JP2019110281A - 成膜装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】公転する基板に成膜ガスを供給して成膜を行うにあたり、当該基板の自転が確実に行われるようにすると共に、自転を行うための機構により装置の各部に加わる負担を抑制すること。【解決手段】回転テーブル２と共に回転する部位において、基板Ｗが載置される載置台３を支持するように自転自在に設けられる自転軸と、自転軸に設けられる従動ギア４と、従動ギア４の公転軌道に臨んで回転し、かつ当該公転軌道の全周に沿って設けられ、従動ギア４と磁気ギア機構を構成する駆動ギア５と、従動ギア４の公転軌道と駆動ギア５との相対距離を変更する相対距離変更機構５５と、を備える。それによって、成膜処理時には従動ギア４と駆動ギア５との間に作用する磁力を基板Ｗの自転を行うために必要なものとし、且つ当該磁力が常時強力になることを防いで装置の各部への負担を抑制することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、回転テーブルの一面側に載置された基板を公転させながら基板の成膜処理を行う技術に関する。
半導体装置の製造工程においては、エッチングマスクなどを形成するための各種の膜を円形の基板である半導体ウエハ（以下、ウエハと記載する）に成膜するために、例えばＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）が行われている。半導体装置の生産性を高くするために、上記のＡＬＤは、複数のウエハを載置した回転テーブルを回転させることで各ウエハを公転させ、回転テーブルの径方向に沿うように配置される処理ガスの供給領域を繰り返し通過させる装置によって行われる場合がある。
ウエハの面内で均一性高い配線パターンを形成する目的から、上記のウエハを公転させる成膜処理においては、ウエハの周方向における膜厚の均一性を高くすることが求められている。しかし、上記のウエハを公転させる成膜装置においては、回転テーブルの径方向に沿って処理ガスが供給されることから、ウエハに形成される膜は、回転テーブルの中心側から周縁側に向かうに従って膜厚が変移する膜厚分布となる傾向が有る。
そこで、回転テーブルによりウエハが公転する間、ウエハが自転するようにウエハの載置台を回転させて、当該ウエハの周方向における膜の均一化を図ることが検討されている。例えば特許文献１には上記のウエハの載置台を、磁石のＮ極、Ｓ極が周方向に交互に配列された円形部材である磁気ギアに接続した装置について記載されている。この装置においては、回転テーブルの回転により移動する当該磁気ギアの移動路に沿って多数の電磁石が配置され、各電磁石への電流の給断を制御することで上記の磁気ギアが非接触で回転されるので、パーティクルの発生を抑制しつつ、ウエハを自転させることができる。
特開２０１７−５４８８０号公報
発熱によるウエハへの処理の影響を抑制するために上記の電磁石が用いられず、上記の載置台に接続される永久磁石からなる従動ギアと、この従動ギアの公転軌道に臨む永久磁石からなる駆動ギアとにより構成される磁気ギア機構を備えるように装置を構成し、駆動ギアと従動ギアとの間の磁力の作用により、ウエハを自転させることが検討されている。なお、このような装置の一例については発明の実施の形態で詳しく述べるため、ここでは詳細な説明を避ける。
しかし、上記の永久磁石は自由に磁力を変化させることができないし、環境温度に応じて減磁する。従って、ウエハの処理温度の影響を受けて、自転の状態に影響が出ることが懸念される。また、従動ギアと駆動ギアとの間に常時、強力な磁力が作用する場合には、この磁力によって従動ギアを支持する各部への負荷が大きくなってしまう。
本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的は回転テーブルに載置されて公転する基板に成膜ガスを供給して成膜を行うにあたり、当該基板の自転が確実に行われるようにすると共に、自転を行うための機構により装置の各部に加わる負担を抑制するための技術を提供することである。
本発明の成膜装置は、処理容器内に設けられた回転テーブルと、
前記回転テーブルの一面側に基板を載置するために設けられ、当該回転テーブルの回転により公転する載置台と、
前記載置台に載置された前記基板を加熱する加熱部と、
前記回転テーブルの回転により載置台が通過する領域に成膜ガスを供給して前記基板に成膜する成膜ガス供給部と、
前記回転テーブルと共に回転する部位に前記載置台を支持するように自転自在に設けられる自転軸と、
前記自転軸に設けられた従動ギアと、
前記従動ギアの公転軌道に臨んで回転し、かつ前記公転軌道の全周に沿って設けられ、前記従動ギアと磁気ギア機構を構成する駆動ギアと、
前記従動ギアの公転軌道と前記駆動ギアとの相対距離を変更するための相対距離変更機構と、
を備えることを特徴とする。
本発明によれば、回転テーブルと共に回転する部位において、基板が載置される載置台を支持するように自転自在に設けられる自転軸と、自転軸に設けられる従動ギアと、従動ギアの公転軌道に臨んで回転し、かつ当該公転軌道の全周に沿って設けられ、従動ギアと磁気ギア機構を構成する駆動ギアと、従動ギアの公転軌道と駆動ギアとの相対距離を変更する相対距離変更機構と、を備える。それによって、成膜処理時には従動ギアと駆動ギアとの間に作用する磁力を基板の自転を行うために必要なものとし、且つ当該磁力が常時強力になることを防いで装置の各部へ加わる負担を抑制することができる。
