JP7313308B2 - 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に関する。

光学膜などに用いられるシリコン（Ｓｉ）膜は、膜中のシリコン原子に未結合手が存在すると電気的に不安定となり、光学的性質が不安定となるため、未結合手に水素（Ｈ）原子を結合させることで安定な状態とすることによって、水素終端化したＳｉ－Ｈ膜（以下、水素化シリコン膜と呼ぶ）とする必要がある。シリコン膜を形成する成膜装置として、スパッタリングによりシリコンの粒子を基板上に堆積させる装置がある。スパッタリングにより堆積するシリコンは、非晶質（アモルファス）であり、結晶質のシリコンと比較して未結合手が多く存在するが、水素終端化させることにより安定化させることができる。

このような成膜装置においては、密閉容器であるチャンバ内において、基板をシリコン材料のターゲットに対向する位置に支持固定する。そして、水素ガスを添加したスパッタガスをチャンバ内に導入し、ターゲットに高周波電力を印加することにより、スパッタガスをプラズマ化させる。プラズマにより発生する活性種によって、ターゲットからシリコン粒子が叩き出されて基板に堆積する。このとき、シリコン原子の未結合手が、スパッタガスに含まれる水素原子と結合することにより、水素終端化される。

特開平０７－９０５７０号公報

以上のように成膜とともに水素終端化させる場合、シリコンと水素との結合の効率は良くない。このため、スパッタガスにおける水素ガスの割合（水素濃度）を高める必要がある。しかし、水素濃度を高めると、高濃度の水素が成膜装置内部に存在する酸素との反応や熱によって爆発する可能性が高まる。従って、使用する水素濃度を高める場合には、建屋や装置を防爆仕様にして安全性を確保している。その結果、設備のコストは高くなる。また、チャンバ内で水素ガスを含むスパッタガスによって成膜を行っても、基板に形成されたシリコン膜の表層の部分のシリコン原子は水素終端化され易いが、シリコン膜の内部まで水素原子が到達し難く、膜内部のシリコン原子は未結合手が残存し易い。つまり、シリコン膜の内部も含めた全体を、効率良く水素終端化させることは難しい。

本発明は、上述のような課題を解決するために提案されたものであり、水素化シリコン膜を、低コストで効率良く形成できる成膜装置及び成膜方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る成膜装置は、ワークを循環搬送する回転テーブルを有する搬送部と、シリコン材料から構成されるターゲットと、水素ガスを含むスパッタガスを導入するスパッタガス導入部と、前記ターゲットと前記回転テーブルとの間に導入される前記スパッタガスをプラズマ化するプラズマ発生器とを有し、スパッタリングにより前記ワークにシリコン膜を成膜する成膜処理部と、水素ガスを含むプロセスガスを導入するプロセスガス導入部と、前記プロセスガスをプラズマ化す
るプラズマ発生器を有し、前記ワークに成膜された前記シリコン膜を水素化する水素化処理部と、を備え、前記搬送部は、前記ワークが前記成膜処理部と前記水素化処理部とを交互に通過するように搬送する。

また、本発明に係る成膜方法は、回転テーブルを有する搬送部が、ワークを循環搬送する循環搬送工程と、シリコン材料から構成されるターゲットと、水素ガスを含むスパッタガスを導入するスパッタガス導入部と、前記ターゲットと前記回転テーブルとの間に導入される前記スパッタガスをプラズマ化するプラズマ発生器とを有する成膜処理部が、スパッタリングにより前記ワークにシリコン膜を成膜する成膜工程と、水素ガスを含むプロセスガスを導入するプロセスガス導入部と、前記プロセスガスをプラズマ化するプラズマ発生器とを有する水素化処理部が、前記ワークに成膜されたシリコン膜を水素化する水素化工程を含み、前記搬送部は、前記ワークが前記成膜処理部と前記水素化処理部とを交互に通過するように搬送する。

本発明によれば、水素化シリコン膜を、低コストで効率良く形成できる。

本実施形態に係る成膜装置の構成を模式的に示す透視平面図である。 図１中のＡ－Ａ断面図であり、図１の実施形態の成膜装置の側面から見た内部構成の詳細図である。 本実施形態に係る成膜装置による処理のフローチャートである。 本実施形態に係る成膜装置によるワークの処理過程を示す模式図である。 シリコン膜の消衰係数と波長の関係を示すグラフである。

本発明に係る成膜装置の実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
［概要］
図１に示す成膜装置１００は、スパッタリングにより、ワーク１０上に水素化シリコン膜を形成する装置である。ワーク１０は、例えば、石英、ガラスなどの透光性を有する基板であり、成膜装置１００は、ワーク１０の表面に、水素終端化されたシリコン（Ｓｉ－Ｈ）膜を形成する。なお、成膜されるシリコン膜は非晶質、つまりアモルファスシリコン膜であり、膜を構成するシリコン原子は未結合手を有する。また、本明細書において「水素化」と「水素終端化」は同義である。このため、以下の説明では、水素化処理は、水素終端化させる処理を意味する。

成膜装置１００は、チャンバ２０、搬送部３０、成膜処理部４０、水素化処理部５０、ロードロック部６０及び制御装置７０を有する。チャンバ２０は内部を真空とすることが可能な容器である。チャンバ２０は円柱形状であり、その内部は区切部２２によって仕切られ、扇状に複数区画に分割されている。区画の一つに成膜処理部４０が配置され、区画の他の一つに水素化処理部５０が配置され、区画の更に他の一つにロードロック部６０が配置される。つまり、チャンバ２０内において、成膜処理部４０、水素化処理部５０、ロードロック部６０は、別々の区画に配置されている。

成膜処理部４０と水素化処理部５０は１区画ずつ配置されている。ワーク１０は、チャンバ２０内を周方向に沿って何周も周回することで、成膜処理部４０と水素化処理部５０を交互に巡回して通過することになり、ワーク１０上でシリコン膜の形成とシリコン膜の水素化が交互に繰り返されて所望の厚みの水素化シリコン膜が成長していく。なお、水素濃度を上げる場合には、成膜処理部４０に対して２以上の水素化処理部５０を配置してもよい。つまり、水素化処理部５０を２以上の区画に配置してもよい。水素化処理部５０が２以上配置されていても、成膜→水素化処理→水素化処理→成膜・・・のように、水素化処理と成膜処理の間に、成膜処理や水素化処理以外を含まなければ、「成膜処理部と水素化処理部とを交互に通過する」という態様に含まれる。

