WO2005116288A1 - 多層薄膜連続形成用超高真空スパッタリング装置及び多層薄膜連続形成用超高真空スパッタリング方法 - Google Patents

Abstract

スパッタリング法を用いて単結晶薄膜を連続形成する製造技術を提供することにある。半導体基板50へ多層膜を形成するために、スパッタリングの行われる真空チャンバ10内に複数のターゲット60，60，…を収納するのターゲット収納ボックス30と、ターゲット収納ボックス30から選択されたターゲット60を取り出し、単一の電極26上に配置するターゲット搬送体12とを備え、単一の電極で電極上のターゲット60を連続的に交換可能とする。

Description

明 細 書 多層薄膜連続形成用超高真空スパ ッ タ リ ング装置及び多層薄膜連続形 成用超高真空スパ ッ タ リ ン グ方法

技術分野

本発明 は、 スパ ッ タ リ ング法を用いて、 多層薄膜を連続成形する多層 薄膜連続形成用超高真空スパ ッ タ リ ング技術に関する も のであ る 。 背景技術

まずヽ スパ ク タ リ ング法につレ、て 、 第 3 図を用いて説明する。

真空状態に保たれたスノ ッ タ V ングス ペー ス 2 0 に、 基板保持体 2 1 に保持される 板 5 0 と 、 ターゲ ク ト保持体 2 6 に保持 される タ ーゲ ッ 卜 6' 0 ( T i • P t な ど） が対向 して配置されている。 ターゲ ッ ト保持 体 2 6 は電極を備え、 基板 5 0 と タ ーゲッ ト 6 0 と の間には電位差を有 する

そ して 、 こ の よ う なス ノ ッ タ リ ングス ペー ス 2 0 内 に、 A r · O ₂ な どのス タ ガス 1 5 を注入する する と 、 スパ ッ タ ガス分子や原子が タ一ゲ 卜 6 0 表面に衝突する こ の衝突に よ り エネルギーの授受がな され 、 タ一ゲ V 卜 6 0 の分子や原子が飛び出 し、 対向する基板 5 0 上に 堆積する れに よ っ て、 基板 5 0 に薄膜を形成する のがス パ ッ タ リ ン グ法であ る こ の技術は、 比較的簡単に安価に多層薄膜の成膜ができ 、 排ガスの処理が殆 ど不要 と レ、 う 特徴があ り 、 今後の応用範囲の拡大が期 待されている

のスパ ッ タ ジ ング法を用いて 、多層膜を連続形成する技術と しては、 特許文献 1 に開示 されている よ う な 、 多電極で基板を移動 させる方式を 用いた も のが多 く あ る。

これに対 して、 単一の電極でターゲ ッ 卜 を交換する こ と に り 多層膜 を連続成形する技術 と しては、 特許文献 2 に開示 された Γスパ V タ リ ン グ用マルチタ ーゲ ッ ト装置」 がある。

の特許文献 2 の 「スパ ッ タ リ ング用マノレチターケ ッ 卜 置 J の よ う な単一の電極でタ ーゲ ッ ト を交換する装置では、 真空チャ ンバ内で複数 のターゲ ッ ト を効率よ く 短時間に交換でき る のため 、 従来の多電極 で基板を移動 させる方式よ り も スパ ッ タ リ ングェ程の時間を大幅に短縮 でき 、 成膜特性を得やすい と い う メ リ ッ ト があ る

