JP4911875B2 - イオンビームスパッタ成膜法 - Google Patents

Description

本発明はマイクロボロメータ用センサに関し、特にマイクロボロメータ用の検出器材料を製造するための方法に関する。更に詳しくは、本発明は、特殊なイオンビームスパッタ法によって製造される特別な検出器材料に関する。米国政府は本発明において一定の権利を有する。

ボロメータの感度の主要因子は検出器材料のＴＣＲ（抵抗温度係数、％／℃で表されることが多い）である。ボロメータの全ＮＥＴＤ（雑音等価温度差）感度もノイズレベルに左右される。従来のボロメータ材料は典型的には０．００３〜０．００４の範囲のＴＣＲを有する高ＴＣＲ金属である。これらの材料は低ノイズであるが低ＴＣＲでもある。金属は反射体なので、検出器の吸光度特性を低下させることにもなる。相転移（すなわちモット転移）を受ける材料は転移領域で高いＴＣＲを有しうるが、多くの問題もある。第一に、これらの材料の相変化に伴う潜熱は検出器の感度を著しく低下させうる。第二に、ほとんどのスイッチング材料はドーピングを追加しなければ一つの形態でしか製造できないので、ドーピングによって材料の抵抗とＴＣＲが規定される。さらに、転移が起こる温度範囲は典型的には非常に狭いため、作動上厳密な温度制御を要する。最後に、フィルムは結晶の形態で製造しなければならず、これには高温成膜が必要である。

発明の要旨
本発明は、一般的にＡＢｘと表示される検出器材料（例えばＶＯｘであり得る）、及び該検出器材料の製造に使用される方法に関する。他の態様において、当該検出器材料は、二つ以上の種（そのうちの少なくとも一つの種は気相状態にある）の反応によって形成される任意の材料であり得る。ＶＯｘのｘは、本発明の方法によってスパッタ成膜されるピクセルに適合する値であって、必ずしも“２”のような特定の数字でなく、１〜２．５の範囲でよい。該材料は、高性能マイクロボロメータのピクセルの一部として成膜される。該材料はイオンビームスパッタリングによって成膜されるが、成膜プロセスの制御によりマイクロボロメータ用検出器に適したフレキシブルな検出器の製造法がもたらされた。これらの検出器材料は、高性能検出器に適合する光学的、電気的、及び熱的特性を有するが、それらの性質は個々のアレイ設計の要件に合わせて容易に改変することも可能である。
好ましい態様の説明
制御されたイオンビームスパッタ成膜法によって成膜されたＶＯｘは、広範囲の性能特性を有するボロメータ用の検出器フィルムを生み出し、それがフレキシブルな検出器の製造法の開発につながった。本発明の検出器フィルム材料のいくつかの利点を記す（本発明は、これらの材料のクラス及びこれらの材料の製造に使用される加工技術に関する）。０．００５から＞０．０３の範囲、例えば０．０５のような高いＴＣＲを有するボロメータ用フィルム材料が実証された。図１に示されているように、所定の抵抗率において、これらの材料は、いくつかの結晶性材料（これらはピクセル上に製造されていない）を除くいかなる公知材料よりも、マイクロボロメータで高性能を示す。図１は、ＡＢｘ（例えばＶＯｘ）と各種材料のＴＣＲ対導電率の比較を示すグラフである。このクラスの材料には、抵抗とＴＣＲの間に、ＴＣＲ＝Ｃ＋Ｄ*ｌｏｇ（導電率）（式中“Ｃ”及び“Ｄ”は定数）の関係式で与えられる実験的に決定された関係がある場合がある。例えば、ＴＣＲ＝−（０．０３−０．０１*ｌｏｇ（導電率））などでありうる。異なる抵抗率の材料（成膜プロセスをわずかに変更して得られる）を検出器の異なるパターンや厚さと組み合わせて使用することにより、広範囲のピクセル抵抗及びＴＣＲ特性が可能である。図２に示すように、これらの電気的特性は、どの具体的なＶＯｘフィルムについても、広範囲の温度にわたって正常に動作し、またキャラクタライズされており、狭い転移領域に限定されていない。いずれの具体的なＶＯｘフィルムについても、抵抗は、Ｌｎ（Ｒ）＝Ｅ＋（Ｆ／Ｔ）（式中“Ｅ”及び“Ｆ”は定数、“Ｔ”は温度）で与えられるので、１／Ｒ・ｄＲ／ｄＴで定義されるＴＣＲは、ＴＣＲ＝−Ｆ／Ｔ²となる。図２は、高ＴＣＲのＶＯｘ検出器フィルムの電気的特性を示す。これらの特徴から、材料が広い温度範囲にわたって正常な動作性を示すことが明らかになる。抵抗レベルは、最適の応答性を得るために高電流でのボロメータ作動を可能にする適正な範囲にある。フィルムは非晶質で、ＶＯ₂のおける相転移の影響とは異なり、潜熱の影響はない。フィルムは高温にしなければアニール後も安定である。アニールによる抵抗の変化は明確にされており、初期の成膜条件を変化させることによって補正できる。１／ｆノイズレベルは、式：