図２に示すように、チャンバ２０は、円盤状の天井２０ａ、円盤状の内底面２０ｂ、及び環状の内周面２０ｃにより囲まれて形成されている。区切部２２は、円柱形状の中心から放射状に配設された方形の壁板であり、天井２０ａから内底面２０ｂに向けて延び、内底面２０ｂには未達である。即ち、内底面２０ｂ側には円柱状の空間が確保されている。

この円柱状の空間には、ワーク１０を搬送する回転テーブル３１が配置されている。区切部２２の下端は、搬送部３０に載せられたワーク１０が通過する隙間を空けて、回転テーブル３１におけるワーク１０の載置面と対向している。この区切部２２によって、成膜処理部４０及び水素化処理部５０においてワーク１０の処理が行われる処理空間４１、５９が仕切られる。つまり、成膜処理部４０、水素化処理部５０は、それぞれチャンバ２０よりも小さく、互いに離隔した処理空間４１、５９を有している。これにより、成膜処理部４０のスパッタガスＧ１及び水素化処理部５０のプロセスガスＧ２がチャンバ２０内に拡散することを抑制できる。

また、後述するように、成膜処理部４０及び水素化処理部５０においては処理空間４１、５９においてプラズマが生成されるが、チャンバ２０よりも小さい空間に仕切られた処理空間における圧力を調整すればよいため、圧力調整を容易に行うことができ、プラズマの放電を安定化させることができる。したがって、前述した効果が得られるのであれば、平面視において、最低でも成膜処理部４０を挟む２つの区切部２２、水素化処理部５０を挟む２つの区切部２２があればよい。

なお、チャンバ２０には排気口２１が設けられている。排気口２１には排気部８０が接続されている。排気部８０は配管及び図示しないポンプ、バルブ等を有する。排気口２１を通じた排気部８０による排気により、チャンバ２０内を減圧し、真空とすることができる。

搬送部３０は、回転テーブル３１、モータ３２及び保持部３３を有し、ワーク１０を円周の軌跡である搬送経路Ｌに沿って循環搬送させる。回転テーブル３１は円盤形状を有し、内周面２０ｃと接触しない程度に大きく拡がっている。モータ３２は、回転テーブル３１の円中心を回転軸として連続的に所定の回転速度で回転させる。保持部３３は、回転テーブル３１の上面に円周等配位置に配設される溝、穴、突起、治具、ホルダ等であり、ワーク１０を載せたトレイ３４をメカチャック、粘着チャックによって保持する。ワーク１０は、例えばトレイ３４上にマトリクス状に整列配置され、保持部３３は、回転テーブル３１上に６０°間隔で６つ配設される。つまり、成膜装置１００は、複数の保持部３３に保持された複数のワーク１０に対して一括して成膜することができるため、非常に生産性が高い。

成膜処理部４０は、プラズマを生成し、シリコン材料から構成されるターゲット４２を該プラズマに曝す。これにより、成膜処理部４０は、プラズマに含まれるイオンをシリコン材料に衝突させることで叩き出されたシリコン粒子をワーク１０上に堆積させて成膜を行う。図２に示すように、この成膜処理部４０は、ターゲット４２、バッキングプレート４３及び電極４４で構成されるスパッタ源と、電源部４６とスパッタガス導入部４９で構成されるプラズマ発生器を備える。

ターゲット４２は、ワーク１０上に堆積されて膜となる成膜材料で構成された板状部材である。本実施形態の成膜材料はシリコン材料であり、ターゲット４２はワーク１０に堆積させるシリコン粒子の供給源となる。即ち、ターゲット４２はシリコン材料から構成されている。「シリコン材料から構成されるターゲット」とは、シリコン粒子を供給可能なスパッタリングターゲットであれば、シリコン合金ターゲットなど、シリコン以外を含んでいても許容される。

ターゲット４２は、回転テーブル３１に載置されたワーク１０の搬送経路Ｌに離隔して設けられている。ターゲット４２は、その表面が回転テーブル３１に載置されたワーク１０に対向するように、チャンバ２０の天井２０ａに保持されている。ターゲット４２は例えば３つ設置される。３つのターゲット４２は、平面視で三角形の頂点上に並ぶ位置に設けられている。

バッキングプレート４３はターゲット４２を保持する支持部材である。このバッキングプレート４３は各ターゲット４２を個別に保持する。電極４４は、チャンバ２０の外部から各ターゲット４２に個別に電力を印加するための導電性の部材であり、ターゲット４２と電気的に接続されている。各ターゲット４２に印加する電力は、個別に変えることができる。その他、スパッタ源には、必要に応じてマグネット、冷却機構などが適宜具備されている。

電源部４６は、例えば、高電圧を印加するＤＣ電源であり、電極４４と電気的に接続されている。電源部４６は、電極４４を通じてターゲット４２に電力を印加する。尚、回転テーブル３１は、接地されたチャンバ２０と同電位であり、ターゲット４２側に高電圧を印加することにより、電位差が発生する。電源部４６は、高周波スパッタを行うためにＲＦ電源とすることもできる。

スパッタガス導入部４９は、図２に示すように、チャンバ２０にスパッタガスＧ１を導入する。スパッタガス導入部４９は、スパッタガスＧ１の供給源９０と、配管４８と、ガス導入口４７を有する。配管４８は、スパッタガスＧ１の供給源９０に接続されてチャンバ２０を気密に貫通してチャンバ２０の内部に延び、その端部がガス導入口４７として開口している。

