JP2010053402A - 成膜装置及び酸化物薄膜成膜用基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】結晶性及び平坦性に優れた金属膜を基板上に成膜できる成膜装置及び酸化物薄膜成膜用基板の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る成膜装置は、プロセス室１と、プロセス室に配置された一対のターゲット１１，１２と、前記ターゲットに電力を印加する電源と、プロセス室に配置された蒸着源１０と、プロセス室内を真空排気する真空排気機構と、プロセス室内にガスを導入するガス導入機構と、プロセス室内に配置され、基板を保持する基板保持機構２と、基板保持機構に設けられた基板を加熱する加熱機構４とを具備する。前記成膜装置は、基板上に３００℃以下の温度で第１の金属膜をスパッタリング成膜した後に、第１の金属膜上に５００℃〜１０００℃の温度で第２の金属膜をスパッタリング成膜し、蒸着法により第２の金属膜上に第３の金属膜を成膜するものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、成膜装置及び酸化物薄膜成膜用基板の製造方法に係わり、特に、結晶性及び平坦性に優れた金属膜を基板上に成膜できる成膜装置及び酸化物薄膜成膜用基板の製造方法に関する。

以下、従来の酸化物薄膜成膜用基板の製造方法について説明する。
まず、基板上に厚さ５〜１０ｎｍ程度の第１のＰｔ薄膜をスパッタリングにより成膜する。この際の基板温度は６５０℃程度である。次いで、第１のＰｔ薄膜上に厚さ１００〜２００ｎｍ程度の第２のＰｔ薄膜を真空蒸着法により成膜する。この際の基板温度は３００℃以下である。

上記従来の酸化物薄膜成膜用基板の製造方法では、６５０℃の高温スパッタで結晶性、配向性に優れた第１のＰｔ薄膜を形成し、続けて３００℃以下の低温で第２のＰｔ薄膜を蒸着させる。これにより、第２のＰｔ薄膜は第１のＰｔ薄膜の結晶性、配向性を受け継ぐことができ、その結果、結晶性、配向性に優れた第２のＰｔ薄膜を作製することができる（例えば特許文献１，２参照）。

特開２００３−２１３４０２（段落００２９〜００３９、図３） 特開平３−３９０１４（段落００３３〜００３７、図１）

しかしながら、上記従来の酸化物薄膜成膜用基板の製造方法では、第１のＰｔ薄膜を基板温度が６５０℃の高温でスパッタリングにより成膜しているため、第１のＰｔ薄膜の表面は凹凸が大きくなり平坦性が悪くなる。そして、第１のＰｔ薄膜上に成膜された第２のＰｔ薄膜は、第１のＰｔ薄膜の結晶性、モフォロジーをそのまま受け継いでしまうため、第２のＰｔ薄膜の表面も凹凸が大きくなり平坦性が悪くなる。

また、従来の酸化物薄膜成膜用基板の製造方法によりＰｔをＩｒ又はＲｕに代えた場合でも、上述したＰｔの場合と同様の課題がある。

本発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、結晶性及び平坦性に優れた金属膜を基板上に成膜できる成膜装置及び酸化物薄膜成膜用基板の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る成膜装置は、プロセス室と、
前記プロセス室に配置されたスパッタリングターゲットと、
前記スパッタリングターゲットに電力を印加する電源と、
前記プロセス室に配置された蒸着源と、
前記プロセス室内を真空排気する真空排気機構と、
前記プロセス室内にガスを導入するガス導入機構と、
前記プロセス室内に配置され、基板を保持する基板保持機構と、
前記基板保持機構に設けられた前記基板を加熱する加熱機構と、
を具備する成膜装置であって、
前記成膜装置は、前記基板保持機構によって基板を保持し、前記スパッタリングターゲットに電力を印加して放電させることにより前記基板上に３００℃以下の温度で第１の金属膜を成膜した後に、前記スパッタリングターゲットに電力を印加して放電させることにより前記第１の金属膜上に５００℃〜１０００℃の温度で第２の金属膜を成膜し、前記蒸着源を用いた蒸着法により前記第２の金属膜上に第３の金属膜を成膜するものであることを特徴とする。

上記本発明に係る成膜装置によれば、基板上に第１の金属膜を３００℃以下の温度でスパッタリングにより成膜できるため、第１の金属膜の表面の平坦性を向上させることができる。そして、第１の金属膜上に成膜された第２及び第３の金属膜は、第１の金属膜の結晶性、モフォロジーをそのまま受け継ぐため、第２及び第３の金属膜の表面も平坦性を向上させせることができる。また、第１の金属膜上に第２の金属膜を５００℃〜１０００℃の温度でスパッタリングにより成膜するため、第２の金属膜の結晶性を良くすることができ、その結果、第２の金属膜上に成膜される第３の金属膜の結晶性も良くすることができる。

