JP3802246B2

JP3802246B2 - Deposition equipment

Info

Publication number: JP3802246B2
Application number: JP31344098A
Authority: JP
Inventors: 牧久小
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 1998-11-04
Filing date: 1998-11-04
Publication date: 2006-07-26
Anticipated expiration: 2018-11-04
Also published as: JP2000144385A

Description

【０００１】
【発明の属する分野】
本発明は、高周波誘導プラズマ発生装置を備えた成膜装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ターゲットに極めて高いエネルギーのビームを当てることによりターゲットを局部的に加熱し、瞬時、ターゲツトを構成している材料を蒸発させ、その蒸発粒子を基板上に膜状に付着させる成膜方式は、ターゲットを成す材料の組成比に忠実な組成比の膜を基板上に得ることが出来る。
【０００３】
図１はこの様な成膜方式を具体化した装置として、レーザーアブレーション蒸着装置の概略を示したものである。
【０００４】
図中１は真空チャンバーで、内部中央にターゲット２が設けられている。該ターゲットは、チャンバー外に設けられた回転駆動機構（モータ等から成る）３の回転軸４上に取り付けられている。該ターゲットの斜め（ターゲット表面に対し大略２０°隔てた）上方に、基板５が配置されている。該基板は、チャンバー外に設けられた回転駆動機構（モータ等から成る）６により回転する基板ホルダー７の先端面に取り付けられている。又、該基板ホルダーの内部には、チャンバー外に設けられた加熱電源（図示せず）から加熱電流が流されるヒータ８が設けられている。９はチャンバー外に設けられたレーザー発生源で、該レーザー発生源からのレーザービームは集束レンズ１０により集光され、チャンバー壁に取り付けられた、例えば石英ガラス製の窓１１を通して前記ターゲット２上に照射される。１２はゲート弁、１３は例えばクライオポンプの如き排気装置である。
【０００５】
次に、この様な装置の成膜動作について説明する。尚、前記ターゲットとしてＹＢＣＯ等の超伝導物質の粉末を焼結させたものを用意し、又、レーザー発生源としてパルスレーザー源を使用する。
【０００６】
先ず、ゲート弁１２を開き、排気装置１３によりチャンバー１内を１０^-6 Ｐａ程度の高真空状態にする。同時に、回転駆動機構３，６によりそれぞれ回転軸４，基板ホルダー７を通じてターゲット２，基板５をそれぞれ回転させる。又、ヒータ８により基板５を加熱する。この状態において、レーザー発生源９からパルス状にレーザービームを発生させ、集光レンズ１０によりターゲット２上に集光させる。すると、レーザービームの当たったターゲット２の部分が極めて高温に加熱され、ターゲット２を成す材料が瞬時蒸発する。この様にターゲット２を成す材料が蒸発することにより、ターゲット２と基板５に間にブルームと称するプラズマ状態の高温蒸気が発生し、基板５上にターゲット２を成す組成材料と同じ組成材料の蒸発粒子が膜状に付着する。
【０００７】
この様な成膜方式は、超伝導膜の形成の他に強誘電体膜等の形成等に応用可能である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
さて、前記レーザーアブレーション蒸着装置は、レーザー発生源の種類にもよるが、大体１００パルス程度で交換する必要がある。即ち、比較的頻繁にレーザー発生源を取り替えねばならなず、操作が厄介である。又、この交換には一般に数１０万円のランニングコストが掛かる。従って、１パルス当たり数１０ｎｍ程度の膜が形成されると考えると、僅か１μｍ成膜するのに数千円から数万円も掛かることになる。そして、成膜面積が大きくなる程、１パルス当たりの成膜レートが落ちるので、前記ターゲットの蒸発にレーザーを使用した成膜装置は極めて費用の掛かるものとなる。
【０００９】
本発明は、この様な問題を解決する新規な成膜装置を提供することを目的としたものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に基づく成膜装置は、真空チャンバー内にターゲットと基板を配置し、ターゲットに光を照射することによりターゲットの組成材料を蒸発させて基板上に膜状に付着させるように成した成膜装置において、真空チャンバー外に高周波プラズマ発生装置を配置し、該高周波プラズマ発生装置により発生された高周波プラズマからの光を透明な窓を介してチャンバー内に集光し、該光がターゲットに照射されるように成したことを特徴とする。
【００１１】
請求項２に基づく成膜装置は、前記窓は集光レンズを成していることを特徴とする。
【００１２】
請求項３に基づく成膜装置は、ガス導入孔が設けられたプラズマ生成用管の周囲にコイルを巻き、このコイルに高周波を供給することにより前記管内に高周波誘導プラズマを発生させ、この高周波誘導プラズマの反先方部からの光がターゲットに照射されるように成したことを特徴とする。
【００１３】
請求項４に基づく成膜装置は、高周波プラズマとターゲットの間にシャッターを設けたことを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１６】
図２は本発明に一例を示した成膜装置の概略図である。図中、前記図１で使用された符号と同一符号の付されたものは同一構成要素である。
【００１７】
図２に示す成膜装置の構成と図１に示す成膜装置の構成とで異なる所は、ターゲットを蒸発させる手段の構成にある。この点について以下に説明する。
【００１８】
図中１４は絶縁性物質で形成された円筒管で、その周囲には高周波電源１５に接続されているＲＦコイル１６が巻かれている。尚、ＲＦコイルを管の内部に埋め込む形で巻く様にしても良い。この管の一方の端部には透明石英ガラス製の蓋１７が設けられており、該蓋に近い箇所にガス導入用の孔１８が設けられている。この管の他方の端部にはチャンバー１９が繋がっており、該チャンバーの先端部には排気装置（図示せず）が繋がっている。尚、前記円筒管１４は、実際には、従来から知られている、内管と外管から成り、これらの管の間に冷却水を流す二重管構造のものが使われている。２０は前記蓋１７に対し一定の間隔を開けてチャンバー１の壁に取り付けられた集束レンズで、２１は蓋１７と集束レンズ２０との間に配置されたシャッターで水冷構造に成っている。
【００１９】
この様な構成の成膜装置の動作を次に説明する。
先ず、ゲート弁１２を開き、排気装置１３によりチャンバー１内を１０^-6 Ｐａ程度の高真空状態にする。同時に、回転駆動機構３，６によりそれぞれ回転軸４，基板ホルダー７を通じてターゲット２，基板５をそれぞれ回転させる。又、ヒータ８により基板５を加熱する。
【００２０】
この状態において、シャッター２１を閉じておき、高周波電源１５からの高周波出力を２ＫＷ程度にし、円筒管１４及びチャンバー１９内を排気装置（図示せず）により１３３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）以下の圧力になるように排気する。そして、孔１８から円筒管１４内に、例えばＡｒガスの如き不活性ガスを３０Ｌ／ｍｉｎ程度に流す。すると、一旦管内に低温プラズマ（グロープラズマ）が励起される。この時点で、管内の圧力は１３３０〜１×１０⁵Ｐａ（１０〜７６０Ｔｏｒｒ）程度になっているが、この圧力状態を保ったままで、高周波電源１５からの高周波出力を１０ＫＷ程度に上昇させ、更に、前記Ａｒガスの他に空気を１０Ｌ／ｍｉｎ程度流し始め、その時点から徐々にＡｒガスの導入量を少なくして行き零にする。そして、高周波出力を３０ＫＷ程度に上昇させる。この様な過程を経ることにより、管内の空気プラズマ（熱プラズマ）が安定したら、前記シャッター２１を開ける。
【００２１】
しかして、管内に発生した熱プラズマから放たれる光は、数１００ｎｍ〜１３００ｎｍの波長の光であり、ＲＦコイル１６から２００ｍｍ程度離れた樹脂を燃焼させる程の高照度光である。この様な高照度光を集光レンズ２０により集光してターゲット２へ当てる。すると、高照度光の当たったターゲットの部分が極めて高温に加熱され、ターゲット２を成す材料が瞬時蒸発する。この様にターゲット２を成す材料が蒸発することにより、ターゲット２と基板５に間にブルームと称するプラズマ状態の高温蒸気が発生し、基板５上にターゲット２を成す組成材料と同じ組成材料の膜が形成される。
【００２２】
尚、前記実施例では、ターゲット２の蒸発に、円筒管１４内に発生した熱プラズマのターゲット側の部分（熱プラズマの反先方部分）からの光を利用するようにたが、チャンバー１９をコンパクトに形成し、その先端に蓋１７を取り付けらる構造にし、熱ブラズマの先方部分からの光を利用するようにしても良い。
【００２３】
又、前記シャッター２２の開閉の周期をコントロールすることにより、熱プラズマからの光ビームをパルス的にターゲットに照射するように成しても良い。この様にすれば、熱プラズマからの光ビームの照射量をターゲットの種類等に応じてコントロールすることに出来る。
【００２４】
又、熱プラズマからの光の光路中にガルバノミラー等からなる走査機構を設け、プラズマからの光でターゲツト上を走査することによって、幅広くターゲット上に光を当てるようにしても良い。この様にすることにより、ターゲットを幅広く使えると共に、基板上での成膜面積の拡大を計ることが可能となる。
【００２５】
