JP4755770B2 - 基板回転・加熱装置並びにこれを用いた成膜装置及び分析装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体素子用の酸化物薄膜を作製するための基板回転・加熱装置及び成膜装置、または、作製した薄膜を分析する分析装置に関し、特に、低温域から超高温域まで安定に基板を加熱できると共に、安定的に基板を回転させることができるように改良するための新規な改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
パルスレーザ蒸着法（Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ法（以下、ＰＬＤ法と称す））は酸化物薄膜作製に適した成膜法である。ＰＬＤ法は、高反応容器中、焼結体ターゲットを基板と対向させて配置し、ターゲットにレーザ光を照射するだけの簡単な装置系であって、容器圧力を超高真空から大気圧近くまで広く変化させることができること、薄膜組成はターゲットの組成を比較的良く転写すること、ターゲットの組成は通常のセラミックプロセスによって容易に変化させることができること、高結晶性の薄膜が得られ、原子層状成長モードを実現できること、さらに、多層膜を作製できること等の優れた特徴がある。
【０００３】
ＰＬＤ法による酸化物の薄膜成長過程において、基板温度は容器圧力と並んで主たる成長パラメーターである。一般に基板温度を高くすると、酸化物薄膜の結晶性が向上する傾向が見られ、優れた物性の発現に寄与することがある。たとえば、ＩＴＯの電気伝導率は従来１０，０００Ｓ／ｃｍが壁とされてきたが、ＹＳＺ（１１１）単結晶基板を６００℃に加熱し、ＰＬＤ法で成膜することにより、ヘテロエピタキシャル膜が得られ(M.Oｒita,H.Ohta,H.Tanji,H.Hosono,andH.Kawazoe,Mat.Ｒes.Soc.Symp.Pｒoc.,558,399(2000))、１３，０００Ｓ／ｃｍの伝導率が再現性良く得られるようになる(H.Ohta,M.Oｒita,M.Hiｒano,H.Tanji,H.Kawazoe,andH.Hosono,Appl.Phys.Lett.,76,2740(2000))。ＩＴＯ膜の結晶性を向上させたことにより、ドーパントであるＳｎイオンのＩｎ2Ｏ3格子中への固溶が進行し、キャリア生成効率が上昇するとともに、移動度の低減が抑制されることが原因である。ＩＴＯ膜を形成したＹＳＺ（１１１）単結晶を基板として、高結晶性ＺｎＯ膜を８００℃でヘテロエピタキシャル成長させ、さらにｐ形の半導体膜ＳｒＣｕ2Ｏ2をエピタキシャルに堆積してＳｒＣｕ2Ｏ2（１１２）／ＺｎＯ（０００１）／ＩＴＯ（１１１）／ＹＳＺ（１１１）という多層膜を作製して、紫外発光ダイオードが実現された(H.Ohta,K.Kawamuｒa,M.Oｒita,N.Saｒukuｒa,M.Hiｒano,andH.Hosono,Elec.Lett.,36,1(2000);Appl.Phys.Lett.,77,475(2000))。また最近報告された深紫外透明導電性Ｇａ2Ｏ3薄膜は、８８０℃でＰＬＤ成膜させたもので、８００℃以下では透明性が顕著に劣化した(M.Oｒita,H.Ohta,M.Hiｒano,andH.Hosono、Appl.Phys.Lett.)。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
以上の例は、基板を安定して加熱し、高温下で成膜できるＰＬＤ装置が、優れた物性を有する酸化物薄膜の作製にとって大変有用であることを示している。さらに基板温度を高くできるならば、新たな性状を持つ薄膜を生み出すことができるはずである。一方、物質によっては低温域における成膜が必要であるから、様々な物質を成膜するためには、低温域から高温域の広い領域、具体的には、１５０℃から１５００℃の領域で安定に加熱できる装置が好ましい。さらに、成膜中には基板を安定に自転させることなくしては、基板上に均一な膜厚で成膜する事は困難である。
しかしながら、従来は、このような広い温度領域で安定に加熱でき、かつ、基板を安定に自転できる成膜装置は、ＰＬＤ装置のみに限らず、たとえばスパッタリング装置であっても、存在していないという課題があった。
【０００５】
従来、基板の加熱方式には、通電加熱、抵抗加熱、レーザ照射、赤外線ランプなどの方法が採用されてきた。
このうち、通電加熱方式は、基板に電流を流して加熱するので、導電性基板に限定される。酸化物薄膜ではＡｌ2Ｏ3単結晶基板など、酸化物材料を多用するので、採用することができないという課題があった。
また、抵抗加熱の場合、ヒーターにＰｔを用いる場合には、上限温度は１０００℃程度である。ＳｉＣヒーターを用いる場合には１１００℃程度まで昇温できるが、ヒーター自体の熱容量が大きいために、基板を保持し回転する機構部に相当程度の熱が伝わって各部材が熱膨張し、機械的な齧りが起こって安定な回転が損なわれやすいという課題があった。
また、レーザ照射方式は、最近、Ｎｄ：ＹＡＧレーザを照射方式する方式が報告され、１４５０℃という高い温度まで昇温できる点で優れている(S.Ohashi,M.Lippmaa,N.Nakagawa,H.Nagasawa,H.Koinuma,andM.Kawasaki,Ｒev.Sci.Inst.,70,178(1999))。しかし、２００℃〜５００℃程度の温度を安定に与えるには適していないという課題があった。
【０００６】
さらに、赤外線ランプ方式は、超高真空系内を清浄に保つことができ、昇降温が速やかであり、低温域から９００℃付近まで安定に加熱できる点で優れている。しかし、９００℃以上の温度は実現されていないという課題があった。
これは、従来の赤外線ランプでは赤外光（ＩＲ光）が大きく広がるためである。従来の赤外線ランプでは、ランプから放射され広がった光が基板の周囲に位置する部材に直接照射されて、部材の温度が上昇する。このため、ランプから放出される熱エネルギーの相当部分が、基板の周囲に位置する部材の温度上昇に消費されてしまう。基板の温度を高めるために、赤外線ランプの出力を高めるならば、基板の周囲に位置する部材の温度もより上昇してしまい、熱膨張によって基板の自転運動を損なうのみならず、部材の酸化反応が進行してしまうという課題があった。
【０００７】
さらに、積層膜を作製する場合には、作製した薄膜のキャラクタリゼーションを成膜容器内で行えば、積層界面の性状を把握しながら成膜できるので非常に好適である。容器外部に取り出して測定する方式では実験の効率が悪いだけでなく、大気中のガス成分を吸着するなどして薄膜の表面構造が破壊されたり、塵が付着したりするなどの不都合がある。酸化物薄膜の場合には、結晶構造解析に加えて、化学組成分析が重要な課題である。
【０００８】
しかしながら、通常広く使用されているＲＨＥＥＤは構造解析には有効であるが、化学組成に関する情報をもたらさないという課題があった。
また、薄膜表面の化学組成と結晶構造の両方の情報が得られる解析法に同軸型直衝突イオン散乱分光法(CoaxialImpact-CollisionIonScatteｒingSpectｒoscopy,CAICISS)がある(M.Aono,C.Oshima,S.Zaima,S.Otani,andY.Ishizawa,Jpn.J.Appl.Phys.,20,L829(1981))。この方法では、希ガスイオンを試料表面に照射し、１８０°の散乱角で散乱されるイオンの数を時間の関数として検出し、Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ（ＴＯＦ）スペクトルを得て、表面原子の化学種を知る。また、試料へのイオンの入射角度やアジマス角の関数としてスペクトルを得ることによって、結晶構造に関する知見を得ることができる。しかしながら、このような分析を行うためには、成膜装置内において、試料表面とイオン銃および検出器を幾何学的に精密に設置しなくてはならないという課題があった。イオン銃を反応容器に固定する方式を採用した場合には、イオンの入射角度を決める試料のあおり角φおよび回転角θ（アジマス角θ）は０．１度の精度で再現性良く制御できる基板回転系を備える必要がある。ここで、基板回転系は、基板温度を１５００℃に昇温しても機能を損なわないものとしなくてはならない。
