JP2010153757A - Atomic layer growth apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、原子層および分子層単位で薄膜の形成が可能な原子層成長装置に関し、特に、2種類以上の原料ガスを制御性よく安定して供給することができる原子層成長装置に関する。 The present invention relates to an atomic layer growth apparatus capable of forming a thin film in units of atomic layers and molecular layers, and more particularly to an atomic layer growth apparatus capable of stably supplying two or more kinds of source gases with good controllability.
近年、300℃以下の低温で良質な薄膜がより均質な状態で形成可能であるなどの種々の特徴を備える技術として、原子層および分子層単位で薄膜の形成が可能な原子層成長(Atomic Layer Deposition:ALD)法が、注目されている(特許文献1参照)。原子層成長法は、形成しようとする膜を構成する各元素の原料を基板に交互に供給することにより、原子層単位で薄膜を形成する技術である。原子層成長法では、各元素の原料を供給している間に1層あるいはn層(nは2以上の整数)だけを表面に吸着させ、余分な原料は成長に寄与させないようにしている。これを、成長の自己停止作用という。 In recent years, atomic layer growth (atomic layer capable of forming thin films in atomic layer and molecular layer units) is a technology with various features such as the ability to form high-quality thin films in a more homogeneous state at low temperatures of 300 ° C or lower. The Deposition (ALD) method has attracted attention (see Patent Document 1). The atomic layer growth method is a technique for forming a thin film in units of atomic layers by alternately supplying a raw material of each element constituting a film to be formed to a substrate. In the atomic layer growth method, only one layer or n layer (n is an integer of 2 or more) is adsorbed on the surface while the raw materials for each element are supplied, and excess raw materials are prevented from contributing to growth. This is called self-stopping action of growth.
原子層成長法によれば、一般的なCVDに比較して極めて優れた形状適応性と膜厚制御性を併せ持っており、より低温でより広い面積に対して均一な薄膜を再現性よく形成できる技術として、大画面のフラットパネルディスプレイ製造への適用が検討されている。例えば、フラットパネルディスプレイの透明電極に用いられるZnOなどの透明導電体膜の形成に、原子層成長法が検討されている。 The atomic layer growth method has extremely excellent shape adaptability and film thickness controllability compared to general CVD, and can form a uniform thin film with a high reproducibility over a wider area at a lower temperature. As a technology, application to the production of large-screen flat panel displays is being studied. For example, an atomic layer growth method has been studied for forming a transparent conductor film such as ZnO used for a transparent electrode of a flat panel display.
また、上述したような透明導電体膜を用いる場合、導電性を向上させるために、主材料に微量の元素を添加するようにしている。例えば、ZnO膜においては、AlやGaなどが添加されている(非特許文献1参照)。これらの2元系の酸化物からなる膜を原子層成長法で形成する場合、原料ガスを供給する工程において、各金属元素の原料ガスの流量を制御し、所定の比率で同時に供給することになる(非特許文献2参照)。このような供給量の制御においては、よく知られているように、ガスの通路の開度を変化させることで、ガスの流量を可変する流量制御装置が用いられている。 Further, when using the transparent conductor film as described above, a trace amount of element is added to the main material in order to improve conductivity. For example, Al, Ga, or the like is added to the ZnO film (see Non-Patent Document 1). When forming a film made of these binary oxides by atomic layer growth, in the step of supplying the source gas, the flow rate of the source gas of each metal element is controlled and simultaneously supplied at a predetermined ratio. (See Non-Patent Document 2). In the control of the supply amount, as is well known, a flow rate control device is used that varies the flow rate of gas by changing the opening of the gas passage.