で定義される。わずか１０^-12〜１０^-14ほどのｋ値は、全ノイズに対する１／ｆノイズの寄与を非常に小さくする。ノイズレベルはジョンソンノイズ（熱雑音）限界値に近い。
ＶＯｘの光学的特性は検出器の高吸光度に適合する。重要な熱的特性であるＶＯｘの熱的質量は、主要なピクセル材料、例えばＳｉ₃Ｎ₄に匹敵する。これらのＶＯｘフィルムは数百オングストローム（Å）から１５００Åの厚さ範囲にわたって高ＴＣＲを有する。このフィルム材料はマイクロボロメータの特性に適合する。該ＶＯｘ材料の特性は、図３から明らかなように、本発明の方法のイオンビームスパッタ成膜の環境を単に変化させるだけで容易に変更できる。図３は、ガス制御レベル等のイオンビームスパッタ成膜環境の制御によるＶＯｘ抵抗の決定を示すグラフである。本発明のイオンビームスパッタリングは、酸化プロセスを十分に制御することにより、非化学量論的なＶＯｘフィルムの形成を可能にしている。他の反応性成膜技術では、酸化プロセスは化学量論的材料だけの形成に終わる方向に進行しがちである。イオンビームスパッタ成膜は低温成膜プロセスである。このことは、成膜の間にフォトレジストを使用するリフトオフ法によって、ＶＯｘフィルムのパターニングに柔軟性をもたらしうるということを意味する。

本発明の方法は図５に示すプロセス１８であり、これを前述のＶＯｘ材料を製造できる図４ａの成膜装置１０と組み合わせて実施する。円形のシリコンウェハ１１は、電子回路とピクセル下層１２とを含有する基板を有し（図６ａ参照）、下層１２は約５０００ÅのＳｉ₃Ｎ₄層１３で被覆される。このウェハを成膜装置１０のポート１５を通して（図４ａ及び４ｂの）５個用ウェハカルーセル１９に装填する。また、ピクセルを規定するフォトレジスト７４（図６ａ参照）もウェハ１１上にあってもよい。現在のところ、各ウェハ１１は４インチの直径１４を有している。ウェハ１１の装填はプロセス１８のフローチャートの工程１６である。システム１０はプロセス１８の較正段階２０によってまず較正されるが、その段階は、システムをポンプで排気して２×１０^-7トルの圧に下げることを包含する。真空システムは１×１０^-7トル未満のベース圧にポンプで排気することが可能で、バルブ２４を通じた８インチ２ステージクライオポンプ（低温ポンプ）２３より良好な処理能力を有する。システム１０はバルブ２１を開いてポンプダウンし、このバルブはプロセス中は開けたままにしておく。システム１０は、工程２５でランプ４５を用いてウォームアップされる。残留ガス分析器（ＲＧＡ）２２は、プロセス較正の前に、工程２６でウォームアップされる。ＲＧＡ２２は、チャンバ２７に接続され、サンプリングマニホールドに電子増倍管（ＥＭ）検出器を備えた四重極プローブを有し、１０^-7トルの圧環境での運転を可能にするためにマニホールドはターボポンプで排気される。ＲＧＡ２２は上部チャンバ３１又は下部チャンバ２７のいずれかに接続できる。ＲＧＡ２２はアナログ出力を有する。