また、本発明に係る成膜装置において、前記スパッタリングターゲットは対向する一対のターゲットであっても良く、前記一対のターゲットに電力を印加することで前記一対のターゲット間で放電させることで第１及び第２の金属膜を成膜することも可能である。これにより、イオン密度の高い平行平板型のスパッタ装置に比べて基板へのプラズマダメージを小さくすることができる。

また、本発明に係る成膜装置において、前記第１乃至第３の金属膜それぞれは、Ｐｔ、Ｉｒ及びＲｕのいずれかからなることが好ましい。

本発明に係る酸化物薄膜成膜用基板の製造方法は、基板上に３００℃以下の温度でスパッタリング法により第１の金属膜を成膜する工程と、
前記第１の金属膜上に５００℃〜１０００℃の温度でスパッタリング法により第２の金属膜を成膜する工程と、
前記第２の金属膜上に３００℃以下の温度で蒸着法により第３の金属膜を成膜する工程と、
を具備することを特徴とする。

また、本発明に係る酸化物薄膜成膜用基板の製造方法において、前記第１の金属膜を成膜する工程と前記第２の金属膜を成膜する工程との間に、前記第１の金属膜を５００℃〜１０００℃の温度で焼成する工程をさらに具備することが好ましい。

また、本発明に係る酸化物薄膜成膜用基板の製造方法において、スパッタリング法は対向する一対のターゲットを用いたスパッタリングであることが好ましい。

また、本発明に係る酸化物薄膜成膜用基板の製造方法において、前記第１乃至第３の金属膜それぞれは、Ｐｔ、Ｉｒ及びＲｕのいずれかからなることが好ましい。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明に係る実施の形態による成膜装置の概略を示す構成図である。この成膜装置は、対向ターゲットのスパッタリングによる成膜と蒸着法による成膜を行うことが可能な装置である。

図１に示すように、この成膜装置はプロセス室１を有しており、このプロセス室１内には基板保持機構２が配置されている。この基板保持機構２は、基板を保持する基板保持部３と、この基板保持部３に設けられた基板を加熱する基板加熱用ヒータ４と、基板を冷却する基板冷却機構（図示せず）と、基板保持部３を矢印５ａのように自転させる基板自転機構（基板回転機構）５と、基板保持部３を矢印６ａのように振り子移動させる移動機構６とを有している。

プロセス室１の内壁には防着板７が取り付けられている。この防着板７は、成膜装置を稼動させた際に薄膜がプロセス室１の内壁に直接付着しないようにするためのものである。

プロセス室１の側方には対向スパッタカソード８が設けられている。この対向スパッタカソード８とプロセス室１との間には対向スパッタカソード用シャッタ９が配置されており、この対向スパッタカソード用シャッタ９は、対向スパッタカソード８とプロセス室１を仕切るためのものである。

対向スパッタカソード８は対向ターゲットを備えており、この対向ターゲットは所定の空間を隔てて並行に対向する一対のターゲット１１，１２である。ターゲット１１，１２は、Ｐｔ、Ｉｒ及びＲｕのいずれかからなるターゲットである。ターゲット１１，１２それぞれの背面側には磁界発生手段である永久磁石（図示せず）が配置されている。この磁界発生手段は、ターゲット１１，１２の背面に対しほぼ垂直方向に磁界を発生するものであって、ターゲット１１とターゲット１２との間に磁界が生じるように構成されている。また、基板保持機構２は、対向ターゲットの側面側に基板を位置させることができるようになっている。

対向ターゲットにはパルス波を印加するパルス電源（図示せず）が接続されており、このパルス電源によって対向ターゲットにパルス波による電力を印加するようになっている。尚、電源としては、パルス電源に限られず、他の電源、例えば非対称パルス波を印加する電源、サイン波を印加する電源などを用いることも可能である。

また、対向スパッタカソード８はガス導入機構（図示せず）を備えている。このガス導入機構はマスフローコントローラ（ＭＦＣ）を有している。

プロセス室１の下方にはＰｔ、Ｉｒ及びＲｕのいずれかの蒸着源１０が配置されている。この蒸着源１０は、Ｐｔ、Ｉｒ及びＲｕのいずれかの蒸発材を収容したルツボ及び電子銃（ＥＢgun）を有している。ルツボには冷却機構（図示せず）が取り付けられている。蒸着源１０は、電子銃からの電子ビームを前記蒸発材に照射して加熱し、Ｐｔ、Ｉｒ及びＲｕのいずれかを蒸発させるものである。

