JP3834757B2

JP3834757B2 - Ultra high vacuum sputtering apparatus for continuous formation of multilayer thin film and ultra high vacuum sputtering method for continuous formation of multilayer thin film

Info

Publication number: JP3834757B2
Application number: JP2005518109A
Authority: JP
Inventors: 信喜六倉
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-05-31
Filing date: 2004-05-31
Publication date: 2006-10-18
Anticipated expiration: 2024-05-31
Also published as: WO2005116288A1

Description

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。 The present invention relates to an ultra-high vacuum sputtering technique for continuously forming a multilayer thin film by continuously forming a multilayer thin film using a sputtering method.

まず、スパッタリング法について、第３図を用いて説明する。
真空状態に保たれたスパッタリングスペース２０に、基板保持体２１に保持される基板５０と、ターゲット保持体２６に保持されるターゲット６０（Ｔｉ・Ｐｔなど）が対向して配置されている。ターゲット保持体２６は電極を備え、基板５０とターゲット６０との間には電位差を有する。
そして、このようなスパッタリングスペース２０内に、Ａｒ・Ｏ_２などのスパッタガス１５を注入する。すると、スパッタガス分子や原子がターゲット６０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、ターゲット６０の分子や原子が飛び出し、対向する基板５０上に堆積する。これによって、基板５０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いう特徴があり、今後の応用範囲の拡大が期待されている。
このスパッタリング法を用いて、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トを交換することによ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「スパッタリング用マルチターゲット装置」がある。
この特許文献２の「スパッタリング用マルチターゲット装置」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。このため、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工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。
［特許文献１］特開平１０−１５０２１０号公報
［特許文献２］特開２００２−２５６４２５号公報
しかしながら、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ーゲットが配置されるため、ターゲット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ー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。First, the sputtering method will be described with reference to FIG.
A substrate 50 held by the substrate holder 21 and a target 60 (Ti, Pt, etc.) held by the target holder 26 are arranged opposite to each other in the sputtering space 20 maintained in a vacuum state. The target holder 26 includes an electrode, and has a potential difference between the substrate 50 and the target 60.
Then, a sputtering gas 15 such as Ar · O ₂ is injected into the sputtering space 20. Then, sputtering gas molecules and atoms collide with the target 60 surface. Energy is transferred by this collision, and molecules and atoms of the target 60 are ejected and deposited on the opposing substrate 50. Thus, a thin film is formed on the substrate 50 by a sputtering method. This technique is characterized by the ability to form a multilayer thin film relatively easily and inexpensively and with almost no treatment of exhaust gas, and is expected to expand the range of future applications.
As a technique for continuously forming a multilayer film by using this sputtering method, there are many techniques using a method of moving a substrate with multiple electrodes as disclosed in Patent Document 1.
On the other hand, as a technique for continuously forming a multilayer film by exchanging a target with a single electrode, there is a “multi-target apparatus for sputtering” disclosed in Patent Document 2.
In an apparatus for exchanging targets with a single electrode such as the “sputtering multi-target apparatus” of Patent Document 2, a plurality of targets can be exchanged efficiently and in a short time in a vacuum chamber. For this reason, there is an advantage that the sputtering process time can be greatly shortened and film formation characteristics can be easily obtained as compared with the conventional method of moving the substrate with multiple electrodes.
[Patent Document 1] Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-150210 [Patent Document 2] Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-256425 However, the structure of the device disclosed in Patent Document 2 has the following problems.
(1) Since the target is arranged on the turntable, it is difficult to increase the size of the target.
(2) In order to increase the size of the target, the apparatus must be increased in size.
(3) In order to replace a used target, it is necessary to break the vacuum in the vacuum chamber each time.
(4) Since the heating condition of the substrate and the vacuum level of the vacuum chamber are unknown, it seems difficult to form a high-quality multilayer film with high crystallinity.
Therefore, an object of the present invention is to solve these problems and to provide an ultra-high vacuum sputtering technique for continuously forming a multilayer thin film by continuously forming a multilayer thin film using a sputtering method.