C特許文献 1 ] 特開平 1 0 — 1 5 0 . 2 1 0 号公報

[特許文献 2 ] 特開 2 0 0 2 — 2 5 6 4 2 5 号公報

しか しな力 S ら、 こ の特許文献 2 に開示 された装置の構造では 、 以下の よ う な課題がある。

( 1 ) ターンテーブルに タ 一ゲッ ト が配置 される ため、 タ一ゲ ッ の大 型化に難があ る。

( 2 ) タ ーゲ ッ ト を大型化するためには 、 装置を大型化 しなければな ら ない。

( 3 ) 使用済みの タ ーゲ ッ ト を交換する ためには 、 その都度真空チャ ン バーの真空を破る 必要がある。

( 4 ) 基板の加熱状況や真空チャ ンバ一の真空程度が不明であ る から 、 結晶性の高い高品質の多層膜の形成は困難 と 思われる。

そ こで、 本発明 は、 これ らの課題を解決 し、 スパ ッ タ リ ング法を用い て多層薄膜を連続形成する多層薄膜連続形成用超高真空スパ ッ タ リ ング 技術を提供する こ と を 目 的 とする。 ' 発明の開示 上記 目 的を達成する ために、 第一の発明は、 スパ ッ タ リ ング法を用い て多層薄膜を連続形成する 多層薄膜連続形成用超高真空ス ノ ッ タ y ング 装置であつ て、 真空チャ ンパに複数のタ一ゲ ク ト を保有 し、 単一の電極 で電極上のターゲ ッ ト を連続的に交換可能 と する タ一ゲ ッ ト交換機能を 備えたこ と を特徴 と する。

第二の発明は、 タ ーゲ ッ ト交換機能は、 真空チャ ンノ に複数のタ ―ゲ ッ 卜 を収納する タ ーゲ ッ ト 収納体と 、 タ一ゲ シ ト収納体か ら選択された タ一ゲ ッ ト を取 り 出 し、 電極上に配置する タ一ゲ ッ ト搬送体と を備えた こ と を特徴 と する。

第三の発明は、 タ ーゲ ッ ト収納体は 空チャ ンノ に内蔵又は取付自 在 と されたこ と を特徴 と する

第四の発明は、 真空ポンプを備えた真空チャ ンノ と 、 真空ポンプを備 えたパス ボ ッ ク ス と をノ ノレブで連結 し 、 真空状態を破 らずに真空チャ ン バ と / スボ ッ ク ス 間 におけ る基板又はタ一ゲ ク ト の移送を可能 と する こ と を特徴と する。

第五の発明は、 基板を室温 〜 1 2 0 0 °cに加熱する加熱機能を備えた こ と を特徴 と する。

第六の発明は、真空チャ ンバ内を 1 0— ¹ 。 To rr オーダーの真空状態 と する真空機能を備えた と を特徴 と する。

第七の発明は、 ス パ ク タ y ング法を用いて多層 膜を連続形成する多 層薄膜連続形成用超高真 スパ ッ タ リ ング方法であつ て、 真空チャ ンノ に保有された複数の タ一ゲ ッ 卜 力 = "ら一の ターゲ ッ を選択する タ一ゲ ッ ト選択手順 と 、 選択 されたタ一ゲッ ト を取 り 出 し 、 単一の電極上に配置 する タ一ゲ ッ ト搬送手順 と を備え、 単一の電極で電極上のター T ッ 卜 を 連続的に交換可能 と する と を特徴 と する。

本発明に係る多層薄膜製造技術に よれば、 以下の効果を有する。 ( 1 ) 複数のターゲッ ト を 「ターゲッ ト収納体」 に収納 させ、 そ こ力 ら 単一電極 (タ ーゲ ッ ト保持体） へ搬送させる こ と で 、 装置を ン パク ト化でき る。 ま た、 装置が小型化できれば、 装置内 (真空チ ヤ ンバ） を高真空に しゃすい。 の ため、 高品質の薄膜形成が可 能 と なる。

( 2 ) 複数のタ ーゲ ッ ト を 「ターゲ ッ 卜収納体」 に収納 させる こ と で 、 タ ーゲ ッ ト の大型化が可能 と な 、 多数の タ 一ゲ ッ 卜 を収 納する こ と ができ る。