【０００９】
以上、本発明は、基板を１５０℃から１５００℃の広い範囲で安定に加熱でき、かつ、基板を安定に自転させることができる基板回転・加熱装置を提供することを目的とする。さらに、本発明は、酸素、亜酸化窒素、もしくは窒素ガスの少なくとも一種の圧力が５×１０-6Ｐａから１００Ｐａの雰囲気下で、基板を１５０度から１５００度の広い範囲で安定に加熱でき、かつ、基板を安定に自転させた上で、基板上に薄膜を堆積することのできる成膜装置の提供を目的とする。さらに、基板の回転角θおよびあおり角φを０．１°の精度で、再現性よく制御できる機構を実現することにより、ＣＡＩＣＩＳＳによる表面分析が可能な基板回転・加熱装置及びこれを用いた分析装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の基板回転・加熱装置は、基板の表面に薄膜を均一に蒸着させるために、または、前記基板表面に形成された薄膜を分析するために、前記基板を保持すると共に、前記基板表面を垂直に貫通する第１回転軸を軸として前記基板を回転させる回転機構と、前記回転機構の前記第１回転軸を貫通し、赤外線源から出射される赤外線を前記基板の裏面に照射する導光棒とを備え、前記回転機構は、前記基板を保持する基板ホルダと、前記基板ホルダに点接触状態で接続された回転板と、前記回転板に固定されたシリンダと、前記シリンダを点接触によって支持するボールベアリングとを備える構成であり、
また、前記ボールベアリングは、前記第１回転軸と同軸回転し、前記導光棒は、前記ボールベアリングを貫通している構成であり、
また、駆動機構からの駆動力が前記基板ホルダに伝達されることにより、前記基板ホルダ及び前記回転板が前記第１回転軸と同軸回転する構成であり、
前記基板を１５０℃から１５００℃の間の任意の温度に加熱することができ、かつ、前記基板を安定的に回転できる構成であり、
さらに、前記回転機構は駆動装置に保持されており、前記駆動装置は、前記回転板を０．１度刻みで回転制御すると共に、前記第１回転軸に垂直な第２回転軸に対し前記回転機構を０．１度刻みで回転制御できる構成である。
また、本発明の成膜装置は、前記基板回転・加熱装置を反応容器内に備え、前記反応容器内に設置されたターゲットにパルスレーザ光を照射することにより、または、前記ターゲットと基板の間にプラズマを発生させることにより、前記基板表面に薄膜を作製する構成であり、
酸素、亜酸化窒素または窒素のうちの少なくとも一つのガスを前記反応容器内に流入させ、５×１０-6Ｐａ〜１００Ｐａの減圧雰囲気下において前記基板表面に薄膜を作製できる構成であり、
さらに、前記基板は、前記ターゲットに対向配置される構成である。
さらに、本発明の分析装置は、前記基板回転・加熱装置を反応容器内に備えると共に、前記基板表面に不活性ガスイオンを照射する直衝撃イオン散乱分光法用イオン銃または前記基板表面に高速電子線を照射する高速電子線回折装置を備える構成である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明は、赤外光の広がりを抑制して、基板に集光させれば、従来と同じ出力の赤外線ランプを用いて、基板をより高温に昇温できることを利用したものである。すなわち、従来の赤外線ランプ方式では、基板はせいぜい９００℃までしか昇温できなかったが、この光を基板上にうまく集光させることができるならば、９００℃を越える温度まで加熱できるはずである。
【００１２】
赤外線ランプからの光エネルギーのほとんどは基板に集中するので、基板の周囲に位置する部材は、光照射によって直接的に加熱されることはなく、基板からの熱伝導によって間接的に加熱される。このことに着目すると、基板と基板の周囲に位置する部材の間の断熱性を高めれば、基板の周囲に位置する部材の温度上昇を抑制できるはずである。この観点から本発明は、加熱源の選定と基板の周囲に位置する部材に関する三つの技術的手段によって構成される。
【００１３】
第一の技術的手段は、基板とそのごく周辺のみを局所的に加熱するために、たとえば、導光用の透明石英棒を備えた赤外線ランプ（サーモ理工ＧＶＬ−２９８：特許第２５１７２１８号）を加熱源として採用する。導光用石英棒付き赤外線ランプは、ランプの周囲に設置した回転楕円体形状の反射鏡の焦点位置に、直径２０ｍｍ、長さ５００ｍｍの石英棒の一端を位置させたものであり、市販されている。反射鏡により焦点に集光された光は、石英棒の中を全反射により伝播して先端から放射される。赤外光の照射部分が２０ｍｍφ程度あるので、基板を先端から５ｍｍ離れた位置に棒端面と平行に設置すれば、１０ｍｍ角の基板全域を均一に加熱することができる。赤外線ランプの放出する光は基板に効果的に集光するため、１５００℃を超える温度まで昇温可能である。同時に加熱部分の面積は２０ｍｍφに限定されるので、基板の昇温に必要な投入熱量を小さく抑えることができる。
【００１４】
第二の技術的手段は、光照射部分、すなわち基板ホルダの熱容量を下げることである。光は２０ｍｍφ程度の領域に照射されるので、基板ホルダも１５００℃まで直接加熱される。基板ホルダの熱容量を下げることによって、昇温に必要な投入熱量を抑制できる。そこで基板ホルダの大きさをできるだけ小さく抑えて、その熱容量を例えば従来の基板ホルダの１／２程度とし、基板ホルダへの投入熱量を抑制する。酸素雰囲気中１５００℃の加熱に耐えさせるため、基板ホルダは、たとえばＰｔ製であることが好ましい。
【００１５】
第三の技術的手段は、基板ホルダとこれを固定する回転板の熱抵抗を大きくして、機械部分への熱流出を抑制することである。たとえば、４本の支柱を介して基板ホルダを回転板上のレールに点接触的に保持させ、かつ回転板を点接触によってボールベアリングに固定して、基板ホルダとベアリング間の熱抵抗を大きくする。レール材質には、たとえばインコネルを、回転板材質には、たとえばＳＵＳ３１０Ｓを採用することができる。回転板は周囲にギアを切った円形形状を切って、５軸マニピュレータのギアとかみ合わせて回転させ、基板に自転運動を与える。
【００１６】
以上、三点の技術的手段の組み合わせによって回転板やボールベアリングの熱膨張は十分に抑制され、基板を１５００℃に昇温して継続的に運転しても、基板回転に異常は生じず、少なくとも、２時間、基板が安定に回転することを実験的に確認した。たとえば、ＩＴＯ薄膜を２時間成膜する場合、数百ナノメータから数ミクロンの膜厚で堆積することができるから、実用的な耐久時間である。
【００１７】
マニピュレータは、回転角θ方向の移動機構のほかに、ｘ、ｙ、ｚの平行移動機構を有することが好ましい。ｘ、ｙ、ｚ軸は基板ホルダと赤外線ランプの導光棒、ターゲットホルダおよび基板搬送用機構との位置関係の制御に用いることができ、平行移動軸を持たせない場合に比べて、格段に操作性が向上する。成膜時には、自転軸をアナログモータによって回転させる。
【００１８】
