JP2006233275A

JP2006233275A - 薄膜形成装置

Info

Publication number: JP2006233275A
Application number: JP2005049715A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Ota; 泰雄太田; Takeshi Ohashi; 健大橋
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd; Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd; Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2005-02-24
Filing date: 2005-02-24
Publication date: 2006-09-07

Abstract

【課題】本発明では、レーザ洗浄処理機能を薄膜形成装置に一体化することでシリコン基板の再汚染を防止できコンパクトな構造を備えた薄膜形成装置を提供することを目的とするものである。
【解決手段】真空チャンバ２内の上部にシリコン基板６を担持した支持テーブル３を配置し、下部にはスパッタリング装置７を配置する。真空チャンバ２の側壁部には、斜め下向きにレーザ導入筒部１４が設けられており、レーザ照射部１６から発振されるレーザ光はレーザ導入筒部１４を通って洗浄領域に配置されたシリコン基板６の下面に照射され、洗浄処理が行われる。洗浄処理されたシリコン基板６は、支持テーブル３を駆動装置５により回転させて薄膜形成領域に配置され、スパッタリング装置７による薄膜形成が行われる。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリコン基板表面に薄膜を形成するための薄膜形成装置に関し、特に、薄膜磁気記録媒体を形成するための薄膜形成装置に関する。

シリコン基板に薄膜を形成するためにＰＶＤ又はＣＶＤといった薄膜成長法が用いられるが、こうした薄膜成長法を行う前にシリコン基板表面を清浄な状態にするための洗浄処理が行われる。洗浄処理としては、薬液により表面を洗浄して付着した微粒子や金属を除去したり、表面に形成された自然酸化膜を溶解して除去するウェット洗浄処理や薬液を用いずにハロゲンガスやフッ素ガスで洗浄したりレーザ照射を行うドライ洗浄処理が挙げられる。

ドライ洗浄処理でレーザ照射を行う方法としては、例えば、特許文献１では、Ｓｉ表面にＣＯ₂レーザから出た赤外レーザビームを照射して加熱し、表面に付着した不純物の昇温脱離を促進し、さらにエキシマレーザから出た紫外レーザビームを照射して不純物の昇温脱離を促進することでＳｉ表面を洗浄する点が記載されている。また、特許文献２では、ハードディスク装置のディスクやシリコンウェハ等の表面を洗浄する場合洗浄面に達するレーザ光のビーム中心軸と洗浄面とのなす角度が３０度以下とるようにレーザ照射を行う点が記載されている。また、特許文献３では、基板表面に付着したシリカ等の無機物を除去するために、プラズマ反応により発生した活性種で基板表面の付着物をエッチングし、さらにレーザ照射により付着物を基板表面から除去する点が記載されている。また、特許文献４では、１つのレーザから２つの異なるレーザビームを発生させてそれぞれ異なるクリーニングを行うようにした点が記載されている。
特開昭６１−８７３３８号公報特開２０００−２０２３８５号公報特開２００２−３７３８７８号公報特開２００３−７６５５号公報

上述した基板表面のウェット洗浄処理については、シリコン基板の大型化に伴い薬液の使用量が増加してきており、そのため廃液処理対策にコストがかかるようになっており、ドライ洗浄処理の比重が高まってきている。しかしながら、ドライ洗浄処理についてもプラズマやイオンの制御が難しく十分な洗浄効果を得ることができていない。また、レーザ洗浄処理では、洗浄後の再汚染を防止するための対策が必要となることから、コスト負担が大きくなるおそれがある。

そこで、本発明では、レーザ洗浄処理機能を薄膜形成装置に一体化することでシリコン基板の再汚染を防止できコンパクトな構造を備えた薄膜形成装置を提供することを目的とするものである。

本発明に係る薄膜形成装置は、真空チャンバと、真空チャンバ内に設けられるとともにシリコン基板を支持する基板支持手段と、真空チャンバ内の洗浄領域においてシリコン基板表面の洗浄を行うレーザ照射手段と、真空チャンバ内の薄膜形成領域においてシリコン基板表面に薄膜形成を行うスパッタリング手段と、前記洗浄領域及び前記薄膜形成領域にシリコン基板を配置するように前記基板支持手段を駆動する駆動手段とを備えていることを特徴とする。さらに、前記スパッタリング手段は複数設けられてそれぞれ対応する複数の薄膜形成領域において薄膜形成を行うようになっており、前記洗浄領域は前記薄膜形成領域の間に設定されていることを特徴とする。さらに、前記レーザ照射手段は、ナノ秒レーザにより照射を行うことを特徴とする。

