JP4969919B2 - 成膜装置及び成膜方法 - Google Patents

Description

本発明は成膜装置及び成膜方法の分野に関する。

従来より、ＳｉＮ_X膜や、ＳｉＯ_X膜等の絶縁膜は半導体素子や有機ＥＬ素子等の電気デバイスに広く用いられている。このような絶縁膜の成膜方法としては、成膜室内で原料ガス（例えばシランとアンモニア、又はシランと酸素）のプラズマを発生させ、該成膜室内部に配置された処理対象物の表面に原料ガスの反応物の膜を形成するプラズマＣＶＤ法が広く用いられている。

プラズマＣＶＤ法によれば、基板に対する密着性が高い優れた絶縁膜が得られるが、成膜中に基板が高エネルギーのプラズマや電子に晒されるため、処理対象物がダメージを受けるという問題がある。更に、プラズマＣＶＤ法には、均一なプラズマを発生させるための制御が複雑であるという問題もあった。

成膜室内部に反応ガスを供給しながらターゲットをスパッタし、反応ガスとターゲット材料との反応物の膜を形成する反応性スパッタ法によれば、プラズマＣＶＤ法に比べて処理対象物のダメージが少なく、また成膜に複雑な制御も要しない。しかしながら、反応性スパッタ法では、反応物中の反応ガスとターゲット材料の割合を制御することが困難であった。

また、反応性スパッタ法で、水分や酸素を遮蔽する阻止能力が高い絶縁膜を形成しようとすると、成膜した膜の応力が大きくなり、絶縁膜が基板から剥がれ易い。従って、従来は反応性スパッタ法で、阻止能力が高く、かつ、基板から剥がれ難い膜を得ることは困難であった。
特開２００２−６９６３５号公報

本発明は上記課題を解決するために創造されたものであり、その目的は膜質の良い絶縁膜を簡易な方法で形成するものである。

上記課題を解決するために請求項１記載の発明は、成膜室と、前記成膜室内に配置されたターゲットと、前記成膜室外部に位置し、前記成膜室内部に反応ガスを供給する供給源とを有し、前記成膜室の内部にスパッタガスと、前記反応ガスとを導入し、プラズマを形成して前記ターゲットをスパッタリングすると、前記ターゲットの構成材料と、前記反応ガスとの反応物の膜が成膜される成膜装置であって、前記供給源から前記成膜室に前記反応ガスが供給される経路の途中には、電離装置が設けられ、前記電離装置は前記経路を流れる前記反応ガスを電離するように構成され、前記ターゲットは、前記成膜室内に複数個配置され、各前記ターゲットの表面は、所定の角度をもって、互いに向かい合って離間され、電離された前記反応ガスは、前記ターゲットの間から前記プラズマ内に導入されるように構成された成膜装置である。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の成膜装置であって、前記電離装置はマイクロ波を放出する磁電管を有し、前記磁電管が放出する前記マイクロ波が前記経路を流れる前記反応ガスに照射されるように構成された成膜装置である。
請求項３記載の発明は、請求項１記載の成膜装置であって、前記電離装置はコイルを有し、前記コイルに通電し、磁界を発生させると、前記反応ガスが前記磁界内を流れるように構成された成膜装置である。
請求項４記載の発明は、成膜室内部にスパッタガスと反応ガスを供給してプラズマを形成し、前記成膜室内部に配置されたターゲットをスパッタリングし、前記ターゲットの構成材料と、前記反応ガスの反応物を有する薄膜を形成する成膜方法であって、前記ターゲットを前記成膜室内に複数個配置し、各前記ターゲットの表面は、所定の角度をもって、互いに向かい合って離間され、前記反応ガスを電離させた後、電離された前記反応ガスを前記ターゲットの間からプラズマ内に導入させる成膜方法である。

本発明によれば、阻止能力が高く、基板から剥がれ難い膜が得られる。反応ガスの電離は成膜室の外部で行われるため、反応ガスを電離させる時に基板がダメージを受けないだけではなく、反応ガスの電離状態の制御も容易である。

図１の符号１は本発明の成膜装置を示している。成膜室２の内部には１又は複数枚のターゲット６が配置されている。
ここでは、ターゲット６の枚数は２枚であって、各ターゲット６は表面が所定角度をあけて、互いに向かい合って離間して配置されている。

成膜室２には真空排気系９と、スパッタガス供給系８が接続されており、真空排気系９で成膜室２内部を真空排気し、成膜室２内部にスパッタガス供給系８からスパッタガスを供給し、不図示の電源から各ターゲット６に電圧を印加すると、ターゲット６とターゲット６の間の空間にプラズマが生成され、各ターゲット６がスパッタされる。