本発明の一実施形態に係る成膜装置の縦断側面図である。 前記成膜装置の横断平面図である。 成膜装置に設けられた回転テーブルの概略斜視図である。 載置台の下面に設けられた従動ギアを模式的に示す底面図である。 従動ギアと駆動ギアの一部を示す平面図である。 従動ギアと駆動ギアを模式的に示す平面図である。 従動ギアと駆動ギアを模式的に示す平面図である。 従動ギアの角速度と駆動ギアの角速度の速度差と、従動ギアの自転速度との関係を示す特性図である。 駆動ギアの昇降を示す説明図である。 成膜装置に設けられた制御部の一例を示す構成図である。 前記成膜装置の動作を示す説明図である。 評価試験の結果を示すグラフ図である。 評価試験の結果を示すグラフ図である。 評価試験の結果を示すグラフ図である。 評価試験の結果を示すグラフ図である。
本発明の一実施形態である成膜装置１について、図１の縦断側面図、図２の平面図を各々参照しながら説明する。成膜装置１は、後述する回転テーブルに載置されて公転するウエハＷに、シリコン（Ｓｉ）を含む原料ガスと、酸化ガスとを順番に繰り返し供給し、これら原料ガスと酸化ガスとを互いに反応させてＳｉＯ２（酸化シリコン）膜を形成するＡＬＤが行われるように構成されている。
成膜装置１は、平面形状が概ね円形の扁平な処理容器である真空容器１１を備えている。真空容器１１は、容器の側壁及び底部をなす容器本体１３と、天板１２とにより構成されている。図中２は、真空容器１１内に設けられた上記の回転テーブルであり、水平な円板状に形成されている。回転テーブル２の中心部には鉛直下方へ伸びる回転軸２１が接続されている。この回転軸２１は、容器本体１３を構成する底部１４に設けられた軸受け部２２を貫通して、真空容器１１の外側に設けられる公転用回転機構２３に接続されている。公転用回転機構２３によって、上面側から見て回転テーブル２は、例えば時計回りに回転される。
容器本体１３の底部１４には、回転軸２１を囲むように当該底部１４を厚さ方向に貫通する平面視環状のスリット２４が設けられている。そして、底部１４の下方には、平面視環状、且つ縦断面視凹部形状をなす空間形成部１５が設けられており、この凹部内の空間は、真空容器１１の外部から区画されると共に、成膜処理時には後述の排気口３６、３７により排気されて真空雰囲気となる。当該空間を従動ギア移動空間１６とすると、この従動ギア移動空間１６には、容器本体１３の底部１４に近接するように、水平な支持用円環板２５が設けられている。また、空間形成部１５の底部は円環状の水平な板により構成されており、当該板を区画板１７とする。仕切り部材をなすこの区画板１７は、後述する従動ギア４と駆動ギア５との間に形成される磁力線を通す材料、例えばアルミニウムやＳＵＳ（ステンレス鋼）により構成されている。区画板１７の厚さＨ１は例えば５ｍｍ以下、より具体的には例えば３ｍｍ以下である。なお、図中１８は、空間形成部１５の側壁及び底部１４に設けられる冷媒流路である。
続いて、回転テーブル２及び当該回転テーブル２に付帯する各部の構造についての概略斜視図である図３も参照しながら説明する。上記の軸受け部２２の上端部からは、平面視放射状に５本のスポーク２６が延出されており、当該スポーク２６に回転テーブル２が支持されている。このスポーク２６は、高い強度及び高い耐熱性を有するように、例えば合金であるインコネル（登録商標）により構成されている。スポーク２６の先端部は、上記の容器本体１３のスリット２４を下方へ向かうように屈曲し、支持用円環板２５の上面に接続されている。従って、支持用円環板２５はスポーク２６によって、回転軸２１に支持されている。
回転テーブル２の上面側（一面側）には、回転テーブル２の回転によって公転する平面視円形の載置台３が設けられている。この例では載置台３は回転テーブル２の回転方向に沿って５個設けられている。載置台３の上面には、ウエハＷを水平に載置して収納するための凹部３１が形成されている。
各載置台３の下面側中央部には、載置台３を支持する自転軸３２が鉛直下方へ延出するように設けられている。各自転軸３２は支持用円環板２５を貫通し、さらに、当該支持用円環板２５の下面に支持されて設けられる５つの軸受けユニット３３（図３では４つのみ表示している）を各々貫通する。自転軸３２が支持用円環板２５を貫通する位置は、支持用円環板２５を周方向に見て隣り合うスポーク２６の間である。つまり、支持用円環板２５には自転軸３２とスポーク２６とが交互に配置されている。上記の軸受けユニット３３は、自転軸３２を回転自在に保持するように自転軸３２を囲むベアリングと、ベアリングからのパーティクルの飛散を防ぐための磁気シールと、を備えている。このように構成されることで、自転軸３２は回転テーブル２と共に回転する部位に自転自在に設けられている。また、この自転軸３２は軸受けユニット３３に支持されており、この軸受けユニット３３は支持用円環板２５、スポーク２６を介して回転軸２１に対して支持されている。
そして、自転軸３２の下端部には水平な円板状の従動ギア４が、自転軸３２と互いに中心軸を一致させた状態で設けられている。従って、従動ギア４は自転軸３２を介して載置台３に連結されており、従動ギア４は回転テーブル２の回転により、当該回転テーブル２の回転軸２１の回りを水平方向に公転する。また、従動ギア４を周方向に回転させると、各載置台３が自転軸３２まわりに自転する。図１に示す従動ギア４と区画板１７との距離Ｈ２は、例えば１ｍｍである。
図４は従動ギア４の下面側を模式的に示している。従動ギア４の下部側には、当該従動ギア４の回転方向に沿って、多数の永久磁石が全周に亘って埋設されている。なお、ここで言う全周に亘って永久磁石が設けられるとは、回転方向に見たときに永久磁石が設けられる領域が局所的では無いことを意味している。従って、回転方向に隣り合う永久磁石間に隙間があっても、全周に亘って永久磁石が設けられることになり、この例ではそのような隙間が設けられている。
