JP4564349B2 - 原子層成膜装置 - Google Patents

Description

本発明は、原子層及び分子層単位で薄膜の形成が可能な原子層成膜装置に関する。

近年、大きな面積の基板の上に均一な薄膜を細線性よく形成する技術として、原子層成長（Atomic Layer Deposition：ＡＬＤ）法が用いられている（特許文献１，２，３，４参照）。原子層成長方法は、形成しようとする膜を構成する各元素の原料を基板に交互に供給することにより、原子層単位で薄膜を形成する技術である。原子層成長方法では、各元素の原料を供給している間に１層あるいはｎ層だけを表面に吸着させ、余分な原料は成長に寄与させないようにしている。これを、成長の自己停止作用という。原子層成長方法では、プラズマを利用することがないので、高品質な膜が形成できる。また、原子層成長方法では、例えば３００℃程度と処理の温度を高くする必要が無く、ガラス基板の上でも絶縁膜が形成できるなど、適用範囲が広いという特徴を有している。

このような特徴を備えた原子層成長方法を実現するための成膜装置は、図４に示すように、気相による膜の成長が行われる成膜チャンバー４０１と、成膜チャンバー４０１の内部に配置された加熱機構を備えた基板台４０２とを備える。また、成膜チャンバー４０１は、排気機構４０４と、ガス供給機構４０５を備える。図４に示す処理装置では、まず、処理対象の基板４０３を基板台４０２の上に搬入し、成膜チャンバー４０１を密閉された状態とした後、基板台４０２の加熱機構により基板４０３を所定温度に加熱した状態で、ガス供給機構４０５による所定のガスの供給と、排気機構４０４による排気と，ガス供給機構４０５によるパージガスの供給によるパージと、排気機構４０４による排気とを繰り返すことで、所望の薄膜が形成された状態としている。

なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
特開平１−１７９４２３号公報 特開平５−１６０１５２号公報 特開２００１−１７２７６７号公報 特開２００２−３５３１５４号公報

ところで、製造コストの低減などの観点から、成膜チャンバー４０１の容積は、処理対象の基板が収容できる範囲で、可能な限り小さくしている。従って、排気の経路に大きな口径の配管を用いることが困難であり、従来の成膜装置では、排気の速度を速くすることが困難であった。このため、パージを含めた原料ガスの交換に時間を要し、成膜速度を向上させることが容易ではなかった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、排気時間を短縮することで成膜速度が向上できるようにすることを目的とする。

本発明に係る原子層成膜装置は、密閉可能な内部空間を備えた真空チャンバーと、真空チャンバーの内部に配置されて開口部を備えた成膜部と、真空チャンバーの第１領域に第１配管を介して連通する第１排気機構と、真空チャンバーの第２領域に例えば第１配管より大きい口径の第２配管を介して連通する第２排気機構と、真空チャンバーの内部に所定のガスを供給するガス供給機構とを少なくとも備え、第２領域は、成膜部と真空チャンバーの第１領域の部分とにより密閉される成膜室の外側であって、真空チャンバーの内部であり、成膜部は、開口部が第１領域を含むように真空チャンバーの内壁に所定の大きさの押し付け力で押し付けられ、成膜部と真空チャンバーの第１領域の部分とにより密閉された成膜室が形成され、ガス供給機構は、真空チャンバーの第１領域を介して成膜室の内部にガスを供給するようにしたものである。従って、成膜室の内部圧力が、押し付け力の大きさ以上に真空チャンバー内の圧力より大きくなると、成膜室が、成膜部の外側の真空チャンバーの内部と連通した状態となる。

上記原子層成膜装置において、真空チャンバーは、平板状の上蓋と、真空チャンバーの内部において成膜部を上蓋の側に押し付けるように支持する弾性部材とを備え、第１領域は上蓋に配置され、成膜部は、弾性部材の弾性力により上蓋の内壁に押し付けられているようにすればよい。また、第１領域は真空チャンバーの底面に配置され、成膜部は、開口部が第１領域を含むように真空チャンバーの底面に成膜部の重量により押し付けられているようにしてもよい。

以上説明したように、本発明では、真空チャンバーの内部に設けられて、開口部が内壁に押し付けられた成膜部により真空チャンバーの内部で異なる空間となる成膜室が形成された状態としたので、成膜室の内部圧力を、押し付け力の大きさ以上に真空チャンバー内の圧力より大きくすることで、成膜室を成膜部の外側の真空チャンバーの内部と連通した状態とし、成膜室がより口径の大きい第２配管を介して第２排気機構により排気できるようにした。このことにより、本発明によれば、排気時間が短縮できるようになり、原子層成長法においてより高速に成膜ができるようになるという優れた効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における原子層成膜装置の構成例を概略的に示す模式的な断面を含めた構成図である。図１に示す装置は、真空チャンバー１０１の内部に成膜部１０２を備えるようにしたものである。真空チャンバー１０１は、例えば底面側に配管１０３を介して排気機構１０４が連通している。また、真空チャンバー１０１の上面は、開閉可能な上蓋１０５から構成されている。