本発明により、回転系の熱膨張が十分に抑制できるため、基板の位置を高精度に制御することができる。このため、たとえば加熱中においてもＣＡＩＣＩＳＳによる表面解析が可能になる。ＣＡＩＣＩＳＳによる表面解析を行うためには、たとえば基板保持用のマニピュレータに、さらにあおり軸φを持たせ、一方、イオン銃を反応容器壁面のポートに取り付けて、イオンビームを基板に向けて照射する配置とする。このとき、イオンビームと基板のなす角のうち、基板水平面内のアジマス角を回転軸θ（回転角θの回転軸）により制御し、法線方向から測った入射角をあおり軸φ（あおり角φの回転軸）により制御する。いずれの軸もパルスモータによって回転制御し、イオンビームの入射角とアジマス角を０．１°の精度で再現性良く位置出しさせる方式とする。従来の加熱方式では、回転系に熱が相当程度伝わるため、回転角θとあおり角φを０．１°の精度で、かつ、再現性よく位置出しすることは不可能であったが、本発明により、回転系への伝熱が十分に抑制されるため、上記の構成とすることができる。
【００１９】
導光棒付き赤外線ランプはベローズを介して反応容器側面のフランジに取り付け、基板回転板中央に設けた開口部へ、直線導入機構によって出し入れを行う構造とすれば、基板の平行移動やあおり移動（あおり角φを動かす方向の移動）の際に、導光棒が障害となることがなく、かつ、基板を十分に加熱することができる。
【００２０】
ターゲットテーブルは、基板ホルダに対向させて、導光棒付き赤外線ランプの反対側に配置すればよい。ターゲット表面にパルスレーザ光を照射することによって、基板上に薄膜をＰＬＤ成膜することができる。また、ターゲットと基板の間にプラズマを生成させることによって、基板上に薄膜をスパッタ成膜する事ができる。
【００２１】
実施の形態１．
次に、本発明の基板回転・加熱装置ないしこれを用いた成膜装置および分析装置について具体的に説明する。
図１は本発明の成膜装置及び分析装置の要部を側面から示す半断面図である。
図２は本発明の成膜装置及び分析装置の基板ホルダを示す正面図である。
【００２２】
図１において、符号１で示されるものは、赤外線源としての赤外線ランプ１５（図３参照）に取り付けられた石英ガラス製の導光棒であり、円盤形のボールベアリング２（内部機構は省略して示す）の中央に空けた孔部２Ａにシリンダ３を介して挿入してある。ボールベアリング２は、マニピュレータ６に固定されている。シリンダ３の一端には、回転板４が取り付けてある。図１及び図２に詳細は図示しないが、シリンダ３と回転板４の接点は４本の支柱だけ（即ち４点接続）として、両者間の断熱性を高めてある。前記赤外線ランプ１５に取り付けた導光棒１は、ボールベアリング２、回転板４の中央に空けた孔部２Ａ、４Ａを貫通している。
【００２３】
シリンダ３は、ボールベアリング２を介して駆動装置としてのマニピュレータ６に回転自在に支持されている。また、前記回転板４は前記シリンダ３によって保持されているので、導光棒１の長手方向軸を中心として回転できる。
回転板４は、マニピュレータ６及びマニピュレータロッド６Ａを貫通するθロッド６Ｂの先端に設けられたギア５を介し、反応容器１４外部に設置したアナログモータ１６もしくはパルスモータ１７の駆動力を受けて回転できるように構成されている。回転板４は、成膜時にはアナログモータ１６によって駆動され、ＣＡＩＣＩＳＳ解析時にはパルスモータ１７によって駆動される。
【００２４】
導光棒１の先端１Ａは、基板ホルダ８に対向するように配置してある。前記先端１Ａと基板９の表面との距離は５ｍｍ程度に設定する。導光棒１はベローズ付き直線導入機構１５Ａによって保持されているので、反応容器１４から自由に抜き差しすることができる。ターゲット１１の表面にレーザ光をパルス状に照射することにより、基板９の表面９Ａ上に薄膜をＰＬＤ成膜することができる。また、ターゲット１１と基板９の間にプラズマを生成させることによって、基板表面９Ａ上に薄膜を成膜することができる。
【００２５】
シャッタ１３はターゲットからの飛散物が基板９の表面９Ａ上に堆積しないようにするためのもので、基板表面９Ａを覆うように配設されている。このシャッタ１３は、シャッタ開閉用のロッド１３Ａを回転させることにより開閉することができる。成膜時にはシャッタ１３を開放しておく。
レール７は、４本の支柱７Ａを介して回転板４に固定されている。また、４本の支柱７Ａの外側には（図２では影になって見えないが）レール７や基板ホルダ８からの輻射熱を遮るための環状の遮熱板７Ｂが設けられている。このように支柱７Ａでレール７を固定したり遮熱板７Ｂを設けることにより、レール７と回転板４の間における断熱性を向上させており、回転板４等の駆動系の熱変形を抑制している。
【００２６】
また、基板ホルダ８は、２本のレール７の間に狭持させてある。基板９は、図２中における右方向から脱着できるように構成されている。
基板９は、基板ホルダ８の中央部において、白金製のリング状のバネ８Ａによって固定されている。
上述したボールベアリング２、シリンダ３、回転板４、支柱７及び基板ホルダ８は、回転機構１０を構成している。
また、本発明の基板回転・加熱装置は、導光棒１、ボールベアリング２、シリンダ３、回転板４、ギア５、θロッド６Ｂ、支柱７、基板ホルダ８、アナログモータ１６及びパルスモータ１７によって構成される。
【００２７】
図１中において導光棒１を右方向に引き抜くと、第２回転軸６Ｃを中心にマニピュレータ６を回転させることができる。たとえば第２回転軸６Ｃの上方から見てマニピュレータロッド６Ａを反時計方向に９０°回転すれば、図２に示す面が図１上に現れる。
このような操作はＣＡＩＣＩＳＳ測定時に、基板表面に対するイオンビームの入射角度を制御するために用いる。基板９に対向してターゲット１１を位置させる。ターゲット１１はターゲットテーブル１２に保持されており、このターゲットテーブルは、図１に示すｘ、ｙ、ｚ方向に移動可能に構成されている。
なお、図１及び図２に示す構成は全て反応容器１４内に収められている。
【００２８】
また、図１において、ターゲットテーブル１２には６０°おきに５個のターゲット１１を設けると共に、６つ目の位置には、孔部（図示せず）を開けてある。
従って、ターゲットテーブル１２を回転制御することにより、自動的に任意のターゲット１１を選択でき、また、孔部にエキシマレーザ光が照射するようにターゲットテーブル１２を回転させれば、エキシマレーザ光はターゲットテーブル１２を通りぬけ、図示しない石英ガラス窓から反応容器１４外に取り出せるので、反応容器１４外に設置したパワーメータによって光強度をモニタすることができる。
【００２９】
ターゲットホルダ１２Ａは基板ホルダと同じ外形とし、前記レール７と同様のレール１２Ｂに狭持させることにより、同一の搬送機構によってロードロック室と成膜室の間を出し入れできるようにした。なお、反応容器１４に接続する図示しないロードロック室の容積は４．６Ｌに抑え、大気開放してから真空に引くまでの時間が、全体の作業時間に占める割合を低減させた。ロードロック室は５０Ｌ／ｓのターボ分子ポンプによって排気し、到達真空度は１×１０-4Ｐａである。ロードロック室内にはリボルバ式カセットを取り付けてあり、１２個のホルダを同時に装填することができる。
【００３０】
図３は、本発明の成膜装置及び分析装置の全体を示す判断面図である。
図３において、石英ガラス製導光棒付きの赤外線ランプ１５は、反応容器１４の壁面のポートに水平に取り付けてある。赤外線ランプ１５は反応容器１４外に設置し、ベローズ付き直線導入機構１５Ａを介して、導光棒１を反応容器１４内に挿入している。
【００３１】
基板９は、アナログモータ１６もしくはパルスモータ１７によって、θロッド６Ｂ、ギア５及び回転板４を介して回転可能に構成されている。
基板９に対向してターゲット１１が位置し、ターゲットテーブル１２を回転させることによって、ターゲットテーブル１２に保持された５つのターゲット１１から任意の一つを選択することができる。
【００３２】
レーザ光は、入射窓１８から、反応容器１４内に導かれ、ターゲット１１上で集光される。集光用のレンズ（図示せず）をテーブル１９に立てることにより、焦点位置を調整することができる。入射窓１８がターゲット１１からの飛散物により汚れても容易に交換できるように、シールドガラス交換機構２０を取り付けてある。
