JPH0693426A

JPH0693426A - 薄膜形成装置

Info

Publication number: JPH0693426A
Application number: JP24294892A
Authority: JP
Inventors: Chisaki Hazama; 千咲紀羽間; Sakae Saito; 栄斉藤; Akira Imura; 亮井村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-09-11
Filing date: 1992-09-11
Publication date: 1994-04-05

Abstract

(57)【要約】【目的】電子デバイスを構成するための薄膜形成装置に
係り、特に均一な膜厚の薄膜を得ることができる装置を
提供することを目的とする。【構成】固定された基板ホルダーに固定された基板と、
基板中心を等分する複数の直線を投影し、基板中心から
等距離に固定配置された複数の被着源からなる。【効果】個々の被着源によって形成される薄膜の膜厚は
不均一であっても、このような構成をとるため、全体の
膜厚は均一なものとなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電子デバイスを構成す
るための薄膜形成装置に係り、特にその膜の厚さに高精
度な均一性が得られるような薄膜形成装置、及び、この
装置を用いて作製された配線材料及び電子デバイス等に
関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、薄膜形成は、高真空のチャンバ
をもつ装置を用いて行なわれる。チャンバの中には、基
板ホルダと被着源が設置されている。基板ホルダには、
一枚あるいは数枚の基板を設置し、その基板の表面に、
被着源から放射させた物質で薄膜を形成する。形成する
薄膜に、数種類の原料を用いることが出来るように、あ
るいは原料の違う薄膜を何枚も形成出来るように、通常
複数本の被着源がチャンバ内に配置されている。このよ
うに被着源が複数本になるため、全ての被着源を基板ホ
ルダの中心軸上に設置することはできない。よって被着
源が基板ホルダの中心軸からずれるため、それぞれの被
着源から放射した物質を、均一に薄膜に形成することが
困難になる。膜厚の均一性を得る手法に、薄膜成長時
に、基板ホルダを回転する方法がある。この方法によれ
ば、膜厚を平均化させながら成長させていくことができ
る。従来の薄膜形成装置に、基板ホルダの回転機構が備
わっているのは、このためである。また、薄膜の成長
時、あるいは薄膜形成後に、基板を加熱する場合があ
る。そのため、薄膜形成装置は、一般に基板温度を室温
以上に加熱できる機構をもつ。

【０００３】しかし従来の薄膜形成装置を用いて基板の
加熱機構を利用し、室温以上の基板温度で薄膜形成を行
なった場合、温度が高いため基板や被着物質分子の活性
化エネルギが高まり、基板自身から、その上に形成した
薄膜のほうへ、基板を構成する物質の拡散がみられる。
拡散は基板温度が高いほど顕著に現われる。基板温度を
下げると、この拡散は小さくなるが、室温程度では、充
分に抑えられない。基板温度を室温より低くすること
が、拡散の抑制に有効である。基板を冷却して薄膜形成
を行う例に、米国特許第4,690,098号がある。米国特許
第4690098号には、基板は固定したままで、被着源を動
かす装置が記載されている。また、基板冷却のためにク
ライオスタットを用い、クライオスタットを基板に密着
させたまま、クライオスタットを含めて基板ホルダの回
転を行なう装置も提案されている。しかし、どちらも装
置も大きな部分を回転することになる。これに対して基
板及び被着源を固定したまま基板と被着源の距離Ｌや被
着源から基板への照射角θを変化させ、膜成長をする方
法もある。しかしながら、直径50mm程度の基板上で±１
％以内の膜厚均一性を得るためには、距離Ｌが4000mm以
上になってしまい、装置が大型化し実用的ではない。ま
た、照射角θは、基板の中心軸の値０に近いほど良い結
果が得られるが、その場合には複数本の被着源を設置出
来なくなる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、基板回転
を行なわずに実用的な大きさの装置で、基板上に膜厚分
布の均一性を原子オ−ダで得ることができる装置の提供
を目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の薄膜形成装置で
は、１本の被着源によって蒸着した膜厚分布が、被着源
の中心軸を基板に投影した軸（Ｘ軸）に沿って一次関数
的な比例分布をし、またＸ軸に垂直で、かつ基板面上に
ある軸（Ｙ軸）に沿ってほぼ均一分布になるように被着
源と基板の距離Ｌ及び入射角θを設定し、かつ同じ形成
速度で同一元素を基板上に被着できる被着源を、２本以
上基板の中心軸（Ｚ軸）に対称な位置に設置する。

