JP5198853B2 - 成膜方法及び成膜装置 - Google Patents
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Description
この発明は、成膜方法及び成膜装置に関し、特に、化学気相成長法（ＣＶＤ法）を用いた成膜方法及び成膜装置に関するものである。
従来、ＣＶＤ法（Chemical Vapor Deposition）を用いた成膜装置は、出発原料である液体原料を連続的に成膜室に供給し続け、成膜室内部の加工対象である対象基板上で熱分解や酸化反応を起こすことにより薄膜を形成している。
ところが、このように連続的に液体原料を成膜室に供給すると、ＣＶＤ法のプロセスにおいて、基板上の液体原料の原子又は分子が十分に泳動することができず、その結果精緻な薄膜を生成することができないという問題がある。
また、連続的に液体原料を供給すると、基板上の反応副生成物が十分蒸発されないまま成膜が行われ、反応副生成物が薄膜中に不純物として残存してしまい高品位な薄膜を生成することには限界があった。
一方で、非特許文献１に示すように、デジタルＣＶＤ法として複数の噴射弁を切り替え動作させながら、液体原料を間欠的に成膜室に供給して薄膜を生成するものがある。
ところが、液体原料を交互に供給する際に、供給していない液体原料は廃棄するようにしており、薄膜を形成する際に大量の未使用原料を廃棄せざるを得ず液体原料のコストが大きくなるという問題がある。
また、ＣＶＤ法を用いた成膜装置により薄膜を形成する際には、特許文献１に示すように、堆積した膜の厚さはエリプソメータやフーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴＩＲ）等を用いて連続観察している。
しかし、連続的に液体原料を成膜室に供給すると、エリプソメータやＦＴＩＲにより堆積した膜を測定している間にも成膜が進行してしまうために、せっかく測定を行ってもその測定結果に基づいて成膜プロセスを制御することは困難である。
Jpn, J. Appl. Phys. Vol. 32(1993)pp.4078-4081「Preparation of Tetragonal PerovskiteSingle Phase PbTiO3 Film Using an Improved Metal-Organic ChemicalVapor Deposition Method Alternately Introducing Pb and Ti Precursors」 特開２００１−３３２５３４
Jpn, J. Appl. Phys. Vol. 32(1993)pp.4078-4081「Preparation of Tetragonal PerovskiteSingle Phase PbTiO3 Film Using an Improved Metal-Organic ChemicalVapor Deposition Method Alternately Introducing Pb and Ti Precursors」
そこで、本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、緻密で不純物の少ない高品位な薄膜を生成するとともに、液体原料の有効活用をその所期課題とするものである。更に、本発明は、ＣＶＤ法の成膜プロセスを精度良く制御して、高品位な薄膜を生成することを可能とするものである。
すなわち、本発明に係る成膜方法は、基板を内部に保持する成膜室内に液体原料を噴射弁から直接噴射し、当該液体原料を気化して前記基板上に堆積させて成膜する成膜方法であって、前記基板上で前記液体原料の原子又は分子が泳動し、前記基板上で生成された反応副生成物が蒸発するために必要な泳動・蒸発時間を設定する時間設定ステップと、前記液体原料を前記成膜室内に直接噴射し気化して供給する供給時間と、前記液体原料を前記成膜室内に供給しない供給停止時間とを交互に設けた間欠供給ステップとを備え、当該間欠供給ステップにおいて、前記供給停止時間を、前記泳動・蒸発時間と同じか又はそれよりも長くしており、前記間欠供給ステップの前記供給時間内において、所定の時間間隔で前記噴射弁を複数回開閉させながら、前記液体原料を前記成膜室内に供給していることを特徴とする。