又、前記実施例では、熱プラズマを空気で形成したが、他のガス、例えば、酸素ガスや窒素ガス等で形成するようにしても良い。
【００２６】
又、前記実施例では、装置構成を簡単にするために、集光レンズが、熱プラズマからの光をターゲット方向に通す窓の役目を兼ねる様に構成しているが、集光レンズを蓋とチャンバーの間に配置し、チャンバー壁に別に透明な窓を設けても良い。
【００２７】
【発明の効果】
本発明は、高周波誘導熱プラズマからの光を照射することによりターゲットを成す物質を蒸発させ、基板上にターゲットの組成物質と同一物質の膜を付着させるように成したものであり、通常、高周波誘導熱プラズマ源を交換する必要はなく、又、高周波誘導熱プラズマ源の定期点検以外にはメンテナンスは不要なため、長時間安定で連続した光照射が行える。その為、費用的にも操作的にも従来に比べ著しく有利になる。
【００２８】
又、高周波出力や、ＲＦコイルが巻かれた管の径等を変えることにより、種々の強度や断面積の光を得ることが出来るので、成膜応用範囲が拡大する。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の成膜装置の概略を示している。
【図２】本発明の成膜装置の一実施例の概略を示している。
【符号の説明】
１，１９…チャンバー、２…ターゲット、３，６…回転駆動機構、４…回転軸、５…基板、７…基板ホルダー、８…ヒータ、１２…ゲート弁、１３…排気装置、１４…円筒管、１５…高周波電源、１６…ＲＦコイル、１７…蓋、１８…ガス導入用孔、２０…集束レンズ、２１…シャッター[0001]
[Field of the Invention]
The present invention relates to a film forming apparatus provided with a high frequency induction plasma generator.
[0002]
[Prior art]
The film formation method in which the target is heated locally by applying a very high energy beam to the target, the material constituting the target is instantaneously evaporated, and the evaporated particles adhere to the substrate in the form of a film. It is possible to obtain a film having a composition ratio faithful to the composition ratio of the material comprising
[0003]
FIG. 1 shows an outline of a laser ablation vapor deposition apparatus as an apparatus embodying such a film formation method.
[0004]
In the figure, 1 is a vacuum chamber, and a target 2 is provided in the center of the interior. The target is mounted on a rotation shaft 4 of a rotation drive mechanism (comprising a motor or the like) 3 provided outside the chamber. A substrate 5 is disposed obliquely above the target (approximately 20 ° apart from the target surface). The substrate is attached to the front end surface of a substrate holder 7 that is rotated by a rotation drive mechanism (comprising a motor or the like) 6 provided outside the chamber. In addition, a heater 8 is provided inside the substrate holder to allow a heating current to flow from a heating power source (not shown) provided outside the chamber. Reference numeral 9 denotes a laser generation source provided outside the chamber. The laser beam from the laser generation source is collected by the focusing lens 10 and is attached to the chamber wall on the target 2 through a window 11 made of, for example, quartz glass. Irradiated. 12 is a gate valve and 13 is an exhaust device such as a cryopump.
[0005]
Next, the film forming operation of such an apparatus will be described. A target obtained by sintering a powder of a superconducting material such as YBCO is prepared as the target, and a pulse laser source is used as a laser generation source.
[0006]
First, the gate valve 12 is opened, and the inside of the chamber 1 is brought into a high vacuum state of about 10 ⁻⁶ Pa by the exhaust device 13. At the same time, the target 2 and the substrate 5 are rotated by the rotation driving mechanisms 3 and 6 through the rotation shaft 4 and the substrate holder 7, respectively. Further, the substrate 5 is heated by the heater 8. In this state, a laser beam is generated in a pulse form from the laser generation source 9 and is condensed on the target 2 by the condenser lens 10. Then, the portion of the target 2 that has been irradiated with the laser beam is heated to an extremely high temperature, and the material constituting the target 2 is instantly evaporated. When the material forming the target 2 evaporates in this way, a high-temperature vapor in a plasma state called bloom is generated between the target 2 and the substrate 5, and the same composition material as the composition material forming the target 2 is evaporated on the substrate 5. Particles adhere to the film.
[0007]
Such a film formation method can be applied to formation of a ferroelectric film or the like in addition to formation of a superconducting film.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
