JP2003522831A - 薄膜の堆積のための装置および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 超電導薄膜などの多成分薄膜を基板上に形成するための装置は、少なくとも１つの基板を保持するための保持器（１０４）および堆積／反応容器を含む。堆積／反応容器（１０２）は少なくとも３つのゾーン（１１４）を有し、各ゾーンは壁（１２０）によって隣接ゾーンから分離される。ゾーンは、各々が少なくとも１つの基板に堆積材料（１２６）を堆積するように構成され配置された堆積ゾーン（１１６）を少なくとも２つ、および堆積材料を反応物と反応させるための反応ゾーン（１１８）を少なくとも１つ含む。該装置は、少なくとも１つの基板を回転させながら複数のゾーンを順次通過させて、基板に薄膜を形成する。該装置の実施形態によっては、堆積／反応容器は同数の堆積ゾーンおよび反応ゾーンを含み、それらは交互の堆積ゾーンおよび反応ゾーンとすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】

本発明は、薄膜の堆積のための装置および方法に関する。特に、本発明は、超
電導酸化物膜など、多成分（例えば３つまたはそれ以上の成分）酸化物薄膜の堆
積のための装置および方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】

１９８６年のペロブスカイト系の高温超伝導体の発見以来、基板上にこれらの
超伝導体の非常によく整列した薄膜を形成する方法の開発にかなりの努力が向け
られてきた。技術が研究から高温超伝導体を組み込んだシステムの商品化に発展
するにつれて、商業規模の製造に適した堆積方法の必要性が生じてきた。そのよ
うなシステムは大面積堆積に適していなければならず、かつ単一基板上および基
板間の両方で均一な膜を生成しなければならない。生成される膜は、高い臨界温
度Ｔ_cおよび高い臨界電流密度ｊ_cを持ち、平滑であり、かつ非常によく向きを揃
えなければならない。

【０００３】 超電導膜を形成する１つの従来の方法は、イットリウム、バリウム、および銅
などの金属の同時蒸着とそれに続く堆積金属の酸化を含む。この方法は「反応性
同時蒸着」と呼ぶことができる。同時蒸着チャンバ内の蒸気の組成は、水晶モニ
タおよびフィードバック装置によって監視または制御することができる。膜がそ
の上に形成される基板は回転カラセル内に保持され、堆積する材料を収容したサ
ーマルボートから間隔を置いて配置される。基板は、それらが混合酸化物蒸気に
さらされる堆積ゾーンと、膜が酸化されて超電導酸化物が形成される酸化ゾーン
との間で回転する。酸化ゾーンおよび堆積ゾーンの蒸気圧は数桁異なることがで
き、堆積ゾーンの圧力は非常に低い。一般的に、各回転中に１単位セル未満の厚
さを持つ１層が形成される。回転は、原子スケールで種を高速混合して所望する
化合物を生成することを可能にする。

【０００４】 本方法は幾つかの欠点を有する。第一に、均質な蒸気を得るために、異なる材
料用のサーマルボートは密に配置しなければならない。これはサーマルボートの
大きさを制限する。第二に、水晶モニタは種特定的でないので、各モニタによっ
て監視される蒸気を分離する必要がある。これは、監視を基板の近くではなく、
ボートの近傍で行うことを要求する。第三に、該方法は迅速な冷却あるいは基板
の簡便なローディングおよびアンローディングを考慮していない。これはシステ
ムのスループットを低下させる。

【０００５】

【発明の要約】

一般的に、本発明は、基板上に薄膜を形成するための方法および装置に関する
。一実施形態は、堆積／反応容器および少なくとも１つの基板を保持するための
保持器を含む装置である。該堆積／反応容器は少なくとも３つのゾーンを持ち、
各ゾーンは壁によって隣接ゾーンから分離される。ゾーンは、各々が堆積材料を
基板上に堆積するように構成され配置された堆積ゾーンを少なくとも２つ、およ
び該堆積材料を反応物と反応させるための反応ゾーンを少なくとも１つ含む。該
装置は、基板を回転させて複数のゾーンを順次通過させ、基板上に薄膜を形成す
るように構成され配置される。該装置の幾つかの実施形態では、堆積／反応容器
は同数の堆積ゾーンと反応ゾーンを含む。この構成は交互の堆積ゾーンと反応ゾ
ーンを含むことができる。場合によっては、保持器は異なる横方向寸法の基板を
保持するように構成され配置される。

【０００６】 別の実施形態は、基板上に薄膜層を形成する方法である。基板は保持器上に配
置され、保持器は堆積／反応容器内に配置される。堆積／反応容器は少なくとも
３つのゾーンを持ち、各ゾーンは壁によって隣接ゾーンから分離される。ゾーン
は少なくとも１つの堆積ゾーンおよび少なくとも１つの反応ゾーンを含む。基板
は回転しながら複数のゾーンを通過する。堆積材料は各堆積ゾーンで基板上に堆
積される。堆積材料は各反応ゾーンで反応物と反応する。一部の実施形態では、
堆積ゾーンの各々で異なる堆積材料が堆積される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】

本発明の前記の概要は、開示する全ての実施形態または本発明の全ての実現を
記載することを意図するものではない。図面および以下の詳細な説明は、これら
の実施形態をさらに詳しく例示する。