タ ーゲ ッ ト のサイ ズ と 基板のサイ ズは比例する ので

を大型化できれば、 基板の大型化も可能 と なる。

) 新規ターゲ ッ ト ゃ新規基板を配置する 「ノ ス ホ ク ク ス J と Γ * チ ャ ンバ」 をパルプで連結 させ、 両者を同等の真空状態に保つ よ う にする。 これに よ り 、 真空を破 ら な く て も使用済みタ ―ゲ ソ 卜 や基板の交換を連続 して行え、 装置の効率の良レ、運転が可能 と な る。

基板を室温〜 1 2 0 0 °Cに加熱する こ と で、 高品質の単結晶薄膜 の形成が可能 と な る。

真空チ ャ ンバ内 を 1 0 To rr オーダーの真空状態 と する こ と で、 装置内部 （膜中） の O , C , N等の残留不純物濃度を 1 0 ^{1 5} - 1 0 ^{1 6} c m— ³ オーダー若 し く はそれ以下に低減でき 、高純度薄 膜の形成が可能 と な る。

本技術を用いれば、 金属， 半導体， 絶縁体 （あ るいは有機物， 無 機物） な どの多種多様な薄膜の形成に対応でき る。

本技術を用いれば、 薄膜のあ ら ゆる結晶構造 （単結晶， 多結晶， アモルフ ァ ス） に対応でき る。 図面の簡単な説明

第 1 図は、 本発明 に係る スパ ッ タ リ ング装置の概念図であ り 、 第 2 図 は、基板温度に よ る 単結晶薄膜の品質度を示すグラ フであ り 、第 3 図は、 スパ ッ タ リ ング法を示す説明図であ る。

1 スノ ッ タ リ ング装置、 1 0 真空チャ ンパ、 1 1 ス ノ ッ タ ガス 注入 口 、 1 2 タ ーゲ ッ ト搬送体、 1 5 スパ ッ タ ガ ス 、 2 0 ス パ ッ タ リ ングス ペー ス 、 2 1 基板保持体 （ ヒ ーター）、 2 6 タ ーゲ ッ ト保 持体（電極）、 2 9 グ リ ッ ド、 3 0 ターゲッ ト 収納ボ ッ ク ス、 4 0 パ スボ ッ ク ス、 5 0 基板 （半導体基板）、 6 0 ターゲ ッ ト 、 7 0 , 7 1 ターボ分子ポンプ、 7 8， 7 9 バルブ

発明 を実施する ための最良の形態

第 1 図に、 本発明に係る スパ ッ タ リ ング装置の概念図を示す なお、 本実施形態では、 ス ノ ッ タ リ ング装置 1 は 、 半導体単結晶薄膜の製造装 置 と して説明する

スノ ッ タ リ ング装置 1 は、 真空チヤ ンノ 1 0 と 、 パス ボ ッ ク ス 4 0 と を備える。

真空チャ ン Λ 1 0 内には、 ス ッ タ リ ングの if われる ス ノヽ ° ッ タ リ ング スぺース 2 0 と 、 ターゲ ッ ト を複数収納でき る タ一ゲ ッ ト収納ボ ッ ク ス

3 0 と を有する

ス ノ ッ タ リ ングス ペー ス 2 0 には、 半導体基板 5 0 を保持する基板保 持体 2 1 と 、 タ一ゲ ッ ト 6 0 を保持する ターゲ ッ ト保持体 2 6 と が、 多 孔性のグ リ ッ ド、 2 9 を挟むよ う に対向 して設け られてレヽる。 タ一ゲ ッ ト 保持体 2 6 は電極でも あ り 、 ス ノ"？ ッ タ ジ ングス ペー ス 2 0 内で単一 の電 極を構成 し、タ ーゲ ッ ト保持体 2 6 と ダ リ ッ ド 2 9 間に電位差を有する。