The laser ablation deposition apparatus needs to be replaced with about 100 pulses, depending on the type of laser source. That is, the laser source must be replaced relatively frequently and is cumbersome to operate. Moreover, this exchange generally requires a running cost of several hundred thousand yen. Accordingly, if it is considered that a film of about several tens of nanometers per pulse is formed, it takes several thousand to several tens of thousands of yen to form a film of only 1 μm. As the film formation area increases, the film formation rate per pulse decreases, so that a film formation apparatus using a laser for evaporation of the target becomes very expensive.
[0009]
An object of the present invention is to provide a novel film forming apparatus that solves such problems.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention, there is provided a film forming apparatus in which a target and a substrate are arranged in a vacuum chamber, and the composition material of the target is evaporated to adhere to the substrate in a film form by irradiating the target with light. In the membrane apparatus, a high-frequency plasma generator is disposed outside the vacuum chamber, the light from the high-frequency plasma generated by the high-frequency plasma generator is condensed into the chamber through a transparent window, and the target is irradiated with the light. It is characterized by being made.
[0011]
The film forming apparatus according to claim 2 is characterized in that the window forms a condensing lens.
[0012]
In the film forming apparatus according to claim 3, a coil is wound around a plasma generating tube provided with a gas introduction hole, and a high frequency induction plasma is generated in the tube by supplying a high frequency to the coil. The target is irradiated with light from the opposite side of the plasma.
[0013]
The film forming apparatus according to claim 4 is characterized in that a shutter is provided between the high-frequency plasma and the target.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0016]
FIG. 2 is a schematic view of a film forming apparatus showing an example of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those used in FIG. 1 denote the same components.
[0017]
The difference between the structure of the film forming apparatus shown in FIG. 2 and the structure of the film forming apparatus shown in FIG. 1 is the structure of the means for evaporating the target. This will be described below.
[0018]
In the figure, reference numeral 14 denotes a cylindrical tube made of an insulating material, around which an RF coil 16 connected to a high-frequency power source 15 is wound. The RF coil may be wound so as to be embedded in the tube. A transparent quartz glass lid 17 is provided at one end of the tube, and a gas introduction hole 18 is provided at a location near the lid. A chamber 19 is connected to the other end of the tube, and an exhaust device (not shown) is connected to the tip of the chamber. The cylindrical tube 14 is actually composed of an inner tube and an outer tube which are conventionally known, and a double tube structure in which cooling water flows between these tubes is used. Reference numeral 20 denotes a focusing lens attached to the wall of the chamber 1 at a predetermined interval with respect to the lid 17, and reference numeral 21 denotes a shutter disposed between the lid 17 and the focusing lens 20 and has a water cooling structure.
[0019]
Next, the operation of the film forming apparatus having such a configuration will be described.
First, the gate valve 12 is opened, and the inside of the chamber 1 is brought into a high vacuum state of about 10 ⁻⁶ Pa by the exhaust device 13. At the same time, the target 2 and the substrate 5 are rotated by the rotation driving mechanisms 3 and 6 through the rotation shaft 4 and the substrate holder 7, respectively. Further, the substrate 5 is heated by the heater 8.
[0020]
In this state, the shutter 21 is closed, the high frequency output from the high frequency power supply 15 is set to about 2 KW, and the pressure in the cylindrical tube 14 and the chamber 19 is 133 Pa (1 Torr) or less by an exhaust device (not shown). Exhaust. Then, an inert gas such as Ar gas is allowed to flow from the hole 18 into the cylindrical tube 14 at about 30 L / min. Then, low temperature plasma (glow plasma) is once excited in the tube. At this time, the pressure in the tube is about 1330 to 1 × 10 ⁵ Pa (10 to 760 Torr), and while maintaining this pressure state, the high frequency output from the high frequency power supply 15 is increased to about 10 KW, In addition to the Ar gas, air is started to flow at about 10 L / min, and from this point, the amount of Ar gas introduced is gradually reduced to zero. Then, the high frequency output is increased to about 30 KW. When the air plasma (thermal plasma) in the tube is stabilized through such a process, the shutter 21 is opened.
