JP2012528936A - 成膜設備および成膜方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、真空化が可能で、基板を収容するようになされた少なくとも１つの受容器と、少なくとも１つの気体前駆体を受容器の中に導入するために使用される少なくとも１つの気体供給装置と、画定可能な長さ方向の範囲を有し、受容器に関して事実上移動不能となるように少なくとも１つの関連する機械的固定装置によって固定される少なくとも１つの加熱可能な活性化要素と、を備える成膜設備に関する。少なくとも２つの接触要素を介して電流を活性化要素に供給することができ、接触要素の少なくとも１つは、交互の接触地点で活性化要素と接触するように設計される。本発明はさらに、これに対応する成膜方法にも関する。

Description

本発明は、真空化が可能で、基板を受ける（受け入れる）ためのものとされた少なくとも１つの受容器と、少なくとも１つの気体前駆体を受容器の中に導入できる手段となる少なくとも１つの気体供給装置と、予め決定可能な長さ方向の範囲を有し、少なくとも１つの専用の機械的固定装置によって受容器に関してほとんど移動不能に固定される少なくとも１つの加熱可能な活性化要素と、を備える成膜設備に関する。本発明はまた、これに対応する成膜方法にも関する。

冒頭に記した種類の成膜設備は、先行技術によれば、ホットワイヤ活性化化学気相成長法によって基板を被覆するためのものとされている。堆積層は、たとえば炭素、シリコンまたはゲルマニウムからなっていてもよい。これに対応して、気体前駆体は、たとえばメタン、モノシラン、モノゲルマニウム(Monogerman)、アンモニアまたはトリメチルシランからなっていてもよい。

Ｋ．Ｈｏｎｄａ、Ｋ．ＯｈｄａｉｒａおよびＨ．ＭａｔｓｕｍｕｒａによるＪａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ第４７巻第５号の記事は、冒頭に記載した種類の成膜設備のシリコン膜形成への利用について開示している。この目的のために、シラン（ＳｉＨ_４）が前駆体として気体供給装置により供給される。先行技術によれば、前駆体は活性化要素の加熱されたタングステン表面で分解、活性化され、それによってシリコン層またはシリコンを含む相が基板上に堆積されることが可能となる。

しかしながら、引用した先行技術の欠点は、活性化要素の材料と前駆体との望ましくない反応が、特に活性化要素の中のより低温の締め付け地点において起こることである。たとえば、前駆体としてシラン化合物を使用することにより、活性化要素上にシリサイド相が形成されることがある。

反応中に形成されるシリサイド相は一般に、活性化要素の体積の変化の原因となり、出発材料と比較して脆く、出発材料ほど大きな機械的な力には耐えられず、また、その電気抵抗が変化することが多い。その影響として、活性化要素は、数時間動作した時点ですでに破壊されていることが多い。たとえば、活性化要素は受容器内で機械的プレストレスの加えられた状態で使用され、この機械的プレストレスの影響を受けて破断するかもしれない。機械的プレストレスを受けた活性化要素の破断を防止するために、先行技術では、締め付け地点に不活性ガスを流すことが提案されている。先行技術によれば、確かに使用可能寿命がある程度まで延びているが、比較的長い成膜プロセスを実行するとき、または、より短時間の成膜プロセスを何回も次々に実行する場合には依然として不十分である。さらに、使用される不活性ガスは成膜方法に影響を与える。

Ｋ．Ｈｏｎｄａ、Ｋ．Ｏｈｄａｉｒａ, Ｈ．Ｍａｔｓｕｍｕｒａ,"Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ", 第４７巻第５号

本発明は、したがって、成膜方法に不利な影響を与えることなく、ホットワイヤ活性化化学気相成長法のための成膜設備における活性化要素の使用可能寿命を延長するという目的に基づく。本発明の目的はまた、方法の安定性を改善し、および／または方法の制御を簡素化することでもある。

上記の目的は、本発明によれば、請求項１による成膜設備と請求項８による成膜方法によって実現される。

本発明によれば、それ自体が周知の方法で成膜対象の基板を真空化可能な受容器（容器）の中に導入することが提案される。受容器は、たとえばアルミニウム、高級鋼、セラミックおよび／またはガラスから構成されてもよい。受容器は、たとえば金属もしくは重合体の密閉要素によって、または溶接およびはんだもしくはろう付け接続によって、それ自体が周知の方法で、実質的に気密状態に閉鎖される。受容器は、真空ポンプによって真空化されてもよい。

予め設定可能な分圧を有する少なくとも１つの気体前駆体が、気体供給装置によって受容器内に導入される。たとえば、前駆体はメタン、シラン、ゲルマニウム(Germane)、アンモニア、トリメチルシラン、酸素および／または水素を含んでいてもよい。