- こ において、 真空チヤ ンバ 1 0 のスパ ッ タ ガス注入 口 1 1 か ら注入 されたスパ ッ タ ガス (例えば、 A r • o 2 の分子や原子がタ一ゲ ッ ト 6 0 表面に衝突 し 、 衝突に よ り ェネルギ一の授受がな され、 ターケ ッ ト 6 0 の分子や原子が飛び出 して半導体基板 5 0 上に堆積する 二 こ で、 スパ ッ タ ガス と して A r を使用 した %合は、 A r 原子 も不純物 と して膜 中に取 り 込まれる が 、 グ リ ツ ド 2 9 に直流電位を印カロ して基板表面上へ の A r +イ オンの到 量を制御する こ と に よ り 、 A r 原子の膜中への取 り 込み量を低減でき る可能性がある

タ ーゲ ッ ト保持体 2 6 上に载置 される ターゲ ッ h 6 0 は、 タ一ゲ ッ ト 収納ボ ッ ク ス 3 0 に並列 して収納 されている。 タ —ケ ッ h 6 0 を交換す る と.き は、 こ のタ ーゲ ッ ト 収納ボ ク ク ス 3 0 か ら適宜必要なタ一ゲッ ト

6 0 が選択され、 タ一ゲ ッ ト搬送体 1 2 に よ つ て移送 し 、 タ一ゲ ッ ト保 持体 2 6 上に配置 される

タ ーゲ ッ ト 6 0 はターゲ ッ ト収納ボ V ク ス 3 0 に収納 される ので余分 なスペース を と らず 、 真空チャ ン 1 0 を コ ンパタ ト にでき る

ま た、 タ ーゲ ッ ト のサイ ズに特許文献 2 の よ ラ な制約 も な く 、 大型の ターゲッ ト の利用が可能 と な る。 大型のターゲ ク ト を利用でき る ので、 半導体基板 5 0 の大型化も可能 と なる

タ ーゲ ッ ト収納ボ ッ ク ス 3 0 は、多種類のターゲ ッ ト を収納可能 と し、 種々 の半導体基板の作成が可能 と なる。 ターゲ ッ ト の種類 と しては、 例 えば、 I n G a N系の L E D , S i ドープ， M g ドープ， N o n ドープ， 高速 ト ラ ンジス タ S i G e T r 開発用， P型不純物 ドープ， n型不純物 ドープな ど 1 ◦ 種類以上の も のを収納 してお く こ と が好ま しい。

また、 タ ーゲッ ト収納ボ ッ ク ス 3 0 は、 真空チャ ンバ 1 0 に内蔵され た一体型タ イ プの も のであっ て も、 真空チャ ンバ 1 0 に取付 自 在なセパ レー ト タ イ プの も のであっ て も よい。

真空チャ ンバ 1 0 は、 ノ ス ボ ッ クス 4 0 と と も に、 ノ ルブ 7 9 を介 し て真空ポンプのタ ーボ分子ポンプ 7 0 , 7 1 を備える。 真空チャ ンバ 1 0 と パスボ ッ ク ス 4 0 は、 内部を同一真空状態 と する こ と で、 真空状態 を破ら な く て も 、 ルブ 7 8 を介 して真空チャ ン 1 0 と パスボ ッ ク ス 4 0 間の物品の移送を可能 と する。 すなわち、. 真空チャ ンバ 1 0 內の半 導体基板 5 0 やタ ーゲッ ト 6 0 と 、 新規な半導体基板 5 0 やタ ーゲ ッ ト 6 0 と を交換する場合に、 その都度真空状態を破 ら な く て も よ く 、 これ に よ っ て効率の良い運転が行われる。

真空チャ ンバ内は、 1 0一 ¹ 。 To rr オーダーの真空状態 と する こ と で、 装置内部 （膜中） の 0 C N等の残留不純物濃度を 1 0 ^{1 5} 〜 ： L 0 ^{1 6} c m— ³オーダー若 し く はそれ以下にま で低減でき 、デバイ ス用の材料と して利用でき る も の と な る。

