JP2005179741A - 薄膜堆積装置、及び、薄膜堆積方法 - Google Patents

Abstract

【課題】真空容器内で内包フラーレンなどの薄膜を堆積する枚葉式の薄膜堆積装置では、堆積基板の交換は、堆積を行うメインチャンバーにゲートバルブを介して接続したロードロックチャンバーを通して一枚づつ交換していた。そのためロードロックチャンバーの真空引き、パージに時間がかかり作業効率が悪かった。また、ステンレスからなる真空容器内壁は、EP処理で表面処理を行っていた。そのため内壁の内部に吸着した水分の真空容器内への放出により真空引きに時間がかかるという問題もあった。
【解決手段】複数の堆積基板を装着可能な平板状の支持部材をメインチャンバーの軸方向に対し直角に移動可能なように取付けた。支持部材の移動により堆積基板の交換ができ、ロードロックチャンバーが不要になったため、真空引き、パージに要する時間が短縮でき作業効率が向上した。また、メインチャンバー内壁をCRP処理で表面処理することにした。
CRP処理したステンレスは、水分やガスが内部に浸入しないので、真空引きの時間がさらに短縮可能になった。
【選択図】 図３

Description

本発明は、真空容器内で内包フラーレンなどの薄膜を堆積する枚葉式の薄膜堆積装置、及び、薄膜堆積方法に関する。

フラーレンとして知られるC₆₀ 、C₇₀ 、C₇₆、C₇₈、C₈₂、C₈₄などの球状炭素分子に、例えば、窒素を内包した内包フラーレンは、窒素原子の持つ特徴的な電子構造により、スピンエレクトロニクス、量子コンピュータなどへの応用が期待される材料である。内包フラーレンの製造方法としては、真空室中で内包原子イオンからなるプラズマを発生させ、発生したプラズマ流にフラーレン蒸気を導入し、フラーレンイオンを発生させ、プラズマ流の下流に配置した堆積基板近傍で互いに極性の異なる内包原子イオンとフラーレンイオンを反応させることで、内包フラーレン膜を堆積させる方式が知られている。

窒素内包フラーレンからなる薄膜の堆積装置は、図４に示すように、真空引きしたメインチャンバー８１中に内包原子ガス導入管８５から窒素ガスを導入し、マイクロ波発振器８４により前記窒素ガスを構成する粒子を励起するECRプラズマ方式が知られている。電磁コイル８６、８７によりミラー磁場を発生させ、プラズマを閉じ込めることで、プラズマ中の電子温度を効率的に高め、窒素１個からなるN⁺イオンを多く含む高電子温度プラズマ８９を発生させることができる。発生した高電子温度プラズマ８９に対しグリッド電極９０によりバイアス電圧を印加し、高電子温度プラズマの電子温度を、例えば10eV以下に制御し、高電子温度プラズマ８９を低電子温度プラズマ９１に変化させる。

プラズマ９１は、電磁コイル８８により形成された均一磁場（Ｂ＝２〜７ｋＧ）に沿ってメインチャンバー８１内の軸方向に閉じ込められ、プラズマ発生部から堆積基板９６に向かって流れるプラズマ流となる。かかるプラズマ流の中に、フラーレン昇華オーブン９２でフラーレンを加熱して発生させたフラーレン蒸気を噴射する。フラーレン蒸気は、プラズマ流を取り囲む円筒状の加熱した再昇華円筒９３によりメインチャンバー８１の中で再加熱することで、昇華効率を向上している。プラズマ流を構成する10eV以下のエネルギーを持つ電子は、フラーレン分子に衝突することにより電子親和力の大きいフラーレンに付着して、フラーレンの負イオンを発生させる。

窒素の正イオン、フラーレンの負イオン、電子からなるプラズマ流は、堆積基板９６の近傍で、堆積基板９６に印加された正のバイアス電圧の作用を受け、質量が大きく速度が遅いフラーレンの負イオンが加速され、質量が小さく速度が速い窒素の正イオンが減速されることで、フラーレンイオンと窒素イオンの相互作用が大きくなる。従って、フラーレンイオンと窒素イオンが反応して、窒素原子がフラーレン分子のケージの中に入り、堆積基板９６上に内包フラーレンが堆積する確率が高くなる。