層を堆積させるために、受容器内部の空間に配置された少なくとも１つの活性化要素（活性化素子）が加熱される。特に、活性化要素の加熱は、電子衝突加熱および／または電気抵抗加熱によって実行されてもよい。活性化要素は実質的に、たとえばモリブデン、ニオビウム、タングステンもしくはタンタルまたはこれらの金属の合金等の高融点金属を含む。これに加えて、活性化要素は、さらに別の化学元素を含んでいてもよく、これは不可避的な不純物であるか、合金成分として、活性化要素の特性を所望の特性に合わせて調整する。活性化要素は、ワイヤ、プレート、管、円柱および／またはさらに、より複雑な幾何学の形状であってもよい。

活性化要素の表面では、気体前駆体の分子が少なくとも部分的に分解または励起される。励起および／または分解は、活性化要素の表面の触媒特性によって促進されうる。このようにして活性化された分子が基板表面に到達し、ここで所望の被膜を形成する。これに加えて、気体前駆体の分子は、活性化要素の材料と少なくとも部分的に反応することがある。活性化要素の温度に応じて、励起および／または分解および／または活性化要素の材料との反応が抑制または加速されることがある。

活性化要素に電流を供給するために、少なくとも２つの接触要素（接触素子）が提供され、これによって活性化要素を電流または電圧源に接続することができる。均質材料の組成と一定の断面を有する活性化要素において、電流が流れる際に付与される熱エネルギーは、長さ方向の範囲に沿って均一に導入される。

接触要素の熱伝導の増大および／または放熱の増大により、活性要素の温度は接触要素の付近の部分において、接触要素からより遠い部分と比較して低くなることがある。この場合、活性化要素の温度は接触要素の付近の部分において、非常に低下し、活性化要素の材料が優先的に前駆体と化学反応を起こす。たとえば、タングステンを含む活性化要素は、シリコンを含む前駆体とタングステンシリサイド相を形成するかもしれない。

この問題を解決するために、本発明によれば、少なくとも１つの移動可能な接触要素を活性化要素と、異なる接触地点において接触させることが提案される。このようにすると、接触要素の移動に伴って、活性化要素の温度が下がる地点も移動する。

その結果、成膜方法全体を通じて、活性化要素の同じ場所に望ましくない相転移やこのような相転移の加速を起こすことがない。本発明のいくつかの実施形態において、最初に発生する望ましくない相転移、たとえばカーバイドまたはシリサイドの形成は、活性化要素のうち、望ましくない方法ですでに転移した表面領域または一部分をその後加熱して温度を上げると、再び逆転させることができる。このようにすれば、活性化要素の寿命は希望のとおりに延長される。

本発明によれば、（入れ替り）変化する接触点の形成は、接触要素の移動によって実現され、その間、活性化要素は周囲の受容器に関して移動不能な状態に保たれる。本願の説明の意味において、活性化要素はまた、熱膨張によってその長さがわずかに変化するときも常に移動不能である。本発明によれば、移動可能な固定要素の中で、活性化要素は移動しない。

本発明のいくつかの実施形態において、長い活性化要素の長さは前駆体の活性化に使用される領域より長くしてもよい。接触要素を移動させることによって、活性化要素のうちそれぞれ移動する一部分が加熱される。接触要素は、ここでは同じ方向に移動させることができ、それによって接触要素間に配置される加熱部分は毎回一定のままである。これは、活性化要素の電気制御を単純化させる。

本発明の１つの実施形態において、接触要素は複数の接触ピンを含んでいてもよく、これらは活性化要素の長さ方向の範囲（広がり）に沿って配置され、活性化要素に向けて移動させることができる。このようにすれば、必ずしも接触要素を活性化要素の長さ方向の範囲の方向に移動させる必要がない。むしろ、複数の接触ピンから少なくとも１つの接触ピンを活性化要素の長さ方向の範囲に実質的に垂直に、活性化要素に向かう方向に移動させるか、活性化要素から離すことで十分である。これによって、活性化要素の上の局所的に変化する接触点を簡単で信頼性の高い方法で実現できる。

本発明のいくつかの実施形態において、活性化要素は少なくとも１本のワイヤを含んでいてもよい。本発明の意味において、ワイヤの断面は丸、楕円または多角形であってもよい。このようにすれば、活性化要素の表面積対体積比を高めることができる。本発明のいくつかの実施形態において、このような活性化要素は、少なくとも１つのローラによって案内し、または偏向させることができる。ローラは、活性化要素を電流または電圧源に同時に電気的に接触させる接触要素の一部であってもよい。