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パッタリング装置であって、真空チャンバに複数のターゲットを保有し、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ー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、真空チャンバに複数のター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選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、真空チャンバ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バと、真空ポンプを備えたパスボックスとをバルブで連結し、真空状態を破らずに真空チャンバとパスボックス間における基板又はターゲッ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〜１２００℃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１０^−１０Ｔｏｒｒオーダーの真空状態とする真空機能を備えたことを特徴とする。
第七の発明は、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ーゲット選択手順と、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。
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、そこから、単一電極（ターゲット保持体）へ搬送させることで、装置をコンパクト化できる。また、装置が小型化できれば、装置内（真空チャンバ）を高真空にしやすい。このため、高品質の薄膜形成が可能となる。
（２）複数のターゲットを「ターゲット収納体」に収納させることで、ターゲットの大型化が可能となり、また、多数のターゲットを収納することができる。
（３）ターゲットのサイズと基板のサイズは比例するので、ターゲットを大型化できれば、基板の大型化も可能となる。
（４）新規ターゲットや新規基板を配置する「パスボックス」と「真空チャンバ」をバルブで連結させ、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ーゲットや基板の交換を連続して行え、装置の効率の良い運転が可能となる。
（５）基板を室温〜１２００℃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。
（６）真空チャンバ内を１０^−１０Ｔｏｒｒ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１０^１５〜１０^１６ｃｍ^−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。
（７）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。
（８）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。In order to achieve the above object, a first invention is an ultra-high vacuum sputtering apparatus for continuously forming a multilayer thin film by using a sputtering method, and has a plurality of targets in a vacuum chamber. It is characterized by having a target exchanging function that allows the target on the electrode to be continuously exchanged with one electrode.
According to a second aspect of the present invention, the target exchange function includes a target storage body that stores a plurality of targets in a vacuum chamber, and a target transport body that takes out a target selected from the target storage body and places the target on the electrode. Features.
A third invention is characterized in that the target storage body is built in or attachable to the vacuum chamber.
According to a fourth aspect of the present invention, a vacuum chamber equipped with a vacuum pump and a pass box equipped with a vacuum pump are connected by a valve, and a substrate or a target can be transferred between the vacuum chamber and the pass box without breaking the vacuum state. It is characterized by doing.
The fifth invention is characterized in that it has a heating function for heating the substrate to room temperature to 1200 ° C.
The sixth invention is characterized by having a vacuum function for bringing the inside of the vacuum chamber into a vacuum state of the order of 10 ⁻¹⁰ Torr.
7th invention is the ultra-high vacuum sputtering method for multilayer thin film continuous formation which forms multilayer thin film continuously using sputtering method, Comprising: The target selection procedure which selects one target from the several target held in the vacuum chamber And a target transport procedure for taking out the selected target and placing it on a single electrode, and the target on the electrode can be continuously exchanged with a single electrode.
The multilayer thin film manufacturing technique according to the present invention has the following effects.
(1) The apparatus can be made compact by storing a plurality of targets in a “target storage body” and then transporting the targets to a single electrode (target holding body). Further, if the apparatus can be reduced in size, the inside of the apparatus (vacuum chamber) can be easily made into a high vacuum. For this reason, a high-quality thin film can be formed.
(2) By storing a plurality of targets in the “target storage body”, the target can be enlarged, and a large number of targets can be stored.
(3) Since the size of the target is proportional to the size of the substrate, if the target can be enlarged, the substrate can be enlarged.
(4) A “pass box” and a “vacuum chamber” on which a new target and a new substrate are arranged are connected by a valve so that both are kept in an equivalent vacuum state. As a result, the used target and the substrate can be exchanged continuously without breaking the vacuum, and the apparatus can be operated efficiently.
(5) By heating the substrate to room temperature to 1200 ° C., a high-quality single crystal thin film can be formed.
(6) By setting the inside of the vacuum chamber to a vacuum state of the order of 10 ⁻¹⁰ Torr, the residual impurity concentration inside the device (in the film) such as O, C, N, etc. is on the order of 10 ¹⁵ to 10 ¹⁶ cm ⁻³ or less. And a high-purity thin film can be formed.
(7) If this technique is used, it can respond to formation of various thin films, such as a metal, a semiconductor, and an insulator (or organic substance, inorganic substance).
(8) If this technique is used, it can respond to all the crystal structures (single crystal, polycrystal, amorphous) of a thin film.