ＣＡＩＣＩＳＳ解析用の周知のイオン銃及び散乱イオン解析システム（図示せず）は、石英ガラス製導光棒付き赤外線ランプ１５及びターゲット１１と同じ高さの水平面上に取り付けたポート２１に設置する。膜表面の構造は、周知の高速電子線回折装置によっても解析することが可能である。
【００３３】
ターゲット１１に照射するＡｒＦエキシマレーザ光は、前述したように、反応容器１４から斜めに延びたポートに取り付けた石英ガラス製の入射窓１８から入射させる。エキシマレーザ光とターゲット１１の表面とのなす角は３５°である。
ＣＡＩＣＩＳＳ用ポートは基板面に垂直となるように、反応容器１４の側面に取り付けた。ＲＨＥＥＤ用の電子銃および反射電子線用の蛍光スクリーン（前述した高速電子線回折装置）は、図３中において、紙面に垂直な方向で反応容器１４の影になる位置に配置した。
このような構成により、成膜中に膜表面をモニタすることができる。反応容器１４の直径は４００ｍｍ、高さ４００ｍｍであり、反応容器１４の直下にゲートバルブ２３を介して取り付けた１０００Ｌ／ｓのターボ分子ポンプ２４で排気する。到達真空度は７×１０-7Ｐａである。成膜用のガスはマスフローメータもしくはリークバルブから容器内に導入する。ガス導入速度とともに、バタフライバルブによって排気速度を制御することによって、反応容器１４内の圧力を５×１０-6Ｐａから１００Ｐａの領域で制御することができる。
【００３４】
以上のように説明した図１、図２及び図３に示す成膜装置において、赤外線ランプ１５へ電力を入力し、基板ホルダ８上に設置したＹＳＺ単結晶からなる基板９の温度をＰｔ／Ｐｔ−Ｒｈ熱電対で測定した。フルヤ金属（株）から購入したＹＳＺ基板９の表面には小さな孔部をうがち、熱電対の先端を耐熱性接着剤で固定してある。
図４は、赤外線ランプ１５への投入電力量と、ＹＳＺ基板９に接着したＰｔ／Ｐｔ−Ｒｈ熱電対の示した温度との関係を示す。２ｋＷの赤外線ランプ１５により、１５０℃から１５００℃の範囲で、連続的な温度設定を実現できた。
【００３５】
【発明の効果】
本発明の基板回転・加熱装置は、基板の表面に薄膜を均一に蒸着させるために、または、前記基板表面に形成された薄膜を分析するために、前記基板を保持すると共に、前記基板表面を垂直に貫通する第１回転軸を軸として前記基板を回転させる回転機構と、前記回転機構の前記第１回転軸を貫通し、赤外線源から出射される赤外線を前記基板の裏面に照射する導光棒とを備えるので、基板を効率よく加熱することができる。また、前記回転機構は、前記第１回転軸と同軸回転するボールベアリングを備え、前記導光棒は、前記ボールベアリングを貫通しているので、回転機構の安定した回転動作を確保しつつ、導光棒を基板の裏面に確実に導くことができる。また、前記回転機構は、前記基板を保持する基板ホルダと、支柱を介して前記基板ホルダに接続された回転板とを備え、駆動機構からの駆動力が前記基板ホルダに伝達されることにより、前記基板ホルダ及び前記回転板が前記第１回転軸と同軸回転するので、基板や基板ホルダ側の熱が回転板に伝わりにくくなり、基板の高温加熱時においても安定した回転動作を確保することができる。前記基板を１５０℃から１５００℃の間の任意の温度に加熱することができ、かつ、前記基板を安定的に回転できるので、基板の超高温加熱と安定した回転動作を両立した基板回転・加熱装置を提供することができる。さらに、前記回転機構は駆動装置に保持されており、前記駆動装置は、前記回転板を０．１度刻みで回転制御すると共に、前記第１回転軸に垂直な第２回転軸に対し前記回転機構を０．１度刻みで回転制御できる構成であるので、高温加熱時においても、基板を高精度に位置決めすることができる。また、本発明の成膜装置は、前記基板回転・加熱装置を反応容器内に備え、前記反応容器内に設置されたターゲットにパルスレーザ光を照射することにより、または、前記ターゲットと基板の間にプラズマを発生させることにより、前記基板表面に薄膜を作製するので、超高温加熱時においても基板全体に均一な膜質及び膜厚を備える薄膜を作製することができる。また、酸素、亜酸化窒素または窒素のうちの少なくとも一つのガスを前記反応容器内に流入させ、５×１０-6Ｐａ〜１００Ｐａの減圧雰囲気下において前記基板表面に薄膜を作製できるので、超高温加熱時において極めて膜質の良好な薄膜を作製することができる。さらに、前記基板は、前記ターゲットに対向配置されるので、極めて膜質の良好な薄膜を作製することができる。さらに、本発明の分析装置は、前記基板回転・加熱装置を反応容器内に備えると共に、前記基板表面に不活性ガスイオンを照射する直衝撃イオン散乱分光法用イオン銃または前記基板表面に高速電子線を照射する高速電子線回折装置を備えるので、超高温加熱時においてもＣＡＩＣＩＳＳあるいはＲＨＥＥＤによる膜質分析を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による成膜装置及び分析装置の要部を概略的に示す半断面図である。
【図２】本発明による成膜装置及び分析装置の要部を概略的に示す半断面図である。
【図３】本発明による成膜装置及び分析装置を概略的に示す構成図である。
【図４】本発明による成膜装置及び分析装置における赤外線ランプへの投入電力量と、ＹＳＺ基板に接着したＰｔ／Ｐｔ−Ｒｈ熱電対の示した温度との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
１ 導光棒
１Ａ 先端
２ ボールベアリング
２Ａ 孔部
３ シリンダ
４ 回転板
５ ギア
６ マニピュレータ
６Ａ マニピュレータロッド
６Ｂ θロッド
６Ｃ 第２回転軸
７ レール
７Ａ 支柱
７Ｂ 遮熱板
８ 基板ホルダ
８Ａ バネ
９ 基板
９Ａ 表面
９Ｂ 裏面
９Ｃ 第１回転軸
１０ 回転機構
１１ ターゲット
１２ ターゲットテーブル
１２Ａ ターゲットホルダ
１２Ｂ レール
１３ シャッタ
１４ 反応容器
１５ 赤外線ランプ
１５Ａ ベローズ付直線導入機構
１６ アナログモータ
１７ パルスモータ
１８ 入射窓
１９ テーブル
２０ シールドガラス交換機構
２１ ポート
２３ ゲートバルブ
２４ ターボ分子ポンプ
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体素子用の酸化物薄膜を作製するための基板回転・加熱装置及び成膜装置、または、作製した薄膜を分析する分析装置に関し、特に、低温域から超高温域まで安定に基板を加熱できると共に、安定的に基板を回転させることができるように改良するための新規な改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
パルスレーザ蒸着法（Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ法（以下、ＰＬＤ法と称す））は酸化物薄膜作製に適した成膜法である。ＰＬＤ法は、高反応容器中、焼結体ターゲットを基板と対向させて配置し、ターゲットにレーザ光を照射するだけの簡単な装置系であって、容器圧力を超高真空から大気圧近くまで広く変化させることができること、薄膜組成はターゲットの組成を比較的良く転写すること、ターゲットの組成は通常のセラミックプロセスによって容易に変化させることができること、高結晶性の薄膜が得られ、原子層状成長モードを実現できること、さらに、多層膜を作製できること等の優れた特徴がある。
【０００３】
