JP5413202B2 - 平坦及び３次元のｐｅｃｖｄ被覆において局所的分圧を制御するための局所的直線マイクロ波ソースアレイポンピング - Google Patents

Description

関連出願

[0001]本出願は、本出願と同時に出願されて参考としてここに援用される“System and Method for Chemical Vapor Deposition Process Control”と題する共通に所有されて譲渡された国際出願（番号はまだ指定されず）に関する。

著作権

[0002]本特許文書の開示の一部分は、著作権保護を受ける資料を含む。著作権の所有者は、特許商標庁の特許ファイル又は記録に現れるように特許開示を誰かが複写再現することに異議を唱えるものではなく、著作権の全ての権利は何であれ保存されるものとする。

発明の分野

[0003]本発明は、気相堆積プロセスを管理し且つ基板上に薄膜を堆積するシステム及び方法に関する。

発明の背景

[0004]種々の基板上に非導電性及び導電性の膜を堆積するために化学気相堆積プロセス（ＣＶＤ）が使用されている。この化学ＣＶＤプロセスは、プラズマの使用によって増強されてきた。このプロセスは、プラズマ増強型化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）と称される。このＰＥＣＶＤプロセスは、工業的用途で通常に使用されている。

[0005]ＰＥＣＶＤシステムは、典型的に、マイクロ波、高周波、超高周波及び無線周波数電源を含む高電力電源によって駆動されている。ＰＥＣＶＤプロセスにより形成される薄膜の特性は、実質的に変化し、電源の形式、電源の出力、キャリアガスの流量、先駆ガスの流量、ガスの分圧、及び基板の前コンディショニングを変えることで制御することができる。これらのパラメータを変えることにより、化学的性質及び厚みの異なる膜を生成することができる。

[0006]典型的なＰＥＣＶＤシステムは、平面内に典型的に固定されたアンテナ、アノード又はカソーズ(cathose)とも称される複数のソースを備えている。これらアンテナ各々は、電源に接続されて、電磁放射を放出するか又は電磁界を生成して電子を発生し、これら電子を使用して、ＰＥＣＶＤプロセスにおけるプラズマが発生される。これらのアンテナは、典型的に、単一の平面内に配列され、フラットな基板上に薄膜を堆積するのに使用される。このアンテナの平面アレイは、小さな基板の場合には、均質な膜及び均一な厚みを生じる傾向がある。

[0007]不都合なことに、この平面アンテナアレイは、湾曲した基板や大きな平面基板の場合には、有効でない傾向がある。例えば、現在のＰＥＣＶＤシステムは、大きな基板の縁の周りでガス圧力及びガス流量を制御することが困難である。このように制御が困難であることは、基板表面にわたるキャリアガス及び先駆ガスの濃度を非均一にし、即ち縁付近の濃度を低くする。例えば、典型的なＰＥＣＶＤシステムは、過剰なガス及び廃棄材料を基板表面からポンプ除去する。典型的に、この廃棄ガスは、基板の後方からポンプ除去され、これは、廃棄ガスの流れが基板の表面に沿って縁の周りを進行することを意味する。大きな基板の場合、ガスが縁に集中して、縁における膜特性及び堆積率を劇的に変化させる。従って、ＰＥＣＶＤプロセスを良好に制御して、より均一な膜を形成するためのシステム及び方法が要望される。

[0008]添付図面に例示された本発明の実施形態についてその概要を以下に述べる。これら及び他の実施形態は、詳細な説明の章でより詳細に述べる。しかしながら、この発明の概要又は詳細な説明に述べる特定の形態に本発明を限定するつもりはないことを理解されたい。当業者であれば、特許請求の範囲に表現された本発明の精神及び範囲内に入る多数の変更や、等効物、及び代替え構造があることが理解できよう。

[0009]基板上での薄膜の堆積を制御するためのシステム及び方法が開示される。基板上での薄膜の堆積を制御するためのシステム及び方法。一実施形態は、真空チャンバーと、この真空チャンバー内に配置された複数のソースと、複数のガス管とを備え、これら複数のガス管の各々は、先駆ガスを配送するための第１容積部と、ポンピングを与えるための第２容積部とを含む。