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スパッタリング装置、１０真空チャンバ、１１スパッタガス注入口、１２ターゲット搬送体、１５スパッタガス、２０スパッタリングスペース、２１基板保持体（ヒーター）、２６ターゲット保持体（電極）、２９グリッド、３０ターゲット収納ボックス、４０パスボックス、５０基板（半導体基板）、６０ターゲット、７０，７１ターボ分子ポンプ、７８，７９バルブFIG. 1 is a conceptual diagram of a sputtering apparatus according to the present invention, FIG. 2 is a graph showing the quality of a single crystal thin film according to the substrate temperature, and FIG. 3 is an explanatory diagram showing a sputtering method. .
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Sputtering device, 10 Vacuum chamber, 11 Sputter gas inlet, 12 Target carrier, 15 Sputter gas, 20 Sputtering space, 21 Substrate holder (heater), 26 Target holder (electrode), 29 Grid, 30 Target storage box , 40 pass box, 50 substrate (semiconductor substrate), 60 target, 70, 71 turbo molecular pump, 78, 79 valve

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、スパッタリング装置１は、半導体単結晶薄膜の製造装置として説明する。
スパッタリング装置１は、真空チャンバ１０と、パスボックス４０とを備える。
真空チャンバ１０内には、スパッタリングの行われるスパッタリングスペース２０と、ターゲットを複数収納できるターゲット収納ボックス３０とを有する。
スパッタリングスペース２０には、半導体基板５０を保持する基板保持体２１と、ターゲット６０を保持するターゲット保持体２６とが、多孔性のグリッド２９を挟むように対向して設けられている。ターゲット保持体２６は電極でもあり、スパッタリングスペース２０内で単一の電極を構成し、ターゲット保持体２６とグリッド２９間に電位差を有する。
ここにおいて、真空チャンバ１０のスパッタガス注入口１１から注入されたスパッタガス（例えば、Ａｒ・Ｏ_２等）の分子や原子がターゲット６０表面に衝突し、衝突によりエネルギーの授受がなされ、ターゲット６０の分子や原子が飛び出して半導体基板５０上に堆積する。ここで、スパッタガスとしてＡｒを使用した場合は、Ａｒ原子も不純物として膜中に取り込まれるが、グリッド２９に直流電位を印加して基板表面上へのＡｒ＋イオンの到達量を制御することにより、Ａｒ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２６上に載置されるターゲット６０は、ターゲット収納ボックス３０に並列して収納されている。ターゲット６０を交換するときは、このターゲット収納ボックス３０から適宜必要なターゲット６０が選択され、ターゲット搬送体１２によって移送し、ターゲット保持体２６上に配置される。
ターゲット６０はターゲット収納ボックス３０に収納されるので余分なスペースをとらず、真空チャンバ１０をコンパクトにできる。
また、ターゲットのサイズに特許文献２のような制約もなく、大型のターゲットの利用が可能となる。大型のターゲットを利用できるので、半導体基板５０の大型化も可能となる。
ターゲット収納ボックス３０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、ＩｎＧａＮ系のＬＥＤ，Ｓｉドープ，Ｍｇドープ，Ｎｏｎドープ，高速トランジスタＳｉＧｅＴｒ開発用，Ｐ型不純物ドープ，ｎ型不純物ドープなど１０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３０は、真空チャンバ１０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１０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１０は、パスボックス４０とともに、バルブ７９を介して真空ポンプのターボ分子ポンプ７０，７１を備える。真空チャンバ１０とパスボックス４０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、バルブ７８を介して真空チャンバ１０とパスボックス４０間の物品の移送を可能とする。すなわち、真空チャンバ１０内の半導体基板５０やターゲット６０と、新規な半導体基板５０やターゲット６０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、１０^−１０Ｔｏｒｒ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１０^１５〜１０^１６ｃｍ^−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１０^−６〜１０^−７Ｔｏｒｒ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２１はヒーターとして半導体基板５０を加熱する。半導体基板５０を室温〜１２００℃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６００℃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５０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。FIG. 1 shows a conceptual diagram of a sputtering apparatus according to the present invention. In the present embodiment, the sputtering apparatus 1 will be described as a semiconductor single crystal thin film manufacturing apparatus.
The sputtering apparatus 1 includes a vacuum chamber 10 and a pass box 40.
The vacuum chamber 10 includes a sputtering space 20 where sputtering is performed and a target storage box 30 that can store a plurality of targets.
In the sputtering space 20, a substrate holder 21 that holds the semiconductor substrate 50 and a target holder 26 that holds the target 60 are provided facing each other with a porous grid 29 interposed therebetween. The target holder 26 is also an electrode, constitutes a single electrode in the sputtering space 20, and has a potential difference between the target holder 26 and the grid 29.
Here, molecules and atoms of a sputtering gas (for example, Ar.O ₂ ) injected from the sputtering gas inlet 11 of the vacuum chamber 10 collide with the surface of the target 60, and energy is transferred by the collision. Molecules and atoms jump out and are deposited on the semiconductor substrate 50. Here, when Ar is used as the sputtering gas, Ar atoms are also taken into the film as impurities, but by applying a DC potential to the grid 29 to control the amount of Ar + ions reaching the substrate surface, There is a possibility that the amount of Ar atoms taken into the film can be reduced.