【０００８】

【課題を解決するための手段】

本発明は、添付の図面に関連する本発明の様々な実施形態についての以下の詳
細な説明から、いっそうよく理解することができる。

【０００９】 本発明は様々な変形および代替的形態を取ることができるが、その細部につい
ては図面における実施例によって示し、詳細に説明する。しかし、説明する特定
の実施形態に本発明を限定するつもりはない。それどころか、本発明は、本発明
の精神および範囲内に該当する全ての変形、等価物、および代替物を全て網羅す
るつもりである。

【００１０】

【発明の実施の形態】

本発明は、多成分（例えば３つまたはそれ以上の成分）薄膜の形成に適用可能
であると信じられる。特に、本発明は、合金および例えば超電導酸化物（例えば
イットリウムバリウム銅酸化物（ＹＢＣＯ））などの成分の薄膜を形成するため
の装置および方法に向けられる。本発明はそのように限定されないが、本発明の
様々な態様の理解は、以下に提示する実施例の説明から得られるであろう。

【００１１】 薄膜を形成するための装置は一般的に、反応／堆積容器（例えばチャンバ）と
、薄膜がその上に形成される基板を少なくとも１つ保持する基板保持器とを含む
。反応／堆積容器は、少なくとも２つの堆積ゾーンと少なくとも１つの反応ゾー
ンとを含む、少なくとも３つのゾーンに分割される。堆積材料は各堆積ゾーンで
基板上に堆積され、堆積材料は各反応ゾーンで反応物と反応する。各ゾーンは一
般的に、少なくとも１つの壁によって相互に分離される。

【００１２】 各基板は回転しながらゾーンの各々を少なくとも１回、一般的には２回以上順
次通過して、堆積材料を堆積し、かつ堆積材料を反応物と反応させて薄膜を形成
する。この装置は、例えば超電導および他の酸化物、例えば強誘電体、可調整誘
電体、および巨大磁気抵抗（ＣＭＲ）物質などの薄膜を形成するために使用する
ことができる。形成できる薄膜の例は、イットリウムバリウム銅酸化物（ＹＢＣ
Ｏ）、ビスマスストロンチウムカルシウム銅酸化物（ＢＳＣＣＯ）、および他の
超伝導体のみならず、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム、チタン酸ストロン
チウム、チタン酸バリウム、イットリア安定ジルコニア（ＹＳＺ）、および酸化
アルミニウムランタンをも含む。該方法および装置は、例えば他のタンタル酸塩
、タングステン酸塩、チタン酸塩、キュプラート、マンガン酸塩、アルミン酸塩
、および他の金属酸化物をはじめとする他の物質を形成するために使用すること
ができる。加えて、反応ゾーンで酸素の代わりに例えば窒素またはアンモニアを
使用して、窒化物を形成することができる。

【００１３】 一例として、ＹＢＣＯ薄膜を形成するために、装置はイットリウム、バリウム
、および銅をそれぞれ独立に堆積する少なくとも３つの堆積ゾーンを含む。これ
らの成分の各々の堆積速度は、特定の化学量論の薄膜を得るために選択すること
ができる。堆積した金属は１つまたはそれ以上の反応ゾーンで、酸素ガスなどの
オキシダントの存在下で酸化して超電導酸化物ＹＢＣＯを形成する。

【００１４】 薄膜を形成するための適切な装置の一例を、図１および図２に概略的に示す。
装置１００は堆積／反応容器１０２と、基板保持器１０４と、一般的に１つの基
板加熱器１０６とを含む（または堆積／反応容器１０２を加熱器として使用する
ことができる）。一般的に、これらの品目は、ステンレス鋼、インコネル、また
はヘインズ合金など、高温および酸化抵抗を持つ金属を用いて作られる。ヘイン
ズ合金（例えばヘインズ２１４合金）は、その高温酸化抵抗のため、特に適して
いる。インコネル合金（例えばインコネル６０１合金）も特に適しているが、高
温酸化に対する抵抗がより低い。基板保持器１０４は、図３、４、５Ａ、および
５Ｂに示すように、基板をそこへ配置することのできる１つまたはそれ以上の開
口１０８を持つ。

【００１５】 基板は、例えばサファイア、シリコン、ガリウムヒ素、酸化マグネシウム、酸
化アルミニウムランタン、チタン酸ストロンチウム、またはイットリア安定ジル
コニアを含む種々の異なる材料から形成することができる。基板を基板保持器に
配置する前に、例えば酸化マグネシウムまたは酸化セリウムなどの緩衝材を基板
上に形成することができる。幾つかの実施形態では、緩衝材は、以下で説明する
のと同じ方法および装置１００を用いて、基板上に配置される。

【００１６】 基板の厚さは、例えば０．１〜５ｍｍとすることができる。基板の横方向寸法
（すなわち幅または直径）は、例えば１〜２５ｃｍとすることができる。適切な
基板の一例は、０．５ｍｍの厚さおよび５〜１０ｃｍの横方向寸法を持つ。しか
し、基板の厚さおよび横方向寸法はより大きくまたはより小さくすることができ
、かつ薄膜が形成される特定の用途によって決定することができる。