ガス導入口４７は、回転テーブル３１とターゲット４２との間に開口し、回転テーブル３１とターゲット４２との間に形成された処理空間４１に成膜用のスパッタガスＧ１を導入する。スパッタガスＧ１としては希ガスが採用でき、アルゴン（Ａｒ）ガス等が好適である。また、本実施形態のスパッタガスＧ１には、水素ガスが添加されている。スパッタガスＧ１における水素濃度は、例えば、３％以下の低濃度である。なお、スパッタガスＧ１における水素濃度とは、スパッタガスＧ１（希ガス＋水素ガス）中の水素ガスの割合（重量パーセント）である。

スパッタガスＧ１の供給源９０は、スパッタガスＧ１における希ガスと水素ガスの導入分圧を制御してチャンバ２０内にスパッタガスＧ１を供給する。具体的には、供給源９０は、希ガス供給部９１と、水素ガス供給部９２と、希ガスと水素ガスを混合する混合器９３Ａとを備える。希ガス供給部９１は、希ガスを収納したボンベ９１０、希ガスを導入する配管９１１Ａ、希ガスの流量を調整する流量制御計（ＭＦＣ：mass flow controller）９１２Ａが備えられている。水素ガス供給部９２は、水素ガスを収納したボンベ９２０、水素ガスを導入する配管９２１Ａ、水素ガスの流量を調整する流量制御計（ＭＦＣ）９２２Ａが備えられている。混合器９３Ａは、流量制御計９１２Ａ、９２２Ａによって所定の流量に調節された希ガスと水素ガスを混合する。混合器９３Ａにおいて混合された希ガスと水素ガスの混合ガスが、スパッタガスＧ１としてガス導入口４７からチャンバ２０の内部に供給される。

このような成膜処理部４０では、スパッタガス導入部４９からスパッタガスＧ１を導入し、電源部４６が電極４４を通じてターゲット４２に高電圧を印加すると、回転テーブル３１とターゲット４２との間に形成された処理空間４１に導入されたスパッタガスＧ１がプラズマ化し、イオン等の活性種が発生する。プラズマ中のイオンはシリコン材料で構成されたターゲット４２と衝突してシリコン粒子を叩き出す。

また、この処理空間４１を回転テーブル３１によって循環搬送されるワーク１０が通過する。叩き出されたシリコン粒子は、ワーク１０が処理空間４１を通過するときにワーク１０上に堆積して、シリコン膜の薄膜がワーク１０上に成膜される。ワーク１０は、回転テーブル３１によって循環搬送され、この処理空間４１を繰り返し通過することで成膜処理が行われていく。

このシリコン膜の膜厚は、水素化処理部５０の一定時間内での水素化量、つまり水素化レートに依るが、例えば、１～２原子レベル（０．５ｎｍ以下）程度の膜厚であると良い。つまり、処理空間４１をワーク１０が通過する毎に、シリコン粒子が１又は２原子レベルの膜厚ずつ積層されることによりシリコン膜が形成される。このようにシリコン膜となるシリコン原子の大半は未結合手を有し、不対電子が存在する不安定な状態である。但し、スパッタガスＧ１に含まれる水素ガスがプラズマ化することにより化学種（原子・分子、イオン、ラジカル、励起原子・分子など）が発生する。この化学種に含まれる水素原子が一部のシリコン原子の未結合手に結合する（水素終端化する）。但し、スパッタガスＧ１に含まれる水素ガスは低濃度であり生成される化学種の量が比較的少なくなるとともに、プラズマからワーク１０に移動するまでのシリコン原子は激しく運動しているため、結合の効率は低い。

水素化処理部５０は、水素ガスを含むプロセスガスＧ２が導入された処理空間５９内で誘導結合プラズマを生成する。即ち、水素化処理部５０は、水素ガスをプラズマ化して化学種を発生させる。発生した化学種に含まれる水素原子は、成膜処理部４０によってワーク１０上に成膜されたシリコン膜に衝突してシリコン原子と結合する。これにより、水素化処理部５０は、化合物膜である水素化シリコン膜を形成する。このように、水素化処理部５０は、プラズマを用いてワーク１０上のシリコン膜のシリコン原子を水素終端化するプラズマ処理部である。図２に示すように、この水素化処理部５０は、筒状体５１、窓部材５２、アンテナ５３、ＲＦ電源５４、マッチングボックス５５及びプロセスガス導入部５８により構成されるプラズマ発生器を有する。

筒状体５１は、処理空間５９の周囲を覆う部材である。筒状体５１は、図２に示すように水平断面が角丸長方形状の筒であり、開口を有する。筒状体５１は、その開口が回転テーブル３１側に離隔して向かうように、チャンバ２０の天井２０ａに嵌め込まれ、チャンバ２０の内部空間に突き出る。この筒状体５１は、回転テーブル３１と同様の材質とする。窓部材５２は、筒状体５１の水平断面と略相似形の石英等の誘電体の平板である。この窓部材５２は、筒状体５１の開口を塞ぐように設けられ、チャンバ２０内の水素ガスを含むプロセスガスＧ２が導入される処理空間５９と筒状体５１の内部とを仕切る。

処理空間５９は、水素化処理部５０において、回転テーブル３１と筒状体５１の内部との間に形成される。この処理空間５９を回転テーブル３１によって循環搬送されるワーク１０が繰り返し通過することで水素化処理が行われる。なお、窓部材５２は、アルミナ等の誘電体であってもよいし、シリコン等の半導体であってもよい。

アンテナ５３は、コイル状に巻回された導電体であり、窓部材５２によってチャンバ２０内の処理空間５９とは隔離された筒状体５１内部空間に配置され、交流電流が流されることで電界を発生させる。アンテナ５３から発生させた電界が窓部材５２を介して処理空間５９に効率的に導入されるように、アンテナ５３は窓部材５２の近傍に配置されることが望ましい。アンテナ５３には、高周波電圧を印加するＲＦ電源５４が接続されている。ＲＦ電源５４の出力側には整合回路であるマッチングボックス５５が直列に接続されている。マッチングボックス５５は、入力側及び出力側のインピーダンスを整合させることで、プラズマの放電を安定化させる。

プロセスガス導入部５８は、図２に示すように、処理空間５９に水素ガスを含むプロセスガスＧ２を導入する。プロセスガス導入部５８は、プロセスガスＧ２の供給源９０と、配管５７、ガス導入口５６を有する。配管５７は、プロセスガスＧ２の供給源９０に接続されて、チャンバ２０を気密に封止しつつ貫通してチャンバ２０の内部に延び、その端部がガス導入口５６として開口している。