従動ギア４に設けられる上記の永久磁石の磁極をＮ極部４１、Ｓ極部４２とすると、当該従動ギア４を下面側から見たときに、Ｎ極部４１、Ｓ極部４２が自転方向（回転方向）に沿って交互に配置されている。なお、Ｎ極部４１についてはＳ極部４２と区別するために、図中に斜線を付して表示している。この例では、従動ギア４の下面に露出するＮ極部４１、Ｓ極部４２は、夫々同じ形状の短冊状に形成され、従動ギア４の下面の中心部から横方向に放射状に延びるように、周方向に互いに間隔を開けて例えば１８個配列されている。Ｎ極部４１及びＳ極部４２の長さは例えば従動ギア４の底面の中心を越えないように、従動ギア４の半径より短く設定されている。なお、高温環境下における減磁を抑制するために、上記の従動ギア４を構成する永久磁石及び後述の駆動ギア５を構成する永久磁石は、例えばサマリウムコバルト磁石により構成されている。
図１及び図３に示すように、真空容器１１の外側（大気雰囲気側）で、空間形成部１５の下方には、駆動ギア５が配置されている。この駆動ギア５は、従動ギア４と共に磁気ギア機構４０を構成する。駆動ギア５は従動ギア４の公転軌道の全周に沿って形成された水平な円環板であり、当該公転軌道に臨むように設けられている。従って駆動ギア５の上面は、従動ギア４の下面に対向する。
図中５０は、駆動ギア５の中央部に形成された円形の開口部であり、平面で見て、当該開口部５０の中心は、回転テーブル２の回転中心に一致している。また、図１に示すように駆動ギア５の下面には、駆動ギア５を回転させるための例えば環状のダイレクトドライブモータ（ＤＤモータ）よりなる自転用回転機構５３が、回転軸２１を囲むように設けられており、この自転用回転機構５３により、駆動ギア５が開口部５０の中心を回転中心として回転する。従って、駆動ギア５は、従動ギア４の公転軌道に臨んだ状態で回転する。自転用回転機構５３は回転軸を囲む平面視円環状の昇降台５４に設けられており、昇降台５４は、駆動ギア用昇降機構５５により昇降する。図中５６は駆動ギア用昇降機構５５が設けられる水平な床板であり、回転軸２１が貫通する開口部５７を備えている。
駆動ギア５について、さらに詳しく説明する。駆動ギア５の上部には、従動ギア４の公転軌道の外周縁部に対向するように、当該駆動ギア５の全周に亘って、永久磁石が埋設されている。ここでも全周に亘って永久磁石が設けられるとは、駆動ギア５の回転方向に見たときに永久磁石が設けられる領域が局所的では無いことを意味しており、回転方向に永久磁石が隙間無く設けられることでは無い。この例では当該回転方向に隣り合う永久磁石の間に、そのような隙間が設けられている。駆動ギア５に設けられる永久磁石の磁極をＮ極部５１及びＳ極部５２とすると、駆動ギア５を上側から見て、駆動ギア５の回転方向にＮ極部５１及びＳ極部５２が交互に配置されている。なお、図３及び後述の図５などにおいては、Ｎ極部５１についても、駆動ギア５のＮ極部４１と同様に図中に斜線を付して示している。
図５は、１つの従動ギア４の磁極部（Ｎ極部４１及びＳ極部４２）と、その下方側の駆動ギア５の磁極部（Ｎ極部５１及びＳ極部５２）とを対応させて描いたものである。例えばＮ極部５１、Ｓ極部５２は、従動ギア４の下面に形成されたＮ極部４１、Ｓ極部４２の形状と重なり合うように短冊状に形成されている。なお、図５は、従動ギア４のＮ極部４１と駆動ギア５のＳ極部５２とが重なった状態を示している。また、この図５及び後述の図６、図７は磁気ギアの構成を説明するための概要図であるため、磁極部の数は実際の装置の磁極部の数と異なる。
続いて、載置台３の公転と自転とについて説明する。図６は、回転テーブル２と駆動ギア５とが各々停止している状態（回転していない状態）において、５個の従動ギア４の一部が駆動ギア５と対向して停止している状態を示している。従動ギア４は、従動ギア４の各磁極部（Ｎ極部４１、Ｓ極部４２）と駆動ギア５の各磁極部（Ｎ極部５１、Ｓ極部５２）との間の吸引力及び反発力の総合作用により決定される位置において停止する。従って、回転テーブル２と駆動ギア５とを同じ回転数（回転速度：ｒｐｍ）で回転させたときには、従動ギア４は駆動ギア５に対して相対的に停止していることから、従動ギア４即ち載置台３は、自転することなく停止している。
載置台３は、駆動ギア５と回転テーブル２との回転数に差が生じたとき、即ち駆動ギア５の角速度と、回転テーブル２の回転による従動ギア４の角速度（いわば公転角速度）との間に速度差が発生したときに自転する。駆動ギア５の角速度Ｖａが従動ギア４の角速度Ｖｂよりも大きいとき（駆動ギア５の角速度から従動ギア４の角速度を差し引いた速度差がプラスのとき）は、駆動ギア５に対向している従動ギア４のＮ極部４１、Ｓ極部４２の並びの下方を、駆動ギア５のＮ極部５１、Ｓ極部５２の配列が、図５で言えば左側から右側に移動していく。このため、従動ギア４に作用する駆動ギア５からの反発力と吸引力とが右側に移動し、これに伴い従動ギア４のＮ極部４１、Ｓ極部４２の並びも右に引き連れられることから、結果として従動ギア４が図５における右回転、即ち図６に示す状態から図７に示す状態のように、時計回りに自転することになる。なお、図６ではリング状の従動ギア４の公転軌道について、４Ａとして示している。
また、駆動ギア５の角速度Ｖａが従動ギア４の角速度Ｖｂよりも小さいとき（駆動ギア５の角速度から従動ギア４の角速度を差し引いた速度差がマイナスのとき）は、駆動ギア５に対向している従動ギア４のＮ極部４１、Ｓ極部４２の並びの下方を、駆動ギア５のＮ極部５１、Ｓ極部５２の配列が、図５で言えば右側から左側に移動していく。このため従動ギア４に作用する駆動ギア５からの反発力と吸引力とが左側に移動し、これに伴い従動ギア４のＮ極部４１、Ｓ極部４２の並びも左に引き連れられることから、結果として従動ギア４が図５における左回転、即ち反時計回りに自転することになる。