[0010]本発明の種々の目的及び効果、並びにそのより完全な理解は、添付図面に関連して以下の詳細な説明及び特許請求の範囲を参照することで、より容易に明らかとなろう。
ＰＥＣＶＤシステムの断面図である。 湾曲した基板を被覆するためのＰＥＣＶＤシステムのブロック図である。 縁作用を最小にすると共に堆積プロセスを良好に制御するように設計されたＰＥＣＶＤシステムのブロック図である。 図３に示すＰＥＣＶＤシステムの内部の前面図である。 ＰＥＣＶＤシステムの別の実施形態を示す。 図５のＰＥＣＶＤシステムの前面図である。 ドロップ管のコンポーネントの一実施形態を示す。 二重容積部の先駆体ドロップ管を使用するＰＥＣＶＤシステムの前面図である。 湾曲した基板又はフラットな基板の両面被覆に使用できるＰＥＣＶＤシステムの別の実施形態を示す。 電力輪郭付けを伴うＰＥＣＶＤシステムの別の実施形態を示す。 電力輪郭付けを伴うＰＥＣＶＤシステムの別の実施形態を示す。

図面の詳細な説明

[0011]多数の図面全体にわたり同じ又は同様の要素が同じ参照番号で示された添付図面を参照し、特に、図１を参照すれば、ＰＥＣＶＤシステム１００の断面が示されている。このシステムは、基板１０５、キャリアガス供給部１１０、先駆ガス供給部１１５、ポンプ１２０及び３つのソース１２５を備えている。当業者であれば、このシステムは、電源、真空系統、プロセスチャンバー壁、真空チャンバー、及び基板キャリアも備えていることが理解されよう。しかしながら、明瞭化のために、これらの要素は、図１には示されていない。

[0012]動作に際し、基板１０５が真空チャンバー内に入れられる。３つのソース１２５に電力が供給される。上述したように、この電力は、ＲＦ、ＨＦ、ＶＨＦ、等を含む任意の形式の高エネルギー電源でよい。典型的に石英のような絶縁体で包囲されたソース１２５は、キャリアガス供給部を通して導入されるキャリアガス分子と衝突する電子を生成する。これらの衝突は、キャリアガス分子を分断して、ラジカルを発生し、ソースの周りにプラズマを形成する。ラジカルは、他のキャリアガス分子との衝突によりカスケード状の反応を生じさせて、更に多くのラジカルを形成する。これらのラジカルは、次いで、先駆ガス供給部を通して導入される先駆ガス分子と衝突して、先駆ガス分子を分断させる。先駆ガス分子の一部分が基板１０５に堆積する。先駆ガス分子の廃棄部分は、基板１０５の裏側に配置されたポンプ１２０により基板１０５からポンプ除去される。又、このポンプ１２０は、過剰なキャリアガス分子もポンプ除去する。

[0013]図１の矢印は、キャリアガス、先駆ガス、及び廃棄ガスのおおよその流路を示している。例えば、流路１３０は、キャリアガスがたどる流路を示し、流路１３５は、先駆ガスがたどる流路を示し、更に、流路１４０は、ポンプ除去される廃棄ガスが基板１０５からポンプ１２０へとたどる流路を示す。先駆ガス及びキャリアガスを含むガスの濃度は、基板の中心よりも、縁付近の方が低い。

[0014]図２を参照すれば、これは、湾曲した基板１５０を被覆するためのＰＥＣＶＤシステム１４５のブロック図である。このシステムは、湾曲した基板１５０、キャリアガス供給部１５５、先駆ガス供給部１６０、及び湾曲した基板１５０の裏側に配置されたポンプ１６５を備えている。

[0015]湾曲した基板は、均一な膜を堆積することが困難であるために、薄膜産業では特に困難をもたらす。この実施形態では、異なる長さの先駆ガス供給部１６０を設けることにより湾曲した基板を補償するように試みる。異なる長さのガス供給部の目的は、基板の表面から固定の距離において先駆ガスを吐き出すことである。この固定距離は、基板にわたり均一な膜厚みを促進する上で助けとなる。可変長さの先駆ガス供給管でも、このシステムは、裏側ポンプにより生じる縁作用から依然影響を受ける。即ち、ガス流量及びガス濃度は、基板の中心よりも、湾曲した基板の縁の方が低い。従って、膜の厚み及び化学的性質は、基板の縁において変化する。

[0016]図３を参照すれば、これは、縁作用を最小にし且つ堆積プロセスを良好に制御するように設計されたＰＥＣＶＤシステム１７０のブロック図である。このシステムは、キャリアガス源１７５、シールド１８０、３つのソース１８５、先駆ガス源１９０(ガス管の一形式)、ポンプ１９５、及び基板２００を備えている。