【００１７】 基板保持器１０４の開口１０８は、図３および４に示すように同一サイズとす
ることができ、あるいは図５Ａおよび５Ｂに示すように異なるサイズとする（す
なわち、異なる横方向寸法を持つ）ことができる。例えば、単一の保持器を用い
て２インチ（約５ｃｍ）および４インチ（約１０ｃｍ）の基板を両方保持するこ
とができる。異なるサイズの開口を持つ基板保持器の使用は、異なる寸法を持つ
基板の製造の容易さを高めることができる。実施形態によっては、基板保持器１
０４は、図５Ｂに示すように、必要に応じて組み合わせることのできる幾つかの
独立した小区分１０５を含む。例えば基板保持器は、希望または必要に応じて５
ｃｍまたは１０ｃｍのウェハを保持できる３つまたは４つの独立した小区分に分
割することができる。ウェハは、例えば基板がその上に着座する基板の周囲のリ
ングまたは基板の周囲に設けられた保持クリップをはじめ、種々の機構を用いて
基板保持器内に保持することができる。

【００１８】 場合によっては、基板保持器１０４は、堆積／反応容器１０２が回転するとき
に基板保持器を回転させるかあるいは基板保持器を定位置に保持する１つまたは
それ以上の回転／支持部材１１０（図１参照）に結合するための中心領域１１２
（図３参照）を有する。適切な回転／支持部材１１０の例として、電機子、ロッ
ド、軸、中心軸から伸長する１つまたはそれ以上のアーム、および類似物がある
。他の場合、１つまたはそれ以上の回転／支持部材は、例えば基板保持器の縁ま
たは外周など、基板保持器の別の領域に結合することができる。さらに別の場合
、少なくとも１つの回転／支持部材を基板保持器の中心に結合し、少なくとも１
つの回転／支持部材を基板保持器の縁または外周に結合する。

【００１９】 基板保持器は、部材を基板保持器１０４に溶接するかあるいは他の方法で接合
することによって、回転／支持部材１１０に結合することができる。代替的に、
または追加的に、基板保持器および／または回転／支持部材は、基板保持器に取
り付けるための１つまたはそれ以上の把持、保持、または固定装置を含むことが
できる。さらに別の場合、基板保持器および１つまたはそれ以上の回転／支持部
材は、単一の単体部品として一体的に形成される。別の場合、基板保持器１０４
は、回転／支持部材１１０の一部として保持トレーを設けることによって、回転
／支持部材１１０に結合することができる。基板保持器１０４は保持トレー内に
配置され、一般的にクリップ、ねじ、ボルト、または他の保持装置を用いて定位
置に保持される。これにより、基板保持器を回転して、基板の容易なローディン
グおよびアンローディングのためのアクセスを提供することが可能になる。

【００２０】 動作中に基板保持器が回転する実施形態では、１つまたはそれ以上の回転／支
持部材１１０は一般的に、１つまたはそれ以上の回転／支持部材１１０およびし
たがって基板保持器１０４に回転運動を与える、例えば電気サーボモータまたは
ステップモータなどの回転装置（図示せず）に結合される。適切な基板保持器お
よび基板保持器を回転するための回転／支持部材の例が、参照によってここに組
み込むＰＣＴ特許出願第ＷＯ９８／２０５２１号および米国特許第５，５５４，
２２４号に示されている。

【００２１】 動作中、堆積／反応容器１０２は一般的に、チャンバ内の所望のレベルの圧力
を維持するために、例えば真空ポンプなどの真空発生装置（図示せず）、例えば
クライオポンプまたは分子ターボポンプに結合される。動作中、基板保持器１０
４の基板付近における堆積／反応チャンバの堆積ゾーンの圧力は一般的に、例え
ば０．０００１〜０．０１Ｐａの範囲内である。真空の使用は、基板保持器１０
４内の基板上の材料の堆積を促進する。雰囲気中の分子の存在は、例えば堆積材
料を偏向させることによって基板上に堆積される材料の量を低減することがある
。真空発生装置は一般的に、特に１つまたはそれ以上の反応ゾーン中の反応物が
、酸素分子など堆積ゾーン内に漏出し得るガス状物質である場合、堆積プロセス
中に連続的に作動する。

【００２２】 加熱器１０６は、特に堆積材料が１つまたはそれ以上の反応ゾーン１１８で反
応物と反応する間に基板を加熱するために、一般的に基板保持器１０４に近接し
て設けられる。代替的に、堆積容器全体を加熱器として使用することができる。
この構成では、基板を頂部および底部の両方から加熱することができ、温度が比
較的均一に維持される。

【００２３】 ＹＢＣＯを形成するには、加熱器は基板を例えば６００〜８００℃の範囲内、
一般的には６５０〜７５０℃の範囲内の温度に加熱することができる。他の薄膜
を形成するには、他の温度範囲を使用することができる。温度は、例えば堆積さ
れる材料の種類、反応物の活量、反応物と堆積材料との間の反応速度、および所
望の反応生成物などの因子によって異なる。各ゾーンの温度は同一であるか異な
ることができる。