この成膜装置１では、成膜室２の外部に反応ガスの供給源２１が配置されており、供給源２１は供給管２４によって、成膜室２に接続されており、供給源２１のバルブを開けると、反応ガスが供給管２４の内部空間である経路を流れ、供給管２４の先端の導入口から成膜室２内部に供給される。

ここでは、導入口はターゲット６とターゲット６の間に位置しており、上記プラズマが形成された状態では、反応ガスはプラズマに向かって噴出される。供給源２１と導入口との間には電離装置２５が設けられている。

図２は電離装置２５が設けられた部分を示す拡大断面図であり、電離装置２５は磁電管２６を有している。供給管２４の一部又は全部は電離室２２で取り囲まれており、磁電管２６は電離室２２に設けられている。

磁電管２６は、少なくとも一部が電離室２２内部に突き出された導波管２７と、導波管２７の内部に配置された電極２８とを有しており、不図示の電源から電極２８に通電すると、波長０．３ｃｍ以上３０ｃｍ、周波数１ＧＨｚ以上１００ＧＨｚ以下の電磁波（マイクロ波）が発生し、そのマイクロ波は導波管２７を伝わって電離室２２の内部に放射され、供給管２４の電離室２２で取り囲まれた部分に入射する。

供給管２４の電離室２２に取り囲まれた部分の少なくとも一部は、電磁波が通過する材料（例えば石英ガラス）で構成されており、マイクロ波は経路を流れる反応ガスに照射され、反応ガスの一部又は全部が電離される。電離されたガスは電離されていないガスと共に経路を流れ、上記プラズマ内に導入され、スパッタ粒子と反応し、反応物が得られる。

成膜室２には搬出入室３が接続されている。図１の符号１１は、搬出入室３から搬入された基板を示しており、生成された反応物は基板１１表面に付着し、反応物の薄膜が形成される。ここでは、ターゲット６の構成材料はＳｉを主成分とし、反応ガスはＮ₂ガスを主成分としており、基板１１の表面にはＳｉＮ_Xの薄膜が形成される。

ここでは、基板１１はキャリア１８に乗せられ、成膜後の基板１１はキャリア１８に乗せられた状態で搬出入室３に取り出される。尚、プラズマが形成される空間と、基板１１との間に遮蔽板１６を配置しておき、該遮蔽板１６によって所望の入射角度を持つ反応物だけを基板１１に到達させれば、基板１１表面に成長する反応物の結晶性を制御することができる。

以上は、マイクロ波によって反応ガスを電離させる場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。
図３の符号３５は本発明に用いる電離装置の他の例を示している。電離装置３５はコイル３７を有しており、コイル３７は供給管３４の一部又は全部に巻き回されている。

供給管３４のコイル３７が巻き回された部分の全部又は一部は、磁力線が通過する材料（例えば石英ガラス）で構成されている。コイル３７は不図示の電源に接続されており、その電源からコイル３７に交流電圧を印加すると供給管３４内部の経路に交番磁界が発生する。従って、供給管３４の内部を流れる反応ガスは、磁界の内部を通り、その際に反応ガスの一部又は全部が磁界によって電離され、上記プラズマ内に導入される。

尚、コイル３７の配置方法は特に限定されるものではなく、例えばコイル３７を供給管３４に巻き回さずに、供給管３４の側壁に取り付けてもよいし、コイル３７を供給管３４の内部に配置してもよい。

以上は、Ｎ₂ガスを単独で経路２３内に流す場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばＮ₂ガスと一緒に、スパッタ粒子や反応ガスに対して不活性なキャリアガスを経路２３内に流し、Ｎ₂ガスをキャリアガスで希釈した状態で電離させてから、成膜室２内に導入してもよい。

また、反応ガスは化学構造中に窒素を有するものであればＮ₂ガスに限定されず、例えばＮＨ₃ガスを用いることができる。
ＮＨ₃ガスはＮ₂ガスに比べて沸点が低いので、ＮＨ₃ガスを単独で流すと経路２３の途中でＮＨ₃が液化することがある。従って、ＮＨ₃ガスを反応ガスとして用いる場合には、ＮＨ₃ガスをキャリアガスで希釈して経路２３内を流せば、ＮＨ₃ ガスの液化が防止される。

Ｎ₂ガスとＮＨ₃ガスの両方を電離させて成膜室２に導入すると、ＮＨ₃ ガスの水素によって、成膜した膜の応力が緩和されるので、Ｎ₂ガスを単独で反応ガスに用いた時に比べて窒化ケイ素膜は基板１１から剥がれ難くなる。Ｎ₂ガスとＮＨ₃ガスの両方を電離させる時にも、Ｎ₂ガスとＮＨ₃ガスをキャリアガスで希釈した状態で、電離させることができる。Ｎ₂ガスとＮＨ₃ガスは同じ電離装置２５で一緒に電離させてもよいし、異なる電離装置で別々に電離させてもよい。