成膜部１０２は、上面が開放した容器であり、底面側が弾性部材１０６を介して支持部１０７により真空チャンバー１０１の底面上に支持されている。弾性部材１０６は、例えばバネやゴムなどから構成されていればよい。また、上蓋１０５の成膜部１０２の領域には、原料ガスやパージガスなどのガスを供給するガス供給機構１０８が接続し、配管１０９を介して成膜室排気機構１１０が連通している。なお、成膜部１０２の底部には、加熱機構を備えた基板載置台１２１が配置されている。

成膜部１０２は、弾性部材１０６の弾性力（押し付け力）により上蓋１０５の方向に押し上げられ、開放した上面が上蓋１０５の内側平面に押し付けられ、内部に密閉した空間からなる成膜室を形成している。従って、弾性部材１０６の押し上げる力より大きい力が反対の方向に加わると、図２に示すように、成膜部１０２の上面は上蓋１０５より離間する。このことにより、上記成膜室は、真空チャンバー１０１の内部において、一部が開放した状態となる。なお、支持部１０７を用いずに、弾性部材１０６のみで成膜部１０２が支持されているようにしてもよい。

次に、図１，２に示す原子層成膜装置を用いた原子層成膜方法例について説明する。まず、上蓋１０５が開放された状態として基板載置台１２１の上に処理対象の基板が載置された状態とする。ついで、上蓋１０５を閉じて真空チャンバー１０１が密閉された状態とし、成膜室排気機構１１０を動作させて成膜部１０２の内部が２〜３Ｐａ程度の圧力にされた状態とする。また、排気機構１０４を動作させて、真空チャンバー１０１も２〜３Ｐａ程度の圧力にされた状態とする。次に、基板載置台１２１が備える加熱機構により、基板の温度が３００℃程度に加熱された状態とする。これは、図１に示す状態である。

次に、ガス供給機構１０８により、成膜部１０２の内部に原料ガス（吸着ガス）として例えばＳｉＣｌ₄ガスを導入して原料ガスが基板の上に供給された状態とし、基板の上に１層のＳｉＣｌ₄分子が吸着した状態とする。例えば、原料ガスは、アルゴンなどの不活性なキャリアガスとともに供給するようにしてもよい。この原料ガスの供給により、成膜部１０２の内部は、圧力１００Ｐａ程度となる。原料ガスの供給は、１〜２秒程度行う。

次に、原料ガスの供給を停止し、排気機構１０４及び成膜室排気機構１１０を動作させた状態で、ガス供給機構１０８により例えばＡｒや窒素などのパージガスが成膜部１０２の内部に供給された状態とする。このとき、成膜部１０２の内部圧力が例えば約１７０００Ｐａとなる程度に、パージガスが供給された状態とする。このことにより、成膜部１０２の内部と、この外部の真空チャンバー１０１内との間に大きな圧力差が発生し、成膜部１０２の内部の圧力が外部の圧力より大きい状態となる。

この圧力差は、弾性部材１０６の弾性力により成膜部１０２が上蓋１０５に押し付けられている力より大きいため、図２に示すように、上蓋１０５より成膜部１０２が離間して成膜部１０２の内部が真空チャンバー１０１の内部と連通した状態となる。この結果、成膜部１０２の内部は、真空チャンバー１０１の内部とともに、排気機構１０４及び成膜室排気機構１１０により排気される状態となる。連通したことにより、成膜部１０２の内部は、圧力が６００Ｐａ程度にまで低下する。

これらの結果、成膜室排気機構１１０のみで排気した場合に比較して、成膜室１０２の内部における原料ガスのパージガスへの置換（パージ）が、非常に早く行われるようになる。また、成膜部１０２の内部とは異なり、真空チャンバー１０１はあまり小さくする必要がなく、配管１０３は配管１０９に比較して大きな口径とすることができるので、成膜室排気機構１１０による排気に比較して、排気機構１０４による排気はより高速に行える。従って、成膜室排気機構１１０のみによる排気に比較して、排気機構１０４も併用した排気の方が、より高速なパージが可能となる。例えば、成膜室排気機構１１０のみで排気した場合は、パージに４秒以上必要となるが、図２に示す状態とした場合、パージが１．５秒程度で終了できる。

以上のようにパージすることで、基板に吸着した以外の余剰ガスが成膜部１０２の内部から除去された状態となる。続いて、成膜部１０２の内部に、ガス供給機構１０８により酸化ガスを導入することで、基板の上に酸化ガスが供給され、基板の表面に吸着している分子が酸化ガスと反応し、基板の表面にシリコン１原子層分の酸化シリコンの薄膜が形成された状態とする。この後、上述と同様にすることで、成膜部１０２の内部をＡｒなどの不活性ガスによってパージし、余剰なガスが反応室から除去された状態とする。以上の原料ガスの供給→パージ→酸化ガスの供給→パージを１サイクルとし、２０サイクル程度繰り返すことで、膜厚が約２ｎｍ程度の酸化シリコンの薄膜が形成できる。