このようなものであれば、堆積した薄膜中の原子又は分子の泳動や反応副生成物の蒸発を充分に行うことができるので、緻密で不純物の少ない高品位な薄膜を生成することができる。更に、液体原料を無駄なく有効活用することができる。また、原子又は分子の泳動を一層充分に行わせ、反応副生成物の蒸発を一層促進することができる。
更に、本発明の効果を一層顕著にして高品位な薄膜を生成するためには、前記供給停止時間が、前記液体原料を前記成膜室内に供給する供給時間よりも長いことが好ましい。ここで供給時間は、基板の成膜対象面積、成膜室の圧力、温度、体積又は液体原料等に基づいて定められるものである。
供給時間及び供給停止時間の具体的な実施の態様としては、前記供給停止時間が、前記供給時間の約５０倍以上であることが考えられる。
このような成膜方法を実施するためには、例えば、液体原料を気化し、基板上に堆積させて成膜する成膜装置であって、前記基板を内部に保持する成膜室と、前記液体原料を前記成膜室内に直接噴射する噴射弁と、前記噴射弁を周期的に開閉させることにより、前記液体原料を前記成膜室内に直接噴射し気化して供給する供給時間と、前記液体原料を前記成膜室内に供給しない供給停止時間とを交互に設けて制御し、前記液体原料を前記成膜室内に間欠的に供給する制御装置とを備え、当該制御装置が、前記供給停止時間を、前記基板上に堆積した前記液体原料の原子又は分子が泳動し、前記基板上で反応副生成物が蒸発するための泳動・蒸発時間と同じか又はそれよりも長く制御しており、前記制御装置が、前記供給時間内において、所定の時間間隔で前記噴射弁を複数回開閉させながら、前記液体原料を前記成膜室内に供給していることを特徴とする成膜装置を用いることができる。このような成膜装置も本発明の１つである。
このようなものであれば、堆積した薄膜中の原子又は分子の泳動や反応副生成物の蒸発を十分に行うことができるので、緻密で不純物の少ない高品位な薄膜を生成することができる。更に、液体原料を無駄なく有効活用することができる。また、原子又は分子の泳動を十分に行わせ、反応副生成物の蒸発を一層促進することができる。
噴射される液体原料の流量等の制御を正確に行うための実施の態様としては、前記噴射弁が、電磁弁であること、すなわち電磁コイルと、当該電磁コイルの電磁誘導により噴射口の開閉を行う弁体とからなることが好ましい。
その上、生成される金属酸化膜中の酸素欠損又は金属窒化膜中の窒素欠損の発生を抑制するためには、前記液体原料が、金属化合物と低沸点有機化合物とからなる混合溶液であることが好ましい。
更に、本発明に係る他の成膜方法は、基板を内部に保持する成膜室内に液体原料を噴射弁から直接噴射し、当該液体原料を気化して前記基板上に堆積させて成膜する方法であって、前記液体原料を前記成膜室内に直接噴射し気化して供給する供給工程と、前記液体原料を前記成膜室内に供給しない供給停止工程とを交互に有し、当該供給停止工程において、堆積した膜を光学的に測定し当該測定結果に基づいて前記供給工程及び／又は供給停止工程を制御することを特徴とする。
このようなものであれば、堆積した薄膜中の原子又は分子の泳動や反応副生成物の蒸発を充分に行うことができるうえに、膜厚の制御を精密に行うことができるので、緻密で不純物の少ない高品位な薄膜を生成することができる。
前記薄膜の光学的な測定方法としては、測定精度の高いエリプソメトリー法が好ましい。
本発明に係る成膜方法は、膜厚の厚いものの製造にも用いることができるが、厳密な膜厚の制御が必要である高品位な薄膜の成膜に適しており、例えば２ｎｍ以下の厚さの膜の製造に好適に用いられる。
このような成膜方法を実施するためには、例えば、液体原料を気化し、基板上に堆積させて成膜する成膜装置であって、前記基板を内部に保持する成膜室と、前記液体原料を前記成膜室内に直接噴射する噴射弁と、前記基板上に堆積した膜を光学的に測定する測定装置と、前記噴射弁を周期的に開閉させることにより、前記液体原料を前記成膜室内に直接噴射し気化して供給する供給工程と、前記液体原料を前記成膜室内に供給しない供給停止工程とを交互に設けて、前記液体原料を前記成膜室内に間欠的に供給するとともに、前記測定装置を前記供給停止工程において前記測定を行うように制御し、その測定結果に基づいて供給工程及び／又は供給停止工程を制御する制御装置とを備えていることを特徴とする成膜装置を用いることができる。このような成膜装置も本発明の１つである。