しかしながら、工程の短時間化の要求による原料供給時間の短縮化に伴い、流量制御装置の応答が間に合わず、2種類の原料ガスの供給比の制御が不安定になるという問題が発生する。例えば、成膜を行う反応室の容積や、反応室内への原料ガスの供給を複数の方向から行うなどの工夫により、原子層成長の1反応の周期を1秒以下にまで短縮する技術が提案されている(非特許文献3参照)。このような短周期で原料ガスの供給と停止とを繰り返そうとする場合、上述したような流量制御装置では、供給する原料ガスの流量が設定値に到達せずに、1サイクルが終了してしまう。このため、2つのガスの供給比を、設定した値にすることができない。 However, with the shortening of the raw material supply time due to the demand for shortening the process, there is a problem that the response of the flow rate control device is not in time and the control of the supply ratio of the two types of raw material gases becomes unstable. For example, a technique to shorten the cycle of one reaction of atomic layer growth to 1 second or less by devising the volume of the reaction chamber for film formation and supplying the source gas into the reaction chamber from multiple directions is proposed. (See Non-Patent Document 3). When the supply and stop of the source gas are repeated in such a short cycle, the flow rate control device as described above ends one cycle without the flow rate of the supplied source gas reaching the set value. . For this reason, the supply ratio of the two gases cannot be set to a set value.
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、原子層成長において、所望とする供給比で複数の原料ガスが供給できるようにすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to allow a plurality of source gases to be supplied at a desired supply ratio in atomic layer growth.
本発明に係る原子層成長装置は、密閉可能な内部空間を備えた反応容器と、第1金属を含む第1原料を気化することで第1原料ガスを生成する第1原料気化手段と、第2金属を含む第2原料を気化することで第2原料ガスを生成する第2原料気化手段と、第1原料気化手段が生成した第1原料ガスが充填される第1バッファタンクと、第2原料気化手段が生成した第2原料ガスが充填される第2バッファタンクと、第1バッファタンク内の圧力を測定する第1圧力計と、第2バッファタンク内の圧力を測定する第2圧力計と、第1バッファタンクの入力側に設けられて第1原料気化手段が生成した第1原料ガスの充填を制御する第1充填弁と、第2バッファタンクの入力側に設けられて第2原料気化手段が生成した第2原料ガスの充填を制御する第2充填弁と、第1バッファタンクからの第1原料ガスの反応容器に対する供給を制御する第1供給弁と、第2バッファタンクからの第2原料ガスの反応容器に対する供給を制御する第2供給弁と、第1圧力計の圧力計測値により第1充填弁の開度を制御し、第2圧力計の圧力計測値により第2充填弁の開度を制御する制御手段と、反応容器に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、反応容器にパージガスを供給するパージガス供給手段とを少なくとも備えるものである。 An atomic layer growth apparatus according to the present invention includes a reaction vessel having a sealable internal space, a first raw material vaporization unit that generates a first raw material gas by vaporizing a first raw material containing a first metal, A second raw material vaporization means for producing a second raw material gas by vaporizing a second raw material containing two metals, a first buffer tank filled with the first raw material gas produced by the first raw material vaporization means, A second buffer tank filled with the second raw material gas generated by the raw material vaporization means, a first pressure gauge for measuring the pressure in the first buffer tank, and a second pressure gauge for measuring the pressure in the second buffer tank; A first filling valve that is provided on the input side of the first buffer tank and controls the filling of the first raw material gas generated by the first raw material vaporization means, and a second raw material that is provided on the input side of the second buffer tank Control filling of second source gas generated by vaporization means A second filling valve, a first supply valve for controlling the supply of the first source gas from the first buffer tank to the reaction vessel, and a second for controlling the supply of the second source gas from the second buffer tank to the reaction vessel. 2 control valve for controlling the opening degree of the first filling valve by the pressure measurement value of the first pressure gauge and the opening degree of the second filling valve by the pressure measurement value of the second pressure gauge; The apparatus includes at least an oxidizing gas supply means for supplying an oxidizing gas and a purge gas supplying means for supplying a purge gas to the reaction vessel.
上記原子層成長装置において、第1バッファタンクからの第1原料ガスを第1供給弁を介して収容し、かつ、第2バッファタンクからの第2原料ガスを第2供給弁を介して収容するガス混合タンクを備え、第1原料ガスおよび第2原料ガスを、ガス混合タンクで混合して反応容器に導入するようにしてもよい。 In the atomic layer growth apparatus, the first source gas from the first buffer tank is accommodated via the first supply valve, and the second source gas from the second buffer tank is accommodated via the second supply valve. A gas mixing tank may be provided, and the first source gas and the second source gas may be mixed in the gas mixing tank and introduced into the reaction vessel.