【０００６】

【作用】前記の様に設置した２本以上の被着源を用いた
場合、１本の被着源から放射される物質の膜厚分布がＸ
軸方向に単調減少で変化するものを２本対向させて、膜
厚を合成することで、固定された基板でも基板上で均一
な膜厚分布を得られるようになる。また、本方式の被着
源を用いることで、基板を冷却しながら薄膜形成がで
き、基板を構成する物質の薄膜への拡散を防止すること
ができる。その時、装置の大きな部分を動かす事が無
く、膜厚分布の均一な薄膜が得られ、装置の大型化を防
ぐことができる。

【０００７】

【実施例】本発明の実施例を、図１から図７を用いて説
明する。

【０００８】図１は、薄膜形成装置の断面図である。１
は、チャンバ、２は基板ホルダ、３は基板、４及び４’
は被着源である。

【０００９】図２は、基板と被着源の位置関係を説明す
る側面図である。図１のチャンバ１内を拡大したもの
で、本発明を説明する為に必要な部分のみを表わした。
３は基板、４及び４'は被着源で、基板の中心軸（Ｚ
軸）に関して対称な位置に２本設置する。被着源の中心
軸を基板に投影した直線を基板上のＸ軸としている。ま
た、Ｌは基板中心と被着源の開口部との距離、θは被着
源の中心軸の基板への入射角を示している。

【００１０】従来の薄膜形成装置では、膜厚分布の均一
性を得るために基板あるいは基板ホルダを回転させてい
る。しかし、成膜時に基板冷却が必要な場合や、基板に
自動温度調節装置をつける場合等では、基板回転できな
い。本発明によれば、基板回転を止めた場合にも回転し
た場合に得ていた膜圧と同程度な膜厚均一性を得ること
ができる。

【００１１】被着源として、分子線源セルを用い、膜厚
分布の均一性に影響を及ぼすパラメータには、図２に示
した基板への被着源からの入射角θと基板と被着源との
距離Ｌ、そして図３に示すように被着源をラングミュラ
型の分子線源セルを用いた場合には、ルツボの開口角
β、開口径Ｄが加わる。しかし、これらの変数において
は、入射角θと距離Ｌの変化が膜厚分布を大きく変化さ
せ、開口角βと開口径Ｄは、膜厚分布にほとんど影響を
与えない。そこで、従来の装置を用い、基板と分子線源
を固定したまま、１本の蒸着源で入射角θと距離Ｌをそ
れぞれ変化しながら薄膜配線材料の一つであるAl膜を成
長させた。

【００１２】距離Ｌを長くすることは、膜厚の均一性を
良くすることにつながる。しかし、長すぎると、装置が
大型化し、基板まで充分な量の被着物質を到達させるた
めには、原料を大量に蒸発させなければならず、原料の
高効率利用につながらない。

【００１３】最適化条件をさがすため、距離Ｌと入射角
θをそれぞれ変化させてみた。まず距離Ｌを装置に装着
可能な450mmで一定にし、入射角θを変化させた。入射
角θが、大きくなるにつれ、基板に蒸着する薄膜の膜厚
は、被着源に最も近い部分から、遠い部分へと減少し、
同一基板上で均一な膜厚は得られない。次に、入射角θ
を20度で一定にして距離Ｌを変化させた。その場合、膜
厚の均一性±1％以内を得るために距離Ｌは4000mm以上
必要であり、装置が大型化してしまい、実用的ではな
い。また、入射角θを０にした場合、距離Ｌ=400mmで±
１％以内の膜厚均一性は得られる。しかし、被着源を基
板中心軸上に設置しなければならないので、装置に多数
の被着源を設置することは空間的に不可能である。その
ため成膜時に一枚の基板に数種類の被着源から放射する
ことはできない。