シリコンウェハ１１はその上に何らかの能動素子を有し得る。例えば図６ａ及び６ｂのＣＭＯＳ又はバイポーラデバイス７３、又は他の種類の検出器要素を、Ｓｉ₃Ｎ₄層１３、フォトレジスト７４、及び／又はＶＯｘ層７９成膜の下に有する。ＲＧＡ２２のバルブ２８を開け、プロセス１８の段階２９でアルゴン流を約３ｓｃｃ／ｍに設定する。ＲＧＡ２２は、工程３０でその利得を調整することによって較正し、標準のＲＧＡのアルゴンの読みにする。ＲＧＡ２２は閉鎖されたソースデバイスである。ＲＧＡ２２を図４ａのチャンバ２７に接続する。ＲＧＡ２２の出力はガス成分の種のスペクトルを検出し、検出されたガスが同定される。ＲＧＡ２２は、ＲＧＡ２２の圧がチャンバ２７より低くなるようにポンプで排気されているので、イオン種はバルブ２８の小オリフィスを通過して流入することになる。ＲＧＡ２２は ＵＴＩ Ｉｎｃ．社製である。ＲＧＡ２２のバルブを開けた状態で、ＲＧＡ２２を公知のアルゴンピークレベルに較正するためにアルゴンガス流の読みを設定する。

工程３２で、ガン３３とホローカソード中和器（ＨＣＮ）３４のアルゴンガス流を設定する。ガン３３はアルゴンをスパッタリングガスとして使用する。イオンビーム３５はＨＣＮ３４のビーム４０によって中和される。イオンガンは Ｉｏｎ Ｔｅｃｈ Ｉｎｃ．社製である。

ターゲットホルダー３６上のターゲットは、ガン３３のビーム３５に対して、バナジウムがターゲット材料４６として選択されるように配置される。ターゲットホルダーの他方の側は、選択可能なターゲット材料４７としてＳｉＯ₂を有する。ターゲット材料はビーム３５の方向に対して４５〜５５℃の角度にセットされる。ターゲット材料の中心は、ガン３３から出たビーム３５から７と５／８インチの距離にある。ガン３３へのアルゴンガス流はＭＦＣ３７で２．５ｓｃｃ／ｍの運転レベルに設定され、ＨＣＮ３４へはＭＦＣ３９で３．５ｓｃｃ／ｍの運転レベルに設定される。アルゴン（Ａｒ）の代わりにキセノン（Ｘｅ）を用いてもよい。ソース４１からの冷却水は、ガン３３へはライン４２を経由して、ターゲットホルダー３６へはライン４３を経由して引き込まれる。工程３８で、イオンガンの電源４４を入れ、初期のガンの起動パラメータを２０ｍＡ、１ｋＶにセットする。イオンガンの発生源を作動させ、発生源を安定化させる。イオンガン３３のビーム３５のスイッチを入れる。電源の電圧を調整する。ガン３３の中にプラズマが発生し、イオンビーム３５がガン３３のグリッドから発生又は加速される。

次の工程４８で、ターゲット材料４６を無酸素でプレスパッタする。予熱システムのクォーツランプ４５がオンになっていればオフにする。ターゲット材料４６を２０ｍＡ、１ｋＶの低出力で２４０秒間プレスパッタする。次の２４０秒間は、ターゲット４６を３５ｍＡ、１．５ｋＶの中程度の出力でプレスパッタする。プレスパッタを、５０ｍＡ、２ｋＶの高出力でさらに１２０秒間続け、これでシステム較正段階２０が終了する。無酸素のプレスパッタは、ターゲット４６を１０分間ほどクリーニングするためのものである。

