JP2016069722A - Thin film manufacturing apparatus - Google Patents

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阿部 良夫
Yoshio Abe
良夫 阿部
みどり 川村
Midori Kawamura
みどり 川村
敬鎬 金
Kyung-Ho Kim
敬鎬 金
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing stably a large-area hydroxide thin film by a sputtering method, and to provide the large-area hydroxide thin film.SOLUTION: A sputtering device can provide a method for manufacturing stably a hydroxide thin film, and a large-area hydroxide thin film, by adding a steam supply mechanism and a cooling mechanism for controlling a steam partial pressure to a conventional sputtering device.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

水蒸気を反応ガスに用いた薄膜製造装置に関する  A thin film production system using water vapor as a reaction gas

従来の反応性スパッタリング法による化合物薄膜の作製技術のひとつとして、原料となる金属ターゲットを反応ガス雰囲気中でスパッタする反応性スパッタリンング法が使われている。  As one of the conventional techniques for producing a compound thin film by a reactive sputtering method, a reactive sputtering method is used in which a metal target as a raw material is sputtered in a reactive gas atmosphere.

例えば、シリコン(Si)ターゲットをAr+O混合ガス中でスパッタすることで酸化シリコン(SiO)薄膜、Ar+N混合ガス中でスパッタすることで窒化シリコン(SiN)薄膜を作製することができ、この反応性スパッタリング法を用いて高品質な化合物薄膜を作製するためには、スパッタチャンバ内の反応ガスの組成(Ar、O、Nなどの分圧)を安定かつ精密に制御する必要がある。For example, a silicon oxide (SiO 2 ) thin film can be produced by sputtering a silicon (Si) target in an Ar + O 2 mixed gas, and a silicon nitride (SiN) thin film can be produced by sputtering in an Ar + N 2 mixed gas. In order to produce a high-quality compound thin film using the reactive sputtering method, it is necessary to stably and precisely control the composition of the reaction gas (partial pressure of Ar, O 2 , N 2, etc.) in the sputtering chamber. .

そこで、一般的には使用環境の温度や圧力が変動しても一定量のガスを供給できるマスフローコントローラ(質量流量計)を用いることで、安定した反応ガス組成を実現している。  Therefore, in general, a stable reaction gas composition is realized by using a mass flow controller (mass flow meter) that can supply a certain amount of gas even if the temperature and pressure of the use environment fluctuate.

また、反応性スパッタリング法により化合物薄膜を作製する場合、OやNなどの反応ガス分圧を徐々に増加させると、ある臨界値の近傍で化合物薄膜の組成が急激に変化することが知られている。In addition, when preparing a compound thin film by the reactive sputtering method, it is known that the composition of the compound thin film changes rapidly in the vicinity of a certain critical value when the reaction gas partial pressure of O 2 , N 2 or the like is gradually increased. It has been.

例えば、SiターゲットをAr+O混合ガス雰囲気中でスパッタした場合、O分圧が臨界値より低いときには、酸素をわずかに含むSi薄膜が形成されるが、O分圧が臨界値を超えると、Si酸化物(SiO)薄膜が形成され、なお、臨界値よりも、さらにO分圧を高くしても、過剰なO分子はSi原子と反応しないため、安定なSiO薄膜が形成され、組成に大きな変化は生じないので、化合物薄膜を安定に作製するには、O分圧を臨界値以上にすれば良い。For example, when the Si target is sputtered in an Ar + O 2 mixed gas atmosphere, when the O 2 partial pressure is lower than the critical value, a Si thin film slightly containing oxygen is formed, but when the O 2 partial pressure exceeds the critical value, Then, an Si oxide (SiO 2 ) thin film is formed, and even if the O 2 partial pressure is made higher than the critical value, excess O 2 molecules do not react with Si atoms, so that a stable SiO 2 thin film is formed. Since it is formed and the composition does not change greatly, the O 2 partial pressure may be set to a critical value or more in order to stably produce the compound thin film.

水蒸気を反応ガスに用いた反応性スパッタリング法による水酸化物薄膜の作製では、例えば、オキシ水酸化ニッケル(NiOOH)やオキシ水酸化コバルト(CoOOH)などの水酸化物薄膜は、塩基性の水溶液電解質中で酸化還元反応を行わせると、酸化状態では濃い褐色に着色し、還元状態では透明、あるいは薄い黄色に色変化する。  In the production of a hydroxide thin film by reactive sputtering using water vapor as a reactive gas, for example, a hydroxide thin film such as nickel oxyhydroxide (NiOOH) or cobalt oxyhydroxide (CoOOH) is a basic aqueous electrolyte. When an oxidation-reduction reaction is carried out in the medium, it is colored dark brown in the oxidized state, and transparent or pale yellow in the reduced state.