前記測定装置としては、エリプソメータやＦＴＩＲ等を用いることができるが、なかでも精度良く膜厚などを測定しうるエリプソメータが好ましい。
本発明の成膜装置が高度な膜厚などの成膜制御を行うことを可能とするためには、前記制御装置として、例えば、成膜条件情報及び測定条件情報を格納する成膜／測定条件設定部と、前記測定条件情報に従い前記測定装置各部を制御する測定制御情報を出力する測定制御部と、前記測定条件情報と前記測定装置から出力された検出信号とから前記基板上に堆積した膜の測定結果を算出し出力する測定結果演算部と、前記成膜条件情報と前記膜の測定結果とを比較して前記膜が所定の成膜条件に達したかどうかを判定し判定結果情報を出力する判定部と、前記成膜条件情報及び／又は前記判定部から出力された判定結果情報に従い、前記成膜装置各部を制御する供給工程制御情報及び／又は供給停止工程制御情報を出力する成膜制御部とを備えているものが好ましい。
ここで、前記測定結果演算部が算出する測定する測定結果には、膜厚、屈折率等の光学定数、物質特性等が含まれ、成膜制御部が出力する供給工程制御情報及び供給停止工程制御情報には、供給時間、供給停止時間、噴射弁の開閉による供給周期等の他、成膜室の圧力、温度、液体原料、噴射量等が含まれる。
このように本発明によれば、堆積した薄膜中の原子又は分子の泳動や反応副生成物の蒸発を充分に行うことができるので、緻密で不純物の少ない高品位な薄膜を生成することができる。更に、液体原料を無駄なく有効活用することができる。
また、本発明によれば、膜厚の制御を精密に行うことができる。
＜第１実施形態＞
次に、本発明の第１実施形態について図面を参照して説明する。
本実施形態に係る成膜装置１は、図１に示すように、加工対象である基板２上に二酸化珪素（SiO2）膜を成膜するための成膜装置であり、液体原料を気化し、基板２上に薄膜を堆積させることにより成膜するものである。具体的な主構成は、基板２を内部に保持する成膜室３と、前記液体原料を前記成膜室３内に直接噴射する噴射弁４と、噴射弁４に液体原料を供給する原料供給管５と、更に詳細には後述する制御装置１１とからなる。
本実施形態においては、液体原料として、金属化合物（有機金属化合物）である、例えばテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ：Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ５）４）と低沸点有機化合物である例えばｎ−ペンタン（ｎ−Ｃ５Ｈ１２）とをモル分率０．５（ｍｏｌ比）で混合させた混合溶液（ＴＥＯＳ／（ＴＥＯＳ＋ｎ−Ｃ５Ｈ１２）＝０．５（ｍｏｌ比））を用いている。このテトラエトキシシラン（Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ５）４）とｎ−ペンタン（ｎ−Ｃ５Ｈ１２）との混合溶液である液体原料は、例えばステンレス製の容器６に保存されている。そして、当該容器６に圧入された加圧Ｎ２ガスにより原料供給管５を通り圧送され、後述する噴射弁４を介して成膜室３内部に供給される。更に、液体原料は、噴射弁４から成膜室３内に噴射されると同時に、減圧沸騰現象が起きて、気化されて成膜室３内に充満する。
成膜室３は、保持機構により内部に加工対象となる基板２を保持するものであり、更に基板２を加熱するための基板ヒータ７を有している。そして、成膜室３は、真空ポンプ８によって減圧されている。また、二酸化珪素（ＳｉＯ２）膜を充分に酸化させるための酸素（Ｏ２）ガスを供給するための酸素供給管９も配設されている。この酸素供給管９は、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）１０により酸素（Ｏ２）ガスの供給流量を制御されている。なお、保持機構は、ごく一般的なものであるため、詳細な説明および図示は省略する。
更に、成膜室３は、真空ポンプ８によりその室内の圧力を、ｎ−ペンタン（ｎ−Ｃ５Ｈ１２）と混合する前のテトラエトキシシラン（Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ５）４）の蒸気圧よりも大きくし、かつｎ−ペンタン（ｎ−Ｃ５Ｈ１２）と混合した後の混合溶液の蒸気圧よりも小さくしている。