以下に、本発明を例示的な実施形態と図面に基づいて、より詳しく説明するが、これは本発明の一般的概念を限定しない。図を参照する。

本発明による成膜設備の基本的構造を示す。 本発明により提案される活性化要素の例示的実施形態を示す。 本発明により提案される活性化要素の別の例示的実施形態を示す。 それぞれ複数の接触ピンを含む２つの接触要素を示す。

図１は、成膜設備（成膜装置）１の断面図である。成膜設備１は受容器１０を備え、受容器１０は、たとえば高級鋼、アルミニウム、ガラスまたはこれらの材料の組み合わせから製作される。受容器１０は、周囲から、実質的に気密状態となるように閉鎖される。真空ポンプ（図示せず）がポンプフランジ１０３によって接続されていてもよい。たとえば、受容器１０を真空化して、１０^０ｍｂａｒ未満、１０^−２ｍｂａｒ未満または１０^−６ｍｂａｒ未満の圧力としてもよい。

受容器１０の内部に、保持装置１０４があり、その中に基板３０が載置されてもよい。基板３０は、たとえばガラス、シリコン、プラスチック、セラミック、金属または合金からなっていてもよい。基板は半導体ウェハ、窓ガラスまたはツール（工具）であってもよい。それは、平面または曲面を持っていてもよい。前述の材料はここでは例として挙げたにすぎない。本発明は、ソリューションを提供するための原理として、特定の基板の使用を教示していない。成膜設備１の動作中、基板３０の上に被膜１０５が堆積される。

被膜１０５の組成は、気体前駆体の選択によって影響を受ける。本発明の１つの実施形態において、前駆体はメタンを含んでいてもよく、それによって、被膜１０５はダイヤモンドまたはダイヤモンドライクカーボンを含むことになる。本発明の他の実施形態において、前駆体はモノシランおよび／またはモノゲルマニウム（Monogerman）を含んでいてもよく、それによって、被膜は結晶またはアモルファスシリコンおよび／またはゲルマニウムを含むことになる。

気体前駆体は、少なくとも１つのガス供給装置２０によって受容器１０の内部に導入される。気体供給装置２０は、貯蔵容器２１から気体前駆体を取得する。貯蔵容器２１から得られる前駆体の量は、制御弁２２によって影響を受け得る。被膜１０５が複数の異なる前駆体で構成(生成)される場合、貯蔵容器２１に調合済みの気体混合物を収容してもよく、あるいは、複数の気体供給装置２０を設置して、各々が成分前駆体(調合前駆体)の成分を受容器１０の中に導入してもよい。

制御弁２２によって気体供給装置２０に供給される前駆体の量は、制御装置１０１によって監視される。制御装置１０１には、測定装置１００により、分圧または絶対圧の実際の数値が供給される。

気体前駆体の活性化には、活性化装置４０が利用可能である。活性化要素４０は、１つまたはそれ以上の触媒活性面を有し、たとえば金属シートまたはワイヤの形態である。たとえば、活性化要素４０はタングステン、モリブデンおよびニオビウムおよび／またはタンタルを含んでいてもよい。

活性化要素４０は、少なくとも１つの保持要素４４に固定される。保持要素４４は活性化要素４０を、予め決定可能な位置に、および／または予め決定可能な機械的応力により固定する。少なくとも１つの保持要素４４は、電気的に絶縁されるように構成して、活性化要素が少なくとも部分的に、予め決定可能な電位となるようにしてもよい。

活性化要素の動作中、受容器１０の内部に活性領域５０が形成され、その中で前駆体の分解および／または励起された成分を検出することができる。活性化要素４０の表面の活性は、室温より高い温度で実現される。活性化要素４０を加熱するためには、図１により、少なくとも２つの電気接触要素４３を設置することが想定される。接触要素４３によって、活性化要素の少なくとも一端を真空気密リード穴１０８によって電源１０７に接続してもよい。この場合、活性化要素４０の加熱は抵抗加熱によって行われる。活性化要素が均質材料で構成され、厚さが均一であると、活性化要素の長さ方向の範囲ｘに沿って導入される加熱出力（加熱電力）Ｅは一定であり、

となる。

保持要素４４および／または接触要素４３の熱伝導および／または放熱により、活性化要素４０の温度は、ワイヤの長さ全体にわたって加熱出力が実質的に一定であれば、幾何学中心から周縁に向かって低下する。この場合、接触要素４３の付近で、活性化要素４０の材料が気体前駆体と早い速度で反応して望ましくない相、たとえばカーバイドおよび／またはシリサイドおよび／またはゲルマナイドを形成する温度になるかもしれない。