また、プロセス室１には、プロセス室１の内部圧力を所定圧力まで下げるための図示せぬ排気ポンプ系（真空排気機構）が接続されている。

次に、図１に示す成膜装置を用いて基板に薄膜を成膜する方法について図２（Ａ）〜（Ｄ）を参照しつつ説明する。この成膜装置を用いて最終的に作製されるのが酸化物薄膜成膜用基板である。なお、図２（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明の実施の形態による酸化物薄膜成膜用基板の製造方法を説明するための断面図である。

まず、図１に示す基板保持部３に基板を保持し、基板保持部３を移動機構６により振り子移動させ、基板保持部３に保持された基板を対向スパッタカソード８に対向させる。つまり、一対のターゲット１１，１２の側面側に基板を対向させる。次いで、ガス導入機構によってプロセス室１内に不活性ガス（例えばＡｒ）をマスフローコントローラによって流量を調整して導入しながら、プロセス室１内を排気ポンプ系により真空引きを行い、プロセス室１の内部圧力を所定圧力まで減圧して真空状態にする。

次いで、パルス電源から所定の電力を対向ターゲットに加え、ターゲット１１とターゲット１２との間で放電させ、磁界発生手段によりプラズマをターゲット間で閉じ込めながらスパッタリングを行なう。この際の基板温度は３００℃以下（好ましくは２００℃程度）に基板加熱用ヒータ４によって制御される。このようにして図２（Ａ）に示すように、基板１３上にＰｔ、Ｉｒ及びＲｕのいずれかからなる厚さ５〜２５ｎｍの第１の金属膜１４を成膜する。

次いで、基板加熱用ヒータ４により第１の金属膜１４を５００℃〜１０００℃（好ましくは５００℃〜７５０℃、より好ましくは６５０℃）の温度に加熱する。これにより、図２（Ｂ）に示すように、第１の金属膜１４が焼成され結晶化される。この際のプロセス室１内の雰囲気は、不活性ガスが導入された真空状態であっても良いし、大気雰囲気であっても良い。

次いで、ガス導入機構によってプロセス室１内に不活性ガス（例えばＡｒ）をマスフローコントローラによって流量を調整して導入しながら、プロセス室１内を排気ポンプ系により真空引きを行い、プロセス室１の内部圧力を所定圧力まで減圧して真空状態にする。

次いで、パルス電源から所定の電力を対向ターゲットに加え、ターゲット１１とターゲット１２との間で放電させ、磁界発生手段によりプラズマをターゲット間で閉じ込めながらスパッタリングを行なう。この際の基板温度は、５００℃〜１０００℃（好ましくは５００℃〜７５０℃、より好ましくは６５０℃）に基板加熱用ヒータ４によって制御される。このようにして図２（Ｃ）に示すように、第１の金属膜１４上にＰｔ、Ｉｒ及びＲｕのいずれかからなる厚さ５〜２５ｎｍの第２の金属膜１５を成膜する。

次いで、対向ターゲットへの出力供給を停止し、スパッタリングを終了する。不活性ガスの供給も停止する。基板加熱用ヒータ４も消灯させる。

この後、図１に示す基板保持部３を移動機構６により矢印６ａのように振り子移動させ、基板保持部３を蒸着源１０に対向させる。次いで、前記基板冷却機構により基板１３を冷却して基板温度を３００℃以下に下げる。

次いで、蒸着源１０に出力を供給し、Ｐｔ、Ｉｒ及びＲｕのいずれかを蒸発させて基板への蒸着を行う。これにより、第２の金属膜１５上にＰｔ、Ｉｒ及びＲｕのいずれかからなる膜厚が１００〜２００ｎｍ程度の第３の金属膜１６が堆積される。この際、第３の金属膜の面内膜厚分布を良くするために、基板自転機構５により面内で基板１３を回転させる。すなわち、基板１３を面内で回転させながら電子銃により電子ビームを蒸発材に照射して加熱し、Ｐｔ、Ｉｒ及びＲｕのいずれかを蒸発させて第２の金属膜１５上に第３の金属膜１６を成膜する。