次の段階５０は、酸素濃度を変えて(oxygen ramp)プレスパッタし、ターゲット４６を所望のＲＧＡ２２レベルにコンディショニングさせる工程４９から始まる。酸素は少しずつ増加させ、次に大きく増加させてシステム１８内の酸素を測定する。これはターゲット４６のクリーニングではなく、所望のＲＧＡ２２レベルへのターゲット４６のコンディショニングである。過去の経験に基づいて酸素を増加させてフィルム７９の特性プロフィールを得て、ＲＧＡ２２をｙと呼ばれる任意のレベルに設定する。ビーム３５の出力を５０ｍＡ、２ｋＶに維持し、ＭＦＣ５１のコントローラ５３を、管５２からチャンバ２７に流れる酸素流が９０秒間０．５ｓｃｃ／ｍになるように設定する。次に、酸素流を９０秒間０．１ｓｃｃ／ｍだけ増加させる。これを、３２ＡＭＵ（Ｏ₂原子量）の分圧の増加が前の分圧の１０倍以上になるまで繰り返す。運転レベルの設定値は前のステップの分圧上昇に基づくが、前の３２ＡＭＵの分圧増加分のほぼ中点である。運転設定値の正確な位置が、抵抗とＴＣＲを決定する。３２ＡＭＵの分圧の設定値をコントローラ５３に入力すると、ＶＯｘフィルム７９成膜のための酸素流のレベルが決定される。ＲＧＡがＯ₂シグナルを出力する点になるまで酸素流を段階的に増加させる。質量を測定し、ＲＧＡのＯ₂をモニタする。イオンガン３３は、固定電圧及び電流を有する設定レベルで運転する。ＲＧＡ２２の３２ＡＭＵのモニタは、コントローラ５３で実施する。コントローラ５３では流量が開始レベルを達成するように調整される。工程５９では、コンピュータプロセッサ５６を用いてＲＧＡ２２のモニターし、コントローラ５３により酸素流の調整を行って開始条件又はレベルを達成することができる。

工程５４でウェハ基板１１の回転が開始される。制御ループはコントローラ５３の設定値での３００秒間のプレスパッタで始まる。システム１０が安定化したら工程５８でシャッタ５５を開ける。タイマー５７をスタートさせる。時間は所望の厚さによって決まるが、成膜速度は１秒当たり約２．５Åである。成膜工程６１の間、工程６０でＲＧＡ２２をモニタし酸素流を調整する。スパッタされるターゲット４６の面は、ウェハ１１の成膜面に対して４５〜５５°の角度を成し成膜面から１２インチの距離にあり、ターゲット４６の中心は、ウェハ１１の中心から１インチのところで位置合わせされている。所望の厚さが達成されたら、工程６２でシャッタ５５を閉じる。次に工程６３で、カルーセル１９が次に被覆されるウェハ１１のために回転し、制御ループが成膜段階５０の工程４９でプレスパッタによって開始し、前のウェハ１１の成膜プロセスと同じ工程を繰り返す。カルーセルのすべての基板１１が成膜されたら、段階５０の制御ループを停止する。酸素のＭＦＣ５１を０ｓｃｃ／ｍに設定し、ＲＧＡ２２のサンプルバルブ２８を閉じ、イオンビーム３５を停止又はスタンバイモードにし、ＲＧＡ２２を停止させる。