このようにすることにより、成膜室３の圧力を従来よりも低真空度に維持した状態で成膜できるので、金属酸化膜中の酸素欠損又は金属窒化膜中の窒素欠損の発生を抑制することができ、高品位な金属酸化膜又は金属窒化膜を得ることができる。
噴射弁４は、液体原料である混合溶液を成膜室３内に直接噴射するものであり、成膜室３の上部に、基板２の成膜対象面と対向するように設けられている。そして、噴射弁４の開閉を制御するための制御装置１１により、開閉を制御される。
具体的には、噴射弁４は、図２に示すように、本体部４１と、その本体部４１に内蔵されたソレノイド４２と、当該ソレノイド４２の電磁誘導により噴射口４１Ａを開閉する弁体４３とからなり、制御装置１１により制御されるものである。そして、ヒータ１５を用いて本体部４１の噴射口４１Ａの近傍を例えば数十℃程度（室温よりも幾らか高温）に加熱している。なお、図２は噴射口４１Ａが閉じている状態を示している。
弁体４３は、本体部４１の内部空間４１Ｂに位置し、スプリング４４によって噴射口４１Ａ側に付勢され、噴射口４１Ａを閉塞するものであり、その先端部４３Ａに傘状のフランジ４３１と環状溝４３２とを形成するようにしている。
このように噴射弁４として電磁弁を用いているので、噴射される液体原料の流量（供給量）等の制御を極めて迅速かつ正確に行うことが容易になる。
制御装置１１は、噴射弁４を周期的に開閉させて、前記液体原料を前記成膜室３内に間欠的に供給するものであり、圧力計１４を用いて原料供給官９内の液体原料の圧力を観測しながら所定量の液体原料を噴射する後述する供給時間だけソレノイド４２を駆動することで噴射口４１Ａを開放するように制御する。
具体的な制御方法は、図３に示すように、前記液体原料を前記成膜室３内に直接噴射し気化して供給する供給時間と、前記液体原料を前記成膜室３内に供給しない供給停止時間とを周期的に、すなわち交互に繰り返すように噴射弁４を制御する。そして、この供給停止時間が、供給時間の約５０倍以上となるようにし、本実施形態では、供給時間を１０［ｍｓ］、供給停止時間を９９０［ｍｓ］としている。
供給時間は、例えば基板２の成膜対象面積、成膜室３の圧力、温度、体積又は液体原料等に基づいて設定するようにしている。
供給停止時間は、直前の供給時間中に成膜室３内に供給され、基板２上に堆積した液体原料の原子又は分子が泳動し、基板２上で生成された反応副生成物が蒸発するために必要な時間である泳動・蒸発時間と同じか又はそれよりも長くなるように設定する。
このように構成した成膜装置１の動作について図４を用いて以下に説明する。
まず、例えば基板２の成膜対象面積、成膜室３の圧力、温度、体積又は液体原料等に基づいて供給時間を設定する（ステップＳ１）。
次に、供給時間中に成膜室３内に供給され、基板２上に堆積した液体原料の原子又は分子が泳動し、基板上で生成された反応副生成物が蒸発するために必要な泳動・蒸発時間を設定する（ステップＳ２）。
その後、その泳動・蒸発時間と同じかそれよりも長い時間を供給停止時間として設定する（ステップＳ３）。
そして、供給時間、供給停止時間を制御装置１１に入力して、制御装置１１がこの時間に基づいてソレノイド４２を制御し、液体原料を成膜室３内に間欠的に供給する（ステップＳ４）。成膜が終了したならば成膜装置１の動作を終了し、終了していないならば引き続いて成膜を行う（ステップＳ５）。
本実施形態においては、基板２の温度を６５０℃〜７００℃とし、成膜室３内の圧力は２Ｔｏｒｒとしている。また、酸素（Ｏ２）ガス流量はマスフローコントローラ（ＭＦＣ）１０により１００ｍｌ／ｍｉｎとしている。
噴射弁４の開閉は、図３に示すように供給時間を１０ｍｓ、供給停止時間を９９０ｍｓとして、１Ｈｚの周期で５００回行った。
この条件の下、基板２上に生成された二酸化珪素（ＳｉＯ２）膜の膜厚は約５０ｎｍであった。更に、この二酸化珪素（ＳｉＯ２）膜の比重（密度）を測定したところ２．１７であった。これは、石英ガラスの比重（密度）に非常に近く、本実施形態に係る成膜装置１により生成される二酸化珪素（ＳｉＯ２）膜が、非常に高密度な膜であることがわかった。