次いで、蒸着源１０への出力供給を停止し、蒸着を終了する。このようにして酸化物薄膜成膜用基板を作製する。

図２（Ｄ）に示す酸化物薄膜成膜用基板は基板１３を有しており、この基板１３上にはスパッタリングにより厚さ５〜２５ｎｍ程度の第１の金属膜１４が形成されている。第１の金属膜１４上にはスパッタリングにより厚さ５〜２５ｎｍ程度の第２の金属膜１５が形成されており、第２の金属膜１５上には蒸着法により厚さ１００〜２００ｎｍ程度の第３の金属膜１６が形成されている。

上記実施の形態によれば、基板１３上に第１の金属膜１４を３００℃以下（好ましくは２００℃程度）の温度でスパッタリングにより成膜しているため、基板１３へのダメージが少なくしつつ第１の金属膜１４の表面の凹凸を少なくして平坦性を向上させることができる。そして、第１の金属膜１４に成膜された第２及び第３の金属膜１５，１６は、第１の金属膜１４の結晶性、モフォロジーをそのまま受け継ぐため、第２及び第３の金属膜１５，１６の表面も平坦性を向上させせることができる。

また、上記実施の形態では、第１の金属膜１４上に第２の金属膜１５を５００℃〜１０００℃（好ましくは５００℃〜７５０℃、より好ましくは６５０℃）の温度でスパッタリングにより成膜するため、第２の金属膜１５の結晶性を良くすることができる。そして、第２の金属膜１５上に成膜される第３の金属膜１６の結晶性も良くすることができる。

また、上記実施の形態では、対向する一対のターゲット１１，１２を備えた対向スパッタカソード８によって第１及び第２の金属膜１４，１５を成膜するため、イオン密度の高い平行平板型のスパッタ装置に比べて基板１３へのプラズマダメージを小さくすることができる。従って、基板１３に半導体素子等が形成されていた場合に有効である。また、対向スパッタカソード８を用いることにより、膜厚の薄い第１及び第２の金属膜１４，１５を成膜する際に膜厚のコントロールが容易になる。

なお、上記実施の形態では、電子線を利用したエレクトロンビーム蒸着（ＥＢ蒸着）方式を用いているが、他の蒸着方式を用いることも可能であり、例えば抵抗加熱方式を用いることも可能である。

［実施例］
次に、上記実施の形態による酸化物薄膜成膜用基板を作製する実験を行った。その実験条件は以下のとおりである。

（第１の金属膜の成膜条件）
装置 ： 図１に示す成膜装置
基板 ： 表面にＳｉＯ_２膜が成膜されたＳｉ基板
第１の金属膜の材料 ： Ｐｔ
基板温度 ： ２００℃
不活性ガス ： Ａｒ
Ａｒ流量 ： ２０ｃｃ／分
圧力 ： ０．４Ｐａ
膜厚 ： ２５ｎｍ
パルス電源のＤＣパワー ： １００Ｗ

（第１の金属膜の焼成条件）
装置 ： 図１に示す成膜装置
焼成温度 ： ６５０℃
雰囲気 ： 大気

（第２の金属膜の成膜条件）
装置 ： 図１に示す成膜装置
第２の金属膜の材料 ： Ｐｔ
基板温度 ： ６５０℃
不活性ガス ： Ａｒ
Ａｒ流量 ： ２０ｃｃ／分
圧力 ： ０．４Ｐａ
膜厚 ： ２５ｎｍ
パルス電源のＤＣパワー ： １００Ｗ

（第３の金属膜の成膜条件）
装置 ： 図１に示す成膜装置
蒸着源 ： 電子ビーム蒸着
電子銃出力 ： １０ｋＶ，２４０ｍＡ
第３の金属膜の材料 ： Ｐｔ
基板温度 ： １５０℃
膜厚 ： １５０ｎｍ

［比較例］
次に、比較例として従来技術で説明した方法により酸化物薄膜成膜用基板を作製した。その条件について説明する。

（第１のＰｔ薄膜の成膜条件）
スパッタリング装置 ： 平行平板型
基板 ： 表面にＳｉＯ_２膜が成膜されたＳｉ基板
基板温度 ： ６５０℃
不活性ガス ： Ａｒ
Ａｒ流量 ： ２０ｃｃ／分
圧力 ： ０．４Ｐａ
膜厚 ： ５０ｎｍ
ＤＣパワー ： １００Ｗ