この現象をエレクトロクロミズムといい、ディスプレイやスマートウィンドウとして応用する事が可能であり、従来は、電解析出法やゾルゲル法などの溶液を用いたウェットプロセスを使ってNiOOHやCoOOH薄膜を作製していたが、大面積の基板上に均一な組成と膜厚の薄膜を作製することは困難であった。  This phenomenon is called electrochromism and can be applied as a display or smart window. Conventionally, NiOOH and CoOOH thin films have been fabricated using wet processes using solutions such as electrolytic deposition and sol-gel methods. However, it has been difficult to produce a thin film having a uniform composition and thickness on a large-area substrate.

そこで我々は、水蒸気を反応ガスに用いるスパッタ成膜技術を開発した。金属ターゲットからスパッタされた金属原子と反応ガスとして供給した水分子が反応し、水酸化物薄膜が形成される。(非特許文献1)  Therefore, we have developed a sputter deposition technology that uses water vapor as the reactive gas. Metal atoms sputtered from the metal target react with water molecules supplied as a reaction gas, and a hydroxide thin film is formed. (Non-Patent Document 1)

Journal of the Vacuum Society of Japan、第58巻、9号、pp.515〜520(2010年)Journal of the Vacuum Society of Japan, Vol. 515-520 (2010)

しかし、水酸化物薄膜は、酸化物や窒化物薄膜と異なり、スパッタガス中の水蒸気分圧の増加とともに、水和物の形で膜中に取り込まれる水分子数が増加し、MO・nHO、あるいはM(OH)という組成(Mは金属原子)の薄膜が形成される。ここで、水和した水分子の数nは10を超える場合もあるので、水酸化物薄膜の組成を制御するためには、酸化物薄膜や窒化物薄膜を作製する場合に比べ、スパッタ雰囲気中の水蒸気分圧をより精密にコントロールすることが必要である。However, the hydroxide film, unlike the oxide or nitride thin film, with increasing partial pressure of water vapor in the sputtering gas, water molecules number is increased to be incorporated in the film in the form of hydrates, MO x · nH A thin film having a composition of 2 O or M (OH) n (M is a metal atom) is formed. Here, since the number n of hydrated water molecules may exceed 10, in order to control the composition of the hydroxide thin film, in the sputtering atmosphere, compared to the case of forming an oxide thin film or a nitride thin film. It is necessary to control the water vapor partial pressure more precisely.

図1に示す本発明のスパッタリング装置の概略図は、従来技術のスパッタリング装置と同様にスパッタチャンバ(真空容器)の中に原料となるスパッタターゲットが設置され、マスフローコントローラを用いたガス供給系、及びターボ分子ポンプ(TMP)とロータリーポンプ(RP)を組み合わせた真空排気系を備えている。マスフローコントローラによりガスの供給量を変えることと、メインバルブによって真空排気系の排気速度を変えることで、スパッタチャンバ内の全ガス圧力とガス組成を調整する。  The schematic view of the sputtering apparatus of the present invention shown in FIG. 1 is a gas supply system using a mass flow controller, in which a sputtering target serving as a raw material is installed in a sputtering chamber (vacuum vessel) as in the conventional sputtering apparatus, and An evacuation system combining a turbo molecular pump (TMP) and a rotary pump (RP) is provided. The total gas pressure and gas composition in the sputtering chamber are adjusted by changing the gas supply amount by the mass flow controller and changing the exhaust speed of the vacuum exhaust system by the main valve.

スパッタ成膜を行う際は、スパッタチャンバ内の圧力を0.1〜10Pa程度に制御した後、高圧電源により数百ボルトの直流又は交流又はパルス電圧をスパッタターゲットに印加し、プラズマを発生させる。プラズマ中で生成したイオンがターゲットを衝撃し、ターゲット原子をはじき飛ばすと、飛ばされたターゲット原子が基板上に堆積し、薄膜が形成される。  When performing sputtering film formation, the pressure in the sputtering chamber is controlled to about 0.1 to 10 Pa, and then several hundred volts of direct current, alternating current, or pulse voltage is applied to the sputtering target by a high-voltage power source to generate plasma. When ions generated in the plasma bombard the target and repel the target atoms, the skipped target atoms are deposited on the substrate to form a thin film.

本発明のスパッタリング装置は、従来のスパッタリング装置に水蒸気供給機構と水蒸気分圧を制御するための冷却機構を追加していることに特徴があり、まず、水蒸気供給機構について説明する。  The sputtering apparatus of the present invention is characterized in that a water vapor supply mechanism and a cooling mechanism for controlling the water vapor partial pressure are added to the conventional sputtering apparatus. First, the water vapor supply mechanism will be described.

