JP6008320B2 - コンビナトリアル成膜装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば半導体ウェハに薄膜を蒸着し、有機ＥＬ素子を製造する為に基板上に有機化合物の蒸着膜を形成する等の、薄膜の成膜用のスパッタガンを用いたコンビナトリアル成膜装置に関するものである。

従来、半導体ウェハに薄膜を蒸着する場合には、例えば特許文献１に示すように、蒸着する元素や化合物毎に分子線源（スパッタガン）を設けることが行われている。そして、大型基板に対して均一な膜厚分布の成膜を行うための装置が、特許文献２で提案されている。

しかしながら、例えば本発明者らの提案にかかる特許文献３に示すようなコンビナトリアル成膜装置に従来装置をもちいると、次の課題を生ずる。即ち、特許文献１の類型の装置では、成膜チャンバー内は基本的に真空状態であるが、高周波源や電子サイクロトロン共鳴のようなプラズマ源を用いる関係で、アルゴンガスのような不活性ガスを設定ガス圧（例えば、０．１３〜６２Ｐａ：０．００１〜０．５Ｔｏｒｒ）で満たして、安定なスパッタ成膜を行っている。すると、チャンバー内部の雰囲気ガス圧が高くなるために、コーティング膜に含まれる残留ガスが多くなる。そこで、スパッタ成膜時に、形成される薄膜がチャンバー内のガスを取り込むため、膜の密度が低下して、膜質が低下する課題があった。

そこで、特許文献１の類型の装置では、スパッタガン近傍に直接ガスを吹き付ける方法も採用されている。この方法では、スパッタガン先端部近傍に直接ガスを吹き付けるために、ガス圧を低くすることができ、上述の方法に比較し膜質が向上する利点がある。しかし、この方法では、非対称なガスの流れになるためにコーティング膜の再現性に課題があった。

特開２００９−１２４１５６号公報 特開２００５−３２５４２４号公報 特開２００５−３２０５９０号公報

特に、コンビナトリアル成膜装置では、膜を構成する物質の組成比率を傾斜的に変化させて、目的とする製品に対して最適な組成となる比率を探索する関係で、特定の膜構成物質の組成比率の箇所はごく一部しか存在しない。そこで、コーティング膜の再現性は、膜構成物質の最適組成比率の探索にとって重要である。
本発明は上述した課題を解決したもので、雰囲気ガス圧力を低くしたまま、良好なプラズマを安定生成し、スパッタ領域へ均一のガス供給流を実現し、高品質のスパッタ成膜が得られるスパッタガンを用いたコンビナトリアル成膜装置を提供すること目的をする。ここで、高品質のスパッタ成膜とは、コーティング内の不純物量が少なく、膜の密度が高いと共に、成膜成分の純度が高いものをいう。

本発明のコンビナトリアル成膜装置は、上記の課題を解決したもので、例えば図２、図３に示すように、蒸着試料が格納されるターゲットホルダー３５と、ターゲットホルダー３５の外周面を覆う状態に設けられたカバーキャップ３６と、このカバーキャップの被蒸着基板側に位置して所定間隔で設けられた噴射ノズル５０と、噴射ノズル５０にスパッタガスを供給するガス配管部（４０、４４）と、噴射ノズル５０より導入したスパッタガスをプラズマ化するためのプラズマ化電気回路（３２）を有し、スパッタガスの種類はアルゴンガスであり、当該アルゴンガスの圧力は０．０１３Ｐａ（０．０００１Ｔｏｒｒ）から０．１３Ｐａ（０．００１Ｔｏｒｒ）の範囲であり、噴射ノズル５０は、噴出されるスパッタガスが安定なプラズマ形成に役立つと共に、被蒸着基板に均一で安定な品質の成膜が得られるように、ノズル穴の形状や分布状態が構成してあるスパッタガンが装着されたことを特徴とする。