従動ギア４の公転による角速度と駆動ギア５の角速度との速度差と、従動ギア４の自転速度とは、図８に示すように、速度差のある範囲においてほぼ比例関係を維持する。図８中、横軸は駆動ギア５の角速度Ｖａと従動ギア４の公転による角速度Ｖｂとの速度差（Ｖａ−Ｖｂ）であり、縦軸は従動ギア４の自転速度である。速度差がプラス（（Ｖａ−Ｖｂ）＞０）のときには、速度差がゼロから＋Ｖ１までは、速度差が大きくなるほど右回りの自転速度が大きくなる。また速度差がマイナス（（Ｖａ−Ｖｂ）＜０）のときには、速度差がゼロから−Ｖ２までは、速度差が大きくなるほど左回りの自転速度が大きくなる。例えば駆動ギア５の角速度は、前記速度差と従動ギア４の自転速度とがほぼ比例関係を維持している値までの間において設定される。
このように、載置台３は、駆動ギア５と回転テーブル２との回転数に差が生じたときに自転するが、このときの自転速度は、駆動ギア５と従動ギア４とのギア比×回転速度差により求められる。回転速度差とは、駆動ギア５の角速度と、回転テーブル２の回転による従動ギア４の角速度（いわば公転角速度）との速度差である。駆動ギア５を３００極の磁極部（Ｎ極部５１及びＳ極部５２）により構成し、従動ギア４を１８極の磁極部（Ｎ極部４１及びＳ極部４２）により構成した場合、例えば回転テーブル２の回転数が３０ｒｐｍのときに、駆動ギア５を０．１度／秒（６度／分）進める場合の自転速度は、次のように求められる。ギア比は３００／１８＝１６．６７であり、回転速度差は６／３６０ｒｐｍであるため、従動ギア４の自転速度は、ギア比×回転速度差により、３００／１８×６／３６０＝０．２７８ｒｐｍ（１００度／分）となる。
上述の図８に示す従動ギア４の自転速度と、従動ギア４の公転による角速度（公転速度）と駆動ギア５の角速度との速度差と、の関係は、後述する制御部１００のメモリに記憶される。例えば成膜処理や装置のメンテナンスを行う際に、成膜装置１のユーザーは、制御部１００の入力部１０４から従動ギア４の自転速度と、回転テーブル２の回転数とを入力することで、入力されたこれらのパラメータと、メモリに記憶される上記の関係とに基づいて、駆動ギア５の回転数が決定され、決定された回転数で駆動ギア５を回転させることができる。
ところで相対距離変更機構である上記の駆動ギア用昇降機構５５によって、図９に示すように駆動ギア５は昇降する。それにより、駆動ギア５と従動ギア４の公転軌道との離間距離Ｈ３を変更してウエハＷに処理を行うことができる。この離間距離Ｈ３は例えば１ｍｍ〜５ｍｍの範囲内で変更される。このように離間距離Ｈ３を変更可能に装置を構成する理由について説明する。上記のように従動ギア４及び駆動ギア５は永久磁石によって構成されており、この永久磁石は環境温度に応じて減磁する。従って、例えば室温付近では図７で説明したように駆動ギア５の回転によって従動ギア４が問題無く自転しても、ウエハＷの処理温度が比較的高く設定されることで成膜処理中にこれら従動ギア４及び駆動ギア５の環境温度が比較的高くなる場合には、この減磁によって従動ギア４が自転しなくなるおそれが有る。また、回転テーブル２の回転数、即ち自転軸３２の公転速度が高いほど、自転軸３２にかかる遠心力が大きくなり、自転軸３２は軸受けユニット３３の内周壁をなすベアリングにおいて、回転テーブル２の外側方向に向かう部位を押圧し、当該部位への負荷が大きくなる。つまり、回転テーブル２の回転数によって、自転軸３２を回転させるために必要最低限のトルクが変化する。
そこで、回転テーブル２の回転数が高い場合にも自転に必要なトルクが得られるように、従動ギア４と駆動ギア５との間の磁力を比較的強くするように構成することが考えられるが、従動ギア４と駆動ギア５との間に常時強力な磁力が作用すると、上記のように従動ギア４の公転軌道の周縁部側に対向するように駆動ギア５の磁極部（Ｎ極部５１及びＳ極部５２）が設けられているため、磁力の作用によって自転軸３２が上記の軸受けユニット３３のベアリングの回転テーブル２の外側方向に向かう部位を押圧することになり、当該部位の負荷が大きくなる。また、自転軸３２及び載置台３が磁力によって下方へ強く引かれることで回転テーブル２への負荷が大きくなるし、回転軸２１への負荷が大きくなってしまう。つまり、これら回転テーブル２、回転軸２１及び軸受けユニット３３が破損する時期が早くなるおそれが有る。そこで成膜装置１においては、上記の離間距離Ｈ３が調整されることで、駆動ギア５と従動ギア４との間の磁力が必要且つ適切なものにできるように構成されている。
図１及び図２に戻って、成膜装置１の説明を続ける。図中Ｃは平面視円形の中心領域形成部であり、真空容器１１の天板１２の下面中央部に設けられる。図中３４は、中心領域形成部Ｃから回転テーブル２の外側に向かって広がるように形成された平面視扇状の突出部であり、回転テーブル２の周方向に離れて２つ設けられている。中心領域形成部Ｃ及び突出部３４は、その外側領域に比べて低い天井面を形成している。中心領域形成部Ｃと回転テーブル２の中心部との隙間には図示しない供給路からＮ２ガスが供給されることで、当該回転テーブル２の中心部における原料ガス及び酸化ガスの接触が抑制される。
容器本体１３の底部１４には、ウエハＷを加熱するためのヒータ３５が埋設されている。底部１４における回転テーブル２の外側には、排気口３６、３７が開口しており、真空ポンプなどにより構成される不図示の真空排気機構に接続されている。また、真空容器１１の側壁面には、ゲートバルブ３８により開閉自在なウエハＷの搬入出部３９が形成されており、当該搬入出部３９を介して図示しない搬送機構により、真空容器１１の内外で基板が搬送される。