（第２のＰｔ薄膜の成膜条件）
蒸着源 ： 電子ビーム蒸着
電子銃出力 ： １０ｋＶ，２４０ｍＡ
基板温度 ： １５０℃
膜厚 ： １５０ｎｍ

図３及び図４は、実施例及び比較例それぞれによる酸化物薄膜成膜用基板のＸ線回折の結果（Ｐｔ−ＸＲＤ評価結果）を示す図である。

図３に示すように、比較例の従来法による酸化物薄膜成膜用基板のＰｔ薄膜の反射強度が２０００００ｃｐｓであるのに対し、実施例の本発明による酸化物薄膜成膜用基板のＰｔ薄膜の反射強度は４０００００ｃｐｓであった。つまり、実施例のＰｔ薄膜は、比較例のＰｔ薄膜に比べて強度が２倍になったことが確認された。これは、実施例のＰｔ薄膜の平坦性が格段に向上したことを示すものである。

図４に示すように、比較例の従来法による酸化物薄膜成膜用基板のＰｔ薄膜の半価幅が１．５°であるのに対し、実施例の本発明による酸化物薄膜成膜用基板のＰｔ薄膜の半価幅は０．６°であった。これは、実施例のＰｔ薄膜が限りなく単結晶に近いことを示すものである。

尚、本発明は上記実施の形態及び実施例に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。

本発明に係る実施の形態による成膜装置の概略を示す構成図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、本発明の実施の形態による酸化物薄膜成膜用基板の製造方法を説明するための断面図である。 実施例及び比較例それぞれによるＰｔ−ＸＲＤ評価結果を示す図である。 実施例及び比較例それぞれによるＰｔ−ＸＲＤ評価結果を示す図である。

符号の説明

１…プロセス室
２…基板保持機構
３…基板保持部
４…基板加熱用ヒータ
５…基板自転機構（基板回転機構）
６…移動機構
５ａ，６ａ…矢印
７…防着板
８…対向スパッタカソード
９…対向スパッタカソード用シャッタ
１０…蒸着源
１１，１２…一対のターゲット
１３…基板
１４…第１の金属膜
１５…第２の金属膜
１６…第３の金属膜

Claims (7)

1. プロセス室と、
   前記プロセス室に配置されたスパッタリングターゲットと、
   前記スパッタリングターゲットに電力を印加する電源と、
   前記プロセス室に配置された蒸着源と、
   前記プロセス室内を真空排気する真空排気機構と、
   前記プロセス室内にガスを導入するガス導入機構と、
   前記プロセス室内に配置され、基板を保持する基板保持機構と、
   前記基板保持機構に設けられた前記基板を加熱する加熱機構と、
   を具備する成膜装置であって、
   前記成膜装置は、前記基板保持機構によって基板を保持し、前記スパッタリングターゲットに電力を印加して放電させることにより前記基板上に３００℃以下の温度で第１の金属膜を成膜した後に、前記スパッタリングターゲットに電力を印加して放電させることにより前記第１の金属膜上に５００℃〜１０００℃の温度で第２の金属膜を成膜し、前記蒸着源を用いた蒸着法により前記第２の金属膜上に第３の金属膜を成膜するものであることを特徴とする成膜装置。
2. 請求項１において、前記スパッタリングターゲットは対向する一対のターゲットであり、前記一対のターゲットに電力を印加することで前記一対のターゲット間で放電させることを特徴とする成膜装置。
3. 請求項１又は２において、前記第１乃至第３の金属膜それぞれは、Ｐｔ、Ｉｒ及びＲｕのいずれかからなることを特徴とする成膜装置。
4. 基板上に３００℃以下の温度でスパッタリング法により第１の金属膜を成膜する工程と、
   前記第１の金属膜上に５００℃〜１０００℃の温度でスパッタリング法により第２の金属膜を成膜する工程と、
   前記第２の金属膜上に３００℃以下の温度で蒸着法により第３の金属膜を成膜する工程と、
   を具備することを特徴とする酸化物薄膜成膜用基板の製造方法。
5. 請求項４において、前記第１の金属膜を成膜する工程と前記第２の金属膜を成膜する工程との間に、前記第１の金属膜を５００℃〜１０００℃の温度で焼成する工程をさらに具備することを特徴とする酸化物薄膜成膜用基板の製造方法。
6. 請求項４又は５において、スパッタリング法は対向する一対のターゲットを用いたスパッタリングであることを特徴とする酸化物薄膜成膜用基板の製造方法。
7. 請求項４乃至６のいずれか一項において、前記第１乃至第３の金属膜それぞれは、Ｐｔ、Ｉｒ及びＲｕのいずれかからなることを特徴とする酸化物薄膜成膜用基板の製造方法。