活性化要素への前駆体の有害な影響を最小限にするために、図１によれば、活性領域５０の寸法より大きい幾何学的寸法を有する活性化要素４０を使用することが提案される。活性化要素４０は、保持要素４４によって電気的に絶縁されるように受容器１０の中に取り付けられる。２つの接触要素４３は、たとえばローラ、ロール、滑り接触点または同様の要素（素子）によって活性化要素４０と接触している。

接触要素４３は、活性化要素４０の長さ方向の範囲に沿って延びる搬送方向４９に沿って移動可能である。図１の実施形態において、両方の接触要素４３が活性化要素４０に沿って移動される。この場合、同じ方向に移動されてもよく、それによって活性化要素４０のうち接触要素４３の間に限定される部分はおよそ一定のままとされ、あるいは反対方向か、相関関係のない方法で移動され、接触要素４３によって限定される部分は横方向に変化しうる。搬送方向４９に沿った接触要素４３の移動は、調和的でも不調和的でもよく、また連続的に行われても、中断しながら行われてもよい。

接触要素４３の移動は、接触要素４３の接触点の付近で活性化要素４０に形成される低温位置を局所的に変化させるという影響（効果）を有する。このようにすれば、前駆体による活性化要素４０への有害な影響が活性化要素のより大きな表面積に分散され、それによって活性化要素の全体的寿命が延びる。本発明のいくつかの実施形態において、低温で前駆体が存在すると損傷を受ける領域が、接触要素４３を遠ざけたときに温度を上昇させることによって再生され、活性化要素４０の望ましくない相が新たに反応するようにできる。

図２は、活性化要素４０の例示的実施形態をさらに詳しく示す。本発明のこの実施形態において、活性化要素４０の活性面はワイヤ４１によって形成され、これはたとえばタングステン、ニオビウム、モリブデンまたはタンタルを含む。図２はまた、２つの保持要素４４を示しており、その間に活性化要素４０が固定される。保持要素４４は、絶縁された状態で活性化要素４０を受けることができる。活性化要素は保持要素４４に、たとえば締め付け、溶接あるいはばねによって固定されてもよい。このようにすれば、活性化要素４０の機械的応力を一定に保つことができる。

ワイヤ４１の接触には、２つの接触要素４３が利用可能であり、これらは異なる電位に保持される。異なる電位は、ワイヤ４１を加熱する役割を果たしうる電流を接触要素４３の間でワイヤ４１の中に流すという効果を有する。ワイヤ４１と接触要素４３の間の電気接触は、ローラ４６によって実現される。ローラ４６は、ローラキャリア４７に回転可能に取り付けられる。ローラ４６は、その円周面にワイヤ４１を受けることのできる溝を有していてもよく、それによってワイヤ４１がローラ４６から外れることなく、確実な電気接触が行われる。ローラ４６には、良好な導電性と低い熱伝導性を組み合わせる材料、たとえば高級鋼を使用してもよい。

ローラキャリア４７は、ワイヤ４１に実質的に平行に延びる搬送方向４９に沿って移動される。このために、ローラキャリア４７は、たとえばレール、ピラーガイド、ラック歯車またはねじロッドによって案内されてもよい。ローラキャリア４７の移動は、方向を変えて行われても、活性化要素４０の一端から反対の端へと一方向に行われてもよい。

活性化要素４０の別の例示的実施形態を図３に示す。図３は再び、２つの保持要素４４によって機械的に固定されるワイヤ４１を示している。ワイヤ４１と当たるように２つの接触要素４３があり、これらはたとえば滑り接触部を有する。滑り接触部は、たとえばワイヤ４１に対するばね力によって案内されて、一定の圧迫力が確実に加えられるようにしてもよい。

図３によれば、接触要素４３ｂはワイヤ４１に平行な移動方向４９に沿って案内される。このようにすれば、接触点をワイヤ４１に沿って移動させることができ、それによって最も低温の部分がワイヤ４１に沿って変化する。

図３の左側に示される接触要素４３ａは、ワイヤ４１の長さ方向の範囲に対して実質的に垂直に延びる方向に移動される。このようにすれば、接触要素４３をワイヤ４１と接触させたり、接触させなかったりすることができる。接触要素４３がワイヤ４１から離されていると、導電性の保持要素４４ａによって回路が切断される。このようにすれば、ワイヤ４１上の接触点を、保持要素４４ａの端点か接触要素４３ａのタップ部のいずれかに、個別に変化させることができる。