The target 60 placed on the target holding body 26 is stored in parallel in the target storage box 30. When replacing the target 60, the necessary target 60 is selected from the target storage box 30 as appropriate, transferred by the target carrier 12, and placed on the target holder 26.
Since the target 60 is stored in the target storage box 30, no extra space is required and the vacuum chamber 10 can be made compact.
In addition, the target size is not limited as in Patent Document 2, and a large target can be used. Since a large target can be used, the semiconductor substrate 50 can be enlarged.
The target storage box 30 can store various types of targets, and various semiconductor substrates can be created. As the types of targets, for example, it is possible to store 10 or more types of InGaN-based LEDs, Si-doped, Mg-doped, Non-doped, high-speed transistor SiGeTr development, P-type impurity doped, n-type impurity doped, etc. preferable.
Further, the target storage box 30 may be an integrated type built in the vacuum chamber 10 or a separate type that can be attached to the vacuum chamber 10.
The vacuum chamber 10 includes a vacuum box turbo molecular pumps 70 and 71 through a valve 79 together with the pass box 40. The vacuum chamber 10 and the pass box 40 have the same vacuum inside, thereby enabling the transfer of articles between the vacuum chamber 10 and the pass box 40 via the valve 78 without breaking the vacuum state. That is, when the semiconductor substrate 50 or the target 60 in the vacuum chamber 10 and the new semiconductor substrate 50 or the target 60 are exchanged, it is not necessary to break the vacuum state each time, thereby performing an efficient operation. .
By setting the vacuum chamber to a vacuum state of the order of 10 ⁻¹⁰ Torr, the residual impurity concentration such as O, C, N, etc. inside the apparatus (in the film) is on the order of 10 ¹⁵ to 10 ¹⁶ cm ⁻³ or lower. It can be reduced and can be used as a material for a device.
In the conventional sputtering method, in many cases, the degree of vacuum is in the order of 10 ⁻⁶ to 10 ⁻⁷ Torr, the concentration of residual impurities such as O, C, and N in the film after film formation is high, and the material for the device It was not available as.
The substrate holder 21 heats the semiconductor substrate 50 as a heater. By heating the semiconductor substrate 50 to room temperature to 1200 ° C., a high-quality single crystal thin film can be formed as shown in FIG. In the conventional sputtering method, since the upper limit of the substrate heating temperature is usually about 600 ° C., a single crystal film having sufficient crystallinity cannot be obtained.
As the semiconductor substrate 50, a film forming technique on a silicon substrate, a glass substrate, a ceramic substrate, a metal substrate, a polymer substrate, or the like has been established.

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。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be widely used not only for semiconductor manufacturing technology but also for manufacturing multilayer thin films in various fields using a sputtering method.

Claims

An ultra-high vacuum sputtering apparatus for continuously forming a multilayer thin film using a sputtering method,
A plurality of targets are stored outside the sputtering space of the vacuum chamber by a target storage body that stores a plurality of targets in parallel, and a necessary target is appropriately selected from the target storage body that can be moved up and down, and the selected target is taken out. The target chamber on the electrode in the sputtering space is equipped with a target exchange function that allows the target on the electrode to be continuously exchanged with a single electrode . While being able to accommodate various types of thin films by accommodating various types of targets ,
A vacuum chamber equipped with a vacuum pump and a pass box equipped with a vacuum pump are connected by a valve, so that the substrate or target can be exchanged between the inside and outside of the vacuum chamber without breaking the vacuum state of the vacuum chamber. multilayer thin continuous forming ultra-high vacuum sputtering system.