【００２４】 ゾーンを通過する基板の回転は、結果として特に反応ゾーンと堆積ゾーンとの
間で温度の変動を発生し得る。少なくとも図示した実施形態では、反応ゾーンが
堆積ゾーンより容積が小さく、したがって反応ゾーンは、所定の加熱器出力に対
して、堆積ゾーンより高い温度に維持することができる。場合によっては、これ
らの温度の変動は、例えば堆積材料と反応物の反応に必要な温度より低い温度で
堆積材料の堆積を適切に実行することができるならば、許容できる。他の場合、
実質的な温度の変動を低減または除去する速度で基板が回転される。一般的に、
約１Ｈｚまたはそれ以上の回転速度で、実質的な温度の変動は観察されなかった
。

【００２５】 また、実施形態によっては、堆積ゾーンによって離して配置された複数の反応
ゾーンの使用により、単一の反応ゾーンおよび順次堆積ゾーンの場合とは対照的
に、温度の変動を低減することができる。これらの実施形態における温度の変動
の低減は、少なくとも部分的に反応ゾーン間の空間の低減された量によるもので
あり、それは温度が変動するための時間を低減させる。

【００２６】 前記の通り、堆積／反応容器１０２は一般的に、少なくとも２つの堆積ゾーン
１１６および少なくとも１つの反応ゾーン１１８を含むゾーン１１４に分割され
る。動作中、基板保持器１０４は回転しながら（または基板保持器１０４は静止
したままで、堆積／反応容器１０２が回転しながら）、各々のゾーン１１４を順
次通過する。回転の速度は例えば１〜２０Ｈｚとすることができ、一般的には２
〜１０Ｈｚである。基板は少なくとも１回またはそれ以上完全回転し、一般的に
は少なくとも１０００回以上完全回転する。例えば、５Ｈｚの回転速度で少なく
とも２５００回転を使用して、厚さ１００ｎｍの薄膜を形成し、約０．２ｎｍ／
ｓの堆積速度を得た。５００ｎｍの膜は、これらの条件下で少なくとも１２５０
０回転を必要とする。

【００２７】 ゾーンは一般的に垂直壁１２０および／または水平壁１２２によって分割され
るが、実施形態によっては、基板が回転しながら各々の堆積ゾーンの間の反応ゾ
ーンを通過する場合、２つまたはそれ以上の堆積ゾーン間に壁は配置されない。
図２に示した実施形態は、３つの堆積ゾーン１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃ、お
よび１つの反応ゾーン１１８を含む。

【００２８】 各堆積ゾーン１１６は、堆積材料１２６の源１２４を１つまたはそれ以上含む
。堆積材料は一般的に金属種であるが、他の材料を使用することもできる。適切
な源１２４としては、電流加熱金属条板のボート、電子銃蒸発器、および噴散セ
ルがある。他の供給源およびスパッタリングなどの物理蒸着法を使用することが
できる。適切な金属種の例としては、イットリウム、バリウム、銅、ストロンチ
ウム、ジルコニウム、チタン、リチウム、カリウム、ニオブ、および他の主要族
金属、遷移金属、ならびにランタニドまたはアクチニド系列の金属および金属種
がある。一般的に、蒸発できるどんな材料でも使用することができる。

【００２９】 いずれの特定の金属または金属種の堆積速度も、例えば０．１〜１０オングス
トローム／秒の範囲とすることができ、一般的に０．５〜５オングストローム／
秒である。堆積速度は、例えば回転速度、試料の温度、および堆積材料が源１２
４によって放出される速度をはじめとする種々の因子に依存する。堆積速度は薄
膜の化学量論に影響を及ぼし得る。特定の化学量論を得るために、様々な成分の
堆積速度を調整することができる。

【００３０】 一般的に、雰囲気による堆積材料への実質的な妨害を生じることなく、源１２
４から基板保持器１０４内の基板への材料の移送を助長するために、堆積は少な
くとも０．０１Ｐａの真空内で実行される。堆積は、堆積材料を偏向させかつ／
またはそれと反応することができる、基板保持器１０４の周囲の雰囲気中の他の
分子によって悪影響を受ける。

【００３１】 少なくとも場合によっては、堆積ゾーン１１６内で単一堆積材料が基板上に堆
積するように、特定の堆積ゾーン１１６内の源１２４の全てが同一堆積材料１２
６を提供する。しかし、他の場合には、異なる堆積材料を提供する堆積源を単一
堆積ゾーンで使用することができる。

【００３２】 堆積ゾーンの大きさは同一であるか異なることができる。特に、堆積ゾーンの
相対的大きさは、堆積ゾーンで所望の堆積速度が得られるように選択することが
できる。例えば、組成がＡ_1-xＢ_xを含み、ｘが小さい場合、成分Ｂの堆積ゾーン
はＡ成分の堆積ゾーンより小さくすることができる。所望の組成を得るための成
分の相対比率は、異なる蒸気圧を用いて制御することもできる。特定の薄膜組成
を得るために、システムを設計する際に、材料の相対反応速度を考慮することも
できる。