ラングミュアプローブ９５により、プローブに流入する電子によるプローブ電流を測定装置９４により測定することにより、プラズマ中の電子密度を測定することが可能である。電子密度、あるいは、イオン密度を測定することにより、堆積基板９６に印加するバイアス電圧を自動、あるいは、手動により制御して、堆積基板上に堆積される空のフラーレンに対する内包フラーレンの割合である内包フラーレンの収率を最適化することができる。

図４(a)に示すように、窒素内包フラーレンの薄膜堆積装置は、プラズマ流の断面形状に合わせた一枚の堆積基板上に薄膜を堆積する枚葉式の堆積装置である。従来の薄膜堆積装置では、メインチャンバー８１における堆積位置とロードロックチャンバー８２における基板取り出し位置との移動を、堆積基板９６に取り付けた基板挿入ロッド９７（図４(b)）をメインチャンバーの軸方向に動かすことにより行っていた。

堆積基板の取り付け作業は、以下の手順で行っていた。
（１）ゲートバルブを閉じ、メインチャンバーが真空排気された状態で、ロードロックチャンバーを窒素パージし、堆積基板をロードロックチャンバーに挿入する。
（２）ロードロックチャンバーを真空排気し、ゲートバルブを開き、堆積基板をメインチャンバーの堆積位置に移動させる。
（３）プラズマを発生させ、堆積基板に対しプラズマを照射して、堆積基板上に内包フラーレンを堆積する。
（４）プラズマを停止し、堆積基板をロードロックチャンバーに移動し、ゲートバルブを閉じる。
（５）（１）に戻り、（１）から（５）までの作業を繰り返す。

従来の薄膜堆積装置を用いた場合には、複数の堆積基板を用意して内包フラーレンを大量に生成しようとするためには、各堆積基板ごとに、パージ、堆積基板の交換、真空引き、プラズマの発生、プラズマの停止を繰り返すことになり、薄膜の堆積以外の作業に要する時間が長いため、薄膜の堆積作業の効率が悪いという問題があった。

また、高真空度が必要な真空装置では、一般的に真空容器の材料としてステンレスを使用する。（フェライト系、または、オーステナイト系のステンレスが好ましい。より好ましくはSUS316Lが好適である。）従来の薄膜堆積装置では、メインチャンバーやロードロックチャンバーなどのステンレスからなる真空容器内壁をEP処理（電解研磨処理）により表面処理していた。そのため、堆積基板の交換の際に、堆積基板や挿入ロッドなどの部材に吸着された空気中のガスや水分が、真空容器の内壁の表面だけでなく部材の内部にも浸入して、真空排気を行う時に内壁内部にも浸入したガスや水分がゆっくりチャンバー内に放出される。従って、真空引きに時間がかかるため、さらに、堆積作業の効率が悪いという問題があった。

平板状の支持部材に複数の堆積基板を装着し、該支持部材をプラズマ流の断面方向に移動することにより、堆積基板の交換を行うことにした。堆積基板の装着部は、該支持部の片面に配置してもよいし、両面に配置してもよい。

支持部材の移動は、手動で行ってもよいし、モータによる駆動を行ってもよい。堆積基板の交換をコンピュータ制御により自動で行うことも可能である。

また、メインチャンバーの内壁をCRP処理（Cr₂O₃不導体処理）で表面処理することにした。CRP処理を行ったステンレスは、表面にクロム酸化物（鉄酸化物を含まない酸化物）が生成されるため、部材内部への水分やガスの浸入を阻止できる。また、表面に付着した水分等を容易に脱離することが可能となる。