図４は２つの接触要素４３を示しており、各々が複数の接触ピン４５を含む。接触ピン４５は、活性化要素４０またはワイヤ４１の長さ方向の範囲に沿って配置される。接触ピン４５は、ワイヤ４１の長さ方向の範囲に対しておよそ垂直に延びる移動方向に沿って移動可能に取り付けられる。接触ピン４５は、たとえばワイヤ４１に対するばね力によってこの移動方向に沿って案内されることができる。少なくとも１本の接触ピンを移動させることによって、ワイヤ４１との接触位置を個別のステップで変化させることができる。不要な接触ピン４５はワイヤ４１から離すことができ、それによってこれらのピンは熱橋とならない。このようにすれば、ワイヤ４１の温度を、望ましくない有害な相が１カ所に短時間で形成されることがないように常に制御することができる。

いうまでもなく、図２〜図４に示される特徴はまた、このようにして本発明による活性化要素の他の実施形態を得るために組み合わせてもよい。したがって、上記の説明は、限定的ではなく例示的とみなすべきである。以下の特許請求の範囲は、前述の特徴が本発明の少なくとも１つの実施形態の中にあるという意味に理解するべきである。これは、他の特徴の存在を排除しない。特許請求の範囲の中で「第一の」および「第二の」特徴が定義される場合は常に、この呼び方は２つの同じ特徴を区別するためのものであり、それらにいかなる優先順位も与えない。

Claims (13)

1. 真空化が可能で、基板（３０）を受けるためのものとされた少なくとも１つの受容器（１０）と、少なくとも１つの気体前駆体を前記受容器（１０）の中に導入できる手段となる少なくとも１つの気体供給装置（２０、２１、２２）と、予め決定可能な長さ方向の範囲を有し、少なくとも１つの専用の機械的固定装置（４４）によって前記受容器（１０）に関してほとんど移動不能に固定される少なくとも１つの加熱可能な活性化要素（４０）と、を備える成膜設備（１）であって、
   少なくとも２つの接触要素（４３）によって電流を前記活性化要素に供給することができ、前記接触要素（４３）の少なくとも１つが、変化する接触点で前記活性化要素（４０）と接触するように設計されていることを特徴とする成膜設備（１）。
2. 前記接触要素（４３）が複数の接触ピン（４５）を含み、これらが前記活性化要素（４０）の前記長さ方向の範囲に沿って配置され、前記活性化要素に向かって移動可能であることを特徴とする、請求項１に記載の成膜設備（１）。
3. 前記活性化要素（４０）が少なくとも１本のワイヤ（４１）を含むことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の成膜設備（１）。
4. 前記接触要素（４３）は少なくとも１つのローラ（４６）を含み、これは前記活性化要素（４０）と接触するために設置されていることを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の成膜設備（１）。
5. 前記ワイヤ（４１）は何度も活性領域（５０）を通過するように導かれることを特徴とする、請求項３または請求項４のいずれかに記載の成膜設備（１）。
6. 予め決定可能な電位差をそれぞれに付与できる複数の接触要素（４３）が前記活性要素（４０）の前記長さ方向の範囲に沿って配置されることを特徴とする、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の成膜設備（１）。
7. 前記機械的固定装置（４４）は電気的に絶縁されることを特徴とする、請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の成膜設備（１）。
8. 基板（３０）の被膜（１０５）を生成する方法であって、前記基板は真空化可能な受容器（１０）の中に導入され、少なくとも１つの気体前駆体が少なくとも１つの気体供給装置（２０、２１、２２）によって前記受容器（１０）の中に導入され、少なくとも１つの電気的に加熱された活性化要素（４０）によって活性化され、少なくとも２つの接触要素（４３）によって電流が前記活性化要素（４０）に供給され、
   前記活性化要素（４０）は前記受容器の中で略固定されて配置され、前記接触要素（４３）の少なくとも１つと前記活性化要素（４０）との間で相対的な移動が起こされることを特徴とする方法。
9. 前記移動は周期的に行われることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. 前記接触要素（４３）は複数の接触ピン（４５）を含み、これらは前記活性化要素（４０）の長さ方向の範囲に沿って配置され、前記活性化要素（４０）に向かって交互に移動される、請求項８または請求項９に記載の方法。
11. 前記活性化要素（４０）は、少なくとも１本のワイヤ（４１）を含む、請求項８〜請求項１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記ワイヤ（４１）が何度も活性領域（５０）を通過する、請求項１１に記載の方法。
13. 前記活性化要素（４０）の前記長さ方向の範囲に沿った複数の接触要素（４３）が前記活性化要素（４０）と接触し、各接触要素（４３）に予め決定可能な電位差が付与される、請求項８〜請求項１２のいずれか一項に記載の方法。

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