[0017]ＰＥＣＶＤシステムのこの実施形態では、裏側のポンプが、基板の表面に対向するポンプ１９５（並びにそれに対応する通気口及び配管）に置き換えられる。説明上、この一般的形式のポンピングは、表側ポンピングと称される。これは、裏側ポンピングとは独立して又はそれに関連して使用することができる。

[0018]裏側ポンピングだけではなく表側ポンピングを使用することにより、基板２００は、より微細に制御できる局部的エリアへと効果的に分割される。この実施例では、先駆ガスが吐き出され及び廃棄粒子が形成される場所の比較的近くでポンピングが行われるので、縁作用が著しく減少される。

[0019]この実施形態では、キャリアガス供給部１７５は、ソース１８５を部分的に包囲するシールド１８０内に配置される。キャリアガス供給部１７５をこのシールド１８０内に配置することにより、キャリアガス濃度及び圧力をより微細に制御することができる。更に、シールド１８０は、シールド１８０を含まないシステムよりもキャリアガスの分断パーセンテージを高める上で助けとなる。絶縁体材料より成る又は絶縁体材料が被覆されたこのコンポーネントは、ラジカル化された種の再結合を減少し、プロセスに利用できるラジカルを更に増加する。

[0020]図３における流れの矢印は、キャリアガス、先駆ガス及び廃棄ガスの流路を示すのに役立つ。流れの矢印２６５は、キャリアガスがキャリアガス供給部から基板へ、次いで、ポンプへと流れる流路を示す。流れの矢印２１０は、先駆ガスが先駆ガス供給部から基板２００に向かい、次いで、ポンプ１９５に向かって流れる流路を示す。最後に、流れの矢印２１５は、基板２００から及びＰＥＣＶＤチャンバーからポンプ除去される合成廃棄ガスを示す。

[0021]図４は、図３に示されたＰＥＣＶＤシステム１７０の内部の前面図である。この図は、先駆ガス供給部１９０が基板２００と平行に延び且つおおよそソース１８５の長さであることを示している。３つのソース１８５しか示されていないが、当業者であれば、任意の数のソース及びガス供給部を使用できることが理解されよう。

[0022]図５を参照すれば、ＰＥＣＶＤシステム２２０の別の実施形態が示されている。このシステムは、３つのソース２２５、３つのシールド２３０、キャリアガス供給部２３５、先駆ガス供給部２４０、上側ポンプ２４５、及び基板２５０を備えている。この実施形態では、先駆ガス供給源２４０は、一連の直線管ではなく、一連のドロップ管である。これらの、ガス管の一形式であるドロップ管は、基板表面付近のエリアへ先駆ガスを配送する上で更に高い精度を与えることができる。この実施形態は、図４の実施形態に含まれる表側ポンピングのための異なる構成も含む。

[0023]図６を参照すれば、これは、図５のＰＥＣＶＤシステムの前面図であり、より詳細には、この前面図は、複数の先駆体ドロップ管２４０が基板の巾に沿って使用されることを示す。これらの管は、基板に対して垂直である。幾つかの実施形態では、これらのドロップ管は、再結合を最小にし、プラズマによるエッチングを防止し、且つ管への堆積を最小にするために、絶縁体が被覆される。

[0024]図７を参照すれば、ドロップ管のコンポーネントの一実施形態が示される。より詳細には、図７は、先駆ガスを配送するのに使用できる二重容積部ドロップ管２６０を示す。この実施形態は、基板表面へ先駆ガスを配送する第１容積部２６５と、基板表面付近から廃棄ガスを除去するためのポンピングを与える第２容積部２７０とを備えている。又、この実施形態は、第１容積部２６５を通る先駆ガスの流量を変化させるために手動制御又はコンピュータ制御することのできる流量レギュレータ２７５も備えている。更に、この実施形態は、廃棄ガスをポンプ除去できるように多数の管を接続できる放出容積部２８０も備えている。この二重容積部ドロップ管２６０の使用は、非常に局所化された先駆体配送及びポンピングを提供する。このように非常に局所化された配送及びポンピングを提供することで、大きな基板及び湾曲した基板に対して膜の化学的性質及び厚みを正確に制御することができる。

[0025]図８は、二重容積部先駆体ドロップ管を使用するＰＥＣＶＤシステム２８５の前面図である。この実施形態は、一連の分割ソース２９５に接続された電力ジェネレータ２９０と、二重容積部ドロップ管３００のアレイとを備えている。一実施形態では、これらドロップ管の各々を、取り付けられた流量レギュレータにより個々に制御することができる。或いは又、ドロップ管のグループを、流量レギュレータにより別々に制御することもできる。独立した制御は、膜特性の局所的な制御を許し、縁作用を著しく減少する。