水は室温では液体状態で、蒸気圧も低い(約2.3kPa)ため、十分な量の水蒸気を供給することが難しいため、例えばステンレス製の水タンクを恒温槽の中に設置し、約60℃まで水温を上昇させる。これにより、約30kPaの水蒸気圧力を得ることができ、この水蒸気は、凝結しないように保温した配管やバルブを通して、約80℃に加熱した高温用マスフローコントローラに導入する。  Since water is in a liquid state at room temperature and has a low vapor pressure (about 2.3 kPa), it is difficult to supply a sufficient amount of water vapor. Therefore, for example, a stainless steel water tank is installed in a thermostatic bath, and about 60 Increase water temperature to ℃. Thus, a water vapor pressure of about 30 kPa can be obtained, and this water vapor is introduced into a high-temperature mass flow controller heated to about 80 ° C. through piping and valves that are kept warm so as not to condense.

マスフローコントローラを用いることで、流量を安定、かつ精密に制御された水蒸気をスパッタチャンバに供給することができる。スパッタチャンバ内の水蒸気の圧力を制御するための冷却機構は、ペルチェ素子、ペルチェ素子用直流電源、ペルチェ素子の放熱側を冷媒を用いて冷却するための冷却器から構成されており、図1(b)の拡大図に示したように、ペルチェ素子の表面に薄膜が堆積するのを防止することと、温度の均一性を改善するため、ペルチェ素子の表面に熱伝導性の良い板を密着させており、例えば銅製のような冷却板がある。  By using the mass flow controller, water vapor whose flow rate is stable and precisely controlled can be supplied to the sputtering chamber. A cooling mechanism for controlling the pressure of water vapor in the sputter chamber includes a Peltier element, a DC power source for the Peltier element, and a cooler for cooling the heat radiation side of the Peltier element using a refrigerant. As shown in the enlarged view of b), in order to prevent the deposition of a thin film on the surface of the Peltier element and to improve the temperature uniformity, a plate having good thermal conductivity is adhered to the surface of the Peltier element. For example, there is a cooling plate made of copper.

我々は図1に示したようにスパッタリング装置内に冷却部を設置し、この温度によってスパッタチャンバ内の水蒸気圧力を制御した。気相中に存在する水蒸気の最大圧力は、飽和水蒸気圧で決まり、この値を超えると、水蒸気は凝結して水、または低温では凝固して氷となる。  As shown in FIG. 1, we installed a cooling unit in the sputtering apparatus, and controlled the water vapor pressure in the sputtering chamber by this temperature. The maximum pressure of water vapor present in the gas phase is determined by the saturated water vapor pressure, and when this value is exceeded, the water vapor condenses to form water or solidifies to ice at low temperatures.

従って、十分低温の冷却部を設置したスパッタリング装置に水蒸気を供給すれば、飽和水蒸気圧を超えた水蒸気は水、または氷となり、水蒸気圧力を一定に制御することができる。また、飽和水蒸気圧は、温度の低下とともに減少するので、スパッタチャンバ内に設置した冷却部の温度を変える事で、水蒸気圧力を制御することができる。なお、薄膜作製に用いる基板の温度が冷却部の温度よりも低温であると、基板表面に水、または氷膜が生成してしまうため、基板の温度よりも冷却部の温度を低温にすることが必要である。  Therefore, if water vapor is supplied to a sputtering apparatus provided with a sufficiently low temperature cooling unit, the water vapor exceeding the saturated water vapor pressure becomes water or ice, and the water vapor pressure can be controlled to be constant. Further, since the saturated water vapor pressure decreases as the temperature decreases, the water vapor pressure can be controlled by changing the temperature of the cooling unit installed in the sputtering chamber. If the temperature of the substrate used for thin film production is lower than the temperature of the cooling part, water or ice film is generated on the surface of the substrate. Therefore, the temperature of the cooling part should be lower than the temperature of the substrate. is necessary.

冷却部の冷却方法は、1)エチレングリコールやエタノールなどの融点が低い液体を冷却し、冷却部に循環させる方法、2)スターリング冷凍機、ギフォード・マクマホン冷凍機、パルス管冷凍機などで直接冷却する方法,3)ペルチェ素子を用いる方法があるが、液体の冷却には時間がかかること、機械式の冷凍機はサイズが大きく、価格も高いことから、ペルチェ素子が使用しやすい。  The cooling method of the cooling part is 1) Cooling a low melting point liquid such as ethylene glycol or ethanol and circulating it to the cooling part. 2) Direct cooling with Stirling refrigerator, Gifford McMahon refrigerator, pulse tube refrigerator, etc. 3) There is a method using a Peltier element, but it takes time to cool the liquid, and a mechanical refrigerator is large in size and expensive, so the Peltier element is easy to use.

ペルチェ素子は、2種類の金属や半導体の接合部に電流を流すと熱が移動する現象を利用した熱電素子の一種であり、冷却効率は低いが、電流の大きさによって高精度の温度制御が可能である。また、小型で体積が小さいため、真空装置の内部に設置する事が容易である。  A Peltier element is a type of thermoelectric element that utilizes the phenomenon that heat is transferred when a current is passed through a junction between two types of metals and semiconductors. Cooling efficiency is low, but high-precision temperature control is possible depending on the magnitude of the current. Is possible. Moreover, since it is small and has a small volume, it can be easily installed inside the vacuum apparatus.

