに対向
する第2のステーションまでスライドすることができ、
カセット72Cからの基板で第2のロードロック/冷却
チャンバ14Bを満たし始める。基板の第1のロード処
理の最後に、ロボット74は、処理された基板をロード
ロックチャンバ14Aから回収することができ、今度は
コーティングされた基板を空のカセット72Bに置く。
【0032】基板の第1の組(batch )が処理され、第
1のロードロック/冷却チャンバ14A内のカセットに
再ロードされている間に、基板の第2の組はロードさ
れ、第2の、ロードロック/冷却チャンバ14Bのよう
なものの中のカセット内で真空にされうる。従って、基
板の第1の組が冷却され真空システム10から運ばれて
いる間に、基板の第2の組は真空にされて加熱されてお
り、この時点でCVDチャンバ40、42、44及び4
6内で処理可能な状態になっている。2個のロードロッ
クチャンバが存在することは、真空システム10内の基
板の連続的な処理を確保している。
【0033】大型ガラス基板の上に薄膜トランジスタを
製造するためには、ロードロック/冷却チャンバに対し
てガラス基板のロード及びアンロードをする平均の時間
は、各工程について約15秒である。しかるに、ガラス
基板を薄膜蒸着温度まで加熱する平均時間は、約300
秒である。処理または大気圧への通気(venting back)
の順番を待つすでに加熱されているガラス基板の1組を
備えることにより、基板の長い平均加熱時間は、それぞ
れ処理または通気を待つ時間に含まれて隠されてしまう
(is hidden )。
【0034】この真空システムを特定の実施例及び手順
(sequences )を用いて説明してきたが、この発明の本
質から逸脱することなくこの装置について種々の変形例
を作りうる。例えば、処理、加熱及び冷却チャンバ、ま
たは加熱及び冷却チャンバを組み合わせたものの数は、
それらが中央の移送チャンバにアクセス可能であれば様
々に変更しうる。また、加熱、蒸着及び冷却の順序を、
望ましい薄膜及び蒸着の順序によって様々に変えても実
行することができる。さらに、物理的蒸着またはエッチ
チャンバ、予清掃(preclean)チャンバ等の付加的な処
理チャンバをシステムに付け加えてもよいし、代替して
もよい。このような変形及び代替は当業者には自明であ
り、この発明は、特許請求の範囲によってのみ限定され
ることが意図されている。
【0035】
【発明の効果】以上のように、システム10は、長くか
かる加熱及び冷却ステップをバッチ処理タイプの(batc
h-type)チャンバで実行することにより連続的ですばや
い基板処理を可能にし、処理チャンバ内で1度に1枚ず
つ基板を処理するようにされていることにより、そのよ
うな単一基板処理のすべての利点を保有する。さらに、
ロードロック機能と冷却機能とを単一の冷却/ロードロ
ックチャンバが合わせ持つようにすることにより、付加
的な冷却チャンバ及び付加的な基板移送が必要でなくな
り、この真空システムの効率は一層向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】ガラス基板上に薄膜を蒸着させるためのこの発
明の真空システムの平面図である。
【図2】ここで用いるバッチ型の加熱または冷却チャン
バの断面図である。
【符号の説明】
12…移送チャンバ、14A、14B…ロードロック/
冷却チャンバ、17、29…カセット、28…加熱チャ
ンバ、40、42、44、46…単一基板用処理チャン
バ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョン マックネイル ホワイト アメリカ合衆国, カリフォルニア州 94541, ヘイワード, コロニー ヴュ ー プレイス 2811

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 中に入れられた複数のガラス基板を支持
    し冷却する複数の棚を有する1または1を超える数のロ
    ードロック(load lock )/冷却チャンバ、 複数のガラス基板を高温に加熱するための加熱チャン
    バ、 前記ガラス基板上に薄膜を蒸着させるための1または1
    を超える数の単一基板用処理チャンバ、及びすべての前
    記チャンバにアクセスし、任意の前記チャンバにガラス
    基板を移送する自動化された手段を有する移送チャン
    バ、 を備えた、ガラス基板上への単一基板用膜処理のための
    真空システム。
  2. 【請求項2】 前記ロードロック/冷却チャンバ及び前
    記加熱チャンバが、上下移動用装置(elevator assembl
    y )に取り付けられたカセットを備えている請求項1記
    載の真空システム。
  3. 【請求項3】 2個のロードロック/冷却チャンバを備
    えた請求項1記載の真空システム。
  4. 【請求項4】 少なくとも2個の処理チャンバを備えた
    請求項1記載の真空システム。
  5. 【請求項5】 前記単一基板用処理チャンバが化学気相
    成長チャンバである請求項1記載の真空システム。
  6. 【請求項6】 a) 複数のガラス基板をロードロック
    /冷却チャンバ内にロードし、前記チャンバを排気する
    ステップ、 b) すべての前記ガラス基板を、接続する真空移送チ
    ャンバを通して前記基板を高温に加熱するのに適するチ
    ャンバまで移送するステップ、 c) ステップb)からの加熱された基板のうちの1枚
    を、移送チャンバを通して、単一基板用処理チャンバま
    で移送し、その上に薄膜を蒸着するステップ、及び d) ステップc)からの基板を、ステップa)のロー
    ドロック/冷却チャンバまで送り戻し、基板を冷却する
    ステップ、 を順番に備えた、ガラス基板上に薄膜を蒸着する方法。
  7. 【請求項7】 ステップc)に続いて、基板を、その上
    に付加的な薄膜を蒸着するための1または1を超える数
    の付加的な処理チャンバに移送するステップを行う請求
    項6記載の方法。
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