以上説明したように、本発明によれば、第1圧力計による第1バッファタンクの圧力計測値により第1原料気化手段側の第1充填弁の開度を制御し、第2圧力計による第2バッファタンクの圧力計測値により第2原料気化手段側の第2充填弁の開度を制御し、第1バッファタンクより第1原料ガスを供給し、第2バッファタンクより第2原料ガスを供給するので、原子層成長において、所望とする供給比で複数の原料ガスが供給できるようになるという優れた効果が得られる。 As described above, according to the present invention, the opening degree of the first filling valve on the first raw material vaporization means side is controlled by the pressure measurement value of the first buffer tank by the first pressure gauge, and the second pressure gauge by the second pressure gauge. 2 The opening of the second filling valve on the second raw material vaporization means side is controlled by the measured pressure value of the second buffer tank, the first raw material gas is supplied from the first buffer tank, and the second raw material gas is supplied from the second buffer tank. Therefore, in the atomic layer growth, an excellent effect is obtained that a plurality of source gases can be supplied at a desired supply ratio.
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図1は、本発明の実施の形態における原子層成長装置の構成を示す構成図である。本実施の形態における原子層成長装置は、まず、気相による膜の成長が行われる反応容器101と、反応容器101の内部に配置された加熱機構を備えた基板台102と、排気機構104とを備える。基板台102の上には、処理対象の基板103が載置される。また、この原子層成長装置は、原料ガスA(第1原料ガス)を供給する原料ガスA供給部105,原料ガスB(第2原料ガス)を供給する原料ガスB供給部106,酸素プラズマやオゾンガスなどの酸化ガスを供給する酸化ガス供給部107,および窒素ガスアルゴンガスなどのパージガスを供給するパージガス供給部108を備える。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration diagram showing a configuration of an atomic layer growth apparatus according to an embodiment of the present invention. The atomic layer growth apparatus in the present embodiment first includes a
また、本実施の形態における原子層成長装置は、酸化ガス供給部107からの酸化ガスの反応容器101に対する導入を制御する酸化ガス供給弁111、およびパージガス供給部108からのパージガスの反応容器101に対する導入を制御するパージガス供給弁112を備える。また、この原子層成長装置は、原料ガスA供給部105および原料ガスB供給部106の動作を制御する制御部109を備える。
In addition, the atomic layer growth apparatus in the present embodiment has an oxidizing
原料ガスA供給部105は、原料A気化器(第1原料気化手段)151,バッファタンクA(第1バッファタンク)152,充填弁A(第1充填弁)153,供給弁A(第1供給弁)154,および圧力計A(第1圧力計)155を備える。また、原料ガスB供給部106は、原料B気化器(第2原料気化手段)161,バッファタンクB(第2バッファタンク)162,充填弁B(第2充填弁)163,供給弁B(第2供給弁)164,および圧力計B(第2圧力計)165を備える。
The raw material gas A
原料A気化器151は、成膜しようとする金属酸化物の金属(第1金属)を含む原料(第1原料)として、例えば、ジエチル亜鉛(Zn(C2H5)2;DEZ)などの有機金属A材料を収容し、収容しているDEZを、例えば30℃に加熱することで気化し、原料ガスAを生成する。また、原料B気化器161は、添加しようとする金属(第2金属)を含む原料(第2原料)として、例えば、トリメチルガリウム(Ga(CH3)3;TMG)などの有機金属B材料を収容し、収容しているTMGを、例えば30℃に加熱することで気化し、原料ガスBを生成する。
The raw