プロセス１８は低温プロセスで１００℃を超えない。従ってフォトレジスト７４は硬化する。典型的には当該プロセスは約８０℃以下で実施される。
ウェハ１１のプロセス１８はＳｉＯ₂を成膜するための段階６４に進む。工程６５で、ターゲットホルダー３６を回転させ、ターゲット４７の面が、イオンビーム３５が作動したときにその中心の方向に対して４５°の角度になるようにする。酸素流はＭＦＣ５１で２．０ｓｃｃ／ｍに設定する。まず、工程６６でウェハ１１をカルーセルによって回転させる。イオンガン３３を５０ｍＡ、２ｋＶで作動させ、ターゲット４７を３００秒間プレスパッタする。シャッタ５５を開き、タイマー５７をスタートさせる。タイマー５７は、工程６７で、１秒当たり０．３３Åの成膜速度でウェハ１１上に所望の厚さのＳｉＯ₂が達成できる時間に設定される。次にシャッタを閉じる。次に、工程６８でＳｉＯ₂成膜のためにウェハ１１をカルーセル１９によって回転させ、前のウェハ１１にＳｉＯ₂を成膜した工程を繰り返す。最後のウェハ１１がＳｉＯ₂の成膜によって被覆されたら、段階６４の工程６９でシステム１０をシャットダウンする。イオンビーム３５を止め、ＭＦＣ５１を０．０ｓｃｃ／ｍに設定し、イオンビーム源３３を切り、基板回転装置７０とカルーセル１９を停止させる。システム１０がクールダウンするまで４５分間待つ。クールダウン後、Ｈｉｖａｃバルブ２４を閉じ、システム１０を供給７１からバルブ７２を通じて乾燥Ｎ₂で通風する。システム１０が大気圧になったら開けてウェハ１１を取り出してよい。別の組の基板又はウェハ１１でプロセス１８をスタートするには、ウェハ１１を上部チャンバ３１にポート１５から入れ、システムを閉じる。クォーツランプ４５をオンにしてシステム１０内が８０℃の温度になるようにプレセットレベルに合わせる。Ｎ₂の通風ガスバルブ７２を閉じ、ＭＦＣ３７とＭＦＣ３９を０．０ｓｃｃ／ｍに設定する。次にクライオポンプ２３でポンプダウンし、Ｈｉｖａｃバルブ２４を開く。漏れをチェックし、前述のプロセス１８を繰り返す。前述の態様のパラメータ及び設定は単に例示的なものであり、場合より変動しうる。

システム１０によって加工したウェハ１１から図６ａ及び６ｂのマイクロボロメータ用のピクセル７７が製造される。システム１０によるＶＯｘ及びＳｉＯ₂の成膜前には、ウェハ１１上にＳｉ基板１２と、それを覆うデバイス層７３が存在しうる。層７３の上はピクセルＳｉ₃Ｎ₄材料層１３である。ピクセル７７はフォトレジストマスク７４で画定される。次に、ＶＯｘ層７９とＳｉＯ₂層７５をそれぞれウェハ１１上に前述のように、そして図６ａで明らかなように成膜させる。次の工程では、フォトレジスト７４を化学的に除去し、フォトレジスト層上に形成された層７９及び７５の一部も同様に除去し、図６ｂに示されているようにピクセル７７が得られる。電気接点のため、ビア又はホール７８を層７５にエッチングする。前記電気接点は、ピクセル７７の小さい部分上に成膜及びパターンニングによって形成されたニクロム（ＮｉＣｒ）ストリップ７６で作られる。ＮｉＣｒ７６は、ピクセル７７のＶＯｘ部分への接点を形成する。ＶＯｘ層７９はピクセル７７の主要部分を覆う。更なる保護のため、追加のＳｉ₃Ｎ₄層を図６ｂのピクセル７７上に形成してもよい。層７５は約２００Åである。接点７６の配置に先立って層７５を被覆していない場合、ピクセルのＶＯｘ部分は、Ｓｉ₃Ｎ₄及びその後のＮｉＣｒストリップ７６成膜前のフィルムのプレスパッタ中に、ＶＯｘの電気的劣化によって劣化することがある。層７９は所望のＴＣＲによって２００〜２０００Åの範囲であり得る。層１３は約５００Åである。Ｓｉ₃Ｎ₄層８０を層７５の上に形成した場合、ＮｉＣｒストリップは層８０と層７５を通過してＶＯｘ層７９と接触することになろう。

図１は、ＡＢｘ、例えばＶＯｘを含む各種材料のＴＣＲの比較を明らかにしたグラフである。 図２は、高ＴＣＲのＡＢｘ、例えばＶＯｘ検出器フィルムの電気的特性を示すグラフである。 図３は、成膜環境の制御によりＶＯｘの抵抗の決定を示す図である。 図４ａは、成膜システムを示す略図である。図４ｂは、成膜システムを示す略図である。 図５は成膜プロセスの流れを示す略図である。 図６ａは成膜ウェハのいくつかの段階を示す図である。図６ｂは成膜ウェハのいくつかの段階を示す図である。