ＰＬＤ法による酸化物の薄膜成長過程において、基板温度は容器圧力と並んで主たる成長パラメーターである。一般に基板温度を高くすると、酸化物薄膜の結晶性が向上する傾向が見られ、優れた物性の発現に寄与することがある。たとえば、ＩＴＯの電気伝導率は従来１０，０００Ｓ／ｃｍが壁とされてきたが、ＹＳＺ（１１１）単結晶基板を６００℃に加熱し、ＰＬＤ法で成膜することにより、ヘテロエピタキシャル膜が得られ(M.Oｒita,H.Ohta,H.Tanji,H.Hosono,andH.Kawazoe,Mat.Ｒes.Soc.Symp.Pｒoc.,558,399(2000))、１３，０００Ｓ／ｃｍの伝導率が再現性良く得られるようになる(H.Ohta,M.Oｒita,M.Hiｒano,H.Tanji,H.Kawazoe,andH.Hosono,Appl.Phys.Lett.,76,2740(2000))。ＩＴＯ膜の結晶性を向上させたことにより、ドーパントであるＳｎイオンのＩｎ2Ｏ3格子中への固溶が進行し、キャリア生成効率が上昇するとともに、移動度の低減が抑制されることが原因である。ＩＴＯ膜を形成したＹＳＺ（１１１）単結晶を基板として、高結晶性ＺｎＯ膜を８００℃でヘテロエピタキシャル成長させ、さらにｐ形の半導体膜ＳｒＣｕ2Ｏ2をエピタキシャルに堆積してＳｒＣｕ2Ｏ2（１１２）／ＺｎＯ（０００１）／ＩＴＯ（１１１）／ＹＳＺ（１１１）という多層膜を作製して、紫外発光ダイオードが実現された(H.Ohta,K.Kawamuｒa,M.Oｒita,N.Saｒukuｒa,M.Hiｒano,andH.Hosono,Elec.Lett.,36,1(2000);Appl.Phys.Lett.,77,475(2000))。また最近報告された深紫外透明導電性Ｇａ2Ｏ3薄膜は、８８０℃でＰＬＤ成膜させたもので、８００℃以下では透明性が顕著に劣化した(M.Oｒita,H.Ohta,M.Hiｒano,andH.Hosono、Appl.Phys.Lett.)。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
以上の例は、基板を安定して加熱し、高温下で成膜できるＰＬＤ装置が、優れた物性を有する酸化物薄膜の作製にとって大変有用であることを示している。さらに基板温度を高くできるならば、新たな性状を持つ薄膜を生み出すことができるはずである。一方、物質によっては低温域における成膜が必要であるから、様々な物質を成膜するためには、低温域から高温域の広い領域、具体的には、１５０℃から１５００℃の領域で安定に加熱できる装置が好ましい。さらに、成膜中には基板を安定に自転させることなくしては、基板上に均一な膜厚で成膜する事は困難である。
しかしながら、従来は、このような広い温度領域で安定に加熱でき、かつ、基板を安定に自転できる成膜装置は、ＰＬＤ装置のみに限らず、たとえばスパッタリング装置であっても、存在していないという課題があった。
【０００５】
従来、基板の加熱方式には、通電加熱、抵抗加熱、レーザ照射、赤外線ランプなどの方法が採用されてきた。
このうち、通電加熱方式は、基板に電流を流して加熱するので、導電性基板に限定される。酸化物薄膜ではＡｌ2Ｏ3単結晶基板など、酸化物材料を多用するので、採用することができないという課題があった。
また、抵抗加熱の場合、ヒーターにＰｔを用いる場合には、上限温度は１０００℃程度である。ＳｉＣヒーターを用いる場合には１１００℃程度まで昇温できるが、ヒーター自体の熱容量が大きいために、基板を保持し回転する機構部に相当程度の熱が伝わって各部材が熱膨張し、機械的な齧りが起こって安定な回転が損なわれやすいという課題があった。
また、レーザ照射方式は、最近、Ｎｄ：ＹＡＧレーザを照射方式する方式が報告され、１４５０℃という高い温度まで昇温できる点で優れている(S.Ohashi,M.Lippmaa,N.Nakagawa,H.Nagasawa,H.Koinuma,andM.Kawasaki,Ｒev.Sci.Inst.,70,178(1999))。しかし、２００℃〜５００℃程度の温度を安定に与えるには適していないという課題があった。
【０００６】
さらに、赤外線ランプ方式は、超高真空系内を清浄に保つことができ、昇降温が速やかであり、低温域から９００℃付近まで安定に加熱できる点で優れている。しかし、９００℃以上の温度は実現されていないという課題があった。
これは、従来の赤外線ランプでは赤外光（ＩＲ光）が大きく広がるためである。従来の赤外線ランプでは、ランプから放射され広がった光が基板の周囲に位置する部材に直接照射されて、部材の温度が上昇する。このため、ランプから放出される熱エネルギーの相当部分が、基板の周囲に位置する部材の温度上昇に消費されてしまう。基板の温度を高めるために、赤外線ランプの出力を高めるならば、基板の周囲に位置する部材の温度もより上昇してしまい、熱膨張によって基板の自転運動を損なうのみならず、部材の酸化反応が進行してしまうという課題があった。
【０００７】
さらに、積層膜を作製する場合には、作製した薄膜のキャラクタリゼーションを成膜容器内で行えば、積層界面の性状を把握しながら成膜できるので非常に好適である。容器外部に取り出して測定する方式では実験の効率が悪いだけでなく、大気中のガス成分を吸着するなどして薄膜の表面構造が破壊されたり、塵が付着したりするなどの不都合がある。酸化物薄膜の場合には、結晶構造解析に加えて、化学組成分析が重要な課題である。
【０００８】
しかしながら、通常広く使用されているＲＨＥＥＤは構造解析には有効であるが、化学組成に関する情報をもたらさないという課題があった。
また、薄膜表面の化学組成と結晶構造の両方の情報が得られる解析法に同軸型直衝突イオン散乱分光法(CoaxialImpact-CollisionIonScatteｒingSpectｒoscopy,CAICISS)がある(M.Aono,C.Oshima,S.Zaima,S.Otani,andY.Ishizawa,Jpn.J.Appl.Phys.,20,L829(1981))。この方法では、希ガスイオンを試料表面に照射し、１８０°の散乱角で散乱されるイオンの数を時間の関数として検出し、Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ（ＴＯＦ）スペクトルを得て、表面原子の化学種を知る。また、試料へのイオンの入射角度やアジマス角の関数としてスペクトルを得ることによって、結晶構造に関する知見を得ることができる。しかしながら、このような分析を行うためには、成膜装置内において、試料表面とイオン銃および検出器を幾何学的に精密に設置しなくてはならないという課題があった。イオン銃を反応容器に固定する方式を採用した場合には、イオンの入射角度を決める試料のあおり角φおよび回転角θ（アジマス角θ）は０．１度の精度で再現性良く制御できる基板回転系を備える必要がある。ここで、基板回転系は、基板温度を１５００℃に昇温しても機能を損なわないものとしなくてはならない。
【０００９】
以上、本発明は、基板を１５０℃から１５００℃の広い範囲で安定に加熱でき、かつ、基板を安定に自転させることができる基板回転・加熱装置を提供することを目的とする。さらに、本発明は、酸素、亜酸化窒素、もしくは窒素ガスの少なくとも一種の圧力が５×１０-6Ｐａから１００Ｐａの雰囲気下で、基板を１５０度から１５００度の広い範囲で安定に加熱でき、かつ、基板を安定に自転させた上で、基板上に薄膜を堆積することのできる成膜装置の提供を目的とする。さらに、基板の回転角θおよびあおり角φを０．１°の精度で、再現性よく制御できる機構を実現することにより、ＣＡＩＣＩＳＳによる表面分析が可能な基板回転・加熱装置及びこれを用いた分析装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の基板回転・加熱装置は、基板の表面に薄膜を均一に蒸着させるために、または、前記基板表面に形成された薄膜を分析するために、前記基板を保持すると共に、前記基板表面を垂直に貫通する第１回転軸を軸として前記基板を回転させる回転機構と、前記回転機構の前記第１回転軸を貫通し、赤外線源から出射される赤外線を前記基板の裏面に照射する導光棒とを備え、前記回転機構は、前記基板を保持する基板ホルダと、前記基板ホルダに点接触状態で接続された回転板と、前記回転板に固定されたシリンダと、前記シリンダを点接触によって支持するボールベアリングとを備える構成であり、