【００３３】 各々の堆積ゾーンで異なる堆積材料が堆積される方法は、「反応性順次蒸着」
と呼ばれる。これは、全ての堆積材料が単一堆積ゾーンから堆積される「反応性
同時蒸着」の以前の方法とは異なる。反応性順次堆積は、例えば元素の均質原子
混合によって化合物を形成するために使用される。一例として、１つの堆積ゾー
ン１１６ａでは基板にイットリウムを堆積し、第２堆積ゾーン１１６ｂでは基板
に銅を堆積し、第３堆積ゾーン１１６ｃでは基板にバリウムを堆積する。次いで
これらの３つの材料を反応ゾーン１１８で酸化して、イットリウムバリウム銅酸
化物を形成することができる。各堆積材料に個別堆積ゾーンを使用する利点は、
全ての種類の堆積材料を堆積するために単一の堆積ゾーンを有する装置に使用で
きるより、源を大きくすることができることである。加えて、各堆積材料の堆積
速度は、他の堆積材料から妨害されることなく、よりよく監視または制御するこ
とができる。

【００３４】 各堆積ゾーン１１６には、少なくとも１つの堆積材料モニタ１２８が一般的に
設けられる。堆積材料モニタ１２８は、定堆積速度を監視または維持するために
使用される。堆積材料モニタ１２８は、例えば基板上の堆積材料の堆積速度また
はチャンバ内の材料の量（これは一般的に基板上の堆積速度をも示す）の少なく
とも一方を測定する。適切な堆積材料モニタ１２８の例として、水晶モニタ、質
量分析計、および原子吸光モニタがある。適切な水晶モニタ（ＱＣＭ）として、
例えば標準ＱＣＭヘッドおよび６ＭＨｚ水晶を持つレイボルド・インフィコンＩ
Ｃ／５薄膜堆積制御装置（ニューヨーク州イースト・シラキュース市レイボルド
・インフィコン社）またはセンティネルＩＩＩ薄膜堆積制御装置（ニューヨーク
州イースト・シラキュース市レイボルド・インフィコン社）がある。水晶モニタ
は一般的により便利であるが、異なる堆積物質間の区別ができず、かつ定期的な
保守を必要とする。したがって、壁によって分離された堆積ゾーンを使用すると
、個別堆積速度の監視をかなり改善することができる。

【００３５】 水晶モニタなどの堆積材料モニタ４５０は、図６に示すように、従来の堆積装
置４５２で使用されてきた。この従来の堆積装置４５２は、回転基板保持器４５
４、１つの堆積ゾーン４５６、および１つの反応ゾーン４５８を含む。堆積ゾー
ン４５６内には、基板に様々な堆積材料４６２を堆積する複数の源４６０がある
。しかし、これらの従来の装置４５２は単一堆積ゾーン４５６に２つまたはそれ
以上の堆積材料を含むので、源または材料選択的でないモニタ４５０を堆積材料
源付近に配置しなければならず、かつ／または源の正確な読みを得るために源に
向けられかつその付近に開口を有するコリメータ４６４を含まなければ成らない
。この構成は、例えばモニタおよび／またはコリメータの開口が基板の近くでは
なく源の近くに配置される多数の欠点を有する。したがって、モニタは基板の近
くではなく、源の近くの状態を観察する。加えて、コリメータは、特定の堆積材
料の正確な測定を確実にするために精密に調整する必要がある。さらに、モニタ
および／またはコリメータはその配置のため、基板の一部に陰影を形成する。さ
らになお、コリメータ内部のガス圧は、堆積ゾーン内の圧力を表わさないかもし
れない。また、コリメータ打歩の堆積材料の圧力は、堆積ゾーン内の圧力を表わ
さないかもしれず、かつ／または堆積ゾーン内の圧力の変化をコリ内部で適時に
示さないかもしれない。図１０は、ここで開示する「反応性順次蒸着」法および
従来周知の「反応性同時蒸着」法の温度依存性を示す。これは、コリメータを使
用して結果的に得られる水晶モニタ（ＱＣＭ）による測定が、ウェハにおける実
際の反応速度を正確に反映しないことを示す。

【００３６】 対照的に、図１および２に示すように、ゾーンが分離され、各ゾーンで１つの
堆積材料だけが堆積される場合、１つの堆積材料しかないので、堆積材料モニタ
１２８は基板付近に配置することができる。これはまた、陰影を低減または除去
するために基板に対する堆積材料モニタ１２８の配置の自由をもたらす。例えば
、モニタは基板保持器１０４（図１に示すように）の周囲に沿って、または基板
保持器の中心付近に配置して、陰影を低減または除去することができる。

【００３７】 各反応ゾーン１１８で、前に堆積した材料は反応物と反応して薄膜物質を形成
する。適切な反応物の例として、酸化物を形成する酸素分子（Ｏ₂）、オゾン（
Ｏ₃）、一酸化二窒素（Ｎ₂Ｏ）、一酸化窒素（ＮＯ）、および二酸化窒素（ＮＯ ₂ ）などの酸化剤、および窒化物を形成する窒素（Ｎ₂）またはアンモニア（ＮＨ ₃ ）などの窒化剤がある。例えば、堆積したイットリウム、バリウム、および銅
は、反応ゾーン内で酸素分子によって酸化させてイットリウムバリウム銅酸化物
を形成することができる。一般的に、反応物は、導管１４０を介して反応ゾーン
１１８内に導入されるガス状物質である。