【００１４】そこで本発明では、次に述べる性質の被着
源を複数本使う。

【００１５】図４に示すように、基板３上に被着源２か
ら放射された原料は、基板の下面に付着し、徐々に積も
っていく。そのように形成された薄膜の膜厚を５で表わ
す。１本の被着源の性質として、被着源２から基板３に
原料を放射し蒸着した時の、基板上のＸ軸方向に沿い、
基板に積もった膜厚分布が、Ｘ軸に関して単調減少で膜
厚の変化をするように入射角θを決める。例えば距離Ｌ
＝450mmの場合、θは20度程度である。

【００１６】このような被着源を２本基板の中心軸（Ｚ
軸）に関して対称に置く。対称な膜厚を重ね合わすため
に、それぞれの被着源から基板に被着させる量を等しく
する必要がある。その為に、各々の被着源から、原料で
ある同一元素を同じ薄膜形成速度となるように放射す
る。その時同じ形成速度であることを確認するために、
それぞれの被着源に対応した膜厚測定用の膜厚モニタを
設置し、被着源からの原料放射量の調節を行ない、薄膜
の形成速度を等しくした。この２本の被着源からの原料
の放射は、同時あるいは交互におこなう。

【００１７】図２に示すようにこの性質の被着源を２本
用いて成膜すると、膜厚分布の断面図は図５に示すよう
になる。基板に垂直な面から見た場合、基板３の下に付
着した被着物質のＸ軸方向に沿った膜厚分布は、ａ・１
本の被着源による膜厚分布５と、対向して設置した、ｂ
・もう１本の被着源による膜厚分布５’の重ね合わせた
ものになり、結局ｃの膜厚分布５”のようになる。一
方、この基板を90度回転した断面図を図６に示す。Ｘ軸
に垂直であるＹ軸方向に関する膜厚分布は、１本の被着
源でも均一性のよいａ'の膜厚分布５と、ｂ’の膜厚分
布５’の２本の被着源による膜厚分布の重ね合わせで、
ｃ'の膜厚分布５”となる。得られたｃ及びｃ'の膜厚分
布５”から２本対称設置の被着源を用いて成膜した場合
に、50mmウエハ内では±１％の誤差範囲以内の膜厚分布
を得た。

【００１８】また、これ以外に基板回転が可能な場合で
も基板を回転させずに被着源を２本対称設置させ、成膜
させたほうがよい場合がある。たとえば、基板に被着す
る膜厚が数nmという微小の場合、基板を回転することで
膜厚の均一性を得る方法では、数nmの膜成長を行なう間
に充分な基板の回転数が得られず、均一な膜厚が得られ
ない。薄膜の形成速度が早い時ほど、この影響は大き
い。

【００１９】この場合も被着源を２本対称に設置して成
膜することで、数nmの膜が成長する間に、図５及び図６
の膜厚分布の関係が成り立ち、成膜時間に関係無く、基
板３内で±１％の誤差範囲以内の膜厚分布が得られる。

【００２０】従って、上記のように基板と被着源を固定
したまま、同一構成元素からなる被着源を２本対向に設
置することで、基板回転を行なわずに均一な膜成長が可
能となる。また、この方式に基板回転を加えた場合に、
膜厚の均一性がさらによくなることは言うまでもない。

【００２１】同様に、この方法を用いることによって、
被着源３本以上を、基板３の中心軸に関して対称に設置
した場合も、１本で面内配向のある膜厚分布をする被着
源を数本使うことで、それぞれによる膜厚分布の重ねあ
わせによって、基板全体で均一な膜厚を得ることができ
る。図７には被着源が３本及び４本の場合の基板３と被
着源４の位置関係を基板３上面方向から示す。図７
（ａ）は３本の被着源を用いた例である。図７（ｂ）は
４本の被着源を用いた例である。

【００２２】このようにして本装置で形成した薄膜は、
図８のように直径dの基板３の下面に、膜厚hの薄膜５が
得られる。膜厚をh=30nm成長させた場合には、直径50mm
基板３内では膜厚分布±１％以内、すなわち30±0.3nm
の膜厚ｈが得られる。この薄膜形成法を用いて作成した
電子デバイスの断面図を図９に示す。すでに拡散層６及
びＳｉＯ₂膜８を有する基板９上に薄膜７を成長させ、
ソース１０、ゲート１１ドレイン１２を作る。本発明に
より薄膜７を成長させるので、被着薄膜の均一性が極め
て優れた電子デバイスを作ることができる。