（１）支持部材に装着した複数の堆積基板を、プラズマ流の断面方向に移動して堆積基板を交換することで、ロードロックチャンバーの真空排気やパージの作業が不要になる。さらに、プラズマを連続して立ち上げた状態での堆積基板の交換も可能になるので、プラズマ立ち上げ、停止の作業も不要になる。そのため、堆積作業に要する時間が大幅に短縮できる。

（２）堆積基板の交換をコンピュータにより自動制御することで、堆積装置の操作性が向上する。また、薄膜堆積条件の制御と基板交換の制御を両方、自動制御にすることにより、薄膜装置の無人運転も可能になる。

（３）支持部材の両面に堆積基板を装着可能にすることにより、支持部材表面の有効利用が可能になる。

（４）メインチャンバー内壁をCRP処理で表面処理することにより、堆積基板、及び、支持部材の移動に伴い、付着した水分、ガスが真空容器内部に浸入しても、真空容器の内壁の部材内部への水分、ガスの浸入を阻止できる。従って、真空排気に要する時間も大幅に短縮できる。

以上、説明した内包フラーレンを例にとった本発明の薄膜堆積装置、及び、薄膜堆積方法は、内包フラーレンに限らず、他の薄膜の堆積装置、堆積方法に対しても、真空容器内で枚葉式の薄膜堆積を行う装置、方法の場合には、実施可能であって、内包フラーレンの堆積における効果と同様の効果が得られることは明らかである。

図３(a)、(b)、(c)は、本発明の薄膜堆積装置に係るマルチローダを説明するための図である。

図３(a)は、マルチローダの上面図であり、マルチローダ駆動装置４１に取り付けられた堆積基板支持部材４２上に、複数の堆積基板４３が装着されている。実施例では、支持部材の片面に５枚、支持部材の両面合わせて１０枚の堆積基板を装着している。

図３(b)は、マルチローダの側面図である。実施例では、平面形状が端部が丸い長方形の堆積基板を使用している。

図３(c)は、マルチローダを配置した薄膜堆積装置の断面図である。メインチャンバー４４の軸方向、すなわち、プラズマ流の軸方向に対し、直交する方向に支持部材４２、及び、堆積基板４３が移動可能になっている。支持部材４２とメインチャンバー４４の接触部は真空シール４５、４６によりシールしている。図３(c)において、堆積基板Cが、メインチャンバー４４の堆積位置にあり、薄膜の堆積を行っている。例えば、支持部材４２は、図中、左方向に駆動装置４１により、ステップ駆動するものとする。堆積基板A、Bは、すでに、堆積を完了した堆積基板である。堆積基板C上の薄膜堆積が完了した後に、支持部材４２を左方向にステップ駆動し、堆積基板Dをメインチャンバー４４の堆積位置まで移動する。

また、図３(c)で示す実施例では、駆動装置４１、支持部材４２、堆積基板４３から構成されるマルチローダが、真空容器であるメインチャンバー４４、及び、メインチャンバー４４と真空シール４５、４６で分離された図示しないチャンバーの間を移動する場合について示してあるが、真空シール４５、４６を配置せずに、メインチャンバー４４と連続した真空容器の中で該マルチローダが移動する場合でも、本発明の薄膜堆積装置、及び、薄膜堆積方法を実施することは可能であり、本発明の効果が同様に得られることは明らかである。

図１は、本発明の薄膜堆積装置に係る側面図である。薄膜堆積装置は、架台下部に真空排気系装置、架台中部にメインチャンバーなどの堆積装置本体、架台上部にマイクロ波発振装置と冷却水系配管を取り付けて構成されている。堆積装置本体は、円筒状のメインチャンバー１、内包原子ガス導入装置４、フラーレン導入装置５、マルチローダ６から構成されている。メインチャンバー1は、真空ポンプ８、９により真空排気を行う。メインチャンバー１は、ステンレスからなる真空容器であり、メインチャンバー１の内壁はCRP処理により表面処理を行っている。内包原子ガス導入装置４には、マイクロ波発振装置３が取付けられ、内包原子ガス導入装置４により導入された内包ガス原子をマイクロ波により励起して、内包原子ガスプラズマを発生させる。メインチャンバー１の回りに電磁コイル２がメインチャンバーを取り囲むように配置され、生成されたプラズマを閉じ込め、プラズマをマルチローダ６に装着された堆積基板に輸送する働きをする。マルチローダ６は、マルチローダ駆動装置７により駆動して、堆積基板の交換を行う。