また、前記ボールベアリングは、前記第１回転軸と同軸回転し、前記導光棒は、前記ボールベアリングを貫通している構成であり、
また、駆動機構からの駆動力が前記基板ホルダに伝達されることにより、前記基板ホルダ及び前記回転板が前記第１回転軸と同軸回転する構成であり、
前記基板を１５０℃から１５００℃の間の任意の温度に加熱することができ、かつ、前記基板を安定的に回転できる構成であり、
さらに、前記回転機構は駆動装置に保持されており、前記駆動装置は、前記回転板を０．１度刻みで回転制御すると共に、前記第１回転軸に垂直な第２回転軸に対し前記回転機構を０．１度刻みで回転制御できる構成である。
また、本発明の成膜装置は、前記基板回転・加熱装置を反応容器内に備え、前記反応容器内に設置されたターゲットにパルスレーザ光を照射することにより、または、前記ターゲットと基板の間にプラズマを発生させることにより、前記基板表面に薄膜を作製する構成であり、
酸素、亜酸化窒素または窒素のうちの少なくとも一つのガスを前記反応容器内に流入させ、５×１０-6Ｐａ〜１００Ｐａの減圧雰囲気下において前記基板表面に薄膜を作製できる構成であり、
さらに、前記基板は、前記ターゲットに対向配置される構成である。
さらに、本発明の分析装置は、前記基板回転・加熱装置を反応容器内に備えると共に、前記基板表面に不活性ガスイオンを照射する直衝撃イオン散乱分光法用イオン銃または前記基板表面に高速電子線を照射する高速電子線回折装置を備える構成である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明は、赤外光の広がりを抑制して、基板に集光させれば、従来と同じ出力の赤外線ランプを用いて、基板をより高温に昇温できることを利用したものである。すなわち、従来の赤外線ランプ方式では、基板はせいぜい９００℃までしか昇温できなかったが、この光を基板上にうまく集光させることができるならば、９００℃を越える温度まで加熱できるはずである。
【００１２】
赤外線ランプからの光エネルギーのほとんどは基板に集中するので、基板の周囲に位置する部材は、光照射によって直接的に加熱されることはなく、基板からの熱伝導によって間接的に加熱される。このことに着目すると、基板と基板の周囲に位置する部材の間の断熱性を高めれば、基板の周囲に位置する部材の温度上昇を抑制できるはずである。この観点から本発明は、加熱源の選定と基板の周囲に位置する部材に関する三つの技術的手段によって構成される。
【００１３】
第一の技術的手段は、基板とそのごく周辺のみを局所的に加熱するために、たとえば、導光用の透明石英棒を備えた赤外線ランプ（サーモ理工ＧＶＬ−２９８：特許第２５１７２１８号）を加熱源として採用する。導光用石英棒付き赤外線ランプは、ランプの周囲に設置した回転楕円体形状の反射鏡の焦点位置に、直径２０ｍｍ、長さ５００ｍｍの石英棒の一端を位置させたものであり、市販されている。反射鏡により焦点に集光された光は、石英棒の中を全反射により伝播して先端から放射される。赤外光の照射部分が２０ｍｍφ程度あるので、基板を先端から５ｍｍ離れた位置に棒端面と平行に設置すれば、１０ｍｍ角の基板全域を均一に加熱することができる。赤外線ランプの放出する光は基板に効果的に集光するため、１５００℃を超える温度まで昇温可能である。同時に加熱部分の面積は２０ｍｍφに限定されるので、基板の昇温に必要な投入熱量を小さく抑えることができる。
【００１４】
第二の技術的手段は、光照射部分、すなわち基板ホルダの熱容量を下げることである。光は２０ｍｍφ程度の領域に照射されるので、基板ホルダも１５００℃まで直接加熱される。基板ホルダの熱容量を下げることによって、昇温に必要な投入熱量を抑制できる。そこで基板ホルダの大きさをできるだけ小さく抑えて、その熱容量を例えば従来の基板ホルダの１／２程度とし、基板ホルダへの投入熱量を抑制する。酸素雰囲気中１５００℃の加熱に耐えさせるため、基板ホルダは、たとえばＰｔ製であることが好ましい。
【００１５】
第三の技術的手段は、基板ホルダとこれを固定する回転板の熱抵抗を大きくして、機械部分への熱流出を抑制することである。たとえば、４本の支柱を介して基板ホルダを回転板上のレールに点接触的に保持させ、かつ回転板を点接触によってボールベアリングに固定して、基板ホルダとベアリング間の熱抵抗を大きくする。レール材質には、たとえばインコネルを、回転板材質には、たとえばＳＵＳ３１０Ｓを採用することができる。回転板は周囲にギアを切った円形形状を切って、５軸マニピュレータのギアとかみ合わせて回転させ、基板に自転運動を与える。
【００１６】
以上、三点の技術的手段の組み合わせによって回転板やボールベアリングの熱膨張は十分に抑制され、基板を１５００℃に昇温して継続的に運転しても、基板回転に異常は生じず、少なくとも、２時間、基板が安定に回転することを実験的に確認した。たとえば、ＩＴＯ薄膜を２時間成膜する場合、数百ナノメータから数ミクロンの膜厚で堆積することができるから、実用的な耐久時間である。
【００１７】
マニピュレータは、回転角θ方向の移動機構のほかに、ｘ、ｙ、ｚの平行移動機構を有することが好ましい。ｘ、ｙ、ｚ軸は基板ホルダと赤外線ランプの導光棒、ターゲットホルダおよび基板搬送用機構との位置関係の制御に用いることができ、平行移動軸を持たせない場合に比べて、格段に操作性が向上する。成膜時には、自転軸をアナログモータによって回転させる。
【００１８】
本発明により、回転系の熱膨張が十分に抑制できるため、基板の位置を高精度に制御することができる。このため、たとえば加熱中においてもＣＡＩＣＩＳＳによる表面解析が可能になる。ＣＡＩＣＩＳＳによる表面解析を行うためには、たとえば基板保持用のマニピュレータに、さらにあおり軸φを持たせ、一方、イオン銃を反応容器壁面のポートに取り付けて、イオンビームを基板に向けて照射する配置とする。このとき、イオンビームと基板のなす角のうち、基板水平面内のアジマス角を回転軸θ（回転角θの回転軸）により制御し、法線方向から測った入射角をあおり軸φ（あおり角φの回転軸）により制御する。いずれの軸もパルスモータによって回転制御し、イオンビームの入射角とアジマス角を０．１°の精度で再現性良く位置出しさせる方式とする。従来の加熱方式では、回転系に熱が相当程度伝わるため、回転角θとあおり角φを０．１°の精度で、かつ、再現性よく位置出しすることは不可能であったが、本発明により、回転系への伝熱が十分に抑制されるため、上記の構成とすることができる。
【００１９】
導光棒付き赤外線ランプはベローズを介して反応容器側面のフランジに取り付け、基板回転板中央に設けた開口部へ、直線導入機構によって出し入れを行う構造とすれば、基板の平行移動やあおり移動（あおり角φを動かす方向の移動）の際に、導光棒が障害となることがなく、かつ、基板を十分に加熱することができる。
【００２０】
ターゲットテーブルは、基板ホルダに対向させて、導光棒付き赤外線ランプの反対側に配置すればよい。ターゲット表面にパルスレーザ光を照射することによって、基板上に薄膜をＰＬＤ成膜することができる。また、ターゲットと基板の間にプラズマを生成させることによって、基板上に薄膜をスパッタ成膜する事ができる。
【００２１】
実施の形態１．
次に、本発明の基板回転・加熱装置ないしこれを用いた成膜装置および分析装置について具体的に説明する。
図１は本発明の成膜装置及び分析装置の要部を側面から示す半断面図である。