このように構成した成膜装置１によれば、堆積した薄膜中の原子又は分子の泳動や反応副生成物の充分な蒸発を行うことができるので、緻密で不純物の少ない高品位な薄膜を生成することができる。更に、液体原料を無駄なく有効活用することができる。その上、複数の噴射弁を用いる必要もないので、装置コストの低減も図ることができる。
また、結晶性膜を堆積する場合には、格子欠陥の少ない高品位な結晶性薄膜を生成することができる。更に、ａｓ−ｄｅｐｏ膜において高品位な薄膜を生成することができるので、従来の後工程（熱処理工程等）の必要がないか又は後工程を行う時間を短縮することができるとともに、工数の低減、設備のコストメリット、環境へのエネルギメリットがある。
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について図面を参照して説明する。
本実施形態に係る成膜装置１は、前記第１実施形態とは、噴射弁４の制御方法が異なる。
つまり、本実施形態に係る成膜装置１では、制御装置１１が、前記液体原料を前記成膜室３内に直接噴射し気化して供給する供給時間と、前記液体原料を前記成膜室３内に供給しない供給停止時間とを周期的に、すなわち交互に繰り返すように噴射弁４を制御し、更に、前記供給時間内において、所定の時間間隔で噴射弁４を複数回開閉させながら、液体原料を成膜室３内に供給している。
具体的な噴射弁４の制御方法は、図５に示すように、供給時間を１８［ｍｓ］、供給停止時間を９８２［ｍｓ］としている。そして、供給時間内に２［ｍｓ］のインターバルをおいて、５回に分けて２［ｍｓ］間ごとに液体原料を成膜室３内に供給するようにしている。
このようなものであれば、堆積した薄膜中の原子又は分子の泳動や反応副生成物の充分な蒸発を行うことができるので、緻密で不純物の少ない高品位な薄膜を生成することができることに加えて、原子又は分子の泳動を充分に行わせ、反応副生成物の蒸発を一層促進することができる。また、液体原料を無駄なく有効活用することができ、その上、複数の噴射弁４を用いる必要もないので、装置コストの低減を図ることができることはいうまでもない。
＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態について図面を参照して説明する。
本実施形態に係る成膜装置１は、図６に示すように、加工対象である基板２上に五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）膜を成膜するための成膜装置であり、具体的な主構成は、基板２を内部に保持する成膜室３と、前記液体原料を前記成膜室３内に直接噴射する噴射弁４と、噴射弁４に液体原料を供給する原料供給管５と、更に制御装置１１とエリプソメータ１２とを備えている。
本実施形態においては、液体原料として、有機タンタル化合物であるペンタエトキシタンタル（Ｔａ（ＯＣ２Ｈ５）５）と低沸点有機化合物であるｎ−ペンタン（ｎ−Ｃ５Ｈ１２）とを｛Ｔａ（ＯＣ２Ｈ５）５／（Ｔａ（ＯＣ２Ｈ５）５＋ｎ−Ｃ５Ｈ１２）＝０．２（ｍｏｌ比）の比率で混合させたものを用いる。このペンタエトキシタンタル（Ｔａ（ＯＣ２Ｈ５）５）とｎ−ペンタン（ｎ−Ｃ５Ｈ１２）との混合溶液は、容器６に保存され、当該容器６に圧入された加圧Ｎ２ガス（又はＡｒガス）により原料供給管５を通り圧送されて、噴射弁４を介して成膜室３内部に供給され、気化されて成膜室３内に充満する。
成膜室３には、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）膜を充分に酸化させるための酸素（Ｏ２）ガスを供給する酸素供給管９が配設されている。
更に、成膜室３は、真空ポンプ８によりその室内の圧力を、成膜室３に噴射された混合溶液中のペンタエトキシタンタル（Ｔａ（ＯＣ２Ｈ５）５）が気化するように調節されている。つまり、成膜室３内の圧力は、前記ｎ−ペンタン（ｎ−Ｃ５Ｈ１２）と混合する前のペンタエトキシタンタル（Ｔａ（ＯＣ２Ｈ５）５）の蒸気圧よりも大きく、かつ、ｎ−ペンタン（ｎ−Ｃ５Ｈ１２）とペンタエトキシタンタル（Ｔａ（ＯＣ２Ｈ５）５）との混合溶液の蒸気圧よりも小さくしてある。本実施形態では低沸点有機化合物としてｎ−ペンタンを用いたが、その他の物質でもよく、例えばエタノール（Ｃ２Ｈ５ＯＨ）等のアルコール類であってもよい。