ガス導入口５６は、窓部材５２と回転テーブル３１との間の処理空間５９に開口し、プロセスガスＧ２を導入する。プロセスガスＧ２としては、希ガスが採用でき、アルゴンガス等が好適である。また、本実施形態のプロセスガスＧ２には、水素ガスが添加されている。プロセスガスＧ２における水素濃度は、例えば、３％以下という低濃度である。つまり、プロセスガスＧ２は、スパッタガスＧ１と共通のガスを用いることができる。なお、プロセスガスＧ２における水素濃度とは、プロセスガスＧ２（希ガス＋水素ガス）中の水素ガスの割合（重量パーセント）である。

プロセスガスＧ２の供給源９０は、プロセスガスＧ２における希ガスと水素ガスの導入分圧を制御して処理空間５９にプロセスガスＧ２を供給する。具体的には、供給源９０は、希ガス供給部９１と、水素ガス供給部９２と、希ガスと水素ガスを混合する混合器９３Ｂとを備える。希ガス供給部９１は、希ガスを収納したボンベ９１０、希ガスを導入する配管９１１Ｂ、希ガスの流量を調整する流量制御計（ＭＦＣ）９１２Ｂが備えられている。水素ガス供給部９２は、水素ガスを収納したボンベ９２０、水素ガスを導入する配管９２１Ｂ、水素ガスの流量を調整する流量制御計（ＭＦＣ）９２２Ｂが備えられている。ボンベ９１０、９２０は、スパッタガスＧ１の供給源９０との共用である。混合器９３Ｂは、流量制御計９１２Ｂ、９２２Ｂによって所定の流量に調節された希ガスと水素ガスを混合する。混合器９３Ｂにおいて混合された希ガスと水素ガスの混合ガスが、プロセスガスＧ２としてガス導入口５６から処理空間５９の内部に供給される。

このような水素化処理部５０では、ＲＦ電源５４からアンテナ５３に高周波電圧が印加される。これにより、アンテナ５３に高周波電流が流れ、電磁誘導による電界が発生する。電界は、窓部材５２を介して、処理空間５９に発生し、プロセスガスＧ２に誘導結合プラズマが発生する。このとき、水素原子を含む水素の化学種が発生し、ワーク１０上のシリコン膜に衝突することにより、水素原子がシリコン原子の未結合手と結合する。その結果、ワーク１０上のシリコン膜は水素終端化され、化合物膜として安定した水素化シリコン膜が形成される。ここで、ワーク１０上に堆積したシリコン原子は、ランダムな激しい動きがなくワーク１０上に留まっているため、プロセスガスＧ２の水素が低濃度であっても、未結合手に結合しやすく、効率の良い水素終端化が可能となる。

ロードロック部６０は、チャンバ２０の真空を維持した状態で、図示しない搬送手段によって、外部から未処理のワーク１０を搭載したトレイ３４を、チャンバ２０内に搬入し、処理済みのワーク１０を搭載したトレイ３４をチャンバ２０の外部へ搬出する装置である。このロードロック部６０は、周知の構造のものを適用することができるため、説明を省略する。

制御装置７０は、排気部８０、スパッタガス導入部４９、プロセスガス導入部５８、電源部４６、ＲＦ電源５４、搬送部３０など、成膜装置１００を構成する各種要素を制御する。この制御装置７０は、ＰＬＣ（Programmable Logic Controller）や、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を含む処理装置であり、制御内容を記述したプログラムが記憶されている。具体的に制御される内容としては、成膜装置１００の初期排気圧力、ターゲット４２及びアンテナ５３への印加電力、スパッタガスＧ１及びプロセスガスＧ２の流量、導入時間及び排気時間、成膜時間、モータ３２の回転速度などが挙げられる。なお、制御装置７０は、多種多様な成膜仕様に対応可能である。

［動作］
次に、制御装置７０により制御された成膜装置１００の全体動作を説明する。なお、以下に示す手順で成膜装置１００により成膜を行う成膜方法、成膜装置１００の制御方法も本発明の一態様である。図３は、本実施形態に係る成膜装置１００による処理のフローチャートである。まず、搬送手段によって、ワーク１０を搭載したトレイ３４がロードロック部６０からチャンバ２０内に順次搬入される（ステップＳ０１）。ステップＳ０１においては、回転テーブル３１は、空の保持部３３を、順次、ロードロック部６０からの搬入箇所に移動させる。保持部３３は、搬送手段により搬入されたトレイ３４を、それぞれ個別に保持する。このようにして、水素化シリコン膜が成膜されるワーク１０を搭載したトレイ３４が、回転テーブル３１上に全て載置される。

チャンバ２０内は、排気部８０によって排気口２１から排気されて常に減圧されている。チャンバ２０内が所定の圧力まで減圧されると（ステップＳ０２）、ワーク１０を載せた回転テーブル３１が回転して、所定の回転速度に達する（ステップＳ０３）。

所定の回転速度に達すると、まず成膜処理部４０でワーク１０上にシリコン膜を成膜する（ステップＳ０４）。即ち、スパッタガス導入部４９が、ガス導入口４７を通じてスパッタガスＧ１を供給する。スパッタガスＧ１は、シリコン材料から構成されたターゲット４２の周囲に供給される。電源部４６はターゲット４２に電圧を印加する。これにより、スパッタガスＧ１をプラズマ化させる。プラズマにより発生したイオンは、ターゲット４２に衝突してシリコンの粒子を叩き出す。

未処理のワーク１０（図４（Ａ））には、成膜処理部４０を通過する際に、表面にシリコン粒子が堆積した薄膜１２（図４（Ｂ））が形成される。本実施形態では、成膜処理部４０を一回通過する毎に、膜厚が０．５ｎｍ以下、つまりシリコン原子１～２個を含み得るレベルで堆積させることができる。なお、スパッタガスＧ１がプラズマ化すると、スパッタガスＧ１中の水素ガスから水素の化学種が発生し、それに含まれる水素原子が一部のシリコン原子の未結合手と結合することにより水素終端化する。但し、成膜時における水素終端化は僅かな量に留まる。