本発明のスパッタリング装置では、チャンバに供給した水蒸気を冷却部に吸着されることで水蒸気圧力を一定に保っている。そこで、安定に水蒸気圧力を制御するために必要な冷却部の面積について計算すると、理想気体を仮定すると、0℃、1気圧で1molの気体の体積は22.4L(=2.24×10−2)、アボガドロ数N=6.02×1023であるので、水蒸気の供給量がFin(sccm)(=Fin×10−6/min)のとき、1秒間に供給される水分子数Ninは、

Figure 2016069722
となる。In the sputtering apparatus of the present invention, the water vapor pressure is kept constant by adsorbing the water vapor supplied to the chamber to the cooling unit. Therefore, when calculating the area of the cooling unit required to stably control the water vapor pressure, assuming ideal gas, 0 ° C., the volume of 1mol of gas at 1 atm 22.4L (= 2.24 × 10 - 2 m 3 ) and Avogadro's number N A = 6.02 × 10 23 , so when the supply amount of water vapor is F in (sccm) (= F in × 10 −6 m 3 / min), supply is performed for 1 second. The number of water molecules N in
Figure 2016069722
It becomes.

一方、1秒間に単位面積の壁に衝突する気体分子の数Zは、

Figure 2016069722
で与えられることが、麻蒔立男著、薄膜作成の基礎、第4版、日刊工業新聞社、p.28に記載されている。ここで、Pは気体の圧力(Pa)、Mは分子量、Tは気体の温度(K)である。冷却板の面積をS(m)とし、水蒸気の温度を室温(293K)、冷却板に衝突した水分子(水の分子量M=18)は全て吸着されると仮定すると、1秒間に冷却板に吸着する水分子数Nabは、
Figure 2016069722
となる。On the other hand, the number Z of gas molecules that collide with the wall of the unit area per second is
Figure 2016069722
Is given by Tatsuo Maya, Basics of Thin Film Production, 4th Edition, Nikkan Kogyo Shimbun, p. 28. Here, P is gas pressure (Pa), M is molecular weight, and T is gas temperature (K). Assuming that the area of the cooling plate is S (m 2 ), the temperature of the water vapor is room temperature (293 K), and all the water molecules that collide with the cooling plate (molecular weight M = 18 of water) are adsorbed per second. The number of water molecules N ab adsorbed on
Figure 2016069722
It becomes.

また、真空排気系により、1秒間にスパッタチャンバ外に排気される水分子数をNoutとすると、定常状態では、スパッタチャンバに供給される水分子数と冷却板への吸着、および真空排気系により排出される水分子数は等しいはずなので、
in=Nab+Nout
となるが、真空排気系からの排出が支配的な場合、図6に示したように圧力が安定するまでに非常に長い時間を要するので、水蒸気圧力を短時間で安定化させるにはNab>>Nout、すなわち真空排気系から排出される水分子数に比べ、冷却板に吸着する水分子数を十分大きくする必要があり、このときは、

Figure 2016069722
より、冷却板の面積Sを計算でき、冷却板への水分子の吸着確率は、100%より小さいことと、長時間、水蒸気雰囲気中でスパッタリングした場合、吸着板の表面に氷膜が生成し、冷却効率が低下することを考慮すると、冷却板の面積はこれよりも、広くすることが望ましい。Further, when the number of water molecules exhausted out of the sputtering chamber per second by the vacuum exhaust system is N out , the number of water molecules supplied to the sputtering chamber and the adsorption to the cooling plate and the vacuum exhaust system in a steady state. Because the number of water molecules discharged by
N in = N ab + N out
Become, but if the discharge from the vacuum exhaust system dominant, it takes a very long time until the pressure stabilizes as shown in FIG. 6, in order to stabilize in a short time the water vapor pressure N ab >> N out , that is, the number of water molecules adsorbed on the cooling plate needs to be sufficiently larger than the number of water molecules discharged from the vacuum exhaust system.
Figure 2016069722
Thus, the area S of the cooling plate can be calculated, and the probability of water molecule adsorption to the cooling plate is less than 100%. Considering that the cooling efficiency is lowered, it is desirable to make the area of the cooling plate wider than this.

本発明のスパッタリング法は、代表的なドライプロセス技術として、液晶ディスプレイや半導体デバイス用の薄膜材料の作製に広く使われている技術の応用であり、本方法を用いる事で、スパッタ雰囲気中の水蒸気分圧をより精密にコントロールできるため、大面積のNiOOH、及びCoOOH薄膜を作製することができ、エレクトロクロミック・スマートウィンドウとして、オフィスビルや一般家庭の窓に利用する事ができる。  The sputtering method of the present invention is an application of a technology widely used in the production of thin film materials for liquid crystal displays and semiconductor devices as a typical dry process technology. By using this method, water vapor in a sputtering atmosphere is applied. Since the partial pressure can be controlled more precisely, large-area NiOOH and CoOOH thin films can be produced, and can be used as an electrochromic smart window for windows in office buildings and ordinary homes.