制御部109は、圧力計A155により計測されたバッファタンクA152内の圧力値をもとに、充填弁A153の開度を制御する。また、制御部109は、圧力計B165により計測されたバッファタンクB162内の圧力値をもとに、充填弁B163の開度を制御する。例えば、制御部109は、圧力計A155による計測圧力値が1.5kPaとなるように充填弁A153の開度を制御し、圧力計B165による計測圧力値が1kPaとなるように充填弁B163の開度を制御する。
The
従って、原料A気化器151で生成された原料ガスAは、バッファタンクA152内の圧力が1.5kPaとなるようにバッファタンクA152に充填される。また、原料B気化器161で生成された原料ガスBは、バッファタンクB162内の圧力が1kPaとなるようにバッファタンクB162に充填される。これらの結果、供給弁A154および供給弁B164を開放することで、DEZガスおよびTMGガスは、供給量の比がおおよそ3:2の割合で混合されて、反応容器101に供給されることになる。
Therefore, the raw material gas A generated by the raw
上述したように、本実施の形態における原子層成長装置によれば、2つの原料ガスを、流量制御装置を用いることなく、所望の混合比で反応容器101に供給することができる。また、本実施の形態における原子層成長装置では、各バッファタンク内の圧力値により各原料ガスの供給比を制御しているため、常に設定した比率で各原料ガスが供給できる。この結果、本実施の形態によれば、例えば1秒程度の短周期で原料ガスの供給と停止とを繰り返しても、2つの原料ガスを設定した比率で安定して供給できるようになる。
As described above, according to the atomic layer growth apparatus in the present embodiment, two source gases can be supplied to the
次に、本実施の形態における原子層成長装置を用いた原子層成長法によるGaドープZnO膜の製造方法例について説明する。なお、以降では、原料A気化器151からはDEZガスが常に生成され、原料B気化器161からはTMGガスが常に生成され、前述したように、各原料ガスが常に供給可能な状態とされている。また、酸化ガス供給部107からは、例えば、酸素プラズマよりなる酸化ガスが常に供給可能な状態とされ、パージガス供給部108からは、例えば、窒素ガスが常に供給可能な状態とされている。
Next, an example of a method for producing a Ga-doped ZnO film by an atomic layer growth method using the atomic layer growth apparatus in the present embodiment will be described. In the following, DEZ gas is always generated from the raw
まず、初期段階では、供給弁A154,供給弁B164,酸化ガス供給弁111,およびパージガス供給弁112を閉じ、排気機構104を動作させ、反応容器101の内部を1Pa程度に排気された状態とする。また、基板台102の上に載置されている処理対象の基板103を、100〜300℃に加熱する。例えば、300℃に基板103を加熱しておく。
First, in the initial stage, the supply valve A154, the supply valve B164, the oxidizing
このような初期段階に次いで、原料吸着の過程が開始されると、まず、パージガス供給弁112および酸化ガス供給弁111は閉じた状態を継続し、供給弁A154および供給弁B164を開ける。このことにより、反応容器101の内部に各原料ガスが導入され、導入された各原料ガスが、基板台102の上に載置されている基板103の上に供給される。この原料吸着の過程では、反応容器101の内部が例えば30〜100Paとなる範囲で各原料ガスが供給され、基板103の表面に、例えば1分子層分の吸着層が形成される。
When the raw material adsorption process is started after such an initial stage, first, the purge
次に、約0.1〜0.2秒間の原料吸着の過程が終了してパージの過程が開始されると、まず、供給弁A154および供給弁B164を閉じた状態とし、酸化ガス供給弁111は閉じた状態を継続する。また、パージガス供給弁112を開ける。これらのことにより、反応容器101に導入されていた各原料ガスが、迅速にパージされる。
Next, when the raw material adsorption process for about 0.1 to 0.2 seconds is completed and the purge process is started, first, the supply valve A154 and the supply valve B164 are closed, and the oxidizing