【００３８】 反応物質はガス状であるので、反応ゾーンと隣接堆積ゾーンとの間の開放空間
中の反応物質の流れによって、反応物質は反応／堆積容易器１０２内の圧力に悪
影響を及ぼし得る。反応物の反応／堆積容器１０２への漏出を低減するために使
用される１つの構造を図１に示す。この実施形態では、反応ゾーン１１４は、基
板保持器１０４および基板にさらされる頂面を除いて全ての面を壁によって閉囲
されたチャンバ１４２を含む。チャンバ１４２の壁は、基板保持器１０４の近く
まで伸長するが、それに触れない。これは、基板保持器１０４（または反応／堆
積容器１０２）を自由に回転させる一方で、反応ガスがそこを通って反応／堆積
容器１０２の残部へ漏出し得る空間を低減する。これは、堆積材料の低圧堆積お
よび堆積材料の反応物との高圧（堆積ゾーンに比較した）反応を可能にする。

【００３９】 場合によっては、チャンバ１４２の壁と基板保持器１０４との間の間隙の調整
が可能となるように、チャンバ１４２または基板保持器１０４および回転／支持
部材１１０のいずれかが可動である。例えば基板保持器１０４は、依然として自
由回転を可能にしながら、基板保持器を上下に移動して基板保持器とチャンバ壁
との間の空間を低減するように調整することのできる、ベロー構成または何らか
の他の調整可能な構成を用いて保持することができる。実施形態によっては、基
板保持器１０４とチャンバ１４２の壁との間の間隙は２ｍｍ以下であり、０．５
ｍｍまたはそれ以下とすることができる。一般的にこの調整は、堆積プロセスを
開始する前に行われる。

【００４０】 チャンバ１４２内の圧力は、反応ガスの反応／堆積容器１０２への漏出を低減
するように選択することもできる。場合によっては、反応温度の低下により、反
応物をより低い圧力で使用することができる。ＹＢＣＯの形成においては、反応
ガスの圧力は例えば０．５〜２０Ｐａの範囲とすることができる。これは一般的
に、堆積ゾーンの圧力より１桁ないし３桁高い。

【００４１】 適切な装置の別の実施形態を図７および８に示す。この装置２００は、反応／
堆積容器（図示せず）、基板保持器２０４、および加熱器（図示せず）を含む装
置１００に類似している。この装置２００には、３つの堆積ゾーン２１６ａ、２
１６ｂ、２１６ｃおよび３つの反応ゾーン２１８ａ、２１８ｂ、２１８ｃがある
。垂直壁２２０（すなわちシールド）が堆積ゾーン２１６ａ、２１６ｂ、２１６
ｃを分離し、各反応ゾーンは、図１に示した実施形態の場合に前記の通り、チャ
ンバ２４２ａ、２４２ｂ、２４２ｃ内に形成される。

【００４２】 少なくとも幾つかの場合、堆積ゾーンの各々で源２２４ａ、２２４ｂ、２２４
ｃを用いて異なる堆積材料が堆積される。一例として、１つの堆積ゾーン２１６
ａは基板にイットリウムを堆積し、第２堆積ゾーン２１６ｂは基板に銅を堆積し
、第３堆積ゾーン２１６ｃは基板にバリウムを堆積する。各堆積材料に個別堆積
ゾーンを使用する利点は、源が一般的に、全ての種類の堆積材料を堆積するため
の単一堆積ゾーンを有する装置に使用できるより大きくすることができることで
ある。代替的実施形態では、特定の堆積ゾーンで２つまたはそれ以上の堆積材料
が堆積される。

【００４３】 この装置２００では、基板はａ）堆積材料の堆積とｂ）堆積材料と反応物との
反応との間を交互に繰り返す。各反応ゾーンは個別の反応物の源を有し、各反応
ゾーン内の反応物は同一であるか異なることができる。加えて、反応物の圧力お
よび量は、各反応ゾーンで同一であるか異なることができ、例えば、反応物の圧
力および量は、直前の堆積ゾーンで基板に堆積された堆積材料の特定の反応に合
わせて調整することができる。代替的に、例えば基板保持器の周囲で２つまたは
それ以上の反応ゾーンを接続し、接続された全ての反応ゾーン内に同一の反応物
および／または圧力を提供することができる。この実施形態では、２つまたはそ
れ以上の反応物の供給がある。

【００４４】 １つまたはそれ以上の加熱器を使用することができる。単一温度を提供するた
めに、単一の加熱器を使用することができる。代替的に、異なる加熱器または加
熱ゾーンを設けて、特定の反応ゾーンにおける特定の所望の反応または反応速度
に合わせて温度を調整することができる。

【００４５】 堆積材料の濃度および／または堆積速度を監視するために、各堆積ゾーン２１
６ａ、２１６ｂ、２１６ｃに１つまたはそれ以上の堆積材料モニタ２２８が一般
的に設けられる。図８に示す通り、堆積材料モニタの配置部位としては、例えば
、基板保持器２０４の周縁の先、基板保持器２０４の中心方向の基板が配置され
ない位置、および／または反応ゾーン２１６と重なる反応ゾーン２１８のチャン
バ２４２の一部分の下を含む。３つの場合の全てにおいて、堆積材料モニタ２２
８は、基板保持器２０４内の基板に陰影を形成したりその他の方法で基板へのア
クセスを遮ることなく、堆積材料が堆積される基板に近接して配置することがで
きる。