図２は、本発明の薄膜堆積装置に係る窒素内包フラーレンの製造装置の断面図である。真空引きしたメインチャンバー１１中に内包原子ガス導入管１３から窒素ガスを導入し、マイクロ波発振器１２により前記窒素ガスを構成する粒子を励起する。電磁コイル１４、１５によりミラー磁場を発生させ、プラズマを閉じ込めることで、プラズマ中の電子温度を効率的に高め、窒素１個からなるN⁺イオンを多く含む高電子温度プラズマ１７を発生させる。発生した高電子温度プラズマ１７に対しグリッド電極１８によりバイアス電圧を印加し、高電子温度プラズマの電子温度を、例えば10eV以下に制御し、高電子温度プラズマ１７を低電子温度プラズマ１９に変化させる。

プラズマ１９は、電磁コイル１６により形成された均一磁場（Ｂ＝２〜７ｋＧ）に沿ってメインチャンバー１１内の軸方向に閉じ込められ、プラズマ発生部から堆積基板２６に向かって流れるプラズマ流となる。かかるプラズマ流の中に、フラーレン昇華オーブン２０でフラーレンを加熱して発生させたフラーレン蒸気を噴射する。フラーレン蒸気は、プラズマ流を取り囲む円筒状の加熱した再昇華円筒２１によりメインチャンバー１１の中で再加熱することで、昇華効率を向上している。プラズマ流を構成する10eV以下のエネルギーを持つ電子は、フラーレン分子に衝突することにより電子親和力の大きいフラーレンに付着して、フラーレンの負イオンを発生させる。

窒素の正イオン、フラーレンの負イオン、電子からなるプラズマ流は、堆積基板２６の近傍で、堆積基板２６に印加された正のバイアス電圧の作用を受け、質量が大きく速度が遅いフラーレンの負イオンが加速され、質量が小さく速度が速い窒素の正イオンが減速されることで、フラーレンイオンと窒素イオンの相互作用が大きくなる。従って、フラーレンイオンと窒素イオンが反応して、窒素原子がフラーレン分子のケージの中に入り、堆積基板２６上に内包フラーレンが堆積する確率が高くなる。

ラングミュアプローブ２３により、プローブに流入する電子によるプローブ電流を測定装置２２により測定することにより、プラズマ中の電子密度を測定することが可能である。電子密度、あるいは、イオン密度を測定することにより、堆積基板２６に印加するバイアス電圧を自動、あるいは、手動により制御して、堆積基板上に堆積される空のフラーレンに対する内包フラーレンの割合である内包フラーレンの収率を最適化することができる。

堆積基板２６は、他の堆積基板２５、２７とともに、支持部材２４上に装着されており、プラズマ流の方向に対し直角方向に移動が可能である。支持部材２４とメインチャンバー１１との接触部には真空シール２８、２９が配置されており、支持部材２４を移動させることにより、ロードロックチャンバーを通すことなく基板交換を行うことが可能である。堆積基板に対し、外部の電源３０から供給するバイアス電圧を支持部材に通した配線を介して印加することが可能である。

本発明の薄膜堆積装置に係る側面図である。 本発明の薄膜堆積装置に係る断面図である。 (a)、(b)、(c)は、本発明の薄膜堆積装置に係るマルチローダを説明するための図である。(a)は、マルチローダの上面図であり、(b)は、マルチローダの側面図であり、(c)は、マルチローダを配置した薄膜堆積装置の断面図である。 (a)は、従来の薄膜堆積装置に係る断面図であり、(b)は、従来の薄膜堆積基板の斜視図である。