次に、パージの過程が終了して酸化の過程が開始されると、まず、パージガス供給弁112,供給弁A154,および供給弁B164を閉じた状態に継続し、酸化ガス供給弁111を開ける。このことにより、反応容器101の内部に酸化ガスが導入され、導入された酸化ガスが、基板103の上に供給される。例えば、反応容器101の内部が30〜100Pa程度となるように、酸化ガスを供給すればよい。この結果、供給した酸化ガスにより基板103の表面に形成されている吸着層が酸化され、基板103の表面に、1分子層分のGaドープZnO層が形成された状態となる。
Next, when the purge process is completed and the oxidation process is started, first, the purge
次に、酸化の過程が終了してパージの過程が開始されると、まず、酸化ガス供給弁111を閉じ、供給弁A154および供給弁B164は閉じた状態を継続する。また、パージガス供給弁112を開ける。これらのことにより、反応容器101に導入された酸化ガスが、迅速にパージされる。
Next, when the oxidation process is completed and the purge process is started, first, the oxidizing
以上の「原料吸着→パージ→酸化→パージ」を1サイクルとし、これを200サイクル繰り返すことで、基板103の上に膜厚20nm程度のGaドープZnO膜を形成することができる。
The above-mentioned “raw material adsorption → purging → oxidation → purging” is one cycle, and by repeating this 200 cycles, a Ga-doped ZnO film having a thickness of about 20 nm can be formed on the
次に、本実施の形態における原子層成長装置を用いて形成したGaドープZnO膜について説明する。バッファタンクA152の内部圧力を1.5kPa(圧力計A155の計測値)とし、バッファタンクB162の内部圧力を0.2〜1.5kPa(圧力計B165の計測値)の範囲で可変させて形成したGaドープZnO膜の特性を調査する。図2の白四角(◇)に示すように、バッファタンクB162の圧力を増加させ、TMGガス圧/DEZガス圧を大きくすると、形成したGaドープZnO膜の比抵抗が小さくなる。また、図2の黒四角(■)に示すように、バッファタンクB162の圧力を増加させ、TMGガス圧/DEZガス圧を大きくすると、形成したGaドープZnO膜におけるGa/Zn比が大きくなり、GaドープZnO膜中にドープされるGaが増加していることがわかる。 Next, a Ga-doped ZnO film formed using the atomic layer growth apparatus in this embodiment will be described. The internal pressure of the buffer tank A152 was set to 1.5 kPa (measured value of the pressure gauge A155), and the internal pressure of the buffer tank B162 was varied within the range of 0.2 to 1.5 kPa (measured value of the pressure gauge B165). The characteristics of the Ga-doped ZnO film will be investigated. As shown by white squares (◇) in FIG. 2, when the pressure in the buffer tank B162 is increased and the TMG gas pressure / DEZ gas pressure is increased, the specific resistance of the formed Ga-doped ZnO film is decreased. Further, as shown by the black square (■) in FIG. 2, when the pressure of the buffer tank B162 is increased and the TMG gas pressure / DEZ gas pressure is increased, the Ga / Zn ratio in the formed Ga-doped ZnO film is increased, It can be seen that Ga doped in the Ga-doped ZnO film increases.
このように、本実施の形態によれば、バッファタンクA152およびバッファタンクB162の内部圧力を制御することで、GaドープZnO膜における組成の制御および抵抗率の制御ができることがわかる。 As described above, according to the present embodiment, it is understood that the composition and the resistivity of the Ga-doped ZnO film can be controlled by controlling the internal pressures of the buffer tank A152 and the buffer tank B162.