符号の説明

１０ 成膜装置、１１ ウェハ、１２ Ｓｉ基板、１３ Ｓｉ₃Ｎ₄層、１９ カルーセル、２２ 残留ガス分析器（ＲＧＡ）、２３ クライオポンプ、２７ 下部チャンバ、３１ 上部チャンバ、３３ イオンガン、３４ ホローカソード中和器（ＨＣＮ）、３５ イオンビーム、３６ ターゲットホルダー、４６ ターゲット材料、７４ フォトレジスト、７５ ＳｉＯ₂層、７６ ＮｉＣｒストリップ、７７ ピクセル、７９ ＶＯｘ層、８０ Ｓｉ₃Ｎ₄層。

Claims (11)

1. イオンビームスパッタ成膜法で酸化物材料を成膜させる方法であって、
   酸素を含有するチャンバ内でターゲットの状態をイオンで調節し；
   酸素を含有するチャンバ内でターゲットをイオンでスパッタし；および、
   ターゲットのスパッタ中にチャンバ内の酸素分圧を制御する；
   工程を含み、
   成膜させる材料が非化学量論組成を有するＶＯｘ材料であり、
   前記ｘは、前記ＶＯｘの導電率の対数が０〜３で、抵抗温度係数を０．００５〜０．０５とする値であり、
   前記ターゲットの状態を調節する工程は、
   チャンバ内への第一の酸素流量を設定し、前記第一の酸素流量に対応する第一の酸素分圧を測定し；
   前記酸素流量を段階的に増加させて第二の酸素流量にし、前記第二の酸素流量に対応する第二の酸素分圧を記録し；
   前記第一の酸素分圧を前記第二の酸素分圧と比較し；そして、
   前記第二の酸素分圧が前記第一の酸素分圧より大きいことを確認し；
   酸素分圧の設定値を前記第一の酸素分圧と前記第二の酸素分圧の間に設定する；
   ことを含み、
   前記方法は、１００℃を超えない温度で実施される、
   酸化物材料の成膜方法。
2. チャンバ内の酸素分圧の制御が、
   残留ガス分析器でチャンバ内の酸素分圧を検出し；
   前記残留ガス分析器で検出された分圧に応じてチャンバ内への酸素流入を調整する；
   工程を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記酸素分圧の設定値の増加分が、前記第一の酸素分圧と前記第二の酸素分圧間の差の半分に相当する、請求項１に記載の方法。
4. 前記ターゲットの状態を調節する工程が、
   前記第二の酸素分圧が前記第一の酸素分圧の１０倍未満であることを確認し；
   前記酸素流量を段階的に増加させて第三の酸素流量にし、前記第三の酸素流量に対応する第三の酸素分圧を記録する；
   ことをさらに含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記反応性ターゲットがバナジウムを含む、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
6. 前記イオンがアルゴンイオンである、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の方法によって製造される、マイクロボロメータアレイに使用するためのピクセル。
8. 請求項１〜６のいずれかに記載の方法によって製造されるＶＯｘ材料。
9. イオンビーム源をその中に有するチャンバ；
   前記チャンバに連結された残留ガス分析器；
   前記残留ガス分析器に接続されたコンピュータプロセッサ；及び
   前記プロセッサに接続されたコントローラ；
   を含み、
   前記コンピュータプロセッサが前記残留ガス分析器を監視し、前記残留ガス分析器によって測定された酸素分圧に基づいて前記コントローラを経由してチャンバ内への酸素の質量流量を調節する、
   イオンビームスパッタ成膜に使用するための装置であって、請求項１〜６のいずれかの方法に使用するための装置。
10. チャンバ内に配置されたバナジウムの反応性ターゲットをさらに含む、請求項９に記載の装置。
11. イオンガンに連結されたアルゴン源をさらに含む、請求項９又は１０に記載の装置。

Images