本発明に係る薄膜形成装置は、上記のような構成を有することで、真空チャンバ内に洗浄領域を設定してその領域でレーザ照射手段によりシリコン基板表面の洗浄を行い、洗浄により清浄化されたシリコン基板をそのまま薄膜形成領域に配置してスパッタリング手段により薄膜形成することができるので、シリコン基板の清浄化された表面が再汚染されることなく薄膜形成することが可能となる。したがって、不純物の影響を受けることなくシリコン基板表面に良好な状態の薄膜を成長させることができる。

また、レーザ照射のみにより洗浄処理を行うので、薬液やガスを使用する場合のような廃液処理といった後処理が不要であり、洗浄処理によりシリコン基板表面から除去される自然酸化膜等の不純物は、真空チャンバ内の排気とともに外部に排出されて以後の薄膜形成処理に影響を及ぼすこともない。

また、シリコン基板表面で不純物が存在する部分は表面から数ｎｍ程度の深さに存在するとされており、レーザ照射により表面から数十ｎｍ程度の深さまで除去することでシリコン基板表面に不純物のない清浄な状態の面を露出させることができる。したがって、レーザ照射のみで十分な洗浄効果を得ることができる。

そして、複数のスパッタリング手段を設けてそれぞれの薄膜形成領域の間に洗浄領域を設定することで、薄膜形成装置のレイアウトを大きく変更することなく洗浄領域を設定することができ、洗浄処理機能を加えることによる装置の大型化を抑えてコンパクトな構造とすることができる。

以下、本発明に係る実施形態について詳しく説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明を実施するにあたって好ましい具体例であるから、技術的に種々の限定がなされているが、本発明は、以下の説明において特に本発明を限定する旨明記されていない限り、これらの形態に限定されるものではない。

図１は、本発明に係る実施形態である薄膜形成装置１に関する概略構成図を示している。薄膜形成装置１は、円筒形の真空チャンバ２内の上部に、基板支持手段として円板状の支持テーブル３が水平に配置されている。支持テーブル３の中心には上方に向かって支持軸４が固定されており、支持軸４は、真空チャンバ２の上面部の中心に貫通して回転自在に保持されている。そして、支持軸４の上端部には駆動装置５が取り付けられており、駆動装置５の回転駆動により支持テーブル３が回転するようになっている。駆動装置５としては、モータ等を用いてもよいが、歯車等の伝達機構を取り付けて手動で操作するようにしてもよい。支持テーブル３には、３つの円形の孔部が１２０度の角度ずつずらせて穿設されており、３つの孔部にそれぞれ同じ円形のシリコン基板６が嵌め込まれてセットされる。シリコン基板６は、薄膜を形成する面を下向きにしてセットされ、後述するスパッタリング装置により薄膜形成が行われる。

真空チャンバ２内の下部には、３つのスパッタリング装置７ａ、７ｂ及び７ｃが設置されている。各スパッタリング装置は、マグネトロンスパッタリング方式の装置で、カソード電極８ａ、８ｂ及び８ｃの上面にそれぞれターゲットとなる母材９ａ、９ｂ及び９ｃが装着されており、各カソード電極の下部には磁気回路１０ａ、１０ｂ及び１０ｃが設けられている。カソード電極８ａ、８ｂ及び８ｃは、電源装置１１に接続されており、電源装置１１は、切換操作によりいずれか１つのカソード電極に電源を供給するようにされている。

真空チャンバ２の側壁部には、真空チャンバ２内を真空状態に維持するため公知の排気系システム１２が接続されている。同様に、真空チャンバ２内に窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガスを供給するガス供給系システム１３が接続されている。また、円筒形状のレーザ導入筒部１４が下向きに傾斜して側壁部に固定されている。導入窓部１５には、レーザの透過性に優れた材料からなる窓材が取り付けられている。後述するＮｄ：ＹＡＧレーザを用いる場合には、石英材料からなる窓材を用いれば優れた透過性を実現することができる。

レーザ照射部１６は、レーザ導入筒部１４の中心軸に沿ってレーザ光を照射するように設定されており、発振されたレーザ光は、導入窓部１５に入射する前に拡散レンズ１７により拡散されて導入筒部１４内を通りシリコン基板６の下面に照射される。レーザ照射部１６には、公知のＮｄ：ＹＡＧレーザやＡｒＦエキシマレーザ等を用いることができる。レーザとしては、ナノ秒レーザが好適であり、レーザ波長が１９０ｎｍ〜１０００ｎｍでパルス幅が４〜２０ナノ秒のものを用いるとよい。