[0021]
Therefore, the light emitted from the thermal plasma generated in the tube is light having a wavelength of several hundred nm to 1300 nm, and high illuminance light enough to burn a resin away from the RF coil 16 by about 200 mm. Such high illuminance light is condensed by the condenser lens 20 and applied to the target 2. Then, the portion of the target that has been exposed to high illuminance light is heated to an extremely high temperature, and the material constituting the target 2 is instantly evaporated. As the material forming the target 2 evaporates in this manner, a high-temperature vapor in a plasma state called bloom is generated between the target 2 and the substrate 5, and a film of the same composition material as the composition material forming the target 2 is formed on the substrate 5. Is formed.
[0022]
In the above-described embodiment, the light from the target side portion (the opposite side portion of the thermal plasma) of the thermal plasma generated in the cylindrical tube 14 is used for the evaporation of the target 2, but the chamber 19 is compact. The lid 17 may be attached to the tip thereof, and the light from the front part of the thermal plasma may be used.
[0023]
Further, the target may be irradiated with a light beam from thermal plasma in a pulse manner by controlling the opening / closing cycle of the shutter 22. In this way, the irradiation amount of the light beam from the thermal plasma can be controlled according to the type of the target.
[0024]
In addition, a scanning mechanism including a galvanometer mirror or the like may be provided in the optical path of light from the thermal plasma, and light may be applied to a wide range of targets by scanning the target with light from the plasma. By doing so, it is possible to use a wide range of targets and increase the film-forming area on the substrate.
[0025]
Moreover, in the said Example, although the thermal plasma was formed with air, you may make it form with other gas, for example, oxygen gas, nitrogen gas, etc.
[0026]
In the above embodiment, in order to simplify the apparatus configuration, the condensing lens is configured so as to serve as a window for passing light from the thermal plasma in the target direction. A transparent window may be provided between the chambers and separately provided on the chamber wall.
[0027]
【The invention's effect】
The present invention evaporates a substance that forms a target by irradiating light from a high-frequency induction thermal plasma, and deposits a film of the same substance as the composition material of the target on a substrate. There is no need to replace the induction thermal plasma source, and no maintenance is required other than periodic inspection of the high frequency induction thermal plasma source, so that stable and continuous light irradiation can be performed for a long time. For this reason, both the cost and the operation are remarkably advantageous as compared with the prior art.
[0028]
In addition, by changing the high-frequency output, the diameter of the tube around which the RF coil is wound, etc., light with various intensities and cross-sectional areas can be obtained, so that the film application range is expanded.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows an outline of a conventional film forming apparatus.
FIG. 2 shows an outline of an embodiment of a film forming apparatus of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,19 ... Chamber, 2 ... Target, 3, 6 ... Rotation drive mechanism, 4 ... Rotating shaft, 5 ... Substrate, 7 ... Substrate holder, 8 ... Heater, 12 ... Gate valve, 13 ... Exhaust device, 14 ... Cylindrical tube , 15 ... high frequency power supply, 16 ... RF coil, 17 ... lid, 18 ... hole for introducing gas, 20 ... focusing lens, 21 ... shutter