制御装置１１は、構造的には、ＣＰＵ、内部メモリ、ＨＤＤ等の外部記憶装置、ディスプレイ、マウスやキーボードといった入力手段等を有するいわゆる情報処理装置である。そして、前記内部メモリや外部記憶装置等の所定領域に設定したプログラムにしたがってＣＰＵやその周辺機器を作動させることにより、図７に示すように、成膜／測定条件設定部１０１、測定制御部１０２、測定結果演算部１０３、判定部１０４、成膜制御部１０５としての機能を発揮する。かかる制御装置１１は、汎用のコンピュータであってもよく、専用のものであってもよい。
成膜／測定条件設定部１０１は、前記入力手段から入力され又は前記入力手段から入力され前記外部記憶装置に格納されている成膜条件情報及び測定条件情報を受け付け、当該成膜条件情報及び測定条件情報を格納するものである。
測定制御部１０２は、前記成膜／測定条件設定部１０１にアクセスして前記測定条件情報を受け取り、これに従いエリプソメータの光源１３１及び検出部１３２等を制御するための測定制御情報を出力するものである。
測定結果演算部１０３は、前記成膜／測定条件設定部１０１にアクセスして前記測定条件情報を受け取り、更にエリプソメータの検出部１３から検出信号を受信し、前記測定条件情報と前記検出信号とから前記基板上に堆積した膜の測定結果を算出してそのうち膜厚情報を出力するものである。
判定部１０４は、前記成膜／測定条件設定部１０１にアクセスして膜厚を含む前記成膜条件情報を受け取り、更に前記測定結果演算部１０３が出力した測定結果（膜厚情報）を受信し、前記成膜条件情報と前記測定結果とを比較して製造中の膜が所定の成膜条件に達したかどうかを判定し、その判定結果情報を出力するものである。
成膜制御部１０５は、前記成膜／測定条件設定部１０１にアクセスして膜厚を含む前記成膜条件情報を受け取り、更に前記判定部１０４が出力した判定結果情報を受信し、これらに従い噴射弁４をはじめとする成膜装置１各部を制御する供給工程制御情報及び／又は供給停止工程制御情報を出力する。
噴射弁４は、前記成膜制御部１０５より出力された供給工程制御情報及び／又は供給停止工程制御情報に従って制御され、周期的に開閉し前記液体原料を前記成膜室３内に間欠的に供給するものであり、圧力計１４を用いて原料供給管５内の液体原料の圧力を観測しながら後述する供給時間だけソレノイド４２を駆動することにより噴射口４１Ａを開放し所定量の液体原料を噴射するように制御される。
具体的な制御方法は、図８に示すように、供給工程と供給停止工程とが交互に繰り返されるように噴射弁４を制御するものであり、本実施形態では、供給時間を１０［ｍｓ］、供給停止時間を９９０［ｍｓ］としている。
エリプソメータ１２は、成膜室３内に保持されている基板２上に堆積した膜の厚さを測定するものであり、光源１３１と検出部１３２とを備えている。エリプソメータの光源１３１と検出部１３２とは成膜室３の側面に設けられ、供給停止時間内に光源１３１から射出した光が膜上で反射し、その反射光を検出部１３２で検出するように構成してある。
そして、制御装置１１（判定部１０４）は、図８に示すように、供給停止時間内に、その検出信号を受信し、基板２上に堆積した膜厚の測定と、膜厚が所望の値に達したか否かの判断を行う。
このように構成した成膜装置１の動作について図９を用いて以下に説明する。
ステップＳ１１〜ステップＳ１３は上述のステップＳ１〜ステップＳ３と同様である。
次いで、供給時間、供給停止時間に加えて、所望の膜厚又は屈折率等の光学定数等を制御装置１１に入力する。入力した所望膜厚又は光学定数等、供給時間及び供給停止時間は、成膜条件情報又は測定条件情報として成膜／測定条件設定部１０１に格納される。成膜制御部１０５は前記成膜条件情報に基づいてソレノイド４２を制御し、液体原料を成膜室３内に供給する（ステップＳ１４）。
液体原料の供給が停止したら、予め入力された測定条件情報に基づき測定制御部１０２に制御されたエリプソメータ１２により光を射出し、堆積した膜の検出信号を取得する（ステップＳ１５）。検出部１３で検出された検出信号と前記測定条件情報に含まれる演算用パラメータとから測定結果演算部１０３で膜の厚さや屈折率等の光学定数等が算出される。算出されたそれらは判定部１０４に向けて出力され、判定部１０４で膜の厚さが目的（所望）の膜厚等に達しているかどうかが判定される。目的の膜厚等に達していたならば成膜制御部１０５から停止信号が出力され成膜装置１の動作を終了し、目的の膜厚等に達していないならば引き続いて成膜を行う（ステップＳ１６）。