このように構成された本発明の装置において、ターゲットホルダー３５には蒸着試料が格納されている。カバーキャップ３６はターゲットホルダー３５の外周面を覆う状態に設けられている。噴射ノズル５０は、カバーキャップ３６の被蒸着基板側に位置しており、所定間隔で設けられているもので、蒸着試料のスパッタされる領域近傍にスパッタガスを局所導入できる。ガス配管部は、噴射ノズル５０にスパッタガスを供給する。プラズマ化電気回路は、噴射ノズル５０より導入したスパッタガスをプラズマ化するための電気回路である。噴射ノズル５０により、蒸着試料のスパッタ領域において局所的にスパッタガスの圧力が上昇し、真空チャンバー内の平均圧力が低くても、良好なスパッタ成膜が可能となる。

本発明のコンビナトリアル成膜装置において、好ましくは、スパッタガンにおいて、カバーキャップ３６の被蒸着基板側の端面にカバーリング３８を設け、カバーリング３８の内周面に、カバーキャップ３６の中心軸に向かってスパッタガスを導入する噴射ノズル５０を設けるとよい。

本発明のコンビナトリアル成膜装置において、好ましくは、スパッタガンにおける噴射ノズル５０は、同心円状に複数個のガス導入用孔をあけたものであり、蒸着試料中心に向けて均一にガスが流れるような構造とするとよい。
本発明のコンビナトリアル成膜装置において、好ましくは、スパッタガンに、さらに、カバーキャップ３６の被蒸着基板側に開閉板２４を設け、開閉板２４は、ターゲットホルダー３５に格納された蒸着試料が覆われた状態と開いた状態の少なくとも二つの姿勢をとるように構成するとよい。

本発明のコンビナトリアル成膜装置によれば、スパッタガンに設けた噴射ノズルにより蒸着試料のスパッタされる領域近傍にスパッタガスを局所導入できるので、雰囲気ガス圧力を低くしたまま、良好なプラズマを安定生成し、スパッタ領域へ均一のガス供給流を実現し、高品質のスパッタ成膜が得られ、コンビナトリアル成膜に好適である。

本発明のスパッタガンが装着される成膜装置の概略構成図である。 本発明の一実施の形態を示すスパッタガンの全体構成図である。 カバーキャップ及びカバーリングの詳細を説明する正面図である。 カバーキャップ及びカバーリングの詳細を説明する平面図である。 図２の装置で開閉板を開いた状態のカバーキャップとカバーリングの詳細を説明する斜視図である。

以下、図面を用いて本発明を説明する。
図１は、本発明のスパッタガンが装着される成膜装置の概略構成図で、例えばコンビナトリアル成膜装置、半導体ウェハを用いた半導体素子、有機ＥＬ素子の製造装置等として用いられる。
図１に示すように、この成膜装置１０にあっては、真空チャンバー１２の下部にスパッタガン２０が配設されるとともに、このスパッタガン２０の上方に成膜対象物である基板１４が配置されている。基板１４には、シリコンウェハやガラス基板が用いられる。真空チャンバー１２では、アルゴンガスのような不活性ガスが、例えば０．１３Ｐａ（０．００１Ｔｏｒｒ）程度で存在する真空度となっている。

スパッタガン２０は、マグネトロンスパッタ装置やイオンビームスパッタ法が用いられている。ここで、スパッタリングとは、ターゲット（物質）にアルゴンガスなどの不活性な物質を高速で衝突させる場合に、アルゴンガスがターゲット表面で原子や分子と衝突し、ターゲットを構成する原子や分子が叩き出される過程をいう。

マグネトロンスパッタ装置では、ターゲットの裏側に磁石を置き、１０^−３Ｔｏｒｒ程度の不活性ガス中で基板とターゲット間に数１００Ｖの電圧を加えて、イオン化したアルゴンがターゲット向かって加速して衝突し、ターゲットの物質がスパッタされて基板に堆積される。このとき、同時にターゲットから高エネルギーのγ-電子が生じ、アルゴン原子と衝突する際にアルゴン原子をイオン化(Ａｒ⁺)させ、プラズマを持続させるが、磁石による磁界でターゲット近傍にγ電子を閉じ込める。この類型の装置では、γ電子が磁力線に絡みついた軌道をとるため、プラズマがターゲット近傍に集中し、基板へのダメージを低減できる。