【００２３】なお、放射する物質をAl以外の金属CuやSi
などの半導体、SiO₂などの絶縁体、あるいは超伝導体等
にしても、あるいは分子線以外を放射する被着源を用い
たスパッタ源、Ｅガン等であっても、上記のように被着
源を対称に設置することで、同様に均一性の優れた薄膜
を成膜できる。

【００２４】また、本発明の装置で作製した弾性表面波
デバイスを図１０に示す。LiTaO₃や水晶等の圧電基板１
３上に、Al薄膜のくし形電極１４を形成してあるAlの代
わりにＡｌ合金を用いてもよい。本装置を用いて薄膜を
均一に形成し、このような弾性表面波デバイスのくし形
電極に用いた場合、中心周波数分布の極めて小さいフィ
ルタ素子が作製可能である。

【００２５】

【発明の効果】本発明の薄膜形成装置では、基板を回転
しない場合にも、同一元素を放射する被着源を２本以上
対向することで、高精度な膜厚均一性を得ることができ
る。したがって、冷却や加熱を行いながら固定した基板
で均一な膜を成長する場合、あるいは、回転基板では膜
厚の均一性をだすためには時間が短いために充分な回転
数が得られなかった薄膜成長の場合でも、本装置を用い
て極めて膜厚均一性に優れた成膜を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における薄膜形成装置の断面図。

【図２】本発明における基板と被着源の位置関係を示す
側面図。

【図３】被着源に用いたラングミュラ型の分子線源のル
ツボの形状を示す図。Ｄが開口径で、βが開口角であ
る。

【図４】本装置における、１本の被着源から得られる基
板上のＸ軸方向の膜厚分布の概略図。

【図５】図４と同様に基板のＸ軸に沿った膜厚分布を、
基板に垂直な面からみた図。

【図６】膜厚を、図５の基板を90度回転した図。

【図７】基板と被着源の位置関係を示す図。

【図８】直径50mmの基板上に成膜させた膜厚分布を示す
図。

【図９】本装置で作製した薄膜をもちいたデバイスの概
略図の一例(MOS IC)を示す図。

【図１０】本装置で成膜した電極薄膜を用いて作製した
弾性表面波デバイスの概略図。

【符号の説明】

１…チャンバ、２…基板ホルダ、３…基板、４…被着
源、５…膜厚分布、６…拡散層、７…Ａｌ電極、８…Ｓ
ｉＯ₂膜、９…基板、１３…圧電基板、１４…くし型電
極。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固定された基板と、開口部が、上記基板の
中心点方向に向き、かつ、同一の被着物質を有する固定
された複数の被着源を備え、上記基板に対する上記被着
源の照射角は０°度より大きく、上記被着物質は、上記
複数の被着源から同時もしくは交互に放射されることを
特徴とする薄膜形成装置。
【請求項２】上記被着源を上記基板の距離は４５０ｍｍ
以下であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜形成
装置。
【請求項３】上記複数の被着源は２本の被着源からな
り、上記２本の被着源は、上記基板の中心軸に対して線
対称に配置されていることを特徴とする請求項２に記載
の薄膜形成装置。
【請求項４】上記複数の複数の被着源の開口部の開口方
向の、上記基板上へのそれぞれの投影線によって、上記
基板の中心角が等分割されることを特徴とする請求項２
に記載の薄膜形成装置。
【請求項５】上記複数の被着源は３本以上であり、上記
３本以上の被着源と基板の位置が中心軸に関して対称に
設置してあることを特徴とする請求項２に記載の薄膜形
成装置。
【請求項６】請求項１から５のいずれかの装置で形成し
た薄膜が直径５０mm基板内で膜厚分布の誤差が±１％以
内であることを特徴とする薄膜形成装置。
【請求項７】請求項１から６のいずれかの装置で形成し
た薄膜を有することを特徴とするデバイス。
【請求項８】請求項１から７のいずれかの装置で形成し
た薄膜をくし形電極パターンに有する表面弾性波デバイ
ス。