図２は、真空チャンバ２内をＡ−Ａ断面で上方から見た図を示している。３つのスパッタリング装置７ａ、７ｂ及び７ｃのターゲット９ａ、９ｂ及び９ｃの形状をほぼ垂直上方に支持テーブル３（点線で表示）の下面まで投影した領域がそれぞれ薄膜形成領域１８ａ、１８ｂ及び１８ｃとして設定される。また、薄膜形成領域１８ａ及び１８ｂの間には、レーザ洗浄領域１９が設定される。そして、各薄膜形成領域１８ａ、１８ｂ及び１８ｃ並びにレーザ洗浄領域１９は、支持テーブル３に支持されるシリコン基板６が回転移動する領域に沿って設定されており、支持テーブル３を適宜回転させることで、シリコン基板６を薄膜形成領域１８ａ、１８ｂ及び１８ｃ又はレーザ洗浄領域１９に配置することができる。

薄膜形成処理を行う場合には、まず真空チャンバ２の上部を図示せぬ昇降装置により上昇させて開放し、真空チャンバ２内の支持テーブル３にシリコン基板６を嵌め込む。シリコン基板６は、特に前処理を行う必要はない。シリコン基板６のセットが完了したら昇降装置により真空チャンバ２の上部を下降させて閉鎖する。次に、排気系システム１２を駆動して真空チャンバ２内を真空状態にする。そして、駆動装置５を回転駆動して支持テーブル３にセットされたシリコン基板６のうち１枚をレーザ洗浄領域１９に配置する。

次に、レーザ照射部１６を発振させてレーザ光をレーザ導入筒部１４からシリコン基板６の下面に照射してレーザ洗浄を行う。照射されたシリコン基板６の表面は、数十ｎｍ程度の深さまで除去されて清浄な面が露出するようになる。レーザ洗浄を行っている間排気系システム１２が作動しているため、除去された不純物等は排気とともに真空チャンバ２内から外部に排出される。

レーザ洗浄処理が終了すると、支持テーブル３を回転させて洗浄処理されたシリコン基板６を薄膜形成領域１８ａに配置する。シリコン基板６には、基板加熱装置が取り付けられており、所定の基板温度まで加熱処理される。そして、排気系システム１２の動作を停止し、ガズ供給系システム１３から真空チャンバ２内に不活性ガスが導入される。真空チャンバ２内が所定の圧力の不活性ガス雰囲気に設定されると、スパッタリング装置７ａに電源装置１１から電源が供給されてスパッタリングが開始される。不活性ガスのグロー放電によりターゲット９ａから原子がはじき飛ばされて上方の薄膜形成領域１８ａに配置されたシリコン基板６の下面に薄膜形成が行われる。こうしたスパッタリング技術は公知のものである。スパッタリング装置７ａにおいて所定の薄膜形成が行われた後支持テーブル３を回転させて薄膜形成領域１８ｂにシリコン基板６を配置する。そして、電源装置１１を切り換えてスパッタリング装置７ｂに電源供給を行い、シリコン基板６にターゲット９ｂの原子による薄膜形成を行う。スパッタリング装置７ｂによる薄膜形成後再び支持テーブル３を回転させて薄膜形成領域１８ｃにシリコン基板６を配置してスパッタリング装置７ｃに電源装置１１から電源を供給してスパッタリングを行い、シリコン基板６にターゲット９ｃの原子による薄膜形成を行う。

以上のような処理により１枚目のシリコン基板６の薄膜形成処理が完了した後次のシリコン基板について同様の処理を行う。図１において図示されていないが、各スパッタリング装置は、垂直方向に設けられたシャッタに囲まれており、薄膜形成処理を行っているシリコン基板以外のシリコン基板に影響が及ぶことはない。

こうして３枚のシリコン基板に薄膜形成処理が行われた後排気系システム１２により真空チャンバ２内の排気が行われ、真空チャンバ２の上部を昇降装置により上昇させて薄膜形成されたシリコン基板６が取り出される。

このように、レーザ洗浄処理を薄膜形成装置に一体化することでシリコン基板表面を清浄化してそのままスパッタリング装置により薄膜形成を行うことができ、薄膜形成を良好な状態で行うことが可能となる。また、レーザ洗浄領域を薄膜形成領域の間に設定しているので、真空チャンバを大型化することなくレーザ洗浄処理を行うことができるコンパクトな構造の薄膜形成装置とすることができる。