【００４６】 図９は、基板上に薄膜を形成するための装置３００のさらに別の実施形態を示
す。装置３００は、反応／堆積容器３０２、基板保持器３０４、１つまたはそれ
以上の基板加熱器３０６、少なくとも１つの回転／支持部材１１０、２つまたは
それ以上の堆積ゾーン３１６、少なくとも１つの回転／支持部材１１０、２つま
たはそれ以上の堆積ゾーン３１６、少なくとも１つの反応ゾーン３１８、ゾーン
を分離する壁３２０、各反応ゾーン用のチャンバ３２２、堆積材料３２６の源３
２４、少なくとも１つの任意選択的堆積材料モニタ３２８、および反応物用の導
管３４０を含む。これらの品目は、前記の全ての変形を含めて、装置１００およ
び装置２００について前記と同一とすることができる。

【００４７】 装置３００はまた、堆積ゾーン３１６の少なくとも１つに弁３５０をも含み、
堆積ゾーンの各々に弁を持つことができる。弁３５０は、基板保持器３０４内の
基板上に材料を堆積するときに開かれる。堆積の後、弁３５０は閉じられて、堆
積材料２３６の源３２４は低圧環境内に密閉され、基板保持器３０４を取り出す
ことができる。源３２４が雰囲気内の物質に敏感である場合に、これは特に有利
である。特に、バリウムまたはストロンチウムなど幾つかの堆積材料は水または
酸素と反応するので、空気にさらされるのを防止する必要がある。適切な弁とし
て、カリフォルニア州ヘイワード市ＭＤＣ（高真空ゲート弁）またはスイス国Ｖ
ＡＴ（シリーズ１４またはシリーズ１０ゲート弁）から入手可能な真空ゲート弁
がある。加えて、この構成は、特に基板を取り出すときに弁が堆積／反応容器３
０２の比較的大きい部分を閉鎖して雰囲気にさらされるのを防止する場合、薄膜
の形成後に第１グループが取り出されて第２グループと交換される基板のグルー
プ間の循環時間を短縮するために使用することができる。

【００４８】 動作中、基板および／または基板保持器３０４が堆積／反応容器３０２内に配
置される間、弁３５０は一般的に閉じられる。堆積／反応容器３０２が閉じると
、弁３５０を開ける前に基板保持器３０４に近接する領域から空気を除去するこ
とができ、あるいは弁３５０を開けてから、真空発生装置によって圧力を低下さ
せることができる。次いで、堆積ゾーンにおける堆積材料および反応ゾーンにお
ける堆積材料と反応物との反応によって、薄膜が形成される。薄膜が基板上に形
成された後、弁３５０は閉じられ、基板および／または基板保持器が取り出され
る。

【００４９】

【発明の効果】

本発明は、前期の特定の例に限定されるとみなされるべきではなく、むしろ請
求の範囲に公正に記載する発明の全ての態様を含むと理解すべきである。本発明
の技術分野の熟練者は、本明細書に鑑みて、様々な変形、同等のプロセスのみな
らず、本発明を適用できる多数の構造を容易に思いつくであろう。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明による薄膜を堆積するための装置の第１実施形態の略断面図である。

【図２】 図１の装置の一部分の斜視図である。

【図３】 図１の装置用の基板保持器の第１実施形態の略平面図である。

【図４】 図１の装置用の基板保持器の第２実施形態の略平面図である。

【図５Ａ】 図１の装置用の基板保持器の第３実施形態の略平面図である。

【図５Ｂ】 図１の装置用の基板保持器の第４実施形態の略平面図である。

【図６】 薄膜を堆積するための先行技術の装置の略図である。

【図７】 本発明による薄膜を堆積するための装置の第２実施形態の略斜視図である。

【図８】 図７の装置用の基板保持器の実施形態の一時点における基板保持器に対する反
応ゾーンおよび堆積ゾーンの位置を示す底面図である。

【図９】 本発明による薄膜を堆積するための装置の第３実施形態の略断面図である。

【図１０】 反応性順次蒸着および反応性同時蒸着の圧力従属性を示すグラフの図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ， ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，Ｊ Ｐ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，Ｒ Ｏ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ， ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ Ｆターム(参考） 4K029 BA50 BC04 CA02 DA08 DA10 DB14 EA08 5G321 AA01 CA21 CA24 DB35 DB39 DB40