このように、回転テーブル３１の回転により成膜処理部４０を通過し、薄膜１２が形成されたワーク１０は、水素化処理部５０を通過し、その過程で薄膜１２のシリコン原子が水素終端化される（ステップＳ０５）。即ち、プロセスガス導入部５８がガス導入口５６を通じて水素ガスを含むプロセスガスＧ２を供給する。水素ガスを含むプロセスガスＧ２は、窓部材５２と回転テーブル３１に挟まれた処理空間５９に供給される。ＲＦ電源５４はアンテナ５３に高周波電圧を印加する。高周波電圧の印加により高周波電流が流れたアンテナ５３が発生させた電界は、窓部材５２を介して、処理空間５９に発生する。そして、この電界により、この空間に供給された水素ガスを含むプロセスガスＧ２を励起させてプラズマを発生させる。更にプラズマによって発生した水素の化学種に含まれる水素原子が、ワーク１０上に薄膜１２に衝突することにより、シリコン原子の未結合手と結合し、薄膜１２が水素化シリコン膜１１に変換される（図４（Ｃ））。

このように、ステップＳ０４、ステップＳ０５では、稼働している成膜処理部４０の処理空間４１をワーク１０が通過することで成膜処理が行われ、稼働している水素化処理部５０の処理空間５９をワーク１０が通過することで水素化処理が行われる。なお、「稼働している」とは、各処理部の処理空間４１、５９においてプラズマを発生させるプラズマ生成動作が行われていることと同義とする。

水素化処理部５０の稼働、換言するとプラズマ生成動作（プロセスガス導入部５８によるプロセスガスＧ２の導入及びＲＦ電源５４によるアンテナ５３への電圧印加）は、成膜処理部４０で最初の成膜が行われたワーク１０が水素化処理部５０に到達するまでの間に開始すればよい。成膜が行われる前のワーク１０の表面に水素化処理を行っても問題なければ、成膜処理部４０の稼働、換言すると成膜処理部４０のプラズマ生成動作（スパッタガス導入部４９によるスパッタガスＧ１の導入及び電源部４６によるターゲット４２への電圧印加）と水素化処理部５０のプラズマ生成動作を同時に開始させてもよいし、成膜処理部４０のプラズマ生成動作が開始される前に水素化処理部５０のプラズマ生成動作を開始させてもよい。

回転テーブル３１は、所定の厚みの水素化シリコン膜１１がワーク１０上に成膜されるまで、即ちシミュレーションや実験などで予め得られた所定の時間が経過するまで（ステップＳ０６ Ｎｏ）、回転を継続する。換言すると、所定の厚みの水素化シリコン膜１１が成膜されるまでの間、ワーク１０は成膜処理部４０と水素化処理部５０とを循環して通過し続け、ワーク１０上にシリコンの粒子を堆積させる成膜処理（ステップＳ０４）と、堆積させたシリコン粒子の水素化処理（ステップＳ０５）とが交互に繰り返される（図４（Ｄ）～（Ｉ））。

所定の時間が経過したら（ステップＳ０６ Ｙｅｓ）、まず成膜処理部４０の稼働を停止させる（ステップＳ０７）。具体的には、スパッタガス導入部４９によるスパッタガスＧ１の導入を停止し、電源部４６によるターゲット４２への電圧印加を停止する。次に、水素化処理部５０の稼働を停止させる（ステップＳ０８）。具体的には、プロセスガス導入部５８によるプロセスガスＧ２の導入を停止し、ＲＦ電源５４によるアンテナ５３への高周波電力の供給を停止する。そして、回転テーブル３１の回転を停止させ、ロードロック部６０からワーク１０が載せられたトレイ３４を排出する（ステップＳ０９）。

ステップＳ０７及びステップＳ０８では、成膜処理部４０と水素化処理部５０の稼働停止を行い、一連の成膜処理を終了させる。

成膜処理が行われた後、水素化処理が行われずに一連の成膜処理が終了することがないように、成膜処理部４０、水素化処理部５０、搬送部３０の各要素が制御される。換言すると、成膜処理と水素化処理のうち、水素化処理を最後に行って一連の水素化シリコンの成膜処理が終了するように各要素が制御される。本実施形態では、成膜処理部４０を通過したワーク１０が、水素化処理部５０を通過して再び成膜処理部４０に到達するまでの間に、成膜処理部４０の稼働、換言すると成膜処理部４０におけるプラズマ生成動作（スパッタガス導入部４９によるスパッタガスＧ１の導入及び電源部４６によるターゲット４２への電圧印加）を停止させる。

このように、成膜装置１００では、ワーク１０を成膜処理部４０と水素化処理部５０に交互に搬送し、また交互搬送を複数回繰り返す。これにより、成膜処理と水素化処理が交互に複数回行われる。図４に示すように、成膜処理では、シリコン材料をスパッタリングし、叩き出されたシリコン粒子が堆積したシリコンの薄膜１２がワーク１０上に成膜される。水素化処理では、水素を含むプロセスガスＧ２をプラズマ化して水素の原子を含む化学種を生成し、ワーク１０上の薄膜１２を化学種に曝し、薄膜１２を形成するたびに水素化することで、水素化シリコン膜１１を生成する。

成膜処理と水素化処理が交互に複数回行われることで、成膜処理と水素化処理が交互に繰り返され、シリコン粒子を堆積させることで形成された薄膜１２を水素化して水素化シリコン膜１１を形成し、水素化シリコン膜１１の上に更にシリコン粒子を堆積させることで新たに成膜されたシリコンの薄膜１２を水素化する。この一連の水素化シリコン膜の成膜処理により、厚み方向に均一に水素化された水素化シリコン膜１１がワーク１０上に形成される。