エレクトロクロミック・スマートウィンドウは、電気的に光の透過率をコントロールできるので、夏季の強い太陽光を遮断して冷房用のエネルギーを節約することができ、また、冬季は、透過率を高くすることで、太陽光を積極的に屋内に取り入れ、暖房用のエネルギーを節約することができる。  The electrochromic smart window can electrically control the light transmittance, so it can block the strong sunlight in summer and save energy for cooling, and also increase the transmittance in winter. Therefore, sunlight can be actively taken indoors to save energy for heating.

さらに、屋外から入る光の透過率を適切に制御することで、屋内照明のためのエネルギーも節約する事が可能であり、また、ブラインドや厚いカーテンのように、視界を完全に遮らずに、外の様子を見る事ができるので、居住者の快適性が向上する。  In addition, by appropriately controlling the transmittance of light entering from the outside, it is possible to save energy for indoor lighting, and without completely blocking the view like blinds and thick curtains, Since the outside can be seen, the comfort of residents is improved.

本発明のスパッタリング装置の概略図である。It is the schematic of the sputtering device of this invention. 水蒸気を一定流量(2sccm)供給しながら、ペルチェ素子に流す電流を変えたときのスパッタチャンバ内の圧力の時間変化である。This is a change with time in the pressure in the sputtering chamber when the current flowing through the Peltier element is changed while supplying water vapor at a constant flow rate (2 sccm). ペルチェ素子に流す電流と冷却板の温度との関係であるIt is the relationship between the current passed through the Peltier element and the temperature of the cooling plate 水蒸気を一定流量(2sccm)供給しながら、ペルチェ素子に流す電流を段階的に増減した時の(a)圧力変化、(b)ペルチェ電流の設定10分後の圧力とペルチェ電流との関係、(c)冷却板の温度と圧力との関係である。(A) pressure change when the current passed through the Peltier element is increased or decreased stepwise while supplying water vapor at a constant flow rate (2 sccm), (b) the relationship between the pressure and Peltier current 10 minutes after setting the Peltier current, c) The relationship between the temperature and pressure of the cooling plate. ペルチェ素子の温度と水蒸気圧力の時間変化。(a)ペルチェ素子の温度変動が小さい場合、(b)ペルチェ素子の温度変動が大きい場合である。Change in temperature of Peltier element and water vapor pressure over time. (A) When the temperature fluctuation of the Peltier element is small, (b) When the temperature fluctuation of the Peltier element is large. アルゴンと水蒸気を一定流量(5sccm)供給開始、および供給停止した時のスパッタチャンバ内圧力の時間変化である。It is a time change of the pressure in a sputtering chamber when supply of argon and water vapor is started at a constant flow rate (5 sccm) and when supply is stopped. 供給ガス流量とスパッタチャンバ内の圧力との関係である。(a)アルゴンの流量を段階的に増減した時の圧力変化、(b)アルゴン流量設定10分後の圧力、(c)水蒸気流量を段階的に増減した時の圧力変化、(d)水蒸気の流量の設定10分後の圧力である。This is the relationship between the supply gas flow rate and the pressure in the sputtering chamber. (A) Pressure change when the argon flow rate is increased or decreased stepwise, (b) Pressure after 10 minutes of argon flow setting, (c) Pressure change when the water vapor flow rate is increased or decreased, (d) Water vapor flow rate This is the pressure 10 minutes after setting the flow rate.

以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明する。ただし、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。  Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples. However, the present invention is not limited to these examples.

図1に示した本発明のスパッタリング装置で、スパッタチャンバに2sccm(standard・cubic・centimeter・per・minute)の一定流量で水蒸気を供給しながら、ペルチェ素子に流す電流を変えて、チャンバ圧力を測定した。図2に示すように、ペルチェ素子に流す電流を2.5Aから5.0A、5.0Aから2.5Aへと階段的に増減させると、これに対応してチャンバ圧力も変化し、電流値を設定した後、10分程度で圧力が安定することがわかる。With the sputtering apparatus of the present invention shown in FIG. 1, while supplying water vapor at a constant flow rate of 2 sccm (standard, cubic, centimeter, per, minute) to the sputtering chamber, the current flowing through the Peltier element is changed and the chamber pressure is measured. did. As shown in FIG. 2, when the current passed through the Peltier element is increased or decreased stepwise from 2.5A to 5.0A and from 5.0A to 2.5A, the chamber pressure also changes correspondingly. It can be seen that the pressure stabilizes after about 10 minutes.