搬入出部３９付近の真空容器１１の底部１４には、上記のウエハＷの搬送機構と載置台３との間でウエハＷを受け渡すために、３本の昇降ピン２０が設けられている。ただし図１では便宜上、２本のみ昇降ピン２０を示している。なお、図示は省略しているが、上記の載置台３の底部には当該昇降ピン２０が通過して、ウエハＷの受け渡しが行えるように貫通孔が形成されている。昇降ピン２０の下端は、例えば昇降及び回転する駆動ギア５に干渉しないように形成されると共に昇降機構２８により昇降自在なアーム２７に支持されている。図中２９は昇降ピン２０を囲むベローズであり、真空容器１１内の気密性を保つ役割を有する。
回転テーブル２の上方側には、原料ガスノズル６１、分離ガスノズル６２、酸化ガスノズル６３、改質ガスノズル６４、分離ガスノズル６５が、この順に、回転テーブル２の回転方向に間隔をおいて配設されている。各ガスノズル６１〜６５は、真空容器１１の側壁から中心部に向かって、回転テーブル２の径方向に沿って水平に伸びる棒状に形成され、その長さ方向に沿って互いに間隔を開けて設けられた多数の吐出口６６から、各種のガスを下方側に向けて吐出する。
原料ガスノズル６１は原料ガスとしてＢＴＢＡＳ（ビスターシャルブチルアミノシラン）ガスを吐出する。図中６７は、原料ガスノズル６１を覆うノズルカバーであり、その下方におけるＢＴＢＡＳガスの濃度を高める役割を有する。酸化ガスノズル６３は酸化ガスとしてＯ３（オゾン）ガスを吐出する。分離ガスノズル６２、６５はＮ２ガスを吐出し、上面側から見て天板１２の突出部３４を各々周方向に分割する位置に配置されている。改質ガスノズル６４は、例えばアルゴン（Ａｒ）ガスと酸素（Ｏ２）ガスとの混合ガスからなる改質ガスを吐出する。この例では、原料ガス、酸化ガス及び改質ガスが夫々処理ガスに相当し、原料ガスノズル６１、酸化ガスノズル６３及び改質ガスノズル６４が、処理ガス供給部に夫々相当する。
改質ガスノズル６４の上方側において、真空容器１１の天板１２に設けられる開口部１９を塞ぐように、プラズマ形成部７が設けられている。図２には、当該プラズマ形成部７が設けられる位置を一点鎖線で示している。図中７１は、石英などの誘電体からなる本体部であり、図中７２は突状部であり、本体部７１の下面において開口部１９に沿って下方側へ向けて突出する。突条部７２にて囲まれる領域内に、改質ガスノズル６４から改質ガスが吐出される。本体部７１の上面側には、ファラデーシールド７３、絶縁用の板部材７４を介して、金属線をコイル状に巻回したアンテナ７５が設けられ、このアンテナ７５には高周波電源７６が接続されている。図中７７はファラデーシールド７３に設けられたスリットであり、電磁界の磁界成分を下方に向かわせる役割を有する。
回転テーブル２上において、原料ガスノズル６１の下方領域は、ＢＴＢＡＳガスの吸着が行われる吸着領域Ｒ１、酸化ガスノズル６３の下方領域は、ＢＴＢＡＳガスが酸化される酸化領域Ｒ２である。また、プラズマ形成部７の下方領域は、プラズマによりＳｉＯ２膜の改質が行われる改質領域Ｒ３である。突出部３４の下方領域は、分離ガスノズル６２、６５から各々吐出されるＮ２ガスにより、吸着領域Ｒ１の雰囲気と酸化領域Ｒ２の雰囲気とを互いに分離するための分離領域Ｄ１、Ｄ２である。
既述の排気口３６は、吸着領域Ｒ１と、吸着領域Ｒ１の回転方向の下流側に隣接する分離領域Ｄ１との間の外側に開口しており、余剰のＢＴＢＡＳガスを排気する。また、排気口３７は、改質領域Ｒ３と改質領域Ｒ３の回転方向下流側に隣接する分離領域Ｄ２との境界付近の外側に開口しており、余剰のＯ３ガス、改質ガスを排気する。排気口３６、３７からは、各分離領域Ｄ１、Ｄ２、中心領域形成部Ｃから各々供給されるＮ２ガスも排気される。
成膜装置１には、装置全体の動作のコントロールを行うためのコンピュータからなる制御部１００が設けられている。図１０は、当該制御部１００の概略構成を示している。この制御部１００は、ＣＰＵ１０１、後述の成膜処理に係る動作を実行するプログラム１０５を格納するプログラム格納部１０２、記憶部１０３、入力部１０４を備えている。図中１１０はバスである。
記憶部１０３には、回転テーブル２の回転数と、ウエハＷの処理温度と、上記の駆動ギア５と従動ギア４との離間距離Ｈ３との対応関係が記憶されている。入力部１０４は、成膜装置１のユーザーがウエハＷの処理レシピとして、成膜処理時における回転テーブル２の回転数と、ウエハＷの処理温度とを各々入力して設定するためのデバイスであり、例えばタッチパネルなどにより構成される。そのように入力された回転テーブル２の回転数とウエハＷの処理温度とに対応する離間距離Ｈ３が記憶部１０３から読み出され、そのように読み出された離間距離Ｈ３となるように駆動ギア用昇降機構５５により駆動ギア５の高さが制御されて、成膜処理が行われる。
ウエハＷの処理温度が一定である場合、回転テーブル２の回転数が高いほど既述した理由により、載置台３を自転させるために高いトルクが必要となるため、離間距離Ｈ３が小さくなるように設定される。例えば図１０において、ウエハＷの温度がａ１℃であるときの回転テーブル２の回転数が６０ｒｐｍ、７０ｒｐｍ、８０ｒｐｍである場合の離間距離Ｈ３を夫々ｂ１ｍｍ、ｃ１ｍｍ、ｄ１ｍｍとして表しているが、ｂ１＞ｃ１＞ｄ１である。また、回転テーブル２の回転数が一定である場合には、ウエハＷの温度が高いほど既述したように駆動ギア５及び従動ギア４の減磁が起こりやすいので、離間距離Ｈ３が小さくなるように設定される。例えば図１０において、回転テーブル２の回転数が６０ｒｐｍであり、ウエハＷの温度がａ１℃、ａ２℃、ａ３℃であるときの離間距離Ｈ３を夫々ｂ１ｍｍ、ｃ１ｍｍ、ｄ１ｍｍとして表しているが、ａ１℃＜ａ２℃＜ａ３℃として、ｂ１＞ｃ１＞ｄ１である。