イオンビームスパッタ法では、膜堆積室とイオン発生室とが分離されており、プラズマイオン室から放出されたイオンをターゲットに照射して、スパッタリングを起こす。この類型の装置では、堆積室にはプラズマが侵入しないため、γ電子などによる悪影響を受けず、またターゲットに照射するイオンのエネルギーとイオン密度を独立に制御できるため、膜作製条件の厳正な制御が可能である。

このように構成された装置においては、スパッタガン２０から分子ビームとして供給される蒸着材料を、マスク１６を介して基板１４に蒸着させることによって所定パターンの有機薄膜を形成するようになっている。

図２は本発明の一実施の形態を示すスパッタガンの全体構成図である。図において、フランジ２２は、スパッタガン２０を真空チャンバー１２に装着するのに用いるもので、円板状をしている。開閉板２４はカバーリング３８を覆う状態と開いた状態の二つの姿勢が取れるもので、蒸着動作を停止する場合は覆う状態とし、蒸着動作中は開いた状態とする。開閉ハンドル２６は、開閉板２４の開閉動作を指示する操作器で、例えば作業員が操作するが、μプロセッサを用いたプログラマブル・コントローラを装着して操作してもよい。取付軸２７は、開閉ハンドル２６を本体管３０に取付ける。ワイヤー部２８は、開閉ハンドル２６の開閉操作を、開閉板２４の開閉動作と連動させる部材である。ワイヤー取付部２９は、ワイヤー部２８を本体管３０に取り付ける。

本体管３０は、スパッタガン２０の構造上の本体で、内部にはＲＦ電力をマグネトロンに供給する電線と、冷水循環路が設けられている。ＲＦ電源入力部３２は、本体管３０の大気側端部に設けられるもので、プラズマ発生用の交流電力と接続するためのコネクタを有している。水冷管３４は、本体管３０の冷水循環路に冷却水を供給する管路である。ターゲットホルダー３５は、本体管３０の真空チャンバー１２側に設けられるもので、蒸着用試料とマグネトロンを格納してある。カバーキャップ３６は、ターゲットホルダー３５の蒸着用試料の装着側を覆う円筒形状のものである。カバーリング３８はカバーキャップ３６の先端端部にリング状に装着されるもので、開閉板２４と導入用ガス配管４４の先端部が取り付けられる。

ガス配管本体部４０は、アルゴンガスをスパッタガン２０に供給するもので、フランジ２２を介して大気側端部と真空側端部を有している。ガス調整バルブ４２は、ガス配管本体部４０の中間に設けられるもので、アルゴンガスの流量を調整する場合に操作される。導入用ガス配管４４は、一端がガス接続部４６を介してガス配管本体部４０の端部と接続され、他端がカバーリング３８と接続される。

図３Ａは、カバーキャップとカバーリングの詳細を説明する正面図であり、図３Ｂは、カバーキャップとカバーリングの詳細を説明する平面図である。
カバーリング３８の内周面には、噴射ノズル５０が一定間隔で設けてある。噴射ノズル５０は、例えば内周面に３〜５０個程度設けるとよく、特に好ましくは１２〜２０個程度設けるのがよい。各ノズルの形状は内径１ｍｍ〜８ｍｍとする。噴射ノズル５０は、噴出されるアルゴンガスが安定なプラズマ形成に役立つと共に、均一で安定な品質の成膜が得られるように、ノズル穴の形状と分布状態や数を定める。噴射ノズル５０の数が２個以下であれば、ガスの分布が均一でないため成膜品質に影響し、５０個以上であればカバーリング３８に噴射ノズル５０を形成する作業が煩雑になる。また、噴射ノズル５０の穴形状が内径８ｍｍを超える場合は、カバーリング３８からのガス供給が増加して真空チャンバー１２内のガス圧が高まり好ましくない。噴射ノズル５０の穴形状が内径１ｍｍ未満の場合は、噴出するガスがジェット状になって拡散不十分となり、ガスの分布が均一でなくなる。
ガス噴霧体５０ａは、噴射ノズル５０から噴霧される円錐状の錐体で、ガスの拡散に伴って希薄になっている。図３Ｂでは、ガス噴霧体５０ａは各噴射ノズル５０について細線で示してある。また、図３Ｂにおいて、個別の噴射ノズル５０を示す円は、個別のノズル穴の存在を示すための補助線である。
ターゲットホルダー３５には、マグネトロン３７を格納してある。