Claims (24)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 （ａ）少なくとも１つの基板を水平に保持するための保持器
   と、 （ｂ）複数のゾーンを含む堆積／反応容器であって、各ゾーンが壁によって隣接
   ゾーンから分離され、前記複数のゾーンが、 （ｉ）各々が少なくとも１つの基板上に堆積材料を堆積するように構成され
   配置された少なくとも２つの堆積ゾーンと、 （ｉｉ）前記少なくとも１つの基板上の堆積材料を反応物と反応させるため
   の少なくとも１つの反応ゾーンと を含むように構成された前記堆積／反応容器と を備え、少なくとも１つの基板を水平方向に繰返し回転させながら前記複数のゾ
   ーンを順次通過させるように構成され配置された装置。
2. 【請求項２】 前記装置が少なくとも３つの堆積ゾーンを備えた、請求項１
   に記載の装置。
3. 【請求項３】 前記装置が同数の堆積ゾーンおよび反応ゾーンを備えた、請
   求項１ないし２のいずれかに記載の装置。
4. 【請求項４】 前記堆積ゾーンおよび反応ゾーンが交互に繰り返す、請求項
   ３に記載の装置。
5. 【請求項５】 各堆積ゾーンが異なる堆積材料を堆積するように構成され配
   置された、請求項１ないし４のいずれかに記載の装置。
6. 【請求項６】 少なくとも１つの堆積ゾーンが基板上に金属を堆積するよう
   に構成され配置された、請求項１ないし５のいずれかに記載の装置。
7. 【請求項７】 前記装置が基板上に超電導層を形成するように構成され配置
   された、請求項１ないし６のいずれかに記載の装置。
8. 【請求項８】 前記装置が第１堆積ゾーン、第２堆積ゾーン、および第３堆
   積ゾーンを備え、前記第１、第２、および第３堆積ゾーンが基板上に異なる金属
   を堆積する、請求項７に記載の装置。
9. 【請求項９】 前記第１堆積ゾーンがイットリウム源を備え、前記第２堆積
   ゾーンがバリウム源を備え、前記第３堆積ゾーンが銅源を備えた、請求項８に記
   載の装置。
10. 【請求項１０】 前記少なくとも１つの反応ゾーンが、少なくとも２つの堆
    積ゾーンで堆積された堆積材料を酸化するように構成され配置され、請求項１な
    いし９のいずれかに記載の装置。
11. 【請求項１１】 少なくとも１つの反応ゾーンが、少なくとも１つの基板上
    の堆積材料をオキシダントと反応させるように構成され配置された、請求項１な
    いし１０のいずれかに記載の装置。
12. 【請求項１２】 前記保持器が回転可能である、請求項１ないし１１のいず
    れかに記載の装置。
13. 【請求項１３】 前記保持器が少なくとも１つの第１基板および少なくとも
    １つの第２基板を保持するように構成され、前記第１および第２基板が異なる横
    方向寸法を有する、請求項１ないし１２のいずれかに記載の装置。
14. 【請求項１４】 各堆積ゾーンが、前記堆積ゾーンにおける堆積材料のフラ
    ックスを監視するための監視装置を含む、請求項１ないし１３のいずれかに記載
    の装置。
15. 【請求項１５】 （ａ）少なくとも１つの基板を水平に保持するための保持
    器と、 （ｂ）複数の交互の堆積ゾーンおよび反応ゾーンを含む堆積／反応容器であって
    、各堆積ゾーンが隣接する堆積および反応ゾーンから壁によって分離され、各堆
    積ゾーンが少なくとも１つの基板に異なる堆積材料を堆積するように構成され配
    置され、かつ各反応ゾーンが前記基板に堆積された堆積材料を反応物と反応させ
    るように構成され配置されて成る堆積／反応容器と を備え、前記少なくとも１つの基板を水平方向に繰返し回転させながら複数の交
    互の堆積および反応ゾーンを順次通過させるように構成され配置された装置。
16. 【請求項１６】 基板上に層を形成する方法であって、 複数のゾーンを備え、各ゾーンが壁によって隣接ゾーンから分離され、前記複
    数のゾーンが少なくとも２つの堆積ゾーンおよび少なくとも１つの反応ゾーンを
    備えて成る堆積／反応容器内に基板を水平に配置するステップと、 前記基板を水平方向に繰返し回転させながら、前記複数のゾーンを通過させる
    ステップと、 各堆積ゾーンで前記基板上に堆積材料を堆積するステップと、 各反応ゾーンで前記基板上の堆積材料を反応物と反応させるステップと を含む方法。
17. 【請求項１７】 保持器に基板を配置する前記ステップが、保持器に基板を
    配置し、かつ複数のゾーンを備えた堆積／反応容器内に前記保持器を配置するス
    テップを含み、各ゾーンが壁によって隣接ゾーンから分離され、前記複数のゾー
    ンが同数の交互の堆積ゾーンおよび反応ゾーンを備えた、請求項１６に記載の方
    法。
18. 【請求項１８】 堆積材料を堆積する前記ステップが、各堆積ゾーンで基板
    上に異なる堆積材料を堆積することを含む、請求項１６に記載の方法。
19. 【請求項１９】 堆積材料を反応させる前記ステップが、堆積材料を酸化さ
    せるステップを含む、請求項１６に記載の方法。
20. 【請求項２０】 堆積材料を反応させる前記ステップが、堆積材料を反応物
    と反応させて超伝導体を形成するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
21. 【請求項２１】 前記反応ゾーンの少なくとも１つが前記堆積ゾーンより高
    い圧力で作動するように構成され配置された、請求項１ないし１５のいずれかに
    記載の装置。
22. 【請求項２２】 前記複数の堆積ゾーンの各々が堆積材料の蒸気源を含む、
    請求項１ないし１５および２１のいずれかに記載の装置。
23. 【請求項２３】 基板加熱器をさらに備えた、請求項１ないし１５および２
    １ないし２２のいずれかに記載の装置。
24. 【請求項２４】 前記基板加熱器が少なくとも１つの基板の温度を少なくと
    も約６００℃まで上昇させるように構成され配置された、請求項２３に記載の装
    置。