上記のプログラム１０５は、成膜装置１の各部に制御信号を送信して各部の動作を制御し、後述の成膜処理を実行するためのステップ群が組まれている。例えば自転用回転機構５３による駆動ギア５の回転数、公転用回転機構２３による回転テーブル２の回転数、駆動ギア用昇降機構５５による駆動ギア５の昇降、各ガスノズル６１〜６５からの各ガスの供給流量、ヒータ３５によるウエハＷの処理温度（加熱温度）、中心領域形成部ＣからのＮ２ガスの供給流量などが制御信号に従って制御される。プログラム１０５を格納するプログラム格納部１０２は、ハードディスク、コンパクトディスク、光磁気ディスク、メモリカード、ＤＶＤなどの記憶媒体により構成されており、当該記憶媒体からプログラム１０５は制御部１００にインストールされる。
続いて成膜装置１による成膜処理について説明する。例えば駆動ギア５が所定の高さ位置に位置した状態で、成膜装置１のユーザーが入力部１０４から、回転テーブル２の回転数及びウエハＷの処理温度の設定を行うと、図９、図１０で説明したように、設定された回転テーブル２の回転数及びウエハＷの処理温度に対応する離間距離Ｈ３となる高さ位置に、駆動ギア５が移動する。続いて、回転テーブル２の間欠的な回転と昇降ピン２０の昇降動作とにより、図示しない搬送機構により外部から真空容器１１内に順次搬入されるウエハＷが、載置台３に受け渡される。全ての載置台３にウエハＷが載置されると、ゲートバルブ３８が閉じられ、真空容器１１内が所定の圧力の真空雰囲気となるように排気口３６、３７から排気が行われる。そして、分離ガスノズル６２、６５、中心領域形成部Ｃから回転テーブル２に対してＮ２ガスが供給される。その一方で、ヒータ３５が昇温して、ウエハＷが設定された処理温度になるように加熱される。
そして、回転テーブル２が設定された回転数で回転すると共に、例えば駆動ギア５を回転テーブル２と等速で回転させる。これにより、載置台３は自転を停止した状態で公転する。次いで、原料ガスノズル６１、酸化ガスノズル６３、改質ガスノズル６４からの各処理ガスの供給と、高周波電源７６からのアンテナ７５への高周波の印加によるプラズマの形成と、が開始される。また、駆動ギア５の回転数が、回転テーブル２の回転数と異なる回転数となるように変更され、載置台３が所定の回転数で自転する。
図２に示すように、真空容器１１内においては吸着領域Ｒ１と酸化領域Ｒ２との間に、Ｎ２ガスが供給される分離領域Ｄ１を設けているので、吸着領域Ｒ１に供給される原料ガス及び酸化領域Ｒ２に供給される酸化ガスは、回転テーブル２上で互いに混合されずに排気される。また、吸着領域Ｒ１と改質領域Ｒ３との間にもＮ２ガスが供給される分離領域Ｄ２を設けているので、原料ガスと、改質領域に供給される改質ガス及び改質領域Ｒ３の回転方向上流側から当該分離領域Ｄ２に向かう酸化ガスとは、回転テーブル２上で互いに混合されずに排気口３６、３７から排気される。また、中心領域形成部Ｃから供給されたＮ２ガスも、排気口３６、３７から排気される。
上述のように各ガスの供給と排気とが行われた状態で、各ウエハＷは、吸着領域Ｒ１、酸化領域Ｒ２、改質領域Ｒ３を順番に通過する。吸着領域Ｒ１では原料ガスノズル６１から吐出されたＢＴＢＡＳガスがウエハＷに吸着され、酸化領域Ｒ２では吸着されたＢＴＢＡＳガスが、酸化ガスノズル６３から供給されたＯ３ガスにより酸化されて、ＳｉＯ２の分子層が１層あるいは複数層形成される。改質領域Ｒ３では、前記ＳｉＯ２の分子層が改質ガスのプラズマに曝されて改質される。そして、回転テーブル２の回転により、上述のサイクルが複数回、繰り返し実行されることにより、ＳｉＯ２の分子層が積層されてウエハＷの表面にＳｉＯ２膜が形成される。図１１は、このように成膜が行われるときの成膜装置１の各部の動作を示している。
この成膜装置１においては、回転テーブル２の回転と並行して、載置台３の回転によるウエハＷの自転が行われるが、回転テーブル２の回転と載置台３の回転とが同期しないように、回転テーブル２の回転数と載置台３の自転速度が設定される。即ち、ウエハＷが第１の向きに向いた状態で、回転テーブル２が回転の開始ポイントから１回転し、再度開始ポイントに位置したときに、ウエハＷが第１の向きとは異なる第２の向きに向けられるような自転速度でウエハＷが自転するように設定される。
このように、載置台３は回転テーブル２の回転と同期せずに自転するので、各載置台３上のウエハＷは自転及び公転によって、原料ガスの吸着領域Ｒ１を様々な向きで通過することになる。こうして、載置台３の自転に伴い、上面側から見た向きを次第に変えながら上述のＳｉＯ２の分子層を形成するサイクルが実行される。ウエハＷの向きを変えながら成膜が行われることで、例えば吸着領域Ｒ１内で原料ガスの濃度分布にばらつきが生じている場合であっても、複数回実行されるＳｉＯ２分子層の形成サイクルの全期間で見たとき、ウエハＷに吸着される原料ガスの量をウエハＷの周方向に向けて揃えることができる。その結果として、ウエハＷの周方向に見て、ウエハＷに形成されるＳｉＯ２膜の膜厚の偏りを抑えることができる。
上述の動作により、ＳｉＯ２の分子層が順次積層され、予め設定されたサイクル数を実行したら、回転テーブル２の回転、駆動ギア５の回転、各種のガスの供給、プラズマの形成を停止し、成膜処理が終了する。然る後、ウエハＷは真空容器１１内への搬入時とは逆の手順で当該真空容器１１内から搬出される。
上記の成膜装置１によれば、駆動ギア用昇降機構５５により、従動ギア４と駆動ギア５との離間距離Ｈ３が調整され、駆動ギア５と従動ギア４との間の磁力が調整される。従って、駆動ギア５と従動ギア４との間に強力な磁力が常時働くことを防いで回転テーブル２、回転軸２１などへの各部品への負荷を抑制し、当該各部品の消耗、変形及び破損を抑制しつつ、成膜処理時に載置台３が自転するために必要な磁力を確保することができる。