ところで、図3に示すように、原料ガスA供給部105より供給する原料ガスAと原料ガスB供給部106より供給する原料ガスBとを、ガス混合タンク301に混合してから反応容器101に導入してもよい。この場合、ガス混合タンク301内の圧力を圧力計302により測定し、この測定結果が設定値となるように、原料ガスA供給部105より供給する原料ガスAおよび原料ガスB供給部106より供給する原料ガスBの供給量を、供給弁A154および供給弁B164により制御してもよい。ガス混合タンク301に供給された混合ガスの反応容器101に対する供給は、混合ガス供給弁303の開閉により制御される。
By the way, as shown in FIG. 3, the raw material gas A supplied from the raw material gas
101…反応容器、102…基板台、103…基板、104…排気機構、105…原料ガスA供給部、106…原料ガスB供給部、107…酸化ガス供給部、108…酸化ガス供給部、109…制御部、111…酸化ガス供給弁、112…パージガス供給弁、151…原料A気化器(第1原料気化手段)、152…バッファタンクA(第1バッファタンク)、153…充填弁A(第1充填弁)、154…供給弁A(第1供給弁)、155…圧力計A(第1圧力計)、161…原料B気化器(第2原料気化手段)、162…バッファタンクB(第2バッファタンク)、163…充填弁B(第2充填弁)、164…供給弁B(第2供給弁)、165…圧力計B(第2圧力計)。
DESCRIPTION OF
Claims (2)
第1金属を含む第1原料を気化することで第1原料ガスを生成する第1原料気化手段と、
第2金属を含む第2原料を気化することで第2原料ガスを生成する第2原料気化手段と、
前記第1原料気化手段が生成した前記第1原料ガスが充填される第1バッファタンクと、
前記第2原料気化手段が生成した前記第2原料ガスが充填される第2バッファタンクと、
前記第1バッファタンク内の圧力を測定する第1圧力計と、
前記第2バッファタンク内の圧力を測定する第2圧力計と、
前記第1バッファタンクの入力側に設けられて前記第1原料気化手段が生成した前記第1原料ガスの充填を制御する第1充填弁と、
前記第2バッファタンクの入力側に設けられて前記第2原料気化手段が生成した前記第2原料ガスの充填を制御する第2充填弁と、
前記第1バッファタンクからの前記第1原料ガスの前記反応容器に対する供給を制御する第1供給弁と、
前記第2バッファタンクからの前記第2原料ガスの前記反応容器に対する供給を制御する第2供給弁と、
前記第1圧力計の圧力計測値により前記第1充填弁の開度を制御し、前記第2圧力計の圧力計測値により前記第2充填弁の開度を制御する制御手段と、
前記反応容器に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、
前記反応容器にパージガスを供給するパージガス供給手段と
を少なくとも備えることを特徴とする原子層成長装置。 A reaction vessel with a sealable interior space;
First raw material vaporization means for generating a first raw material gas by vaporizing a first raw material containing a first metal;
A second raw material vaporization means for generating a second raw material gas by vaporizing a second raw material containing the second metal;
A first buffer tank filled with the first source gas generated by the first source vaporization means;
A second buffer tank filled with the second raw material gas generated by the second raw material vaporization means;
A first pressure gauge for measuring the pressure in the first buffer tank;
A second pressure gauge for measuring the pressure in the second buffer tank;
A first filling valve that is provided on the input side of the first buffer tank and controls filling of the first raw material gas generated by the first raw material vaporization means;
A second filling valve provided on the input side of the second buffer tank for controlling the filling of the second raw material gas generated by the second raw material vaporization means;
A first supply valve that controls the supply of the first source gas from the first buffer tank to the reaction vessel;
A second supply valve for controlling the supply of the second source gas from the second buffer tank to the reaction vessel;
Control means for controlling the opening of the first filling valve by the pressure measurement value of the first pressure gauge, and for controlling the opening of the second filling valve by the pressure measurement value of the second pressure gauge;
An oxidizing gas supply means for supplying an oxidizing gas to the reaction vessel;
At least a purge gas supply means for supplying a purge gas to the reaction vessel.
前記第1バッファタンクからの前記第1原料ガスを前記第1供給弁を介して収容し、かつ、前記第2バッファタンクからの前記第2原料ガスを前記第2供給弁を介して収容するガス混合タンクを備え、
前記第1原料ガスおよび前記第2原料ガスを、前記ガス混合タンクで混合して前記反応容器に導入する
ことを特徴とする原子層成長装置。 The atomic layer growth apparatus according to claim 1,
Gas that contains the first source gas from the first buffer tank via the first supply valve, and that contains the second source gas from the second buffer tank via the second supply valve Equipped with a mixing tank,
The atomic layer growth apparatus, wherein the first source gas and the second source gas are mixed in the gas mixing tank and introduced into the reaction vessel.
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