Ｎ₂ガス等、水素を含まないガスを反応ガスに用いる時には、Ｈ₂やＨ₂Ｏ等、化学構造中に窒素を含有せず、水素を含有する添加ガスを反応ガスに添加すれば、添加ガスの水素によって、成膜した膜の応力が緩和される。添加ガスは反応ガスと一緒に電離してから成膜室２内部に導入してもよいし、反応ガスとは別に電離してから成膜室２内部に導入してもよい。

要するに、本発明は反応ガスだけを電離させて成膜室２に導入してもよいし、電離された反応ガスを成膜室２に導入する時に、添加ガスとキャリアガスのいずれか一方又は両方を電離させてから同じ成膜室２に導入してもよいのである。

上記キャリアガスの種類は特に限定されないが、スパッタガスと同じ種類の不活性ガスを用いることが可能であり、例えば、Ａｒガス、Ｎｅガス、Ｋｒガス、Ｘｅガス等の希ガスを用いることができる。これらのガスは１種類を単独でスパッタガスやキャリアガスに用いてもよいし、２種類以上を混合してスパッタガスやキャリアガスに用いてもよい。また、スパッタガスとキャリアガスには、同じ種類のガスを用いてもよいし、異なる種類のガスを用いてもよい。

以上は、窒化ケイ素膜を成膜する場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、例えばターゲット６に構成材料がＳｉを主成分とするものを用い、反応ガスとして、Ｏ₂、Ｏ₃、Ｈ₂Ｏのように化学構造中に酸素を有するものを用いて、酸化ケイ素膜（ＳｉＯ_X）の膜を成膜することもできる。

更に、反応ガスの種類や、反応ガスの濃度を成膜中に変えて、原子濃度分布や結晶性が、膜の厚み方向で異なる膜を得ることもできる。
本発明に用いることのできる基板１１の種類も特に限定されるものではなく、本発明の成膜装置１を用いれば、シリコン基板、ガラス基板、プラスチック基板等種々のものに成膜処理を施すことができる。

本発明の成膜装置及び成膜方法は、例えばガス透過防止用や各種光学部品の耐候性向上のための絶縁膜の形成に用いられるものであり、具体的には有機ＥＬ素子、ＦＰＤ（Ｆｌａｔ Ｐａｎｅｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）、フレキシブル配線板、半導体素子等の電気デバイスの絶縁膜の形成に用いることができる。

上記図１に示した成膜装置１を用い、ターゲット６の構成材料がシリコン、スパッタガスがＡｒガス（流量１４０ｓｃｃｍ）、反応ガスがＮ₂ガス（流量２０ｓｃｃｍ）とＮＨ₃ガス（流量２０ｓｃｃｍ）、ターゲット６の大きさが縦１３５ｍｍ×横４６０ｍｍ、ターゲット６表面の基板１１表面に対する角度が４５°、ターゲット６が接続された電源がＡＣ電源（４０ＫＨｚ）、マイクロ波の出力が４００Ｗ、成膜雰囲気の圧力が０．６７Ｐａの条件で、電離した反応ガスを成膜室２に供給しながらスパッタを行い、直径５インチのシリコンの基板１１の表面に実施例の窒化ケイ素膜を成膜した。

マイクロ波を放出せずに反応ガスを成膜室２に供給しながらスパッタを行った以外は、上記条件で比較例の窒化ケイ素膜の成膜を行った。この時の成膜速度は、３６Å／分（３．６ｎｍ／分）であった。これに対し、上記実施例の窒化ケイ素膜の成膜速度は５５Å／分（５．５ｎｍ／分）であり、電離した反応ガスをスパッタ時に供給すれば、成膜速度が速くなり、生産性が向上することがわかる。

＜応力＞
上記実施例の窒化ケイ素膜と、比較例の窒化ケイ素膜について、ストレス（応力）を測定したところ、実施例は応力が−５００ＭＰａであったのに対し、比較例は−１２５０ＭＰａであり、実施例は比較例よりも応力の絶対値が小さく、基板１１からはがれ難いことがわかる。

＜屈折率＞
実施例の窒化ケイ素膜の屈折率を測定したところ、屈折率は２．１〜１．９５であった。この値は窒化ケイ素の屈折率と一致しており、実施例では窒化ケイ素膜が形成されていることが確認された。これに対し、比較例の窒化ケイ素膜の屈折率は１．９〜２．０であり、比較例の窒化ケイ素膜は完全な窒化ケイ素膜ではないことが分かる。