上記の成膜装置１では、従動ギア４の公転に対して駆動ギア５を昇降させて上記の離間距離Ｈ３が変更されるが、駆動ギア５に対して従動ギア４を昇降させることで離間距離Ｈ３が変更されるようにしてもよい。具体的には例えば、公転用回転機構２３を昇降機構に接続し、当該回転テーブル２及び真空容器１１が昇降するように構成することで、そのように駆動ギア５に対して従動ギア４を昇降させることができる。
また上記の例では、制御部１００のメモリ１０３には、ウエハＷの処理温度と回転テーブル２の回転数と離間距離Ｈ３との対応関係が記憶されているが、ウエハＷの処理温度と離間距離Ｈ３との対応関係、回転テーブル２の回転数と離間距離Ｈ３と対応関係のいずれか一方が記憶されていてもよい。つまり、成膜装置１のユーザーがウエハＷの処理温度及び回転テーブル２の回転数のうちの一方を設定することで、離間距離Ｈ３が設定されてもよい。さらに、処理レシピに応じて離間距離Ｈ３を変更することには限られない。例えば、上記の成膜処理が行われていない待機状態であるときに、上記の離間距離Ｈ３が比較的大きくなる高さ位置に駆動ギア５を位置させておき、成膜処理を行う際には、離間距離Ｈ３が比較的小さくなる予め設定された高さ位置に駆動ギア５を位置させるようにしてもよい。つまり、各成膜処理時において駆動ギア５の高さが揃う場合も本発明の権利範囲に含まれる。ただし、より確実に従動ギア４を回転させ、且つ成膜装置１の各部への負荷を抑制するためには、上記のように処理レシピに応じて駆動ギア５の高さを制御することが好ましい。
既述のように、成膜装置１では、ウエハＷへの成膜時にこれらの公転と自転とが互いに並行して行われるが、ウエハＷの自転には、回転テーブル２が回転している間、ウエハＷが連続的に自転する場合の他に、間欠的に自転することも含まれる。また、ウエハＷの自転の開始及び停止のタイミングは、公転の開始及び停止のタイミングと揃えるようにしてもよいし、互いの回転の開始及び停止のタイミングがずれていてもよい。また、駆動ギア５は、上記の例では大気雰囲気に設けられているが、真空容器１１を駆動ギア５についても囲むように構成することで、従動ギア４と同様に真空雰囲気に設けてもよい。
ところで駆動ギア５及び従動ギア４からなる磁気ギア機構４０としては、磁力により駆動ギア５の回転に応じて、従動ギア４が駆動ギア５に対して非接触で回転するように構成されていればよい。従って、従動ギア４、駆動ギア５の一方だけが磁性体であってもよい。また、従動ギア４または駆動ギア５について、上記のＮ極部、Ｓ極部が交互に配列された構成とすることには限られず、例えばＳ極部、Ｎ極部の一方のみにより構成されるようにしてもよい。ただし、従動ギア４及び駆動ギア５において、各々既述の実施形態のように異なる磁極を交互に配置することで、磁石の反発力と吸引力を利用して載置台３を自転させるので、載置台３を確実に回転させることができるため好ましい。また、駆動ギア５の回転により従動ギア４を回転させることができれば、各磁極部の形状についても既述の例のように長方形状に構成することには限られない。
（評価試験）
本発明に関連して行われた評価試験について説明する。評価試験１では成膜装置１と略同様の構成を備える実験装置を用いて、回転テーブル２の回転数、駆動ギア５の回転数を各々変更した場合における、回転テーブル２に載置される各ウエハＷの自転速度の平均について調べた。この実験装置では、図１で説明した区画板１７の厚さＨ１を３ｍｍ、区画板１７と従動ギア４の下面との距離Ｈ２を１ｍｍ、区画板１７と駆動ギア５の上面との距離を１ｍｍに夫々設定している。従ってこの実験装置において、図９で説明した駆動ギア５と従動ギア４との公転軌道との離間距離Ｈ３は、５ｍｍである。回転テーブル２については３０ｒｐｍ、６０ｒｐｍまたは１２０ｒｐｍで回転させた。また、駆動ギア５の回転数については、回転テーブル２の回転数との差が、−０．８度／秒〜＋０．８度／秒の範囲内に収まるように変更した。
図１２、図１３、図１４のグラフは回転テーブル２の回転数が夫々３０ｒｐｍ、６０ｒｐｍ、１２０ｒｐｍであるときの試験結果を示したグラフである。グラフの横軸は、駆動ギア５の回転数（単位：ｒｐｍ）を示しており、グラフの縦軸は、ウエハＷの平均自転速度（単位：度／分）を示している。各グラフにおいては、回転テーブル２上の５つのウエハＷのうちの１つのウエハＷについての結果のみを示している。これは、５つのウエハＷについての平均自転速度のばらつきが略ゼロであったためである。そして各グラフに示すように回転テーブル２の回転数が３０ｒｐｍ、６０ｒｐｍ、１２０ｒｐｍのいずれの場合であっても、駆動ギア５の回転数の上昇に比例して、ウエハＷの平均自転速度が上昇することが確認された。なお、平均自転速度が−であるときと＋であるときとは、ウエハＷは互いに反対の方向に自転している。
この評価試験１の結果から、回転テーブル２の回転数が１２０ｒｐｍ以下の範囲においては回転テーブル２によるウエハＷの公転速度によらず、ウエハＷの自転速度、自転の方向について制御できることが確認された。そして、区画板１７によって区画されていても、駆動ギア５と従動ギア４との間に磁力が作用して従動ギア４を回転させることができることが確認された。本発明によれば、駆動ギア５が昇降し、従動ギア４と駆動ギア５との間の磁力を調整することができるので、回転テーブル２の回転数を１２０ｒｐｍよりも高くしても、ウエハＷを所望の回転数で自転させることができることが予測される。