図1に示した本発明のスパッタリング装置で使用したペルチェ素子に流す電流を変えて、冷却板(ペルチェ素子に密着させた3cm×3cm、厚さ1mmの銅板)の温度を測定した結果を図3示す。なお、ペルチェ素子の放熱部には外部に設置した冷却機で5℃に冷却した冷却液(エチレングリコール系不凍液)を循環させているため、ペルチェ素子に電流を流していない場合の温度は約6℃である。ペルチェ素子に流す電流を増加させると、冷却板の温度も低下し、電流6Aで−60℃程度まで温度が低下する事を確認できる。  FIG. 3 shows the results of measuring the temperature of the cooling plate (3 cm × 3 cm, 1 mm thick copper plate in close contact with the Peltier element) by changing the current passed through the Peltier element used in the sputtering apparatus of the present invention shown in FIG. Show. In addition, since the cooling liquid (ethylene glycol antifreeze) cooled to 5 ° C. by a cooler installed outside is circulated in the heat radiating part of the Peltier element, the temperature when no current is passed through the Peltier element is about 6 ° C. When the current passed through the Peltier element is increased, the temperature of the cooling plate is also decreased, and it can be confirmed that the temperature is decreased to about −60 ° C. with the current 6A.

ペルチェ素子に流す電流を段階的に増加、および減少させた時の様子は、図4(a)に示すように、階段状に近い圧力変化を示し、図4(b)に示すように、電流を増加させた場合と減少させた場合でチャンバ圧力はほぼ一致し、図7(d)(比較例2)で見られたようなヒステリシスは認められない。図4(c)は、冷却板の温度と水蒸気圧力の関係を示しており、この図より、冷却部を−35℃以下に冷却することにより、通常のスパッタ成膜に利用される0.1〜10Pa程度の圧力範囲で水蒸気圧力をコントロールできることがわかる。  When the current flowing through the Peltier element is increased and decreased stepwise, as shown in FIG. 4 (a), a pressure change close to a step shape is shown, and as shown in FIG. The chamber pressure is almost the same between when the value is increased and when the value is decreased, and the hysteresis as seen in FIG. 7D (Comparative Example 2) is not recognized. FIG. 4 (c) shows the relationship between the temperature of the cooling plate and the water vapor pressure. From this figure, the cooling part is cooled to −35 ° C. or lower, and 0.1% used for normal sputtering film formation. It can be seen that the water vapor pressure can be controlled within a pressure range of about 10 Pa.

ペルチェ素子に流す電流を一定にしても、ペルチェ素子を冷却する冷却液の温度が変動すると、温度が変化する。この冷却部の温度変動によるチャンバ内の水蒸気圧力の変化の例を図5に示す。図5(a)は、温度変動幅が±0.1℃の安定な冷却器を用いた場合の実験結果であり、冷却部の温度は安定で、圧力変動もほとんどないことがわかる。これに対し、図5(b)は、温度変動幅が±1℃程度と比較的変動幅の大きな冷却器を用いた場合の実験結果であり、冷却部の温度変化に対応して、圧力が変動していることがわかる。この結果より、水蒸気圧力を一定に保つには、冷却部の温度を安定に制御することが必要であり、圧力変動幅を±10%以内にするためには、冷却部の温度変化を±1℃程度以下に抑える必要があることがわかる。  Even if the current passed through the Peltier element is constant, the temperature changes when the temperature of the coolant that cools the Peltier element fluctuates. FIG. 5 shows an example of a change in the water vapor pressure in the chamber due to the temperature fluctuation of the cooling unit. FIG. 5A shows the experimental results when a stable cooler with a temperature fluctuation range of ± 0.1 ° C. is used, and it can be seen that the temperature of the cooling section is stable and there is almost no pressure fluctuation. On the other hand, FIG. 5 (b) shows the experimental results when using a cooler having a relatively large fluctuation range with a temperature fluctuation range of about ± 1 ° C., and the pressure corresponding to the temperature change of the cooling section. You can see that it fluctuates. From this result, in order to keep the water vapor pressure constant, it is necessary to stably control the temperature of the cooling section. To make the pressure fluctuation range within ± 10%, the temperature change of the cooling section is ± 1. It can be seen that it is necessary to keep the temperature below about ℃.