符号の説明

１、１１、８１ メインチャンバー
８２ ロードロックチャンバー
８３ ゲートバルブ
２、１４、１５、１６、８６、８７、８８ 電磁コイル
３、１２、８４ マイクロ波発振装置
４ 内包原子ガス導入装置
１３、８５ 内包原子ガス導入管
５ フラーレン導入装置
６ マルチローダ
７ マルチローダ駆動装置
８、９、３１、９９、１００ 真空ポンプ
１７、８９ 高電子温度プラズマ
１８、９０ 電子温度制御電極
１９、９１ 低電子温度プラズマ
２０、９２ フラーレン昇華オーブン
２１、９３ 再昇華円筒
２２、９４ プローブ電流測定装置
２３、９５ ラングミュアプローブ
９６ 堆積基板
９７ 基板挿入ロッド
２４ 堆積基板支持部材
２５、２６、２７ 堆積基板
２８、２９ 真空シール
３０、９８ バイアス電圧印加用電源
４１ マルチローダ駆動装置
４２ 堆積基板支持部材
４３ 堆積基板
４４ メインチャンバー
４５、４６ 真空シール

Claims (16)

1. 真空容器内で薄膜生成材料を堆積基板に照射し、薄膜を前記堆積基板上に堆積する枚葉式の薄膜堆積装置において、複数の堆積基板を装着可能で、前記薄膜生成材料の流れ方向に対し直角方向に移動可能な支持部材を備えたことを特徴とする薄膜堆積装置。
2. 前記複数の堆積基板が、前記支持部材の片面のみに装着可能なことを特徴とする請求項１記載の薄膜堆積装置。
3. 前記複数の堆積基板が、前記支持部材の両面に装着可能なことを特徴とする請求項１記載の薄膜堆積装置。
4. 前記真空容器の内壁の材料がステンレスからなり、前記内壁をCRP処理により表面処理したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の薄膜堆積装置。
5. 前記薄膜が内包フラーレンであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の薄膜堆積装置。
6. 真空容器内において、内包対象原子のプラズマ発生部で発生したプラズマ流に、フラーレン導入部からフラーレンを導入し、前記プラズマ流の下流に配置した堆積基板上に薄膜を堆積することを特徴とする請求項５記載の薄膜堆積装置。
7. 前記フラーレンが、Cn(n=60〜84)であることを特徴とする請求項５又は６のいずれか１項記載の薄膜堆積装置。
8. 前記内包対象原子が窒素であることを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項記載の薄膜堆積装置。
9. 真空容器内で薄膜生成材料を堆積基板に照射し、薄膜を前記堆積基板上に堆積する枚葉式の薄膜堆積方法において、複数の堆積基板を装着可能で、前記薄膜生成材料の流れ方向に対し直角方向に移動可能な支持部材により堆積基板の交換を行うことを特徴とする薄膜堆積方法。
10. 内壁をCRP処理により表面処理したステンレスからなる前記真空容器内で薄膜を堆積することを特徴とする請求項９記載の薄膜堆積方法。
11. 前記薄膜が内包フラーレンであることを特徴とする請求項９乃至１０のいずれか１項記載の薄膜堆積方法。
12. 真空容器内において、内包対象原子のプラズマ発生部で発生したプラズマ流に、フラーレン導入部からフラーレンを導入し、前記プラズマ流の下流に配置した堆積基板上に薄膜を堆積することを特徴とする請求項１１記載の薄膜堆積方法。
13. 前記フラーレンが、Cn(n=60〜84)であることを特徴とする請求項１１又は１２のいずれか１項記載の薄膜堆積方法。
14. 前記内包対象原子が窒素であることを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれか１項記載の薄膜堆積方法。
15. 前記支持部材の移動を手動で行うことを特徴とする請求項１１乃至１４のいずれか１項記載の薄膜堆積方法。
16. 前記支持部材の移動を自動的にコンピュータ制御により行うことを特徴とする請求項１１乃至１４のいずれか１項記載の薄膜堆積方法。
    

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