図１に示す薄膜形成装置として、以下の性能のものを用いた。
形式ＲＦマグネトロン方式
到達圧力６．７×１０^-4Ｐａ以下
基板加熱温度２００℃
基板サイズ直径２．５インチ
電源ＡＣ２００Ｗ
膜厚分布 ±１０％
レーザ照射部として、以下の性能のパルスレーザ光源を用いた。
種類Ｎｄ：ＹＡＧレーザ
波長５３２ｎｍ
最大出力３．０ＭＷ
平均出力１５０ｍＷ
パルス幅４〜６ナノ秒
ビームサイズ３ｍｍ
レーザ照射部から発振されるレーザ光の照射面積は、拡散レンズによりシリコン基板の片面全体（約３４．２ｃｍ²）となるように設定した。エネルギー密度は約０．１５Ｊ／ｃｍ²で、照射回数は１回行った。

単結晶シリコン基板を用い、スパッタリング装置のターゲットには、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）及びタンタル（Ｔａ）を用いてスパッタリングを行った。

図３及び図４は、レーザ洗浄前及び洗浄後の単結晶シリコン基板の表面をそれぞれ原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により測定した場合の測定結果を示している。洗浄処理後の基板表面は、レーザ照射により４０〜５０ｎｍ程度の深さまで除去されており、不純物が除去され十分清浄な表面となった。また、図３に示す洗浄処理前の表面は、二乗平均粗さ（ＲＭＳ）が平均８．５ｎｍ程度であるが、図４に示す洗浄処理後の表面は、平均２．５ｎｍ程度に減少しており、より平滑な表面とすることもできた。

図５は、レーザ洗浄後の表面にＣｏＣｒＴａ薄膜をスパッタリング装置により形成した場合のＡＦＭによる測定結果を示している。形成された薄膜は、平均の厚さが３０ｎｍ程度で非常に緻密な膜となっており、良好な状態で薄膜形成が行われたことがわかる。

図６は、レーザ洗浄後の表面にＣｏＣｒＴａ薄膜を形成した場合のシリコン基板表面の断面を冷陰極走査型電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）で撮影した写真を示しており、図７は、レーザ洗浄を行わずにＣｏＣｒＴａ薄膜を形成した場合のシリコン基板表面の断面をＦＥ−ＳＥＭで撮影した写真を示している。図６では、レーザ洗浄により表面の酸化膜が除去された後直ぐに薄膜形成が行われることで、縦方向に配列して堆積した良好な薄膜成長が観察されるが、図７では、図６のような配列は観察されないことから、レーザ洗浄後の清浄な表面に薄膜形成を行うことによりる良好な薄膜成長を行うことができることが確認された。

本発明に係る薄膜形成装置は、シリコン基板表面への薄膜形成一般に用いることができ、特に、薄膜磁気媒体の基板として用いられる単結晶シリコン基板の薄膜形成や半導体装置の製造に用いられるシリコンウェハの薄膜形成処理に好適である。

本発明に係る実施形態に関する概略構成図である。洗浄領域及び薄膜形成領域を示す概略断面図である。洗浄前のシリコン基板表面を測定したＡＦＭの測定結果を示す図である。洗浄後のシリコン基板表面を測定したＡＦＭの測定結果を示す図である。洗浄後のシリコン基板表面にＣｏＣｒＴａ薄膜を形成した状態を測定したＡＦＭの測定結果を示す図である。洗浄後のシリコン基板表面にＣｏＣｒＴａ薄膜を形成した表面断面をＦＥ−ＳＥＭにより撮影した写真である。洗浄していないシリコン基板表面にＣｏＣｒＴａ薄膜を形成した表面断面をＦＥ−ＳＥＭにより撮影した写真である。

符号の説明

１薄膜形成装置
２真空チャンバ
３支持テーブル
４支持軸
５駆動装置
６シリコン基板
７スパッタリング装置
８カソード電極
９ターゲット
１０磁気回路
１１電源装置
１２排気系システム
１３ガス供給系システム
１４レーザ導入筒部
１５導入窓部
１６レーザ照射部
１７拡散レンズ
１８薄膜形成領域
１９レーザ洗浄領域

Claims

真空チャンバと、真空チャンバ内に設けられるとともにシリコン基板を支持する基板支持手段と、真空チャンバ内の洗浄領域においてシリコン基板表面の洗浄を行うレーザ照射手段と、真空チャンバ内の薄膜形成領域においてシリコン基板表面に薄膜形成を行うスパッタリング手段と、前記洗浄領域及び前記薄膜形成領域にシリコン基板を配置するように前記基板支持手段を駆動する駆動手段とを備えていることを特徴とする薄膜形成装置。
前記スパッタリング手段は複数設けられてそれぞれ対応する複数の薄膜形成領域において薄膜形成を行うようになっており、前記洗浄領域は前記薄膜形成領域の間に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の薄膜形成装置。
前記レーザ照射手段は、ナノ秒レーザにより照射を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の薄膜形成装置。