[0026]図９は、湾曲した基板又はフラットな基板の両面被覆に使用できるＰＥＣＶＤシステム３０５の別の実施形態を示す。このシステムは、おそらく、基板の両側に複数の二重容積部ドロップ管を備えている。この実施形態では、二重容積部ドロップ管３１０は、食い違った長さを有する。即ち、ドロップ管の一部分は、ドロップ管の他部分とは異なる長さである。この可変長さは、ポンピング作用を変化させるように使用できる。ドロップ管は、幾つかの実施形態では、上側ポンピングに関連して使用できる。

[0027]このＰＥＣＶＤシステム３０５は、複数のドロップ管３１０、排気ポンプ３１５、これらドロップ管３１０及び排気ポンプ３１５に接続された排気部３２０、一連の流量レギュレータ３２２、先駆ガス供給部３２５、及び流量レギュレータに接続されたコンピュータシステム３３０を備えている。この実施形態は、排気ポンプの影響を調整するためのバタフライバルブ３６６も備えている。

[0028]図１０及び図１１を参照すれば、ＰＥＣＶＤシステムの他の実施形態が示されている。これら実施形態では、ガス供給部及びポンプが示されていないが、当業者であれば、それらの要素が存在することが理解されよう。図１０の実施形態は、プロセスチャンバー３４０、電源３４５、湾曲した基板３５０、及びソース３５５のアレイを示している。

[0029]図１１を参照すれば、ソース３６０は、異なる量の電力で駆動される。上述したように、堆積率及び膜の化学的性質は、ソースに印加される電力を変化させることにより変えることができる。典型的なシステムでは、ソースのアレイにおける全てのソースにわたって均一に電力が印加される。しかしながら、このシステムでは、例えば、基板３６５の表面からソースまでの距離に基づいて、各ソースにおいて電力が変化される。例えば、この実施形態では、ソース３６０Ａは、ソース３６０Ｂよりも基板から遠いので、ソース３６０Ｂより高い電力で動作される。

[0030]又、このシステムは、ユーザにより設定された構成に基づき各ソースに印加される電力を変化させるよう構成された電力レギュレータ３７０も備えている。従って、このようなシステムは、いかなる形式の湾曲した基板も均一に被覆するように素早く再構成することができる。同様に、この可変ソース電力配列は、フラットな基板を被覆すると共に、例えば、基板の中心においてソースに印加されるものより低い電力を縁付近のソースに印加することにより縁作用を補償することができる。

[0031]個々のソースに印加される電力の厳密な量は、先駆ガスの形式、支持ガスの形式、基板の形式、希望の膜特性、真空チャンバー圧力、特定の被覆マシンの特性、等に基づいて変化する。当業者であれば、希望の形式の膜を発生するための電力量を容易に選択することができよう。被覆マシン及び他の特性のばらつきのために、ある程度の実験がおそらく必要となろう。

[0032]この可変電力実施形態は、それ自身で使用することもできるし、或いは上述した先駆ガス配送システム及び過剰ガスポンピングシステムと組み合わせて使用することもできる。

[0033]結論として、本発明は、とりわけ、化学気相堆積プロセスを制御するためのシステム及び方法を提供する。当業者であれば、ここに述べた実施形態により得られるものと実質的に同じ結果を得るように、本発明、その使用、及びその構成において、多数の変更及び置き換えがなされることが容易に理解できよう。従って、本発明を、ここに開示した形態に限定するつもりはない。多数の変化、変更、及び代替え構造が、特許請求の範囲に表現されたここに開示する発明の精神及び範囲内に包含される。

１００…ＰＥＣＶＤシステム、１０５…基板、１１０…キャリアガス供給部、１１５…先駆ガス供給部、１２０…ポンプ、１２５…ソース、１３０、１３５、１４０…流路、１４５…ＰＥＣＶＤシステム、１５０…湾曲した基板、１５５…キャリアガス供給部、１６０…先駆ガス供給部、１６５…ポンプ、１７０…ＰＥＣＶＤシステム、１７５…キャリアガス源、１８０…シールド、１８５…ソース、１９０…先駆ガス源、１９５…ポンプ、２００…基板、２２０…ＰＥＣＶＤシステム、２２５…ソース、２３０…シールド、２３５…キャリアガス供給部、２４０…先駆ガス供給部、２４５…上側ポンプ、２５０…基板、２６０…二重容積部ドロップ管、２６５…第１容積部、２７０…第２容積部、２７５…流量レギュレータ、２８５…ＰＥＣＶＤシステム、２９０…電力ジェネレータ、２９５…分割ソース、３００…二重容積部ドロップ管、３０５…ＰＥＣＶＤシステム、３１０…二重容積部ドロップ管、３１５…排気ポンプ、３２０…排気部、３１５…排気ポンプ、３２２…流量レギュレータ、３２５…先駆ガス供給部、３３０…コンピュータシステム、３３５…基板、３４０…プロセスチャンバー、３４５…電源、３５０…湾曲した基板、３５５…ソース、３６０…ソース、３７０…電力レギュレータ