Claims

真空チャンバー内にターゲットと基板を配置し、ターゲットに光を照射することによりターゲットの組成材料を蒸発させて基板上に膜状に付着させるように成した成膜装置において、真空チャンバー外に高周波プラズマ発生装置を配置し、該高周波プラズマ発生装置により発生された高周波プラズマからの光を透明な窓を介してチャンバー内に集光し、該光がターゲットに照射されるように成したことを特徴とする成膜装置。 In a film forming apparatus in which a target and a substrate are arranged in a vacuum chamber, and the composition material of the target is evaporated to be deposited on the substrate by irradiating the target with light. A generator is arranged, the light from the high-frequency plasma generated by the high-frequency plasma generator is condensed into the chamber through a transparent window, and the target is irradiated with the light. A film forming apparatus.

前記窓は集光レンズを成していることを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。The film forming apparatus according to claim 1 , wherein the window forms a condenser lens.

ガス導入孔が設けられたプラズマ生成用管の周囲にコイルを巻き、このコイルに高周波を供給することにより前記管内に高周波誘導プラズマを発生させ、この高周波誘導プラズマの反先方部からの光がターゲットに照射されるように成したことを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。A coil is wound around a plasma generation tube provided with a gas introduction hole, and a high frequency induction plasma is generated in the tube by supplying a high frequency to the coil, and light from the opposite end portion of the high frequency induction plasma is a target. The film-forming apparatus according to claim 1 , wherein the film-forming apparatus is configured to irradiate the film.

高周波プラズマとターゲットの間にシャッターを設けたことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の成膜装置。 4. The film forming apparatus according to claim 1 , wherein a shutter is provided between the high frequency plasma and the target.