続いて評価試験２について説明する。評価試験２では、評価試験１と同様に、回転テーブル２の回転数、駆動ギア５の回転数を各々変更した場合における、回転テーブル２に載置された各ウエハＷの平均自転速度について測定した。ただし、差異点として駆動ギア５と従動ギア４との公転軌道との離間距離Ｈ３（図９参照）は９ｍｍとした。そして駆動ギア５については、設定上の各ウエハＷの自転速度（自転設定速度）が＋５ｒｐｍ〜−５ｒｐｍになるように回転させた。回転テーブル２の回転数としては、２４０ｒｐｍ、２１０ｒｐｍ、１８０ｒｐｍ、１５０ｒｐｍ、１２０ｒｐｍ、９０ｒｐｍ、６０ｒｐｍ、３０ｒｐｍ及び２ｒｐｍに設定した。
得られた試験結果のうち、代表して回転テーブル２を２４０ｒｐｍさせたときの結果を図１５のグラフに示す。図１５のグラフの縦軸は、図１２〜図１４のグラフの縦軸と同様にウエハＷの平均自転速度（単位：度／分）を示している。図１５のグラフの横軸は、上記のウエハＷの自転設定速度について示している。この図１５のグラフでは、評価試験１の結果と同様に回転テーブル２上の５つのウエハＷの平均自転速度のばらつきが略ゼロであったためであったため、１つのウエハＷについての結果のみを示している。この図１５のグラフから明らかなように、ウエハＷの平均自転速度は自転設定速度に応じて＋１８０度／分〜−１８０度／分の範囲内の値となり、自転設定速度の上昇に比例して、当該ウエハＷの平均自転速度が上昇する。
図示は省略するが、この評価試験２において回転テーブル２の回転数を２４０ｒｐｍ以外の値に設定した場合のグラフの波形については、回転テーブル２の回転数を２４０ｒｐｍに設定した場合のグラフの波形と略同様であった。つまり、自転設定速度が変化するとウエハＷの平均自転速度については、その自転設定速度が得られるように＋１８０度／分〜−１８０度／分の範囲内で変化し、自転設定速度の上昇に比例して、ウエハＷの平均自転速度が上昇する結果となった。そして、回転テーブル２上の５つのウエハＷの平均自転速度のばらつきについても、回転テーブル２の回転数を２４０ｒｐｍと設定したときと同様に、略ゼロであった。
従って、この評価試験２の結果から、回転テーブル２の回転数が２４０ｒｐｍ以下の範囲において、ウエハＷ間で自転速度が揃えられ、ウエハＷの自転速度及び自転の方向について制御できることが確認された。つまり、回転テーブル２の回転数をこのような範囲に設定して、上記の成膜装置１を運用することができることが確認された。さらに、ウエハＷの自転速度を＋５ｒｐｍ〜−５ｒｐｍとすることができることが確認された。
Ｗ ウエハ
１ 成膜装置
１１ 真空容器
２ 回転テーブル
３ 載置台
３５ ヒータ
４ 従動ギア
５ 駆動ギア
５５ 駆動ギア用昇降機構
６１ 原料ガスノズル
６３ 酸化ガスノズル

Claims (8)

  1. 処理容器内に設けられた回転テーブルと、
    前記回転テーブルの一面側に基板を載置するために設けられ、当該回転テーブルの回転により公転する載置台と、
    前記載置台に載置された前記基板を加熱する加熱部と、
    前記回転テーブルの回転により載置台が通過する領域に成膜ガスを供給して前記基板に成膜する成膜ガス供給部と、
    前記回転テーブルと共に回転する部位に前記載置台を支持するように自転自在に設けられる自転軸と、
    前記自転軸に設けられた従動ギアと、
    前記従動ギアの公転軌道に臨んで回転し、かつ前記公転軌道の全周に沿って設けられ、前記従動ギアと磁気ギア機構を構成する駆動ギアと、
    前記従動ギアの公転軌道と前記駆動ギアとの相対距離を変更するための相対距離変更機構と、
    を備えることを特徴とする成膜装置。
  2. 前記相対距離変更機構は、横方向における前記従動ギアの公転軌道に対して、前記駆動ギアを昇降させる昇降機構であることを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
  3. 前記従動ギアは、自転方向に沿って全周に亘ってＮ極部及びＳ極部が交互に配列され、
    前記駆動ギアは、前記公転軌道に沿って全周に亘ってＮ極部及びＳ極部が交互に配列されていることを特徴とする請求項１または２記載の成膜装置。
  4. 前記従動ギア及び前記駆動ギアは、各々永久磁石により磁極部が構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載の成膜装置。
  5. 前記従動ギアの各磁極部は、下面に中心部から横方向に放射状に延びるように設けられ、
    前記駆動ギアの各磁極部は、前記従動ギアの下面と対向する面に配列されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一つに記載の成膜装置。
  6. 前記処理容器内は、真空雰囲気となるように構成され、
    前記駆動ギアは、大気雰囲気側に設けられ、
    前記従動ギアと駆動ギアとの間には、大気雰囲気と真空雰囲気とを仕切り、磁力線を通す材料により構成された仕切り部材が設けられていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一つに記載の成膜装置。
  7. 前記従動ギアの公転軌道と前記駆動ギアとの相対距離は、前記基板の処理レシピに応じて変更されることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一つに記載の成膜装置。
  8. 前記処理レシピは、前記回転テーブルの回転数または前記基板の処理温度の少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項７記載の成膜装置。
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