Claims (10)

1. プラズマ増強型化学気層堆積プロセスにより基板上に膜を堆積するための気相堆積システムにおいて、前記システムは、
   真空チャンバーと、
   上記真空チャンバー内に配置された複数のプラズマソースと、
   二重容積部を有する複数の管と、
   を備え、
   上記複数の管の各々は、
   上記基板へ先駆ガスを配送するための第１容積部と、
   上記第１容積部の外側に同心円状に形成された、上記基板から離れた位置から廃棄ガスを除去するためのポンピングを与えるための第２容積部と、を含み、
   上記第１容積部の端部は、上記第２容積部の端部から突出している、気相堆積システム。
2. 上記複数の管の少なくとも１つに接続された流量レギュレータを更に備え、該流量レギュレータは、上記複数の管のうちの少なくとも１つの管の第１容積部へ流れ込む先駆ガスの量を調整するように構成される、請求項１に記載のシステム。
3. 上記複数の管のうちの少なくとも１つの管の第２容積部に接続されたポンプを更に備えた、請求項１に記載のシステム。
4. 上記複数の管のうちの第１の管に接続された第１の流量レギュレータであって、上記複数の管のうちの第１の管の第１容積部へ流れ込む先駆ガスの量を調整するように構成された上記第１の流量レギュレータと、
   上記複数の管のうちの第２の管に接続された第２の流量レギュレータであって、上記複数の管のうちの第２の管の第１容積部へ流れ込む先駆ガスの量を調整するように構成された上記第２の流量レギュレータと、
   を更に備えた請求項１に記載のシステム。
5. 上記複数の管のうちの少なくとも１つの管の第２容積部に接続された第３の流量レギュレータであって、上記複数の管のうちの少なくとも１つの管の第２容積部からポンプ送出される排気ガスの量を調整するように構成された第３の流量レギュレータを更に備えた、請求項１に記載のシステム。
6. 上記第１の流量レギュレータ及び上記第２の流量レギュレータと通信するコンピュータであって、上記複数の管のうちの第１の管の第１容積部及び上記複数の管のうちの第２の管の第１容積部へ流れ込む先駆ガスの量を調整するように、上記第１の流量レギュレータ及び上記第２の流量レギュレータを調整するよう構成されたコンピュータを更に備えた、請求項４に記載のシステム。
7. 上記複数のプラズマソースは、第１の複数のプラズマソースであり、上記複数の管は、第１の複数の管であり、これら第１の複数のプラズマソース及び第１の複数の管は、基板の第１の側に隣接して位置付けられ、上記システムは、更に、
   上記真空チャンバー内に配置された第２の複数のプラズマソースと、
   先駆ガスを配送するための第１容積部及びポンピングを与えるための第２容積部を各々含む第２の複数の管と、
   を備え、上記第２の複数のプラズマソース及び上記第２の複数の管は、基板の第２の側に隣接して位置付けられる、請求項１に記載のシステム。
8. 上記複数のプラズマソースの少なくとも１つを部分的に取り巻くシールドと、
   上記シールド内に位置付けられたキャリアガス供給部と、
   を更に備えた請求項１に記載のシステム。
9. 上記複数のプラズマソースのうちの対応する１つを部分的に取り巻くように各々構成された複数のシールドと、
   上記複数のシールドのうちの対応する１つの中に各々位置付けられた複数のキャリアガス源と、
   上記複数のプラズマソースと同じ基板側の上に配置され、キャリアガス、先駆ガス、及び、廃棄ガスを除去する上側ポンピング通気口と、
   上記上側ポンピング通気口に接続されたポンプと、
   を更に備えた請求項１に記載のシステム。
10. 上記上側ポンピング通気口は、
    複数の上側ポンピング通気口と、
    上記複数の上側通気口を接続するダクトと、
    を備えた請求項９に記載のシステム。

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