図２は本発明の成膜装置及び分析装置の基板ホルダを示す正面図である。
【００２２】
図１において、符号１で示されるものは、赤外線源としての赤外線ランプ１５（図３参照）に取り付けられた石英ガラス製の導光棒であり、円盤形のボールベアリング２（内部機構は省略して示す）の中央に空けた孔部２Ａにシリンダ３を介して挿入してある。ボールベアリング２は、マニピュレータ６に固定されている。シリンダ３の一端には、回転板４が取り付けてある。図１及び図２に詳細は図示しないが、シリンダ３と回転板４の接点は４本の支柱だけ（即ち４点接続）として、両者間の断熱性を高めてある。前記赤外線ランプ１５に取り付けた導光棒１は、ボールベアリング２、回転板４の中央に空けた孔部２Ａ、４Ａを貫通している。
【００２３】
シリンダ３は、ボールベアリング２を介して駆動装置としてのマニピュレータ６に回転自在に支持されている。また、前記回転板４は前記シリンダ３によって保持されているので、導光棒１の長手方向軸を中心として回転できる。
回転板４は、マニピュレータ６及びマニピュレータロッド６Ａを貫通するθロッド６Ｂの先端に設けられたギア５を介し、反応容器１４外部に設置したアナログモータ１６もしくはパルスモータ１７の駆動力を受けて回転できるように構成されている。回転板４は、成膜時にはアナログモータ１６によって駆動され、ＣＡＩＣＩＳＳ解析時にはパルスモータ１７によって駆動される。
【００２４】
導光棒１の先端１Ａは、基板ホルダ８に対向するように配置してある。前記先端１Ａと基板９の表面との距離は５ｍｍ程度に設定する。導光棒１はベローズ付き直線導入機構１５Ａによって保持されているので、反応容器１４から自由に抜き差しすることができる。ターゲット１１の表面にレーザ光をパルス状に照射することにより、基板９の表面９Ａ上に薄膜をＰＬＤ成膜することができる。また、ターゲット１１と基板９の間にプラズマを生成させることによって、基板表面９Ａ上に薄膜を成膜することができる。
【００２５】
シャッタ１３はターゲットからの飛散物が基板９の表面９Ａ上に堆積しないようにするためのもので、基板表面９Ａを覆うように配設されている。このシャッタ１３は、シャッタ開閉用のロッド１３Ａを回転させることにより開閉することができる。成膜時にはシャッタ１３を開放しておく。
レール７は、４本の支柱７Ａを介して回転板４に固定されている。また、４本の支柱７Ａの外側には（図２では影になって見えないが）レール７や基板ホルダ８からの輻射熱を遮るための環状の遮熱板７Ｂが設けられている。このように支柱７Ａでレール７を固定したり遮熱板７Ｂを設けることにより、レール７と回転板４の間における断熱性を向上させており、回転板４等の駆動系の熱変形を抑制している。
【００２６】
また、基板ホルダ８は、２本のレール７の間に狭持させてある。基板９は、図２中における右方向から脱着できるように構成されている。
基板９は、基板ホルダ８の中央部において、白金製のリング状のバネ８Ａによって固定されている。
上述したボールベアリング２、シリンダ３、回転板４、支柱７及び基板ホルダ８は、回転機構１０を構成している。
また、本発明の基板回転・加熱装置は、導光棒１、ボールベアリング２、シリンダ３、回転板４、ギア５、θロッド６Ｂ、支柱７、基板ホルダ８、アナログモータ１６及びパルスモータ１７によって構成される。
【００２７】
図１中において導光棒１を右方向に引き抜くと、第２回転軸６Ｃを中心にマニピュレータ６を回転させることができる。たとえば第２回転軸６Ｃの上方から見てマニピュレータロッド６Ａを反時計方向に９０°回転すれば、図２に示す面が図１上に現れる。
このような操作はＣＡＩＣＩＳＳ測定時に、基板表面に対するイオンビームの入射角度を制御するために用いる。基板９に対向してターゲット１１を位置させる。ターゲット１１はターゲットテーブル１２に保持されており、このターゲットテーブルは、図１に示すｘ、ｙ、ｚ方向に移動可能に構成されている。
なお、図１及び図２に示す構成は全て反応容器１４内に収められている。
【００２８】
また、図１において、ターゲットテーブル１２には６０°おきに５個のターゲット１１を設けると共に、６つ目の位置には、孔部（図示せず）を開けてある。
従って、ターゲットテーブル１２を回転制御することにより、自動的に任意のターゲット１１を選択でき、また、孔部にエキシマレーザ光が照射するようにターゲットテーブル１２を回転させれば、エキシマレーザ光はターゲットテーブル１２を通りぬけ、図示しない石英ガラス窓から反応容器１４外に取り出せるので、反応容器１４外に設置したパワーメータによって光強度をモニタすることができる。
【００２９】
ターゲットホルダ１２Ａは基板ホルダと同じ外形とし、前記レール７と同様のレール１２Ｂに狭持させることにより、同一の搬送機構によってロードロック室と成膜室の間を出し入れできるようにした。なお、反応容器１４に接続する図示しないロードロック室の容積は４．６Ｌに抑え、大気開放してから真空に引くまでの時間が、全体の作業時間に占める割合を低減させた。ロードロック室は５０Ｌ／ｓのターボ分子ポンプによって排気し、到達真空度は１×１０-4Ｐａである。ロードロック室内にはリボルバ式カセットを取り付けてあり、１２個のホルダを同時に装填することができる。
【００３０】
図３は、本発明の成膜装置及び分析装置の全体を示す判断面図である。
図３において、石英ガラス製導光棒付きの赤外線ランプ１５は、反応容器１４の壁面のポートに水平に取り付けてある。赤外線ランプ１５は反応容器１４外に設置し、ベローズ付き直線導入機構１５Ａを介して、導光棒１を反応容器１４内に挿入している。
【００３１】
基板９は、アナログモータ１６もしくはパルスモータ１７によって、θロッド６Ｂ、ギア５及び回転板４を介して回転可能に構成されている。
基板９に対向してターゲット１１が位置し、ターゲットテーブル１２を回転させることによって、ターゲットテーブル１２に保持された５つのターゲット１１から任意の一つを選択することができる。
【００３２】
レーザ光は、入射窓１８から、反応容器１４内に導かれ、ターゲット１１上で集光される。集光用のレンズ（図示せず）をテーブル１９に立てることにより、焦点位置を調整することができる。入射窓１８がターゲット１１からの飛散物により汚れても容易に交換できるように、シールドガラス交換機構２０を取り付けてある。
ＣＡＩＣＩＳＳ解析用の周知のイオン銃及び散乱イオン解析システム（図示せず）は、石英ガラス製導光棒付き赤外線ランプ１５及びターゲット１１と同じ高さの水平面上に取り付けたポート２１に設置する。膜表面の構造は、周知の高速電子線回折装置によっても解析することが可能である。
【００３３】
ターゲット１１に照射するＡｒＦエキシマレーザ光は、前述したように、反応容器１４から斜めに延びたポートに取り付けた石英ガラス製の入射窓１８から入射させる。エキシマレーザ光とターゲット１１の表面とのなす角は３５°である。
ＣＡＩＣＩＳＳ用ポートは基板面に垂直となるように、反応容器１４の側面に取り付けた。ＲＨＥＥＤ用の電子銃および反射電子線用の蛍光スクリーン（前述した高速電子線回折装置）は、図３中において、紙面に垂直な方向で反応容器１４の影になる位置に配置した。
このような構成により、成膜中に膜表面をモニタすることができる。反応容器１４の直径は４００ｍｍ、高さ４００ｍｍであり、反応容器１４の直下にゲートバルブ２３を介して取り付けた１０００Ｌ／ｓのターボ分子ポンプ２４で排気する。到達真空度は７×１０-7Ｐａである。成膜用のガスはマスフローメータもしくはリークバルブから容器内に導入する。ガス導入速度とともに、バタフライバルブによって排気速度を制御することによって、反応容器１４内の圧力を５×１０-6Ｐａから１００Ｐａの領域で制御することができる。
【００３４】