［作用効果］
（１）以上のように、本実施形態に係る成膜装置１００は、ワーク１０を循環搬送する回転テーブル３１を有する搬送部３０と、シリコン材料から構成されるターゲット４２と、ターゲット４２と回転テーブル３１との間に導入されるスパッタガスＧ１をプラズマ化するプラズマ発生器とを有し、スパッタリングによりワーク１０にシリコン膜を成膜する成膜処理部４０と、水素ガスを含むプロセスガスＧ２を導入するプロセスガス導入部５８と、プロセスガスＧ２をプラズマ化するプラズマ発生器を有し、ワーク１０に成膜されたシリコン膜を水素化する水素化処理部５０と、を備え、搬送部３０は、ワーク１０が成膜処理部４０と水素化処理部５０とを交互に通過するように搬送する。

また、本実施形態に係る成膜方法は、回転テーブル３１を有する搬送部３０が、ワーク１０を循環搬送する循環搬送工程と、シリコン材料から構成されるターゲット４２と、ターゲット４２と回転テーブル３１との間に導入されるスパッタガスＧ１をプラズマ化するプラズマ発生器とを有する成膜処理部４０が、スパッタリングによりワーク１０にシリコン膜を成膜する成膜工程と、水素ガスを含むプロセスガスＧ２を導入するプロセスガス導入部５８と、プロセスガスＧ２をプラズマ化するプラズマ発生器とを有する水素化処理部５０が、ワーク１０に成膜されたシリコン膜を水素化する水素化工程を含み、搬送部３０は、ワーク１０が成膜処理部４０と水素化処理部５０とを交互に通過するように搬送する。

このため、回転テーブル３１によってワーク１０を循環搬送しながら、成膜処理部４０と水素化処理部５０とを交互に通過させてスパッタリングによる成膜と水素化を繰り返すことができる。つまり、成膜処理部４０においてスパッタリングにより堆積したシリコン原子を、水素化処理部５０でプラズマ化されたプロセスガスＧ２に晒すことで、シリコン原子の未結合手に水素を効率良く結合させることができ、膜中の水素終端化されたシリコン原子の割合を容易に高めることができる。このため、プロセスガスＧ２の水素濃度を高めなくても、水素化シリコン膜を効率良く形成することができる。

チャンバ内でワーク１０を静止させた状態でスパッタリングにより成膜する場合には、成膜が進行しやすく膜厚が成長し易い。膜厚が厚くなると、プラズマ化された水素ガスを含むプロセスガスＧ２に晒しても、表層の部分は水素終端化されるが、膜内部まで水素原子が到達し難く、膜中には未結合手が残ったシリコン原子が残存することになる。本実施形態では、ワーク１０を循環搬送しながら、成膜処理部４０と水素化処理部５０とを交互に通過させてスパッタリングにより堆積したシリコン原子をプロセスガスＧ２に晒すので、薄膜を成膜し、膜厚が薄い状態で表層を水素終端化し、これを繰り返すことで最終的に成膜された膜中に存在するシリコン原子は水素終端化された状態となる。そのため、シリコン膜の厚み方向に均一に水素終端化することができるので、シリコン膜全体の水素終端化の均一性を向上させることができる。

なお、上記のように、共通のチャンバ内でワーク１０の成膜と水素終端化を行う場合、未結合手を低減するためには、スパッタガス中の水素濃度を１０％以上とする必要がある。しかし、未結合手と水素原子の結合割合には限界があるため、ガス中の水素濃度を上げるとシリコン原子と結合していない水素原子が増えて、膜中に存在する水素原子の量が不均一となり膜の特性を悪化させる。これに対処するためには、水素原子を離脱させる処理が必要となる。このような技術常識に対して、本発明の発明者は、鋭意検討した結果、回転テーブル３１によってワーク１０を循環搬送しながら、成膜処理部４０と水素化処理部５０とを交互に通過させてスパッタリングによる成膜と水素化を繰り返すことにより、水素濃度が低いガスによって水素化処理を行っても未結合手の低減を図ることができ、非常に効率良く水素終端化が実現できることを見出した。このため、本実施形態では、水素濃度を上げることによって多量に生成されるシリコン原子と結合していない水素原子の残留も低減でき、水素原子を離脱させる必要もない。

（２）成膜処理部４０は、水素ガスを含むスパッタガスＧ１を導入するスパッタガス導入部４９を有する。このため、成膜時にも、水素ガスを含むスパッタガスＧ１をプラズマ化して、発生した水素の化学種をシリコン原子の未結合手に結合させることができる。上記のように、成膜時の水素化のみでは水素終端化は不十分であるが、水素化処理部５０における水素化と合わせて、膜を構成するシリコン原子の水素終端化を高めることができる。

（３）スパッタガス導入部４９は、プロセスガスＧ２と共通のスパッタガスＧ１を導入する。共通のガスを用いることにより、成膜処理部４０と水素化処理部５０とでボンベ等のガス源を共通化することができ、コストを低減できる。

（４）プロセスガスＧ２における水素濃度は、３％以下である。爆発リスクが生じる水素ガス濃度は、一般的には４％程度であるため、安全に使用できる範囲の３％以下とすることにより、爆発が生じる可能性を大幅に低減できる。このため、設備の防爆仕様は不要となり、コストを大幅に低減できる。

（５）成膜処理部４０を通過する毎に成膜されるシリコン膜の膜厚は、０．５ｎｍ以下である。このため、シリコンを１～２原子レベルの膜厚で積層させ、１～２原子レベルの膜厚で水素化させることにより、シリコン膜の表面のみならず、膜中に存在するシリコン原子も水素終端化させ、内部を厚み方向に均一に水素終端化させることができる。

（６）成膜装置１００は、成膜処理部４０と水素化処理部５０とが別々の区画に配置されたチャンバ２０を備え、成膜処理部４０と水素化処理部５０は、回転テーブル３１の円周の搬送経路Ｌ上に備えられている。これにより、ワーク１０を一方向に移動させ続けるだけで、回転テーブル３１の円周の搬送経路Ｌ上に配置された成膜処理部４０と水素化処理部５０への交互搬送が可能となり、成膜処理と水素化処理を交互に繰り返し行うことができる。このため、成膜処理と水素化処理の切り替えを容易に行うことができ、成膜処理時間と水素化処理時間のバランス調整が容易となる。