比較例1Comparative Example 1

従来技術(図1に示した本発明のスパッタリング装置で、冷却装置を使わない場合)、マスフローコントローラを用いてガスの供給量を変えた時の、スパッタチャンバ内の圧力変化をキャパシタンスマノメータを用いて調べた結果を図6に示す。なお、排気系の排気速度は一定とした。図6では、時間0分から、5sccmの一定流量のガスを供給し始めた後、時間60分にガスの供給を停止した時の、圧力の時間変化を示している。アルゴンと水蒸気ともに、ガスの供給開始とともにチャンバ内の圧力が増加し、供給停止後は圧力が減少することが確認できる。ただし、アルゴンの場合は、ガスの供給を始めて2〜3分後には、約7Paの一定圧力で安定するのに対し、水蒸気の場合は、60分経過後も圧力が安定せず、徐々に増加し続けていることがわかる。また、ガスの供給を止めた場合も、アルゴンは、急速に圧力が低下し、3分後には0.1Paまで圧力が低下するのに対し、水蒸気は圧力の低下速度が遅く、水蒸気の供給を停止して60分後にようやく0.1Paまで圧力が低下する。このように、供給量を変えただけでは、スパッタチャンバ内の水蒸気圧力を制御することが難いことがわかる。  Changes in pressure in the sputtering chamber when the gas supply amount is changed using the prior art (in the sputtering apparatus of the present invention shown in FIG. 1 without using a cooling device) and a mass flow controller, using a capacitance manometer. The result of the examination is shown in FIG. The exhaust speed of the exhaust system was constant. FIG. 6 shows a change in pressure over time when gas supply is stopped at time 60 minutes after starting supply of gas at a constant flow rate of 5 sccm from time 0 minutes. For both argon and water vapor, it can be confirmed that the pressure in the chamber increases with the start of gas supply and decreases after the supply is stopped. However, in the case of argon, the gas is stabilized at a constant pressure of about 7 Pa after 2-3 minutes from the start of gas supply, whereas in the case of water vapor, the pressure does not stabilize after 60 minutes and gradually increases. You can see that it continues. In addition, even when the gas supply is stopped, the pressure of argon decreases rapidly, and the pressure decreases to 0.1 Pa after 3 minutes, whereas the pressure of water vapor decreases slowly and the supply of water vapor is reduced. 60 minutes after stopping, the pressure finally decreases to 0.1 Pa. Thus, it can be seen that it is difficult to control the water vapor pressure in the sputtering chamber only by changing the supply amount.

比較例2Comparative Example 2

従来技術(図1に示した本発明のスパッタリング装置で、冷却装置を使わない場合)、マスフローコントローラを使って、ガスの供給量を0,1,2,3,4,5sccmと段階的に増加させた後、逆に5,4,3,2,1,0sccmと減少させたときのチャンバ圧力を測定した。  Using the conventional technology (when the cooling device is not used in the sputtering apparatus of the present invention shown in FIG. 1) and the mass flow controller, the gas supply amount is increased step by step to 0, 1, 2, 3, 4, 5 sccm. On the contrary, the chamber pressure when decreased to 5,4,3,2,1,0 sccm was measured.

図7(a)に示したように、アルゴンガスの供給量を増減させると、これに応じてほぼ階段的に圧力が変化することがわかる、また、流量を設定した10分後の圧力は、図7(b)に示すように、アルゴンガスの供給量に比例して変化していることが確認できる。さらに、アルゴンガスの流量を増加させたときと、減少させたときで、チャンバ圧力に違いはみられず、スパッタチャンバに供給するアルゴンガスの流量によって圧力を正確に制御できることがわかる。これに対し、水蒸気の場合は、図7(c)に示すように、圧力の変化速度が遅く、一定圧力に到達するまでに長い時間を要する。このため、図7(d)に示したように、ガス流量を設定して10分後のチャンバ圧力は、水蒸気流量に比例せず、流量を増加させたときと、減少させたときで圧力が異なるヒステリシスを示す事が確認できる。  As shown in FIG. 7A, when the supply amount of argon gas is increased or decreased, it can be seen that the pressure changes almost stepwise according to this, and the pressure 10 minutes after setting the flow rate is As shown in FIG. 7B, it can be confirmed that the ratio changes in proportion to the supply amount of the argon gas. Further, it can be seen that there is no difference in the chamber pressure between when the flow rate of argon gas is increased and when the flow rate is decreased, and the pressure can be accurately controlled by the flow rate of argon gas supplied to the sputtering chamber. On the other hand, in the case of water vapor, as shown in FIG. 7C, the rate of change of pressure is slow, and it takes a long time to reach a constant pressure. For this reason, as shown in FIG. 7 (d), the chamber pressure 10 minutes after setting the gas flow rate is not proportional to the water vapor flow rate, and the pressure is increased when the flow rate is increased and when the flow rate is decreased. It can be confirmed that different hysteresis is shown.

このようなヒステリシスが生じると、ガス流量によって水蒸気圧力を制御することが非常に難しくなる。反応性スパッタリング法では、反応ガスの組成によって作製される化合物薄膜の組成や結晶構造、電気・光学的性質などが大きく変化することが知られている。従って、アルゴンと水蒸気の混合ガスを用いた反応性スパッタリング法により水酸化物薄膜を作製する場合、水蒸気の分圧が安定せず、形成される薄膜の化学組成や電気・光学特性が変動してしまうという問題が生じる。  When such hysteresis occurs, it becomes very difficult to control the water vapor pressure by the gas flow rate. In the reactive sputtering method, it is known that the composition, crystal structure, electrical / optical properties, etc. of the compound thin film produced vary greatly depending on the composition of the reaction gas. Therefore, when producing a hydroxide thin film by reactive sputtering using a mixed gas of argon and water vapor, the partial pressure of water vapor is not stable, and the chemical composition and electrical / optical properties of the formed thin film vary. Problem arises.