以上のように説明した図１、図２及び図３に示す成膜装置において、赤外線ランプ１５へ電力を入力し、基板ホルダ８上に設置したＹＳＺ単結晶からなる基板９の温度をＰｔ／Ｐｔ−Ｒｈ熱電対で測定した。フルヤ金属（株）から購入したＹＳＺ基板９の表面には小さな孔部をうがち、熱電対の先端を耐熱性接着剤で固定してある。
図４は、赤外線ランプ１５への投入電力量と、ＹＳＺ基板９に接着したＰｔ／Ｐｔ−Ｒｈ熱電対の示した温度との関係を示す。２ｋＷの赤外線ランプ１５により、１５０℃から１５００℃の範囲で、連続的な温度設定を実現できた。
【００３５】
【発明の効果】
本発明の基板回転・加熱装置は、基板の表面に薄膜を均一に蒸着させるために、または、前記基板表面に形成された薄膜を分析するために、前記基板を保持すると共に、前記基板表面を垂直に貫通する第１回転軸を軸として前記基板を回転させる回転機構と、前記回転機構の前記第１回転軸を貫通し、赤外線源から出射される赤外線を前記基板の裏面に照射する導光棒とを備えるので、基板を効率よく加熱することができる。また、前記回転機構は、前記第１回転軸と同軸回転するボールベアリングを備え、前記導光棒は、前記ボールベアリングを貫通しているので、回転機構の安定した回転動作を確保しつつ、導光棒を基板の裏面に確実に導くことができる。また、前記回転機構は、前記基板を保持する基板ホルダと、支柱を介して前記基板ホルダに接続された回転板とを備え、駆動機構からの駆動力が前記基板ホルダに伝達されることにより、前記基板ホルダ及び前記回転板が前記第１回転軸と同軸回転するので、基板や基板ホルダ側の熱が回転板に伝わりにくくなり、基板の高温加熱時においても安定した回転動作を確保することができる。前記基板を１５０℃から１５００℃の間の任意の温度に加熱することができ、かつ、前記基板を安定的に回転できるので、基板の超高温加熱と安定した回転動作を両立した基板回転・加熱装置を提供することができる。さらに、前記回転機構は駆動装置に保持されており、前記駆動装置は、前記回転板を０．１度刻みで回転制御すると共に、前記第１回転軸に垂直な第２回転軸に対し前記回転機構を０．１度刻みで回転制御できる構成であるので、高温加熱時においても、基板を高精度に位置決めすることができる。また、本発明の成膜装置は、前記基板回転・加熱装置を反応容器内に備え、前記反応容器内に設置されたターゲットにパルスレーザ光を照射することにより、または、前記ターゲットと基板の間にプラズマを発生させることにより、前記基板表面に薄膜を作製するので、超高温加熱時においても基板全体に均一な膜質及び膜厚を備える薄膜を作製することができる。また、酸素、亜酸化窒素または窒素のうちの少なくとも一つのガスを前記反応容器内に流入させ、５×１０-6Ｐａ〜１００Ｐａの減圧雰囲気下において前記基板表面に薄膜を作製できるので、超高温加熱時において極めて膜質の良好な薄膜を作製することができる。さらに、前記基板は、前記ターゲットに対向配置されるので、極めて膜質の良好な薄膜を作製することができる。さらに、本発明の分析装置は、前記基板回転・加熱装置を反応容器内に備えると共に、前記基板表面に不活性ガスイオンを照射する直衝撃イオン散乱分光法用イオン銃または前記基板表面に高速電子線を照射する高速電子線回折装置を備えるので、超高温加熱時においてもＣＡＩＣＩＳＳあるいはＲＨＥＥＤによる膜質分析を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による成膜装置及び分析装置の要部を概略的に示す半断面図である。
【図２】本発明による成膜装置及び分析装置の要部を概略的に示す半断面図である。
【図３】本発明による成膜装置及び分析装置を概略的に示す構成図である。
【図４】本発明による成膜装置及び分析装置における赤外線ランプへの投入電力量と、ＹＳＺ基板に接着したＰｔ／Ｐｔ−Ｒｈ熱電対の示した温度との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
１ 導光棒
１Ａ 先端
２ ボールベアリング
２Ａ 孔部
３ シリンダ
４ 回転板
５ ギア
６ マニピュレータ
６Ａ マニピュレータロッド
６Ｂ θロッド
６Ｃ 第２回転軸
７ レール
７Ａ 支柱
７Ｂ 遮熱板
８ 基板ホルダ
８Ａ バネ
９ 基板
９Ａ 表面
９Ｂ 裏面
９Ｃ 第１回転軸
１０ 回転機構
１１ ターゲット
１２ ターゲットテーブル
１２Ａ ターゲットホルダ
１２Ｂ レール
１３ シャッタ
１４ 反応容器
１５ 赤外線ランプ
１５Ａ ベローズ付直線導入機構
１６ アナログモータ
１７ パルスモータ
１８ 入射窓
１９ テーブル
２０ シールドガラス交換機構
２１ ポート
２３ ゲートバルブ
２４ ターボ分子ポンプ
Claims (9)
- 基板(9)の表面(9A)に薄膜を均一に蒸着させるために、または、前記基板表面(9A)に形成された薄膜を分析するために、前記基板(9)を保持すると共に、前記基板表面(9A)を垂直に貫通する第１回転軸(9C)を軸として前記基板(9)を回転させる回転機構(10)と、前記回転機構(10)の前記第１回転軸(9C)を貫通し、赤外線源(15)から出射される赤外線を前記基板(9)の裏面(9B)に照射する導光棒(1)とを備え、
前記回転機構(10)は、
前記基板(9)を保持する基板ホルダ(8)と、
前記基板ホルダ(8)に点接触状態で接続された回転板(4)と、
前記回転板(4)に固定されたシリンダ(3)と、
前記シリンダ(3)を点接触によって支持するボールベアリング(2)と
を備えることを特徴とする基板回転・加熱装置。 - 前記ボールベアリング(2)は、前記第１回転軸(9C)と同軸回転し、前記導光棒(1)は、前記ボールベアリング(2)を貫通していることを特徴とする請求項１記載の基板回転・加熱装置。
- 駆動機構(16,17)からの駆動力が前記基板ホルダ(8)に伝達されることにより、前記基板ホルダ(8)及び前記回転板(4)が前記第１回転軸(9C)と同軸回転することを特徴とする請求項１または２記載の基板回転・加熱装置。
- 前記基板(9)を１５０℃から１５００℃の間の任意の温度に加熱することができ、かつ、前記基板(9)を安定的に回転できることを特徴とする請求項３記載の基板回転・加熱装置。
- 前記回転機構(10)は駆動装置(6)に保持されており、前記駆動装置(6)は、前記回転板(4)を０．１度刻みで回転制御すると共に、前記第１回転軸(9C)に垂直な第２回転軸(6C)に対し前記回転機構(10)を０．１度刻みで回転制御できることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか記載の基板回転・加熱装置。
- 請求項１ないし５のいずれか記載の基板回転・加熱装置を反応容器(14)内に備え、前記反応容器(14)内に設置されたターゲット(11)にパルスレーザ光を照射することにより、または、前記ターゲット(11)と基板(9)の間にプラズマを発生させることにより、前記基板表面(9A)に薄膜を作製することを特徴とする成膜装置。
- 酸素、亜酸化窒素または窒素のうちの少なくとも一つのガスを前記反応容器(14)内に流入させ、５×１０-6Ｐａ〜１００Ｐａの減圧雰囲気下において前記基板表面(9A)に薄膜を作製できることを特徴とする請求項６記載の成膜装置。
- 前記基板(9)は、前記ターゲット(11)に対向配置されることを特徴とする請求項６または７記載の成膜装置。
- 請求項１ないし５のいずれか記載の基板回転・加熱装置を反応容器(14)内に備えると共に、前記基板表面(9A)に不活性ガスイオンを照射する直衝撃イオン散乱分光法用イオン銃または前記基板表面(9A)に高速電子線を照射する高速電子線回折装置を備えることを特徴とする分析装置。
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