このように２０サイクル繰り返す場合、パージは３９回行われる。排気機構１０４及び成膜室排気機構１１０の両方で排気した場合とで１回のパージの所要時間に２．５秒の差が発生するので、上述の場合、２ｎｍの酸化シリコン膜を形成するときに、２．５×３９＝９７．５秒時間が短縮できることになる。なお、成膜部１０２の開口部を上蓋１０５に押し付ける力は、弾性部材１０６の弾性力によりなされるので、成膜部１０２の重量及びパージにおけるパージガスの供給条件などにより、弾性部材１０６の弾性力は適宜設定すればよい。

次に、本発明の実施の形態における他の原子層成膜装置について説明する。図３は、本発明の実施の形態における他の原子層成膜装置の構成例を概略的に示す模式的な断面を含めた構成図である。図３に示す装置は、真空チャンバー３０１の内部に成膜部３０２を備えるようにしたものである。真空チャンバー３０１は、例えば上面側に配管３０３を介して排気機構３０４が連通している。成膜部３０２は、底面側が開放した容器である。また、真空チャンバー３０１の底面の成膜部３０２の領域には、原料ガスやパージガスなどのガスを供給するガス供給機構３０８が接続し、配管３０９を介して成膜室排気機構３１０が連通している。なお、成膜部３０２の内部における真空チャンバー３０１の底面には、加熱機構を備えた基板載置台３２１が配置されている。

成膜部３０２は、自重により真空チャンバー３０１の底面に押し付けられ、内部に密閉した空間からなる成膜室を形成している。従って、成膜部３０２の重量を超えて成膜部３０２を上方に押し上げる力が加わると、成膜部３０２の下面は真空チャンバー３０１の底面より離間する。この結果、上記成膜室は、真空チャンバー３０１の内部において、一部が開放した状態となる。この結果、図３に示す装置を用いることで、図１，２に示す装置と同様に、パージの段階においては、排気機構３０４及び成膜室排気機構３１０により排気される状態が得られ、より高速なパージが行えるようになる。

本発明の実施の形態における原子層成膜装置の構成例を概略的に示す模式的な断面を含めた構成図である。 本発明の実施の形態における原子層成膜装置の構成例を概略的に示す模式的な断面を含めた構成図である。 本発明の実施の形態における他の原子層成膜装置の構成例を概略的に示す模式的な断面を含めた構成図である。 従来よりある原子層成膜装置の構成例を示す構成図である。

符号の説明

１０１…真空チャンバー、１０２…成膜部、１０３…配管、１０４…排気機構、１０５…上蓋、１０６…弾性部材、１０７…支持部、１０８…ガス供給機構、１０９…配管、１１０…成膜室排気機構、１２１…基板載置台。

Claims (3)

1. 密閉可能な内部空間を備えた真空チャンバーと、
   前記真空チャンバーの内部に配置されて開口部を備えた成膜部と、
   前記真空チャンバーの第１領域に第１配管を介して連通する第１排気機構と、
   前記真空チャンバーの第２領域に第２配管を介して連通する第２排気機構と、
   前記真空チャンバーの内部に所定のガスを供給するガス供給機構と
   を少なくとも備え、
   前記第２領域は、前記成膜部と前記真空チャンバーの前記第１領域の部分とにより密閉される前記成膜室の外側であって、前記真空チャンバーの内部であり、
   前記成膜部は、前記開口部が前記第１領域を含むように前記真空チャンバーの内壁に所定の大きさの押し付け力で押し付けられ、
   前記成膜部と前記真空チャンバーの第１領域の部分とにより密閉された成膜室が形成され、
   前記ガス供給機構は、前記真空チャンバーの第１領域を介して前記成膜室の内部にガスを供給する
   ことを特徴とする原子層成膜装置。
2. 請求項１記載の原子層成膜装置において、
   前記真空チャンバーは、平板状の上蓋と、
   前記真空チャンバーの内部において前記成膜部を前記上蓋の側に押し付けるように支持する弾性部材と
   を備え、
   前記第１領域は前記上蓋に配置され、
   前記成膜部は、前記弾性部材の弾性力により前記上蓋の内壁に押し付けられている
   ことを特徴とする原子層成膜装置。
3. 請求項１記載の原子層成膜装置において、
   前記第１領域は前記真空チャンバーの底面に配置され、
   前記成膜部は、前記開口部が前記第１領域を含むように前記真空チャンバーの底面に前記成膜部の重量により押し付けられている
   ことを特徴とする原子層成膜装置。
   

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