［消衰係数の測定］
成膜装置において、回転テーブルによってワークを循環搬送しながら、成膜処理部と水素化処理部とを交互に通過させることにより成膜されたアモルファスシリコン膜（α―Ｓｉ膜）、つまり水素化シリコン膜を含む各種のシリコン膜の消衰係数ｋを測定した結果を、図５に示す。図５は、スパッタガスＧ１とプロセスガスＧ２における水素濃度を条件１～８で成膜した膜における消衰係数ｋを、観測波長（４００～１２００ｎｍ）に応じてプロットしたグラフである。消衰係数ｋは、シリコン膜を成膜したワークに検査光を入射させ、出射した光を受光することで測定した反射率と透過率から演算して求められる。消衰係数ｋは、光がある媒質に入射したとき、その媒質がどれくらいの光を吸収するのかを示す定数である。消衰係数ｋが大きい（図５の上方にプロットされている）ほど、光の吸収性が高く、消衰係数ｋが小さいほど光の透過性が高い。成膜されたシリコン膜の未結合手を水素原子で終端化することによって、消衰係数ｋは小さくなる傾向がある。このため、消衰係数ｋを測定することで、水素終端化が良好に行われているか把握することができる。

（成膜条件）
成膜条件は、以下の通りである。
・ワーク：ガラス基板
・ターゲット：Ｓｉ
・ホルダ：ＳＵＳ
・ターゲットとワークの距離：１００ｍｍ（対面した状態）
・回転テーブルの回転数 ：６０ｒｐｍ
・アンテナ（水素化処理部）への高周波の印加電力： ２０００Ｗ
・スパッタ源への直流の印加電力： １５００～２５００Ｗ（３つのスパッタ源を備えた成膜処理部で、各々のスパッタ源への印加電力の値）
・成膜レート：０．２ｎｍ／ｓ
・全体の膜厚：３００ ｎｍ

（ガス条件）
スパッタガスＧ１、プロセスガスＧ２の条件は、以下の通りである。
＜条件１＞
Ｇ１：Ａｒ＋Ｈ（０％） ５０ｓｃｃｍ／Ｇ２：Ａｒ＋Ｈ（０％） ２００ｓｃｃｍ
＜条件２＞
Ｇ１：Ａｒ＋Ｈ（０％） ５０ｓｃｃｍ／Ｇ２：Ａｒ＋Ｈ（３％） ２００ｓｃｃｍ
＜条件３＞
Ｇ１：Ａｒ＋Ｈ（０％） ５０ｓｃｃｍ／Ｇ２：Ａｒ＋Ｈ（５％） ２００ｓｃｃｍ
＜条件４＞
Ｇ１：Ａｒ＋Ｈ（０％） ５０ｓｃｃｍ／Ｇ２：Ａｒ＋Ｈ（７％） ２００ｓｃｃｍ
＜条件５＞
Ｇ１：Ａｒ＋Ｈ（０％） ５０ｓｃｃｍ／Ｇ２：Ａｒ＋Ｈ（１０％） ２００ｓｃｃｍ
＜条件６＞
Ｇ１：Ａｒ＋Ｈ（３％） ５０ｓｃｃｍ／Ｇ２：Ａｒ＋Ｈ（３％） ２００ｓｃｃｍ
＜条件７＞
Ｇ１：Ａｒ＋Ｈ（５％） ５０ｓｃｃｍ／Ｇ２：Ａｒ＋Ｈ（０％） ２００ｓｃｃｍ
＜条件８＞
Ｇ１：Ａｒ＋Ｈ（７％） ５０ｓｃｃｍ／Ｇ２：Ａｒ＋Ｈ（０％） ２００ｓｃｃｍ

［結果］
条件１は、スパッタガスＧ１、プロセスガスＧ２のいずれにも水素ガスを添加しなかった条件である。条件７、条件８は、スパッタガスＧ１のみに水素ガスを添加した条件である。条件１と、条件７及び条件８とは、同様の結果であった（結果１）。

条件２～５は、プロセスガスＧ２に水素ガスを添加した条件である。条件２～５では、条件１よりも格段に消衰係数ｋの低下がみられた。特に６００ｎｍ以上の波長で最も消衰係数ｋが小さいのは条件５であった。ただし、条件６のように、プロセスガスＧ２とスパッタガスＧ１にそれぞれ３％の水素ガスを導入すると、約１０００ｎｍ以上の波長（赤外線の波長範囲）において、３％以上の水素ガスを導入した条件２、条件３、条件４よりも消衰係数ｋが小さくなった（結果２）。

結果１の通り、条件７、８のようにスパッタガスＧ１のみに水素ガスを添加しても、水素化の効率が悪いことが分かる。結果２の通り、条件２～５において消衰係数ｋが小さくなったのは、水素化が良好に行われたためといえる。そして、条件６のように、プロセスガスＧ２とスパッタガスＧ１のそれぞれで水素ガスを添加することで、水素濃度を爆発リスクのある濃度まで上げなくても、効率よく水素化を行うことができることが分かる。

上述したように、プロセスガスＧ２に水素ガスを添加することで、赤外線の波長範囲で消衰係数ｋの小さい膜を成膜することができる。これにより、例えば、可視光領域の光を吸収させ、赤外線領域の光を透過させることが要望される赤外線センサなどの光学製品に適用することができる。

［他の実施形態］
本発明の実施形態及び各部の変形例を説明したが、この実施形態や各部の変形例は、一例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。上述したこれら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明に含まれる。

例えば、上記の態様では、スパッタガスＧ１、プロセスガスＧ２を共通としていたが、希ガス、水素濃度を異なるものとしてもよい。また、スパッタガス導入部４９が導入するスパッタガスＧ１に水素ガスを含めなくてもよい。つまり、水素化処理部５０でのみ、水素化処理を行ってもよい。この場合、プロセスガスＧ２の水素濃度は、上記と同様でもよいが、より結合の効率を高めるために、より爆発の可能性を低く抑えられる程度の高い濃度としてもよい。また、水素化処理部５０を複数設けて、水素化の効率を高めてもよい。