このように構成された装置の動作について説明する。
図４は、図２の装置で開閉板を開いた状態のカバーキャップとカバーリングの詳細を説明する斜視図である。開閉板２４を開いた状態とすると、蒸着用試料が露出して、スパッタリングが可能となる。なお、図中、カバーリング３８の頂部側の内周面の縁には、切欠き面３８ａが設けてある。切欠き面３８ａがカバーリング３８に設けてあることで、ターゲットホルダー３５へのアクセスが容易となり、ターゲットの交換作業が円滑に行える。
基板の入替え時には、開閉板２４を閉じて、蒸着済みの基板に余計な蒸着が行われることを防止し、あるいは、蒸着前の清浄な基板が意図せぬスパッタリングにより汚染されるのを防止する。

また、本発明のスパッタガンを装着して、スパッタ成膜を試みたところ、０．１３Ｐａ（０．００１Ｔｏｒｒ）以下でも、安定してプラズマ放電を持続させることができ、緻密で良好なコーティング膜の作製が可能となった。
この結果、コンビナトリアル成膜装置のように、一枚の基板で複数の蒸着物質の組成比率を変化させて、最適な組成比率を探索するような用途でも、安定して意図する組成比率の薄膜が得られる。

なお、上記の実施形態においては、カバーリングの内周面に噴射ノズルを設ける場合を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、要するに噴射ノズルからスパッタガスを供給するようにして、蒸着試料のスパッタ領域において局所的に圧力が上昇し、真空チャンバー内の平均圧力が低くても、良好なスパッタ成膜が可能となるものであればよい。

本願発明のコンビナトリアル成膜装置には、本願発明のスパッタガンを使用しているため、成膜品質が高まり、薄膜を組成する最適な材料探索が再現性良く、安定して行える。

１０ 成膜装置
１２ 真空チャンバー
１４ 基板
１６ マスク
２０ スパッタガン
２２ フランジ
２４ 開閉板
２６ 開閉ハンドル
２７ 取付軸
２８ ワイヤー部
２９ ワイヤー取付部
３０ 本体管
３２ ＲＦ電源入力部
３４ 水冷管
３５ ターゲットホルダー
３６ カバーキャップ
３７ マグネトロン
３８ カバーリング
４０ ガス配管部
４２ ガス調整バルブ
４４ ガス配管部
４６ ガス接続部
５０ 噴射ノズル

Claims (3)

1. 蒸着試料が格納されるターゲットホルダーと、このターゲットホルダーの外周面を覆う状態に設けられたカバーキャップと、このカバーキャップの被蒸着基板側に位置して所定間隔で設けられた噴射ノズルと、この噴射ノズルにスパッタガスを供給するガス配管部と、前記噴射ノズルより導入したスパッタガスをプラズマ化するためのプラズマ化電気回路とを具備するスパッタガンであって、
   前記スパッタガスの種類はアルゴンガスであり、当該アルゴンガスの圧力は０．０１３Ｐａ（０．０００１Ｔｏｒｒ）から０．１３Ｐａ（０．００１Ｔｏｒｒ）の範囲であり、
   前記噴射ノズルは、噴出される前記スパッタガスが安定なプラズマ形成に役立つと共に、前記被蒸着基板に均一で安定な品質の成膜が得られるように、ノズル穴の形状や分布状態が構成してある前記スパッタガンが装着されたことを特徴とするコンビナトリアル成膜装置。
2. 前記スパッタガンにおいて、前記カバーキャップの被蒸着基板側の端面にカバーリングを設け、前記カバーリングの内周面に、前記カバーキャップの中心軸に向かってスパッタガスを導入する前記噴射ノズルを設けたことを特徴とする請求項１に記載のコンビナトリアル成膜装置。
3. 前記スパッタガンにおいて、さらに、前記カバーキャップの被蒸着基板側に開閉板を設け、当該開閉板は、ターゲットホルダーに格納された蒸着試料が覆われた状態と開いた状態の少なくとも二つの姿勢をとることを特徴とする請求項１又は２に記載のコンビナトリアル成膜装置。