本実施形態においては、例えば基板２の温度を４００℃〜５００℃とし、成膜室３内の圧力を０．１Ｔｏｒｒとし、また、酸素（Ｏ２）ガス流量を５００ｍｌ／ｍｉｎとする。
このように構成した成膜装置１によれば、堆積した薄膜中の原子又は分子の泳動や反応副生成物の充分な蒸発を行うことができるうえ、膜厚の制御を精密に行うことができるので、緻密で不純物の少ない高品位な薄膜を生成することができる。
＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４実施形態について図面を参照して説明する。
本実施形態に係る成膜装置１は、前記第３実施形態とは、噴射弁４の制御方法が異なる。
つまり、本実施形態に係る成膜装置１では、前記供給工程において、所定の時間間隔で噴射弁４を複数回開閉させながら、液体原料を成膜室３内に供給する。
具体的な噴射弁４の制御方法は、図１０に示すように、供給時間を５０［ｍｓ］、供給停止時間を９５０［ｍｓ］としている。そして、供給時間内に１０［ｍｓ］のインターバルをおいて、３回に分けて１０［ｍｓ］間ごとに液体原料を成膜室３内に供給するようにしている。
このようなものであれば、第３実施形態に比べて１周期における液体原料の供給量を３倍とすることができるので、成膜時間を短縮することができる。また、堆積した薄膜中の原子又は分子の泳動や反応副生成物の充分な蒸発をより一層促進することができるので、緻密で不純物の少ない高品位な薄膜を生成することができる。
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
例えば、前記第１実施形態においては、供給時間を１０［ｍｓ］、供給停止時間を９９０［ｍｓ］としているが、供給停止時間を泳動・蒸発時間と同じか又はそれよりも長くしているものであれば良い。
また、前記第２実施形態では、供給時間内において２［ｍｓ］の時間間隔をおいて噴射弁の開閉を制御するようにしているが、これに限られることはなく例えば、３［ｍｓ］の時間間隔をおいて噴射弁の開閉を制御するようにしても良い。また、供給時間を１８［ｍｓ］、供給停止時間を９８２［ｍｓ］としているが、供給停止時間を泳動・蒸発時間と同じか又はそれよりも長くしているものであれば良い。
更に、成膜の初期は、第４実施形態のように１周期における液体原料の供給時間を５０［ｍｓ］として、目的に膜厚に近づいたならば第３実施形態のように供給時間を１０［ｍｓ］に減少してもよい。このように成膜初期では液体原料の供給量を多くし、成膜後期では液体原料の供給量を少なくすることにより、成膜時間を短縮しつつ、膜厚制御の精度を高く維持することができる。
第３実施形態及び第４実施形態では、金属酸化膜の成膜について述べたが、本発明は金属窒化膜や金属酸窒化膜への適応も可能であり、その場合膜を酸化するために成膜室３に供給した酸素（Ｏ２）ガスをアンモニアガスに替えたり、それらを組み合わせて用いてもよい。
第３実施形態及び第４実施形態のように膜厚等を測定しつつ成膜を行う態様は、高品位な膜の製造に適しているが、このような高品位な膜を構成する液体原料としては、例えば、ハフニウム、アルミニウム、チタン、タンタル、バリウム、ストロンチウム、ビスマス、鉛、ジルコニウム、リチウムシリコン等の金属や、これら金属の酸化物、窒化物等が挙げられ、更にこれらの原料を適宜組み合わせて複合膜としてもよい。
また、間欠的に供給するにあたり、基板上に堆積した原子又は分子が増えるに従って徐々に供給停止時間を長くしていき、基板上の原子又は分子が充分に泳動し、反応副生成物が充分に蒸発する時間を確保するようにしても良い。
その他、本発明は、前述した各実施形態や変形実施形態の一部又は全部を適宜組み合わせてもよいし、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。
以上のように、本発明によれば、堆積した薄膜中の原子又は分子の泳動や反応副生成物の蒸発を充分に行うことができるので、緻密で不純物の少ない高品位な薄膜を生成することができ、更に液体原料を無駄なく有効活用することができる。また、膜厚の制御を精密に行うこともできる。