＜透過率＞
実施例と比較例の窒化ケイ素膜（共に膜厚１２００Å）の、波長５５０ｎｍの光の透過率を測定したところ、実施例は透過率が９８％であったのに対し、比較例は透過率が９２％であり、実施例の窒化ケイ素膜は透過率が高いことがわかる。

有機ＥＬ素子のような光学部品では、保護膜と基板との界面で光の散乱が起こらず、かつ、光の透過率の高い絶縁膜が望まれるので、実施例の窒化ケイ素膜は光学部品に適した絶縁膜であることがわかる。

＜原子濃度＞
実施例の窒化ケイ素膜について、オージェ電子分光法で原子濃度を測定した。その測定結果を図４に示す。図４の縦軸は原子濃度（％）を示し、横軸は窒化ケイ素膜表面をエッチングするのに要したスパッタ時間（分）、即ち膜の深さを示している。図４から明らかなように、ＮとＳｉの原子濃度は一定であり、実施例の窒化ケイ素膜はＮとＳｉの膜厚方向の分布が均一であることを示す。

尚、スパッタ時間が２５分を超えると、Ｓｉの原子濃度が上昇し、逆にＮの原子濃度が減少するが、これは窒化ケイ素膜がエッチング除去され、シリコンの基板１１が露出したことを示している。

＜成膜圧力＞
スパッタ時の成膜雰囲気の圧力を変化させた以外は、上記実施例と同じ条件で窒化ケイ素膜を複数成膜した。更に、スパッタ時の成膜雰囲気の圧力を変化させた以外は、上記比較例と同じ条件で窒化ケイ素膜を成膜した。得られた各窒化ケイ素膜について応力（単位ＭＰａ）を測定した。その結果を図５に示す。

図５の横軸は成膜雰囲気の圧力を示し、縦軸は応力を示している。尚、縦軸のゼロよりも大きい値（＋）は引張応力を、ゼロよりも小さい値（−）は圧縮応力を示している。

同図の符号Ｅはスパッタ時に電離された反応ガスを供給した場合を、符号Ｃはスパッタ時に電離されていない反応ガスを供給した場合を示している。電離された反応ガスを供給して成膜を行った時の方が、電離されていない反応ガスを供給した時に比べて、応力の絶対値が小さくなっている。

応力の絶対値が小さい方が、窒化ケイ素膜と基板１１との界面にかかる力が小さく、窒化ケイ素膜が基板１１から剥離され難いので、本発明により成膜された窒化ケイ素膜は基板１１から剥がれ難いことがわかる。

本発明の成膜装置の一例を示す断面図 電離装置の一例を示す断面図 電離装置の他の例を示す側面図 原子濃度とスパッタ時間との関係を示すグラフ 応力と成膜圧力との関係を示すグラフ

符号の説明

１……成膜装置 ２……成膜室 ６……ターゲット １１……基板 ２１……供給源 ２３……経路 ２４……供給管 ２５、３５……電離装置 ２６……磁電管 ３７……コイル

Claims (4)

1. 成膜室と、前記成膜室内に配置されたターゲットと、前記成膜室外部に位置し、前記成膜室内部に反応ガスを供給する供給源とを有し、
   前記成膜室の内部にスパッタガスと、前記反応ガスとを導入し、プラズマを形成して前記ターゲットをスパッタリングすると、前記ターゲットの構成材料と、前記反応ガスとの反応物の膜が成膜される成膜装置であって、
   前記供給源から前記成膜室に前記反応ガスが供給される経路の途中には、電離装置が設けられ、
   前記電離装置は前記経路を流れる前記反応ガスを電離するように構成され、
   前記ターゲットは、前記成膜室内に複数個配置され、各前記ターゲットの表面は、所定の角度をもって、互いに向かい合って離間され、
   電離された前記反応ガスは、前記ターゲットの間から前記プラズマ内に導入されるように構成された成膜装置。
2. 前記電離装置はマイクロ波を放出する磁電管を有し、
   前記磁電管が放出する前記マイクロ波が前記経路を流れる前記反応ガスに照射されるように構成された請求項１記載の成膜装置。
3. 前記電離装置はコイルを有し、
   前記コイルに通電し、磁界を発生させると、前記反応ガスが前記磁界内を流れるように構成された請求項１記載の成膜装置。
4. 成膜室内部にスパッタガスと反応ガスを供給してプラズマを形成し、前記成膜室内部に配置されたターゲットをスパッタリングし、前記ターゲットの構成材料と、前記反応ガスの反応物を有する薄膜を形成する成膜方法であって、
   前記ターゲットを前記成膜室内に複数個配置し、各前記ターゲットの表面は、所定の角度をもって、互いに向かい合って離間され、
   前記反応ガスを電離させた後、電離された前記反応ガスを前記ターゲットの間からプラズマ内に導入させる成膜方法。

Images