また、スパッタガスＧ１、プロセスガスＧ２の供給源９０を構成するボンベは、希ガスを収納したボンベ９１０と水素ガスを収納したボンベ９２０としたが、これに限るものではない。例えば、供給源９０を構成するボンベは、予め求められた割合で混合した水素ガスと希ガスの混合ガスを収納したボンベとしてもよい。この場合、流量制御計９１２Ａ、９２２Ａ、９１２Ｂ、９２２Ｂや希ガスと水素ガスを混合する混合器９３Ａ、９３Ｂを省略し、配管４８、５７から流量制御計を介して所定の流量の混合ガスを処理空間４１、５９に導入する。また、スパッタガスＧ１、プロセスガスＧ２の水素濃度が同じでよければ、共通のボンベを使用することができる。

また、例えば、上述した実施の形態では、ステップＳ０７で成膜処理部４０の稼働を停止させた後、ステップＳ０８で水素化処理部５０の稼働を停止させ、ステップＳ０９で回転テーブル３１の回転を停止させていたが、これに限るものではなく、成膜処理部４０と水素化処理部５０のうち、稼働している水素化処理部５０を最後に通過させてワーク１０の搬送を停止するように、搬送部３０、成膜処理部４０、水素化処理部５０を制御すればよい。この場合、例えば、水素化処理部５０を最後に通過させてワーク１０の搬送を停止するように回転テーブル３１の回転を停止させた後、成膜処理部４０の稼働及び水素化処理部５０の稼働を停止させてもよい。また例えば、稼働していない成膜処理部４０では成膜処理は行われないため、成膜処理部４０の稼働を停止させた後であれば、水素化処理部５０を通過した後に成膜処理部４０を通過させてワーク１０の搬送を停止させてもよい。

また、例えば、上述した実施の形態では、成膜処理部４０の稼働の停止、すなわちプラズマ生成動作を停止するには、スパッタガスＧ１の導入の停止とともに電源部４６による電圧印加の停止を行っていたが、これに限るものではなく、スパッタガス導入部４９によるスパッタガスＧ１の導入または電源部４６による電圧印加の少なくともいずれかの動作を停止させればよい。同様に、水素化処理部５０の稼働の停止におけるプラズマ生成動作を停止するには、プロセスガスＧ２の導入またはＲＦ電源５４による電圧印加の少なくともいずれかの動作を停止させればよい。

また、多層の膜を積層する場合、チャンバ２０内に、さらに成膜処理部、プラズマ処理部を設置してもよい。この場合、上記の成膜処理部４０に加えて、これと異種のターゲット材料による成膜処理部を追加しても、同種のターゲット材料による成膜処理部を追加してもよい。また、上記の水素化処理部５０と異種のプロセスガスを用いるプラズマ処理部を追加してもよい。

１０ ワーク
１１ 水素化シリコン膜
１２ 薄膜
２０ チャンバ
２０ａ 天井
２０ｂ 内底面
２０ｃ 内周面
２１ 排気口
２２ 区切部
３０ 搬送部
３１ 回転テーブル
３２ モータ
３３ 保持部
３４ トレイ
４０ 成膜処理部
４１ 処理空間
４２ ターゲット
４３ バッキングプレート
４４ 電極
４６ 電源部
４７ ガス導入口
４８ 配管
４９ スパッタガス導入部
５０ 水素化処理部
５１ 筒状体
５２ 窓部材
５３ アンテナ
５４ ＲＦ電源
５５ マッチングボックス
５６ ガス導入口
５７ 配管
５８ プロセスガス導入部
５９ 処理空間
６０ ロードロック部
７０ 制御装置
８０ 排気部
９０ 供給源
９１ 希ガス供給部
９２ 水素ガス供給部
９３Ａ、９３Ｂ 混合器
９１０、９２０ ボンベ
９１１Ａ、９１１Ｂ、９２１Ａ、９２１Ｂ 配管
９１２Ａ、９１２Ｂ、９２２Ａ、９２２Ｂ 流量制御計
１００ 成膜装置
Ｇ１ スパッタガス
Ｇ２ プロセスガス

Claims (6)

1. ワークを循環搬送する回転テーブルを有する搬送部と、
   シリコン材料から構成されるターゲットと、水素ガスを含むスパッタガスを導入するスパッタガス導入部と、前記ターゲットと前記回転テーブルとの間に導入される前記スパッタガスをプラズマ化するプラズマ発生器とを有し、スパッタリングにより前記ワークにシリコン膜を成膜する成膜処理部と、
   水素ガスを含むプロセスガスを導入するプロセスガス導入部と、前記プロセスガスをプラズマ化するプラズマ発生器を有し、前記ワークに成膜された前記シリコン膜を水素化する水素化処理部と、
   を備え、
   前記搬送部は、前記ワークが前記成膜処理部と前記水素化処理部とを交互に通過するように搬送する
   ことを特徴とする成膜装置。
2. 前記スパッタガス導入部は、前記プロセスガスと共通のスパッタガスを導入することを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
3. 前記プロセスガスにおける水素濃度が３％以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の成膜装置。
4. 前記成膜処理部を通過する毎に成膜される前記シリコン膜の膜厚が０．５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の成膜装置。
5. 前記成膜処理部と前記水素化処理部とが別々の区画に配置されたチャンバを備え、
   前記成膜処理部と前記水素化処理部は、前記回転テーブルの円周の搬送経路上に備えられること、
   を特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の成膜装置。
6. 回転テーブルを有する搬送部が、ワークを循環搬送する循環搬送工程と、
   シリコン材料から構成されるターゲットと、水素ガスを含むスパッタガスを導入するスパッタガス導入部と、前記ターゲットと前記回転テーブルとの間に導入される前記スパッタガスをプラズマ化するプラズマ発生器とを有する成膜処理部が、スパッタリングにより前記ワークにシリコン膜を成膜する成膜工程と、
   水素ガスを含むプロセスガスを導入するプロセスガス導入部と、前記プロセスガスをプラズマ化するプラズマ発生器とを有する水素化処理部が、前記ワークに成膜されたシリコン膜を水素化する水素化工程を含み、
   前記搬送部は、前記ワークが前記成膜処理部と前記水素化処理部とを交互に通過するように搬送すること、
   を特徴とする成膜方法。

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