本方法を用いる事で、大面積のNiOOH、及びCoOOH薄膜を作製することができ、これらの水酸化物薄膜を用いたエレクトロクロミック素子は、調光ガラス(スマートウィンドウなど)、自動車用防眩ミラー、ディスプレイ(電子ペーパーやスマートタグなど)に利用する事ができる。  By using this method, large-area NiOOH and CoOOH thin films can be produced, and electrochromic devices using these hydroxide thin films are dimming glass (smart window etc.), anti-glare mirrors for automobiles It can be used for displays (electronic paper, smart tags, etc.).

1 スパッタチャンバ
2 基板ホルダ
3 キャパシタンスマノメータ
4 ペルチェ素子
5 冷却器
6 メインバルブ
7 スパッタターゲット
8 恒温槽
9 基板
10 水タンク
11 高温用マスフローコントローラ
12 マスフローコントローラ
13 直流電源
14 高圧電源
15 ターボ分子ポンプ(TMP)
16 ロータリーポンプ(RP)
17 プラズマ
18 水蒸気供給機構
19 冷却機構
20 チャンバ壁
21 冷却器
22 冷却液循環用パイプ
23 冷却版
24 ペルチェ素子
25 ペルチェ素子の放熱部
26 直流電源
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Sputter chamber 2 Substrate holder 3 Capacitance manometer 4 Peltier element 5 Cooler 6 Main valve 7 Sputter target 8 Constant temperature bath 9 Substrate 10 Water tank 11 High temperature mass flow controller 12 Mass flow controller 13 DC power supply 14 High pressure power supply 15 Turbo molecular pump (TMP)
16 Rotary pump (RP)
17 Plasma 18 Water Vapor Supply Mechanism 19 Cooling Mechanism 20 Chamber Wall 21 Cooler 22 Pipe for Coolant Circulation 23 Cooling Plate 24 Peltier Element 25 Peltier Element Radiation Unit 26 DC Power Supply

Claims (8)

水蒸気の供給機構と成膜室の内部に室温以下の基板とは分離した冷却部を有する薄膜製造装置  Thin film manufacturing apparatus having a cooling unit separated from a substrate having a room temperature or less inside a water vapor supply mechanism and a film forming chamber 請求項1に記載のスパッタリング装置  The sputtering apparatus according to claim 1. 冷却部の温度は、薄膜作製のための基板の温度よりも低温、かつ−35℃以下であることを特徴とする請求項2に記載のスパッタリング装置  3. The sputtering apparatus according to claim 2, wherein the temperature of the cooling unit is lower than the temperature of the substrate for forming a thin film and not more than −35 ° C. 冷却部をペルチェ素子で冷却することを特徴とする請求項1又は2及び3に記載のスパッタリング装置  4. The sputtering apparatus according to claim 1, wherein the cooling unit is cooled by a Peltier element. スパッタ成膜時の水蒸気供給量がFin(sccm)、スパッタチャンバ内の水蒸気圧力がP(Pa)であるとき、冷却部の面積Sが1.4×10−5Fin/P(m)以上であることを特徴とする請求項1から4に記載のスパッタリング装置When the water vapor supply amount at the time of sputtering film formation is Fin (sccm) and the water vapor pressure in the sputtering chamber is P (Pa), the area S of the cooling unit is 1.4 × 10 −5 Fin / P (m 2 ) or more. The sputtering apparatus according to claim 1, wherein: 請求項1から5に記載の薄膜製造装置又はスパッタリング装置で作製したことを特徴とする水酸化物薄膜又はオキシ水酸化物薄膜又は水和酸化物薄膜  A hydroxide thin film, an oxyhydroxide thin film, or a hydrated oxide thin film produced by the thin film manufacturing apparatus or sputtering apparatus according to claim 1. 請求項1から6に記載の薄膜製造装置又はスパッタリング装置を用いる事を特徴とする水酸化物薄膜又はオキシ水酸化物薄膜又は水和酸化物薄膜の製造方法  A method for producing a hydroxide thin film, an oxyhydroxide thin film, or a hydrated oxide thin film, wherein the thin film production apparatus or sputtering apparatus according to claim 1 is used. 請求項7に記載の水酸化物薄膜又はオキシ水酸化物薄膜又は水和酸化物薄膜を用いる事を特徴とするエレクトロクロミック・スマートウィンドウ  An electrochromic smart window using the hydroxide thin film, the oxyhydroxide thin film, or the hydrated oxide thin film according to claim 7.
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