Claims (12)
- 基板を内部に保持する成膜室内に液体原料を噴射弁から直接噴射し、当該液体原料を気化して前記基板上に堆積させて成膜する成膜方法であって、
前記基板上で前記液体原料の原子又は分子が泳動し、前記基板上で生成された反応副生成物が蒸発するために必要な泳動・蒸発時間を設定する時間設定ステップと、
前記液体原料を前記成膜室内に直接噴射し気化して供給する供給時間と、前記液体原料を前記成膜室内に供給しない供給停止時間とを交互に設けた間欠供給ステップとを備え、
当該間欠供給ステップにおいて、前記供給停止時間を、前記泳動・蒸発時間と同じか又はそれよりも長くしており、
前記間欠供給ステップの前記供給時間内において、所定の時間間隔で前記噴射弁を複数回開閉させながら、前記液体原料を前記成膜室内に供給していることを特徴とする成膜方法。 - 前記供給停止時間が、前記液体原料を前記成膜室内に供給する供給時間よりも長いことを特徴とする請求項１記載の成膜方法。
- 前記供給停止時間が、前記供給時間の約５０倍以上であることを特徴とする請求項２記載の成膜方法。
- 前記供給時間が、前記基板の成膜対象面積に基づいて定められるものである請求項１、２又は３記載の成膜方法。
- 前記供給停止時間において、堆積した膜を光学的に測定し当該測定結果に基づいて前記供給時間及び／又は前記供給停止時間を制御することを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の成膜方法。
- 前記膜の光学的な測定は、エリプソメトリー法による請求項５記載の成膜方法。
- ２ｎｍ以下の厚さの膜を製造する請求項５記載の成膜方法。
- 液体原料を気化し、基板上に堆積させて成膜する成膜装置であって、
前記基板を内部に保持する成膜室と、
前記液体原料を前記成膜室内に直接噴射する噴射弁と、
前記噴射弁を周期的に開閉させることにより、前記液体原料を前記成膜室内に直接噴射し気化して供給する供給時間と、前記液体原料を前記成膜室内に供給しない供給停止時間とを交互に設けて制御し、前記液体原料を前記成膜室内に間欠的に供給する制御装置とを備え、
当該制御装置が、前記供給停止時間を、前記基板上に堆積した前記液体原料の原子又は分子が泳動し、前記基板上で反応副生成物が蒸発するための泳動・蒸発時間と同じか又はそれよりも長く制御しており、
前記制御装置が、前記供給時間内において、所定の時間間隔で前記噴射弁を複数回開閉させながら、前記液体原料を前記成膜室内に供給していることを特徴とする成膜装置。 - 前記噴射弁が、電磁コイルと、当該電磁コイルの電磁誘導により噴射口の開閉を行う弁体とからなる請求項８記載の成膜装置。
- 前記基板上に堆積した膜を光学的に測定する測定装置をさらに備え、
前記制御装置が、前記噴射弁を周期的に開閉させることにより、前記液体原料を前記成膜室内に直接噴射し気化して供給する供給工程と、前記液体原料を前記成膜室内に供給しない供給停止工程とを交互に設けて、前記液体原料を前記成膜室内に間欠的に供給するとともに、前記測定装置を前記供給停止工程において前記測定を行うように制御し、その測定結果に基づいて供給工程及び／又は供給停止工程を制御する制御装置とを備えている請求項８又は９記載の成膜装置。 - 前記測定装置が、エリプソメータである請求項１０記載の成膜装置。
- 前記制御装置は、成膜条件情報及び測定条件情報を格納する成膜／測定条件設定部と、
前記測定条件情報に従い前記測定装置各部を制御する測定制御情報を出力する測定制御部と、
前記測定条件情報と前記測定装置から出力された検出信号とから前記基板上に堆積した膜の測定結果を算出し出力する測定結果演算部と、
前記成膜条件情報と前記膜の測定結果とを比較して前記膜が所定の成膜条件に達したかどうかを判定し判定結果情報を出力する判定部と、
前記成膜条件情報及び／又は前記判定部から出力された判定結果情報に従い、前記成膜装置各部を制御する供給工程制御情報及び／又は供給停止工程制御情報を出力する成膜制御部とを備えている請求項１０又は１１記載の成膜装置。
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