なお、 従来のスパ ッ タ リ ング法では、 多 く の場合真空度が 1 0一⁶〜 1 0 一 ⁷ To rr オーダーであ り 、 成膜後の膜中の O , C , N等の残留不純物 濃度が高 く 、 デバイ ス用 の材料と して利用でき ない も のであっ た。

また、 基板保持体 2 1 は ヒ ーター と して半導体基板 5 0 を加熱する。 半導体基板 5 0 を室温〜 1 2 0 0 °Cに加熱する こ と で、 第 2 図に示すよ う に、 高品質の単結晶薄膜の形成が可能 と な る。 なお、 従来のスパ ッ タ リ ング法では、基板の加熱温度の上限が通常 6 0 0 °C程度であったので、 充分な結晶性を有する単結晶膜が得 られなかった。

半導体基板 5 0 と しては、 シ リ コ ン基板， ガラ ス基板， セ ラ ミ ッ ク基 板， 金属基板， 高分子基板な どへの成膜技術が確立でき た。 産業上の利用可能性

本発明は、 半導体製造技術の他、 スパ ッ タ リ ング法を用いたあ ら ゆる 分野の多層薄膜の製造技術に、 幅広 く 利用でき る も のである。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . ス ノ ッ タ リ ン グ法を用いて多層薄膜を連続形成する 多層薄膜連続形 成用超高真空ス パ ッ タ リ ング装置であつ て、

真空チヤ ンパに複数の タ一ゲ ッ 卜 を保有 し、 単一の電極で電極上のタ ーゲ ッ ト を連続的に交換可能 と する ターゲ ッ ト 交換機能を備 た多層薄 膜連続形成用超高寘空スパ ク タ リ ング装置。

2 . ターゲッ ト 交換機能は 、 真空チャ ンバに複数のタ一ゲ ッ ト を収納す る ターゲ ッ ト収納体 と 、

ターゲ ッ ト収納体か ら 択されたターゲッ ト を取 り 出 し、 電極上に配 置する ターゲ ッ ト搬送体 と を こ 求の範囲第 1 項記载の多層薄膜 続形成用超髙真空ス パ ッ タ ジ ング装置

3 . ターゲ ッ ト 収納体は 、 真空チヤ ンノ こ内 又は取付 自 在 と された 求の範囲第 2 項記載の多層薄膜連続形成用超高真空ス ノ ッ タ リ ング装置

4 . 真空ポンプを備えた真空チャ ン と 、 真空 、 ンプを備えたパス ボ シ タ ス と をパルプで連結 し 、 空状態を破らずに真空チャ ンバ と ノ スボ ク ク ス間におけ る基板又はタ一ゲ ッ ト の移送を可能 と する請求の犟 囲第 1 項か ら第 3 項のいずれかに記載の多層薄膜連続形成用超高真空スパ タ リ ング装置。

5 . 基板を室温〜 1 2 0 0 cに加熱する加熱機台 を備えた 求の範囲第

1 項から第 4 項のいずれかに記載の多層薄膜連 形成用超咼真 スパ タ リ ング装置。

6 . 真空チャ ンバ内 を 1 0 - ⁰ To rr ォーダ一の真空状態 と する真空機 を備えた請求の範囲第 1 項から第 5 項のいずれかに記載の多層薄膜連 形成用超髙真空ス パ ッ タ ング装置

7 . ス ノ、。 ッ タ リ ング法を用いて多層薄膜を連続形成する 多層薄膜連 形 成用超高真空スパ ッ タ リ ング方法であって、

真空チャ ンバに保有された複数のターゲ ッ ト か ら一の タ ーゲ ッ ト を選 択する タ一ゲ ッ ト 選択手順と 、

選択 されたタ ーゲ ッ ト を取 り 出 し、 単一の電極上に配置する ターゲ ッ ト搬送手順 と を備え、

単一の電極で電極上のタ ーゲ ッ ト を連続的に交換可能 と する こ と を特 徴 と する多層薄膜連続形成用超高真空ス パ ッ タ リ ン グ方法。